슬러지의 높은 수분 함량은 후속 처리 비용과 환경 위험을 증가시킵니다. 중성에 가까운 조건에서 저온과 폴리아크릴아마이드(PAM)를 결합한 혁신적인 공정(heat-PAM)이 슬러지 탈수 향상을 위한 간단하고 실용적인 방법으로 제안되었습니다. pH 6.0 및 85°C의 온도에서 PAM 투여량 10.0 mg/g 건조 고형물(DS)로 처리된 슬러지의 수분 함량과 모세관 흡입 시간(CST)은 각각 76.8% 및 27.5초에서 68.9% 및 16.6초로 감소했습니다. 중성 pH는 슬러지의 추가 자원 활용에 유리합니다. 이 heat-PAM 처리는 밀접하게 결합된 세포외 고분자 물질(TB-EPS) 내의 친수성 분획을 용해성 EPS(S-EPS)로 전환하고, 슬러지 세포의 용해 및 결합 수분의 방출을 가능하게 했습니다. 결합 수분 함량은 2.4 g/g DS에서 0.8 g/g DS로 감소했습니다. 또한, X선 광전자 분광법(XPS)을 통한 EPS의 분자 특성화는 heat-PAM 처리에 의한 친수성 기능 그룹의 분해를 명확히 했습니다. 제타 전위와 입자 크기는 PAM이 재응집을 유발했음을 나타냈습니다. 처리된 슬러지 내 미생물 군집의 분포 변화는 특정 항생제 내성 유전자(ARGs)의 비율 감소를 초래했습니다. 한편, 조절된 슬러지 내 전형적인 중금속(Cr, Cu, Zn)의 함량은 유의미하게 감소했습니다. 이 연구는 슬러지 탈수 향상 및 슬러지에서 오염 물질 제거를 위한 간단하고 효과적인 기술을 제시합니다.

폐활성 슬러지는 폐수 처리의 부산물로, 수분 함량이 매우 높은 특성을 가지고 있습니다(일반적으로 > 99 %), 이는 이후의 처리 및 처분을 제한합니다 [1], [2]. 슬러지 처리 비용은 폐수 처리 시설(WWTPs)의 전체 비용에서 상당한 비율을 차지합니다 [3]. 슬러지에는 중금속 및 항생제 내성 유전자(ARGs)와 같은 많은 유해 물질이 포함되어 있는 것으로 알려져 있습니다 [4], [5]. 하수 슬러지 내 항생제의 함량은 μg/kg에서 mg/kg까지 크게 변동합니다 [4]. 이러한 물질은 인체 건강에 잠재적인 위협을 가하며 잔여 슬러지의 자원 활용을 크게 제한합니다. 따라서 슬러지 탈수 과정에서 이러한 유해 물질을 제거하는 것이 필요합니다.

Extracellular polymeric substances (EPS)는 슬러지에서 발견되는 음전하를 띤 친수성 폴리머로, 슬러지 탈수 성능을 결정합니다 [3]. EPS는 주로 단백질(PN)과 다당류(PS)로 구성되어 있으며, 휴믹 물질과 핵산도 포함됩니다 [6]. 세포 결합 정도에 따라 EPS는 용해성 EPS(S-EPS), 느슨하게 결합된 EPS(LB-EPS), 그리고 단단하게 결합된 EPS(TB-EPS)로 분류될 수 있습니다 [7], [8]. EPS의 친수성은 이들이 많은 양의 물과 결합할 수 있게 해주며, EPS의 전기음성은 폐수 시스템에서 슬러지의 안정적인 분산을 가능하게 합니다 [9]. 슬러지 플록의 느슨한 구조는 부착된 물을 배출하기 어렵게 만들어 슬러지의 수분 함량을 높입니다. 따라서 슬러지는 일반적으로 탈수 전에 전처리되어 더 나은 탈수 성능을 달성합니다 [10].

