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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 Fig. 2와 같이 대체 탈질공정으로 활성슬러지공정의 후단에 전기응집반응 조를 설치하여 2차 유출수에 잔존하는 질산성 질소와 인을 동시에 제거함으로써 내부반송 없이도 탈질이 가능하게 하여 궁극적으로는 총질소와 총인을 효과적으로 제거할 수 있는 공정을 제안하고자 하였다. 뿐만 아니라 2차 유출수에 잔존하는 유기 성분의 제거를 평가하여 하수를 효과적으로 처리할 수 있는 새로운 고도 처리공정을 제시하고자 하였다.
- 수 있음을 확인하였다. 따라서 실제 하수처리시설의 2차 유출수를 이용하여 전기응집공정을 진행하여 본 연구에서 제안하는 후 탈질 전기응집 공정 (Fig. 2)의 가능성을 살펴보고자 하였다.
- 본 연구에서는 NaNO3와 KH2PO4를 사용하여 조제한 인공시료, 배양된 활성슬러지의 유출수 및 실제 하수처리시설의 2차 유출수를 전기응집 공정에 적용하여 질산성질소와 인과 유기물질의 제거특성을 살펴봄으로써 본 연구에서 제안하는 대체 탈질, 탈인 공정의 가능성을 평가하였다.
- 경우가 있다. 본 연구에서는 양극과 음극을 동일한 재료를 이용하는 구성 하에 위에서 소개된 네 종류의 전극 (Al. Fe, SUS304, Ti/ IrO2)을 이용하여 전기응집 실험을 진행하였고 이를 통해 질산성질소를 가장 효과적으로 제거할 수 있는 전극을 결정하고자 하였다.
- 2와 같이 대체 탈질공정으로 활성슬러지공정의 후단에 전기응집반응 조를 설치하여 2차 유출수에 잔존하는 질산성 질소와 인을 동시에 제거함으로써 내부반송 없이도 탈질이 가능하게 하여 궁극적으로는 총질소와 총인을 효과적으로 제거할 수 있는 공정을 제안하고자 하였다. 뿐만 아니라 2차 유출수에 잔존하는 유기 성분의 제거를 평가하여 하수를 효과적으로 처리할 수 있는 새로운 고도 처리공정을 제시하고자 하였다.
제안 방법
- NaNO3와 KH2PO4로 모사된 2차 유출수 인공시료를 이용하여 전기응집 공정을 수행한 결과 질산성 질소와 인이 어느 정도 제거되는지를 파악하였다. 따라서 실험실 규모의 활성슬러지를 연속회분식 공정 (SBR)으로 배양하고 그 유출수를 이용하여 질소와 인과 함께 유기물질 및 여타 인자들의 변화를 평가하고 실제 생물학적 유출수의 제거효율에 미치는 영향을 살펴보았다.
- 인이 어느 정도 제거되는지를 파악하였다. 따라서 실험실 규모의 활성슬러지를 연속회분식 공정 (SBR)으로 배양하고 그 유출수를 이용하여 질소와 인과 함께 유기물질 및 여타 인자들의 변화를 평가하고 실제 생물학적 유출수의 제거효율에 미치는 영향을 살펴보았다.
- 2 cm 간격의 홈을 만들어 제작하였다. 또한 교반을 위해 반응조의 옆면과 밑면에 전극이 닿지 않도록 거리를 두어 제작함으로써 원활한교반을 도모하였다.
- 또한 실험실에서 연속회분식(SBR) 공정으로 배양된 활성슬러지의 2차 유출수를 알루미늄 전극을 이용하여 전극간격 1 cm, 전압 5 V, 전류 3.8 A로 하여 전기응집을 수행하였다. 최종적으로 실제 하수처리장의 2차 유출수를 이용하여 질소와 인의 제거 가능성을 평가하였다.
- 전기응집 반응으로 인해 변화할 수 있는 전기전도도와 pH를 위의 항목들과 마찬가지로 반응시간의 변화에 따라 측정하였다. 모든 항목은 전기응집 후 GF/C 여과지를 이용하여 여과한 여액을 사용하여 용존성 농도로 분석하였다.
