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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 침전지에서의 방류수의 수질을 높이고 기존 탈수기의 성능을 한층 더 up-grade 시킬 수 있는 이론적인 방안의 마련에 중점을 두고자 탈수기에 투입되는 슬러지 플럭의 농도를 균일하게 유지하고 PAC를 사용할 경우 응집침전에 의한 침강특성 등의 영향으로 농축조 등에서 응집침전 효율의 최적화 조건 등에 미치는 영향4)을 JAR-test 및 침강 column 등을 이용하여 유기폐수 및 하수슬러지를 대상으로 실험하였다.
제안 방법
- 실험실에 설치된 활성슬러지 포기조에서 MLSS를 채취한 뒤 JAR Test를 실시하여 최적의 응집제 투여 농도를 결정하였고, 그 결과를 적용하여 실린더형 중력식 침강칼럼에서 침강속도를 측정하였다. 또한 MLSS 농도별 테스트를 수행하기 위하여 슬러지를 침전조 상등수로 일정 비율 (V/V)로 희석하여 실험을 하였다.
- 3]에서 나타낸 직선구간만을 대상으로 하여 구한 값을 투입량에 따른 침강속도의 변화로 나타내었다. 또한 인공 유기폐수 활성슬러지의 결과와 비교하기 위하여 경기도 K 하수처리장 슬러지를 대상으로 같은 방법에 따라 구한 침강속도를 그래프로 함께 나타내었다.
- 농축에 필요한 면적은 식 A=Qᆞtu / Ho에 의하여 구하고 flux를 계산하는데 필요한 농도와 속도는 그래프로부터 구한다. 시험방법은 PAC 투입농도 및 MLSS 농도별 슬러지 침강높이를 시간에 따라 측정하여 그래프로 그리고 각각의 그래프의 기울기를 구하여 간섭침전속도를 구한다. 각각의 농도에서의 간섭침전속도와의 곱이 flux로 계산된다.
- 71)를 사용하였다. 실험실에 설치된 활성슬러지 포기조에서 MLSS를 채취한 뒤 JAR Test를 실시하여 최적의 응집제 투여 농도를 결정하였고, 그 결과를 적용하여 실린더형 중력식 침강칼럼에서 침강속도를 측정하였다. 또한 MLSS 농도별 테스트를 수행하기 위하여 슬러지를 침전조 상등수로 일정 비율 (V/V)로 희석하여 실험을 하였다.
- 응집효율이 침강특성에 미치는 영향의 비교분석을 위하여 [Table 2]에는 PAC 투입량에 따른 CR(Clarification Rate)과 SV(Settling Velocity)를 슬러지 특성별로 비교분석하여 나타내었다.
- 1]에 나타낸 것처럼 교반장치가 부착된 실린더형 침강 column을 사용하였다. 이 실험은 중력식 침전조의 설계 시 침전에 필요한 면적을 결정하는 Talmage and Fitch가 개발한 방법6)으로 실린더형의 교반장치를 이용하여 [Fig. 1]에 나타낸 것처럼 침강곡선을 구한 뒤 각각에서의 접선을 그어 침전속도를 측정하고, 농도별 농축침전 시험을 수행하여 고형물 flux(SFg: kg/m2/hr)를 구한다. 농축에 필요한 면적은 식 A=Qᆞtu / Ho에 의하여 구하고 flux를 계산하는데 필요한 농도와 속도는 그래프로부터 구한다.
- 0%(v/v)로 희석하여 사용하였다. 최적의 응집제 투여량 결정을 위하여 Jar tester(YUYU SCIENTIFIC M.F.G.)에 500ml 용량의 비이커를 탑재하고 여기에 슬러지를 분취한 뒤 응집제를 각각 다르게 단계별로 투여한 다음 2분간 급속교반(200rpm) 후 15분간 완속교반(35rpm) 하고 20분간 침전시킨 후 상등액을 취해 pH 및 SS를 측정하였다.
- 4]에는 MLSS 농도변화에 의한 슬러지 응집침전 형태에 따른 간섭침강, 전이침강 및 압력침강의 단계별 계면침전 곡선 시험결과를 도식화하였다. 측정방법은 최적의 PAC 투여량 200mg/l를 고정적으로 투여하고 MLSS 농도를 변화시키면서 응집침강속도로 나타나는 침전형태별 변화를 측정하였다. x축에는 시간(min)을 분단위로 측정하여 나타내었고 y축에는 응집 슬러지 침강계면의 높이 비율(Ht/Ho)을 나타내었다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 슬러지는 유기폐수를 이용한 실험실 표준 활성슬러지 공정에서 채취한 것(SS Wt%:2.7, Mv/Mt: 0.67)과 경기도 K시의 하수종말처리장에서 채취한 하수 슬러지(SS Wt%: 3.1, Mv/Mt:0.71)를 사용하였다. 실험실에 설치된 활성슬러지 포기조에서 MLSS를 채취한 뒤 JAR Test를 실시하여 최적의 응집제 투여 농도를 결정하였고, 그 결과를 적용하여 실린더형 중력식 침강칼럼에서 침강속도를 측정하였다.
