KR101295437B1

KR101295437B1 - 폐Ａｌｕｍ 슬러지를 이용한 인 제거용 여과재 및 상기 여과재 제조방법

Info

Publication number: KR101295437B1
Application number: KR1020120079347A
Authority: KR
Inventors: 정병곤
Original assignee: 군산대학교산학협력단
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2013-08-16

Abstract

본 발명은 폐Alum 슬러지를 이용한 인 제거용 여과재 및 상기 여과재 제조방법에 관한 것이다. 상기 여과재는, 폐수가 통과하는 유동경로에 설치되어 폐수내의 오염물질을 제거하는 것으로서, 폐Alum슬러지와 무기물을 혼합하여 성형 제작된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 여과재 제조방법은, 폐Alum슬러지를 함수율 10% 이하로 건조시키는 폐Alum슬러지건조단계와; 함수율 10% 이하로 건조된 폐Alum슬러지에 황토와 점토를 혼합하고 반죽하는 혼합 및 반죽단계와; 상기 혼합 및 반죽단계를 마친 혼합물을 원하는 형상으로 성형하는 성형단계와; 상기 성형단계를 통해 얻은 성형물을 실온에서 20시간 이상 건조시키는 1차건조단계와; 상기 1차건조단계를 마친 성형물을 100℃이상의 온도로 2시간 이상 건조시키는 2차건조단계와; 상기 2차건조단계를 마친 성형물을 전기로에서 850℃ 내지 950℃의 온도로 가열하여 소결시키는 신터링단계를 포함한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명의 폐Alum 슬러지를 이용한 인 제거용 여과재 및 상기 여과재 제조방법은, 경제성이 거의 없어 폐기물로 버려지는 폐Alum슬러지로 제작되므로 제작비용이 거의 들지 않고 친환경적이며, 방류수에 혼합되어 있는 인의 제거효율이 매우 높고 제작과정이 간단하다.

Description

폐Ａｌｕｍ 슬러지를 이용한 인 제거용 여과재 및 상기 여과재 제조방법{Manufactured Media using Waste Alum Sludge for removing Phosphorus and Method for manufacturing the Media}

본 발명은 폐Alum 슬러지를 이용한 인 제거용 여과재 및 상기 여과재 제조방법에 관한 것이다.

인구의 도시집중화 및 대도시화 등으로 인한 생활하수 발생량의 급증은 곧바로 공공수역의 수질악화로 연결되고 있다. 특히 우리나라는 가용 수원으로서 지표수에 대한 의존도가 90%에 이르므로, 호수나 저수지 또는 하천 등의 수질보전이 취수용 원수 보호 측면에서 매우 중요한 의미를 가지고 있다.

특히 질소와 인(Phosphorus)을 포함한 유출수는 호수와 저수지의 부영양화를 가속시킬 수 있어 하수나 폐수의 배출 시 특히 주의하여야 할 주요 영양염류이다. 이에 따라 산업폐수, 가축분뇨, 침출수, 하수, 오수, 등의 유출수에 존재하는 질소와 인을 제거하기 위한 여러 가지 효과적인 방법이 모색되고 있다.

상기한 유출수 내에서 질소와 인을 제거하기 위한 여러 가지 생물학적 처리 장치나 공정이 개발되어 있으나, 이러한 장치는 우리나라 실정에 맞지 않아 대부분 효율이 좋지 못하고 고가(高價)이다. 우리나라 오폐수의 경우 유기물 농도가 질소나 인의 농도에 비해 낮고, 특히 산업 폐수에는 질소와 인이 다량 함유된 경우가 많기 때문에 상기한 종래의 처리방법으로 질소나 인을 효과적으로 제거하기 어려운 것이다.

한편, 상기한 유출수를 처리하는 정수장(淨水場)에서, 유출수 중의 현탁물질을 제거하기 위해 주입한 응집제와 현탁성분은 서로 반응하여 침전된다. 상기한 침전물은 정수슬러지로서, 원수의 종류나 응집제의 주입량에 따라 큰 차이가 있으며, 주로 응집제에서 유래된 Al₂O₃, SiO₂, 유기물 등이 주성분이다.

이러한 정수슬러지는 점토벽돌 등과 같은 건축자재, 토양개량용 배양토, 수처리 분야 등에서 활용되고 있다. 특히, 수처리 분야에서는 해수나 하천수 중의 인이나 조류의 제거에 사용할 수 있다고 알려져 있다. 그러나 정수슬러지의 인 흡착능은 일반적인 응집제를 이용한 경우에 비해 제거효율이 높지 않기 때문에, 정수슬러지를 수처리 목적으로 실제 적용된 사례는 거의 없다.

