화학적 처리, 수질오염 방지기술

○ 폐수 중에 여러 가지 오염물은 현탁성 부유물형태와 용존 불순물의 형태로 크게 구분할 수 있다. 화학적 처리법이란 주로 폐수의 용존 불순물을 폐수로부터 제거하거나 또는 안 정화시켜 해가 없는 상태로 바꿔주는 화학적 변화와 반응을 활용한 처리법이다.

 

○ 화학적 처리의 종류로는 중화, 응집, 산화·환원, 이온교환, 소독 등이 있다.

 

○ 화학적 처리는 다른 처리에 비하여 체류시간이 짧고 운전을 하기 위한 초기 시간이 필 요하지 않으며 적응 용량으로도 많은 폐수를 처리할 수 있고 독성물질이 있을 경우에도 처리가 가능하며 처리 효과가 비교적 안정적인 장점이 있다.

 

 

 

1. 중화

 

○ 산과 염기가 반응하여 염과 물을 생성하는 반응을 중화반응이라고 하는데 폐수처리의 경우 pH를 7로 맞추는 것 보다 광의적으로 pH 조절공정을 총칭하여 중화라고 한다.

 

1) 중화제의 종류

 

가. 산성폐수중화제

 

나. 염기성폐수중화제

 

 

2) 중화 방법

 

○ 처리 대상 폐기물을 농도를 알고 있는 산/염기로 적정한다.

 

○ 당량 = 농도 × 부피

 

○ 최적의 화학 물질 주입량 및 반응시간을 결정한다.

 

○ 이 때 중화제로는 깨끗한 화학물질을 사용하거나 폐기되는 물질을 이용할 수 있다.

 

 

 

3) 중화계산

 

 

4) 중화처리시 유의사항

 

○ 금속이온이 함유된 폐수는 일반적으로 산성이기 때문에 염기성 중화제를 가해 금속의 수산화물 형성을 유도하며 침전시킨다.

 

○ 금속이온은 pH변화에 따라 재용해 될 수 있으니 최적의 pH조건에 유의한다.

 

 

 

 

 

2. 응집

 

○ 폐수 중에 colloid, 유기물 등의 현탁 입자를 분리, 제거하기 위해 응집제를 주입함으로 서 입자의 크기와 비중을 늘려 침강속도를 빠르게 해 분리시키는 방법이다.

 

○ 응집의 원리로는 침강을 방해하는 전기적 반발력을 줄이는 전기적 중화와 극성을 가진 응집제가 분자간의 응집을 할 수 있게 다리를 놓는 가교작용이다.

 

 

 

1) 응집제의 종류

 

가. 무기성 응집제

 

○ 주로 정수처리와 폐수처리에 이용된다.

 

○ 예전에 주로 이용되어 왔으나 근래 들어서는 고분자 응집제의 사용이 주로 이루어지거나 그와 병행해서 사용이 된다.

 

 

○ 응집적정pH가 있다는 단점이 있지만 여러 폐수에 적용가능하다는 장점이 있다.

 

 

나. 유기성 응집제

 

○ 유기성 고분자 응집제가 대표적이다.

 

○ 무기성 응집제에 비해 슬러지 처리가 매우 용이하다는 장점이 있다.

 

○ 크게는 양이온성, 음이온성, 비이온성으로 분류된다.

 

○ 주원료는 가장 많이 이용되는 poly acryl amide계이다.

 

○ 첨가한 응집제의 석출이 일어나지 않으며 발생 오니량이 적고 탈수성이 좋다.

 

○ 공존염류, pH, 온도의 영향을 잘 받지 않는다.

 

 

다. 응집보조제

 

○ 응집제의 응집 효율을 증가시키기 위하여 통상 소량으로 사용된다.

 

○ 대표적인 것은 산, 염기, 활성규사, poly electrolytes 등이 있다.

 

 

 

2) 응집에 영향을 주는 인자

 

가. 교반

 

○ 수중에 응집제가 확산해서 반응대상 고형물의 양호한 접촉을 위해선 교반과정에서 진행 되어야 한다.

 

○ 교반시 입자끼리 충돌 횟수가 많을수록, 입자의 농도가 높고 불균일 할수록 응집효과가 크다.

 

○ 교반조건에 관해서는 속도경사라는 수치가 사용된다.

