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문제 정의
- 본 연구는 유기물질로 인해 상수원이 계속 악화되고 있는 국내실정을 감안하여, 혼합응집제를 사용하여 자연수내에 존재하는 탁도물질과 THMs, HAAs 등의 전구물질인 용존유기물질 제거에 영향을 미치는 인자들을 평가함과 동시에 유기물질의 분자량분 포 특성을 고찰한 결과 연구로부터 도출된 결론은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 유기물질로 인해 상수원이 계속 악 화되고 있는 국내실정을 감안하여, 자연유기물질을 효과적으로 제거하기 위해 혼합응집제를 이용한 응 집공정의 영향인자를 평가하였고, 동시에 응집처리 시 용존유기물질의 분자량분포 변화를 고찰하였다.
제안 방법
- DOC는 시료를 0.45 ㎛ pore size의 PVDF (Polyvinylidene Fluoride) 여지로 여과한 후 Table 3와 같은 운전조건하에서 TOC analyzer(Shimadzu Model TOC 5000) 로 측정하였다.
- 침전시키기 때문에 제거 효율이 우수한 것으로 생각된다. 따라서, 혼합응집제 의 주입 방법 중 비 교우위에 있는 alum를 주입 한 다음 15초 후 ferric chloride를 주입한 F.C/Alum방법을 선정하여 이후 실험을 실시하였다.
- 5K MWC0), YM1C1K MWC0), YM3(3K MWCO), YMlOdOK MWCO), YM30C30K MWCO)이었다. 본 연구에서는 편의상 저분자량(1 K이하), 중분자량 (1~10 K), 고분자량(10 K이상)을 LMWCLow Molecular Weight), MMW (Medium Molecular Weight), HMW (High Molecular Weight) 로 표기하였다. 막의 직경은 62 mm이고, 표면적은 27 cm%] 다.
- 실험은 혼합응집제의 주입순서를 결정하기 위하여 황산알루미늄 (alum) 과 염화제2철 (ferric chloride, F.C) 을 3가지 방법으로 혼합 주입하였으며, 혼합응집 제 (F.C/Alum) 의 최적 주입 비 를 결정 하기 위하여 F.C/Alum비를 0에서 4까지 변화시키면서 응집실험을 수행하였다. 혼합응집제의 주입방법과 실험조건 은 Table.
- 막의 직경은 62 mm이고, 표면적은 27 cm%] 다. 여과방법은 한외여과셀 (UF cell) 에 시료를 넣고 불활성 순수질소를 이용하여 55 psi로 가압하였으며, 농도분극을 감소시 키 기 위해 전자식 교반기 (magne- tic stirrer)로 일정하게 교반하였다. 일정한 압력하에서 여과막을 통과한 시료는 산처리와 열처리를 한 vial로 채취하였다.
- C 1360-1440 kg/nU)와 응집에 의해서 생성된 floc의 침강속도와 밀접한 관계가 있는 것으로 사료 된다. 즉, 응집 력이 우수한 alum이 우선 수중의 현탁 물질을 응집시켜 미세 floc을 형성하고, 그 이후 분자 량이 크고 침강속도가 빠른 철염 응집제가 alum에 의해 생성된 미세floc을 응집 . 침전시키기 때문에 제거 효율이 우수한 것으로 생각된다.
대상 데이터
- Jar tester는 Hudson")의 연구에 사용했던 것과 같은 제원으로 너비 2 cm, 길이 8 cm인 사각 임펠러 가 설치되었으며, 11.5 cmxil.5 cmX21 cm의 총 용량 21인 4각 형상의 Jar를 사용하였다. Jar의 재질 은 내부 관찰을 위해 아크릴로 제작하였으며, 시료의 혼합효과를 높이기 위해 폭이 10 mm인 정류벽 (baffle)을 수직으로 Jar의 4벽면에 부착하였다.
- 본 실험 에서는 응집실험을 위해 Jar tester와 용존 유기물질의 분자량분포 측정을 위해 한외여과장치를 사용하였다.
- 본 실험 에서의 대상시료는 인공시료와 자연시료를 사용하였다. 인공 시료는 탁도 유발물질인 kaolin (Junsei Chemical, Japan) 과 humic acid (東京化學工 業株式會社, Japan)를 초순수에 혼합하여 조제하였으며, 알칼리도와 경도는 자연시료와 비슷한 조건에서 실험하기 위하여 각각 NaHCO3, MgCk .
- 본 연구에서 이용된 응집제는 무기응집제로서 고 체 황산알루미늄 (A12(SC>4)3 , 14H2O, 이하 alum이 라 칭 함)과 염화제2철 (FeCk 이하 F.C라 칭함)을 사 용하였으며, 각각의 응집제를 증류수에 녹여 1%의 표준용액 (10 以1)을 만들어서 사용하였다. 이 용액 1 mle 각각 10 mg A12(SO4)3 - 14H2O, 10 mg FeCls 을 포함하고 있으며, 무게비로 환산하면 0.
