KR20110075378A - 철강분진을 이용한 유기물을 함유하는 폐수 처리방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 트리클로로에틸렌을 함유하는 폐수를 처리하는 방법에 관한 것으로서, 폐수중에 존재하는 유기물을 펜턴산화반응에 의해 처리하는 폐수 처리방법에 있어서, 상기 펜턴산화반응에서의 촉매로 작용하는 철이온을 공급하기 위한 원료로서 철강분진을 공급하고, 상기 철강분진과 과산화수소수를 연속적으로 공급하여 펜턴산화공정이 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 철강분진을 이용한 유기물을 함유하는 폐수 처리방법을 제공하여,
펜턴산화반응에 철함량이 40% 이상인 철강분진을 사용함으로써 종전의 황산철의 사용량을 절감하여 침전부산물의 양을 감소시키는 효과가 있고, 철강분진내에 포함되어 있는 칼슘의 함량이 낮기 때문에 유기물처리 후 응집침전공정에서 슬러지의 침강속도를 증대시킬 수 있고, 제철공장에서의 부산물인 철강분진을 재활용할 수 있는 효과가 있다.
펜턴산화반응, 고도산화처리, 유기물, 철강분진, 폐수
Description
본 발명은 폐수 중에 존재하는 유기물질을 제거하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제철공장에서의 폐기물인 철강분진을 촉매로 이용하여 펜턴산화반응에 의해 폐수중의 유기물질을 제거하는 방법에 관한 것이다.
제철공장에서는 많은 폐수가 배출되는데, 종래에는 폐수 처리 분야에서 광범위하게 적용되는 방법으로 활성슬러지 공법이 있는데, 산업폐수 및 폐기물매립장 침출수에 포함된 다량의 난분해성 유기물은 충분히 처리되지 않고 하천 및 해양에 그대로 방류할 경우 수생태계의 파괴와 더불어 부영양화 현상을 일으킨다.
최근에는 폐수내에 녹아있는 유기물을 분해하기 위한 공법으로서 펜턴산화공법이 있는데, 펜턴산화공법은 1980년대 이후 미국의 환경처(EPA; Environmental Protection Agency)를 중심으로 선진국에서는 새로운 수처리 공정으로서, 고도산화처리(AOP, Advanced Oxidation Process) 기술 개발이 주목을 받게 되었으며, 고도산화처리 공정의 핵심은 수처리에 영향을 줄 수 있을 만큼 오존보다 강력한 충분한 양의 히드록실 라디칼(ㆍOH)을 생성시켜 물속의 유기오염물질을 산화시키는데 있 다.
즉, 펜턴산화법은 산화제로 과산화수소수를 사용하고 철이온을 촉매로 사용하여 화학반응에 의해 산화력이 강력한 히드록실 라디칼(ㆍOH)을 생성시킴으로써 유기물을 산화분해시키는 고도산화법의 일종이다. 과산화수소는 화학식이 H2O2로서 매우 강력한 산화력을 가지고 있다. 수처리분야에서의 용도는 펄프 및 섬유의 표백제로 널리 사용되고 있으며 폐수처리장에서는 산소의 추가공급시 사용되며 악취를 유발하는 매립장 침출수에는 악취제거용으로 사용되고 있다.
유기물이 펜턴산화반응하는 반응식은 하기와 같다.
유기물(CpHqOrNxSy) + H2O2 + Fe2 + ---> CO2 + H2O + NH4 + SO4 + Fe3 +
그러나, 난분해성 유기물의 처리하는 펜턴산화법에서 촉매로서 종래에 사용해오던 황산철은 Fe의 유효 함량이 20%수준으로 낮기 대문에 유기물처리 후 침전되는 침전물의 발생량이 많고, 펜턴산화반응의 효율이 다소 떨어진다는 것이 단점이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 난분해성 유기물을 처리하는 펜턴산화법에서 철함량이 높은 철강분진을 사용함으로써 기존 약품대비 과다한 약품비를 절감할 수 있도록 개선하고 대부분 매립 또는 폐기처리되던 철강 부산물을 재이용하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 폐수중에 존재하는 유기물을 펜턴산화반응에 의해 처리하는 폐수 처리방법에 있어서, 상기 펜턴산화반응에서의 촉매로 작용하는 철이온을 공급하기 위한 원료로서 철강분진을 공급하고, 상기 철강분진과 과산화수소수를 연속적으로 공급하여 펜턴산화공정이 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 철강분진을 이용한 유기물을 함유하는 폐수 처리방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 과산화수소수의 양은 유기물유입부하량의 5배 이상을 첨가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 철강분진은 입자 크기가 1mm이하인 것을 특징으로 한다.
