KR101697002B1 - Method for Phosphorus Removal from Waste Water Using Titanium Salt - Google Patents

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Abstract

본 발명은 티탄염을 이용한 폐수 내 인의 제거방법에 관한 것이다. 본 발명은 폐수 내 인의 제거를 위해 인체에 무해한 티타늄 응집제를 사용하므로 유독성의 알루미늄 응집제를 이용하는 방법에 비해 안전성이 더 우수하다. 또한, 본 발명의 방법을 통해 정화된 방류수가 중성 pH를 유지하므로 방류수의 pH 조정을 위한 후처리가 필요 없어 후처리 비용을 절약할 수 있을 뿐만 아니라 그로 인한 2차 오염을 예방할 수 있다. 또한, 본 발명의 방법을 통해 생성된 응집체는 소성과정을 거쳐 인으로 도핑된 티타늄산화물 또는 이산화티탄염(TiO2)으로 재생될 수 있으므로 경제성이 있으며 하수 슬러지의 발생도 최소화할 수 있다. The present invention relates to a method for removing phosphorus in waste water using a titanium salt. The present invention uses a titanium coagulant which is harmless to the human body for the removal of phosphorus in wastewater, so that it is more safe than the method using a toxic aluminum coagulant. In addition, since the purified water discharged through the method of the present invention maintains a neutral pH, post treatment for pH adjustment of the discharged water is not necessary, so that the post-treatment cost can be saved and second pollution caused thereby can be prevented. In addition, the agglomerates produced through the method of the present invention can be regenerated as phosphorus-doped titanium oxide or titanium dioxide (TiO 2 ) through firing, which is economical and minimizes the generation of sewage sludge.

Description

티탄염을 이용한 폐수 내 인의 제거방법{Method for Phosphorus Removal from Waste Water Using Titanium Salt} FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a method for removing phosphorus from waste water using a titanium salt,

본 발명은 티탄염을 이용한 폐수 내 인의 제거방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for removing phosphorus in waste water using a titanium salt.

인(phosphorus)은 주로 인산염의 형태로 생활하수, 산업폐수 내에 존재하며 부영양화의 원인이 된다. 부영양화는 수중의 산소를 소비해 수중생물을 죽게 하고 물을 부패시키는 등 수질을 악화시킨다. 따라서 인 제거에 대한 여러 가지 방안을 강구하고 있으며 환경부에서는 공공하수처리장 방류수의 인 수질기준(Ⅰ 지역, 처리용량 500 ㎥이상)을 2012년부터 0.2 ㎎/L로 강화하였다. 하수에서의 인 제거는 일반적으로 생물학적 처리, 화학적 처리, 생물학적 처리와 화학적 처리를 병행한 방법이 있다. 그러나 생물학적 처리기술은 다양한 운전조건이 요구되며 제거 가능한 인 농도의 한계가 있어 방류수 수질기준에 적합하도록 인을 처리하기 위해서는 화학적 처리의 도움이 필요하다. 일반적으로 화학적 처리는 알루미늄염, 철염, 석회 등의 응집제를 이용해 수중의 인산염을 난용성물질로 응집시켜 침전 제거한다. 기존에 사용하고 있는 알루미늄 계열의 응집제는 응집과정에서 발생되는 알루미늄 이온이 생체 내 축적될 경우 알츠하이머 등의 신경계질환에 영향을 줄 수 있다는 문제점을 가지고 있으며 기존 응집제의 경우 많은 하수슬러지를 발생시킨다[4-5]. 산업의 발달과 인구 증가로 생활하수의 발생량이 증가하고 이에 따라 하수슬러지의 발생량도 증가(2012년 기준 전년도 대비 17% 증가)하고 있다. 이러한 기존 응집제들의 문제점으로 새로운 응집제의 개발이 필요하며 하수슬러지를 재활용하는 방안이 연구되고 있다.
Phosphorus is in the form of phosphates mainly in domestic wastewater, industrial wastewater and causes eutrophication. Eutrophication consumes oxygen in the water, killing the aquatic organisms and corrupting the water. Therefore, the Ministry of Environment is taking various measures for phosphorus removal, and the water quality standard (Ⅰ area, treatment capacity of 500 ㎥ or more) of public sewage treatment plant effluent has been strengthened to 0.2 ㎎ / L from 2012. Phosphorus removal from sewage is generally carried out by a combination of biological treatment, chemical treatment, biological treatment and chemical treatment. However, biological treatment techniques require various operating conditions and have limitations on the concentration of phosphorus, which requires chemical treatment to treat the phosphorus to meet the effluent quality standards. In general, the chemical treatment uses coagulants such as aluminum salts, iron salts, and lime to precipitate and remove phosphates in water as a poorly soluble substance. Aluminum-based coagulants, which are used in the past, have a problem in that when aluminum ions generated in the coagulation process accumulate in the living body, they can affect the neurological diseases such as Alzheimer's and existing coagulants generate a lot of sewage sludge [ -5]. With the development of the industry and population growth, the amount of sewage sludge generated is increasing and the amount of sewage sludge generated is also increasing (17% compared to the previous year). As a problem of these conventional coagulants, development of a new coagulant is required and a method of recycling sewage sludge is being studied.

본 명세서에서 언급된 특허문헌 및 참고문헌은 각각의 문헌이 참조에 의해 개별적이고 명확하게 특정된 것과 동일한 정도로 본 명세서에 참조로 삽입된다.
The patent documents and references cited herein are hereby incorporated by reference to the same extent as if each reference was individually and clearly identified by reference.

