상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 난분해성 폐수를 산화반응조에서 철염과 과산화수소로 산화반응시킨 후, 중화응집조와 침전조를 거치면서 슬러지와 상등수로 고액 분리하는 난분해성 폐수처리방법에 있어서, 상기 산화반응조에서 철염과 과산화수소에 의해 산화되는 난분해성 폐수에 300∼500kHz의 초음파를 조사하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 난분해성 폐수처리방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
도1은 본 발명에 따른 초음파조사장치가 장착된 난분해성 폐수처리장치를 나타내는 개략도이고, 도2는 철염의 투여량, 초음파의 주파수와 COD제거율의 관계를 나타내는 그래프이며, 도3은 철염의 투여량, 초음파의 주파수와 투과율의 관계를 나타내는 그래프이다.
일반적으로, 인간의 가청주파수 영역인 16Hz범위보다 더 높은(>16 kHz)주파수를 갖는 음파인 초음파(Power Ultrasound)는 캐비테이션(Cavitation)으로 인한 기포내에 고온, 고압조건이 형성되어 기포 붕괴시 초래되는 고온에 의한 열분해 반응과, 열분해 과정에서 생성되는 OH 라디칼이 관여하는 화학반응을 수반하게 된다.
즉, 액체에 초음파가 닿으면 그곳에 있는 미세한 기포가 감압측의 반주기에서는 팽창하여 주위 액체로부터 기체나 액체의 증기를 받아들이며, 증압측의 반주기에서는 수축하면서 기포속의 기체를 용해시키거나 액체증기를 응축시킨다.
이때, 액체내의 기포는 진동하면서 그 평균직경이 증대되고, 진동폭이 커지면서 직경이 최대로 되었을 때 순간적으로 깨지면서 하기의 식[3],[4],[5]으로부터 산출되는 수백기압의 압력과 수천도의 열을 발생시켜 화학반응의 에너지원을 만들게 된다,
이러한 캐비테이션(Cavitation)은 nano second order의 아주 짧은 시간동안에 일어나며, 생성된 열이 주위로 전달되기에 충분한 시간이 되지 못하기 때문에 그 부분에서는 단열과정으로 볼 수 있다.
그리고, 기포에 인접한 부분의 국부 온도가 순간적으로 상승하여 hot-spot이 생기면서 이 부분에서의 온도가 수천도에 이르게 되고, 이때의 높은 국부온도로 인하여 주위에 있는 반응물 입자들의 운동에너지를 커지게 하여 분자의 운동이 활발하게 될 뿐 아니라, 반응에 필요한 충분한 활성에너지를 얻게 되고 또한 높은 압력은 혼합효과를 높여 주게 되어 반응속도를 빠르게 해 준다.
M(pollutant) -------→Product (Pyrolysis Reaction) ……………[3]
Tmax= ToPm(K-1)/P --------------------------[4]
Pmax=P〔Pm(P-1)/P〕(K/(K-1))-------------------------- [5]
여기서, TO: 주변온도
K : 가스혼합물 또는 가스증기의 Polytropic Index
P : 크기가 가장 커졌을 때의 기포내의 압력, 통상 액체의 증기압과 같은 것으로 함.
Pm: 기포가 깨지는 순간의 액체속의 압력
한편, 캐비테이션(Cavitation)이 균일액체 속에서 일어날 때의 과정은 핵의생성단계와 기포의 성장단계 그리고 내부적 파열단계 등으로 진행되는데, 핵은 액체상태를 유지하는 서로 끄는 분자간의 인력으로 인해 생성되며, 그것이 커다란 부(-)의 음압환경에 놓이게 되면 체적이 커지고 궁극적으로 내부적 파열에 의해 작은 자유기포로 쪼개진다.
