코크스화 폐수 처리 기술의 현황

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요약: 현재 산업의 발전에 따라, 산업에서 발생하는 코크스화 폐수 처리 문제가 점점 더 주목받고 있습니다.특히 우리나라의 경우, 현재 중국은 세계에서 가장 큰 코크스 생산국입니다.코크스화 폐수 처리 문제는 더욱 중요합니다.코크스화 공정에서 발생하는 폐수가 기준을 초과하여 배출되면, 환경에 큰 피해를 줄 수 있습니다.다음에서는 현재의 코크스화 공정에서 발생하는 폐수 처리 현황을 분석하고, 물리화학적 방법과 생화학적 방법을 비롯한 코크스화 공정 폐수 처리 기술들, 그리고 해외의 처리 기술들에 대해 살펴보겠습니다. 1 서론 현재 대부분의 코크스화 공정에서 발생하는 폐수 처리에는 일반적인 활성슬러지법이 사용되고 있습니다. 이 방법은 폐수 내의 질소나 시안화물과 같은 물질들을 어느 정도 제거할 수 있지만, COD나 NH3-N와 같은 물질들을 제거하는 효율은 매우 낮으며, 경우에 따라서는 전혀 제거할 수 없기도 합니다.생산 실무에 따르면, 코크스화 공정에서 발생하는 폐수를 처리할 때 가장 큰 어려움은 유기물과 NH3-N을 제거하는 것입니다. 암모니아질소와 다환 방향족 탄화수소와 같은 유기물들은 미생물에 독성을 미치고 그 성장을 억제하기 때문에, 이러한 문제로 인해 코크스화 공정의 폐수 처리 기술에는 한계가 있으며, 폐수 처리 비용도 상당히 높습니다.현재 성숙한 코크스화 공정 폐수 처리 방법으로는 물리적 방법, 화학적 방법, 생화학적 방법, 물리화학적 방법 등이 있다；현재 대부분의 코크스 공장에서는 코크스 처리 과정에서 발생하는 폐수를 처리하기 위해 생화학적 방법과 물리화학적 방법을 주로 병행하여 사용하고 있습니다. 2 코크스화 폐수의 예비 처리 기술 코크스화 폐수에 포함된 일부 유기물들은 생물학적으로 분해되지 않으므로, 적절한 예비 처리 기술이 필요하다.흔히 사용되는 전처리 방법은 혐기성 산화법입니다.이는 혐기성과 호기성 사이에 위치하는 공정으로, 그 작용 원리는 혐기성 미생물의 가수분해 및 산화 작용을 통해 분해가 어려운 유기물의 화학 구조를 변화시켜 분해가 용이한 물질을 생성하는 것입니다.코크스화 폐수를 혐기성 산화 전처리한 후에는, 분해가 어려운 유기물의 호기성 생물분해 성능을 향상시킬 수 있으며, 이는 후속적인 호기성 생물처리를 위한 좋은 조건을 만들어줍니다. 3. 2단계 처리 기술 현재 코크스 제조 과정에서 발생하는 폐수는 일반적으로 먼저 표준적인 방법을 이용해 예비 처리를 거친 다음, 생물학적 탈페놀 처리를 통해 2단계 처리가 이루어집니다.하지만, 코크스화 폐수를 위와 같은 방법으로 처리한 후에도, 배출되는 폐수의 **, COD 및 암모니아질소와 같은 지표들은 여전히 기준을 충족시키기 어렵습니다.이러한 상황에 대응하여, 최근 국내외 학자들은 많은 연구를 진행해 왔으며, 상당히 효과적인 코크스화 폐수 처리 기술들을 개발해 냈습니다. 3.1 물리화학적 처리법 3.1.1 흡착법 흡착법이란 흡착제를 이용하여 오염물질을 제거하는 방법입니다.활성탄은 우수한 흡착 성능과 안정적인 화학적 특성을 가지고 있어, 가장 널리 사용되는 흡착제입니다.활성탄 흡착법은 폐수의 심층 처리에 적합합니다.하지만 활성탄 재생 시스템의 운영이 어렵고 설비 운영 비용이 높아, 코크스화 공정에서 발생하는 폐수 처리에는 널리 사용되지 않고 있습니다.