자성 유체분리를 이용한 폐수 처리

김 용 하, 신 수 희, 정 수 경, 김 랑 희, 서 근 학

부경대학교 화학공학과

Treatment of Wastewater Using Magnetic Fluid Separation

Yong-Ha Kim, Su-Hee Shin, Su-Kyong Jung, Rang-Hee Kim

and Kuen-Hack Suh

Department of Chemical Engineering, Pukyong National University

서론

폐수라는 것은 물에 액체 또는 고체성의 수질오염에 원인이 되는 물질이 유입되어 그대로 사용할 수 없는 물로서 때로는 사람의 건강, 재산이나 동·식물의 생육에 직·간접적으로 영향을 주는 특정유해물질을 함유하기도 한다. 따라서 여러 가지 폐수처리방법을 통해 수질오염으로 인한 국민의 건강 및 환경으로의 해로움을 예방하고 하천, 호소 등 공공 수역의 수질을 적정하게 관리 보전함으로서 모든 국민이 건강하고 쾌적한 생활을 할 수 있게 하고 있다. 현재 일반적인 폐수를 처리하는 방법으로는 생물학적 방법과 물리·화학적 방법이 적절히 적용된 처리 시스템이 주로 이용되어 왔으나, 이 방법은 정확한 폐수의 농도, 생분해도, SS농도, 전처리 사용유무 및 방법 등이 설계에 제대로 반영되지 못하여 경제성이 떨어지고 효율이 낮으며 부하변동에 신속히 대응하지 못하는 등 여러 가지 문제점을 지니고 있다. 특히 1998년부터 방출 폐수 내 부유 고형물의 농도가 30 ppm이하까지로 강화됨에 따라 폐수 내 부유 고형물의 제거 효율이 95 - 98 %까지 요구되면서 기존 설비의 효율 증대 또는 새로운 기술의 개발이 시급한 실정이다. 이에 본 연구자들은 폐수 내 부유된 미세 고형물과 마그네타이트와 같은 자성 미분체사이에 정전기 인력과 van der Waals 힘과 같은 응집력이 작용하여 자성 플럭이 형성되며 이와 같은 자성 플럭이 폐수의 흐름과정에서 자성 분리됨을 확인하고 이와 관련되는 기술을 접목시켜  Mag.-Clean Technology라는 자성 유체분리 기술을 개발하게 되었다.

현재 이와 같은 자성 유체분리기술을 제철 폐수, 염색 폐수, 안료 폐수, 축산 폐수, 양어장 순환수, 하수, 오수, 목욕탕 배출수 등 여러 가지 폐수 처리에 적용하여 그 가능성을 발견하였다. 제철 폐수의 경우에는 Pilot plant를 제철소의 냉각수와 원료 오탁수 처리장에 설치·가동해봄으로써 실제 적용단계 이르렀다. 여기서는 본 기술의 특징과 각종 폐수의 처리 결과를 제시하고 폐수별 상용화 관련 process 엔지니어링과 요소 기술 등을 검토하였다.

운전 mode

자성 유체분리 공정은 폐수별로 운전 방법에 약간씩 차이가 있지만, 기본적으로는 우선 폐수에 자성 미분체를 혼합하여 폐수 내 부유 고형물의 표면에 자성 미분체가 부착된 형태의 자성 플럭을 형성하는 혼합 공정과 자성 플럭을 폐수의 흐름에서 자력을 이용하여 제거하는 분리공정으로 구성되어 있다. 이를 기본으로 하되 처리하고자 하는 폐수의 물성에 따라 설비가 추가/생략되고 운전 mode가 결정된다.

1) 오수, 양어장 순환수, 축산 폐수 등의 경우에는 폐수 내 오염물질의 대부분이 부유 고형물의 형태로 존재하기 때문에  부유 고형물의 농도를 기준으로 자성 미분체를 투입하여 자성 플럭을 만든 후 자성 유체분리장치를 통과시킨다.

2) 제철 폐수의 경우에는 폐수 내에 존재하는 부유성 입자들이 원래 자성을 띠고 있기 때문에 별도의 자성 미분체를 투입하여 자성 플럭을 만들 필요없이 바로 자성 유체분리장치를 통과시킨다.

3) 염색 폐수와 같이 고농도 난분해성 폐수의 경우에는 자성 유체분리의 전단계로 전기응집처리를 거친다. 본 연구에서 사용한 전기응집 장치는 양극(+)판과 음극(-)판 사이를 통과하는 폐수에 직류 전류를 일정하게 흘러주는 구조를 갖는 튜브형으로써, 전극의 재질로는 Fe과 Al를 사용하였다. Fe 전극을 사용한 경우에는 응집된 플럭이 자체적으로 자성을 띠게 되어 별도의 자성 미분체를 투입하지 않고도 자성 유체분리를 통해 제거되며, Al 전극을 사용할 경우에는 응집된 플럭이 자성을 갖고 있지 않기 때문에 별도의 자성 미분체를 투입하여 자성 플럭을 만든 후 자성 유체분리장치를 통과시킨다.