- 7压0을 사용하여 모두 50 mg CaCOM로 조정 하였다. 원수의 pH조절은 0.1 N NaOH와 0.1 N H2SO4 용액을 사용하였다. 자연시료는 한강수계인 영동대교 상류지점 의 상수원수로써 임의채취 (grab sampling)방법으로 채수하였으며, 수질특성은 Table 1과 같다.
- 본 실험 에서의 대상시료는 인공시료와 자연시료를 사용하였다. 인공 시료는 탁도 유발물질인 kaolin (Junsei Chemical, Japan) 과 humic acid (東京化學工 業株式會社, Japan)를 초순수에 혼합하여 조제하였으며, 알칼리도와 경도는 자연시료와 비슷한 조건에서 실험하기 위하여 각각 NaHCO3, MgCk . 7压0을 사용하여 모두 50 mg CaCOM로 조정 하였다.
- 여과방법은 한외여과셀 (UF cell) 에 시료를 넣고 불활성 순수질소를 이용하여 55 psi로 가압하였으며, 농도분극을 감소시 키 기 위해 전자식 교반기 (magne- tic stirrer)로 일정하게 교반하였다. 일정한 압력하에서 여과막을 통과한 시료는 산처리와 열처리를 한 vial로 채취하였다. 한외여과장치로 여과하기 전에 모든 시료는 부유물질에 의한 막의 손상을 최소화하기 위하여 0.
- 1 N H2SO4 용액을 사용하였다. 자연시료는 한강수계인 영동대교 상류지점 의 상수원수로써 임의채취 (grab sampling)방법으로 채수하였으며, 수질특성은 Table 1과 같다.
- 탁도는 탁도계 (HACH Model 2100AX 이용하여 측정하였다. UV254흡광도는 시료를 0.
성능/효과
- 30 mg/1의 혼합응집제 (F.C/Alum) 를 주입하여 유 기물질의 제거효율을 고려할 때 최적주입비는 1로 나 타났으며, 이때 몰비는 1.83 mM Fe3+/mM Al"이었 匸七 F.C/Alum비가 1에서 DOC와 탁도 제거가 가장 우수하였으며, 1이상으로 증가함에 따라 DOC와 탁 도 제거 효율은 감소하는 경향을 나타내었다.
- 1. 혼합응집제(F.C/Alum)의 최적주입비는 1(1.83 mM Fe3+/mM Ae) 이 었으며, 이때 DOC와 탁도의 제거율은 각각 46, 95%로 alum과 ferric chloride를 단독으로 주입한 경우보다 DOC는 8%, 탁도는 5.5% 정도 높은 제거율을 보였다.
- 2. 응집공정에서 alum과 ferric chloride의 혼합주 입방법에 따라 응집실험을 한 결과 alum을 주입한 다음 ferric chloride를 주입 한 F.C/Alum방법이 다른 방법에 비해 우수하였다.
- 3. pH8.5에서 DOC와 탁도의 최적응집제 주입량은 각각 50 mg/1, 40 mg/1이고, pH6.5에서 30 mg/1, 20 mg/1 로 pH8.5와 비교해서 응집제주입량이 2~3배 감소하였다.
- 3종류의 응집 제 모두 pH가 증가함에 따라 DOC제 거율은 점차 감소하였으나 탁도제거율은 오히려 증 가흐)는 경향을 보였다. 이는 용존유기물질이 탁도물 질에 비해서 높은 음전하를 띠고 있으므로 이들을 전 하중화하기 위해 응집제는 비교적 높은 양전하를 띠 어야 되고, 또한 용존유기물질의 음전하가 감소되기 위해서는 낮은 pH범위가 유리하기 때문인 것으로 생각된다.
- 3종류의 응집제 모두 온도 증가에 따라 유기물질 의 응집성능은 향상되는 경향을 보였다. 즉, pH7과 10, 20, 27.
- 3종류의 응집제를 10℃의 원수에 주입하였을 때 원수는 상당히 현탁되었으며, floc의 형성 유무도 즉 시 확인되지 않았다. 완속교반시에도 초기 급속교반 시 생성되었던 미세한 크기의 floc과 비슷하였다.
- 4. 20℃의 온도에서 pH가 증가함에 따라 DOC제거 율은 점차적으로 감소한 반면에 탁도제거율은 오히려 증가하였다.
- 5. 한강원수의 분자량 분포별 DOC는 저분자량(<1 K이하) 이 59.7%, 중 . 고분자량(1 ~30 K) 이 40.
