전기화학처리와 HClO 처리를 통한 폐수중 COD, 총인, 총질소의 저감에 대한 연구 A Study on the Reduction of COD, Total Phosphorus and Nitrogen in Wastewater by Electrolysis and HClO Treatment원문보기
합성폐수 내의 유기물(COD), 질산성 질소, 인산이온을 제거하기 위한 폐수처리 시스템 개발을 위한 연구를 수행하였다. 먼저 COD는 HClO의 산화 반응에 의해 거의 100 % 제거되었으며 전기화학적 처리에 의해 질산성 질소가 암모니아성 질소로 환원되지만, 암모니아성 질소는 HClO 처리에 의해 질산성 질소로 재 산화 되었다. 암모니아성 질소는 가열 증발 처리에 의하여 거의 100% 제거 되었으며 HClO 처리를 하여도 재 산화되는 암모니아성 질소는 나타나지 않았다. 인산 이온은 pH에 따라 금속 착염을 형성함으로써 침전 처리에 의해 제거할 수 있었으며 전기화학적 처리와 HClO 처리를 통하여 COD 99.5 % 이상, 질소 97.3 %, 인 91.5 %의 제거 효율을 얻을 수 있었다.
합성폐수 내의 유기물(COD), 질산성 질소, 인산이온을 제거하기 위한 폐수처리 시스템 개발을 위한 연구를 수행하였다. 먼저 COD는 HClO의 산화 반응에 의해 거의 100 % 제거되었으며 전기화학적 처리에 의해 질산성 질소가 암모니아성 질소로 환원되지만, 암모니아성 질소는 HClO 처리에 의해 질산성 질소로 재 산화 되었다. 암모니아성 질소는 가열 증발 처리에 의하여 거의 100% 제거 되었으며 HClO 처리를 하여도 재 산화되는 암모니아성 질소는 나타나지 않았다. 인산 이온은 pH에 따라 금속 착염을 형성함으로써 침전 처리에 의해 제거할 수 있었으며 전기화학적 처리와 HClO 처리를 통하여 COD 99.5 % 이상, 질소 97.3 %, 인 91.5 %의 제거 효율을 얻을 수 있었다.
This study was conducted to develop a wastewater treatment system to remove organic matter, nitrate nitrogen, and phosphate ion in synthetic wastewater. COD was removed almost 100% by the oxidation reaction of HClO and nitrate nitrogen was reduced to ammonia by electrolysis treatment, but ammonia wa...
This study was conducted to develop a wastewater treatment system to remove organic matter, nitrate nitrogen, and phosphate ion in synthetic wastewater. COD was removed almost 100% by the oxidation reaction of HClO and nitrate nitrogen was reduced to ammonia by electrolysis treatment, but ammonia was reoxidized into nitrate nitrogen by HClO treatment. Ammonia was removed almost 100% by heating evaporation and no ammonia was reoxidized into nitrate by HClO treatment. Phosphate ion could be removed by precipitation treatment by forming metal complex according to pH. Through electrolysis treatment and HClO treatment, removal efficiencies of COD 99.5%, nitrogen 97.3% and phosphorus 91.5% were obtained.
This study was conducted to develop a wastewater treatment system to remove organic matter, nitrate nitrogen, and phosphate ion in synthetic wastewater. COD was removed almost 100% by the oxidation reaction of HClO and nitrate nitrogen was reduced to ammonia by electrolysis treatment, but ammonia was reoxidized into nitrate nitrogen by HClO treatment. Ammonia was removed almost 100% by heating evaporation and no ammonia was reoxidized into nitrate by HClO treatment. Phosphate ion could be removed by precipitation treatment by forming metal complex according to pH. Through electrolysis treatment and HClO treatment, removal efficiencies of COD 99.5%, nitrogen 97.3% and phosphorus 91.5% were obtained.
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문제 정의
부영양화 유발 물질은 다양한 방법으로 처리를 하고 있으나 처리 효율을 일정 수준으로 유지시키기 위해서는 초기 시설 투자비와 운영비가 과다하게 요구되는 단점을 안고 있어서 발생 폐수를 범용적으로 처리할 수 있는 시스템의 개발이 시급한 실정이다[14]. 본 연구에서는 이러한 문제점들을 해결하고자 폐수 중의 COD, 질산성 질소, 인을 동시 처리는 새로운 폐수처리 공정 시스템을 개발하고자 하였다. 폐수 중의 COD, 질산성 질소, 인산이온을 초기농도의 90, 80, 80 %를 제거하고자 하였고 폐수처리의 효율을 높이고 초기 설비 투자비와 운영비를 저감시키는 폐수처리 공정시스템 개발의 기초자료를 마련하고자 하였다.
