[논문]화학 응집제 투입에 따른 수질항목별 하수처리 반응곡선

류재나; 오재일; 이경종

문제 정의

화학적 단위공정에서 응집제의 사용은 입자성물질의 응집을 유도하기 위함이 그 대표적인 목적이며, 이를 나타내는 대표적인 수질항목으로는 SS를 들 수 있다. 본 연구에서는 측정된 수질항목들 간의 제거율을 SS의 제거율을 기준으로 상관성을 평가하여 그 관계를 나타내었다. 상관성은 Minitab 소프트웨어를 이용, Pearson 상관계수를 산정하여 나타내었으며, 두변수의 상관관계를 표현하는 일반적 식은 다음 식 (2)와 같다.
특히 응집제 투입에 따르는 하수처리의 효율은 하수처리시설별 응집제 투입이전 · 이후의 수질분석을 통한 효율의 평가를 시행해야한다. 본 연구에서는 하수처리에 일반적으로 사용되는 Alum 계열의 응집제인 황산알루미늄(Al₂(SO₄)₃), Ferric계열의 응집제인 염화제2철(FeCl₃)을 사용하여 서울 및 인근에 위치한 몇 개의 하수처리시설을 대상으로 기본 수질항목에 대한 응집효율을 평가하였다. 일정범위의 응집제 농도에서 각기 다른 양의 응집제를 단계적으로 투입하여 각 수질항목별 응집제 투입량에 대한 수질항목의 오염물질 제거율을 평가하였으며, 이를 통해 각 수질항목별 응집제의 하수처리 반응곡선을 도출하고자 하였다.
본 연구에서는 황산알루미늄(Al₂(SO₄)₃) 및 염화제2철(FeCl₃)을 일정한 농도범위에서 투입하여 서울 및 인근에 위치한 몇 개의 하수처리시설을 대상으로 기본 수질항목에 대한 응집효율을 평가하였다. 기본 수질항목의 제거율을 응집제 투입량(농도)별로 평가하였으며, 이를 통해 각 수질항목별 응집제의 하수처리 반응곡선을 도출하였다.
본 연구에서는 하수처리에 일반적으로 사용되는 Alum 계열의 응집제인 황산알루미늄(Al₂(SO₄)₃), Ferric계열의 응집제인 염화제2철(FeCl₃)을 사용하여 서울 및 인근에 위치한 몇 개의 하수처리시설을 대상으로 기본 수질항목에 대한 응집효율을 평가하였다. 일정범위의 응집제 농도에서 각기 다른 양의 응집제를 단계적으로 투입하여 각 수질항목별 응집제 투입량에 대한 수질항목의 오염물질 제거율을 평가하였으며, 이를 통해 각 수질항목별 응집제의 하수처리 반응곡선을 도출하고자 하였다. 또한 응집제의 대표적인 효율을 나타내는 인자인 SS 항목에 대한 다른 수질항목들의 상관성을 평가하였다.

제안 방법

‘2.1 실험재료’ 에 나타낸 응집제를 다른 농도범위(황산알루미늄: 0∼15mg Al/L, 염화제2철: 0∼30mg Fe/L)에서 단계적으로 투입하여 Jar–test를 수행한 후, 수질오염공정시험기준(환경부, 2008)에 의거 수질을 분석하였으며, 각각의 수질항목에 대한 처리효율을 계산하였다.
3) 본 연구에서는 응집제를 통한 오염물질의 제거효율을 응집제 투입량에 대한 최대제거효율을 고려하여 각 수질항목에 대하여 반응곡선을 도출하였다. 이와 같은 응집제 투입에 대한 제거율의 반응곡선은 본 연구에 사용된 10번의 실험 데이터 이외, 더 많은 데이터의 수집을 통한 관찰로 반응곡선의 결정계수를 안정화시킴이 가능하여 보다 일반화된 반응곡선을 도출함이 가능하다.
Al2(SO4)3 응집제는 0∼15mg/L의 농도범위에서, FeCl3 응집제는 0∼30mg/L의 농도범위에서 투입 농도를 다르게 하여 시험하였다.
)을 일정한 농도범위에서 투입하여 서울 및 인근에 위치한 몇 개의 하수처리시설을 대상으로 기본 수질항목에 대한 응집효율을 평가하였다. 기본 수질항목의 제거율을 응집제 투입량(농도)별로 평가하였으며, 이를 통해 각 수질항목별 응집제의 하수처리 반응곡선을 도출하였다. 또한, SS 항목에 대한 다른 수질항목들의 상관성을 평가하였다.
일정범위의 응집제 농도에서 각기 다른 양의 응집제를 단계적으로 투입하여 각 수질항목별 응집제 투입량에 대한 수질항목의 오염물질 제거율을 평가하였으며, 이를 통해 각 수질항목별 응집제의 하수처리 반응곡선을 도출하고자 하였다. 또한 응집제의 대표적인 효율을 나타내는 인자인 SS 항목에 대한 다른 수질항목들의 상관성을 평가하였다.
기본 수질항목의 제거율을 응집제 투입량(농도)별로 평가하였으며, 이를 통해 각 수질항목별 응집제의 하수처리 반응곡선을 도출하였다. 또한, SS 항목에 대한 다른 수질항목들의 상관성을 평가하였다. 본 연구에서 도출된 결론은 다음과 같다.
응집제 투입량과 제거효율의 산정을 위하여 본 연구에서는 N, G, Y 하수처리장에서 유입수를 10회에 걸쳐 채수하였으며, 샘플의 채수시 측정된 pH, Turbidity, SS, CODmn, CODcr, BOD5, T–N, T–P의 기본 수질 항목은 Table 2에 나타내었다.
특히 강화되는 총인의 수질기준을 대비하기 위해 화학적 처리시설 설치사업을 발표하였으며, 이에 대대적인 예산을 편성 · 지급할 계획을 수립하였다.
하수처리시설의 방류수 수질기준을 4개의 지역으로 구분하여 차등 적용하며, 특히 공공수역의 부영양화 생성의 주요인자인 영양물질인 총인(T–P)과 유기물에 대한 기준을 대폭 강화하기로 하였다.
황산알루미늄 및 염화제2철 응집제의 하수처리 제거효율을 평가하기 위한 수질 항목은 Turbidity, SS, BOD5, CODmn, CODcr, T–N, T–P의 기본수질항목으로 설정하였다.