대한민국 등록특허 제 10-0315434호Korean Patent No. 10-0315434

Zhou, Y., et al., Chemosphere, 72, 290-298 (2008). Zhou, Y., et al., Chemosphere, 72, 290-298 (2008). Ministry of Environment (MOE), Water Quality and Ecosystem Conservation Act (2014). Ministry of Environment (MOE), Water Quality and Ecosystem Conservation Act (2014). Rittmann, B. E. and McCarty, P. L., Environmental Biotechnology : Principles and Applications, McGraw-Hill (2002). Rittmann, B. E. and McCarty, P. L., Environmental Biotechnology: Principles and Applications, McGraw-Hill (2002). Nayak, P., “Aluminium : Impacts and Disease”, Environmental Research, Section A 89, 101-115 (2002). Nayak, P., " Aluminum: Impacts and Disease ", Environmental Research, Section A 89, 101-115 (2002).

본 발명자들은 폐수내의 인을 효과적으로 제거하기 위한 인 응집제를 개발하기 위해 연구 노력한 결과, 인체에 무해하며 하수슬러지의 재활용이 가능한 티탄염의 하나인 티타늄 테트라클로라이드(TiCl4)를 응집제로 사용하면 폐수 내 인을 효과적으로 제거할 수 있다는 것을 실험적으로 확인함으로서 본 발명을 완성하였다.
As a result of efforts to develop a coagulant for effectively removing phosphorus in waste water, the present inventors have found that when titanium tetrachloride (TiCl 4 ), which is one of the titanium salts which are harmless to human body and can be recycled to sewage sludge, is used as coagulant, The present invention has been completed.

따라서, 본 발명의 목적은 티탄염을 이용한 폐수 내 인의 제거방법을 제공하는데 있다.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for removing phosphorus in wastewater using titanium salts.

본 발명의 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 발명의 상세한 설명, 청구의 범위 및 도면에 의해 보다 구체적으로 제시된다.
Other objects and technical features of the present invention will be described in more detail with reference to the following detailed description, claims and drawings.

본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 티탄염을 이용한 폐수 내 인의 제거방법을 제공한다: According to one aspect of the present invention, the present invention provides a method for removing phosphorus in wastewater using a titanium salt comprising the steps of:

(a) 폐수에 포함된 이물질 또는 부유물질을 제거하는 전처리 단계; (a) a pretreatment step of removing foreign matters or suspended matters contained in the wastewater;

(b) 상기 전처리된 폐수에 티탄염을 첨가하고 교반하여 응집체를 형성하는 응집체 형성 단계; 및 (b) an agglomerate-forming step of adding a titanium salt to the pretreated wastewater and stirring to form agglomerates; And

(c) 상기 형성된 응집체를 제거하는 단계.
(c) removing the formed aggregate.

단계 (a): 폐수에 포함된 이물질 또는 부유물질을 제거하는 전처리 단계 Step (a): a pretreatment step for removing foreign matter or suspended matters contained in wastewater

먼저, 상기 폐수에 포함된 이물질 또는 부유물질을 제거한다. 폐수는 발생 원인에 따라 다양한 크기 및 종류의 이물질 또는 부유물질이 존재할 수 있다. 이물질 또는 부유물질은 하나 또는 하나 이상의 여과기를 이용하여 제거할 수 있다. 상기 여과기는 이물질 또는 부유물질을 여과할 수 있는 모래 또는 활성탄을 포함할 수 있으며 추가적으로 잔존부유물 또는 미세부유물을 제거할 수 있는 마이크로필터를 포함할 수 있다. 상기 폐수에 포함된 인은 사람 또는 동물의 분뇨, 세제 생산 공정, 비료 생산 공정, 육류 또는 음식의 가공공정, 축산 폐수 또는 펄프 및 제지의 제조 공정으로부터 포함될 수 있으며 폐수의 부영양화의 원인이 될 수 있다. 상기 폐수로부터 인을 제거하기 위한 방법은 물리 화학적 제거방법, 생물학적 제거방법, 토지를 이용한 제거방법, 식생을 이용한 제거방법 또는 조류(algae)를 이용한 제거방법이 있다. 본 발명의 방법은 티탄염을 폐수에 첨가하여 수중의 인을 난용성물질로 응집시켜 침전 제거하는 상기 물리화학적 제거 방법에 속한다. 상기 티타늄은 인체에 독성이 없고 생체적합성이 뛰어나 생체 재료용 무기재료로 사용되고 있다.
First, foreign matter or suspended matters contained in the wastewater are removed. Wastewater may be present in various sizes and types of foreign matter or suspended matter depending on the cause of the occurrence. The foreign matter or suspended matter may be removed using one or more filters. The filter may include sand or activated carbon capable of filtering foreign matter or suspended matter, and may further include a microfilter capable of removing residual suspended matter or fine suspended particles. Phosphorus contained in the wastewater may be included in manure or animal manure, detergent production processes, fertilizer production processes, meat or food processing processes, livestock wastewater or pulp and paper manufacturing processes and may cause eutrophication of wastewater . Methods for removing phosphorus from the wastewater include a physicochemical removal method, a biological removal method, a land removal method, a vegetation removal method, or an algae removal method. The method of the present invention belongs to the above-mentioned physicochemical removal method in which a titanium salt is added to wastewater to coagulate the phosphorus in water with a poorly soluble substance to precipitate and remove. The titanium is not toxic to the human body and is excellent in biocompatibility and is used as an inorganic material for biological materials.

