[논문]화학적 응집을 이용한 생물학적 돈분폐수 처리수의 색도제거

박노백; 서태경; 최우영; 전항배

화학적 응집을 이용한 생물학적 돈분폐수 처리수의 색도제거
Removal of Color from a Biological Piggery Wastewater Treatment Effluent by Chemical Coagulation 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.30 no.10, 2008년, pp.1047 - 1053

박노백 (충북대학교 환경공학과) , 서태경 (충북대학교 환경공학과) , 최우영 (충북대학교 환경공학과) , 전항배 (충북대학교 환경공학과)

초록
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돈분폐수 처리수의 색도를 제거하기 위해 최적의 응집 조건에 대하여 평가하였다. 유출수의 용존 유기 탄소 농도는 227.3 mg/L, 색도는 2,430 CU, 탁도는 22.1 NTU, 그리고 UV$_{254}$는 3.7 cm$^{-1}$이었다. 유출수의 소수성 유기물은 55.3%, 반친수성 유기물은 17.4%, 그리고 친수성 유기물은 27.3%로 세분화하였다. 또한, 겉보기 분자량 분포는 0.5 K 이하, 0.5$\sim$1 K, 1$\sim$10 K, 10$\sim$30 K 및 30 K 이상은 각각 74.2%, 7.3%, 5.5%, 7.1% 및 5.9%이었다. 최적의 pH 및 응집제 주입량을 결정하기 위해 유동전류계를 사용하였다. 황산알루미늄과 염화 제 2철의 최적 응집제 주입량 및 pH는 각각 5.84 mM, pH는 5.3이며, 9.25 mM, pH는 5.0이었다. 최적의 응집 조건에서 황산알루미늄과 염화 제 2철은 각각 91.9%와 98.7%로 높은 색도 제거 효율을 얻었다. 생물학적 처리를 거친 돈분폐수는 화학적인 응집으로 색도제거에 좋은 성과를 보여주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was to evaluate the optimum conditions for chemical coagulation to remove color from the effluent of a piggery wastewater treatment process. The DOC concentration in the effluent was about 227.3 mg/L, color was 2,430 CU, turbidity was 22.1 NTU, and UV$_{254}$-absorbance was 3.7 cm$^{-1}$. The fractions of hydrophobic, transphilic, and hydrophilic substance of the effluent was about 55.3%, 17.4%, 27.3% respectively. Also, molecular weight cut-off(MWCO) of below 0.5 K, 0.5 K to 1 K, 1 K to 10 K, 10 K to 30 K, and over 30 K were 74.2%, 7.3%, 5.5%, 7.1%, and 5.9% respectively. SCD(streaming current Detector) was used to find out the optimum pH values and coagulant dosages. The optimum dosages and pH of Al$^{3+}$ were 5.84 mM and 5.3, while those of Fe$^{3+}$ were 9.25 mM and 5.0, respectively. At optimum conditions of coagulation, color removal efficiencies for aluminium sulfate and ferric chloride were as high as 91.9 and 98.7%, respectively. Chemical coagulation showed good performance to remove color from on biologically treated piggery wastewater.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 돈분폐수의 생물학적 2차 처리수내 색도 성분을 제거하기 위한 화학적 응집 방법에 대하여 연구하였다. 화학적 응집에서 pH 및 응집제(황산알루미늄(Al₂(SO₄)₃․ 14H₂O), 염화 제 2철(FeCl₃․6H₂O)) 주입률이 색도제거에 미치는 영향을 관찰하였다.

