물리화학적 처리법을 이용한 유해 준금속(As, Sb)의 제거 특성 연구

Abstract

본 연구에서는 유해 준금속인 비소와 안티몬의 폐수 내 이온 별 거동 특성에 주목하였고, 이를 통해 응집‧침전 및 흡착 공정을 이용하여 효율적으로 이들 물질들을 제거하고자 하였다. 또한 비소와 안티몬의 제거를 위한 최적의 운전 조건을 선정하여 실제 현장에서의 pilot plant 운전을 실시하고, 운전결과를 통해 처리 효율 향상을 위한 최적가용기술을 확보하고자 하였다. 먼저 응집‧침전 처리 공정을 이용한 비소와 안티몬의 처리 효율을 살펴보았다. 우선 비소의 경우 2 mM의 철염 응집제 주입을 통해 각각 1단 응집‧침전 공정으로 0.1 mg/L 수준의 비소 처리가 가능한 저농도 구간은 0-16 mg/L 구간으로 설정하였다. 2단 응집‧침전 공정 및 슬러지 반송을 포함한 2단 응집‧침전 공정을 통한 처리가 가능한 중농도 구간은 16-60 mg/L 구간으로 확인되었다. 마지막으로 후단 공정으로 흡착 공정까지 고려해야하는 고농도 구간은 70 mg/L 이상의 구간으로 지정하였다. 그리고 As(Ⅲ)와 As(Ⅴ)의 처리 효율을 비교하면 전체적으로 As(Ⅴ)의 처리 효율이 우수한 것으로 확인되었으며, 이러한 차이는 폐수 내 비소의 농도가 높아질수록 커지는 것으로 판단된다. 안티몬의 경우 최적 응집 pH는 pH 6-7의 범위로 확인되었다. 응집제 주입량은 0.2 mM 정도의 응집제 주입 시 Sb(Ⅲ)와 Sb(Ⅴ) 가장 높은 수준의 처리 효율을 나타냈으며, 이 이상의 추가적인 응집제 투여를 통해 더 많은 흡착 가능한 표면을 제공하더라도 비용 대비 효율적이지 않다고 판단된다. 그리고 폐수 내 Sb(Ⅲ)의 비율이 높을수록 안티몬 제거율이 더 높았으며, Sb(Ⅴ)의 비율이 높아질수록 제거율이 감소하는 경향을 확인하였다. 또한 안티몬은 응집제와 직접적인 응집 과정을 통해서 제거되기 보다는 형성된 floc에 흡착되어 제거되는 반응으로 판단된다. 이러한 응집 특성을 바탕으로 고농도 안티몬 폐수를 응집 처리할 때에는 다단계 응집과 응집침전물 재순환이 유용하게 활용될 수 있다. 다음으로 흡착 공정을 이용한 비소와 안티몬의 제거 특성을 확인해보았다. 우선 비소의 흡착제 별 제거 특성을 살펴보았을 때 As(Ⅲ):As(Ⅴ) = 2:0과 0:2의 경우 Total As에 대한 최대 흡착량은 활성 알루미나 > 석탄계 활성탄 > 야자계 활성탄 > zeolite의 순으로 우수한 것으로 나타났다. As(Ⅲ)에 대한 최대 흡착량은 석탄계 활성탄 > 야자계 활성탄 > 활성알루미나 > zeolite의 순이었다. 이 때 교반과정에서 공기 혼입과 활성탄에 포함된 철, 망간 등으로 인해 As(Ⅲ)이 산화되는 것이 관측됐다. As(Ⅲ):As(Ⅴ) = 1:1의 경우 Total As에 대한 최대 흡착량은 석탄계 활성탄 > 활성 알루미나 > 야자계 활성탄 > zeolite의 순서였다. As(Ⅲ)에 대한 최대 흡착량의 순서는 석탄계 활성탄 > 야자계 활성탄 > 활성알루미나 > zeolite로 나타났다. As(Ⅴ)에 대한 최대 흡착량은 석탄계 활성탄 > 활성 알루미나 > 야자계 활성탄 > zeolite의 순서였다. 또한 최대 흡착량 결과를 분석해보면, 활성 알루미나가 다른 흡착제에 비해 표면적이 작음에도 불구하고 비소에 대한 흡착 효율이 높음을 확인할 수 있었다. 이는 pH 9 이하에서 활성 알루미나의 zeta potential이 양성을 나타내기에 수중에서 대부분 음이온의 형태를 가지는 비소의 흡착이 용이한 것으로 판단된다. 다음으로 안티몬에 대한 흡착제 별 제거 특성을 확인해보고자 하였다. 