[호주] 하수에서 귀중한 인을 캐내는 장치
수처리: 삼투와 증류 통합과정이 폐수로부터 인을 추출하는 비용을 낮출 수 있을 것이다.
과학자들은 인의 희소성이 농업 비료를 위한 증가하는 수요가 그 원소의 지리학적인 저장량을 고갈시킴에 따라서 다음 수세기에 걸쳐서 증가하게 될 것이라고 예측한다.
반면에, 폐수로부터 자연적 수로들로 흘러들어가는 인산이 물고기를 죽일 수 있는 해로운 조류 증식이나 저-산소 조건을 일으킬 수 있다.
이제 연구자들의 팀이 이 두 문제 모두를 푸는 것을 도울 수 있는 시스템을 고안했다. 그것은 통합 삼투-증류 과정을 사용해서 하수도 폐수로부터 인을 포획하고 깨끗한 물을 전달한다.
폐수로부터 인을 추출하는 전통적인 방법들은 그 물로부터 스트루바이트(struvite)라고 불리는 광물을 침전시키는 화학물질들을 사용한다.
스트루바이트는 인과 알루미늄, 마그네슘을 포함하고 쓸모있는 서방성 비료이다. 어떤 스트루바이트는 폐수 처리 시설에서 그 물로부터 자연적으로 침전하여, 파이프들이 막히게 한다.
그러나 비료로서 팔 수 있을 만큼의 양으로 그 광물을 추출하기 위해서는 공학자들이 많은 양의 마그네슘을 넣고 강한 염기를 첨가함으로써 그 폐수의 pH를 증가시켜야 한다.
이 화학물질들의 필요량은 비싸서 스트루바이트 복구는 좀처럼 시설 회사들을 위해 비용-효과적이지 않다고 호주에 있는 울렁공대(University of Wollongong)의 환경 공학자인 Long D. Nghiem이 말했다.
하수로부터 나오는 스트루바이트의 비용을 낮추기 위해서, Nghiem과 그의 동료들은 삼투와 막 증류를 이용해서 하수도 폐기물로부터 깨끗한 물을 수확하기 위해서 그들이 최근에 고안한 시스템을 변형하기로 결정했다.
이 방법을 조정함으로써, 그들은 폐수로부터 스트루바이트를 캐내기 위해서 필요한 화학물질들의 양을 줄였다.
이 팀의 원형 시스템은 서로 연결되어 작동하는 두 가지 부분들, 스트루바이트를 수확하는 한 부분과 담수를 복구하는 다른 부분을 가진다.
첫 번째 부분은 한 쪽에 농축된 폐수와 다른 쪽에 매우 농축된 염 용액을 가진 반투과성의 막에 의해서 나누어진 두 면을 가진 칸이다. 삼투가 물을 더 희석된 폐수 쪽으로부터 염 농도가 더 높은 “빨아들이기(draw)” 용액 쪽으로 그 막을 통해서 움직이게 해서, 폐수 안에 인과 알루미늄의 농도를 증가시킨다.
스트루바이트 복구를 향상시키기 위해서, 연구팀은 보통의 NaCl “빨아들이기” 용액을 MgCl2의 용액으로 바꿨다. 마그네슘 이온들은 그 두 용액들 사이의 화학적 기울기 때문에 그 말을 통해서 폐수 쪽으로 흐른다.
전하 균형을 보존하기 위해서, 양성자들이 폐수로부터 그 빨아들이기 용액으로 확산하여, 그 폐수의 pH를 높인다. 폐수의 마그네슘 농도와 pH 둘 다를 높이는 것은 스트루바이트 침전을 위해서 더 호의적인 조건을 만들어준다. 침전을 최대화하기 위해서, 연구자들은 또한 적은 양의 MgCl2와 NaOH를 그 폐수에 추가했다.
담수가 복구되는 그 시스템의 두 번째 부분에서, 그 빨아들이기 용액은 가열되고 미세공성 소수성 막을 가진 칸에 넣어진다. 수증기가 그 막의 더 차가운 쪽으로 통과해서 응축한다.
1제곱미터 막을 가진 칸은 시간당 약 9리터의 담수를 증류할 수 있을 것이다. 이 증류 과정이 MgCl2용액으로부터 담수를 제거하면서, 그것은 효과적으로 그 이중-부분 시스템의 지속적인 작동을 위해서 그 빨아들이기 용액을 재생한다.
이러한 전방 삼투와 증류 과정은 들어오는 폐수 리터당 2.4그램의 스트루바이트를 생산한다. 그것은 전통적인 방법에 비해서 1/15의 NaOH와 1/60 이하의 MgCl2를 필요로 한다. “그것은 매우 혁신적이고 훌륭한 원이의 증명”이라고 어바나-샴페인 일리노이대(University of Illinois, Urbana-Champaign)의 환경 공학자 Roland D. Cusick이 말했다.
그러나 그는 그 팀이 그 시스템을 상업적인 규모로 통합시킬 수 있기 전에 몇 가지 장애물들을 극복해야 한다고 말했다. 특히, 그들은 이 시스템의 반투과성 막의 오염을 해결해야 하는데, 이것은 최대 유속을 유지하기 위해서 탈염수로 자주 씻어야 한다. Nghiem의 팀은 이 오염을 제한하기 위한 방법들을 연구하고 있고 다음 몇 년 안에 시험 규모로 그 시스템을 시험하기를 바라고 있다.
