KR100732230B1 - 인 제거를 위한 폐수처리제 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인 제거를 위한 폐수처리제 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 제올라이트 100중량부에 대하여 탄산마그네슘 5-20중량부, 및 산화칼슘과 수산화칼슘으로 구성된 혼합물 40-60중량부를 포함하는 폐수처리제를 이용하여 슬러지 발생량을 줄일 수 있고, 폐수의 암모니아성 질소와 중금속을 제거하며 궁극적으로 인 제거 효율을 극대화할 수 있다.

제올라이트, 탄산마그네슘, 산화칼슘, 수산화칼슘, 폐수처리제

Description

인 제거를 위한 폐수처리제 및 그의 제조방법{Waste water treatment agent for phosphorus removal and preparation method thereof}

본 발명은 산화칼슘과 수산화칼슘에 제올라이트 및 다른 물질을 혼합함으로써 슬러지 발생량을 줄이는 것과 동시에 폐수 내의 총인 제거를 극대화할 수 있는 인 제거를 위한 폐수처리제 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

우리나라는 1996년 1월 1일부터 환경부장관이 정하여 고시하는 특정호소 등의 지역에 대해서 총질소 및 총인의 폐수배출허용기준을 정하였다.

일반적으로, 부영양화의 주원인으로 잘 알려져 있는 인(P)은 과량으로 호수나 강 또는 바다에 유입될 경우 각종 미생물의 폭발적인 번식을 일으켜 물속의 용존산소가 급격히 고갈됨으로써 수중 생물이 집단 폐사하게 되고, 결국 수중 생태계의 파괴를 초래하게 된다.

이러한 인을 함유하고 있는 폐수 또는 하수 내의 인을 제거하기 위해 기존에 사용하던 방법으로는 생물학적인 방법과 물리화학적인 방법이 있는데, 생물학적인 방법은 호기성 미생물이 인을 과잉섭취할 수 있는 현상을 이용하는 것으로 A/O, A₂/O, 바덴포(Bardenpho), UCT(University of Cape Town) 등의 방법이 있으나, 인을 제거하기 위해 많은 시간이 소요되고, 특수 시설을 갖추어야 함으로써 큰 비용의 부담이 따르는 문제점이 있다.

또한, 물리화학적인 방법은 응집침전법을 이용하는 것으로서, 별도의 시설이 필요없고 생물학적인 방법보다 비교적 빠른 시간 안에 제거되는 장점이 있으나, 통상적으로 응집제로 사용되는 소석회류(Ca(OH)₂)는 인의 제거 효율도 떨어질 뿐만 아니라, 제거 공정 중 필연적으로 발생하는 슬러지(sludge)의 양이 주입되는 응집제의 3배에 달하는 문제점이 있었다.

또한, 응집제로 제올라이트만 사용할 경우 흡착성이 우수하여 어느 정도 인제거 효율은 있으나, 알칼리도를 높이는데 있어서 약품소모량이 많은 문제점이 있었다.

상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 별도의 시설이 필요없고 약품소모량이 적으며, 비교적 빠른 시간안에 폐수 내의 인제거 효과를 극대화하고, 슬러지의 발생량을 줄일 수 있는 개선된 인 제거를 위한 폐수처리제 및 그의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 인 제거를 위한 폐수처리제에 있어서, 제올라이트 100중량부에 대하여 탄산마그네슘 5-20중량부, 및 산화칼슘과 수산화칼슘으로 구성된 혼합물 40-60중량부를 포함하는 폐수처리제를 제공한다.

여기서, 상기 제올라이트는 이산화규소, 알루미나, 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화나트륨 및 산화철을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 혼합물은 산화칼슘 1중량부을 기준으로 하여 수산화칼슘 2-5중량부를 포함하는 것이 바람직하다.

더욱이, 상기 폐수처리제는 제올라이트 100중량부, 탄산마그네슘 15중량부 및 산화칼슘과 수산화칼슘의 혼합물 50중량부를 포함하는 것이 바람직하다.

