본 연구는 염색폐수 처리시설에서 생물학적공정(2차) 처리를 거처 배출되고 있는 방류수 중에 미처리되어 잔존하고 있는 난분해성 유기물(COD) 성분을 제거하기 위하여, 고도처리공법으로서 Fenton 산화공정을 적용하여, 공법의 적용 가능성과 최적의 운전조건을 얻고자, 실험실 실험과 Pilot Plant 현장 운전을 실시하였다. 본 Fenton 산화실험의 원수로 사용된 생물학적(2차) 처리수의 수질은 실험기간동안 $COD_{Mn}$ 30~50mg/L으로 측정되었다. Fenton 산화반응 실험 결과, 최적의 반응조건은 pH 3~3.5, 반응시간 2~2.5시간, 약품 주입량비($FeCl_2$(33%)/$H_2O_2$(35%)) 3 : 1 로 나타났다. 약품 주입량 비가 적정조건일 때, 슬러지 발생량($SV_{2hr}$)은 전체 양의 21~28% 범위인 것으로 측정되었다. Pilot Plant 실험 결과, 산화반응조의 체류시간 변화에 따라 처리효율이 크게 영향을 받고 있었으며, 적정 체류시간은 2.0시간 이었다. 현장에 Pilot Plant($2m^3/d$)를 설치하여 연속운전을 실시한 결과, COD 농도가 제거효율 면에서 60~70%를 나타내었고, 처리수질은 20mg/L 이하로 측정되어, 대체로 안정적이고 양호한 처리효율을 나타내고 있었다.
본 연구는 염색폐수 처리시설에서 생물학적공정(2차) 처리를 거처 배출되고 있는 방류수 중에 미처리되어 잔존하고 있는 난분해성 유기물(COD) 성분을 제거하기 위하여, 고도처리공법으로서 Fenton 산화공정을 적용하여, 공법의 적용 가능성과 최적의 운전조건을 얻고자, 실험실 실험과 Pilot Plant 현장 운전을 실시하였다. 본 Fenton 산화실험의 원수로 사용된 생물학적(2차) 처리수의 수질은 실험기간동안 $COD_{Mn}$ 30~50mg/L으로 측정되었다. Fenton 산화반응 실험 결과, 최적의 반응조건은 pH 3~3.5, 반응시간 2~2.5시간, 약품 주입량비($FeCl_2$(33%)/$H_2O_2$(35%)) 3 : 1 로 나타났다. 약품 주입량 비가 적정조건일 때, 슬러지 발생량($SV_{2hr}$)은 전체 양의 21~28% 범위인 것으로 측정되었다. Pilot Plant 실험 결과, 산화반응조의 체류시간 변화에 따라 처리효율이 크게 영향을 받고 있었으며, 적정 체류시간은 2.0시간 이었다. 현장에 Pilot Plant($2m^3/d$)를 설치하여 연속운전을 실시한 결과, COD 농도가 제거효율 면에서 60~70%를 나타내었고, 처리수질은 20mg/L 이하로 측정되어, 대체로 안정적이고 양호한 처리효율을 나타내고 있었다.
In this study, Fenton reaction was studied for the possibility of applying as advanced treatment and its optimal condition for the removal of refractory organics from the dye wastewater. Fenton reaction was applied to remove refractory organics after the bio-treatment (secondary treatment) inside te...
In this study, Fenton reaction was studied for the possibility of applying as advanced treatment and its optimal condition for the removal of refractory organics from the dye wastewater. Fenton reaction was applied to remove refractory organics after the bio-treatment (secondary treatment) inside test laboratory and on-site pilot plant. Wastewater from the secondary treatment was used and its $COD_{Mn}$ was measured as 30~50mg/L. After the Fenton reaction, the optimal condition was found as pH 3~3.5, reaction time 2~2.5hr, chemical input ratio of ($FeCl_2$(33%)/$H_2O_2$(35%)) was 3 : 1. When chemical input ratio of ($FeCl_2$(33%)/$H_2O_2$(35%)) was at its optimal, amount of sludge volume ($SV_{2hr}$) was 21~28%. With pilot plant test, removal rate was heavily influenced by the hydraulic retention time(HRT), and optimum value of HRT was 2.0 hr. When pilot plant($2m^3/d$) was placed on-site and operated continuously, it showed steady and fairly good treatment of COD where COD removal rate was 60~70%, treated water showed below 20mg/L.
