염화철과 염화마그네슘을 이용한 염색폐수의 2단 응집처리

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

김  승, 공성호, 김용수

한양대학교 화학공학과

Treatment of Dye Wastewater by Two Stage Coagulation Process using Ferric/Ferrous Chloride and Magnesium Chloride

Seung Kim, Sung-Ho Kong, Yong-Soo Kim

Department of Chemical Engineering, Hanyang University

서 론

염색공업이 발달함에 따라 매우 다양한 염료가 생산되었으며 이에 따른 배출 오염원도 다원화되었다. 특히 염색공업은 유행 및 계절에 따라 사용되는 염료의 종류가 달라지기 때문에 발생되는 폐수의 성상이 다양하며 분해 및 제거가 어렵다.[1]

염색폐수는 생물학적 분해가 용이하지 않으므로 미처리 또는 불완전 처리하여 방류할 경우 수중 생태계에 심각한 악 영향을 미치게 되며, 특히 색도의 경우에는 시각적, 심미적으로 강한 영향을 주는 인자로 작용하게 된다.[3] 염료에는 반응성염료, 분산염료, 산성염료, 직접염료, 염기성염료 등이 있으며 이들 염료들은 각각 물리·화학적 특성이 다르므로 염료의 종류에 따라 그 처리 방법도 달라져야 한다.[2, 3] 그러나 종합폐수처리장에서의 유입 폐수는 여러 가지 염료 및 부산물이 혼합되어 있기 때문에 폐수의 특성을 표준화하기가 힘들고 단일 폐수처리공정을 적용하여 높은 처리효율을 기대하기 어렵다.

일반적으로 염색폐수에 대한 처리로는 생물학적 방법과 화학적 방법을 병행하고 있으며 특히, 화학적 처리공정에서 가장 문제가 되는 색도 제거는 활성탄에 의한 흡착공정, 이온교환수지 이용, 막 분리, 화학적 산화공정 등 각종 처리공정을 병행하여 적용하고 있으나 완전한 색도 제거가 불가능하며 높은 처리비용이 소요되는 단점이 있다.[4]

따라서 본 연구에서는 수처리 공정에 많이 이용되고 있는 응집공정을 적용하여 B공단에서 발생되는 염색폐수를 2단 응집공정을 이용하여 처리하고자 하였다. 2단 응집공정은 철염(FeCl3, FeCl3)을 이용한 부유물질의 응집공정과 염화마그네슘을 이용한 색도 물질의 응집공정으로 구성하였다.[7, 8]

실 험

본 연구에서 사용된 시료는 B공단에서 배출되고 있는 염색폐수를 대상으로 하여 2단 응집공정의 처리효율을 조사하였다. Table 1에서는 염색폐수의 성상을 나타내었다.

Table 1. Characteristics of dye wastewater

Parameter	Sample Value
pH	7.5
CODCr(ppm)	675.5
SS(ppm)	288
온도(℃)	26

응집실험은 Jar tester를 이용하여 5분간 급속교반(150∼200rpm)후 30분간 완속교반(20∼50rpm)시켰으며 음이온성 고분자 응집제를 응집보조제로 사용하였다. 실험에 사용된 FeCl2와 MgCl2는 Shinyo사 1급 시약을 이용하였고 FeCl3는 Kanto사 1급 시약을 사용하였다.

pH의 조정은 1N의 H2SO4 와 1N의 NaOH를 이용하였으며 각각의 실험진행은 철염(FeCl3, FeCl2) 응집공정 후 MgCl2 응집공정으로 진행하였고 반응 pH, 응집제의 양 및 반응시간 변화에 따른 최적의 응집 조건을 조사하였다. 응집 후 잔존하는 유기물질의 농도는 CODCr법을 이용하여 측정하였으며, 색도 제거율은 UV-Spectrometer를 이용하여 측정하였다.

결과 및 토론

Fig. 1은 FeCl3와 FeCl2의 주입량 변화에 따른 COD 제거율(%)을 나타낸 것이다. 철염의 적정 주입량은 pH 5에서 400mg/L(FeCl3)와 1200mg/L(FeCl2)로 분석되었으며, COD 제거율은 78%(FeCl3)와 65%(FeCl2)로 나타났다. Fig. 2는 반응시간 변화에 따른 응집효율을 보이고 있는데 FeCl3는 5분 이내에 반응이 완료된 반면에 FeCl2는 40분이 소요되었다. 이 결과는 Fe2+가 Fe(OH)3의 침전물을 형성함에 있어서 Fe2+가 Fe3+로 전환하는데 소요되는 반응시간이 그 요인이라 사려된다. 또한 Fig. 3에서는 반응pH의 변화에 따른 응집효율을 나타내고 있는데 FeCl3는 pH 5에서 가장 높은 COD 제거율(77%)을 나타내었고 FeCl2는 pH 8이상에서 높은 COD 제거율(72%)을 나타내었다.

