KR19990052863A - 고로 슬래그를 이용한 폐수중 암모니아성 질소 제거방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고로 슬래그를 이용한 폐수중 암모니아성 질소 제거 방법에 관한 것으로,
암모니아 탈기법을 이용하여 암모니아성 질소의 농도가 100ppm이상인 고농도 질소 함유 폐수를 처리하는데 있어서,
상기 폐수에 입자 크기가 1mm이하인 고로 슬래그를 최소 5g/l 이상 첨가한 다음
70℃ 이상으로 승온시키고 폭기시킨 후 탈기 처리하여 암모니아성 질소를 제거하는 단계;로 이루어지는 질소 제거 방법이 제공된다.
본 발명에 의하면, 암모니아 탈기법에 있어서, 암모니아가 다량 포함된 안수의 pH를 상승시키기 위해 첨가하는 NaOH와 Ca(OH)2를 폐기물인 고로 슬래그로 대체하여 효과적으로 암모니아성 질소를 제거할 수 있다.
Description
본 발명은 고로 슬래그를 이용한 폐수중 암모니아성 질소 제거 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폐수중에 존재하는 암모니아성 질소 성분을 폐기물인 고로 슬래그를 이용하여 적정 조건하에 제거하는 방법에 관한 것이다.
암모니아성 질소는 생활 하수 및 석유 화학 산업의 폐수에 다량 존재하는 물질로 하천 및 해양에 그대로 방류할 경우 녹조와 적조와 같은 부영양화 현상을 일으킨다.
일반적으로 암모니아성 질소를 제거하기 위하여 현재까지 알려진 물리화학적 방법으로는 암모니아 탈기법(ammonia stripping), 구분점 염화법(Breakpoint chlorination), 선택적 이온 교환법(selective ion exchange)등이 있으며, 생물학적 방법으로는 미생물에 의한 질산화 및 탈질법(nitrification and denitrification)이 있다.
이중 암모니아 탈기법은 암모니아의 상평형을 이용하여 수용액중의 암모니아를 대기중으로 날려보내는 제거 방법이다.
이를 자세히 살펴보면, 수용액상에서의 암모니아의 평형은 다음과 같다.
식(1)에서 보듯이, 수용액중의 암모니아는 NH4 +형태와 NH3형태의 두가지로 존재하며, 이 두 형태의 농도 비율은 수용액의 pH 및 온도에 의해 좌우된다. 즉 pH 9.2에서는 두 형태의 비율이 동일하게 존재하지만 9.2보다 낮은 pH에서는 NH4 +형태가 보다 많이 존재하며 이보다 높은 pH 조건하에서는 NH3형태가 많다.
온도에 의해서도 이들의 상평형은 영향을 받는데 온도가 증가할수록 pKa 값이 점차 낮아져 20℃에서는 pKa가 9.2이며, 80℃에서는 7.5부근까지 낮아지게 된다.
수용액중의 NH3형태의 암모니아는 식 2에서 보듯이 쉽게 기체로 전환되거나 또는 기체 형태에서 쉽게 수용액으로 용해된다. 특히 암모니아의 pKa값보다 높은 pH의 수용액에 공기를 아래부분에서 부터 공급시켜주면 용존된 NH3가 공기 방울에 포집된 형태로 보다 쉽게 공기중으로 방출된다.
이와 같은 암모니아 탈기법에 의하면 비교적 손쉽게 암모니아를 제거할 수 있고 슬러지 등의 부산물이 생성되지 않는다는 장점이 있다.
이와는 달리 구분점 염화법은 산화-환원 원리를 이용한 것으로 염소를 이용하여 암모니아성 질소를 염화아민(chloramine)으로 전환시키는 공정이다.
전체 반응: 2NH4 ++ 3Cl2→ N2+ 6HCl +2H+
따라서 이 반응은 염소와 암모니아가 반응하여 질소 가스와 염산으로 전환되는 공정으로 반응 시간이 단축되고 유해 세균의 소독을 동시에 수행할 수 있다는 장점이 있으나 투입하는 염소의 양이 많고 반응후 NaOH나 소석회를 사용하여 pH를 중성으로 회복시켜 주어야 하므로 경제성 측면에서 다소 불리하며, 용존 고형물이 과다하게 축적되고 잔류 염소에 의한 독성 문제를 일으킬 수 있다는 단점이 있다.
다른 방법으로서 선택적 이온 교환 수지법은 제올라이트(zeolite clinoptilolite)를 양이온 교환 수지로 사용하여 폐수중의 암모니아만을 선택적으로 분리시킨다. 그러나 이 방법은 수지의 재생과 폐기시 비용이 과다하게 소모되고 회수된 암모니아를 별도로 처리하여야 하므로 경제성 및 실용성 측면에서 불리하다.
