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문제 정의
- 의 제타전위 분석 및 특성을 파악하고, 효율적인 응집제 주입량을 결정하였다. 또한, DAF 공법 적용 시 미세기포크기 및 응집제 주입량과의 상관관계를 확인하는 실험을 행한 결과, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 연구에서는 미세조류를 제거하기 위한 적절한 응집제의 주입량을 결정하기 위해 제타전위 분석실험 및 응집실험을 실시하였다. 응집제는 미세조류의 제타 분석실험 결과 음(-)의 값을 가지므로 대표적인 양이온 응집제인 PAC를 선정하였으며, 주입 농도는 2.
- 의 특성을 파악하고, DAF공정 현장 적용시 최적의 운전조건을 Lab-scale 실험을 통해 도출하여 Microcystis sp.제거를 하고자 한다.
제안 방법
- 75 ton/hr 으로 고정하여 실험하였으며, Lab-scale과 같은 응집제인 PAC를 사용하였다. PAC의 주입 농도는 5.5 ppm, 11 ppm, 22 ppm, 33 ppm 으로 하였으며 교반시간은 15 min, 가압수 발생 장치 속의 압력은 500 ~ 600 kPa로 조절하였다. 부상된 슬러지는 스키머를 사용하여 부상슬러지조에 저장하였으며, 처리수는 처리수 저장조에 저장하였다.
- 본 연구에서는 군집의 특성을 나타내는 Microcystis sp.가 일정한 농도로 정량이 되지 않아 오차값 및 검증선 실험을 실시 하였다. 정량화 실험은 1 L 메스실린더 2개를 이용하여 Microcystis sp.
- 이 때 Pilot-scale 실험은 유입수를 집수 하는 과정에서 Chl-a의 농도가 지속적으로 변화하기 때문에 정량화가 불가능 하였다. 따라서 매회 유입수를 측정하여 응집제 농도별 제거효율 실험을 실시 하였다. Fig.
- 500 mL 비커 4개를 사용하여 정량화된 Microcystis sp.를 각각 250 mL를 넣은 뒤 PAC를 2.2 ppm, 11ppm, 22 ppm, 44 ppm을 주입하여 120 rpm에서 3 min, 급속교반후 80 rpm에서 15 min 완속교반하여 응집 실험을 실시하였다. 응집 전후의 표면전위의 변화를 알아보기위해 응집 전과 응집 후의 제타전위를 측정하였다.
- 미세기포 크기의 측정을 위하여 CCD Camera(charge coupled device, CoolSNAP MYO, Photometrics)와 배율이 ×10의 렌즈를 사용하여 분석하였다.
- 미세기포 특성분석은 일반미세기포와 와류식 미세기포 장치를 개발하여 36 μm, 100 μm, 200 μm의 미세기포크기를 측정하였다.
- 본 연구에서는 Lab-scale 실험에서 도출한 인자들을 바탕으로 약 100 ton/day(1day 8 hr) 규모의 Pilot plant를 J 정수사업소에 설치 하였다. 녹조제거 장치로 들어오는 원수의 유량은 시간당 15.
- 본 연구에서는 Lab-scale 실험에서 도출한 인자를 바탕으로 Pilot-scale 실험을 실시하였다. PAC의 농도는 5.
- 5 ppm, 11 ppm, 22 ppm, 33 ppm 으로 하였으며 교반시간은 15 min, 가압수 발생 장치 속의 압력은 500 ~ 600 kPa로 조절하였다. 부상된 슬러지는 스키머를 사용하여 부상슬러지조에 저장하였으며, 처리수는 처리수 저장조에 저장하였다. 처리수의 특성 분석은 Lab-scale 실험과 같은 실험을 실시하였다.
- 3는 미세조류의 정량화 실험을 실시한 결과이다. 시료원수를 500 mL, 750 mL, 1000 mL로 하여 이론값과 실제값을 비교 하였다. 실험결과를 살펴보면, Microcystis sp.
- 응집 실험 후 미세기포 발생장치를 이용하여 450 550kPa의 압력에서 부상 실험을 실시 하였으며, 와류식 미세기포장치의 경우 미세기포의 크기를 36 μm, 100 μm, 200 μm로 조절하여 실험을 하였다.
