KR101206856B1 - 슬러지 탄화물을 이용한 폐수의 응집 처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐수의 경제적이고 효율적인 응집 처리방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 폐수 슬러지의 탄화 처리 공정에서 생성되는 탄화물을 응집제로 이용하는 폐수의 응집 처리방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 하수 또는 염색 및 피혁 산업에서 배출되는 슬러지를 탄화처리 시 생성되는 부산물인 슬러지 탄화물을 이용하여 염색폐수를 급속 및 완속 교반을 통해 응집 처리함으로써, 염색폐수 내 COD를 효과적으로 제거할 수 있으며, 기존의 응집제와 유사하거나 우수한 폐수 처리능력을 발휘할 수 있다.
또한, 시중에 판매되는 기존 응집제의 경우 시약 혹은 공업용으로 구매하여 사용하기 때문에 비용이 소모되나, 폐수 슬러지의 탄화공정에서 발생되는 부산물인 탄화물을 재활용함으로써 별도의 탄화물 처리비용을 절감할 수 있으므로 경제성이 뛰어나다.

Description

슬러지 탄화물을 이용한 폐수의 응집 처리방법 {Treatment of wastewater by coagulation and flocculation using sludge carbonized material}

본 발명은 폐수의 경제적이고 효율적인 응집 처리방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 폐수 슬러지의 탄화 처리 공정에서 생성되는 탄화물을 응집제로 이용하는 폐수의 응집 처리방법에 관한 것이다.

산업폐수는 각종 산업 활동에 수반되어 발생되며, 생활하수의 유기물, 부유물질, 질소, 인 등의 일반적인 오염물질 외에 유독성 유기물, 중금속 등의 유해물질을 포함하고 있다. 그리고 업종, 공정, 운영방식에 따라 폐수의 질과 양이 다르기 때문에 같은 종류의 상품을 생산하는 제조업체라 하더라도 배출되는 폐수의 수질은 차이가 있다. 대부분의 산업폐수는 이러한 난분해성 물질, 유독성 물질이 포함되어 효과적인 처리가 어렵고, 운전관리상의 문제점을 가지고 있다.

종래의 기술 중 대한민국 특허 제 10-2002-0001077호는 염료가 대부분인 염색폐수를 마그네슘염과 철염을 배합하여 그 혼합물을 이용하여 COD와 색도를 동시에 제거하는 방법을 제시하고 있다. 기존의 폴리 황산 제2철을 이용하는 방법은 응집을 위해 pH를 낮추어야 하므로 황산을 과다 사용하는 단점이 있었으나 상기 마그네슘염과 철염의 응집은 주로 알칼리상태에서 이루어지므로 황산의 사용은 줄이면서 최적의 pH를 유지할 수 있으며, 두 응집제가 상호 보완하여 탈색 및 COD 제거가 동시에 이루어지는 장점이 있다. 하지만, 상기 종래의 기술은 pH 조절 없이 효율적인 응집이 가능하지만, 두 가지의 응집제가 투입되는 문제가 있다.

대한민국 특허 제 10-2002-0021088호는 수 처리용 무기 응집제를 이용하여 유색폐수 및 알칼리성 폐수의 COD, 색도를 제거하는 방법을 제시하고 있다. 상기 종래기술은 기존의 응집제에 비해 우수한 폐수 처리능력을 보이며, COD 및 색도 뿐 아니라 총인, 총질소, 부유고형물, 탁도의 제거효과도 가지며, 수 처리 비용 등의 개선을 통한 경제성을 가지고 있다.

이와 같이 다양한 방법의 산업폐수의 효율적인 응집처리를 위한 노력이 있어왔다. 그러나, 산업부산물, 특히 슬러지 탄화공정에서 발생되는 탄화물을 이용하여 산업폐수를 응집 처리하여 환경오염을 저감시키는 기술에 대한 개발은 미흡한 실정이다.