생물학적 방법으로서 들 수 있는 미생물에 의한 질산화 및 탈질법은 미생물을 이용하여 암모니아를 아질산, 질산, 질소 성분으로 차례로 변환시켜 대기중으로 방출하는 공정으로 경제적으로 유리하며 부산물이 생성되지 않는 안전한 공정이다. 그러나 반응 속도가 느리고 넓은 부지 면적을 필요로 하는 단점이 있다.
이에 본 발명의 목적은 종래 암모니아 탈기법에 있어서, 암모니아가 다량 포함된 안수의 pH를 상승시키기 위해 첨가하는 약품 NaOH와 Ca(OH)2로 인한 경제적인 손실을 감안하여 폐기물인 고로 슬래그로 대체하는 방법을 제공하고자 한다.
도 1은 고로 슬래그를 이용하는 암모니아 탈기 장치의 구조도,
도 2는 고로 슬래그의 입자 크기에 따른 pH 상승 효과를 도시한 그래프, 및
도 3은 탈기법에 사용하기 적절한 고로 슬래그의 양을 도시한 그래프이다.
본 발명에 의하면,
암모니아 탈기법을 이용하여 암모니아성 질소의 농도가 100ppm이상인 고농도 질소 함유 폐수를 처리하는데 있어서,
상기 폐수에 입자 크기가 1mm이하인 고로 슬래그를 최소 5g/l 이상 첨가한 다음
70℃ 이상으로 승온시키고 폭기시킨 후 탈기 처리하여 암모니아성 질소를 제거하는 단계;로 이루어지는
고로 슬래그를 이용한 폐수중 암모니아성 질소 제거 방법이 제공된다.
이하, 본 발명에 대하여 설명한다.
암모니아성 질소의 농도가 100ppm이상인 고농도 질소 함유 폐수를 처리하기 위해
입자 크기가 1mm이하인 고로 슬래그를 이용한다.
본 발명에서 이용하는 고로 슬래그는 철강 생산 공정인 제선 공정에서 선철을 제조할 때 부산물로 생성되는 것으로써, 선철의 원료가 되는 철광석과 코크스중 철 이외의 불필요한 성분을 처리하기 위하여 첨가한 플럭스재(주로 석회석)가 상기 불필요한 성분과 반응하여 생성되는 광재로서 비중의 차이를 이용하여 철과 분리하게 된다.
선철과 분리, 배출된 슬래그는 약 1500℃의 고온이므로 인접한 지정 장소에서 냉각시키게 된다. 고로 슬래그의 종류로는 서냉 슬래그와 수냉 슬래그가 있으며, 이중 서냉 슬래그는 고온 슬래그를 냉각장에 모아 2-4일간 살수와 더불어 공기중에서 천천히 냉각시킨 것으로 괴상으로 존재한다.
반면, 수냉 슬래그는 고온의 슬래그를 고압하에서 다량의 냉각수로 급냉시킨 것으로 모래 모양을 이루고 있다. 이들 고로 슬래그는 고로 시멘트, 시멘트 첨가제, 파쇄골재, 비료 및 매립 등에 이용되고 있다.
상기 서냉 슬래그의 물리적 특성으로는 공냉 또는 수냉으로 초당 수-수십도의 냉각 속도로 서냉시키면 80kcal/kg의 결정화열이 방출되고 이에 따라 응고 과정에서 기포가 발생하게 된다.
이와 같이 생성된 자유 기포는 기공을 형성하며 그 기포에 대해서는 질소 가스를 주성분으로 하는 용존 가스설이 주이나, 증기화한 유황원인설도 있다. 따라서 응고 속도는 기포의 생성 및 성장 속도를 상회하는 것이 필요하다.
이들 고로 슬래그의 주성분은 CaO와 SiO2, Al2O3, MgO가 대부분이고, S, TiO2, T-Fe, MnO등이 소량 포함되어 있다. 이들은 물과 반응하여 경화하는 수경성을 가지고 있다. 슬래그의 수경성에 유용한 칼슘 성분은 그 일부가 물에 의해 Ca2+와 OH-로 이온화되기 때문에 pH를 상승시키는 역할을 한다.
고로 슬래그의 화학적 조성은 SiO232.5-35%, CaO 39.5-43.4%, T-Fe 0.3-0.76%, MgO 3.5-6.8%, MnO 0.38-0.74%, S 0.82-1.32% 및 TiO20.75-2.32%이다.
이와 같은 고로 슬래그를 사용하여 암모니아 탈기법을 수행하기 위하여 도 1에 도시된 장치를 사용한다.
상기 장치의 구조는 암모니아가 포함된 안수의 온도를 70℃ 이상으로 유지시킬 수 있는 시스템(1)과 분말화된 고로 슬래그 투입 장치(2), 탈기용 반응조(3) 및 공기 유입 장치(4)로 이루어져 있다.
상기 시스템 (1)에 분말화된 고로 슬래그 투입 장치(2)를 통하여 처리하고자 하는 폐수 1l당 최소 5g 이상의 고로 슬래그를 첨가한다. 고로 슬래그를 5g/l이하로 첨가하는 경우에는 도 3에서 보듯이, pH상승 효과가 만족스럽지 못하므로 바람직하지 않다.