따라서, 1.5kHz 이상의 주파수를 갖는 음파를 물속에 통과시키면 이러한 과정에 의해 팽창파와 압축파로 인해 증기로 채워진 공동기포가 깨지는 동안이나 깨진 바로 직후에 순간적으로 상승한 압력과 온도의 작용으로 화학반응이 일어나고 이와 같은 음화학반응(sonochemical reaction)에서는 열분해와 라디칼반응이 동시에 일어나며, 휘발성반응물의 경우에는 깨지는 기포의 기체속에서, 또는 그 기포를 둘러싸고 있는 뜨거운 경계면내에서 직접 열분해를 하게 되는데 반응물의 농도가 높을 때에는 경계면에서의 열분해가 우세하며 농도가 낮을 때에는 자유라디칼 반응이 우세하다.
또한, 초음파 조사에 의한 음화학반응에서는 열분해와 라디칼반응이 동시에 일어나는데, 열분해 과정에서 생성되는 OH 라디칼이 화학반응에 관여하게 되고, 라디칼은 물분자가 기포 붕괴시 발생되는 고온조건에서 H라디칼과 OH라디칼로 쪼개지며, 이때 생성된 OH 라디칼은 유기물과 반응하는 동시에 라디칼끼리 재결합하기도 한다.
H2O -------→ OH· + ·H ………………………[4]
OH· + M ---------→ products …………………[5]
OH· + ·OH -------------→H2O2……………[6]
예컨대, 200kHz의 초음파를 조사하였을 경우, 기포의 기·액 접촉 외각에는 온도가 약 800 K 정도까지 도달하는데, 이때 여기에서 일어나는 화학반응속도상수는 온도 증가에 따라 훨씬 상승하게 된다.
그리고, 초음파에 의한 산화반응은 물에 초음파(30-500 kHz 정도, 압력진폭 = 3기압 (30 kW/m2))를 조사하면 산화되어서 과산화수소(H2O2)가 생성되고, 공기중에서 수면으로 뛰어든 질소(N2)가 초음파의 작용에 의해서 NO가 되고 이것이 다시 산화되어 아초산(HNO2)이 된다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명에서는 난분해성 폐수처리에 대한 실시예로, 포기처리공정에서 배출되는 처리수를 저장조(1)에 저장한 후, 정량펌프(2)로 반응공급량을 조절하면서 반응조(3)로 일정량 공급하고, 반응조(3)에서는 황산과 수산화나트륨으로 반응pH를 조절하여 주면서 철염 및 과산화수소를 계획한 일정한 속도로 주입하였다.
그리고, 반응조(3)에서 반응시에 pH의 영향을 확인하기 위하여 pH미터프로브와, 반응의 산화·환원정도를 알기 위해서 ORP미터프로브를 사용하였고, 초음파 조사에 의한 음화학반응으로 발생되는 반응조내의 열은 서머커플로 측정하였다.
또한, 본 발명에서는 반응조(3)의 하부로부터 조사되는 초음파의 주파수를 오실로스코프(Oscilloscope)로 측정하고, 초음파반응조(3)에서 처리된 처리수는 상부로 월류시켜서 중화응집조(5)로 보낸다.
이때, 중화응집조(5)에서는 pH를 8정도로 유지하기 위하여 정량펌프로 NaOH를 주입하였고, 고분자응집제를 대략 3∼4ppm 범위로 주입하면서 교반기로 완속 교반하였다.
그리고, 중화응집조(5)에서 처리된 처리수는 오버플로(Overflow)되어 침전조(6)로 보내지고, 침전조에서는 슬러지가 중력 침강되어 하부로 배출되는 동시에 상등수가 상부로 유출된다.
한편, 본 발명은 난분해성 폐수를 처리할 시에 그 처리효율을 높이기 위하여 초음파응용기술을 적용시킨 기술로서, 난분해성 폐수가 담긴 반응조(3)의 하부로부터 초음파를 300, 350, 400, 450, 500kHz의 주파수로 변화시키면서 조사하고, 그 반응시간은 30분, 반응 pH 3.5에서 철염 및 과산화수소의 주입량을 변화시켜 가면서 반응시켰다.