- PH8.5에서 DOC와 탁도 제거를 위한 최적응집제 주입량은 각각 50 mg/1, 40 mg/1 이었고, pH6.5에서 30 mg/1, 20 mg/1 로 pH8.5와 비교해서 응집제주입량 이 2~3배 감소하였다. 최적응집제 주입량보다 많이 주입하면 오히려 유기물질 제거율은 낮아졌다.
- C/Alum)를 주입 한 경우 alum과 ferric chloride를 단독으로 주입 한 경우에 비해 DOC제거율은 2~6%, 탁도제거율은 1~4%정도 우수하였다. pH8.5(자연수)에서 혼합응 집 제 (F.C/Akim) 를 주입 한 경우에 alum과 ferric chloride를 단독으로 주입한 경우보다 DOC제거율은 9-10%, 탁도제거율은 2~4%정도 우수하였다.
- pH을 6.5로 조정한 후 혼합응집제(F.C/Alum)를 주입 한 경우 alum과 ferric chloride를 단독으로 주입 한 경우에 비해 DOC제거율은 2~6%, 탁도제거율은 1~4%정도 우수하였다. pH8.
- 자연유기물질을 제거하기 위한 공정으로는 향상응 집 (enhanced coagulation), 활성 탄 흡착, 오존+생물 처리, 막분리 등이 있다.对)용존유기물질은 응집 제와 물리화학적으로 결합하여 제거될 수 있으나 기존의 정수처리공정에서는 제대로 제거되지 않는다.7)미국 연방환경 청 (USEPA) 에서는 소독 및 소독부산물법 (D/DBPs) 의하여 강화되고 있는 음용수 수질기준에 충족시킬 수 있도록 기존의 응집공정에서 소독부산 물의 전구물질인 용존유기물질을 제거하도록 하는 향상응집에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
- 3% 로 저분자량이 높게 분포하였다. 응집 전·후 유기물 질의 분자량분포를 고찰한 결과, pH를 6으로 조절한 경우 저분자량과 중 , 고분자량의 DOC제거율은 각각 27-35%, 62~74%으로 저분자량은 응집 . 침전에 의해 잘 제거되지 않음을 확인하였다.
- 3종류의 응집제 모두 온도 증가에 따라 유기물질 의 응집성능은 향상되는 경향을 보였다. 즉, pH7과 10, 20, 27.5℃의 조건에서 30 mg/1의 혼합응집제 (F.C/Alim)를 주입시 DOC는 2.44, 2.01, 1.98 mg/L 이었고, 탁도는 1.25, 0.61, 0.6 NTU를 나타내었다. 이러한 결과는 수온이 증가함에 따라 알루미늄과 철 의 용해도가 증가하기 때문인 것으로 생각된다.
- 5와 비교해서 응집제주입량 이 2~3배 감소하였다. 최적응집제 주입량보다 많이 주입하면 오히려 유기물질 제거율은 낮아졌다. 이러한 이유는 양전하을 띤 응집 제에 의해 음전하를 띤 유 기물질의 표면전하가 중화되어 입자간의 인력이 발 생되므로 결과적으로 응집이 효과적으로 일어나지 만, 응집제를 과도하게 주입하면 양전하(AF+, A1(OH)2+, Fe3+, Fe(OH)2+) 를 띤 응집종의 수가 증 가하여 입자표면의 임계제타포텐셜이 양의 전하를 띠게 되어 오히려 입자간의 반발력이 유도되므로 응 집효율이 감소한 것으로 판단된다.
- 응집 전·후 유기물 질의 분자량분포를 고찰한 결과, pH를 6으로 조절한 경우 저분자량과 중 , 고분자량의 DOC제거율은 각각 27-35%, 62~74%으로 저분자량은 응집 . 침전에 의해 잘 제거되지 않음을 확인하였다.
- 혼합응집 제의 최 적주입 비 가 1일 때 D0C와 탁도의 제거율은 각각 46, 95%로 alum를 단독으로 주입한 경우보다 각각 8, 5.5%정도 우수하였다. 이는 Fe겨] 응집제의 경우에는 응집 pH의 영역이 넓고 분자량이 크므로 침전속도가 빠르고, , 이계 응집제는 응집력이 우수하므로 Al-Fe계 혼합응집제를 사용할 경우에 두 응집제의 장점을 모두 살릴 수 있어 시너지효과를 나타낸 것으로 판단된다.
- 혼합응집제 Alum/F.C, F.C/Alum, Alum+F.C에 의한 DOC와 탁도의 제거율은 각각 39.5, 44.5, 41.5% 와 91.5, 95.4, 93.5%로 응집제의 주입순서에 따른 유기물질의 제거율은 그다지 큰 차이가 없었다. 단지 시차를 두어 주입 (F.
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