KR100225047B1 - 폐수처리용 활성 굴패각 분말의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 굴패각을 세척한 후 건조시키고, 상기 건조된 굴패각을 분쇄시키고, 얻어진 굴패각 분말을 활성화시키는 단계를 포함하는 폐수 처리용 활성 굴패각 분말의 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 활성 굴패각 분말에 관한 것이다. 본 발명에 따른 활성 굴패각 분말은 인을 포함한 오염물질의 흡착, 제거에 매우 효과적이어서 폐수처리용 흡착제 또는 생물막 공법용 메디아로 사용될 수 있다.
Description
본 발명은 폐수처리용 활성 굴패각 분말의 제조방법 및 그 방법에 따라 얻어진 활성 굴패각 분말에 관한 것으로 더욱 상세하게는 굴패각을 분쇄하여 활성화시킴으로써 폐수처리의 효율을 향상시킨 활성 굴패각 분말의 제조방법 및 그 방법에 의해 얻어진 활성 굴패각 분말에 관한 것이다.
생활 하수나 각종 공장의 폐수는 그대로 방류되는 경우 심각한 수질 오염을 일으키기 때문에, 자연의 정화능을 유지시킬 수 있는 정도까지 오염물질을 제거한 후 방류하여야 한다. 또한, 식수를 생산하기 위해 물을 정제하는 경우에도 오염물질을 분리, 제거하는 방법이 적용된다.
그러나, 상하수 처리에서 난분해성 물질, 유해 독성물질, 부영양화 물질, 색소 성분 등은 일반적인 방법으로는 쉽게 제거되지 않는다. 이에 따라 여러 가지 방법이 시도되고 있으며, 그중에서 생물막 공법이나 흡착 처리방법이 가장 우수한 처리방법으로 알려져 있다.
생물막 공법은 메디아에 미생물이 부착되어 상대적으로 안정된 조건에서 미생물 체류시간이 증가하므로, 다양한 오염물질이 분해, 제거될 수 있다. 흡착법은 주로 활성탄에 의해 오염물질을 흡착시킴과 동시에 미생물이 서식하는 환경을 제공함으로써 오염물질을 제거하는 것이나, 다량의 폐수를 처리하려면 활성탄의 소모가 막대하여 경제성이 문제가 되고 있다.
한편, 폐수처리와 관련된 특허문헌으로, 한국 특허공개 제 96-37596 호는 원적외선 분말이 포함된 다공질 플레이트를 제시한다. 이 발명은 상기 원적외선 플레이트의 흡착력이 높고 7 내지 20 ㎛ 의 원적외선 에너지 방사에 의해 중금속을 분해하고 미생물의 성장을 촉진시킨다는 것이다.
한국 특허공개 제 96-28965 호는 폐분말 활성탄 및 폐규산염을 주제로 한 복합 흡착제의 제조 및 폐수여과처리방법을 개시한다. 이 발명은 식료품 등의 생산공장에서 폐기되는 분말 활성탄 및 폐규산염을 복합 흡착제로 재생하여 폐수여과처리에 이용하는 것이다. 또한, 한국 특허공개 제 91-22644 호는 키토산을 중금속 흡착제와 폐수 응집제로 사용하는 방법을 기재하고 있다.
종래의 폐수처리방법 또는 상기 발명의 방법은 각각의 특성에 따라 폐수를 정화하는 기능을 가지고 있으나, 효율성과 경제성에서 많은 개선의 여지가 있으며, 특히 최근의 수질 오염 실태에 적합한 새로운 폐수처리방법이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 폐수의 처리 효율이 높고 경제성이 있는 폐수처리용 정화제를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 폐수처리용 흡착제 및 생물막 공법용 메디아를 제공하는 것이다.
도 1은 회화 또는 열분해에 의한 방법으로 본 발명에 따라 제조된 활성 굴패각 분말의 사진.
도 2는 회화의 방법으로 본 발명에 따라 제조된 활성 굴패각 분말의 인 성분의 흡착 실험과 대조 실험에 따라 인 농도의 변화를 나타낸 그래프.
도 3은 열분해의 과정의 온도를 달리하여 각각 제조된 활성 굴패각 분말의 인 제거 흡착력 실험에 따라 인 농도의 변화를 나타낸 그래프.