제안 방법

DOC는 시료를 0.45 µm 막여과지(membrane filter)로 여과한 후, TOC (TOC-V CPH, SHIMADZU Co., Japan) 분석 기기로 정량화하였다.
Jar-test를 이용하여 응집에 의한 생물학적 처리수의 색도 제거를 관찰하였다. Jar-Tester(WiseStirTM, USA)와 2 L 용량의 jar (Phipps & Bird, USA)를 이용하였다.
4, 5는 응집제 종류별 pH 및 응집제 주입율에 따른 색도 및 탁도제거 특성을 나타낸 것이다. SC 값을 분석하여 결정한 최적 pH 범위와 응집제 주입율에서 Jar-test를 이용하여 색도 및 유기물 제거거동을 관찰하였다. 먼저 pH를 앞에서 도출한 최적 pH값으로 고정하고 황산알루미늄 (aluminium sulfate, Al(III))과 염화 제 2철(ferric chloride, Fe(III))의 주입율에 따른 색도제거효율을 관찰하였다.
이 때 원수 시료 100 mL를 XAD 수지가 충전된 유리관에서 유출속도 1 mL/min으로 유지시키면서 통과시켰다. XAD-7 수지를 통과한 유출수를 연속적으로 XAD-4 수지에 통과시킨 후 최종 유출수를 친수성 유기물로 구분하였다. 각 수지에 흡착된 유기물은 0.
5)순으로 순차적으로 여과시키고 각각의 여과수 시료 중 일부는 분석을 위해 채취하였다. 나머지는 계속하여 여과를 수행함으로써 유기물 분석을 통하여 정량화하는 연속 한외여과(series ultrafiltration)방법을 이용하였다.²²⁾또한, 동일한 방법을 이용하여, 최적 응집 조건일 때 분자량 분포별 제거효율을 분석하였다.
돈분폐수의 생물학적 2차 처리수를 0.45 µm 막여과지로 여과한 후, 분자량 분획(MWCO)범위 30 K, 10 K, 1 K 및 0.5 K인 막으로 분리하였다.
화학적 응집에서 pH 및 응집제(황산알루미늄(Al₂(SO₄)₃․ 14H₂O), 염화 제 2철(FeCl₃․6H₂O)) 주입률이 색도제거에 미치는 영향을 관찰하였다. 또한, SCD (streaming current detector)를 이용하여 최적 응집조건을 도출하였으며, 최종적으로 응집 및 침전공정에 의한 색도제거 효율을 관찰하였다.
1 N-NaOH 100 mL를 이용해 XAD-4 수지에서 흡착된 부분을 반친수성 유기물로 구분하였다. 또한, 최적 응집 조건일 때 같은 방법으로 친수성, 반친수성, 소수성 유기물을 분리하여 제거 거동을 관찰하였다. Table 2는 실험에 사용된 XAD 수지의 물리화 학적 특성이다.
SC 값을 분석하여 결정한 최적 pH 범위와 응집제 주입율에서 Jar-test를 이용하여 색도 및 유기물 제거거동을 관찰하였다. 먼저 pH를 앞에서 도출한 최적 pH값으로 고정하고 황산알루미늄 (aluminium sulfate, Al(III))과 염화 제 2철(ferric chloride, Fe(III))의 주입율에 따른 색도제거효율을 관찰하였다. 원수의 색도와 탁도, UV254 그리고 DOC는 각각 2,430 CU(color unit), 22.
본 실험에서는 500 mL 비이커에 시료를 주입하고 비이커에 SCD 전극을 담근 후 pH 범위와 응집제 주입량 등을 변화시키며 SC 값의 변화를 관찰하였다. 응집제는 황산알 루미늄(Al₂(SO₄)₃․14H₂O)과 염화 제 2철(FeCl₃․6H₂O)을 각각 10%로 조제하여 사용하였으며, pH는 10 N-NaOH 및 10 N-HCl을 사용하여 조절하였다.
