생물공정 처리수의 PAC (Poly Aluminum Chloride) 응집에 의한 고효율 인 제거 특성 High-Rate Phosphorous Removal by PAC (Poly Aluminum Chloride) Coagulation of A2O Effluent원문보기
2011년부터 시행될 2단계 수질 오염 총량제에 대비하여 고효율 인 제거 공정 개발이 필요하며 본 연구에서는 생물학적 처리와 화학적 응집처리를 조합한 공정이 대안으로 검토되었다. 2세대 응집제로서 최근 많이 사용되고 있는 PAC(poly aluminum chloride)를 이용하고 실제 하수종말처리장 A2O 공정의 호기조 유출수를 시료로 하여 인 응집 특성 및 적정 조건, 효율 향상 방안 등에 대해 실험연구를 수행하였다. 먼저 적정 PAC 투입 농도는 부피기준으로 30 ppm, mol비로는 2.81 mol Al/mol P인 것으로 나타났다. 단순침전에서 17.2%에 불과하던 용존성 인의 제거율이 PAC 10 ppm 투입으로 30.3%까지 증가하였으며, 20 ppm에서 30 ppm으로 PAC 투입량을 증가시킬 때 49.3%에서 88.4%로 제거율을 크게 향상시킬 수 있었다. 이때 총 인의 제거율은 92.4%, 유출수 총 인 농도는 0.3 mg/L로 총량제에 부합하는 방류수 수질을 달성할 수 있었다. 적정한 응집시간은 4분, 침전시간은 20분, 초기 pH는 7로 나타났고 원시료 (pH 7.0)는 별도의 pH 조절 없이 응집 가능한 것으로 판단되었다. pH 7 조건에서 용존성 인의 제거가 크게 향상되었으며, 추가적인 확인 연구가 필요하나, 이는 인의 경우 $Al(OH)_3$에 의한 sweep floc formation이 주요 제거 기작임을 의미하였다. 2차침전조 유입부에 PAC를 투입하여 2차침전조를 응집침전조로 활용하는 방안과 별도의 응집침전조를 2차침전조 후단에 설치하여 PAC를 투입하는 방안을 비교한 결과 PAC 투입량 대비 인 제거효율 증진 관점에서 후자가 바람직한 것으로 조사되었다. 이때 처리수의 인 농도는 0.18 mg/L, 제거율은 95.4%로 향상시킬 수 있었다. 끝으로 응집 처리수를 반송할 경우 인 제거 효율을 높일 수 있었으며 적정 반송율은 0.3인 것으로 분석되었다.
2011년부터 시행될 2단계 수질 오염 총량제에 대비하여 고효율 인 제거 공정 개발이 필요하며 본 연구에서는 생물학적 처리와 화학적 응집처리를 조합한 공정이 대안으로 검토되었다. 2세대 응집제로서 최근 많이 사용되고 있는 PAC(poly aluminum chloride)를 이용하고 실제 하수종말처리장 A2O 공정의 호기조 유출수를 시료로 하여 인 응집 특성 및 적정 조건, 효율 향상 방안 등에 대해 실험연구를 수행하였다. 먼저 적정 PAC 투입 농도는 부피기준으로 30 ppm, mol비로는 2.81 mol Al/mol P인 것으로 나타났다. 단순침전에서 17.2%에 불과하던 용존성 인의 제거율이 PAC 10 ppm 투입으로 30.3%까지 증가하였으며, 20 ppm에서 30 ppm으로 PAC 투입량을 증가시킬 때 49.3%에서 88.4%로 제거율을 크게 향상시킬 수 있었다. 이때 총 인의 제거율은 92.4%, 유출수 총 인 농도는 0.3 mg/L로 총량제에 부합하는 방류수 수질을 달성할 수 있었다. 적정한 응집시간은 4분, 침전시간은 20분, 초기 pH는 7로 나타났고 원시료 (pH 7.0)는 별도의 pH 조절 없이 응집 가능한 것으로 판단되었다. pH 7 조건에서 용존성 인의 제거가 크게 향상되었으며, 추가적인 확인 연구가 필요하나, 이는 인의 경우 $Al(OH)_3$에 의한 sweep floc formation이 주요 제거 기작임을 의미하였다. 2차침전조 유입부에 PAC를 투입하여 2차침전조를 응집침전조로 활용하는 방안과 별도의 응집침전조를 2차침전조 후단에 설치하여 PAC를 투입하는 방안을 비교한 결과 PAC 투입량 대비 인 제거효율 증진 관점에서 후자가 바람직한 것으로 조사되었다. 이때 처리수의 인 농도는 0.18 mg/L, 제거율은 95.4%로 향상시킬 수 있었다. 끝으로 응집 처리수를 반송할 경우 인 제거 효율을 높일 수 있었으며 적정 반송율은 0.3인 것으로 분석되었다.
