KR101895599B1 - 환원제를 이용한 폐수 내 질소산화물의 제거방법 - Google Patents

환원제를 이용한 폐수 내 질소산화물의 제거방법 Download PDF

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Abstract

개시된 내용은 환원제를 이용한 폐수 내 질소산화물의 제거방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 집수조에 집수된 질소산화물이 함유된 폐수를 반응조로 이송하는 폐수이송단계, 상기 폐수이송단계를 통해 폐수가 이송된 반응조에 환원제를 투입하고 반응시키는 환원제반응단계, 상기 환원제반응단계를 통해 생성된 혼합물을 침전조로 이송하여 혼합물에 함유된 침전물을 침전시키는 침전단계 및 상기 침전단계를 통해 침전물이 제거된 혼합물을 방류조로 이송한 후에 방류하는 방류단계로 이루어지며, 상기 환원제는 황화나트륨 또는 황화수소나트륨으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어진다.
상기의 과정을 통해 이루어지는 폐수 내 질소산화물의 제거방법은 환원제로 사용되는 황화나트륨 또는 황화수소나트륨을 통해 폐수 내에 질산성 질소산화물을 안정적으로 제거할 수 있으며, 반응온도에 크게 영향을 받지 않아 사계절 내내 일정한 탈질효과를 나타낸다.

Description

환원제를 이용한 폐수 내 질소산화물의 제거방법 {METHOD FOR REMOVING NITRO-OXIDES IN WASTE WATER USING REDUCTION AGENT}
개시된 내용은 환원제를 이용한 폐수 내 질소산화물의 제거방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 환원제로 사용되는 황화나트륨 또는 황화수소나트륨을 통해 폐수 내에 질산성 질소산화물을 안정적으로 제거할 수 있으며, 반응온도에 크게 영향을 받지 않아 사계절 내내 일정한 탈질효과를 나타내는 환원제를 이용한 폐수 내 질소산화물의 제거방법에 관한 것이다.
최근 하·폐수내에서 발견되는 성분과 관련하여, 과학적 지식이 증가하고 환경 감시(environmental monitoring)가 엄격해짐에 따라 처리 유출수의 배출 허용 기준이 갈수록 강화되고 있다. 또한, 유기물, 부유 고형물, 질소 및 기타 특정 독성물질 등이 여러 분야의 하폐수에 포함되어 있기 때문에 통상의 재래식 2차 처리 공정들로는 배출허용기준을 만족시킬 수 없다. 한편, 수자원이 한정된 미국의 일부지역에서는 하수의 재활용이 수자원 계획의 중요한 요소가 되고 있다.
질산염을 질소가스로 변환시켜 질소를 제거하는 것은 생물학적으로 준혐기성상태에서 일어난다. 이 과정이 탈질화(denitrification)로 알려져 있다. 쉽게 제거가능한 형태로의 질산성 질소의 변환은 여러종의 세균에 의하여 이루어지며, 아크로모박터(Achromobacter), 에어로박터(Aerobacter), 알카리제네스(Alcaligenes), 바실루스(Bacillus), 브레브박테리움(Brevbacterium), 플라보박테리움(Flavobacterium), 슈도모나스(Pseudomonas), 마이크로코커스(Micrococcus), 프로테우스(Proteus) 및 스피리륨(Spirillum) 등을 들 수 있다. 이들 세균은 자가 영양미생물로 질산염 환원의 2단계 대사경로를 거친다. 첫 번째 단계는 질산염이 아질산염으로의 변환이며, 두 번째 단계는 산화질소(nitric oxide), 아질산화 질소(nitrous oxide) 및 질소 가스가 생성된다.
폐수중의 총질소 성분 중 질산성 질소는 NO2-나 NO3-형과 암모니아성 질소인 NH4 +-N 형으로 나눌 수 있는데, 질소는 부영양화를 일으켜 적조와 녹조 등의 원인 물질로서 고도처리 기술이 요구된다.