현재 하수 슬러지와 유기성 슬러지의 경우 대부분이 해양 투기되며 일부는 소각이나 매립에 의해 처리되고 있는 실정이며, 강화되는 각종 법규에 따른 유기성 슬러지의 처리 및 처분에 어려움을 겪고 있다. 이에 효율적인 슬러지의 재활용을 통한 처리 및 처분 문제에 대한 연구들이 진행되고 있는 실정이다.

한편 염색공장에서 발생되는 폐수 중의 색도 (Color) 및 유기오염물질 (COD)이 다량 함유되어 있어, 별도의 약품을 투입하여 이를 제거하고 있다. 최근 환경보전에 대한 인식변화와 규제강화, 기업체의 자발적 참여 등으로 인해 염색폐수의 처리는 과거에 비해 현저히 개선되었으나 폐수배출량의 증가, 기존 처리시설의 한계, 염색폐수업체의 영세성 등으로 인하여 아직까지도 그 폐수처리 문제는 아직도 심각한 실정이다.

현재 COD를 제거하기 위해 응집제 및 탈색제를 사용하고 있으나, 이러한 물질들은 가격이 매우 고가이고 그에 비해 효율이 만족스럽지 못하다. 이에 활성탄을 사용하여 COD를 제거하고 있으나, 이 또한 그 효율적인 면에서는 만족스럽지 못하다.

이에 본 발명자들은 기존 응집제의 대체물로서 이와 유사하거나 우수한 폐수 처리능력을 발휘할 수 있으며, 경제성이 뛰어난 산업부산물인 슬러지 탄화물을 응집제로 활용하여 폐수를 효과적으로 응집 처리하는 방법을 고안하였다.

본 발명은 하수 또는 염색 및 피혁 산업에서 배출되는 슬러지를 탄화처리 시 생성되는 부산물인 슬러지 탄화물을 응집제로 재활용하여 난분해성 물질이 다량 함유된 폐수를 효과적으로 응집 처리하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 난분해성 물질을 다량 함유한 폐수의 응집 처리방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로

a) 처리하고자 하는 피처리 폐수에 슬러지의 탄화처리 공정에서 생성되는 부산물인 탄화물을 응집제로 첨가하는 단계;

b) 상기 응집제가 첨가된 폐수를 일정시간 교반하는 단계

를 포함하는 폐수의 응집 처리방법을 제공한다.

상기 a) 단계의 응집처리 대상이 되는 피처리 폐수란 특별히 그 종류가 제한되는 것은 아니나, 집, 공장, 병원 등에서 버려지는 각종 하수 (sewage)와 염색 및 피혁 공장에서 발생되는 염색 폐수를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 a) 단계의 슬러지는 각종 하?폐수 처리 공정에서 발생되는 하수 슬러지 (오니)와 염색 및 피혁 폐수에서 발생되는 유기성 슬러지가 바람직하다.

또한, 상기 a) 단계의 피처리 폐수는 pH의 범위가 6 내지 8인 것이 바람직하다. 상기 피처리 폐수의 pH 조절은 산(acid)이나 염기 (base)를 사용하여 조절할 수 있다. 상기 산 (acid)으로는 황산 (H₂SO₄), 염산 (HCl) 등이 있으며, 염기로서는 수산화나트륨 (NaOH)이 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 산은 황산(H₂SO₄)이 바람직하다.

아울러, 상기 a) 단계의 피처리 폐수는 생물학적 폐수처리 전 단계에 있는 폐수이든, 생물학적 폐수처리 후 단계에 있는 폐수이든 무방하다.

상기 a) 단계의 폐수의 응집처리에 사용되는 응집제로는 각종 하수처리 공정에서 발생되는 하수 슬러지 또는 염색 및 피혁산업에서 발생되는 유기성 슬러지의 탄화처리 공정에서 생성되는 부산물인 탄화물을 이용하는 것이 바람직하다. 특히, 상기 탄화물은 철 (Fe) 성분이 함유되어 있는 슬러지 탄화물을 사용하는 것이 본 발명의 효과를 충분히 발휘하는데 적합하다. 보다 구체적으로 상기 철 (Fe) 함량은 탄화물 중량 대비 1kg당 5,000 내지 10,000 mg 인 것이 바람직하다.

