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문제 정의
- 본 연구는 RSM을 이용하여 응집-혼화 공정으로부터 터널폐수 내 TSS제거에 대한 주요 환경인자들의 (Al2(SO4)3농도, pH, 온도) 영향성을 분석하고 최적 조건을 도출하고자 하였다. 추정된 모델식은 유의확률이 p≺0.
- 본 연구는 응집-혼화공정을 이용한 터널폐수내 총 부유물질 (TSS: Total Suspended Solids) 제거에 영향을 미치는 인자 (응집제 주입량, pH, 온도)에 대한 통계학적 해석, 모델식 구축 및 반응조건의 최적 값을 제시하는데 목적을 두고 Box-Behnken법을 이용하여 실험을 수행하였다.
제안 방법
- Jar–test는 0.5 L 용량의 합성폐수를 1 L 비커에 담고 8% 황산알루미늄 (alum) 용액을 주입하여 급속교반 (150 rpm–1분), 완속교반 (20 rpm–5분) 순으로 진행한 후 10분간 침전을 시킨 뒤 상징액 50 ml를 채취하여 수질분석을 실시하였다 (Jar–tester, Model J–JT6S).
- 89로 디자인 공간을 탐색하는데 사용할 수 있는 것으로 판단되어졌다. RSM을 통해 얻어진 모델식의 오차 항에 대한 잔차분석을 통하여 모델의 적합 정도를 판단하였다 (Fig. 1). 제시된 모델은 정규 확률도에서 모든 데이터들이 잔차 –2와 2 사이에서 직선적으로 분포됨에 따라 정규분포를 나타내었고 (Fig.
- 계절 (4℃:겨울철; 14℃:봄·가을철; 24℃:여름철)변화에 따라 주요인자인 alum 주입량과 pH가 터널폐수의 응집-혼화공정에 의한 TSS 제거율에 미치는 영향을 3차원 반응 표면과 2차원 등고선 평면도를 통해 살펴보았다 (Fig. 3).
- 통계적으로 인자간 상호작용을 고려하면서 응집효율과 응집제 주입량, pH, 온도가 미치는 영향을 확인하여 최적의 인자조건을 결정하기 위해 RSM을 실시하였다. 인자는 응집제 주입량(X1), pH(X2), 온도(X3)로 정하여 실험범위를 Table 2와 같이 설정 후 +1, 0, -1과 같이 3단계 부호화하였다.
- 현장의 부득이한 사정으로 지속적인 원수 취수가 어려워 응집-혼화 실험은 합성폐수를 제조하여 진행하였다. 합성폐수는 현장 인근 바닷물과 지하수를 현장 실폐수 염분 농도와 유사하게 되도록 혼합한 후 굴착현장에서 채취한 슬러지 및 부유물질을 주입하여 Table 1과 같은 성상으로 조성하였다.
- 현장의 부득이한 사정으로 지속적인 원수 취수가 어려워 응집-혼화 실험은 합성폐수를 제조하여 진행하였다. 합성폐수는 현장 인근 바닷물과 지하수를 현장 실폐수 염분 농도와 유사하게 되도록 혼합한 후 굴착현장에서 채취한 슬러지 및 부유물질을 주입하여 Table 1과 같은 성상으로 조성하였다.
- 화학적 산소요구량 (CODMn), 총질소 (TN; Total Nitrogen), 총인 (TP; Total Phosphorus), 알루미늄 (Al), 망간 (Mn), 철 (Fe(Total))농도는 HUMAS社의 HS-2300 Plus를 이용하여 분석하였다. 총부유물질 (TSS: Total Suspended Solids)과 생화학적 산소요구량 (BOD5)은 Standard Methods에 준하여 분석하였고(Eaton et al, 2005), 탁도는 Hach社의 2100A Turbidity meter, pH와 염도는 TOA-DKK 社의 To-A pH meter (HM-21P)와 ATAGO 社의 PR-100 SA를 사용하여 각각 측정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 대상으로 한 터널폐수는 B시 Y구 전력구 공사현장에서 취수하여 조사하였다. 현장폐수 성상은 굴착 깊이에 따른 암반의 종류와 부유물질 침전차이로 인해 부유물질 농도(264-1,084 mg/L)와 탁도 (222-1,057 NTU)범위가 크게 발생되었다 (Lee et al.
이론/모형
- 실험계획은 Table 3과 같이 Box–Behnken법에 따라 17개 조건을 설정하여 jar–test를 진행하였으며 실험결과는 Design–expert 7을 이용하여 분석하였다.