산시초화그룹유한공사는 보일러 분진회를 이용하여 생화학 공정에서 발생하는 초화폐수를 처리합니다.생화학적 처리 과정을 거친 폐수를 석회석으로 흡착 처리한 결과, 오염물질의 평균 제거율은 54.7%였습니다.처리된 배출수는 암모니아질소를 제외한 다른 오염물질 지표들이 모두 **1급 코크스 공장 기준에 부합하며, A/O법과 유사하지만 투자 비용은 A/O법의 절반에 불과합니다.이 방법은 시스템 투자비와 운영비가 모두 낮으며, 폐기물을 활용해 또 다른 폐기물을 처리하기 때문에 우수한 경제적·환경적 효과를 가집니다.하지만 동시에 처리된 배출수의 암모니아질소가 기준에 미달하고 폐슬래그 처리가 어렵다는 단점이 존재합니다.류준봉 등은 고온 슬래그를 이용해 여과한 뒤, 난카이 제품인 H-103 대공성 수지를 사용하여 페놀 함량이 520 mg/L, COD가 3200 mg/L인 코크스 제조 공정에서 발생하는 폐수를 처리했습니다. 그 결과, 처리된 물의 페놀 함량은 ≤0.5 mg/L, COD는 ≤80 mg/L가 되어 **배출 기준을 충족시켰습니다.황념동 등은 코크스 찌꺼기가 코크스화 폐수 정화에 미치는 효과를 연구했다.그들은 입자 크기, pH, 용액의 흐름 속도 등 다양한 요인들이 흡착 능력에 미치는 영향을 조사했습니다. 그 결과, 페놀 농도가 30 mg/L인 액체의 경우, 흐름 속도가 4.5 mI/min이고 pH가 2~2.5이며 온도가 25℃일 때 페놀의 제거율은 98%에 달하는 것으로 나타났습니다. 3.1.2 연도가스를 활용한 코크스화 공정에서 발생하는 폐수 처리 방법
금속공업부 건축연구원과 베이징 국위다 환경보호회사가 공동으로 개발한 “연도가스를 이용하여 코크스화 공정에서 발생하는 잔여 암모니아수나 모든 코크스화 폐수를 처리하는 방법”은 이미 **특허**를 받았습니다.이 기술은 코크스화 과정에서 남은 암모니아수에서 타르와 SS를 제거한 후, 이를 연도 가스에 투입하여 충분한 물리화학적 반응을 일으킵니다. 연도 가스의 열에 의해 암모니아수에 포함된 수분이 모두 증발하고, 암모니아 가스는 연도 가스에 포함된 SO2와 반응하여 황암모늄을 형성합니다. 이 특허 기술은 장쑤 화이강그룹의 코크스화 공정에서 발생하는 잉여 암모니아수 처리 프로젝트에 성공적으로 적용되었습니다.모니터링 결과에 따르면, 코크스화 과정에서 발생하는 잔여 암모니아수가 모두 처리되어 폐수의 배출이 전혀 없었습니다. 또한 연도가스의 배출도 기준에 부합하도록 관리되었습니다. 대기 중으로 배출되는 암모니아, 페놀류 등 주요 오염물질들은 잔여 암모니아수 내의 총 오염물질량의 1.0~4.7%를 차지했습니다.이 방법은 폐기물을 활용하여 또 다른 폐기물을 처리하기 때문에 투자 비용이 적고, 필요한 공간도 적으며, 운영 비용도 낮습니다. 처리 효과도 우수하고 환경적 이점도 매우 크므로, 꼭 보급되어야 할 훌륭한 방법입니다.하지만 이 방법은 촉화 과정에서 필요한 암모니아의 양이 연도가스에 필요한 암모니아의 양과 균형을 이루어야 한다는 요구사항이 있어, 이로 인해 해당 방법의 적용 범위가 어느 정도 제한됩니다. 3.2 생화학적 처리법