이 중에서 산업계에서 발생하는 질산성 질소의 경우 상기와 같은 생물학적 처리방법을 이용하는 경우에 배출허용 기준치를 만족시키기 어려우며, 계절적인 요인에 의한 질소물질 제거효율이 급격한 차이를 보이는 문제점이 있었다.
한국특허등록 제10-0436043호(2004.06.03) 한국특허등록 제10-1000284호(2010.12.06)
개시된 내용은 환원제로 사용되는 황화나트륨 또는 황화수소나트륨을 통해 폐수 내에 질산성 질소산화물을 안정적으로 제거할 수 있으며, 반응온도에 크게 영향을 받지 않아 사계절 내내 일정한 탈질효과를 나타내는 환원제를 이용한 폐수 내 질소산화물의 제거방법을 제공하는 것이다.
하나의 일 실시예로서 이 개시의 내용은 집수조에 집수된 질소산화물이 함유된 폐수를 반응조로 이송하는 폐수이송단계, 상기 폐수이송단계를 통해 폐수가 이송된 반응조에 환원제를 투입하고 반응시키는 환원제반응단계, 상기 환원제반응단계를 통해 생성된 혼합물을 침전조로 이송하여 혼합물에 함유된 침전물을 침전시키는 침전단계 및 상기 침전단계를 통해 침전물이 제거된 혼합물을 방류조로 이송한 후에 방류하는 방류단계로 이루어지며, 상기 환원제는 황화나트륨 또는 황화수소나트륨으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 환원제를 이용한 폐수 내 질소산화물의 제거방법에 대해 기술하고 있다.
바람직하기로는, 상기 환원제반응단계는 상기 폐수 100 중량부 대비 환원제 300 내지 10000 중량부를 투입하여 이루어질 수 있다.
더 바람직하기로는, 상기 환원제반응단계에서는 상기 반응단계에서 발생한 황화수소 가스를 상기 반응조에 연결된 스크러버 내에 수산화나트륨과 반응시켜 상기 반응조로 회수하는 황화수소회수단계가 더 진행될 수 있다.
더욱 바람직하기로는, 상기 침전단계에서는 상기 침전단계에서 발생된 침전물을 상기 침전조에 연결된 슬러지 저장조로 이송한 후에 필터프레스로 여과하여 생성된 여과액을 상기 침전조로 회수하는 여과액회수단계가 더 진행될 수 있다.
이상에서와 같은 환원제를 이용한 폐수 내 질소산화물의 제거방법은 환원제로 사용되는 황화나트륨 또는 황화수소나트륨을 통해 폐수 내에 질산성 질소산화물을 안정적으로 제거할 수 있으며, 반응온도에 크게 영향을 받지 않아 사계절 내내 일정한 탈질효과를 나타내는 탁월한 효과를 나타낸다.
도 1은 개시된 환원제를 이용한 폐수 내 질소산화물의 제거방법을 나타낸 공정도이다.
도 2는 개시된 일 실시예에 따른 환원제를 이용한 폐수 내 질소산화물의 제거방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 개시된 다른 실시예에 따른 환원제를 이용한 폐수 내 질소산화물의 제거방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 개시된 또 다른 실시예에 따른 환원제를 이용한 폐수 내 질소산화물의 제거방법을 나타낸 순서도이다.
도 5는 개시된 또 다른 실시예에 따른 환원제를 이용한 폐수 내 질소산화물의 제거방법을 나타낸 순서도이다.
이하에는, 본 발명의 바람직한 실시예와 각 성분의 물성을 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
개시된 환원제를 이용한 폐수 내 질소산화물의 제거방법은 집수조(100)에 집수된 질소산화물이 함유된 폐수를 반응조(200)로 이송하는 폐수이송단계(S101), 상기 폐수이송단계(S101)를 통해 폐수가 이송된 반응조(200)에 환원제를 투입하고 반응시키는 환원제반응단계(S103), 상기 환원제반응단계(S103)를 통해 생성된 혼합물을 침전조(300)로 이송하여 혼합물에 함유된 침전물을 침전시키는 침전단계(S105) 및 상기 침전단계(S105)를 통해 침전물이 제거된 혼합물을 방류조(400)로 이송한 후에 방류하는 방류단계(S107)로 이루어지며, 상기 환원제는 황화나트륨 또는 황화수소나트륨으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어진다.
