황토볼의 인제거에 관한 연구

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

차월석, 권규혁, 최형일*, 정경훈*, 이동병, 강시형

조선대학교 화학공학과, 조선대학교 환경공학과*

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

A Study on Phosphorus Removal of Loess Ball

Wol-Suk Cha, Kyu-Hyuk Kwun, Hyung-Il Choi*, Kyung-Hoon Jung*, Dong-Byung Lee,  Sea-Hyung Gang, Dong-Gyu Oh, Sun-Woo Lee, Yu-Guen Cho,

Department of Chemical Engineering, Chosun University, Kwangju 501-759, Korea

Division of Environmental Engineering, Chosun University, Kwangju 501-759, Korea*

서론

하·폐수처리는 환경오염의 심화로 오염물질의 양적증가, 다양화, 수질변화가 야기되어 오염물질 제거를 위한 3차처리 및 고도처리를 필요로 하고 있다. 특히 인 등의 영양염류 등이 미처리된 상태에서 호수 및 하천 등의 상류원에 배출됨으로써 문제를 일으키고 있다. 상수원의 부영양화의 경우에 인의 영양염류에 의한 조류성장이 주요한 요인이 되고 있다[1-2]. 이들 인의 제거방법에는 물리적, 화학적, 생물학적 방법이 있는데, 일반적으로 생물학적 처리방법이 더 경제적이며, 운전이 용이하고 처리장으로부터 제2의 오염물질 발생할 위험성이 적다는 등의 장점 때문에 관심의 대상이 되고 있다. 그러나 생물학적 처리는 부하변동에 대처하기 어렵고, 사후 슬러지를 처리하는 단계를 거처야 하는 등의 문제점이 뿐만 아니라 발생되는 슬러지의 처리에도 그 문제점을 보이고 있다[3-4]. 따라서 생물학적 처리방법이 아닌 흡착에 의한 방법을 사용하면 생물공정에 의해 발생되는 문제점들을 해결할 수 있을 것으로 사료된다. 본 실험에서는 인흡착능이 좋은 것으로 알려져 있는 황토를 사용하여 폐수내의 인제거의 가능성을 타진 하고자 한다.

본론

시약 및 재료

수처리용 담체로서 황토는 경남 진주산 및 전남 무안산, Zeolite는 경남 진주산을 사용하였다. 시약으로는 Ammonium-Molybdate-Tetrahydrate는 Showa 특급제품을, Glucose, NH4Cl, KH2PO4, NaHCO3, FeCl3, KCl, MgSO4·7H2O, CaCl2·2H2O, 및 Ascorbic Acid 등은 Junsei 특급제품을 사용하였다.

인 흡착용 담체 제조

황토볼 및 벤토나이트 볼의 제조는 분말로 만든 다음 볼의 크기(2-3 mm, 5-10 mm)로 성형한 후에 소성온도(860, 960 ℃)를 변화시키면서 황토 볼 및 벤토나이트 볼을 제조하였다.

생물막 생성 실험

아크릴 원통(직경 9 cm, 높이 80 cm)에 황토볼을 70 cm의 높이로 채워진 반응기에  실온(15-18 ℃), 유입공기의 속도 2 L/min의 조건으로 농도가 300□/L인 활성 슬러지를 20 mL/min의 속도로 통과시켰다. 3일 동안 슬러지를 통과시켜 생물막을 입힌 다음 10일 동안 COD가 200인 합성폐수(Table 1)를 흘려 보내어 생물막을 형성시킨 후 합성폐수에서 인제거 정도를 실험하였다.

인의 흡착능 실험

회분식에 의한 인 흡착능 실험은  KH2PO4 용액(PO4-P 1000ppm) 300 mL와 담체(황토, 점토, 황토볼, 벤토나이트볼) 50 g을 glass bottle 500 mL에 넣고 15℃, rpm 150의 조건으로 담체들의 인 흡착능을 살펴보았으며, 연속흐름에 의한 인흡착능 실험의 경우에는 다음과 같은 방법에 의해 진행하였다. 아크릴 원통(직경 8 cm, 높이 60 cm)에 황토볼 담체를 50 cm의 높이로 채워진 반응기에  인의 농도가 5 ppm인 인공 인폐수를 35 mL/min의 속도로 통과시켜 황토볼의 인 흡착능을 살펴보고자 하였다.

