정수공정 중에 응집된 망간은 슬러지 농축조에 체류하는 동안 재용출 되어 배출수의 망간 허용기준치를 초과하는 문제가 발생되고 있다. 본 연구에서는 정수공정 중에 슬러지 농축조 배출수의 pH를 조정함으로써 망간 농도에 미치는 pH의 영향에 대하여 연구하였다. 초기 pH 6.1에서는 응집된 슬러지로부터 망간이 재용출 되어 청정지역 배출 기준인 2mg/L를 초과하였으나 NaOH, KOH, CaO, $Ca(OH)_2$, $CaCO_3$ 등 알칼리 물질을 이용하여 pH를 상승시켰을 경우 망간 농도를 청정지역 배출 기준 이하로 낮출 수 있었다. 또한 알칼리성 물질로서 석회석 광산에서 선별과정 중 발생하는 폐석회석을 이용하여 정수장 슬러지의 망간 재용출을 억제할 수 있는 가능성을 확인하였다.
정수공정 중에 응집된 망간은 슬러지 농축조에 체류하는 동안 재용출 되어 배출수의 망간 허용기준치를 초과하는 문제가 발생되고 있다. 본 연구에서는 정수공정 중에 슬러지 농축조 배출수의 pH를 조정함으로써 망간 농도에 미치는 pH의 영향에 대하여 연구하였다. 초기 pH 6.1에서는 응집된 슬러지로부터 망간이 재용출 되어 청정지역 배출 기준인 2mg/L를 초과하였으나 NaOH, KOH, CaO, $Ca(OH)_2$, $CaCO_3$ 등 알칼리 물질을 이용하여 pH를 상승시켰을 경우 망간 농도를 청정지역 배출 기준 이하로 낮출 수 있었다. 또한 알칼리성 물질로서 석회석 광산에서 선별과정 중 발생하는 폐석회석을 이용하여 정수장 슬러지의 망간 재용출을 억제할 수 있는 가능성을 확인하였다.
Manganese in sludge precipitated during water treatment might be soluble again in effluent from sludge thickener. If that happens, the manganese concentration of effluent from water treatment plant will exceed the limit for clean reservation. In this study the influence of pH on Mn concentration of ...
Manganese in sludge precipitated during water treatment might be soluble again in effluent from sludge thickener. If that happens, the manganese concentration of effluent from water treatment plant will exceed the limit for clean reservation. In this study the influence of pH on Mn concentration of effluent from sludge thickener of water treatment plant was investigated. When the pHs of sludge solutions increased with alkaline materials such as NaOH, KOH, CaO, $Ca(OH)_2$, $CaCO_3$, the Mn concentrations of sludge solutions decreased under the limit. The Mn concentration of effluent from sludge thickener could be controlled with waste limestones from beneficiation process at limestone mine as an alkaline material.
Manganese in sludge precipitated during water treatment might be soluble again in effluent from sludge thickener. If that happens, the manganese concentration of effluent from water treatment plant will exceed the limit for clean reservation. In this study the influence of pH on Mn concentration of effluent from sludge thickener of water treatment plant was investigated. When the pHs of sludge solutions increased with alkaline materials such as NaOH, KOH, CaO, $Ca(OH)_2$, $CaCO_3$, the Mn concentrations of sludge solutions decreased under the limit. The Mn concentration of effluent from sludge thickener could be controlled with waste limestones from beneficiation process at limestone mine as an alkaline material.
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문제 정의
본 연구에서는 정수공정에서 발생되는 응집 슬러지로부터 망간의 재용출을 억제할 수 있는 방안을 찾기 위해 정수장 슬러지의 성상을 분석하고 정수장 슬러지로부터 용출된 용존성 망간용액에 NaOH, KOH, CaO, Ca(OH)2, CaCO3의 알칼리성 물질을 첨가하여 pH에 따른 망간 농도의 변화를 조사하였다. 또한 폐석회석을 이용하여 pH를 제어함으로써 정수장 슬러지 용액으로부터 망간 재용출을 억제 할 수 있는지 연구하였다. 본 연구에 사용된 폐석회석은 석회석 광산에서 채굴되어 고품위 석회석을 선별하는 과정에서 CaCO3 함량이 낮아 활용 가치가 없는 저품위 석회석으로서, 이러한 폐석회석을 이용하여 정수장 배출수의 망간 농도 억제 가능성을 조사하고자 하였다.