덧붙여, 본 발명은 인 제거를 위한 폐수처리제의 제조방법에 있어서, 제올라이트 100중량부, 탄산마그네슘 5-20중량부 및 산화칼슘과 수산화칼슘의 혼합물 40-60중량부에 물을 가하여 58-65℃의 온도에서 50-70분 동안 혼합하는 단계(제1단계); 상기 제1단계에서 얻어진 혼합물을 고형화하는 단계(제2단계); 및 상기 제2단계에서 고형화된 혼합물을 파쇄하는 단계(제3단계)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 폐수처리제의 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구 범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하 는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 인 제거를 위한 폐수처리제에 있어서, 제올라이트 100중량부에 대하여 탄산마그네슘 5-20중량부, 및 산화칼슘과 수산화칼슘으로 구성된 혼합물 40-60중량부를 포함하는 폐수처리제를 제공한다. 여기서, 상기 탄산마그네슘, 산화칼슘 및 수산화칼슘으로 구성된 혼합물이 각 함량범위를 초과할 경우, 폐수내의 인 처리효율이 떨어지며, 슬러지의 발생량이 증가하는 문제점이 생긴다. 또한 각 함량범위의 미만일 경우, 슬러지 발생량은 줄일 수 있으나 폐수내의 인 처리 효율이 크게 떨어지는 문제점이 발생할 수 있다.

여기서 상기 제올라이트는 이산화규소 81중량%, 알루미나 10중량%, 산화마그네슘 1.5중량%, 산화칼슘 2.0중량%, 산화나트륨 3.0중량% 및 산화철 2.5중량%를 함유하며, 상기 성분들이 폐수 내 암모니아성 질소를 선택적으로 흡착한다. 더욱이 제올라이트 원소성분은 화학적으로 양이온 치환작용이 뛰어나기 때문에 구성원소 중 Ca²⁺,Si⁴⁺,Al³⁺ 은 인을 선택적으로 잘 흡착한다.

한편, 상기 제올라이트는 알칼리금속과 칼슘 등의 알칼리토류금속을 함유하고 물을 결정수의 형태로 가지는 알루미늄의 함수규산염 광물로서, '비등하는 돌' 이라고도 한다. 상기 제올라이트의 P와 Si는 특히 중합형 음이온 산화물을 잘 형성하는 특징을 가지고 있다.

또한, 상기 제올라이트의 특징은 결정수 함량이 높고, 다공성 구조를 하고 있으며, 비표면적과 양이온교환용량(Cation Exchange Capacity;CEC)이 크다. 덧붙여, 암모니아의 선택적 흡착성, 수분 흡수력, 가스 흡착력 및 흡습성이 큰 성질이 있다.

여기에 양이온교환용량(CEC)이 큰 탄산마그네슘과 산화칼슘 및 수산화칼슘의 혼합물 등을 상기 범위 내에서 혼합한다. 여기서 제올라이트 100중량부, 탄산마그네슘 15중량부 및 산화칼슘과 수산화칼슘의 혼합물이 50중량부로 혼합될 경우, 인 제거 효과가 99.8%에 달하는 높은 인 제거 효율을 얻을 수 있으며 슬러지 발생량도 약 20% 정도 절감되는 효과가 있다.

또한, 상기 산화칼슘과 수산화칼슘의 혼합물은, 산화칼슘 1중량부을 기준으로 하여 수산화칼슘 2-5중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 산화칼슘과 수산화칼슘이 각 함량범위를 초과하는 경우, 약품 소모량이 적어지나 칼슘에 의한 인 흡착능이 떨어지는 문제가 유발되고, 각 함량범위의 미만일 경우, 슬러지 발생량이 증가하고 약품 소모량이 많아지는 문제점이 발생할 수 있다.

여기서, 양이온교환용량에 대해 살펴보면, 흙은 약 45중량%의 무기물과 5중량%의 유기물, 각 20~30중량%의 물과 공기로 구성되어 있으며 전기적으로는 음성이다. 따라서 양성 비료인 암모니아태질소, 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 구리, 아연, 철, 망간 등을 저장할 수 있는 것이다. 즉 음성 비료인 질산태질소, 인, 황, 붕소, 몰리브덴 등의 저장능력은 현저히 떨어진다. 예를 들어 질산태질소는 쉽게 물에 씻겨 내려간다.

이것을 수치로 표현한 것이 양이온교환용량으로서, 일반적인 우리나라 흙은 음성적 성질이 약한 편이므로, 양이온 교환용량이 낮아 비료 저장능력이 떨어진다.

한편, 본 발명의 폐수 내 총인 제거에 있어서, 상기 제올라이트와 탄산마그네슘 및 산화칼슘과 수산화칼슘의 혼합물이 인을 제거하는 원리를 살펴보도록 하겠다.

