수처리에서 무기고분자 응집제의 Floc형성과 인제거에 미치는 효과

이규석, 허재용, 이상화, 곽종운*

경원대학교 화학공학과, 경기화학 워테크연구소*

김동주**, 함승주**,

연세대학교 화학공학과**

Floc formation of polymeric coagulants and its effect

on the removal of phosphate in the wastewater

Kyusuk Lee, Jaeyong Heo, Sang-Wha Lee, JongWoon Kwak*,

Department of Chemical Engineering, Kyungwon University

*Water treatment Center, WATEK.

DongJoo Kim**, SeungJoo Ham**

**Department of Chemical Engineering, Yonsei University

서론

세계적인 연구 추세는 주로 휴믹산 또는 NOM(natural organic matter)과 같은 유기물제거에 많은 관심을 가지고 있으며,1) 이는 국내에서의 연구 진행방향과는 다소 다르다는 것을 알 수 있다. 현재 국내의 정수 처리장에서 가장 어려움을 겪고 있는 조류 발생 수질에 대한 대처에서도 외국의 경우에는 연구가 진행되고 있는 국가가 거의 없는 상황이다.2) 그러나 주요 상수원이 녹조 발생으로 기준치를 초과하는 강알카리성으로(97.9 낙동강 구포지점 pH 9.2) 바뀌는 국내정수장의 현실에서 아직 알칼리를 중화한 사례가 없고 녹조가 발생한 상태에서 염소를 많이 쓸 경우 발암물질인 트리할로메탄(THM)의 생성우려가 염려되므로 상수원의 수질을 개선하려는 근본 해결책이 제시되고 있다. Ferguson과 King(1977)에 의하면 ortho-P(용해성 인)는 잔류농도가 1 mg/L 일때까지는 Al과 당량으로 제거됨을 밝혔고 Ketchum과 Higgins(1979)는 FeCl3를 이용하여 인이 pH 영향에 따라 FePO4(OH)3y-3 형태로 제거됨을 밝혔다.3)  따라서 무기고분자응집제를 이용하여 조류(PN16C106H263O120)의 근원인 인을 제거시키는 것은 매우 의미가 있는 연구이다(표1 참조).4) 본 연구에서는 Fe계 고상응집제인 Ferrix와 Al계 액상응집제인 Hi-PAX를 이용한 인의 제거 및 floc형성간의 상관성을 고속카메라(Motion Scope2000)를 이용하여 고찰하였다.

표 . 각 물질의 산소소비량

항 목	산소소비량	비고
1Kg BOD	1 Kg
1Kg N	4 Kg
1Kg P	100 Kg	2차산소소비량
1Kg N	14 Kg	2차산소소비량

실험 재료 및 방법

고상(Ferrix)과 액상응집제(Hi-PAX)를 이용한 응집실험에서 원수의 일정한 성분(인=10ppm, 탁도=20ppm)을 유지하기 위하여 표준 조제수 용액을 제조하였다. 실험에 사용된 액상 응집제는 알루미늄계통 무기고분자 응집제(Hi-PAX, WATEK Co. Ltd)로써 염기도가 약 45%이며 Al 원자의 평균 charge는 약 1.67이다.  고상응집제로는 철계 무기고분자 고상응집제(Ferrix, KEMIRA Co. Ltd)로써 Fe가 23%함유되어있으며 사이즈가 다양하여 곱게 갈아서 분말로 이용하였다.

쟈테스트는 교반속도와 침전시간을 조절할 수 있는  KEMIRA사의 flocculator 2000모델을 사용하였으며, 비커 6개에 처리수를 1L씩 넣고 여러 수질 변수에 따른 실험을 진행하였다. 이때 처리 대상의 표준용액은 탁도와 인의 농도를 일정하게 조정하였으며 pH조절은 염산과 수산화나트륨을 이용하여 원하고자하는 정확한 pH를 맞추었다. 쟈테스트의 혼화 (mixing)조건은 급속교반 400rpm에서 30초간, 완속교반은 40rpm에서 10분간 수행한후 30분간의 정치시간으로 이루워졌다. 처리수의 상등액은 수면으로부터 5cm 아래에서 취하였고 응집실험은 상온에서 진행되어졌다. Amino Acid 법을 이용하여 산성용액에서 ammonium molybdate와 PO43-를 반응시켜 molybdophric acid form을 생성한 후 아미노 시약과의 격렬한 반응으로 푸른색의 molybdeum blue 화합물이 형성되면 이를 DR/2010 (HACH.Co. USA)을 사용하여  530mm 파장에서의 흡광도를 측정하여 ppm단위의 인의 농도를 측정하였다. 응집침전시 발생하는 플럭형성과 크기변화는 고속 비디오 카메라 MotionScope 2000s(Redlake Imaging Co. USA)를 사용하여 그 이미지를 촬영하였다.