- 직류전원 공급 장치는 최대전압 30 V, 최대전류 30 A까지 조절 가능하였다. 반응조는 22.5 cm(W) X 11 cm(L) x 21 cm(H) 의 크기로 실용적 3 L이었으며 전극을 상부에 고정시키고 전극의 간격 변화를 용이하게 하기 위해 0.2 cm 간격의 홈을 만들어 제작하였다. 또한 교반을 위해 반응조의 옆면과 밑면에 전극이 닿지 않도록 거리를 두어 제작함으로써 원활한교반을 도모하였다.
- 7A, 전압 3 〜 5 V, 반응시간 60 min으로 하여 실험을 진행하였다. 실험을 통해 질산성질소를 가장 효과적으로 제거 가능한 재질이 알루미늄(Al) 전극이라는 것을 확인한 후, 초기 질산성질소 60 mg/L, 인 10 mg/ L의 인공시료 (B)를 이용하여 알루미늄을 전극으로 활용하여 양극 음극 각각 6개, 전극간격 1 cm, 전류 1 A, 전압 6.5 V, 반응시간 30분간 실험을 진행하였다.
- 최종적으로 실제 하수처리장의 2차 유출수를 이용하여 질소와 인의 제거 가능성을 평가하였다. 실험조건은 전극개수는 양극과 음극 각각 8개씩 총 16개, 전극간격은 1 cm로 하여 전기응집을 수행하였다. 이때 인가된 전압은 7 V이었고 이에 따른 전류밀도는 2 X 10-3 〜 1 X 10-3 A/cm2 이었다.
- 알루미늄 전극을 양극과 음극 각각 6개씩으로 하여 전극 간격 1 cm, 전류 1 A, 전압 6.5 V, 반응시간 30분의 조건하에 실험을 진행하였다. 전위 인가 후 총질소, 질산성질소, 암모니아성 질소의 농도변화를 통해 전기응집 반응에 따른 질소화합물의 변화 형태와 인의 농도변화를 Fig.
- 인과 질산성질소가 수용액 상에 공존할 경우에 각 이온의 제거효율에 미치는 영향을 살펴보기 위해 인과 질산성질소의 초기농도를 각각 10, 60 mg/L로 제조한 합성 2차 유출수 시료 (B) 를이용하여 전기응집 실험을 수행하였다. 알루미늄 전극을 양극과 음극 각각 6개씩으로 하여 전극 간격 1 cm, 전류 1 A, 전압 6.
- 전극의 구성은 모두 monopolar 형태로 하여 실험을 진행하였다[14, 15]. 전극의 개수는 양극 음극 각각 8개씩으로 하였으며 전극 간격은 0.6 cm, 전류 0.7A, 전압 3 〜 5 V, 반응시간 60 min으로 하여 실험을 진행하였다. 실험을 통해 질산성질소를 가장 효과적으로 제거 가능한 재질이 알루미늄(Al) 전극이라는 것을 확인한 후, 초기 질산성질소 60 mg/L, 인 10 mg/ L의 인공시료 (B)를 이용하여 알루미늄을 전극으로 활용하여 양극 음극 각각 6개, 전극간격 1 cm, 전류 1 A, 전압 6.
- 전극의 구성은 모두 monopolar 형태로 하여 실험을 진행하였다[14, 15]. 전극의 개수는 양극 음극 각각 8개씩으로 하였으며 전극 간격은 0.
- 전기응집 공정을 통한 2차 유출수 오염물질의 제거 가능성을 평가하기 위해 하수 방류수 수질 항목인 COD, T-P, T-N 등을 분석항목으로 선정하였고 질소의 제거 메커니즘을 살펴보기 위해 NH3-N와 NO3-N도 함께 분석하였다. 전기응집 반응으로 인해 변화할 수 있는 전기전도도와 pH를 위의 항목들과 마찬가지로 반응시간의 변화에 따라 측정하였다.