- 2 ppm, 11ppm, 22 ppm, 44 ppm을 주입하여 120 rpm에서 3 min, 급속교반후 80 rpm에서 15 min 완속교반하여 응집 실험을 실시하였다. 응집 전후의 표면전위의 변화를 알아보기위해 응집 전과 응집 후의 제타전위를 측정하였다. 응집 실험 후 미세기포 발생장치를 이용하여 450 550kPa의 압력에서 부상 실험을 실시 하였으며, 와류식 미세기포장치의 경우 미세기포의 크기를 36 μm, 100 μm, 200 μm로 조절하여 실험을 하였다.
- Microcysits sp.의 제거 실험은 총 3회 반복 실험을 실시하였다. 결과를 살펴보면 일반 미세기포를 사용하였을 때 평균 제거효율은 2.
- 를 제거하기 위해 Microcystis sp.의 제타전위 분석 및 특성을 파악하고, 효율적인 응집제 주입량을 결정하였다. 또한, DAF 공법 적용 시 미세기포크기 및 응집제 주입량과의 상관관계를 확인하는 실험을 행한 결과, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 일반적으로 미세조류는 군집의 특성을 나타내므로 농도가 일정하게 정량화 되지 않는다. 이에 본 연구에서는 응집 실험에 앞서 오차값 및 검증선 실험을 실시하였다. Fig.
- 미세조류의 제타전위 분석실험을 바탕으로 미세기포를 이용하여 Microcystis sp. 제거효율 평가를 실시하였다. Fig.
대상 데이터
- 본 연구에서 미세조류의 선정은 현재 수계에서 여름철 빈번히 발생하며 호소 부영양화의 지표인 남조류의 대표종인 Microcystis sp.를 선정하였으며, 한국생명공학연구원 미생물자원센터에서 분양받아 계대배양 하여사용하였다.
- Baek(2014)의 연구에서 볼 수 있듯이 400 500 kPa의 경우 미세기포의 크기는 약 10 ~ 100 μm의 크기를 가지는 것을 볼 수 있다. 본 연구에 사용된 미세기포측정사진은 Fig. 1에 나타내었다. 전체적으로 미세기포의 크기는 32.
- 부상공정을 거친 처리수 중 50 mL를 여과지를 사용하여 Aspirator로 여과하였으며, 여과 후 아세톤 20 mL 여과지를 혼합하여 원심분리튜브에 넣어 녹인 뒤 상온에서 24 hr 방치하여 보관하였다. 실험에 사용한 아세톤(99.5%)은 아세톤과 증류수를 9+1로 희석한 아세톤을 사용하였다. 24 hr 후 원심분리기를 사용하여 2000 rpm, 20 min 원심분리 하였으며, 상등액을 채취하여 분광광도계를 사용하여 파장 663 μm, 645 μm, 630 μm, 750 μm에서 OD값을 측정하여 식 1을 이용하여 클로로필 a(Chlorophyll-a:Chl-a)를 측정하였다.
- 본 연구에서는 미세조류를 제거하기 위한 적절한 응집제의 주입량을 결정하기 위해 제타전위 분석실험 및 응집실험을 실시하였다. 응집제는 미세조류의 제타 분석실험 결과 음(-)의 값을 가지므로 대표적인 양이온 응집제인 PAC를 선정하였으며, 주입 농도는 2.2 ppm, 11ppm, 22 ppm, 44 ppm으로 하였다.
이론/모형
- 부상된 슬러지는 스키머를 사용하여 부상슬러지조에 저장하였으며, 처리수는 처리수 저장조에 저장하였다. 처리수의 특성 분석은 Lab-scale 실험과 같은 실험을 실시하였다.
성능/효과
- (1) 본 연구에서 전반적인 미세기포의 크기를 측정한 결과 32.43 ~ 350.14 μm 사이의 크기로 발생하는 것을 알 수 있었다.
- (2) Lab-scale 실험에서 폴리염화알루미늄의 제타전위는 약 -20 ~ +25 mV의 범위를 나타났고, 22 ppm의 농도에서 응집효율이 가장 높게 나타났다. 부상분리 실험결과를 살펴보면 미세기포 크기가 200 μm, 응집제 주입농도가 44 ppm 일 때 98.
