석회계 입상알칼리재의 용출특성과 이를 이용한 인 결정화공정의 적용성 Elution characteristics of lime-based granular alkaline material and applicability of phosphorus crystallization processes원문보기
One of the major sources causing eutrophication and algal blooms of lakes or streams is phosphorus which comes from point and nonpoint pollution sources. HAP (hydroxyapatite) crystallization using granular alkaline materials can achieve the decrease of phosphorus load from wastewater treatment plant...
One of the major sources causing eutrophication and algal blooms of lakes or streams is phosphorus which comes from point and nonpoint pollution sources. HAP (hydroxyapatite) crystallization using granular alkaline materials can achieve the decrease of phosphorus load from wastewater treatment plants and nonpoint pollution control facilities. In order to induce HAP crystal formation, continuous supply of calcium and hydroxyl ions is required. In this research, considering HAP crystallization, several types of lime-based granular alkaline materials were prepared, and the elution characteristics of calcium and hydroxyl ions of each were analyzed. Also, column tests were performed to verify phosphorus removal efficiencies of granular alkaline materials. Material_1 (gypsum+cement mixed material) achieved the highest pH values in the column tests consistently, also, Material_2 (gypsum+slag mixed material) and Material_3 (calcined limestone material) achieved over pH 9.0 for 240 hours (10 days) and proved the efficiencies of long-term ion supplier for HAP crystallization. In the column tests using Material_3, considerable pH increase and phosphorus removal were carried out according to each linear velocity and filtration depth. T-P removal efficiencies were 87.0, 84.0, 68.0% and those of PO4-P 100.0, 97.0, 80.0% for linear velocity of 1.0, 2.5, 5.0 m/hr respectively. Based on the column test results, the applicability of phosphorus removal processes for small-scale wastewater treatment plants and nonpoint pollution control facilities was found out.
One of the major sources causing eutrophication and algal blooms of lakes or streams is phosphorus which comes from point and nonpoint pollution sources. HAP (hydroxyapatite) crystallization using granular alkaline materials can achieve the decrease of phosphorus load from wastewater treatment plants and nonpoint pollution control facilities. In order to induce HAP crystal formation, continuous supply of calcium and hydroxyl ions is required. In this research, considering HAP crystallization, several types of lime-based granular alkaline materials were prepared, and the elution characteristics of calcium and hydroxyl ions of each were analyzed. Also, column tests were performed to verify phosphorus removal efficiencies of granular alkaline materials. Material_1 (gypsum+cement mixed material) achieved the highest pH values in the column tests consistently, also, Material_2 (gypsum+slag mixed material) and Material_3 (calcined limestone material) achieved over pH 9.0 for 240 hours (10 days) and proved the efficiencies of long-term ion supplier for HAP crystallization. In the column tests using Material_3, considerable pH increase and phosphorus removal were carried out according to each linear velocity and filtration depth. T-P removal efficiencies were 87.0, 84.0, 68.0% and those of PO4-P 100.0, 97.0, 80.0% for linear velocity of 1.0, 2.5, 5.0 m/hr respectively. Based on the column test results, the applicability of phosphorus removal processes for small-scale wastewater treatment plants and nonpoint pollution control facilities was found out.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 입상알칼리재 내에 존재하는 수화 전 CaO의 총량(또는 수화 후 Ca(OH)2의 총량)을 실험적으로 산출하기 위하여 수화반응을 이용함과 동시에 여러 석고성분을 모두 무수석고화하여 고정시키는 방법을 제안하였다. 실험의 절차는 아래의 Table 2와 같다.
또, 여러 제법으로 제조된 석회계 입상알칼리재를 사용하여 HAP 결정형성에 필요한 칼슘이온(Ca2+) 및 수산화이온(OH-)의 용출량을 산정하기 위한 칼럼테스트를 진행하였다. 또한, 석회석기반 입상알칼리재를 활용하여 소규모 하수처리시설 및 비점오염 저감시설로서 HAP 결정화공법의 적용성을 검증하기 위한 칼럼테스트를 수행하였다.