상기 폐수이송단계(S101)는 집수조(100)에 집수된 질소산화물이 함유된 폐수를 반응조(200)로 이송하는 단계로, 공장의 생산시설 등에서 발생하는 질소산화물이 함유된 폐수에 함유된 질소산화물의 함량을 총질소(T-N) 연속자동측정기로 측정한 후에 교반장치가 구비된 반응조(200)로 이송하는 단계다.
이때, 상기 집수조(100)의 용량이나 형태는 특별이 한정되지 않고, 폐수를 집수할 수 있는 종래에 집수조라면 어떠한 것이든 사용가능하며, 상기 반응조(200)의 일측에는 환원제가 투입될 수 있는 시설이 구비되는 것이 바람직하다.
상기 환원제반응단계(S103)는 상기 폐수이송단계(S101)를 통해 폐수가 이송된 반응조(200)에 환원제를 투입하고 반응시키는 단계로, 상기 폐수이송단계(S101)를 통해 유입된 폐수 100 중량부 대비 환원제 300 내지 10000 중량부를 투입하여 이루어지는데, 환원제의 함량은 상기 폐수이송단계(S101)에서 총질소(T-N) 연속자동측정기를 통해 측정한 폐수 내 질소산화물의 함량에 따라 상기에 기재된 범위 내에서 가변적이다.
이때, 상기 환원제는 황화나트륨 및 황화수소나트륨으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 반응조(200)로 환원제를 투입하는 과정은 정량펌프나 유량컨트롤 밸브 등을 통해 이루어지며, 황화나트륨 및 황화수소나트륨으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 환원제는 환원력이 매우 높아 이온화된 중금속의 환원제로 많은 공정에 사용되고 있는데, 특히 질소산화물 제거 공정에도 충분한 환원력을 발휘하기 때문에, 폐수 내에 함유된 질소산화물을 효율적으로 제거할 수 있다.
상기와 같이 폐수 내에 함유된 질소산화물과 환원제의 성분으로 사용되는 황화나트륨 및 황화수소나트륨의 반응식 1 내지 4를 아래에 나타내었다.
<반응식 1>
2NO2 - + 2NaHS + 1/2O2 → N2↑ + Na2SO4 + H2O
<반응식 2>
2NO3 - + 2NaHS → N2↑ + Na2SO4 + H2O
<반응식 3>
2NO2 - + Na2S → N2↑ + Na2SO4
<반응식 4>
2NO3 - + Na2S → N2↑ + Na2SO4 + O2↑
상기 폐수 100 중량부 대비 환원제의 함량이 300 중량부 미만이면, 투입된 환원제와 폐수 내에 질소산화물이 반응할 수도 있지만, 폐수 내에 함유된 다른 성분들과 환원제가 반응할 수도 있기 때문에 질소산화물의 제거효율성이 저하되며, 상기 환원제의 함량이 10000 중량부를 초과하게 되면, 질소산화물의 제거효율성은 크게 향상되지 않으면서 제거과정의 비용이 지나치게 향상된다.
이때, 상기 반응조(200) 내에 pH는 0 내지 6이 바람직하며, 반응시간은 60초 이상 이루어지는 것이 더욱 바람직하고, 반응조(200)에 ORP컨트롤을 통해 환원조건을 유지하는데, 산화환원전위가 -200 내지 -800mV를 유지하는 것이 바람지하다.
상기 반응조(200)의 pH가 6을 초과하게 되면 중성이나 알칼리성을 나타내기 때문에 폐수에 대한 환원제의 반응률이 저하되며, 상기 반응시간이 60초 미만이면 폐수에 함유된 질소산화물에 대한 환원제의 반응률이 저하된다.