최근 정부에서는 4대강의 안정적인 수질 확보를 위해 1일 처리용량 500m³ 이상인 공공하수처리장의 경우, 방류수내의 인(Phosphorus)의 최대 농도 범위를 수역에 따라 0.2~2mg/L로 강화하였다. 이에 따라 대규모 하수처리장의 경우에는, 인 제거시설을 별도로 설치하여 수질 기준을 만족시키려 하고 있다. 그러나 소규모 수처리장의 경우, 경비 문제로 상기 인 제거시설을 설치하기가 부담스러운 실정이다. 소규모 수처리장과 더 나아가 개인 하수처리시설이 부담 없이 적용할 수 있는 보다 저렴하고 간단하며 만족할 만한 인 제거수단이 요구되고 있는 것이다.

본 발명은 상기 문제점을 해소하고자 창출한 것으로서, 경제성이 거의 없어 폐기물로 버려지는 폐Alum슬러지로 제작되므로 제작비용이 거의 들지 않고 친환경적이며, 방류수에 혼합되어 있는 인의 제거효율이 매우 높고 제작과정이 간단함은 물론, 특히 기존의 인공습지에 널리 적용되던 자갈이나 모래 등의 저효율 여재를 대신하여 효율을 현저히 상승시킬 수 있는 폐Alum슬러지를 이용한 인 제거용 여과재 및 상기 여과재 제조방법을 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 폐Alum 슬러지를 이용한 인 제거용 여과재는, 폐수가 통과하는 유동경로에 설치되어 폐수내의 오염물질을 제거하는 것으로서, 폐Alum슬러지와 무기물을 혼합하여 성형 제작되며, 상기 무기물은, 황토 및 점토이고, 상기 폐Alum슬러지와 황토와 점토로 이루어진 혼합물에 있어서 폐Alum슬러지의 함량은 10-20 중량%이고, 황토의 함량은 60-70 중량%이고, 점토의 함량은 15 내지 25 중량%인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 여과재는, 구 또는 다면체의 형태를 취하는 것을 특징으로 한다.

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또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 여과재 제조방법은, 수처리장에서 얻은 폐Alum슬러지를 함수율 10% 이하로 건조시키는 폐Alum슬러지건조단계와; 상기 폐Alum슬러지건조단계를 통해 함수율 10% 이하로 건조된 폐Alum슬러지에 황토와 점토를 가하여 혼합하고 반죽하는 혼합 및 반죽단계와; 상기 혼합 및 반죽단계를 마친 혼합물을 원하는 형상으로 성형하는 성형단계와; 상기 성형단계를 통해 얻은 성형물을 실온에서 20시간 이상 건조시키는 1차건조단계와; 상기 1차건조단계를 마친 성형물을 오븐에 넣고 100℃이상의 온도로 2시간 이상 건조시키는 2차건조단계와; 상기 2차건조단계를 마친 성형물을 전기로에서 850℃ 내지 950℃의 온도로 가열하여 소결시키는 신터링단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 혼합물에 있어서 폐Alum슬러지의 함량은 10-20 중량%이고, 황토의 함량은 60-70 중량%이고, 점토의 함량은 15 내지 25 중량%인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 혼합 및 반죽단계시, 혼합물에 대한 10 내지 20 중량퍼센트의 물을 가하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 2차건조단계의 진행시간은 120분 내지 130분인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 신터링단계시 진행되는 가열시간은 50분 내지 70분인 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 폐Alum 슬러지를 이용한 인 제거용 여과재 및 상기 여과재 제조방법은, 경제성이 거의 없어 폐기물로 버려지는 폐Alum슬러지로 제작되므로 제작비용이 거의 들지 않고 친환경적이며, 방류수에 혼합되어 있는 인의 제거효율이 매우 높고 제작과정이 간단하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐Alum슬러지를 이용한 인 제거용 여과재 및 상기 여과재의 사용예를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐Alum슬러지를 이용한 인 제거용 여과재 제조방법을 정리하여 나타내 보인 블록도이다.

이하, 본 발명에 따른 하나의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐Alum슬러지를 이용한 인 제거용 여과재(15a,15b,15c) 및 상기 여과재의 사용예를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 방류수(13)가 통과하는 인공습지(11) 내에 본 실시예의 여과재(15a,15b,15c)가 배치되어 있다. 상기 여과재(15a,15b,15c)는, 그 형태에 따라 바스켓(17)에 담겨 있는 것도 있고, 방류수의 유동경로 바닥면에 조적(組積)된 것도 있다.

