[논문]사용 후 기저귀 재활용을 위한 폐수처리방안 연구

김경신; 이호선

doi:10.7584/ktappi.2015.47.2.024

문제 정의

본 연구는 환경적 부담을 줄이고 자원을 절약할 수 있는 기저귀를 재활용하기 위하여 펄핑 폐수에 대한 수질을 분석하여 기본 성상을 파악하였다. 그리고 파악된 성상에 따른 폐수 특성에 적합한 처리공정의 선정 및 실험을 통해 각 공정에 대한 처리효율을 분석하여 기저귀 재활용 폐수처리에 적합한 방안을 제시하고자 하였다.
본 연구는 1회용 기저귀 사용에 따른 환경적 부담을 줄이고 자원을 절약할 수 있는 사용 후 기저귀 재활용 공정의 펄핑 공정¹⁾에서 발생하는 펄핑 폐수(Pulping wastewater)에 대한 적정한 처리 방안을 제시하고자 한다. 이를 위하여 펄핑 공정에서 발생되는 폐수에 대한 수질분석을 통한 발생 폐수의 특성을 조사하고 발생 폐수에 적합한 처리공정에 대한 적용성 평가를 통해 도출된 인자와 경제성을 바탕으로 사용 후 기저귀 발생 폐수처리를 위한 최적 공정을 도출하여 제시하고자 한다.
본 연구는 환경적 부담을 줄이고 자원을 절약할 수 있는 기저귀를 재활용하기 위하여 펄핑 폐수에 대한 수질을 분석하여 기본 성상을 파악하였다. 그리고 파악된 성상에 따른 폐수 특성에 적합한 처리공정의 선정 및 실험을 통해 각 공정에 대한 처리효율을 분석하여 기저귀 재활용 폐수처리에 적합한 방안을 제시하고자 하였다.
일반적으로 물속의 이온성 물질 및 염 화합물을 제거하기 위해서는 막 분리공정(Membrane), 전기투석, 이온 교환수지 등이 이용되는데, 전기투석과 이온교환수지는 폐수발생량이 적은 경우에 적용이 가능하며 물량이 많을 경우 경제성을 고려 할 때 현실적으로 어렵다. 이에 본 연구에서는 분석된 펄핑 폐수의 TDS, COD 등 자료를 이용하여 Membrane 종류별(UF, NF, RO) 적용가능성을 알아보기 위해 막 제조사에서 제공되는 프로그램을 이용한 시뮬레이션을 진행하였고 그 결과를 Table 9에 나타내었다.
지금까지 기저귀 재활용 공정의 펄핑 공정에서 발생되는 폐수의 수질 특성을 분석하고 그 처리를 위한 단위공정의 기술적 적용에 대해 검토해 보았다. 그 결과 각 공정별 유기물질(COD) 제거 효율은 UF(95%)> DAF(65%)>펜톤산화(63%)>전기응집(59%)>화학적 응집(45%)>오존산화(15%) 순으로 Table 10과 같이 나타났고 오존산화방식을 제외하고는 유기물질 제거 효율이 꽤 높은 것을 확인할 수 있었다.

