[뉴질랜드] 매시대, 하·폐수 인 제거하기 위해 토양 필터 제조 연구

뉴질랜드 매시대학교(Massey University) 토양과학자 팀은 토사로 만든 큰 필터를 이용해 하·폐수에서 인(P)을 제거하는 것을 돕기 위해 지방의회와 협력하고 있다.

전국 각지의 의회는 다양한 하·폐수 처리 시스템을 사용하여 폐기물이 수로로 배출되기 전에 허용되는 환경 기준에 영양소를 공급한다.

그러나, 용해 반응 인(DRP : dissolved reactive phosphorus)은 제거하기 더 어려운 영양소 중 하나이다. 인은 뉴질랜드의 하수처리장에 인, 세제, 음식물 찌꺼기로부터 유입된다.

이어 질소 등 다른 영양소와 결합해 강이나 하천으로 고농도 DRP(dissolved reactive phosphorus)가 방출되면 과도한 수초와 조류가 번식해 수질이 저하될 수 있다. 따라서, 수질을 개선하기 위해 의회는 하·폐수에서 DRP를 제거하는 보다 경제적인 방법을 요구한다.

다만, 읍·면 인구, 하·폐수 구성, 현행 하·폐수 기반시설, 취수하천 특성 등 다양한 요인의 차이로 인해 한 협의회에서 효과가 있는 방법이 다른 협의체에게는 잘 작동하지 않을 수 있다.

뉴질랜드 매시대학교(Massey University)의 츄이글린테이스(Cheuyglintase) 박사의 연구팀은 하·폐수에서 DRP를 더 성공적으로 제거하기 위해 중소 도시를 위한 새로운 처리 기술을 개발하고자 했다.

여기에는 인의 흡착성이 높은 특별히 선택된 토양을 사용하여 토양 필터의 사용법을 개발하고 평가하는 작업이 포함되었다.

츄이글린테이스(Cheuyglintase) 박사는 "토양 필터는 DRP 치료를 위한 매우 간단하지만 효과적인 솔루션이며, 특히 더 복잡한 시스템이 비용이 많이 들 수 있는 소규모 지역사회를 위해 더욱 그렇다"면서 "하·폐수를 채취해 스프링클러를 이용해 토양 표면 위에 발라주면 몇 시간 안에 DRP의 상당 부분을 제거해낼 수 있다"고 말했다.

그러나 이런 필터를 만들기 위해서는 먼저 최적의 토양을 찾아내야 했다. 중부 북섬에는 인 흡착용량이 많은 알로판성 토양(allophanic soil)이 풍부해 연구진은 이들 토양이 저비용 필터 소재로 활용될 수 있는지 조사했다. 복수의 부지를 시험하여 특히 인 흡착값이 높은 토양을 확인하였다.

츄이글린테이스(Cheuyglintase) 박사는 실험실에서 이 토양을 평가한 다음 마을과 유제품 공장 폐기물 분뇨에서 DRP를 제거하기 위한 파일럿 규모의 토양 필터로 평가하였다. 각각 1㎡ 내외로 측정되는 파일럿 규모의 토양 필터는 단네비르케(Dannevirke) 하수처리장과 폰테라 테 라파(Fonterra Te Rapa) 하수처리장에 1년 이상 설치·운영되었다.

당초 시범용 토양 필터는 하·폐수에서 DRP를 제거하는 데 95% 이상 효율적이었으나 시간이 지나면서 필터에 인이 쌓이면서 효율성이 떨어졌다. 산성이 알칼리성 하·폐수를 5.5의 pH로 투여함으로써 필터 성능의 향상이 이루어졌는데, 이는 인의 흡착 공정에 더 유리하다.

하지만, 이 연구의 또 다른 발견은 더 많은 양의 흙을 사용하는 것만이 산 투약보다 덜 비싼 선택일 수 있다는 것이었다.

화학약품 투약과 같은 많은 인처리 방법의 문제는 그들이 쓰레기 매립지에서 일반적으로 처리가 필요한 폐슬러지를 생산한다는 것이다. 그러나 토양 필터는 하·폐수에서 제거된 인을 다시 사용할 수 있게 한다.

이 박사 연구 책임자인 제임스 핸리(James Hanly) 박사는 "인광은 한정된 자원이기 때문에 인을 재활용할 수 있는 기회를 제공하는 하·폐수 처리 시스템은 실질적인 이점을 가지고 있다"고 말한다.

여과기 실험이 완료되었을 때 여과기 토양은 식물의 성장을 위한 인원으로 평가되었다. 그것은 인이 부족한 토양에 첨가되었다가 유리집 조건에서 호밀가루를 재배하는데 사용되었다.

필터 소재의 비료값을 수용성 인 비료와 비교했다. 결과는 여과 토양이 식물의 성장에 좋은 인의 원천이었고 농장에 적용하는 것은 여과 토양이 함유한 인광을 모두 재활용할 수 있는 가능성을 가지고 있다는 것을 보여주었다.

