공기 폭기법을 통해 암모니아를 제거함에 있어, 반응조의 물리적 인자(폭기 깊이, 공기 방울 크기, 표면적)와 알칼리도가 암모니아의 제거 속도에 미치는 영향을 평가하였다. 30 L/min의 공기를 6~53 cm의 폭기 깊이로 실험한 결과, 폭기 깊이는 암모니아 제거 속도에 영향을 미치지 않았다. pH가 10.0, 온도가 $30^{\circ}C$에서 암모니아의 제거 속도 상수와 표준편차는 각각 $0.175h^{-1}$, 0.004로 나타났다. 공기 방울의 크기 및 공기상과 접촉하는 수표면의 표면적은 제거 속도에 영향을 미치지 않았다. 폐수의 알칼리도는 암모니아 제거 속도에 간접적으로 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이는 폭기에 의해 이산화탄소가 수용액에 용존되어 pH를 변화시킬 수 있기 때문인 것으로 예상된다. 매립지와 하수 종말 처리장에서 채취한 실제 폐수를 대상으로 암모니아 제거 속도를 살펴보았다. 하수 원수(pH = 7.1, alkalinity = 75 mg/L)의 경우, pH를 9.3으로 조절하여도 암모니아 제거 속도가 크게 증가하지 않았다. 그러나, 알칼리도가 높은 침출수 원수(pH = 8.0, alkalinity = 6,525 mg/L)는 초기 pH가 낮음에도 불구하고, 공기 폭기에 따른 pH 상승으로 인해 암모니아 제거 속도가 증가하는 경향을 나타냈다. 또한, 침출수 원수의 pH를 9.4로 조절한 경우, 하수 원수와 달리 공기 폭기에 따른 pH 저하가 나타나지 않아 암모니아 제거 속도가 유지 되었다.
공기 폭기법을 통해 암모니아를 제거함에 있어, 반응조의 물리적 인자(폭기 깊이, 공기 방울 크기, 표면적)와 알칼리도가 암모니아의 제거 속도에 미치는 영향을 평가하였다. 30 L/min의 공기를 6~53 cm의 폭기 깊이로 실험한 결과, 폭기 깊이는 암모니아 제거 속도에 영향을 미치지 않았다. pH가 10.0, 온도가 $30^{\circ}C$에서 암모니아의 제거 속도 상수와 표준편차는 각각 $0.175h^{-1}$, 0.004로 나타났다. 공기 방울의 크기 및 공기상과 접촉하는 수표면의 표면적은 제거 속도에 영향을 미치지 않았다. 폐수의 알칼리도는 암모니아 제거 속도에 간접적으로 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이는 폭기에 의해 이산화탄소가 수용액에 용존되어 pH를 변화시킬 수 있기 때문인 것으로 예상된다. 매립지와 하수 종말 처리장에서 채취한 실제 폐수를 대상으로 암모니아 제거 속도를 살펴보았다. 하수 원수(pH = 7.1, alkalinity = 75 mg/L)의 경우, pH를 9.3으로 조절하여도 암모니아 제거 속도가 크게 증가하지 않았다. 그러나, 알칼리도가 높은 침출수 원수(pH = 8.0, alkalinity = 6,525 mg/L)는 초기 pH가 낮음에도 불구하고, 공기 폭기에 따른 pH 상승으로 인해 암모니아 제거 속도가 증가하는 경향을 나타냈다. 또한, 침출수 원수의 pH를 9.4로 조절한 경우, 하수 원수와 달리 공기 폭기에 따른 pH 저하가 나타나지 않아 암모니아 제거 속도가 유지 되었다.
The effect of the physical parameters in the reactor (aeration depth, bubble size, and surface area) and the alkalinity of the solution on the ammonia stripping by bubbling were evaluated. When an airflow of 30 L/min was bubbled below the solution surface in the range 6-53 cm, the ammonia removal ra...