생화학적 처리법은 미생물의 산화, 분해, 흡착 작용을 이용하여 폐수 내의 유기 오염물질을 처리하는 방법입니다. 이 방법은 폐수 처리에 있어 가장 널리 사용되고 효과적인 방법 중 하나입니다.최근 들어 사람들은 미생물, 반응기 및 공정 흐름 등 여러 측면에서 접근하여 활성슬러지법, 생물막법, 생물유동층, 고정화 생물처리 기술 및 생물질소제거 기술 등을 연구 개발해 왔습니다.이러한 기술의 발전으로 대부분의 유기물이 생물학적 분해 처리됨에 따라, 처리수의 수질이 크게 개선되었습니다. 3.2.1 활성슬러지법 활성슬러지법은 생물학적 응집체와 활성슬러지가 폐수 내의 유기물과 충분히 접촉하도록 하는 방법입니다. 이 과정에서 용해된 유기물들은 세포에 의해 흡수되고 흡착되며, 최종적으로는 CO2와 같은 최종 생성물로 전환됩니다；불용성 유기물은 먼저 용성 유기물로 전환된 다음, 대사되어 활용됩니다.하지만 이 기술만을 단독으로 사용할 경우, 처리수의 COD, BOD, NH3-N 등의 지표들은 기준치에 도달하기 어렵으며, 특히 NH3-N의 경우 거의 분해되지 않는다. 3.3.2 생물막법 막생물반응기(MBR)는 유기물과 NH3-N을 제거하는 과정에서 전통적인 활성슬러지법과 동일한 생화학적 작용 원리를 가지고 있습니다. 다른 점은 전통적인 활성슬러지법은 침전조에서 진흙과 물을 분리하는 반면, MBR은 막을 통해 이를 분리한다는 것입니다.한편, MBR 장치는 막 여과를 통해 물을 정화시키고, 슬러지는 반응조 내에 남겨둡니다.MBR 공정을 이용해 코크스 제조 과정에서 발생하는 폐수를 처리할 경우, 동일한 생화학 반응조 용량 조건 하에서도 기존 공정에 비해 COD 제거율이 30% 향상되고, NH3-N 제거율은 50% 향상됩니다.SS 제거율은 100%에 달할 수 있습니다.MBR법은 경제적이고 간단하며 효율적이며 처리 용량이 크다는 장점이 있습니다. 무엇보다도 유해물질을 없앨 수 있어 2차 오염을 일으키지 않는다는 점이 중요합니다. 이 방법은 이미 여러 곳의 코크스 공장에서 널리 활용되고 있습니다.코크스화 공정에서의 MBR 공법의 성공적인 활용은 철강 기업과 석탄화학 기업들이 수자원을 절약하고 폐수 오염물질의 배출을 줄이는 데 매우 중요한 의미를 가집니다. 3.3.3 생물유동층 기술 생물유동층 기술은 일반적인 활성슬러지법과 생물막법을 결합한 처리 기술로, 이 기술의 발전은 1970년대 초에 시작되었습니다.그 캐리어는 유동층 내에서 유동 상태를 유지하여, 고체(생물막), 액체(폐수), 기체(공기)의 세 상태가 충분히 접촉하도록 하며, 입자들 사이에도 격렬한 충돌이 일어난다.생물막 표면은 끊임없이 갱신되어, 미생물들은 항상 왕성하게 성장하는 상태에 있습니다.생물 유동층 기술은 처리 효율이 높고, 부피당 처리량이 많으며, 물질 전달 속도가 빠르고, 적용 범위가 넓다는 장점들 때문에 연구자들의 폭넓은 관심을 받고 있습니다. 3.3.4 생물학적 질소제거 기술
생물학적 질소제거 기술은 일반적인 생화학적 처리 기술을 바탕으로 발전한 것입니다. 이 기술은 1970년대에 캐나다에서 처음 개발되었으며, 1980년대에는 영국이 가장 먼저 실제로 이 기술을 도입했습니다.전통적인 활성슬러지법은 폐수 내의 NH3-N과 COD를 제거하는 데 있어 **배출 기준을 충족시키기 어렵기 때문에, A/O, M/O, A/02, SBR법과 같은 생물학적 탈질 기술들이 차례로 개발되었습니다. 그중 A/02법은 A/O 공정의 발전형으로, 역시 A/O를 기본 공정으로 하는 생물학적 탈질 공정에 속합니다.왕현국은 A/O 탈질 기술을 활용하여 코크스화 폐수 처리에 대해 연구했다.결과는 다음과 같습니다.A/O 공정은 질소를 제거할 뿐만 아니라 폐수 내의 다량의 유기물도 분해할 수 있어, 매우 이상적인 폐수 처리 기술입니다. 