또한 폐석회석을 이용하여 pH를 제어함으로써 정수장 슬러지 용액으로부터 망간 재용출을 억제 할 수 있는지 연구하였다. 본 연구에 사용된 폐석회석은 석회석 광산에서 채굴되어 고품위 석회석을 선별하는 과정에서 CaCO3 함량이 낮아 활용 가치가 없는 저품위 석회석으로서, 이러한 폐석회석을 이용하여 정수장 배출수의 망간 농도 억제 가능성을 조사하고자 하였다.
앞에서 언급한 바와 같이 정수과정에서 망간 제거에 대한 연구가 많이 이루어지고 있으나 대부분이 먹는 물의 수질을 개선하기 위한 연구이고 정수장의 슬러지 농축조에서 배출되는 방류수의 망간을 제어하기 위한 연구는 부족한 실정이다. 본 연구에서는 정수공정에서 발생되는 응집 슬러지로부터 망간의 재용출을 억제할 수 있는 방안을 찾기 위해 정수장 슬러지의 성상을 분석하고 정수장 슬러지로부터 용출된 용존성 망간용액에 NaOH, KOH, CaO, Ca(OH)2, CaCO3의 알칼리성 물질을 첨가하여 pH에 따른 망간 농도의 변화를 조사하였다. 또한 폐석회석을 이용하여 pH를 제어함으로써 정수장 슬러지 용액으로부터 망간 재용출을 억제 할 수 있는지 연구하였다.
제안 방법
M 정수장의 정수과정에서 응집된 슬러지로부터 망간이 재용출 되어 배출수의 허용기준치를 초과하는 문제를 해결하기 위하여 슬러지 용출액의 pH를 조절함으로써 망간 농도를 제어할 수 있었다. pH 6.
용출액의 pH를 조금씩 변화시키기 위해 알칼리 시약 분말을 직접 첨가하지 않고 알칼리성 용액을 만들어서 사용하였다. NaOH와 KOH는 각각 0.05N의 용액을 만들어 첨가하였으며 CaO와 Ca(OH)2는 용해도가 낮아서 증류수에 잘 녹지 않으므로 증류수 100mL 에 각각 2.5mmol을 분산시켜 현탁액을 만들어 첨가하였다. Table 2와 같이 6mg/L 농도의 망간 용출액 50mL에 알칼리성 용액들을 주입하고 진탕기를 이용하여 180rpm으로 2시간 교반하였다.
XRD 분석 조건은 Cu Target을 사용하여 Scan 범위 10～60°, step 0.05°, scan 속도 2°/min으로 분석하였다.
Table 2와 같이 6mg/L 농도의 망간 용출액 50mL에 알칼리성 용액들을 주입하고 진탕기를 이용하여 180rpm으로 2시간 교반하였다. 교반 후 겨울철 정수장 슬러지의 최소 체류시간인 48시간 동안 침전시킨 후, 상등액을 유리섬유 여과지(GF/C)로 여과하여 pH와 망간 농도를 측정하였다. CaCO3은 분말 상태로 Table 3과 같이 첨가하여 동일한 조건으로 반응시킨 후, pH와 망간 농도를 측정하였다.
정수장 슬러지 용출액의 pH 변화에 따른 잔류 망간 농도를 알아보기 위하여 망간 용출액을 만들었다. 슬러지 500g을 증류수 5,000mL에 첨가하고, 진탕기(OS-400, (주)한양사이언스)를 이용하여 180rpm으로 2시간 교반하고 유리섬유 여과지(NO. 1, Advantec)로 여과한 후, 겨울철 정수장 배출수의 최고 망간 농도인 6mg/L가 되도록 증류수로 희석하여 망간 용출액을 만들었다. 망간 용출액의 pH를 상승시키기 위한 알칼리 시약으로 NaOH(98%, 대정화금), KOH(85%, 대정화금), CaO(90%, 덕산화학), Ca(OH)2(95%, 덕산화학), CaCO3(98.