성분분석 및 측정방법

황토의 성분분석으로 사용된 X.R.D.(RIGAKU, D/MAX 2200)는  가속전압 30 KV, 40 A, scan speed 10°로 하였으며, 황토의 화학성분 분석에 사용된 SEM(Jeol, Mod. 840A) EDS는 진공도 0.15 Torr, 6-7 mA, 5분간 입자표면을 99.99%의 gold를 사용하여 200-300 Å의 두께로 피복하고 가속전압 20KV에서 촬영하였다. 인산염의 측정은 아스코르빈산 환원법에 의해 측정하였다.

결과 및 토론

황토의  X.R.D.에 의한 성분분석결과 □-Quartz 가 대부분을 차지하고 있으며, 그밖에 산화칼슘, 소다장석, 산화마그네슘 등을 함유하고 있다.  황토(전남 무안산)의 SEM EDS에 의한 화학성분 분석결과는  Si 62.16  Al 19.55 K 3.09 Mn 6.33 Fe 7.42 Mg 1.46로 나타나 철의 성분이 비교적 많이 포함되어 있어 인흡착에 좋은 결과를 보여 줄 것으로 기대되었다.

미생물에 의한  인제거 공정에서 MLSS농도는 4000-12000 mg/L 정도를 보이고 있다. 인제거 효율은 30%정도를 보이고 있다. 이러한 결과는 반응기 내의 체류시간이 짧음에 있으므로 반응기 단수를 늘리거나 합성폐수의 유입속도를 감소시키면 질산화율은 증가할 것이다. 이때 유출수에 포함되어 있는 SS는 담체크기가 2-3 mm의 경우는 7-10 mg/L 였으며,  5-10 mm의 경우는 40-65 mg/L였다. 담체의 크기가 작은 경우에 공극이 작기 때문에 미생물 막과 슬러지에 의해 쉽게 막힘 현상을 보이기 때문이며, 따라서 보다 공극이 큰 담체 크기가 5-10 mm의 경우가 적당하다고 하겠다. 결과적으로 미생물의 과잉성장은 폐수의 흐름을 방해하고 그 효율을 감소시킴으로 이러한 문제들을 해결해야 하며, 공기의 공급 또한 편중현상을 일으키킨다. 뿐만 아니라 반응기 하단부는 높은 미생물의 밀도를 나타내는 반면에 상단부로 갈수록 밀도가 낮아지므로 생물막의 생성을 보다 일정하게 형성하도록 하도록 해야하는 등 여러 가지 문제점들이 발생되었다.

회분식에 의한 50g 담체의 인 흡착에 대한 실험결과는  Break point에서 시간과 흡착된 인의 농도를 (Table 2)에 나타내었다. 인의 흡착능은 무안산 황토분말인 G가 12시간동안 414 ppm의 제거농도를 보여 가장 좋은 결과를 보였다. 벤토나이트 볼의 경우는 거의 흡착능을 보여주지 못하고 있다. 황토를 소성하는 경우에는 소성온도가 증가하면 흡착능이 감소하며, 볼의 크기가 작을수록 제거능이 좋은 결과를 보여주고 있다.

연속흐름에 의한 5 ppm의 인제거 실험결과는 (Fig. 1)에 나타내었다. 황토볼의 크기가 작을수록, 소성온도가 낮을수록 인의 흡착능이 커짐을 알 수 있었다. 황토볼 A와 B, C와 D와의 비교를 통해 소성온도가 낮을수록 흡착능이 우수함을 알수가 있다. 농업용수로 가능한 80%이상 제거율이 A의 경우에는 12일이상 지속되는 반면에 황토볼 C의 경우는 60일 가까이 지속되어 담체의 소성온도 및 크기가 흡착능에 절대적 영향을 미침을 알 수 있다. 따라서 60일 가까이 농업용수 기준 이하로 인 농도를 유지 할수 있는 황토볼 C의 경우에는 인흡착용 담체로서 가능성을 보여주고 있다. 회분식과 연속흐름 실험은 대체적으로 좋은 결과를 보였는데 이러한 좋은 흡착력을 보이는 이유는 황토의 구조가 2:1의 양극공극 구조로 층간거리는 15Å으로 상당히 넓기 때문으로 사료된다.

