Bench-Scale 3탑 오존처리장치를 이용한 염료폐수의 처리

황배복, 여영구, 이화웅*, 최재욱*, 송형근*, 나병기*

한양대학교 화학공학과, 한국과학기술연구원*

Treatment of Dye-Stuff Watsewater using Bench-scale 3-bed Ozone Treatment System

Bae-Bok Hwang, Young-Koo Yeo,

Hwaung Lee*, Jae-Wook Choi*, Hyung-Keun Song*, Byung-Ki Na*

Dept. of Chem. Eng., Hanyang University,

Korea Institute of Science and Technology*

서론

염료나 염색산업은 물을 다량 사용하는 산업이며 이로 인한 폐수의 발생량은 다른 업종에 비해 상당히 많은 편이다. 그리고 폐수의 성상은 매우 다양하며 화학적 생물학적으로 난분해성인 유기물질을 함유하고 있는 경우가 많다. 이러한 특성으로 인해 염료 및 염색공장 폐수는 부정기적으로 배출되게 된다.  그러므로 염료 및 염색폐수는 일반적인 폐수처리에 적용되고 있는 방법으로는 처리가 어려우며 폐수처리에 많은 비용이 투자되고 있음에도 불구하고 그 처리가 매우 어려운 현실이다. 이전까지의 폐수처리 방법으로는 주로 물리적인 처리(스크린, 침전, 부상, 여과, 증류)와 화학적인 처리(응집/침전, 중화, 산화, 환원, 흡착)를 통해서 이루어졌다. 이에 본 연구는 염료폐수를 보다 효율적이고 경제적으로 처리할 수 있는 새로운 방법을 제시하기 위해서 수행하였다.

본 연구에서는 bench-scale 3탑 오존처리장치를 제작하여 오존을 이용한 폐수 처리실험을 수행하였고 반응시간에 따른 색도 및 COD의 변화를 측정하였다. 오존 처리후 활성탄을 이용한 2차 처리를 수행함으로써 추가의 COD 감소효과를 얻고자 하였다.

실험 및 장치

3개의 탑(내경 15□×길이 80□,)으로 구성된 bench-scale 3탑 오존처리장치(Fig. 1)는 연속 흐름 처리 방식으로 각 탑에는 충진제로 5/8" pall ring을 채웠다. 폐수원액은 탑하부의 recyle tank로 들어가 탑상부로 순환되고 각 탑 안의 폐수는 overflow되는 만큼 다음 탑으로 넘어가는 방식으로 운전된다. 각 탑의 폐수가 recycle pump를 통하여 순환되는 동안 오존을 함유한 기체는 액체 feed와 반대쪽으로 도입되어 탑 내부에서 접촉하여 반응이 일어나게 된다. 인천남동공단에 위치한 대광화학에서 2001년6월29일 수령했던 CODMn가 1800mg/L, pH가 4.76인 염료폐수원액을 실험에 사용하였고 오존의 공급을 위하여 오존발생기(Ilssan 3E3G ozone generator)를 사용하였다. 활성탄 처리 실험은 오존처리수를 사용하였으며 활성탄의 양과 활성탄 처리 시간을 변수로 하였다. pH는 pH meter(Orion410A)를 이용하여 측정하였으며 UV/VIS spectrophotometer(Beckman DU-650)를 사용하여 흡광도를 측정하였다. COD는 알칼리성 및 산성 과망간산칼륨법을 병행하여 측정하였다. 실험조건은 Table 1에 나타나 있으며 여기서 Octyl-alcohol은 염료폐수의 특성상 거품이 잘 일어나기 때문에 소포제로서 사용하였으며 첫 번째 탑에만 주입하였다.

Table 1.  Experimental conditions

O2 flow rate                           10 L/min

O3 concentration                       82.9 g/Nm3

Octyl-alcohol flow rate                  1mL/hr

Feed flow rate                          4 L/hr

Recycle flow rate                       4 L/min

Fig. 1. Bench-scale 3-bed Ozone Treatment System

결과 및 토의

가.  염료폐수의 색도변화

Table 1의 조건으로 가동시켜 원수(pH4.76)와 pH11에서의 오존 처리 후의 색도변화를 알아보았다. 우선 pH11를 한 이유는 선행연구에서 밝힌 바와 같이 pH가 높을수록 처리가 잘된다는 것과 아울러 오존처리 후 pH가 중성으로 나타나서 방류 후 추가 처리과정이 필요없기 때문이다. 흡광도는 400∼800nm의 파장에서 측정하였다. 원수(pH4.76)의 색깔은 짙은 갈색이었고 오존 처리를 하면서 색깔은 시간이 경과함에 따라 엷은 갈색으로 변하였다. pH11을 맞추는 경우에는 NaOH를 넣었을 때 침전이 일어났으며 처음 짙은 갈색에서 갈색으로 변하였고 오존 처리 후에는 노란색으로 변하였다. 흡광도의 감소율은 pH11의 조건이 원수보다 36.5% 더 높았는데 이는 Table 2에 나타내었다.

Table 2. Color removal efficiency

pH	Absorbance		Absorbance Removal Efficiency(%)
	Before treatment	After treatment
4.76 (Raw wastewater)	1.0612	0.422	60.2
11	1.0359	0.034	96.7

나. 오존 처리 시간에 따른 COD 변화

염료 폐수를 pH11로 놓고, Table 1의 실험조건에서 오존처리시간에 따른 COD의 변화와 그에 따른 COD감소율을 알아 보았다. 폐수를 순환시키는 동안 각 recycle tank에 hold-up이 3L가 되도록 맞추었기 때문에 첫 번째 시료는 조업 후 2시간 30분부터 채취하기 시작하였다. 시간이 지남에 따라 각 탑 안에 들어 있는 폐수의 색깔은 처음에는 갈색을 띠었으나, 시간이 지남에 따라 색깔은 엷어졌으며 그에 따른 COD는 감소하였으며 조업 후 5시간이 지나면 정상상태에 도달하였다. 그에 대한 결과는 다음의 Fig. 2와 같다.

Fig. 2. COD removal efficiency with reaction time

다. 활성탄 처리에 따른 COD의 변화

오존 처리만으로 COD를 제거하는데 한계가 있어 활성탄을 사용하여 추가로 오존처리수를 처리하였다. 활성탄(신기화학)의 성상은 입상이며 오존 처리수(CODMn 860mg/L) 200mL에 10,20,30,40g의 활성탄을 각각 넣어 COD를 비교하였다. 활성탄 양이 동일할 때는 시간의 경과에 따라, 동일 처리 시간에서는 활성탄의 양이 늘어남에 따라 COD가 줄어드는 경향을 보였다. 그리고 오존 처리후의 폐수의 색깔은 처음에는 밝은 노란색이었지만 활성탄 처리 시간에 따라, 점차투명한 색으로 변하였다. 결과는 다음의 Fig. 3에 나타나 있다.

Fig. 3. Effect of Actvated-Carbon Amount(□ 3hr; □ 6hr; □48hr)

참고문헌

Ince, N. H. and Tezcanli, G.: Reactive dyestuff degradation by combined     sonolysis and ozonation, Dyes and Pigments, 49, 145(2001)

Weber Jr., W. J. and Leboeuf, E. J,: Process for Advanced Treatment of Water, Wat. Sci. Tech.. 40, 19(1999)

이훈: 오존을 이용한 염료폐수의 처리에 관한 연구, 석사학위논문, 서강대학교(2000)