[실시예1]
먼저, 난분해성 폐수가 담긴 반응조(3)의 하부로부터 초음파를 조사함에 있어, 그 반응시간을 30분, 반응pH를 3.5로 하고, 과산화수소는 첨가하지 않은 상태로 초음파의 각주파수에서 철염의 주입량만을 변화시켜 실험한 결과 다음의 표1과 같은 결과를 얻었다.
표1. COD제거효율(%)
FeCl2(mg/L) |
kHz |
300 |
350 |
400 |
450 |
500 |
03005001,0001,5002,000 |
54.959.361.568.171.273.5 |
58.061.164.671.274.877.9 |
61.565.969.974.377.980.1 |
62.467.371.275.278.880.5 |
63.768.172.176.179.680.5 |
즉, 반응주파수가 300kHz일 때 FeCl2의 주입량이 0 mg/L에서 COD 제거율(%)은 54.9%, FeCl2의 주입량이 1,000 mg/L에서 COD 제거율(%)은 68.1%로 상승하고 FeCl2의 주입량이 2,000mg/L에서는 73.5%정도가 되었다.
그리고, 반응주파수가 커지면 제거효율도 상승하여 반응 주파수가 400 kHz일 때는 FeCl2의 주입량이 0 mg/L에서 COD 제거율(%)은 61.5%, FeCl2의 주입량이 1,000mg/L에서 COD제거율(%)은 74.3%로 상승하고 FeCl2의 주입량이 2,000mg/L에서는 80.1%정도가 되었다.
또한, 반응주파수가 500 kHz일 때는 FeCl2의 주입량이 0mg/L에서 COD 제거율(%)은 63.7%, FeCl2의 주입량이 2,000 mg/L에서는 80.5% 정도가 되어 이로부터 철염의 주입량이 증가할수록 COD제거율(%)은 도2에 도시한 바와같이 거의 선형적으로 상승함을 알 수 있었다.
한편, 초음파의 반응주파수가 300 kHz보다 400kHz에서는 약 8.98%, 500 kHz에서는 9.52%정도 처리효율이 상승하였다.
이상의 실험결과에 의하면, 도3에 도시한 바와같이 초음파 적용시에 주파수는 300 kHz보다 400kHz에서 처리효율이 상대적으로 크게 증가하였으나 500 kHz에서는 400kHz에 비하여 소폭 증가하였음을 알 수 있다.
그리고, 처리수의 색도(투과율, %)는 도3에 도시한 바와 같이 반응주파수가 300kHz에서의 FeCl2의 주입량이 0 mg/L일 때 63%, FeCl2의 주입량이 1,000mg/L에서 투과율(%)은 65%, FeCl2의 주입량이 2.000 mg/L에서는 98.0%로 급상승하여 거의 투명한 상태가 되었다.
또한, 반응주파수가 500kHz에서도 FeCl2의 주입량이 0 mg/L에서 투과율(%)은 65%, FeCl2의 주입량이 1,000mg/L에서는 98.0%로 급상승하여 거의 투명한 상태가 되었다.
이상의 결과로부터, 색도(투과율,%)에서는 반응주파수에 따른 영향이 크지 않지만 주파수가 높을수록 좋은 결과를 나타내었으며, 철염의 경우 철염의 주입량이 1,000mg/L에서 반응주파수에 큰 영향을 받지 않고 거의 비슷한 투과도(%) 96∼98%를 나타내어 색도제거에도 매우 효과가 좋음을 확인하였다.
[실시예2]
난분해성 폐수가 담긴 반응조의 하부로부터 초음파를 조사함에 있어, 그 반응시간을 30분, 반응pH를 3.5로 하면서 초음파의 각주파수에서 철염 주입량을 1,000mg/L과 1,500mg/L로 하고, 과산화수소의 주입량을 0 에서 500mg/L까지 변화시키면서 실험하였다.
