터널폐수 처리를 위한 응집-혼화공정의 최적화
Application of the factorial design of experiments and response surface methodology to optimize performance of a coagulation-flocculation process for tunnel wastewater treatment
...
터널폐수 처리를 위한 응집-혼화공정의 최적화
Application of the factorial design of experiments and response surface methodology to optimize performance of a coagulation-flocculation process for tunnel wastewater treatment
토목공학과 정 세 욱
지 도 교 수 김 영 모
최근에 수질 환경보전법 등의 관계 법령이 강화되어 건설현장에서 발생되는 폐수가 엄격히 관리되고 있으며, 건설현장에서 발생하는 비점오염원 관리를 위해 사업 대상 지역에 대한 오염방지시설 설치가 의무화되고 있다. 또한 건설현장 인근 지역 하천의 탁수에 의한 환경오염문제로 인하여 민원 등의 분쟁이 지속적으로 발생되고 있어 건설현장에서 발생되는 굴착 폐수의 적절한 처리가 요구되고 있다.
본 연구에 사용된 폐수는 해저터널공사 현장에서 발생하는 터널폐수로, 건설현장이 해안에 인접한 위치적 특성으로 지하수내에 해수 유입이 발생되어 염분농도가 15 ‰가량 검출되었으며 터널공사 특성상 야외에 노출되어 계절 변화에 따라 수온 변화가 뚜렷하게 나타났다. 또한 유기물 함유량이 적어 생화학적 산소 요구량 (biochemical oxygen demand, BOD) 및 화학적 산소요구량 (chemical oxygen demand, COD)의 농도는 낮게 검출된 반면 탁도와 부유물질 농도 (total suspended solids, TSS)는 매우 높은 특징을 가지고 있었다. 이러한 터널폐수는 주로 응집-침전 공정으로 처리되고 있지만, TSS 농도가 대단히 높고, 수온 변화, 염분 함유 등의 장애요인으로 방류수 기준 이하로 처리하는 데 어려움이 발생되어 왔다. 더욱이 무기 응집제인 황산알루미늄, 염화 제1,2철 등이 일반적으로 응집공정에 사용되고 있으나, 원수의 특성과 응집제의 특성에 맞는 적절한 사용기준 자료를 찾기가 어려운 실정이었다. 따라서 응집-침전 공정을 이용한 터널폐수의 제거에 영향을 미치는 주요 요인들을 분석하여 최적 응집제를 결정하고 이에 따른 반응 조건의 최적화를 구현하여 응집-침전 공정의 안정적인 방류수 수질을 확보하고자 하였다. 이를 위하여 공정 효율에 영향을 미치는 환경요인으로는 응집제 (황산알루미늄(Alum), 염화 제2철(FeCl3) 농도, 응집 보조제 농도 (수산화나트륨(NaOH)), 온도, 염분농도를 선정하였으며, 이에 따른 반응변수로는 처리수 탁도, 침전용량 (sludge volume, SV), CODMn로 두어 요인배치법 (factorial design)과 반응표면분석법 (response surface methodology, RSM)을 적용하여 영향을 미치는 인자에 대한 통계학적 해석 및 최적화 실험을 수행하였다.
요인배치법을 통해 환경 요인 변화에 따른 두 응집제(alum, FeCl3)의 성능을 비교한 결과, 폐수 내 염분 농도가 증가하는 환경변화에 따라 alum을 주입한 응집-침전 공정의 경우 염분에 의해 플록의 결합강도가 저하되어 플록(floc) 성장이 방해를 받아 처리수 내 탁도가 증가되었다. 이와 달리 FeCl3을 주입한 경우에는 탁도 처리에 대한 염분 농도의 영향이 미미하게 나타났다. 응집보조제, NaOH 농도를 늘려본 결과 FeCl3을 주입된 응집-침전 공정의 처리수 내 탁도는 크게 감소되었으나, alum이 주입된 공정의 경우에는 그 영향이 미미하였다. 응집 반응 후 침전 공정을 통해 발생하는 반응변수, 슬러지 부피(SV)의 경우 alum 응집제와 응집 보조제 농도에 비례하여 증가되었으나 FeCl3이 주입된 처리공정에서는 온도와 염분 농도 증가로 SV 수치가 증가되었다.
요인배치법을 이용하여 환경요인 변화에 따른 두 응집-침전 공정을 비교하였을 때 alum을 응집제로 사용 시 처리효율은 응집제 농도가 높을수록, 염분농도는 낮을수록 탁도에 대한 처리효율이 높아졌다. 반면, FeCl3의 경우 염분농도에 대한 영향은 거의 나타나지 않았지만 응집보조제 농도가 높을수록 탁도에 대한 높은 처리효율을 보여주었다. 따라서 환경적인 요인을 고려하였을 때 염분농도의 영향을 거의 받지 않는 FeCl3을 본 터널폐수의 효과적인 제거를 위한 응집제로 사용하는 것이 더욱 적합하다고 판단되었다.
