한국도시환경학회지제 9 권 2 호 107 ~ 114 (2009. 12.) Journal of Korean Society of Urban Environment Hybrid system 의전기응집을이용한호소수내인제거 이준희 최현경 한인섭 서울시립대학교환경공학과논문접수 : 2009 년 10월 7일, 게재결정 : 2009 년 11월 10일 Removal of phosphorus in lake water by using EC in hybrid system Jun-Hee Lee Hyun-Kyung Choi Ihn-Sup Han + Department of Environmental Engineering, University of Seoul ABSTRACT Recently the importance of the phosphorus management is being augmented according to the designation (2005.12.30 Ministry of Environment) object material in regulation of total emission from the Ministry of Environment. Generally treatment efficiency of biological process is in the process of using is high and treated water quality is stable. However, the process requires wide site area and has difficulties in the advanced treatment for recycling. Electrocoagulation (EC) process is the electrochemical production of destabilization agents that bring about charge neutralization for pollutant removal. EC process is compact, so it needs small scale site area and treatment efficiency is high. Also, this process is characterized by reduced sludge production, uselessness of chemicals, and easy operation. This research escape optimum plan factor for removal of phosphorus in lake by using hybrid system(electrocoagulation reactor, Settling tank, Filtration tank). As the result electric current : 3ampere, the ph : Neutrality and filtration tank existing the condition was shown the highest removal efficiency. Concentration of PO 4-P, T-P and CODcr was measured 0.016 mg/l, mg/l and 1.5 mg/l from under condition of optimum, the removal ratio was shown 94.1%, 95.3% and 77.5%. Also expense of the electric coagulation is reduced than expense of chemical coagulation about 0.56 time. so it will be able to forecast the application possibility of electric coagulation. Key word : Electrocoagulation, phosphorus, hybrid system, Advanced treatment Physical and chemical treatment Corresponding author : E-mail : ishan@uos.ac.kr 107