상기 바스켓(17)에 담겨 있는 여과재(15a,15b)는, 바스켓(17)에 담겨져 있는 상태로 방류수(13)와 접하며, 방류수(13) 내부의 인성분을 흡착 제거한다. 또한 조적되어 있는 여과재(15c)도 방류수(13)와 만나며 방류수(13) 내의 인을 제거한다. 상기 여과재(15a,15b,15c)의 제조 방법은 후술된다.

상기 세 가지 타입의 여과재(15a,15b,15c)중, 도면상 좌측의 여과재(15a)는 구형(球形)으로 성형된 것이다. 상기 여과재(15a)의 직경은 다양하며 대략 1cm 이상이다. 상기 여과재(15a)는 바스켓(15a)에 담긴 상태로 방류수(13)의 유동장(流動場) 내에서 인을 제거한다.

또한 도면상 중앙의 여과재(15b)는 불규칙하게 파쇄된 형태를 취한다. 상기 여과재(15b)는 일단 제조가 완료된 여과재를 물리적으로 깨뜨려 비정형성을 부여한 것이다. 물리적으로 깨진 상태라 하더라도 그 입도는 좌측의 여과재(15a)와 같다. 여과재를 파쇄한 이유는 그 표면적을 최대로 키워, 여과재와 방류수와의 접촉 면적을 최대화 하기 위함이다. 파쇄된 형태의 여과재(15b)는 적용하지 않을 수 도 있다.

나머지 여과재(15c)는 블록의 형태를 취하며, 방류수의 유동장 내에 조적된 상태를 유지한다. 필요에 따라 조적된 상태를 보강하기 위한 별도의 지지수단(미도시)을 부가할 수 도 있음은 물론이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐Alum슬러지를 이용한 인 제거용 여과재 제조방법을 정리하여 나타내 보인 블록도이다.

본 실시예에 따른 인 제거용 여과재 제조방법은, 폐Alum슬러지건조단계(100)로 시작된다. 상기 폐Alum슬러지는 황산알루미늄이나 폴리염화알루미늄을 응집제로 사용하는 정수장의 침전물이나 역세척수의 침전물을 탈수 및 건조한 슬러지이다.

여하튼 상기 폐Alum슬러지건조단계(100)는, 정수장에서 채취한 폐Alum슬러지를 상온에서 탈수 및 자연 건조하는 과정으로서 특히 최종 함수율은 10% 이하로 한다.

상기 폐Alum슬러지건조단계(100)가 완료되었다면, 미리 준비된 황토와 점토를 상기 폐Alum슬러지에 가하여 반죽하는 혼합 및 반죽단계(102)가 이어진다. 상기 혼합 및 반죽단계(102)시 혼합물에 대한 10 내지 15 중량%의 물을 추가하여 반죽을 보다 활성화함이 좋다.

특히 상기 폐Alum슬러지와 황토와 점토의 혼합비율이, 추후 완성될 여과재의 물성과 여과성능 등을 결정짓는 것이므로, 혼합비율은 매우 중요하다. 상기 폐Alum슬러지와 황토와 점토의 이상적 혼합비율은 후술되는 반복적 실험을 통해 알아내었다.

상기 폐Alum슬러지와 황토와 점토의 혼합비는, 중량비 기준으로, 폐Alum슬러지 10-20 중량%, 황토 60-70 중량%, 점토 15 내지 25 중량%로 함이 좋다. 보다 세밀하게는 Alum슬러지 15중량%, 황토 65중량%, 점토 20중량%로 함이 좋다.

상기 비율로 혼합된 혼합물을 반죽하였다면 이를 원하는 크기나 모양으로 만드는 성형단계(104)를 수행한다. 상기 성형단계(104)를 통해 추후 만들어질 여과재의 모양을 구형이나 다면체형 또는 기타 필요한 모양으로 결정할 수 있다.

상기 성형단계(104)를 마친 후 1차건조단계(106)가 이어진다. 상기 1차건조단계(106)는 성형물을 실온에서 약 24시간 동안 방치하는 단계이다. 상기 1차건조단계(106)는 반죽 과정시 반죽물 내부에 형성되는 미세한 기공을 그 상태 그대로 살려두는 과정이다.

상기 1차건조단계(106)가 완료되었다면 2차건조단계(108)를 수행한다. 상기 2차건조단계(108)는, 1차건조단계(106)를 마친 성형물을 오븐에 넣고 약 110℃의 온도로 2시간 이상 가열 건조시키는 과정이다. 상기 2차건조단계(108)를 통해 혼합물이 완전히 고형화된다.

