국내 하수처리장에서는 방류수에 총인 규제의 강화에 대응하기 위해 응집제와 여과 혹은 가압 부상 등의 방법을 이용하여 인을 물리·화학적으로 처리고 있으며, 사용되는 응집제는 주로 황산반토, PAC(poly aluminum chloride)등을 이용되고 있다. 그리고 처리 과정에서 발생되는 슬러지(이하에서는 총인 슬러지라고 함)는 별도로 탈수하거나 처리장의 여건에 따라 소화 슬러지와 통합하여 탈수하여 처분되고 있는 실정이다. 총인 슬러지에는 다량의 알루미늄과 인이 함께 함유되어 있으며, D시 하수처리장에 발생되는 총인 슬러지를 대상으로 하여 분석한 결과, 알루미늄이 150~220g/kg, 총인이 16~23g/kg정도 함유되어 있는 것으로 나타났다. 이와 같은 함유량은 다량의 응집제를 사용하는 정수 공정에서 발생되는 슬러지의 알루미늄 함유량(110~140g/kg)에 비해서도 높은 값임을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서는 D시의 하수처리장 중에서 총인 슬러지를 별도로 탈수 처리하고 있는 처리장의 슬러지를 대상으로 비료의 원료로 사용할 수 있는 인과 응집제로 재사용을 위한 알루미늄의 회수를 위한 기초적 조건을 검토하고 회수한 응집제의 인의 회수능과 분리 회수한 인의 순도에 대한 검토를 실시하였다. 회수한 응집제의 경우는 황산반토와 유사한 인의 제거능을 보였으나, Hydroxylapatite의 형태로 회수한 인의 경우는 알루미늄과의 완전한 분리가 이루어지지 않아 중량 단위로 인에 비해 3배 이상의 알루미늄이 되어 있는 것으로 나타났지만, 총인 슬러지에 있어서 인의 함유량이 알루미늄의 약 10배 정도임을 감안한다면, 약 70%의 알루미늄을 제거한 알루미늄과 결합되어 있을 가능성이 높은 Hydroxylapatite를 얻을 수 있었다.

산업단지에 입주한 업체에서 발생되는 폐수는 업종별로 성상이 다양하고 같은 성분이라도 수십배의 함량차이를 보이고 있어 대부분의 산업단지 폐수종말처리장에서는 안정적인 처리 효율을 유지하기 위해 업체별로 개별 처리한 처리수를 폐수종말처리장으로 유입시켜 처리하고 있는 실정이다. 따라서 폐수 발생 업체들은 폐수를 생물학적 방법, 물리･화학적인 방법을 이용하여 폐수를 처리하고 있으며, 화학적 처리 방법을 채택하고 업종이 많은 것으로 알려져 있다. 주를 이루고 있다. 한편 폐수 처리 과정에서 발생되는 슬러지는 자체 처리하는 경우도 있지만, 대부분 탈수 처리한 후에 지정 페기물 해당 여부에 따라 상이한 방법에 의해 위탁 처분되고 있다. 그러나 이러한 폐수 처리 과정에서 발생되는 슬러지의 성상에 대해서는 지정 폐기물 해당 여부를 판단하기 위한 자료만 있으며, 지정 폐기물 기준 항목 이외의 성분에 대한 다양한 정보와 축적된 자료가 전무하여 발생 슬러지에 대한 체계적으로 관리하기에는 한계가 있다. 따라서 산업단지내 업종별 발생 슬러지의 특성을 파악하고 이들 슬러지 관리 체계의 구축을 위한 기초적 자료를 확보하기 위해 대구지역 S 산업단지내에 입주하고 있는 폐수 발생 업체 중 18업체(6개 업종)에 대해 원수, 처리수 및 슬러지를 채취하여 그 성상을 비교･검토하였다. 연구 대상 업체에 대한 슬러지를 조사･분석한 결과, 염색 업종은 상대적으로 알루미늄의 함량이 높은 것으로 나타났으며, 일부 업체는 100g/kg을 상회하였다. 특히 도금 업종에서는 300g/kg을 상회하는 업체도 있는 것으로 나타났다. 철은 조립 금속 업종에서 가장 많이 함유된 것으로 나타났으며, 칼슘의 함유량은 대부분의 업종에서 높게 나타났다. 그리고 석유 화학 업종이 타 업종에 비해 인의 함유량이 높은 것으로 나타났다, 검토한 업종별 슬러지에서 100g/kg을 상회하는 함유량을 보인 성분은 알루미늄, 철, 크롬, 칼슘이었다. 알루미늄, 철, 칼슘은 대부분 폐수의 처리 과정에서 투입된 응집제에서 기인된 것으로 판단되며, 크롬은 도금 업종에서 배출된 것으로 나타났다.

