고농도 지하수 철분 제거공정:

파일럿 운전

이 지훤, 심 상준, 오 재춘, 조 영상

한국과학기술연구원 청정기술연구센터

Iron Removal Process in Highly Polluted Groundwater:

Pilot Test Operation

Ji Hwon Lee, Sang Jun Sim, Jae Chun Oh and Young Sang Cho

Clean Technology Research Center, Korea Institute of Science and Technology

1. 서론

철분은 지표의 자연적 성분 중에 네 번째로 풍부한 물질이며 지하수내에 고농도로 존재할 경우 심각한 심미적 문제를 유발한다.

철분을 제거하는 방법으로는 공기포화에 이은 기계적 여과법, 염소 등의 화학첨가물에 의한 산화 및 기계적 여과법, 양이온교환수지법, 그리고 망간 푸른모래법 등이 알려져 있다(1).  이들 중 염소화-필터법은 화학첨가물의 주입장치와 pH 조절장치 및 여과장치로 구성된다. 이 방법은 화학첨가물을 주기적으로 공급해주어야 한다는 점과 충분한 산화접촉시간을 보장해야 한다는 점등의 단점을 가지고 있다.  양이온교환수지법은 사용 중에 주기적으로 수지의 재생을 위한 조작이 필요하고 사용에 따른 양이온교환수지 성능의 저하가 문제가 된다.  망간 푸른 모래 여과법 또한 푸른 모래의 완충작용에 의한 안정된 수처리가 가능하나 염소화법과 유사한 문제점을 안고 있으며 주기적으로 과망간산칼륨이나 차아염소산나트륨등으로 푸른 모래를 처리해야 한다.  이와 같은 대부분의 산화-여과 공정은 산화공정에 있어 오랜 접촉시간과 산화제의 첨가 등으로 인한 운전비용 등이 문제가 되며 여과공정에 있어서도 여과과정에서 회수되는 침전물의 부피를 최소화시키는 문제가 남는다.  또한 후처리 공정 등에서 유래되는 부산물로 인해 이차적인 환경문제가 우려되기도 한다.

포기-여과법은 일반적으로 산화를 위한 충분한 포기에 상당한 시간이 걸리고 낮은 pH조건에서는 산화가 어려우며 초기 장치비가 비싸다는 단점을 갖는 한편 첨가물에 의한 운전비용의 부담이 없고 높은 농도의 원수를 처리할 수 있다는 장점도 있다. 이러한 포기-여과법은 고농도 철분의 정화에 이용되는 전형적인 산화법이고 특히 pH가 6.5이상일 경우 매우 효과적인 것으로 알려져 있다(2). 그러나 낮은 pH 조건하에서는 포기법만으로 효과적인 산화를 기대할 수 없어 본 공정에서는 석회석탑을 적용하여 포기와 알칼리화를 동시에 수행하였다.  연속적인 포기는 석회석 표면의 산화된 슬럿지의 퇴적을 막아주어 장기적인 정수가 다양한 철분농도 범위에서 가능하도록 도와준다. 다양한 조건에서의 석회석포기탑의 철분산화실험이 수행되었고 더불어 막여과를 겸비한 침전조가 산화철 슬럿지의 침전 및 여과기능을 함께 수행하여 효과적인 정수가 가능하였다.

전통적인 철분제거 공정에서는 석회석을 통과시킨 후 포기, 응집, 침전, 그리고 마지막으로 여과 과정을 거쳤으나, 본 공정에서는 오염된 지하수를 석회석으로 충진된 충전포기탑에서 알칼리화 및 산화 반응을 동시에 수행하고 이를 침전조를 통해 대부분의 침전물을 일차적으로 제거한 다음 침전조내에 설치된 막을 통해 잔여 철성분을 분리하였다. 또한 막의 장기적인 운전을 위해서 주기적인 역흐름을 주어 막의 표면의 케이킹 및 막힘을 방지하는 동시에 이를 재침전시켜 장기적 운전이 가능하도록 하였다.

2. 실험방법

철분제거 파일럿공정이 설치된 곳은 경기도 고양시 신평동일대의 3천평 규모의 야채 채소재배 비닐하우스로 본 공정의 설치를 위해 가로 4m 세로 5m의 부지가 확보되었다.  요구되는 수질로서 철분, 색 및 경도 등 채소류의 가격에 큰 영향을 미치는 요소를 제거하고 나아가 겨울철 비닐하우스의 난방을 위해 공급되는 수막장치의 순환수를 공급하기 위한 것이었다.  채소의 효과적인 성장을 위해 처리수의 pH는 7.3 이하로 요구되었다.

본 공정은 Fig. 2.에서 보는 바와 같이 크게 산화를 위한 석회석탑 부분과 침전물의 제거를 위한 막 역투과 침전조 부분으로 나눌 수 있다. 지하수의 효율적인 산화를 위해 석회석을 이용한 알칼리화와 포기를 통한 산화를 동시에 수행하는 석회석 충전탑을 이용한다. 이 석회석 충전탑은 산화제를 첨가할 필요가 없고 적정 pH의 유지(7.5 - 8.0)로 산화의 후처리가 필요 없으며 높은 속도의 철분 처리가 가능하다.  산화의 결과로 나온 산화 침전물은 침전탱크에서 일차 침전을 거친 다음 침전조 상단의 철망을 통해 부유 침전물의 2차 처리가 끝나는데 철망의 장기 사용을 위해 막의 역투과를 주기적으로 수행하여 막의 막힘을 방지하였다.  실험실 규모의 연구를 통해 석회석 탑의 체류시간은 25분, 침전조의 체류시간은 40분으로 하였다. 석회석탑의 규격은 지름 90 cm, 높이 180 cm였으며 침전조는 가로 160 cm, 세로 140 cm, 높이 140 cm 였다.  단일 막카트리지의 규격은 가로 60 cm, 세로 60 cm였다.

