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문제 정의
- 본 연구에서는 나일론 합사 비직조 섬유여재를 충진한 고속필터에 대한 후속 현장적용 예비단계의 연구로 일반적으로 널리 사용되는 응집제(PAC, Alum, FeCl3)의 투입에 따른 여과 성능 및 특성을 분석하였다.
제안 방법
- Fig. 11(a)에는 유입원수의 탁도에 따른 최적주입조건에서 응집제(PAC, Alum)의 영향을 비교하여 제시하였다. 그림에 따르면 유입수의 탁도가 증가할수록 여과효율은 감소하였는데 그 이유는 탁도가 증가할수록 중화되어야할 입자 수에 비해 응집제의 양이 부족으로 기인한 것으로 해석된다.
- 응집제 주입에 따른 여과특성을 분석하기 위해 PAC를 주입하여 응집제 주입에 따른 성능분석을 수행하였다. PAC를 주입한 결과 분명한 여과성능의 차이를 보여 추가적으로 현장에서 널리 사용되는 응집제인 Alum과 FeCl3에 대하여 여과시험을 진행하였다.
- 고형물수지는 총 유입량 중 억류된 고형물의 양, 배출된 고형물의 양을 계산하여 산출하였고 세척 후 회수율은 여과 전·후, 그리고 세척수에 함유된 고형물 농도와 유량자료를 바탕으로 산출하였다.
- 상·하부 여유고와 중간부에 맞닿는 지점에 유공판을 설치하여 유량이 균등하게 분배될 수 있도록 설계하였다. 또한, 운전 중 내부의 손실수두를 측정하기 위해 여과부 측면에 압력계를 설치하였다.
- 모든 시험에서 비직조 섬유여재를 Fig. 2(a)와 같이 상부 유공판에 고정한 라인형(line type)으로 제작하여 실험을 수행하였고 재현성 확인을 위해 각각의 여과실험을 3회씩 반복 수행하였다.
- 본 여과장치의 특성은 여과 진행방향과 세척방향이 동일하게 하향류로 형태로 운전하였는데 그 이유는 여재의 결을 수지상(나무가지) 형태로 제조하여 하향류 물과 함께 유입되는 입자상 물질이 여재와의 충돌의 기회를 최대한 제공할 수 있도록 유도하였으며 세척시 고압의 하향류로 유입되는 세척수에 의해 수지상 여재가 수류방향으로 펼쳐지도록 함으로서 세척이 용이하게 일어나도록 고안하였다(Guerra, 2013).
- 본 연구의 고속합성섬유 여과장치에서 여러 가지 응집제를 투입하여 여과성능을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 상·하부 여유고와 중간부에 맞닿는 지점에 유공판을 설치하여 유량이 균등하게 분배될 수 있도록 설계하였다.
- 상·하부에는 유입과 유출이 원활하게 이루어질 수 있도록 각각 5cm의 여유고를 두었고 중간부 30cm에 섬모상 여재를 충진하여 여과실험을 수행하였다.
- 그림과 같이 연속적으로 1L씩 2회의 고속세척을 실시하였다. 세척시 발생할 수 있는 내부 진공상태를 회피하기 위하여 세척모드 이후 즉시 필터 상부에 장착된 감압밸브를 열고 신속하게 배출하는 방식으로 세척을 수행하였다.
- 세척은 세척 수 2L를 기준으로 배출수를 채취하여 탁도 및 입도분포를 측정하였고 전체 10~15회의 반복적인 세척을 실시하였다. 세척수량은 여과수량의 약 5~7%인 20~25L를 사용하였다.
- 세척의 경우에도 여과와 마찬가지로 수중펌프를 이용하여 세척 탱크의 세척수를 약 20,000m/day(세척속도 = 세척유량/면적 = 1.00×10-3m3/sec ÷ 3.85×10-3m2 = 0.259m/sec ×86,400sec/day = 22,377m/day ≒ 20,000m/day)의 빠른 속도로 여과장치에 주입하여 일명 ‘간헐적 충격세척(하향류식)’을 실시하였다.
