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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 낙동강중류지역의 강변여과수를 원수로 한 파일롯플랜트 실험에서 고농도 망간 제거를 위하여 망간모래를 이용한 망간접촉여과공정을 이용하였으며, 염소주입농도, pH, 공간속도(Space Velocity), 응집제주입량 및 망간부착량이 망간제거에 미치는 영향에 대해 조사하였다.
- 또한 망간모래여과지의 운전에서 고려할 인자는 최대 처리유량 및 응집제 주입시 응집제의 최적 주입농도 및 망간제거를 위한 망간 모래의 최소 망간부착량 또한 기본적인 인자라 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 망간모래여과공정의 효율적인 운전을 위해 이들 인자에 대해 검토하였다.
제안 방법
- 12~2004. 10월까지 알카리제를 주입하여 원수의 pH를 1정도 높이고, 염소의 이론적주입농도인 3~4mg/L를 주입하여 실험하였다. 연속실험결과 Table 5에서 보듯이 염소주입 농도 3~4mg/L, 여과지 유입전 평균 pH 7.
- 공정의 운전조건은 초기 염소주입농도를 3~8mg/L로 변화시켜 운전하였으며, 이후 원수의 pH를 1 정도 상승시키고, 공정 1에 응집제 주입농도를 1~5mg/L로 변화시켜 운전하였다. 또한 망간모래여과지의 여과속도를 120~200m/일로 증가시켰으며, 각 조건에 따른 망간제거율을 조사하였다.
- 공정의 운전조건은 초기 염소주입농도를 3~8mg/L로 변화시켜 운전하였으며, 이후 원수의 pH를 1 정도 상승시키고, 공정 1에 응집제 주입농도를 1~5mg/L로 변화시켜 운전하였다. 또한 망간모래여과지의 여과속도를 120~200m/일로 증가시켰으며, 각 조건에 따른 망간제거율을 조사하였다. 각 공정에 사용된 여재로는 일본원료주식회사제품의 유효경 1.
- 31인 망간모래를 사용하였다. 연속 실험의 주요분석항목들은 HACH사의 potable 분석계로 측정하였으며, 특히 망간, 철, 잔류염소는 분광광도계(DR 890, HACH사)로 측정하였다. 각 공정의여재에 대한 망간부착량 측정은 일본수도용 망간사 시험방법(JWWA A103-1988)에 의하여 실험하였다.
- 운전기간 중 망간접촉여과지의 공간속도(SV)를 4~7(1/시간) 범위로 변화시켜 망간제거에 미치는 영향을 조사하였다. pH 조절 이후의 연속실험결과 공정 1의 SV 4의 조건에서 원수의 망간농도가 평균 1.
- 한편, 효과적인 망간제거를 위한 망간모래의 최소 망간부착량을 알아보기 위해 공정 1, 2와 같은 조건의 칼럼규격 및 초기 운전조건에서 일반모래를 충진하여 일반모래의 망간부착량의 변화와 망간제거율과의 관계를 평가하였다. 망간부착량 측정을 위해 여재의 상, 중, 하층을 채취하여 실험을 실시하였다.
대상 데이터
- 또한 망간모래여과지의 여과속도를 120~200m/일로 증가시켰으며, 각 조건에 따른 망간제거율을 조사하였다. 각 공정에 사용된 여재로는 일본원료주식회사제품의 유효경 1.0mm, 균등계수 1.31인 망간모래를 사용하였다. 연속 실험의 주요분석항목들은 HACH사의 potable 분석계로 측정하였으며, 특히 망간, 철, 잔류염소는 분광광도계(DR 890, HACH사)로 측정하였다.
- 한편, 효과적인 망간제거를 위한 망간모래의 최소 망간부착량을 알아보기 위해 공정 1, 2와 같은 조건의 칼럼규격 및 초기 운전조건에서 일반모래를 충진하여 일반모래의 망간부착량의 변화와 망간제거율과의 관계를 평가하였다. 망간부착량 측정을 위해 여재의 상, 중, 하층을 채취하여 실험을 실시하였다. 모래의 망간부착량 측정결과 Fig.