High-rate phosphorous removal by PAC (poly aluminum chloride) coagulation of A2O effluent was investigate to meet the stringent requirement of wastewater discharge from municipal wastewater treatment plant. A series of jar tests were conducted to find optimum coagulation condition and to enhance rem...
High-rate phosphorous removal by PAC (poly aluminum chloride) coagulation of A2O effluent was investigate to meet the stringent requirement of wastewater discharge from municipal wastewater treatment plant. A series of jar tests were conducted to find optimum coagulation condition and to enhance removal efficiency. The optimum volumetric concentration of PAC was 30 ppm (2.81mol Al/mol P by mol ratio). Only 17.2% of soluble P was removed for 30 minutes' settling without PAC addition, while this increased to 30.3% by dosing 10ppm PAC. It even increased conspicuously from 49.3% to 88.4% by increasing PAC dose from 20 ppm to 30 ppm. 92.4% of total P was removed by 30 ppm PAC, and the effluent concentration (0.3 mg/L) was acceptable for discharge. The optimum value of coagulation time, settling time, and pH were 4minutes, 20 minutes, and 7.0, respectively. It was not necessary to control pH of raw sample whose pH was 7.0. Soluble P removal was remarkably enhanced at pH 7.0. This implied that sweep floc formation by $Al(OH)_3$ was the main mechanism of coagulation for soluble P removal. Influent and effluent of secondary clarifier were tested for coagulation, and the effluent was better for high-rate P removal. It resulted in 0.18 mg/L of P and 95.4% of P removal by coagulation. It was favorable to recycle the treated water to coagulation tank and the optimum recycle ratio was 0.3.
High-rate phosphorous removal by PAC (poly aluminum chloride) coagulation of A2O effluent was investigate to meet the stringent requirement of wastewater discharge from municipal wastewater treatment plant. A series of jar tests were conducted to find optimum coagulation condition and to enhance removal efficiency. The optimum volumetric concentration of PAC was 30 ppm (2.81mol Al/mol P by mol ratio). Only 17.2% of soluble P was removed for 30 minutes' settling without PAC addition, while this increased to 30.3% by dosing 10ppm PAC. It even increased conspicuously from 49.3% to 88.4% by increasing PAC dose from 20 ppm to 30 ppm. 92.4% of total P was removed by 30 ppm PAC, and the effluent concentration (0.3 mg/L) was acceptable for discharge. The optimum value of coagulation time, settling time, and pH were 4minutes, 20 minutes, and 7.0, respectively. It was not necessary to control pH of raw sample whose pH was 7.0. Soluble P removal was remarkably enhanced at pH 7.0. This implied that sweep floc formation by $Al(OH)_3$ was the main mechanism of coagulation for soluble P removal. Influent and effluent of secondary clarifier were tested for coagulation, and the effluent was better for high-rate P removal. It resulted in 0.18 mg/L of P and 95.4% of P removal by coagulation. It was favorable to recycle the treated water to coagulation tank and the optimum recycle ratio was 0.3.
