하수 슬러지를 고부가가치 활성탄으로 전환하는 지속가능한 공정 개발

폐수 처리에서 나오는 하수 슬러지(sewage sludge)를 다양한 산업 및 주거 분야에서 사용할 수 있는 고부가가치 활성탄으로 전환하는 간단하고 지속가능한 방법이 개발됐다.

변기 물을 내리거나 싱크대 물을 내리며 세탁을 하고 나면 폐수는 하수 시스템을 통해 폐수처리 시설로 이동한다. 그 결과 중금속, 화학물질, 병원균을 함유할 수 있는 고형 폐기물인 하수 슬러지가 남게 된다. 오염 물질 함량이 높은 하수 슬러지는 전 세계적으로 많은 양이 생산되어 환경 문제를 야기하게 된다.

하지만 최근 스페인 코르도바대학 연구진이 하수 슬러지를 고부가가치 활성탄으로 전환하는 지속가능하고 간단한 방법을 개발했다고 7일 밝혔다.

최근 몇 년 동안 불활성 대기에서 고온으로 물질을 열분해하여 하수 슬러지를 가치 있는 활성탄으로 전환하는 방법이 관심을 불러일으키고 있다. 이 공정은 이러한 목적으로 실현 가능한지에 대한 지식 격차가 크기 때문에 연구진은 이 문제부터 시작했다.

연구진은 미생물을 이용해 폐수를 정화하는 바이오 공정을 통해 처리된 하수 슬러지를 사용하여 먼저 높은 수분 함량을 제거하기 위해 난로에서 건조시켰다. 그런 다음 건조된 제품을 제분기에서 분말로 갈아서 활성화제와 혼합했다.

열화학 반응을 활성화하거나 가속화하는 활성제는 하수 슬러지에서 활성탄을 얻는 데 매우 중요하다. 연구진은 비용이 저렴하고 오염을 일으키지 않는 수산화칼륨(KOH)을 선택했으며, 공정을 더 지속가능하게 만들고 자원 소비, 환경 오염 및 최종 생산 비용을 줄이기 위해 더 낮은 비율을 사용하는 실험을 진행했다. 활성화 후 슬러지 분말을 산소가 없는 상태에서 열분해하여 탄화시킨 후 염산 처리를 추가하여 특정 미네랄을 정제하고 제거했다.

슬러지에서 고표면적 활성탄을 생산하는 최적의 방법을 확립하기 위해 슬러지와 KOH의 혼합 비율, 열분해 시간 및 목표 온도를 다양하게 연구했다. 연구진은 최대 온도 800°C에서 슬러지 대 KOH 비율을 3:1로 하여 KOH 사용량을 50% 이상 줄이면 하수 슬러지 kg 당 활성탄 0.63kg을 생산할 수 있는 최적이라는 것을 발견했다. 또한 탄소 함량(62%)이 더 높은 다공성 활성탄이 만들어졌다. 활성탄은 공기 및 수질 정화, 악취 제어, 귀금속 회수에 사용되기 때문에 기체와 액체에서 화학 물질을 흡착하는 용량을 증가시키기 때문에 다공성이 중요하다.

이 연구의 교신저자인 마리아 앙헬레스 마르틴은 "실용적인 관점에서 산업적 규모로 실행할 수 있는 솔루션을 제안하는 것이 중요하다"며 "이 연구는 문헌에서 가장 간단한 절차 중 하나이며 이미 산업적 규모로 시장에 존재하는 기술을 사용한다"고 말했다.

연구진은 에너지, 질량, 경제성을 계산한 결과 습식 하수 슬러지에서 추출한 활성탄의 생산 비용이 kg당 17.53유로(미화 18.91달러)로 추정했다. 연구진은 슬러지의 수분 함량이 92%에 달하기 때문에 비용이 높다고 말한다. 폐수 처리 과정에서 원심분리기를 사용하여 습도를 80%로 낮추면 활성탄 kg당 8유로(8.63달러)로 비용이 50% 이상 감소할 것으로 예상하고 있다.

연구진은 하수 슬러지에서 얻은 활성탄의 품질을 검증하기 위해 단순화된 공정을 테스트했으며, 이제 이 물질의 응용 분야를 개발할 계획이다.

이 연구는 국제학술지 '환경 관리(Environment Management)'에 게재됐다.