결과 및 고찰

Fig. 1과 Fig. 2는 표준조제수에 Hi-PAX와 Ferrix를 주입하여 쟈-테스트를 한 결과로 pH에 따른 고상응집제와 액상응집제의 응집효과를 나타내었다. Hi-PAX를 이용한 응집시 잔류 탁도가 pH6∼8사이에서 1NTU 이하로 떨어져 Ferrix의

4.8NTU에 비해 우수한 탁도제거를 나타냄을 알 수 있다. 한편 Ferrix를 이용한 응집실험에서는 pH7.5에서 가장 높은탁도제거율을 나타내었다.  Fig. 3과 Fig. 4는 탁도와 인제거효과를 응집제의 주입량에 따른 효과를 나타낸것으로 Hi-PAX의 경우 적정주입량은 20ppm으로 나타났다. 인 제거는 Hi-PAX의 주입량에 비례하여 지속적으로 발생하여 Hi-PAX가 60ppm인 경우에는 인의 농도가 1ppm이하로 떨어졌다. 이와같은 현상은 Ferrix의 인 제거 실험에서도 동일하게 나타났는데 이는 Hi-PAX의 Al과 Ferrix의 Fe가 각각 당량으로 인과 응집반응을 일으키고 있음을 나타내 준다 하겠다.

응집제의 종류에 따른 응집효율과 floc 형성간의 관계를 고찰하기 위하여 High Speed 카메라를 이용하여 Ferrix와 Hi-PAX의 쟈-테스트 과정에서 형성된 플럭의 이미지를 촬영하였다(Fig. 5참조). 급속교반과 완속교반을 마친 후 10분간의 정치시간을 둔 후에 촬영한 이미지 데이터를 보면, Ferrix를 주입한 경우 Fig. 5(a)에서 보듯이 Hi-PAX에 비해 floc들이 비교적 작음을 알 수 있었고 같은 정치시간을 가진 Hi-PAX에 비해 floc들의 침전이 빠르게 이루어짐을 확인하였다. Hi-PAX의 경우 주입량에 따라 20ppm을 주입한 Fig. 5(b)의 경우 floc형성이 이루어지고 침전을 시작하고 있었으나, Fig. 5(c)의 주입량이 10ppm 인 경우는 floc들이 전체적으로 고르게 형성되어 상대적으로 floc의 침전이 늦게 시작되었음을 알 수 있었다.

c) Hi-PAX=10ppm

a)  Ferrix=60ppm

b) Hi-PAX=20ppm

Fig 5. Floc images visualized by Motion Scope 2000s(Redlake Imaging Co.)

at the stationary stage of 10min.

결론

본 연구는 국내 수질의 문제점인 조류의 제거에 있어 철계와 알루미늄계의 무기고분자 응집제를 사용하여 조류의 근원인 인을  제거함에 있어 플록형성간의 상관관계를 연구하였다. 실험결과 Ferrix(Fe3+)와 Hi-PAX(Al3+) 모두가 조류의 근원인 인과 당량적으로 결합하여 인의 잔류농도를 1ppm이하로 줄일 수 있었다. 또한 응집제에 따른 인의 제거효율과 floc의 형성간에 있어 Ferrix가 Hi-PAX에 비해 인의 제거효율이 떨어지는 것은 floc들이 작게 형성되는 것으로도 알 수 있으나  floc들의 침전성은 Hi-PAX에 비해 우수하였으며, Hi-PAX의 경우에 주입량에 따른 응집실험에서 있어서 주입량 적은 10ppm인 경우 20ppm에 비하여 같은 반응시간동안 floc 형성이 느렸고 응집효율도 낮음을 알 수 있었다.

참고문헌

1. AWWA Coagulation Committee. Preconf. Seminar on Influence of Coagulation on the selection, Operation and Performance of Water Treatment Facilities. Proc. 1987 AWWA Ann. Conf., Kansas City, Mo.

2. R. L. Drose(1997). Theory and practice of Water and Wastewater Treatment, John Wiley & Sons.

3. "Phosphate Removal & Recovery from Wastewater"(1988) J ,Popshops & Potassium. No. 213. 30∼39

4. J. W. Kwak and Gillberg. L. (1997). Removal of Phosphate by Aluminum and Iron Salt and Their Hydroxides. Asian WaterQual, IAWQ, Seoul