도시 하수 슬러지에서 인을 회수하기 위한 다양한 솔루션

인은 천연 공급량이 빠르게 감소하고 있는 핵심 광물 자원입니다. 이에 따라 독일 정부는 2029년부터 하수 슬러지에 포함된 인의 대부분을 회수하도록 법령으로 규정했습니다. 고출력 초음파를 도입하면 도시 하수 슬러지에서 인 회수를 강화할 수 있는 다양한 방법이 열립니다.

하수 슬러지 처리 시설과 인 재활용

인은 비료와 정밀화학 및 제약 산업의 원료로 널리 사용되는 핵심 원소입니다. 이용 가능한 자원이 빠르게 줄어들면서 독일 정부는 모든 도시 하수 처리 시설이 도시 하수 슬러지에서 인을 회수하기 위한 조치를 마련하도록 하는 법률을 시행했습니다. 고성능 초음파를 도입하면 인 회수 효율을 크게 높이는 다양한 처리 방법을 활용할 수 있습니다.

하수 처리 시설은 슬러지 소화와 인 등의 영양소 회수를 개선하기 위해 초음파를 사용합니다.

인 회수 개선을 위한 초음파 하수 슬러지 파쇄

하수 슬러지에 강력한 초음파를 조사하면 하수 슬러지 내 바이오매스의 파쇄가 개선된다는 사실이 명확히 입증되었습니다. 수많은 연구에서 잉여 활성슬러지의 초음파 처리 효과가 확인되었으며, 독일의 도시 하수 처리장에서는 다양한 산업용 초음파 시스템이 가동되고 있습니다.
하수 슬러지 내 기질을 초음파로 전처리하면 혐기성 소화 공정에 여러 가지 유익한 효과를 얻을 수 있습니다. 이러한 효과에는 입자 크기 감소, 가수분해 속도 증가, 수리학적 체류 시간 단축이 포함됩니다.
고강도 / 저주파 초음파가 생성하는 캐비테이션 전단력은 슬러지 플록의 형태와 슬러지 내 미생물 구조를 붕괴시킵니다.
Nguyen 연구팀은 연구를 통해 다음과 같이 입증했습니다. “초음파 적용은 바이오매스의 입자 크기를 줄이는 데 매우 효과적이며, 초음파 조사 시간과 강도에 비례하여 평균 입자 크기를 >78.78%로 감소시켰습니다. 이는 초음파 처리 시간과 플록 입자 크기 사이의 반비례 관계에 따라 슬러지 입자가 파쇄되고 슬러지 입자 크기가 감소했음을 나타냅니다. 처리 전 슬러지 플록을 관찰한 결과, 슬러지 플록은 조밀하고 매우 치밀했으며, 치밀한 핵을 가진 다수의 하위 구획, 세포 군집, 세균 집락, 원생동물, 사상성 세균 등으로 구성되어 있었음에도 불구하고 초음파 적용은 매우 효과적이었습니다. 유출수 분석 결과, 초음파 공정은 모든 크기의 슬러지 플록에서 구조적 완전성을 현저히 붕괴시켰습니다. 최적의 처리 조건에서 플록 조각은 ≤6.5 μm까지 작아졌으며, 20 kHz의 낮은 초음파 주파수로 5–10 min 동안 초음파 처리한 후 슬러지 슬러리 내에서 용해되었습니다.” (Nguyen et al., 2015)
효율적으로 파쇄된 하수 슬러지, 즉 초음파 처리된 슬러지는 분리 특성이 크게 개선되어 바이오매스와 겔 형태의 분획뿐 아니라 물에서도 인이 풍부한 분획을 분리할 수 있습니다. 초음파 캐비테이션은 하수 슬러지 내 바이오매스의 세포 구조를 파괴하고, 이후 (i) 셀룰로오스가 풍부한 섬유, (ii) 영양분이 풍부한 겔, (iii) 쉽게 발효할 수 있는 액체의 세 가지 분획으로 분리하기 쉽게 만듭니다. 이 세 가지 슬러지 분획은 인 회수, 중금속 제거 등의 추가 처리를 거칠 수 있습니다.

초음파로 강화한 인의 습식 화학적 침전

초음파 처리는 무기질, 입자 및 결정의 성공적이고 효과적인 침전을 위해 화학 분야에서 오래전부터 사용해 온 잘 알려진 기법입니다. 하수 슬러지에서 인을 회수할 때는 스트루바이트 침전을 촉진하고 가속하기 위해 초음파 처리를 적용합니다. 스트루바이트(인산마그네슘암모늄)는 화학식이 NH₄MgPO₄·6H₂ O인 인산염 광물로, 폐슬러지에서 결합된 형태의 인을 제거하는 간단한 해결책을 제공합니다.
스트루바이트 결정화 / 침전 과정에서는 PO₄^3-, NH₄⁺ 및 Mg²⁺ 이온이 스트루바이트 침전으로 인해 액상에서 제거되며, 이는 반응이 평형에 도달할 때까지 계속됩니다.