빈번한 조류 발생으로 인한 수질 악화를 완화시키기 위해 2012년부터 총인의 수질 기준이 강화되었으며, 이에 앞서 2010년부터 기존의 하수처리장에 총인 처리시설을 설치하였다. 총인은 생물학적 처리공정에서도 제거할 수 있으나 질소와는 달리 기체로 전환시켜 대기 중으로 확산시키는 형태로 제거할 수 없기 때문에 혐기･(무 산소)･호기 프로세스를 이용하여 미생물에게 인을 과잉 섭취시켜 슬러지의 형태로 제거하는 방법이다. 그러나 이 방법은 국내의 엄격한 인에 대한 수질 기준을 만족시킬 수 없기 때문에 인과 친화성이 높은 알루미늄 분자가 주 원료인 황산반토, PAC 등과 같은 응집제를 이용하여 침전･분리시켜 슬러지의 형태로 처리하고 있는 실정이다. 이러한 인의 처리는 어떤 처리 방법에 있어서도 슬러지의 형태로 계외로 배출되는 특성을 지니고 있다. 결국 총인처리시설의 도입으로 인해 기존에 용존 상태로 공공수역에 방류된 인이 알루미늄과 결합된 슬러지의 형태로 전환되게 되었다. 이와 같이 알루미늄과 결합된 인은 기존의 슬러지 처리시설에서 최종침전지의 슬러지와 함께 각 처리장의 기존 슬러지 처리시설에서 처리되고 있다. 그러나 응집제의 도입과 인의 함유량 증가와 같은 슬러지의 성상이 기존의 슬러지 처리 공정에 미치는 영향에 대해서는 조사된 사례가 없으며, 특히 부숙화나 고화 처리의 경우는 토양 환원시에 알루미늄과 인의 함유량 변화가 작물의 생장이나 토양 생태계에 영향을 미칠 수 있음에도 불구하고 이에 대한 기초적인 연구가 전무한 실정이다. 본 연구에서는 총인처리시설 도입 후에 처리장내에서의 인과 계외(처리장 외부)로 배출되는 슬러지(부숙토, 고화토 등)중의 인과 함께 알루미늄의 거동에 대해 검토하였다. 연구 대상으로 한 G하수종말처리장의 처리공법은 DNR이며, 잉여 슬러지는 총인슬러지와 함꼐 탈수 후에 부숙처리하고 있다. 먼저 처리장의 월별 운영자료로 인의 수지를 산정한 결과, 총인처리시설에서 제거되는 인의 양은 4.33 kg/d (28.7%)이었으며, 총인처리시설 이전 단계에서의 인 제거량은 4.65 kg/d(30.9%)로 유입되는 인의 약 41%는 생물반응조내의 미생물에 축적되어 있는 것으로 나타났다. 그리고 총인 처리과정에 발생된 슬러지에는 건조중량 기준으로 알루미늄이 254.6 g/kg, 총인이 40.1 g/kg 함유되어 있고, 완제품의 부숙토에는 알루미늄이 49.5 g/kg, 총인이 30.8 g/kg 함유되어 있는 것으로 나타났다. 이는 전술한 인의 수지에 근거해서 재산정하면 총인처리시설의 도입 후에 부숙토 중의 인함량은 약 2배 정도 증가한 것으로 보인다. 한편 알루미늄은 일반 슬러지중의 알루미늄의 함량이 높지 않음을 감안한다면 대부분이 인의 제거를 위해 투입된 황산반토에서 기인된 것로 판단된다. 이와 같이 총인 처리시설의 도입으로 인해 슬러지 중의 알루미늄과 인의 함량은 급격하게 증가되었음이 확인되었다. 한편, pH 2이하의 조건에서 용출시험 결과, 인(T-P)과 알루미늄의 용출 농도는 각각 80 mg/L과 27 mg/L이었으며 pH 4이상의 조건에서는 알루미늄과 인이 안정된 결합상태로 유지하는 것으로 나타났다.