- (3) Pilot-scale 실험에서 폴리염화알루미늄의 경우 평균제거효율은 5.5 mg/L에서 90.9%, 11 mg/L에서 91.8%, 22 mg/L에서 91.1 %, 33 mg/L에서 91.0%로 나타났다. J 정수사업소의 시료의 최고효율은 11 mg/L에서 98.
- 28%로 나타났다. 4회의 실험 결과를 평균해 보면, 500 mL에서 6.5%, 750 mL에서 21.6%, 1000 mL에서 20.7%로 나타났다. 이에 오차범위가 가장 적은 500 mL에서 실험을 실시하는 것이 타당하다고 사료된다.
- 0%로 나타났다. J 정수사업소의 시료의 최고효율은 11 mg/L에서 98.1%로 최고의 효율을 보였지만, 경제성을 고려할 시 5.5 mg/L의 응집제를 주입하는 것이 가장 적합하다고 판단된다.
- 의 제거 실험은 총 3회 반복 실험을 실시하였다. 결과를 살펴보면 일반 미세기포를 사용하였을 때 평균 제거효율은 2.2 ppm에서 34.1%, 11 ppm에서 86.2%, 22 ppm에서 88.2%, 44 ppm에서 91.4%로 나타났다. 36 μm크기의 미세기포를 이용하였을 때 평균 제거효율은 2.
- Table 2는 현장시료를 제거한 실험결과 이다. 결과를 살펴보면 평균제거효율이 5.5 ppm은 90.94%, 11 ppm은 91.8%, 22 ppm은 91.2%, 33 ppm은 91.0%로 나타났다. J 정수사업소 현장시료의 최고효율은 11 ppm구간에서 98.
- 12는 제타전위를 분석한 결과이다. 결과를 살펴보면, 모든 농도 구간에서 현장조류의 제타전위가 약 -20 ~ +30 mV로 나타났다. 응집제는 11 ppm의 농도를 기점으로 ZPC가 역전이 이루어 졌으며, 이 구간에서 제거효율이 가장 높을 것으로 예상된다.
- 2 ppm의 주입농도에서 편차가 심함으로 제외하여 평균결과를 나타냈다. 결과에서 볼 수 있듯이 미세조류 제거에 있어 일정한 크기의 미세조류 플록이 형성되어 부상이 이루어진다면, 응집의 최적 농도인 ZPC와 상관없이 제거된다는 것을 알 수 있다.
- 8%로 나타났다. 두 번의 실험결과 10% 이상의 오차범위를 나타냈으며, 오차범위 문제로 인해 미세조류 실험 시 정량화 실험이 필요한 것으로 판단된다.
- 의 제타전위를 측정한 결과, 음(-)의 전하(-20 ~ -10 mV)를 띠고 있었으며, 군집 특성이 관찰되어 정량화 실험이 필요하였다. 따라서 정량화 실험을 실시한 결과 미세조류의 오차범위는 500 mL에서 6.5%, 750 mL에서 21.6%, 1,000 mL에서 20.7%로 나타나 본 연구에서는 500 mL에서 실험을 하는 것이 가장 적합하다고 판단된다.
- 2 ppm을 제외한 나머지 응집제 주입량이 최고효율을 보이는 응집제 주입량과의 제거효율 차이가 많이 나지 않기 때문에 실제 현장실험을 평가해야지만 최적의 주입 농도를 도출할 수 있을 것으로 사료된다. 또한 미세기포 크기별 미세조류 제거효율을 살펴보면, 가장 낮은 농도를 제외한 나머지 농도에서 일반 미세기포를 이용하여 부상분리 했을 때보다 균일한 크기의 미세기포로 부상분리 하였을 때 평균적으로 제거효율이 10% 이상 높게 나타났다. 또한 앞서 기술한 예상과는 달리 미세조류 제거효율 평가결과 ZPC인 22 ppm에서 제거효율이 가장 높지 않았다.
- 또한, 응집제 주입농도별 평균제거효율을 살펴보면 2.2 ppm은 35.8%, 11 ppm은 93.3%, 22 ppm은 93.4%, 44 ppm은 92.7%로 나타났으며, 미세기포 크기별 평균제거효율을 살펴보면 일반미세기포는 88.6%, 36 μm는 93.0%, 100 μm는 94.6%, 200 μm는 96.4%로 나타났다.
