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문제 정의
- 응집반응 시 성장하는 응집지수(floc size index, FSI)를 iPDA (intelligent Photometric Dispersion Analyzer)를 사용하여 연속적으로 측정하여 분석하였다. FSI와 평균 응집입자의 크기는 높은 상관관계를 가지는 것으로 보고되어 본 연구에서는 FSI를 사용하여 응집입자의 성장크기변화를 살펴보았다[7].
- 본 연구에서는 응집공정을 이용한 인공하수와 실제 생물학적 하수처리장 유출수에 함유된 인의 제거를 위한 연구를 수행하였다. 이를 위해 응집제에서 발생되는 가수분해종 분포에 영향을 끼치는 Al/P 몰비와 급속교반 혼화강도가 응집 플럭의 크기에 미치는 영향과 용존인과 총인제거에 미치는 영향을 탐구하여 최적 운전인자를 도출하고자 하였다.
- 본 연구에서는 응집공정을 이용한 인공하수와 실제 생물학적 하수처리장 유출수에 함유된 인의 제거를 위한 연구를 수행하였다. 이를 위해 응집제에서 발생되는 가수분해종 분포에 영향을 끼치는 Al/P 몰비와 급속교반 혼화강도가 응집 플럭의 크기에 미치는 영향과 용존인과 총인제거에 미치는 영향을 탐구하여 최적 운전인자를 도출하고자 하였다.
제안 방법
- 0 cm)이 각각 6개 설치된 자 테스터기(Jar testor)를 사용하였다. 급속혼화는 교반강도 G값 50, 100, 300, 500 s-1에서 교반시간은 30초 실시하였으며 급속교반 후 완속교반은 G값 50 s-1에서 30분 교반하고 침전 30분 후 상등액을 취하여 잔류 인을 분석하였다. 실험에 사용한 응집제는 알럼((Al2(SO4)3) 18H2O)이며 10 g/L 농도로 조제하여 Al과 P의 몰비를 0.
- 또한 여지의 공극이 1 µm와 3 µm를 사용하여 여과한인의 제거율도 분석하였다.
- 본 연구에서 먼저 수질성상의 변화를 방지하기 위하여 인공조제수를 조제하여 실험에 사용하였다. 인 첨가를 위해 NaH2 PO4를 사용하였으며, 알칼리도 첨가를 위해 NaHCO3를 사용하였다.
- 실제하수처리 유출수를 대상으로 인의 제거를 위한 응집실험을 실시하였다. 실험에 사용한 시료는 고도처리 하수처리장 유출수로 pH, 용존인, 총인 및 알칼리도는 각각, 6.
- 또한 여지의 공극이 1 µm와 3 µm를 사용하여 여과한인의 제거율도 분석하였다. 응집반응 시 성장하는 응집지수(floc size index, FSI)를 iPDA (intelligent Photometric Dispersion Analyzer)를 사용하여 연속적으로 측정하여 분석하였다. FSI와 평균 응집입자의 크기는 높은 상관관계를 가지는 것으로 보고되어 본 연구에서는 FSI를 사용하여 응집입자의 성장크기변화를 살펴보았다[7].
대상 데이터
- 실제하수처리 유출수를 대상으로 인의 제거를 위한 응집실험을 실시하였다. 실험에 사용한 시료는 고도처리 하수처리장 유출수로 pH, 용존인, 총인 및 알칼리도는 각각, 6.60~7.50, 0.74~1.83 mg/L, 0.98~2.04 mg/L 및 88.00~107.00 mg/L이었다. 응집실험 조건은 인공조제수와 동일하게 수행하였다.
- 급속혼화는 교반강도 G값 50, 100, 300, 500 s-1에서 교반시간은 30초 실시하였으며 급속교반 후 완속교반은 G값 50 s-1에서 30분 교반하고 침전 30분 후 상등액을 취하여 잔류 인을 분석하였다. 실험에 사용한 응집제는 알럼((Al2(SO4)3) 18H2O)이며 10 g/L 농도로 조제하여 Al과 P의 몰비를 0.2, 0.5, 0.8, 1.0, 1.5, 2.0가 되도록 조정하여 주입하여 실험하였다. 잔류인은 0.
- 응집실험은 2 L 용량의 사각형(W 11.5 × L 11.5 × H 21.0 cm)에 교반을 위한 패들(W 2.5 × L 7.0 cm)이 각각 6개 설치된 자 테스터기(Jar testor)를 사용하였다.