The effect of the physical parameters in the reactor (aeration depth, bubble size, and surface area) and the alkalinity of the solution on the ammonia stripping by bubbling were evaluated. When an airflow of 30 L/min was bubbled below the solution surface in the range 6-53 cm, the ammonia removal rate were observed to be the same regardless of the bubbling depths. At pH 10.0 and a temperature of $30^{\circ}C$, the average rate constant and the standard deviation were $0.178h^{-1}$ and 0.004. No appreciable changes in the ammonia removal rate were also observed with varying the bubble size and the air-contacting surface area. Alkalinity of the solution was found to affect the ammonia removal rate indirectly. This is expected because the pH of the solution would vary with dissolution of gaseous $CO_2$ by air bubbling. The real wastewaters from landfill site and domestic wastewater treatment plant were tested. In the case of domestic wastewater (pH = 7.1, alkalinity = 75 mg/L), the ammonia removal rate was poor even with the control of pH to 9.3. The raw landfill leachate (pH = 8.0, alkalinity = 6,525 mg/L), however, showed the appreciable removal rate with increasing pH during aeration. When the initial pH of the leachate was adjusted 9.4, the removal rate was significantly increased without changing the pH during aeration.
The effect of the physical parameters in the reactor (aeration depth, bubble size, and surface area) and the alkalinity of the solution on the ammonia stripping by bubbling were evaluated. When an airflow of 30 L/min was bubbled below the solution surface in the range 6-53 cm, the ammonia removal rate were observed to be the same regardless of the bubbling depths. At pH 10.0 and a temperature of $30^{\circ}C$, the average rate constant and the standard deviation were $0.178h^{-1}$ and 0.004. No appreciable changes in the ammonia removal rate were also observed with varying the bubble size and the air-contacting surface area. Alkalinity of the solution was found to affect the ammonia removal rate indirectly. This is expected because the pH of the solution would vary with dissolution of gaseous $CO_2$ by air bubbling. The real wastewaters from landfill site and domestic wastewater treatment plant were tested. In the case of domestic wastewater (pH = 7.1, alkalinity = 75 mg/L), the ammonia removal rate was poor even with the control of pH to 9.3. The raw landfill leachate (pH = 8.0, alkalinity = 6,525 mg/L), however, showed the appreciable removal rate with increasing pH during aeration. When the initial pH of the leachate was adjusted 9.4, the removal rate was significantly increased without changing the pH during aeration.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 반응조의 물리적 인자와 알칼리도가 암모니아 탈기에 미치는 영향을 살펴보았으며, 반응조의 물리적 인자와 폐수 성상에 대한 정보를 암모니아 제거 모델에 입력하여 암모니아 탈기 경향을 예측할 수 있는지를 연구하였다.
은 공기 방울의 체류 시간이 암모니아 제거 효율을 높이는 것과 무관하다고 보고하였다. 본 연구에서는 이와 같이 상이한 결과를 검증하기 위하여 공기 폭기 깊이에 따른 실험을 수행하였다. Fig.
가설 설정
7의 실선은 임(2004)이 보고한 즉시 평형 모델을 이용하여 최대로 제거될 수 있는 암모니아의 제거 속도를 나타낸 것이다.20) 즉시 평형 모델은 수용액에 공급된 공기가 수용액을 이탈하기 전에 평형에 도달하여 용기 내의 공기상에 암모니아는 항상 포화된 상태라고 가정한 모델이다. 즉, 액체-기체상에서 암모니아 평형은 즉시 이루어진다는 가정을 통해 모델식을 설정한 것으로 즉시 평형 모델을 통하여 예측되는 암모니아의 제거 속도는 제거 가능한 최대의 암모니아의 제거 속도이다.
20) 즉시 평형 모델은 수용액에 공급된 공기가 수용액을 이탈하기 전에 평형에 도달하여 용기 내의 공기상에 암모니아는 항상 포화된 상태라고 가정한 모델이다. 즉, 액체-기체상에서 암모니아 평형은 즉시 이루어진다는 가정을 통해 모델식을 설정한 것으로 즉시 평형 모델을 통하여 예측되는 암모니아의 제거 속도는 제거 가능한 최대의 암모니아의 제거 속도이다.
