KR20040037742A

KR20040037742A - 오, 폐수처리용 담체 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20040037742A
Application number: KR1020020066356A
Authority: KR
Inventors: 김장규; 최상훈; 이제철; 원종필
Original assignee: 주식회사 환경비젼이십일
Priority date: 2002-10-30
Filing date: 2002-10-30
Publication date: 2004-05-07
Also published as: KR100470351B1

Abstract

본 발명은 오, 폐수처리용 담체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 생물학적 질산화·탈질 공정에서 암모니아성 질소의 이온교환 및 흡착 성능을 갖은 제올라이트와 질소제거 효율을 향상 시킬 수 있는 적절한 광물질을 혼합, 소성하여 얻은 담체 및 그 제조방법, 이 담체를 이용하여 오, 폐수를 처리하는 방법에 관한 것으로서, 담체의 원료 배합에있어, 제올라이트 60~70중량%와 보조배합원료 30~40중량%의 배합비로 혼합하여 지름 1~1.5㎝ 크기 구형으로 성형하고, 이를 3~7일간 자연건조 또는 1~3일간 적정상태로 건조시킨 다음, 각 소성로(10)(10')에서 600~850℃의 산화불로 3~7시간, 환원불로 1~4시간 각각 소성하는 것을 특징으로 한다.

Description

오, 폐수처리용 담체 및 그 제조방법 {Bioceramic Media and It's Production Method for Wastewater Treatment}

본 발명은 오, 폐수처리용 담체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 생물학적 질산화·탈질 공정에서 암모니아성 질소의 이온교환 및 흡착 성능을 갖는 제올라이트와 질소제거 효율을 향상시킬 수 있는 적절한 광물질을 혼합, 소성하여 얻은 담체 및 그 제조방법, 이 담체를 이용하여 오, 폐수를 처리하는 방법에 관한 것이다.

일반적인 오, 폐수의 생물학적 처리방법은 호기성 조건하에서 질산화 미생물 등에 의해 암모니아성 질소를 질산성 질소로 산화시키는 단계를 거친 후, 무산소 조건하에서 유기물을 전자 공여체로 하여 산화된 형태의 질소가 환원되어 제거, 처리되는 방법으로 이루어져 있다.

이와 같은 방법에서, 처리효율을 증진시키기 위한 방법으로, 분말상의 제올라이트를 호기성 반응조에 직접 투입시켜 순환시키며 처리하는 방법, 별도의 제올라이트 충진탑을 후속공정으로 설치하여 암모니아성 질소를 흡착, 제거 처리하는 방법 등이 있다.

그러나, 상기 일반적인 생물학적 처리방법은 유기물을 처리하는데 치중되어 있어, 암모니아성 질소의 제거, 처리가 효율적이지 못한 문제점이 있고, 또한 상기 제올라이트를 분말상으로 직접 투입, 처리하는 공정으로 되어 있어, 제올라이트의 지속적인 공급, 투입에 의한 처리비용의 상승 요인으로 경제적 손실은 물론이고, 폐슬러지의 발생량이 증가하는 문제점과, 상기 제올라이트 충진탑 재생에 의한 재생약품 비용 발생 등의 문제점이 있다.

또한, 섬모상 담체 등, 생물막에 의한 처리방법이 있으나, 이 경우는 미생물에 의한 유기물 처리에 치중되어 있어, 암모니아성 질소 제거효율을 기대하기 어렵다, 그리고 질산화 균을 부착 고정화하거나, 포괄 고정화하여 질소 제거를 유도하는 공정을 생각할 수도 있으나, 처리 운전상의 어려움, 고농도 암모니아성 질소 유입에 대한 충격 대응성 등의 효율적 대응이 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 이상과 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 고농도 유기성 물질의 분해와 동시에, 암모니아성 질소의 이온교환 및 생물학적 재생을 통한 질소 제거효율을 증진시키는 담체를 제공함에 있고, 이 담체의 제조 방법에 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 담체를 이용하여 고농도의 하, 폐수를 분해, 처리함과 동시에, 암모니아성 질소를 효율적으로 처리할 수 있는 방법을 제공함에 있다.

도 1은 본 발명의 오, 폐수처리에 대한 담체 제조공정 블럭도.

도 2는 본 발명의 담체를 오, 폐수처리 반응조에 적용시키는 상태를 나타낸 개략도.