4) 일반 하수의 경우에는 화학응집과 자성유체분리를 조합한 시스템을 적용시킨다. 하수 내에 존재하는 미립 상태의 콜로이드 입자는 수 □의 입경을 가진 자성 미분체 보다 작기 때문에 단순히 자성 미분체를 투입하여 처리할 경우에는 처리효율이 떨어진다. 따라서 화학응집 단계를 통해 콜로이드 입자를 응집시켜 크게 만든 후 자성 미분체를 투입하여 자성 플럭을 만든 후 자성 유체분리장치를 통과시킨다.

자성 유체분리 탑에서 폐수의 공탑 액체유속은 약 0.5 - 1.5 cm/s의 범위 내에 조절하였다. 본 실험에서 사용한 자성 미분체로는 평균입도가 약 2 □인 1급 시약용 四三酸化鐵과 철가공에서 발생되는 분진(G/D & Shot dust)이며, 부유 고형물에 대한 자성 미분체의 질량비 (: magnetic powders/SS)의 범위는 약 0.5 - 1 이다. 각 조건에서 시료 채취는 2회로 하였으며 폐수 내 부유 고형물의 농도는 Standard Method, 탁도는 HACH 2100N turbidimeter, 입도는 Laser Diffraction Particle Size Analyzer(SHIMADZU SALD-2001), 플럭의 자화력은 Vibrating Sample Magnetometer(VSM)에 의해 분석하였다

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결과 및 고찰

Fig. 1은 제철 폐수의 경우 1차 처리만으로도 부유 고형물의 농도는 약 500 - 800 ppm 에서 약 40 ppm 이하로, 탁도는 약 200 NTU에서 40 NTU 정도로 낮아짐을 보여준다. 이는 제철 폐수 내에 존재하는 부유 고형물이 자성을 띠고 있는 입자들로 구성되어 있기 때문에 별도의 자성 미분체의 투입없이 1차 자성 유체분리만으로도 충분한 제거효율을 나타내는 것이며, 이것은 경제적, 환경적으로 큰 의미를 갖는다.

염색폐수는 전극의 재질에 따라 그 처리과정과 결과가 다르게 나타났다. Fe 전극을 사용하여 전기응집 하였을 경우에는 형성된 응집 플럭이 자화성을 띠게 되어, 자성 유체분리 단계에서 별도의 자성 미분체의 투입이 필요 없이, 1차 처리만으로도 부유 고형물과 탁도의 제거율이 90 % 이상으로 높게 나타났다. 하지만 Al 전극을 사용할 경우에는 자성 미분체의 투입이 반드시 필요하였다. 이는 전기응집으로 형성된 플럭의 자화율 차이에 기인하는 것으로, Fe 전극에서 형성된 플럭은 약 70 emu/g의 자화율을 지니고 있지만, Al 전극에서 형성된 플럭은 전혀 자화되지 않았기 때문이다. 이와 같이  염색, 도금, 안료 폐수와 같이 중금속 등이 다량 포함된 폐수의 전기 응집에서 형성된 플럭이 자화성을 지닌 물질로 변하는 것은 자성 미분체의 투입없이 1차 자성 유체분리를 통해 대부분의 오염물을 제거할 수 있고 이때 발생되는 수소는 에너지원으로도 활용이 가능해  전기응집과 자성분리의 조합은 환경친화적 기술로써 중요한 의미를 지닌다.

일반 하수처리장에서 발생하는 하수는 대부분이 콜로이드 입자들로 구성되어 있기 때문에 자성 유체분리의 전단계에서 화학응집의 과정을 필요로 한다. Fig. 2에서 보는 바와 같이 화학응집을 우선 실시한 후 자성 유체분리를 거치는 one step과 1차 자성 유체분리 후에 화학응집과 또 한번의 자성유체분리 과정을 거치는 two step의 처리과정을 비교해 본 결과, two step의 최종 처리 효율이 one step보다 약간 높음을 알 수 있다. 이는 two step인 경우 화학 응집제를 사용하기 전, 자성 미분체를 투입하여 어느 정도 부유 고형물을 미리 제거함으로써 화학 응집제를 투입했을 때, 콜로이드 물질이 보다 효과적으로 응집되어 플럭을 형성하기 때문으로 여겨진다.

결론

자성 유체분리에 의한 폐수 처리의 상용화는 처리 속도의 증가와 처리 효율의 향상 그리고 값 싼 자성 미분체의 사용, 부유 고형물에 대한 자성 미분체의 질량비를 더욱 낮추고 자성 플럭 슬러지로부터 자성 미분체를 회수하여 재사용하는 기술, 응집물의 크기와 물성을 제어하는 기술, 자성 미분체의 미분쇄와 표면을 활성화하는 기술 등의 확보에 달려있다. 이와 같은 요소기술의 개발과 효율 향상을 통해 기술력과 경제성 면에서 타 처리 공정에 비해 높은 경쟁력을 갖게될 것이다.

Fig. 1  Relationship between concentration of SS and turbidity                     in steelmaking wastewater

Fig. 2 Change of parameters through the stages of sewage treatment