한국도시환경학회지 Ⅰ. 서론 1. 연구의배경및목적최근서울국민의소득수준이향상되고쾌적한환경에대한욕구가증대되면서깨끗한수질의기대가높아지고있다. 환경부에서는인을총량관리대상물질로지정 (2005.12.30 환경부 ) 함에따라 인 관리의중요성이증대하고있으며, 대부분의하수처리장에서는영양염류를처리하기위한고도처리공정이활발히도입되고있다. 생물학적처리법으로영양염류의제거를위해서는설치비가비싸고부지확보의어려움, 유지관리의어려움을겪고있다. 호소수및하천수에있어서인을제거하기위한방법으로약품응집침전, 가압부상등이주로사용되고있으나이는전기응집공정에비해경제적이고용이한기술이아니라조사되었다.( 정종식, 2002) 따라서설계조건에적절한소규모부지사용, 유지관리용이, 처리수질의안정성등의장점을가진전기응집및여과공정의적용이필요하다고예상된다. 하수재이용을위한전기응집법의적용에대한국내의연구결과전기응집공정을적용한하수의처리수는탁도 0.7NTU, BOD 21 mg /L, CODcr 25 mg /L, T-N 24.94 mg /L, T-P 0.06 mg /L로처리수를재이용할수있는가능성을확인하였다. 이전기응집공정을호수에적용하게된다면기존의가압부상을위한응집제투입시생성되는응집부산물및슬러지처리비용의절감효과를얻을수있을것이다. 그리고여름철강우시와겨울철갈수기의큰부하변동에도큰영향을받지않아사계절운전이용이하고생물학적방법과같이유지관리에어려움을겪지않고운전을할수있게될것이다. 본연구에서는앞서말한메커니즘을응용하여호수내인제거의극대화를위한최적의설계인자를도출하려한다. 인처리기술의최적의 운전조건및인자를확립하면호수, 양어장, 골프장등의정체된수계에서부영양화를방지하는데효과적일것으로판단된다. 그리고전기응집공정의단점을보완하기위해교반, 침전, 여과공정을적용해검토하고자한다. 마지막으로전기응집공정시전력소모와화학응집반응시비용을산출하여경제성분석을하고자한다. 2. 응집메커니즘본연구의주요메커니즘인전기응집에대해살펴보면일반적으로양극에알루미늄및철등의용해성전극을사용하여연속적으로양극주변에금속양이온이발생하도록한다. 전기화학적으로금속이온이금속양이온으로바뀌는반응은산화반응이며양극에서일어난다. 생성된금속양이온은전기장의힘과농도경사에의해서대류, 확산되며콜로이드와같은입자들과전기적으로결합하여중성화되어응집침전된다. 알루미늄전극판을이용한일반적인전기응집반응식은다음과같다. ( 양극 ) : 금속이온용출 Al Al 3+ + 3e - 4OH - 2H 2O + O 2 + 4e - ( 음극 ) : 물의전해반응, 알루미늄수화물생성반응, 수소발생 H 2 O H + + OH - Al 3+ + 3OH - Al(OH) 3 2H + + 2e - H 2 알루미늄전극판을이용한양전극은적절한 ph에서 Al금속이전해반응중에산화되어 Al 3+ 의이온상태로용출되며용출된 Al 3+ 의이온은수중에용존된인산이온이랑결합하여화학적제거가일어난다. 음극에서물의전해에의해생성되는 OH - 와결합하여응집제의역할을할수있는수산화물인 Al(OH) 3 를생성시키고인 108
Hybrid system 의전기응집을이용한호소수내인제거 : 이준희 최현경 한인섭 Table 1. Characteristics of feed water 산이온과흡착하여물리적제거가일어난다. 그리고생성된고분자화한 Al n (OH) 3n 은오염물질과상호결합하려는경향이뚜렷하며무기물및유기물등의오염물을 Al n(toc) 3n 으로결합하여응집, 침전시킨다. 양전극에서발생가능한화학반응메카니즘은다음과같다. Al(s) Al 3+ (aq) + 3e - Al 3+ + TOC Al(TOC) Al 3+ + 3H 2O Al(OH) 3 + 3H + CO 2-3 + Ca 2+ CaCO 3 전기화학반응시양극에서용해된금속이온이가수분해되어금속수산화물을생성하게되는데이러한금속수산화물은화학적으로만들어진금속수산화물보다활성이강하고 Zeta 전위가낮기때문에높은응집, 흡착, 침강특성이있다. 이러한전기응집에영향을미치는인자로는전압, 전류, 반응시간, 전해질, 전극판재질, 전극판의간격, ph, 전기전도도, 온도등이있다. Al(OH) 3 Al n (OH) 3n Al 3+ + PO 4 3- AlPO 4 Al(OH) 3 + PO 4 3- AlPO 4(OH) 3 Ⅱ. 연구방법 동시에일어나는음전극에서의또다른반응메카니즘은다음과같다. 2OH - + 1/2 O 2 H 2 + 2e - 2H 2O + 2e - H 2 + 2OH - HCO 3 + OH - CO 2-3 + H 2 O 1. 실험원수선정본연구에서는 2009 년환경부에서고시한전국수질자료를토대로서울시내의인함량이높은석촌호수수를실험대상으로하였다. 원수의성상은 Table 1에나타내었다. Figure 1. Schematic diagram of the electrocoagulation reactor 109