본 연구에서는 이러한 문제점들을 해결하고자 폐수 중의 COD, 질산성 질소, 인을 동시 처리는 새로운 폐수처리 공정 시스템을 개발하고자 하였다. 폐수 중의 COD, 질산성 질소, 인산이온을 초기농도의 90, 80, 80 %를 제거하고자 하였고 폐수처리의 효율을 높이고 초기 설비 투자비와 운영비를 저감시키는 폐수처리 공정시스템 개발의 기초자료를 마련하고자 하였다.
제안 방법
처리수를 다시 1시간 동안 Cu-Zn 금속합금 산화 환원 반응장치를 통과시키며 순환시킨다. Waste water 원액 tank에서 1시간 redox 반응시킨 시료, NaClO과 HCl을 dosing한 시료, 처리수 tank에서 1시간동안redox 처리한 시료 총 4개의 시료를 각각의 단계에서 채취하여 pH, COD, NO3-, PO43-의 농도를 측정한다. 시료측정 시 사용한 분석 장비는 HACH(주)의 DR 900 제품이다.
각 공정에서 질산성 질소가 환원되어 암모니아성 질소로 전환되는지를 확인하기 위하여 전기화학 처리 및 산화환원 처리 반응의 결과 처리수를 분석하였다. 실험 방법은 위에 언급한 바와 같으며, NO3-, NO2-, NH4+를 분석하여 그 결과를 비교하였다.
또한 합성폐수의 원액과 처리한 시료의 COD, 질산성 질소, 아질산성질소, 암모니아성질소 및 인산이온의 분석은 비색계를 사용하였다.
본 연구에서 제시한 처리 공정 시스템은 전기 화학처리, 차아염소산 처리, redox 반응 순이다.
각 공정에서 질산성 질소가 환원되어 암모니아성 질소로 전환되는지를 확인하기 위하여 전기화학 처리 및 산화환원 처리 반응의 결과 처리수를 분석하였다. 실험 방법은 위에 언급한 바와 같으며, NO3-, NO2-, NH4+를 분석하여 그 결과를 비교하였다.
실험에 사용된 전기화학 처리 반응기는 실험실에서 자체 제작하였다. PVC 재질이며, 규격은 24×15×13 (cm)이다.
이를 제거하는 방법은 설파믹산을 첨가하여 반응시키는 방법이 소개되어있지만 그 효과가 미미하여 본 연구에서는 환원처리된 암모니아성 질소를 가열 증발 처리하여 암모니아를 제거한 후 HClO로 산화처리 하였다[15]. 이 경우에는 암모니아성 질소가 질산성 질소로 재 산화되는 반응이 없기 때문에 결과적으로는 질산성 질소를 온전히 처리하는 결과를 얻을 수 있었다.
전기화학처리 단계를 COD, 인산이온 처리 공정시스템에 적용하여 합성폐수 처리를 위한 실험을 수행하였다. 1차 redox 반응 단계에서 합성폐수 처리 효율을 볼 수 없었기 때문에 이후 실험에서는 1차 redox 반응 단계를 생략하였다.
1과 같다. 제조한 합성폐수를 waste water reservoir에서 1시간동안 Cu-Zn 금속합금을 통과시키며 아연의 산화 반응에 따른 환원반응을 위하여 순환시킨 후(1차 redox 반응), 이 폐수를 처리수 tank로 유량 8 L/min으로 하여 흘려보내며 NaClO을 폐수 용량의 5 %, HCl은 NaClO 주입량의 6 %를주입하여 pH가 6.5가 되도록 하였다[15]. 처리수를 다시 1시간 동안 Cu-Zn 금속합금 극세사 반응기를 통과시키며 순환 반응 처리하였다(2차redox 반응).
5가 되도록 하였다[15]. 처리수를 다시 1시간 동안 Cu-Zn 금속합금 극세사 반응기를 통과시키며 순환 반응 처리하였다(2차redox 반응).