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문제 정의
6) 또한 2세대 응집제인 PAC, PASS, PACS등의 응집 특성에 대한 연구는 많이 진행되었으나7~11) 대부분 합성된 시료를 이용한 실험12,13)이거나 BOD 등의 유기물질 제거가 주목적이었으며14,15) 실제 하폐수를 시료로 하여 인을 주요 응집 대상으로 실험한 연구 결과가 보고된 경우는 많지 않았다. 따라서 본 연구에서는 실제 하수종말처리장 A2O공정의 호기조 유출수를 시료로 하여 유입수 총인 농도, PAC 투입 농도, 응집시간, 침전시간, pH 등의 인자가 인 응집에 미치는 영향을 검토하였다. 또한 적정 PAC 투입지점 결정을 위해 최종침전지 상징수를 응집 처리할 경우의 장단점을 검토하였고 응집처리수의 반송을 통해 응집효율을 향상시키는 방안과 적정 반송율을 조사하였다.
한편 2차 침전조를 거친 후 고형물이 낮은 상태에서 PAC를 투입하는 것도 생각해볼 수 있는 바, 이때는 별도의 응집설비가 필요한 것이 단점이지만 고형물에 포획되어 소모되는 PAC를 최소화할 수 있고 응집설비의 인 부하를 낮추어 처리수 인 농도를 감소시키는 장점이 있다. 본 연구에서는 2차 침전조의 체류시간에 해당하는 4시간 동안 전침전(pre-settling)시킨 시료에 PAC를 투입하여 인의 응집제거 특성을 살펴보았다. 그 결과 예상했던 것처럼 전 침전 없이 응집반응을 시킨 경우에 비해 전침전을 시행할 경우 응집효율이 향상됨을 관찰할 수 있었다(Fig.
처리된 유출수를 응집조에 반송함으로써 유출수에 잔류하는 PAC를 재이용하고 희석에 의해 응집조에 유입되는 인의 부하를 감소시켜 그 효과로 반응 효율이 향상 되는지 여부를 검토하였다. 그 결과 Fig.
제안 방법
여기서 PAC의 투입 ppm 농도는 부피 기준이며 Run 5의 초기 pH는 NaOH용액과 HCl 용액을 이용하여 조절되었다. Run 6에서는 전침전(pre-settling)을 한 경우와 하지 않은 경우의 응집 효율을 비교하였으며, 전침전 시간은 하수처리장 2차침전지 체류시간에 해당하는 4시간으로 하였다. Run 7에서는 PAC를 30 ppm 투입하여 52 rpm으로 4분간 교반 후 20분 침전, 상등액을 분취하고 이를 원시료에 0.
Run 6에서는 전침전(pre-settling)을 한 경우와 하지 않은 경우의 응집 효율을 비교하였으며, 전침전 시간은 하수처리장 2차침전지 체류시간에 해당하는 4시간으로 하였다. Run 7에서는 PAC를 30 ppm 투입하여 52 rpm으로 4분간 교반 후 20분 침전, 상등액을 분취하고 이를 원시료에 0.3:1, 0.5:1, 1:1비율로 혼합하여 다시 PAC 30 ppm을 주입하여 응집 실험하였다. 이는 응집 처리수 반송의 영향을 살펴보기 위함이었다.
따라서 본 연구에서는 실제 하수종말처리장 A2O공정의 호기조 유출수를 시료로 하여 유입수 총인 농도, PAC 투입 농도, 응집시간, 침전시간, pH 등의 인자가 인 응집에 미치는 영향을 검토하였다. 또한 적정 PAC 투입지점 결정을 위해 최종침전지 상징수를 응집 처리할 경우의 장단점을 검토하였고 응집처리수의 반송을 통해 응집효율을 향상시키는 방안과 적정 반송율을 조사하였다. 이를 통해 현장에 직접 적용 가능한 고효율 인 제거 공정의 최적 설치 및 운전 조건을 도출하였다.
또한 적정 PAC 투입지점 결정을 위해 최종침전지 상징수를 응집 처리할 경우의 장단점을 검토하였고 응집처리수의 반송을 통해 응집효율을 향상시키는 방안과 적정 반송율을 조사하였다. 이를 통해 현장에 직접 적용 가능한 고효율 인 제거 공정의 최적 설치 및 운전 조건을 도출하였다.
