연속식 용존공기부상 장치를 이용한 휴믹산 제거 조건

안대명, 이창한, 안갑환1, 김성수1, 조석호1

부산대학교 화학공학과, 부산가톨릭대학교 환경시스템학부1

daman@pusan.ac.kr

The treatment conditions of humic acid using continuous DAF process

Dae Myung An, Chang Han Lee, Kab Hwan Ahn1, Sung Su Kim1, Suk Ho Cho1

Dept. of Chemical Engineering, Pusan National University,

School of Enviromental System Engineering and Industrial Hygiene1

daman@pusan.ac.kr

서론

용존공기부상(dissolved air flotation) 공정은 최근 상수 및 정수처리공정에서 기존의 침전공의 단점을 보완하는 대체공정으로서 모색되고 있다. 특히, 저탁도 점토성 물질, 휴믹물질, 자연적인 색도 및 조류을 함유한 원수 처리에 유용한 공정이라고 알려져 있다.

음전하를 가지는 용해성 거대분자인 휴믹물질은 여러종의 방향족화합물로 구성된 비결정형의 친수성 물질로서 용해되는 형태에 따라 humic acid, fulvic acid 및 humin으로 구분되며, 응집·응결공정에서 저 밀도의 미세 플록이 형성되어 침전공정의 처리효율을 저하시킨다. 이 공정에서 미처리된 미세 플록은 살균공정에서 유리잔류염소와 반응하여 발암성 THMs과 같은 유기 할로겐 화합물을 생성하는 것으로 알려져 있다1).

현재 발암성 THMs와 유기 할로겐 화합물과 같은 소독시 발생하는 부산물에 대한 규제가 강화되고 있는 추세이며, 기존의 침전지를 용존공기부상 공정으로 대체하거나 병용하여 제거하려는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이 공정은 체류시간이 짧고, 저 밀도 플록에 대하여 높은 처리효율을 얻을 수 있다. 본 연구에서는 연속식 용존공기부상 공정을 이용하여 응집·응결 및 부상조건에 따른 휴믹산의 제거효율을 비교하여 부상공정의 설계인자를 도출하고자 하였다.

본론

1. 실험 및 방법

실험에 사용한 humic acid는 표준시약을 5 ∼ 50 □/L의 농도로 희석하여 사용하였다. 응집제는 alum(황산알루미늄:Al2(SO4)3·13∼14H2O)을 100 ∼ 1200 □ Al2O3/L로 희석하여 5 □씩 주입하였다.

연속식 용존공기 부상장치는 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 1L의 응집조(급속교반), 5L의 응결조(완속교반), 및 3L의 부상조가 부착되어 있다. 응집제 주입량은 회분식 실험을 통해 결정된 최적농도 조건에서 투입하였다. 가압수는 응집·응결조를 거쳐 응집된 플록과 기포의 접촉을 원활하게 하기 위하여 부상조의 유입구로 주입시켰다. 유출수는 부상조 상부와 하부에서 각각 1:9의 비율로 동시에 유출시켰으며, 유출수의 농도 측정은 하부의 유출수를 사용하였다. 응집조와 응결조의 교반강도(G : velocity gradient)는 각각 182.6 sec-1과 21.1 sec-1로 하였고, 기존의 정수처리 기준보다 작게 설계되었다. 원수 유입속도는 0.76L/min으로 하였으며, 가압수는 20∼50%로 조절하여 주입한 후 가압수조의 압력 5∼6 □f/cm2으로 부상조건을 고정하여 실험하였다.

Fig. 1. Systematic diagram of DAF process.

연속식 용존공기부상장치의 유출수는 체취한 후 잔류기포를 제거하기 위하여 2분동안 정치한 후UV/VIS spectrophotometer를 사용하여 600 nm에서 측정하고 검량선에 의해 농도로 환산하였다. TOC 측정은 부상과 응집·응결조건에 따른 처리수를 여과지(GF/C)로 여과한 후 TOC analyser를 이용하였다.

2. 결과 및 고찰

Fig. 2. Effect of slow mixing time on humic

acid concentration.

DAF 공정에서 응집·응결 공정은 미세 플록의 부상에 있어 매우 중요한 공정이다. 응집제 량과 제거물질 농도의 관계는 전하중화 이론과 착화합물화-침전이론로서 해석2), 3)되며 최적 응집제의 농도와 피응집물의 농도는 응집·응결에 있어 가장 중요한 요소이다. 응집제의 주입량은 이전의 회분식 실험을 통하여 결정되어진 3∼5 □Al2O3/L로 하여 실험하였다. 본 연구에서 실험자료는 제시되지 않았지만, 최적의 응집제 주입조건에서 TOC와 색도의 제거율은 각각 80 %과 90 %를 얻을 수 있었다. 휴믹산의 제거는 휴믹산의 주요 관능기인 carboxyl group과 phenolic OH group이 해리되어 음전하를 띠고 있기 때문에 다량의 양전하를 가진 alum을 주입하게 되면 전하중화에 의해 응집이 일어나게 된다. 휴믹산의 응집에 있어 pH 영향은 pH 5∼7의 범위에서 좋은 플록 형성과 높은 부상효율이 보였다.