표2. COD제거율(%)
H2O2(mg/L) |
kHz |
300 |
400 |
500 |
0100300500 |
68.169.073.074.8 |
74.375.782.384.5 |
76.177.984.185.4 |
이때, 실험결과에 의하면 상기 표2에 나타난 바와같이 철염의 주입량이 1,000mg/L, 반응 주파수가 300kHz에서 과산화수소의 주입량을 0mg/L에서 500mg/L까지 증가시킬 경우, 난분해성 폐수의 COD제거율(%)은 H2O2의 주입량이 0 mg/L에서 68.1%이었으나, H2O2의 주입량이 300mg/L에서 73.0%, H2O2의 주입량이 500mg/L에서 74.8%로 증가하였다.
그리고, 반응주파수가 높아지면 처리효율은 상승하는데 철염의 주입량이 1,000mg/L, 반응주파수 400kHz에서 염색 폐수의 COD 제거율(%)은 H2O2의 주입량이 0 mg/L에서 74.3%이었으나, H2O2의 주입량이 300mg/L에서 82.3%로 증가하였다.
또한, 철염의 주입량이 1,000mg/L, 반응주파수가 500kHz에서 난분해성 폐수의 COD 제거율(%)은 H2O2의 주입량이 0 mg/L에서 76.1%이었으나, H2O2의 주입량이 300mg/L에서는 84.1%, H2O2의 주입량이 500mg/L으로 하면 COD 제거율(%)은 85.4%로 증가하였다.
한편, 철염의 주입량을 1,500 mg/L으로 증가하였을 경우에도 위와 비슷한 결과를 나타내었는데, 하기의 표3에 나타낸 바와같이 반응주파수가 300kHz에서 과산화수소의 주입량을 0 mg/L에서 500 mg/L까지 증가시킬 경우, 난분해성 폐수의 COD제거율(%)은 H2O2의 주입량이 300mg/L에서 81.4%, H2O2의 주입량이 500mg/L에서 83.6%로 증가하였다.
그리고, 철염의 주입량을 1,500 mg/L, 반응주파수 400kHz에서 염색 폐수의 COD 제거율(%)은 H2O2의 주입량이 0mg/L에서 77.9%이었으나, H2O2의 주입량이 300mg/L에서는 87.2%로 증가하였다.
또한, 철염의 주입량을 1,500 mg/L, 반응주파수가 500kHz에서 염색 폐수의 COD 제거율(%)은 H2O2의 주입량이 0 mg/L에서 79.6%이었으나, H2O2의 주입량이 300 mg/L에서 88.1%, H2O2의 주입량이 500mg/L에서 89.4%로 증가하였다.
표3. COD 제거율(%)
H2O2(mg/L) |
kHz |
300 |
400 |
500 |
0 |
71.2 |
77.9 |
79.6 |
100 |
73.0 |
79.2 |
81.0 |
300 |
81.4 |
87.2 |
88.1 |
500 |
83.6 |
89.4 |
89.4 |
한편, 실험결과에 의하면 반응시간이 30분, 반응 pH가 3.5에서 철염의 주입량이 1,000mg/L 과산화수소의 주입량을 0 mg/L에서 500mg/L까지 증가시킬 경우, 난분해성 폐수 처리수의 투과도(%)는 하기의 표4에 나타낸 바와같이 반응주파수가 300kHz에서 H2O2의 주입량이 0 mg/L에서 96%, 100mg/L에서 89%로 저하되었다가 H2O2의 주입량이 300mg/L에서는 95%, 500mg/L에서는 98%로 상승하였다.
그리고, 반응주파수가 400kHz에서는 H2O2의 주입량이 0 mg/L에서 98%, 100mg/L에서 98%정도이고, H2O2의 주입량이 300mg/L에서는 99%, 500mg/L에서는 99%상승하였다.
