[논문]소성온도에 따른 굴 패각의 영양염 제거 성능 평가

정일원; 우희은; 이인철; 김진수; 김경회

doi:10.7837/kosomes.2019.25.7.906

소성온도에 따른 굴 패각의 영양염 제거 성능 평가
Evaluation of Nutrients Removal using Pyrolyzed Oyster Shells 원문보기

海洋環境安全學會誌 = Journal of the Korean society of marine environment & safety, v.25 no.7, 2019년, pp.906 - 913

정일원 (부경대학교 해양공학과 대학원) , 우희은 (부경대학교 해양공학과 대학원) , 이인철 (부경대학교 해양공학과) , 김진수 (국회입법조사처 국토해양팀) , 김경회 (부경대학교 해양공학과)

초록
AI-Helper

소성 굴 패각의 PO₄-P 및 NH₃-N의 제거성능을 평가하기 위해 100℃(POS100), 600℃(POS600), 800℃(POS800)로 소성시킨 굴 패각을 시료충전층에 채워 인공오수를 통과시키는 실내실험을 통해 PO₄-P 및 NH₃-N의 제거 성능을 확인하였다. 시료충전층을 통과한 유출수는 굴 패각에서 용출된 CaO의 영향으로 pH가 상승한 것으로 조사되었다. PO₄-P 제거량은 최대 약 23.1 mg/kg(POS100), 16.1 mg/kg(POS600), 15.9 mg/kg(POS800)으로, POS100의 PO₄-P 제거량이 높게 나타난 것으로 확인되었다. PO₄-P 제거 요인으로는 굴 패각의 Ca 및 Dolomite가 PO₄-P를 흡착·침전시킨 것으로 판단된다. NH₃-N 제거량은 최대 약 3.56 mg/kg(POS100), 5.72 mg/kg(POS600), 3.97 mg/kg(POS800)으로 나타났다. NH₃-N의 제거율이 낮은 요인으로는 불안정한 질산화 과정, pH의 상승으로 인해 NH₃-N가 NH₄⁺로 변환된 영향 등의 복합적인 원인으로 판단된다. 이상의 결과를 통해 소성 굴 패각은 화학 반응을 통해 PO₄-P 및 NH₃-N 농도를 감소시킨 것으로 판단되며, 본 연구의 결과는 향후 소성 굴 패각을 활용한 하수처리 기술개발을 위한 기초자료로 활용 될 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

To evaluate the removal performance of PO4-P and NH3-N, laboratory experiments were conducted by filling a container with oyster shells, pyrolyzed at 100℃ (POS100), 600℃ (POS600) and 800℃ (POS800), and passing artificial wastewaters through the container. The pH in the ef luent was found to increase due to CaO eluted from oyster shell. Removal amounts of PO4-P of ~23.1 mg/kg, 16.1 mg/kg, and 15.9 mg/kg were obtained when POS100, POS600, and POS800, respectively, were used; therefore, the highest PO4-P removal amount was obtained when POS100 was used. It is considered that Ca and dolomite in the oyster shells adsorbed and precipitated PO4-P. Removal amounts of NH3-N were of ~3.56 mg/kg, 5.72 mg/kg, and 3.97 mg/kg were obtained when POS100, POS600, and POS800, respectively, were used The low removal rate for NH3-N is probably due to unstable nitrification, use of sealed containers, and the effect of NH3-N being converted to NH4+ upon increasing pH. Based on these results, pyrolyzed oyster shell is expected to promote changes in PO4-P and NH3-N concentrations through chemical reactions. These results can also be used for basic research in the development of wastewater treatment.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 굴 패각의 재활용 방안을 마련하기 위한 기초연구로, 하수처리 시스템을 모사한 실내실험을 통해 굴 패각의 하수처리시설 충전재로서의 활용 가능성을 평가하였다. 특히 저온 소성 및 고온 소성된 굴 패각의 성능을 비교하기 위해 굴 패각을 100℃, 600℃, 800℃로 소성하여 실험에 활용하였다.
본 연구에서는 100℃ , 600℃, 800℃로 소성한 굴 패각의 오수 내 PO₄-P 및 NH₃-N의 제거성능을 평가하기 위하여 실내 실험을 수행하였다.