도 4는 활성오니 시스템에 본 발명의 활성 굴패각 분말을 투입하였을 때 난분해성 물질의 처리 결과를 보인 그래프.
도 5a 내지 c는 활성 굴패각 메디아에 부착된 활성오니의 양상을 전자현미경(Scanning Electron Micrograph)으로 촬영한 사진.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 굴패각을 세척한 후 건조시키고, 상기 건조된 굴패각을 분쇄시키고, 얻어진 굴패각 분말을 활성화시키는 단계를 포함하는 폐수 처리용 활성 굴패각 분말의 제조방법에 의해 달성될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기와 같은 본 발명의 방법에 따라 제조된 폐수처리용 활성 굴패각 분말를 제공한다.
본 발명은 바다에서 서식하는 굴의 껍질(이하, 굴패각 이라 한다)을 원료 물질로서 이용한다. 굴은 바다 생물로서 널리 분포하기 때문에 그 껍질의 입수는 매우 용이하며, 특히 해안에 널리 분포하여 야적, 방치되어 굴패각(oyster shell)을 사용할 수 있기 때문에 원료의 단가가 극히 저렴하다는 특징이 있다.
해안에서 수집한 굴패각을 깨끗한 물로 세척하여 모래, 흙 기타 오염물질을 제거한다.
오염물질을 제거한 굴패각은 자연 상태에서 수분을 제거하여 건조시킨다. 인위적으로 에너지를 가하여 물리적인 방법으로 건조시킬 수도 있으나, 경제성을 고려할 때 대기중에 노출시켜 물을 증발시키는 자연 건조 방법이 바람직하다.
상기 건조 굴패각을 분쇄하여 분말을 형성한다. 분말의 입자도가 너무 크거나 작으면 처리 효율이 달라지거나 현장 적용시 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 목적에 적합한 범위 내에서 굴패각을 분쇄하며, 일반적으로는 30 내지 50 메시(mesh)의 크기로 분쇄시키는 것이 바람직하다.
이와 같이 얻어진 굴패각 분말을 활성화시키는 단계가 필요하다. 굴패각의 원료 물질은 약 94%의 CaCO3와 미량의 Mg, Al, Si 성분으로 구성되어 있으며, 고온의 처리에 의한 활성화를 통해 CaO 로 성질전환이 일어나 폐수중의 인과 결합할 수 있는 성질을 갖는다. 또한, 다공성 구조로 전환됨으로써 흡착 및 미생물 성장을 위한 표면적을 제공한다.
굴패각 분말의 활성화를 위하여 회화와 열분해의 두가지 방법이 사용될 수 있다. 회화는 상기 굴패각 분말을 공기와의 접촉하에 450 ℃ 내지 650 ℃에서 10 내지 20 분 가열하는 것이고, 열분해는 상기 굴패각 분말을 산소와의 접촉을 차단한 상태로 300 ℃ 내지 600 ℃에서 30 분 내지 1 시간 가열하는 것이다.
이와 같이 활성화된 굴패각 분말은 흡착력이 높고 미생물 생존 환경을 제공하기 때문에, 폐수처리 정화제로서 사용할 수 있으며 고가의 활성탄을 데체할 수 있다. 따라서, 본 발명의 방법으로 제조된 굴패각 분말은 흡착제 또는 생물막 공법의 메디아로 사용될 수 있다. 활성화된 굴패각 분말은 흡착제 또는 생물막 공법의 메디아와 같이 구체적인 용도에 적합하도록 입자 크기별로 체분리(seive)하여 사용한다.
제조예 1: 회화에 의한 활성 굴패각의 제조
해안에 야적되어 있는 굴패각을 수집하여 수돗물로 깨끗이 세척하였다. 굴패각을 상온에 방치하여 건조시켰다. 건조된 굴패각을 30 내지 50 메시로 분쇄시켜 건조 분말을 얻었다. 상기 건조 분말을 회화로를 사용해서 550 ℃ 로 10분간 가열하여 회화시켰다. 얻어진 분말을 상온에서 냉각하여 본 발명의 활성 굴패각 분말을 얻었다.
제조예 2: 열분해에 의한 활성 굴패각의 제조
건조 굴패각 분말을 전기 가열로에서 산소와의 접촉없이 350 ℃에서 30분간 가열하여 열분해한 것을 제외하고는 제조예 1의 방법에 따라 본 발명의 활성 굴패각 분말을 제조하였다.
