인 회수 – ICP-OES를 이용한 하수 슬러지의 신뢰할 수 있는 분석

인 회수 – ICP-OES를 이용한 하수 슬러지의 신뢰할 수 있는 분석

인(phosphorus)과 인 화합물은 지구상의 모든 생명체에게 필수적입니다. 따라서 이들은 비료와 동물 사료의 핵심 원료입니다. 세계 인구가 증가함에 따라 전 세계적인 식량 수요도 지속적으로 늘어나고 있어, 천연 인 매장량이 고갈될 위험에 처해 있습니다. 게다가 인산염 매장지는 전 세계적으로 몇몇 지역으로 한정되어 있습니다. 인산염 채굴에 대한 효과적인 대안은 하수 슬러지에서 인을 회수하는 것입니다. 유럽환경청(EEA)은 2021년, 현재 미사용 중인 하수 슬러지의 50%에서 인을 회수하면 현재 농경지에 사용되는 인 비료의 최대 10%를 대체할 수 있을 것으로 추정했습니다.⁽¹⁾ 그러나 하수 슬러지에는 중금속과 같은 오염 물질도 포함되어 있습니다. 하수 슬러지의 회수 잠재력을 파악하고 지속 가능한 순환 경제로 한 걸음 더 나아가기 위해서는 정밀한 분석 방법이 필수적이다.

처리되지 않은 하수 슬러지를 비료로 농경지에 직접 살포하는 관행은 지난 수십 년간 점차 줄어들고 있으며, 일부 국가에서는 몇 년 내에 금지될 예정이다. 하수 슬러지에 포함된 카드뮴, 납, 수은, 심지어 비소와 같은 오염 물질과 중금속이 직접 사용을 제한하고 있다. 하수 슬러지에 포함된 귀중한 영양소를 활용하기 위해, EU 차원의 전략에 따라 이를 회수하기로 결정되었습니다. 현재 도시 하수 처리장에서 재활용되는 하수 슬러지는 전체의 20%에 불과합니다. 그 주된 이유는 일반적으로 오염 물질 함량이 높기 때문이며, 이로 인해 슬러지와 재는 종종 매립되거나 보조 연료로 사용됩니다.

적절한 분석 방법

하수 슬러지를 분석할 때 직면하는 주요 과제는 시료의 매트릭스 함량이 매우 높다는 점입니다. 즉, 시료에는 농도가 매우 다양한 광범위한 원소들이 포함되어 있을 뿐만 아니라 다량의 염 화합물도 함유되어 있습니다. 이상적으로는 비료의 기초 물질이 되는 원소와 필수 원소를 포함한 다양한 원소 함량을, 시간 소모적인 시료 전처리 과정 없이 시료당 하나의 측정 주기로 분석할 수 있어야 합니다.

하수 슬러지 내 주요 원소 및 미량 원소를 신뢰성 있게 정기적으로 분석하는 데 적합한 방법은 유도 결합 플라즈마 발광 분광법(ICP-OES)입니다. ICP-OES는 다원소 분석 능력, 넓은 선형 동적 범위, 그리고 높은 측정 감도 덕분에 특히 매력적인 방법입니다. 시료 전처리 및 측정 절차는 EPA 방법 3050B⁽⁴⁾ 및 6010C⁽⁵⁾, DIN EN 16174:2012-11⁽⁶⁾, ISO 표준 11885:2007과⁽⁷⁾ 같은 표준에 명시되어 있습니다.

ICP-OES를 사용하면 시료가 5,000~10,000 K 온도의 아르곤 플라즈마 위에서 원자화된 후 이온화됩니다. 방출된 전자기 복사는 분광기로 측정되며, 측정값을 통해 원소 함량에 대한 상세한 정보를 파악할 수 있습니다.

장점

하수 슬러지에 대한 다원소 분석은 하수 처리장 운영자에게 법률 및 기준에 따라 하수 슬러지를 어떻게 처리할지 결정하는 데 필요한 신뢰할 수 있는 데이터를 제공합니다. 인 함량과 오염 물질 부하에 따라, 운영자는 경제적 측면도 고려한 적절한 처리 방법을 선택할 수 있습니다. 

여기서는 두 가지 사례를 예로 들어 설명합니다. 인 함량이 높고 중금속 부하가 낮은 경우 열분해가 적합합니다. 하수 슬러지는 600°C에서 소형 열분해 반응기에서 처리되며, 이 반응기는 하수 처리장에서 직접 가동할 수 있습니다. 인(P)은 소각재에서 회수됩니다. 중금속 함량이 높은 경우에는 열화학적 방법을 사용할 수 있습니다. 900°C에서 하수 슬러지에 염화마그네슘이나 염산을 첨가하여 인을 침전시킵니다. 

인 및 기타 기본 원소를 재활용함으로써 비료 생산에 필요한 귀중한 원료를 현지에서 또는 분산된 방식으로 회수할 수 있습니다. 이는 친환경적일 뿐만 아니라, 자연적으로 발생하는 소수의 인 광상에 대한 의존도를 낮추는 데에도 도움이 됩니다. 오염 물질 부하에 대한 정확한 파악을 통해 중금속 및 기타 오염 물질이 환경으로 유입되는 것을 방지할 수 있습니다. 따라서 하수 슬러지로부터 인을 회수하는 것은 보다 지속 가능한 순환 경제를 실현하기 위한 중요한 단계입니다. 

출처

⁽¹⁾https://www.deutsche-phosphor-plattform.de/eu-umweltagentur-naehrstoff-und-kohlenstoffrecycling-aus-klaerschlamm/

⁽²⁾https://eur-lex.europa.eu/legal-content/DE/TXT/PDF/?uri=CELEX:52020DC0474

⁽³⁾ 하수 슬러지, 하수 슬러지 혼합물 및 하수 슬러지 퇴비의 재활용에 관한 규정, https://www.gesetze-im-internet.de/abfkl_rv_2017/

⁽⁴⁾ EPA 방법 3050B: 침전물, 슬러지 및 토양의 산 분해, https://www.epa.gov/esam/epa-method-3050b-acid-digestion-sediments-sludges-and-soils

⁽⁵⁾ EPA 방법 6010C: 유도 결합 플라즈마 - 원자 방출 분광법, https://19january2017snapshot.epa.gov/homeland-security-research/epa-method-6010c-sw-846-inductively-coupled-plasma-atomic-emission_.html

⁽⁶⁾슬러지, 처리된 생물성 폐기물 및 토양 - 왕수(Königswasser)에 용해되는 원소 성분의 분해, https://www.beuth.de/de/norm/din-en-16174/148093733

⁽⁷⁾수질 — 유도 결합 플라즈마 광방출 분광법(ICP-OES)을 이용한 특정 원소 분석, https://www.iso.org/standard/36250.html