제안 방법
10은 1,000 mg/L NH3보다 낮은 농도의 1,075 mg/L CaCO3의 알칼리도를 나타내는 용액을 대상으로 시간에 따른 암모니아 농도 변화를 실험한 결과이다. 1,000 mg/L NH3(0.0588 M NH4Cl)와 각각 1,075, 3,000, 5,000, 7,000 mg/L CaCO3 (0.0215, 0.06, 0.10, 0.14 M HCO3-)의 알칼리도를 나타내도록 조제하였으며, 초기 pH는 9.0였다. 이는 pH가 10.
매립지와 하수 종말 처리장에서 채취한 실제 폐수를 대상으로 암모니아의 제거 속도를 살펴보았다. 암모니아성 질소의 농도를 1,700 mg/L으로 조절한 하수 원수(pH = 7.
알칼리도를 5,000 mg/L으로 고정시킨 상태에서 pH를 조절하거나, pH를 10.0으로 고정시킨 상태에서 알칼리도를 조절하기 위해 첨가해야 하는 탄산수소나트륨과 수산화나트륨의 양은 화학평형 모델식을 완성한 후 결정하였다. Table 1에 암모니아 농도 1,000 mg/L NH3일 때 주어진 pH와 알칼리도에 따른 시약 주입량을 계산하여 나타내었다.
6으로 하였고 알칼리도는 5,000 mg/L이였다. 알칼리도의 효과를 비교하기 위한 실험은 pH 10.0, 알칼리도 3,000, 4,000, 5,000, 6,000 mg/L와 pH 9.0, 알칼리도 1,075, 3,000, 5,000, 7,000 mg/L로 조절한 후 실험을 수행하였다.
1(a)에 도식화하여 나타내었다. 암모니아 탈기 장치의 반응조는 직경이 11 cm, 높이 60 cm인 아크릴 원통을 이용하여 액의 부피가 5 L가 되도록 높이 56 cm까지 용액을 채웠으며, 수면으로부터의 깊이가 약 10, 20, 70, 95%가 되도록 0, 6, 12, 37, 53 cm의 깊이에 내경 1.0 cm의 튜브관을 통해 25 L/min으로 폭기 하였다. 초기 용액의 암모니아 농도는 1,000 mg/L NH3, 알칼리도는 5,000 mg/L, pH는 10.
염화암모늄(NH4Cl)을 이용하여 암모니아의 농도를 1,000mg/L NH3으로 조제하였으며, 용액의 pH와 알칼리도를 조절하기 위해 탄산수소나트륨(NaHCO3)과 수산화나트륨 (NaOH)을 첨가하였다. pH는 pH의 영향 연구를 제외하고는 모두 10.
6에 결과를 나타내었다. 이 실험에서는 공기에 의한 수면 진동으로 접촉 면적이 증가하는 현상을 배제하였고, 실험장치 형태를 변화시켜 접촉 면적을 100, 75, 50, 25%로 조절하였다. 예측한 바와 같이 접촉 면적이 100%였을 때 시간에 따른 암모니아의 제거 속도 상수가 0.
대상 데이터
실제 폐수는 원주시 하수 종말 처리장에서 스크린을 거친 하수 원수와 원주시 매립지의 침출수 원수를 채취한 후, pH와 알칼리도를 적절히 조절하여 사용하였다. Table 2에 사용한 실제 폐수의 성상을 나타내었다.
0인 용액에 대해 알칼리도 변화에 대하여 시간에 따른 암모니아 농도 변화를 나타낸 것이다. 실험에 사용된 용액은 1,000 mg/L NH3 (0.0588 M NH4Cl)와 각각 3,000, 4,000, 5,000, 6,000 mg/L CaCO3 (0.06, 0.08, 0.10, 0.12 M HCO3-)의 알칼리도를 나타냈으므로 모두 NH4Cl의 몰 농도보다 높은 농도의 알칼리도였다. 시간에 따른 암모니아 제거 속도 상수는 각각 0.