나아가, 본 발명의 철강분진은 철: 40~50중량%, 칼슘: 10~20중량%, 나머지로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 펜턴산화반응에 철함량이 40% 이상인 철강분진을 사용함으로써 종전의 황산철의 사용량을 절감하여 침전부산물의 양을 감소시키는 효과가 있고, 철강분진내에 포함되어 있는 칼슘의 함량이 낮기 때문에 유기물처리 후 응집침전공정에서 슬러지의 침강속도를 증대시킬 수 있고, 제철공장에서의 부산물인 철강분진을 재활용할 수 있는 효과가 있다.
이하에서는 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 철강분진을 이용한 펜턴산화반응을 위한 장치의 구성도, 도 2는 황산 철과 철강분진의 유기물제거 효과를 나타내는 그래프로서 페놀과 포도당과 같은 대표적 유기물질을 과산화수소를 첨가하여 산화분해 처리함에 있어서 촉매로 사용되는 황산철과 철강분진을 동일한 양을 사용한 경우의 효과를 비교한 그래프이고, 도 3은 입도에 따른 철강분진의 유기물제거 효과를 나타내는 그래프이다.
본 발명을 수행하기 위한 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 유기물을 함유하는 폐수의 유량을 조정하기 위한 유량조정조, 폐수에 철강분진과 과산화수소수를 혼합하여 펜턴산화반응이 일어나는 유기물 산화조, 과산화수소수를 유기물 산화조에 투입하기 전까지 저장하는 과산화수소수의 저장/투입장치, 분말화된 철강 분진의 투입장치로 구성된다. 또한, 30~35중량%정도의 액상 과산화수소수를 유기물을 함유하는 폐수의 농도에 따라 적당한 농도로 희석하는 과산화수소 희석단계와, 희석된 액상 과산화수소수를 유기물 산화조로 운반하여 공급하는 공급단계와 철강분진을 자(JAR)테스트에 의해 결정된 철강분진의 양으로 공급하는 공급단계로 구성된다. 상기 과산화수소수와 철강분진의 공급단계 이후에는 펜턴산화반응에 의해 생성된 히드록실 라디칼이 폐수중의 유기물을 산화하여 제거하는 단계가 수행된다. 마지막으로, 유기물을 산화시킨 산성의 처리수는 방류단계를 통해 외부로 배출되는 일련의 공정을 통해 폐수내의 유기물질을 산화분해한다.
유기물 산화에 필요한 과산화수소수 및 철강분진의 양은 자(Jar) 테스트를 거쳐 도출하게 되며 일반적으로 철강분진의 투입량은 과산화수소수 투입량의 10 ~ 30% 수준이다. 즉, 유기물산화를 위한 과산화수소의 첨가비는 유기물의 성분과 밀접하게 연관되어 있어 화학적 당량비로 산출할 수 있는데, 펜턴산화반응에 참여하 는 철은 처리대상인 유기물에 따라 과산화수소의 사용량 대비 10 ~ 30% 수준에서 사용되고 있는데, 만약, 10%미만을 공급한다면 촉매가 불충분하여 펜턴산화반응이 충분히 일어나지 않고 30%이상으로 공급한다면 펜턴산화반응의 효율의 증가가 미미하므로 더 이상의 과산화수소의 투입은 비경제적이므로 철강분진의 투입량을 10~30%로 제한한다.
본 발명에 따른 펜턴산화반응식은 하기와 같다.
일반적으로 고도산화처리 공법 중의 하나인 펜턴산화공법은 2가 철이온과 과산화수소가 반응하여 오존보다 강력한 하이드록실 라디칼(ㆍOH)을 형성하고, 이를 이용하여 폐수 중에 함유된 유기물을 산화하여, 제거함으로써 수질을 정화하는 공법이다.