Fig. 2는 Jar tester를 이용한 회분식 부상실험에서 응결시간(완속교반시간)에 따른 처리효율을 나타낸 것이다. 응결실험은 급속교반 150 rpm(G : 115.7 sec-1)에서 1분과 완속교반 40 rpm(G : 21.10 sec-1)에서 0∼20분 동안 행하였다. 응결시간에 따른 휴믹산의 제거효율은 5분에서 48 %이었으며, 15분이후에서 72.7∼73.9 %로 높아졌다. 따라서 응결시간이 15분이상이 되면 부상에 적합한 조건의 플록을 형성시킬 수 있었다.

Fig. 3. Effect of flocculation zone volume on DAF.

- initial humic conc. : 44.14 mg/L

- flow rate : 0.76 L/min

Fig. 3은 연속식 DAF 장치에서 응결조의 부피(체류시간)에 따른 휴믹산의 제거효율을 나타낸 것이다. 응집조와 응결조의 체류시간은 각각 1.3과 1.3∼6.6분으로 하였으며, 가압수의 주입량은 0.76L/min에 대해 20∼40%로 조절하여 주입하였다. 응결조 0L와 1L의 조건에서 가압수를 20%로 주입하였을 때 유출수의 휴믹산의 농도는 32.4 ∼ 33.7□/L로서 처리효율이 23.7 ∼ 26.6 %로 매우 낮았지만, 가압수의 주입량을 40%로 증가시키면  57.6 ∼ 58.0 %로 처리효율이 증가되었다. 이것은 응결시간이 짧기 때문에 휴믹산의 플록이 충분히 형성되지 않아 휴믹산의 부상효율이 떨어져 제거효율이 낮았지만, 가압수의 주입량을 40 %로 증가시키면 플록의 부상효율을 증가시켜 휴믹산의 처리효율을 50 %이상 증가시킬 수 있었다. 응결조가 2L이상의 조건에서도 유사한 경향을 보였으며, 0L과 1L의 조건에서와는 달리 가압수 주입량이 30%에서 60 %의 휴믹산 제거효율을 얻을 수 있었다.

Fig. 4는 연속식 DAF 장치에서 가압수의 제조조건에 따른 휴믹산의 제거효율을 나타낸 것이다. 가압수의 제조형태는 type I(가압수조형), type II(펌프형), 및 type III(펌프형)으로 하여 실험하였다. type I의 가압수조형은 압축공기를 주입하여 가압수를 제조하는 방식의 DAF 장치이고, type II와 type III의 펌프형은 구동되는 펌프의 케이싱 내로 공기를 흡입시키는 방식이다.  동일한 조건에서 가압수를 주입하더라도 주입방식에 따라 처리효율은 달라졌다. type I, type II, 그리고 type III의 처리효율은 type II가 동일한 조건에서 가장 우수하다는 것을 알 수 있었다. type I 유출수의 휴믹산의 농도는 23.4 ∼ 23.7□/L로서 처리효율이 46.3 ∼ 46.9 %이었으며, 가압수의 주입량을 40 ∼ 60%로 증가시키면  58.9 ∼ 59.0 %로 처리효율이 증가되었다. 이것은 Fig. 3의 결과 유사한 것이며, 회분식에서와 달리 응결시간이 짧기 때문에 휴믹산의 플록이 충분히 형성되지 않아 휴믹산의 부상효율이 떨어져 제거효율이 낮았다. 상기 실험에서 도출된 잔여 TOC 변화는 실험자료로는 제시하지 못했지만, 회분식 실험에서는 원수 TOC가 10.93 □/□일 때 잔여 TOC 3.91∼4.36 □/□이었다.

Fig. 4. Comparison between saturation types on

removal efficiency.

결론

연속신 용존공기부상 장치를 이용한 휴믹산 제거실험으로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1. 응결실험은 급속교반 150 rpm(G : 115.7 sec-1)에서 1분과 완속교반 40 rpm(G : 21.10 sec-1)에서 15분이후에서 72.7∼73.9 %을 얻을 수 있었다.

2. 응결조가 2L이상의 조건에서는 0L과 1L의 조건에서와는 달리 가압수 주입량이 30%에서 60 %의 휴믹산 제거효율을 얻을 수 있었다.

3. 휴믹산의 제거효율을 가압수의 제조방식에 따라 달라진다는 것을 알 수 있었다.

참고문헌

1. Gerald A. Edwards and A. Amirtharajah, "Removing color caused by humic acids", J. AWWA,  Mar. pp. 50-57(1985)

2. 김수연 등, □수중 Humic Acid의 효율적 응집처리와 잔류알루미늄 감소방안에 관한 연구□, 한국환경위생학회지, 24, 2(1998)

3. Menahem Rebhum and Michael Lurie, "Control of organic matter by coagulation and floc separation", Wat. Sci. Tech., Vol. 27, No. 11.  pp. 11-20(1993)