 

○ 속도경사를 구하는 식

 

 

 

나. 그 외

 

○ pH는 응집의 양부를 고려할 때 제일 먼저 고려해야 할 인자이다. 용해도와 전기영동도 에 영향을 끼친다.

 

○ 수온은 반응속도와 물의점도에 영향을 끼친다. 수온이 높을수록 반응속도는 빨라지고 물 의 점도가 낮아져 응집반응이 촉진된다.

 

 

 

3. 산화·환원

 

○ 산화제나 환원제를 통하여 불순물 또는 오염물을 살균, 침전 시키는 방법이다.

 

○ 산화제의 대표적인 예로는 염소, 오존, 과산화수소 등이 있고 환원제의 대표적인 예로는 황산철, 아황산염, 아황산가스등이 있다.

 

 

1) 산화처리

 

가. 오존처리

 

○ 오존은 강한 산화력을 가지고 있어서 살균효과가 뛰어나며 거품의 제포, 시안화물의 분 해 등의 작용을 할 수 있다.

 

 

○ 오존은 자기분해가 되며 이때 산소가 방출되기 때문에 과잉첨가에 따른 문제는 없다.

 

○ 오존은 고압무성방전에 의해 생성되며 전력조정에 의해 그 발생량을 조절할 수 있기 때 문에 관리를 자동화하기 쉽다.

 

 

 

나. 염소처리

 

○ 염소의 산화력은 매우 강한편은 아니나 다양한 수처리시 산화제로 널리 이용되고 있다.

 

○ 이산화염소는 강력한 산화제로서 페놀에 염소와 같이 클로로 페놀을 생성하지 않고 분해하므로 페놀의 처리에 유용하다. 하지만 폭발성 부패성, 독성이 있으므로 주의한다.

 

 

 

2) 환원처리

 

○ 크롬6가를 처리하면 환원반응이 먼저 일어나고 연속해서 중화반응과 침전반응이 일어난다

 

 

 

○ 구리와 철의 이온화경향차이를 이용해 산을 산화시킨다.

 

○ 주로 광산폐수의 처리에 이용한다.

 

 

 

4. 이온교환법

 

○ 이온교환수지란 수지가 가진 무해이온과 물속 유해이온을 치환하여 고도처리하는 공정 을 말한다.

 

○ 폐수 속의 중금속 제거 및 회수, 경수의 연화, 보일러 용수의 제조 등에 주로 이용된다.

 

 

1) 이온교환법의 장단점

 

○ 장점으로는 유해물질의 제거율이 높으며 소량으로 높은 효과를 볼수 있다. 또한 이온교 환수지같은 유용한 물질의 회수 또는 재활용이 가능하다.

 

○ 단점으로는 대량의 불순물이 있는 폐수처리는 부적합하며, 이온교환수지를 오염시키는 물질이 있는 경우 이를 사전에 제거해야만 한다는 번거로운 점이 있다.

 

 

 

2) 이온교환수지의 구비조건과 이온선택성

 

가. 이온교환수지의 구비조건

 

○ 이온교환 능력이 높아야 한다( 교환 흡착이 우수해야한다)

 

○ 물리적 화학적으로 안정하고 잘 손상되지 않으며 저렴해야한다.

 

○ 재생시 손상이 없으며 재생약품을 적게 필요로 해야한다. 나. 이온교환수지의 이온선택성

 

○ 원자가가 높고 극성을 띠며 이온교환반응에 강하게 참여하지만 다른이온과는 관여하지 않는 이온을 선택해야한다.

 

 

 

 

 

5. 소독

 

○ 수돗물은 병원성 미생물에 오염되지 않고 위생적으로 안전해야 한다. 침전과 여과로는 원수 중의 세균을 완전히 제거하는 것이 불가능하며, 배수계통에서도 위생상의 안전을 유지하기 위하여 수돗물은 항상 확실하게 소독되어야 한다.