- 본 연구에서 먼저 수질성상의 변화를 방지하기 위하여 인공조제수를 조제하여 실험에 사용하였다. 인 첨가를 위해 NaH2 PO4를 사용하였으며, 알칼리도 첨가를 위해 NaHCO3를 사용하였다. 원수의 성상은 Table 1에 나타내었다.
이론/모형
- 잔류인은 0.45 µm 필터로 여과한 용존인과 여과하지 않은 T-P를 표준방법에 따라 분석하였다.
성능/효과
- 1) 용존인의 제거효율은 급속혼화 교반강도와 Al/P 몰비가 높을수록 증가되었다. 급속혼화의 교반강도가 높을수록 미세 응집 플럭의 생성이 촉진되어 용존인의 제거효율이 증가하는 것으로 나타났다.
- 2) T-P의 제거효율은 Al/P 몰비가 증가될수록 증가되었으며, Al/P 몰비가 1.0보다 낮은 경우 교반강도가 높을수록 제거효율이 증가되었다. 그러나 Al/P 몰비가 1.
- 3) 각각의 Al/P 몰비에서 급속교반강도에 따른 FSI를 분석한 결과 Al/P 몰비가 0.5에서는 G값 500 s-1에서 급속 및 완속교반 동안 가장 큰 FSI값을 나타내었다. Al/P 비 1.
- 4) 실제하수처리장 유출수를 대상으로 응집실험을 수행한 결과 Al/P 몰비와 급속혼화 강도가 인의 제거에 미치는 영향은 인공조제수를 대상으로 한 결과와 유사하였다. 그러나 인공조제수를 함유된 인의 제거에 필요한 응집제 주입량보다 높게 주입하여야 함을 알 수 있었다.
- 5) 본 연구 결과 인제거를 위한 응집공정에서 Al/P 몰비와 급속혼화 강도가 응집 플럭의 크기에 영향을 미치며 이에 따라 고액분리에 따라 제거효율이 변화함을 알 수 있다. 특히 응집제가 과소 주입되거나 고액분리공정에 여과조나 막분리공정을 이용할 경우 급속교반의 강도를 높게 하여 운전하는 것이 바람직하다고 할 수 있다.
- Figure 1에는 Al/P 몰비와 혼화강도에 따른 용존인의 제거효율 변화를 나타내었다. Al/P 몰비가 증가되고 G값이 증가될수록 용존인의 제거효율이 상승하는 경향을 나타내었다. Al/P 몰비가 1.
- 급속혼화 강도가 총인의 제거율에 미치는 영향의 경향도 인공조제수를 대상으로 한 실험결과와 유사한 경향을 내었다. 급속혼화 강도가 높을수록 비교적 크기가 작은 응집입자들의 생성이 촉진되어 용존인의 제거율은 증가되나 침강성과 밀접한 관계가 있는 T-P의 제거효율은 G값 300 s-1에서 가장 높은 제거효율을 나타내었다.
- 1) 용존인의 제거효율은 급속혼화 교반강도와 Al/P 몰비가 높을수록 증가되었다. 급속혼화의 교반강도가 높을수록 미세 응집 플럭의 생성이 촉진되어 용존인의 제거효율이 증가하는 것으로 나타났다. 급속혼화 교반강도의 영향은 Al/P 몰비가 낮을수록 크게 나타났다.
- 5는 비슷한 경향을 나타내고 있다. 두 조건 모두 급속혼화의 G값 500 s-1에서 가장 큰 FSI값을 나타내었으나 완속교반 동안 감소하는 것으로 나타났다. G값 300 s-1에서는 급속혼화 이후 완속교반 동안에도 FSI값이 증가되었으나 약 450 초 이후 감소하였다.
- 최근 급속혼화에서 높은 속도경사는 응집성장 및 파괴가 동시에 발생되어 완속교반 동안 파괴된 응집입자의 재응집을 저해하여 응집 플럭의 침강성이 악화된다는 연구결과가 보고되었다[9]. 따라서 급속혼화 강도가 높을수록 비교적 크기가 작은 응집입자들의 생성이 촉진되어 용존인의 제거율은 증가되나 침강성과 밀접한 관계가 있는 T-P의 제거효율은 G값 300 s-1에서 가장 높은 제거효율을 나타낸 결과를 뒷받침한다고 할 수 있다.
- 0 µm 이상으로 증가됨을 알 수 있다. 따라서 급속혼화강도가 커질수록 발생되는 응집입자의 크기가 증가하며 특히 작은 응집입자의 크기가 증가되어 인의 제거효율도 높아지는 것으로 나타났다. 최근 연구결과에 따르면 급속혼화강도 G값이 증가할수록 단일성 및 복합성 알루미늄 가수분해산물이 증가하여 인의 제거효율이 상승한다고 보고되었다[4,5,8].