상기 b) 단계 교반은 급속 교반을 한 후 완속 교반을 통해 응집처리 하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로 급속 교반을 하면서 슬러지 탄화물을 투여하여 1~3분간 200~300rpm으로 급속교반 시킨 후 8~15분간 30~70rpm으로 완속 교반을 하는 것을 포함할 수 있다. 바람직하게는 급속 교반을 하면서 슬러지 탄화물을 투여하여 1분간 250rpm으로 급속교반 시킨 후 10분간 50rpm으로 완속 교반을 하는 것을 포함할 수 있다.

즉, 슬러지의 탄화처리 공정에서 생성되는 부산물인 탄화물을 응집제로 사용하여 물리화학적 처리에 적용함으로써, 처리에 문제를 겪고 있는 탄화 처리 부산물인 탄화물을 재활용할 수 있고, 난분해성 COD를 함유하는 폐수를 물리화학적으로 처리할 수 있는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 하수 또는 염색 및 피혁 산업에서 배출되는 슬러지를 탄화처리 시 생성되는 부산물인 슬러지 탄화물을 이용하여 염색폐수를 급속 및 완속 교반을 통해 응집 처리함으로써, 염색폐수 내 COD를 효과적으로 제거할 수 있으며, 기존의 응집제와 유사하거나 우수한 폐수 처리능력을 발휘할 수 있다.

또한, 시중에 판매되는 기존 응집제의 경우 시약 혹은 공업용으로 구매하여 사용하기 때문에 비용이 소모되나, 폐수 슬러지의 탄화공정에서 발생되는 부산물인 탄화물을 재활용함으로써 별도의 탄화물 처리비용을 절감할 수 있으므로 경제성이 뛰어나다.

도 1은 본 발명에 따른 슬러지 탄화물의 사진을 나타낸 것이다.
도 2, 3은 본 발명에 따른 슬러지 탄화물의 주사전자현미경 (SEM-EDS) 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 기존의 응집제 중 염화 제1철을 생물학적 처리를 거치지 아니한 염색폐수에 처리하였을 때(유형 Ⅰ)의 COD 처리 효율을 나타내는 그래프를 도시한 것이다.
도 5는 기존의 응집제 중 명반(alum)을 생물학적 처리를 거치지 아니한 염색폐수에 처리하였을 때(유형 Ⅰ)의 COD 처리 효율을 나타내는 그래프를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 슬러지 탄화물을 생물학적 처리를 거치지 아니한 염색폐수에 처리하였을 때(유형 Ⅰ)의 COD 처리 효율을 나타내는 그래프를 도시한 것이다.
도 7은 기존의 응집제 중 염화 제1철을 생물학적 처리 후 배출되는 염색폐수에 처리하였을 때(유형 Ⅱ)의 COD 처리 효율을 나타내는 그래프를 도시한 것이다.
도 8은 기존의 응집제 중 명반(alum)을 생물학적 처리 후 배출되는 염색폐수에 처리하였을 때(유형 Ⅱ)의 COD 처리 효율을 나타내는 그래프를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 슬러지 탄화물을 생물학적 처리 후 배출되는 염색폐수에 처리하였을 때(유형 Ⅱ)의 COD 처리 효율을 나타내는 그래프를 도시한 것이다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명하도록 한다. 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 일 예에 지나지 않으며, 이에 의하여 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.

<실시예>

1. 슬러지 탄화물의 물성성분 분석

응집 성능에 대한 슬러지 탄화물 (도 1 사진 참조)의 물성성분 분석결과와 관련된 데이터는 [표 1] 및 [표 2]에 나타난 바와 같다. 하기 [표 1]에 의하면, 슬러지 탄화물에 대해 X선 형광 분석기 (XRF)를 이용하여 분석한 결과 철 (Fe)의 함량이 74.5%이었으며, 하기 [표 2]에 의하면, 주사전자현미경 (SEM-EDS)을 이용하여 분석한 결과 Fe의 함량이 34.7%로 나타나, 응집제로 많이 사용되는 철염을 대신하여 사용될 수 있음을 확인할 수 있다. 특히, 하기 [표 2]의 본 발명에 따른 슬러지 탄화물의 주사전자현미경(SEM-EDS) 측정 결과는 도 2,3에 나타난 사진과 같다.