- 전기응집 반응으로 인해 변화할 수 있는 전기전도도와 pH를 위의 항목들과 마찬가지로 반응시간의 변화에 따라 측정하였다. 모든 항목은 전기응집 후 GF/C 여과지를 이용하여 여과한 여액을 사용하여 용존성 농도로 분석하였다.
- 전기응집에 따른 부유 및 현탁물질의 변화를 살펴보기 위해 SS와 VSS를 측정하였다 (Fig. 12). 원수의 SS는 14.
- 8 A로 하여 전기응집을 수행하였다. 최종적으로 실제 하수처리장의 2차 유출수를 이용하여 질소와 인의 제거 가능성을 평가하였다. 실험조건은 전극개수는 양극과 음극 각각 8개씩 총 16개, 전극간격은 1 cm로 하여 전기응집을 수행하였다.
- 회분식 반응조를 이용하여 질산성질소 (NO3-N)의 초기농도 18 mg/L인 인공시료 (A) 를 Ti/IrO2 전극, 알루미늄(Al), 철(Fe), 스테인레스스틸(SUS304) 총 4가지 재질의 전극을 이용하여 전기응집 반응 후 그에 따른 제거 특성을 평가하였다. 전극의 구성은 모두 monopolar 형태로 하여 실험을 진행하였다[14, 15].
대상 데이터
- 1) 전기응집을 이용한 질산성질소의 제거 특성을 살펴보기 위해 티타늄(Ti)에 이리듐(Ir) 을 코팅하여 제작한 것(Ti/IrO2), 알루미늄(Al), 철(Fe), 스테인레스스틸(SUS304) 총 4가지 재질의 전극을 이용하였다. 질산성 질소의 제거효율이 가장 우수한 전극은 알루미늄 전극으로 나타났다.
- 인공시료를 이용한 실험에서는 질산성질소 18 mg/L만이 용해된 시료(A)와 질산성질소 60 mg/L, 인 10 mg/L이 함께 용해되어 있는 시료 (b) 두 가지로 나누어 시료로 사용하였다. 두 번째 시료는 실험실에서 연속회분식 공정(SBR)으로 배양된 활성슬러지 공정의 유출수를 2차 유출수의 모사 시료로 이용하였다. 세 번째는 실제 하수처리 시설에서 유출되는 2차 유출수로, A 시환 경사업소에서 방류되는 2차 유출수를 시료로 사용하였다.
- 본 연구에 사용된 2차 유출수는 세 종류의 시료를 사용하였다. 첫 번째 시료는 NaNO3와 KH2PO4를 사용하여 인공시료를 조제하였다.
- 전기응집 공정의 전극 재료로 널리 사용되고 있는 것으로는 알루미늄(Al), 철(Fe), 스테인레스스틸(SUS304) 등이 있다[10-13]. 본연구에 사용된 전극의 재료는 Ti/IrO2 (티타늄 (Ti)에 이리듐(ir)을 코팅하여 제작한 전극), 알루미늄(Al), 철(Fe), 스테인레스스틸 (SUS304) 이었다. 전극의 크기는 모두 9 cm(W) X 18 cm(L) x 0.
- 두 번째 시료는 실험실에서 연속회분식 공정(SBR)으로 배양된 활성슬러지 공정의 유출수를 2차 유출수의 모사 시료로 이용하였다. 세 번째는 실제 하수처리 시설에서 유출되는 2차 유출수로, A 시환 경사업소에서 방류되는 2차 유출수를 시료로 사용하였다. 2차 유출수로 사용된 각 시료의 성상을 Table 1에 요약 정리하였다.
- 첫 번째 시료는 NaNO3와 KH2PO4를 사용하여 인공시료를 조제하였다. 인공시료를 이용한 실험에서는 질산성질소 18 mg/L만이 용해된 시료(A)와 질산성질소 60 mg/L, 인 10 mg/L이 함께 용해되어 있는 시료 (b) 두 가지로 나누어 시료로 사용하였다. 두 번째 시료는 실험실에서 연속회분식 공정(SBR)으로 배양된 활성슬러지 공정의 유출수를 2차 유출수의 모사 시료로 이용하였다.