- 본 연구에서는 낙동강중류 K지역의 강변여과수를 원수로 사용하였으며, Fig. 2와 같이 망간모래여과공정의 칼럼 2기로 구성하였다. 각 공정의 처리용량은 15~26m3/일로 여과속도 120~200m/일, SV 4~7(1/시간)로 운전하였으며, 각 공정의 장치 사양과 약품주입량은 Table 2와 같다.
- Table 1에서 (3)은 원자가가 +7로 높은 산화상태에 있고 자연수중에는 존재하지 않는다. 제거대상이 되는 것은 Mn(HCO3)2 형태로 존재하는 Mn2+이온이다. Mn4+ 이온의 망간에는 이산화망간(MnO2), 수화이산화망간(MnO2∙nH2O)이 존재한다.
이론/모형
- 연속 실험의 주요분석항목들은 HACH사의 potable 분석계로 측정하였으며, 특히 망간, 철, 잔류염소는 분광광도계(DR 890, HACH사)로 측정하였다. 각 공정의여재에 대한 망간부착량 측정은 일본수도용 망간사 시험방법(JWWA A103-1988)에 의하여 실험하였다.
성능/효과
- 1. 망간모래여과공정의 유출수 잔류염소농도를 0.5~1.0mg/L로 유지하고, 망간을 제거하기 위해서는 염소농도와 pH의 제어가 동시에 이루어져야 효과적으로 망간을 제거할 수 있었다.
- 2. 염소농도와 pH 조절 후의 망간모래여과조의 공간속도에 따른 망간제거에 미치는 영향을 조사한 결과 최대 SV 7(여과속도 200m/일)까지 생산수 망간농도를 0.05mg/L의 제거가 가능하였다.
- 3. 응집제 주입으로 손실수두의 발생이 있었으나 응집제 1과 3mg/L 주입시에는 2~200µm 사이의 총 입자수 및 탁도제거면에서 효과가 있는 것으로 나타났다.
- 4. 망간모래가 망간제거를 위한 최소 망간부착량은 0.3mg/g 이상으로 나타났으며, 처리시간 경과에 따라 망간모래에의 망간부착량이 증가하는 것으로 나타나 주기적으로 여재를 평가하여 여재의 비대에 따른 여재의 재생 및 교체주기를 결정하여야 할 것으로 판단되었다.
- 응집제 1mg/L 주입시에는 응집제 3mg/L 주입시보다 여과시간이 지속될수록 수두손실은 작게 나타났다. Particle counter를 이용하여 입자크기별 입자수를 측정한 결과 공정 1, 2 모두 3~5µm 사이의 입자가 가장 많이 계수되었으나, Table 6과 같이 응집제 주입율 3mg/L일 때 2~400µm 사이의 총입자수가 응집제 주입공정이 평균 23개/mL인 반면, 미주입공정이 평균 33개/mL로서 응집제 주입공정이 더 작게 계수되었다. 또한 망간접촉여과지에서 최적응집주입 조건을 결정하기 위해 응집제 주입농도별 입자분포를 측정하였으며, 그 결과 실험실 쟈테스트(Jar-Test) 결과에서 얻어진 Alum 주입율 3mg/L보다 높은 5mg/L 주입시 입자크기별 입자수가 응집제 미주입공정인 공정 2보다 증가하였다.
- 운전기간 중 망간접촉여과지의 공간속도(SV)를 4~7(1/시간) 범위로 변화시켜 망간제거에 미치는 영향을 조사하였다. pH 조절 이후의 연속실험결과 공정 1의 SV 4의 조건에서 원수의 망간농도가 평균 1.75(0.80~2.70)mg/L일 때, 생산수 망간농도는 평균 0.03(0.01~0.06)mg/L, 평균 제거율 98.3%이었 으며, SV 5의 조건에서는 원수의 망간농도가 평균 1.71(0.70~2.65)mg/L일 때, 생산수 망간농도는 평균 0.03(0.01~0.10)mg/L, 평균제거율 98.2%이었다. 또한 이후 여과수량을 최대로 하여 SV 7의 조건에서 실험하였으며, 그 결과 원수의 망간농도가 평균 1.