상기 본 발명의 폐수 내 총인 제거는 물리화학적 처리인 양이온 교환흡착법을 이용한다. 상기 양이온 교환흡착법은 인 성분에 전기적인 반대 전하를 주어 응집시켜 제거하는 원리를 이용하여 오염물질을 처리한다.

좀더 구체적으로, 주기율표의 전형원소 중 인(P)은 알칼리금속, 알칼리토금속과 흡착성이 우수하다. 따라서 인을 제거하는데 있어서, PO₄ ^{3 -} 은 음이온 성분으로 대전된 물질이기 때문에, 알칼리금속(1A), 알칼리토금속(2A) 및 제3B족 계열의 양이온 치환작용이 강한 물질과 결합시켜 제거한다.

따라서 제올라이트 성분에 탄산마그네슘, 산화칼슘 및 수산화칼슘의 성분 중 알칼리토금속류인 Ca^{2 +}, Mg^{2 +} 등을 첨가함으로써 폐수 내 총인 제거 효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 기존의 소석회인 수산화칼슘을 이용한 폐수 내 총인 제거는 효율이 떨어질 뿐만 아니라, 폐수의 슬러지 발생량이 소석회 주입량의 약 3배에 이르는 문제가 있다.

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또한, 제올라이트만 사용하여 인을 제거할 경우 인과의 흡착성이 우수하여 어느 정도의 인 제거 효율은 있으나, 알칼리도를 높이는데 약품소모량이 많은 문제점이 있다.

이에, 기존의 소석회를 이용한 인 제거시, 발생하는 효율저하 및 슬러지 배출량의 문제점과, 알칼리도를 높이기 위해 다량의 제올라이트를 사용해야 하는 문제점을 보완하기 위하여 제올라이트, 탄산마그네슘, 산화칼슘 및 수산화칼슘을 포함하는 폐수처리제를 개발한 것이다.

이때, 제올라이트의 양이온 교환능력이 큰 Ca²⁺, Al³⁺ , Si⁴⁺이온등이 추가 성분에 포함되어 있다. 또한 탄산마그네슘 중 Mg²⁺ 이온, 산화칼슘 및 수산화칼슘 혼합물 중의 Ca²⁺ 이온에 의해 슬러지 발생량을 줄이면서도 인을 효율적으로 제거할 수 있다.

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따라서, 제올라이트의 성분에 의하여 암모니아성 질소를 제거할 수 있으며, 상기 본 발명의 폐수처리제에 의한 반응에 의하여 인을 제거하고, 추가로 중금속도 제거할 수 있다.

또한, 본 발명은 인 제거를 위한 폐수처리제의 제조방법에 있어서, 제올라이트 100중량부, 탄산마그네슘 5-20중량부 및 산화칼슘과 수산화칼슘의 혼합물 40-60중량부에 물을 가하여 58-65℃의 온도에서 50-70시간 동안 혼합하는 단계(제1단계); 상기 제1단계에서 얻어진 혼합물을 고형화하는 단계(제2단계); 및 상기 제2단계에서 고형화된 혼합물을 파쇄하는 단계(제3단계)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 폐수처리제의 제조방법을 제공한다.

이때, 반응 온도가 58℃ 미만이면 상기 제1단계에서 얻어진 혼합물을 고형화하는데 있어 문제가 야기되며, 65℃를 초과하면 본 발명의 폐수처리제의 혼합물을 혼합하는데 있어 문제가 야기될 수 있다. 또한, 상기 성분의 중량부는 폐수 내에서 최적의 인 제거 효율을 가지는 가장 바람직한 중량 범위이다.

이하, 본 발명을 하기 실시예 및 비교예로 보다 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명이 이러한 실시예 등에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

제올라이트 2g과 탄산마그네슘 0.3g 및 산화칼슘과 수산화칼슘의 혼합물 1g에 물을 가하여 60℃의 온도에서 1시간 동안 혼합하였다. 이때, 상기 산화칼슘과 수산화칼슘의 혼합물은 산화칼슘 0.25g과, 수산화칼슘을 0.75g을 혼합하여 제조하였다.

<실시예 2>

제올라이트 10g과 탄산마그네슘 1.5g 및 산화칼슘과 수산화칼슘의 혼합물 5g에 물을 가하여 실시예 1과 동일한 조건에서 혼합하였다. 이때, 상기 산화칼슘과 수산화칼슘의 혼합물은 산화칼슘 0.25g과, 수산화칼슘을 0.75g을 혼합하여 제조하였다.

