쓰레기 침출수의 특성
쓰레기 침출수는 발효, 강수 침출, 지표수 및 지하수 침투로 인해 쌓기 및 매립 공정에서 발생하는 폐수를 말합니다. 쓰레기 침출수의 구성은 쓰레기 구성, 매립 시간, 매립 기술, 기후 조건과 같은 요인의 영향을 받으며, 그 중 매립 시간이 가장 중요한 영향 요인입니다. 매립지의 연령에 따라 분류하면 일반적으로 매립 시간이 1년 미만인 것은 젊은 침출수로, 매립 시간이 1-5년인 것은 중년 침출수로, 매립 시간이 5년 이상인 것은 오래된 침출수로 간주됩니다[1]. 표 1은 쓰레기 침출수의 유형에 따른 특성을 보여줍니다[2].
쓰레기 수질은 일반적으로 다음과 같은 특징을 갖는다: (1) 다양한 유기오염물질, 금속, 식물영양소 등을 함유한 복잡한 구성; (2) 유기오염물질 농도가 높고 COD, BOD가 수만 mg/L에 달함; (3) 10여종의 금속이온을 포함한 다양한 종류의 금속이 존재함; (4) 암모니아성 질소 함량이 높고 변화폭이 넓음; (5) 구성 및 농도는 계절에 따라 변화함 [2]
현재 쓰레기 침출수 처리 방법은 주로 생물학적 방법에 의존하고 있습니다. 그 중 젊은 침출수는 쉽게 생분해되는 유기물 함량이 높고 B/C 비율이 높으며 암모니아 질소가 낮아 생물학적 방법을 사용하여 처리하기에 적합합니다. 그러나 매립지의 연령이 증가함에 따라 침출수의 생분해성이 감소하고 암모니아 질소가 크게 증가하여 생물학적 처리의 효과가 저해됩니다. 따라서 중장년 침출수에 생물학적 처리를 직접 사용하기에 적합하지 않습니다. 더욱이 생물학적 방법은 온도, 수질 및 수량의 변화에 민감하여 생분해가 어려운 유기물을 처리할 수 없습니다. 물리화학적 방법은 생분해성이 낮고 암모니아 질소 함량이 높은 쓰레기 침출수에 대한 제거 효과가 좋으며 수질 및 수량의 변화에 영향을 받지 않습니다. 유출수 수질은 비교적 안정적이며 쓰레기 침출수의 전처리 및 심층 처리에 널리 사용됩니다. 저자는 기존의 물리화학적 처리기술을 바탕으로 흡착법, 블로우오프법, 응집침전법, 화학침전법, 화학산화법, 전기화학적법, 광촉매산화법, 역삼투법, 나노여과법 등의 연구진행상황을 검토하여 실무적 참고자료를 제공하고자 한다.
2 물리화학적 처리기술
2.1 흡착
흡착법은 다공성 고체 물질의 흡착 효과를 이용하여 쓰레기의 침출수에 있는 유기물, 금속 이온과 같은 독성 및 유해 물질을 제거하는 것입니다. 현재 활성탄 흡착에 대한 연구가 가장 광범위합니다. J. Rodr í guez et al. [4]는 활성탄, 수지 XAD-8 및 수지 XAD-4를 사용하여 혐기성 처리 침출수의 흡착을 연구했습니다. 결과는 활성탄이 가장 강력한 흡착 용량을 가지고 있으며 유입수의 COD를 1500mg/L에서 191mg/LN으로 줄일 수 있음을 보여주었습니다. Aghamohammadi et al. [5]는 활성 슬러지 방법을 사용하여 쓰레기의 침출수를 처리할 때 분말 활성탄을 첨가했습니다. 결과는 COD 및 색도의 제거율이 활성탄이 없는 경우보다 거의 2배 높았고 암모니아 질소의 제거율도 향상되었음을 보여주었습니다. Zhang Futao et al. [6]은 매립지 침출수에서 포름알데히드, 페놀, 아닐린에 대한 활성탄의 흡착 거동을 연구하였고, 그 결과 활성탄의 흡착 등온선이 프로인트리히 경험식과 일치함을 보였다. 또한, 활성탄 이외의 흡착제도 어느 정도 연구되었다. M. Heavey et al. [7]은 아일랜드의 Kyletalesha 매립지 침출수를 사용하여 석탄 슬래그 흡착 실험을 수행하였다. 그 결과, 석탄 슬래그 흡착 처리 후 평균 COD가 625mg/L, 평균 BOD가 190mg/L, 평균 암모니아 질소가 218mg/L인 침출수에서 COD 제거율이 69%, BOD 제거율이 96.6%, 암모니아 질소 제거율이 95.5%였다. 풍부하고 재생 가능한 석탄 슬래그 자원으로 인해 2차 오염이 없고 개발 전망이 좋다. 활성탄 흡착 처리가 직면한 주요 문제는 활성탄이 비싸고 간단하고 효과적인 재생 방법이 부족하여 홍보와 적용이 제한된다는 것입니다. 현재 쓰레기 침출수를 처리하는 흡착 방법은 대부분 실험실 규모이며 실제로 적용하기 전에 추가 연구가 필요합니다.