유기성슬러지 탄화물의 XRF 분석결과

Compound	Conc(%)	Compound	Conc(%)	Compound	Conc(%)
Na	1.651	Cl	0.579	Co	0.383
Al	0.772	K	0.382	Zn	6.56
Si	1.589	Ca	5.427	Br	0.226
P	1.745	Ti	1.815	Mo	0.124
S	3.664	Fe	74.539	Sn	0.543

유기성슬러지 탄화물 SEM-EDS 분석결과

Element	Weight(%)	Atomic(%)
C	28.00	46.74
O	27.58	34.56
Na	1.61	1.40
Al	0.31	0.23
Si	1.01	0.72
P	1.30	0.84
S	2.96	1.85
Ca	1.75	0.87
Ti	0.79	0.33
Fe	34.69	12.45
Total	100

2. 염색폐수에 대한 슬러지 탄화물의 응집 실험 - 유형 Ⅰ

실험대상 폐수는 염색폐수로서 원수의 평균 COD는 1,018 mg/L, 색도는 1008이며, 1N H₂SO₄와 1N NaOH를 이용하여 pH를 조절하며, pH는 6.8이었다. 응집실험은 용량 1L의 비이커에 상기 실험대상 폐수 1L를 정확히 취한 후 교반할 수 있는 자-테스터를 이용하여 교반하였다. 급속 교반하면서 슬러지 탄화물을 0.5 내지 11g으로 투여하여 1분간 250rpm으로 급속 교반시킨 후 10분간 50rpm으로 완속 교반시킨 다음, 상등액을 분석용 시료로 사용하였다.

3. 생물학적 처리 후 배출되는 염색폐수에 대한 슬러지 탄화물의 응집 실험 - 유형 Ⅱ

실험대상 폐수는 염색폐수를 생물학적으로 처리한 후 배출되는 유출수로서 원수의 평균 COD는 128mg/L, 색도는 250이며, 1N H₂SO₄와 1N NaOH를 이용하여 pH를 조절하며, pH는 7.81이었다. 응집실험은 용량 1L의 비이커에 상기 실험대상 폐수 1L를 정확히 취한 후 교반할 수 있는 자-테스터를 이용하여 교반하였다. 먼저, 급속 교반하면서 슬러지 탄화물을 0.5 내지 12g 투여하여 1분간 250rpm으로 급속 교반시키고, 다음으로 10분간 50rpm으로 완속 교반시킨 후 완전히 침전시킨 후 상등액을 분석용 시료로 사용하였다.

4. 기존의 무기응집제와 응집 효율의 비교

본 실험에서는 기존 염색폐수의 화학응집제로 사용 중인 염화 제1철, 명반(alum) 각각에 대해, 상기 2.(유형 Ⅰ) 및 3.(유형 Ⅱ)과 동일한 조건으로 실험하였다. 다만, 염화 제1철 또는 명반(alum)은 50 내지 1000mg/L로 주입하여 실험하였다.

도 4는 기존의 응집제 중 염화 제1철을 생물학적 처리를 거치지 아니한 염색폐수에 처리하였을 때 (유형 Ⅰ)의 COD 처리 효율을, 도 5는 기존의 응집제 중 명반(alum)을 생물학적 처리를 거치지 아니한 염색폐수에 처리하였을 때(유형 Ⅰ)의 COD 처리 효율을, 도 6은 본 발명에 따른 슬러지 탄화물을 생물학적 처리를 거치지 아니한 염색폐수에 처리하였을 때 (유형 Ⅰ)의 COD 처리 효율을 각각 나타내고 있다.