대상 데이터

2009년 11월 이전에 시행한 7회의 실험에 사용된 Al2(SO4)3과 FeCl3 응집제는 각각 8%, 25%의 공업용 시약을 사용하였으며, 2009년 11월 이후에 실시된 3차례의 실험에 한하여는 황산알루미늄(Aluminium Sulfate, Al2(SO4)3 · 18H2O) 및 염화제2철수화물(Ferric Chloride Hydrate, FeCl3 · 6H2O)의 고순도(99%>) 시약을 이용하여 Stock solution을 제조한 후 사용하였다.
2008년 10월 20일 G하수처리장의 샘플의 경우 청천시, 우천시 유입수를 함께 채수하였다. 우천시 SS를 비롯한COD_mn, BOD₅와 같은 유기물의 농도는 상승하였으며,T–N, T–P와 같은 영양염류 항목은 다소 낮아진 것으로 나타났다.
시료는 2008년 10월부터 2009년 11월까지 서울과 경기도에 소재한 N, G, Y 하수처리장의 하수 유입수를 10회에 걸쳐 채수하였다. 각 하수처리장의 일반형황 및 운영 수질 현황은 Table 1과 같다.

데이터처리

본 연구에서는 측정된 수질항목들 간의 제거율을 SS의 제거율을 기준으로 상관성을 평가하여 그 관계를 나타내었다. 상관성은 Minitab 소프트웨어를 이용, Pearson 상관계수를 산정하여 나타내었으며, 두변수의 상관관계를 표현하는 일반적 식은 다음 식 (2)와 같다. #, #는 각 변수들의 평균을 의미하며, s_x, s_y 각 표준편차, n은 샘플의 개수를 의미한다.

이론/모형

응집제 교반을 위한 Jar–test는 상수도시설 유지관리메뉴얼(한국상하수도협회, 2007)에 준하여 수행하였으며 실험절차는 다음과 같다.