석회계 입상알칼리재는 HAP 생성에 필요한 칼슘이온(Ca2+)과 수산화이온(OH-)의 용출이 장기간에 걸쳐 이루어지는 비표면적이 넓은 다공성의 소재로서 타 결정재보다 HAP 결정화공정에 유리하다. 본 연구에서는 석회계 입상알칼리재를 사용하여 HAP 결정형성에 필요한 칼슘(Ca2+) 및 수산화이온(OH-)의 용출량을 산정하고, 결정화를 통한 인 제거 성능을 검토하기 위해 칼럼테스트를 진행하였다. 본 연구의 주요한 결과는 다음과 같다.
가설 설정
공공수역에서 부영양화 및 녹조의 효과적인 방지를 위해서는 부하량이 큰 점오염원 및 비점오염원의 통합적인 관리가 필수적이다. 점오염원의 인 부하량 중 가장 큰 비율을 차지하는 하수처리장 방류수와 비점오염원 인 부하의 대부분을 담당하는 초기 강우유출수의 관리를 통해 수계로 유입되는 인 부하량의 효율적인 저감이 가능할 것이다.
제안 방법
본 연구에서는 석회계 소재들의 이온 용출능을 실험적으로 산출하는 방안을 제안하고 이를 활용하여 본 연구에서 제조된 입상알칼리재의 용출능을 산정하였다. 또, 여러 제법으로 제조된 석회계 입상알칼리재를 사용하여 HAP 결정형성에 필요한 칼슘이온(Ca2+) 및 수산화이온(OH-)의 용출량을 산정하기 위한 칼럼테스트를 진행하였다. 또한, 석회석기반 입상알칼리재를 활용하여 소규모 하수처리시설 및 비점오염 저감시설로서 HAP 결정화공법의 적용성을 검증하기 위한 칼럼테스트를 수행하였다.
)의 용출이 장기적으로 이루어지며, 비표면적이 넓은 다공성의 소재로서 타 결정재에 비해 공정의 구성 및 운영, 유지관리를 대폭 간소화할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 석회계 소재들의 이온 용출능을 실험적으로 산출하는 방안을 제안하고 이를 활용하여 본 연구에서 제조된 입상알칼리재의 용출능을 산정하였다. 또, 여러 제법으로 제조된 석회계 입상알칼리재를 사용하여 HAP 결정형성에 필요한 칼슘이온(Ca2+) 및 수산화이온(OH-)의 용출량을 산정하기 위한 칼럼테스트를 진행하였다.
석회계 입상알칼리재 Material_1, Material_2 및 Material_3에 대하여 HAP 생성반응에 필요한 수산화이온(OH-)의 용출특성을 검토하기 위하여 EBCT 10분(12.0 L/hr)의 유량 조건에서 통수시간에 따른 pH를 실시간으로 연속측정하였다. 통수 후 0, 24시간(1일), 120시간(5일), 240시간(10일), 360시간(15일) 및 432시간(18일) 후의 각각의 pH를 Table 8에, 여과시간에 따른 pH 및 △[OH-]의 시계열 변화를 Fig.
위에서 상술한 이온 용출특성 칼럼테스트에서 검토된 세 종류의 입상알칼리재 중에서 실제 용출된 Ca(OH)2의 분율(12.2 %/18day)이 가장 높으며 평균 입경 10.0 mm 안팎으로 여재로써의 기능성이 클 것으로 판단되는 석회석기반 입상알칼리재(Material_3)를 여재로 하여 여과선속도 1.0, 2.5 및 5.0 m/hr 조건에 대한 칼럼테스트를 수행하였다.
제작된 석회석기반 입상알칼리재(Material_3)를 충전하여 칼럼테스트를 수행하였다. 칼럼테스트의 조건은 Table 5, 원수수질은 Table 6에 정리하였으며, 실험 장치의 개요는 Fig.