제안 방법

Con100, Con600, Con800: Influent of artificial wastewaters using for experimental cases which were filled with pyrolyzed oyster shell at 100℃, 600℃, and 800℃, respectively. POS100, POS600, POS800: Effluent of artificial wastewaters from experimental cases, which were filled with pyrolyzed oyster shell at 100℃, 600℃, and 800℃, respectively.
-N 농도를 선택하였다. pH와 ORP는 pH/ORP/Ion meter(LAQUA F-53, Horiba) 를 이용하여 측정하였다. 영양염인 PO₄-P과 NH₃-N는 자동 분석장치(DR 3900, Hach)를 이용하여 분석하였다.
또한, 시료충전층에서 인공오수가 유출되는 동안 새로운 인공오수가 유입되도록 설정하였다. 각 실험 케이스는 분석항목들이 평형상태에 도달할 때까지 인공오수를 여과시켜 실험을 수행하였다.
1). 그리고 소성 굴 패각의 화학적 구성성분을 분석하기 위해, POS100, POS600, POS800을 분마 후, X-Ray Fluorescence Spectrometer(SHIMADZU, XRF-1800, Japan) 장비를 활용하여 화학적 구성을 분석하였다(Table 1).
또한, X-Ray Diffractometer(XRD, Philips, X’Pert-MPD System, Netherlands)를 활용하여 소성 굴 패각의 결정성 분석을 실시하였다.
인공 오수는 환경부에서 고시한 하수도 설계기준을 참고하여 시료충전층에 6시간 체류된 후에 유출되도록 설정하였다 (MOE, 2017). 또한, 시료충전층에서 인공오수가 유출되는 동안 새로운 인공오수가 유입되도록 설정하였다. 각 실험 케이스는 분석항목들이 평형상태에 도달할 때까지 인공오수를 여과시켜 실험을 수행하였다.
분석 항목으로는 유입 및 유출된 인공오수의 pH, ORP (Oxidation-Reduction Potential)와 PO₄-P 및 NH₃-N 농도를 선택하였다. pH와 ORP는 pH/ORP/Ion meter(LAQUA F-53, Horiba) 를 이용하여 측정하였다.
수집 용기 마개」는 제거하였으며, 「12. 수집 용기」에 유출수가 유입되면 즉시 채취하여 분석하였다.
pH와 ORP는 pH/ORP/Ion meter(LAQUA F-53, Horiba) 를 이용하여 측정하였다. 영양염인 PO₄-P과 NH₃-N는 자동 분석장치(DR 3900, Hach)를 이용하여 분석하였다. 각 분석 항목들은 3회 반복 분석하였다.
소성 굴 패각은 약 866~982g을 사용하였으며, 유입 인공오수는 650~900mL를 사용하였다. 인공 오수 유입량은 시료 충전층(Container)에 소성 굴 패각을 채우고 남은 공극만큼 유입되도록 설정하였다. 소성 굴 패각 및 유입된 인공오수의 용량 차이는 소성 굴 패각의 평균입경 차이와 굴 패각이 시료충전층에 채워지는 과정에서 발생한 압밀로 인한 공극 차이에 기인한다.
소성 굴 패각 및 유입된 인공오수의 용량 차이는 소성 굴 패각의 평균입경 차이와 굴 패각이 시료충전층에 채워지는 과정에서 발생한 압밀로 인한 공극 차이에 기인한다. 인공 오수는 환경부에서 고시한 하수도 설계기준을 참고하여 시료충전층에 6시간 체류된 후에 유출되도록 설정하였다 (MOE, 2017). 또한, 시료충전층에서 인공오수가 유출되는 동안 새로운 인공오수가 유입되도록 설정하였다.
실험에 사용한 굴 패각은 경상남도 남해안 거제시의 굴양식장 인근 박신장에서 채취하였다. 채취한 굴 패각은 코팅사와 굴 패각 표면의 이물질을 솔을 이용하여 제거하고 수돗물로 세척하였으며, 이후 100℃(POS100), 600℃(POS600), 800℃(POS800)의 서로 다른 온도에서 각 6시간 동안 소성하였다. 소성 굴 패각은 분쇄하여 5~10mm의 입경으로 체거름하였다(Fig.
따라서 본 연구에서는 굴 패각의 재활용 방안을 마련하기 위한 기초연구로, 하수처리 시스템을 모사한 실내실험을 통해 굴 패각의 하수처리시설 충전재로서의 활용 가능성을 평가하였다. 특히 저온 소성 및 고온 소성된 굴 패각의 성능을 비교하기 위해 굴 패각을 100℃, 600℃, 800℃로 소성하여 실험에 활용하였다.

