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문제 정의
- 공공하수처리시설에서는 하수처리 용량 및 지역에 따라 방류수질 기준을 달리 하고 있고(Korea Wastewater Information System, 2018), T-P의 경우 1일 하수처리용량이 500 m3 이상일 때 4지역에서 2 mg/L 이하의 농도로 방류하는 것으로 제한하고 있다. 따라서, 2 mg/L 이하의 처리수가 강으로 방류될 때의 상황을 가정하여 제거효율을 분석하고자 하였다. 통수시간은 전체 칼럼부피에 대하여 EBCT 기준으로 각각 0.
- 본 연구는 앞서 진행된 칼럼테스트를 통해 인의 성상이 어떻게 변화하는지를 화학평형 프로그램을 사용하여 검증하기 위하여 수행되었다. 본 연구에 사용된 Visual MINTEQ 는 2000년에 미국 EPA 모델 MINTEQA2를 Windows 기반의 사용자 인터페이스로 보완·변경하여 재출시된 프로그램으로, 수용액의 평형조성을 계산하는데 이용되는 평형 분화 모델이 적용되어 용존물질, 흡착된 물질, 고상 다매체의 물질수지 등을 계산하는 데 유용하다(Visual MINTEQ 3.
- , 2017). 본 연구에서는 인 제거 입상소재 접촉부와 석회석자갈 여과부를 순차적으로 적용하여, 용존성 인과 입자성 인을 동시에 제거할 수 있는 인 제거 기능이 특화된 여과수로를 구축하고자 하였다. 이를 위해서 인 제거효율을 최적화하기 위한 단위공정별 체류시간을 칼럼테스트를 통해 실험적으로 결정하였다.
- 본 연구에서는 인 제거 입상소재를 경유하면서 생성된 입자성 인의 침전에 의한 제거 기작을 더욱 상세히 파악하기 위한 침강시험을 진행하였다. 이를 위하여 상부가 열려있는 총 4 L의 원통형 칼럼에 인 제거 입상소재를 통수한 전처리수를 충전한 다음 최대 24시간동안 정치한 상태에서, 상층, 중층 및 하층에서 일정시간마다 채수하여 시간에 따른 침강특성을 분석 하였다(Fig.
- 테스트베드의 성공적인 구축 및 운영을 위해서는 주어진 현장의 여건을 고려하여 단위공정별 적정 체류시간, 목표 처리효율 등 핵심 설계인자를 도출해야 하며, 이를 실험적으로 결정하기 위한 테스트가 필수적이다. 본 연구에서는 칼럼테스트의 수행 결과를 통해 해당 여과수로의 설계인자를 도출하는 것을 목적으로 하였다.
- 이를 극복하기 위한 새로운 시도의 일환으로, 본 연구에서는 하천부지 내에 인 제거기능을 갖는 여과수로를 조성하 고자 하였다. 여과수로는 강우유출수, 경작지 유출수 또는 하천수 등 조류 대발생에 충분한 농도의 인을 함유하고 있는 원수로부터 조류 생장의 원인물질인 용존성 및 입자성 인을 동시에 제거하는 것을 목적으로 한다. 여과수로에는 인 제거를 위해 인산이온이 칼슘 이온(Ca2+)과 수산화이온(OH-)이 공존하는 계에서 결정 재와 접촉하여 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite, HAP)의 형태로 결정재 표면에 석출되거나 후속공정 에서 침전·여과되도록 하는 결정여과공법이 적용된다.
- , 2016). 이를 극복하기 위한 새로운 시도의 일환으로, 본 연구에서는 하천부지 내에 인 제거기능을 갖는 여과수로를 조성하 고자 하였다. 여과수로는 강우유출수, 경작지 유출수 또는 하천수 등 조류 대발생에 충분한 농도의 인을 함유하고 있는 원수로부터 조류 생장의 원인물질인 용존성 및 입자성 인을 동시에 제거하는 것을 목적으로 한다.