분획 분자량이 30 K, 10 K, 1 K 및 0.5 K로써 큰 막(YM 30)부터 작은 크기(YC 0.5)순으로 순차적으로 여과시키고 각각의 여과수 시료 중 일부는 분석을 위해 채취하였다. 나머지는 계속하여 여과를 수행함으로써 유기물 분석을 통하여 정량화하는 연속 한외여과(series ultrafiltration)방법을 이용하였다.
상기의 실험결과를 바탕으로 황산알루미늄과 염화 제 2 철의 최적 주입율을 각각 5.84와 9.25 mM 고정하고, pH를 4.0∼6.5 범위로 변화시키며 응집 실험을 수행하였다.
상용화 된 XAD 수지를 이용하여 유기물을 분리하기 전에 수지 자체에 함유된 유기물을 제거하기 위한 세척을 수행하였다. 0.
생물학적 2차 처리를 거친 돈분폐수의 최종 유출수를 대상으로 화학적 응집을 이용하여 색도제거를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
45 µm 막여과지로 여과하였다. 여과된 시료를 50 mL Stirred Cell (Series 8200, Amicon) 에 주입하고 질소가스 압력 55 psi에서 교반시키면서 분자량별 분획을 수행하였다. 이 때 막 표면의 겔(Gel) 분극화 현상을 방지하기 위하여 자력회전막대(magnetic bar)로 시료를 혼합하면서 실험을 진행하였다.
여과된 시료를 50 mL Stirred Cell (Series 8200, Amicon) 에 주입하고 질소가스 압력 55 psi에서 교반시키면서 분자량별 분획을 수행하였다. 이 때 막 표면의 겔(Gel) 분극화 현상을 방지하기 위하여 자력회전막대(magnetic bar)로 시료를 혼합하면서 실험을 진행하였다.
본 연구에서는 돈분폐수의 생물학적 2차 처리수내 색도 성분을 제거하기 위한 화학적 응집 방법에 대하여 연구하였다. 화학적 응집에서 pH 및 응집제(황산알루미늄(Al₂(SO₄)₃․ 14H₂O), 염화 제 2철(FeCl₃․6H₂O)) 주입률이 색도제거에 미치는 영향을 관찰하였다. 또한, SCD (streaming current detector)를 이용하여 최적 응집조건을 도출하였으며, 최종적으로 응집 및 침전공정에 의한 색도제거 효율을 관찰하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 대상시료는 고농도 돈분폐수를 생물학적 혐기-호기성(TPAD-BNR)공정²⁰⁾으로 처리한 최종 유출수이다. 유출수의 유기물 농도는 각각 TCOD 513.
이는 돈분폐수의 고도처리 과정에서 생물학적으로 이용 가능한 유기물은 대부분 제거되었기 때문이다. 사용한 시료의 색도는 2,430 CU (color unit) 이었으며, 기타 시료의 성상은 Table 1과 같다.
본 실험에서는 500 mL 비이커에 시료를 주입하고 비이커에 SCD 전극을 담근 후 pH 범위와 응집제 주입량 등을 변화시키며 SC 값의 변화를 관찰하였다. 응집제는 황산알 루미늄(Al₂(SO₄)₃․14H₂O)과 염화 제 2철(FeCl₃․6H₂O)을 각각 10%로 조제하여 사용하였으며, pH는 10 N-NaOH 및 10 N-HCl을 사용하여 조절하였다.