In this study, Fenton reaction was studied for the possibility of applying as advanced treatment and its optimal condition for the removal of refractory organics from the dye wastewater. Fenton reaction was applied to remove refractory organics after the bio-treatment (secondary treatment) inside test laboratory and on-site pilot plant. Wastewater from the secondary treatment was used and its $COD_{Mn}$ was measured as 30~50mg/L. After the Fenton reaction, the optimal condition was found as pH 3~3.5, reaction time 2~2.5hr, chemical input ratio of ($FeCl_2$(33%)/$H_2O_2$(35%)) was 3 : 1. When chemical input ratio of ($FeCl_2$(33%)/$H_2O_2$(35%)) was at its optimal, amount of sludge volume ($SV_{2hr}$) was 21~28%. With pilot plant test, removal rate was heavily influenced by the hydraulic retention time(HRT), and optimum value of HRT was 2.0 hr. When pilot plant($2m^3/d$) was placed on-site and operated continuously, it showed steady and fairly good treatment of COD where COD removal rate was 60~70%, treated water showed below 20mg/L.
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문제 정의
기존의 폐수처리장에서 배출되고 있는 최종 방류수의 COD 농도는 약 30∼40mg/L으로서, 법적 방류수 수질기준인 40mg/L 이내로 존재하나, 환경영향평가 협의기준인 20mg/L 또는 설계 방류수 수질 18.2mg/L보다 상회하고 있으므로, 이들 수질기준에 적합하도록 하기 위하여, 고도처리공법으로서 이전에 오존처리공법을 적용하였으나 목표 설계수질에 이르지 못하여, Fenton 산화공법에 대하여 적용 가능성을 알아보고자 본 연구를 실시하였다.
본 실험은 동일한 시료에 대하여 Fenton 산화 반응시켰을 경우, 처리수에서의 COD와 BOD의 제거특성을 각각 파악하고자 하였다. 그림 6과 7에서 볼 수 있는 바와 같이, Fenton 실험 후 최종 방류수에서 BOD는 평균 45% 제거되었으며, COD는 평균 61%가 제거되었다.
본 연구는 염색폐수 처리시설에서 생물학적공정(2차) 처리를 거처 배출되고 있는 방류수 중에 미처리되어 잔존하고 있는 난분해성 유기물(COD) 성분을 제거하기 위하여, 고도처리공법으로서 Fenton 산화공정을 적용하여, 공법의 적용 가능성과 최적의 운전조건을 얻고자, 실험실 실험과 함께 Pilot Plant를 설계ㆍ제작하여 현장 운전을 실시하였으며, 그 실험결과는 다음과 같다.
본 연구대상 염색폐수는 기존의 처리공정으로는 COD 성분이 설계기준에 맞출 수 없는 한계상황에 직면해 있어서, 이를 처리하기 위한 고도처리 기술로서 Fenton 산화공법을 선정하여, 이에 대한 적용 가능성과 최적의 운전 조건을 파악하기 위하여 연구를 실시하였다.
제안 방법
1. 본 Fenton 산화실험의 원수로 사용된 생물학적(2차) 처리수의 수질은 실험기간동안 CODMn 30∼50mg/L으로 측정되었다.
또한, 연속식 Pilot Plant 장치에 대하여 표 4에 각 공정과 특성 및 용량 등의 설계조건을 수록하였으며, 그림 1에는 장치의 현장 설치 사진이 나타나 있다. Pilot 장치는 1일 24시간 운전 시, 2m3/d의 폐수를 처리할 수 있도록 설계되었으며, 아크릴 재질로 제작하였다.
본 실험은 Fenton 산화에 필요한 기초자료를 얻기 위하여 1차적으로 실험실에서 회분식 실험(Jar-Test, 1L)을 수행하였으며, 여기에서 얻어진 자료를 기초로 Pilot Plant를 설계ㆍ제작하여, 폐수처리장 현장에서 연속식 실험을 수행하였다. 회분식 실험의 절차 및 조건을 아래 표 3에 수록하였다.
4.3 연속식 Pilot Plant Fenton 산화 실험
실험실에서 얻은 실험 자료를 기초로 하여 연속식 Pilot Plant를 설계ㆍ제작하여, 폐수처리장 현장에서 연속실험을 수행하였다. 실험에 사용한 Pilot 장치의 규모는 표 4와 같이 처리 용량이 2m3/d 이며, 육안 관찰이 용이하도록 투명 아크릴로 제작하였으며, 아래 표 7에 장치에 대한 운전조건을 수록하였다.
