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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.30 No.6 pp.663-671
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2016.30.6.663

Optimization of chemical precipitation for phosphate removal from domestic wastewater

Sunkyung Lee, Munsik Park, Seungjae Yeon, Donghee Park*
Department of Environmental Engineering, Yonsei University
Corresponding author : Donghee Park (dpark@yonsei.ac.kr)
May 27, 2016 September 8, 2016 November 10, 2016

Abstract

Coagulation/precipitation process has been widely used for the removal of phosphate within domestic wastewater. Although Fe and Al are typical coagulants used for phosphate removal, these have some shortages such as color problem and low sedimentation velocity. In this study, both Fe and Al were used to overcome the shortages caused by using single one, and anionic polymer coagulant was additionally used to enhance sedimentation velocity of the precipitate formed. Batch experiments using a jar test were conducted with real wastewater, which was an effluent of the second sedimentation tank in domestic wastewater treatment plant. Response Surface Methodology was used to examine the responsibility of each parameter on phosphate removal as well as to optimize the dosage of the three coagulants. Economic analysis was also done on the basis of selling prices of the coagulants in the field. Phosphate removal efficiency of Fe(III) was 30% higher than those of Fe(II). Considering chemical price, optimum dosage for achieving residual phosphate concentration below 0.2 mg/L were determined to be 18.14 mg/L of Fe(III), 2.60 mg/L of Al, and 1.64 mg/L of polymer coagulant.


생활하수내 인 제거를 위한 화학적 침전의 최적화

이 선경, 박 문식, 연 승재, 박 동희*
연세대학교 환경공학과

초록


    Ministry of Education, Science and Technology
    National Research Foundation
    NRF-2015R1D1A1A01060412

    1.서 론

    기본적으로 인은 생물의 성장에 가장 크게 영향을 주 는 영양물질로써 고농도의 용존 인이 수계로 유입되면 수계 생물의 성장을 촉진시킨다. Schindler(1977)에 따르 면 용존 인은 30 μg/L 또는 그 이하의 농도에서도 조류 의 성장을 촉진시킬 수 있다. 인은 자연계에서 일반적으 로 고체로 존재하고 용해도가 낮기 때문에 수계에서 인 의 유입은 자연적인 현상이 아닌 인간생활 또는 산업에 서 사용된 인의 폐기로 인해 이루어진다.

    2014년 5월 기준 우리나라 하천의 총 인 농도는 평 균 0.095 mg-P/L로 국립환경과학원이 2007년에 발표 한 보고서에 의하면 OECD 영양단계 및 단계별 목표 수질 설정 현황에서 부영양 단계(0.1~0.035 mg/L)에 해당하므로 필히 하수처리장과 폐수처리장에서 방류 되는 인의 농도를 감소시켜야 한다. 이를 위해 제 1단 계 수질오염총량관리의 대상물질이었던 BOD에 추가 적으로 총 인을 선정한 제 2단계 수질오염총량관리가 시행되고 있으며, 하수처리장과 폐수처리장의 방류수 도 지역에 따라 최소 0.2 mg-P/L에서 최대 2 mg-P/L로 총 인 농도를 규제하고 있다.

    수계 내 인의 제거 방법은 크게 생물학적 처리방법과 물리・화학적 처리방법으로 나눌 수 있다. 생물학적 처리 방법은 미생물의 세포합성에 인이 필요하다는 조건을 이용한 것이다. 생물학적 처리방법에서 이용되는 미생 물은 PAOs(Polyphosphate Accumulating Organisms)라고 통칭하여 부르며 대부분 그람 음성 미생물에 속한다. 생물학적 처리방법의 원리는 이런 PAOs 미생물들이 혐 기성 조건에서는 인을 방출하고, 호기성 조건에서는 방 출했던 인과 함께 추가적으로 과잉 인을 섭취하는 것을 이용하는 것이다. 때문에 생물학적 처리방법에서는 일 반적으로 혐기성 반응조를 앞 단에 두고, 후 단에 호기 성 반응조를 배치하여 인을 제거한다. 그러나 Bargman (1970)은 하・폐수처리장에서의 생물학적 반응조는 인 제거가 아닌 BOD 제거를 목적으로 하므로 이러한 반응 조에서 생물학적 처리에 의한 인 제거율은 10~30%에 불과하며 인 제거 농도 또한 최저 1 mg/L 만 달성 가능 하다는 연구결과를 발표하였다.