이론/모형

SC값은 Coagulant Charge Analyzer (CCA3100, Chemtrac)를 사용하였다. pH(Orion 420A+, Thermo), 색도(DR 2010, Hach Co.) 및 탁도(2100P, Hach Co.)를 측정하였으며, 기타 COD, BOD 등의 분석항목은 Standard methods에 준하여 실험하였다.²¹⁾

성능/효과

1) 생물학적으로 처리된 돈분폐수의 최종 유출수의 유기 물 특성을 분석한 결과, 친수성과 반친수성 성분은 각각 27.3%, 17.4%를 차지하였고, 55.3%가 소수성 성분으로써, 소수성 성분이 친수성 성분 보다 높은 비율을 차지하고 있었다.
1) 축산 폐수는 발생량 기준으로 총 폐수발생량의 0.9%에 불과하나, 부하량이 큰 고농도 유기성 폐수로 분류되고 있으며, 하천의 수질악화와 호소의 부영양화를 초래하는 원인이 되고 있다.²⁾
2) 유출수의 분자량 분포를 분석한 결과, 분자량 30 K 이상, 30∼10 K, 10∼1 K, 1∼0.5 K 및 0.5 K 이하의 DOC 농도는 각각 16.1(5.9%), 19.5(7.1%), 15.2(5.5%), 19.9 (7.3%) 그리고 203.0(74.2%) mg/L로써 0.5 K 이하의 저분자 유기물이 대부분을 차지하고 있었다.
7%로 소수성 성분이 친수성 성분 보다 높은 비율을 차지하고 있다고 보고되고 있다.²⁴⁾반면, 본 연구에서 생물학적 처리를 거친 돈분폐수의 경우, 기존 선행연구에 비해 상대적으로 소수성 성분이 약 17% 정도 낮게 나타났다. 소수성 성분은 대체로 화학적 응집에 의해 잘제거되는 것으로 알려져 있고, 생물학적 폐수처리 유출수에는 미분해 된 유기물질이 포함되어있기 때문에 축산ㆍ분뇨처리장에 비해 친수성 및 반친수성 성분이 높은 것으로 사료된다.
3) SCD를 이용한 응집제의 최적 pH 및 응집제 주입량 결정은 실제 응집 실험 결과와 유사하였다. 황산알루미늄의 경우, SC값이 0에 근접한 pH 범위는 약 3과 5.
천연유기물질(Natural Organic Matter ; NOM)은 기본적으로 리그닌의 분해로 생성된 탄닌(tannin), 휴믹산(humic acid), 펄빅산(fulvic acid) 등으로 구성되어있다.³⁾ 이러한 갈색의 색도 유발 물질들은 심미적으로 불쾌감을 유발하여, 인근주민들에게 악취와 함께 민원의 대상이 되고 있고, 색도의 증가로 인한 광투시도 감소 등으로 호소의 자정능력을 감소시키는 요인이 되고 있다.⁴⁾ 또한 정수처리공정에서의 약품투입량 증가와 특히, 소독부산물 생성 원인이 될 수 있다.
4) SCD를 이용한 응집제의 최적 pH 및 응집제 주입량 결정 결과 염화 제 2철의 경우, pH 4와 5 사이에서 SC값 이 0에 근접하였으며, 실제 응집실험 결과 pH 5.0에서 최대 색도제거효율을 보여주었다.
5) Jar-test 결과, 색도제거의 최적 주입율은 황산알루미늄 의 경우 5.84 mM이었으며 제거효율은 91.9%이었다. 염화 제 2철의 경우에는 최적 주입율 9.
6) 최적 응집 조건일 경우 친수성과 반친수성 유기물은 70% 이상의 제거효율을 보였고 소수성은 약 90% 정도의 높은 제거효율을 얻을 수 있었다. 또한 황산알루미늄(5.
이는 원수 성상 및 조사 지역 그리고 계절변화에 따라 큰 차이를 보인다고 판단된다. 따라서 응집으로 저분자량의 유기 물을 효과적으로 제거하기위해서는 SCD를 이용하여 입 자의 표면전하가 중화된 PZC 값을 찾아 최적 pH 및 응집 제주입량 결정짓고, Jar-test 운전조건결정 및 pH 변화에 따른 영향 즉, 응집에 있어서 시료의 pH 변화는 가수분해 반응과 응집제의 화학적 성질을 변화시킴으로써 응집-응결조건이 변화하고 금속수산화물 생성을 크게 변화시켜 영향을 준다.³⁰⁾이에 따른 적절한 응집제 종류의 선택 및 주입량 결정과 그리고 알루미늄과 철의 용해도 변화와 같은 화학적인 변화 뿐만 아니라 물에서 입자의 밀도, 점도와 같은 물리적인 변화를 일으키는 온도²⁹⁾등의 영향인자를 고려하여 생물학적 돈분폐수 처리수의 색도제거를 해야할 것으로 생각된다.