- 본 연구에서는 와류식 미세기포 발생장치를 사용하였기 때문에 환경적 측면뿐만 아니라 경제적인 측면에서도 탁월한 효과를 지닐 것으로 판단된다. 향후, 미세기포의 밀도와 Microcystis sp.
- 부상분리 실험결과를 살펴보면 미세기포 크기가 200 μm, 응집제 주입농도가 44 ppm 일 때 98.76%로 가장 높은 효율이 나타났으며, 응집제 주입농도별 평균제거효율을 살펴보면 2.2 ppm은 35.8%, 11 ppm은 93.3%, 22 ppm은 93.4%, 44 ppm은 92.7%로 나타났으며, 미세기포 크기별 평균제거효율을 살펴보면 일반미세기포는 88.6%, 36 μm는 93.0%, 100 μm는 94.6%, 200 μm는 96.4%로 나타났다.
- 분석결과를 살펴보면, 1 time의 실험에서 Chl-a값이 604.84 ~ 718.41 μg/L로 오차범위가 15.8%로 나타났으며, 2 times의 실험에서는 Chl-a값이 487.13 ~ 559.03 μg/L로 오차범위가 12.8%로 나타났다.
- (c)는 전 구간의 농도가 비슷한 원수농도로 나타나 하나의 원수로 평균하여 나타냈다. 실험결과를 살펴보면, 전반적으로 전 구간에서 Chl-a 농도가 비슷하게 나타났으며, 이는 Pilot-scale실험이 Lab-scale 실험과 마찬가지로 응집의 최적 농도인 ZPC와는 관계가 없는 것으로 판단된다. 또한, Microcystis sp.
- 의 최적효율은 200 μm크기의 미세기포와 44 mg/L의 응집제 농도에서 97.5%로 나타났다.
- 이는 미세조류 제거에 있어 일정한 크기의 미세조류 플록이 형성되어 부상이 이루어 진다면, 응집의 최적 농도인 ZPC와 상관없이 제거된다는 것을 의미한다. 이상의 결과를 종합하여 경제성을 고려할 시, 최적의 응집농도는 11 ppm으로 판단되며, 미세기포의 크기의 경우 균일한 크기로 부상분리 실험을 실시하는 것이 가장 적합한 것으로 사료된다.
- 22 ppm의 구간에서 제타전위 절대값이 등전점(zero point charge; ZPC)에 근접하게 나타났다. 이에 22 ppm에서 응집효율이 가장 높을 것으로 판단되며, 그 이상의 PAC를 주입하였을 경우 제타전위가 역전되어 양(+)의 값을 나타냄으로 응집효율이 감소할 것으로 판단된다. 또한, DAF 공정적용 시에도 22 ppm에서 제거효율이 가장 높을 것으로 사료된다.
- 1%로 최고의 효율을 보였다. 하지만 경제성을 고려 한다면 모든 구간의 제거효율이 90% 이상으로 비슷하므로 이에 본 연구에서는 경제적 측면을 고려할 시 최적응집제 농도를 5.5 ppm으로 선정하는 것이 유리한 것으로 판단된다.
후속연구
- 2 ppm의 주입농도에서 편차가 심함으로 제외하여 평균결과를 나타냈다. 따라서 가장 적은 응집제 주입량인 2.2 ppm을 제외한 나머지 응집제 주입량이 최고효율을 보이는 응집제 주입량과의 제거효율 차이가 많이 나지 않기 때문에 실제 현장실험을 평가해야지만 최적의 주입 농도를 도출할 수 있을 것으로 사료된다. 또한 미세기포 크기별 미세조류 제거효율을 살펴보면, 가장 낮은 농도를 제외한 나머지 농도에서 일반 미세기포를 이용하여 부상분리 했을 때보다 균일한 크기의 미세기포로 부상분리 하였을 때 평균적으로 제거효율이 10% 이상 높게 나타났다.
- 향후, 미세기포의 밀도와 Microcystis sp. 제거에 관한 연구가 체계적으로 이루어진다면 DAF공정을 이용한 미세조류제거에 있어 큰 역할을 할 뿐만 아니라 타 미세조류제거 연구에도 활용이 가능할 것으로 판단된다.
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