한국도시환경학회지 2. 실험장치본연구에사용된실험장치및계통도는 Figure 1에나타내었다. Feed tank(d300*600) DC Power supply(dc/kjp-600s) Peristaltic pump(220v,60hz) Electrocoagulation reactor Agitation tank(210*250*330) Settling tank(d210*300) Filtration tank(d210*300) 3. 실험방법실험에사용된전기응집반응기는폭 55 mm, 길이 35 mm, 높이 320 mm 규격의아크릴반응조로서교반기를통하여교반된원수는하부에서 peristaltic Pump를통하여 0.3 L/min 유량으로유입되어전극판을지나상부로이동하게된다. 양극과음극의전극판으로는폭 33 mm, 길이 350 mm, 두께 3 mm의 Al 전극판을반응기에 9개를꽂아사용하였고, 전극판사이의간격은 2 mm로하였다. Power Supply 를 9개의전극판중양끝에연결하여전기를흘려주었고전류의변화를조절하기위해서점프선을이용하여전극판에연결하였다. 전기응집반응기를통과한원수는교반조로유입된다. 교반조는응집반응시에생성되는수 Table 2. Analytical methods for each item 소기체에의해서플럭들이침강되지않고부상을일으키는데이런현상을방지하기위해침강조전단에교반조를배치하여수소기체를배출시킴으로써침강효율을높이는역할을한다. 하지만교반강도가과도하면핀플럭을형성하여침강시악영향을미친다. 분석실험은부상한플록들을침전시킨후상징액 ( 처리수 A) 과침강조후단에여과조를설치하여통과한여과수 ( 처리수 B) 를취하여실험하였다. 전기응집반응후처리수의성상분석항목으로 ph, Conductivity, CODcr, Particle count, T-P, PO 4-P를분석하였다. 각항목에대한분석기기는 Table 2와같다. 운전의경제성을위해서는원수의성질을변화시키지않는범위에서실험하는것을중점으로두고본연구에서는위의영향인자중전류세기, ph를변화시켜실험하여전기응집반응을 Table 3. Removal efficiency of various items depending on the electric currents influent Effluent Conc. (Removal efficiency, %) Conc. sample A sample B (mg/l) 1ampere 2ampere 3ampere 1ampere 2ampere 3ampere CODcr T-P PO4-P 6.67 0.465 0.273 5.6 (16.0) 0.047 (89.9) 0.041 (84.9) 2.2 (67.0) 0.045 (90.3) 0.024 (91.3) 2.1 (68.5) 0.032 (93.2) 0.018 (93.4) 4.8 (28.0) 0.041 (91.2) 0.039 (85.6) 1.6 (76.0) 0.030 (93.6) (92.0) 1.5 (77.5) (95.3) 0.016 (94.1) 110
Hybrid system 의전기응집을이용한호소수내인제거 : 이준희 최현경 한인섭 (a : sample A) (b : sample B) (c : Removal ratio) Figure 2. Removal efficiency various items depending on the electric currents 통한처리에서최적의조건을도출하였다. Ⅲ. 연구결과 1. 전류세기에따른처리수 A, B 제거효율 Power supply 에서공급되는전류세기를 1ampere, 2ampere, 3ampere 로변화시키면서실시하였다. 실험결과를 Table 3, Figure 2에나타내었다. 전류에따른 CODcr 의처리효율을보면처리수 A는 1ampere 일때 16.0%, 2ampere 일때 67.0%, 3ampere 일때 68.55% 의결과를나타내었고처리수 B는 1ampere 일때 28.0%, 2ampere일때 76.0%, 3ampere 일때 77.5% 의 결과를나타내었다. T-P의경우처리수 A는 1ampere, 2ampere, 3amp ere일때각각 89.9%, 90.3%, 93.2% 의결과를보였고처리수 B는 91.2%, 93.6%, 95.3% 의결과를보였다. PO4-P 의경우처리수 A는 1ampere, 2ampere, 3ampere 일때각각 84.9%, 91.3%, 93.4% 의결과를보였고처리수 B는 85.6%, 92.0%, 94.1% 의결과를보였다. 이는전류의세기가증가할수록높은제거율을얻을수있는것으로판단된다. 하지만 Figure 2에서알수있듯이 2ampere 이후로기울기가 steady state 를나타내어서최적의전류세기를 3ampere 로결정하였다. 2. 