단계 (b): 상기 전처리된 폐수에 티탄염을 첨가하고 교반하여 응집체를 형성하는 응집체 형성 단계 Step (b): an agglomerate formation step of adding a titanium salt to the pretreated wastewater and agitating to form agglomerates

상기 단계 (a)에 따라 전처리한 폐수 또는 pH를 조정한 폐수에 티탄염 응집제를 첨가한 후 교반하여 응집체를 형성한다. The titanium salt flocculant is added to the wastewater pretreated according to the above step (a) or the wastewater whose pH is adjusted, and agitated to form agglomerates.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명에서 사용되는 티탄염 응집제는 수용성 티탄염을 사용할 수 있으며, 예를 들어 티타늄 테트라클로라이드(TiCl4), 티타늄(IV) 설페이트[Ti(SO4)2], 또는 티타늄 나이트레이트[Ti(NO3)4]를 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. According to one embodiment of the present invention, the titanium salt flocculant used in the present invention may be a water-soluble titanium salt, for example, titanium tetrachloride (TiCl 4 ), titanium (IV) sulfate [Ti (SO 4 ) 2 ] , Or titanium nitrate [Ti (NO 3 ) 4 ] may be used, but the present invention is not limited thereto.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 티탄염은 폐수에 포함된 티탄염의 농도가 0.30 mM - 0.60 mM이 되도록 첨가한다. 보다 바람직하게는 상기 티탄염은 폐수에 포함된 티탄염의 농도가 0.35 mM - 0.45 mM이 되도록 첨가한다. According to another embodiment of the present invention, the titanium salt is added so that the concentration of the titanium salt contained in the wastewater is 0.30 mM to 0.60 mM. More preferably, the titanium salt is added so that the concentration of the titanium salt contained in the wastewater is 0.35 mM - 0.45 mM.

본 발명에서 응집제로 첨가된 티탄염의 가수분해로 생성된 티타늄염이 상기 폐수의 인산염과 효율적으로 반응하여 응집체를 이루기 위해서는 일정한 반응비율이 요구된다. In the present invention, a constant reaction rate is required for the titanium salt produced by the hydrolysis of the titanium salt added as the flocculant to efficiently react with the phosphate of the wastewater to form an aggregate.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 티탄염이 첨가된 폐수에서의 티타늄과 인의 몰비(티타늄:인)는 5.7:1 - 8.5:1의 범위이며, 보다 바람직하게는 7:1이다. According to one embodiment of the present invention, the molar ratio of titanium to phosphorus (titanium: phosphorous) in the wastewater to which the titanium salt is added is in the range of 5.7: 1 to 8.5: 1, more preferably 7: 1.

상기 폐수의 티탄늄염과 인산염이 물리적으로 접촉할 수 있는 기회가 증가하도록 교반을 수행한다. 상기 교반은 빠른 속도로 수행하여 티타늄염과 인산염이 골고루 섞이게 하는 1차 교반(급속교반)과 느린 속도로 수행하여 티타늄염과 인산염이 응집체를 형성하도록 유도하는 2차 교반(완속교반)으로 구성될 수 있다. Stirring is performed to increase the chances that the titanium salt of the wastewater and the phosphate are in physical contact. The stirring is performed at a high speed to carry out primary stirring (rapid stirring) for uniformly mixing the titanium salt and the phosphate, and secondary stirring (slow stirring) for inducing the titanium salt and the phosphate to form agglomerates at a slow speed .

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 교반은 0.5분 - 1.5분간 110rpm - 130rpm으로 행하는 1차 교반을 포함한다. 보다 바람직하게는 상기 1차 교반은 120rpm으로 1분간 교반한다. According to one embodiment of the present invention, the stirring includes primary stirring at 110 rpm to 130 rpm for 0.5 to 1.5 minutes. More preferably, the primary stirring is performed at 120 rpm for 1 minute.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 교반은 상기 1차 교반 후에 15분 - 25분 동안 25rpm - 35rpm으로 2차 교반하는 단계를 더 포함한다. 보다 바람직하게는, 상기 2차 교반은 20분 동안 30rpm으로 교반하여 행한다. According to another embodiment of the present invention, the stirring further includes a second stirring step at 25 rpm to 35 rpm for 15 to 25 minutes after the primary stirring. More preferably, the secondary agitation is performed by stirring at 30 rpm for 20 minutes.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명의 방법에서 상기 단계 (a) 이후 및 하기 단계 (b) 이전에, 상기 단계 (a)를 통해 전처리된 폐수에 산 또는 알칼리의 pH 조절제를 첨가하여 pH를 조정하는 pH 조정 단계 (a)'를 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 단계 (a)에서 이물질 또는 부유물질을 제거한 폐수에 pH 조절제를 첨가하여 폐수의 pH를 조정할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, in the method of the present invention, after the step (a) and before the step (b), a pH adjusting agent of acid or alkali is added to the wastewater pretreated through step (a) (A) 'for adjusting the pH of the solution. That is, in the step (a), the pH of the wastewater can be adjusted by adding a pH adjusting agent to the wastewater from which foreign matters or suspended matters have been removed.

본 발명의 일 구현예에 따라 사용되는 티탄염 응집제 중에 하나인 티타늄클로라이드(TiCl4)는 산성 조건하에서는 TiCl4의 가수분해가 제한되어 응집에 악영향을 미치며, 염기성 조건하에서는 OH-의 농도가 높아져 금속수화물이 생성된다. 이렇게 수용액 중의 pH의 영향 때문에 산성조건하에서는 TiCl4의 가수분해가 제한되어 Ti4+가 인 응집에 반응하지 않으며, 염기성 조건하에서는 OH-의 영향으로 Ti(OH)4(s)의 형태로 반응하여 인 제거효율이 감소하는 것으로 추정된다. 즉, 폐수의 초기 pH가 강한 산성 또는 염기성인 경우 TiCl4에 의한 인 제거 효율이 감소할 수 있으므로, 폐수의 pH는 인 제거 효율의 면에서 중성 부근에서 유지되는 것이 바람직하다. Titanium chloride (TiCl 4 ), which is one of the titanium salt flocculants used according to one embodiment of the present invention, has an adverse effect on agglomeration due to the limited hydrolysis of TiCl 4 under acidic conditions, and the concentration of OH - Hydrate is generated. This because of the influence of pH in the aqueous solution under acidic conditions is that the hydrolysis of TiCl 4 does not limit the reaction of the Ti 4+ agglutination, under basic condition OH - to the reaction in the form of Ti (OH) 4 (s) under the influence of Phosphorus removal efficiency is estimated to decrease. That is, when the initial pH of the wastewater is strongly acidic or basic, the phosphorus removal efficiency by TiCl 4 may decrease, so that the pH of the wastewater is preferably maintained near neutral in terms of phosphorus removal efficiency.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, pH 조정 단계 (a)'에서 폐수의 pH는 7.0 - 9.0의 범위로 조정한다. 폐수내의 인 제거효율만을 감안한 경우 폐수의 초기 pH는 7.0 - 8.5의 범위가 바람직하다. 한편, 폐수를 TiCl4를 첨가하여 인을 제거한 후 방류되는 폐수의 pH를 5.8이상으로 유지해야 하는 경우 폐수의 초기 pH는 7.7 - 9.0의 범위가 바람직하다. According to another embodiment of the present invention, the pH of the wastewater in the pH adjusting step (a) 'is adjusted to the range of 7.0 to 9.0. Considering only the phosphorus removal efficiency in the wastewater, the initial pH of the wastewater is preferably in the range of 7.0 to 8.5. On the other hand, if the pH of wastewater discharged after removing phosphorus by adding TiCl 4 to the wastewater is to be maintained at 5.8 or more, the initial pH of the wastewater is preferably in the range of 7.7 to 9.0.