한편, 아래 표 5에 수록되어 있는 방류수 수질기준 항목은 생분해성 유기물 지표인 생화학적 산소요구량(BOD), 난분해성 유기물 지표인 화학적 산소요구량(COD), 수중 부유고형물 지표인 부유물질(SS), 질소성분의 총합인 총질소(T-N), 인성분의 총합인 총인(T-P)이 있으며, 이들 각 성분들에 대한 분석은 수질오염 공정시험법에 따라 측정하였다.
대상 데이터
실험실에서 얻은 실험 자료를 기초로 하여 연속식 Pilot Plant를 설계ㆍ제작하여, 폐수처리장 현장에서 연속실험을 수행하였다. 실험에 사용한 Pilot 장치의 규모는 표 4와 같이 처리 용량이 2m3/d 이며, 육안 관찰이 용이하도록 투명 아크릴로 제작하였으며, 아래 표 7에 장치에 대한 운전조건을 수록하였다.
데이터처리
Fenton 산화반응에 있어서 반응속도와 난분해성 유기물 성분의 제거에 미치는 주요 인자로는 산화반응조 pH, 산화반응 시간, Fenton 시약의 주입량비(과산화수소/철염) 등으로서, 이들 인자들은 폐수 특성에 따라 다양하게 변하므로 실험을 통하여 최적조건을 구하여야 한다. 그러므로 현장의 연속실험에 적용하기 전에 실험실에서 Jar-Test를 실시하여 이들 인자들에 대한 최적 조건을 도출하였다 [4-8].
이론/모형
한편, 시료의 분석은 수질오염 공정시험법에 따라 측정하였으며, COD 성분은 우리나라 공정시험법에 따라 CODMn으로 분석하였다.
성능/효과
2. Fenton 산화반응 실험 결과, 최적의 반응조건은 pH 3∼3.5, 반응시간 2∼2.5시간, 약품 주입량비(FeCl2(33%)/H2O2(35%)) 3 : 1로 나타났다.
3. 약품주입량 비가 적정조건일 때, 슬러지 발생량(SV2hr)은 전체 양의 21∼28% 범위인 것으로 측정되었다.
4. Pilot Plant 실험 결과, 산화반응조의 체류시간의 변화에 따라 처리효율이 크게 영향을 받고 있었으며, 적정 체류시간은 2.0 시간 이었다.
5. 현장에 Pilot Plant(2m3/d)를 설치하여 연속운전을 실시한 결과, 처리수의 COD 농도가 제거효율 면에서 60∼70%를 나타내었고, 처리수질은 20mg/L 이하로 측정되어, 대체로 안정적이고 양호한 처리효율을 나타내고 있었다.
본 실험은 동일한 시료에 대하여 Fenton 산화 반응시켰을 경우, 처리수에서의 COD와 BOD의 제거특성을 각각 파악하고자 하였다. 그림 6과 7에서 볼 수 있는 바와 같이, Fenton 실험 후 최종 방류수에서 BOD는 평균 45% 제거되었으며, COD는 평균 61%가 제거되었다.
그림에서 볼 수 있는 바와 같이 pH 4보다 낮아질 때 제거효율은 향상되었으며, 또한 1차, 3차 및 4차 실험에서와 같이 pH가 3이하로 낮아질 경우 오히려 COD 농도가 증가하는 경향을 나타내어, pH 3∼3.5 사이에서 처리수의 COD 농도가 가장 낮은 것으로 관측되었다.
그림에서 볼 수 있는 바와 같이, 원수(생물반응조 처리수)의 COD 농도는 대체로 30∼50mg/L를 나타내고 있었고, 이들 원수에 대한 Fenton 처리 결과, 환경영향평가 협의 농도인 20mg/L, 또는 설계 방류수 수질인 18.2mg/L 이하로 처리되고 있음을 관측할 수 있었다.
따라서 본 폐수에 대한 최적의 Fenton 산화반응 pH 조건은 3∼3.5 범위임을 알 수 있었다.
또한 제거효율면에서도 60∼70%를 나타내고 있어, 대체로 안정적이고 양호한 처리효율을 나타내고 있음을 알 수 있었다.