 

 

 

1) 살균 메커니즘과 살균방법

 

가. 살균 메커니즘

 

○ 세포벽의 손상 : 세포벽이 파괴된 미생물은 쉽게 사멸되거나 용해됨

 

○ 세포벽의 투과력 변화 : 페놀이 나 세제 등은 세포벽의 투과력을 변화시켜 필수 영양소 의 대사기능을 저하

 

○ 원형질 성질변화 : 열을 가하면 세포단백질이 응고되어 대사기능이 정지, 산이나 염기에 노출시킬 경우 원형질의 콜로이드 성질을 변화

 

○ 효소 작용의 방해 : 염소 등의 산화제를 이용하여 효소의 화학적구조를 변화시켜 효소의 활동을 억제시킴

 

 

나. 살균방법

 

○ 물리적 방법 : 가열, 자외선(UV), 방사선 조사 등

 

○ 화학적 방법 : 산화제 주입, 금속이온 투입, 계면활성제, 산과 염기 투입, 이온교환수지등

 

○ 기계적 방법 : 침전, 여과등

 

 

 

2) 소독제 선정 시 고려사항 및 살균반응의 영향 인자

 

 

가. 소독제 선정시 고려사항

 

○ 물에대한 용해도가 높고 주입조작 및 취급이 용이할 것

 

○ 소독력은 강하나 잔류독성은 적을 것

 

○ 경제적이고 안정적인 공급이 가능할 것

 

 

 

나. 살균반응의 영향 인자

 

○ 접촉시간

 

○ 살균제의 농도와 종류

 

○ 미생물의 종류와 개체수

 

○ 온도

 

 

 

3) 염소살균

 

○ 식수나 수영장의 정수처리에 가장 대중적으로 사용되고 있는 살균법은 염소소독이다.

 

○ 산화작용이 강해 대장균, 전염성 병원균등의 살균제로 적당하며 이외에 악취제거, 부식 통제 등에도 이용된다. 가. 유리염소의 생성

 

 

 

[그림 1] pH변화에 따른 HOCl과 OCl의 잔류비

[출처] 이학성, 폐수처리공학 강의자료, 울산대학교 OCW, 2009

 

 

 

 

다. 염소 요구량과 폐수처리를 위한 염소주입

 

○ 염소요구량이란 물에다 가한 염소의 양과 일정한 시간 후에 잔류하는 유리 및 결합잔류 염소와의 차를 말한다. ( 염소요구량= 염소주입량 – 잔류염소량 )

 

○ 염소요구량은 수중의 유기물질의 산화에 필요한 이론적인 염소의 양이라고 할 수 있다.

 

○ 정수장과는 다르게 폐수처리장에서는 살균 외에도 냄새 제거, 부식통제, BOD제거 등의 목적으로 사용된다.

 

○ 염소의 산화력과 오염물과의 결합력, 응집 침전촉진 작용 등의 성질을 이용한다.

 

○ 최근에는 정수 처리시 유기물이 많이 함유될 경우 염소로 전처리하게 되면 발암물질인 트리할로메탄(Tri-halomethane)이 생성된다고 하여 논란이 되고 있다.

 

 

[그림 2] 폐수처리시 구간별 염소의 반응과 잔류염소량, 파괴점

[출처] 이학성, 폐수처리공학 강의자료, 울산대학교 OCW, 2009

 

 

 

4) 이산화염소(ClO2 )살균

 

○ 수중의 페놀오염물질을 염소로 살균할 때 발생하는 클로로페놀의 맛과 냄새의 문제를 해결하기 위하여 사용하기 시작하였다.

 

○ 폭발성이 있고 열에 대해 불안정한 기체이기 때문에 현장에서 생산하여 즉시 사용해야 한다.

 

○ 염소보다 산화력이 2.5배 강해 살균력이 더 좋다.

 

○ 논란이 되는 염소소독시 발생하는 발암물질인 Trihalomethane을 생성하지 않는다.

 

○ 제조비용이 높고 취급저장이 어렵다는 단점이 있다.

 

 

 

5) 오존살균

 

○ 산화력은 이산화염소와 염소 모두 보다도 강해 살균효과가 매우 크며 virus에도 유효하다.

 

○ 오존 또한 염소소독시 발생하는 발암물질인 Trihalomethane을 생성하지 않는다.

 

○ 물에서 매우 불안정하고 반감기는 30분정도이다. 따라서 잔류성이 없기 때문에 살균의 지속력부분에 문제가 있고 2차 오염의 우려가 있다.

 

○ 2차 오염방지를 위해 따로 후염소 주입설비가 필요하다.

 

 

 

참고문헌

 

1. 이학성, 폐수처리공학 강의자료, 울산대학교 OCW, 2009

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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