천연Zeolite와 SMZ를 이용한 회분식 반응조와 연속식 컬럼반응조 내 질소화합물의 제거특성에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

최근에 지하수 오염처리 기술로서 반응벽체 공법이 각광을 받고 있는 이유는 오염물질에 대한 높은 제거효율과 낮은 유지 비용 때문이며, 반응벽체의 매질선정시 환원이나 산화, 흡착과 같은 각각의 오염물질의 특성에 적합한 제거기작을 선택하는 것은 매우 중요하게 고려할 사항이다. 본 연구의 목적은 반응벽체 매질로서 Zeolite와 SMZ(Surfactant Modified Zeolite)를 이용하여 양이온인 암모니아성 질소와 음이온인 질산성 질소의 제거가능성을 시험하며 두 물질의 동시제거 가능성까지도 검토하였다.
천연Zeolite는 내부구조 안에 이온교환 가능한 양이온들을 포함하고 있으며 이러한 원리를 이용하여 암모늄 이온의 제거가 가능하다. 암모늄의 제거는 교반 후 1시간 이내에 대부분의 제거가 이루어졌으며 각 초기농도별(10-160㎎/L)로 86%∼92%의 제거율을 나타내고 있으며, 이는 Zeolite가 NH4+에 대해 높은 선택성을 가지고 있다는 사실과 일치하는 결과이며, 내부에 포함되어 있던 Na+이온과 가장 많이 교환되었다는 것을 확인할 수있다.
질산성 질소의 제거는 반응 30분만에 거의 모든 흡착이 이루어졌으며SMZ-Br 5g을 사용한 경우 10mg/L의 질산성질소가 약 4mg/L로 감소되었으며 SMZ의 양이 증가할수록 질산성 질소의 제거효율도 증가하였다. 팔당주변의 지하수의 오염도를 참고하여 초기농도 50㎎/L의 질산성질소를 제거함에 있어서 5㎎/L의 암모니아성 질소가 공존함으로써 야기되는 방해효과를 알아 볼 수 있었다. 아주 큰 저감효과는 아니더라도 약 5%-7%정도의 질산성질소의 제거율 저감효과가 있음이 확인되었다. 반면, 암모니아성질소제거율은 2시간 내에 거의 100%에 이르는 것으로 질산성질소의 공존으로 인한 암모니아성 질소의 제거에 대한 방해효과는 발견할 수 없었다.
SMZ-Br와 SMZ-Cl를 이용한 질산성 질소 흡착실험 결과, 최대흡착능은 각각 27 mmol/kg과 12 mmol/kg으로 나타났으며, 10㎎/L의 인산염 제거실험결과, 반응 30분만에 6-8㎎/L까지 감소하였다.
SMZ컬럼 실험에서 얻어진 파과곡선의 해석결과를 이용하여 실제 파과시간의 예측이 가능하며, 확대접근법을 이용하여 실제 소규모 반응벽체의 설계방법론을 제시하였다. 매일 질산성 질소농도가 50㎎/L인 지하수 10 m3를음용수 수질기준인 10㎎/L로 감소시키고자 할 경우, 300ton의 SMZ를 사용하여 약 6년 간(5.8년) 매질의 교체 없이 SMZ 반응벽체를 사용할 수 있을 것으로 예측되었으며, 초기 건설비용과 조사비용 등을 제외하고는 6년에 한 번씩 교체를 위한 매질비용으로 약 1억 6천 5백만 원과 주기적으로 간단한 Monitoring비용만 부담하면 된다는 결론을 얻었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Permeable reactive barrier technologies for groundwater remediation have recently drawn great attention because of their potential for effective contaminant containment/destruction and low maintenance costs. The selection of barrier materials is an important issue to remove a contaminant by using proper mechanisms such as reduction, oxidation, or adsorption, and so on. The objective of the present research was to test the performance of the natural zeolite and surfactant modifiedzeolite (SMZ) as barrier materials in order to adsorb cationic ammonium and anionic nitrate, respectively and/or simultaneously.
Natural zeolites possess positive charges in their crystal structures, making them remove ammonium significantly. The removal rate of ammonium changed from 86% to 92% depending on the initial concentration (10-160 mg/L) of ammonium within one hour. We foundthat natural zeolites have the high selectivity of ammonium and the sodium ions in them were exchanged with ammonium.
With 5g of SMZ-Br the initial concentration of 10 mg of NO3 -/L was reduced to about 4 mg/L in 30 minutes and the removal rate of nitrate concentration was improved as the dose of SMZ was increased. When ammonium and nitrate coexit in the solution as 50 mg of NO3 -/L and 5mg of NH4+/L as those in the groundwater around the upstream ofDam Paldang, most of ammoium nitrate was removed in 2 hours and the inhibition effect of ammonium nitrogen to the nitrate removal was shown as 5-7% reduction of removal rate. The nitrate sorption maxima for HDTMA-Br and HDTMA-Cl treated zeolite were 27 and 1 mmol/kg, respectively. Phosphate of 10 mg/L was also removed to 6 to 8 mg/L in 30 minutes using SMZ.
The analysis of breakthrough curve obtained in 100% SMZ column test made it possible to compute the breakthrough time and subsequently to suggest the methodology of scale-up of column to reactive barrier. When 10 m3 of groundwater containing the 50 mg/l of nitrate is to be treated per day down to 10 mg/l of potable water quality criteria by SMZ reactive barrier, 300 ton of SMZ and about 6 years of breakthrough time will be required, which suggests that 165,000,000 wons are needed as barrier material expenses in each 6 years besides the initial design and construction expenses and the minimal monitoring and maintenance expenses.