- 인 제거 입상소재와 석회석자갈을 순차적으로 적용한 인 제거 기능이 특화된 여과수로 테스트베드를 구축하기 위하여 적정 체류시간 및 인 제거효율의 제고 방안을 모색하였다. 이를 위해서 1) 결정여과 칼럼테스트에 대한 기존연구를 고찰하고, 2) 인 제거 입상소 재와 석회석자갈을 조합한 칼럼테스트, 3) 입자성 인의 침강특성을 파악하기 위한 칼럼테스트 및 4) 화학 평형 프로그램(Visual MINTEQ)을 활용하여 인의 성상 변화에 대해 모의하였다.
- 이를 위해서 인 제거효율을 최적화하기 위한 단위공정별 체류시간을 칼럼테스트를 통해 실험적으로 결정하였다. 추가로 입자성 인의 제거 효율을 제고하기 위한 칼럼테스트를 수행하였다. 또한, Visual MINTEQ 모의를 통해서 위 칼럼테스트에서의 용존성 및 입자성 인의 거동을 분석하였다.
- 1 user guide, 2018). 해당 프로그램을 이용하여 각 테스트 이후 인의 평형상태에 관하여 고찰하였다. 구동 조건은 Table 1 및 2와 같다.
가설 설정
- 모의시 입력농도로는 일반적인 하천에서의 각 이온의 농도를 적용하였으며, 인 제거 입상 소재의 특성을 반영하여 Ca2+ 및 OH- 이온이 충분히 용출된 상태를 가정하였다. 또한 입력된 이온들이 형성할 수 있는 고형물은 모두 침전물을 형성할 수 있다고 가정하였다. 특정 항목을 개별적으로 일정단위씩 변화시키면서 분석하는 sweep 모드로 구동하였으며, 해당 모의에서는 pH를 1부터 14까지 0.
- 모의시 입력농도로는 일반적인 하천에서의 각 이온의 농도를 적용하였으며, 인 제거 입상 소재의 특성을 반영하여 Ca2+ 및 OH- 이온이 충분히 용출된 상태를 가정하였다.
- 하천에서의 인의 경우 서론에서 서술하였던 바와 같이 하수처리장 방류수 또는 농경지 등으로부터 유출되는 비점오염원에 의해 야기되므로, 공공하수처리 시설의 방류수에 의해 영향을 받는 것으로 가정하였다.
후속연구
- 본 칼럼테스트를 통해서 ① PO4-P의 제거는 인 제거 입상소재 접촉부의 EBCT를 20 min 이상으로 설정 하면 90% 이상을 달성할 수 있는 것으로 나타났으며, ② T-P의 경우 총 EBCT 2 h 이내의 조건에서 최대 60%의 제거효율을 갖는 것으로 분석되어, 향후 제거 효율을 제고하고자 할 때 추가적인 방안을 마련해야할 것으로 나타났다. 이상의 결과로부터 현장 테스트 베드 적용시 본 여과수로의 총 EBCT는 1.
- 따라서, 위에서 수행된 칼럼테스트에서 입자성 인은 높은 확률로 HAP의 형태로 존재하며, 조류의 생장과는 큰 연관이 없을 것으로 예측된다. 추가적으로 T-P의 제거 효율을 높이고자 할 때에는 인의 형태가 HAP이라는 사실을 고려할 수 있을 것으로 판단된다.
- 따라서 본 연구에서 개발된 여과수로에서 전반부인 인 제거 입상소재 접촉부를 경유하는 것만으로도 대부분의 용존성 인이 제거 가능하여 수체의 부영양화를 방지할 수 있는 유효한 방안이 될 것으로 시사되었다. 한편, 추가적으로 T-P 의 제거효율을 높이고자 할 때에도 제거대상 물질이 HAP 형태의 입자성 인이라는 사실에 입각하여 공정 최적화를 도모할 필요가 있을 것이다.
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