또한, 방류되는 폐수의 최종 pH를 6.3으로 하고 폐수내의 인의 제거율을 95%로 하는 경우 폐수의 초기 pH는 8.5로 하는 것이 가장 바람직하다. In addition, when the final pH of the discharged wastewater is 6.3 and the removal rate of phosphorus in the wastewater is 95%, the initial pH of the wastewater is most preferably 8.5.

본 발명에서 사용되는 상기 pH 조절제는 폐수의 pH를 효과적으로 조절할 수 있는 산 또는 알칼리 물질이면 어떠한 물질도 사용할 수 있으며, 예를 들어 염산(HCl) 또는 수산화나트륨(NaOH)을 사용할 수 있다.
The pH adjuster used in the present invention may be any acid or alkaline substance which can effectively control the pH of wastewater. For example, hydrochloric acid (HCl) or sodium hydroxide (NaOH) may be used.

단계 (c): 상기 형성된 응집체를 제거하는 단계 Step (c): removing the formed aggregate

상기 단계 (b)를 통해 형성된 응집체를 제거한다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 응집체의 제거는 응집체를 25분-35분간 침전시켜 수행한다. 상기 침전된 응집체는 응집슬러지로 존재할 수 있다. 상기 응집슬러지는 소성과정을 거쳐 인으로 도핑된 티타늄산화물 또는 이산화티탄염(TiO2)으로 재생될 수 있다. 상기 응집체가 제거된 폐수는 정화된 폐수로서 방류될 수 있다. 환경부 방류수 수질기준에 따르면, 방류수의 인의 함유량은 0.2㎎/L 이하여야 한다. 본 발명의 단계 (c)에서 응집체가 제거된 폐수의 pH는 6.0 - 7.0의 범위이다. The aggregate formed through step (b) is removed. According to one embodiment of the present invention, the removal of the aggregates is carried out by sedimentation of the aggregates for 25 to 35 minutes. The precipitated aggregate may be present as flocculating sludge. The flocculating sludge may be regenerated with phosphorus-doped titanium oxide or titanium dioxide salt (TiO 2 ) through a sintering process. The wastewater from which the aggregates have been removed can be discharged as purified wastewater. According to the quality standards of the discharged water of the Ministry of Environment, the content of phosphorus in discharged water should be less than 0.2㎎ / L. The pH of the wastewater from which aggregates have been removed in step (c) of the present invention ranges from 6.0 to 7.0.

하기 본 발명의 구체적인 일 실시예에 따르면, 폐수의 초기 pH가 7.7 - 9.0 이고, 폐수내 티탄염(TiCl4)의 농도가 0.35 - 0.60 mM인 경우 응집체가 제거된 폐수의 최종 pH는 5.8 이상이 된다. According to a specific embodiment of the present invention, when the initial pH of the wastewater is 7.7 to 9.0 and the concentration of the titanium salt (TiCl 4 ) in the wastewater is 0.35 to 0.60 mM, the final pH of the wastewater from which the aggregate is removed is 5.8 or more do.

본 발명의 다른 구체적인 일 실시예에 따르면, 폐수의 초기 pH가 7.7 - 9.0 이고, 폐수내 티탄염(TiCl4)의 농도가 0.37 - 0.60 mM인 경우 응집체가 제거된 폐수의 최종 pH는 5.8 이상이면서 인의 제거 효율은 90%이상이 된다. According to another embodiment of the present invention, when the initial pH of the wastewater is 7.7 to 9.0 and the concentration of the titanium salt (TiCl 4 ) in the wastewater is 0.37 to 0.60 mM, the final pH of the wastewater from which the aggregate is removed is 5.8 or more The removal efficiency of phosphorus becomes 90% or more.

본 발명의 또 다른 구체적인 일 실시예에 따르면, 폐수의 초기 pH가 8.5 이고, 폐수내 티탄염(TiCl4)의 농도가 0.45 mM인 경우 응집체가 제거된 폐수의 최종 pH는 5.8 이상이면서 인의 제거 효율은 95%이상이 된다. According to another specific embodiment of the present invention, when the initial pH of the wastewater is 8.5 and the concentration of the titanium salt (TiCl 4 ) in the wastewater is 0.45 mM, the final pH of the wastewater from which the aggregate has been removed is 5.8 or more, Is 95% or more.

상기 단계 (b)에서 설명된 바와 같이, 티타늄클로라이드(TiCl4)를 사용하여 상기 폐수의 인 제거를 수행하면 상기 TiCl4의 가수분해과정에서 생성된 염산에 의하여 처리된 폐수가 산성화될 수 있다. 본 발명의 폐수 내 인의 제거방법은 폐수의 초기 pH를 중성으로 조정하고 정해진 양의 TiCl4를 첨가하므로 인이 제거된 폐수의 최종 pH가 중성으로 유지되는 효과가 있다.
As described in step (b) above, when phosphorus removal of the wastewater is performed using titanium chloride (TiCl 4 ), the wastewater treated by hydrochloric acid produced in the hydrolysis of TiCl 4 can be acidified. The method of removing phosphorus in wastewater according to the present invention has the effect of adjusting the initial pH of the wastewater to neutral and adding a predetermined amount of TiCl 4 so that the final pH of the phosphorus-removed wastewater is kept neutral.