제조예 1 및 제조예 2의 분말을 촬영한 사진을 도 1로 제시한다.
실시예 1: 회화의 방법을 제조된 활성 굴패각 분말의 인 제거 실험
정제수에 인산이수소칼륨(KH2PO4)을 첨가하여 인 농도를 약 30㎎/ℓ로 조절하였다. 제조예 1에서 제조된 활성 굴패각 분말을 입자 크기별로 300 ㎛, 355 ㎛, 425 ㎛ 및 500 ㎛로 분류하였다. 이들 각각의 입자군을 상기 인 오염수에 0.3 g/ℓ 의 농도로 첨가하여 교반하면서 시간의 경과에 따라 인 농도의 변화를 측정하였다.
대조실험으로, 굴패각을 분쇄하여 활성화시키지 않은 분말을 입자 크기별로 300 ㎛, 355 ㎛, 425 ㎛ 및 500 ㎛로 분류하여 상기한 바와 같은 방법으로 제조된 인 오염수에 동일한 농도로 첨가하고 교반하면서 시간의 변화에 따라 인의 농도를 측정하였다.
활성 분말의 첨가에 의해서 인 농도는 초기의 30 ㎎/ℓ에서 약 11 ㎎/ℓ으로 감소하였다. 활성화되지 않은 분말을 투입한 경우에 인의 농도는 26 ㎎/ℓ로 감소되는 경향을 나타냈다. 결과를 아래의 표 1 및 도 2의 그래프로 제시한다.
| 항목시간(min) | 300(㎛) | 355(㎛) | 425(㎛) | 500(㎛) | ||||
| A | B | A | B | A | B | A | B | |
| 0 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 |
| 30 | 29 | 13 | 29 | 12 | 29 | 11 | 29 | 15 |
| 60 | 28 | 13 | 27 | 11 | 28 | 11 | 29 | 15 |
| 90 | 27 | 12 | 26 | 11 | 27 | 12 | 28 | 15 |
| 120 | 27 | 12 | 25 | 11 | 27 | 12 | 27 | 17 |
(단위: mg/L)
A: 일반 분말 굴패각
B: 활성 분말 굴패각
실시예 2: 활성 굴패각 분말의 인 흡착력 실험(Jar-Tester 시험)
인 농도 50 ㎎/ℓ의 오염수에 제조예 1의 분말을 첨가하여 Jar-Tester(선미기술 제조, 모델명: SM-J10)에서 약 100 rpm 의 속도로 교반하였다. pH는 7.9, 수온은 22 ℃ 였다. 시간의 변화에 따라 인 농도를 측정한 결과를 다음 표 2에 표시한다.
| 분말의 투입량(g/ℓ) | 용액중 농도(㎎/ℓ) | 제거 효율(%) |
| 0.2 | 29.0 | 41.3 |
| 0.3 | 30.7 | 37.9 |
| 0.4 | 11.1 | 77.5 |
| 0.5 | 10.9 | 77.9 |
| 0.6 | 12.5 | 74.7 |
상기 표에서 보는 바와 같이, 흡착이 평형상태에 이르렀을 때 최대 인 제거 흡착량은 0.5 g/ℓ를 투여하였을 경우 77 ㎎/(g 활성 굴패각 분말) 이었으며, 약 78%의 제거효율을 나타냈다. 활성 굴패각 분말을 흡착제로 사용하였을 때 Freundlich isotherm(Metcalf and Eddy, 1991, Wastewater Engineering)을 적용한 결과 Kf와 1/n 의 계수는 각각 4.413×10-4, 0.9264로 산술되었으며, 이 때의 상관계수는 0.71이었다.
