응집시 용존유기물 제거 및 입자 형태에 관한 연구

이향인, 문병현, 김승현*, 윤태경**, 이강춘***

창원대학교 환경공학과, 경남대학교 토목공학과

**동의대 환경공학과, ***동양화학연구소

DOC Removal and Floc Geometry during Coagulation

Hwang-In Lee, Byung-Hyun Moon, Seung-Hyun Kim*,

Tae-Kyung Yoon**, Kang-Choon Lee***

Department of Environmental Engineering, Changwon National University.

*Department of Civil Engineering, Kyungnam University.

**Department of Environmental Engineering, Dongeui University.

***Institute of Dongywang Chemical Research

1. 서론

기존의 응집공정은 응집제의 종류 및 주입량과 운전조건에 따른 탁도 제거율로 응집의 효과를 평가 하였다. 하지만 상수원수의 소독부산물에 대한 규제가 강화되고 용존유기물에 대한 관심이 높아지면서 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 응집제의 최적 주입량과 종류는 응집효율이 최적으로 이루어지기 위해 중요하며, 이때 얻어진 화학적 floc의 특성 또한 처리수의 수질, 침전, 여과공정의 효율에도 영향을 미친다. 하지만 이에 대한 연구는 미비한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 Alum, PACl(Poly Aluminum Chloride)를 pH, 주입량을 조절하여 탁도, UV254 , TOC 의 최적 범위를 파악하고, 탁도 및 유기물 제거에 따른 Floc입자의 특성을 파악하고자 하였다.

2.이론

① Coagulation diagram

수처리의 응집은 일반적으로 두 응집 메커니즘(precipitation, adsorption)이 중요하게 고려되며 B.A Dempsey는 Fulvic acid(FA)의 응집 실험 결과 두 개의 플록 형성영역을 발견하였다 (Fig1). 낮은 pH의 영역Ⅱ는 Charge Neutralization에 의한 precipitation을 나타내는 것이고, 높은 pH의 영역 Ⅰ은 Humic물질이 Al(OH)3(S)에 흡착되어 응집되는 과정인 Sweep Coagulation을 나타낸다. 회색 점 찍힌 부분은 membrane filter를 써야 제거가 가능할 만큼 미세한 Al(Ⅲ)-FA complex가 형성된다.

Fig1. Removal of fulvic acid from water when Alum and PACl is the coagulation

②Fractal dimension

Fractlal 이론은 Mandelbrot 에 의해 개발된 것으로 자연계 현상의 불규칙적인 현상을 특성화시킬 수 있다. Mass-Size, Area-Length와의 관계식을 (1),(2)와 같이 나타낼수 있다.

M(R) ∝ RD-------(1)    M(R): mass of aggregate of radius

R   : aggregate radius(□)

D   : Fractal dimension

A∝L2/D  ------- (2)   A: area(□2)

L: length(□)

모양이 규칙적이라면 Fractal dimension은 1이며 그 값이 커질수록 입자의 불규칙성은 커진다.

3.실험

본 연구에서는 칠서정수장에서 낙동강 원수를 취수하였고 실험시의 원수조건은 Table1과 같다.

Alum과 PACl을 응집제로 사용하여 1∼100mg/L을 주입하였다. pH는 4∼10의 범위에서 0.2N H2SO4와 0.2N NaOH를 사용해서 조절하였다. Jar test의 조건은 급속교반은 150rpm에서 1분, 완속교반은 30rpm에서 20분, 30분 침전시켰다. 침전 후에는 상등수를 채취하여 탁도, UV254, TOC를 측정하였다. Floc의 형태는  Malvern Mastersizer/E의 small-angle light scattering으로 측정하였으며, Fractal dimension으로 입자의 형태를 나타내었다.

Table1. Water Quality Data for Raw water

	Range	Average
pH	7.27∼8.5	7.52
Alkalinity (mg/L as CaCO3)	46∼50	48
Turbidty(NTU)	8.0∼12.0	10.0
UV254(Cm-1)	0.050∼0.054	0.052
TOC(mg/L)	5.05∼6.00	5.52

4.결과 및 토론

pH 및 응집제 주입량에 따른 탁도, UV254, TOC 제거효율 곡선은 Fig2-3과 같이 나타내었다.

Fig2. Diagram of turbidity removal distribution by Alum and PACl

Fig2은 탁도 제거효율을 나타낸 것으로 Alum은 pH 6.4부분에서 90%의 최적 효율을 보였고, pH6, Alum 주입량 7mg/L에서 높은 제거효율이 좁게 분포하다가 주입량이 많을수록 넓은 pH범위로 퍼져 Sweep floc 에 의한 응집이 형성됨을 알 수 있었다. 반면에 PACl 은 pH6.4 주입량 10∼100mg/L에서 80%이상의 제거효율을 보이고 pH4.5이하의 낮은 pH에서도 70%의 제거효율을 보였다. PACL은 넓은 pH범위에서 Sweep floc에 의한 응집이 형성됨으로 보아 열역학적으로 안정된 Al polymer형태임을 알 수 있다. 즉, pH6.5∼7의 특정부분은 Alum이 PACl보다 제거효율이 높으나 pH6이하 7이상의 부분은 PACl의 제거효율이 높게 나타났다.

UV254 제거효율 곡선은 Alum의 최적 pH 및 주입량이 탁도제거 diagram과 비슷하게 나타났고, pH5∼8, Alum dose 10∼100mg/L의 넓은 범위에서 Sweep floc에 의한 응집이 형성되었다. 또한 pH4∼4.5에서는 제거효율이 감소하였다. PACl은 UV254제거분포가 Alum 보다 넓게 분포하며 pH4에서 탁도제거율은 높지만 UV254 은 높지 않았다.

Fig3는 TOC 제거효율 곡선을 나타낸 것으로 Alum의 최적 pH 및 주입량은  UV254제거 diagram과 비슷하게 나타났고, Alum이 과량 주입된 pH4.5부분과Alum이 소량 주입된 pH7.5∼8.5에서는 재안정화부분이 일어났다. PACl은 pH5.5∼6,주입량 30∼100mg/L에서 55∼60%가 제거되었으며 pH 4.5∼7.5, 주입량 10∼100mg/L 주입시 30%이상의 제거효율을 나타내었다. 즉 pH6∼6.5부분에서는 Alum이 PACl보다 제거효율이 높으며 pH5∼6에서는 비슷한 양상을 보이나 낮은 pH 부분과 pH7이상의 높은 pH에서 응집제를 과량 주입시는 PACl 보다 제거효율이 훨씬 높게 나타났다.

Fig3. Diagram of TOC removal distribution by Alum and PACl

5.참고문헌

1)A.Amirtharajah and K.M.Mills,"Rapid-Mix Design for Mechanism of Alum Coagulation," Journal AWWA,vol.74, No.4, 1982

2)Dempsey B.A "Reactions between fulvic acids and Aluminum." Am. Chem.  Soc,1989, pp409∼424