대상 데이터

Fig. 2와 같이 상향류 투수방식 유출장치를 구성하였으며, 정량식 튜브 펌프(BT600-2J, LONGER PUMP), 그리고 시료 충전층은 1.3 L 용기를 이용하였다.
Table 2에는 실험에 사용한 POS100, POS600 그리고 POS800의 양과 인공오수의 유입량을 나타내었다. 소성 굴 패각은 약 866~982g을 사용하였으며, 유입 인공오수는 650~900mL를 사용하였다. 인공 오수 유입량은 시료 충전층(Container)에 소성 굴 패각을 채우고 남은 공극만큼 유입되도록 설정하였다.
실험에 사용한 굴 패각은 경상남도 남해안 거제시의 굴양식장 인근 박신장에서 채취하였다. 채취한 굴 패각은 코팅사와 굴 패각 표면의 이물질을 솔을 이용하여 제거하고 수돗물로 세척하였으며, 이후 100℃(POS100), 600℃(POS600), 800℃(POS800)의 서로 다른 온도에서 각 6시간 동안 소성하였다.
저장 용기(20 L)」에는 인공오수를 제작하여 채웠다. 인공오수는 PO_4^-P 및 NH_3^-N 농도가 각각 25mg/L가 되도록 3차 증류수에 NH₄Cl(Sigma-Aldrich, Spain)과 KH₂PO₄ (Sigma-Aldrich, Japan)를 용해하여 제작하였다.
상향류 투수방식 유출장치의 「1. 저장 용기(20 L)」에는 인공오수를 제작하여 채웠다. 인공오수는 PO_4^-P 및 NH_3^-N 농도가 각각 25mg/L가 되도록 3차 증류수에 NH₄Cl(Sigma-Aldrich, Spain)과 KH₂PO₄ (Sigma-Aldrich, Japan)를 용해하여 제작하였다.

이론/모형

본 연구에서는 굴 패각의 재활용 환경성 평가를 위하여 환경부에서 제시하는 「폐기물 공정시험 기준」에서 상향류 투수방식의 유출시험을 수행하였다(MOE, 2016).

