용존공기부상법에서 콜로이드성 황토부유물의 최적 응집·응결

조건에 관한 연구

윤준섭, 이창한, 박영식, 안갑환*, 송승구

부산대학교 공과대학 화학공학과, 지산대학 환경공학과*

A Study on Optimum Coagulation and Flocculation Condition of Colloid Clay Water in  Dissolved Air Flotation

Jun Seob Yoon, Chang Han Lee, Young Seek Park, Kab Hwan Ahn*,

Seong Koo Song

Dept. of Chem. Eng., Pusan National University, Dept. of Env. Eng.,

Jisan College*

서론

정수처리공정의 침전지는 음용수의 생산에 널리 이용되고 있는 공정이지만 저밀도 입자 처리시 분리 효율과 비용면에서 부적절한 면이 많다. 최근 미국과 유럽 등에서는 침전공정의 문제점을 개선하기 위해 DAF (Dissolved Air Flotation)공정의 연구가 많이 이루어지고 있고, 실제 공정에도 적용되고 있다[2].

용존공기부상법(DAF)은 가압상태에서 과포화된 물을 감압시키면 미세기포가 발생되어 수중의 콜로이드 물질과 충돌, 부착되면서 수중 부유 물질을 제거하는 수처리 기법이다[3]. DAF 공정은 20여년전부터 유럽에서 사용되어 왔으며 미국과 캐나다 등에서는 제지산업으로부터 발생된 폐수 내 섬유소를 제거하거나, 음식 및 자동차 제조업체의 기름폐수, 광산의 선광폐수 처리에 사용되어 왔고, 최근에는 정수처리공정에서 침전공정과 병행하여 원수의 조류 및 탁도 제거에 사용되고 있다. 용존공기부상법은 운전비용이 높고 공정이 복잡하여 운전조작이 어렵지만 침전공정에 비해 높은 표면부하율로 인하여 반응기 부피가 감소하므로 설치비용이 낮으며, 저밀도 입자와 조류의 제거가 용이하고 동절기에도 공정의 안정성을 유지할 수 있는 장점이 있다[4].

본 연구에서는 상수원수 중에 포함된 콜로이드성 황토입자의 처리에 있어 응집제인 황산알루미늄을 사용하여 DAF 공정에 적합한 황토입자의 응집·응결 조건을 도출하고 DAF법을 이용하여 황토입자의 제거율에 영향을 미치는 요소에 관해 비교·검토하였다.

재료 및 방법

본 연구에 사용한 황토는 양산 인근의 야산으로부터 채취하여 건조시켜 분쇄하여 15L 용기에 증류수와 혼합하여 하루동안 교반시킨 후, 95분동안 침강시켜 황토침전물을 제거하고, 상등액을 원심분리한 후 1시간 동안 초음파 세척하여 콜로이드성 황토부유물을 제조하였다[5]. 응집제는 황산알루미늄 Al2(SO4)3·13∼14H2O를 100 ∼ 600 mg Al2O3/L 농도로 조제하여 사용하였다.

회분식 실험에 사용한 장치는 직경 1.94 cm와 길이 5.16 cm인 impeller를 갖춘 Jar-tester를 사용하였다. 응집·응결·부상조는 직경 8 cm, 높이 23 cm인 1 L용량의 원형 실린더를 사용하였으며, 중앙에 채취구를 만들어 유출수를 채취하였다. Compressor를 이용하여 공기를 주입하여 가압하였으며, saturator에 연결된 밸브를 통하여 가압수를 부상조로 주입시켰다. 유출수의 처리율은 파장 254 nm에서 UV-VIS spectrophotometer(UV-1201, shimazu co.)를 사용하여 흡광도 측정을 통해 비교하였다.

콜로이드성 황토농도는 0.15 g/L이고 0.1N H2SO4와 0.1N NaOH을 사용하여 pH 7로 조절한 후 응집제를 5 mL씩 주입하였다. 응집공정으로 1분 동안 150 rpm으로 급속교반하고, 응결공정으로 15분 동안 40 rpm으로 완속교반하여 부상을 시켰다. 부상시 수온은 10℃, saturator의 압력은 5 kgf/cm2, 부상시간은 5분인 부상조건에서 황토농도와 응집제량의 영향, 교반조건에 따른 영향 및 pH의 영향을 고찰하였다.

결과 및 고찰

응집·응결시 응집제 량에 따른 콜로이드성 황토부유물의 제거효율을 흡광도로서 Fig. 1에 나타내었다. 1 mg Al2O3/L의 황산알루미늄 농도에서 제거율이 88.8 %로서 가장 높았으며 이는 정전기적 반발력이 감소하여 floc의 형성이 적절한 것으로 사료되었다. 1.5 mg Al2O3/L 이상에서는 과량의 응집제로 인하여 floc의 형성은 잘 되지만 과다한 floc의 성장으로 비중이 높아져 미세 기포가 부착되어도 기포-floc 응집물의 비중이 물보다 크기 때문에 부상되기보다는 부유상으로 존재하여 제거율이 낮아졌다[5].

황토농도에 따른 유출수의 흡광도 제거율의 변화를 Fig. 2에 나타내었다. 운전조건으로 150 rpm에서 1분 동안 급속교반, 40 rpm에서 15분 동안 완속교반하여 1.0 mg Al2O3/L를 가하여 황토농도에 따른 부상효율을 비교하였다. 황토농도에 따른 제거율은 증가하지만 0.20 g/L 이상의 황토농도에서는 부상되는 floc보다 침전되는 floc이 많아 부상에 따른 제거율 비교에서는 제외시켰다. 전체적인 제거율이 낮은 것은 기포-floc 응집물의 빠른 부상속도로 인하여 부상시간 5분이전에 기포와 floc이 탈리되어 floc이 침강되기 때문에 제거율이 50 %이하로 나타난 것으로 판단되었다. 황토농도 0.10 g/L이하에서는 응결 과정에서 floc형성이 거의 되지 않아 흡광도 0.107로서 25 %의 낮은 처리율을 나타내었다. 부상의 최적조건은 0.20 g/L 이하에서 제거율이 가장 높은 황토농도 0.15 g/L이었다.