처리된 물의 품질은 기본적으로 **2급 배출 기준**을 충족할 수 있습니다.A/O법은 활성슬러지법에 비해 오염물질 제거율이 크게 향상되었지만, 수력 체류 시간이 길어 코크스 공정에서 발생하는 분해가 어려운 유기물의 제거 효과는 그다지 좋지 않습니다.A/O 공정은 1990년대에 개발된 생물 처리 기술입니다.이 기술은 A/O 공정에 혐기성 전처리 단계를 추가함으로써, 호기성과 혐기성 상태가 반복적으로 교차하는 과정에서 분해가 어려운 다환 방향족 화합물과 같은 유기물들이 분해됩니다. 그 결과, 페놀, 시안화물, COD의 제거율이 현저히 향상되어 폐수의 생화학적 처리 가능성이 높아집니다.I. Vdazquez 등의 연구에 따르면, COD가 922인 경우입니다.1은 980mg/L이며, 휘발성 페놀은 133,293 mg/L, SCN-는 176입니다.362mg/L, NH3-N는 123입니다.296 mg/L의 코크스화 폐수를 A2/0 공정으로 처리한 결과, COD와 NH3-N의 제거율은 각각 90.7%와 99.9%였습니다.A2/O 생물질산제거 오수처리 기술은 코크스화 공정에서 발생하는 오수의 COD와 NH3-N를 효과적으로 처리할 수 있지만, 처리된 물의 수질은 여전히 안정적으로 기준에 부합하기 어렵습니다.A/02 공정은 주로 폐수 내의 COD와 NH3-N을 제거하는 것입니다.싱강 오수처리 공정의 주요 공법은 A/02 공법을 채택하고 있으며, 생물학적 처리 단계는 A/02 탱크와 2차 침전탱크로 구성됩니다. O 탱크에서는 산소 공급을 위해 구멍형 공기압축기가 사용됩니다.실제로 확인된 바에 따르면, 동일한 총 반응 시간에서 A/02는 A2/O에 비해 COD와 NH3-N을 제거하는 효율이 더 높습니다. 그 결과, 처리된 물의 COD와 NH3-N 수치도 안정적으로 기준치를 충족합니다. 또한 A/02는 많은 양의 생물학적 충전재나 물 분배 장치가 필요하지 않습니다.상하이 보강 코크스 공장은 기존의 MO 생물질 탈질 공정을 A/O2 공정으로 변경했습니다.생산 운영 실적에 따르면, 개선된 공정의 처리 효과는 A/O 공정보다 우수하며 운영 비용도 감소했습니다. 전반적으로 생화학적 처리법은 폐수 처리량이 많고 처리 범위가 넓다는 장점이 있습니다. 하지만 이 방법은 처리 시설의 규모가 크고, 처리에 걸리는 시간도 길며, 투자 비용도 높습니다. 또한 폐수의 수질 조건에 대한 요구도 매우 엄격합니다. 3.3.5 해외의 생화학적 처리 기술
국내외 학자들은 코크스화 공정에서 발생하는 폐수의 생화학적 처리에 대해 많은 연구를 진행해 왔습니다. 그 중에는 SBR(시퀀싱 배치 반응기) 공정, MBR(막 생물반응기) 공정, A/O 공정, 고효율 미생물 처리 공정(3T-AF/BAF 공정) 등이 있습니다. 또한 생물학적 강화 기술도 포함됩니다. 3.3.5.1 SBR 공정
마란 등은 코크스 제조 과정에서 발생하는 폐수를 처리하기 위해 SBR 공정을 사용했다. 폐수는 블로팅 처리를 거쳐 암모니아질소가 96% 제거되었다(HRT=66시간). SBR 반응기에서는 HRT가 115시간일 때, COD, 시아나이드, 페놀의 제거율이 각각 85%, 98%, 99%에 달했다. 최종적으로 ρ(페놀)=118 mg/L, ρ(SCN⁻)=514 mg/L, ρ(COD)=206 mg/L가 되었다. 코크스 제조 과정에서 발생하는 폐수를 처리할 때, SBR 공정의 수력 체류 시간이 너무 길어서 설비가 매우 커지게 되며, 폐수에 포함된 고독성 물질들도 운영의 안정성에 영향을 미친다. 3.3.5.1 A 2/O 공정에 대해 Li 등은 A 2/O 공정과 A/O 공정이 코크스 제조 과정에서 발생하는 폐수를 처리하는 데 있어서 어떤 효과가 있는지 비교했습니다. 