제안 방법

Table 2에서 파악된 펄핑 폐수의 수질 특성을 근거로 유기오염물질과 이온성 물질 제거 기술의 효율을 평가하기 위하여 현재 일반 폐수 처리장에서 주로 사용되는 다양한 기술을 검토하였다. 각 단위공정 검토를 위한 해당 기술과 실험목적, 세부내역을 아래 Table 3에 정리하였다.
5로 맞추고, 적정 반응시간(20∼100 분)동안 교반하였다. 반응 후 NaOH를 이용하여 pH를 약 7.5까지 올린 후 약 30분간 정치시킨 후 상등액의 COD를 측정하여 그 처리효율을 평가하였다. 우선 대상폐수의 원액으로 처리할 경우 Fenton 산화에 의한 유기물 제거반응이 거의 일어나지 않았으며, 다만 펄핑 폐수를 공업용수와 1:2로 희석하였을 경우 COD 제거 효율이 60%로 나타났고, T-N 의 제거 효율은 20%로 나타났다(Table 7).
본 연구에서 펜톤 산화 실험은 직경 11.5㎝, 부피 1ℓ 용기를 사용하여 방류수 내의 임펠러(Impeller)깊이를 일정하게 유지한 후 Jar-Tester를 이용하여 실험을 수행하였다. 실험은 1ℓ의 각각의 비이커에 시료를 1ℓ 씩 투여하고 H₂SO₄용액을 이용하여 pH를 약 6~6.
사용 후 기저귀 재활용 공정의 펄핑 공정에서 발생되는 펄핑 폐수의 성상 분석을 15회에 걸쳐 진행하였다. 아래 Table 2에 펄핑 폐수의 평균 성상을 유기물, 이온성 물질 별로 분석한 평균값을 나타내었다.
실험은 1ℓ의 각각의 비이커에 시료를 1ℓ 씩 투여하고 H2SO4용액을 이용하여 pH를 약 6~6.5까지 맞춘 후 Fe2＋(FeSO4·7H2O)와 H2O2(30%)를 비율적 (0.1∼1)으로 투여하여 최종 pH를 3.5로 맞추고, 적정 반응시간(20∼100 분)동안 교반하였다.
유기물질 제거를 위해서는 화학적 응집, 용존공기부상(DAF), 오존산화, 펜톤산화 방식을 검토하였고, 이온성 물질 제거를 위해서는 전기산화반응과 막 분리 공정의 적용을 검토해 보았다.
에서 발생하는 펄핑 폐수(Pulping wastewater)에 대한 적정한 처리 방안을 제시하고자 한다. 이를 위하여 펄핑 공정에서 발생되는 폐수에 대한 수질분석을 통한 발생 폐수의 특성을 조사하고 발생 폐수에 적합한 처리공정에 대한 적용성 평가를 통해 도출된 인자와 경제성을 바탕으로 사용 후 기저귀 발생 폐수처리를 위한 최적 공정을 도출하여 제시하고자 한다.
)등으로 구성되어 있다(Figure 3). 전극간의 거리는 30mm로 유지하였고, 반응조 운전조건은 순환식(Batch Type)으로 처리용량 3L/hr, 1회 운전시간 60min/회, 인가전류량(전압) 5A(5V)로 하여 실험을 진행하였다.

대상 데이터

기저귀 시료는 0세~1세 영유아대상 어린이집에서 연령별 기저귀 평균 사용 갯수를 기반으로 샘플링을 통해 채취한 총 50장의 사용 후 기저귀 중에서 7장을 사용하였고, 기저귀 재활용을 위한 펄핑 폐수 제조는 해수에 CaCl₂ 10%를 첨가하여 사용하였다. 여기서 해수는 기저귀 구성 물질인 고흡수성 물질(SAP)에 흡수되어 있는 소변을 분리하기 위하여 사용하였다.
기저귀 재활용을 위한 펄핑 폐수 제조는 해수에 CaCl₂ 10%를 첨가하여 제조하였으며, 이때 사용된 해수는 경상북도 포항시 북구 흥해읍 용한리 인근 바닷가에서 채취하여 사용하였고 공정에서 발생하는 폐수 제조과정은 Figure 2에 나타내었다. 먼저 기저귀 7장(대변 5장, 소변 2장, 건기준 210g)을 재단기로 6cm*6cm로 절단한 후(Step 1) 미리 제조한 펄핑용액(해수에 CaCl₂ 10%)을 기저귀 무게비율(Pulping wastewater 95%: 기저귀 5%)에 맞게 원형 반응조에 함께 투입하여 기계식 교반기를 이용하여 250rpm으로 교반한 후(Step2, 3, 4) 1시간 후에 200mesh 체망으로 여과하여(Step5) 펄핑 폐수를 제조하여 실험에 사용하였다.
폐수 내 전류를 부과하여 부유입자, 에멀전화된 입자, 불용성입자들을 전기적으로 결합하여 응집 침전시키는 것이 전기산화반응의 기본 원리이다. 본 연구에서 사용된 전기산화반응 장치는 반응조, 교반기, 촉매 전극(Athode), SS Plate(Cathode)와 전류를 인가하기 위한 DC Power Supply(UP-3010S, 40V, 6A, Unicorn Co., Korea.)등으로 구성되어 있다(Figure 3). 전극간의 거리는 30mm로 유지하였고, 반응조 운전조건은 순환식(Batch Type)으로 처리용량 3L/hr, 1회 운전시간 60min/회, 인가전류량(전압) 5A(5V)로 하여 실험을 진행하였다.