이론/모형
- CR은 슬러지 침강column 테스트에서 정화율(Ho-Hu)/Ho 식을 이용하여 구하였으며, SR은 [Fig. 3]에서 나타낸 그래프의 직선구간 만을 대상으로 슬러지 계면 침강속도를 구하였다.
성능/효과
- 6]에는 MLSS 농도변화에 따른 슬러지 침강계면 하강속도 변화를 유기폐수 및 하수처리장 슬러지를 대상으로 측정한 결과를 각각 그래프(a), (b)로 나타내었다. 그래프(a)로부터 MLSS 농도가 낮은 구간에서는 농도 증가에 따라 침강속도가 4.5×10-3/min 로부터 감소하여 MLSS농도가 1,000mg/l 일 때까지 1.09×10-3/min으로 감소한 뒤 이후 MLSS농도의 증가에 따라 침강속도도 증가하는 것으로 나타났다. 그래프(b)로부터도 침강속도는 13.
- 09×10-3/min으로 감소한 뒤 이후 MLSS농도의 증가에 따라 침강속도도 증가하는 것으로 나타났다. 그래프(b)로부터도 침강속도는 13.43×10-3/min으로부터 감소하여 MLSS가 1,115mg/l 일 때까지 3.19×10-3/min로 감소한 뒤 유기폐수 슬러지와 마찬가지로 증가하는 경향을 나타내었다. 따라서 1,000mg/l 이하의 MLSS농도에서는 슬러지 floc 입자들끼리의 충돌 및 간섭에 의한 영향으로 침강이 방해를 받으나(간섭침전 영역) 슬러지 농도가 1,000mg/l이상으로 증가하게 되면 상호작용에 의한 응집에 영향을 미쳐 오히려 floc 형성에 긍정적인 영향을 미치므로 슬러지 성상이 다를 경우 각각의 영향으로 침강속도는 차이를 보이지만, 침강 시 간섭-전이-압력의 과정을 거치는 계면침전의 형태에 따라 침강특성에는 유사성을 나타내고 있으므로10) 응집제 투여 시에도 MLSS 농도변화에 따른 영향을 고려해야 하는 것으로 나타났다.
- 1. JAR test 및 PAC 투여량에 따른 응집침강 column 시험결과 최적의 침강효율을 얻기 위한 최소의 응집제 투여농도는 200mg/L의 경우로 나타났으며. 200mg/L 이상으로 PAC가 투여될 경우 각각의 임계슬러지 영역의 크기에서는 큰 변화가 없는 것으로 나타났다.
- 2. MLSS농도가 높아질수록 슬러지 계면 침강속도는 감소하였으나 MLSS농도가 1,000mg/l 이상으로 증가하면 오히려 침강속도는 증가하는 것으로 나타났다. 이는 슬러지 농도가 1,000mg/l 이상으로 증가하게 되면, 기존 연구자들의 연구결과로 보고7,9)된 것처럼 압밀침전영역으로 전이되어 상호작용에 의한 응집에 영향을 미치게 됨으로써 오히려 floc 형성에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 판단된다.
- 3. 슬러지 응집계면의 침강속도는 PAC 투여농도가 160mg/l에 달할 때부터 증가하기 시작하여 200mg/l 이상으로 투입될 때부터 급격하게 증가하기 시작하였다. 유기폐수 활성슬러지의 평균 침강속도 4.
- 4. 유기성 폐수 활성슬러지는 PAC의 투여량이 200mg/l 이하일 때는 침강속도 증가율보다 CR의 증가율이 더 컸으나 200mg/l 이상일 때는 CR의 증가율보다 침강속도 증가율이 더 커졌음을 알 수 있었다. 그러나 하수슬러지의 경우는 PAC 투여량이 증가함에 따라 CR의 변화율에는 차이가 적었으나 침강속도는 200m/l 이상일 때 차이가 급격히 증가하였다.
- Jar-test 실험결과 응집제 투여량에 따른 상등수 내에 잔존하는 SS의 농도를 측정한 결과와 각각의 pH는 [Fig. 2]에 나타난 바와 같이 응집제 투여량 증가에 따라 SS제거율도 증가하여 상등수 내에 잔존하는 SS 농도가 감소하였으며 10㎖이상 투여 시 95%이상의 제거율을 나타내었다. 따라서 [Table 1]에 나타낸 결과와 같이 최적의 SS제거효율을 나타내는 최소투입량은 10ml 임을 알 수가 있었다.