앞선 요인배치법 실험을 통해서 선정된 FeCl3 응집-침전 공정의 최적화를 수행하기 위해 RSM 기법을 이용하였다. 처리 조건 환경 요인으로는 터널공사 현장의 수온 변화(5-27 ℃)와 해수 침투율에 따른 염분농도(0-20 ‰)를 고려하여 FeCl3 응집제의 최적 주입량을 도출하였으며, 이에 따른 응집 보조제 주입량 역시 고려되었다.
봄·가을철(15 ℃)일 때 염분농도가 낮을 경우(0 ‰) 응집제 및 응집 보조제 주입량은 각각 40.46 mg/L, 221.18 mg/L으로 최적값이 도출되었다. 그러나 염분농도가 증가될 경우(20 ‰) 각각의 최적 주입량은 22.52 mg/L, 234.81 mg/L로 변동되면서 FeCl3 최적주입 농도는 감소되고 NaOH 응집보조제 농도는 증가되었다. 터널폐수 내 평균적인 염분 농도(15 ‰)를 고려하였을 때는 겨울철 (5 ℃)인 경우 응집제와 응집 보조제의 최적 주입량은 각각 25.86 mg/L, 237.06 mg/L로 도출되었으며, 여름철(27 ℃)인 경우 응집제와 응집 보조제의 최적 주입량은 48.9 mg/L, 231.77 mg/L로 FeCl3 최적주입 농도는 증가하고 NaOH 응집보조제 농도는 감소되었다.
여름철에는 응집제의 용해도가 높아져 응집제 주입량이 많아질수록 응집현상이 잘 이루어져 응집제 최적 주입량이 증가된 반면, 폐수 내 염분농도가 증가할 때는 염분이 플록 간의 결합을 방해하여 처리수 내 탁도를 증가시켜 최적 응집제 주입량 농도는 감소되어야 했다. 응집제와 응집보조제 주입량 증가는 탁도 제거 향상에 효과를 보였으나 발생하는 슬러지 량(SV) 증가와 수중에 용해되는 두 화합물의 이온성 물질 농도 증가로 처리수 내 CODMn 수치 증가에 기여하였다. 이처럼 터널 폐수를 제거하기 위한 응집-침전 공정에서 종합적으로 탁도, SV, CODMn의 최소 값을 동시에 도출 하는 응집제와 응집보조제의 최적 주입량은 주변 환경인자(염분, 농도, 응집제/응집보조제 주입량)변화에 따라 다르게 도출되었다.
터널폐수 처리를 위한 응집-혼화공정의 최적화
Application of the factorial design of experiments and response surface methodology to optimize performance of a coagulation-flocculation process for tunnel wastewater treatment
토목공학과 정 세 욱
지 도 교 수 김 영 모
최근에 수질 환경보전법 등의 관계 법령이 강화되어 건설현장에서 발생되는 폐수가 엄격히 관리되고 있으며, 건설현장에서 발생하는 비점오염원 관리를 위해 사업 대상 지역에 대한 오염방지시설 설치가 의무화되고 있다. 또한 건설현장 인근 지역 하천의 탁수에 의한 환경오염문제로 인하여 민원 등의 분쟁이 지속적으로 발생되고 있어 건설현장에서 발생되는 굴착 폐수의 적절한 처리가 요구되고 있다.
본 연구에 사용된 폐수는 해저터널공사 현장에서 발생하는 터널폐수로, 건설현장이 해안에 인접한 위치적 특성으로 지하수내에 해수 유입이 발생되어 염분농도가 15 ‰가량 검출되었으며 터널공사 특성상 야외에 노출되어 계절 변화에 따라 수온 변화가 뚜렷하게 나타났다. 또한 유기물 함유량이 적어 생화학적 산소 요구량 (biochemical oxygen demand, BOD) 및 화학적 산소요구량 (chemical oxygen demand, COD)의 농도는 낮게 검출된 반면 탁도와 부유물질 농도 (total suspended solids, TSS)는 매우 높은 특징을 가지고 있었다. 이러한 터널폐수는 주로 응집-침전 공정으로 처리되고 있지만, TSS 농도가 대단히 높고, 수온 변화, 염분 함유 등의 장애요인으로 방류수 기준 이하로 처리하는 데 어려움이 발생되어 왔다. 더욱이 무기 응집제인 황산알루미늄, 염화 제1,2철 등이 일반적으로 응집공정에 사용되고 있으나, 원수의 특성과 응집제의 특성에 맞는 적절한 사용기준 자료를 찾기가 어려운 실정이었다. 따라서 응집-침전 공정을 이용한 터널폐수의 제거에 영향을 미치는 주요 요인들을 분석하여 최적 응집제를 결정하고 이에 따른 반응 조건의 최적화를 구현하여 응집-침전 공정의 안정적인 방류수 수질을 확보하고자 하였다. 이를 위하여 공정 효율에 영향을 미치는 환경요인으로는 응집제 (황산알루미늄(Alum), 염화 제2철(FeCl3) 농도, 응집 보조제 농도 (수산화나트륨(NaOH)), 온도, 염분농도를 선정하였으며, 이에 따른 반응변수로는 처리수 탁도, 침전용량 (sludge volume, SV), CODMn로 두어 요인배치법 (factorial design)과 반응표면분석법 (response surface methodology, RSM)을 적용하여 영향을 미치는 인자에 대한 통계학적 해석 및 최적화 실험을 수행하였다.