성능/효과

)를 투입하였을 때는 염소이온과 철이온 농도가 투입농도에 비례하여 증가되는 것을 관찰할 수 있었는데, 이는 약품이 투입됨으로써 응집제에 함유된 염소성분과 철이온 성분이 시료 중에 잔류하기 때문에 나타나는 현상인 것으로 보인다. 과량의 응집제 주입은 pH 관리, 응집제 중의 불순물인 철, 망간 등에 의한 오염, 약품비용의 증가에 따른 경제성이 떨어지는 문제를 야기했고, 결과적으로 화학적 응집/침전처리는 가시적으로 나타나는 색도, 탁도, 부유물질의 제거에는 효과가 양호하지만, 다량 존재하는 금속성분과 염류에 대한 제거에는 그다지 큰 효과를 발휘하지 못하는 것으로 나타났다. 따라서 응집처리는 소량의 응집제를 첨가함으로서 시각적으로 나타나는 물질에 대한 제거로 목적을 두어야 하는 것으로 판단된다.
국내/외 유사폐수처리 사례조사를 통해 유기물질 제거 및 이온성 물질 제거에 효율적인 6가지 처리 공정 기술에 대하여 오염물질 제거 효율, 최적약품 주입농도, 최적 처리 운전 인자 도출 등의 공정평가를 통해 막 분리공정(UF), DAF, 펜톤산화, 전기응집, 화학적 응집 기술은 유기물질 제거에 효율적인 것으로 판단되었다. 따라서 기저귀 재활용 공정에서 발생되는 폐수의 유기 오염물질 제거는 공정 조합에 따라 원하는 목표수질을 확보 할 수 있을 것으로 보인다.
본 연구에서는 산기관과 이젝터 방식을 동시에 적용하여 반응시간(오존주입농도)에 따른 처리특성을 Table 6에 나타내었다. 그 결과 COD 제거 효율 15%, 희석 폐수(Pulping wastewater와 공업용수를 1:2로 희석한 폐수)의 제거 효율은 20% 정도로 나타나 그 효율이 현저히 낮아 오존산화방식의 적용은 타당하지 않음을 확인 할 수 있다.
그 결과 각 공정별 유기물질(COD) 제거 효율은 UF(95%)> DAF(65%)>펜톤산화(63%)>전기응집(59%)>화학적 응집(45%)>오존산화(15%) 순으로 Table 10과 같이 나타났고 오존산화방식을 제외하고는 유기물질 제거 효율이 꽤 높은 것을 확인할 수 있었다.
아래 Table 2에 펄핑 폐수의 평균 성상을 유기물, 이온성 물질 별로 분석한 평균값을 나타내었다. 그 결과 높은 유기물 농도(612mg/L), 이온성 물질 농도(Ca 20,382mg/L, Cl 88,138mg/L)를 나타냈고, 총용존 고형물(TDS, Total Dissolved Solid) 64,000mg/L로서 해수의 2배가 넘었다. 이온성 물질을 가름할 수 있는 전기전도도가 108,900 um/cm로서 해수의 전기전도도가 33,500 um/cm 임을 감안하면 폐수처리를 통한 하천 방류는 현실적으로 어려울 것으로 판단이 된다.
21 mg/L)등 유기물에 대해서는 높았다. 그러나, 이온성 물질에 대한 제거 효율은 좋지 않았는데 이론상으로는 이온성 물질을 포함한 TDS 제거가 가능하나 실제 본 실험결과 Mg, Na, SO₄ 등 일부 이온농도는 저감이 되나 반대 급부로 Ca, Fe, Cl 등 이온농도가 상승하여 TDS 제거가 크게 이루어지지 못했고 염류의 농도가 높아 전극손상이 발생하는 단점이 있었다.
한편, NF, RO공정을 적용하려면 TDS 농도가 32,000mg/L이하일 때 안정적인 운전이 가능하기 때문에, 폐수 원액 자체를 바로 NF, RO공정에 유입시키는 것은 불가능하고 최소한 공업용수로 2배 희석하여야만 적용이 가능한 것을 알 수 있다. 또한, NF 공정의 경우 2가 이온성 물질의 분리처리는 가능하나 염소이온 등의 1가 이온성 물질의 처리는 불가능하며, 유입 유기물 농도에 따라 막세정 주기 등이 결정되므로 전처리 공정도입을 통한 막 유입수의 유기물 부하를 감소시키는 것이 필수적이며, RO공정의 경우 이온성 물질 배재율이 95~99%로 이온성 물질 제거 효율은 높으나 농축수 발생 및 막간 차압의 문제로 현실적인 적용이 불가능 할 것으로 사료된다.