온도는 슬러지 탈수 성능에 영향을 미치는 주요 요소입니다. 연구에 따르면, 슬러지 탈수 능력의 유의미한 향상은 온도가 180°C를 초과할 때만 관찰됩니다 [11]. 그러나 고온 처리 과정에서 슬러지에서 유기물이 여과액으로 방출됩니다. 이는 탈수된 슬러지 케이크의 활용 가치를 감소시킬 뿐만 아니라 여과액 내에서 매우 높은 용해성 화학 산소 요구량(SCOD)과 암모니아 질소 농도를 초래합니다. 결과적으로, 이후 처리 과정이 더 복잡해집니다 [12]. 또한, 높은 장비 요구 사항과 높은 에너지 소비는 처리 비용을 증가시킵니다 [12], [13]. 따라서 비용을 줄이기 위해 저온 슬러지 처리 기술을 개발할 필요가 있습니다. 저온 열 처리는 슬러지 플록 구조를 파괴하고 EPS를 분해할 수 있습니다. 그러나 이는 슬러지의 표면적을 증가시켜 슬러지 탈수성을 악화시킬 수 있습니다 [9]. 이전 연구에서는 저온과 산화제를 결합하여 슬러지 탈수 성능을 시너지 효과로 향상시키는 방법을 탐구했습니다. 나트륨 퍼설페이트가 80℃에서 슬러지의 수분 함량을 12.2% 감소시킬 수 있다고 보고되었습니다 [14]. 칼슘 과산화물이 저온과 결합하면 산성 조건에서 수분 함량을 79.9%에서 69.2%로 줄일 수 있습니다 [9]. 그러나 산화제의 저장 및 사용과 관련된 잠재적 위험이 있으며, 이를 부적절하게 취급하면 인체 건강과 환경에 심각한 해를 끼칠 수 있습니다. 또한, 산화제 활성화는 일반적으로 산성 조건을 요구하거나 본질적으로 산성 화합물을 포함하므로, 처리 후 매우 산성인 여과액이 생성됩니다. 이 산성 여과액은 처리 장비에 부식 위험을 초래할 뿐만 아니라 중화 작용을 위한 알카리 투입이 필요하게 되어 하류 처리 비용을 증가시킵니다. 따라서 산화제를 사용하지 않고 저온 처리로 슬러지 탈수를 향상시키는 방법은 주목할 만한 가치가 있습니다.

양이온 플록큘런트는 슬러지 입자 간의 정전기적 반발을 제거하고 슬러지 현탁 시스템을 파괴하여 슬러지 탈수 능력을 향상시킬 수 있습니다 [3]. 일반적으로 사용되는 양이온 플록큘런트인 폴리아크릴아미드(PAM)는 저렴한 비용과 강한 플록큘레이션 덕분에 WWTP에서 널리 적용됩니다 [15]. 슬러지 플록큘레이션 과정에서 PAM은 전하 중화 및 브리징을 통해 작은 슬러지 플록과 큰 슬러지 플록 간의 연결 다리 역할을 하여 슬러지 여과 속도를 증가시킵니다 [16], [17]. 그러나 PAM만 사용하면 EPS 구조가 파괴되지 않고 결합된 물이 슬러지에 남아 지속적으로 높은 수분 함량을 초래합니다 [18].

PAM과 저온의 조합은 슬러지 탈수 강화에서 저온 처리와 PAM의 단점을 보완할 수 있습니다. 결합된 기술은 산화제의 사용을 피하여 화학 물질 사용과 관련된 환경 위험을 최소화합니다. 또한, 열처리는 슬러지 세포를 파괴하고 미생물 군집 구조를 변화시킬 수 있으며, 이는 슬러지에서 ARG를 제거할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다 [11]. 그러나 강화된 슬러지 탈수 과정에서 PAM과 결합된 열처리에 의한 ARG 제거에 대한 연구 공백이 여전히 존재합니다.

이 연구는 거의 중성 조건(열-PAM)에서 저온 결합 PAM을 사용하여 슬러지 탈수의 잠재적 개선을 탐구하는 것을 목표로 합니다. 모세관 흡입 시간(CST)과 수분 함량이 탈수 성능을 평가하는 매개변수로 사용되었습니다. 이 연구의 주요 목표는 다음과 같습니다: (1) 열-PAM 공정이 슬러지 탈수성에 미치는 영향을 조사한다; (2) 결합 조절 후 슬러지에서 전형적인 중금속 함량의 변화와 일부 ARG의 상대적 풍부성을 평가한다; (3) 슬러지의 탈수 성능을 향상시키는 관련 메커니즘을 탐구하고, ARG를 슬러지에서 제거하기 위한 잠재적 메커니즘을 밝히기 위해 미생물 군집 구조의 변화를 평가한다.