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문제 정의
- 본 논문에서는 집중호우 시 토구로 방출되거나 하수처리장에서 1차침전후 방류되는 CSO를 적정 처리하기 위한 화학적 응집조건을 도출하고 효율을 평가하였다. 대표적인 응집제인 황산알루미늄과 염화제이철을 사용하여 하수의 응집특성을 비교 분석하였고, SCD 및 입자 분석을 통하여 응집의 주요 인자인 응집제 주입률과 pH에 따른 하수의 응집효율 등을 측정한 결론은 다음과 같다.
- 본 논문의 목적은 집중호우 시 토구로 방출되거나 하수처리장에서 1차침전후 방류되는 CSO의 화학적 응집조건을 도출하고, 각 오염물질 별 제거효율을 분석하는 것이다. 대표적인 응집제인 황산알루미늄과 염화제이철을 사용하여 각 응집제별 하수의 응집특성을 비교 분석하였고, SCD 및 입자 분석을 통하여 응집의 주요 인자인 응집제 주입률과 pH에 따른 하수의 응집효율을 측정하였다.
제안 방법
- SC값은 전 실험결과와 유사하게 알루미늄염이 철염보다 전하중하능력이 큰 것으로 나타났고, 철염의 경우 등전점에 도달하지 않는 응집제 주입량에서 평가하였다. TCOD의 경우 초기 인이 제거가 되는 시점에서는 약 40~50%정도의 제거율을 나타냈으며, 인이 80%이상 제거되는 시점부터 COD의 제거율이 상승하여 약 70%의 제거율을 나타내었고, 인의 경우 등전점 주입률까지 계속적으로 감소하였다.
- 전 처리한 하수의 원수를 2리터 Jar에 채우고 pH와 SCD 센서를 설치한 후 급속교반 시키면서 응집제 주입률에 따른 SC값을 측정하였다. pH는 산과 염기용액을 이용하여 황산알루미늄과 염화제이철의 pH를 각각 6.2와 5.8로 고정시킨 상태에서 SC값을 측정하여 전하중화적정곡선을 작성하였다[Fig. 3].
- 다양한 응집제 주입률에서 pH에 따른 SC값을 측정하여 응집플록의 표면전위 값의 변화를 관찰하였다[Fig.2]. 황산알루미늄과 염화제이철 주입량이 0.
- 본 논문의 목적은 집중호우 시 토구로 방출되거나 하수처리장에서 1차침전후 방류되는 CSO의 화학적 응집조건을 도출하고, 각 오염물질 별 제거효율을 분석하는 것이다. 대표적인 응집제인 황산알루미늄과 염화제이철을 사용하여 각 응집제별 하수의 응집특성을 비교 분석하였고, SCD 및 입자 분석을 통하여 응집의 주요 인자인 응집제 주입률과 pH에 따른 하수의 응집효율을 측정하였다.
- 본 논문에서는 집중호우 시 토구로 방출되거나 하수처리장에서 1차침전후 방류되는 CSO를 적정 처리하기 위한 화학적 응집조건을 도출하고 효율을 평가하였다. 대표적인 응집제인 황산알루미늄과 염화제이철을 사용하여 하수의 응집특성을 비교 분석하였고, SCD 및 입자 분석을 통하여 응집의 주요 인자인 응집제 주입률과 pH에 따른 하수의 응집효율 등을 측정한 결론은 다음과 같다.
- 4와 같이 응집제 최적 주입률 범위에서 각 오염물질의 제거효율은 큰 차이가 없다. 두 응집제의 응집특성을 비교하기 위하여 최적 응집제 주입률보다 낮은 영역에서 각 오염물질의 제거특성을 관찰하였다. 선행실험에서의 최적 pH[Al(Ⅲ): 6.