결론

황토의 인 흡착능을 알아보고자 회분식과 연속흐름에 의한 실험을 하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

미생물에 의한 폐수내의 인제거 공정에서 제거 효율은 30%정도를 보이고 있으며, 이러한 결과를 보이는 원인중 하나는 반응기 내의 체류시간이 짧음에 있다. 그러나 미생물의 과잉성장으로 인한 막힘현상, 공기공급의 편중현상, 생물막의 불균일 등의 많은 보다 중요한 해결해야할 문제점들을 내포하고 있다. 회분식에 의한 50 g 담체에서 12시간 동안 최대 414 ppm의 흡착 농도를 보이는 등 좋은 인의 흡착능을 보였으며,  연속흐름에 의한 5 ppm의 인제거 실험결과는 황토볼의 크기가 작을수록, 소성온도가 낮을수록 인의 흡착능이 커짐을 알 수 있었다. 황토볼이 최대 60일 동안 농업용수로 사용이 가능한 80%이상의 인제거율을 보였다. 따라서 폐수처리에서 생물학적처리 대신에 인성분을 제거하는 시스템으로 도입이 가능함을 보여주었다.

감사

본 연구는 농림기술개발센타 첨단기술개발사업 연구비(과제명: 생물막 여과공법에 응용 황토(인공토양)를 이용한 총질소, 총인 처리공정기술, 개발연구기간: 2001. 8. 16 - 2002. 8. 15)를 지원 받아 수행한 일부이며, 이에 감사드립니다.

참고문헌

1. Jones, P.H., Water Research, 7, 211-226(1973).

2. Hall, K.L., Water Research, 20, 1511-1521(1986).

3. Kim, W.K., J. of Kor. Envir. Sci. Soc., 2, 227-233(1993).

4. Gumaste, J.L., Swain, B.C., and Mohanty, B.C., J. of Materials Science

Letters, 15, 1667-1668(1997)

Table 1. Composition of synthetic wastewater

Reagent	Amount (mg/L)
Glucose NH4Cl KH2PO4 NaHCO3 FeCl3 KCl MgSO4·7H2O CaCl2·2H2O	187.5 152.8 22.0 250.0 0.225 4.7 50.0 10.0

Table 2. Effect removal phosphate of and classification of media

	Type	Material	preparation method	hr	Con. of removal phosphate(ppm)
A	Ball	Loess	Dia. 5-10mm, Firing temp. 860℃	48	102
B	Ball	Loess	Dia. 5-10mm, Firing temp. 960℃	33	70
C	Ball	Loess	Dia. 2-3mm, Firing temp. 860℃	72	253
D	Ball	Loess	Dia. 2-3mm, Firing temp. 960℃	48	261
E	Ball	Bentonite	Dia. 5-10mm, Firing temp. 960℃	6	18
F	Powder	Loess(Chinju Kyongnam)	Raw material	12	144
G	Powder	Loess(Muan Chonnam)	Raw material	12	414
H	Powder	Loess(Muan Chonnam)	Raw material	12	350
I	Powder	Clay(Muan Chonnam)	Raw material	12	52

(A)                               (B)

(C)                                 (D)

Fig. 1. Effect removal phosphate of loess ball in continuous flow (A: Dia 5-10              mm, firing temp. 860 ℃, B: Dia 5-10 mm, firing temp. 960 ℃, C: Dia             2-3 mm  firing temp. 860 ℃, D: Dia. 2-3 mm, firing temp. 960 ℃).

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년