대상 데이터
본 연구에 사용된 석회계 입상알칼리재는 산업부산물 중 생석회(CaO) 및 탄산칼슘(CaCO3) 함량이 비교적 높은 폐탈황석고 분말 및 석회석 분말을 주원료로 하여 제조되었다. 소재 제조에 사용된 탈황석고와 석회석 분말의 화학적 조성은 Table 1에 나타내었다.
본 연구에서 다루는 석회계 입상알칼리재(탈황석고 기반 입상알칼리재(CaSO4 + CaO 혼합물이 주성분인 성형재) 또는 석회석기반 입상알칼리재(CaCO3 + CaO혼합물이 주성분인 성형·소성재))는 HAP 생성에 필요한 칼슘이온(Ca2+)과 수산화이온(OH-)의 용출이 장기적으로 이루어지며, 비표면적이 넓은 다공성의 소재로서 타 결정재에 비해 공정의 구성 및 운영, 유지관리를 대폭 간소화할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 석회계 소재들의 이온 용출능을 실험적으로 산출하는 방안을 제안하고 이를 활용하여 본 연구에서 제조된 입상알칼리재의 용출능을 산정하였다.
3과 같다. 원수로는 경기도 고양시 I하수처리장의 2차침전지 방류수를 사용하였다. 원수의 pH 범위는 7.
이론/모형
1%의 CaO 성분(lime)이 함유되어 있다는 사실에 유의할 필요가 있다. 소재의 질량분율 분석에는 X-선 회절분석법(X-ray diffraction, Bruker-AXS, GmbH, Germany)이 사용되었다.
성능/효과
1) 석회계 입상알칼리재의 수화 후 Ca(OH)2 중량비율(%)은 Material_1, Material_2 및 Material_3에서 각각 34.3%, 34.9% 및 17.9%로 나타났으며, 수화 전 CaO 중량비율(%)은 각각 28.3%, 28.9% 및 14.2%로 나타나 세 소재 모두 양질의 알칼리재임이 확인되었다.
2) 석회계 입상알칼리재인 Material_1, Material_2 및 Material_3에 대하여 장기 통수실험을 실시한 결과,Ca(OH)2 총함량 중 실제 용출된 Ca(OH)2 분율은 각각 10.7%(통수시간: 18일), 3.3%(통수시간: 10일) 및 12.2%(통수시간: 18일)로 나타나 추가적으로 각 소재의 용출률을 제고할 수 있음이 시사되었다.
3) 석회계 입상알칼리재인 Material_1(탈황석고+시멘트 혼합 소재), Material_2(탈황석고+슬래그 혼합 소재) 및 Material_3(석회석 소성 소재)는 240시간(10일) 이상의 연속 통수 조건에서 HAP 형성 조건에 해당하는 pH 9.0 이상을 지속적으로 만족하였다.
4) 석회석기반 입상알칼리재인 Material_3을 활용한 인 제거 성능 실험에서, 칼슘(Ca2+) 및 수산화이온(OH-)을 공급하는 별도의 공정 없이 1.0, 2.5 및 5.0m/hr의 여과선속도 조건에 해당하는 T-P의 제거율은 각각 87.0, 84.0 및 68.0%를 달성하였고, PO4-P의 제거율은 각각 100.0, 97.0 및 80.0%를 나타내었다.
5) 석회석기반 입상알칼리재인 Material_3를 활용한 인제거 성능 실험에서, 여과선속도와 무관하게 전 구간에서 T-P의 제거율보다 PO4-P의 제거율이 높아 이 공정이 용존성 인산이온(PO43-)의 제거에 특히 유효한 것으로 나타났다.
6) 석회계 입상알칼리재를 결정재로 활용하여 칼슘(Ca2+) 및 수산화이온(OH-)을 공급하는 별도의 공정이 없이 단순여과공정만으로 높은 인 제거효율을 달성함으로써, 소규모 하수처리시설 및 비점오염 저감시설의 용존성인(PO4-P) 저감을 위한 본 공정의 적용성이 시사되었다.
0%를 달성하였다. 여과선속도와 무관하게 전 구간에서 T-P의 제거율보다 PO4-P의 제거율이 높은 것으로 나타나 본 공정이 용존성 인산이온(PO43-)의 제거에 특히 유효한 것으로 나타났다.