Fig. . Integration of typical iron removal process

Fig. . Schematic diagram of KIST iron removal process

철분제거공정의 흐름도는 Fig. 2.에 나타내었다. 펌프1에서 지하수를 석회석탑에 공급하고 동시에 송풍기를 통해 상향식으로 폭기를 실시하였다. 지하수의 공급유량은 하루 평균 40톤이었다. 침전조에는 흐름방지막을 설치하여 석회석탑에서 나온 처리수가 분리막으로 직접 이동하는 것을 막고 자연침강이 최대한 일어날 수 있도록 하였다. 펌프2에서는 스테인레스 철망(2000 mesh)에 진공압력이 생성되도록 하여 침전물을 여과하였다. 또한 철망의 표면에 케이킹이 생성되면서 진공압력이 점차 증가하게되어 일정수준(5.5 cmHg)에 이르면 자동으로 역투과를 수행하도록 하였다.

3. 결과 및 토론

원수의 pH는 6.3에서 6.4를 유지하였고 처리수는 평균 6.96으로 유지되었다 (Fig. 3). 가동 초기에 석회석에 오랫동안 체류된 유체의 pH도 7.3 이상을 넘지는 않았으며 정상상태에 도달하여 6.8에서 7.0을 유지함을 알 수 있었다.  원수의 철분농도는 40에서 60 mg/liter 범위에서  처리후에 평균 0.73 mg/liter으로 낮아져서 제거율이 98%에 이르렀다 (Fig. 4).

앞에서 언급한 바와 같이 철망에 철분슬러지에 의한 막힘이 발생하여 막카트리지내의 진공압력이 증가하였다 (Fig. 5). 자동압력제어기를 부착하여 진공압력이 5.5 cmHg에 이르면 역투과를 자동으로 실행하도록 하였으나 철망의 표면에 붙어있는 침전물이 완전히 제거되지 않아서 역투과 주기가 초기에 일정수준(2시간)까지 줄어들다 점차 일정한 역투과 주기를 보여주었다.

본 공정의 특징은 철분을 Fe(Ⅱ)에서 Fe(Ⅲ)로 산화시키는데 있어서 석회석을 이용하여 pH를 6.5이상으로 올려주고 동시에 포기를 시켜주어 침전물의 지속적인 이동과 석회석의 장기 사용이 가능하고 막분리를 겸한 침전조, 그리고 막의 장기적 이용을 위한 주기적 역투과 장치를 들 수 있다.

이러한 본 공정의 장점은 간편한 설계와 시공이 가능하고 적은 시설면적으로도 설치가 가능하며 여타 첨가물이 필요 없어 경제적이다.  또한 침전물의 고농축 회수 및 재이용이 용이하여 중소단위의 정수시설로 이용이 가능하며 대형 정수시설의 부가적 공정으로의 이용도 가능하다.  또한 부산물의 발생이 전혀 없어 상업화 가능성이 높은 공정이라 하겠다.

Table 1.에는 지하수와 최종처리수의 수질분석결과를 나타내었다.  철분의 농도가 당초 계획과는 달리 음용수 기준(0.3 mg/L)을 초과한 것은 역투과 이후 스테인레스 철망이 세척되고 순간적으로 고농도의 철분이 유출되어 전체적인 처리수 철분농도를 상승시킨 것으로 나타나 본 공정에서는 역투과 후 막을 통과한 처리수를 침전조로 순환시켜 역투과 후의 초기 철분유출을 방지할 수 있었다.  또한 석회석의 양을 늘려 철분의 산화 속도를 높이고 원수저장탱크에서의 전처리 폭기를 실시하여 충분한 산화가 이루어지도록 하였다.

Fig. . The course of pH of treated water in KIST iron removal process.

Fig. . The course of Iron concentration in KIST iron removal process

Table . The comparisons of raw water & treated water contents

	Groundwater	Treated water		Groundwater	Treated water
pH	6.38	7.08	NH4(mg/l)	-	-
Fe(mg/l)	56.27	0.73	NO3-(mg/l)	0.618	-
TDS	220	210	consumed KMnO4	195.7	2.6
Mn(mg/l)	1.568	1.519	turbidity	220	1
Zn(mg/l)	0.123	0.049	ordor	no	no
F-(mg/l)	-	-	color	755	3
Cl-(mg/l)	73.83	70.57	hardness	127	114
SO42-(mg/l)	61.02	60.7	-	-	-

Fig. . The course of vacuum pressure of stainless steel screen in KIST iron removal process.

참고문헌

1. 오정진, 이송희, □Fe, Mn 제거를 위한 정수처리법□, 수도, 24권 제2호, 68-76 (1997)

2. W. Lorez, K. Seifert, and O. K. Kasch, "Iron and Manganese Removal from a Groundwater Supply", Public Works, November, 57-58 (1988).