본 발명의 특징과 이점을 요약하면 다음과 같다: The features and advantages of the present invention are summarized as follows:

(ⅰ) 본 발명의 폐수 내 인의 제거방법은 인체에 무해한 티탄염을 응집제로 사용하므로, 유독성 알루미늄 응집제를 이용한 인 제거방법과 비교하여 안전성의 면에서 우수하다. (I) The method of removing phosphorus in wastewater according to the present invention is superior in terms of safety as compared with a phosphorus removal method using a toxic aluminum flocculant since a harmless titanium salt is used as a flocculant.

(ⅱ) 본 발명의 폐수 내 인의 제거방법을 통해 인이 제거된 방류수는 중성 pH를 유지하므로 방류수의 pH 조정을 위한 후처리가 필요 없어 비용을 절약할 수 있을 뿐만 아니라 후처리로 인한 2차 오염을 예방할 수 있다. (Ii) Since the phosphorus-removed effluent from the phosphorus removal method of the present invention maintains a neutral pH, it is not necessary to postpone the pH adjustment of the effluent to save the cost, Can be prevented.

(ⅲ) 본 발명의 폐수 내 인의 제거방법을 통해 생성된 응집체는 소성과정을 거쳐 인으로 도핑된 티타늄산화물 또는 이산화티탄염(TiO2)으로 재생될 수 있으므로 경제성이 있으며, 하수슬러지의 발생도 최소화 할 수 있다.
(Iii) The aggregate produced through the removal method of phosphorus in the wastewater of the present invention can be regenerated as phosphorus-doped titanium oxide or titanium dioxide salt (TiO 2 ) through sintering process, which is economical and minimizes the occurrence of sewage sludge can do.

본 발명은 티탄염을 이용한 폐수 내 인의 제거방법에 관한 것이다. 본 발명은 폐수 내 인의 제거를 위해 인체에 무해한 티타늄 응집제를 사용하므로 유독성의 알루미늄 응집제를 이용하는 방법에 비해 안전성이 더 우수하다. 또한, 본 발명의 방법을 통해 정화된 방류수가 중성 pH를 유지하므로 방류수의 pH 조정을 위한 후처리가 필요 없어 후처리 비용을 절약할 수 있을 뿐만 아니라 그로 인한 2차 오염을 예방할 수 있다. 또한, 본 발명의 방법을 통해 생성된 응집체는 소성과정을 거쳐 인으로 도핑된 티타늄산화물 또는 이산화티탄염(TiO2)으로 재생될 수 있으므로 경제성이 있으며 하수 슬러지의 발생도 최소화할 수 있다.
The present invention relates to a method for removing phosphorus in waste water using a titanium salt. The present invention uses a titanium coagulant which is harmless to the human body for the removal of phosphorus in wastewater, so that it is more safe than the method using a toxic aluminum coagulant. In addition, since the purified water discharged through the method of the present invention maintains a neutral pH, post treatment for pH adjustment of the discharged water is not necessary, so that the post-treatment cost can be saved and second pollution caused thereby can be prevented. In addition, the agglomerates produced through the method of the present invention can be regenerated as phosphorus-doped titanium oxide or titanium dioxide (TiO 2 ) through firing, which is economical and minimizes the generation of sewage sludge.

도 1은 TiCl4를 폐수내 농도가 0.45mM이 되도록 첨가된 폐수의 초기 pH에 따른 인의 제거율을 보여준다.
도 2는 실험구간의 TiCl4 농도 및 pH에 대한 인 제거의 2차 모델(quadratic model)을 2차 또는 3차원 등고선도(contour plot)들로 보여준다.
도 3은 실험구간의 TiCl4 농도 및 초기 pH에 대한 최종 pH의 1차 모델(first-order model)을 2차 또는 3차원 등고선도(contour plot)들로 보여준다.
FIG. 1 shows the removal rate of phosphorus according to the initial pH of wastewater added so that the concentration of TiCl 4 in the wastewater is 0.45 mM.
FIG. 2 shows quadratic models of phosphorus removal for TiCl 4 concentration and pH in the experimental period as second- or third-dimensional contour plots.
FIG. 3 shows the first-order model of the final pH for the TiCl 4 concentration and the initial pH of the experimental period as secondary or three-dimensional contour plots.

실시예 Example

실험 재료 및 방법 Materials and Methods

1. 실험 약품 및 방법 1. Experimental drugs and methods

실험에 사용한 인공폐수는 K2HPO4(98%, 대정화금, 대한민국), NaHCO3(99.5-100.3%, Wako, 일본), 증류수 등을 이용하여 인(P) 2 ㎎/L 및 CaCO3로서 알칼리도 100㎎/L인 인공폐수를 제조하여 사용하였다. 인공폐수의 pH는 NaOH(97.0%, 대정화금, 대한민국), HCl(35.0%, 대정화금, 대한민국)을 5 N로 제조하여 조절하였다. 티타늄계열의 응집제는 TiCl4(20%, Photo & Environment Technology Co.Ltd, 대한민국)를 사용하였다. Jar-tester(FC6S, Velp scientifica, Europe)를 사용하여 동일한 시료량(500㎖)에서 응집제 주입량과 pH에 따른 인 제거실험을 진행하였다. Jar-test 처리조건은 1분 동안 급속교반(120rpm) 후, 20분 동안 완속교반(30rpm)을 거쳐 30분 동안 침전한 다음에 잔류 인 농도를 측정하였다.
The artificial wastewater used in the experiment was phosphorus (P) 2 mg / L and CaCO 3 (100 mg / L) using K 2 HPO 4 (98%, purified water, Korea), NaHCO 3 (99.5-100.3%, Wako, Japan) Of artificial wastewater having an alkalinity of 100 mg / L And used. The pH of the artificial wastewater was adjusted to 5 N by adding NaOH (97.0%, purified water, Korea) and HCl (35.0%, purified water, Korea). TiCl 4 (20%, Photo & Environment Technology Co., Ltd., Korea) was used as a coagulant for the titanium series. Phosphorus removal experiments were carried out in the same sample (500 ml) using Jar-tester (FC6S, Velp scientifica, Europe) according to the coagulant injection amount and pH. The Jar-test treatment conditions were as follows: 1 minute of rapid stirring (120 rpm), 20 minutes of slow stirring (30 rpm), 30 minutes of precipitation, and then the residual concentration was measured.