요인배치법을 통해 환경 요인 변화에 따른 두 응집제(alum, FeCl3)의 성능을 비교한 결과, 폐수 내 염분 농도가 증가하는 환경변화에 따라 alum을 주입한 응집-침전 공정의 경우 염분에 의해 플록의 결합강도가 저하되어 플록(floc) 성장이 방해를 받아 처리수 내 탁도가 증가되었다. 이와 달리 FeCl3을 주입한 경우에는 탁도 처리에 대한 염분 농도의 영향이 미미하게 나타났다. 응집보조제, NaOH 농도를 늘려본 결과 FeCl3을 주입된 응집-침전 공정의 처리수 내 탁도는 크게 감소되었으나, alum이 주입된 공정의 경우에는 그 영향이 미미하였다. 응집 반응 후 침전 공정을 통해 발생하는 반응변수, 슬러지 부피(SV)의 경우 alum 응집제와 응집 보조제 농도에 비례하여 증가되었으나 FeCl3이 주입된 처리공정에서는 온도와 염분 농도 증가로 SV 수치가 증가되었다.
요인배치법을 이용하여 환경요인 변화에 따른 두 응집-침전 공정을 비교하였을 때 alum을 응집제로 사용 시 처리효율은 응집제 농도가 높을수록, 염분농도는 낮을수록 탁도에 대한 처리효율이 높아졌다. 반면, FeCl3의 경우 염분농도에 대한 영향은 거의 나타나지 않았지만 응집보조제 농도가 높을수록 탁도에 대한 높은 처리효율을 보여주었다. 따라서 환경적인 요인을 고려하였을 때 염분농도의 영향을 거의 받지 않는 FeCl3을 본 터널폐수의 효과적인 제거를 위한 응집제로 사용하는 것이 더욱 적합하다고 판단되었다.
앞선 요인배치법 실험을 통해서 선정된 FeCl3 응집-침전 공정의 최적화를 수행하기 위해 RSM 기법을 이용하였다. 처리 조건 환경 요인으로는 터널공사 현장의 수온 변화(5-27 ℃)와 해수 침투율에 따른 염분농도(0-20 ‰)를 고려하여 FeCl3 응집제의 최적 주입량을 도출하였으며, 이에 따른 응집 보조제 주입량 역시 고려되었다.
봄·가을철(15 ℃)일 때 염분농도가 낮을 경우(0 ‰) 응집제 및 응집 보조제 주입량은 각각 40.46 mg/L, 221.18 mg/L으로 최적값이 도출되었다. 그러나 염분농도가 증가될 경우(20 ‰) 각각의 최적 주입량은 22.52 mg/L, 234.81 mg/L로 변동되면서 FeCl3 최적주입 농도는 감소되고 NaOH 응집보조제 농도는 증가되었다. 터널폐수 내 평균적인 염분 농도(15 ‰)를 고려하였을 때는 겨울철 (5 ℃)인 경우 응집제와 응집 보조제의 최적 주입량은 각각 25.86 mg/L, 237.06 mg/L로 도출되었으며, 여름철(27 ℃)인 경우 응집제와 응집 보조제의 최적 주입량은 48.9 mg/L, 231.77 mg/L로 FeCl3 최적주입 농도는 증가하고 NaOH 응집보조제 농도는 감소되었다.
여름철에는 응집제의 용해도가 높아져 응집제 주입량이 많아질수록 응집현상이 잘 이루어져 응집제 최적 주입량이 증가된 반면, 폐수 내 염분농도가 증가할 때는 염분이 플록 간의 결합을 방해하여 처리수 내 탁도를 증가시켜 최적 응집제 주입량 농도는 감소되어야 했다. 응집제와 응집보조제 주입량 증가는 탁도 제거 향상에 효과를 보였으나 발생하는 슬러지 량(SV) 증가와 수중에 용해되는 두 화합물의 이온성 물질 농도 증가로 처리수 내 CODMn 수치 증가에 기여하였다. 이처럼 터널 폐수를 제거하기 위한 응집-침전 공정에서 종합적으로 탁도, SV, CODMn의 최소 값을 동시에 도출 하는 응집제와 응집보조제의 최적 주입량은 주변 환경인자(염분, 농도, 응집제/응집보조제 주입량)변화에 따라 다르게 도출되었다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.