원수 ph에따른처리수 A, B 제거효율앞의실험결과를바탕으로도출한최적전류 Table 4. Removal efficiency of various items depending on solution ph CODcr T-P PO4-P influent Conc. (mg/l) 6.67 0.465 0.273 Effluent Conc. (Removal efficiency, %) sample A sample B Acidity Neutrality Base Acidity Neutrality Base 2.3 (65.5) 0.032 (93.6) (92.0) 2.1 (68.5) 0.032 (93.6) 0.018 (93.4) 2.6 (61.0) 0.047 (90.5) 0.026 (90.6) 2.5 (62.5) 0.085 (82.7) 0.024 (91.3) 1.5 (77.5) (95.6) 0.016 (94.1) 2.4 (64.0) 0.074 (85.1) (92.0) 111
한국도시환경학회지 (a : sample A) (b : sample B) (c : Removal ratio) Figure 3. Removal efficiency various items depending on solution ph 세기 3ampere 로고정하고 ph에따른제거효율을살펴보았다. ph는산성 (ph 3), 중성 (ph 7), 염기성 (ph 10) 상태로분류하였고 ph조절은 H 2 SO 4 와 NaOH 를이용하였다. 실험결과를 Table 4, Figure 3에나타내었다. 원수의 ph에따른 CODcr 의처리효율을보면처리수 A는산성일때 65.5%, 중성일때 68.5%, 염기성일때 61.0% 의결과를나타내었고처리수 B는산성일때 62.5%, 중성일때 77.5%, 염기성일때 64.0% 의결과를나타내었다. T-P의경우처리수 A는산성, 중성, 염기성일때각각 93.6%, 93.6%, 90.5% 의결과를보였고처리수 B는 82.7%, 95.6%, 85.1% 의결과를보였다. PO4-P 의경우처리수 A는산성, 중성, 염기성일때각각 92.0%, 93.4%, 90.6% 의결과를보였고처리수 B는 91.3%, 94.1%, 92.0% 의제거효율을보였다. 이결과 ph에의한제거효율은 ph가중성일때가장높은것으로나타났다. 3. Conductivity&Particle count 비교 Conductivity 는 3 ampere( 중성 ) 처리수 B에서 168 μs/cm 의결과값으로가장낮은값을보여주었으며, 산성상태와염기성상태에서 Conductivity 가높은이유는이온에따른 2- Conductivity 증가율로설명할수있다. SO 4 1 mg/l 가 Conductivity 1.54 μs/cm 를증가시키고 Na + 1 mg/l가 Conductivity 2.13 μs/cm 를증가시킨다. 실험을위해 ph를조절하는과정에사용된 H 2SO 4, NaOH 의영향으로인하여판단된다. 그리고원수보다 3 ampere( 중성 ) 처 (a : Conductivity) (b : Particle counts) Figure 4. Conductivity and Particle counts 112
Hybrid system 의전기응집을이용한호소수내인제거 : 이준희 최현경 한인섭 리수 B의 Conduct ivity 가증가한이유는분자상태의오염물질들이이온상태로해리된것으로판단된다. Particle count 는원수와 3 ampere( 중성 ) 처리수 B를비교해본결과처리수의 Parti cle count 는원수보다약17배정도높게나타났다. 이는입자들이전기응집공정을거치면서분해된것과이온상태의입자들이전기응집공정을거치면서용출되면서 Parti cle의형태로잔존되어져서원수보다 3am pere( 중성 ) 처리수 B의 Particle count 가높은것으로예상된다. Figure 5에나타내었다. 화학적응집공정에서는순수응집제비용만적용하였으며본실험의전기응집공정에서는 Al 전극판으로 1년을사용할수있을것으로판단하여소모전력의금액만반영하였다. 화학적응집처리시미반영된슬러지처리비및전력비를고려하여비교하면전기응집공정이가격측면에서좀더저렴하다고판단되며본연구에서는m3당처리비로비교하였지만큰규모로운전할때지금보다더경제성이있을것으로판단된다. 4. 전기응집반응의전력소모및경제성분석 전기응집의적용시중요한문제인경제성판단을하기위해전력량을조사하였다. 정종식 (2002) 의연구에서도화학적응집처리보다전기응집의경우가더적은비용으로처리할수있다는결론을내렸다. 전기료는산업용고압동계기준으로금액을산정하였다. 화학적응집처리공정과전기응집처리공정의운전비비교를 Figure 5. Comparison of cost Chemical coagu lation and Electrocoagulation 전기응집전력비 1.6kwh/ m3 x 155 원 / kwh = 248 원 / m3 화학적응집시비용 무기응집제 + 황산알루미늄 + 고분자응집제 190 원 / m3 + 204.4 원 / m3 +32 0.4 원 / m3 = 437 원 / m3 Ⅳ. 