- 실제하수처리장 유출수의 인 제거를 위한 응집공정을 적용할 경우 유출수에 함유되어 있는 인의 농도가 변화하게 되며 이에 따라 적정응집제 주입량에 비해 과소 주입될 경우 급속혼화의 강도를 높게 운전하면 용존인의 제거율이 증가되며 총인의 제거율도 증가되는 경향을 나타내었다. 따라서 본 연구결과 하수에 함유된 인의 제거를 위한 응집공정에서 응집제 주입량이 과소 주입되는 경우나 고액분리공정에 침전조를 대치하는 여과조나 막분리공정이 적용될 경우 급속교반의 강도를 높게 하여 운전하는 것이 바람직하다고 할 수 있다.
- 35 몰의 Al이 필요한 것으로 나타났다. 따라서 용존인의 제거율은 급속혼화 강도가 높을수록 높아지는 것을 알 수 있으며, Al/P 몰비가 낮을수록 급속혼화 강도의 영향이 크게 나타났다. 이는 급속혼화 강도가 높을수록 용존인의 제거율이 높았다는 기존 연구자들의 연구결과와 유사한 것으로 나타났다[4].
- 실제하수처리장 유출수의 인 제거를 위한 응집공정을 적용할 경우 유출수에 함유되어 있는 인의 농도가 변화하게 되며 이에 따라 적정응집제 주입량에 비해 과소 주입될 경우 급속혼화의 강도를 높게 운전하면 용존인의 제거율이 증가되며 총인의 제거율도 증가되는 경향을 나타내었다. 따라서 본 연구결과 하수에 함유된 인의 제거를 위한 응집공정에서 응집제 주입량이 과소 주입되는 경우나 고액분리공정에 침전조를 대치하는 여과조나 막분리공정이 적용될 경우 급속교반의 강도를 높게 하여 운전하는 것이 바람직하다고 할 수 있다.
- 이는 응집제와 방류수중 다른 물질의 경쟁반응에 의해 인공조제수를 대상 Al/P 몰비보다 높게 주입하여야 함을 알 수 있었다. 용존인 및 총인농도를 새로운 방류수 기준인 0.2 mg/L 이하로 제거하기 위해서는 응집제 주입율을 각각 Al/P 몰비가 2.0 및 4.0 이상 주입되어야 함을 알 수 있었다.
- Figure 10에는 Al/P 몰비와 혼화강도에 따른 용존인의 제거효율 변화를 나타내었다. 용존인의 제거율은 Al/P 몰비와 급속혼화 강도가 높을수록 증가되는 것을 알 수 있었다. 또한, 인공조제수를 대상으로 응집실험 결과에 비해 더 많은 응집제를 주입하여야 함을 알 수 있다.
- 단일성 알루미늄 가수분해 산물에 의해 형성된 응집 플럭은 작고 침강성이 낮고 복합성 알루미늄 가수분해산물에 의해 형성된 플럭은 알루미늄 수산화침전물에 의해 형성된 응집 플럭보다는 작지만 비교적 크고, 침전이 잘 이루어지며, 알루미늄 수산화침전물은 유기물질을 효과적으로 흡착·제거한다고 보고되고 있다[6]. 응집제 주입량이 인 제거 이론적 요구량인 Al/P 몰비 1.0 이하로 주입되는 경우 크기는 작지만 플럭의 결합력이 강한 단분자성 가수분해종이 많이 형성되어 혼화강도가 높아질수록 제거효율이 높아지는 것으로 나타났다. 그러나 응집제 주입량이 증가되면 고분자성 가수분해종 및 침전물이 증가되고 이러한 가수분해종과 결합하여 발생되는 스윕(sweep) 플럭은 입자간 결합력이 약하여 G값 500 s-1에서 파괴현상이 우세해지고 파괴된 입자는 재응집 능력이 저해되어 침강성의 저하가 일어남을 알 수 있다[9].
후속연구
- 그러나 가수분해종에 따른 응집 플럭의 크기 및 형태특성이 하수처리장 유출수에 함유된 인의 제거효율에 미치는 영향에 관한 연구는 미비한 실정이다. 따라서 응집공정의 운전조건 변화에 따른 가수분해종의 분포와 응집입자의 성장특성이 하수처리장 유출수에 함유된 오염물질 특히 인의 제거효율에 미치는 영향에 관한 연구가 필요하다.
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