양돈 폐수에서 침전된 스트루바이트 결정.
(사진 및 연구: ©Kim et al. 2017)

스트루바이트 침전 공정 전에 슬러지 전처리로 초음파 처리를 적용하면, 초음파로 유도된 캐비테이션이 분자 수준에서 철저한 혼합을 일으켜 결정 성장에 필요한 활성 표면적을 제공합니다. 세포외 및 세포내 물질의 가용화 속도 증가는 NH₄⁺ 및 PO₄^3- 이온의 생체이용률을 높여 스트루바이트 침전을 더욱 촉진합니다. 초음파 처리는 초음파 캐비테이션을 통해 슬러리 내 물질 전달을 촉진합니다.
초음파 처리는 수열 탄화액에도 적용할 수 있으며, 초음파 보조 추출 및 침전을 통해 수열 탄화액에서 인을 스트루바이트 형태로 재활용합니다.
하수 슬러지에서 인을 회수하기 위한 대규모 스트루바이트 침전에 대해 자세히 알아보세요!

하수 슬러지에서 인을 방출하기 위한 초음파–펜톤 처리

Gong 등의 연구(2015)는 하수 슬러지 파쇄를 위한 초음파–펜톤 복합 전처리의 효율성을 입증했습니다. 이 전처리는 소노–펜톤 전처리라고도 합니다. 초음파–펜톤 처리를 적용하면 탄소, 질소 및 인의 방출이 크게 증가했습니다. 초음파–펜톤 처리는 펜톤 처리만 적용한 경우와 비교하여 총질소(N)와 인(P)을 각각 1.7배 및 2.2배 증가시켰습니다. 주사 전자 현미경 관찰 결과, 초음파–펜톤 처리 후 슬러지는 입자 크기가 상당히 작아지고 미세구조가 더 느슨해졌습니다. 전자 스핀 공명으로 측정한 최고 OH• 신호 강도는 펜톤 처리 시 568.7에서 초음파–펜톤 처리 후 1106.3으로 증가했습니다. 이는 초음파–펜톤 처리가 슬러지 파쇄를 유도하고 유기 탄소, 질소 및 인의 방출을 크게 향상시킨다는 것을 입증했습니다.

초음파로 성능을 강화한 미생물 연료전지

하수 슬러지의 초음파 전처리는 슬러지 매트릭스 내 다양한 유기 화합물의 가용화를 촉진하며, 이는 이어서 미생물 전기수소생성을 가속합니다.
More와 Ghangrekar(2010)는 초음파 전처리가 미생물 연료전지에 미치는 유익한 효과가 효소 활성의 향상과 세포외 단백질, 다당류 및 효소의 가용성 증가에 기인한다고 설명합니다. 이러한 물질은 초음파에 의한 세포막 천공과 세포 파쇄를 통해 슬러지 플록의 내층에서 외층으로 방출되어 기질 이용 효율을 높입니다. 미생물 연료전지에서 전력 회수를 개선하려면 박테리아가 세포외 고체 물질로 전자를 전달하는 능력을 향상시켜야 합니다. 이러한 세포외 전자 전달은 세포 표면과 고체 표면의 직접 접촉을 통해 일어나거나, 이른바 외인성 및 내인성 매개체를 통해 간접적으로 일어날 수 있습니다. 박테리아와 전극 표면 사이에서 전자가 직접 전달되려면 전자가 세포의 외막에 도달해야 합니다. 이러한 현상은 공급된 비에너지가 적절했을 때 접종원에 적용한 초음파 전처리로 인해 발생했을 수 있으며, 이에 따라 더 높은 쿨롱 효율에 유리하게 작용했을 수 있습니다.
초음파로 성능을 강화한 미생물 전기분해 공정은 슬러지 처리를 위한 후속 발효 공정과 결합할 수 있습니다.

초음파–전기화학적 하수 슬러지 처리

전기응집은 폐수에 쉽게 적용할 수 있는 간단한 공정으로, 대용량을 효율적이고 경제적으로 처리할 수 있습니다. 초음파 처리는 전극에 부동태층이 형성되는 것을 방지하여 전기응집 공정의 주요 단점을 극복하는 데 도움이 됩니다. 시간이 지남에 따라 전극 표면에 형성되는 부동태 피막은 전기응집 시스템의 효율을 크게 떨어뜨립니다. 초음파는 운전 중 이러한 부동태층을 지속적으로 제거하는 간편한 방법이며, 동시에 초음파 처리는 전기응집 시스템의 처리량을 증가시킵니다. 초음파는 전극 표면에 형성된 침전물을 파쇄하고, 캐비테이션 현상이 일어나는 동안 용액 내부에 고압 지점을 형성하여 오염물질을 제거하는 다량의 라디칼종을 생성합니다. 전기응집과 초음파를 결합하면 캐비테이션이나 미세유동에 의해 전극에 새로운 표면이 생성되며, 물질 전달 속도가 증가하여 분포층 두께의 감소가 더욱 촉진됩니다. 초음파 전기응집은 전기응집에 비해 응집제 생성량을 증가시키며, 강력한 혼합과 자유 라디칼 생성에 따른 산화로 플록 형성이 향상됩니다. 따라서 최단 시간에 원하는 효율에 도달할 수 있습니다.
(Moradi et al., 2021)