성능/효과

Fig. 4에서 POS100, POS600, POS800을 통과한 초기 유출수의 pH는 Con100, Con600m, Con800에 비해 약 4.3 ~ 6.0 높은 약 11.25 ~ 12.70의 범위로 나타났으며, 여과가 지속될 수록 감소하는 것을 알 수 있었다.
PO₄-P 제거량은 POS100에서 11.6mg/kg에서 약 23.1 mg/kg까지 증가하였으나, POS600은 약 16.1 mg/kg에서 약 0.5 mg/kg까지 감소하였고, POS800은 약 14.4~15.9 mg/kg에서 유지되었다. PO₄-P 제거율은 Ca 및 Dolomite를 통해 PO₄-P이 흡착 및 침전된 영향으로 조사되었다.
POS100 유출수 PO₄-P 농도는 11.5 ~ 2.0 mg/L의 범위로, 여과 횟수가 증가할수록 지속적으로 감소하였다. CaCO₃ 는 물에 쉽게 용해되지 않아서 Ca의 용출이 어려운 반면, CaO에서는 Ca이 쉽게 용해된다.
POS100은 Ca의 함량이 약 96.25 %, POS600 및 POS800은 약 99.64 %, 99.63 % 비율로 나타났다. POS100의 원소 종류가 11종류(Ca, Na, Mg, Cl, S, Si, Sr, Fe, Al, P, K)로 검출된 반면에 POS600 및 POS800은 세 종류(Ca, S, P)만 검출되었다.
POS800 유출수의 PO₄-P 농도는 약 14.4~15.9 mg/kg의 제거량을 유지하고 있는 것으로 확인되었다. Hellen et al.
5 % 중량 감소가 발생하며 고순도의 CaO가 생성된다고 보고하였다. 따라서 POS800은 POS100 및 POS600 에 비해 CaO 함량이 높아 인산인의 제거 효율이 가장 높은 것으로 판단된다.
여기서 DO의 농도가 낮으면, 질산화 반응이 억제되어 NH₃-N제거율이 낮아진다고 보고하였다. 따라서 본 실험에서 첫 유출수에서 NH₃-N 제거율이 상대적으로 높은 이유로는 시료충전층의 공극으로 인해 DO의 농도가 높아서 질산화 과정이 진행되었으나, 실험이 진행되면서 밀폐된 시료충전층의 혐기성 환경으로 인해 NH₃-N 제거율이 감소한 것으로 판단된다.
따라서 본 실험의 POS100(제거량: 11.6 ~ 23.1 mg/kg) 및 POS800(제거량: 14.4~15.9 mg/kg)의 혐기성 조건에서의 PO4-P제거량은 상대적으로 높은 것으로 확인할 수 있다.
모든 실험에서 시료 충전층을 통과하는 횟수가 증가할수록 유출수의 pH가 낮아지는 경향을 보였으며, 이는 소성 굴 패각에서 가수분해되는 CaO가 지속적으로 감소한 영향으로 판단된다.
이상의 결과로부터 소성 굴 패각을 활용한 하수처리 실험을 통해 PO₄-P의 제거를 확인할 수 있었으나, NH₃-N는 효과가 높지 않은 것으로 확인되었다. 하지만 이와 같은 결과는 차후 소성 굴 패각을 활용한 하수처리 필터재 개발, 현존하는 하수처리 과정의 발전 등 다양한 분야에 기초자료로 활용될 것이라고 판단된다.
인공오수의 초기 pH는 약 6.5 ~ 7.0로 나타났으나, POS100, POS600, POS800 시료 충전층을 통과한 첫 유출수의 pH는 각각 약 11.25, 약 11.35, 약 12.70으로 증가하였다. 이는 굴 패각이 고온에서 소성될수록 CaCO₃가 CaO로 열분해 되는 양이 증가하여, CaO의 가수분해(Eq.
0 mg/L 농도를 나타내었다. 첫 유출수에서 POS100의 NH₃-N제거량은 3.56 mg/kg(16%의 제거율)을 나타냈지만, 이후 0.44 mg/kg(2%의 제거율)까지 감소하였다.
0 mg/L로 나타났다. 첫 유출수에서 POS600은 POS100 보다 높은 약 5.73 mg/kg의 제거량(26 %의 제거율)을 보였지만, 지속적으로 감소하여 36회 이후에는 -0.1 mg/kg의 NH₃-N제거량을 나타냈다.
5 mg/L 농도를 나타났다. 첫 유출수의 POS800은 3.97 mg/kg(26%의 제거율)의 NH₃-N제거량을 나타냈지만 지속적으로 감소하여 0.3 mg/kg 제거량(2.7%의 제거율)을 나타내었다.
5(b))을 나타내었다. 초기 유출수의 PO₄-P농도는 유입수 대비 POS100, POS600, POS800에서 각각 약 53%, 62%, 100% 감소하였다. 감소 원인으로는 소성 굴 패각에서 용출되는 Ca의 화학적 반응(Eq.
하지만 이와 같은 결과는 차후 소성 굴 패각을 활용한 하수처리 필터재 개발, 현존하는 하수처리 과정의 발전 등 다양한 분야에 기초자료로 활용될 것이라고 판단된다. 특히 기존의 굴 패각 충전재는 대부분 고온 소성 과정을 거쳤으나, 본 실험을 통해 100℃ 소성 굴 패각의 인산인 제거 효율이 매우 높게 나타난 것을 확인하였다. 따라서 본 실험을 바탕으로 굴 패각의 소성 온도 및 소성 시간을 세분화 한 등온흡착 실험을 수행하여 효율 성과 경제성을 만족하는 굴 패각의 최적화 된 전처리 방법을 찾아야 할 것이다.

