하수 슬러지와 음식물 쓰레기 퇴비에 대한 휘발성 유기화합물(Volatile organic compounds)의 기체상 수착에 관한 연구

Abstract

This study was conducted to evaluate the use of waste water sludge and food waste compost as a cover soil at landfill in order to control the emission of VOC out of landfill. The sorption of trichloroethylene(TCE), tetrachloroethylene(PCE) and TCE-PCE mixture from vapor phase onto waste water sludge and food waste compost was investigated by batch mode. the moisture content of each sorbent was adjusted at five different value -oven dried condition, air dried condition, ∼6%, ∼26%, saturation condition. Analysis was performed using Gas-FID with headspace method. The net molar heat of adsorption and monolayer adsorption capacity were calculated and compared. The result indicated the sorption capacity of waste water sludge and food waste compost was much larger than that of soil by 1∼2 order. as moisture content increased the sorption capacity of waste water sludge and food waste compost decreased less than that of soil. The net molar heat of adsorption in the sorption of TCE and PCE onto waste water sludge and food waste sludge was -11.Olkcal/mol, -10.50kcal/mole for PCE, 9.50kcal/mol, -9.95kcal/mol for TCE, -9.99kcal/mol, -9.17kcal/mol for PCE-TCE mixture respectively. The sorption capacity of waste water sludge is larger than others The use of waste water sludge and food waste compost as a cover soil seems to be able to control the emission of VOC out of land fill. therefore, the valuable soil resource can be saved, the contamination of VOC can be remediated and the recycling of resource can be achieved. ; 휘발성 유기화합물(VOC)은 인간에게 미치는 위해성이 큰 주요 환경 독성 물질중의 하나로 오존 등의 광화학 스모그 생성의 원인 물질일 뿐만 아니라 발암을 일으킬 수 있는 유해물질이며 지구를 온난화하고 오존충 파괴하는 원인 물질임과 동시에 대기중의 악취물질로 환경 및 건강에 악영향을 초래한다. 따라서 VOCs 감축을 대기질 관리의 주요 정책수단으로 이용하는 국가가 증가 추세에 있다. 이러한 VOCs 물질은 이러한 VOCs의 주요 배출원은 자동차(배기관과 증발), 도장 산업 유류 저장 및 출하 시설들을 비롯해 용매 및 세정제를 사용하는 일반 산업체, 기타 유기화합물 제조 공정, 제약 공정 플라스틱 관련 공정 등으로 그 발생원이 매우 다양하다. 산업사회가 고도로 발전함에 따라 VOCs의 발생원은 계속 증가할 것이고 여기서 배출되는 폐기물의 양도 늘어날 것이다. 이러한 폐기물이 매립될 때, 매립지에서 원래 상태의 또는 분해가 덜된 VOCs 물질이 기체상으로 발생될 수 있다. 이러한 가능성은 외국의 여러 매립지에서 매립가스를 분석한 결과를 통해 입증되고 있으며 따라서 우리나라 매립지에서도 매립지 주변지역에 유해한 영향을 미칠 수 있는 VOCs 물질이 기체 상으로 발생할 가능성이 있다. VOCs 에 의한 지하수와 토양의 오염 연구들을 살펴보면 VOCs 물질이 휘발되어 바로 대기 중으로 배출되지 않고 토양층에 수착하여 오랜 시간 동안 토양과 지하수를 오염시키고 있음을 알 수 있다. 