2. 분석방법 2. Analysis method

인 농도는 Standard method 4500-P에 준하여 분석하였다(APHA., AWWA. and WEF., Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 22nd edition, Washington DC (2012)). 응집실험 전 후에 pH(UB-10, DENVER instrument, US)를 측정한 후, 상등액을 GF/C(0.45㎛)로 여과하여 인 농도를 분석하였다. 인 농도 분석에는 UV-Vis Spectrophotometer(Libra S60, Biochrom, UK)를 사용하였다.
(APHA, AWWA, and WEF, Standard Methods for Examination of Water and Wastewater, 22nd edition, Washington, DC (2012)). After measuring the pH (UB-10, Denver instrument, US) before and after the flocculation experiment, the supernatant was filtered with GF / C (0.45 μm) to analyze the phosphorus concentration. UV-Vis spectrophotometer (Libra S60, Biochrom, UK) was used for phosphorus concentration analysis.

3. 실험설계 3. Experimental design

실험에 사용한 실험계획법은 2차 모형의 추정을 위한 연구에 일반적으로 사용되는 최적화 알고리즘인 반응표면분석법(response surface analysis, RSA)의 중심합성설계법(central composite design, CCD)를 적용하였다. 중심합성설계법에 의해 계획된 실험을 수행하여 데이터를 얻은 후에 회귀분석을 통해 반응표면을 추정한다. 추정된 반응표면식를 이용해 독립변수의 변화에 따른 반응변수의 변화정도를 분석하는 민감도 분석을 행하며 실험결과들을 연속적으로 분석하여 체계적이고 신뢰도가 높은 최적조건을 산출할 수 있도록 한다(Yoo, W. S., Response Surface Methodological Optimization of Conditions for the TEMPO-mediated Selective Oxidation of Primary Alcohols in Rice Bran, Master’s Thesis, Seoul National University of Technology (2010); Chae, H.-J., The Optimization of Culture Medium with Food Waste Compost for Oyster Mushroom using the Response Surface Analysis, Master’s Thesis, Kangwon National University (2012)). 실험설계 및 분석은 통계프로그램인 미니탭(Minitab Inc. Release 14)을 사용하였다.
The experimental design method was applied to the central composite design (CCD) of response surface analysis (RSA), an optimization algorithm commonly used in the estimation of the secondary model. After the data is obtained by carrying out the experiments planned by the central composite design method, the reaction surface is estimated by regression analysis. (Yoo, WS, Response). In this paper, we propose a sensitivity analysis method that analyzes response variables according to the change of independent variables using the estimated response surface equation. Chae, H.-J., The Optimization of Culture Medium with Food Waste Compost for Oyster (2010); Chung, H.-J., Chung, Mushroom using Response Surface Analysis, Master's Thesis, Kangwon National University (2012)). The design and analysis of the experiment was performed using the statistical program Minitab (Release 14).

실험결과 Experiment result

본 실험의 연구 결과 인 제거효율은 응집제 주입량의 농도가 0.40 mM 이상 즉, [TiCl4]/[P]의 몰비가 6.2 이상으로 반응할 때 방류수 수질기준인 0.2㎎/L 이하로 만족하였고, 90% 이상의 인 제거효율을 보였다. As a result of this experiment, the removal efficiency was satisfactory when the concentration of the coagulant injection amount was more than 0.40 mM, that is, when the molar ratio of [TiCl 4 ] / [P] % Removal efficiency.

본 발명 실험 결과 초기 pH 3 - 11의 범위에서 인 제거효율이 pH 7까지 인 제거효율이 99.6%로 증가하였지만, pH 7 이상에서는 인 제거효율이 감소하며 pH 7에서 변곡점을 보였다(도 1). As a result of the experiment of the present invention, the removal efficiency of the phosphorus removal efficiency to pH 7 was increased to 99.6% in the range of initial pH 3 to 11, but the phosphorus removal efficiency was decreased at pH 7 or more and inflection point was observed at pH 7 (FIG.

TiCl4는 산성의 조건에서 TiCl4의 가수분해가 제한되어 응집에 영향을 끼치며, 염기성의 조건에서는 OH- 농도가 높아져 금속수화물을 생성한다. 이러한 pH의 영향으로 산성조건에서는 TiCl4의 가수분해가 제한되어 Ti4+가 인 응집에 반응하지 않으며 염기성 조건에서는 OH-의 영향으로 Ti(OH)4(s)형태로 반응하여 인 제거효율이 감소하는 것으로 추정된다. TiCl 4 has limited hydrolysis of TiCl 4 under acidic conditions and affects flocculation. In basic condition, OH - concentration increases to produce metal hydrate. The acidic pH due to the influence of these conditions is the hydrolysis of TiCl 4 Ti 4+ is a restriction does not respond to the basic conditions in the coagulation OH - in removal efficiency as in response to the Ti (OH) 4 (s) affected by the form Respectively.