- ), 총질소 (TN; Total Nitrogen), 총인 (TP; Total Phosphorus), 알루미늄 (Al), 망간 (Mn), 철 (Fe(Total))농도는 HUMAS社의 HS-2300 Plus를 이용하여 분석하였다. 총부유물질 (TSS: Total Suspended Solids)과 생화학적 산소요구량 (BOD5)은 Standard Methods에 준하여 분석하였고(Eaton et al, 2005), 탁도는 Hach社의 2100A Turbidity meter, pH와 염도는 TOA-DKK 社의 To-A pH meter (HM-21P)와 ATAGO 社의 PR-100 SA를 사용하여 각각 측정하였다.
성능/효과
- RSM 분석결과로부터 각 해당 계절별 최적 TSS 제거 조건을 찾아본 결과 겨울철 (주입량 13.12 mg/L; pH :8.13) (Fig. 3a), 봄·가을철 (주입량 12.67 mg/L; pH 7.82) (Fig. 3b), 여름철 (주입량 12.04 mg/L; pH 7.63) (Fig. 3c) 로 각기 다르게 나타나, 온도변화에 따른 응집제 주입량과 pH 인자들 간의 상호영향성을 확인할 수 있었다.
- 2b). pH가 산성이나 알칼리성 수준으로 이동할 경우 TSS 제거율이 감소되는 것을 확인할 수 있었는데 산성 조건에서의 변화 폭이 더 크게 나타났다. 알루미늄 응집제는 물에 용해될 때 pH 가 감소하면 할수록 Al3+ 형태의 이온농도로 존재하게 된다 (Kang et al.
- 3). 계절별 응집-혼화 공정에 의한 TSS 제거효율 변화를 2차원 등고선 평면도로 비교해보았을 때 겨울철 (Fig. 3a)에 TSS 제거효율이 약 80% 초반을 의미하는 파란색 분포가 pH 6.0 이하와 alum 4.38 mg/L 이하 범위에 나타났고, 90%이상의 TSS 제거효율을 의미하는 노란-빨간색 분포는 상대적으로 봄, 여름, 가을철 조건에서 넓게 분포하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 수온이 상승하게 되면 수화 반응이 촉진되며 입자들의 열운동이 증가하여 입자의 충돌 빈도수가 증가하기 때문에 응집 효과가 증대된 것으로 판단된다 (Kang et al.
- 반응모델의 인자들에 대한 주 효과에 대한 유의성 검정결과 Al2(SO4)3 주입량과 pH가 선형조건에서 폐수 내 TSS 제거 효율에 가장 큰 영향을 주는 것으로 확인되었다. 계절이 여름철로 변할 때 (수온이 상승할 때) TSS 제거율에 대한 최적 Al2(SO4)3주입량과 pH 값은 감소되는 것으로 예측되었다. 따라서 여름철에는 주입을 다소 감소시키고 겨울철에는 증가시키는 즉, 계절변화에 따른 Al2(SO4)3 응집제와 NaOH 응집보조제의 적절한 조절을 통한 응집혼화공정의 TSS 제거효율 관리가 요구되는 것으로 판단되었다.
- 2a). 따라서 Al2(SO4)3주입량이 약 10 mg/L 정도일 때 충분히 터널폐수내의 고형입자들을 플록형태로 제거할 수 있다고 판단되어졌다. pH 인자의 경우 이전 연구 결과처럼 중성 조건 (pH 7.
- 0 (at 35℃)으로 저온에서 보다 높은 pH 값을 얻는다 (Edzwald and Haarhoff, 2011). 따라서 계절이 여름철로 변할 때 (수온이 상승할 때) alum 응집제와 수산화나트륨 같은 pH 조절제의 주입을 감소시키는 것이 응집-혼화 공정의 고형물질 제거 효율 증대에 도움이 될 것으로 판단되었다.
- 계절이 여름철로 변할 때 (수온이 상승할 때) TSS 제거율에 대한 최적 Al2(SO4)3주입량과 pH 값은 감소되는 것으로 예측되었다. 따라서 여름철에는 주입을 다소 감소시키고 겨울철에는 증가시키는 즉, 계절변화에 따른 Al2(SO4)3 응집제와 NaOH 응집보조제의 적절한 조절을 통한 응집혼화공정의 TSS 제거효율 관리가 요구되는 것으로 판단되었다.
