학술논문
하수슬러지를 이용한 산성광산배수 처리용 생체흡착제 제조 및 공정 개발 / Development of biosorbent derived from sewage-sludge and AMD-treating process
Document Type
Dissertation/ Thesis
Author
Source
Subject
Language
Korean
Abstract
The aim of this work was to determine the potential recycling of sewage sludge as a biosorbent for removing some metal/metalloid from aqueous solution and Acid Mine Drainage. Sewage sludge tends to concentrate heavy metals, poorly biodegradable, and possibility of contain pathogenic organisms. Therefore, raw sewage sludge is a potential health and environmental hazard. Large amounts of sewage sludge were disposed of by ocean dumping. However, nowadays sewage sludge ocean dumping is prohibited all over the world. Thus, the main issues of sludge disposal are to find/develop more efficient, economical and sustainable technologies in sludge disposal.Acid mine drainage (AMD) refers to the outflow of acidic water from metal mines or coal mines. In addition to its acidity, AMD contains a large amount of metals such as toxic arsenic, cadmium and iron. For the reasons, AMD causes serious damages such as a yellow-boy phenomenon on aquatic and soil environments. Among various techniques that can be used to remove metals dissolved in aquatic systems, biosorption has been known to be a cheap and effective one. Thus AMD can be treated by the biosorption method cost-effectively and environment-friendly. When using untreated sludge by adsorbent, difficult to solid-liquid separation and inability to regenerate/reuse problems. To solve this problem, using immobilization technology was used to immobilize sewage sludge waste. Natural polymers, especially alginate and chitosan have been widely used in immobilization for biosorption studies. Biosorbents, which were manufactured from sludge Ca-alginate(SCA) and sludge Chitosan(CS), were used for removal metal/metalloid.Various manufacturing parameters were examined and the optimum condition for manufacturing each biosorbent was evaluated in batch system. Kinetic and equilibrium experiments for the removal of various cationic and anionic metals by SCA and SC were conducted, which were Al(III), As(V), Cd(II), Cu(II), Cr(III), Fe(II), Ni(II), Pb(II), Zn(II), Mn(II), Cr(VI), and Mn(VII). The kinetic data were modeled by the pseudo-first order model and pseudo-second order model. The equilibrium data were modeled by the Langmuir model than Freundlich model. Most of the metals were well fitted by the pseudo second-order model and Langmuir model. The maximum biosorption capacities of SCA were determined to be 27 mg/g of Al(III), 5.55 mg/g of As(V), 67.29 mg/g of Cd(II), 48.66 mg/g of Cu(II), 36.00 mg/g of Cr(III), 31.36 mg/g of Ni(II), 98.45 mg/g of Pb(II), 36.92 mg/g of Zn(II), 33.38 mg/g of Mn(VII), 28.17 mg/g of Fe(II), and those of SC were 42.25 mg/g of As(V), 28.69 mg/g of Cd(II), 70.79 mg/g of Cr(VI), and 284.11 mg/g of Mn(VII). These results showed that SCA and SC could adsorb various cationic and anionic metals. Thus the sludge-based adsorbents can be used to treat AMD containing both cationic metals and anionic metals. To develop a continuous process for AMD treatment using the biosorbents (SCA and SC), the effects of their mixing ratio on the removals of cationic metal, Cd(II), and anionic metal, As(V), were examined. The solution pH was the most important parameter for the removals of both metals. In consideration of the optimum pH condition, new type of continuous biosorption process was developed and its performance was evaluated with synthetic metal mixture and actual AMD solution. In conclusion, AMD containing various metals could be cheaply and satisfactorily treated by efficient biosorbents derived from activated sludge waste.