츄이글린테이스(Cheuyglintase) 박사의 연구 결과를 바탕으로 타라루아 구의회의 에릭 보니 공익설비 엔지니어가 다네비르케(Dannevirke), 우드빌(Woodville), 노르스우드(Norsewood ) 하수처리장에 3개의 전면적인 토양필터 건설을 총괄했다.

다네비르케(Dannevirke)의 토양필터는 약 4천㎡의 면적을 덮고 있으며 깊이는 0.5미터다. 토양 여과기의 정확한 위치를 파악하고 적절한 종류의 스프링클러를 찾아 적절한 하·폐수 유량 및 필터 표면을 통한 분배를 달성하기 위한 광범위한 작업이 완료되었다.

본격적인 토양 여과기의 수명을 연장하기 위해 가장 필요할 때 주로 사용하게 되는데, 주로 강물의 흐름이 적은 여름과 가을이다. 이 시기에 토양 필터를 사용하면 다른 처리와 함께 하·폐수 배출이 하천 DRP 기준을 충족하도록 하는 데 도움이 될 것이다.

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PhD Student Creates Soil Filters To Remove Phosphorus From Wastewater

A team of Massey University soil scientists are working with local councils to help remove phosphorus from wastewater using large filters made of soil.

Councils from around the country employ a range of wastewater treatment systems to get nutrient levels to an acceptable environmental standard before the wastewaters are discharged to waterways.

However, dissolved reactive phosphorus (DRP) is one of the more challenging nutrients to remove.

Phosphorus finds its way into New Zealand’s sewage treatment plants from human waste, detergents and food residues.

The release of high levels of DRP into rivers and streams, combined with other nutrients like nitrogen, can result in excessive aquatic weed and algae growth, causing a decline in water quality.

Therefore, to improve water quality, councils require more affordable ways of removing DRP from wastewater.

However, a method that works for one council may not work well for another, due to differences in a range of factors including town population, the composition of the wastewater, current wastewater infrastructure and the characteristics of the receiving river.”

Dr Cheuyglintase’s PhD research sought to develop a new treatment technology for small to medium sized towns to remove DRP from wastewater more successfully.

This involved developing and evaluating the use of soil filters, using specially selected soil with high phosphorus sorbing properties.

“A soil filter is quite a simple yet effective solution for DRP treatment, especially for smaller communities for whom more complex systems can be cost prohibitive."

"You take wastewater and apply it over the soil surface using sprinklers and a large proportion of the DRP can be removed within a few hours when a soil with the right attributes is used.”

But in order to build these filters, the research had to first identify the optimum soil.

In the central North Island, there is an abundance of allophanic soils, which have large capacities for phosphorus sorption, so the research team explored whether these soils could be used as low-cost filter material.

Multiple sites were tested and a soil with an especially high phosphorus sorption value was identified.

Dr Cheuyglintase evaluated this soil in the laboratory and then with pilot-scale soil filters aimed at removing DRP from both town and dairy factory wastewaters.

The pilot-scale soil filters, each measuring around one metre squared, were setup and operated for more than a year at the Dannevirke wastewater treatment plant and the Fonterra Te Rapa wastewater treatment plant.

Initially, the pilot-scale soil filters were more than 95% efficient at removing DRP from wastewater, but then efficiency declined as the filters become loaded with phosphorus over time.

Improvements in filter performance were achieved by acid dosing the alkaline wastewater down to a pH of 5.5, which is more favourable for phosphorus sorption processes.

However, another finding of the study was that just using a larger amount of soil may be a less expensive option than acid dosing.

The problem with many phosphorus treatment methods, like chemical dosing, is that they produce waste sludges that typically need disposal in landfills.

However, soil filters allow the phosphorus removed from the wastewater to be re-used.

Supervisor for this PhD research Dr James Hanly says that “phosphorus is a limited resource, so wastewater treatment systems that provide the opportunity to recycle phosphorus have a real advantage”.

At the completion of the filter experiments, the filter soil was evaluated as a phosphorus source for plant growth. It was added to a phosphorus deficient soil and then used to grow ryegrass under glasshouse conditions.

The fertiliser value of the filter material was compared with a soluble phosphorus fertiliser.

Results showed that the filter soil was a good source of phosphorus for plant growth and its application to farms has the potential to recycle both the filter soil and the phosphorous it contains.

Based on the results of Dr Cheuyglintase’s research, utilities engineer at Tararua District Council Eric Bonny oversaw the construction of three full-scale soil filters at the Dannevirke, Woodville and Norsewood wastewater treatment plants.

The soil filter at Dannevirke covers an area of about 4000 metres squared and is half a metre deep. Extensive work was completed to identify the right locations for the soil filters and find the right kind of sprinklers to achieve adequate wastewater flow rates and distribution across the filter surface.

In order to extend the life of the full-scale soil filters, they will mainly be used when they are most needed, which is typically in summer and autumn when river flow is often low.

The use of soil filters at this time of year, along with other treatments, will help to ensure that wastewater discharges meet the river DRP standard.

[출처=워터온라인(https://www.wateronline.com/doc/phd-student-creates-soil-filters-to-remove-phosphorus-from-wastewater-0001) / 2020년 10월 14일]