인 제거 효율을 높이는 RSWT 적용법

총인(T-P)은 부영양화의 주범입니다. 하천과 호소에 인이 과다 유입되면 녹조와 적조가 발생하고, 수생태계가 파괴됩니다. 2025년부터 총인 배출기준이 대폭 강화되면서(청정지역 8ppm → 5.6ppm), 효과적인 인 제거 기술에 대한 수요가 급증하고 있습니다. 패각 재활용 폐수처리 기술은 불소뿐 아니라 인 제거에도 탁월한 효과를 보이며, 적절한 적용 방법을 통해 90% 이상의 제거율을 달성할 수 있습니다.

인 오염, 왜 심각한가

총인 1mg/L만 유입되어도 조류가 폭발적으로 증식할 수 있습니다.
환경부 통계에 따르면 2024년 국내 주요 하천과 호소의 총인 농도는 평균 0.08~0.15mg/L로, 부영양화 기준(0.1mg/L)을 초과하는 지점이 전체의 42%에 달합니다.

산업 폐수의 총인 배출량은 연간 약 1,200톤으로 추정되며, 주요 발생원은 식품가공(35%), 화학공장(28%), 전자부품(18%), 도금(12%), 기타(7%)입니다. 특히 식품가공 폐수는 인 농도가 20~80ppm으로 매우 높아 처리 난이도가 큽니다.

2025년 강화된 배출기준(청정지역 5.6ppm, 가지역 8ppm)과 2027년 예정된 추가 강화(4ppm 이하)를 고려하면, 기존 응집침전법만으로는 안정적 달성이 어렵습니다.

패각 칼슘의 인 제거 메커니즘

패각(CaCO₃)은 인산염(PO₄³⁻)과 반응하여 인산칼슘(Ca₃(PO₄)₂) 침전을 형성합니다. 이 과정은 3단계로 진행됩니다.

1단계: 칼슘 이온 용출
CaCO₃ + 2H⁺ → Ca²⁺ + H₂O + CO₂↑
패각이 폐수 중 약산성 조건에서 서서히 용해되며 칼슘 이온을 방출합니다. 다공성 구조로 인해 표면적이 넓어 용출 속도가 빠릅니다.

2단계: 인산칼슘 형성
3Ca²⁺ + 2PO₄³⁻ → Ca₃(PO₄)₂↓
용출된 칼슘 이온이 인산 이온과 결합하여 불용성 인산칼슘을 형성합니다. 용해도곱 상수(Ksp)가 2×10⁻²⁹로 매우 낮아 침전이 안정적으로 형성됩니다.

3단계: 침전 제거
형성된 인산칼슘은 비중이 크고(2.8~3.2) 입자가 균일하여 침강이 빠릅니다. 일반적인 침전 시간은 30~60분이며, 슬러지는 탈수가 잘 되어 함수율 50% 이하를 유지합니다.

국내 연구에 따르면, 소성 처리된 패각(600°C, 6시간)은 인 제거율이 최대 96.8%에 달하며, 흡착 용량은 약 45mg P/g으로 일반 소석회 대비 2.5배 높습니다.

최적 pH는 7~9

인 제거 효율은 pH에 크게 영향을 받습니다. pH 7~9 범위에서 제거율이 85~95%로 가장 높으며, 이 구간에서는 인산 이온(PO₄³⁻)이 우세하게 존재하고 칼슘과의 반응성이 최대가 됩니다.

pH 6 이하: 칼슘 용출은 활발하나 인산이 H₂PO₄⁻ 형태로 존재하여 침전 형성이 약함. 제거율 60~70%.

pH 7~9 (최적): 인산 이온 형태가 PO₄³⁻와 HPO₄²⁻로 균형을 이루며 Ca₃(PO₄)₂와 CaHPO₄ 침전이 모두 안정적으로 형성. 제거율 85~95%.

pH 10 이상: 칼슘이 수산화칼슘으로 소비되어 인과의 반응이 감소. 제거율 70~75%.

패각 처리제의 장점은 pH를 자동으로 7.5~8.5 범위로 유지하는 완충 작용을 한다는 점입니다. 별도의 pH 조절제가 불필요하며, 기존 소석회 방식의 pH 급상승 문제를 해결합니다.

5가지 효율 향상 요인

① pH 조절 (목표: 7.5~8.5)

유입 폐수 pH가 6 이하거나 9 이상이면 사전 조정이 필요합니다. 산성 폐수는 소량의 소다회(Na₂CO₃), 알칼리 폐수는 소량의 황산으로 조절합니다. 패각 투입 후에는 자동 완충되므로 추가 조정이 불필요합니다.

② 반응 시간 (최적: 60~90분)

칼슘 용출과 인산염 침전 형성에는 충분한 시간이 필요합니다. 30분 이하에서는 제거율이 75% 수준에 그치고, 60~90분에서 90% 이상을 달성합니다. 120분 이상으로 연장해도 추가 개선 효과는 미미합니다.

③ 칼슘 농도 (몰비 Ca:P = 2:1 이상)

이론적으로 Ca₃(PO₄)₂ 형성에는 Ca:P 몰비 1.5:1이 필요하나, 실제로는 과잉 투입(2~2.5:1)이 유리합니다. 인 농도 10ppm 기준 패각 처리제 약 40~60mg/L 투입이 적정합니다.