- 52)mg/L이였다. 결과적으로 Fig. 3(a)와 같이 염소주입 농도가 높을수록 망간제거에는 효과가 있었으나, 생산수의 잔류염소농도를 0.5~1.0mg/L로 제어하는 것에는 어려움이 있었다.
- 0%이었다. 결과적으로 SV 변화에 따른 망간제거율의 변화는 공정 1과 공정 2가 유사하였으며, SV 증가시 생산수 망간농도가 다소 높아지나 본 연구의 처리목표수질인 0.05mg/L까지 제거가 가능하였다, 특히 Fig. 4에서 알 수 있듯이 망간접촉여과공정에서 SV 증가가 망간제거율에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 이로써 망간접촉여과공정에서 최대 SV 7(여과속도 200m/일)까기 처리가 가능하며, 망간제거에는 SV의 영향보다 pH 조절에 의한 영향이 큰 것을 알 수 있었다.
- 0mg/L를 만족하였다. 결국 pH 조절 전 염소주입농도에 의한 망간제거율이 약 70%인 것과 비교하였을 때, Fig. 3(b)와 같이 원수의 pH를 조절함으로써 약 98 %의 망간제거율을 얻을 수 있었으며, 본 연구의 망간 목표처리수질인 0.05mg/L를 만족할 수 있었다. 따라서 수중의 용존망간을 제거하기 위한 망간접촉여과공정에서 염소주입뿐만 아니라 원수의 pH 조절이 망간제거를 위한 여러 인자 중 가장 중요 인자인 것으로 사료된다.
- 반면 Alum 주입율을 1mg/L로 낮게 주입한 경우 응집제 주입율 3mg/L와 비슷한 수준으로 계수되었다. 따라서 본 실험에서는 저탁도의 원수 수질에 대해 응집제 주입시 응집제를 Alum 1mg/L의 저농도로 주입하는 것이 여과 효율적인 면은 물론 경제적인 면을 고려하여 유리할 것으로 사료된다.
- Particle counter를 이용하여 입자크기별 입자수를 측정한 결과 공정 1, 2 모두 3~5µm 사이의 입자가 가장 많이 계수되었으나, Table 6과 같이 응집제 주입율 3mg/L일 때 2~400µm 사이의 총입자수가 응집제 주입공정이 평균 23개/mL인 반면, 미주입공정이 평균 33개/mL로서 응집제 주입공정이 더 작게 계수되었다. 또한 망간접촉여과지에서 최적응집주입 조건을 결정하기 위해 응집제 주입농도별 입자분포를 측정하였으며, 그 결과 실험실 쟈테스트(Jar-Test) 결과에서 얻어진 Alum 주입율 3mg/L보다 높은 5mg/L 주입시 입자크기별 입자수가 응집제 미주입공정인 공정 2보다 증가하였다. 반면 Alum 주입율을 1mg/L로 낮게 주입한 경우 응집제 주입율 3mg/L와 비슷한 수준으로 계수되었다.
- 63)mg/L이였다. 또한 염소주입농도를 1~2배 정도 높여 약 4~8mg/L로 주입하였으며, 이 때 생산수 망간농도는 평균 0.14(0.01~0.57)mg/L, 생산수 잔류염소농도는 평균 2.60(030~5.52)mg/L이였다. 결과적으로 Fig.
- 08)mg/L로서 두 공정 모두 평균 제거율이 약 98%였다. 또한 이 때 생산수 잔류염소농도는 각각 평균 0.87(0~2.64)mg/L, 평균 0.80(0~2.56)mg/L으로 망간모래여과지 관리를 위한 잔류염소농도 0.5~1.0mg/L를 만족하였다. 결국 pH 조절 전 염소주입농도에 의한 망간제거율이 약 70%인 것과 비교하였을 때, Fig.
- 2%이었다. 또한 이후 여과수량을 최대로 하여 SV 7의 조건에서 실험하였으며, 그 결과 원수의 망간농도가 평균 1.95(1.20~2.70)mg/L일 때, 생산수 망간농도는 평균 0.04(0.02~0.07)mg/L, 평균제거율 98.0%이었다. 결과적으로 SV 변화에 따른 망간제거율의 변화는 공정 1과 공정 2가 유사하였으며, SV 증가시 생산수 망간농도가 다소 높아지나 본 연구의 처리목표수질인 0.