폐수의 성상 및 농도 등의 외부 요인의 영향을 받지 않기 위하여 처리하고자 하는 성분을 증류수에 용해시켜 합성폐수를 제조하여 실험을 진행하였다. 합성폐수는 COD 200 ppm, NO3- 20ppm, PO43- 5 ppm가 되도록 제조하였다.
합성폐수가 각 공정에서 반응한 후 변하는 pH를 측정하였다. 이때 사용된 pH meter는 EUTECH사의 CyberScan pH 6000 제품이고, probe는 동사의 EC620130 제품이다.
대상 데이터
, LTD, EP급을 사용하였으며, pH 조절을 위한 산, 염기로 HCl, NaOH, Ca(OH)2는 대정화금 (주), Junsei사, Samchun사의 제품으로 EP급이다. HClO의 발생을 위해 사용된 NaClO은 유한크로락스사의 제품을 사용하였다.
이때 1차 redox 반응을 위해 사용한 펌프는 WILO 펌프(주)의 PM-150PM 이고, 펌프를 가동시킬 때 사용한 튜브는 내경 19 mm인 내압튜브를 사용하였다. NaClO의 주입할 때 사용한 펌프는 Longer Pump사의 WT600-1F 이고, 사용한 튜브는 Longer Pump사의 실리콘 튜브(ID 7mm, OD 10 mm)이다. 또한 HCl을 주입할 때 사용한 펌프 역시 Longer Pump사의 BT100-2J이며, 사용한 튜브는 Logner Pump사의 실리콘 튜브(ID 3 mm, OD 7 mm)이다.
또한 HCl을 주입할 때 사용한 펌프 역시 Longer Pump사의 BT100-2J이며, 사용한 튜브는 Logner Pump사의 실리콘 튜브(ID 3 mm, OD 7 mm)이다. Treated water를 2차 redox 반응시킬 때 사용한 펌프는 WILO펌프(주)의 PM-052PM 이며, 내경이 19 mm인 내압튜브를 사용하였다.
NaClO의 주입할 때 사용한 펌프는 Longer Pump사의 WT600-1F 이고, 사용한 튜브는 Longer Pump사의 실리콘 튜브(ID 7mm, OD 10 mm)이다. 또한 HCl을 주입할 때 사용한 펌프 역시 Longer Pump사의 BT100-2J이며, 사용한 튜브는 Logner Pump사의 실리콘 튜브(ID 3 mm, OD 7 mm)이다. Treated water를 2차 redox 반응시킬 때 사용한 펌프는 WILO펌프(주)의 PM-052PM 이며, 내경이 19 mm인 내압튜브를 사용하였다.
본 실험에서, 합성폐수 제조를 위해 사용한 시약 Dextrose, KNO3, KH2PO4는 Daejung chemicals & metals Co., LTD, EP급을 사용하였으며, pH 조절을 위한 산, 염기로 HCl, NaOH, Ca(OH)2는 대정화금 (주), Junsei사, Samchun사의 제품으로 EP급이다.
시료의 측정에 사용된 분석 장비는 Merckmillipore사의 NOVA 30A 제품과 HACH(주)의 DR 900 제품을 사용하였으며, 주로 객관성이 우수한 NOVA 30A 제품으로 분석을 하였다.
Waste water 원액 tank에서 1시간 redox 반응시킨 시료, NaClO과 HCl을 dosing한 시료, 처리수 tank에서 1시간동안redox 처리한 시료 총 4개의 시료를 각각의 단계에서 채취하여 pH, COD, NO3-, PO43-의 농도를 측정한다. 시료측정 시 사용한 분석 장비는 HACH(주)의 DR 900 제품이다.
PVC 재질이며, 규격은 24×15×13 (cm)이다. 폐수를 순환하는데 사용된 펌프는 redox 반응 실험에 사용된 펌프와 같은 Longer Pump사의 WT600-1F 제품이고, 튜브 또한 Longer Pump사의 실리콘 튜브(ID 7 mm,OD 10 mm)를 사용하였다. Fig.
성능/효과
1. COD는 HClO의 산화 반응에 의해 거의 100% 제거되었다.
2. 전기화학적 처리에 의해 질산성 질소가 암모니아성 질소로 환원되지만, 암모니아성 질소는 HClO 처리에 의해 질산성 질소로 재 산화 되었다.