5와 같다. 최소제곱법을 적용하여 모형의 적합도를 검토한 결과, 의사 1차반응의 형태(지수함수)로 감소하는 것으로 나타났다. Material_1의 경우 모형식은 y = 9.
최종 유출수의 T-P 제거율은 1.0, 2.5, 5.0 m/hr에서 각각 87.0, 84.0, 68.0%를 달성하였으며, 최종 유출수의 PO4-P 제거율은 각각 100.0, 97.0, 80.0%를 달성하였다. 여과선속도와 무관하게 전 구간에서 T-P의 제거율보다 PO4-P의 제거율이 높은 것으로 나타나 본 공정이 용존성 인산이온(PO43-)의 제거에 특히 유효한 것으로 나타났다.
후속연구
한편, 부영양화와 조류성장은 용존성인(PO4-P)의 부하에 크게 의존하는데(Reynolds and Davies, 1974), 종래의 비점오염 저감시설은 부유물질(SS)의 제거효율을 달성하는데 초점을 맞추고 있어 입자성인은 상대적으로 높은 수준으로 제거가능하나 용존성인의 제거효율은 높지 않은 것으로 보고되고 있다. 따라서, 강우유출수에서 기인하는 오염부하의 저감을 위해서는 기존 부유물질의 제거기능과 더불어 용존성인의 제거기능이 보완된 공법 및 소재 개발이 필수적이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
결정화공법의 장점은?
입상알칼리재를 결정재로 활용하는 결정화공법(정석탈인법, 접촉탈인법)은 안정적인 인 제거효율을 기대할 수 있으며, 응집기반공정보다 슬러지 발생량이 현저히 적고, 비점오염 저감시설에 적용할 때에도 별도의 기계장치 없이 소재의 충전 및 단순여과를 통해 높은 인 부하량 저감을 이끌어 낼 수 있는 장점이 있다(Joko, 1984; Zoltek, 1974). 결정화공법은 용해성 인산이온이 칼슘이온(Ca2+)과 수산화이온(OH-)이 공존하는 계에서 결정재와 접촉하여 하이드록시아파타이트(Hydroxyapatite, HAP)의 형태로 결정재 표면에 석출되도록 하는 인 제거 공법이다.
응집기반공정의 문제점은?
인 제거를 위한 물리화학적 수처리 방법으로 알루미늄염 및 철염 등을 사용한 응집기반공정(응집 + (침전 또는 부상분리 또는 여과))이 광범위하게 사용된다. 하지만 높은 인 제거효율을 달성하기 위하여 응집제를 고농도로 사용함으로써 슬러지 또한 과량으로 생성되는 문제점이 있다. 또한, 적정한 응집제 주입량을 제어하는데 어려움이 있고, 기계적 교반 및 슬러지 처리가 필요하기 때문에 소규모 하수처리시설 또는 비점오염 저감시설에는 적용이 곤란하다. 한편, 부영양화와 조류성장은 용존성인(PO4-P)의 부하에 크게 의존하는데(Reynolds and Davies, 1974), 종래의 비점오염 저감시설은 부유물질(SS)의 제거효율을 달성하는데 초점을 맞추고 있어 입자성인은 상대적으로 높은 수준으로 제거가능하나 용존성인의 제거효율은 높지 않은 것으로 보고되고 있다.
호소나 하천에서 조류발생의 원인은?
호소나 하천에서 조류발생의 원인은 하수처리장 방류수 또는 농경지 등으로부터 유출되는 인(Phosphorus) 및 질소(Nitrogen)에 의한 부영양화이다. 정수공정에 영향을 끼치는 독소 및 맛・냄새 물질의 원인으로 알려진 남조류의 과다성장은 질소보다 인에 주로 기인하며, 유입량이 많고 유입경로 또한 다양한 질소보다 인을 제어하는 것이 부영양화를 관리하는 데 용이한 것으로 알려져 있다(Clair et al.
참고문헌 (15)
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