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문제 정의
- 본 연구에서는 낙동강 하류원수의 NOM 플록의 생성 특성을 평가해보기 위해 탁도가 10 NTU 미만의 저탁 도인 원수에 Fe염계 응집제인 철염(ferric chloride)과 Al염계 응집제인 알럼(alum)을 사용하여 수온과 응집제 투입량 변화에 따른 플록 생성특성을 평가하였다. 또한, 이들 응집제의 최적 응집제 투입량에서의 탁도와 용존 유기탄소(dissolved organic carbon, DOC) 제거율을 평가하여 저탁도시 낙동강 원수 중에 함유된 탁질과 용존 유기물질의 제거에 적합한 무기염계 응집제를 선정하고자 하였다.
- 본 연구에서는 낙동강 하류원수의 NOM 플록의 생성 특성을 평가해보기 위해 탁도가 10 NTU 미만의 저탁 도인 원수에 Fe염계 응집제인 철염(ferric chloride)과 Al염계 응집제인 알럼(alum)을 사용하여 수온과 응집제 투입량 변화에 따른 플록 생성특성을 평가하였다. 또한, 이들 응집제의 최적 응집제 투입량에서의 탁도와 용존 유기탄소(dissolved organic carbon, DOC) 제거율을 평가하여 저탁도시 낙동강 원수 중에 함유된 탁질과 용존 유기물질의 제거에 적합한 무기염계 응집제를 선정하고자 하였다.
제안 방법
- Al염계 응집제인 알럼과 Fe염계 응집제인 철염을 사용하여 저탁도시 낙동강 원수에 대한 응집 플록의 특성과 탁도 및 용존유기물질 제거특성을 평가한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 급속 및 완속혼화 중의 플록의 on-line 모니터링은 PDA 장치(PDA 2000, Rank Brothers, UK)를 이용하여 플록의 성장과정과 크기를 실시간으로 모니터링 하였으며, Fig. 1에 개략적인 시스템 구성도를 나타내었다. 쟈-테스트 중 혼화공정에서 크기가 성장한 플록은 PDA 장치의 후단에 위치한 peristaltic 펌프에 의해 일정한 속도를 가진 안정된 흐름에 의해 PDA 장치로 이송되며, PDA 장치에서 측정이 끝난 시료는 다시 쟈로 이송되거나 폐기되는 시스템으로 운영된다.
- 수온변화 실험은 낙동강 원수를 water-jacket이 이 설치된 2 L 용량의 스테인레스 재질의 jar에 투입한 후 water bath (Daehan Lab, South Korea)와 chiller (Büchi, Recirculating chiller B-740, Switzerland)를 사용하여 원하는 온도로 수온을 조절한후 실험을 진행하였다.
- 응집실험(기존 및 강화응집)은 2 L 용량의 jar를 사용하여 jar-tester (Phipps & Bird, USA)로 실험하였다. 응집 및 침전조건은 급속혼화의 경우 250rpm으로 1분, 완속혼화는 60rpm 20분으로 하였고, 침전시간은 40분으로 고정하여 실험하였다. 수온변화 실험은 낙동강 원수를 water-jacket이 이 설치된 2 L 용량의 스테인레스 재질의 jar에 투입한 후 water bath (Daehan Lab, South Korea)와 chiller (Büchi, Recirculating chiller B-740, Switzerland)를 사용하여 원하는 온도로 수온을 조절한후 실험을 진행하였다.
- 응집실험(기존 및 강화응집)은 2 L 용량의 jar를 사용하여 jar-tester (Phipps & Bird, USA)로 실험하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 낙동강 원수는 낙동강 하류의 매리취수장에서 취수된 원수를 사용하였으며 실험에 사용된 매리 원수의 성상을 Table 1에 나타내었다. 실험에 사용된 응집제는 Al염계 응집제인 알럼 (Al2(SO4)3·16H2O, Fluka, USA)과 Fe염계 응집제인 철염 (FeCl3·6H2O, Kanto Chemical, Japan)을 사용하였다.
- 실험에 사용된 응집제는 Al염계 응집제인 알럼 (Al2(SO4)3·16H2O, Fluka, USA)과 Fe염계 응집제인 철염 (FeCl3·6H2O, Kanto Chemical, Japan)을 사용하였다.
성능/효과
- 3 (b)와 Fig. 3 (c)의 경우도 Fig. 3 (a)와 거의 유사한 경향을 나타내었으며, 수온이 16℃와 30℃일 때 FSI 값이 정상상태에 도달하는 시간은 알럼의 경우 급속+완속혼화 시간 약 200초 후(16℃)와 약 100초 후(30℃)로 나타난 반면 철염의 경우는 급속+완속혼화 시간 약 250초 후 (16℃)와 약 200초 후(30℃)로 나타나 알럼에 비해 철염의 경우가 플록의 성장속도가 느려 플록의 크기가 정상 상태에 도달하는데 비교적 긴 시간이 필요한 것으로 나타났다. 또한, FSI60과 FSI600의 경우는 수온이 16℃일때 알럼과 철염이 각각 0.