또한, 반응주파수가 500kHz에서도 H2O2의 주입량이 0 mg/L에서 98%, 100mg/L에서 98% 정도이고 H2O2의 주입량이 300mg/L에서는 99%, 500 mg/L에서는 99%로 반응주파수가 400kHz인 경우와 차이가 없었다.
그리고 반응시간이 30분, 철염의 주입량이 1,500mg/L일 때는 하기의 표5에 나타낸 바와같이 반응 pH가 3.5에서 과산화수소의 주입량을 0 mg/L에서 500mg/L까지 증가시킬 경우, 난분해성 폐수처리수의 투과도(%)는 반응주파수가 300kHz에서 H2O2의 주입량이 0 mg/L에서 97%, 100mg/L에서 98%, H2O2의 주입량이 300mg/L에서는 99%, 500mg/L에서는 99%로 상승하였다.
또한, 반응주파수가 400kHz에서는 H2O2의 주입량이 0 mg/L에서 98%, 100mg/L에서 99% 정도이고 H2O의 주입량을 증가시켜도 처리수의 색도는 비슷한 현상을 나타냈으며, 반응주파수가 500kHz에서도 H2O2의 주입량이 0mg/L에서 98%, 100mg/L에서 99%로 반응 주파수가 400kHz인 경우와 큰 차이가 없었다.
이와같이 철염의 주입량이 1,000 mg/L에서 과산화수소가 소량 첨가될 경우 처리수의 색도(투과도, %)가 약간 저하되는 현상은 과산화수소와 철염이 산화반응할 시에 초음파가 조사되면서 반응액을 현탁·분산시키기 때문에 투과도가 저하되는 것으로 사료되며, 철염의 주입량이 1,500mg/L인 경우인 철염에 의한 응집효과가 커지므로 반응액 속의 고형물의 응집·침전효과가 크기 때문에 투과도에 부정적인 영향을 주지 않음을 알 수 있다.
그리고, 처리수의 투과도에 과산화수소의 주입량이 미치는 영향은 잔존 과산화수소가 처리수의 투과도에 영향을 미치지 않으므로 좋은 색도제거효율을 나타내고 있다.
그러나, 잔존 과산화수소가 처리수의 COD 유발요인으로 작용하여 과산화수소가 과량 존재할 경우는 오히려 COD 제거율(%)의 저하를 나타내고 있다.
표4. 색도변화(투과도 %)
H2O2(mg/L) |
kHz |
300 |
400 |
500 |
0100300500 |
96899598 |
98989999 |
98989999 |
표5. 색도변화 (투과도, %).
H2O2(mg/L) |
kHz |
300 |
400 |
500 |
0100300500 |
97989999 |
98999999 |
98999999 |
[실시예3]
난분해성 폐수가 담긴 반응조의 하부로부터 초음파를 조사함에 있어, 그 반응시간을 30분, 반응pH를 3.5로 하면서 철염 주입량을 1,000mg/L과 1,500mg/L로 하고, 과산화수소의 주입량을 0 에서 700mg/L까지 변화시키면서 실험하였다.
이때, 과산화수소와 철염의 주입량을 각각 500mg/L, 1,000mg/L으로 할 경우, 펜톤산화반응과 초음파를 이용한 펜톤산화반응의 COD 제거율(%)은 각각 72.57%와 74.78%로 나타났다.
또한, 과산화수소와 철염의 주입량을 각각 500mg/L, 1,500mg/L으로 할 경우, 펜톤산화반응과 초음파를 이용한 펜톤산화반응의 COD 제거율(%)은 각각 76.55%와 83.63%로 나타났다.
이로부터, 펜톤산화반응보다 초음파산화반응의 COD 제거율이 약 10%정도의 상승을 기대할 수 있고, 그 상승효과만큼 과산화수소의 소비도 줄일 수 있어 난분해성 폐수처리비용를 절약할 수 있게 된다.