철가루를 이용한 PERCHLORATE 오염폐수의 생물학적 연속제거 방법 설계

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1 철가루를 이용한 PERCHLORATE 오염폐수의 생물학적 연속제거 방법 설계
무한도전 임형택 강남희 서정미 황하준

2 서론(배경) (3) 용도 (1) 퍼클로레이트란? (2) 물리ㆍ화학적 성질 분자식: ClO4- 음이온 물질이며 염형태로 제조
퍼클로레이트 염은 강력한 산화제 녹는점이 높으며, 물에 대한 용해도가 큼 물에 녹았을 때 안정도가 높음 온도가 올라가면 폭발성을 가짐 (3) 용도 LCD모니터 세정제 고체 로켓 연료의 산화제 항공우주분야 군수산업 등에서 폭발성에 기인한 용도

3 (4) 위해성 퍼클로레이트는 갑상선에서 요오드의 섭취를 방해하여
갑상선 호르몬의 생성에 영향을 주어 사람의 물질대사에 지장을 준다.

4 (5) 우리나라의 오염현황 2006년 낙동강 수계 취,정수장에서 24.5(μg/L)를 초과하 는 양이 처음 검출되어 사회적으로 문제가 되었음 2008년 12월 4일 낙동강에서 2.6(μg/L) 검출되었고, 11일 5.3(μg/L), 18일 3.3(μg/L), 24일 4.6(μg/L) 등이 대구 환경청 조사에서 측정된 것으로 확인되었음 2009년 1월 2일 3.2(μg/L), 8일 4.4(μg/L)이 검출되었고 15일 왜관철교에서 채수한 낙동강 하천수 검사를 통해서 3.9(μg/L)이 검출 (6) 법적 현황 2008년 10월 29일 수질 및 수생태계 보전에 관한 법률 시행규칙 개정 공포 퍼클로레이트를 수질오염물질로 신규 등록 배출허용기준(0.2mg/L)이 입법예고 : 2011년 1월1일부터 시행 예정 현재 먹는 물 수질 감시항목으로의 지정을 추진

5 2. 설계목표 (1) 유입 수(20 mg ClO4-/L)의 제거효율 99% 이상 (2) 현실적 제한요소
유출 수 농도 0.2 mg /L ClO4-이하 최종발표회 전까지 반응기 운전 시 최대 부하율에서 (2) 현실적 제한요소 원가 (경제성): 현장 적용 시 경제성 예측 안정성: 안정적인 제거효율 기타: 환경에 대한 2차 오염문제가 없어야 함

6 3. 문제해결 원리 (1) 철의 부식; (2) 미생물에 의한 ClO4- 제거; (3) 식 1 + 식 2
Fe0 + 2H2O → Fe2+ + 2OH- + H2↑(식 1) 식 1와 같이 먼저 철이 부식되어 수소가스를 얻는다. 그리고 퍼클로레이트를 분해하는 미생물이 생성된 수소가스를 전자 공여체로 이용하게 된다. (2) 미생물에 의한 ClO4- 제거; ClO4- → ClO3- → ClO2- → Cl- + O2 (식 2) 식 2에서 미생물은 수소가스에서 얻은 전자를 받아 퍼클로레이트에 전자를 공급하여(ClO4-를 Cl-로 환원시켜) 퍼클로레이트를 제거하게 된다. (3) 식 1 + 식 2 Fe0 + 2H2O + ClO4- → Fe2+ + Cl- + 2OH- + O2 + H2↑ (식 3)

