[중국] 홍콩대, 건강 유해화학 오염물질 효과적 제거 위한 폐수처리공정 개발
세계적으로 레티노이드(retinoid)와 에스트로겐(oestrogenic) 내분비계(EDC: endocrine disrupting chemicals)를 방해하는 화학물질(EDC)과 같은 미량 발생 오염물질의 존재에 대한 우려가 커지고 있다.
비타민A의 파생물질인 레티노이드와 그 대사물과 같은 레티노이드는 양서류, 어류, 달팽이 등에 높은 수준의 비정상적인 형태학적 발달을 일으킬 수 있다.
알킬페놀(alkylphenol)이나 비스페놀 A(bisphenol A) 와 같은 발암성 EDC는 수컷 유기체에서 수컷 물고기의 여성화 및 비정상적인 발달을 유도 할 수있는 환경성 에스트로겐이다.
하수 배출물은 이러한 오염물질이 수생환경에 지속적으로 유입되는 중요한 원천이다. 이러한 화학적 오염물질의 높은 수치는 보통 기존의 하수처리장에서 배출되는 하수 배출물에서 발견된다.
홍콩대학교(HKU; The University of Hong Kong) 토목공학과 연구팀이 기존의 오염물질을 효과적으로 제거하고 인(P)과 유기물(탄소섬유와 휘발성유기산) 등 귀중한 자원을 회수할 수 있는 새로운 폐수처리 시스템을 개발했다.
이 새로운 시스템은 화학적으로 강화된 하수의 1차 침전물(CEPS; chemically enhanced primary sedimentation)과 탠덤(tandem) 슬러지의 산성 발효를 결합한 것이다.
이 새로운 시스템이 폐수에서 발생하는 미량의 화학적 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있고 기존의 폐수처리 시스템에 비해 더 비용 효율적이라는 것을 증명하기 위해 일련의 실험실 실험을 실시했다. 이 연구의 결과는 최근 국제수질연구환경(Water Research and Environment International)에 발표되었다.
더욱이 선전(Shenzhen)의 난산하수처리장(Nanshan Sewage Treatment)과 협력하여 2019년부터 새로운 처리과정을 채택한 시범폐수처리시스템이 심천에 건설되고 있다. ‘코로나19(COVID-19)' 발병이 진정되면 올 여름부터 가동 및 테스트에 들어간다.
■ 연구 배경(Background)
지난 몇년 동안 학제간 연구 프로젝트를 주도했던 토목공학과 샤오옌 리(Xiao-Yan Li) 교수는 HKU 생물과학대학원(HKU)의 케네스 렁(Kenneth Leung) 교수, 스와이어 해양과학연구소(Swire Institute of Marine Science)연구소와 협력하여 레벨과 제거를 조사했다. 연구팀이 개발한 새로운 폐수처리 공정을 통해 폐수에서 레티노이드 및 에스트로겐 EDC의 효율성을 기존 STP와 비교했다.
연구팀은 우선 치료과정의 다른 단계에서 폐수 및 슬러지 샘플을 채취하고 액체 크로마토그래피를 사용하여 레티노이드와 에스트로겐 EDC에 대한 시료를 분석하여 탠덤 질량 분석법(LC-MS/MS)을 이용하여 홍콩 샤틴(Shatin), 스탠리(Stanley), 스톤커터 섬(Stonecutters Island) STP의 레티노이드 및 에스트로겐 EDC의 수준과 제거 효율을 조사했다. .
둘째로, 일련의 실험실 실험은 새로운 폐수 처리 과정의 작은 규모의 실험 공장을 사용하여 수행되었다. 폐수와 슬러지의 샘플은 케네스 렁(Kenneth Leung) 교수팀이 개발한 프로토콜을 사용하여 화학적 분석을 위해 채취되었다.
■ 주요 결과(Key Findings)
결과는 3개의 STP가 폐수에 영향을 주는 물질에서 레티노이드의 평균 57%(범위: 41∼82%)와 에스트로겐 EDC의 평균 54%(범위: 31∼79%)만 제거할 수 있다는 것을 보여주었다(이 연구는 환경국제에서 발표되었다).
실험실 조건에서 작동하는 새로운 치료 시스템을 사용하여 CEPS 프로세스만 해도 기존의 STP보다 레티노이드와 EDC 제거에 16∼19% 더 효과적이라는 것이 입증되었다. 레티노이드의 65∼80%, EDC의 72 % 73%는 CEPS 공정에서 제거할 수 있다.
CEPS 슬러지의 산성 발효 후 레티노이드의 50∼58%, EDC의 47∼50%가 슬러지의 상등액에서 추가로 제거되었다(이 연구는 최근 워터 리서치에서 발표되었다).
기존의 STP에 비해 CEPS와 슬러지의 산성 발효를 통합한 새로운 처리 시스템은 폐수에서 발생하는 화학적 오염물질을 제거하는데 비교적 효율적이어서 환경적 영향을 줄일 수 있다.