6) 최적 응집 조건일 경우 친수성과 반친수성 유기물은 70% 이상의 제거효율을 보였고 소수성은 약 90% 정도의 높은 제거효율을 얻을 수 있었다. 또한 황산알루미늄(5.84 mM, pH 5.3)과 염화 제 2철(9.25 mM, pH 5.0)에 의해 분 자량 분포 0.5 K 이하의 저분자량 유기물이 각각 83%, 94%의 높은 제거효율을 보였다.
0(염화 제 2철)에서 나타났고, 선행되었던 최적 응집제 주입량 결정 실험 결과와 일치하였다. 또한 황산알루미늄을 이용하였을 때 pH 가 증가할수록 색도 제거율이 증가하다가 pH 5.3 이상부터 제거효율이 감소되는 경향을 나타내었고, 염화 제 2철은 pH 5.0 이상부터 색도제거율이 감소되는 경향을 나타내었다. 황산알루미늄을 사용하였을 경우 탁도 제거 효율이 증가하다가 감소하는 경향이 나타났는데, 이는 동일한 pH 범위 에서 SC 값의 변화를 관찰한 결과와 잘 일치하며, 이 범위에서 SC값이 다시 음의 값을 갖기 때문에 응집효율이 감소하고, 탁질의 재분산이 발생되기 때문으로 사료된다.
으로 처리한 최종 유출수이다. 유출수의 유기물 농도는 각각 TCOD 513.3, SCOD 446.5, DOC 227.3 mg/L이었다. 반면에 BOD5는 평균 10.
Table 3은 돈분폐수를 생물학적 2차 처리 과정을 거친 최종 유출수의 유기물을 친수성과 반친수성, 그리고 소수성으로 분리한 결과이다. 총 DOC 농도 중 친수성과 반친수성 유기물은 각각 62.1 mg/L(27.3%)와 39.6 mg/L(17.4%) 를 차지하였다. 반면, 소수성 유기물이 125.
5 범위로 변화시키며 응집 실험을 수행하였다. 황산 알루미늄과 염화 제 2철의 최적 응집 조건일 때, 각각 92%, 98% 이상의 높은 색도 제거율을 나타내었다. 최적 색도 제거율은 각각 pH 5.
0일 때, DOC의 친수성과 반친수성, 그리고 소수성 성분의 응집실험 결과이다. 황산알루미늄과 염화 제 2철을 사용하였을 때 친수성과 반친수성은 70% 이상의 제거효율을 보였고 소수성은 약 90% 정도의 높은 제거효율을 얻을 수 있었다. 이는 화학적 응집처리를 통해 생물학적으로 분해가 어려운 천연유기물질 (NOM) 및 난분해성 유기물을 효과적으로 제거할 수 있다는 문헌의 결과와 일치하고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	천연유기물질은 무엇으로 구성되어있는가?	축산폐수는 대부분 생물학적 공정에 의해 처리되고 있으나, 방류수에는 생물학적으로 분해하기 어려운 유기물 복합체와 미생물의 생화학적 반응에 의한 중간 생성물 등으로 인해 색도를 띠게 된다. 천연유기물질(Natural Organic Matter ; NOM)은 기본적으로 리그닌의 분해로 생성된 탄닌(tannin), 휴믹산(humic acid), 펄빅산(fulvic acid) 등으로 구성되어있다. 3) 이러한 갈색의 색도 유발 물질들은 심미적으로 불쾌감을 유발하여, 인근주민들에게 악취와 함께 민원의 대상이 되고 있고, 색도의 증가로 인한 광투시도 감소 등으로 호소의 자정능력을 감소시키는 요인이 되고 있다.
	대상 원수 내의 콜로이드성 입자 또는 용존성 유기 물의 작용기는 어떤 특성을 가지고 있는가?	한편, 대상 원수 내의 콜로이드성 입자 또는 용존성 유기 물의 작용기(functional group)는 일반적으로 음으로 하전되어 있어 침전에 의해 잘 제거되지 않는 특성을 가지고 있다. 수화물 입자들의 전하밀도를 간접적으로 측정할 수 있는 SCD(streaming current detector)는 응집조건을 결정하는데 활용되고 있으며, 17) Dentel은 SCD값이 전기영동도나 제타포텐셜과 밀접한 선형적 관계가 있음을 밝혔고, 재현성이 뛰어나다는 것을 입증한 바 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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