3. 거의 전량의 암모니아성 질소는 가열에 의해 증발되어 처리되며, HClO 처리로 인하여 재산화 되는 것을 방지할 수 있었다.
4. 인산 이온은 pH에 따라 금속 착물염을 형성함으로써 침전 처리에 의해 제거할 수 있었다.
5. 최종적으로 전기화학적 처리를 통해 COD 99.5 % 이상, 질소 97.3 %, 인 91.5 %의 제거 효율을 얻었다.
원액 193 ppm에서 전기화학 처리한 후 120 ppm으로 감소하였고 이후 HClO 처리시 1 ppm 미만으로 떨어졌으며, redox 처리하였을 때도 여전히 유기물의 농도는 1 ppm 미만으로 나타났다. 따라서 유기물은 최종 처리수에서 원액과 비교하였을 때 99 % 이상의 제거효율을 보였다.
8과 같다. 원액 18.8 ppm에서 전기화학 처리시 0.98 ppm으로 94.8 % 감소하였고, HClO 처리와 redox 처리시 각각 0.56 ppm, 0.51 ppm으로 감소하였으며, 원액과 비교하였을 때 약 97 %의제거효율을 보였다. 전기화학처리 단계에서 질산성 질소의 농도가 0.
이 결과를 바탕으로 Cu-Zn 금속의 산화 환원 반응으로 어느 정도 유기물이나 총인 및 총질소의 처리 효과를 기대했었지만 결과는 미미하게 나타났다. 다만 HClO를 통한 유기물 처리는 매우 효율적이었다.
6 % 이상 제거되었다. 이후 이 폐수를 1시간동안 Cu-Zn 금속합금으로 2차 redox 처리하였을 때 유기물의 제거율이 원액과 비교하였을 때 여전히 99.6 %임을 확인하였다. 그 결과는 Fig.
전기화학적 처리를 통해 질산성 질소가 암모니아성 질소로 환원되는 것을 확인한 실험 결과이다.
51 ppm으로 감소하였으며, 원액과 비교하였을 때 약 97 %의제거효율을 보였다. 전기화학처리 단계에서 질산성 질소의 농도가 0.98 ppm으로 감소, 94.8 %의상당히 높은 제거율을 보였다.
제조한 합성폐수를 1시간동안 Cu-Zn 금속합금으로 redox 처리하였을 때, 유기물이 3.4 % 제거되었고, HClO을 첨가하였을 때 원액과 비교하여 유기물이 99.6 % 이상 제거되었다. 이후 이 폐수를 1시간동안 Cu-Zn 금속합금으로 2차 redox 처리하였을 때 유기물의 제거율이 원액과 비교하였을 때 여전히 99.
7 ppm으로 증가하였다. 질산성 질소가 감소함에 따라 아질산성 질소와 암모니아성 질소의 농도가 증가하였고, 이를 통해 질산성 질소가 일부 가스 상태의 질소로 환원처리 되거나 암모니아성 질소 및 아질산성 질소로 환원됨을 확인하였다.
6에 나타내었다. 합성폐수의 원액에서 질산성 질소의 농도는 19 ppm, 20분 후 10.2 ppm, 40분 후 4.5 ppm, 60분 후 1.7 ppm으로 최종적으로 91.1 %의 제거효율을 보였다. 아질산성 질소의 경우 0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
합성폐수 내의 인산 이온은 어떤 방법을 통해 제거하였는가?
4. 인산 이온은 pH에 따라 금속 착물염을 형성함으로써 침전 처리에 의해 제거할 수 있었다.
이 연구의 폐수처리 시스템을 통한 최종적인 COD, 질소, 인의 제거 효율은 얼마인가?
5. 최종적으로 전기화학적 처리를 통해 COD 99.5 % 이상, 질소 97.3 %, 인 91.5 %의 제거 효율을 얻었다.
화학적 산소요구량은 무엇인가?
화학적 산소요구량 (COD)은 하천 또는 산업폐수의 오염도를 나타내는 것으로 COD값이 높을수록 수중의 용존산소량이 감소하게 되고 그에 따라 수질이 악화되며 물의 부패를 촉진하며 이에 대한 규제가 필수적이다. 또한 인은 질소와는 다르게 조류발생에 있어서 가장 큰 영향인자가 된다.
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