응집제 주입량과 초기 pH를 독립변수로 하여 인 제거효율의 최적점을 알아보고자 중심합성설계법에 따라 실험을 계획한 후 실험을 수행하였다(표 1). 응집제 주입량 0.35-0.55 mM, pH 5.5 - 8.5의 범위에서 2인자 설계를 하여 총 9개의 실험점과 실험 자체의 순수오차를 보정하기 위해 중앙점(pH 7, 0.45 mM)을 3회 반복하여 총 11개의 실험을 수행하였다. 인 제거효율은 실험 범위 내에서 63.4 - 99.0%로 나타났다. In order to determine the optimum point of phosphorus removal efficiency with the coagulant injection amount and initial pH as independent variables, experiments were conducted according to the central synthetic design method and the experiment was performed (Table 1). (PH 7, 0.45 mM) was repeated three times to correct the total error of nine experiments and the experiment itself, and the total of 11 Were performed. The phosphorus removal efficiency was 63.4 - 99.0% within the experimental range.

Figure 112015051040763-pat00001
Figure 112015051040763-pat00001

인 제거효율을 종속변수로 반응표면분석 결과 1차식은 적합하지 않아 2차식을 도출하였다(식 1). R2 98.7%로 신뢰할 수 있으며 p-value는 0.001 이하, 모델의 적합성결여(Lack of fit)는 0.062(p-value>0.05)로 만족하여 유의하였다. 모든 항에 대한 p-값(p-value)를 모두 만족하여(p-value<0.05) 유의성이 인정되어 모든 항이 인 제거효율에 상관성이 높은 것으로 판단된다. 본 실험 구간 내에서 두 변수에 상관관계는 식 1의 관계식을 통해 얻었다.
The removal efficiency is a dependent variable. As a result of the surface analysis, the first order is not suitable and the second order is derived (Equation 1). R 2 is 98.7%. The p-value was less than 0.001 and the lack of fit was 0.062 (p-value> 0.05). All p-values (p-value <0.05) were considered to be significant and all of the anti-phosphorus removal efficiencies were highly correlated. The correlation between the two variables in this experiment was obtained through the equation (1).

Phosphorus removal (%) = 343.0+81.29×(pH)+521.79× [TiCl4]-6.33×(pH)2-783.14× [TiCl4]2+33.92× (pH)× [TiCl4] (식 1)
Phosphorus removal (%) = 343.0 + 81.29 × (pH) + 521.79 × [TiCl 4 ] -6.33 × (pH) 2 -783.14 × [TiCl 4 ] 2 + 33.92 × (pH) × [TiCl 4 ] Equation 1)

반응표면분석에 따른 등고선도와 반응표면은 도 2에 나타내었다. 등고선도를 보면 간격이 TiCl4 축에 비해 pH 축이 더 조밀한 것을 볼 수 있다. 이는 본 실험구간에서 인 제거효율이 TiCl4의 변화보다 pH의 변화에 더 민감한 것을 알 수 있다. 실험구간에서 인의 완전한 제거는 초기 pH 7.0~8.5, [TiCl4]가 0.43~0.55 mM 범위 내에서 이루어지는 것으로 예측되었다. The contour lines and reaction surfaces according to the reaction surface analysis are shown in Fig. The contour diagram shows that the pH axis is more dense than the TiCl 4 axis. It can be seen that the phosphorus removal efficiency is more sensitive to the change of pH than the change of TiCl 4 in this experimental section. In the experimental section, complete removal of phosphorus was predicted to be within the range of initial pH 7.0 ~ 8.5, [TiCl 4 ] 0.43 ~ 0.55 mM.

응집제 주입량과 초기 pH를 독립변수로 하여 최종 pH의 최적점을 알아보고자 중심합성설계법에 따라 실험을 계획한 후 실험을 수행하였다(표 2). 인 제거효율 결과에 따라 응집제 주입량 0.35~0.55mM, 초기 pH 5.5~8.5의 범위에서 2인자 설계를 하여 총 9개의 실험점과 실험 자체의 순수오차를 보정하기 위해 중앙점(pH 7, 0.45 mM)을 5회 반복하여 총 13개의 실험을 수행하였다. 최종 pH는 실험 범위 내에서 2.8~6.5로 나타났다. In order to determine the optimum point of the final pH with the coagulant injection amount and the initial pH as independent variables, experiments were conducted according to the central synthetic design method and the experiment was conducted (Table 2). (PH 7, 0.45 mM) in order to calibrate the total of nine experimental points and the pure error of the experiment itself. Were repeated five times to perform a total of 13 experiments. The final pH was 2.8 ~ 6.5 in the experimental range.

Figure 112015051040763-pat00002
Figure 112015051040763-pat00002

최종 pH는 종속변수로 반응표면분석 결과, 1차식을 만족하였다(식 2). R2 86.3%로 나타났고 p-값(p-value)은 0.001이하, 모델의 적합성결여(Lack of fit)는 0.382(p-value>0.05)로 만족하여 유의하였다. 모든 항에 대한 p-값을 모두 만족하여(p-value < 0.05) 유의성이 인정되어 모든 항이 인 제거효율에 상관성이 높은 것으로 판단된다. 본 실험 구간 내에서 두 변수에 상관관계는 식 2의 관계식을 통해 얻었다.
As a result of the reaction surface analysis, the final pH was satisfied as the dependent variable (Equation 2). R 2 is (P-value> 0.001). Lack of fit of the model was 0.382 (p-value> 0.05). All p-values for all terms were satisfied (p-value <0.05). The relationship between the two variables in this experiment was obtained through the equation (2).