- 1. 수온변화에 따른 급속 및 완속혼화 공정에서의 응집플록의 성장속도 및 크기를 측정한 결과, 4℃∼30℃의 수온변화에서 급속혼화 공정에서의 응집플록의 성장속도(Rv)는 알럼이 철염에 비해 1.8배∼2.8배 빠른 것으로 나타났으나, 완속혼화 공정 후단에서의 응집플록의 크기는 철염을 사용한 경우의 플록크기가 1.1배∼1.3배 정도 큰 것으로 나타났다.
- 2. 수온 16℃에서 응집제 주입량 변화에 따른 급속 및 완속혼화 공정에서의 응집플록의 성장속도 및 크기를 측정한 결과, 응집제 주입량 0.15 mM∼0.25 mM의 조건에서 급속혼화 공정에서의 응집플록의 성장속도(Rv) 는 알럼이 철염에 비해 1.5배∼2.7배 빠른 것으로 나타났으나, 완속혼화 공정 후단에서의 응집플록의 크기는 철염을 사용한 경우의 플록크기가 1.1배∼1.3배 정도 큰 것으로 나타났다
- 3. 수중의 탁도 제거를 위한 최적의 응집제 주입량은 알럼과 철염의 경우 각각 0.1 mM (as Al)과 0.2 mM (as Fe)로 나타났으며, 탁도 제거율은 각각 알럼 94%, 철염 97%로 나타나 철염을 사용한 경우가 탁도 제거에 유리 하였다.
- 4. 수중의 용존 유기물질 제거를 위한 최적의 응집제 주입량은 알럼과 철염의 경우 0.3 mM (as Al, Fe)일 때 용존 유기물질 제거율이 각각 36% 및 44%로 나타나 철 염이 알럼에 비해 수중의 용존 유기물질 제거능이 우수한 것으로 나타났다
- 3 (a ∼c)에 나타내었다. Fig. 3 (a)에 나타낸 수온 4℃의 조건에서의 FSI 변화를 살펴보면 알럼을 투입한 시료에서는 급속+완속혼화 시간 200초 정도에서 FSI 값이 정상 상태(steady-state)에 도달하는 것으로 나타났으며, 철염을 투입한 시료에서는 알럼을 투입한 시료수 보다 FSI 값의 증가가 느리고 완만하게 나타나 급속+완속혼화 시간 300초 이후에 FSI 값이 정상상태(steady-state)에 도달하였다. 또한, 플록의 성장속도가 빠르게 나나는 구간(rapid growth region)와 정상상태 도달 후의 플록의 크기를 나타내는 FSI 값을 비교하여 보면 알럼의 경우 급속혼화 60초 후의 플록 크기(FSI60)와 완속혼화 10분 후의 플록 크기(FSI600)가 각각 0.
- 알럼과 철염 주입량에 따른 탁도와 DOC의 제거경향을 살펴보면 전체적으로 응집제 주입량이 증가할수록 탁도와 DOC의 제거율은 높게 나타나고 있다. Fig. 6 (a)에 나타낸 탁도 제거특성의 경우 응집제 종류에 상관없이 응집제 주입량을 0.05 mM (as Al, Fe) 정도로 주입한 경우에 처리수의 탁도가 거의 90% 이상 제거되는 것으로 나타났고, 응집제 주입량을 0.2 mM (as Al, Fe) 까지 증가시킬수록 탁도 제거율은 증가하였으나 응집제 주입량을 0.2 mM (as Al, Fe) 이상으로 주입한 경우에는 응집제 주입량이 과량으로 주입되어 수중 입자들의 재안정화 현상이 발생하여 미세플럭의 증가에 의해 탁도 제거율이 감소하는 것으로 나타났다. 동일한 응집제 주입량에서 알럼과 철염의 탁도 제거율을 살펴보면 알럼과 철염을 0.