정수장 슬러지 용액은 정수장 슬러지와 증류수를 무게비 1:9로 혼합하여 제조하였다. 실험방법은 Fig. 1과 같이 3L 부피의 용기에 폐석회석 3kg을 넣고 정수장 슬러지 용액을 채운 것과 대조군으로 정수장 슬러지 용액만을 채운 것에 대하여 시간에 따라 pH, 칼슘과 망간의 농도를 비교하였다. 초기에는 3, 6, 12, 24, 48시간이 경과할 때마다 상부 용액을 취하여 유리섬유 여과지(GF/C)로 여과한 후 측정하였으며, 그 후에는 2일 간격으로 총 10일간 측정하였다.
폐석회석은 H 석회석 광산에서 고품위 석회석을 선별한 이후 발생되는 저품위 석회석으로서 파쇄 과정에서 발생량이 많은 20～40mm 입자들을 사용하였다. 정수 슬러지와 폐석회석의 화학 성분은 X-선 형광분석기(XRF, ZSX Primus II, Rigaku, Japan)로 분석하였으며, 결정구조는 X-선 회절분석기(XRD, Ultima IV, Rigaku, Japan)로 분석하였다. XRD 분석 조건은 Cu Target을 사용하여 Scan 범위 10～60°, step 0.
05°, scan 속도 2°/min으로 분석하였다. 정수 슬러지의 가열에 따른 무게변화와 열량변화는 열분석기(TG-DTA, TG-8120, Rigaku, Japan)를 이용하여 공기분위기에서 10℃/min의 승온 속도로 가열하면서 800℃까지 측정하였다. 정수장 슬러지로부터 망간 용출량과 pH 변화를 알아보기 위하여 증류수 50mL에 Table 1과 같이 슬러지를 첨가한 후, 180rpm으로 2시간 동안 교반하여 유리섬유 여지를 통과한 여과액을 분석하였다.
정수장 슬러지 용액이 폐석회석과 접촉하였을 때 망간 농도의 변화를 알아보았다. 정수장 슬러지 용액은 정수장 슬러지와 증류수를 무게비 1:9로 혼합하여 제조하였다.
정수장 슬러지 용출액의 pH 변화에 따른 잔류 망간 농도를 알아보기 위하여 망간 용출액을 만들었다. 슬러지 500g을 증류수 5,000mL에 첨가하고, 진탕기(OS-400, (주)한양사이언스)를 이용하여 180rpm으로 2시간 교반하고 유리섬유 여과지(NO.
정수 슬러지의 가열에 따른 무게변화와 열량변화는 열분석기(TG-DTA, TG-8120, Rigaku, Japan)를 이용하여 공기분위기에서 10℃/min의 승온 속도로 가열하면서 800℃까지 측정하였다. 정수장 슬러지로부터 망간 용출량과 pH 변화를 알아보기 위하여 증류수 50mL에 Table 1과 같이 슬러지를 첨가한 후, 180rpm으로 2시간 동안 교반하여 유리섬유 여지를 통과한 여과액을 분석하였다. 망간 농도는 원자흡수분광기(AAS, SpectrAA-220FS, Varian, Australia)를 이용하여 Flame 법으로 분석하였으며 pH는 pH 미터(HI9025C, HANNA, Italy)를 이용하여 측정하였다.
1과 같이 3L 부피의 용기에 폐석회석 3kg을 넣고 정수장 슬러지 용액을 채운 것과 대조군으로 정수장 슬러지 용액만을 채운 것에 대하여 시간에 따라 pH, 칼슘과 망간의 농도를 비교하였다. 초기에는 3, 6, 12, 24, 48시간이 경과할 때마다 상부 용액을 취하여 유리섬유 여과지(GF/C)로 여과한 후 측정하였으며, 그 후에는 2일 간격으로 총 10일간 측정하였다.
대상 데이터
1, Advantec)로 여과한 후, 겨울철 정수장 배출수의 최고 망간 농도인 6mg/L가 되도록 증류수로 희석하여 망간 용출액을 만들었다. 망간 용출액의 pH를 상승시키기 위한 알칼리 시약으로 NaOH(98%, 대정화금), KOH(85%, 대정화금), CaO(90%, 덕산화학), Ca(OH)2(95%, 덕산화학), CaCO3(98.5%, 덕산화학)를 사용하였다. 용출액의 pH를 조금씩 변화시키기 위해 알칼리 시약 분말을 직접 첨가하지 않고 알칼리성 용액을 만들어서 사용하였다.