2012년부터 상수원 보호구역이나 4대강의 본류로 유입되는 지천의 인근에 있는 하수처리장의 방류수에 대한 총인의 기준을 2 mg/L에서 0.2 ~ 0.5 mg/L로 강화시켰다. 이와 같은 수질 기준의 강화로 기존 하수처리장에서는 총인 처리시설을 추가로 설치하여 운영 중에 있다. 인에 대해 높은 친화성을 지닌 알루미늄을 주성분으로 황산반토나 PAC(poly aluminum chloride)와 같은 응집제를 이용하여 인을 처리하고 있다. 그러나 총인처리시설 유입수의 총인농도 변화에 대응하여 적정량의 응집제를 투입하는 것은 현실적으로 어렵기 때문에 과잉의 응집제가 투입되는 경우가 많은 것으로 알려져 있다. 이에 본 연구에서는 총인 처리 과정에서 발생되는 슬러지(이하에서는 총인 농축 슬러지)를 이용하여 하수처리장의 반류수(혐기성 소화조 상등수 등)중에 함유된 인의제거 가능성을 검토하였다. 소화조 상등수 중의 성상은 총인: 16 mg/L, CODMn: 188 mg/L, Al: 1.1 mg/L이었으며, 총인 농축 슬러지의 성상은 상등액의 경우, 총인: 0.22 mg/L, CODMn: 18 mg/L, Al: 0.05 mg/L이었으며, 총인 농축 슬러지의 알루미늄 함량은 약 160 g/kg (건조중량)이었다. 이와 같이 총인 농축 슬러지중의 알루미늄은 인과 결합된 안정된 형태이며, 용존상의 알루미늄 이온의 농도는 높지 않은 것으로 나타났다. 그러나 소화조 상등수에 총인 농축 슬러지를 1 ~ 25% (V/V)의 범위에서 주입시킨 경우, 소화조 상등수 중의 총인은 주입량에 비례하여 제거되는 특성을 보였다. 이는 총인 처리 과정에서 과잉으로 투입된 알루미늄의 일부가 황산염이나 염소 이온등과 결합한 상태로 존재하다가, 이들 이온에 비해 알루미늄과 높은 친화력을 지니는 인과 결합함으로서 나타난 현상인 것으로 추측되었다. 이와 같은 결과로부터 총인 농축 슬러지를 이용하여 하수처리장의 반류수(혐기성 소화조 상등수 등)중에 함유된 인의 제거가 가능한 것으로 확인할 수 있었다.

일반적으로 응집제중의 알루미늄과 지각에 존재하는 알루미늄이 함유된 정수슬러지를 산(acid)을 이용하여 추출한 알루미늄을 재생 응집제라고 지칭하고 있다. 그러나 이 재생 응집제에는 산을 이용하여 추출하기 때문에 중금속을 비롯한 인(phosphorus) 성분이 함유되어 하수처리장의 총인 처리시설에 이용하기에는 한계가 있을 것으로 추측되었지만, 전보(2013년 춘계학술발표회)에서 보고한 바와 같이 하수처리장의 총인처리에서 사용되고 있는 응집제의 대체 가능성이 있는 것으로 나타났다. 그러나 전보에서는 정수슬러지로부터의 알루미늄의 용출에 미치는 중요한 조건인 pH, 산의 종류, TS의 농도 등에 대한 검토가 이루어지지 않았다. 특히 전보에서는 염산을 이용하여 회수한 응집제를 이용하여 하수 중의인 제거에 대한 특성을 검토하였지만, 황산으로 추출했을 때 생성되는 황산반토와의 차이에 대해서도 검토되지 못하였다. 이에 본 연구에서는 전술한 알루미늄의 용출 조건과 황산과 염산으로 추출한 용액을 이용하여 하수중의 인(phosphorus) 제거 과정에서 나타는 특성을 쟈테스트를 통해 비교･검토하였다. 검토한 산의 종류에 상관에 없이 pH 2 이하의 조건에서 함유된 알루미늄의 대부분이 용출되었으며, TS 농도 120 g/L이상에서는 정수슬러지의 대부분이 suspension되지 못하는 것으로 나타났으며, 현탁액 중의 알루미늄의 농도도 급격하게 낮아지는 경향을 보였다. 한편 산의 종류에 있어서는 동일의 pH 조건에서도 염산으로 처리했을 때, 알루미늄의 농도가 약 20% 정도 높아지는 경향을 보였으며, 인(phosphorus)의 제거에 있어서도 황산으로 처리한 경우보다 효율이 10% 정도 높아지는 경향을 보였다. 이는 인(phosphorus)이 존재하는 조건하에서 염소를 이용하여 회수한 염화알루미늄과 황산을 이용하여 회수한 황산알루미늄을 각각 투입하게 되면 알루미늄에 대한 염소, 황산, 인(phosphorus)간의 선택성의 차이가 이와 같은 결과를 야기하게 된 것으로 생각된다. 따라서 저농도의 인이 존재하는 총인처리시설의 유입수에 대해서는 염산으로 추출한 염화알루미늄 형태의 재생 응집제가 유효할 가능성이 클 것으로 판단된다.