이어서, 신터링단계(110)를 진행한다. 상기 신터링단계(110)는 2차건조단계를 마친 성형물을 전기로에서 약 900± 10℃의 온도로 약 1시간 정도 가열하여 성형물의 입자를 소결(燒結)하는 과정이다. 상기 신터링단계(110)를 통해 여과재 표면의 강도가 증가된다.

계속되는 후처리단계(112)는 신터링을 마친 성형물을 방랭(放冷)하고, 표면에 붙어 있는 불순물을 제거하는 단계이다. 상기 후처리단계(112)를 통해 인 제거용 여과재의 제조공정을 마무리한다.

이하, 구체적인 실험예를 통해 본 발명에 따른 폐Alum슬러지를 이용한 인 제거용 여과재 및 그 제조방법에 대해 설명하기로 한다.

<실험예>

여과재 제조를 위한 원료 중 폐Alum슬러지 케익은 전주 상수처리장에서 채취하였으며 이를 자연건조 하여 최종 함수율이 7.6%가 되도록 하였다. 또한 나머지 재료인 황토와 점토는 시중에서 판매되는 제품을 구입하여 실온에서 건조하여 사용하였다. 상기한 폐Alum슬러지와 황토 및 점토의 혼합비율을 여러 가지로 달리하였다. 이 때 적용된 혼합비는 아래의 표와 같다.

(단위%)

번호	폐Alum슬러지	황토	점토
M5-1	5	47.5	47.5
M5-2	5	30	65
M5-3	5	65	30
M10-1	10	45	45
M10-2	10	25	65
M10-3	10	65	25
M15-1	15	42.5	42.5
M15-2	15	20	65
M15-3	15	65	20
M20-1	20	40	40
M20-2	20	20	60
M20-3	20	60	20
M20-4	20	65	15
M20-5	20	70	10
M30-1	30	35	35
M30-2	30	15	55
M30-3	30	55	15

상기 <표 1>에 나타낸 바와같이 각 재료의 혼합비율 조건에 따라 재료를 혼합 용기에 넣은 후 10∼15 wt.%의 물을 가하여 약 10분간 완전히 혼합 및 반죽하였다. 상기 재료를 반죽하는 동안 폐Alum슬러지 및 점토의 함량이 증가할수록 반죽이 원활히 이루어지지 않았으며, 이에 따라 10∼15 wt.% 범위 내에서 물의 양을 적절히 조절하여 반죽을 실시하였다.

상기 과정을 통해 반죽이 완료된 후, 이를 100mm × 50mm × 100mm 사이즈를 갖는 틀에 넣고 고무망치를 이용해 수회 충격을 가하여 시료를 만들고, 40mm × 20mm × 15mm의 크기로 절단한 후 실온에서 24시간 동안 1차 건조하였고, 건조기에서 110℃의 온도로 2시간동안 2차 건조시켰다.

또한 2차건조를 마친 후, 시료를 전기로에 넣어 900± 10℃까지 온도로 1시간 동안 신터링(sintering)을 진행 하였다. 이후 방랭(放冷) 등의 절차를 거쳐 조직을 안정화 시킨 후, 최종 시료의 압축강도, 흡수율, 투수도, 중금속 함량 등을 측정 하였으며, 전자주사현미경(SEM)을 이용하여 Media의 표면과 내부의 형상을 관찰하였다.

특히 압축강도의 측정에 앞서, 각 시료의 육안검사결과 상기 <표 1>의 M10-1, M15-2, M20-2, M30-1, M30-2의 경우, 여과재가 부서지거나 갈라짐을 알 수 있었다.

[압축강도 측정]

상기 <표 1>과 같은 혼합비를 갖는 각 시료의 압축강도 측정을 위해, 유압 서보식 재료 시험기(UTM, 신한계기산업)를 이용하였으며, 각 시료를 시험기에 올려놓은 후 load control valve를 일정하게 유지시킨 후 시료가 파쇄 되었을 때 가장 높은 peak에서 멈추는 값을 측정하였다.

상기 압축강도의 측정결과 <표 2>의 결과를 얻었다.