정수장 슬러지는 M 정수장에서 응집, 탈수공정을 거쳐서 건조된 슬러지로서 시료 균질화를 위하여 막자사발로 분쇄하고 100mesh 체를 통과시킨 후 사용하였다. 폐석회석은 H 석회석 광산에서 고품위 석회석을 선별한 이후 발생되는 저품위 석회석으로서 파쇄 과정에서 발생량이 많은 20～40mm 입자들을 사용하였다.
정수장 슬러지는 M 정수장에서 응집, 탈수공정을 거쳐서 건조된 슬러지로서 시료 균질화를 위하여 막자사발로 분쇄하고 100mesh 체를 통과시킨 후 사용하였다. 폐석회석은 H 석회석 광산에서 고품위 석회석을 선별한 이후 발생되는 저품위 석회석으로서 파쇄 과정에서 발생량이 많은 20～40mm 입자들을 사용하였다. 정수 슬러지와 폐석회석의 화학 성분은 X-선 형광분석기(XRF, ZSX Primus II, Rigaku, Japan)로 분석하였으며, 결정구조는 X-선 회절분석기(XRD, Ultima IV, Rigaku, Japan)로 분석하였다.
이론/모형
정수장 슬러지로부터 망간 용출량과 pH 변화를 알아보기 위하여 증류수 50mL에 Table 1과 같이 슬러지를 첨가한 후, 180rpm으로 2시간 동안 교반하여 유리섬유 여지를 통과한 여과액을 분석하였다. 망간 농도는 원자흡수분광기(AAS, SpectrAA-220FS, Varian, Australia)를 이용하여 Flame 법으로 분석하였으며 pH는 pH 미터(HI9025C, HANNA, Italy)를 이용하여 측정하였다.
성능/효과
8×10-11로서, MnCO3로 침전된 후 pH 7 이상에서는 망간이 재용출 될 수 있는 농도가 매우 낮다. CaCO3에서 CO32- 이온에 의한 pH 상승은 OH와 달리 pH를 크게 상승시키지 않는 특성이 있으며 MnCO3로 침전되는 속도가 OH- 이온에 의한 침전되는 속도에 비하여 느리게 나타났다. 그러나 정수장 방류수의 망간을 제거하기 위해서는 OH- 이온을 이용하여 pH를 상승시키는 것보다 CO32- 이온을 이용하는 것이 안정적이며 MnCO3의 낮은 용해도 값에 의한 재용출 억제 효과 또한 우수하다고 할 수 있다(Silva et al.
150℃～600℃ 사이에서는 DTA 곡선에서 발열반응을 보이고 TG 곡선에서 55%의 무게 감소가 나타난 것으로 보아 이 온도 범위에서 유기물질들이 산화한 것으로 생각된다. TG-DTA 분석 결과에서 슬러지는 약 9.3%의 수분과 55% 이상의 유기물로 이루어져 있다고 판단된다. 이상의 슬러지 분석 결과로부터 상수원 원수에 부유 되어 있는 물질들은 비정질의 유기물질과 일반적으로 토양에 많이 존재하는 성분인 Quzrtz와 장석류인 Orthoclase 및 Albite로 이루어져 있음을 알 수 있다.
슬러지의 함량이 2% 이상인 경우에 청정지역 배출수의 망간 허용기준인 2mg/L를 초과하였으며, 슬러지의 양이 증가할수록 망간 농도는 증가하였다. 그러나 용출액의 pH는 슬러지의 첨가량이 증가하여도 pH 6.1에서 크게 변화하지 않는 것으로 보아 슬러지 함량이 pH 변화에는 영향을 주지 않았다.
석회석 광산에서 발생하는 폐석회석에 슬러지 용액을 접촉시키면서 망간 농도의 변화를 측정한 결과, 4mg/L의 망간 슬러지 용액의 농도는 1mg/L 이하까지 쉽게 낮출 수 있었다. 이와 같이 정수장 슬러지의 망간 용출을 제어하기 위하여 폐석회석을 이용할 경우 배출수의 pH는 약 7.
소성하지 않은 슬러지는 비정질 구조로 나타나 소성시킴으로 결정성 구조들을 얻을 수 있었다. 소성한 슬러지에서는 Quzrtz(SiO2), Orthoclase(KAlSi3O8), Albite(NaAlSi3O8)의 결정상이 나타났으며 석회석과 같은 알칼리성 광물들은 포함되어 있지 않음을 확인하였다. M 정수장에서는 지표수를 원수로 사용하고 있으며, 이 지표수가 지나는 토양은 XRD 분석 결과에서 확인한 바와 같이 규석과 장석으로 이루어져 있으므로 약산성의 빗물이 지표에 유입된 후 pH를 높여주어 중성으로 유지시켜 줄 수 있는 석회석과 같은 광물이 없음을 알 수 있다.