    물리・화학적 처리방법에는 막 여과, 여과, 흡착 등 의 방법이 있다. 막 여과는 기본적으로 인 제거에만 초점을 맞추지 않고, 처리수 내 부유물질(Suspended Solid: SS) 또는 전체적인 이온물질을 제거하는데 목 적을 두고 있다. 여과의 경우 주로 여과지로 모래를 사용하며, 상황에 따라 특정한 여과재를 사용하는 경 우도 있다. 여과는 막 여과와 마찬가지로 약간의 인 제거 성능을 보이기는 하지만, 인 제거를 위해서만 사 용되는 것이 아니기 때문에 실질적인 공정에서 인 제 거에 최적화 되도록 만들 수 없다. 흡착의 경우는 일 반적으로 인과 결합하는 Fe 성분이 함유된 광석 또는 금속을 개질 한 흡착제를 사용한다. 이러한 흡착제를 사용하는 경우 흡착된 인의 제거가 용이하다는 장점 이 있으나, 흡착제를 재사용할 수 없으며, 따라서 처 리비용이 많이 든다는 단점이 있다.

    인 제거에서 가장 대표적으로 쓰이는 방법은 화학 적 방법인 응집/침전 공정이다. 응집/침전 공정은 인 을 인과 결합하여 결정화 하는 물질을 처리수에 투입 하여 용존 인을 결정화 시킨 후 결정화 된 인을 응집 시킨 후 처리조 하부로 침전시키고 상등액만 배출하 는 방법으로 인을 제거한다. 대표적으로 사용하는 물 질로는 Ca, Fe, Al 이온 등이 있으며 최근에는 Mg을 사용하여 암모니아와 인을 동시에 제거하는 방법도 연구되고 있다.

    인 침전에서 많이 쓰이는 물질은 Fe와 Al 인데, Fe 이온의 경우 SO42- 또는 Cl와 결합된 형태의 용액을 사용하며, 넓은 pH 범위에서 인과 결합하여 FePO4를 생성한다. Fe는 다른 물질에 비해 인 제거 효율이 좋 으며 가격이 저렴하다는 장점이 있다. 그러나 용액 자 체의 pH가 낮기 때문에 처리수에 투입 시 pH가 낮아 져 방류수 배출 pH를 맞추기 위해 추가적인 pH 조정 이 필요하며, 색도 또한 높고, 결정화된 물질도 색을 띈다. 따라서 용액으로 인한 반응조 착색이 발생할 수 있으며, 응집된 물질이 유출 될 경우 인과 SS 이외에 추가로 탁도가 증가하는 단점이 있다. Al 이온 역시 SO42- 또는 Cl와 결합된 형태를 사용한다. Fe 보다 더 좁은 pH 범위에서 인과 반응하고, 온도가 낮을 때 는 인과 반응하지 않는다는 단점이 있으나, Fe 이온과 는 달리 처리수에 투입 시 pH 감소가 적게 나타나기 때문에 추가적인 pH 조정이 필요하지 않다는 장점이 있으며, 생성물 또한 색도를 띄지 않는다. Fe 또는 Al 을 이용하여 인을 제거할 경우 생성물의 분자량이 작 고 응집력이 크지 않기 때문에 상등액의 유출 시 동 반유출이 발생하여 인 제거에 문제를 일으키게 된다. 따라서 최근에는 추가적으로 고분자 응집제를 사용하 여 결정화된 물질들을 응집시켜 침전시키거나 이러한 용액의 투입 없이 철 또는 알루미늄 계 고분자 응집 제를 만들어 인을 제거하기도 하는데, 가장 대표적으 로 PAC(Poly Aluminum Chloride)가 있다.