- 2 mM (as Al, Fe) 이상으로 주입한 경우에는 응집제 주입량이 과량으로 주입되어 수중 입자들의 재안정화 현상이 발생하여 미세플럭의 증가에 의해 탁도 제거율이 감소하는 것으로 나타났다. 동일한 응집제 주입량에서 알럼과 철염의 탁도 제거율을 살펴보면 알럼과 철염을 0.1 mM 주입하였을 경우의 탁도 제거율은 각각 94% 및 93%로 거의 유사한 제거율을 나타내었으며, 0.2 mM의 농도로 주입한 알럼과 철염을 주입한 경우는 각각의 제거율이 각각 94% 및 97%로 나타나 알럼은 추가적인 응집제 투입에 의해 제거율의 상승이 나타나지 않았으나, 철염의 경우는 0.2 mM의 주입농도까지 지속적으로 탁도 제거율이 상승하여 자탁도시 낙동강 하류 원수의 탁도 제거에는 철염계 응집제의 효과가 보다 우수한 것으로 나타났다.
- 22856으로 나타났다. 따라서 혼화단계에서 수온이 증가할수록 FSI 값(플록의 크기)이 크게 나타났고, FSI 값이 정상상태에 도달하는 혼화시간도 단축되었다. 무엇보다도 동일한 응집제 투입농도에서 알럼의 경우는 철염에 비해 응집제 주입 후 플록의 빠른 성장으로 인해 급속혼화 단계에서의 플록의 크기가 철염을 투입한 경우 보다 컸으나, 완속 혼화단계로 접어들어 플록이 크기가 안정화되는 정상상태에서는 알럼을 투입한 경우보다 철염을 투입한 경우의 플록의 크기가 큰 것으로 나타났다
- 3 (a)와 거의 유사한 경향을 나타내었으며, 수온이 16℃와 30℃일 때 FSI 값이 정상상태에 도달하는 시간은 알럼의 경우 급속+완속혼화 시간 약 200초 후(16℃)와 약 100초 후(30℃)로 나타난 반면 철염의 경우는 급속+완속혼화 시간 약 250초 후 (16℃)와 약 200초 후(30℃)로 나타나 알럼에 비해 철염의 경우가 플록의 성장속도가 느려 플록의 크기가 정상 상태에 도달하는데 비교적 긴 시간이 필요한 것으로 나타났다. 또한, FSI60과 FSI600의 경우는 수온이 16℃일때 알럼과 철염이 각각 0.0948과 0.2197 및 0.0451과 0.2496으로 나타났으며, 수온이 30℃일 때 알럼과 철염이 각각 0.1277과 0.2388 및 0.0768과 0.22856으로 나타났다. 따라서 혼화단계에서 수온이 증가할수록 FSI 값(플록의 크기)이 크게 나타났고, FSI 값이 정상상태에 도달하는 혼화시간도 단축되었다.
- 8배로 높게 나타났다. 또한, 동일한 응집제를 사용하였을 경우, 수온이 4℃에서 30℃ 로 증가하면 알럼과 철염의 Rv는 각각 1.8배 및 2.7배 정도 증가하는 것으로 나타나 수온 증가에 따라 철염 응집제의 급속 혼화단계에서의 반응속도 증가가 더 큰 것으로 나타났다
- 0배로 높게 나타났다. 또한, 동일한 응집제를 사용하였을 경우, 응집제 주입량이 0.15 mm에서 0.25 mM로 증가하면 알럼과 철염의 Rv는 각각 4.2배 및 8.6배 정도 증가하는 것으로 나타나 응집제 주입량 증가에 따라 급속 혼화단계에서의 반응속도는 알럼 응집제의 증가비율이 더 크게 나타났다. 수온 16℃에서 알럼과 철염 응집제를 0.
- 3 (a)에 나타낸 수온 4℃의 조건에서의 FSI 변화를 살펴보면 알럼을 투입한 시료에서는 급속+완속혼화 시간 200초 정도에서 FSI 값이 정상 상태(steady-state)에 도달하는 것으로 나타났으며, 철염을 투입한 시료에서는 알럼을 투입한 시료수 보다 FSI 값의 증가가 느리고 완만하게 나타나 급속+완속혼화 시간 300초 이후에 FSI 값이 정상상태(steady-state)에 도달하였다. 또한, 플록의 성장속도가 빠르게 나나는 구간(rapid growth region)와 정상상태 도달 후의 플록의 크기를 나타내는 FSI 값을 비교하여 보면 알럼의 경우 급속혼화 60초 후의 플록 크기(FSI60)와 완속혼화 10분 후의 플록 크기(FSI600)가 각각 0.0784와 0.1668로 나타났으며, 철염의 경우는 FSI60과 FSI600이 각각 0.0379와 0.2140으로 나타나 급속혼화 단계에서는 알 럼을 응집제로 사용한 경우가 플록의 성장이 빠르게 나타나는 반면 완속혼화 단계에서는 철염을 응집제로 사용하였을 경우가 플록의 성장에 유리하다는 것을 의미한다.