- 두 응집제의 응집특성을 비교하기 위하여 최적 응집제 주입률보다 낮은 영역에서 각 오염물질의 제거특성을 관찰하였다. 선행실험에서의 최적 pH[Al(Ⅲ): 6.2, Fe(Ⅲ): 5.8]에서 응집제 주입량을 작게 하여 인산이온과 유기물(TCOD)의 제거효율을 관찰하였다. 인이 완전히 제거되는 주입량에서의 TCOD농도와 SC값을 측정하였다[Table 5, Fig.
- Table 3은 SCD를 이용하여 응집제 종류별 설정한 적정 pH 범위와 응집제 주입량을 바탕으로 응집실험을 수행한 결과이다. 응집실험 후 상징수를 채취하여 TCODcr, TP, SS 및 탁도를 분석하였다. 황산알루미늄의 경우 적정 응집제 주입률이 0.
- 응집제 종류별 응집특성은 Jar내부에 pH와 SCD(Steaming Current Detector) 전극을 설치하여 pH 및 응집제 주입량의 변화에 따른 SC값을 측정하여 관찰하였다. 응집제는 황산알루미늄(Al2(SO4)3·17H2O)과 염화제이철(FeCl3·6H2O) 두 가지를 사용하였으며, 각각의 농도를 10%로 조제한 후 실험에 사용하였다.
- 54 cm 이었다. 응집제 주입과 동시에 180 rpm(G = 200 sec-1)에서 1분간 급속교반, 45 rpm(G = 25 sec-1)에서 15분간 완속교반, 30분간 침전 후 상징수를 채취하여 분석하였다.
- 4는 다양한 pH에서 알루미늄염과 철염의 전하중화 능력을 평가한 결과이다. 이 실험에서는 동일한 pH에서 두 응집제의 전하중화능력을 SC값을 측정하여 평가하였다. 두 응집제에서 공통적으로 관찰되는 현상은 pH가 낮을수록 응집제의 전하중화능력이 커서 적은 응집제 주입량(0.
- 8]에서 응집제 주입량을 작게 하여 인산이온과 유기물(TCOD)의 제거효율을 관찰하였다. 인이 완전히 제거되는 주입량에서의 TCOD농도와 SC값을 측정하였다[Table 5, Fig. 8]. 전 처리 한 하수의 인과 TCOD의 농도는 각각 5.
- 일반적으로 응집실험에 사용되는 Jar-test 실험장치를 사용하여 응집제 주입률 및 pH 조건에 따른 하수의 응집효율을 분석하였다. 실험에 사용된 Jar는 2L 용량의 Phipps & Bird사의 제품을 이용하였고, 규격(W×L×H)은 11.
- 질산성 질소(NO3--N) 및 아질산성 질소(NO2--N), 인산염 인 (PO43--P)등의 음이온 농도는 Ion Chromatography (Metrohm modular, Switzerland)를 이용하여 측정하였으며, SS 및 VS는 Standard method에 준하여 실험하였다 (APHA, 1995). 입자분석은 입자분석기(Melvern Instruments UK/Spray tech, 측정범위 : 0.5~25㎛)를 사용하여 급속교반과정에서 입자의 성장과정을 관찰하였으며, 기타 pH (Orion 420A+, Thermo) 및 탁도(DR 2010, HACH, USA)등을 측정하였다.
- 전 처리한 하수의 원수를 2리터 Jar에 채우고 pH와 SCD 센서를 설치한 후 급속교반 시키면서 응집제 주입률에 따른 SC값을 측정하였다. pH는 산과 염기용액을 이용하여 황산알루미늄과 염화제이철의 pH를 각각 6.
- 최적응집조건에서 응집 후 상징수를 채취한 후 입자분석 기를 이용하여 콜로이드성 입자크기별 분포도를 관찰하였다[Fig. 6]. 최적응집조건에서 황산알루미늄의 경우 직경 5㎛이하의 입자제거율은 약 70%, 직경 5㎛이상의 입자제거율은 약 90%정도로 나타났으며, 염화제이철의 경우는 모든 입자가 90%이상 제거되었다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 원수는 C시 환경사업소의 1차침전지로 유입되는 도시하수를 사용하였으며, 원수를 150㎛ Sieve로 체거름을 통한 전처리 후에 사용하였다.