고도산화공법의 일종인 펜턴산화공법은 산성의 조건에서 과산화수소수와 2가 철이온(Fe2+)이 포함되는데, 2가 철이온은 촉매 역할을 한다. 즉, 2가의 원자가를 갖는 철이 과산화수소수와 반응하여 산화되면서 오존보다 산화력이 강한 활성 하이드록실 라디칼(ㆍOH )을 형성하여 유해한 유기물을 제거하게 된다. 2가 철이온과 과산화수소가 펜턴반응의 주된 공급원이라 할 수 있다. 이와 같은 2가 철이온을 공급하기 위해 통상 황산철(FeSO4ㆍ7H2O)을 희석하여 사용하나, 본 발명에서는 이를 대체하여 철강분진을 사용함으로써 제철공장에서의 폐기물인 철강분진을 재활용하여 처리비용을 절약할 수 있다. 본 발명의 펜턴산화법에서 사용되는 펜턴시약은 과산화수소와 2가 철이온을 공급하는 철강분진의 혼합용액으로서 철강분진과 과산화수소가 반응하면 히드록실라디칼(·OH)이 생성된다. 상기 히드록실라디칼(·OH)에 의해 유기물질이 쉽게 산화분해된다.
또한, 상기 펜턴산화반응에 필요한 과산화수소수는 30~35 중량%의 농도를 갖는 액상을 사용하는데, 상기 농도가 30중량% 미만이면 부피가 증가하여 운반이 용이하지 않고, 35중량%를 초과하는 경우에는 과산화수소가 퍼옥사이드로 구성되어 있기 때문에 부주의에 의하여 폭발할 문제가 있으므로 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다.
이 때, 촉매로 쓰이는 철강분진은 Fe2 +와 Fe3 + 사이에서 순환하면서 히드록실라디칼(·OH)을 발생시켜 산화력을 유지하는 역할을 하며 주입량을 증가시킬 경우 반응 시간이 감축되는 효과가 있다.
본 발명에 사용되는 철강분진의 경우 각종 로에 투입되는 철광석, 석회석 그리고 미분탄등의 연원료에서 발생하는 것으로서 대부분 매립, 폐기처리 또는 시멘트회사에 철질 원료로 공급되고 있다. 철강분진은 통상 Fe성분이 40%이상을 함유하고 칼슘, 실리카, 알루미늄 등이 포함되어 있는데, 본 발명에서는 이와 같이 철강분진이 Fe 성분이 40~50중량% 포함된 것을 사용하며, Fe 성분은 이온형태 또는 금속형태로 존재하는데, 펜턴산화반응에 필요한 성분은 이온으로 존재하는 철 성분이 다. 만약, Fe 성분이 40%미만인 경우에는 종래의 황산철을 사용하는 것과 비교하여 큰 효율이 없다. 따라서, 본 발명에서는 Fe성분이 40%이상인 철강분진을 사용한다. 그러나, Fe 성분이 50중량%를 초과하는 경우에는 제철공장에서 재활용이 가능하므로 철 성분 손실의 원인이 되므로, Fe 성분의 함량은 40~50중량%가 바람직하다.
현재 펜턴산화법에서 사용되고 있는 철염 촉매는 황산철(FeSO4·7H2O)로서 Fe의 비율은 20%로서 철강분진을 사용하는 것이 사용량을 절감시키고 침전 부산물의 양을 감소시키는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 철강분진내에 포함되어 있는 칼슘의 함량이 10~20중량%정도인데, 칼슘은 폐수내에서 입자가 쉽게 형성되도록 하여 무겁게 함으로써 응집침전공정에서 슬러지의 침강속도를 증대시킬 수 있다. 이 때, 칼슘 성분이 10중량%미만인 경우에는 칼슘 성분의 응집제로서의 효과가 약하고, 20중량%를 초과하는 경우에는 철이온에 의한 펜턴산화반응이 완료되기 전에 침전물을 생성할 수가 있기 때문에 칼슘 성분은 10~20중량%를 함유하는 철강분진을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 철강분진 투입장치에 사용될 분진의 크기를 메쉬로 체분리하여 1mm이하인 것을 사용한다. 이는 반응속도를 증가시키기 위한 것인데, 표면적/체적의 비율이 크도록 하기 위해 철강분진의 크기를 작게 하여 반응 표면을 증가시키기 위한 것이다. 철강분진의 크기가 1mm를 초과하는 경우에는 도 3에 도시된 바와 같이, 예를 들면 10mm인 경우에는 반응효율이 떨어진다. 따라서, 본 발명에서는 1mm이하인 것을 사용하여 충분히 반응이 잘 일어나도록 하지만, 철강분말의 크기가 0.1mm, 0.5mm인 경우에도 효과상의 차이가 크지는 않다. 따라서, 1mm이하의 철강분진을 사용하면 된다.