    기존의 연구 논문들 중 Donnert and Salecker (1999), Muster et al. (2013), Yamashita et al. (2013)은 석회를 이용한 인 제거에 대해 연구하였고, An et al. (2014), Banu et al. (2008), Tasistro and Kissel (2006)은 Fe(II)를 이용하였으며, Caravelli et al. (2010), Chen et al. (2014), Fulazzaky et al. (2014), Fytianos et al. (1998)은 Fe(III)를 이용하였고, Zizi and Amar (2009)는 Al 을 이용하였다. Fu and Yu (2009), Hwang and Cheon (2009), Park et al. (2011)은 고분자 응집제에 대한 연 구를 진행하였다. 그러나 이들 논문들은 합성 폐수 또 는 실험실 규모의 하수처리장치에서 발생한 처리수에 존재하는 인을 제거하는 연구를 수행하였으며, 각각 의 응집제에 대한 응집 효율만 비교하였을 뿐 여러 응집제의 교차 사용에 대해서는 연구하지 않았다. 따 라서 본 연구에서는 실제 하수처리장에서 발생하는 방류수내 잔류한 인을 제거하기 위한 응집제 투입 최 적화 연구를 수행하였다. 응집제로는 국내 방류수 수 질 기준 및 겨울철 온도 저하를 고려하여 Fe와 Al을 사용하였고, 응집 효율을 높이기 위해 상용화된 음이 온성 고분자 응집제도 함께 사용하였다. 최종적으로 반응표면분석법(RSM)을 이용한 최적화 연구와 약품 가격을 고려한 경제성 분석 연구를 수행하여 최적의 응집제 투입 농도를 산출하였다.

    2.Material and Method

    2.1.실험 재료

    본 연구는 교내 하수 및 오수를 처리하는 1,000 M3/d 규모의 하수처리장를 대상으로 하였다. 본 하수처리 장은 생물학적 질소제거 공정(Anoxic-Oxic process)을 통해 안정적으로 탄소와 질소를 제거하고 있으나, 인 의 경우 생물학적 공정에서 거의 제거되지 않았다. 따 라서 본 연구에서 인 침전 실험을 위해 사용한 시료 는 생물학적처리조 후단에 위치한 침전조의 상등액 (생물학적 하수처리수)이었다. 상등액의 주요 성분은 Table 1과 같으며, PO43-는 6.29 mg-P/L, 총인은 6.88 mg-P/L 로 잔류하고 있다. 이 상등액에 철 응집제 (Fe(III)) 10 mg-Fe/L, 알루미늄 응집제 (Alum) 1.5 mg-Al/L, 음이온 성 고분자 응집제 (Polymer) 1 mg/L를 투입하여 인 응 집/침전 실험을 수행하였다.

    철 응집제의 경우 Fe(II)용액은 FeSO4・7H2O (Samchun, Korea)를 사용하였으며, Fe(III)용액은 FeCl3・ 6H2O (Acros organics, Belgium)을 사용하였다. Alum의 경 우 Al2 (SO4)3・ 3H2O (Yunhap, Korea)를 사용하였으며, polymer의 경우 A101 (Sein, Korea)를 사용하였다. A101 의 화학식은 [C3H3ONa]n이며, 분자량은 15,000 ~ 17,000이었다. 실험 중 pH 조절은 0.1 M HCl 용액과 0.1 M NaOH 용액을 사용하였다.

    2.2.실험방법

    인 응집/침전 실험은 1 L 비커에 생물학적 하수처 리수(침전조 상등액) 500 mL를 투입하여 Jar test 방 식으로 상온에서 진행하였다. Jar test는 하수처리수 를 1분간 200 rpm으로 급속 교반, 10분간 50 rpm으로 완속 교반을 진행 하였으며, 급속 교반 시 Fe, alum, polymer를 순서대로 투입하였다. 투입 후 pH 조절을 하였으며 30분 간 침전 후 상등액을 채취하여 분석 에 사용하였다. 이러한 실험 방식은 연구 대상인 하 수처리장의 현장 운전 조건을 최대한 모사하기 위해서 였다.

    2.3.분석 방법

    암모니아는 흡광도법인 인도폐놀법을 이용하여 분 석하였고, COD와 총인(TP)은 C-mac사의 COD (ULR), TP (LR) 분석키트를 사용하여 분석하였다. TOC와 IC의 분석은 총 유기탄소 분석기(TOC-VCPH/CPN, SHIMADZU, Japan)를 사용하였고, PO43-, NO3, NO2는 이온 크로 마토그래피 (Ion chromatography, Metrohm, 883 Basic IC plus)를 사용하여 분석하였다.

    3.Results and Discussion

    3.1.철염 형태가 인 제거 성능에 미치는 영향

    인 제거에 가장 많이 사용되는 Fe는 수계에서 2가 양이온인 Fe(II)와 3가 양이온인 Fe(III)로 존재하며, 산 화수에 따라 인 제거 속도 및 효율에 차이를 보이는 것으로 알려져 있다. 따라서 Fe의 산화수에 따른 인 제거 성능을 확인하기 위해 다양한 pH 조건에서 Fe(II)와 Fe(III) 용액의 인 제거 효율을 비교하였다. 실 험에서 pH 조건의 설정은 후속 실험에서 최적 실험조 건을 위해 진행되었으며, 하수처리장 방류 기준인 pH 6.0 ~ 8.0 사이에서 실험조건을 설정하였다.