한편, 도 7은 기존의 응집제 중 염화 제1철을 생물학적 처리 후 배출되는 염색폐수에 처리하였을 때(유형 Ⅱ)의 COD 처리 효율을, 도 8은 기존의 응집제 중 명반(alum)을 생물학적 처리 후 배출되는 염색폐수에 처리하였을 때(유형 Ⅱ)의 COD 처리 효율을, 도 9는 본 발명에 따른 슬러지 탄화물을 생물학적 처리 후 배출되는 염색폐수에 처리하였을 때(유형 Ⅱ)의 COD 처리 효율을 각각 나타내고 있다.

하기 [표 3]은 도 4 내지 도 9에서 나타난 본 발명에 따른 응집제(슬러지 탄화물)와 기존의 응집제(염화 제1철, alum)의 COD 제거 효율을 표로 정리하여, 각각의 염색폐수 유형에 대한 응집제별 응집효율을 비교한 것이다.

응집제별 응집효율 비교 결과

항목	염화 제1철	명반(alum)	슬러지 탄화물
유형 Ⅰ(도 4 내지 6)에 대한 COD 제거 효율(응집효율)(%)	27 ~ 53	1 ~ 14	33 ~ 53
유형 Ⅱ(도 7 내지 9)에 대한 COD 제거 효율(응집효율)(%)	17 ~ 69	37 ~ 65	20 ~ 69

상기 [표 3]에 의하면, 본 발명에 따른 슬러지 탄화물은 생물학적 처리를 거치지 아니한 염색폐수에 대한 응집 실험(유형 Ⅰ)에서, 기존의 응집제인 염화 제1철과는 유사하고, 명반(alum) 보다 염색폐수의 COD 제거 효율이 높게 나왔다.

즉, 본 발명에 따른 슬러지 탄화물은 안정적인 응집 처리 효율을 보였으며, 특히 기존 응집제인 명반 보다 훨씬 뛰어난 응집 처리 효율이 있음을 확인할 수 있다.

생물학적 처리 공정을 거친 후 배출되는 염색폐수에 대한 응집 실험(유형 Ⅱ)에서도 본 발명에 따른 슬러지 탄화물을 처리할 경우, 기존의 응집제인 염화 제1철 또는 명반을 처리할 경우와 비교하여 비교적 안정적인 응집 처리 효율을 나타냄을 확인할 수 있었다.

이처럼 본 발명에 따른 슬러지 탄화물은 기존의 응집제의 대체물로서 활용이 가능함을 알 수 있었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술할 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (12)

1. a) 처리하고자 하는 피처리 폐수에 하수 슬러지 또는 염색 및 피혁 산업에서 발생되는 철(Fe) 성분이 함유되어 있는 유기성 슬러지의 탄화처리 공정에서 생성되는 부산물인 탄화물을 응집제로 첨가하는 단계; 및
   b) 상기 응집제가 첨가된 폐수를 1 내지 3분간 200 내지 300rpm에서 급속 교반을 한 후, 8 내지 15분간 30 내지 70rpm에서 완속 교반을 하는 단계;
   를 포함하는 폐수의 응집 처리방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 a) 단계 피처리 폐수는 pH가 6 내지 8 인 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 피처리 폐수의 pH 조절은 산 (acid) 이나 염기 (base)를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 산은 황산 (H2SO4), 상기 염기는 수산화나트륨 (NaOH)인 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 a) 단계 피처리 폐수는 생물학적 폐수처리 전 단계에 있는 폐수인 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 1항에 있어서,
   상기 a) 단계 피처리 폐수는 생물학적 폐수처리 후 단계에 있는 폐수인 것을 특징으로 하는 방법.
9. 삭제
10. 삭제
11. 제1항에 있어서, 상기 a)단계에서 철(Fe) 성분은 탄화물 중량 대비 1kg당 5,000 내지 10,000mg인 것을 특징으로 하는 폐수의 응집 처리방법.
    
12. 삭제

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