Final pH = -0.77+1.12×(Initial pH)-4.98×[TiCl4] (식 2)
Final pH = -0.77 + 1.12 × ( Initial pH) -4.98 × [TiCl 4] ( Equation 2)

반응표면분석에 따른 등고선도와 반응표면은 도 3에 나타내었다. 상기 등고선도를 보면 간격이 [TiCl4] 축에 비해 초기 pH 축이 더 조밀한 것을 볼 수 있다. 이는 본 실험구간에서 최종 pH가 [TiCl4]의 변화보다 초기 pH의 변화에 더 민감한 것을 알 수 있다. 실험구간에서 초기 pH 7.7 이상, [TiCl4]가 0.35mM 이상의 범위 내에서 최종 pH 5.8 이상임이 예측되었다. 또한, 제거효율에 따른 결과와 최종 pH에 따른 분석결과에서 초기 pH 7.7 이상, [TiCl4] 0.37 mM 이상의 범위 내에서 인 제거효율은 90% 이상 최종 pH 5.8이상으로 예측되었다(도 2 및 도 3).
The contour lines and reaction surfaces according to the reaction surface analysis are shown in Fig. The contour diagram shows that the initial pH axis is more dense than the [TiCl 4 ] axis. It can be seen that the final pH is more sensitive to the change of the initial pH than the change of [TiCl 4 ] in this experimental section. It was predicted that the initial pH was 7.7 or higher and the final pH was 5.8 or higher in the range of [TiCl 4 ] 0.35 mM or higher. In addition, according to the results according to the removal efficiency and the final pH, the phosphorus removal efficiency was estimated to be more than 90% at an initial pH of 7.7 or more and in a range of [TiCl 4 ] 0.37 mM or more to a final pH of 5.8 or more ).

결론 conclusion

티타늄 계열의 응집제를 사용하여 인을 제거하였을 때 티타늄과 인의 몰비가 6.2이상일 경우 방류수 수질기준인 0.2㎎/L 이하로 만족하였으며 90% 이상의 인 제거효율을 보였다. 인 제거효율은 초기 pH가 증가할수록 증가하다가 pH 7부근에서는 변곡점을 보이며 점차 감소하였으며, 초기 pH 7, 응집제 농도 0.45mM의 조건에서 99.0%로 가장 높게 나타났다. 본 실험구간에서 초기 pH 7.0 - 8.5, [TiCl4]가 0.43 - 0.55mM 범위 내에서 인의 완전 제거가 이루어지는 것으로 예측되었으며(도 2), 초기 pH 7.7 이상, [TiCl4]가 0.35 mM 이상의 범위 내에서 최종 pH 5.8 이상임이 예측되었다(도 3). 또한 초기 pH 7.7 이상, [TiCl4] 0.37mM 이상의 범위 내에서 인 제거효율은 90 % 이상 최종 pH는 5.8 이상으로 예측되었다(도 2 및 도 3).
When the molar ratio of titanium to phosphorus was higher than 6.2, it was less than 0.2㎎ / L of discharged water quality standard and the removal efficiency of phosphorus was more than 90% when the phosphorus was removed by using a titanium type coagulant. Phosphorus removal efficiency increased with increasing initial pH, but gradually decreased at pH 7 and 99.0% at initial pH 7 and coagulant concentration 0.45mM. In the present experiment, it was predicted that phosphorus was completely removed within the range of 0.43 to 0.55 mM in the initial pH 7.0 to 8.5 and [TiCl 4 ] (FIG. 2), and the initial pH was higher than 7.7 and [TiCl 4 ] Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 5.8 &lt; / RTI &gt; In addition, the phosphorus removal efficiency was estimated to be more than 90% at an initial pH of 7.7 or higher and a final pH of 5.8 or higher within the range of [TiCl 4 ] 0.37 mM or higher (FIGS. 2 and 3).

본 명세서에서 설명된 구체적인 실시예는 본 발명의 바람직한 구현예 또는 예시를 대표하는 의미이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되지는 않는다. 본 발명의 변형과 다른 용도가 본 명세서 특허청구범위에 기재된 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다는 것은 당업자에게 명백하다.
The specific embodiments described herein are representative of preferred embodiments or examples of the present invention, and thus the scope of the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that modifications and other uses of the invention do not depart from the scope of the invention described in the claims.

Claims (10)

다음의 단계를 포함하는 티탄염을 이용한 폐수 내 인의 제거방법:
(a) 폐수에 포함된 이물질 또는 부유물질을 제거한 후 산 또는 알칼리의 pH 조절제를 첨가하여 폐수의 pH를 8.5로 조정하는 전처리 단계;
(b) 상기 전처리된 폐수에 티탄염을 0.45 mM이 되도록 첨가하고 1분 동안 120rpm으로 1차 교반한 후 20분 동안 30rpm으로 2차 교반하여 응집체를 형성하는 응집체 형성 단계; 및
(c) 상기 형성된 응집체를 30분간 침전시켜 제거하며 상기 응집체가 제거된 처리수의 pH가 6.3인 응집체 제거 단계.
A method for removing phosphorus in wastewater using a titanium salt comprising the steps of:
(a) a pretreatment step of removing the foreign matter or suspended matters contained in the wastewater, and then adjusting the pH of the wastewater to 8.5 by adding an acid or alkali pH adjusting agent;
(b) adding a titanium salt to the pre-treated wastewater so that the amount of the titanium salt is 0.45 mM, stirring the mixture at 120 rpm for 1 minute, and then agitating the mixture at 30 rpm for 20 minutes to form an aggregate; And
(c) an aggregate removal step in which the formed aggregate is removed by sedimentation for 30 minutes and the pH of the treated water from which the aggregate has been removed is 6.3.
제 1 항에 있어서, 상기 티탄염은 티타늄 테트라클로라이드(TiCl4), 티타늄(IV) 설페이트[Ti(SO4)2], 또는 티타늄 나이트레이트[Ti(NO3)4]인 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1, wherein the titanium salt is titanium tetrachloride (TiCl 4 ), titanium (IV) sulfate [Ti (SO 4 ) 2 ], or titanium nitrate [Ti (NO 3 ) 4 ] .
삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 티탄염이 첨가된 폐수는 티타늄과 인의 몰비(티타늄:인)가 7:1인 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1, wherein the wastewater to which the titanium salt is added has a molar ratio (titanium: phosphorus) of titanium to phosphorus of 7: 1.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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