- 사용하였다. 첫 번째 시료는 NaNO3와 KH2PO4를 사용하여 인공시료를 조제하였다. 인공시료를 이용한 실험에서는 질산성질소 18 mg/L만이 용해된 시료(A)와 질산성질소 60 mg/L, 인 10 mg/L이 함께 용해되어 있는 시료 (b) 두 가지로 나누어 시료로 사용하였다.
이론/모형
- Table 2에 나타내었다. pH와 전기전도도는 각각 pH meter, conductivity meter를 사용하였으며 그 외의 분석항목은 Standard method (APHA, 1995)에 준하여 측정하였다[16].
성능/효과
- 2) 인과 질산성질소의 이온이 공존할 경우에 전기응집을 통한 제거특성을 살펴보기 위해 알루미늄 전극을 이용하여 전기응집을 적용한 결과, 총인 97 %, 질산성질소 30 % 의 제거효율을 나타내었다.
- 3) 배양된 활성슬러지의 유출수를 이용하여 전기응집을 실시한 결과 COD 19 %, 총인 90 %, 질산성질소 49 %, 총질소 13 % 의 제거효율을 나타내었다.
- 4) 실제 하수처리시설의 2차 유출수를 이용하여 전기응집을 실시한 결과 질산성 질소는 감소하는 반면 암모니아성 질소가 증가하여 총질소는 50 %의 제거효율을 나타내었다. COD는 80 %의 제거효율을 나타내었으며 인의 경우 반응시간 10분 후 94 %, 60분후 98 %로 초기에 대부분 제거되는 것을 알 수 있었다.
- 5) pH는 전기응집 반응이 진행 될수록 증가하였으며 이는 음극의 환원반응에 의한 수산화 이온의 영향 때문인 것으로 판단되며 전기전도도의 경우 반응시간이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타냄으로써 이 온성 물질이 제거되었다는 것을 간접적으로 확인할 수 있었다.
- 6) SS는 전극 물질이 산화되어 금속 이온으로 용출됨에 따라 금속수산화물, Al(OH)3, 또는 불용성 침전물, AlPO4를 형성하고 이로 인해 증가되는 것으로 나타났다. VSS 또한 증가하는 경향을 나타내었으며 이는 금속 수산화물과 작은 입자를 가진 유기물이나 콜로이드성 물질들이 응집됨에 따라 증가하는 것으로 판단된다.
- 7) 전기응집 공정을 적용한 대체 탈질 탈인 공정은 2차 유출수에 용존되어 있는 COD, 인, 질산성질소는 효과적으로 처리 할 수 있으나 암모니아성질소의 생성으로 인해 총질소의 농도가 큰 폭으로 감소할 것이라는 기대에는 미치지 못하였다. 그러나 전류밀도, 전극 종류 등과 관련된 연구가 더 보완된다면 효과적인 하수처리공정으로 활용할 수 있으리라 판단된다.
- COD는 80 %의 제거효율을 나타내었으며 인의 경우 반응시간 10분 후 94 %, 60분후 98 %로 초기에 대부분 제거되는 것을 알 수 있었다.
- 증가되는 것으로 나타났다. VSS 또한 증가하는 경향을 나타내었으며 이는 금속 수산화물과 작은 입자를 가진 유기물이나 콜로이드성 물질들이 응집됨에 따라 증가하는 것으로 판단된다.
- 따라서 총질소 (T-N) 는 질산성질소가 감소한 만큼 비례하여 감소하지 않는다. 따라서 실제 총질소 농도는 62에서 45 mg/L로 감소하여 제거율은 26 % 이어서 질산성 질소의 제거율 30 %보다는 낮게 나타났다.
- 두 전극은 모두 가용성 전극으로 전위 인가 시 금속의 산화 반응에 의해 금속이온이 용출되어 궁극적으로 응집제 역할을 함으로써 질산성질소를 응집하여 제거한 것으로 판단된다. 따라서 질산성질소를 제거하기 위해서는 가용성 전극을 이용하는 것이 유용하며 특히 알루미늄 전극을 사용하는 것이 보다 효과적이라는 결론을 얻을 수 있었다.
