2.1. 회분식 실험

마이크로웨이브를 이용한 잉여 슬러지의 가온과 인산염 방출을 검토하기 위해 생물학적 고도처리 공정이 운영되고 있는 하수처리장의 잉여 슬러지와 시판용 전자레인지(LMF- 020BMW, 롯데기공)를 이용하여 회분식 실험을 실시하였 다. 또한 마이크로웨이브를 이용한 가온이 인산염 방출에 얼마나 기여하는지를 검토하기 위해 컨트롤 실험도 병행하 였다. 이를 위해 하수처리장에서 채취한 잉여 슬러지를 체 눈의 크기가 1 mm인 망체로 협잡물을 제거한 후, 다양한 pH 조건에서 인산염 방출 실험을 실시하였다. 이때 사용한 잉여 슬러지의 인 함량은 약 4.9 %이었다.

인산염 방출 실험은 pH 2.5, 5, 7, 9 및 11의 조건에서 실시하였는데 가성소다(NaOH) 혹은 황산(H₂SO₄) 용액을 이용하여 잉여 슬러지의 pH를 조절한 후, 나사형 플라스틱 뚜껑을 가진 백색유리 재질의 랩보틀에 100 mL씩 분취하 여 실험을 실시하였다. 이를 위해 마이크로웨이브 조사 1 분 및 정지 4분을 1사이클로 45분 동안 총 9사이클 반복하 여 실시하면서 인산염 방출을 유도하였다.

잉여 슬러지의 가온에 사용한 전자레인지의 최대출력은 700 W이지만 스위치 조정을 통해 강, 중, 하, 해동, 보온 등 5개 단계로 출력을 조정할 수 있다. 그러나 각 단계의 출력이 얼마인지 정확히 알 수 없어 본 연구에서는 소량의 잉여 슬러지를 긴 시간 동안 가열 할 수 있도록 출력이 가 장 낮은 보온 단계를 사용하여 가온하였다. 이 단계에서는 26 °C의 증류수 100 mL를 2분 동안 10 °C 상승시킬 수 있 었다.

한편, 잉여 슬러지의 고형물 농도(MLSS) 및 인산염과 암 모니아 농도는 Standard method (^{APHA, AWWA, and WEF, 1989})에 기초하여 분석하였다. 또한 다양한 pH 조건 에서 가온 전후에 채취한 잉여 슬러지를 0.1 % 메틸렌블루 우로 염색하여 디지털 이미지 촬영기가 부착된 생물광학현 미경(BL-11T, 대명광학)으로 폴리인산 축적 미생물의 형태 학적 변화를 관찰·분석하였다.

2.2. MAP 결정화 및 분석

마이크로웨이브로 잉여 슬러지를 가온하여 방출시킨 인산 염과 암모니아를 회수하기 위해 마그네슘을 이용하여 MAP 결정화를 실시하였다. 이를 위해 pH 7의 조건에서 회분식 실험과 같은 마이크로웨이브 조사 조건으로 잉여 슬러지를 가온한 후, 원심분리기로 슬러지와 상등액을 분리하였다. 이와 같은 방법으로 수차례 반복하여 얻은 상등액에 인산 염과 마그네슘의 몰비율(P:Mg)이 1:1.2가 되도록 염화마그네 슘(MgCl₂·6H₂O)을 첨가하고, pH 조건이 8.5가 되도록 가성 소다로 조절하여 아래의 화학양론식과 같이 MAP 결정화 를 시도하였다. 생성된 MAP 결정체는 침전시켜 회수한 후, X선 회절분석기(X-Ray Diffraction) (New D8-Advance, Bruker-AXS)로 정성분석을 실시하였다.

3.1. 잉여 슬러지 가온과 인산염 방출

마이크로웨이브를 이용한 잉여 슬러지의 가온이 인산염 방출에 어떠한 영향을 미치는지를 알아보기 위해 회분식 실험을 실시하였다. 이를 위해 다양한 pH 조건에서 마이크 로웨이브를 이용하여 잉여 슬러지를 가온할 때 얼마나 많 은 인산염이 방출되는지를 평가하였다.