2.2 블로우 오프 방법
블로우 오프 방법은 물에 가스(캐리어 가스)를 주입하고, 충분한 접촉 후, 물 속의 휘발성 가용성 물질을 기체-액체 계면을 통해 기체 상태로 전환시켜 오염 물질을 제거하는 목적을 달성하는 것입니다. 공기는 일반적으로 캐리어 가스로 사용됩니다. 중년 및 노인 쓰레기 침출수의 암모니아 질소 함량은 비교적 높으며, 블로우 오프 방법으로 암모니아 질소를 효과적으로 제거할 수 있습니다. SK Marttinen et al. [8]은 블로우 오프 방법을 사용하여 쓰레기 침출수의 암모니아 질소를 처리했습니다. pH=11, 20°C, 유압 유지 시간 24시간 조건에서 암모니아 질소는 150mg/L에서 16mg/L로 감소했습니다. Liao Linlin et al. [9]은 쓰레기 침투에서 액체 암모니아 스트리핑의 효율에 영향을 미치는 요인을 연구했으며 pH, 수온 및 기체-액체 비율이 스트리핑 효율에 상당한 영향을 미치는 것을 발견했습니다. pH가 10.5~11일 때 탈질소 효과가 향상되었습니다. 수온이 높을수록 탈질소 효과가 더 좋습니다. 가스-액체 비율이 3000~3500m3/m3일 때 탈질소 효과는 Jay Chou의 신곡에 표시된 것과 같습니다. 암모니아 질소의 농도는 송풍 효율에 거의 영향을 미치지 않습니다. Wang Zongping 등[10]은 제트 폭기, 폭발 폭기, 표면 폭기의 세 가지 방법을 사용하여 암모니아 스트리핑으로 침출수를 전처리했습니다. 결과는 제트 폭기가 동일한 전력에서 효과적임을 보여주었습니다. 외국 데이터에 따르면 가스 추출과 다른 방법을 결합하여 처리한 침출수에서 암모니아 질소의 제거율은 최대 99.5%에 도달할 수 있습니다. 그러나 이 방법의 운영 비용이 비교적 높고 생성된 NH3는 송풍탑에서 산을 첨가하여 제거해야 하며 그렇지 않으면 대기 오염을 유발합니다. 또한 송풍탑에서 탄산염 스케일링도 발생합니다.
2.3 응집침전법
응집침전법은 쓰레기 침출수에 응집제를 첨가하여 침출수 속의 부유 고형물과 콜로이드를 응집시켜 응집물을 형성한 후 분리하는 방법이다.황산알루미늄, 황산제1철, 염화제1철 등의 무기 응집제가 일반적으로 사용된다.쓰레기 침출수를 처리할 때 철계 응집제만을 사용하면 COD 제거율이 50%로 알루미늄계 응집제만을 사용하는 경우보다 우수하다는 연구 결과가 있다.AA Tatsi 등[11]은 침출수를 황산알루미늄과 염화제1철로 전처리하였다.젊은 침출수의 경우 유입수 COD가 70,900mg/L일 때 가장 높은 COD 제거율이 38%였다.중년, 노년층 매립지 침출수의 경우 유입수 COD가 5,350mg/L일 때 COD 제거율이 75%에 달할 수 있다. pH가 10이고 응집제가 2 g/L에 도달하면 COD 제거율은 최대 80%에 도달할 수 있습니다. 최근 몇 년 동안 생물 응집제가 새로운 연구 방향이 되었습니다. AI Zouboulis 등[12]은 매립지 침출수에 대한 생물 응집제 처리 효과를 연구한 결과 매립지 침출수에서 부식산을 85% 제거하는 데 20 mg/L의 생물 응집제만 필요하다는 것을 발견했습니다. 응집 침전법은 쓰레기 침출수 처리를 위한 핵심 기술입니다. 후처리 공정의 부담을 줄이는 전처리 기술로 사용할 수 있으며 전체 처리 공정의 보장이 되는 심층 처리 기술로 사용할 수 있습니다[3]. 그러나 주요 문제는 암모니아 질소의 제거율이 낮고, 많은 양의 화학 슬러지가 발생하며, 금속염 응집제를 첨가하면 새로운 오염이 발생할 수 있다는 것입니다. 따라서 안전하고 효율적이며 저렴한 응집제를 개발하는 것은 응집침전법의 처리 효율을 향상시키기 위한 기반이 됩니다.