- 실험에 사용된 Jar는 2L 용량의 Phipps & Bird사의 제품을 이용하였고, 규격(W×L×H)은 11.5×11.5×21cm 이였으며, 임펠러의 규격(W×L)은 7.62×2.54 cm 이었다.
- 응집제는 황산알루미늄(Al2(SO4)3·17H2O)과 염화제이철(FeCl3·6H2O) 두 가지를 사용하였으며, 각각의 농도를 10%로 조제한 후 실험에 사용하였다.
이론/모형
- SC값은 Coagulant Charge Analyzer(CCA 3100, Chemtrac)을 사용하여 분석하였으며, 암모니아성 질소는 Nessler법(NH4+-N Distillation method, HACH, USA) 을 이용하여 측정하였고, CODcr은 closed reflux 및 colorimetric method를 이용하여 측정하였다. 질산성 질소(NO3--N) 및 아질산성 질소(NO2--N), 인산염 인 (PO43--P)등의 음이온 농도는 Ion Chromatography (Metrohm modular, Switzerland)를 이용하여 측정하였으며, SS 및 VS는 Standard method에 준하여 실험하였다 (APHA, 1995).
- 은 closed reflux 및 colorimetric method를 이용하여 측정하였다. 질산성 질소(NO3--N) 및 아질산성 질소(NO2--N), 인산염 인 (PO43--P)등의 음이온 농도는 Ion Chromatography (Metrohm modular, Switzerland)를 이용하여 측정하였으며, SS 및 VS는 Standard method에 준하여 실험하였다 (APHA, 1995). 입자분석은 입자분석기(Melvern Instruments UK/Spray tech, 측정범위 : 0.
성능/효과
- 1) 황산알루미늄 주입량에 따른 등전점은 pH 5.8에서 6.5범위에서 결정되었고, 염화제이철의 경우에는 pH 5.3에서 6.0범위에서 결정 되었으며, SC값을 기준으로 전하중화능력을 분석한 결과 황산알루미늄이 염화제이철보다 전하중화 능력이 컸다.
- 2) Jar–test를 통한 황산알루미늄의 최적응집조건은 pH 6.2, 주입량은 0.438 mM, 염화제이철의 최적응집조건은 pH 5.8, 주입량은 0.925 mM로 염화제이철의 적정 pH가 황산알루미늄보다 약간 낮은 범위에서 나타났으며, 주입량 또한 약 2배 정도 크게 나타났다.
- 3) 최적응집조건에서 황산알루미늄을 사용한 경우 TCODcr, TP, SS, 탁도의 제거효율은 각각 75, 97, 95, 96%이었고, 염화제이철을 상용한 경우는 각각 74, 96, 98, 99%이었으며, SS 및 탁도 제거에는 염화제이철의 효율이 더 우수하게 평가되었다. 또한, 입도분포별 입자의 개수를 측정결과 역시 염화제이철이 황산알루미늄보다 입자제거 효율이 높은 것으로 나타났다.
- 4) 용존 인(IP)이 80%이상 제거되는 응집제의 주입량은 황산알루미늄과 염화제이철이 각각 0.19, 0.21mM로 최적응집조건과는 달리 비슷한 주입량을 나타냈으며, 이때의 SC값은 -0.50과 -0.71로서 황산알루미늄의 전하중화 능력이 크게 나타났다.
- 5) 용존 인이 80% 이상 제거되는 시점부터 SC값과 COD 제거율이 증가하였으며, 하수의 응집에서 SC값은 SS나 COD보다 용존 인의 농도와 직접적인 관련이 있는 것으로 나타났다.