수력 체류 시간(HRT)이 거의 동일한 조건에서, 이 두 공정은 COD와 NH3-N을 처리하는 데 있어서 거의 유사한 성능을 보였습니다.A/0는 가수분해 산화 단계가 추가되어 있기 때문에, A/O에 비해 유기질 질소와 총 질소를 더 효과적으로 처리할 수 있다.치우셰안화【15】 등의 연구에 따르면, 최적화된 조건 하에서 A/O 고정화 생물막 시스템은 탄소 제거, 질산화, 탈질 작용에 있어 상당히 만족스러운 효과를 보였다. 4 결론 (1) 생화학적 처리법은 폐수 처리량이 많고, 처리 범위가 넓으며, 처리 비용이 저렴하고 2차 오염이 발생하지 않는다는 장점이 있어, 코크스 제조 공정에서 발생하는 폐수를 처리하는 데 가장 효과적인 방법이다；물리화학적 방법은 생화학적 방법의 유용한 보완책입니다.다양한 방법의 상호작용을 활용하여 코크스화 폐수를 처리하면 각 방법의 장점을 발휘할 수 있으며, 처리 효율을 더욱 향상시키는 데 도움이 됩니다.따라서 다양한 방법들을 유기적으로 결합하고 함께 활용하는 것이 코크스화 공정에서 발생하는 폐수 처리 기술의 발전 방향입니다. (2) 지속적인 연구와 실천을 통해 코크스화 공정에서 발생하는 폐수를 처리하는 방법들이 많이 개발되었으며, 그 결과 상당히 우수한 처리 성과가 나타났습니다. 하지만 외부로 배출되는 물의 COD 수치가 **1등급 배출 기준을 안정적으로 충족시키기 어렵고, 처리된 물의 품질도 일정하지 않다는 단점들이 있습니다.따라서 환경 보호에 대한 요구가 점점 더 엄격해짐에 따라, 코크스화 공정에서 발생하는 폐수를 안정적으로 고기준에 맞게 처리하기 위해서는 아직 해야 할 일이 많으며, 이는 앞으로 연구하고 해결해야 할 과제입니다. ［참고문헌］ 단명군, 여연리, 종레이, 코크스화 공정에서 발생하는 폐수 처리 기술. 베이징: 화학공업출판사, 30-31쪽. 모천린, 셰궈량, 난징시 지역의 강수수의 산도에 관한 예비 연구. 기상학보, 1981(4), 10~21쪽. 장창밍, 코크스화 공정에서 발생하는 폐수의 정화 및 재사용 기술에 관한 연구. 환경공학, 1999, 17(1): 16~19쪽. 류준펑, 이핑귀, 여과-수지 흡착법을 이용한 코크스화 공정에서 발생하는 폐수 처리에 관한 연구. 석탄화학공업, 2000, 5(2): 59~62쪽. 황련동, 하창빈, 미세한 코크스 찌꺼기가 폐수 내의 페놀을 흡착하는 현상에 관한 연구. 상탄광업대학 학보, 2000, 5(2): 63~66쪽. 금속공업부 건축연구총원과 베이징 국위다 환경보호회사, 연도가스 처리를 통한 코크스화 공정에서 발생하는 잔여 암모니아수나 모든 폐수를 처리하는 방법.국가특허. 98101337.6.1998—04—08 장옌리, 리샤오링, 손재남, 코크스 제조 과정에서 발생하는 폐수 처리에 있어서의 MBR 공정의 활용. 흑룡강 환경통보, 2009.(1): 72–74. 리지링, 딩유, 폐수 처리를 위한 생물류동층 반응기의 활용에 관한 연구. 산업수처리, 2008, 28(1): 18–21. 왕시안궈, 코크스 제조 과정에서 발생하는 폐수 처리에 있어서의 A/O 탈질 기술의 활용. 광저우화공, 2009, 37(1): 127–129. I, Vdazquez, Rodriguez J., Maranon E., 코크스 제조 과정에서 발생하는 폐수로부터 페놀, 암모늄, 시아나이드를 동시에 제거하는 방법.