이론/모형
본 연구에서 암모니아의 측정은 흐름 주입 분석법(FIA; Flow Injection Analyzer)을 사용하였고, 측정 원리는 우리나라 수질오염공정시험기준인 인도페놀법을 적용하였다.14) 흐름 주입 분석법은 일반적인 수동 분석법에 비하여 재현성이 좋고, 시스템 내로 공급된 시료가 닫힌계에서 시약들과 발색하므로 수동 조작에 의하여 발생할 수 있는 시료 성분의 손실 등에 의한 오차를 최소화 할 수 있어 분석의 신뢰도를 높일 수 있는 장점이 있다.
성능/효과
14) 흐름 주입 분석법은 일반적인 수동 분석법에 비하여 재현성이 좋고, 시스템 내로 공급된 시료가 닫힌계에서 시약들과 발색하므로 수동 조작에 의하여 발생할 수 있는 시료 성분의 손실 등에 의한 오차를 최소화 할 수 있어 분석의 신뢰도를 높일 수 있는 장점이 있다.15)
이 중 파과점 염소 주입은 Cl2가 화학적으로 암모니아보다는 유기물과 우선적으로 반응하므로 많은 양의 Cl2가 소요되는 단점을 가지며, 후속 처리공정이 생물학적인 공정일 경우 미생물에 대해 독성을 유발할 가능성이 있다.2) 선택적 이온 교환은 zeolite에 의한 이온 교환 방법에 의하여 제거하는 공정으로 이 공정은 부유 물질에 의한 zeolite 충진탑의 fouling과 처리 후 많은 양의 폐 zeolite가 발생하는 것이 문제점으로 지적된다.3) 공기 탈기법은 높은 온도와 pH를 유지하는데 운영비 및 관리비가 많이 소요되는 단점을 갖는다.
2) 선택적 이온 교환은 zeolite에 의한 이온 교환 방법에 의하여 제거하는 공정으로 이 공정은 부유 물질에 의한 zeolite 충진탑의 fouling과 처리 후 많은 양의 폐 zeolite가 발생하는 것이 문제점으로 지적된다.3) 공기 탈기법은 높은 온도와 pH를 유지하는데 운영비 및 관리비가 많이 소요되는 단점을 갖는다.4~6) 그러나 축산 폐수7) 및 매립지 침출수,2,8) 그리고 소화조의 슬러지 탈수액9,10) 등과 같은 고농도 암모니아성 질소를 포함하는 폐수를 대상으로 단위 공정 또는 후속 공정의 원활한 운전을 위한 전처리 공정으로 이용되어 왔고, 효율적으로 암모니아성 질소를 제거하는 것으로 알려져 있다.
알칼리도가 충분히 클 경우, 이산화탄소의 용해는 pH를 상승 또는 감소시키는 것으로 나타났다. pH가 9.0, 알칼리도가 1,075 mg/L인 용액은 공기 폭기가 진행됨에 따라 pH가 감소하는 경향을 보였으며, 이에 따라 암모니아 제거 속도가 감소하였다. 알칼리도가 3,000 mg/L 이상인 용액은 공기 폭기에 따른 pH 변화가 크지 않았으며, 제거 속도는 초기 pH에서 예측되는 것과 일정하게 나타났다.
4는 공기 방울의 크기를 달리하여 시간에 따른 암모니아 제거 경향을 나타낸 것이다. 거친 공기 방울과 미세공기 방울을 각각 내경 1.0 cm와 내경 0.2 cm의 튜브관을 통해 공기를 불어 넣어 암모니아 제거 속도를 비교한 결과, 시간에 따른 암모니아의 제거 속도 상수는 각각 0.182, 0.180 h-1로 유사하게 나타났다. 본 연구에서 적용한 공기 방울의 크기에서는 암모니아 제거 효율이 공기 방울의 크기와 무관한 것을 나타낸다.