도 3은 도 2에 따른 오, 폐수처리 공정에 대한 공정 블럭도.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10, 10' : 소성로 11 : 담체

20 : 충진부 21 : 공기분사구

22 : 공간부

이하, 본 발명을 첨부된 도면에 따라 상세히 설명하면, 도 1은 본 발명의 오, 폐수처리에 대한 담체 제조공정 블럭도이고, 도 2는 본 발명의 담체를 오, 폐수처리 반응조에 적용시키는 상태를 나타낸 개략도이며, 도 3은 도 2에 따른 오, 폐수처리 공정에 대한 공정 블럭도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 담체의 원료 배합에서 제올라이트 60~70중량%와 보조배합원료 30~40중량%의 배합비로 함에 있어, 상기 보조배합원료는 카올린(고령토) 40~50%, 석회석 5~10%, 도석 5~10%, 규석 2~5%, 점토 5~10%, 돌로마이트 5~10%, 옥 5~10%, 탄소 2~5%, 이산화티탄 3% 이하, 기타의 중량비로 배합, 혼합 후 지름 1~1.5㎝ 크기 구형으로 성형한다.

이를 3~7일간 자연건조 또는 1~3일간 적정상태로 건조시킨 다음, 각 소성로(10)(10')에서 600~850℃의 산화불로 3~7시간, 환원불로 1~4시간 각각 소성하여 다공성의 담체(11)를 얻는다.

이 담체(11)의 화학적 조성은 표 1과 같다.

표 1. 바이오세라믹 담체의 성분 조성

성 분	SiO₂	Al₂O₃	CaO	K₂O	Na₂O	Fe₂O₃	기타 C등
백분율(%)	64.3%	16.5%	3.28%	1.8%	2.61%	3.57%	7.94%

도 2는 상기 담체(11)를 충진하여 오, 폐수에 침지 사용되는 충진탑을 나타낸 것으로, 상기 담체(11)의 충진부(20)와 공간부(22), 공기분사구(21)가 직하방으로 구성 이루어져 있다.

이상과 같이 이루어져 구성된 본 발명을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

바이오세라믹으로 이루어진 상기 담체(11)는 표 1과 같이 산화규소(SiO₂)와 산화알루미늄(Al₂O₃)을 주성분으로 하여 NH₄ ⁺이온에 대한 이온교환 성능을 갖는다. 따라서, 오.폐수의 초기 유입 시 암모니아성 질소의 충격부하에 대한 완충작용 역할이 가능하며, 질산화가 진행됨에 따라 담체에 이온교환 된 암모니아성 질소가 탈착되면서 생물학적 재생이 이루어진다.

그림 1에 이러한 메커니즘을 도시한바, 담체의 단위 중량당 이온교환능력은 산화규소(SiO₂)와 산화알루미늄(Al₂O₃) 단위격자의 산점(acid site), 즉 알루미늄 자리(Al site)의 비율에 의존한다.

그림 1. 이온의 흡착과 재생과정

이온교환 단계 :

바이오세라믹-Na + NH₄ ⁺↔ 바이오세라믹-NH₄+ Na⁺

생물학적 재생 단계 :

바이오세라믹-NH₄+ Na⁺↔ 바이오세라믹-Na + NH₄ ⁺

NH₄ ⁺+ 2O₂→ NO₃ ^-+ 2H⁺+ H₂O

그림 2에 오,폐수 유입수의 암모니아성 질소 농도에 따라 이온교환에 의한 질산화 저해 현상을 도시하였다.

일반적으로 질산화 반응은 NH₄ ⁺-N이 NO₂ ^--N를 거쳐 NO₃ ^--N으로 되는 과정이며 탈질 반응은 무산소 조건에서 NO₃ ^--N이 질소가스(N₂) 형태로 되는 과정이다. 이러한 질소제거 과정에서 이온화되지 않은 NH₄ ⁺-N과 NO₂ ^--N은 질산화반응에 독성으로 작용하게 되는데, 프리암모니아(free ammonia)가 0.1mg/L 이하, 프리니트로우스산(free nitrous acid)이 0.2mg/L 이하에서만 완전 질산화가 가능하다고 알려져 있다.

따라서 고농도 암모니아성 질소가 유입되는 경우 바이오세라믹 담체에 의해 A 영역(질산화저해가 큰 부분)에서 B 영역으로(질산화저해가 작은 부분) 이동된다. 또한, 저농도의 암모니아성 질소가 유입되는 경우에도 C 영역에서 D 영역으로 전환되어 질산화저해를 완화시킬 수 있다.

그림 2.

일반적으로 하수의 암모니아성 질소 농도는 15∼40ppm 정도로 유입되므로 저농도의 암모니아성 질소에 대한 바이오 세라믹의 암모니아성 질소의 이온교환능이 60∼80%정도를 나타내어 일반 하수로 유입되는 암모니아성 질소에 의한 질산화 저해현상을 줄일 수 있다. 축산폐수의 경우 암모니아성 질소의 농도가 2000∼4000ppm 유입되어 바이오세라믹 담체에 의한 암모니아 이온교환능이 40∼60%정도를 보여주고 있어 고농도 암모니아성 질소에 의한 질산화 저해현상을 억제시켜 줌으로써 생물학적 질소제거 공정에 적용 가능하다.