그 결과를 Fig. 1(a)에 나타내었는데 인산염 방출은 온도 의 영향을 크게 받는 것으로 나타났다. 인산염 농도는 잉 여 슬러지의 가온과 동시에 급격히 증가하였는데 30분 이내 에 대부분의 인산염이 방출되었다. 대표적으로 pH 7의 조건 에서 마이크로웨이브 가온에 의한 잉여 슬러지의 온도변화 를 Fig. 1(c)에 나타내었는데 잉여 슬러지의 온도는 26 °C 에서 59 °C까지 상승하였다. 그러나 30분 이후에 추가적으 로 15분간 가온을 실시하여도 잉여 슬러지의 온도는 70 °C 까지 상승하지만 인산염 방출은 크게 증가하지 않았다. 이 때 잉여 슬러지의 온도 변화는 pH 조건과 관계없이 동일하 였다.

Fig. 1. Changes in concentration of phosphorus (a) and ammonia (b) under various pH conditions, and temperature (c) at pH 7.

한편, 잉여 슬러지의 인산염 방출은 온도 이외에 pH의 영향도 크게 받아 중성 조건보다는 알칼리성 또는 산성 조 건에서 크게 촉진되는 것으로 나타났다. 강알칼리성 조건인 pH 11의 경우, 마이크로웨이브 조사를 시작한지 15분 이내 에 대부분의 인산염이 방출되었고, 소량이지만 이후에도 지 속적으로 인산염이 방출되었다. 이에 반해 pH 9의 경우는 pH 11 보다 완만히 방출 되지만 30분 이내에 대부분의 인 산염이 방출되었고, 이후에는 pH 11과 같이 소량만 방출되 었다. 중성 조건인 pH 7에서도 비슷한 인산염 방출 형태가 관찰되었다.

반면에 산성 조건인 pH 5의 경우는 pH 11의 경우와 비 교해 인산염 방출은 완만하지만 더 많이 방출되었다. 더욱 이 pH 9와 7의 경우와 비교해 인산염 방출속도도 빠르고, 방출량도 많은 것으로 나타났다. 그러나 강산성 조건인 pH 2.5의 경우에서는 초기 15분 동안 소량의 인산염 방출만 관찰되어 다른 pH 조건과 비교해 매우 낮은 수준이었다.

이와 같은 결과는 pH 조건에 따라 잉여 슬러지에서 인산 염이 방출되는 과정이 서로 다르기 때문으로 추측된다. 즉, 강알칼리성 또는 산성 조건인 pH 11과 5의 경우, 마이크로 웨이브가 조사되는 동안에는 잉여 슬러지의 화학적 분해가 크게 촉진되기 때문으로 생각된다(^{Liao et al., 2005}). 이에 반해 pH 9와 7에서는 마이크로웨이브가 조사되는 동안 강 알칼리성 혹은 산성에 의한 잉여 슬러지의 분해보다는 플 록 내 온도가 증가하면서 폴리인산 축적 미생물의 생리학 적 특징에 의한 인산염 방출이 크게 증가되었기 때문으로 생각된다(^{Kuroda et al., 2002}).

한편, 마이크로웨이브로 잉여 슬러지를 가온할 때 인산염 이외에 암모니아 방출도 관찰되었다. 그 결과를 Fig. 1(b)에 나타내었는데 인산염 방출과 비슷하게 암모니아 방출도 온 도와 pH 영향을 크게 받는 것으로 나타났다. pH 5에서 가 장 많은 암모니아가 방출되었고, pH 2.5에서 가장 적었다. 반면에 pH 9와 7에서 방출된 암모니아 방출은 비슷한 것 으로 나타나 인산염 방출 형태와는 크게 상이하였다. 이론 적으로 폴리인산 축적 미생물이 세포 내 pH 조절을 위해 폴리인산을 분해하여 인산염을 방출하는 과정에서 암모니 아를 방출하지 않는다(^{Bond et al, 1999}). 따라서 이와 같은 결과는 암모니아 방출의 대부분은 마이크로웨이브를 이용 하여 가온하는 과정에서 잉여 슬러지의 플록을 구성하는 EPS나 일부 미생물의 분해에서 기인했기 때문으로 생각된 다(^{Lin et al., 2009}).