초음파 전기화학 및 초음파 전기응집의 장점

“초음파 전기화학은 전기화학 시스템에 초음파 에너지를 결합하는 것으로, 전극 표면의 기포 제거, 용액 탈기, 네른스트 확산층 교란, 이중층을 통한 전기활성종의 물질 전달 향상, 전극 표면의 활성화 및 세척 등 여러 장점을 제공합니다. 이러한 전기화학적 이점은 공정 효율(전극 효율 및 전류 효율) 향상, 전기화학 반응 속도 및 수율 증가, 전지 전압 및 전극 과전압 감소, 경도·품질·기공률·두께 측면에서 전착 물질의 개선, 전극 오염 및 전극 표면에서의 탈기 억제로 이어집니다.” (Foroughi et al., 2021)
초음파 전기화학 장비와 그 응용 분야에 대해 자세히 알아보세요!

하수 슬러지 처리를 위한 산업용 초음파 시스템

Hielscher Ultrasonics의 고성능 시스템은 폐수 및 하수 슬러지 처리장에서 신뢰할 수 있는 핵심 장비로 활용됩니다. Hielscher 초음파 시스템은 20kHz의 고출력 초음파를 전달하여 강력한 음향 캐비테이션을 생성합니다. 당사의 고출력 초음파 처리 효과에는 세포 파쇄와 파쇄 작용, 높은 물질 전달, 소독, 고분자 분해, 효소 방출 및 슬러지 균질화가 포함됩니다. 고강도 초음파 처리는 산화성 라디칼을 생성하고 핵생성 부위를 증가시켜 처리 효율을 향상시키며, 더 나은 응집과 플록 형성을 보장합니다. 이러한 강력한 초음파 캐비테이션 힘과 그 효과를 안정적이고 지속적으로 발생시킬 수 있으므로, 당사의 강력한 초음파 처리기를 다양한 응용 분야에 통합하여 하수 슬러지에서 에너지 및 영양분 회수를 향상시킬 수 있습니다.

• 하수 슬러지의 초음파 파쇄
• 초음파로 강화된 혐기성 소화
• 유용한 영양분(인, 질소, 마그네슘, 칼슘, 칼륨 등) 회수
• 중금속 등의 오염물질 제거

다양한 크기의 유통식 반응기를 갖춘 초음파 처리기를 제공하는 Hielscher Ultrasonics는 귀사의 하수 슬러지 처리 시설에 이상적인 초음파 폐수 및 슬러지 처리 시스템을 보유하고 있습니다.
모듈식 설계로 여러 초음파 장치를 간단하게 병렬 설치할 수 있어, 어떤 용량이든 안정적이고 효율적으로 처리할 수 있습니다.
Hielscher의 고출력 / 고처리량 초음파 시스템은 하수 슬러지 내 바이오매스 처리의 효율과 수율을 높입니다.
당사의 모든 초음파 장치에는 제자리 세정(CIP) 기능이 있습니다.
까다로운 처리에 적합: 하수 슬러지에는 파쇄하기 어려운 셀룰로오스 함량이 높은 섬유질 물질이 흔히 포함되어 있습니다. Hielscher Ultrasonics의 산업용 초음파 프로세서는 매우 높은 진폭을 제공할 수 있습니다. 최대 200µm의 진폭으로도 손쉽게 24/7 연속 운전할 수 있습니다. 더 높은 진폭이 필요한 경우 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다. 이러한 높은 진폭은 셀룰로오스와 리그닌의 세포 구조 및 다른 물질의 견고한 세포벽을 파쇄하는 효과적인 방법입니다. 당사 플로우 셀 반응기의 최적화된 설계는 이상적인 유동 패턴과 투입 슬러지의 균일하고 효율적인 초음파 처리를 보장합니다.

하수 슬러지 처리장의 시스템 통합업체 및 엔지니어와 협력합니다

Hielscher Ultrasonics는 고성능 초음파 모듈 장치의 제조업체이자 시스템 구축업체로서 시스템 통합업체와 협력합니다. 폐수 및 하수 슬러지 처리장 운영자 대부분은 이러한 정화 시설의 설계와 자동화에 풍부한 경험을 갖춘 시스템 통합업체와 협력합니다. 당사의 설계 엔지니어 및 기술 엔지니어 팀은 목표 슬러지 부피에 최적인 초음파 구성을 추천하고, 상세한 시스템 정보와 CAD 도면은 물론 설치 서비스와 운전 교육도 제공합니다. 이를 통해 하수 처리장에 고성능 초음파를 통합하는 작업을 건설적이고 목표 지향적으로 수행할 수 있습니다. 슬러지 처리를 개선하기 위해 당사의 초음파 프로세서를 통합하는 데 관심이 있으시면 문의해 주십시오!

아래 표는 당사 초음파 장치의 대략적인 처리 용량을 보여 줍니다:

Hielscher 초음파 하수 슬러지 처리 시스템, 설치 옵션 및 기술 정보에 관한 자세한 내용을 알아보려면 지금 문의해 주십시오!