실시예 3: 열분해의 과정에서 온도를 달리하여 제조된 활성 굴패각 분말의
인 제거 흡착력 실험
굴패각의 활성 방법으로 열분해 과정에서 150 ℃, 250 ℃, 350 ℃, 450 ℃ 및 550 ℃ 의 온도에서 각각 열분해시킨 것을 제외하고는 제조예 2과 같은 방법에 따라 활성 굴패각 분말을 얻었다. 이들 각각의 활성 분말을 사용하여 실시예 2의 방법에 따라 인 제거 흡착력을 실험하였다. 결과를 아래의 표 3 및 도 3의 그래프로 나타낸다.
| 항목시간(min) | 150℃ | 250℃ | 350℃ | 450℃ | 550℃ |
| 0 | 30 | 30 | 30 | 30.00 | 30.00 |
| 30 | 29 | 28 | 1.08 | 2.36 | 1.02 |
| 60 | 28 | 28 | 0.73 | 1.40 | 0.61 |
| 90 | 28 | 26 | 1.00 | 0.81 | 1.14 |
| 120 | 27 | 27 | 1.10 | 0.51 | 0.98 |
(단위: mg/L)
상기 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 300 ℃ 이상의 온도에서 열분해시켜 얻어진 활성 굴패각을 사용하는 경우에, 분말 투입 후 약 30분만에 수중의 인의 농도를 1 ㎎/ℓ 이하로 감소시킬 수 있었다. 이에 반하여, 150 ℃ 및 250 ℃에서 열분해시켜 제조된 굴패각 분말은 인의 제거능이 미미함을 알 수 있다.
실시예 4: 생물학적 폐수처리 실험
활성오니 시스템에 의한 생물학적 폐수처리에 있어서, 난분해성 물질(크롬법 COD 측정물질)의 처리 효율을 비교하였다. 즉, 본 발명의 굴패각 분말이 첨가된 활성오니를 메디아로 각각 첨가하여 COD cr를 1일부터 35일 경과시까지 계속적으로 측정하였다. 실험 개시 1일째 15g과, 18일째 20g의 활성 굴패각 분말을 첨가하였다. 대조 실험으로 활성 굴패각 분말의 첨가가 없이 통상의 활성오니를 메디아로 첨가하여 동일한 실험을 진행하였다. 결과를 아래의 표 4와 도 4의 그래프로 나타낸다.
따라서, 유입수의 COD 농도가 210 ㎎/ℓ 로부터 유출수의 농도가 33 내지 55 ㎎/ℓ 로 감소되었다. 즉, 본 발명에 따른 활성 굴패각의 첨가로 난분해성 물질이 약 74 내지 84% 제거되었다.
F/M 비를 평균 0.259 g·COD/g·MLVSS·day로 일정하게 유지하면서 활성 굴패각 분말을 첨가한 시스템에서는 유출수의 오염물질의 농도가 낮을 뿐만 아니라 농도의 변화도 적어서 비교적 안정한 상태를 유지하였다. 이는 활성 굴패각 분말의 첨가에 의해 미생물의 부착성장이 안정화된 것을 의미하는 것이다.
도 5는 활성 굴패각 메디아에 부착된 활성오니의 양상을 전자현미경(Scanning Electron Micrograph)으로 촬영한 것이다. 도 5(a)는 활성 굴패각 메디아이고, 도 5(b)는 활성 굴패각 메디아에 부착된 생물막의 형상이다. 도 5(c)는 생물막의 두께를 측정하기 위하여 2,000 배의 고배율로 확대한 것인데, 그 두께는 10 ㎛로 측정되었다.
실시예 5: 활성오니 시스템에서 활성 굴패각 분말의 인 제거 실험
실시예 4에서와 같이, 본 발명의 활성 굴패각 분말을 첨가하여 실험한 경우와 첨가하지 않고 실시한 대조실험의 경우에서, 유입수와 유출수의 인 농도의 변화를 계속 측정하였다. 본 발명에 따른 활성 굴패각 분말을 투입하였을 때, 유입수의 인 농도가 0.25 ㎎/ℓ인 경우 유출수의 농도가 0.07 ㎎/ℓ 로 감소되어 최대 72%의 인 제거효율이 얻어졌고, 유출수의 인 농도가 낮은 상태로 안정되게 유지되었다(표 4 및 도 6참조). 도 6에서 y축의 T-P는 총 인을 의미한다.