④ 교반 강도 (회전수: 80~120 rpm)

적절한 교반은 칼슘 용출을 촉진하고 침전 입자의 응집을 돕습니다. 너무 강하면(150rpm 이상) 생성된 침전이 파쇄되어 재부유하고, 너무 약하면(50rpm 이하) 반응이 느려집니다.

⑤ 온도 관리 (최적: 20~30°C)

온도가 높을수록 반응 속도가 빨라지나, 35°C 이상에서는 침전의 결정 구조가 불안정해져 오히려 효율이 떨어집니다. 겨울철(10°C 이하)에는 반응 시간을 90~120분으로 연장합니다.

불소+인 동시 제거의 시너지

패각 처리제의 가장 큰 장점은 불소와 인을 동시에 제거할 수 있다는 점입니다. 두 오염물질이 공존하는 폐수에서 시너지 효과가 발생합니다.

단독 처리 대비 효율 향상

• 불소 단독: 제거율 98%
• 인 단독: 제거율 88%
• 불소+인 동시: 불소 99.2%, 인 92% (각각 1.2%p, 4%p 향상)

시너지 메커니즘
불화칼슘(CaF₂)과 인산칼슘(Ca₃(PO₄)₂) 침전이 동시에 형성되면서 상호 응집을 촉진합니다. 침전 입자가 커지고 침강 속도가 빨라져(30분 → 20분) 처리 시간이 단축됩니다.

경제성 개선
약품 투입량이 단순 합산 대비 25~30% 감소합니다. 예를 들어, 불소 처리에 50mg/L, 인 처리에 40mg/L가 필요한 경우, 동시 처리 시 70mg/L로 충분합니다.

충남 당진의 R식품공장(일일 120톤)은 불소 150ppm, 인 35ppm의 복합 폐수를 처리하며, 동시 제거 방식으로 연간 약 4,200만 원을 절감했습니다.

실제 적용 사례: S식품가공

경기도 이천의 S식품가공(일일 폐수 100톤)은 두부·유제품 생산 과정에서 발생하는 고농도 인 폐수(평균 28ppm)를 처리합니다.

도입 전 (소석회 방식)

• 방류수 총인: 평균 12ppm (기준 8ppm 초과)
• 제거율: 약 57%
• 월 2~3회 배출기준 초과로 개선명령
• 약품비: 연 3,600만 원
• 슬러지: 일 1.8톤, 처리비 연 7,800만 원

도입 후 (패각 처리제 + 최적화)

• 방류수 총인: 평균 2.3ppm (기준 대비 여유)
• 제거율: 92%
• 6개월간 기준 초과 제로
• 약품비: 연 2,400만 원 (33% 절감)
• 슬러지: 일 0.9톤, 처리비 연 3,900만 원 (50% 절감)

최적화 적용 내역

• pH 자동 조절: 유입 pH 5.2 → 반응 후 7.8 안정화
• 반응 시간: 기존 30분 → 75분으로 연장
• 칼슘 농도: Ca:P 몰비 2.2:1 유지
• 교반 강도: 100rpm으로 표준화
• 온도: 겨울철 가온(15°C 이상 유지)

총 투자비 580만 원(pH 센서, 타이머, 가온장치)으로 연간 5,100만 원을 절감하며, 투자 회수 기간은 41일입니다.

4단계 최적화 실행 가이드

1단계: 현황 측정 (1주)

• 유입 폐수의 인 농도, pH, 유량 측정
• 기존 처리 방식의 제거율과 방류수 농도 파악
• 약품비, 슬러지 처리비 등 운영 비용 산출
• 목표 설정: 배출기준 준수, 비용 절감 목표치

2단계: 조건 최적화 (2~4주)

• 패각 처리제 투입량 테스트(Ca:P 몰비 1.5, 2.0, 2.5)
• 반응 시간 테스트(30, 60, 90, 120분)
• pH 범위 확인 및 조절 필요성 판단
• 교반 강도 조정(80, 100, 120rpm)
• 최적 조건 확정 및 표준 작업 절차 수립

3단계: 안정화 (4~8주)

• 확정된 조건으로 지속 운영
• 일일 수질 모니터링(유입·방류 총인, pH)
• 슬러지 발생량 및 탈수 효율 확인
• 계절별(온도) 변동 대응 방안 수립
• 운영자 교육 및 이상 대응 매뉴얼 작성

4단계: 지속 모니터링

• 주 1회 제거율 점검 및 데이터 기록
• 월 1회 약품 투입량 대비 성과 분석
• 분기별 비용 절감 효과 산출
• TMS 연계 시 실시간 자동 감시 구축
• 연 1회 전문가 진단으로 추가 개선점 도출

인 제거는 단순히 약품을 넣는 것이 아니라, 화학 반응의 원리를 이해하고 최적 조건을 찾아가는 과정입니다.
패각 처리제는 pH 자가조절, 동시 제거 시너지, 낮은 슬러지 발생 등의 장점으로 인 제거 효율을 획기적으로 높일 수 있는 검증된 솔루션입니다. 지금 4단계 가이드로 귀사의 인 제거 효율을 최적화해 보세요.