또한, 상기 환원제반응단계(S103)에서는 상기 환원제반응단계(S103)에서 발생한 황화수소 가스를 상기 반응조(200)에 연결된 스크러버(210) 내에 수산화나트륨과 반응시켜 상기 반응조(200)로 회수하는 황화수소회수단계(S103-1)가 더 진행될 수도 있는데, 더욱 상세하게는 상기 환원제반응단계(S103)를 통해 반응조(200) 내에서 폐수와 환원제의 반응을 통해 발생하는 황화수소 가스는 상기 반응조(200)에 연결된 스크러버(210)로 회수된 후에 스크러버(210) 내에 수산화나트륨과 반응하여 황화수소나트륨으로 전환된 후에 상기 반응조(200)로 회수되는데, 상기와 같이 스크러버(210) 내에 수산화나트륨과 반응하여 생성된 황화수소나트륨을 반응조(200)로 회수하여 반응의 환원제로 사용하게 되면, 공정비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 인체에 유해한 황화수소 가스를 제거할 수 있게 된다.
상기 황화수소회수단계의 반응을 아래 반응식 5에 나타내었다.
<반응식 5>
NaOH + H2S → NaHS + H20
이때, 상기 스크러버(210) 내에 pH는 9.5 이상의 알칼리성을 유지하도록 하며, 액체와 기체의 비율(L/G)은 3 이상이 바람직한데, 상기와 같은 pH를 나타내는 스크러버(210)는 반응조(200)에서 유입된 황화수소 가스의 포집효율성이 향상된다.
상기 침전단계(S105)는 상기 환원제반응단계(S103)를 통해 생성된 혼합물을 침전조(300)로 이송하여 혼합물에 함유된 침전물을 침전시키는 단계로, 상기 환원제반응단계(S103)를 통해 생성된 혼합물을 침전조(300)로 이송하여 1 내지 5시간 동안 방치하는 과정을 통해 침천물을 침전시키는 과정으로 이루어진다.
이때, 침전조(300)의 pH는 6 내외를 유지하도록 하는 것이 바람직하며, 상기 침전단계에서 반응물의 침전시간이 1시간 미만이면 침전물의 침전이 제대로 진행되지 않고, 상기 침전시간이 5시간을 초과하게 되면 친전물의 침전이 완료된 후에도 방치하는 과정을 진행하는 것으로 바람직하지 못하다.
또한, 상기 침전단계(S105)에서는 상기 침전단계(S105)에서 발생된 침전물을 상기 침전조(300)에 연결된 슬러지 저장조(310)로 이송한 후에 필터프레스(311)로 여과하여 발생된 여과액을 상기 침전조(300)로 회수하는 여과액회수단계(S105-1)가 더 진행될 수도 있는데, 더욱 상세하게는 상기 침전단계(S105)에서 발생된 침전물을 상기 침전조(300)에 연결된 슬러지 저장조(310)로 이송한 후에 관형정밀여과장치(MF)가 구비된 필터프레스(311)를 이용하여 5 내지 7kgf의 압력으로 여과하고, 여과액은 상기 침전조(300)로 회수하고, 걸러진 고형분(황산나트륨, 황산구리, 황산제2철, 황산제1철 등)은 회수하여 재활용하거나, 매립 및 소각 등의 과정을 통해 폐기처분하게 된다.
상기의 과정으로 이루어지는 침전단계(S105)의 침전과정과 여과액회수단계(S105-1)의 여과과정이 진행되면, 폐수 내에 질소산화물의 함량이 월등하게 줄어들게 된다.
상기 방류단계(S107)는 상기 침전단계(S105)를 통해 침전물이 제거된 혼합물을 방류조(400)로 이송한 후에 방류하는 단계로, 상기 침전단계(S105)를 통해 질소산화물이 제거된 반응물을 방류조(400)로 이송한 후에 총질소(T-N) 측정기로 질소산화물의 함유량을 측정하고, 기준치 이하를 만족하는 경우에 자연으로 배출하는 과정을 통해 이루어진다.
이하에서는, 개시된 환원제를 이용한 폐수 내 질소산화물의 제거방법 및 질소산화물의 제거효율을 실시예를 들어 설명하기로 한다.
