하수 슬러지를 언뜻 보면 상환 가능한 가치를 찾기가 어려울 수 있다. 그러나 브리티시 콜롬비아 대학(University of British Columbia)의 생물반응기 기술 그룹(UBC Bioreactor Technology Group)의 연구원들은 이를 완전히 다른 방식으로 보고 있다.

열, 물 및 상분리(phase separation)의 조합을 사용하여 이 연구원들은 하수 슬러지에서 추출을 통해 효율적으로 회수할 수 있는 인(P, Phosphorus)을 농축하는 비용 효율적인 방법을 개발했다.

캐나다 벤쿠버시에 있는 브리티시 콜롬비아 대학 오카나간 캠퍼스(University of British Columbia Okanagan, UBCO) 공과대학의 박사과정 학생이자 이 방법을 연구하는 새로운 연구의 수석 저자인 환류(Huan Liu)는 “인(P)은 재생이 불가능하지만 필수적인 생명체의 요소이며 많은 산업적 용도를 가지고 있다”고 설명한다.

“인광석(인산염 암석, phosphate rock)의 고르지 않은 분포는 정치적, 경제적 위험을 초래했다”라면서 “한편, 하수와 같은 하수원에서 배출되는 인은 수생 부영양화의 주요 원인이며, 조류 번성 및 호수의 데드 존을 포함한 심각한 환경 문제를 일으킨다”고 말했다.

환류(Huan Liu)는 감독자이자 수석연구원인 시그뎀 에스키시오글루(Cigdem Eskicioglu) 박사와 함께 열수 액화(hydrothermal liquefaction)를 통합하는 유망한 프로세스를 조사하고 있다.

이 공정은 도시 하수 슬러지의 유기 성분을 석유와 같은 바이오 원유로 변환하고 인을 하이드로차(hydrochar)라고 하는 고체 잔류물로 농축시킨다.

이 하이드로차는 생슬러지(raw sludge)보다 약 100배 높은 총 인을 함유할 수 있어 상업용 비료에 사용되는 인광석과 비슷하다.

환류(Huan Liu)는 추출 과정을 미네랄과 산을 혼합할 때 발생하는 현상을 반영하는 것으로 설명한다.

그는 “우리는 처음으로 비료에 필요한 것과 같은 유용한 물질의 회수를 최적화하기 위해 하이드로차에서 침출되는 인의 운동 반응을 확인할 수 있었다”고 말했다.

시그뎀 에스키시오글루(Cigdem Eskicioglu) 박사에 따르면 그들의 최근 발견은 시스템에서 사용 가능한 영양분을 회수하는 프로세스를 개발하는 것을 목표로 하는 하수 유틸리티에 중요하다.

에스키시오글루는 “더 지속 가능하고 대체 연료를 찾고 있는 이 시점에서 폐기물에서 사용 가능한 재료를 압출하는 것이 필수적이다”라면서 “회수 및 재활용은 전 세계적으로 배포될 수 있는 2차 인 공급원을 제공하고 환경 보존에도 도움이 되는 이중 이점을 제공하는 솔루션다”이라고 강조했다.

이 연구는 『워터리서치(Water Research)』 저널에 게재되었으며 캐나다 자연과학 및 공학 연구위원회(Natural Sciences and Engineering Research Council)와 메트로 밴쿠버 산업 연구 위원장 프로그램(Metro Vancouver Industrial Research Chair Program)의 하수 고급 자원 회수(Advanced Resource Recovery from Wastewater) 프로그램에서 연구비를 지원받았다.

환류(Huan Liu)는 또한 프랑스에서 IMT 알비 카르모 국립광산학교(IMT Mines Albi-Carmaux engineering school)의 미립자 고체, 에너지 및 환경연구센터(Research Centre for Particulate Solids, Energy and Environment)의 앙쥬 은주(Ange Nzihou) 박사 팀과 공동으로 6개월간 연구를 수행했다.

[원문보기]

UBCO researchers recover vital resources from wastewater sludge

New technique can extract and recycle phosphorous from municipal waste

At first glance when one looks at sewage sludge it can be challenging to find any redeemable value. However, researchers at UBC’s Bioreactor Technology Group see it in a whole other way.

Using a combination of heat, water and phase separation, these researchers have developed a cost-effective method to concentrate phosphorous - which can be efficiently recovered by extraction - from wastewater sludge.

“Phosphorous is a non-renewable, but essential, element for life and has many industrial uses,” explains Huan Liu, a doctoral student with UBCO’s School of Engineering and lead author of a new study investigating this method.

Phosphorus is a natural mineral and crucial for a person’s good health, but it is also essential to food security as it is used worldwide as a commercial fertilizer, explains Liu. However, it is listed as a critical raw material because many countries rely on imports for their supply.

“The uneven distribution of phosphate rock has created political and economic risks,” he says. “On the other hand, phosphorus discharge from waste sources, such as wastewater, is a major contributor to aquatic eutrophication, causing severe environmental challenges including algae blooms and dead zones in lakes.”

Liu along with supervisor and Principal Investigator Dr. Cigdem Eskicioglu are investigating a promising process that integrates hydrothermal liquefaction.

The process converts organic components of the municipal wastewater sludge into a petroleum-like biocrude and concentrates the phosphorous into a solid residue called hydrochar.

 This hydrochar can have a total phosphorus about 100 times higher than that of raw sludge, making it comparable to the phosphate rock used in commercial fertilizers.

Liu describes the extraction process as mirroring what happens when you mix minerals and acids.

“We were able to identify, for the first time, the kinetic reactions of phosphorus leaching from hydrochar to optimize the recovery of useful materials, such as what is needed for fertilizer,” says Liu.

According to Dr. Eskicioglu, their latest findings are important for wastewater utilities aiming to develop a process to recover usable nutrients from the system.

“At a time when we are seeking to be more sustainable and looking for alternative fuels, extruding useable materials from waste is essential,” she says. “Recovery and recycling is the solution that also provides the double benefit of providing a secondary source of phosphorus that can be globally distributed and also help with environmental conservation.”

This latest study appears in the journal Water Research, and was funded by the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada and the Metro Vancouver Industrial Research Chair Program in Advanced Resource Recovery from Wastewater.

 Liu also conducted six months of studies in France in collaboration with Dr. Ange Nzihou’s team at the Research Centre for Particulate Solids, Energy and Environment at the IMT Mines Albi-Carmaux engineering school.

[출처=브리티시 콜롬비아대학 오카나간 캠퍼스(UBCO)(https://news.ok.ubc.ca/2023/07/25/ubco-researchers-recover-vital-resources-from-wastewater-sludge/) / 2023년 7월 25일]

[연구논문 출처=『워터리서치(Water Research)』 저널(https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37267708/) / 2023년 8월호]

[번역 = 배철민 편집국장]