또한 강알칼리성 조건인 pH 11의 경우에도 암모니아 방 출이 pH 9와 7의 경우와 유사한 것으로 나타났다. 그러나 강알칼리성 조건에서는 잉여 슬러지의 플록이나 미생물이 쉽게 분해될 수 있기 때문에 pH 9 혹은 7의 경우보다는 실질적으로 더 많은 암모니아가 방출되었을 것으로 추측된 다. 즉, 높은 pH 조건 때문에 암모니윰(NH₄⁺) 일부분이 암 모니아 가스(NH₃)로 전환되면서 유실되고, 일부는 마이크 로웨이브로 잉여 슬러지를 가열하는 동안 함께 방출되는 금속이온이나 인산염과 반응하여 침전물 형태로 제거될 수 있기 때문에 암모니아 농도가 낮게 검출되었을 것으로 생 각된다(^{Snoeyink and Jenkins, 1980}; ^{Zang and Kuba, 2014}).

강산성 조건인 pH 2.5의 경우에는 인산염의 방출과 유사 하게 암모니아 방출도 매우 제한적인 것으로 나타났다. 그 러나 pH 5에서 암모니아 방출이 가장 많았던 점을 고려하 면 pH 2.5에서도 암모니아 배출이 적지는 않았을 것으로 추측된다. 이는 마이크로웨이브를 이용한 잉여 슬러지의 가 온 과정에서 방출된 인산염과 암모니아가 반응하여 인산암 모늄(Ammonium phosphate)을 형성하거나 혹은 황산이온과 반응하여 황인산암모늄(Ammonium phosphate sulfate) 등과 같은 물질을 형성하였기 때문에 암모니아 농도가 낮게 검 출되었을 것으로 생각된다.

3.2. 마이크로웨이브를 이용한 가온의 효율성

생물학적 고도처리 공정이 설치된 하수처리장에서 발생 하는 잉여 슬러지는 인 함량이 비교적 높다. 이는 잉여 슬 러지에 폴리인산을 세포 내에 축적하는 폴리인산 축적 미 생물이 우점화하고 있기 때문이다. 이들 미생물은 다양한 생리학적 특징을 가지고 있다. 그 중 한 가지는 고온에 노 출되면 세포 내 폴리인산을 방출하는 것과 다른 한 가지는 pH 조건이 높은 혐기성 조건에서 탄소원 섭취를 동반하지 않아도 인산염을 방출하는 것이다. 이에 잉여 슬러지를 마 이크로웨이브로 가온할 때 방출되는 인산염에 온도 및 pH 가 어느 정도 각각 기여하는지를 정량적으로 알아보기 위 해 컨트롤 실험도 함께 실시하였다. 이를 위해 다양한 pH 조건에서 잉여 슬러지의 혐기성 인산염 방출을 평가하였다.

그 결과를 Table 1에 마이크로웨이브를 이용한 인산염 방출과 함께 나타내었는데 모든 pH 조건에서 혐기성 인산 염 방출이 관찰되었다. 인산염은 pH 11, 5, 9, 7 그리고 2.5 순으로 많이 방출되었다. 특히 마이크로웨이브를 이용 한 인산염 방출과는 달리 pH 5에서는 pH 11 보다 적은 인산염이 방출되었지만 pH 9 보다 많은 인산염 방출이 관 찰되었다. 이와 같은 결과는 폴리인산 축적 미생물에 의한 혐기성 인산염 방출만으로는 설명하기 어렵다. 즉, 알칼리 성 조건에서는 세포 내 pH 조절을 위해 폴리인산의 분해 (PolyP → ATP + H⁺ + HPO₄^2-)가 필요하지만 산성 조건에서 는 이와 같은 일련의 생리학적 대사가 필요하지 않기 때문 이다. 따라서 pH 5 또는 2.5와 같이 산성 조건에서는 세포 내 pH 조절을 위한 폴리인산 축적 미생물의 인산염 방출 보다는 잉여 슬러지를 구성하는 플록이나 일부 미생물의 분해가 진행되었기 때문으로 생각된다(^{Xu et al., 2015}). 잉 여 슬러지에 포함된 총인 중 최대 약 10 %는 미생물의 세 포가 아니라 EPS에 존재하는 것으로 알려져 있어 낮은 pH 조건에서의 인산염 방출이 가능하다(^{Zhang et al., 2013}).

흥미롭게도 이 결과는 인산염 방출이 이루어진 후, 관찰 된 pH 변화와 잘 일치한다. 강알칼리성 및 중성 조건인 pH 11, 9, 7에서는 pH가 8.5, 7.2 6.6으로 낮아지지만, 강 산성 조건인 pH 5와 2.5에서는 pH가 5.3과 3.2로 증가하였 다. 따라서 알칼리성 조건에서는 폴리인산 축적 미생물이 세포 내 폴리인산을 인산염으로 분해하여 배출하는 과정에 서 함께 배출되는 수소이온의 영향으로 pH가 감소하지만, 강산성 조건에서는 방출된 인산염이 삼수소 혹은 이수소인 산 이온 형태로 존재하기 때문에 pH가 약간 증가한 것으 로 생각된다.