- 480mM 범위에서 TCODcr, TP, SS, 탁도의 제거율이 각각 73-76, 94-99, 97-99, 98-99%정도로 나타났다. SCD를 이용하여 설정한 응집제 최적 주입량으로 Jar test를 수행한 결과 부유물질과 TP의 경우 96%이상 제거할 수 있었다. 그러나 등전점이상의 응집제 주입률에서는 각 오염물질의 제거효율이 변하지 않고 유지되었으나, 등전점이하의 주입률에서는 알루미늄염의 경우 약간 낮았고, 철염의 경우 큰 차이가 없었다.
- SC값은 전 실험결과와 유사하게 알루미늄염이 철염보다 전하중하능력이 큰 것으로 나타났고, 철염의 경우 등전점에 도달하지 않는 응집제 주입량에서 평가하였다. TCOD의 경우 초기 인이 제거가 되는 시점에서는 약 40~50%정도의 제거율을 나타냈으며, 인이 80%이상 제거되는 시점부터 COD의 제거율이 상승하여 약 70%의 제거율을 나타내었고, 인의 경우 등전점 주입률까지 계속적으로 감소하였다. TCOD의 제거효율은 Table 3에 있는 등전점 이상의 응집 범위에서 계산된 값과 유사하였다.
- pH에 따른 SC값을 이용한 등전점을 분석한 결과 황산알루미늄의 경우 주입량이 약 0.5mM일 때 등전점은 pH 6.2에서 발생하였고, 염화제이철의 경우 주입량이 0.9mM일 때 등전점은 pH 5.8에서 발생하였다. 염화제이철의 경우 등전점은 황산알루미늄에 비해 약간 낮은 pH에서 발생함을 알 수 있다.
- 그러나 등전점이상의 응집제 주입률에서는 각 오염물질의 제거효율이 변하지 않고 유지되었으나, 등전점이하의 주입률에서는 알루미늄염의 경우 약간 낮았고, 철염의 경우 큰 차이가 없었다. 가장 낮은 철염 주입률(0.555mM)에서의 TCODcr, TP, SS 및 탁도의 제거율은 74, 97, 99, 98%로 동일한 주입률에서 알루미늄염을 이용한 실험결과와 큰 차이가 없었다. 하수의 응집실험에서 SCD는 철염보다 알루미늄계 응집제를 사용할 경우 더 정확한 응집조건을 결정하는데 활용될 수 있는 것으로 생각된다.
- 1mM)일 경우 알루미늄과 철 이온은 인과 먼저 반응하게 된다. 결과적으로 SC값은 응집제 주입률이 0.15mM이하에서는 거의 증가하지 않고, 0.2mM이상부터 인이 1.0mg/L이하가 되면서 서서히 증가하고 있다.
- SCD를 이용하여 설정한 응집제 최적 주입량으로 Jar test를 수행한 결과 부유물질과 TP의 경우 96%이상 제거할 수 있었다. 그러나 등전점이상의 응집제 주입률에서는 각 오염물질의 제거효율이 변하지 않고 유지되었으나, 등전점이하의 주입률에서는 알루미늄염의 경우 약간 낮았고, 철염의 경우 큰 차이가 없었다. 가장 낮은 철염 주입률(0.
- 이 실험에서는 동일한 pH에서 두 응집제의 전하중화능력을 SC값을 측정하여 평가하였다. 두 응집제에서 공통적으로 관찰되는 현상은 pH가 낮을수록 응집제의 전하중화능력이 커서 적은 응집제 주입량(0.15mM 황산알루미늄, pH 5.7)에서 등전점이 형성된다는 것이다. 이는 Fig.
- 925mM일 때 등전점을 지났다. 등전점이상으로 응집제 주입량을 증가시키면 SC값은 양의 값을 갖게 되지만, SC값이 계속 증가하는 것이 아니라 0.1에 수렴하는 것으로 나타났다. SC값은 Fig.