또한, 페놀을 분해할 경우 사용되는 과산화수소수의 양은 하기의 [반응식 2]와 같은 페놀반응식에 의해 결정되는데, 본 발명에서는 페놀유입부하량(페놀의 농도 X 폐수유량)의 5배 이상을 첨가한다. 만약, 페놀유입부하량의 5배 미만을 첨가한다면 반응이 충분히 일어나지 않으므로 5배 이상을 첨가한다.
페놀과 과산화수소의 페놀반응은 하기 식과 같다.
이하에서는 본 발명의 펜턴산화반응과정에 대해 살펴본다.
먼저, 35%정도의 액상 과산화수소수를 페놀을 함유하는 폐수의 농도 즉, 페놀유입부하량에 따라 과산화수소를 희석한 다음, 희석된 액상 과산화수소수를 유기물 산화조에 공급하고, 1mm정도의 크기로 분쇄된 철강분진을 유기물 산화조에 공급한다. 공급된 과산화수소수는 철강분말 액체를 촉매로 하여 폐수내의 페놀을 분해한다. 즉, 펜턴산화반응이 일어난다. 상기 펜턴산화반응에 의해 생성된 히드록실 라디칼이 폐수 중의 페놀을 산화분해하게 된다. 폐수내의 페놀을 분해한 다음 처리액을 방류단계를 통해 외부로 배출된다. 이 때, 10중량%정도로 함유된 칼슘 성분에 의해 응집침전공정에서 칼슘이 응집제의 역할을 하여 입자형성을 용이하게 함으로써 슬러지의 침전이 잘 이루어지도록 한다.
이와 같은 과정에 의해서, 폐수 내의 페놀과 같은 유기물을 분해하는 것이다. 도 2는 황산철과 철강분진의 유기물제거 효과를 나타내는 그래프인데, 이는 동일한 양의 황산철과 철강분진을 사용한 경우의 유기물이 제거되는 효과를 나타낸 것이다. 황산철이 함유된 약품을 사용한 경우와 제거효율이 거의 비슷한 이유는 철강분진내의 철 성분 중에는 펜턴반응에 실질적으로 기여하는 철이온 이외에도 금속형태로 존재하는 철 성분도 존재하기 때문이다.
본 발명에서는 폐수 내의 페놀을 대표적인 예로서 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고, C, H, O, N으로 이루어지는 유기물의 분해에도 사용이 가능하다.
도 1은 철강분진을 이용한 펜턴산화반응을 위한 장치의 구성도,
도 2는 동일한 양의 황산철과 철강분진을 사용한 경우의 페놀과 포도당의 제거 효과를 나타내는 그래프,
도 3은 입도에 따른 철강분진의 페놀 제거 효과를 나타내는 그래프이다.
Claims (4)
- 폐수중에 존재하는 유기물을 펜턴산화반응에 의해 처리하는 폐수 처리방법에 있어서,상기 펜턴산화반응에서의 촉매로 작용하는 철이온을 공급하기 위한 원료로서 철강분진을 공급하고, 상기 철강분진과 과산화수소수를 연속적으로 공급하여 펜턴산화공정이 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 철강분진을 이용한 유기물을 함유하는 폐수 처리방법.
- 제1항에 있어서,상기 과산화수소수의 양은 유기물유입부하량의 5배 이상을 첨가하는 것을 특징으로 하는 철강분진을 이용한 유기물을 함유하는 폐수 처리방법.
- 제1항에 있어서,상기 철강분진은 입자 크기가 1mm이하인 것을 특징으로 하는 철강분진을 이용한 유기물을 함유하는 폐수 처리방법.
- 제1항에 있어서,상기 철강분진은 철: 40~50중량%, 칼슘: 10~20중량%, 나머지로 구성되는 것을 특징으로 하는 철강분진을 이용한 유기물을 함유하는 폐수 처리방법.
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| CN103739106A (zh) * | 2013-11-14 | 2014-04-23 | 安徽省绿巨人环境技术有限公司 | 一种核电设备铸锻件焊装后加工废水的处理工艺 |
| CN106348493A (zh) * | 2016-10-31 | 2017-01-25 | 徐立华 | 一种qsy催化氧化深度处理污水的系统及方法 |
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