그 결과 우선 흡착제 별 Sb(Ⅲ)의 제거 효율은 개질 활성탄 > 야자계 활성탄 > zeolite > SP825의 순서로 확인되었으며, Sb(Ⅴ)의 제거 효율은 SP825 > 개질 활성탄 > 야자계 활성탄 > zeolite과 같이 나타났다. 이러한 결과를 정리해 보면 SP825를 제외하면 pH 7에서 중성으로 존재하는 Sb(Ⅲ)의 경우에는 표면적이 늘어날수록 수용액 내의 Sb(Ⅲ)의 제거효율이 늘어나는 결과를 보였다. 따라서 Sb(Ⅲ)의 흡착 제거 공정에서는 물리적인 흡착이 우선적으로 발생하기 때문에 상대적으로 표면적이 높은 개질 활성탄이 높은 제거율을 보인 것으로 판단된다. 그에 비해 Sb(Ⅴ)의 경우에는 개질 활성탄이나 야자계 활성탄보다 표면적이 낮은 SP825가 높은 제거율을 보였는데, Sb(Ⅴ)는 수중에서 음이온의 형태로 존재하기 때문에 Sb(Ⅴ)의 제거에는 흡착제의 표면적보다는 zeta potential에 의한 영향이 큰 것으로 판단된다. 실제 zeta potential 측정 결과 표면의 전하가 –40 mV 이하인 야자계 활성탄, 개질 활성탄 및 zeolite의 경우에는 전기적 반발력이 커서 흡착이 쉽지 않고 이들 사이에서의 흡착 제거율은 단순 표면적에 비례하게 되는 것으로 보인다. 그에 비해 SP825의 경우에는 표면의 전하가 나머지 흡착제들에 비해 거의 중성에 가깝기 때문에 상대적으로 Sb(Ⅴ)가 더 쉽게 흡착되어 제거효율이 높게 나타나는 것으로 판단된다. 비소에 대한 lab-scale 연속 흡착 반응기 운전 결과 비소의 제거에는 활성 알루미나의 효율이 가장 우수한 것으로 판단된다. 하지만 활성 알루미나의 경우 수중에서 음이온 형태를 가지는 비소, 안티몬 등에서는 효율이 좋지만, 그 외의 양이온 형태로 존재하는 다른 유해 중금속에 대해서는 제거 효율이 좋지 않다. 따라서 최적 흡착 운전 조건에는 양이온과 음이온 양쪽을 모두 제거 가능하고 타 공정에 적용이 유리한 석탄계 활성탄을 선정하였다. 이 때 최적 흡착 운전 조건은 석탄계 활성탄이 비소 제거 목표 농도를 달성한 최소 조건인 LV 1 m/hr, SV 2 1/hr로 결정하였다. 안티몬에 대한 lab-scale 연속 흡착 반응기 운전 실험 결과를 종합할 때 전체적인 제거효율은 개질 활성탄이 가장 우수하였으며, Sb(Ⅲ) 제거에는 개질 활성탄과 야자계 활성탄, Sb(Ⅴ)의 제거에는 SP825가 가장 우수하였다. 하지만 가격과 성능을 비교하였을 때에는 개질 활성탄과 SP825의 경우에는 활성탄에 비해 수배 이상 가격이 높아 실제 산업 폐수 처리에 응용하기에는 무리가 있을 것으로 판단되어, pilot plant 실험에는 야자계 활성탄을 사용하기로 결정하였다. 이 때 pilot plant 설계인자에 참고할 안티몬 흡착 최적 운전 조건은 유일하게 청정 구역 수질 기준을 만족한 LV 1 m/hr, SV 1 1/hr으로 결정하였다. 선정한 최적운전조건을 바탕으로 슬러지 반송을 추가한 2단 응집‧침전 및 흡착 pilot plant 각 처리공정 별 특정수질 유해물질 및 수질오염물질을 분석하였다. 그 결과 목표로 정하였던 비소와 안티몬 모두 pilot plant가 위치한 산업단지에 해당하는 배출허용기준인 가‧나/특례지역에 해당하는 배출허용기준(As: 0.25 mg/L, Sb: 0.2 mg/L)을 만족하였다. 이런 결과를 볼 때 본 연구를 통해 확보한 처리 기술을 실제 산업 현장에서 유해 준금속을 제거하는데 이용하는 것에는 문제가 없을 것으로 판단된다. 앞선 연구를 통하여 확보한 제거 조건들을 이용한다면, 기존 시설의 최적 운전 및 보완만으로 신규 오염물질 규제에 따른 해당 물질 배출산업들이 최소한의 비용으로 대응할 수 있는 기술적인 방법을 마련하고 개발된 기술을 통해 미래 시장인 수질유해물질 관련 국내 기술경쟁력을 향상하고 관련기업을 육성할 수 있을 것으로 판단된다.