- 인의 제거 시 초기농도 25 〜 150 mg/L에서 반응시간 8분 후 42 〜 100 %의 제거효율을 나타낸 연구 결과가 보고된 바 있다[13]. 따라서인은 초기에 높은 제거효율을 나타내며 전기응집 공정을 통해 효과적으로 제거 가능하다는 결론을 도출할 수 있다.
- Ti/IrO2 전극의 경우에 60분 후의 질산성질소의 농도는 초기농도와 큰 차이를 보이지 않음으로써 질산성 질소가 거의 제거되지 않는 것으로 나타났다. 스테인레스스틸(SUS304) 전극 역시 60분 후 약 9 % 정도의 제거율만 보임으로써 질산성질소의 제거에 효과적이지 않음을 알 수 있었다. 반면 Al과 Fe 전극의 경우 60분 후 각각 88, 38 %의 제거효율을 보였다.
- 2 mg/L로 감소하였다. 암모니아성 질소는 초기 0.3 mg/L에서 반응시간 60분 후 4 mg/L 로 질산성질소와는 반대로 반응시간이 증가할수록 농도 또한 증가하는 경향을 나타내었다. 즉 질산성 질소가 감소할수록 환원된 암모니아는 증가하는 경향을 나타내었다.
- 이로 인해 본 연구에서는 총질소의 약 50 % 가량이 제거되었음을 알 수 있었다.
- 전기응집 후 총인은 초기 농도 10 mg/L에서 반응시간 30분 후 0.3 mg/L로 감소하였으며 제거효율은 97% 로 나타났다. 따라서 전기응집 공정을 통해 총인은 대부분 제거되는 것으로 판단된다.
- 3 mg/L에서 반응시간 60분 후 4 mg/L 로 질산성질소와는 반대로 반응시간이 증가할수록 농도 또한 증가하는 경향을 나타내었다. 즉 질산성 질소가 감소할수록 환원된 암모니아는 증가하는 경향을 나타내었다. 암모니아의 생성은 질산성 질소의 초기농도, pH, Al3+/NO「의 몰 비율 (mole ratio) 등에 따라 다르게 나타날 수 있 匸다.
- 질산성 질소와 인만이 존재하는 인공시료와 실험실에서 배양된 활성슬러지 2차 유출수를 이용한 전기응집 실험 결과 질소와 인이 동시에 제거되고 아울러 유기물질 (COD)도 부수적으로 제거될 수 있음을 확인하였다. 따라서 실제 하수처리시설의 2차 유출수를 이용하여 전기응집공정을 진행하여 본 연구에서 제안하는 후 탈질 전기응집 공정 (Fig.
- 질산성 질소의 제거효율이 가장 우수한 전극은 알루미늄 전극으로 나타났다.
후속연구
- 기대에는 미치지 못하였다. 그러나 전류밀도, 전극 종류 등과 관련된 연구가 더 보완된다면 효과적인 하수처리공정으로 활용할 수 있으리라 판단된다.
- Ivonne 등 [21]은 전류밀도가 증가할수록 COD 의 제거효율이 증가하며 pH 4 〜 8의 범위에서 가장 우수한 제거효율을 나타내는 것으로 보고하였다. 본 연구에서는 pH 및 전류밀도에 따른 영향을 조사하지 않았지만 전류밀도를 증가하여 실험을 진행한다면 더 높은 질소, 인 및 COD 제거율을 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
- 이상의 결과는 전기응집 공정에서는 생물 학적처리법과는 달리 질산성질소의 존재로 인해 인의 제거효율이 큰 영향을 받지 않음을 시사하고 있으며, 합성폐수가 아닌 실제 생물학적 처리 2 차 유출수를 이용한 실험을 통해 질소와 인의 제거 특성을 살펴 볼 필요성을 제기하고 있다.
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