성능/효과

1) 황산알루미늄을 0∼15mg Al/L의 농도범위에서 투입한 후 수질항목의 농도변화를 평가한 결과, 8∼14mg Al/L의 응집제를 투여하였을 때, SS, Turbidity, BOD, COD의 수질항목이 80% 이상의 제거율을 나타내었다.
2) SS 항목과 다른 수질항목들의 상관성을 평가한 결과, 황산알루미늄 응집제와 염화제2철 응집제 모두에서 Turbidity와 T–P와의 상관관계가 매우 높은 것으로 나타났으며, T–N과의 상관관계가 가장 낮은 것으로 나타났다.
포화곡선을 통해 추정된 오염물질 제거율은 SS와 Turbidity의 경우 90%를 제거하는데 각 각 약 10mg Al/L, 8mg Al/L의 응집제가 소요되는 것으로 나타났다. COD_mn과 COD_cr의 제거율이 약 80% 정도되는 황산알루미늄의 농도는 14mg Al/L이었으며, BOD의 경우 동일한 제거율을 나타내는 데 12mg Al/L이 소요됨을 보였다. T–N의 경우는 실험의 최대 응집제 투입량에서의 제거율이 약 30% 정도로 매우 낮은 처리효율을 나타내었으며, T–P의 경우는 11mg Al/L의 농도에서의 제거율이 약99%로 본 실험의 응집제 투입량 범위 이내에서 100%의 제거율에 도달하는 것으로 나타났다.
Pearson 상관계수를 산정한 결과, SS와 다른 수질 항목들에 대한 상관성은 Turbidity(0.940) > T–P(0.866) >BOD5(0.810) > CODcr(0.782) > CODmn(0.716) >T–N(0.508)의 순으로 나타났다.
T–N의 경우 전체적으로 매우 낮은 제거율을 나타내었으며, T–P는 사선을 중심으로 상대적으로 상부에 분포하는 경향을 보여, SS의 제거율보다 전반적으로 높은 것으로 나타났으며, 특히 높은 SS 제거율 범위에서의 T-P의 제거율이 높은 것으로 나타났다.
T–N의 경우는 실험의 최대 응집제 투입량에서의 제거율이 약 30% 정도로 매우 낮은 처리효율을 나타내었으며, T–P의 경우는 11mg Al/L의 농도에서의 제거율이 약99%로 본 실험의 응집제 투입량 범위 이내에서 100%의 제거율에 도달하는 것으로 나타났다.
T–N의 항목을 제외한 모든 항목에서 상관성이 높게(0.7 이상) 나타났으며, 특히 Turbidity와의 상관성은 0.940, T–P와의 상관성은 0.866으로 매우 높은 것으로 나타났다.
T-N의 경우는 황산알루미늄 응집제의 투입시 보다는 실험의 최대응집제 투입량에서의 제거율이 조금 더 높게 나타났으나, 역시 약 30% 정도로 매우 낮은 처리효율을 나타내었다. T-P의 경우는 26mg Fe/L의 농도에서의 제거율이 약99%로 본 실험의 응집제 투입량 범위 이내에서 100%의 제거율에 도달하는 것으로 나타났다.
4는 염화제2철 응집제의 SS 제거율에 대한 각 수질항목의 관계를 나타내었다. Turbidity는 대부분의 측정값이 사선의 상부에 위치하여 SS 보다 훨씬 많이 제거되는 것으로 나타났으며, COD의 경우는 크롬과 망간, 두 경우 모두 SS에 비해 낮은 제거율을 보이는 것으로 나타났다. BOD₅의 경우 사선을 중심으로 위·아래의 넓은 범위에서 제거율의 범위가 나타났으나, 전반적으로 BOD의 제거율이 SS의 제거율보다 낮은 것으로 나타났다.
사선은 SS와 대상 수질항목의 제거율이 동일한 경우를 나타내며, 사선을 기준으로 측정된 데이터가 주로 상부에 분포하면 해당 수질항목이 SS에 비해 많이 제거된 것으로, 하부에 분포하는 경우 SS보다 낮은 제거율을 나타내는 것으로 판단할 수 있다. 동일한 응집제의 투입량에 대한 수질항목의 제거율을 비교해보면, Turbidity는 SS 보다 많이 제거되는 것으로 나타났으며, COD의 경우 크롬과 망간, 두 경우 모두 SS에 비해 낮게 제거 되는 것으로 나타났다. BOD₅의 경우 사선을 중심으로 넓은 분포를 띄고 있으며 높은 SS 제거율 범위에서 보다 낮은 제거율을 보이는 것으로 나타났으며, T–N의 경우 SS의 제거율에 비해 전체적으로 매우 낮은 제거율을 나타내었다.
마지막으로 T–P는 사선을 중심으로 넓게 분포되어 있으며 높은 SS 제거율 범위에서는 보다 많이 제거되는 것으로 나타났다.
염화제2철 응집제의 SS 제거율과 다른 수질항목들의 제거율에 대한 Pearson 상관계수를 산정한 결과, Turbidity(0.905) > T–P(0.856) > CODcr(0.761) >BOD5(0.744) > CODmn(0.709) > T–N(0.509)의 순으로 나타났다.
염화제2철을 실험한 결과 25∼28mg Fe/L의 농도 범위에서 SS, BOD, COD의 수질항목의 제거효율이 80% 이상이었다.
우천시 SS를 비롯한CODmn, BOD5와 같은 유기물의 농도는 상승하였으며,T–N, T–P와 같은 영양염류 항목은 다소 낮아진 것으로 나타났다.
3) 본 연구에서는 응집제를 통한 오염물질의 제거효율을 응집제 투입량에 대한 최대제거효율을 고려하여 각 수질항목에 대하여 반응곡선을 도출하였다. 이와 같은 응집제 투입에 대한 제거율의 반응곡선은 본 연구에 사용된 10번의 실험 데이터 이외, 더 많은 데이터의 수집을 통한 관찰로 반응곡선의 결정계수를 안정화시킴이 가능하여 보다 일반화된 반응곡선을 도출함이 가능하다.
9 이상의 높은 적합도를 나타내었다. 포화곡선을 통해 추정된 오염물질 제거율은 SS와 Turbidity의 경우 90%를 제거하는데 각 각 약 10mg Al/L, 8mg Al/L의 응집제가 소요되는 것으로 나타났다. COD_mn과 COD_cr의 제거율이 약 80% 정도되는 황산알루미늄의 농도는 14mg Al/L이었으며, BOD의 경우 동일한 제거율을 나타내는 데 12mg Al/L이 소요됨을 보였다.
황산알루미늄 응집제의 SS 제거율에 대한 다른 항목들과의 상관성에서 나타난 바와 마찬가지로, T–N의 항목을 제외한 모든 항목에서 상관성이 높게(0.7 이상) 나타났으며, 특히 Turbidity와의 상관성은 0.905으로 매우 높은 것으로 나타났다.

