전기응집장치를 이용한 수산물 폐수 및 난분해성 폐수처리

전성재, 문병현, 노병일*, 이강춘**

창원대학교 환경공학과*, 동서대학교 화학공학과*

동양화학연구소**

Treatment of Seafood Wastwater and Nonbiodegradeble Wastwater by Electrocogulation System

Sung-Jae Jeon, Byung-Hyun Moon, Byung-Il Noh*,

Kang-Choon Lee**

Department of Environmental Engineering, Changwon NationalUniversity.

*Department of Chemical Engineering, Dongseo University

**Institute of Dongyang Chemical Research

1. 서론

고농도의 유기물 및 질소, 인을 함유한 수산물 폐수는 수산물의 종류에 따라 발생되는 오염물질의 성상변화가 많고 작업시간이 일정하지 않아 오염물질의 부하량이 크게 변하기 때문에 기존 방식의 활성슬러지법으로 처리시 영양염류의 제거율이 낮고 유지관리가 곤란하다. 또한 1차 금속, 조립금속, 기계장비 제조업, 자동차 공업 등의 연삭과정에서 발생하는 대부분의 에멀젼 형태의 오일폐수는 O/W형(oil in water type)과 W/O형(water in oil)으로 분류할 수 있으며 산업폐수의 영역에서는 O/W형의 에멀젼 폐수가 전형적이며 미생물의 성장을 저해하는 계면활성제, 아민류, 트라이진 등의 성분이 포함되어 있어 생물학적으로 처리가 어렵다. 따라서 본 연구에서는 전기화학적 산화공정을 도입한 전기응집법을 이용하였으며 전기응집의 효율을 증대시키고자 과산화수소와 철염을 첨가하여 실험을 수행하였다.

2.이론

전기응집 반응조에서 일어나는 반응 Mechanism은 서로 다른 여러 가지의 전기화학적 반응이 독립적으로 일어난다. 전기화학적 반응에 의해 양극의 용해성 전극이 산화되어 금속 양이온이 생성되고 전기장과 농도구배에 의해서 대류·확산되어 용존 유기물 또는 콜로이드성 입자들과 전기적으로 결합하여 중성화되어 응집 ·침전되며 산화 또는 전해반응 동안 발생하는 H2 가스에 의해 부상되어 처리된다. 일반적으로 철을 사용하는 전기응집의 경우 양극에서 Fe2+이 석출되고 Fe2+은 반응과정에서 Fe3+로 전환될 수 있으며 음극의 경우 H2 가스가 발생된다.    위의 반응에 H2O2를 첨가한 전기펜톤 산화반응 mechanism은 다음과 같다.

Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH· + OH-            (1)

Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + HO2· + H+              (2)

HO2·↔ O2- + H+                              (3)

Fe3+ + O2- → Fe2+ + O2                         (4)

RH + OH·→ R·+ H2O  (R· : 유기물 radical)  (5)

식(1)에서 Fe2+과 H2O2가 반응하여  Fe2+이 Fe3+로 산화되고 H2O2는 OH radical과 수산기(OH-)로 분해된다는 것을 알 수 있다. 식(2)에서는  Fe3+가 H2O2와 반응하여  Fe2+로 환원되어 촉매로써의 작용을 할 수 있으나 이 반응은 천천히 진행된다. 식(2)에서 생성된 HO2·(hydroperoxyl radical)은 식(3)에서와 같이 반응하여 O2-를 만들고 이 O2-는식(4)에서 Fe3+를 Fe2+로 만들어 촉매로의 기능을 가질 수 있게 한다. 식(5)에서는 대부분의 유기화합물(RH)속에 포함된 수소를 OH radical이 수소추출반응 또는 탄소와 탄소의 불포화 결합에 첨가됨으로써 빠르고 비선택적인 반응을 한다.