번호	슬러지:황토:점토	N/㎟	㎏/㎟
M5-1	5 : 47.5 : 47.5	3,466	354
M5-2	5 : 30 : 65	3,578	365
M5-3	5 : 65 : 30	3,650	372
M10-2	10 : 25 : 65	3,579	365
M10-3	10 : 65 : 25	3,700	377
M15-1	15 : 42.5 : 42.5	3,564	364
M15-3	15 : 65 : 20	4,299	438
M20-1	20 : 40 : 40	3,318	338
M20-3	20 : 60 : 20	3,550	362
M20-4	20 : 65 : 15	3,648	372
M20-5	20 : 70 : 10	3,500	357
M30-3	30 : 55 : 15	3,300	337

위의 <표 2>에 나와 있는 바와같이, M5-3, M10-3, M15-3 및 M20-4는 폐Alum슬러지 및 점토의 비는 다르지만 황토의 혼합비를 65%로 고정시킨 혼합비에서 황토의 혼합비가 다른 혼합비로 제조된 경우 보다 높은 372kg/㎟, 377kg/㎟, 438kg/㎟, 337kg/㎟ 의 압축강도를 나타내었다. 또한 폐Alum슬러지의 혼합비가 20% 이상 증가 되어질 때부터는 강도가 떨어지면서 부서지는 현상도 발생하였으며, 황토의 함량이 적거나

[흡수율 측정]

흡수율 측정을 위하여 시료를 건조기에 넣어 105± 10℃에서 24시간 동안 공기 중탕을 통해 건조하여 데시케이터에서 방랭한 후 건조 무게(m₁)를 측정하였고, 이를 20± 5℃의 물의 수면 하부 50-60mm 지점에서 24시간 정치하였다. 그 후 시료를 물속에서 꺼내어 재빨리 헝겊으로 표면의 수분을 닦아 낸 후 공시체의 무게를 측정하여 흡수율을 계산하였다. 상기 흡수율은 아래의 <표 3>에 나타내었다.

번호	슬러지:황토:점토	흡수율
M5-1	5 : 47.5 : 47.5	18.7
M5-2	5 : 30 : 65	18.2
M5-3	5 : 65 : 30	20.4
M10-2	10 : 25 : 65	20.3
M10-3	10 : 65 : 25	22.2
M15-1	15 : 42.5 : 42.5	24.4
M15-3	15 : 65 : 20	26.3
M20-1	20 : 40 : 40	26.4
M20-3	20 : 60 : 20	27.9
M20-4	20 : 65 : 15	28.1
M20-5	20 : 70 : 10	28.8
M30-3	30 : 55 : 15	32.3

<표 3>에서 보는바와 같이 폐Alum슬러지 함량이 증가할수록 흡수율이 증가하는 경향을 보이는 것을 알 수 있었다. 또한 같은 폐Alum슬러지 함량에서는 황토의 함량이 높을수록 흡수율이 높아지는 것을 알 수 있었다. 이는 폐Alum슬러지 함량이 높을수록 신터링시 슬러지가 회화되면서 시료 내에 기공을 형성하기 때문인 것으로 판단된다. 본 실험에서 가장 높은 흡수율을 보인 시료는 M30-3로서 32.3%의 흡수율을 보였으며, 가장 낮은 흡수율을 보인 시료는 M5-2로서 18.2%의 흡수율을 보였다. 그러나 앞의 강도 측정실험에서 M30-3의 Media 경우 낮은 강도를 보였기 때문에 M30-3은 흡수율은 좋으나 강도가 많이 떨어지는 것을 알 수 있었다.

[투수도 측정]

투수(透水)는 시료 조직내 간극(void)을 통하여 흐르는 물의 흐름을 말하며, 투수도 측정 시험방법으로는 10cm × 10cm × 12cm 틀에 시료를 배치하고, 시료 상부에 물 500㎖을 넣어 10분 간 시료를 통과하는 물의 양을 메스실린더를 이용하여 측정 하였다.

[환경안정성 평가를 위한 중금속 용출 시험]

폐기물공정시험법(용출시험방법)에 따라 KLT 용출시험을 시행하였다. 즉, 시료를 입경 5mm이하가 되도록 분쇄한 후, 이를 증류수에 염산을 가하여 만들어진 pH 5.8-6.3의 용액에, 시료:용매 = 1 : 10(w : v)의 비율로 혼합하였다. 그 다음 20℃, 200rpm에서 6hr동안 연속 진탕 후, 고액분리를 위하여 원심분리기에 넣어 3000rpm으로 20분간 원심분리 하였여 고액 분리하였다.

고액분리 후 상등액을 채취하여 Membrane Filter를 이용하여 여과 후 원자흡광광도계(Varian, AA 240 FS)를 사용하여 Cd, Cu, Pb, Al 및 As의 농도를 측정하였다.