대상 데이터
73 mg/L이었다. PAC는 경기화학사 제품을 사용하였고 Al2O3함량은 17%이며 비중은 1.37 mg/L이다. 응집실험은 Jisco사의 J-65모델 Jar tester를 이용하여 실시하였다.
대구시의 한 하수종말처리장에서 운전 중인 A2O공정의 호기조에서 채취한 시료를 응집실험의 대상으로 하였다. 시료의 pH, TCOD, SCOD, TSS, VSS, TP, SP (soluble P) 농도는각각 7.
37 mg/L이다. 응집실험은 Jisco사의 J-65모델 Jar tester를 이용하여 실시하였다. 시료 1 L를 비이커에 담아 PAC를 투입하고 Jar tester에서 52 rpm으로 4분간 교반 후 20분 침전, 상등액을 분취하였다.
이론/모형
응집 전후 시료의 TP를 Standard Method (digestion & stannous chloride method)에 따라 분석하였으며 필요에 따라 GFC (0.4 μm)로 여과한 시료의 인 농도를 측정하였다.
성능/효과
1. 적정 PAC 투입 농도는 부피기준으로 30 ppm, mol비로는 2.81 mol Al/mol P인 것으로 나타났으며 초기 인 농도가 증가할수록 제거율은 저하되었다.
02 mg/L까지 저감시킬 수 있으며 BOD 1 mg/L, COD 5 mg/L 등 고도 수질의 달성이 가능한 것으로 조사되기도 하였다.2) 한편 화학적 처리에 사용되는 응집제는 알루미늄계와 철염계로 구분할 수 있는데, 본 연구에 앞서 Alum, FeCl2, FeCl3, FeSO4, PASS (poly aluminum sulfate silicate), PACS (poly aluminum chloride silicate), PAC (poly aluminum chloride)등을 이용하여 하수처리장 인 제거 시험을 실시한 결과 가장 높은 인 제거 효율을 보인 PAC를 적정 응집제로 선정할 수 있었다.2)
2. 응집시간 4분, 침전시간 20분, 초기 pH 7이 가장 적정한 운전조건인 것으로 나타났다. 이 조건에서 총 인 농도는 처리 전 3.
3. 단순 침전에서 낮았던 용존성 인의 제거율을 PAC에 의한 응집으로 크게 증가시킬 수 있었다. pH 7이 최적 응집 조건이었으며, Al(OH)3(s)에 의한 sweep floc formation 기작이 주요 인 제거 기작일 것으로 추정되었다.
4. PAC의 투입지점은 2차침전조 상징수로 하는 것이 PAC 투입량 대비 인 제거효율 증진 관점에서 가장 바람직한 것으로 조사되었다. 이때 처리수의 인 농도는 0.
응집시간 2분까지 많은 양의 인이 제거되었고 그 후로 4분이 경과할 때까지 서서히 인 농도가 감소하였다. 4분 경과 후는 응집시간을 증가시켜도 인 제거에 영향을 미치지 못하였으며 따라서 응집에 필요한 교반조의 체류시간은 4분이 적정한 것으로 나타났다. 아울러 응집 후 침전시간은 Fig.
5. 응집 처리수를 반송할 경우 인 제거 효율을 높일 수 있었으며 적정 반송율은 0.3인 것으로 분석되었다.
21 mg/L이었다. PAC 투입 농도를 0, 10, 20, 30, 40, 50 ppm (시료 총인 농도 기준 0, 0.94, 1.87, 2.81, 3.75, 4.69 mol Al/mol T-P 또는 0, 3.21, 6.42, 9.64, 12.87, 16.09 mg Al/L)으로 증가시킴에 따라 인 제거 효율이 Fig. 1과 같이 향상되었다. PAC를 투입하지 않고 단순 침전시킬 경우(0 ppm) 입자성 인의 65.
1과 같이 향상되었다. PAC를 투입하지 않고 단순 침전시킬 경우(0 ppm) 입자성 인의 65.9%가 제거되었으나 용존성 인은 17.2%로 제거율이 낮았고 총 인을 기준으로 38.5%의 제거가 가능하였다. 이때 총 인의 농도는 2.