2.4 화학적 침전법
화학적 침전법은 쓰레기 침출수에 특정 화학물질을 첨가하여 화학반응을 통해 침전물을 생성한 후 분리하여 처리 목적을 달성하는 것이다. 데이터에 따르면 수산화칼슘과 같은 알칼리성 물질의 수산화물 이온은 금속 이온과 침전하여 침출수 중 중금속의 90%~99%, COD의 20%~40%를 제거할 수 있다. 조류 구아노석 침전법은 화학적 침전법에서 널리 사용되고 있다. 조류 구아노석 침전법은 암모늄 마그네슘 인산 침전법이라고도 하며, 쓰레기 침출수에 Mg2+, PO43-, 알칼리성 제제를 첨가하여 특정 물질과 반응시켜 침전물을 형성한다. XZ Li 등[13]은 쓰레기 침출수에 MgCl2·6H2O와 Na2HPO4·12H2O를 첨가했다. Mg2+ 대 NH4+ 대 PO43-의 비율이 1:1:1이고 pH가 8.45-9일 때 원래 침출수의 암모니아 질소는 15분 이내에 5600mg/L에서 110mg/L로 감소했습니다.I. Ozturk et al.[14]은 이 방법을 사용하여 혐기성 소화에서 발생한 침출수를 처리했습니다.유입 COD가 4024mg/L이고 암모니아 질소가 2240mg/L일 때 유출수 제거율은 각각 50%와 85%에 도달했습니다.B. Calli et al.[15]도 이 방법을 사용하여 98%의 암모니아 질소 제거율을 달성했습니다.화학 침전법은 작동이 간단하고 생성된 침전물에는 N, P, Mg 및 유기물과 같은 비료 성분이 포함됩니다.그러나 침전물에는 잠재적인 환경 위험이 있는 독성 및 유해 물질이 포함될 수 있습니다.
2.6 전기화학적 방법
전기화학적 방법은 쓰레기 침출수에 포함된 오염물질을 전기장의 작용 하에 전극에서 직접 전기화학적 반응을 일으키거나 전극 표면에서 생성된 ·OH 및 ClO -를 사용하여 산화환원 반응을 일으키는 공정이다.현재는 전기분해 산화가 일반적으로 사용된다.PB Moraes et al.[19]은 연속 전기분해 반응기를 사용하여 쓰레기 침출수를 처리했다.유입 유량이 2000L/h, 전류 밀도가 0.116A/cm2, 반응 시간이 180분, 유입 COD가 1855mg/L, TOC가 1270mg/L, 암모니아 질소가 1060mg/L일 때 유출물 제거율은 각각 73%, 57%, 49%에 도달했다.NN Rao et al. [20]은 3차원 탄소 전극 반응기를 사용하여 높은 COD(17-18400 mg/L)와 높은 암모니아 질소(1200-1320 mg/L)가 포함된 침출수를 처리했습니다. 반응 6시간 후 COD 제거율은 76%-80%였고 암모니아 질소 제거율은 최대 97%에 도달할 수 있었습니다. E. Turro et al.[21]은 전극으로 Ti/IrO2-RuO2와 전해질로 HClO4를 사용하여 매립지 침출수의 전기분해 산화 처리에 영향을 미치는 요인을 연구했습니다. 결과에서 반응 시간, 반응 온도, 전류 밀도, pH가 처리 효과에 영향을 미치는 주요 요인이었습니다. 온도 80℃, 전류 밀도 0.032 A/cm2, pH=3의 조건에서 반응 시간은 4시간이고, COD는 2960mg/L에서 294mg/L로 감소하고, TOC는 1150mg/L에서 402mg/L로 감소했으며, 색상 제거율은 100%에 도달할 수 있었습니다. 전기화학적 방법은 공정이 간단하고, 제어성이 강하고, 발자국이 작으며, 처리 과정에서 2차 오염을 발생시키지 않습니다. 단점은 전기를 소모하고 처리 비용이 높다는 것입니다. 현재 대부분은 실험실 연구 규모입니다.