결론 본연구는호수를전기응집을이용하여인을처리하고자여러인자를변화하여실험을실시하여확인하였다. 실험인자로는여과조의존재여부, 전류, ph를변화시켜실험하였고, 이를바탕으로최적의실험조건을결정하였다. 그리고전기응집의가능성을알아보기위하여 Conductivity 와 Particle count 비교하였다. 또한경제성분석을위해소모전력을판단하였다. 본연구에서는다음과같은결론을도출하였다. 전류의변화, ph의변화, 여과조의존재유무에대한실험결과전류세기는 3ampere, ph는중성상태, 여과조가존재하는상태에서가장높은제거효율을나타내었다. 최적의조건하에서 PO 4 -P, T-P, CODcr 의농도는 0.016 mg/l, mg/l, 1.5 mg/l 가측정되었고, 제거효율은 94.1%, 95.3%, 77.5% 를나타내었다. 환경부에서고시한환경정책기본법에의하면실험결과에의한농도는 T-P 2 등급 ( 약간좋음 ), CODcr 1등급 ( 매우좋음 ) 으로분류되어여과, 침전, 살균등일반적인정수처리후생활용수또는수영용수로사용할수있는정도로나타난다. 또한 Conductivity 측정결과 168 μs/cm 로수돗물의 Conductivity( 약 170 μs/cm) 와유사한값을나타내고경제적으로도 113
한국도시환경학회지 전기응집이화학응집보다약 0.56 배비용이감소되는것을미루어볼때전기응집의적용가능성을충분히예상할수있다. 참고문헌 구봉헌외 2명. 2005. 고도산화처리 ; 전기응집 / 산화공정을이용한유기성폐수처리에관한연구. 한국물환경학회, 공동춘계학술발표회. pp. 310-315 구자익. 2003. 생활하수처리수의재이용을위한전기분해에관한연구. 영남대환경보건대학원석사학위논문구진수. 2004. 생물여과의전처리로서복극전기응집의평가. 서울시립대학원석사학위논문김영관외 1명. 전기응집에의한폐수의크롬제거. 대한상하수도학회, 상하수도학회지. Vol. 15. pp. 516-522 김학준. 절삭유폐수의전기응집처리에관한연구. 환경연구. Vol. 26. pp. 25-29 박영규. 2001.6. 오존처리수의전기응집처리연구. 대한위생학회, 대한위생학회지. 16(2) : 1-8 송재민외 2명. 전기응집공정에서응집시간이탁도제거율에미치는영향. 대한상하수도학회, 상하수도학회지. Vol. 15. pp. 50-57 오미영외 1명. 전기응집에의한매립지침출수의유기물제거특성. 대한환경공학회. 대한환경공학회지. Vol. 23. pp. 31-38 오재성. 2003. 전해응집을이용한생활하수처리특성. 단국대학교석사학위논문이승민. 2008. 하수재이용을위한전기응집공정의적용. 서울시립대학원석사학위논문정종식, 이재복. 2002. 화학폐수처리를위한전처리공정으로서전기응집의경제성분석. 상하수도학회. 16(4) : 447-454 정호진외 2명. 전기응집 / 산화공법을적용한축산폐수처리에관한연구. 환경과학논집. Vol. 10. pp. 7-16 Hu, C.Y. Lo, S.L. Li, C.M. and Kuan, W.H.. 11 April 2005. Treating chemical mechanical polishing (CMP) wastewater by electro-coagulation -flotation process with surfactant. Journal of Hazardous Materials. Volume 120. Issues 1-3. pp. 15-20 Khoufi S, Aloui F. and Sayadi S. 1 March 2008. Extraction of antioxidants from olive mill wastewater and electro-coagulation of exhausted fraction to reduce its toxicity on anaerobic digestion. Journal of Hazardous Materials. Volume 151. Issues 2-3. Pages 531-539 Veli. S. Öztürk, T. and Dimoglo, A.. Available online 4 October 2007. Treatment of municipal solid wastes leachate by means of chemical- and electro-coagulation. Separation and Purification Technology, In Press, Corrected Proof 114