3으로 조절한 침출수는 알칼리도에 의한 완충 현상으로 초기 pH를 계속 유지하였고, pH를 조절하지 않은 침출수는 pH가 떨어졌다. 결과적으로 암모니아를 탈기하여 제거하는 데 초기 pH뿐만 아니라 알칼리도의 영향도 큰 것을 알 수 있었다.
059 h-1을 나타내었다. 결과적으로 접촉 면적의 증가가 암모니아의 탈기 효율을 증가시킴을 알 수 있는 결과이다.
178 h-1로 유사하게 나타났다. 본 실험의 결과는 공기 방울의 체류 시간이 암모니아 제거 효율을 높이는 것과 무관하다고 보고된 Smith와 Arab의 실험 결과와 같은 것으로,17) 폭기 깊이와 암모니아의 제거 효율이 무관하였다. 본 연구에서 주입한 폭기량(30 L/min)의 경우, 폭기 깊이 6 cm에서 이미 충분한 난류를 일으키기 때문으로 판단한다.
180 h-1로 유사하게 나타났다. 본 연구에서 적용한 공기 방울의 크기에서는 암모니아 제거 효율이 공기 방울의 크기와 무관한 것을 나타낸다. 공기 방울의 크기가 작고 표면적이 클수록 용액 속에서의 공기-액체 접촉 면적이 증가하여 암모니아 제거 효율이 증가될 것으로 예상되는 결과와 상이하다.
12 M HCO3-)의 알칼리도를 나타냈으므로 모두 NH4Cl의 몰 농도보다 높은 농도의 알칼리도였다. 시간에 따른 암모니아 제거 속도 상수는 각각 0.158, 0.151, 0.142, 0.160 h-1로 유사하게 나타나 알칼리도를 달리하여도 암모니아 제거에 영향을 미치지 않은 것을 알 수 있다. 이는 일정량 이상의 알칼리도가 pH의 감소 현상을 완화시켜 암모니아의 분율을 높은 상태로 유지시키기 때문으로 판단한다.
0, alkalinity = 6,525 mg/L)는 초기에 낮은 제거 속도를 보이다가 시간이 경과함에 따라 pH 상승이 뚜렷하였고, 이에 따라 제거 속도가 상승하였다. 실제 폐수의 초기 pH를 9.3으로 조절하여 실험한 결과, 하수의 pH는 침출수의 pH에 비해 크게 감소하는 경향을 보였고, 이에 따라 제거 속도가 침출수에 비해 현저히 낮았다.
0, 알칼리도가 1,075 mg/L인 용액은 공기 폭기가 진행됨에 따라 pH가 감소하는 경향을 보였으며, 이에 따라 암모니아 제거 속도가 감소하였다. 알칼리도가 3,000 mg/L 이상인 용액은 공기 폭기에 따른 pH 변화가 크지 않았으며, 제거 속도는 초기 pH에서 예측되는 것과 일정하게 나타났다.
매립지와 하수 종말 처리장에서 채취한 실제 폐수를 대상으로 암모니아의 제거 속도를 살펴보았다. 암모니아성 질소의 농도를 1,700 mg/L으로 조절한 하수 원수(pH = 7.1, alkalinity = 75 mg/L)에서는 암모니아의 제거가 이루어지지 않은 반면, 침출수 원수(pH = 8.0, alkalinity = 6,525 mg/L)는 초기에 낮은 제거 속도를 보이다가 시간이 경과함에 따라 pH 상승이 뚜렷하였고, 이에 따라 제거 속도가 상승하였다. 실제 폐수의 초기 pH를 9.
이 실험에서는 공기에 의한 수면 진동으로 접촉 면적이 증가하는 현상을 배제하였고, 실험장치 형태를 변화시켜 접촉 면적을 100, 75, 50, 25%로 조절하였다. 예측한 바와 같이 접촉 면적이 100%였을 때 시간에 따른 암모니아의 제거 속도 상수가 0.131 h-1를 나타내었고, 75%일 때 0.111 h-1, 50%일 때 0.089 h-1, 25%일 때 0.059 h-1을 나타내었다. 결과적으로 접촉 면적의 증가가 암모니아의 탈기 효율을 증가시킴을 알 수 있는 결과이다.