후속연구

특히 기존의 굴 패각 충전재는 대부분 고온 소성 과정을 거쳤으나, 본 실험을 통해 100℃ 소성 굴 패각의 인산인 제거 효율이 매우 높게 나타난 것을 확인하였다. 따라서 본 실험을 바탕으로 굴 패각의 소성 온도 및 소성 시간을 세분화 한 등온흡착 실험을 수행하여 효율 성과 경제성을 만족하는 굴 패각의 최적화 된 전처리 방법을 찾아야 할 것이다. 또한, 인공오수의 교환율을 조절하면서 굴 패각의 최대 영양염 흡착량 및 교체 주기를 고려한 실험이 추가로 수행되어야 할 것으로 판단된다.
따라서 본 실험을 바탕으로 굴 패각의 소성 온도 및 소성 시간을 세분화 한 등온흡착 실험을 수행하여 효율 성과 경제성을 만족하는 굴 패각의 최적화 된 전처리 방법을 찾아야 할 것이다. 또한, 인공오수의 교환율을 조절하면서 굴 패각의 최대 영양염 흡착량 및 교체 주기를 고려한 실험이 추가로 수행되어야 할 것으로 판단된다. 마지막으로 굴 패각을 활용한 충전재는 굴 패각의 재활용률을 증가시킬 수 있는 방안으로 기대할 수 있지만, 동시에 충전재로서의 효능을 다하면 다시 폐기물로 전환되기 때문에 이를 감소시켜야 하는 추가 방안도 고려해야 할 것이다.
또한, 인공오수의 교환율을 조절하면서 굴 패각의 최대 영양염 흡착량 및 교체 주기를 고려한 실험이 추가로 수행되어야 할 것으로 판단된다. 마지막으로 굴 패각을 활용한 충전재는 굴 패각의 재활용률을 증가시킬 수 있는 방안으로 기대할 수 있지만, 동시에 충전재로서의 효능을 다하면 다시 폐기물로 전환되기 때문에 이를 감소시켜야 하는 추가 방안도 고려해야 할 것이다.
-N는 효과가 높지 않은 것으로 확인되었다. 하지만 이와 같은 결과는 차후 소성 굴 패각을 활용한 하수처리 필터재 개발, 현존하는 하수처리 과정의 발전 등 다양한 분야에 기초자료로 활용될 것이라고 판단된다. 특히 기존의 굴 패각 충전재는 대부분 고온 소성 과정을 거쳤으나, 본 실험을 통해 100℃ 소성 굴 패각의 인산인 제거 효율이 매우 높게 나타난 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	굴은 2016년 기준으로 전 세계에서 얼마나 생산되고 있는가?	굴은 2016년 기준으로 전 세계에서 약 438억 톤이 생산되고 있다(Hellen et al., 2019).
	소성 굴 패각의 Ca 함량은 100℃(POS100)에서 어떻게 나타났는가?	POS100은 Ca의 함량이 약 96.25 %, POS600 및 POS800은 약 99.64 %, 99.
	굴 패각은 약 96%가 탄산칼슘의 형태로 존재하고 있어 어떤 분야에 이용되기도 하는가?	, 2019). 굴은 중량의 약 70%가 패각으로 구성되며, 굴 패각의 약 96%가 탄산칼슘의 형태로 존재하고 있어 시멘트의 응집제 및 칼슘 보충제로 이용되기도 한다(Yang et al., 2005; Alvarenga et al.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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