따라서 매립지에서도 휘발되어 나오는 VOCs 물질은 매립지 복토재에 수착할 것이다. 그러나 매립지의 경우는 오히려 복토재의 수착을 통하여 VOCs물질이 주변 환경으로 노출되는 것을 막을 수 있다. 또한 수착된 VOCs 물질을 미생물이 먹이로 분해하게 되면 매립지 복토에 생물막이 형성되어 반영구적인 VOCs의 제어가 이루어 질 수 있을 것이라 생각된다. 하수 슬러지는 하수처리 시설에서 발생하는데 폐기물관리법 시행규칙 개정(1997년)에 따라 2001년부터는 하수종말처리시설로부터 발생하는 유기성 슬러지(소화 슬러지도 이에 해당됨) 의 직매립이 금지되는 것이 입법예고 되어 있어 최근 처분 방안마련이 절실한 상태이다. 하수 슬러지는 유기물 함량이 매우 높아 토양 보다 유기물질을 더 많이 흡착할 수 있을 것으로 판단되며 미생물이 생장하기에도 좋은 여건을 마련한다. 따라서 하수 슬러지를 매립지 복토재로 토양과 섞어 사용한다면 하수 슬러지의 처리 문제를 해결할 수 있고 지금까지 복토재로 쓰인 양질의 토양 자원을 아낄 수 있으며 더 나아가 토양의 유기물 함량을 높이므로써 VOCs의 수착능(Sorption ability)를 향상시킬 수 있을 것이라 판단된다. 음식물 쓰레기퇴비는 폐기물 관리법에 따라 음식물 쓰레기를 매립지로 직매립하는 것이 금지 됨에 따라 그 처리 방법의 하나인 퇴비화를 통해 생산되나 본래의 생산목적을 달성하지 못 한 채 야적되어 있는 실정이다. 음식물 쓰레기 퇴비 또한 유기물의 함량이 높고 미생물이 번식하기 좋아 매립지 복토재로 사용 시 VOCs의 제어가능성이 토양 보다 높을 것으로 판단된다. 더 나아가 최종 복토재로 토양과 섞어 사용할 때는 표면 식재에도 도움을 줄 수 있을 것이다. 따라서 본 연구에서는 반영구적인 VOCs의 제어가능성을 평가하기 위해 휘발성 유기 화합물의 분포와 이동에 있어 가장 중요한 인자 중의 하나인 기체상 수착에 대해 알아보았다. 휘발성 유기화합물로는 대표적 유해 물질인 Trichloroethylene(TCE)과 Tetrachloroethylene(PCE)을 사용하였으며 기체상 수착을 위한 흡착제로는 하수 슬러지와 음식물 퇴비를 이용하였다. 수착에 영향을 미치는 가장 중요한 인자 중 하나는 수분함유량으로 알려져 있다. 강우량이 여름철에 집중되는 우리 나라의 기후와 매립된 폐기물 분해 시 발생되는 수분을 고려할 때 매립지에서 VOCs의 수착 시에도 수분이 관여할 것이라 판단되어 본 연구에서는 수분함유량을 달리하여 실제 매립지에서 휘발성 유기화합물의 수착을 평가하였다. 토양의 경우 수분함유량이 약 4%정도면 거의 포화되므로, 수분함유량별로 수착량을 예측해 볼 수 있도록 수분함유량을 오븐건조 상태,공기건조 상태, 약6%의 수분함량, 약 26% 수분함량, 포화상태로 달리하여 연구하였다. 수분함유량이 증가할수록 흡착량은 감소하였다. 그러나 기존 연구들의 수분 함유량에 따른 토양의 흡착량과 비교해보면 본 연구에서 적용한 수분함유량이 훨씬 큼에도 불구하고 흡착량은 더 컸으며 수분의 증가에 따른 흡착량의 감소도 토양보다 작았다. 이것은 본 연구에 사용된 흡착질의 유기탄소함유량이 하수 슬러지와 음식물 쓰레기 퇴비의 경우 각각 15.59%, 34.63% 으로 토양에 비해 훨씬 크며 또한 연구된 바대로 비교적 공극이 많은 물질이기때문으로 생각된다. 수분함유량이 가장 작은 오븐 건조 상태인 경우는 거의 모든 경우의 등온 흡착 곡선이 BET 형태를 띠었다. 따라서 P/P^0가 낮은 경우는 흡착 기작에 의해 P/P^0가 높은 경우는 다분자층을 형성하며 액화 기작에 의해 흡착이 이루어 지는 것으로 생각된다. 가장 수분이 많은 포화상태에서는 등온 흡착 곡선이 선형적이었기 때문에 흡착질이 흡착제의 유기부분에 흡수되어 흡착이 이루어 진다고 생각된다. 중간의 수분 함유량에선 등온 흡착곡선의 형태가 다양하게 나타나는데, 이것은 수분이 작용하고 흡착질이 매우 불균일한 상태에서 여러 메커니즘이 수착에 기여하고 있기 때문일 것이다. 하수 슬러지, 음식물 쓰레기 퇴비 모두 수착 시 PCE의 흡착량이 더 많았고 흡착 엔탈피도 각각 -11.0IkcaI/mol, -10.50kcal/mol로 TCE 의 -9.50kcal/mol, -9.95kcal/mol, TCE 와 PCE 혼합 시 -9.99kcaI/mol, -9.17kcal/mol 보다 컸다. 따라서 매립지의 하수 슬러지와 음식물 쓰레기 퇴비를 복토재 대체재로써 토양과 함께 섞어 사용한다면 유해한 VOCs의 환경 노출을 막을 수 있고 귀중한 토양자원을 절약하여 자원의 재생을 극대화할 수 있을 것이다.