목차 (Table of Contents)

• 第1 章서 론 = 1
• 1.1 연구배경 = 1
• 1.2 연구목적 = 3
• 1.3 연구범위 및 방법 = 4
• 第2 章천연Zeolite와SMZ(Surfactant Modified Zeolite)의 질소제거 특성 = 5
• 2.1 서 론 = 5
• 2.1.1 천연 Zeolite를 이용한 암모니아성 질소(NH4+-N) 제거 = 6
• 1) Ion Exchange = 6
• 2) 제올라이트(Zeolite) = 6
• 2.1.2 SMZ(Surfactant Modified Zeolite)를 이용한 질산성 질소(NO3--N)의 제거 = 9
• 1) SMZ의 특징 = 9
• 2) HDTMA(Hexadecyltrimerthylammonium)의 종류에 따른 흡착 = 12
• 2.2 실험재료 및 방법 = 13
• 2.2.1 실험재료 = 13
• 2.2.2 실험방법 = 14
• 2.2.3 분석방법 및 분석조건 = 15
• 1) 분석방법 = 15
• 2) 분석조건 = 16
• 2.3 실험결과 및 고찰 = 18
• 2.3.1 이온농도변화 = 18
• 2.3.2 Zeolite를 이용한 암모니아성 질소의 제거 = 19
• 2.3.3 SMZ를 이용한 질산성 질소의 제거 = 22
• 2.3.4 SMZ를 이용한 인의 제거 = 24
• 2.3.5 SMZ-Br를 이용한 암모니아성 질소와 질산성 질소의 동시제거 = 24
• 2.3.6 SMZ를 이용한 질산성질소(NO3--N)의 흡착 = 27
• 2.4 결 론 = 29
• 第3 章SMZ컬럼시험의 파과곡선 해석 = 31
• 3.1 서 론 = 31
• 3.1.1 CXTFIT을 이용한 Conceptual Model = 32
• 1) Equilibrium model = 32
• 3.2 실험재료 및 방법 = 33
• 3.2.1 실험재료 = 33
• 3.2.2 실험방법 = 33
• 3.2.2 분석방법 = 34
• 3.3 실험결과 및 고찰 = 35
• 3.3.1 CXTFIT Model을 이용한 Column 실험에서의 질산성 질소 예측 = 35
• 3.3.2 Scale-up Methodology = 38
• 3.4 결 론 = 42
• 第4 章결 론 = 43
• 참고문헌 = 45
• 국문요약 = 51
• Abstract = 53