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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 하천 오염 방지와 하수처리장 방류수 중의 SS, T-P등 오염 부하를 저감하기 위하여 응집제의 염기도를 조절하고 알칼리토금속의 함유 유무가 인 제거에 어떠한 영향을 미치는지 알아보고자 한다. 또한 하수 2차 처리수의 인 제거에 필요한 응집제의 적절한 염기도 선정을 통해 안정적인 방류수 수질기준을 만족시키고 응집제 사용량을 저감하여 하수처리장 운영에 도움이 되고자 한다.
- 따라서, 본 연구에서는 하천 오염 방지와 하수처리장 방류수 중의 SS, T-P등 오염 부하를 저감하기 위하여 응집제의 염기도를 조절하고 알칼리토금속의 함유 유무가 인 제거에 어떠한 영향을 미치는지 알아보고자 한다. 또한 하수 2차 처리수의 인 제거에 필요한 응집제의 적절한 염기도 선정을 통해 안정적인 방류수 수질기준을 만족시키고 응집제 사용량을 저감하여 하수처리장 운영에 도움이 되고자 한다.
- 앞의 연구에서 하수 2차 처리수를 대상으로 응집제의 염기도의 변화를 주어 인에 대한 반응성을 살펴보았다. 본 절에서는 선행된 연구결과를 바탕으로 총인 및 용존성 인 제거를 위한 응집 효율 증대를 위해 낮은 염기도에서 알칼리토금속의 영향을 살펴보았다. Fig.
- PAC 염기도별 인에 대한 반응성을 알아보기 위해 회분식 실험을 수행하였다. 실험에 사용한 응집제는 염기도를 변화한 총 7종 응집제 25ppm을 주입하여 시간대별 인과 반응성을 확인하고자 하였다. 이는 대상 원수를 채수한 하수처리장에서 실제 응집제 주입량이 25ppm으로 운영되고 있어 주입량을 선정 하여 실험하였다.
제안 방법
- PAC 염기도별 인에 대한 반응성을 알아보기 위해 회분식 실험을 수행하였다. 실험에 사용한 응집제는 염기도를 변화한 총 7종 응집제 25ppm을 주입하여 시간대별 인과 반응성을 확인하고자 하였다.
- 염기도에 따른 Al3+종의 변화는 염기도값이 0%로부터 증가할수록 monomeric Al3+종이 polymeric Al3+종으로 전이하다가 percipitate Al3+종으로 전이가 급격하게 이루어진다고 보고되어 지고 있다(한승우등, 2012). 또한, 염기도가 낮은 G응집제에 칼슘을 첨가하여 H응집제를 제조 하였으며, 마그네슘을 첨가하여 I응집제를 제조 하였다. H, I응집제의 칼슘과 마그네슘 함량은 Table 2에서 보는 바와 같다.
- , KG케미칼, 한국)을 사용하였으며, 수처리제의 기준과 규격 및 표시기준(환경부, 2014)에서 적용하고 있는 응집제이다. 본 연구에서 PAC(12% as Al2O3) 제조시 염기도를 변화하기 위해 염산과 증류수의 비율을 달리하여 총 7단계로 제조하여 사용하였다. 또한, 총인 제거 응집실험을 위해 사용된 응집제는 염기도가 가장 낮은 응집제에 알칼리토금속 2종을 첨가제조하여 사용하였다.
- 본 연구에서 수행한 염기도 차이에 따른 인과 반응성을 알아보기 위한 실험은 대상원수 1L를 Jar에 넣고 각 응집제(염기도 변화 7종)의 주입량을 25ppm으로 고정 주입하여 원활한 교반이 이루어지도록 Jar tester의 교반속도를 100 rpm으로 교반하며 진행하였다. 인과 반응 시간을 알아보기 위해 시료의 샘플 시간을 1, 3, 5, 10, 30, 45, 60min 경과 시 수행하였으며, 각 시료를 0.
- 이때 교반조건 및 침전 시간은 여러번의 예비실험을 거친 후 최적 조건으로 정립하여 선정하였으며, 처리수의 분석항목은 총인 (T-P), 용존성 인(PO43－P), 부유성고형물질(SS), 화학적산소요구량(COD)를 분석하였다. 분석방법은 총인과 용존성 인의 경우 HACH 사의 T-P, LR, vial을 이용하여 분석하였으며, CODMn(망간)분석의 경우 C-MAC사의 CODMn, LR, kit를 이용하여 분석하였다. pH의 경우 Jenway사의 3510 pH meter를 이용하였으며, SS의 경우 수질공정시험법(환경부, 2010)에 근거하여 분석하였다.
- 앞의 연구에서 하수 2차 처리수를 대상으로 응집제의 염기도의 변화를 주어 인에 대한 반응성을 살펴보았다. 본 절에서는 선행된 연구결과를 바탕으로 총인 및 용존성 인 제거를 위한 응집 효율 증대를 위해 낮은 염기도에서 알칼리토금속의 영향을 살펴보았다.
- 응집실험에 사용된 응집제는 염기도가 가장 높은 응집제와 염기도가 가장 낮은 응집제를 이용하여 응집성능을 비교하였으며, 인 제거 효율을 개선하기 위해 가장 낮은 염기도를 가진 응집제에 알칼리토금속 중 칼슘과 마그네슘을 첨가하여 인 제거 개선능을 비교하고자 하였다.
- Jar test 실험 조건은 급속교반 200rpm으로 1min, 완속교반 40rpm으로 15min, 침전시간 30min으로 수행 후 수면으로부터 3cm 아래지점에서 튜브를 이용하여 시료를 채수하였다. 이때 교반조건 및 침전 시간은 여러번의 예비실험을 거친 후 최적 조건으로 정립하여 선정하였으며, 처리수의 분석항목은 총인 (T-P), 용존성 인(PO43－P), 부유성고형물질(SS), 화학적산소요구량(COD)를 분석하였다. 분석방법은 총인과 용존성 인의 경우 HACH 사의 T-P, LR, vial을 이용하여 분석하였으며, CODMn(망간)분석의 경우 C-MAC사의 CODMn, LR, kit를 이용하여 분석하였다.
- 인과 반응 시간을 알아보기 위해 시료의 샘플 시간을 1, 3, 5, 10, 30, 45, 60min 경과 시 수행하였으며, 각 시료를 0.45 μm 실린지 필터로 여과하여 PO43－-P 농도를 측정하여 인과 반응 정도를 결정하였다.
- 하수 2차 처리수 중 인 제거를 위한 응집실험은 Jar test를 수행하였다. Jar test는 5~300rpm으로 교반속도조절이 가능한 SW ENG사의 Jar tester를 이용하였고, Jar는 아크릴 재질로 사각기둥 모양의 1L 용량을 사용 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 PAC(12% as Al2O3) 제조시 염기도를 변화하기 위해 염산과 증류수의 비율을 달리하여 총 7단계로 제조하여 사용하였다. 또한, 총인 제거 응집실험을 위해 사용된 응집제는 염기도가 가장 낮은 응집제에 알칼리토금속 2종을 첨가제조하여 사용하였다. 산화알루미늄(Al2O3) 농도와 염기도 농도 분석은 수처리제의 기준과 규격 및 표시기준(환경부, 2014)에 근거하여 분석하여 응집제 특성을 나타내었다.
- 하지만 염기도가 높을수록 precipitate Al3+종이 증가하여 염기도가 100이 될 경우 수산화알루미늄으로 침전물이 생긴다(곽종운 저, 1998). 본 연구에서 사용된 PAC(12% as Al2O3)는 수처리제의 기준과 규격 및 표시기준(환경부, 2014)에 의한 수처리제 분석방법에 따라 PAC의 염기도를 변화한 7종의 응집제 특성을 분석한 결과는 Table 2와 같다.
- 본 연구에서 사용된 대상원수는 경기도 B시의 하수 처리장 2차 침전지를 거친 처리수를 대상으로 응집실 험을 진행하였으며, 대상원수의 수질은 Table 1과 같다.
- 본 연구에서 사용된 응집제는 PAC([Al2(OH)nCl6-n]m, 17% as Al2O3, KG케미칼, 한국)을 사용하였으며, 수처리제의 기준과 규격 및 표시기준(환경부, 2014)에서 적용하고 있는 응집제이다. 본 연구에서 PAC(12% as Al2O3) 제조시 염기도를 변화하기 위해 염산과 증류수의 비율을 달리하여 총 7단계로 제조하여 사용하였다.
이론/모형
- 분석방법은 총인과 용존성 인의 경우 HACH 사의 T-P, LR, vial을 이용하여 분석하였으며, CODMn(망간)분석의 경우 C-MAC사의 CODMn, LR, kit를 이용하여 분석하였다. pH의 경우 Jenway사의 3510 pH meter를 이용하였으며, SS의 경우 수질공정시험법(환경부, 2010)에 근거하여 분석하였다.
- 또한, 총인 제거 응집실험을 위해 사용된 응집제는 염기도가 가장 낮은 응집제에 알칼리토금속 2종을 첨가제조하여 사용하였다. 산화알루미늄(Al2O3) 농도와 염기도 농도 분석은 수처리제의 기준과 규격 및 표시기준(환경부, 2014)에 근거하여 분석하여 응집제 특성을 나타내었다.
성능/효과
- 1) 연구에서 사용된 응집제의 산화알루미늄(Al2O3)의 함량은 12.18~12.26%로 비슷한 함량을 가지고 있었으며, 염기도 개선을 시킨 7종의 응집제 염기도는 38.5~5.9%로 다른 염기도를 유지하고 있었다.
- 2) PAC의 염기도별 인과 반응성을 알아보기 위해 회분식 실험을 수행한 결과 A응집제부터 G응집제까지 7종의 응집제 초기 1min에서의 인 제거율을 보면 57.5%, 60.9%, 63.8%, 65.5%, 66.7%, 68.4%, 70.1%로 염기도가 낮을수록 인과 반응성이 큰 것을 알 수 있다. 이는 염기도가 낮을수록 응집제의 단분자 형태의 monomeric Al3+종이 증가하여 인과 반응성이 커져 제거효율이 높아지는 것으로 판단된다.
- 3) 염기도의 차이가 큰 A, G 두 응집제의 몰비별 응집실험 결과 A응집제 보다 G응집제가 33.3~58.2% 총인제거가 개선되었으며, 21.7%~51.2% 용존성 인 제거가 개선되는 것으로 나타났다. 주입량이 증가 할수록 pH변화폭이 심한 것을 확인할 수 있었다.
- 하지만 시간이 흐를수록 인 제거가 계속 이루어지는 것은 아니었다. 30분 이상에서 A응집제 0.60~0.61mg/L, B응집제 0.55~0.56mg/L, C응집제 0.49~0.50mg/L, D응집제 0.44~0.45mg/L, E응집제 0.43~0.43mg/L, F응집제 0.40~0.42mg/L, G응집제 0.36~0.378mg/L의 PO43－P로 나타났으며 30분 이상에서는 인 제거 효율이 거의 동일한 것을 확인 할 수 있었다. 이는 인과 반응이 30분 이내로 이루어지는 것으로 보여 진다.
- 4) 염기도가 낮은 G응집제에 칼슘과 마그네슘을 직접 첨가하여 제조한 H,I응집제의 응집실험 결과 G응집제 보다 H응집제가 2.2~18.2%, I응집제가 21.2~31.8% 총인제거가 개선되는 것으로 나타났다. 또한 G응집제보다 H응집제가 최대 14.
- 5) 일반적으로 사용되고 있는 염기도 38.5%의 A응집제 보다 염기도를 낮추고 마그네슘을 첨가한 I응집제가 최대 67.1% 총인제거가 개선되는 것으로 나타났으며, I응집제 2.0몰비에서 0.19mg/L as T-P로 나타나Ⅰ지역 방류수 수질 기준 0.2mg/L as P를 만족할 수 있었다.
- 6) T-P 수질 방류 기준(Ⅱ)지역 0.3mg/L를 만족하기 위해 A응집제는 53ppm 이상 주입하여야 하지만, 염기 도를 낮추고 알칼리토금속을 첨가한 I응집제의 경우 43ppm만으로 수질기준을 만족하여 응집제 사용량도 절감 할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 동일량의 T-P를 제거하기 위해 응집제 사용량이 절감됨으로써 최종적으로 슬러지 발생량도 감소 할 것으로 판단된다.
- 26%로 거의 비슷한 함량을 유지하고 있었다. A응집제의 경우 기존 상용화된 응집제로 염기도는 38.53%로 나타났으며, 염기도 변화를 위해 염산과 증류수의 함량 변화를 준 나머지 8종의 염기도 분석 결과 염산과 증류수의 비율이 가장 높은 응집제는 5.9%의 염기도를 나타내었다. 염기도에 따른 Al3+종의 변화는 염기도값이 0%로부터 증가할수록 monomeric Al3+종이 polymeric Al3+종으로 전이하다가 percipitate Al3+종으로 전이가 급격하게 이루어진다고 보고되어 지고 있다(한승우등, 2012).
- 또한 시간이 지날 수 록 인 제거율이 점차 높아진다. A응집제의 경우 초기 1분에서 60분까지의 인 제거율은 57.5~65.5%로 나타났으며, B응집제 60.9~67.8%, C응집제 638~71.3%, D응집제 65.5~74.7%, E응집제 66.7%~75.3%, F응집제 68.4%~75.9%, 염기도가 가장 낮은 G응집제의 경우 70.1~79.3%의 인 제거 효율을 나타내었다. 이는 염기도가 낮을수록 응집제의 단분자 형태의 monomeric Al3+종이 증가하여 인과 반응성이 커져 제거효율이 높아지는 것으로 보여진다.
- 5에서는 COD 결과를 나타내었다. COD의 경우 G응집제 보다 칼슘을 첨가한 H응집제가 7.3, 9.4, 10.7% COD제거가 개선되는 것으로 나타났으며, 마그네슘을 첨가한 I응집제는 3.4, 5.8, 5.1% COD제거가 개선되는 것으로 나타났다. Fig.