제거율 기준으로 COD(65%), SS(85%), T-N(85%), T-P(90%)로서 높은 제거 효율을 확인 할 수 있었다. 용존공기부상(DAF) 공정은 비교적 설비가 간단하고 화학적 응집법에 비해 현탁 물질 및 콜로이드성 오염물질 제거 효율이 높아 본 폐수 처리에 적합한 것으로 보인다.
5까지 올린 후 약 30분간 정치시킨 후 상등액의 COD를 측정하여 그 처리효율을 평가하였다. 우선 대상폐수의 원액으로 처리할 경우 Fenton 산화에 의한 유기물 제거반응이 거의 일어나지 않았으며, 다만 펄핑 폐수를 공업용수와 1:2로 희석하였을 경우 COD 제거 효율이 60%로 나타났고, T-N 의 제거 효율은 20%로 나타났다(Table 7). 펜톤 산화 방식은 난분해성 물질 제거에는 용이하나 슬러지 발생량이 증가하는 단점이 있었다.
그러나 무기염화합물 및 이온성 오염물질에 대한 제거는 제시된 처리공법으로 처리가 불가능하며, NF 분리막, RO 분리막, 이온교환수지 등을 이용하게 되면 처리가 가능하나, 이들 공정의 적용은 발생 폐수량이 50톤 이하일 때만 적용 가능하고 NF, RO처리 시 발생되는 농축수의 경우 별도의 처리가 필요하여 조건이 까다롭기 때문에 고려할 사항이 많다. 이에 따라 기저귀 재활용공정의 펄핑 폐수의 경우 직접 방류를 하기 보다는 유기물 농도를 어느 정도 제어하여 재이용하는 방법이 현실적인 것으로 보이며, 유기오염물질 제거 효율 및 경제성을 고려하여 스크린 통과 후 pH 조정조를 거쳐 용존공기부상(DAF), UF 순서가 적절할 것으로 보인다. 향후 본 기저귀 재활용 공정이 상용화 될 경우를 가정하여 폐수 발생량, 운전조건, 공사비, 투자비, 처리효율 등을 고려한 경제성 분석이 병행된다면 더 적절한 폐수처리 조합이 선정될 수 있을 것으로 보인다.
본 실험의 DAF Saturator 내부에 기저귀 재활용 공정 폐수를 채운 후 콤프레샤를 사용하여 3atm으로 가압한 후 용존공기부상(DAF)법으로 처리한 결과를 Table 5에 나타내었다. 제거율 기준으로 COD(65%), SS(85%), T-N(85%), T-P(90%)로서 높은 제거 효율을 확인 할 수 있었다. 용존공기부상(DAF) 공정은 비교적 설비가 간단하고 화학적 응집법에 비해 현탁 물질 및 콜로이드성 오염물질 제거 효율이 높아 본 폐수 처리에 적합한 것으로 보인다.
특이점은 응집제(FeCl₃)를 투입하였을 때는 염소이온과 철이온 농도가 투입농도에 비례하여 증가되는 것을 관찰할 수 있었는데, 이는 약품이 투입됨으로써 응집제에 함유된 염소성분과 철이온 성분이 시료 중에 잔류하기 때문에 나타나는 현상인 것으로 보인다. 과량의 응집제 주입은 pH 관리, 응집제 중의 불순물인 철, 망간 등에 의한 오염, 약품비용의 증가에 따른 경제성이 떨어지는 문제를 야기했고, 결과적으로 화학적 응집/침전처리는 가시적으로 나타나는 색도, 탁도, 부유물질의 제거에는 효과가 양호하지만, 다량 존재하는 금속성분과 염류에 대한 제거에는 그다지 큰 효과를 발휘하지 못하는 것으로 나타났다.
펄핑 폐수의 TDS 65,000mg/L, COD 300mg/L, 막폐색 유발 이온(경도성 물질)을 변수 값으로 입력하여 시뮬레이션 한 결과, 유기물 제거를 위한 UF공정의 경우 폐수 원액을 그대로 막 공정에 도입하여도 운전상의큰 문제는 없었으나, 경도성 물질 농도가 높아 막 폐색을 방지하기 위한 약품 세정주기가 짧아지는 단점이 있었다. 한편, NF, RO공정을 적용하려면 TDS 농도가 32,000mg/L이하일 때 안정적인 운전이 가능하기 때문에, 폐수 원액 자체를 바로 NF, RO공정에 유입시키는 것은 불가능하고 최소한 공업용수로 2배 희석하여야만 적용이 가능한 것을 알 수 있다.