Fig. 3에서는 완속교반시간에 따른 제거율을 나타내었다. 150 rpm에서 1분 동안 급속교반, 40 rpm에서 0 ∼ 15분 동안 완속교반하고 응집·응결을 시켰다. 완속교반을 하지 않을 경우 황토 floc이 잘 형성되지 않아 8 %의 낮은 제거율을 보였다. 교반시간 5분에서는 약간의 floc이 형성되었지만 기포-floc의 부상이 잘 되지 않아 제거율은 낮았다. 이는 응결에 적합한 속도경사(G)와 체류시간(T)을 갖지 못하여 floc의 형성이 잘 되지 않은 것으로 사료되었다[6]. 콜로이드성 황토입자는 교반시간이 10분과 15분일 때 floc 형성이 양호하여 80 %의 높은 제거율을 나타내었다.

급속교반시간에 따른 제거율은 교반시간이 30 ∼ 60초일 때 가장 높았으며 급속교반에 적합한 시간은 30 ∼ 60초임을 알 수 있었다. 완속교반은 40 rpm에서 15분간 행하였다. 급속교반을 하지 않을 경우 69 %의 제거율을 나타내었는데, 15분간의 완속교반만으로는 응집제와 콜로이드성 황토부유물이 잘 혼합되지 않아 floc 형성이 잘 되지 않았기 때문에 저조한 것으로 사료되었다. 그러나 Fig. 3의 완속교반 0분일 때 8 %의 제거율과 비교하면 높은 제거율을 보였다. 이는 floc 형성이 응집공정에서 응집제의 혼합보다는 응결공정에서 floc 형성에 영향을 많이 받는 것으로 사료된다. 부상에 적합한 응집·응결조건은 급속교반 30 ∼ 60초와 완속교반 15분이었다.

완속교반속도에 따른 제거율의 변화를 Fig. 4에 나타내었다. 150 rpm에서 1분 동안 급속교반을 하였고 20 ∼ 60 rpm으로 15분 동안  완속교반을 하였다. 완속교반속도에 따른 흡광도 제거율은 40 rpm에서 가장 높은 경향을 나타내었다. 교반속도 40 rpm에서 제거율이 70%로 가장 높게 나타났고, 30 rpm이하에서는 입자사이의 floc 형성이 잘 되지 않아 부상이 안 되는 것으로 사료되었다. 50 rpm 이상에서는 20, 30 rpm과는 달리 교반속도가 높기 때문에 형성된 floc이 전단력에 의해 붕괴됨으로서 유출수의 흡광도가 증가하였다.

pH에 따른 흡광도의 변화는 pH 4∼9에서는 황산알루미늄이 Al3+, Al13(OH)3+34 및 Al7(OH)4+17등의 다량의 양전하를 가지나 pH 10에서는 Al(OH)3의 염화물 형태로 침전되어 floc을 형성시키지 못한다[7]. pH 7에서 흡광도 0.047로 67 %의 가장 높은 제거율을 보였다. 이는 침전공정의 황산 알루미늄 사용시 적정범위인 pH 4.5∼8과 일치한다[8].

결론

콜로이드성 황토부유물의 부상에 대한 응집·응결 실험에서 황토농도 0.15 g/L와 응집제 1.0 mg Al203/L를 사용하였을 때 가장 높은 제거율을 보였고, 부상에 최적인 응집·응결시간은 급속교반 30 ∼ 60초와 완속교반 10 ∼ 15분에서 제거율이 80 %로 높게 나타났다. 완속교반속도에 따른 변화는 40 rpm일 때 제거율이 70 %로 가장 높았고, pH의 영향은 pH 7일 때 흡광도 0.047로서 67 %의 높은 제거율을 나타내었다.

참고문헌

1. 이화자 외, “정수공정 개선을 위한 유기성 Polymer의 사용”, 환경공학회지 Vol. 7, No. 2, pp. 217∼221, 1998.

2. James K. Edzwald, John P., “Flocculation and Air Requirements for        Dissolved Air Flotation”J. AWWA. pp. 92∼100, Mar. 1992.

3. 독고석, “용존공기부상법(DAF)에서 粒子와 微細氣泡의 衝突特性에 관한 硏究”, 서울대학교 박사논문, 1998.

4. James P. Malley Jr ＊ James K. Edzwald, “Laboratory Comparison of      DAF with Conventional Treatment”, J. AWWA. pp. 56∼61, Sep. 1991.

5. James K. Edzwald ＊ John P. Walsh,“Dissolved Air Flotation : Laboratory and Pilot Plant Investigations”, Water Treatment and Operations, J. AWWA. 1992.

6. 전항배, “Alum의 응집 Mechanism을 고려한 2단 혼화공정의 탁도 및 유기물질 응집특성 연구”, 환경공학회지 Vol. 19, No. 5, pp. 633∼642, 1997

7.  Semmens, MJ. and Field, T.K. : J. AWWA. 72, 476, 1980.

8. 양병수, “用手 및 廢水 處理”pp. 225∼262, 동화기술.

9. Matthew T. Valade et al.“Particle removal by flotation and filtration :        pretreatment effects”, J. AWWA. pp. 35∼47, Dec. 1996.