- 본 실험에서 위의 이론적 염소주입량 중에서 철 및 망간만 고려할 경우는 평균 약 3mg/L 이하이고, 여기에 유기물농도 및 여재 자체소비량 등을 고려할 경우는 3mg/L 이상이 될 것으로 추측된다. 그러나 Table 3에 나타낸 것과 같이 실제 운전에서 잔류염소농도는 공정 1의 경우 칼럼유입수(계산주입 평균농도는 5.
- 본 파일롯플랜트 유입원수의 평균 탁도는 0.19NTU로서 먹는물 수질기준인 0.5NTU보다 낮은 수준이다. 그러나 향후 탁도의 수질기준이 0.
- 10월까지 알카리제를 주입하여 원수의 pH를 1정도 높이고, 염소의 이론적주입농도인 3~4mg/L를 주입하여 실험하였다. 연속실험결과 Table 5에서 보듯이 염소주입 농도 3~4mg/L, 여과지 유입전 평균 pH 7.5, SV 4~7(1/시간)의 조건에서 원수의 망간 농도가 평균 1.74 (0.70~2.70)mg/L일 때 생산수 망간 농도는 공정 1이 평균 0.03(0.01~0.10)mg/L, 공정 2가 평균 0.04(0.01~0.08)mg/L로서 두 공정 모두 평균 제거율이 약 98%였다. 또한 이 때 생산수 잔류염소농도는 각각 평균 0.
- 63mg/g까지 증가하였다. 운전 10일째부터 유출수 망간농도가 0.03mg/L 이하로 떨어져 망간 모래의 망간부착량이 0.3mg/L 이상에서 비로소 망간의 제거가 원활히 일어남을 알 수 있었다.
- 6mg/g이었다. 이러한 결과는 운전초기에는 칼럼의 시료채취지점이 상층과 중층의 큰 차이가 없는 점을 감안할 때 상층부분의 망간 부착량이 많은 것으로 보아 상층부분부터 망간이 제거됨을 알 수 있었으나, 운전일수가 경과함에 따라 여과지 하단부분까지 여재의 망간부착량이 증가하는 것을 알 수 있었다. 이는 망간모래에 부착된 망간이 역세척에 의해 완전 박리되지 않고 일부 시간이 경과함에 따라 여재 표면에 부착되어 여재가 비대해지는 것으로 사료된다.
- 4에서 알 수 있듯이 망간접촉여과공정에서 SV 증가가 망간제거율에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 이로써 망간접촉여과공정에서 최대 SV 7(여과속도 200m/일)까기 처리가 가능하며, 망간제거에는 SV의 영향보다 pH 조절에 의한 영향이 큰 것을 알 수 있었다.
- 이와 같이 망간모래에 의한 염소소비량과 망간제거효율은 이론치와 다소 다른 경향을 보였고, 공정 1과 공정 2의 망간의 제거효율 차이는 동일한 실험조건에서 분석된 결과임을 감안하면, 두 공정의 망간과 염소반응량의 차이, 염소의 소비율의 차이 등과 제거효율의 경향이 일치하였다.
- 5% 소비) 소비되었다. 특히 여기에서 초기 평균 계산주입농도 5.99mg/L일 때 수분 후(관로 및 분배조 통과시간) 칼럼유입수는 평균 3.62mg/L으로 평균 2.37mg/L의 염소 소비가 급격하게 일어났으며, 망간모래칼럼에서는 상대적으로 초기 주입 직후 소비된 량보다 적은 양이 소비되었다. 공정 2에서도 공정 1과 유사한 경향을 나타내었으나 염소 소비율은 39.
후속연구
- 이는 망간모래에 부착된 망간이 역세척에 의해 완전 박리되지 않고 일부 시간이 경과함에 따라 여재 표면에 부착되어 여재가 비대해지는 것으로 사료된다. 따라서 여과가 지속됨에 따라 망간 모래가 점차적으로 비대해져 여과효율을 저하할 수 있으므로, 주기적으로 망간모래의 망간부착량을 조사하여 여재의 재생 및 교체시기를 결정하여야 할 것으로 판단된다.
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