3.실험

본 실험에 사용된 전기응집 장치의 system 및 특성을 보면  전기응집 반응조의 규격은 45mm(W)×285mm(L)×140mm(H), 정량펌프는 최대 10L/min, 철 전극판의 규격은 45mm(W)×285mm(L)×6mm(H)이며 전압은 최대 100V, 전류는 최대 25A를 공급할 수 있는 전력 공급장치와 유입·혼합조로 구성하였다. 폐수량을 3L로 하고 반응조 유입 유량을 0.4L/min으로 하였으며 전류량은 5A, 10A, 15A로 조절하고 전기펜톤 산화반응을 원활하게 유지하기 위해 처리수를 pH 3으로 조절하고 유입·혼합조내 처리수에서 발생되는 H2 가스를 원활하게 제거하기 위해 교반기를 설치하고 완속교반을 시켰으며 반응시간은 40분, 처리수는 반응시간 10분마다 채취하고 30분 침전 후 분석하였다.

4.결과 및 토론

1) 연삭유

전기응집 방법에 따른 연삭유의 CODcr 및 TOC 처리효율의 변화를 Fig. 1과

Fig. 2에 나타내었다. Fig. 1을 보면 10A에서 전기응집반응을 유도한 경우 반응시간 10분에서 5.1%, 20분에서 7.2%, 30분에서 8.4%로 낮은 제거효율을 나타내었으며 10A, pH3의 조건에서 H2O2100mg/L, FeSO4100mg/L를 주입하여 전기펜톤 산화반응을 유도한 경우 반응시간 10분에서 37.4%, 20분에서 46.9%, 30분에서 45.5%의 결과를 나타내어 전기응집에 비해 제거효율이 37%가 향상되었다. Fig. 2는 Fig. 1과 같은 조건에서 전기응집의 경우 반응시간 10분에서 5.2%, 30분에서 5.8%로 낮은 제거효율을 나타내었으며 전기응집 + H2O2 + FeSO4의 경우 반응시간 10분에서 52.1%, 30분에서 55%의 제거효율을 나타내었으며 전기응집에 비해 49.2%가 향상되었다. 이는 연삭유를 전처리로서 pH3으로 조절하여 중급지방산을 제거하였기 때문인 것으로 나타났다.

Fig. 1 CODcr removal at H2O2            Fig. 2 TOC removal at H2O2 100

100mg/L, FeSO4 100mg/L                 mg/L, FeSO4 100mg/L and

and pH 3 at 10A                        pH 3 at 10A

2) 수산물 폐수

Fig. 3은 15A에서 전기응집반응을 유도한 경우 반응시간 10분에서 67.9%,    30분분에서 71.1%, 40분에서 77.9%의 COD  제거효율을 나타내었으며 15A,      pH 3의 조건에서 H2O2 400mg/L, FeSO4100mg/L를 주입하여 전기펜톤 산화반응   을 유도한 경우 반응시간 10분에서 68.6%, 30분에서 84.8%, 40분에서 82.8%의 결과를 나타내어 전기응집에 비해 제거효율이 7%가 향상되었다. Fig. 4는 전기응집의 경우 반응시간 10분에서 92.3%, 30분에서 98.7%의 제거효율을 나타내었으며 전기응집 + H2O2 400mg/L+ FeSO4 100mg/L의 경우 반응시간 10분에서 91.8%, 30분에서 98.2%, 40분에서 99%의 제거효율을 나타내었다. Fig. 5는 염도에 따른 CODMn 제거효율을 나타내었으며 반응시간 30분에서 염도가 2000mg/L일 때 84.8%, 5000mg/L일 때 85.1%, 15000mg/L일 때 81%로 나타났으며 염도가 증가할수록 제거율은 감소되는 경향을 보였다. Fig. 6은 pH가 증가할수록 CODMn제거율은 감소되었다.

Fig. 3 CODMn removal at H2O2          Fig. 4 T-P removal at H2O2 400

400mg/L, FeSO4 100mg/L               mg/L, FeSO4 100mg/L and

and pH 3 at 15A                      pH 3 at 15A

Fig. 5 Salt effect on CODMn remo-      Fig. 6 CODMn removal as a function

val at H2O2 400mg/L, FeSO4           of pH

100mg/L  and pH 3 at 15A