따라서 이 주입비는 일반적으로 실험에 의하여 결정되어 진다. 본 실험에서 사용한 Fenton 시약의 등급은 향후 현장에서 곧바로 적용이 가능하도록 공업용 시약을 선택하였으며, 과산화수소 농도는 35%, 염화철(2가) 농도는 33% 제품이었다.
이와 같은 실험결과로부터 Fenton 산화공법은 BOD 성분보다는 COD 성분을 보다 효율적으로 처리할 수 있는 공법임을 입증할 수 있었다.
일반적으로 Fenton 산화는 보통 1시간 이내에서 이루어지며, 체류 시간을 증가시켜도 처리효율에 큰 개선효과를 보이지 않으나, 본 실험에서는 철염이 적절하게 존재하는 상태하에서 체류시간을 증대시킴에 따라 COD 제거효율이 크게 향상되었다. 이러한 경향은 회분식 실험결과와 유사하나 처리효율 면에서는 보다 큰 차이를 보이고 있었다.
주입비가 1 : 3일 때 최고 제거율을 나타내었다. 즉, 처리효율을 극대화 할 수 있는 효과적인 과산화수소와 철염과의 최적 주입비는 약 1 : 3인 것으로 나타났다.
표에서 과산화수소와 철염의 주입량 비에 따른 COD 제거효율 결과에 나타난바와 같이, 과산화수소 주입량이 증가함에 따라 제거효율은 증가하였으나, H2O2 주입량이 2mL이고 H2O2/FeCl2 주입비가 1 : 3일 때 최고 제거율을 나타내었다. 즉, 처리효율을 극대화 할 수 있는 효과적인 과산화수소와 철염과의 최적 주입비는 약 1 : 3인 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Fenton 산화공법의 장점은 무엇인가?
Fenton 산화공법은 폐수 중에 함유된 COD 및 색도 성분 등 난분해성 유기물질을 용이하게 분해시킴으로서, 그 응용범위가 염색폐수 뿐만 아니라 축산폐수, 펄프제지공업 및 석유화학공업 폐수 등에 광범위하게 적용시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 Fenton 시약이라고 불리는 과산화수소와 철염을 사용하므로, 폐수 중에 난분해성물질을 제거하기 위하여 과량의 과산화수소와 철염을 사용함으로 인하여 소요 약품비용의 증가로 폐수처리 비용이 상승하게 된다 [3-8].
기존의 대부분의 염색폐수 처리기술들은 주로 무엇을 기본 공정으로 적용하고 있는가?
한편, 우리나라 섬유·염색산업의 폐수량은 전체 산업폐수 발생량의 절반 가까이를 차지하고 있으며, BOD, COD, 색도 및 pH 등의 오염 유발 물질을 많이 함유하고 있다. 기존의 대부분의 염색폐수 처리기술들은 주로 미생물을 이용한 생물학적 처리방법을 기본 공정으로 적용하고 있으나, 염색폐수는 생물학적으로 처리하기 어려운 난분해성 유기화합물이 다량 함유되어 있어, 일반적으로 생분해성 물질이 함유된 성분에 대해서는 처리기술이 입증되어 비교적 양호한 처리효율을 나타내지만, 새로운 구조를 갖고 있는 특정성분을 함유한 폐수는 효과적으로 처리하지 못하는 경우가 점점 증대되고 있다. 그러므로 이와 같은 과제를 해결하기 위해서는 물리·화학적 처리방법을 병행하여야 하는데, 효과적으로 처리할 수 있는 기술로서는 자외선 조사, 전자빔, Fenton 산화공법, 플라즈마, 광촉매를 이용한 산화법(ZnO, TiO2) 등이 있다.
Fenton 산화공법의 단점은 무엇인가?
Fenton 산화공법은 폐수 중에 함유된 COD 및 색도 성분 등 난분해성 유기물질을 용이하게 분해시킴으로서, 그 응용범위가 염색폐수 뿐만 아니라 축산폐수, 펄프제지공업 및 석유화학공업 폐수 등에 광범위하게 적용시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 Fenton 시약이라고 불리는 과산화수소와 철염을 사용하므로, 폐수 중에 난분해성물질을 제거하기 위하여 과량의 과산화수소와 철염을 사용함으로 인하여 소요 약품비용의 증가로 폐수처리 비용이 상승하게 된다 [3-8].
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