<비교예 1>

제올라이트 3g과 탄산마그네슘 0.5g에 물을 가하여 실시예 1과 동일한 조건에서 혼합하였다.

<비교예 2>

제올라이트 2g과 산화칼슘과 수산화칼슘의 혼합물 1g에 물을 가하여 실시예 1과 동일한 조건에서 혼합하였다. 이때, 상기 산화칼슘과 수산화칼슘의 혼합물은 산화칼슘 0.25g과, 수산화칼슘을 0.75g을 혼합하여 제조하였다.

<비교예 3>

탄산마그네슘 0.3g과 산화칼슘과 수산화칼슘의 혼합물 1g에 물을 가하여 실 시예 1과 동일한 조건에서 혼합하였다. 이때, 상기 산화칼슘과 수산화칼슘의 혼합물은 산화칼슘 0.25g과, 수산화칼슘을 0.75g을 혼합하여 제조하였다.

<실험예> 인 제거 효과 검토

실시예 및 비교예에서 제조된 혼합물을 건조하여 고형화하고, 고형화된 혼합물을 파쇄기로 파쇄한 시료 50㎖를 분해병에 넣은 후, 4% 과황산칼륨용액 10㎖와 혼합하여, 고압증기멸균기에 넣고 120℃가 될때부터 30분동안 가열했다. 다음으로, 분해병을 꺼내어 방냉시키고, 상기와 같이 전처리된 시료의 상등액 25㎖를 정확히 취하여 마개 있는 비색관에 옮긴 후, 몰리브덴산암모늄ㆍ아스코르빈산혼액 2㎖를 넣어 흔들어 주었다. 그 다음으로, 20-40℃에서 15분동안 방치한 후, 흡광도를 조사하여 총인의 농도를 구했다. 따라서, 원수 내의 인 농도와 처리수의 인 농도를 측정하여 비교하고, 인 제거 효율을 평가하였다.

	원수의 인농도(㎎／ℓ)	처리수의 인농도(㎎／ℓ)	처리효율
실시예1	615.32	0.691	99.88%
실시예2	615.32	1.107	99.82%
비교예1	615.32	132.62	78.40%
비교예2	615.32	116.38	81.08%
비교예3	615.32	144.32	76.50%

제올라이트, 탄산마그네슘 및 산화칼슘과 수산화칼슘의 혼합물 중 어느 하나의 물질이 제외될 경우 폐수 내의 총인 제거 효율이 떨어지는 결과가 발생하였다. 따라서, 본 발명은 상기 세 가지 성분의 물질을 동시에 혼합하여 사용함으로써 99.88%의 높은 인 처리 효율을 가지며, 암모니아성 질소제거와 함께 중금속 제거에도 효과적인 역할을 하였다.

상술한 바와 같이 본 발명의 인 제거를 위한 폐수처리제 및 그의 제조방법에 있어서, 본 발명의 폐수처리제를 이용하여 99.88%의 높은 인 처리 효율을 가질 수 있는 것은 물론, 암모니아성 질소를 동시에 제거할 수 있다.

또한, 본 발명의 폐수처리제를 이용하여 폐수 내의 중금속을 제거할 수 있고, 발생하는 슬러지의 양을 약 20%정도 감량하는 효과가 있으며, 별도의 시설이 필요 없고 약품소모량이 적으며, 비교적 빠른 시간 안에 폐수 내의 인 제거 효과를 극대화할 수 있다.

Claims (5)

1. 인 제거를 위한 폐수처리제에 있어서,

   이산화규소, 알루미나, 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화나트륨 및 산화철을 포함하는 제올라이트 100중량부에 대하여

   탄산마그네슘 15중량부와, 산화칼슘 1중량부을 기준으로 하여 수산화칼슘 2-5중량부를 포함하는 혼합물 50중량부를 포함하는 폐수처리제.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 인 제거를 위한 폐수처리제의 제조방법에 있어서,

   제올라이트 100중량부, 탄산마그네슘 5-20중량부 및 산화칼슘과 수산화칼슘의 혼합물 40-60중량부에 물을 가하여 58-65℃의 온도에서 50-70분 동안 혼합하는 단계(제1단계);

   상기 제1단계에서 얻어진 혼합물을 건조하여 고형화하는 단계(제2단계); 및

   상기 제2단계에서 고형화된 혼합물을 파쇄하는 단계(제3단계)

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 폐수처리제의 제조방법.