- 여과실험은 매 10분마다 유입수 및 여과수의 pH, 알칼리도, 탁도, 여과속도, 수두손실, 수온을 측정하고 매 30분 간격으로 채취된 시료의 입도분석을 실시하였다. 또한 응집제의 주입은 인공탁수를 제조한 후 2L의 비커에 응집제를 희석하여 유입원수 탱크의 혼합지점에 순간적으로 주입하였다(Fig.
- Table 1에는 고속필터의 여과성능을 평가하기 위해 총 18회 수행된 시험조건을 나타내었다. 우선 여과장치의 특성을 파악하기 위해 응집제를 주입하지 않은 상태에서 시험을 수행하였다.
- 7m3 규모이며 수중펌프와 지름 2cm의 PVC 파이프를 연결하여 유입원수를 여과부에 공급하였다. 유입속도 조절을 위해 PVC파이프 중간에 볼밸브를 설치하였고 입자상 물질의 침전을 방지하기 위해 혼합장치를 설치하였다. 세척탱크는 0.
- 응집제 주입에 따른 여과특성을 분석하기 위해 PAC를 주입하여 응집제 주입에 따른 성능분석을 수행하였다. PAC를 주입한 결과 분명한 여과성능의 차이를 보여 추가적으로 현장에서 널리 사용되는 응집제인 Alum과 FeCl3에 대하여 여과시험을 진행하였다.
- 응집제의 사용은 심층여과 시스템에서 필수적으로 본 연구에서는 일반적인 응집-침전 공정에서 널리 사용되는 세 가지 응집제(PAC, Alum, FeCl3)를 대상으로 고속 여과시험을 수행하였다. Fig.
- 이와 같은 목적으로 총9회(여과시간 810분)에 걸쳐 연속적인 여과시험을 실시하였다(Fig. 15). 전체 운전시간 동안의 평균효율은 85.
- 한계 체류량 도달 후 여재 세척시 발생하는 입자상 물질의 회수율은 식 (3.4)와 같이 총회수량을 총 억류량으로 나누어 산출하였으며 총회수량은 각각의 세척 시 측정된 TSS 농도와 세척수량을 이용하여 산출된 양을 합산하여 산출하였다.
- 한편 Fig. 12에 나타난 바와 같이 필터 운전차수(1회→3회)가 증가함에 따라 회수율이 감소하는 경향을 나타나 운전차수가 효율 및 수두손실, 세척시 고형물 회수율에 미치는 영향을 조사하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 여재는 2mm의 폴리에틸렌 로프사재질 내심에 600 데니아 나이론/폴리에필렌 모노사를 엮어 만든 고정상 이중 나선 로프형 여재로 Fig. 2(a)에 보는 바와 같이 선형다발 형태(line bundle shape)로 제작하였으며 여재의 표면은 (-) 성질의 전하를 띠고 있다. 직경은 약 4cm이며 공극율은 90-95%, 여재 충진밀도는 112g/L이었다.
- 본 연구에 사용된 실험 장치는 아크릴로 제작된 실험실규모의 여과장치로 Fig. 1(a)에 나타내었다. 여과장치의 구성은 유입탱크, 세척탱크, 여과부로 구성되어있다.
- 유입원수는 일반적으로 의류 및 직물을 염색하는데 사용하는 50㎛ 이하의 상업용 황토를 수돗물과 희석하여 제조한 인공탁수를 사용하였다(Fig. 2(b)).
- 유입탱크는 0.7m3 규모이며 수중펌프와 지름 2cm의 PVC 파이프를 연결하여 유입원수를 여과부에 공급하였다. 유입속도 조절을 위해 PVC파이프 중간에 볼밸브를 설치하였고 입자상 물질의 침전을 방지하기 위해 혼합장치를 설치하였다.