단순 침전에서 낮았던 용존성 인의 제거율을 PAC에 의한 응집으로 크게 증가시킬 수 있었다. pH 7이 최적 응집 조건이었으며, Al(OH)3(s)에 의한 sweep floc formation 기작이 주요 인 제거 기작일 것으로 추정되었다. 원시료의 pH는 7.
다른 연구에서 최적으로 나타났던 pH 5에서 인 제거율이 낮았던 것은 Al13O4(OH)247+ 등의 polymer가 많은 조건에서21) 흡착-전하중화 기작은 pH 7에서보다 효과적으로 일어났으나 상대적으로 Al(OH)3(S)의 분율이 낮아 sweep floc 기작이 제한적으로 일어났기 때문으로 사료된다. 결론적으로 하수처리장에서 채취한 시료의 초기 pH는 7.0으로서 응집 효율 증가를 위해 별도의 pH 조절은 필요 없는 것으로 판단된다.
처리된 유출수를 응집조에 반송함으로써 유출수에 잔류하는 PAC를 재이용하고 희석에 의해 응집조에 유입되는 인의 부하를 감소시켜 그 효과로 반응 효율이 향상 되는지 여부를 검토하였다. 그 결과 Fig. 7에서와 같이 반송의 경우 응집공정 유입수의 인 농도를 3.32 mg/L에서 2.74 mg/L로 낮추고 PAC 30 ppm에 의한 응집 시 인 농도를 0.23 mg/L에서 0.18 mg/L로 저하시킬 수 있었다. 또한 반송율에 따른 인 제거 특성을 살펴본 바 반송율을 증가시킬수록 인 제거에 효과적인 것으로 나타났다(Fig.
본 연구에서는 2차 침전조의 체류시간에 해당하는 4시간 동안 전침전(pre-settling)시킨 시료에 PAC를 투입하여 인의 응집제거 특성을 살펴보았다. 그 결과 예상했던 것처럼 전 침전 없이 응집반응을 시킨 경우에 비해 전침전을 시행할 경우 응집효율이 향상됨을 관찰할 수 있었다(Fig. 6). 전침전의 경우 30 ppm의 PAC투입으로 0.
반면 30 ppm 이상의 투입율에서는 용존성 인은 물론이고 총 인의 제거율도 크게 증가하지 않았다. 따라서 PAC 투입에 따른 효율과 경제성을 고려할 때 30 ppm의 투입율이 적정한 것으로 사료되었다. 참고로 PAC 투입율 30, 40, 50 ppm 각각에 대해 응집 후 총 인의 농도는 0.
18 mg/L로 저하시킬 수 있었다. 또한 반송율에 따른 인 제거 특성을 살펴본 바 반송율을 증가시킬수록 인 제거에 효과적인 것으로 나타났다(Fig. 8). 반송에 따른 응집설비 용량과 PAC 사용량의 증가를 고려할 때 적정 반송율은 0.
대구시의 한 하수종말처리장에서 운전 중인 A2O공정의 호기조에서 채취한 시료를 응집실험의 대상으로 하였다. 시료의 pH, TCOD, SCOD, TSS, VSS, TP, SP (soluble P) 농도는각각 7.0, 377.4 mg/L, 30.4 mg/L, 1,910 mg/L, 1,640 mg/L, 3.30~3.94 mg/L, 1.54~1.73 mg/L이었다. PAC는 경기화학사 제품을 사용하였고 Al2O3함량은 17%이며 비중은 1.
pH 7이 최적 응집 조건이었으며, Al(OH)3(s)에 의한 sweep floc formation 기작이 주요 인 제거 기작일 것으로 추정되었다. 원시료의 pH는 7.0으로서 응집효율 향상을 위해 별도의 pH 조절은 필요 없는 것으로 판단되었다.
이들 결과를 종합하면 PAC의 경우 pH 3~5.5 범위의 산성 조건에서 응집 제거가 원활함을 알 수 있다. 또한 이들 연구에서 연구자들은 공통적으로 pH 7 이상의 알칼리 조건에서는 Al(OH)4-가 주로 생성되어 응집이 저해되는6,15,19) 것으로 분석하고 있다.