2.7 광촉매 산화
광촉매 산화는 다른 방법보다 특정 특수 오염 물질을 처리하는 데 더 나은 새로운 유형의 수처리 기술이므로 쓰레기 침출수의 심층 처리에 좋은 적용 전망이 있습니다. 이 방법의 원리는 폐수에 일정량의 촉매를 첨가하고 빛 조사 하에서 자유 라디칼을 생성하고 자유 라디칼의 강력한 산화 특성을 사용하여 처리 목표를 달성하는 것입니다. 광촉매 산화에 사용되는 촉매에는 주로 이산화티타늄, 산화아연 및 산화철이 포함되며 그 중 이산화티타늄이 널리 사용됩니다. DE Meeroff et al.[22]은 TiO2를 촉매로 사용하여 침출수의 광촉매 산화에 대한 실험을 수행했습니다. 자외선 광촉매 산화 4시간 후 침출수의 COD 제거율은 86%에 도달했고 B/C 비율은 0.09에서 0.14로 증가했으며 암모니아 질소 제거율은 71%, 색도 제거율은 90%였습니다. 반응이 완료된 후 TiO2의 85%를 회수할 수 있습니다. R. Poblete 등[23]은 이산화티타늄 산업의 부산물(주로 TiO2와 Fe로 구성됨)을 촉매로 사용하여 촉매 유형, 난분해성 유기물 제거율, 촉매 부하량, 반응 시간 측면에서 상업용 TiO2와 비교했습니다. 결과에 따르면 부산물은 활성이 더 높고 처리 효과가 더 좋으며 광촉매 산화를 위한 촉매로 사용할 수 있습니다. 한 연구에 따르면 무기염의 함량은 쓰레기 침출수 처리 시 광촉매 산화 효과에 영향을 미칠 수 있습니다. J. Wiszniowski 등[24]은 부유 TiO2를 촉매로 사용하여 침출수에서 부식산의 광촉매 산화에 대한 무기염의 효과를 연구했습니다. 쓰레기 침출수에 Cl- (4500mg/L)와 SO42- (7750mg/L)만 있는 경우 부식산의 광촉매 산화 효율에 영향을 미치지 않지만 HCO3-의 존재는 광촉매 산화 효율을 크게 감소시킵니다. 광촉매 산화는 간단한 조작, 낮은 에너지 소비, 부하 저항, 무공해의 장점이 있습니다. 그러나 실제 작동에 적용하려면 반응기의 유형과 설계, 촉매의 효율과 수명, 광에너지 이용률을 연구해야 합니다.
2.8 역삼투(RO)
RO 멤브레인은 용매에 대한 선택성을 가지고 있으며, 멤브레인 양쪽의 압력 차이를 구동력으로 사용하여 용매의 삼투압을 극복하고 침출수에 있는 다양한 물질을 쓰레기에서 분리합니다.Fangyue Li et al.[25]은 나선형 RO 멤브레인을 사용하여 독일 Kolenfeld 매립지의 침출수를 처리했습니다.COD는 3100mg/L에서 15mg/L로 감소했고, 염화물은 2850mg/L에서 23.2mg/L로 감소했으며, 암모니아 질소는 1000mg/L에서 11.3mg/L로 감소했습니다.Al3+, Fe2+, Pb2+, Zn2+, Cu2+ 등의 금속 이온의 제거율은 모두 99.5%를 초과합니다.연구에 따르면 pH는 암모니아 질소의 제거 효율에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.LD Palma et al. [26]은 먼저 쓰레기에서 침출수를 증류한 다음 RO 막으로 처리하여 유입 COD를 19000mg/L에서 30.5mg/L로 줄였습니다. 암모니아 질소의 제거율은 pH 6.4에서 가장 높으며 217.6mg/L에서 0.71mg/L로 감소했습니다. R et al. [27]은 2단계 연속 RO 막을 사용하여 쓰레기에서 침출수를 정화하는 시범 실험을 수행한 결과 암모니아 질소의 제거율은 pH가 5에 도달했을 때 가장 높으며 142mg/L에서 8.54mg/L로 감소하는 것을 발견했습니다. 역삼투법은 효율성이 높고 관리가 성숙하며 자동 제어가 용이하여 쓰레기에서 침출수 처리에 점점 더 많이 적용되고 있습니다. 그러나 막 비용이 비교적 높고 막 부하를 줄이기 위해 사용 전에 침출수를 사전 처리해야 하며 그렇지 않으면 막이 오염되고 막힘이 발생하여 처리 효율이 급격히 감소합니다.