- 여과장치의 구성은 유입탱크, 세척탱크, 여과부로 구성되어있다. 유입탱크와 세척탱크는 1m3 크기의 일체형구조로 제작하였으며 내부에 아크릴 벽을 설치하여 유입탱크와 세척탱크를 분리하였다.
- 인공탁수는 입자상 물질의 침전을 예방하기 위해 수중 펌프를 사용하여 지속적으로 혼합하였다. 한편 응집제 주입범위는 선행 연구를 통한 처리실험과 출판된 논문자료(Park et al., 2015; Park, 2016)를 기초로 결정하였다.
이론/모형
- 4. Schematic diagram of the cleaning methods used in this study.
- 본 연구에서는 ‘간헐적 충격 세척법’으로 세척을 수행하였다(Heidi 2015).
성능/효과
- 16에는 응집제의 형태에 따른 여재세척 후 입자상 물질의 회수율을 나타내었다. 1차, 2차, 3차 운전후의 평균 회수율을 살펴보면 PAC와 Alum의 경우에는 약 80%로 동일하였으며, FeCl3는 72%로 가장 낮은 회수율을 보였다. 그 이유는 철염은 알루미늄 계열의 응집제에 비해 생성되는 플록의 크기가 크고 무겁다.
- 각각의 응집제 주입에 따른 최적효율은 PAC(0.5mg/L) 91.2%, Alum(2.5mg/L) 90.4%, FeCl3 (2.0mg/L) 78.4%로PAC와 Alum이 가장 효과적인 것으로 밝혀졌다. 그러나 Fig.
- 결론적으로 응집제의 투여는 여과효율을 향상시키는 효과가 있는 반면에 단점으로는 응집제 주입에 따른 운전비용의 상승과 슬러지 발생량이 증가한다는 점이다. 또한 응집제를 넣게 되면 단순한 여과로 제거된 토사가 일반 슬러지가 아니라 화학적인 슬러지로 전환되기 때문에 슬러지 처리/처분 비용이 크게 상승하게 된다.
- 그러나 1.5㎛ 이상의 입자개수는 응집제의 영향으로 PAC > Alum > FeCl3 > No Aid 순으로 나타나 PAC가 응집에 가장 효과적이었음을 반증하고 있으며 결과적으로 플록체적이 커서(Pernitsky and Edzwald, 2003) 고속필터의 운전성능에도 영향을 미친 것으로 판단된다.
- 그러나 세척 후 물질수지를 통하여 산출된 평균 고형물 회수율은 79.3%, 표준편차는 ±9.6%로 변동 폭이 큰 것으로 나타났으나 반복적인 여과에 따른 세척효율의 저하문제는 발생되지 않았으며 또한 세척효율의 변동이 여과효율이나 수두손실에 큰 영향을 미치지 않았다.
- 0cm로 최적 효율적인 측면에서는 PAC, FeCl3, Alum 순으로 나타났다. 그러나 직접적인 비교가 가능한 응집제 주입농도 2.0mg/L에서는 Alum이 17.5cm, FeCl3가 18.0cm로 유사하였고 PAC에서 24.0cm로 가장 높게 나타나 응집제의 사용량이 동일하다면 PAC에서 수두손실이 가장 큰 것으로 나타났다.
- 또한 5mg/L 이상의 응집제를 사용한 Alum과 FeCl3의 수두손실을 비교해 보면 Alum에서 수두손실이 급격하게 증가하는 것으로 나타났다. 본 연구에 사용된 섬유필터에서 응집제의 종류에 관계없이 수두손실 10-20cm범위에서 최상의 효율을 보였고 20cm 이상의 수두손실이 발생할 경우에 점차적으로 여과효율이 감소하는 현상이 발생하였다.
- 또한 고형물의 회수율은 평균 79%(표준평차 ±9.6%)로 변동폭이 큰 것으로 나타났으나 반복적인 여과에 따른 여과효율의 변화는 나타나지 않았다.