후속연구

그 결과 각 공정별 유기물질(COD) 제거 효율은 UF(95%)> DAF(65%)>펜톤산화(63%)>전기응집(59%)>화학적 응집(45%)>오존산화(15%) 순으로 Table 10과 같이 나타났고 오존산화방식을 제외하고는 유기물질 제거 효율이 꽤 높은 것을 확인할 수 있었다. 향후 기저귀 재활용 공정 폐수처리를 위해서는 발생량, 제거 효율, 설비 운영비, 처리 수질의 안정성, 유지관리 용이성 등을 고려해 단위공정을 선택하여 조합할 필요가 있다.
이에 따라 기저귀 재활용공정의 펄핑 폐수의 경우 직접 방류를 하기 보다는 유기물 농도를 어느 정도 제어하여 재이용하는 방법이 현실적인 것으로 보이며, 유기오염물질 제거 효율 및 경제성을 고려하여 스크린 통과 후 pH 조정조를 거쳐 용존공기부상(DAF), UF 순서가 적절할 것으로 보인다. 향후 본 기저귀 재활용 공정이 상용화 될 경우를 가정하여 폐수 발생량, 운전조건, 공사비, 투자비, 처리효율 등을 고려한 경제성 분석이 병행된다면 더 적절한 폐수처리 조합이 선정될 수 있을 것으로 보인다.
5% 염화제이철(FeCl₃) 응집제에 대한 응집 최적조건 도출(약품주입량, 적정pH) 및 적용 가능성에 대한 실험 결과를 Table 4에 나타내었다. 화학적 응집으로 인한 COD 유기오염물질 제거 효율은 만족할 만한 수준이었으나 TDS(Total Dissolved Solids), 이온성 물질의 제거 효율은 크지 않아 추가적인 공정의 도입이 필요할 것으로 사료된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	펜톤 산화 방식의 폐수 처리 원리는?	과산화수소(H2O2)와 철(Ⅱ)염을 이용한 펜톤 산화 방식은 생물학적으로 난분해성 물질을 생분해 가능한 물질로 전환하거나 독성폐수의 독성을 감소시키는 것으로 알려져 있다. H2O2는 산화, 분해, 표백작용을 가지고 있으며, H2O2는 철 이온과 반응하여 강력한 산화작용을 나타내는 OH Radical을 발생시키고, 발생된 OH Radical은 폐수 중에 존재하는 유기물과 색도 유발물질을 공격하여 유기물의 결합을 파괴시켜 최종적으로 양호한 처리수를 얻게 되는 원리이다.
	사용 후 기저귀 재활용 공정에서 발생된 폐수처리를 검토할 때 가장 중요한 것은?	4) 일반적으로 폐수처리는 폐수에 용해되어 있거나 분산 상태에 있는 각종 오염물질을 폐수와 분리하거나 분해하는 방법 등을 통하여 오염물질을 줄이는 공정인데, 기저귀 재활용 공정에서 발생되는 폐수의 경우 유아의 대소변이 포함된 상태이기 때문에 높은 유기물질과 부유물질을 함유하게 된다. 이 때문에 사용 후 기저귀 재활용 공정에서 발생된 폐수처리를 검토하는 경우에 그 공장에서 배출되는 오염물질의 종류와 성상, 그리고 형태를 파악하는 것이 가장 중요한 일이다.5)
	화학적 응집 방식에서 과량의 응집제 주입은 어떤 문제를 야기하는가?	특이점은 응집제(FeCl3)를 투입하였을 때는 염소이온과 철이온 농도가 투입농도에 비례하여 증가되는 것을 관찰할 수 있었는데, 이는 약품이 투입됨으로써 응집제에 함유된 염소성분과 철이온 성분이 시료 중에 잔류하기 때문에 나타나는 현상인 것으로 보인다. 과량의 응집제 주입은 pH 관리, 응집제 중의 불순물인 철, 망간 등에 의한 오염, 약품비용의 증가에 따른 경제성이 떨어지는 문제를 야기했고, 결과적으로 화학적 응집/침전처리는 가시적으로 나타나는 색도, 탁도, 부유물질의 제거에는 효과가 양호하지만, 다량 존재하는 금속성분과 염류에 대한 제거에는 그다지 큰 효과를 발휘하지 못하는 것으로 나타났다. 따라서 응집처리는 소량의 응집제를 첨가함으로서 시각적으로 나타나는 물질에 대한 제거로 목적을 두어야 하는 것으로 판단된다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

[국내논문] 사용 후 기저귀 재활용을 위한 폐수처리방안 연구
Wastewater Treatment Process Study for Used Diaper Recycling 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (8)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

[국내논문] 사용 후 기저귀 재활용을 위한 폐수처리방안 연구 Wastewater Treatment Process Study for Used Diaper Recycling 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (8)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김경신 (3) 이호선 (4)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

[국내논문] 사용 후 기저귀 재활용을 위한 폐수처리방안 연구
Wastewater Treatment Process Study for Used Diaper Recycling 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper