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문제 정의
- 이때, Jar-test 이후에 대상 시료는 floc이 깨지지 않도록 균일하게 혼합하였다. 또한, 슬러지에 주입할 응집제는 floc 크기에 따른 침강특성에 대한 뚜렷한 결과를 비교하기 위해서 PAC 응집제보다는 다양한 크기의 floc을 형성 시킬 수 있는 C-210P 응집제를 활용하여 최적 주입량을 기준으로 floc 크기의 변화와 그에 따른 침강성의 변화를 비교하는 목적으로 본 실험을 수행하였다.
- 본 연구는 무기 및 유기 응집제를 활용하여 단일과 이액 주입 방식을 적용한 하수슬러지와 응집제 반응 특성으로부터 침강성과 탈수 효율을 고찰하고자 하였다.
- 본 연구는 응집제와 슬러지와의 반응으로부터 형성된 floc의 크기 및 침강성이 탈수 성능에 미치는 영향을 알아보기 위해 수행하였다.
- 본 연구는 하수슬러지와 무기 및 양이온성 유기 응집제와의 반응으로부터 형성된 입자의 크기 및 침강성이 탈수성에 미치는 영향에 관하여 연구를 수행하였으며 연구 결과는 다음과 같다.
- 최종적으로 floc의 크기 및 침강특성을 비교하였으며, 유기 응집제에 의해 형성된 floc의 크기는 모눈종이를 이용한 대략적인 측정뿐만 아니라 침강성 실험으로서 보충하였다. 이에 따른 결과로부터 탈수효율에 미치는 영향을 평가하였다. 또한 탈수성 실험에서 점도측정(SEKONIC Co, VM-300 model)과 단일 응집제 주입방식 이외에 무기응집제와 유기응집제를 모두 활용한 이액주입 방식의 탈수 효율을 비교하였다.
제안 방법
- 3) 단일 및 이액 주입 방식으로부터 응집제 주입 농도에 따른 탈수성 효율을 비교하기 위해 SRF 실험을 수행하였다. 무기응집제에 의한 슬러지의 표면 전하 중화와 유기 응집제의 응집 반응 특성을 분석 한 결과, 최적 주입 농도의 단일 무기 응집제를 주입한 조건보다 이액 방식으로 주입한 경우가 최대 75% 까지 효율을 보였다.
- PAC 및 C-210P 응집제에 대한 각각의 단일 주입 방식과 PAC 응집제를 선반응 시킨 후 C-210P 응집제를 주입하는 이액 주입 방식을 통하여 주입 방식에 따른 탈수 특성을 조사하였다. 이액 주입 방식은 Zeta 전위 결과로부터 얻은 PAC 응집제의 최적 농도 값을 고정하고 이에 따른 C-210P 응집제 농도 변화 실험을 통해 SRF 결과 값을 얻었다.
- Table 3에 C-210P 응집제의 주입 농도에 따른 SVI 및 SDI 값을 비교한 결과 두 지표 모두 양호한 범위 안의 값을 나타내며 이로부터 최적 응집제 농도 조건 기준에서 그 이하 또는 이상의 주입량의 경우 양호한 침강 및 응집성을 가짐을 알 수 있었다. SVI 및 SDI 측정 외 고형물 flux 값을 산출하여 침강 특성을 분석하였다. 고형물 flux는 단위 시간 동안에 단위 면적 당 고형물 이동량을 말하며, 고형물 농도를 변화에 따른 일련의 침강 실험을 통해 얻어진 자료부터 얻을 수 있다.
- 이에 따른 결과로부터 탈수효율에 미치는 영향을 평가하였다. 또한 탈수성 실험에서 점도측정(SEKONIC Co, VM-300 model)과 단일 응집제 주입방식 이외에 무기응집제와 유기응집제를 모두 활용한 이액주입 방식의 탈수 효율을 비교하였다. 이액주입 방식의 실험방법은 무기응집제를 200rpm에서 1min 동안 선반응 시킨 후, 유기응집제를 주입하여 동일한 교반 조건 후에 50rpm에서 5min간 완속교반을 수행하였다.
- 응집제 종류 및 주입 방식에 따른 슬러지의 탈수성 효율을 알아보기 위해 SRF(Specific Resistance of Filtration, 비여과저항) 실험을 수행하였다. 또한, SRF 탈수 실험에 영향을 줄 수 있는 중요 요인 중 탈수성 평가를 위한 비교 인자로서 점도를 측정하였다.
- 본 논문에서는 입자를 포함한 현탁액의 침강성 실험을 메스실린더를 이용하여 0-200min동안 5-10min 간격마다 floc의 침강 부피를 측정함으로서 일정 시간 동안 floc의 침강 부피(mL)를 측정하는 방법으로 구성하였다. 이때, Jar-test 이후에 대상 시료는 floc이 깨지지 않도록 균일하게 혼합하였다.
- 본 연구에서는 슬러지 고형물 농도에 따른 고형물 flux가 아닌 0-200min 범위에서의 각 침강 속도를 구하여 침강 시간에 따른 고형물 flux 관계를 통해 침전되는 응집 입자의 이동량을 계산하였다. 이 때, C-210P 2, 5.
- 본 연구에서의 대상 시료에 대한 응집제 종류 및 주입량 별에 따른 최적 응집 조건을 도출하기 위하여 상징수에 대한 Zeta 전위를 측정함으로서 최적 응집제 주입 농도를 결정하였다. Zeta 전위는 용액 속에 존재하고 있는 콜로이드 입자의 표면 전기적 특성을 나타내는 전위 값으로, 값이 클수록 입자 사이의 정전기적 반발력으로 인하여 응집이 이루어지지 않는 반면 ‘0’에 가까울수록 큰 응집을 형성하게 된다.
- , 2012). 슬러지와 무기 및 유기응집제의 최적 응집제 주입농도를 결정하기 위해 Jar-test 실험을 수행하였고, 30min 방치 후 상징수의 Zeta 전위를 분석하였다(Brookhaven Co, Zetaplus model). 응집 전-후 시료의 성상변화를 알아보기 위해 온도, pH, 알칼리도를 측정하였고.
- 따라서 Zeta 전위를 통해 용액에 존재하는 입자의 안정성을 측정할 수 있기 때문에 수 처리에 있어서 응집 공정의 효율을 평가하는 지표라 할 수 있다. 시료 200 mL 당 PAC는 0.1-1.5 mL와 C-210P의 경우는 2-8 mL의 응집제를 각각 첨가한 후 생성된 floc의 침강으로부터 상징수를 취하여 Zeta 전위를 측정하였다.
- 1과 같고, 교반 조건은 Table 1에 나타내었다. 실험조건은 대상 시료 200 mL에 응집제 종류별로 주입량의 변화를 주었으며, 응집제의 점도를 고려하여 주사기로 정확한 주입량을 주입하였다.
- 양이온성의 유기 응집제는 Y 화학에서 제공하는 ‘C-210P’라는 중양이온성의 분말형 응집제를 사용하였으며 하수도 설계 기준(KWWA, 2011)에 따라 슬러지 개량을 위한 농도 범위인 0.2%를 적용시켜 실험을 진행하였다.
- 1 filter paper (Ф 47mm)를 사용하였다. 여과지를 buchner funnel 위에 증류수를 이용하여 밀착시키고, Jar-test 이후 응집된 슬러지를 floc이 깨지지 않도록 균일하게 혼합하여 여과하였으며, 여액량에 따른 시간을 기록하였다. 초기 여과시점은 진공펌프를 작동 했을 때 일정한 압력이 유지되는 시점으로 정하였으며, 여액이 분당 1 mL 이상 떨어지지 않을 경우 측정을 완료하였다.
- 슬러지와 무기 및 유기응집제의 최적 응집제 주입농도를 결정하기 위해 Jar-test 실험을 수행하였고, 30min 방치 후 상징수의 Zeta 전위를 분석하였다(Brookhaven Co, Zetaplus model). 응집 전-후 시료의 성상변화를 알아보기 위해 온도, pH, 알칼리도를 측정하였고. 최종적으로 floc의 크기 및 침강특성을 비교하였으며, 유기 응집제에 의해 형성된 floc의 크기는 모눈종이를 이용한 대략적인 측정뿐만 아니라 침강성 실험으로서 보충하였다.
- 응집제 종류 및 주입 방식에 따른 슬러지의 탈수성 효율을 알아보기 위해 SRF(Specific Resistance of Filtration, 비여과저항) 실험을 수행하였다. 또한, SRF 탈수 실험에 영향을 줄 수 있는 중요 요인 중 탈수성 평가를 위한 비교 인자로서 점도를 측정하였다.
- PAC 및 C-210P 응집제에 대한 각각의 단일 주입 방식과 PAC 응집제를 선반응 시킨 후 C-210P 응집제를 주입하는 이액 주입 방식을 통하여 주입 방식에 따른 탈수 특성을 조사하였다. 이액 주입 방식은 Zeta 전위 결과로부터 얻은 PAC 응집제의 최적 농도 값을 고정하고 이에 따른 C-210P 응집제 농도 변화 실험을 통해 SRF 결과 값을 얻었다.
- 또한 탈수성 실험에서 점도측정(SEKONIC Co, VM-300 model)과 단일 응집제 주입방식 이외에 무기응집제와 유기응집제를 모두 활용한 이액주입 방식의 탈수 효율을 비교하였다. 이액주입 방식의 실험방법은 무기응집제를 200rpm에서 1min 동안 선반응 시킨 후, 유기응집제를 주입하여 동일한 교반 조건 후에 50rpm에서 5min간 완속교반을 수행하였다.
- 일반적인 슬러지의 침강성을 측정할 수 있는 방법으로 SVI (Sludge Volume Index) 및 SDI (Sludge Density Index) 값을 또한 구하였다. 일반적으로 SVI는 50-150 범위에서, SDI는 0.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 시료는 경기도에 위치한 J 하수종말 처리장의 2차 침전지에서 발생한 잉여슬러지를 직접 채취하여 사용하였으며, 슬러지의 변질을 방지하기 위해 즉시 실험을 수행하였고, 여분의 시료는 항온 냉장실에 보관하였다.
- 응집제는 본 연구에 사용된 슬러지에 적합한 응집제로서 정수 및 하수 처리장에서 보편적으로 많이 쓰이는 알루미늄계열의 PAC (Ploy Aluminium Chloride, Al2O3 17%) 응집제와 양이온성의 유기 폴리머 응집제를 사용하였다. 무기응집제는 10배 희석하였고, 희석된 용액의 pH와 점도(mPa･s) 는 각각 pH 3.
데이터처리
- 대상 슬러지와 응집제의 응집 반응 특성과 최적 주입량을 도출하기 위해 bench scale 방식의 Jar-test를 수행하였다. Jar-tester에 대한 교반기 paddle의 기본구조는 Fig.
이론/모형
- 본 연구의 분석은 Standard Method를 적용하여 수행하였다(Eugene et al., 2012). 슬러지와 무기 및 유기응집제의 최적 응집제 주입농도를 결정하기 위해 Jar-test 실험을 수행하였고, 30min 방치 후 상징수의 Zeta 전위를 분석하였다(Brookhaven Co, Zetaplus model).
- 탈수성 실험은 SRF 방법을 적용하여 실험실에서 손쉽게 할 수 있는 buchner funnel 여과법으로 구성하였고 여과지는 Whatman No. 1 filter paper (Ф 47mm)를 사용하였다.
성능/효과
- PAC 응집제 주입량에 따른 pH와 알칼리도 변화량을 살펴보면 그래프 (a)에서 보여주듯이 주입량 0.5 mL (Al 26 mg/L)에서 주입량을 증가할수록 pH가 4.4까지 감소하였으며, pH 감소와 더불어 알칼리도 값 또한 큰 감소폭으로 변화함을 알 수 있었다. 반면, C-210P 응집제 농도에 따른 pH와 알칼리도의 그래프 (b)는 비교적 pH 값이 일정하며, 실제 약 pH 평균 7.
- 1) 최적 응집제 주입 농도를 결정하기 위해 각 응집제별 주입량에 따른 Jar-test를 실험한 후 상징수로부터 Zeta 전위를 측정한 결과, PAC는 0.5 mL (Al 26 mg/L), 0.2% C-210P는 5.5 mL (55 mg/L) 로 결정되었다. 또한, 응집제와 슬러지와의 반응 전･후 pH 및 알칼리도 측정 결과, C-210P 응집제는 일정한 양상을 보인 반면 PAC 응집제는 감소하는 경향을 보였다.
- 2) 응집제 종류별 슬러지와의 응집 반응 결과, 유기 응집제를 주입한 경우가 확연하게 floc을 크게 형성하였음을 보였다. 유기 응집제의 침강 특성은 SVI와 SDI 값으로부터 양호한 침강성 및 응집성을 가짐을 확인하였으며 침강 시간에 따른 고형물 flux 관계로부터 응집제 주입량이 많을수록 침강 속도가 크다는 것을 알 수 있었다.
- PAC 응집제보다 C-210P 응집제의 탈수성이 좋게 나타났으며, 최적 응집 조건에서의 탈수성은 각각 SRF (r, m/kg)값이 1.16×1012 (PAC 0.5 mL), 3.14×1011 (C-210P 5.5 mL)로 C-210P 응집제가 높은 탈수성을 보여주었다.
- 67 범위가 적당하다. Table 3에 C-210P 응집제의 주입 농도에 따른 SVI 및 SDI 값을 비교한 결과 두 지표 모두 양호한 범위 안의 값을 나타내며 이로부터 최적 응집제 농도 조건 기준에서 그 이하 또는 이상의 주입량의 경우 양호한 침강 및 응집성을 가짐을 알 수 있었다. SVI 및 SDI 측정 외 고형물 flux 값을 산출하여 침강 특성을 분석하였다.
- 결과적으로 30min 이전의 각 주입량에 따른 그래프의 기울기를 비교하면 floc의 크기가 클수록 침강성이 좋지만, floc이 최종 시간까지 침강한 전체 침강 체적 부피는 주입량이 5.5 mL < 8 mL < 2 mL 순서로 초기(t=0) 보다 침강이 많이 이루어졌으며 floc 크기와 비교했을 때 상관성이 없는 결과라 할 수 있다.
- 그 결과 Fig. 7에 나와 있듯이 초기의 고형물 flux 값과 침강 시간이 지남에 따른 고형물 flux 변화로부터 응집 입자가 침강되는 이동량의 폭이 응집제 주입량이 많을수록 크다는 것을 알 수 있었다. 이에 대한 주된 영향 요인은 침강 속도의 차이일 것으로 판단되어지며, 전체적으로 양호한 SVI 및 SDI 값과 고형물 flux를 고려했을 때, 본 연구에서는 양이온 고분자 응집제를 최적 주입량에 상관없이 형성된 floc 크기가 클수록 일시적인 순간의 침강 속도는 좋지만, 전반적으로 여러 환경 조건을 무시하고 floc 크기만을 침강효율의 영향 요소로 분석하기에는 어려움이 있다는 것을 확인하였다.
- 2에 나타내었다. 그 결과 PAC 응집제는 0.5 mL (Al 26 mg/L), C-210P는 5.5 mL (55 mg/L) 주입량에서 Zeta 전위 값이 0 mV에 가깝게 수렴하였으며, 이때의 농도를 최적 주입량으로 결정하였다.
- 5 cm 크기의 floc을 형성하였다. 또한 무기 응집제와 유기 응집제를 이용한 이액 주입 방식은 유기 응집제를 단독으로 주입했을 때 보다 floc의 크기는 크지 않지만, 유기 응집제 주입에 의하여 크기 분별이 가능할 정도로 floc이 형성되었음을 판단할 수 있다.
- 무기응집제에 의한 슬러지의 표면 전하 중화와 유기 응집제의 응집 반응 특성을 분석 한 결과, 최적 주입 농도의 단일 무기 응집제를 주입한 조건보다 이액 방식으로 주입한 경우가 최대 75% 까지 효율을 보였다. 또한, 각 응집제 주입 종류별로 나타난 최소 SRF 값을 기준으로 비교했을 때, 무기<이액<유기 응집제 주입 순으로 높은 탈수성 결과를 얻을 수 있었다.
- 5 mL (55 mg/L) 로 결정되었다. 또한, 응집제와 슬러지와의 반응 전･후 pH 및 알칼리도 측정 결과, C-210P 응집제는 일정한 양상을 보인 반면 PAC 응집제는 감소하는 경향을 보였다.
- 3) 단일 및 이액 주입 방식으로부터 응집제 주입 농도에 따른 탈수성 효율을 비교하기 위해 SRF 실험을 수행하였다. 무기응집제에 의한 슬러지의 표면 전하 중화와 유기 응집제의 응집 반응 특성을 분석 한 결과, 최적 주입 농도의 단일 무기 응집제를 주입한 조건보다 이액 방식으로 주입한 경우가 최대 75% 까지 효율을 보였다. 또한, 각 응집제 주입 종류별로 나타난 최소 SRF 값을 기준으로 비교했을 때, 무기<이액<유기 응집제 주입 순으로 높은 탈수성 결과를 얻을 수 있었다.
- 5 mL)로 C-210P 응집제가 높은 탈수성을 보여주었다. 반면 이액 주입 방식은 단일 주입 방식의 응집 조건보다는 응집제 농도 변화에 따른 비저항 계수 r 값의 차이가 크지 않았으며 PAC 0.5 mL(Al 26mg/L) 만 주입하는 경우보다 C-210P 응집제를 후공정으로 주입할 경우가 최소 30%에서 최대 75%까지 높은 효율을 나타내었다. 본 실험 결과로부터 양이온성의 유기 응집제가 탈수성 효율이 높은 이유는 C-210P 응집제로 응집 반응 시킨 결과가 Fig.
- 5 mL, 8 mL에서는 10~30min에서 급격하게 침강하나 30min 이후에는 변화가 없었으며, 200min 까지의 최종 침강 체적 부피율은 85-90% 이였다. 반면, 주입량 2 mL에서는 200min 동안 완만하게 감소하는 경향을 보였고, 최종 침강 체적 부피율은 대략 75% 값으로 상대적으로 주입량 5.5 mL, 8 mL 보다는 10% 정도 이상에 침강이 이루어졌음을 알 수 있었다. 결과적으로 30min 이전의 각 주입량에 따른 그래프의 기울기를 비교하면 floc의 크기가 클수록 침강성이 좋지만, floc이 최종 시간까지 침강한 전체 침강 체적 부피는 주입량이 5.
- 본 논문과 관련하여 타 연구에서는 잉여슬러지를 폴리 아크릴 아미드 계통의 분말 고분자 응집제를 주입하여, 주입 농도 조건하에서 1.25 × 1011 ~ 1.46 × 1010m/Kg 범위의 비저항 값을 얻었으며, 잉여 슬러지와 소화슬러지를 혼합한 경우에는 잉여슬러지의 혼합비가 높을수록 오히려 탈수 성능을 떨어뜨리는 결과가 나타났다(Kim et al., 1998).
- 5 mL(Al 26mg/L) 만 주입하는 경우보다 C-210P 응집제를 후공정으로 주입할 경우가 최소 30%에서 최대 75%까지 높은 효율을 나타내었다. 본 실험 결과로부터 양이온성의 유기 응집제가 탈수성 효율이 높은 이유는 C-210P 응집제로 응집 반응 시킨 결과가 Fig. 5와 Fig. 6, 7에서 알 수 있듯이 큰 입자를 형성함으로서 슬러지 cake 상과 액상 사이에 고액 분리 및 침강성이 좋았기 때문이며 결과적으로 슬러지의 부피 감소와 큰 입자간의 탈수 될 수 있는 큰 공간율로 부터 높은 탈수성 결과가 나온 것이라 판단된다. 또한 무기응집제와 유기 응집제의 이액 방식에서도 PAC 응집제의 선반응으로 인하여 슬러지의 표면전하를 앞서 중화시키고 유기 응집제가 큰 floc으로 성장시키는 응집 반응 mechanism 때문에 PAC 응집제보다는 더 높은 탈수 효과를 나타난 결과로 판단된다(Jung et al.