반면에, 활성 굴패각 분말이 첨가되지 않은 활성오니를 적용하여 동일한 방법으로 실험한 경우에, 유출수의 인 농도의 변화가 심한 것으로 나타났다.
| 항목시간(day) | CODcr | T-P | 비 고 | ||
| A | B | A | B | ||
| 1 | 47 | 55 | 0.18 | 0.12 | 15g 투입 |
| 2 | 81 | 53 | 0.22 | 0.08 | |
| 3 | 61 | 55 | 0.16 | 0.11 | |
| 4 | 63 | 33 | 0.26 | 0.07 | |
| 5 | 66 | 40 | 0.22 | 0.08 | |
| 6 | 61 | 40 | 0.17 | 0.10 | |
| 7 | 61 | 40 | 0.41 | 0.11 | |
| 8 | 61 | 35 | 0.23 | 0.07 | |
| 9 | 61 | 45 | 0.32 | 0.11 | |
| 10 | 60 | 37 | 0.33 | 0.12 | |
| 11 | 59 | 40 | 0.46 | 0.17 | |
| 12 | 48 | 45 | 0.24 | 0.13 | |
| 13 | 48 | 48 | 0.19 | 0.13 | |
| 14 | 40 | 40 | 0.24 | 0.19 | |
| 15 | 45 | 43 | 0.26 | 0.11 | |
| 16 | 40 | 35 | 0.17 | 0.10 | |
| 17 | 41 | 37 | 0.19 | 0.17 | |
| 18 | 50 | 50 | 0.35 | 0.16 | 20 g 투입 |
| 19 | 59 | 45 | 0.32 | 0.15 | |
| 20 | 67 | 48 | 0.46 | 0.10 | |
| 21 | 66 | 51 | 0.29 | 0.19 | |
| 22 | 57 | 42 | 0.60 | 0.16 | |
| 23 | 74 | 40 | 0.81 | 0.15 | |
| 24 | 57 | 40 | 0.72 | 0.14 | |
| 25 | 55 | 45 | 0.79 | 0.11 | |
| 26 | 47 | 35 | 0.57 | 0.18 | |
| 27 | 55 | 37 | 0.53 | 0.15 | |
| 28 | 32 | 32 | 0.31 | 0.17 | |
| 29 | 45 | 45 | 0.55 | 0.24 | |
| 30 | 45 | 32 | 0.35 | 0.19 | |
| 31 | 62 | 42 | 0.57 | 0.20 | |
| 32 | 38 | 33 | 0.41 | 0.10 | |
| 33 | 45 | 35 | 0.59 | 0.16 | |
| 34 | 45 | 38 | 0.50 | 0.11 | |
| 35 | 71 | 53 | 0.51 | 0.21 |
(단위:mg/ℓ)
이상의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명에 따른 활성 굴패각 분말은 인을 포함한 오염물질의 흡착, 제거에 매우 효과적임을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 활성 굴패각 분말은 폐수처리용 흡착제 또는 생물막 공법용 메디아로 사용될 수 있다. 굴패각은 해안에서 값싸게 얻을 수 있는 원료이기 때문에 단가가 저렴하여 고가의 활성탄을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
더욱이, 본 발명에 따라 굴패각을 원료로 사용하게 되면, 해안에 방치되어 오염의 한 원인이 되고 있는 굴패각을 감소시키므로 해안가 오염을 줄일 수 있다는 장점도 있는 것이다.
Claims (7)
- 굴패각을 세척한 후 건조시키고,상기 건조된 굴패각을 분쇄시키고,얻어진 굴패각 분말을 활성화시키는 단계를 포함하는 폐수 처리용 활성 굴패각 분말의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 건조 굴패각을 30 내지 50 메시로 분쇄시키는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 굴패각 분말을 회화 또는 열분해하여 활성화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 굴패각 분말을 450 ℃ 내지 650 ℃에서 10 분 내지 20 분 가열하여 회화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 굴패각 분말을 300 ℃ 내지 600 ℃에서 30 분 내지 1 시간 가열하여 열분해시키는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항의 방법에 의하여 얻어진 폐수처리용 활성 굴패각 분말.
- 제 6 항에 있어서, 상기 분말이 흡착제 또는 생물막 메디아 물질임을 특징으로 하는 분말.
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| KR1019970013292A KR100225047B1 (ko) | 1997-04-10 | 1997-04-10 | 폐수처리용 활성 굴패각 분말의 제조방법 |
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| KR1019970013292A KR100225047B1 (ko) | 1997-04-10 | 1997-04-10 | 폐수처리용 활성 굴패각 분말의 제조방법 |
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