- Fig. 1에서 염기도가 38.5%인 A응집제부터 염기도가 가장 낮은 G응집제(염기도 5.94%)까지 초기 1min인과 반응성을 확인하기 위한 인 제거율을 보면 57.5%, 60.9%, 63.8%, 65.5%, 66.7%, 68.4%, 70.1%로 염기도가 낮을수록 인과 반응성이 큰 것을 알 수 있다. 또한 시간이 지날 수 록 인 제거율이 점차 높아진다.
- Fig.3에서 SS의 경우 두 응집제의 처리수 모두 비슷한 결과를 나타내었는데 알루미늄 농도가 비슷하고 주입량이 같아 플록의 생성 및 침전율이 비슷한 것으로 보여 지며, COD의 경우에는 A응집제 보다 G응집제가 3.5~13.9% COD제거가 개선되는 것으로 나타났다. 이는 인과 알루미늄이 응집 반응하여 제거될 때 미비하지만 유기물도 함께 제거되어 지는 것으로 보여 진다.
- 1% COD제거가 개선되는 것으로 나타났다. Fig.5에서 SS의 경우 G응집제 보다 마그네슘을 첨가한 I응집제가 최대 66.7% SS제거가 개선되는 것으로 나타났다.
- 결론적으로 하수 2차 처리수를 대상으로 염기도 38.5%인 A응집제 보다 염기도를 낮추고 칼슘 및 마그네슘을 첨가한 H,I 응집제가 최대 31.8% 총인제거 개선, 최대 50.0% 용존성 인 제거 개선, 최대 10.8% COD 제거 개선, 최대 66.7% SS 제거 개선율을 나타내었다. 따라서, 하수 방류수 수질기준을 안정적으로 만족하기 위해서는 응집제 사용량을 늘리는 것 보다 응집제의 염기도 조절 및 알칼리토금속을 첨가하여 응집성능을 향상시키는 것이 유리할 것으로 판단된다.
- 7% SS 제거 개선율을 나타내었다. 따라서, 하수 방류수 수질기준을 안정적으로 만족하기 위해서는 응집제 사용량을 늘리는 것 보다 응집제의 염기도 조절 및 알칼리토금속을 첨가하여 응집성능을 향상시키는 것이 유리할 것으로 판단된다.
- 이는 염기도가 낮을수록 수중 pH 변화폭이 커 인과 반응성이 커져 제거율이 높아지는 것으로 판단된다. 또한 3.5~13.9% COD 제거가 개선되는 것으로 나타났다.
- 8% 총인제거가 개선되었다. 또한 G응집제 보다 H응집제가 5.0~14.3%, I응집제가 5.0~50.0% 용존성 인 제거가 개선되는 것으로 나타났다. 이는 2가 금속이온에 의해 양이온성 플록을 생성시켜 응집효율을 향상시켜 인 제거에 도움이 되는 것으로 보고되고 있다(전동걸 등, 2011).
- 8% 총인제거가 개선되는 것으로 나타났다. 또한 G응집제보다 H응집제가 최대 14.3%, I응집제가 최대 50.0% 용존성 인 제거가 개선되는 것으로 나타났다. 이는 칼슘과 마그네슘의 2가 양이온이 알루미늄과 함께 인 제거에 도움을 주는 것으로 판단된다.
- 3mg/L를 만족하기 위해 A응집제는 53ppm 이상 주입하여야 하지만, 염기 도를 낮추고 알칼리토금속을 첨가한 I응집제의 경우 43ppm만으로 수질기준을 만족하여 응집제 사용량도 절감 할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 동일량의 T-P를 제거하기 위해 응집제 사용량이 절감됨으로써 최종적으로 슬러지 발생량도 감소 할 것으로 판단된다.
- 5에 나타내었다. 염기도가 낮은 G응집제에 칼슘을 첨가한 H응집제와 마그네슘을 첨가한 I응집제의 총인 제거에서 G응집제 보다 H응집제가 2.2~18.2%, I응집제가 21.2~31.8% 총인제거가 개선되었다. 또한 G응집제 보다 H응집제가 5.
- 3에서는 염기도차이가 가장 큰 A응집제와 G응집제의 응집반응 후 처리수의 총인 및 용존성 인을 나타내었다. 총인 결과에서는 염기도가 높은 A응집제(38.53%)보다 염기도가 가장 낮은 G응집제(5.94%)가 33.3~58.2% 총인제거가 개선되었으며, 21.7~51.2% 용존성 인 제거가 개선되는 것으로 나타났다. 또한 2.
후속연구
- 결론적으로 하수처리수 중 인 제거를 위한 응집공정에서 사용되는 응집제로 염기도를 낮추고 알칼리토금속을 첨가 할수록 인 제거에 도움이 되는 것을 확인할 수 있었으며, 적절한 주입이 이루어진다면 안정적인 방류수 수질기준을 만족할 수 있을 것으로 사료된다.
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