- 2) 응집제 종류별 슬러지와의 응집 반응 결과, 유기 응집제를 주입한 경우가 확연하게 floc을 크게 형성하였음을 보였다. 유기 응집제의 침강 특성은 SVI와 SDI 값으로부터 양호한 침강성 및 응집성을 가짐을 확인하였으며 침강 시간에 따른 고형물 flux 관계로부터 응집제 주입량이 많을수록 침강 속도가 크다는 것을 알 수 있었다. 그 결과 floc의 크기가 침강성 향상에 직접적인 영향을 준다고 해석하기에는 어려움이 있을 뿐만 아니라 침강성에 관한 본 연구에서의 실험 방법은 이론적으로 침강성에 영향을 줄 수 있는 모든 환경 요인들을 고려한 결과라 평가할 수 없기 때문에, 이에 대해서는 추가적인 다른 연구 방법이 더 필요할 것으로 판단하였다.
- 일정한 pH 값 변화와 관계있듯이 알칼리도 또한 PAC 응집제와는 비교적 일정한 값을 유지하였다. 이를 통해 pH와 알칼리도가 응집 반응의 영향 요인임을 고려했을 때 응집제의 주입량에 따른 pH 및 알칼리도의 영향이 큰 PAC 응집제가 C-210P 응집제 보다 응집효율에 영향을 줄 것으로 판단된다.
- 7에 나와 있듯이 초기의 고형물 flux 값과 침강 시간이 지남에 따른 고형물 flux 변화로부터 응집 입자가 침강되는 이동량의 폭이 응집제 주입량이 많을수록 크다는 것을 알 수 있었다. 이에 대한 주된 영향 요인은 침강 속도의 차이일 것으로 판단되어지며, 전체적으로 양호한 SVI 및 SDI 값과 고형물 flux를 고려했을 때, 본 연구에서는 양이온 고분자 응집제를 최적 주입량에 상관없이 형성된 floc 크기가 클수록 일시적인 순간의 침강 속도는 좋지만, 전반적으로 여러 환경 조건을 무시하고 floc 크기만을 침강효율의 영향 요소로 분석하기에는 어려움이 있다는 것을 확인하였다.
- 농축슬러지의 탈수성 향상에 대한 개선 방법으로 폐지 및 카본을 주입을 하면 SRF 값으로부터 최대 98%의 효율을 얻을 수 있으며(Moon, 2011), 고농도의 축산 폐수는 무기 및 양이온 고분자 응집제의 단독 주입하는 것보다 혼합 적용할 시에 침강성과 탈수성의 높은 효율(Kang and Min, 2002) 등을 보여준다. 타 연구와 다르게, 본 연구에서의 잉여슬러지를 이용한 탈수 효율은 무기 응집제 및 유기 응집제, 혼합 응집제를 사용 했을 경우, 주입한 농도 범위에서의 가장 낮은 SRF 값은 응집제를 주입하지 않은 슬러지의 초기 SRF 값보다 각각 89.71, 99.18, 89.75% 감소 효율의 결과를 얻을 수 있었다.
- 87 mPa･S의 범위로 약 4-7% 정도의 차이 밖에 나지 않기 때문에 탈수성에 미치는 영향력은 높지 않을 것으로 판단된다. 탈수성은 SRF 값이 클수록 나쁨을 의미하므로 응집제의 단일 주입 방식만 비교했을 때 전체적으로 농도가 증가할수록 탈수성이 향상되었다. PAC 응집제보다 C-210P 응집제의 탈수성이 좋게 나타났으며, 최적 응집 조건에서의 탈수성은 각각 SRF (r, m/kg)값이 1.
후속연구
- 유기 응집제의 침강 특성은 SVI와 SDI 값으로부터 양호한 침강성 및 응집성을 가짐을 확인하였으며 침강 시간에 따른 고형물 flux 관계로부터 응집제 주입량이 많을수록 침강 속도가 크다는 것을 알 수 있었다. 그 결과 floc의 크기가 침강성 향상에 직접적인 영향을 준다고 해석하기에는 어려움이 있을 뿐만 아니라 침강성에 관한 본 연구에서의 실험 방법은 이론적으로 침강성에 영향을 줄 수 있는 모든 환경 요인들을 고려한 결과라 평가할 수 없기 때문에, 이에 대해서는 추가적인 다른 연구 방법이 더 필요할 것으로 판단하였다.
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