- 7에서는 주입량을 증가시켜도 등전점에 도달하지 않았다. 또한, 등전점을 지난 후에도 알루미늄염에 비해 상대적으로 작은 SC값(0.1이하, 알루미늄염의 경우 최대 0.4)을 갖는 것으로 나타났다. 즉, 응집제 주입량이나 pH에 따른 등전점 부근에서 SC값의 변화폭이 적기 때문에 철염의 응집 pH 범위가 넓다는 것을 잘 설명해 주고 있다[Fig.
- , TP, SS, 탁도의 제거효율은 각각 75, 97, 95, 96%이었고, 염화제이철을 상용한 경우는 각각 74, 96, 98, 99%이었으며, SS 및 탁도 제거에는 염화제이철의 효율이 더 우수하게 평가되었다. 또한, 입도분포별 입자의 개수를 측정결과 역시 염화제이철이 황산알루미늄보다 입자제거 효율이 높은 것으로 나타났다.
- 응집제 주입률이 증가함에 따라 하수의 인의 농도가 감소하기 시작하며, 인이 거의 다 제거되어야 알루미늄염의 경우 등전점을 지난다. 물론, 철염의 경우에는 인이 완전히 제거되어도 등전점에 이르지 못하나, 인이 거의 다 제거되는 시점을 중심으로 COD 제거효율이 향상되는 것으로 나타났다. 양의 전하를 갖는 응집제 플록이 음의 전하를 갖는 수중 입자표면에 흡착하여 표면전하를 중화시키면서 SC값이 감소하게 된다.
- 유입TCO중 침전성 COD(150㎛ 이상)는 약 53% 이었고, 0.45㎛ 이상 입자성 COD는 약 63% 이었다. 전처리 후의 원수 수질특성은 각각 pH 7.
- 0 근처에서 SC가 0의 값을 갖는다. 응집제 주입률에 따라 SC값이 0이 되는 등전점의 pH는 5.8에서 6.5 범위에서 결정되는 것을 알 수 있고, 응집제주입률이 높을수록 pH에 따른 SC 값의 변화폭은 감소하는 것을 알 수 있다. 염화제이철의 경우도 유사한 경향을 보이고 있지만, SC값이 0이 되는 등전점의 pH가 황산알루미늄보다 약간 낮은 5.
- 45㎛ 이상 입자성 COD는 약 63% 이었다. 전처리 후의 원수 수질특성은 각각 pH 7.1, TCODcr 324mg/L, SCODcr 120mg/L, SS 197mg/L, TP 6.37mg/L, Turbidity 109NTU 이었다. 전처리 전·후의 기타 수질특성을 Table 1에 나타내었고, 전 처리한 원수의 입도분포별 입자의 수를 Fig.
- 6]. 최적응집조건에서 황산알루미늄의 경우 직경 5㎛이하의 입자제거율은 약 70%, 직경 5㎛이상의 입자제거율은 약 90%정도로 나타났으며, 염화제이철의 경우는 모든 입자가 90%이상 제거되었다. Fig.
- 응집실험 후 상징수를 채취하여 TCODcr, TP, SS 및 탁도를 분석하였다. 황산알루미늄의 경우 적정 응집제 주입률이 0.438mM 이었고, 본 응집실험에서는 이를 중심으로 0.292~1.023mM 범위에서 분석한 결과 TCODcr는 70-77%, TP는 96-98%, SS는 94-97%, 탁도는 96-97% 정도 제거되는 것으로 나타났다. 염화제이철의 응집 실험 결과는 응집제 주입률이 0.
후속연구
- 향후(2013년) 강화되는 인의 방류수 수질기준(0.2mg/L)을 만족시키고, 장마철 합류식 하수 월류수(CSO) 처리나 관리를 위하여 화학적 응집 방법이 검토되고 있다. 화학적 응집은 응집제를 주입하여 하수중의 인이나 콜로이드 물질을 응집시켜 제거하는 공정으로 독성물질이 유입하거나 유량이 불규칙한 경우 신속한 대응이 가능한 장점이 있다(Jenkins and Snoeyink, 1980).
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