    각 시료에 Fe(II)와 Fe(III)을 10 mg-Fe/L 투입하고 pH를 조건에 맞게 조정한 결과 잔류 인 농도가 Fig. 1 과 같이 나왔다. Fe(II)용액을 사용하였을 경우 각 pH 조건에서 잔류 인의 농도는 각각 4.44, 4.06, 4.63, 4.56, 4.59 mg-P/L로 측정되었으며 평균 4.46 mg-P/L이 었다. Fe(III)용액을 사용한 실험의 경우 각 pH 조건에 서 잔류 인의 농도는 2.79, 2.75, 2.53, 2.44, 2.52 mg-P/L로 측정되었으며 평균값은 2.61 mg-P/L이었다.

    같은 농도의 용액을 투입하였을 때 Fe(III)용액에서 Fe(II)용액을 사용했을 때 보다 인 제거량이 많은 이유는 각 Fe 이온이 인과 결합하는 기작 때문이라고 볼 수 있다.(1)(2)

    Fe 2+  + 0 .25O 2  + H + Fe 3+  + 0 .5H 2 O
    (1)

    Fe 3+  + H n PO 4 3-n FePO 4  + nH +
    (2)

    인산 염이 철 이온과 반응하여 침전물을 생성할 때 인산 염은 오직 Fe(III) 이온과 반응한다. 그러므로 Fe(III) 용액을 사용하였을 때 이론적으로 Fe 이온은 2 번 식과 같이 인산 염과 반응하여 침전물을 형성하나 Fe(II) 용액이 인산 염과 반응하여 침전물을 생성하기 위해서는 1번 식처럼 Fe(II) 이온이 Fe(III) 이온으로 산화되어야 한다. 즉 Fig. 1과 같이 Fe(III) 용액을 사 용하였을 때 인 제거 량이 높은 이유는 동일한 시간 동안 Fe 이온과 인산 염이 접촉한다면 Fe(II)의 경우 Fe(III)와는 달리 한 단계의 화학반응을 더 거쳐야 하 기 때문이라고 할 수 있다.

    모든 pH 조건에서 실험 후 Fe(II) 용액을 사용한 경 우가 Fe(III) 용액을 사용한 경우보다 전체적으로 잔류 인의 농도가 약 1.85 mg-P/L 높게 측정되었으므로 Fe(II) 용액보다 Fe(III) 용액을 사용하는 것이 더 적합 하다고 볼 수 있다. 또한 최적 pH는 Fe(III) 용액을 사 용하였을 때의 결과를 종합하여 보면 pH 7.5에서 가 장 많은 인이 제거되었으나 pH 7.0, 7.5, 8.0에서 인 잔 류량이 비슷하므로 실질적 하수처리장에서 약품 투입 전 시료의 pH와 pH를 조정할 때 투입되는 약품비를 고려하여 pH 7.0에서 후속 실험을 진행하였다.

    3.2.응집제 병용에 따른 인 제거성능 평가

    Fig. 1에서 진행된 실험의 결과 Fe(III) 용액을 사용 하였을 경우 인 최저 잔류량은 2.44 mg-P/L로 현재 하 수처리장의 방류 농도를 달성시킬 수 없기 때문에 추 가적인 Fe(III) 이온 또는 다른 물질을 투입하여 인 제 거 효율을 증가시키고자 하였다. 먼저 Fe(III) 농도에 따른 인 제거량을 측정하기 위해 pH를 7로 유지하면 서 Fe(III) 농도를 0, 5, 10, 15, 20 mg-Fe/L로 증가시키 며 실험을 진행하였다. 또한 인과 결합하는 또 다른 응집제인 alum과 침전물을 가라앉히는 역할을 하는 polymer를 투입하여 추가적으로 인을 제거 하였다. Alum은 모든 실험에 대해 1.5 mg-Al/L를 투입하였고, polymer는 1 mg/L를 투입하였다.