[표면 및 내부의 형상 측정]

제조된 시료의 표면 및 내부의 형상을 알아보기 위하여 박편을 제작 하였다. 박편 제작을 위하여 60± 5℃에서 24시간 건조 후 전처리를 실행하였다. 전처리로서 백금을 통한 코팅을 실시하였다. 상기 과정을 통해 박편을 제작한 후 전계방사형 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope : FE-SEM, S-4800+EDS(HORIBA : EX-250), Japan)을 이용하여 M5-1, M10-3, M15-3, M20-1의 내부 조직을 관찰하였다.

시료의 표면 및 내부의 형상을 촬영한 아래 영상을 살펴보면 슬러지 비율이 증가할수록 표면 및 내부 결합 구조가 좋아지는 것을 볼 수 있었다. 또한 시료내 기공이 커지고 증가하며, 표면 및 결합 구조가 복잡하게 형성되어 있는 것을 볼 수 있었다. 이는 슬러지 비율이 증가할수록 신터링과정을 통하여 시료 내 슬러지가 회화되면서 기공을 크게 형성하고, 기공의 수 또한 증가하기 때문인 것으로 판단된다. 폐Alum슬러지 비율이 15%인 시료와 20%인 시료의 경우 기공의 크기와 분포가 다른 시료들에 비해 뚜렷이 구별된다. 그러나 폐Alum슬러지 비율이 20%인 시료는 15%인 시료 보다 기공의 크기는 크지만 표면 및 결합 구조가 다소 약하고 거칠었다.

상기한 모든 실험을 통해 각 시료에 대한 압축강도, 흡수율, 투수성, 중금속용출, 전자현미경을 이용한 형상분석을 종합한 결과, 폐Alum슬러지 : 황토 : 점토의 혼합비가 15 : 65 : 20 일 때 가장 우수한 성적을 나타냄을 알 수 있다. 상기 혼합비를 갖는 시료에 있어서, 압축강도는 438 ㎏/㎟, 흡수율은 흡수율은 26.3%이었고, 중금속용출은 Cd, Cu, Pb, Al 및 As 항목에 대하여 모두 기준치 이하로 나타났으며 SEM을 통한 형상분석 결과 기공성 가장 뛰어난 것으로 나타났다.

<성능평가>

한편, 상기한 과정을 통해 제작된 본 실시예의 폐Alum슬러지를 이용한 인 제거용 여과재의 성능을 평가해 보았다.

(1) 여재

본 실시예의 여과재와, 일반적으로 효율이 좋다고 알려진 여과재로서, 모래와 패각분말(Oyster shell sand, 굴껍질을 갈아 알갱이 형태로 만든것)과 고로슬래그(Blast furnace slag)를 각각 실험용 컬럼에 충진하였다.

상기 본 실시예의 여과재(이하, 다른 여과재와의 구분을 위해 Alum여과재라 칭함)는 구 형태로 성형하되, 그 크기는 입경이 28mm인 대(大), 입경이 14mm인 중(中), 입경이 0.7mm인 소(小)로 하였다.(Photo 4 참조)

Photo 1, Alum여과재의 크기별 비교

한편 모래는 K시 소재의 골재상에서 판매하는 것을 사용하였고, 고로슬러그는 G시에 소재한 슬래그 가공 판매 회사에서 구하였다. 또한 패각분말은 K시 어판장에서 굴패각을 회수하여 실험실에서 분쇄하였다.

상기한 모든 여재는 증류수로 3회 이상 세척 후 건조하여 사용하였으며, 특히 패각분말의 경우 염분을 제거하기 위하여, 패각을 흐르는 물에 3일간 담가놓은 후 꺼내어 증류수로 세척한 후 파쇄하였다.

또한 상기 모래와 패각분말과 고로슬러그의 유효입경(d10)은 각각 0.09mm, 0.14mm 및 2.22 mm이었으며, 균등계수(d60/d10)는 1.61～3.16 범위이었다. 인공습지에서 하수투수에 적합한 균등계수가 5 이하여야 되는데, 모든 여재가 상기 기준을 만족하고 있음을 확인하였다.

(2) 실험장치

본 실험에 이용된 장치의 개략적인 구조를 아래 그림 1에 나타내었다. 그림 1에서 도시한 각 칼럼은 내경이 30mm이고 높이가 500mm의 아크릴 관으로서, 총용량은 약 0.35 L(유효용량 약 0.32 L)이었다.

그림 1. Schematic diagram of the column experimental apparatus.