[그림1] 수확된 비료. 주사 전자 현미경(Scanning electron micrographs)이 새로운 하수 처리 과정에 의해서 만들어진, 인과 알루미늄, 마그네슘을 포함하는 서방성 비료인 스트루바이트(struvite) 결정을 보여준다. 아래 이미지는 위 이미지를 확대한 것이다.
[그림 2] 인 회수. 폐수로부터 인과 깨끗한 물을 수확하기 위한 새로운 시스템이 전방 삼투 칸(왼쪽 FO 단위)과 막 증류 칸(오른쪽, MD 단위)으로 이루어진다.
그 첫 번째 칸에서, 소화 슬러지 농축물(digested sludge centrate, 갈색)로 불리는 농축된 폐수가 다른 쪽에 염화 마그네슘 빨아들이기 용액(진한 파랑색)을 가진 전방 삼투 막(FO 막)의 한 쪽에서 순환한다. 물은 슬러지 농축물로부터 빨아들이기 용액으로 이동한다.
두 번째 칸에서, 그 가열된 끌어당기기 용액으로부터 나오는 수증기가 소수성 막(MD 막)을 통과해 지나가고, 깨끗한 물이 더 차가운 쪽(밝은 파란색)에 모인다. 짧게 말해서, 물이 슬러지 농축물로부터 나와서 그 두 칸을 통과해서, 가장 오른쪽에 깨끗한 물이 된다. 더 많은 물이 그 시스템을 통과해서 움직이면서, 슬러지 농축물을 인을 포함하는 광물을 침전시켜 빼내기 위한 더 나은 환경이 된다.
[원문보기]
Device Mines Precious Phosphorus From Sewage
Scientists predict that the scarcity of phosphorus will increase over the next few decades as the growing demand for agricultural fertilizer depletes geologic reserves of the element.
Meanwhile, phosphates released from wastewater into natural waterways can cause harmful algal blooms and low-oxygen conditions that can threaten to kill fish. Now a team of researchers has designed a system that could help solve both of these problems.
It
captures phosphorus from sewage waste and delivers clean water using a combined osmosis-distillation process.
Conventional methods for extracting phosphorus from wastewater use chemicals to precipitate a mineral called struvite from the water.
Struvite contains phosphorus, ammonium, and magnesium, and is a useful slow-release fertilizer. Some struvite naturally precipitates out of the water in wastewater treatment plants, causing pipes to clog. But to extract the mineral in amounts that could be sold as fertilizer, engineers must add large amounts of magnesium and increase the pH of the wastewater by adding a strong base.
The required amounts of the chemicals are expensive enough that the struvite recovery is seldom cost-effective for utility companies, says
Long D. Nghiem, an environmental engineer at the
University of Wollongong, in Australia.
To bring down the costs of struvite recovery from wastewater, Nghiem and his colleagues decided to modify a system they recently designed for harvesting freshwater from sewage waste using forward osmosis and membrane distillation. By tweaking this method, they have reduced the amount of chemicals required to mine struvite from wastewater.
The team’s prototype system has two parts that work in tandem, one for harvesting struvite and the other for recovering freshwater. The first part is a two-sided cell divided by a semipermeable membrane with concentrated wastewater on one side and a highly concentrated salt solution on the other.
Osmosis drives water across the membrane from the more dilute wastewater side to the saltier “draw” solution, increasing the concentration of phosphorus and ammonium in the wastewater.
To enhance struvite recovery, the team replaced the usual NaCl draw solution with one of MgCl2. Magnesium ions flow across the membrane to the wastewater side because of the chemical gradient between the two solutions.
To preserve charge balance, protons diffuse from the wastewater to the draw solution, increasing the wastewater’s pH. Increasing both the magnesium concentration and the pH of the wastewater creates more favorable conditions for struvite precipitation. To maximize the precipitation, the researchers also added small amounts of MgCl2 and NaOH to the wastewater.
In the second part of the system, where freshwater is recovered, the draw solution is heated and introduced into a cell with a microporous, hydrophobic membrane.
Water vapor passes through to the cooler side of the membrane and condenses. A cell with a 1 m2 membrane could distill about 9 L of freshwater per hour. As this distillation process removes freshwater from the MgCl2 solution, it effectively renews the draw solution for continuous operation of the two-part system.
The forward osmosis and distillation process produces 2.4 g of struvite per liter of incoming wastewater. It requires less than one-sixtieth of the MgCl2 and one-fifteenth of the NaOH compared with the conventional method.
“It’s a very innovative and elegant proof of principle,” says
Roland D. Cusick, an environmental engineer at the
University of Illinois, Urbana-Champaign.
But he says the team must overcome some hurdles before the system can be implemented on a commercial scale. In particular, they must address the fouling of the system’s semipermeable membrane, which must be frequently flushed with deionized water to maintain maximum flow rates.
Nghiem’s team is researching ways to limit this fouling and hopes to test the system on a pilot scale within the next few years.
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