Fig. 4와 Fig. 5는 철염을 이용한 1단 응집공정 후 유출수를 MgCl2 응집제를 이용하여 2단 응집 후 COD 제거율(%)을 나타낸 결과이다. Fig. 4는 pH 11에서 MgCl2의 주입량 변화에 따른 COD 제거율(%)를 나타내었는데 FeCl3 응집 후 MgCl2 주입량은 1200mg/L, FeCl2 응집 후 MgCl2 주입량은 800mg/L으로 분석되었다. Fig. 5에서는 두 공정의 pH 변화에 따른 COD 제거율(%)을 보이는데 pH 11에서 가장 효과적인 COD 제거율을 나타냈다.; 2단 응집공정 후 전체 COD 제거율은 80% 이상의 높은 제거 효율을 나타내었다.

Fig. 6과 Fig. 7에서는 1단 응집공정 후 유출수와 2단 응집공정의 유출수에 대하여 UV-Spectrometer를 이용하여 투과도를 측정한 결과이다. 철염을 사용한 결과 투과율은 76∼79%을 나타내었지만 2단 응집공정에서 MgCl2 응집제를 사용한 결과 90%∼94%의 투과도를 나타내었다. 여기에서 Mg(OH)2 침전물이 안정한 유기 콜로이드 물질에 흡착되어 침전함으로써 색도가 제거됨을 알 수 있었다.

Fig. 2. COD removal(%) versus reaction time in coagulation using Ferric chloride and Ferrous chloride

Fig. 1. COD removal(%) versus concentration of Ferric chloride and Ferrous chloride coagulants

Fig. 3. COD removal(%) at different pHs in coagulation using Ferric chloride and Ferrous chloride

Fig. 5. COD removal(%) at different pHs in the two-stage coagulations

Fig. 4. COD removal(%) versus concentration of magnesium chloride in the two-stage coagulations

Fig 7. Scanning curve of Ferrous chloride and Magnesium chloride coagulants by UV-Spectrophotometer

Fig 6. Scanning curve of Ferric chloride and Magnesium chloride coagulants by UV-Spectrophotometer

결 론

염색폐수는 생물학적 처리방법만으로는 높은 처리 효율을 얻을 수 없기 때문에 반듯이 화학적인 처리 공정이 병행되어야 한다. 본 실험에서는 응집공정을 이용하여 염색폐수 내에 콜로이드 입자를 철염으로 응집시키는 1단 공정과 색도 처리효율이 높은 마그네슘염을 이용한 2단 응집공정을 적용하여 염색폐수의 COD 및 색도 제거율을 측정하였다. FeCl3 응집 후 MgCl2 응집공정은 84.4%의 COD 제거율과 94%의 색도제거율을 보였으며, FeCl2 응집 후 MgCl2 응집공정은 82.9%의 COD 제거율과 91%의 색도제거율을 보였다. 결과적으로 다양한 물리·화학적 특성과 반응성을 갖는 혼합염료을 함유한 종합염색폐수의 처리에 있어서 서로 보완적인 처리효율을 갖고 있는 응집제를 이용한다면 높은 처리 효율을 기대할 수 있을 것으로 사려된다.

참고 문헌

1. 곽종운, "물리·화학적 수처리 원리와 응용", 지샘출판사, 2000.

2. 남성우 외 2명, "염료화학", 보성출판사, 1993.

3. 박문숙, "염색 폐수의 화학적 처리에 의한 색도제거", 한양대학교 석사학위논문, 1996.

4. 박동주, □마그네슘응집과 생물학적 처리를 이용한 피혁폐수처리기법□, 충남대학교 박사학위논문, 1999.

5. Bohuslav Dobias's, □Coagulation and Flocculation□, 1993.

6. Y.M. Slokar and A. Majcen Le Marechal, □Methods of Decoloration of Textile Wastewaters□, Dves and Pigments, Vol. 37, No. 4, pp. 335-356, 1998.

7. Boon Hal Tan, □Removal of dyes and industrial dye wastes by magnesium chloride□, Wat. Res. Vol. 34, No. 2, pp. 597-601, 2000.

8. J. Leentvaar and M. Rebhun, □Effect of magnesium and calcium precipitation on coagulation-flocculation with lime□, Wat. Res. Vol. 16, pp. 655-662, 1982.