<실시예 1>
집수조에 집수된 질소산화물이 함유된 폐수(질소산화물 19.5mg/L 함유)를 교반기가 구비된 반응조로 이송하고, 반응조로 이송된 폐수 100 중량부에 환원제(황화수소나트륨) 300 중량부를 투입하고 150rpm의 속도로 120초 동안 반응시킨 후에, 반응물을 침전조로 이송한 후에 3시간 동안 침전시키고, 상등수를 방류도로 이송시키는 과정으로 폐수 내에 함유된 질소산화물을 제거하였다.
<실시예 2>
상기 실시예 1과 동일하게 진행하되, 환원제의 함량을 600 중량부로 하여 폐수 내에 함유된 질소산화물을 제거하였다.
<실시예 3>
상기 실시예 1과 동일하게 진행하되, 환원제의 함량을 2000 중량부로 하여 폐수 내에 함유된 질소산화물을 제거하였다.
<실시예 4>
상기 실시예 1과 동일하게 진행하되, 환원제의 함량을 10000 중량부로 하여 폐수 내에 함유된 질소산화물을 제거하였다.
상기 실시예 1 내지 4를 통해 방류조로 이송된 반응물에 함유된 질소산화물의 함량을 측정하여 아래 표 1에 나타내었다.
(단, 반응물에 함유된 질소산화물의 함량은 총질소 측정기를 이용하여 측정하였다.)
<표 1>
Figure 112017057420640-pat00001
위에 표 1에 나타낸 것처럼, 본 발명의 실시예 1 내지 4와 같이 환원제로 황화수소나트륨을 사용하게 되면 폐수 내에 함유된 질소산화물의 제거효율이 우수한 것을 알 수 있다.
따라서, 환원제를 이용한 폐수 내 질소산화물의 제거방법은 환원제로 사용되는 황화나트륨 또는 황화수소나트륨을 통해 폐수 내에 질산성 질소산화물을 안정적으로 제거할 수 있으며, 반응온도에 크게 영향을 받지 않아 사계절 내내 일정한 탈질효과를 나타낸다.
S101 ; 폐수이송단계
S103 ; 환원제반응단계
S103-1 ; 황화수소회수단계
S105 ; 침전단계
S105-1 ; 여과액회수단계
S107 ; 방류단계
100 ; 집수조
200 ; 반응조
210 ; 스크러버
300 ; 침전조
310 ; 슬러지 저장조
311 ; 필터프레스
400 ; 방류조

Claims (4)

  1. 집수조에 집수된 질소산화물이 함유된 폐수를 반응조로 이송하는 폐수이송단계;
    상기 폐수이송단계를 통해 폐수가 이송된 반응조에 환원제를 투입하고 반응시키는 환원제반응단계;
    상기 환원제반응단계를 통해 생성된 혼합물을 침전조로 이송하여 혼합물에 함유된 침전물을 침전시키는 침전단계; 및
    상기 침전단계를 통해 침전물이 제거된 혼합물을 방류조로 이송한 후에 방류하는 방류단계;로 이루어지며,
    상기 환원제반응단계는 상기 폐수 100 중량부 대비 환원제 300 내지 10000 중량부를 투입하여 이루어지고,
    상기 환원제는 황화나트륨 또는 황화수소나트륨으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지며,
    상기 침전단계에서는 상기 침전단계에서 발생된 침전물을 상기 침전조에 연결된 슬러지 저장조로 이송한 후에 필터프레스로 여과하여 발생된 여과액을 상기 침전조로 회수하는 여과액회수단계가 더 진행되는 것을 특징으로 하는 환원제를 이용한 폐수 내 질소산화물의 제거방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 환원제반응단계에서는 상기 반응단계에서 발생한 황화수소 가스를 상기 반응조에 연결된 스크러버 내에 수산화나트륨과 반응시켜 상기 반응조로 회수하는 황화수소회수단계가 더 진행되는 것을 특징으로 하는 환원제를 이용한 폐수 내 질소산화물의 제거방법.
  4. 삭제
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