비용 효과 측면에서 CEPS 프로세스는 기존의 폐수 처리 프로세스보다 비용 효율적이라는 것이 다른 연구에 의해 입증되었다.
예를 들어 폐수 처리에 대한 CEPS 비용은 2차 폐수처리 비용(즉, 활성화된 슬러지 공정)의 절반에도 못미친다. 한편, CEPS 슬러지의 산성 발효는 수확된 유기탄소와 인산염을 각각 탄소섬유와 비료 생산에 활용할 수 있기 때문에 슬러지에서 유기탄소와 인산염 자원을 회수함으로써 처리비용을 더욱 절감할 수 있다.
반면, CEPS 슬러지의 산성 발효는 오염물질을 추가로 제거할 수 있다.
[원문보기]
HKU Researchers Develop A Novel Wastewater Treatment Process To Effectively Remove Health Hazardous Chemical Contaminants
Globally, there is a growing concern regarding the presence of trace emerging contaminants such as retinoids and oestrogenic endocrine disrupting chemicals (EDCs) in aquatic environments.
Retinoids such as retinoic acids and their metabolites, which are the derivatives of vitamin A, can cause abnormal morphological development in amphibians, fish, and snails at elevated levels.
Oestrogenic EDCs like alkylphenols and bisphenol A are environmental oestrogens that can induce feminization of male fish and abnormal development in aquatic organisms.
Sewage effluents are a significant source for the continuous input of these contaminants into the aquatic environment. High levels of these chemical contaminants are commonly found in sewage effluents discharged from conventional sewage treatment plants (STPs).
An interdisciplinary team led by the University of Hong Kong (HKU) has developed a novel wastewater treatment system that can effectively remove conventional pollutants, and recover valuable resources such as phosphorus and organic materials (i.e., carbon fibres and volatile organic acids).
This novel system combines chemically enhanced primary sedimentation (CEPS) of sewage with acidogenic fermentation of sludge in tandem.
A series of laboratory experiments were conducted to prove that this novel system can effectively remove trace emerging chemical contaminants from wastewater and is more cost effective compared with conventional wastewater treatment systems.
The results of this study have been recently published in Water Research and Environment International.
Moreover, in collaboration with the Nanshan Sewage Treatment Plant in Shenzhen, a pilot wastewater treatment system adopting the novel treatment process has been under construction in Shenzhen since 2019. It will come into operation and testing by this summer if the COVID-19 outbreak subsides.
Background
In the past few years, Professor Xiao-Yan Li of the Department of Civil Engineering who led the interdisciplinary research project, has been collaborating with Professor Kenneth Leung from HKU School of Biological Sciences and the Swire Institute of Marine Science to examine the levels and removal efficiencies of retinoids and oestrogenic EDCs from wastewater by the novel wastewater treatment process developed by the research team, and to compare that with the conventional STPs.
The research team first examined the levels and removal efficiencies of retinoids and oestrogenic EDCs in Shatin, Stanley and Stonecutters Island STPs in Hong Kong by collecting wastewater and sludge samples from different stages of the treatment process, and analyzing the samples for retinoids and oestrogenic EDCs using liquid chromatography with tandem mass spectrometry (LC-MS/MS).
Secondly, a series of laboratory experiments were conducted using a small-scale pilot plant of the novel wastewater treatment process. Samples of wastewater and sludge were taken for the chemical analysis using the protocols developed by Professor Leung’s team.
Key Findings
The results indicated that the three STPs can only remove an average of 57% of retinoids (range: 41-82%) and an average of 54% of oestrogenic EDCs (range: 31-79%) from wastewater influents (this work was published in Environment International).
Using the novel treatment system operated under laboratory conditions, the CEPS process alone was demonstrated to be 16 - 19% more effective in removing retinoids and EDCs than the conventional STPs.
After acidogenic fermentation of the CEPS sludge, 50 ? 58% of retinoids and 47 ? 50% of EDCs were further removed from the supernatants of sludge (this work has been recently published in Water Research).
Compared to the conventional STPs, the novel treatment system integrating CEPS with acidogenic fermentation of sludge is comparatively more efficient in removing emerging chemical contaminants from wastewater, and hence could reduce their environmental impacts.
In terms of cost effectiveness, the CEPS process has been shown, by other studies, to be more cost-effective than the conventional wastewater treatment process.
For instance, the cost of CEPS for wastewater treatment is less than a half of that of the secondary wastewater treatment (i.e., activated sludge process). On one hand, acidogenic fermentation of CEPS sludge can further reduce the treatment cost by recovering organic carbon and phosphate resources from the sludge as the harvested organic carbon and phosphate can be utilized to produce carbon fibers and fertilizers respectively.
On the other hand, the acidogenic fermentation of CEPS sludge can provide additional removal of pollutants.
[출처=워터온라인(https://www.wateronline.com/doc/hku-researchers-develop-a-novel-effectively-remove-hazardous-chemical-contaminants-0001) / 2020년 3월 29일]