반면에 마이크로웨이브 가온이 중지된 45분 이후에는 pH 9, 7, 5와 2.5의 경우, 잔열에 의한 인산염 방출과 혐기성 인산염 방출에 의한 인산염 농도가 약간 증가하지만 농도 차이가 일정하게 유지되어 잔열에 의한 인산염 방출은 미 미한 것으로 나타났다. 그러나 pH 11의 경우에는 혐기성 인산염 방출이 크게 증가하여 잔열에 의한 인산염 방출과 의 농도 차이가 크게 감소한 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 마이크로웨이브 조사에 의한 미생물의 활성도 저하 때문으로 추측된다. 강알칼리성 조건에서 마이크로웨이브를 조사하여 가온할 경우, 미생물의 활성을 크게 저하시켜 잔 열에 의한 인산염 방출을 크게 감소시킬 수 있는 것으로 알려져 있다(^{Dogan and Sanin, 2009}). 이에 반해 마이크로 웨이브로 가온하지 않을 경우에는 pH의 영향만 받게 되므 로 잉여 슬러지 내 미생물은 EPS에 둘러싸여 있고, 활성이 유지되는 동안 배출되는 이산화탄소에 의해 급격히 상승하 는 플록 내부의 pH 영향을 최소화할 수 있어 강알칼리 조 건에서도 꾸준한 혐기성 인산염 방출이 가능했기 때문으로 생각된다(^{Wingender et al., 1999}). 이와 유사한 결과도 보 고된 바 있다(^{Kim et al., 2015}).

한편, 각각의 pH 조건에서 마이크로웨이브를 이용하여 잉여 슬러지를 가온할 때와 가온하지 않을 때 방출되는 인 산염의 차이(ΔP)는 pH 7에서 가장 크고, 다음으로 pH 5 와 9 그리고 11의 순으로 나타났다. 따라서 마이크로웨이 브로 가온에 의한 방출 효과는 중성 조건에서 가장 크고, 알칼리성 또는 산성 조건에서는 다소 감소하는 것으로 나 타났다.

3.3. 잉여 슬러지의 형태학적 변화

지금까지 잉여 슬러지에 축적되어 있는 폴리인산을 MAP 결정체로 회수하기 위한 전처리 방법으로 마이크로웨이브 를 이용한 가온법을 평가하였다. 마이크로웨이브를 이용한 잉여 슬러지의 가온은 가열속도가 빠르고 재현성이 좋다. 특히, 마이크로웨이브 조사는 pH 조건에 따라 잉여 슬러지 일부를 분해하여 인산염 방출을 쉽게 촉진할 수 있다. 그 러나 잉여 슬러지의 파괴는 인산염 이외에 COD 등도 함께 방출되기 때문에 후단 공정에 부담을 가중시키게 된다. 따 라서 최소한의 마이크로웨이브 조사를 통해 최대의 가온 효율을 높여 인산염 방출을 최대화하고, 잉여 슬러지의 파 괴와 분해를 최소화할 필요가 있다.

이를 위해 다양한 pH 조건에서 마이크로웨이브 조사가 잉여 슬러지의 형태학적 모습(Morphology)에 어떠한 영향 을 미치는지를 알아보았다. 이를 위해 마이크로웨이브 조사 전후의 잉여 슬러지를 각각 채취하여 메틸렌블루우로 염색 한 후, 관찰하였다. 그 결과, Fig. 2(a)에서 나타낸 것과 같이 마이크로웨이브 조사 전의 잉여 슬러지에서는 Coccobacilli 형태의 미생물로 구성된 다수의 클러스터가 관찰되었다. 일 반적으로 폴리인산 축적 미생물의 세포 내 폴리인산은 메 틸렌블루우나 네슬러 용액으로 염색이 가능한 이염성이기 때 문에 잉여 슬러지 내 이들 미생물의 관찰이 가능하다. 그러 나 다양한 pH 조건에서 마이크로웨이브를 이용하여 잉여 슬 러지를 45분간 가온하면서 인산염을 방출시킨 후에는 메틸 렌블루로 염색된 클러스터는 거의 관찰되지 않았다. 이와 같 은 결과는 마이크로웨이브를 이용한 가온이 폴리인산 축적 미생물이 세포 내 폴리인산을 배출시켰기 때문으로 생각된 다. 이와 유사한 결과가 DAPI (4',6-diamidino-2-phenylindole) 를 이용한 염색 결과에서도 보고된 바 있다(^{Kuroda et al., 2002}).