    Fig. 2는 각 조건에서의 인의 잔류 농도를 분석한 결과로, Fe(III) 이온의 농도가 0, 5, 10, 15, 20일 때 Fe(III) 이온만 투입되었을 경우 인 잔류 농도는 6.29, 4.63, 2.80, 1.36, 1.01 mg-P/L였고, alum과 함께 투입하 였을 때는 5.87, 4.00, 2.17, 0.90, 0.74 mg-P/L이었으며, alum과 고분자 응집제와 함께 투입하였을 때는 5.43, 3.39, 1.67, 0.42, 0.16 mg-P/L로 측정되었다.

    pH 7에서 Fe(III)와 alum을 사용하여 인을 침전시킨 결과를 당량비 차원에서 분석하였다. Fe(III) 이온만을 사용한 경우 Fe/P 당량비는 평균 1.76 이었고, Fe(III) 와 alum을 동시에 사용한 경우 alum으로 인한 추가적 인 인 제거량에 대한 Al/P 당량비는 평균 3.91로 계산 되었다. 이론적으로 수계에서 Al과 P은 식(3)과 같이 1 : 1로 반응한다.

    Al 3 +  + H n PO 4 3-n AlPO 4  + nH +
    (3)

    그러나 US EPA(1976)의 보고에 따르면, 실제 하수 처리에서 Fe를 사용한 경우 실험적 당량비는 1.8 이 며, Al을 사용한 경우에는 95%의 인을 제거할 때의 실험적 당량비는 2.3 이다. 즉, 이 실험에서 Fe의 경우 비슷한 값을 보이나, Al은 더 많은 양이 소요되었다. 그 이유는 Fe의 존재하에서 Al의 인 침전반응이 경쟁 에 의해 저해를 받았기 때문으로 보인다.

    Fe 이온과 비교하여 이러한 단점에도 불구하고 부 수적인 인 응집제로 alum을 사용한 이유는 alum의 경 우 Fe와 비교하여 가격이 세 배 가량 저렴하며, alum 투입 시 pH 감소도 또는 탁도 증가 폭이 Fe 투입 시 보다 작기 때문이다. 그러나 alum의 경우 온도가 낮을 때 응집력이 매우 감소한다는 단점이 있기 때문에 겨 울철 낮은 온도를 고려하였을 때 alum 단일 사용은 바람직하지 않다고 볼 수 있다.

    Fe 이온과 Al 이온을 사용하여 P를 제거할 때의 공통 적인 문제점은 FePO4와 AlPO4의 무게가 적어 낮은 침강 성을 보인다는 것이다. 이러한 침강성을 증대시키기 위 한 물질로써, 인과 직접적으로 반응하지 않고 FePO4 또 는 AlPO4와 물리적으로 결합해 분자량을 증가시켜 중 력에 의해 침전되는 polymer를 사용하였다. 모든 실험 에서 Fe(III)의 투입이 증가할수록 인 제거량이 증가하 였으며, Fe(III)의 농도가 10 mg-Fe/L, alum 농도가 1.5 mg-Al/L, polymer의 농도가 1 mg/L일 때 인 잔류량이 2 mg-P/L보다 낮은 값을 보였다. 또한 Fe(III)농도가 20 mg-Fe/L이고 alum과 polymer가 투입되었을 때 인 잔류 량이 0.2 mg-P/L보다 낮은 값을 보이므로 Fe(III)용액과 alum용액, polymer 세가지 용액을 이용하여 하수처리장 방류 기준에 적합한 결과를 내는 것이 가능하였다.

    Fig. 3은 Fe(III) 농도가 10 mg-Fe/L이고 polymer의 농 도가 1 mg/L일 때 alum의 농도에 따른 인 잔류량을 나타 낸다. Alum 농도가 0, 0.75, 1.5, 2.25, 3 mg-Al/L일 때 인 잔류량은 2.09, 1.83, 1.54, 1.33, 1.06 mg-P/L로 측정되었다. Alum 농도가 증가 할수록 인 잔류량은 감소하였으나 감 소율은 Fe 보다 낮은 값을 보였다. 이러한 이유는 Fig. 2에 서 설명한 바와 같이 인 제거 시 Al의 실험 당량비가 Fe의 실험 당량비 보다 크기 때문이라고 볼 수 있다.