- 먼저 수두손실을 비교하면 PAC를 사용한 경우에 수두손실이 가장 적었으며 Alum과 FeCl3를 주입한 경우 20cm로 유사한 수준의 수두손실을 보였다. 여과수의 탁도는 FeCl3를 주입하였을 때 가장 높았다.
- 반면에 응집제를 주입한 모든 실험에서 응집제를 주입하지 않았을 경우와 비교해 보면 극명한 여과수의 탁도 차이가 나타났다. 평균 여과효율을 살펴보면 PAC(91.
- 의 수두손실을 비교해 보면 Alum에서 수두손실이 급격하게 증가하는 것으로 나타났다. 본 연구에 사용된 섬유필터에서 응집제의 종류에 관계없이 수두손실 10-20cm범위에서 최상의 효율을 보였고 20cm 이상의 수두손실이 발생할 경우에 점차적으로 여과효율이 감소하는 현상이 발생하였다.
- 본 연구에서 운전된 여과속도 1500m/day는 하루에 단 1m2의 여재면적을 통해서 1500m3의 물을 처리할 수 있다는 의미이므로 기존의 다른 여과 시스템과 비교하면 매우 경제적이다. 또한 섬유여과의 특성상 모듈화, 소형화를 통한 설치비용의 절감 및 부지확보 문제를 해결할 수 있다는 측면에서 다른 여과시스템과 비교하면 경쟁력이 있으며 현장 적용가능성이 매우 높을 것으로 판단된다.
- 섬유여재를 사용한 여과에서 전체 여재층이 포화상태에 이르는 심층여과현상이 발생하였으며 응집제를 사용하지 않았을 경우 여과속도 1,500m/day, 유입 원수의 탁도 50NTU(TSS= 150mg/L)에서 평균 62%의 여과효율을 보였고 수두손실은 10cm 미만으로 나타났다.
- 세 가지 응집제(PAC, Alum, FeCl3)를 사용하여 성능을 분석한 결과 여과효율은 PAC(91.2%) > Alum(90.4%) >FeCl3(78.4%)로 PAC가 가장 우수하였다.
- 수두손실을 살펴보면 최적의 효율에서 PAC(0.5mg/L)는12cm, Alum(2.5mg/L)는 18.5cm, FeCl3(2.0mg/L)는 18.0cm로 최적 효율적인 측면에서는 PAC, FeCl3, Alum 순으로 나타났다. 그러나 직접적인 비교가 가능한 응집제 주입농도 2.
- 앞서 응집제의 주입율에 따른 최적의 응집제 주입량에 따른 응집제의 가격을 비교분석한 결과 kg당 PAC의 단가가 5~7배 정도로 높았으나 PAC의 주입농도가 낮으므로 최종 처리비용은 다른 응집제와 비교하여 1.1~1.8배 수준으로 산출되어 PAC가 슬러지 발생량 및 최종 처리/처분 비용을 고려한 경제성 측면에서 유리한 것으로 나타났다.
- 세척속도는 약 20,000m/day의 속도로 여과 진행방향과 동일한 하향류 방식의 세척을 실시하였다. 여과속도1,500m/day의 여과속도로 운전한 여과장치에서 회수율은 73~86%로 평균 80%의 회수율을 보였다.
- 여과효율이 가장 우수했던 PAC를 주입한 경우에 전체 범위의 입경에서 입자의 밀도가 확연하게 적었던 반면에 여과효율이 최대 12%가량 차이를 보인 Alum과 FeCl3의 경우 1~5μm의 입경범위에서 약 2배이상의 밀도차이를 보였다.
- 연속적인 여과시험에도 평균 85%(표준편차 ±1.7%)의 여과효율을 보여 운전의 재현성은 매우 양호하였다.
- 운전결과 여과효율은 초기 80% 내외에서 압력손실이 증가함에 따라 감소하였으며 전체 운전시간동안의 평균 여과효율은 62% 수준이었다. 여과수의 탁도를 살펴보면 여과초기 약 20 NTU의 탁도를 보였으나 여과기작이 점진적으로 성숙되면서 30분까지 약 10NTU의 여과수가 유출되었다.