표 3은 바이오세라믹 담체에 의한 암모니아성 질소의 이온교환능력에 의해 축산폐수의 경우 질소제거효율이 향상된 사례를 나타낸 것으로써 바이오세라믹 담체(11)를 적용한 경우에 TN 제거효율이 우수함을 알 수 있다.

표 3. 연속회분식 반응기에서 담체의 성능 비교

	유입(mg/L)	처리수 농도 (mg/L)	제거율 (%)
	유입(mg/L)	바이오세라믹담체 미투입	바이오세라믹담체 투입	바이오세라믹담체 미투입	바이오세라믹담체 투입
BOD	2840	296	129	89.5	95.4
TN	1865	516	278	72.4	85.1

표 4, 5는 바이오세라믹 담체의 배합비와 소성온도를 결정하기 위한 실험실시 결과를 나타낸 것으로서, 표 4는 제올라이트와 보조배합원료의 배합비를 바꾸어 실험한 결과를 나타낸 것이다.

실험결과 제올라이트의 비율이 커질수록 암모니아 이온교환율이 증가하는 추세가 되어 혼합비를 7:3으로 한정하였고, 소성온도에 따른 암모니아성 질소의 이온교환율은 소성온도가 900∼1000℃일 때, 암모니아성 질소의 이온교환율이 26.2로 낮게 나타났으나 소성온도를 600∼850℃로 낮추었을 때, 암모니아성 질소의 흡착율이 약 2.5배 정도 높게 나타나므로 소성온도를 600∼850℃로 하는 것이 적정하였다.

표 4. 바이오세라믹 담체의 원료 구성에 따른 성능비교

바이오세라믹 재료의 배합비율 (중량%)	소성온도(℃)	흡착율(%)
제올라이트	소성온도(℃)	흡착율(%)	보조배합원료
7	3	900∼1000	35.7
6	4	900∼1000	31.4
5	5	900∼1000	30.6

표 5. 바이오세라믹 담체의 소성온도에 따른 성능비교

바이오세라믹 재료의 배합비율 (중량%)	소성온도(℃)	암모니아성 질소 흡착율(%)
제올라이트	소성온도(℃)	암모니아성 질소 흡착율(%)	보조배합원료
7	3	1000∼1100	26.2
7	3	900∼1000	35.7
7	3	600∼850	63

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 바이오세라믹 담체를 제조하고, 이를 이용함으로 고농도 암모니아성 질소의 이온교환 및 생물학적 재생을 통한 질소 제거효율이 효율적으로 이루어지는 효과가 있고, 기존의 처리공정에도 개·보수 없이, 바로 적용 가능한 효과가 있다.

Claims

오, 폐수 처리용 담체에 있어서, 담체의 원료 배합에 대해, 제올라이트 60~70중량%와 보조배합원료 30~40중량%의 배합비로 혼합하여 지름 1~1.5㎝ 크기 구형으로 성형하고, 이를 3~7일간 자연건조 또는 1~3일간 적정상태로 건조시킨 다음, 각 소성로(10)(10')에서 600~850℃의 산화불로 3~7시간, 환원불로 1~4시간 각각 소성하는 것을 특징으로 하는 오, 폐수 처리용 담체.
제 1항에 있어서, 상기 보조배합원료는 카올린(고령토) 40~50%, 석회석 5~10%, 도석 5~10%, 규석 2~5%, 점토 5~10%, 돌로마이트 5~10%, 옥 5~10%, 탄소 2~5%, 이산화티탄 3% 이하, 기타의 중량비로 배합된 것을 특징으로 하는 오, 폐수 처리용 담체.
오, 폐수 처리용 담체의 제조방법에 있어서, 제올라이트 60~70중량%와 보조배합원료 30~40중량%의 배합비로 함에 있어, 상기 보조배합원료는 카올린(고령토) 40~50%, 석회석 5~10%, 도석 5~10%, 규석 2~5%, 점토 5~10%, 돌로마이트 5~10%, 옥 5~10%, 탄소 2~5%, 이산화티탄 3% 이하, 기타의 중량비로 배합, 혼합후 지름 1~1.5㎝ 크기 구형으로 성형하고, 이를 3~7일간 자연건조 또는 1~3일간 적정상태로 건조시킨 다음, 각 소성로(10)(10')에서 600~850℃의 산화불로 3~7시간, 환원불로 1~4시간 각각 소성하여 다공성의 담체(11)를 제조하는 것을 특징으로 하는 오,폐수 처리용 담체의 제조방법.