    Fig. 4는 Fe(III) 투입량이 10 mg-Fe/L이고, alum 투 입량이 1.5 mg-Al/L일 때, polymer의 농도에 따른 인 잔류량을 나타낸다. Polymer가 0, 0.5, 1, 1.5, 2 mg/L일 때 인 잔류량은 3.08, 1.52, 1.61, 1.50, 1.40 mg-P/L 였다. 투 입된 양에 따른 인 제거 효율은 일정하지 않았으나, 투입되지 않은 경우와 비교 하였을 때 약 1.57 mg-P/L 더 제거되었다. Polymer의 농도를 증가시키면서 투입 하였을 때 Fe 또는 alum의 경우와는 달리 인 잔류량 이 일정하게 감소하지 않았던 이유는 polymer가 인과 직접적으로 반응하여 인을 제거하는 물질이 아니기 때문이라고 볼 수 있다. 또한 polymer가 투입되지 않 았을 때 보다 투입되었을 때 많이 제거된 이유는 인 과 결합한 FePO4 또는 AlPO4와 결합해 침강성을 증가 시켜 유출되는 FePO4 또는 AlPO4를 감소시키기 때문 이라고 볼 수 있다. 농도에 따른 인 제거의 변화가 거 의 존재하지 않는 이유는 각 농도의 차이가 적고, FePO4 또는 AlPO4와 화학적으로 결합하는 것이 아니 라 물리적으로 결합하기 때문에 상대적으로 농도에 대한 영향이 낮기 때문이라고 볼 수 있다.

    3.3.RSM을 이용한 인 제거성능 예측 및 경제성 분석

    3.3.1.반응표면분석법(RSM) 연구

    앞선 실험을 통해 Fe(III)와 함께 alum과 polymer를 사용하여 하수처리수 내 잔류한 인을 법적 규제치인 0.2 mg-P/L 이하로 효과적으로 제거할 수 있음을 확인 하였다. 이처럼 인을 화학적 침전을 통해 제거하는데 사용된 세 약품의 최적 투입 조건을 찾기 위해 반응 표면분석법(RSM) 연구를 수행하였다. 여러 RSM 기법 중 Box-Behnken법을 이용하여 Table 2와 같이 실험 디 자인하였고 인 침전 실험을 수행하였다.

    실험 디자인에 사용된 세가지 인자는 Fe(III), alum, polymer의 농도였으며, 각 인자의 기본 값은 각각 10 mg-Fe/L, 1.5 mg-Al/L, 1 mg/L였고, +1값은 기본값의 2배, -1 값은 0으로 설정하였다. 실험 결과값인 인 제 거 농도(removed P concentration)는 식(4)와 같이 각 인자에 대한 2차방정식으로 나타낼 수 있었으며, 분 산분석(Analysis of Variance: ANOVA) 결과는 Table 3와 같았다.

    P-removal concentration (mg-P/L) =  -0.44325 + 0.56201*Fe + 0.61547*Al  + 0.61908*polymer -0.026882*Fe*Al  + 6.83464E-004*Fe*polymer  + 0.015947*Al*polymer -0 .013150*Fe 2  -0 .030122*Al 2 -0 .19763*polymer 2 ( R 2 =0.9995 )
    (4)

    실제 분석 값과 실험식의 예측 값의 차이는 ±0.039 mg-P/L에 불과하였으며, 표준편차는 0.25 mg-P/L이었 고, R-squared 값은 0.9995, Adj R-squared 값은 0.9986, Pred R-squared 값은 0.9948이었다.

    각 인자가 인 제거량에 미치는 개별적인 또는 복합 적인 영향을 파악하기 위해 Fig. 5와 같이 3차원 분석 을 수행하였다. Fig. 5 (A)는 Fe(III) 농도와 alum 농도 에 대한 인 제거량을 나타내며, 모델링 결과 투입되는 Fe(III)와 alum의 농도가 증가할수록 인 제거량이 증가 하였다. 그러나 Fe의 농도가 15 mg-P/L 이상일 때는 Al의 농도에 관계없이 거의 비슷한 인 제거량을 보 였다. Fig. 5 (B)는 Fe(III) 농도와 고분자 응집제 농도 에 대한 인 제거량을 나타낸다. Fe(III) 투입농도가 증가 할수록 인 제거량이 증가하였고, 동일 Fe(III)농 도에서 투입되는 polymer의 농도가 증가함에 따라 인 제거량도 증가하였다. 즉, 각 값에 대해 세 가지 요소 모두 값이 커질수록 높은 인 제거량을 보였으 며, 가중치는 Fe(III)가 가장 켰고, alum, polymer의 순으 로 감소하였다.