- 8에는 응집제 투여농도에 따른 여과효율 및 수두손실을 나타내었다. 유입수의 탁도와 여과효율의 반비례관계 및 Headloss와의 비례관계는 너무 당연한 결과인데 그 결과를 제시한 이유는 공극율이 95%인 섬유여재 필터에서 1500m/day의 고속여과 조건에서 나타나는 수두손실의 크기 및 이로인한 효율에 미치는 영향을 일반 모래여과 등 다른 여과공정과 가늠/비교할 수 있도록 제시하였다.
- 그림에 따르면 유입수의 탁도가 증가할수록 여과효율은 감소하였는데 그 이유는 탁도가 증가할수록 중화되어야할 입자 수에 비해 응집제의 양이 부족으로 기인한 것으로 해석된다. 유입원수가 25NTU와 50NTU에서는 약 90%로 큰 차이가 없었으나 75NTU와 100NTU에서는 PAC에서 각각 83%와 77%의 효율을 보였고, Alum에서 각각 74%와 70%의 효율을 보여 탁도의 증가가 PAC의 응집 및 여과에 미치는 영향이 적었다. 한편 Fig.
- 이와 반면에 FeCl3의 경우 주입농도에 따라 효율변화가 크지 않아 넓은 범위에 적용이 가능하나 PAC, Alum과 비교하여 저조한 효율을 나타내었다. 유입원수의 농도에 따라 여과효율을 비교한 결과 응집제의 종류에 상관없이 유입원수의 농도가 증가할수록 수두손실이 증가하고 여과효율이 감소하였다.
- 응집제의 형태에 따른 고형물의 회수율을 분석한 결과 PAC와 Alum은 80%수준을 보였고 FeCl3의 경우 72%로 낮은 회수율을 보였다. 그 이유는 철염은 알루미늄 계열의 응집제 보다 플록의 크기가 크고 무겁기 때문에 고속으로 운전된 여과장치에서 내부의 여재에 부착, 흡착될 경우 분리가 어렵기 때문으로 판단된다.
- 전체 운전시간 동안의 평균효율은 85.3%(표준편차 ±1.7%), 평균 수두손실은 11.1cm (표준편차 = ±1.7cm)를 나타내어 성능 및 운전 재현성이 매우 양호한 것으로 밝혀졌다.
- 세척 초기에는 매우 빠르게 고형물이 회수되었으나 세척 횟수의 증가(세척수량의 증가)에 따라 회수율은 급속히 감소하였다. 초기 5L의 세척수에 의해 평균적으로 65%가 회수되었으나, 이후 추가적인 25L의 세척수를 통하여 약 15%가 회수되어 전체적으로 80%의 효율을 나타내었다.
- 3배 정도 높았다. 최적 주입량에 대해 일일 10,000톤 처리를 기준으로 약품비를 산출할 경우 PAC가 10,030원, Alum에서 8,800원, FeCl3에서 5,500으로 산출되었다. kg당 PAC의 비용은 5~7배 정도로 높았으나 PAC의 주입비율이 낮아 최종 처리비용은 1.
- 평균 여과효율을 살펴보면 PAC(91.2%) >Alum(90.4%) > FeCl3(78.4%) > No aid(62.3%) 순으로 PAC의 성능이 가장 우수하였다.
후속연구
- 의 물을 처리할 수 있다는 의미이므로 기존의 다른 여과 시스템과 비교하면 매우 경제적이다. 또한 섬유여과의 특성상 모듈화, 소형화를 통한 설치비용의 절감 및 부지확보 문제를 해결할 수 있다는 측면에서 다른 여과시스템과 비교하면 경쟁력이 있으며 현장 적용가능성이 매우 높을 것으로 판단된다. 처리대상 원수와 여과속도, 여과 및 운전방법이 본 연구와 다르므로 직접적인 비교는 어렵다.
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