본 연구에서는 국내 3대 유기성폐기물 중 하나인 하수슬러지를 이용하여 새로운 형태의 고성능 양이온, 음이온 오염물질 흡착제를 개발하고 여러 금속에 대한 흡착성능을 평가하였으며, 연속 공정을 위한 최적 실험 조건을 설정하였다. 또한, 실험을 통해 얻은 최적 조건을 적용하여 연속 공정을 개발하였으며, 최종적으로 실제 폐수인 산성광산배수에 개발한 연속 공정을 적용하여 처리 성능을 확인하였다. 하수슬러지를 흡착제의 원료로 사용한 이유는 하수슬러지의 해양투기가 전 세계적으로 금지되어 슬러지의 처리가 새로운 문제점으로 대두되고 있기 때문이다. 이러한 상황에서 하수슬러지를 이용한 생체흡착제를 개발하고 사용할 수 있다면 슬러지 처리비용 절감과 폐기물 재활용, 수계 내의 오염물질 처리 등이 가능하여 경제적인 면과 환경적인 면에서 긍정적인 효과를 얻을 수 있을 것으로 예상되어 연구를 진행하였다. 본 실험에는 중금속 처리기술 중 하나인 생체흡착기술을 사용하였으며, 하수슬러지를 생체흡착제로 사용하기 위해 고정화 방법을 사용하여 흡착제를 제조하였다. 하수슬러지는 기본적으로 흡착성능을 가지고 있기 때문에 흡착제로 바로 사용이 가능하지만 그럴 경우, 유기물 유출, 고액분리의 어려움, 흡착제의 회수 문제 등이 있어 고정화를 통해 이러한 문제를 해결하였다. 고정화 물질로는 천연고분자 물질인 Alginate와 Chitosan을 사용하였으며, 흡착제 경화를 위해 CaCl2와 NaOH를 사용하였다.흡착제 제조 조건은 Sludge Ca-alginate(SCA)의 경우, 물질의 제거효율과 가격적인 측면을 고려하여 Alginate 1%, 슬러지 4%, 흡착제 직경 0.3~0.4 mm로 설정하였으며 양이온 금속 흡착에 탁월한 효과를 보이는 것을 확인할 수 있었다. Sludge Chitosan(SC)는 Chitosan 4%, Sludge 6%, 흡착제 직경 0.2~0.3 mm로 최적조건을 설정하여 흡착제를 제조하였으며 음이온 금속 제거에 탁월한 효과를 보였다. 개발한 흡착제를 이용하여 여러 금속에 대한 성능평가를 진행한 결과, 기존 연구결과들에서 보고된 하수슬러지 기반의 흡착제들에 비해 우수한 성능을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 흡착제를 양이온 금속과 음이온 금속이 모두 존재하는 실폐수에 적용하기 위해 두 흡착제를 혼합하여 최적 조건을 설정하는 실험을 진행하였으며, 실험결과, 최적 pH는 6, 흡착제의 최적 비율은 SCA를 25%, SC를 75% 임을 확인할 수 있었다. 또한 실폐수 처리를 위해 연속 공정을 개발된 흡착제에 적용시켜 보았으며, 실험은 흡착제 연속 공정 실험에서 가장 많이 사용되는 Column 시스템을 채택하여 진행하였다. 그 결과, SCA의 경우 기존 Column 시스템에도 적용이 가능하였으나 SC의 경우는 Column 내부의 pH 상승으로 인해 기존의 Column 시스템으로는 효율적인 처리가 되지 않는 것을 확인하였다. 이러한 문제를 해결하기 위해 내부순환으로 pH를 일정하게 유지시켜주는 형태의 Column 시스템을 개발하여 운전을 진행하였다.최종적으로 앞서 개발한 연속 공정 시스템에 산성광산배수를 적용시켜 보았다. 실험결과, 산성광산배수에 포함되어 있는 모든 중금속이 완벽하게 제거되지는 않았으나 일정량 제거되는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 국내 3대 유기성폐기물 중 하나인 하수슬러지를 이용하여 새로운 형태의 고성능 양이온, 음이온 오염물질 흡착제를 개발하고 여러 금속에 대한 흡착성능을 평가하였으며, 연속 공정을 위한 최적 실험 조건을 설정하였다. 또한, 실험을 통해 얻은 최적 조건을 적용하여 연속 공정을 개발하였으며, 최종적으로 실제 폐수인 산성광산배수에 개발한 연속 공정을 적용하여 처리 성능을 확인하였다. 하수슬러지를 흡착제의 원료로 사용한 이유는 하수슬러지의 해양투기가 전 세계적으로 금지되어 슬러지의 처리가 새로운 문제점으로 대두되고 있기 때문이다. 이러한 상황에서 하수슬러지를 이용한 생체흡착제를 개발하고 사용할 수 있다면 슬러지 처리비용 절감과 폐기물 재활용, 수계 내의 오염물질 처리 등이 가능하여 경제적인 면과 환경적인 면에서 긍정적인 효과를 얻을 수 있을 것으로 예상되어 연구를 진행하였다. 본 실험에는 중금속 처리기술 중 하나인 생체흡착기술을 사용하였으며, 하수슬러지를 생체흡착제로 사용하기 위해 고정화 방법을 사용하여 흡착제를 제조하였다. 하수슬러지는 기본적으로 흡착성능을 가지고 있기 때문에 흡착제로 바로 사용이 가능하지만 그럴 경우, 유기물 유출, 고액분리의 어려움, 흡착제의 회수 문제 등이 있어 고정화를 통해 이러한 문제를 해결하였다. 고정화 물질로는 천연고분자 물질인 Alginate와 Chitosan을 사용하였으며, 흡착제 경화를 위해 CaCl2와 NaOH를 사용하였다.흡착제 제조 조건은 Sludge Ca-alginate(SCA)의 경우, 물질의 제거효율과 가격적인 측면을 고려하여 Alginate 1%, 슬러지 4%, 흡착제 직경 0.3~0.4 mm로 설정하였으며 양이온 금속 흡착에 탁월한 효과를 보이는 것을 확인할 수 있었다. Sludge Chitosan(SC)는 Chitosan 4%, Sludge 6%, 흡착제 직경 0.2~0.3 mm로 최적조건을 설정하여 흡착제를 제조하였으며 음이온 금속 제거에 탁월한 효과를 보였다. 개발한 흡착제를 이용하여 여러 금속에 대한 성능평가를 진행한 결과, 기존 연구결과들에서 보고된 하수슬러지 기반의 흡착제들에 비해 우수한 성능을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 흡착제를 양이온 금속과 음이온 금속이 모두 존재하는 실폐수에 적용하기 위해 두 흡착제를 혼합하여 최적 조건을 설정하는 실험을 진행하였으며, 실험결과, 최적 pH는 6, 흡착제의 최적 비율은 SCA를 25%, SC를 75% 임을 확인할 수 있었다. 또한 실폐수 처리를 위해 연속 공정을 개발된 흡착제에 적용시켜 보았으며, 실험은 흡착제 연속 공정 실험에서 가장 많이 사용되는 Column 시스템을 채택하여 진행하였다. 그 결과, SCA의 경우 기존 Column 시스템에도 적용이 가능하였으나 SC의 경우는 Column 내부의 pH 상승으로 인해 기존의 Column 시스템으로는 효율적인 처리가 되지 않는 것을 확인하였다. 이러한 문제를 해결하기 위해 내부순환으로 pH를 일정하게 유지시켜주는 형태의 Column 시스템을 개발하여 운전을 진행하였다.최종적으로 앞서 개발한 연속 공정 시스템에 산성광산배수를 적용시켜 보았다. 실험결과, 산성광산배수에 포함되어 있는 모든 중금속이 완벽하게 제거되지는 않았으나 일정량 제거되는 것을 확인할 수 있었다.