- [Table 2]에 나타낸 결과로부터 유기성 폐수 활성슬러지는 PAC의 투여량이 200mg/l 이하일 때는 침강속도 증가율보다 CR의 증가율이 더 컸으나 200mg/l 이상일 때는 CR의 증가율보다 침강속도 증가율이 더 커졌음을 알 수 있었다. 그러나 하수슬러지의 경우는 PAC 투여량이 증가함에 따라 CR의 변화율에는 차이가 적었으나 침강속도는 200mg/l 이상일 때 차이가 급격히 증가하였다.
- 슬러지 응집계면의 침강속도는 PAC 투여농도가 160mg/l에 달할 때부터 증가하기 시작하여 200mg/l 이상으로 투입될 때부터 급격하게 증가하기 시작하였다. 각각의 경우 침강속도 증가경향은 모두 동일한 형태로 나타났으나 유기폐수 활성 슬러지의 평균 침강속도 4.25x10-3/min보다 하수처리장 슬러지의 평균 침강속도가 28.66×10-3/min로 6.7배 높은 것으로 나타났는데 이는 하수처리장 슬러지 floc의 성상이 더 coarse 하고 시험대상 슬러지의 MLSS 농도는 앞절 3.3에서 나타났듯이 1,000mg/l 이상으로 더 높아질수록 그 영향력이 급격히 증가하기 때문인 것으로 판단된다.
- 그래프로부터 최적의 계면침강, 전이침강 및 압밀침강의 각 단계를 명확히 나타내는 농도는 200mg/L이상인 경우임을 알 수 있었다. 이 경우 200mg/L 이상으로 PAC가 투여될 경우 각각의 임계슬러지 영역의 크기에서는 큰 변화가 없는 것으로 나타났다.
- 그러나 하수슬러지의 경우는 PAC 투여량이 증가함에 따라 CR의 변화율에는 차이가 적었으나 침강속도는 200m/l 이상일 때 차이가 급격히 증가하였다. 따라서 응집제 투여효과는 상등수의 SS제거율 효과보다는 MLSS의 침강속도에 더 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
- 4]에 나타낸 그래프로부터 MLSS 농도 차이와 상관관계 없이 응집 침전 슬러지는 측정시간 60분 이내에 한계슬러지 배출농도인 최저 침강 높이에 도달하는 것으로 나타났다. 또한 MLSS농도가 높아질수록 슬러지 계면 침강속도는 감소하였으나 MLSS농도가 1,000mg/l 이상으로 증가하면 오히려 침강속도는 증가하는 것으로 나타났다. 이는 1,000mg/l 이하의 MLSS농도에서는 슬러지 floc 입자들끼리의 충돌 및 간섭에 의한 영향으로 침강이 방해를 받으나(간섭침전 영역) 슬러지 농도가 1,000mg/l 이상으로 증가하게 되면 상호작용에 의한 응집에 영향을 미쳐 오히려 floc 형성에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 판단된다.
- 슬러지 응집계면의 침강속도는 PAC 투여농도가 160mg/l에 달할 때부터 증가하기 시작하여 200mg/l 이상으로 투입될 때부터 급격하게 증가하기 시작하였다. 유기폐수 활성슬러지의 평균 침강속도 4.25×10-3/min보다 하수처리장 슬러지의 평균 침강속도가 28.66×10-3/min로 6.7배 높은 것으로 나타났다. 따라서 침강 시 간섭-전이-압력의 과정을 거치는 계면침전의 형태에 따라 침강특성에는 유사성을 나타내고 있으므로10) 응집제 투여 시에도 MLSS 농도변화에 따른 영향을 고려해야 한다.
- 3]의 그래프에 나타난 것처럼 초기 20~30분 내에 간섭침전이 이루어지고 50%이상의 Ht/Ho에 도달하는 것을 알 수 있었다. 즉 초기 30분 이내에 전체 침강칼럼 높이의 50%에도달하여 최종 침강되는 깊이의 90%이상으로 침강한다는 것을 알 수 있었다. 따라서 200mg/L로 투여되었을 때의 Clarification Rate(CR)은 임계슬러지 침강높이 비율이 0.
- 칼럼침강 테스트로부터 나타난 침강계면 높이의 하강 특성은 [Fig. 3]의 그래프에 나타난 것처럼 초기 20~30분 내에 간섭침전이 이루어지고 50%이상의 Ht/Ho에 도달하는 것을 알 수 있었다. 즉 초기 30분 이내에 전체 침강칼럼 높이의 50%에도달하여 최종 침강되는 깊이의 90%이상으로 침강한다는 것을 알 수 있었다.
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