상기 각 칼럼은 총 6개로서, 좌측 3개(C-1,C-2,C-3)의 컬럼에는 상기 Photo 4에 보이는 Alum여과재를 크기별로 200g씩 Column 채웠고, C-4에는 모래, C-5에는 패각분말, C-6에는 고로슬러그를 각각 200g 씩 채웠다. 또한, 컬럼테스트에 이용된 인 표준용액은 KH₂PO₄로서 10mgPO₄-P/L로 제조하여 사용 하였으며, 정량펌프를 이용하여 0.33L/day(HRT 12hr)를 Column 하부로부터 상향류 식으로 주입하였다. 또한, 여재 종류별 인 흡착특성 실험은 20± 1℃, 습도 50± 1%로 유지되는 항온항습실에서 수행하였다.

(3)분석방법

시료(Alum여과재와, 나머지 시료를 통과한 용액)의 채취는 12시간 간격으로 하였으며, 채수된 시료는 즉시 수소이온농도(pH), 전기전도도(Electrical Conductivity, EC)를 측정하였으며, PO₄-P의 함량은 Ascorbic Acid Method로 분석하였다. 분석방법은 수질오염공정시험방법(환경부, 1995) 및 Standard Method(APAH 19th ed., 1995)에 준하였다.

(4) 결과

컬럼 반응조 운전기간에 따른 각 여재별 유출수 내 인산염 인의 농도를 아래 그래프1에 나타내어 놓았으며, 컬럼 반응조의 파과점(Break Point)을 살펴보았다.

그래프1에 나타난 바와 같이 모래와 패각분말을 충전한 C-4 및 C-5 컬럼 반응조는 운전 시작 후 인산염 인 농도가 급격히 증가하는 것을 볼 수 있었다.

이에 비해, C-1, C-2, C-3 컬럼 반응조는 본 연구가 진행되는 40일 동안 유출수 내 인 농도가 7.1, 4.7, 3.8mg/L로 측정되어 파과점에 도달하지 않은 것을 알 수 있었다.

특히 고로슬래그를 충전한 C-6 컬럼 반응조의 경우 운전 시작 후 약 1일로, 시작과 동시에 흡착이 끝나는 것을 알 수 있었다.

그래프 1. Variation of PO₄-P in effluent concentration at different filter media in column.

유출수 내 인산염 인 농도가 약 10mg/L로 측정되어 흡착능력을 상실했다고 판단되는 시점은 C-5 컬럼 반응조의 경우는 12일, C-4는 3일, C-6은 1일로 고로슬래그를 충전한 경우 운전 시작과 동시에 흡착이 끝나는 것을 알 수 있었다.

본 실시예의 Alum여과재를 충전한 C-1, C-2, C-3의 컬럼 반응조는 실험이 진행되어진 40일 기간 동안도 계속적으로 흡착이 진행되고 있어 파과점에 도달하지 않아 다른 조성의 메디아 보다 인 흡착능이 훨씬 더 크다는 것을 알 수 있었다.

각 여재의 인산염 인 총 처리량을 알아보고자 40일 동안 유입된 인산염 인의 총 유입량에서 총 유출량을 제외한 량으로 계산한 결과 아래 그래프 2와 같이 나타났다.

그래프 2. Adsorbed PO₄-P in filter media for 40 days.

실험 40일 동안 주입된 인산염 인의 총 유입량은 1320mg PO₄-P였으며, C-1, C-2, C-3의 처리량은 415.8 mgPO₄-P/kgmedia, 732.6 mgPO₄-P/kgmedia, 858.0 mgPO₄-P/kgmedia으로 총 주입량 대비 31.5%, 55.5% 65%의 인산염 인을 처리해 다른 여재에 비하여 가장 많은 처리량을 보인 것으로 나타났다. 특히 Alum여과재에 있어서, 입경의 크기에 따른 성능의 차이를 알 수 있었다. 즉, 크기가 작을수록 총 처리량이 증가하였다.

패각분말, 모래, 고로슬래그의 총 처리량은 각각 97.4 mgPO₄-P/kgmedia, 31.4 mgPO₄-P/kgmedia 및 3.3 mgPO₄-P/kgmedia으로 나타났다. 이를 총 주입량에 대해 처리된 양의 비율로 환산하면 각각 약 7.4%, 2.4% 및 0.3%의 인산염 인을 처리한 것으로, 본 실시예의 Alum여과재 비해 매우 적은 양의 인을 처리한 것을 알 수 있었다.

본 실험에서 사용된 여재중 인산염 인을 제거하는데 Alum여과재가 가장 뛰어난 여재임을 알 수 있었으며, 크기도 인 제거에 영향을 미쳐 크기가 작으면 작을수록 더욱더 효과적인 것을 알 수 있었다.

또한, 컬럼 실험에 따른 여재들의 pH 변화는 아래 그래프 3과 같이 나타났다.