또한 상기 고로 슬래그의 입자 크기는 1mm이하가 바람직하다. 도 2에서 보듯이, 입자 크기가 0.5mm이상이면, pH를 약 8까지밖에 상승시키지 못하여 기존에 사용하던 약품의 대체 효과를 얻지 못한다.
따라서 입자 크기가 1mm이하인 고로 슬래그를 폐수 1l당 최소 5g을 첨가한 다음 장치내 반응 온도를 70℃ 이상으로 상승시켜 효과적으로 pH를 상승시킨다.
전술된 바와 같이, 온도가 상승될수록 pKa값을 낮추어 암모니아성 질소가 암모니아로 전환되게 되며, 본 발명에서는 70℃이상인 것이 바람직하다.
이어서 공기 유입 장치(4)를 통해 공기를 유입시켜 암모니아성 질소를 암모니아로 전환시킨 다음 탈기용 반응조(3)에서 암모니아성 질소를 제거한다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.
실시예
도 1에 도시한 시스템(1)에 분말화된 고로 슬래그 투입 장치(2)를 통하여 고로 슬래그를 투입하였다.
이들 입자 크기가 1cm이상, 0.5mm-1cm 및 1mm이하로 분쇄된 세가지 종류의 고로 슬래그 50g을 각각 1l의 중성 폐수액에 첨가하여 30분간 교반하고 pH를 측정한 다음, 그 결과를 도 2에 도시하였다.
도 2에서 보듯이, 입자 크기가 1cm이상인 경우에는 pH가 8.12, 입자 크기가 0.5mm-1cm인 고로 슬래그를 첨가한 경우에는 pH가 8.29 그리고 입자 크기가 1mm이하로 분쇄된 고로 슬래그를 첨가한 경우에는 pH가 10.8까지 상승하였다.
따라서 암모니아 탈기 장치에 투입하는 고로 슬래그는 입자 크기가 1mm이하인 것이 바람직함을 알 수 있다.
또한 상기 분말화된 고로 슬래그를 사용할 경우 본 발명에 적용되는 적정량을 측정하기 위하여 폐수 1l당 입자 크기가 1mm인 고로 슬래그를 1g/l, 2g/l, 5g/l, 10g/l 및 20g/l를 첨가하고 온도를 70℃로 승온시킨 다음 3시간동안 체류시켜 실험한 결과, 최소 5g/l이상 첨가하는 것이 pH 상승 측면에 있어서 바람직함을 알 수 있다.
따라서 입자 크기가 1mm이하인 고로 슬래그를 폐수 1l당 최소 5g/l이상 첨가하는 것이 가장 바람직하다.
상기한 바에 따르면, 암모니아 탈기법에 있어서, 암모니아가 다량 포함된 안수의 pH를 상승시키기 위해 첨가하는 NaOH와 Ca(OH)2를 폐기물인 고로 슬래그로 대체하여 효과적으로 암모니아성 질소를 제거할 수 있다.
Claims (1)
- 암모니아 탈기법을 이용하여 암모니아성 질소의 농도가 100ppm이상인 고농도 질소 함유 폐수를 처리하는데 있어서,상기 폐수에 입자 크기가 1mm이하인 고로 슬래그를 최소 5g/l 이상 첨가한 다음70℃ 이상으로 승온시키고 폭기시킨 후 탈기 처리하여 암모니아성 질소를 제거하는 단계;로 이루어지는고로 슬래그를 이용한 폐수중 암모니아성 질소 제거 방법
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| KR1019970072394A KR19990052863A (ko) | 1997-12-23 | 1997-12-23 | 고로 슬래그를 이용한 폐수중 암모니아성 질소 제거방법 |
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Publications (1)
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| KR19990052863A true KR19990052863A (ko) | 1999-07-15 |
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| KR (1) | KR19990052863A (ko) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100306444B1 (ko) * | 1999-04-13 | 2001-09-13 | 정종수 | 하.폐수 처리용 미생물활성제 및 그 제조방법 |
| KR100342766B1 (ko) * | 2000-11-16 | 2002-07-03 | 권형기 | 고로 슬래그 또는 제강 슬래그를 포함하는 보조반응벽체를 이용한 오염물질의 정화 방법 |
| KR100829438B1 (ko) * | 2007-01-30 | 2008-05-15 | 경상대학교산학협력단 | 토양에서 메탄가스 발생을 저감하기 위한 규산질 비료조성물, 및 이를 이용하여 토양에서 메탄가스 발생을저감하는 방법 |
-
1997
- 1997-12-23 KR KR1019970072394A patent/KR19990052863A/ko not_active Application Discontinuation
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| KR100342766B1 (ko) * | 2000-11-16 | 2002-07-03 | 권형기 | 고로 슬래그 또는 제강 슬래그를 포함하는 보조반응벽체를 이용한 오염물질의 정화 방법 |
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