    3.3.2.경제성 분석

    RSM modeling 결과를 이용하여 인 제거 최대 값 설정에 대해 Fe(III), alum, polymer의 농도에 대한 30 개의 시나리오를 도출할 수 있었다. 이 30개의 값에 대해 실제로 사용되는 응집제의 가격을 대입하여 가 장 경제성 높은 응집제 투입량을 산정하였다. 각 응 집제의 가격은 실제 하수처리장에서 사용하는 응집 제의 가격을 사용하였다. Fe(III)는 35% 염화 제 2철 용액을 사용하였고, 그 가격은 Fe 기준으로 2,988 원 /kg이었으며, alum은 1,250 원/kg, polymer는 6,700 원 /kg이었다.

    하수처리수에 잔류한 인의 농도가 6.29 mg-P/L이고 목표 수질이 0.2 mg-P/L일 때 화학적 침전에 의한 인 제거량은 6.09 mg-P/L 이상이어야 한다. 따라서 30개 의 시나리오 중에서 11번이 목표 수질을 만족시키며 가장 저렴한 약품 사용량을 보였다. 이때 조건은 Fe(III) 18.14 g/m3, Alum 2.06 g/m3, Polymer 1.64 g/m3 가 투입될 때이고, 소요되는 약품비는 86.84 원/m3로 산출되었다. Table 4

    4.Conclusion

    • 1) Fe(II)와 Fe(III)용액을 사용하여 실제 하수처리수 에 잔류한 인을 응집/침전 시켜 제거 한 결과 Fe(III)가 Fe(II) 보다 인 제거 성능이 높았다.

    • 2) Fe(III)와 alum을 사용한 경우 모두 투입 농도 증 가와 비례하여 인 제거량이 증가하였다. Polymer 의 경우 농도가 증가할수록 인 제거량이 증가하였으나 투입 농도와 비례하지는 않았다.

    • 3) Fe(III), alum, polymer의 투입 농도 최적화를 위 해 수행한 RSM 연구 결과, Fe(III)의 투입 농도가 15 mg-P/L 이상 일 때 Al의 추가 투입에 의한 효과는 매 우 적었으며, polymer의 경우에는 투입농도가 증가할 수록 인 제거량도 증가하였다.

    • 4) 실제 약품 가격을 고려하여 화학적 인 제거 공정 을 경제성 분석한 결과, 법적 방류 기준치인 0.2 mg-P/L 이하를 달성하기 위한 응집제의 투입 농도는 Fe(III) 18.14 mg/L, alum 2.06 mg/L, polymer 1.64 mg/L 였으며, 처리 단가는 86.84 원/m3으로 산출되었다.

    사 사

    이 연구는 2015년도 정부(교육과학기술부)의 재원 으로 한국연구재단의 기초연구사업((NRF-2015R1D1 A1A01060412)의 지원을 받아 수행되었으며 이에 감 사 드립니다.

    Figure

    JKSWW-30-663_F1.gif

    Residual concentration of phosphate after chemical precipitation with Fe(II) or Fe(III).

    ([Initial phosphate] = 6.29 mg-P/L, [Fe(II)] = 10 mg-Fe/L, [Fe(III)] = 10 mg-Fe/L)

    JKSWW-30-663_F2.gif

    Effect of Fe(III) concentration on phosphate removal by precipitation with/without alum and/or polymer. ([Initial phosphate] = 6.29 mg-P/L, [Alum] = 1.5 mg-Al/L, [polymer] = 1 mg/L, pH = 7.0)

    JKSWW-30-663_F3.gif

    Effect of alum concentration on phosphate removal by precipitation with Fe(Ⅲ), alum and polymer.

    ([Initial phosphate] = 6.29mg-P/L, [Fe(III)] = 10 mg-Fe/L, [Polymer] = 1 mg/L, pH = 7.0)

    JKSWW-30-663_F4.gif

    Effect of polymer concentration on phosphate removal by precipitation with Fe(Ⅲ), alum and polymer.

    ([Initial phosphate] = 6.29 mg-P/L, [Fe(III)] = 10 mg-Fe/L, [Alum] = 1.5 mg-Al/L, pH = 7.0)

    JKSWW-30-663_F5.gif

    Three-dimensional response surface plot of the removed-P concentration by precipitation with Fe(III), alum and polymer.

    Table

    Characteristics of the wastewater before and after chemical precipitation

    Box-Behnken experimental design matrix with results

    ANOVA result for the quadratic equation

    Economic evaluation

    Economic evaluation

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