7 4. 장ㆍ단점 (1) 장점 (2) 단점 경제적-철공소의 부산물을 이용하기 때문에 비용 절감.
친환경적-반응 후 오염물질이 생기지 않음. 철이 생물막을 형성할 수 있는 담체가 됨. 독립영향 미생물을 이용하기 때문에 전자 공여체의 공급이 지속적으로 이루지지 않아도 됨. 독립영양 미생물은 성장이 비교적 느려 반응기 막힘 현상이 덜함. 원위치 처리시 자석을 이용한 철 회수가 용이하다. (2) 단점 생물학적 제거 방법은 일반적으로 물리화학적 제거 방법에 비해 반응속도가 느리다. 반응기 운전이 잘못되면 pH가 높아진다. (Fe0 + 2H2O → Fe2+ + 2OH- + H2↑)

8 5. 재료 및 방법 (1) 재료 유입수(인공폐수, ClO4- 20mg/L, pH 8.0) 유입수의 성분 탈염소처리된 수돗물
NaHCO3(1g/L) MgSO4∙7H2O(0.2g/L) K2HPO4(4.7g/L) NaH2PO4∙H2O(2.7g/L) NH4H2PO4(1.6g/L) NaClO4 (2.4650g/L) 펌프, 반응기, 유리비즈, 철 Glass beads : Fe0 = 19 : 1 (V/V) Fe0 의 지름 = 0.84mm Glass beads 지름 = 3mm

9 (2) 반응기 개략도 1. 유입수 저장조 2. 펌프 3. 반응기 4. 유출수 저장조

10 ClO4- IC 분석 조건 분석 조건 IC Dionex ICS-1100 Sample loop 1000 μl Eluent
60 mM NaOH Eluent flow 1.3 ml/min Columns Dionex AG16, 4 mm / AS16, 4 mm Suppressor ASRS mm 전류량 270 mA 온도 30 ℃ 검출시간 8.3 min 검출한계 0.5 ug/L

11 6. 결과 V = 18(ml) + {0.0125(m2) × π × 0.025(m) × 106(ml/m3)}
(1) HRT (수리학적 체류시간, Hydraulic Retention Time, h) = working volume(V) / flow rate(Q) Working volume(V) = pore volume (V1) + head space(V2) V = 18(ml) + {0.0125(m2) × π × 0.025(m) × 106(ml/m3)} = (ml) (2) ClO4- 부하량 (Loading rate, mg/㎡/h) = inf [ClO4-](mg/ml) × Q(ml/h) / 표면적(m2) (3) ClO4- 제거율 (%) = { inf [ClO4- ](mg/ml) - eff [ClO4- ](mg/ml) } / eff [ClO4- ](mg/ml) ×100

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13 7. 결론 반응기는 46일간 운전하였다. 유입수의 농도는 20mg/L를 유지하였고, 유입수의 유량 은 1(ml/h)에서 1.45(ml/h), 2.2(ml/h)으로 변화시키면 서 HRT와 부하량을 변화시켰다. HRT는 (h)에서 유량의 변화에 따라 (h), (h)으로 단계적으로 변화시켰다. ClO4- Loading rate는 유량의 변화에 따라 0.552(mg/ ㎡/h)에서 0.799(mg/㎡/h), 1.213(mg/㎡/h)으로 변화 시켰다. pH는 초기에는 8.6정도를 유지시켰고, 26일 째 이후부 터는 평균 8.2정도를 유지하였다. ClO4- 제거율은 초기에는 90%이상을 유지하다가 34일 이후로는 목표치인 99%이상의 조건을 만족시켰다.

14 8. 참고문헌 국립과학 연구원(2007)- 특정수질유해물질 확대지정 및 배출허용기준 설정 연구
국립과학 연구원(2007)- 특정수질유해물질 확대지정 및 배출허용기준 설정 연구 환경부 보도자료(2009)- “퍼클로레이트 먹는물 수질 감 시항목 지정 추진” 국립환경과학원 환경진단연구부- 수돗물 중의 퍼클로레 이트 적정관리 방안 연구 한국물환경학회- 수돗물중의 퍼클로레이트 적정관리 방 안 연구 부산 수질 연구소- 수중 퍼클로레이트제거를 위한 맞춤 분말활성탄 제조

15 감사합니다