5는 증류수에 첨가한 슬러지의 양에 따른 망간 농도와 pH 변화를 나타낸 것이다. 슬러지의 함량이 2% 이상인 경우에 청정지역 배출수의 망간 허용기준인 2mg/L를 초과하였으며, 슬러지의 양이 증가할수록 망간 농도는 증가하였다. 그러나 용출액의 pH는 슬러지의 첨가량이 증가하여도 pH 6.
4는 슬러지를 가열하면서 무게 및 열량 변화를 측정한 TG-DTA 분석 결과이다. 시료의 무게변화를 나타내는 TG 곡선에서 약 150℃까지 9.3%의 무게 감소가 있었으며 열량 변화를 나타내는 DTA 곡선에서 흡열반응을 확인할 수 있는데 이는 수분의 증발에 기인한 것으로 생각할 수 있다. 150℃～600℃ 사이에서는 DTA 곡선에서 발열반응을 보이고 TG 곡선에서 55%의 무게 감소가 나타난 것으로 보아 이 온도 범위에서 유기물질들이 산화한 것으로 생각된다.
3%의 수분과 55% 이상의 유기물로 이루어져 있다고 판단된다. 이상의 슬러지 분석 결과로부터 상수원 원수에 부유 되어 있는 물질들은 비정질의 유기물질과 일반적으로 토양에 많이 존재하는 성분인 Quzrtz와 장석류인 Orthoclase 및 Albite로 이루어져 있음을 알 수 있다.
망간 농도가 다시 상승한 것은 시간이 지나도 슬러지로부터의 망간 용출 속도는 지속되고 있으나 폐석회석 표면의 칼슘과 탄산이온이 초기에 빠르게 용출된 후 내부의 칼슘과 탄산이온의 용출속도가 느려졌기 때문으로 생각된다. 이와 같은 결과로 보아 슬러지 용액이 폐석회석과 접촉할 때 폐석회석으로부터 칼슘이 용출되면서 동일한 당량 비율로 용출되는 탄산이온에 의해 용액의 pH가 상승하고 슬러지의 망간 재용출을 억제하는 효과를 나타내었다고 생각된다. 일반적인 정수장에서 슬러지의 최대 체류시간은 2～3일 이내이므로 폐석회석을 이용하여 방류수의 망간 농도를 제어할 수 있을 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
망간이란 무엇인가?
망간은 지각의 약 0.1%를 차지하며 열두 번째로 풍부한 원소로서(Bever, 1985) 주로 산화물로 존재한다. 정수장에서 취수되는 원수의 망간 농도는 토양, 기후, 온도 등에 따라 큰 폭으로 변화하며 수중에서 이온이나 콜로이드로 존재하고 현탁 미립자에 흡착되어 있다.
방류수의 수질도 중요한 이유는 무엇인가?
정수시설에서는 생산 제품인 먹는 물의 수질과 함께 방류수의 수질도 중요하다. ｢수질 및 수생태계 보전에 관한 법률｣에 의하여 수돗물을 생산하는 정수장의 배출수 처리시설은 1996년부터 폐수배출시설로 분류되어 최종 방류수는 폐수종말처리시설 방류수 수질 기준 및 배출허용기준을 준수해야 한다. 우리나라는 사계절이 뚜렷하여 계절별로 수돗물의 사용량에 큰 차이가 있으므로 계절에 따라 정수 공정 조건이 다르다.
용존성 망간의 제거방법은 무엇이 있는가?
용존성 망간의 제거방법으로는 폭기, 염소, 과망간산칼륨, 오존 등의 산화에 의한 방법(Gantzer et al., 2009; Jung et al., 2001), 망간사 표면에서 빠른 산화가 일어나도록 접촉시키는 접촉산화법(Kim et al., 2005), 수소이온을 사용한 이온교환법 또는 미생물을 이용한 방법(Tekerlekopoulou et al., 2008) 등이 있다. 이 외에 천연 흡착제로 활성탄(Emmanuel & Veerabhadra Rao, 2009; Jusoh et al.
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