후속연구

2) SS 항목과 다른 수질항목들의 상관성을 평가한 결과, 황산알루미늄 응집제와 염화제2철 응집제 모두에서 Turbidity와 T–P와의 상관관계가 매우 높은 것으로 나타났으며, T–N과의 상관관계가 가장 낮은 것으로 나타났다. 응집처리의 효율을 나타내는 대표적인 인자인 SS 항목과 상관성이 높은 항목들은 SS 항목의 제거율이 높게 나타난 응집제의 농도 범위에서 다른 수질 항목들의 제거율 또한 높게 평가될 것으로 기대된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화학적 하수처리에 사용되는 대표적인 응집제와 그 예는?	화학적 하수처리는 화학적 응집·침전 반응을 통해 주로 쉽게 침전되지 않는 콜로이드 입자를 제거하기 위해 응집제 및 응집보조제 투입을 통한 플럭(floc)을 형성하고 중력식침전과정을 통해 고액분리 시키는 방법을 일컫는다. 이에 사용되는 응집제는 Alum 계열의 응집제와 Ferric 계열의 응집제가 대표적이다. Alum 계열의 응집제는 황산알루미늄(Aluminium Sulfate: Al2(SO4)3·χH2O) 및 폴리염화알루미늄(PAC, poly aluminum chloride: [Al2(OH)nCl6-n]m)이 대표적이며, Ferric 계열의 응집제로는 황산제1철(Ferrous Sulfate : FeSO4), 염화제2철(Ferricchloride: FeCl3) 등의 사용이 일반적이다. Alum 계열의응집제는 여러 형상을 가지는 하수에 대해 응집이 효과적으로 발생하며, 다른 응집제와 비교하여 경제성이 높다는 장점을 가지고 있으며 대부분의 탁질에 유효하며 고탁도나 저수온시 등에 응집보조제를 병용함으로써 처리효과 상승시킬 수 있다.
	화학적 하수처리란?	화학적 하수처리는 화학적 응집·침전 반응을 통해 주로 쉽게 침전되지 않는 콜로이드 입자를 제거하기 위해 응집제 및 응집보조제 투입을 통한 플럭(floc)을 형성하고 중력식침전과정을 통해 고액분리 시키는 방법을 일컫는다. 이에 사용되는 응집제는 Alum 계열의 응집제와 Ferric 계열의 응집제가 대표적이다.
	Alum 계열의응집제의 장점은?	Alum 계열의 응집제는 황산알루미늄(Aluminium Sulfate: Al2(SO4)3·χH2O) 및 폴리염화알루미늄(PAC, poly aluminum chloride: [Al2(OH)nCl6-n]m)이 대표적이며, Ferric 계열의 응집제로는 황산제1철(Ferrous Sulfate : FeSO4), 염화제2철(Ferricchloride: FeCl3) 등의 사용이 일반적이다. Alum 계열의응집제는 여러 형상을 가지는 하수에 대해 응집이 효과적으로 발생하며, 다른 응집제와 비교하여 경제성이 높다는 장점을 가지고 있으며 대부분의 탁질에 유효하며 고탁도나 저수온시 등에 응집보조제를 병용함으로써 처리효과 상승시킬 수 있다. 폴리염화알루미늄(PAC)은 액체자체가 가수분해되어 중합체로 되어 있으므로 일반적으로 황산알루미늄보다 응집성이 우수하고 적정주입 pH의 범위가 넓으며 알칼리도의 저하가 적다.

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