- 특히 pH조건이 낮아질수록 겨울철 경우 alum 주입 요구량이 증가하였으며, 여름철에는 겨울철과 반대로 alum 주입 요구량이 감소되었다. 또한 TSS 제거 효율을 동일 하게 얻기 위한 겨울철과 여름철의 alum 주입량 차이는 pH가 낮아질수록 더욱 두드러지게 나타났다 (pH 8.0에서 TSS 제거율 약 91% 달성을 위해 여름철, 겨울철의 alum 주입량이 약 7 mg/L 으로 유사하게 나왔으나, pH가 6.0으로 감소되면서 TSS 제거율 약 89% 달성을 위해 겨울철 주입량은 약 10 mg/L 이상으로 증가되었고 여름철은 약 4.3 mg/L으로 감소되어 두 계절간의 주입량 차이가 상당히 커진 것을 볼 수 있었다.). 이는 해수 내 alum 응집제의 최소 용해도 값이 pH가 낮아질수록 저온에서 고온보다 높아지기 때문인 것으로 보였다 (Edzwald and Haarhoff, 2011).
- 0001으로서 높은 유의수준을 보였고, 반응모델의 오차항에 대한 잔차분석 결과는 정규성, 등분산성, 독립성 및 선형성을 모두 만족하여 모형에 문제가 없는 것으로 나타났다. 반응모델의 인자들에 대한 주 효과에 대한 유의성 검정결과 Al2(SO4)3 주입량과 pH가 선형조건에서 폐수 내 TSS 제거 효율에 가장 큰 영향을 주는 것으로 확인되었다. 계절이 여름철로 변할 때 (수온이 상승할 때) TSS 제거율에 대한 최적 Al2(SO4)3주입량과 pH 값은 감소되는 것으로 예측되었다.
- 실험인자의 수준변경에 따른 TSS 제거율에 대한 이들의 영향을 선형 및 비선형 효과의 차이를 계산하여 판단한 결과 (Fig. 2), 응집제 Al2(SO4)3는 초기 수준에서 주입량이 증가할수록 TSS 제거율이 점차 증가하다가 10.21 mg/L 이상 주입량부터는 제거율 93%에서 더 이상 증가되지 않았다 (Fig. 2a). 따라서 Al2(SO4)3주입량이 약 10 mg/L 정도일 때 충분히 터널폐수내의 고형입자들을 플록형태로 제거할 수 있다고 판단되어졌다.
- , 2012). 적합성 결여검증 (Lack of Fit)도 0.326 (p≻0.05)로 만족하였으며, 회귀모델의 유효성과 정확성을 판단하는데 기여하는 결정계수 (R2) 값은 0.93으로 종속변수의 93% 확률로 설명이 가능한 높은 상관관계를 보였다. Adeq.
- 제시된 모델은 정규 확률도에서 모든 데이터들이 잔차 –2와 2 사이에서 직선적으로 분포됨에 따라 정규분포를 나타내었고 (Fig. 1a), 잔차-적합치의 경우 잔차분포가 대부분 –1과 1 사이에 들어오면서 0에 근접하여 분포된 것을 확인할 수 있었다 (Fig. 1b).
- 농도, pH, 온도) 영향성을 분석하고 최적 조건을 도출하고자 하였다. 추정된 모델식은 유의확률이 p≺0.0001으로서 높은 유의수준을 보였고, 반응모델의 오차항에 대한 잔차분석 결과는 정규성, 등분산성, 독립성 및 선형성을 모두 만족하여 모형에 문제가 없는 것으로 나타났다. 반응모델의 인자들에 대한 주 효과에 대한 유의성 검정결과 Al2(SO4)3 주입량과 pH가 선형조건에서 폐수 내 TSS 제거 효율에 가장 큰 영향을 주는 것으로 확인되었다.
- 01 이하로서 통계적으로 유의하였으나, 온도 (X3)는 유의하지 않았다. 특히 본 선형조건에서는 응집제 (alum) 주입량이 TSS 제거효율(Y)에 가장 큰 영향을 주는 것으로 나타났다. 순수이차 (quadratic)항은 pH (X2)만 높은 유의성이 나타났으며 다른 인자들은 순수이차 항에 대해서 큰 영향을 주지 못하였다.
- 히스토그램 데이터가 특정 방향으로 치우치는지 여부를 살펴본 결과 정형적인 정규분포를 보여주고 있었으며 (Fig. 1c), 잔차-데이터 순서의 경우 관측치 6번과 12번을 제외한 대부분 관측치에서 잔차분포 –1과 1사이에 데이터들이 분포되고 있는 것을 확인할 수 있었다 (Fig. 1d).
후속연구
- 이는 해수 내 alum 응집제의 최소 용해도 값이 pH가 낮아질수록 저온에서 고온보다 높아지기 때문인 것으로 보였다 (Edzwald and Haarhoff, 2011). 본 RSM 결과에서 볼 수 있듯이 응집-혼화공정을 이용한 최적의 TSS 제거효율을 위해주요 공정인자는 계절변화에 따라 각기 다른 적정한 조건으로 운영되어야 할 것으로 평가되었다.
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