0일 경우 1,075 mg/L까지 줄일 수 있어 알칼리도의 영향을 극대화하여 볼 수 있으므로 이 범위에서 실험하였다. 위에서 예상한 바와 같이, 암모니아의 농도 1,000 mg/L 이하인 1,075 mg/L의 알칼리도에서는 pH의 감소 현상이 나타났고, 암모니아 제거 경향도 감소하였음을 볼 수 있다. 반면 3,000 mg/L 이상의 알칼리도에서는 암모니아 제거 경향에 많은 영향을 주지 않았다.
12에 나타내었다. 침출수 원수의 경우, 초기 pH가 8.0을 나타내어 암모니아 제거 효율이 낮을 것으로 예상되었지만 높은 알칼리도로 인해 최종 pH가 꾸준히 증가되는 현상을 보여 암모니아의 제거 경향도 증가함을 보였다. 하수 원수는 초기 pH가 7.
후속연구
11,12) 그러나 본 연구 결과, 침출수와 같은 알칼리도가 높은 폐수의 경우, 염기를 첨가하지 않은 상태에서도 탈기를 통해 pH가 증가하므로 암모니아 탈기법으로 암모니아를 제거할 경우 소요 경비를 최소화할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
암모니아를 제거하는 공정에는 무엇이 있는가?
일반적으로 암모니아를 제거하는 공정은 파과점 염소 주입, 선택적 이온 교환, 공기 탈기법 등이 있다. 이 중 파과점 염소 주입은 Cl2가 화학적으로 암모니아보다는 유기물과 우선적으로 반응하므로 많은 양의 Cl2가 소요되는 단점을 가지며, 후속 처리공정이 생물학적인 공정일 경우 미생물에 대해 독성을 유발할 가능성이 있다.
암모니아의 역할은?
암모니아는 질소를 함유한 유기물의 분해, 미생물의 작용에 의한 생화학적인 원인과 화학공정 등에서 발생하는 인위적인 원인으로 발생된다. 대기 중에서는 산성 오염물을 중화시키는 중요한 염기 구실을 하기도 하나, 하천이나 호소에 유입되면 아질산성 질소, 질산성 질소로 변환되는 연속 산화 반응을 하며 용존 산소를 감소시킨다.1)
암모니아이 발생되는 원인은?
암모니아는 질소를 함유한 유기물의 분해, 미생물의 작용에 의한 생화학적인 원인과 화학공정 등에서 발생하는 인위적인 원인으로 발생된다. 대기 중에서는 산성 오염물을 중화시키는 중요한 염기 구실을 하기도 하나, 하천이나 호소에 유입되면 아질산성 질소, 질산성 질소로 변환되는 연속 산화 반응을 하며 용존 산소를 감소시킨다.
참고문헌 (20)
Sawyer, C. N. and McCarty, P. L., "Chemistry for environmental engineering," 3, New York, McGraw Hill(1978).
Siegrist, H., "Nitrogen Removal from Digester Supernatant - Comparison of Chemocal and Biological Methods," Water Sci. Technol., 34(1-2), 399-406(1996).
Smith, P. G. and Arab, F. K., "The role of air bubbles in the desorption of ammonia from landfill leachates in high pH aerated lagoon," Water, Air, Soil Pollut., 38(3-4), 333- 343(1988).
Liao, P. H., Chem, A. and Lo, K. V., "Removal of Nitrogen from Swine Manure Wastewaters by Ammonia Stripping," Bioresour. Technol., 54(1), 17-20(1995).
Yoon, H. I. and Lim, J. H., "Ammonia removal model based on the equilibrium and mass transfer principles," Bull. Korean Chem. Soc., 29(3), 555-561(2008).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.