다만 MLSS가 높을 경우 투입된 PAC가 고형물에 포획된 형태로 소모될 수 있으므로 입자성 및 용존성 인의 비율과 같은 하수의 특성에 따라 적정 mol비에 차이가 있을 것으로 판단된다. 한편 시료를 채취할 때마다 총 인 농도에 변동이 있었으며 그 영향을 Fig. 2와 같이 평가한 결과, PAC 투입 농도를 30 ppm으로 동일하게 할 때 초기 인 농도가 높을수록응집후 잔류 인 농도도 높아지고 따라서 다소 제거율이 떨어지는 것으로 나타났다. 특히 초기 인 농도 4.
후속연구
4%로 향상시킬 수 있었다. 그러나 2차침전조를 응집침전조로 활용할 때에 비하여 별도의 응집설비가 필요하므로 현장 상황에 맞는 종합적인 고려가 필요한 것으로 사료되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수질오염 총량제는 어떤 제도인가?
수질오염 총량제는 유역의 목표수질을 설정하여 당해 유역에서 배출되는 오염물질의 배출총량이 목표수질을 달성할 수 있는 양 이하가 되도록 관리하는 제도이다. 현재 BOD를 대상으로 1단계 총량제가 실시 중이며 2011년부터는 2단계 총량제가 실시될 예정에 있다.
생물학적 처리에 있어서 대략 1 mg/L의 농도를 생물공정에서 달성 가능한 인 농도로 보는 것이 일반적인 이유는?
기체 상태로 전환이 어렵기 때문에 항상 침전물의 형태로 물로부터 분리되며, 이 같은 이유로 생물학적 공정에서는 미생물에 흡수된 침전물의 형태로, 화학적 공정에서는 응집제에 화학적 또는 물리적으로 결합된 침전물의 형태로 제거된다. 그러나 생물학적 처리에서 미생물에 흡수되어 제거 가능한 인의 양에는 한계가 있어 대략 1 mg/L의 농도를 생물공정에서 달성 가능한 인 농도로 보는 것이 일반적이다.5) 따라서 총량제에서 요구되는 것과 같은 고효율 인 제거를 위해서는 생물학적 처리와 화학적 처리의 병행이 필요하다.
본 연구에서 2단계 수질 오염 총량제에 대비할 고효율 인 제거 공정 구축을 위하여 생물공정 처리수의 화학적 응집 공정의 특성과 효율 증진 방안에 대해 연구한 결과는?
1. 적정 PAC 투입 농도는 부피기준으로 30 ppm, mol비로는 2.81 mol Al/mol P인 것으로 나타났으며 초기 인 농도가 증가할수록 제거율은 저하되었다.
2. 응집시간 4분, 침전시간 20분, 초기 pH 7이 가장 적정한 운전조건인 것으로 나타났다. 이 조건에서 총 인 농도는 처리 전 3.94 mg/L에서 처리 후 0.3 mg/L로 92.4%제거가 가능하였다.
3. 단순 침전에서 낮았던 용존성 인의 제거율을 PAC에 의한 응집으로 크게 증가시킬 수 있었다. pH 7이 최적 응집 조건이었으며, Al(OH)3(s)에 의한 sweep floc formation 기작이 주요 인 제거 기작일 것으로 추정되었다. 원시료의 pH는 7.0으로서 응집효율 향상을 위해 별도의 pH 조절은 필요 없는 것으로 판단되었다.
4. PAC의 투입지점은 2차침전조 상징수로 하는 것이 PAC 투입량 대비 인 제거효율 증진 관점에서 가장 바람직한 것으로 조사되었다. 이때 처리수의 인 농도는 0.18 mg/L, 제거율은 95.4%로 향상시킬 수 있었다. 그러나 2차침전조를 응집침전조로 활용할 때에 비하여 별도의 응집설비가 필요하므로 현장 상황에 맞는 종합적인 고려가 필요한 것으로 사료되었다.
5. 응집 처리수를 반송할 경우 인 제거 효율을 높일 수 있었으며 적정 반송율은 0.3인 것으로 분석되었다.
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