2.9 나노여과(NF)
NF 멤브레인은 두 가지 중요한 특성을 가지고 있습니다.약 1nm의 미세 다공성 구조를 가지고 있어 분자량이 200-2000u인 분자를 차단할 수 있습니다.NF 멤브레인 자체는 전하를 띠고 있으며 무기 전해질에 대해 일정한 보유율을 가지고 있습니다.HK Jakopovic et al.[28]은 NF, UF, 오존의 세 가지 기술을 사용하여 매립지 침출수에서 유기물을 제거하는 것을 비교했습니다.결과에 따르면 실험실 조건에서 다른 UF 멤브레인은 Jay Chou의 신곡에 대해 23%의 COD 제거율을 달성할 수 있었습니다.오존에 의한 COD 제거율은 56%에 도달할 수 있습니다.NF에 의한 Jay Chou의 신곡의 COD 제거율은 91%에 도달할 수 있습니다.또한 NF는 침출수에서 이온을 비교적 이상적으로 제거하는 효과가 있습니다.LB Chaudhari et al.[29]은 인도 구자라트 매립지에서 나온 오래된 침출수의 전해질을 처리하기 위해 NF-300을 사용했습니다. 두 실험 수의 황산염 농도는 각각 932 및 886 mg/L이었고, 염화물 이온은 각각 2268 및 5426 mg/L이었습니다. 실험 결과, 황산염 제거율은 각각 83% 및 85%였고, 염화물 이온 제거율은 각각 62% 및 65%였습니다. 또한 이 연구에서는 NF 멤브레인에 의한 Cr3+, Ni2+, Cu2+ 및 Cd2+ 제거율이 각각 99%, 97%, 97% 및 96%에 도달하는 것으로 나타났습니다. NF를 다른 공정과 결합하면 후처리 효과가 더 좋습니다. T. Robinson [30]은 MBR+NF 결합 공정을 사용하여 영국 비컨 힐의 침출수를 처리했습니다. COD는 5000mg/L에서 100mg/L 미만으로 감소했고, 암모니아 질소는 2000mg/L에서 1mg/L 미만으로 감소했으며, SS는 250mg/L에서 25mg/L 미만으로 감소했습니다. NF 기술은 에너지 소비가 낮고 회수율이 높으며 잠재력이 큽니다. 그러나 가장 큰 문제는 장기간 사용 후 멤브레인이 스케일링되어 멤브레인 플럭스 및 유지율과 같은 성능에 영향을 미친다는 것입니다. 이를 엔지니어링 실무에 적용하려면 추가 연구가 필요합니다.
3 결론
위에서 언급한 물리화학적 처리 기술은 일정한 결과를 얻을 수 있지만 흡착제 재생, 광촉매 산화 촉매 회수, 전기화학적 방법의 높은 에너지 소비, 막 오염과 같은 많은 문제도 있습니다. 따라서 쓰레기 침출수는 단일 물리화학적 처리를 통해 국가 배출 기준을 충족하기 어렵고, 그 처리 공정은 여러 처리 기술의 조합이어야 합니다. 일반 쓰레기 침출수의 완전한 처리 공정은 전처리, 주요 처리, 심층 처리의 세 부분으로 구성되어야 합니다. 블로우 오프, 응집 침전, 화학 침전과 같은 전처리 방법은 일반적으로 중금속 이온, 암모니아 질소, 색도를 제거하거나 쓰레기 침출수의 생분해성을 개선하는 데 사용됩니다. 주요 처리에는 생물학적 방법, 화학 산화 및 기타 결합 공정과 같은 저비용 고효율 공정을 채택하여 대부분의 유기물을 제거하고 암모니아 질소와 같은 오염 물질의 함량을 더욱 줄이는 것이 목표입니다. 처음 두 단계의 처리 후에도 특정 오염 물질이 여전히 존재할 수 있으므로 심층 처리가 필요하며, 이는 광촉매 산화, 흡착, 막 분리 등과 같은 방법을 통해 달성할 수 있습니다.
침출수의 복잡한 구성과 시간과 장소에 따른 변동성으로 인해 실제 엔지니어링에서는 침출수를 처리하기 전에 먼저 구성을 측정하고 특성을 자세히 분석하고 적절한 처리 기술을 선택해야 합니다. 현재 쓰레기 침출수 처리 기술은 각자 장단점이 있습니다. 따라서 기존 기술을 업그레이드하고 변형하고, 새롭고 효율적인 처리 기술을 개발하고, 다양한 기술 간의 통합 연구 개발을 강화하여(예: 광촉매 산화 기술과 생화학적 처리 기술의 통합, 침전법과 막 처리의 통합) 침출수의 전반적인 처리 효율을 개선하고 투자 및 운영 비용을 절감하는 것이 쓰레기 침출수에 대한 미래 연구의 초점이 될 것입니다.
