바이오 내 석고(CaSO4·2H2O) 광물 형성으로 침출수 내 황산염 함유

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 10938(2023) 이 기사 인용

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요소 가수분해를 이용한 효소 유도 탄산염 침전(EICP)은 탄산칼슘(CaCO3)의 침전을 촉진할 뿐만 아니라 기질 성분 및 반응 단계에 따라 추가 반응을 위해 과잉 칼슘 양이온을 제공할 수 있는 잘 알려진 바이오시멘테이션 공정입니다. 본 연구에서는 잔여 칼슘 양이온을 이용하여 매립지 침출수에 황산이온을 충분히 함유시키는 EICP 방법을 제시하고, 황산염 유지 능력을 검증하기 위한 일련의 테스트를 실시하였습니다. EICP 공정의 정제된 요소분해효소 함량과 경화시간을 조절하여 1M CaCl2와 1.5M 요소에 대한 반응속도를 확인하였다. 결과는 0.3 g/L의 정제된 우레아제가 3일의 경화 후에 46% CaCO3를 생성하고 황산염 이온을 77% 감소시키는 것으로 나타났습니다. EICP 처리된 모래의 전단강성은 CaCO3 침전에 의해 13배 향상되었으며, 황산염 함유를 암시하는 석고(CaSO4·2H2O) 결정의 후속 침전으로 인해 1.12배 증가했습니다. 실험실 수준의 정제 우레아제 대신 대두 조 우레아제를 사용한 비용 효율적인 EICP 처리는 EICP 처리된 모래에서 명목상의 석고 형성만으로 낮은 황산염 제거 효율(즉, 18%)을 나타냈습니다. EICP에 대두 조우레아제를 사용한 경우 석고분말 첨가는 황산염 제거율을 40% 증가시키는 데 효과적이었다.

매립은 건설 및 유지 관리 비용이 상대적으로 저렴하다는 점에서 매력을 느끼는 도시 고형 폐기물(MSW) 처리를 위한 가장 인기 있는 전략 중 하나로 남아 있습니다1,2,3. 이러한 장점에도 불구하고 매립은 운영 중에 본질적으로 환경 문제를 야기합니다. 용존유기화합물, 중금속, 생체이물유기화합물, 무기거시성분 등을 함유한 침출수가 지속적으로 발생하고, 이들 부산물이 누출되어 토양과 지하수를 오염시킨다4. 특히, MSW 매립지 침출수의 주요 성분인 황산염(\({\text{SO}}_{4}^{2 - }\))은 고농도(250–1000 mg/L)로 지속적으로 존재합니다5 이는 전 세계적으로(표 1) 자연 유황 순환과 인간 건강에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다6,7.

매립지 침출수 내 \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\) 제거를 위해 여러 가지 방법이 보고되었다. 철, 알루미늄, 칼슘 이온 또는 석회(CaO)와 같은 금속 양이온을 제공하여 \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\)를 응고 및 침전시키면 \({ \text{SO}}_{4}^{2 - }\) 상당히8,9,10,11. 그러나 이는 액체 내 특정 이온의 국지적 농도를 증가시켜 주변 환경에 영향을 미칠 수 있으며 생성된 부피가 큰 슬러지를 처리하면서 pH 조정이 필요합니다9,12,13. 알루미늄 전극을 이용한 전기응집법은 최대 95%의 높은 \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\) 제거능력을 보였지만14 산화막 형성에 따른 에너지 소모가 크다는 단점이 있었다15.

전통적인 매립지 라이너에는 침출수가 지하수로 스며드는 것을 최소화하도록 설계된 압축 점토 라이너가 포함되어 있으며 리간드 교환 및 보유에 의해 \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\) 이온을 흡착하는 경향이 있습니다. 확산 이중층16,17. 그러나 이전 연구에서는 무시할 수 있는 양의 \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\)가 점토 광물에 흡착된 것으로 나타났으며, 이는 새로운 MSW 매립지 라이너 개발의 필요성이 있음을 의미합니다. \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\)16,18을 효율적으로 포함합니다.

생물학적으로 유도된 지반 개량 기술은 최근 바이오미네랄19,20,21,22,23, 바이오가스24,25,26,27, 생물막28,29,30 또는 바이오폴리머31의 형성을 통해 토양 시스템의 수-물리적 특성을 수정하는 데 대한 관심이 높아졌습니다. ,32,33. 이러한 생물학적 과정은 전단 강도 향상19,20,22, 투과성 제어31,34,35 및 토양 액화 잠재력 완화25,27,36를 유도했습니다. 그 중 탄산칼슘(CaCO3) 침전을 통해 결합 입자를 나타내는 바이오 시멘트화는 경사면 안정화37, 풍식 제어를 위한 먼지 억제38,39,40, 콘크리트 균열 치유41,42 및 중금속 고정43에 적용될 수 있습니다. 또한 최근 일부 연구에서는 특정 박테리아에 의해 이산화탄소(CO2)를 포집하고 저장하여 칼슘 이온으로 CaCO3를 광물화하고44,45 마그네슘 및 이인산 이온을 사용한 화학적 침전을 통해 요소 가수분해로 인한 독성 부산물을 줄이는 데 중점을 두고 있습니다46. 바이오시멘테이션에 대한 연구는 주로 환경 문제를 해결하기 위한 대안으로 CaCO3 형성에 집중되어 있으며, 시멘트화 용액 내 칼슘 이온의 활용과 관련된 또 다른 접근 방식은 거의 연구되지 않았습니다.