[논문 리뷰] Efficient and Sustainable Treatment of Tannery Wastewater by a Sequential Electrocoagulation-UV Photolytic Process

Sameh Jallouli, Ahmed Wali외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 07.

Dye analysis and toxicity인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 고강도 가죽 제조 폐수를 효율적이고 지속 가능하게 처리하기 위해 순차적 전기응집(EC) 후 자외선(UV) 광분해를 제안한다. 병합 공정은 화학적 산소 요구량(COD)을 94.1% 감소시켜 1000 mg/L 배출 기준 이하인 428.7 mg/L로 낮추었으며, 식물 독성도 감소시키고 중간 수준의 에너지 소비(314.28 kWh/m³)로 확장 가능함을 입증하였다.

ABSTRACT

Tannery wastewater contains large amounts of pollutants that, if directly discharged into ecosystems, can generate an environmental hazard. The present investigation has focused the attention to the remediation of wastewater originated from tanned leather in Tunisia. The analysis revealed wastewater with a high level of chemical oxygen demand (COD) of 7376 mgO2/L. The performance in reduction of COD, via electrocoagulation (EC) or UV photolysis or, finally, operating electrocoagulation and photolysis in sequence was examined. The effect of voltage and reaction time on COD reduction, as well as the phytotoxicity were determined. Treated effluents were analysed by UV spectroscopy, extracting the organic components with solvents differing in polarity. A sequential EC and UV treatment of the tannery wastewater has been proven effective in the reduction of COD. These treatments combined afforded 94.1 % of COD reduction, whereas the single EC and UV treatments afforded respectively 85.7 and 55.9 %. The final COD value of 428.7 mg/L was found largely below the limit of 1000 mg/L for admission of wastewater in public sewerage network. Germination tests of Hordeum Vulgare seeds indicated reduced toxicity for the remediated water. Energy consumptions of 33.33 kWh/m3 and 314.28 kWh/m3 were determined for the EC process and for the same followed by UV treatment. Both those technologies are yet available and ready for scale-up.

연구 동기 및 목표

• 고화학적 산소 요구량(COD)이 높은 가죽 제조 폐수에 의한 환경적 위험을 해결하기 위해.
• 전기응집(EC), 자외선 광분해, 그리고 그 순차적 조합의 COD 감소 효과를 평가하기 위해.
• 호르두스 볼가레( Hordeum vulgare ) 발아 시험을 통해 처리된 배출수의 식물 독성을 평가하기 위해.
• 순차적 EC-UV 공정의 에너지 소비 및 확장 가능성 평가하기 위해.
• 자외선 스펙트로스코피 및 극성에 따른 용매 추출을 통해 처리된 폐수 내 유기 성분을 규명하기 위해.

제안 방법

• 콜로이드성 및 용해성 오염물질을 불안정화하기 위해 다양한 전압과 반응 시간에서 알루미늄 전극를 사용한 전기응집(EC)을 적용하기 위해.
• 내성 유기 화합물을 분해하고 COD 제거를 향상시키기 위해 EC 후 자외선 광분해(254 nm)를 시행하기 위해.
• 처리 전후의 유기 성분 변화를 특성화하기 위해 자외선-가시광선 스펙트로스코피를 사용하기 위해.
• 오염물의 변환을 평가하기 위해 극성이 다른 용매(예: 헥세인, 에틸 아세트산, 메탄올)를 사용해 유기 성분을 추출하기 위해.
• EC 및 EC-UV 순차 공정의 COD 감소 효율성과 에너지 소비(kWh/m³)를 측정하기 위해.
• 처리된 배출수의 식물 독성을 평가하기 위해 호르두스 볼가레( Hordeum vulgare ) 종자에 대한 발아 시험을 시행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가죽 제조 폐수에 대한 전기응집(EC), 자외선 광분해, 그리고 그 순차적 조합의 COD 감소 효율은 어떻게 되는가?
• RQ2 순차적 EC-UV 공정은 처리된 배출수의 식물 독성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 EC 및 EC-UV 공정의 에너지 소비는 얼마이며, 이 시스템은 확장 가능한가?
• RQ4 처리 후 폐수 내 유기 성분은 조성과 극성 측면에서 어떻게 변화하는가?
• RQ5 순차적 EC-UV 공정은 공공 하수도 배출 기준인 1000 mg/L 이하의 COD 수준을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 순차적 EC-UV 공정은 COD를 94.1% 감소시켜 7376 mgO2/L에서 428.7 mgO2/L로 낮췄다.
• 단일 EC 처리로는 COD가 85.7% 감소하였고, 자외선 광분해 단독으로는 55.9% 감소하였다.
• 최종 COD 농도인 428.7 mgO2/L는 공공 하수도에 배출 가능한 1000 mg/L 이하의 기준을 크게 충족한다.
• 식물 독성 시험 결과, EC-UV 처리된 배출수에서 독성이 감소한 것으로 나타났으며, 이는 호르두스 볼가레 종자 발아율 향상으로 확인되었다.
• 에너지 소비는 EC 공정 시 33.33 kWh/m³, EC-UV 병합 공정 시 314.28 kWh/m³로 중간 수준의 에너지 요구량을 보였다.
• 자외선 스펙트로스코피 및 용매 추출 결과, 특히 복잡하고 고분자량의 유기 화합물의 분해가 뚜렷하게 관찰되었다.