그래프 3. Variation of pH in effluent at different filter media in column.

유입수의 pH 경우 약 5.40으로 나타났는데, 위의 그래프에서 보는바와 같이 여재 종류별 반응조 운전시간 경과에 따른 유출수 내 pH 변화특성을 살펴보면, 운전 초기에 Alum여과재의 경우 7.16, 7.25, 7.30으로 나온 반면 패각분말 및 고로슬래그의 경우 약 8.89와 8.52로 가장 높게 나타나는 것을 알 수 있었다. 그러나 그 이후 비교적 급격하게 감소하기 시작하여 두 여재 모두 반응조 운전 시작 약 5일 이후부터는 완만하게 감소하는 것으로 나타났다.

위 그래프 3에 나와 있는 바와 같이, 패각분말 및 고로슬래그의 경우 Ca 함량이 다른 여재에 비해 매우 높아 처리수의 pH를 과도하게 높일 수 있어 인공습지 내 미생물이나 수생식물의 생육에 저해를 줄 수 있기 때문에 여재에 따른 유출수 pH 변화를 살펴보았다.

패각분말은 약 94%가 CaCO₃이며, CaCO₃가 물에 용해되어 HCO₃-와 OH-를 생성시킨다. 이로 인해 유출수의 pH를 증가시킨 것으로 판단된다. 또한 고로슬래그 내에 함유된 유리석회(Free CaO)로 인해 처리수의 pH를 약 11 ~ 13정도로 높일 수 있다.

Alum여과재의 경우 패각분말 및 고로슬래그에 비해 약간 낮은 pH 값을 나타내어, 인공습지 내 미생물이나 수생식물의 생육에 주지 않는 pH 결과를 나타내었다.

결국, 칼럼실험을 통해 본 실시예의 폐Alum슬러지를 이용한 인 제거용 여과재가, 다른 여재들에 비하여 뛰어난 성능을 나타내었음을 확인할 수 있었다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정하지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

11:인공습지 13:방류수
15a,15b,15c:여과재 17:바스켓

Claims

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폐수가 통과하는 유동경로에 설치되어 폐수내의 오염물질을 제거하는 것으로서, 폐Alum슬러지와 무기물을 혼합하여 성형 제작되며,
상기 무기물은, 황토 및 점토이고,
상기 폐Alum슬러지와 황토와 점토로 이루어진 혼합물에 있어서 폐Alum슬러지의 함량은 10-20 중량%이고, 황토의 함량은 60-70 중량%이고, 점토의 함량은 15 내지 25 중량%인 것을 특징으로 하는 폐Alum 슬러지를 이용한 인 제거용 여과재.
제 3항에 있어서,
상기 여과재는, 구 또는 다면체의 형태를 취하는 것을 특징으로 하는 폐Alum 슬러지를 이용한 인 제거용 여과재.
수처리장에서 얻은 폐Alum슬러지를 함수율 10% 이하로 건조시키는 폐Alum슬러지건조단계와;
상기 폐Alum슬러지건조단계를 통해 함수율 10% 이하로 건조된 폐Alum슬러지에 황토와 점토를 가하여 혼합하고 반죽하는 혼합 및 반죽단계와;
상기 혼합 및 반죽단계를 마친 혼합물을 원하는 형상으로 성형하는 성형단계와;
상기 성형단계를 통해 얻은 성형물을 실온에서 20시간 이상 건조시키는 1차건조단계와;
상기 1차건조단계를 마친 성형물을 오븐에 넣고 100℃이상의 온도로 2시간 이상 건조시키는 2차건조단계와;
상기 2차건조단계를 마친 성형물을 전기로에서 850℃ 내지 950℃의 온도로 가열하여 소결시키는 신터링단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인 제거용 여과재 제조방법.
제 5항에 있어서,
상기 혼합물에 있어서 폐Alum슬러지의 함량은 10-20 중량%이고, 황토의 함량은 60-70 중량%이고, 점토의 함량은 15 내지 25 중량%인 것을 특징으로 하는 인 제거용 여과재 제조방법.
제 5항에 있어서,
상기 혼합 및 반죽단계시, 혼합물에 대한 10 내지 20 중량퍼센트의 물을 가하는 것을 특징으로 하는 인 제거용 여과재 제조방법.
제 5항에 있어서,
상기 2차건조단계의 진행시간은 120분 내지 130분인 것을 특징으로 하는 인 제거용 여과재 제조방법.
제 5항에 있어서,
상기 신터링단계시 진행되는 가열시간은 50분 내지 70분인 것을 특징으로 하는 인 제거용 여과재 제조방법.