황철석

Aug 31, 2023

npj Clean Water 6권, 기사 번호: 59(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

지하수의 질산염 및 미생물 오염은 극심한 도시화와 부적절한 위생에 직면한 국가에서 발생할 수 있습니다. 이러한 국가에서 흔히 발생하는 것처럼 지하수가 주요 식수원인 경우 이러한 오염물질을 제거해야 할 필요성이 절실해집니다. 여기서는 지하수를 탈질하는 생물학적 단계와 전기화학적 단계의 두 가지 기술 조합을 제안하여 화학적 투입량과 지하수 처리 발자국을 줄이는 것을 목표로 합니다. 이에 오염된 지하수를 독립영양적으로 탈질화하기 위한 황철석 기반 유동층 반응기(P-FBR)를 건설하였다. P-FBR 유출수는 전기생성된 Cl2를 사용하여 전기화학 셀에서 소독되었습니다. 질산염은 171 mg NO3- L-1 d-1의 평균 탈질 속도와 18시간의 수리학적 체류 시간(HRT)으로 초기 178 mg NO3- L-1에서 79% 효율로 제거되었습니다. 전기화학 장치는 41.7 A hm−3 전하 밀도로 총 대장균군을 3.8-log 감소시켰습니다.

지하수는 저소득 국가, 주로 농업 및 산업 부문의 비중이 낮은 사하라 이남 국가와 이러한 부문이 주로 빗물 공급을 받는 아일랜드 및 영국과 같은 국가에서 주요 식수원을 구성합니다1,2 . 지하수 수질 악화의 주요 원인은 열악한 위생 시설, 병든 처리된 생활 및 산업 폐수의 통제되지 않은 방출, 통제되지 않은 분뇨 살포와 과도한 비료 활동을 통한 가축 사육입니다. 취약한 대수층과 극한 기후 조건의 강화와 같은 지역적 조건은 지하수 오염을 심화시킬 수 있습니다1,3,4,5.

질산염(NO3-), 염화물(Cl-)의 농도 증가뿐 아니라 분변 및 총대장균군(TC)과 같은 미생물 지표는 인위적인 지하수 오염을 시사합니다. 저소득 국가의 도시 주변 지역에서는 500mg NO3−L−1에 달하는 질산염 농도가 보고되었으며, 300mg Cl−L−1 및 2 log CFU 100mL−1 대장균(E. coli)도 함께 보고되었습니다. 및 4 log CFU 100 mL-1 TC4,5,6. 농도는 지역의 지질학적 조건과 오염원에 따라 크게 다릅니다. 수인성 질병을 해결하기 위한 방법으로 WHO는 식수의 TC에 대해 최대 50 mg NO3− L−1 및 0 CFU 100 ml−1을 설정했습니다7.

지하수는 유기물 함량이 낮기 때문에 종속 영양 탈질소화를 포함한 기존 처리 계획은 재정적으로 지속 가능하지 않습니다. 옵션은 수소 가스(H2), 황 원소(SO), 황화물(HS−), 티오황산염(S2O32−), 철(Fe2+) 또는 심지어 황철석(FeS2)8과 같은 전자 공여체를 사용하여 독립영양 지하수 탈질소화를 목표로 하는 것입니다. 9. 각각의 화학양론적 방정식에 기초하여, 탈질 용량 범위는 H2에 대한 2.5g NO3−-N g−1 e− 공여체부터 0.05까지, 환원철(Fe2+ 및 Fe0)에 대한 0.1g NO3−-N g−1 e− 공여체입니다9, 10. 황철석에 의한 탈질은 대수층에서 자연적으로 발생하며11,12,13,14 FeS2 산화는 3mol NO3:1mol FeS2 화학양론적 비율로 미생물 NO3-를 질소 가스(N2)로 환원하는 것과 결합되어 2mol SO42가 생성됩니다. - 12,15. 또한 FeS2는 낮은 C/N 폐수 처리16,17뿐만 아니라 주로 병 테스트18,19에서 지하수 탈질화에도 활용되었습니다. 황철석은 광업 활동의 폐기물로 자주 발견되는 보편적이고 저렴한 광물입니다20. 또한, FeS2 탈질화 동안 중성 pH가 유지되어 이 공정에 대한 화학물질 투입이 최소화됩니다17,18.

탈질 외에도 탈질된 폐수의 미생물 부하로 인해 직접적인 소비나 재사용이 허용되지 않으므로 안전한 식수 또는 관개용수를 제공하기 위한 연마 단계가 필요합니다21. 수처리 폐수를 연마하기 위해 지금까지 여러 가지 소독 방법이 사용되어 왔으며 유리 염소, 오존(O3) 또는 UV를 이용한 화학적 산화가 일반적으로 음용수 재사용에 선호됩니다22. 그러나 유리 염소가 생성된 화학 작용제인 경우 전기염소처리라고도 하는 전기화학적 소독을 포함하여 화학적 및 그리드 독립성을 갖춘 처리 공정을 제공하기 위한 대체 소독 방법이 모색되고 있습니다23. 전기염소화 반응에서는 외부 전원에 의해 일정한 전류를 가하면 지하수에 자연적으로 함유되어 있는 염소 이온(Cl-)이 전극 표면에서 염소(Cl2)로 산화됩니다24,25. 생성된 Cl2는 벌크 전해질과 혼합되어 가수분해를 거쳐 차아염소산(HOCl)과 차아염소산염(OCl−)이라는 두 가지 강력한 소독제를 생성합니다. 둘의 비율은 용액 pH26,27에 의해 결정됩니다. 전기화학적 소독은 병원체로 오염된 지하수 또는 관개수를 직접 처리하기 위해 테스트되었으며28,29,30 또한 생물반응기 폐수27,31에 대한 연마 단계로도 테스트되었습니다. 소독 효율은 양극 재료, 전해질의 Cl- 농도, pH, 처리할 물의 유기물 및 암모니아 함량에 따라 달라집니다22.