Fig. 2. Images of clusters stained with methylene blue before (a) and after (b) microwave irradiation at pH 7 .

한편, Fig. 2(b)에 나타낸 것과 같이 pH 7에서는 클러스 터가 파괴되지 않고 그 모양이 마이크로웨이브 조사 전과 매우 유사한 형태로 관찰되었으나 강알칼리성과 강산성 조 건에서는 마이크로웨이브로 가온한 후, 이들 클러스터가 거 의 관찰되지 않았다. 이와 같은 결과는 강알칼리나 강산 조건에서는 잉여 슬러지의 플록 일부가 파괴되면서 미생물 들이 분산되었기 때문으로 추측된다.

3.4. MAP의 결정화

마이크로웨이브를 이용하여 잉여 슬러지를 가온하는 과 정에서 방출시킨 인산염과 암모니아를 마그네슘과 반응시 켜 MAP 결정체로 회수할 수 있는지를 검토하였다. 이를 위해 pH 7의 조건에서 마이크로웨이브를 조사하여 잉여 슬러지에서 인산염 방출을 유도한 후, 원심 분리하여 얻은 상등액을 이용하였다. 상등액의 인산염과 마그네슘의 몰비 율이 1:1.2가 되도록 염화마그네슘(MgCl₂·6H₂O)을 첨가한 후, pH를 8.5로 조정하여 MAP 결정화를 실시하였다. 이때 얻어진 결정체의 MAP 여부를 확인하기 위해 XRD를 이용 하여 정성분석을 실시하였다.

그 결과를 Fig. 3에 나타내었는데 MAP 결정체로 확인되 어 마이크로웨이브를 이용한 인산염 방출과 MAP 결정화 를 통한 인산염과 암모니아의 회수 가능성이 확인되었다. 일반적으로 잉여 슬러지에는 다양한 물질이 포함되어 있다. 특히, 잉여 슬러지를 구성하는 EPS에는 Mg²⁺, Al³⁺, Ca²⁺, Fe³⁺ 등 다양한 금속이온을 포함되어 있어 가온 시 인산염 과 함께 방출되는 것으로 알려져 있다(^{Zhang and Kuba, 2014}). 이렇게 방출된 금속이온은 알칼리성 조건에서 인산 염이나 암모니아와 반응하여 다양한 형태의 결정체를 형성 하게 된다. 대표적 물질인 칼슘의 경우, 인산염과 반응하여 알칼리성 조건에서 Ca₅(PO₄)₃OH (Hydroxyapatite) 등을 생 성하는 것으로 알려져 있다(^{Santinelli et al., 2013}).

Fig. 3. XRD and PDF patterns of MAP sample (a and b) and struvites (c and d); (c) 00-015-0762 and (d) 98-000-5946.

이에 반해 마이크로웨이브를 이용하여 잉여 슬러지에서 얻은 인산염을 마그네슘과 반응시켜 결정화한 MAP 결정 체를 XRD로 분석한 결과, 이들 물질에서 얻은 조대피크의 위치와 상대적 강도(Relative intensity)가 표준물질에서 얻 은 것과 정확히 일치하는 것으로 나타났다. 다양한 금속이 온이 포함된 축산폐수에서 인산염을 MAP 결정체로 회수 할 때 일부는 부반응에 의해 일부 결정체가 생성되는 것으 로 알려져 있다(^{Ahn et al., 2016}). 그러나 마이크로웨이브 로 잉여 슬러지를 가열하는 과정에서 배출된 인산염과 암 모니아와의 MAP 결정화 과정에서 특별한 부반응은 관찰 되지 않았다. 따라서 마이크로웨이브를 이용한 잉여 슬러지 의 가온과 마그네슘을 이용한 MAP 회수 및 재활용 기술 은 유해 중금속에 의한 토양오염 등 2차 환경문제 없이 고 갈 자원인 인을 재활용할 수 있도록 크게 기여할 것으로 기대된다.