- 따라서 혼화단계에서 수온이 증가할수록 FSI 값(플록의 크기)이 크게 나타났고, FSI 값이 정상상태에 도달하는 혼화시간도 단축되었다. 무엇보다도 동일한 응집제 투입농도에서 알럼의 경우는 철염에 비해 응집제 주입 후 플록의 빠른 성장으로 인해 급속혼화 단계에서의 플록의 크기가 철염을 투입한 경우 보다 컸으나, 완속 혼화단계로 접어들어 플록이 크기가 안정화되는 정상상태에서는 알럼을 투입한 경우보다 철염을 투입한 경우의 플록의 크기가 큰 것으로 나타났다
- 46 NTU로 나타나 플록이 성장해 나가는 초기에는 알럼을 사용한 경우가 응집침전에 의한 탁도의 제거율이 높았다. 알럼과 철염을 주입한 후 300초간 급속+완속혼화하여 침전시킨 경우의 잔류탁도는 각각 0.33 NTU 및 0.24 NTU로 나타나 철염을 응집제로 사용한 경우가 응집-침전효율이 높게 나타났다. 이는 Fig.
- 알럼을 사용한 경우보다 철염을 사용한 경우가 전체 분자량대에서 제거율이 높게 나타났으며, 1 kDa 미만의 용존 유기물질들은 거의 응집에 의해 제거되지 않았으나 1∼3 kDa의 경우 알럼과 철염에 의한 제거율이 각각 37% 및 42%로 나타났으며, 3∼10 kDa의 경우는 각각 57% 및 71%, 10 kDa 이상의 용존 유기물질의 제거율은 알럼과 철염에 의한 제거율이 각각 43% 및 52%로 나타났다
- 8 (b)에는 응집-침전 후 수중의 친/소수성 유기물질의 분포를 나타내었다. 원수에는 소수성과 친수성 유기물질의 구성비율이 소수성이 약 60%, 친수성 유기물이 약 40% 정도였으며, 알럼과 철염에 의한 응집-침전 제거율이 소수성의 경우 각각 36%와 41%로 나타났으며, 친수성 유기물질의 경우는 각각 9%와 17%로 나타나 친/소수성 유기물질의 제거율도 철염 응집제가 알럼을 응집제로 사용한 경우보다 높게 나타났다.
- 응집제 주입량 변화에 따른 Rv 변화의 경우는 응집제 주입량이 0.15 mM에서 0.25 mM로 증가할 경우, 철염의 Rv는 0.0011 sec-1에서 0.0072 sec-1로 증가하였으며, 알럼의 경우는 0.0017 sec-1에서 0.0146 sec-1로 증가하여 철염을 응집제로 사용한 경우에 비해 알럼을 응집제로 사용한 경우의 Rv가 응집제 주입량 0.15 mM일 때 1.5배에서 응집제 주입량 0.25 mM일 때 2.0배로 높게 나타났다. 또한, 동일한 응집제를 사용하였을 경우, 응집제 주입량이 0.
- 4 (a, b)에 나타내었다. 응집제 투입농도가 증가할수록 혼화단계에서의 플록의 성장속도는 점점 빨라졌으며, 플록의 성장이 완속혼화 단계에서 플록의 성장이 정상상태에 도달하였을 때의 플록의 크기를 나타내는 FSI600의 경우도 응집제 투입농도 0.015 mM과 0.025 mM일 때 알럼과 철염이 각각 0.2070과 0.2856 및 0.2263과 0.3676으로 나타나 응집제 투입농도가 증가할수록 철염과 알럼의 FSI600 값의 크기의 차이도 점점 증가하였다.
- 3 mM (as Al, Fe)까지 지속적으로 제거율이 증가하고 있으며, 알럼에 비하여 철염을 사용한 경우가 제거율이 상대적으로 높게 나타나고 있다. 철염을 0.15 mM (as Al, Fe)의 농도로 주입하였을 경우의 DOC 제거 율은 32%로 나타났고, 알럼의 경우는 DOC 제거율이 25%로 나타나 알럼을 사용한 경우에는 철염에 비해 상대적으로 낮은 제거율을 나타내었다.
- 7에 나타내었다. 초기 원수의 탁도는 9.2 NTU 로 알럼과 철염을 주입한 후 100초 동안 급속+완속혼화 하여 침전시킨 수중의 잔류탁도는 0.74 NTU 및 0.88 NTU였으며, 200초간 급속+완속혼화하여 침전시킨 경우의 잔류탁도는 0.44 NTU 및 0.46 NTU로 나타나 플록이 성장해 나가는 초기에는 알럼을 사용한 경우가 응집침전에 의한 탁도의 제거율이 높았다. 알럼과 철염을 주입한 후 300초간 급속+완속혼화하여 침전시킨 경우의 잔류탁도는 각각 0.
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