응집·응결·용존공기부상 공정을 이용한 휴믹산의 제거

이창한, 윤준섭, 박영식, 안갑환*, 송승구

부산대학교 화학공학과, 지산대학 환경공학과*

The removal of humic acid using coagulation, flocculation

and dissolved air flotation process

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

Seong Koo Song

Dept. of Chemical Engineering, Pusan National University

Dept. of Environmental Engineering, Jisan College*

서론

음전하를 가지는 용해성 거대분자인 휴믹물질은 여러종의 방향족화합물로 구성된 비결정형의 친수성 물질로서 용해되는 형태에 따라 humic acid(염기성에서 용해성), fulvic acid(산·염기성에서 용해성) 및 humin(산·염기성에서 비용해성)으로 구분된다1). 휴믹물질은 응집·응결공정에서 저 밀도의 미세 플록이 형성되어 침전공정의 효율을 저하시킨다. 침전공정에서 미처리된 미세 플록(유기물질)은 살균공정에서 유리잔류염소와 반응하여 발암성 THMs(trihalomathanes)와 유기 할로겐 화합물을 생성하는 것으로 알려져 있다2),3).

현재 발암성 THMs(trihalomathanes)와 유기 할로겐 화합물과 같은 소독시 발생하는 부산물에 대한 규제가 강화되고 있는 추세이므로 enhanced coagulation의 개념이 도입되어 humic acid의 제거방법과 최적 응집·응결조건에 관한 연구가 활발하게 이루어지고 있지만, 비용과 공정의 한계성 때문에 기존의 침전지를 DAF 공정으로 대체하거나 병용하는 실정이다4).

DAF 공정은 체류시간이 짧고, 저 밀도 플록에 대하여 높은 처리효율을 얻을 수 있다. 최근에는 DAF 공정에 적합한 응집·응결공정과 침전 및 여과공정의 대체공정으로 많은 연구가 이루어지고 있다4),6).

본 연구에서는 DAF 공정을 사용하여 일정한 부상조건에서 humic acid의 제거에 적합한 응집·응결조건을 도출하고자 하였다.

실험 및 방법

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

응집·응결실험은 임펠러의 직경 1.94 □과 길이 51.6 □인 Jar-tester를 이용하여 실험하였다. 급속교반을 150 rpm, 완속교반을 40 rpm으로 고정한 후 응집·응결시간을 변화시켰다. 교반속도실험는 응집·응결 시간의 실험에서 결정된 최적조건에서 급속교반을 100 ∼ 250 rpm과 완속교반을 20 ∼ 80 rpm으로 변화시켰다. 응집·응결실험은 재순환율 10 %와 가압수조의 압력 5 □f/cm2으로 부상조건을 고정하여 실험하였다.

색도는 부상과 응집·응결조건에 따른 처리수를 UV/VIS spectrophotometer로파장 400∼800 nm에서 scanning한 후 Adams-Nickerson의 색도공식을 사용하여  구하였다. TOC 측정은 부상과 응집·응결조건에 따른 처리수를 여과지(GF/C)로 여과한 후 TOC analyser를 이용하였다.

결과 및 토론

응집공정에서 alum의 사용은 pH 강하와 슬러지 생성량의 감소를 위하여 최적 의 응집제 투입량을 결정하는 것이 중요하다. 응집제 투입량에 대한 실험은 응집·응결조건을 급속교반 150 rpm에서 1분과 완속교반 40 rpm에서 15분으로 고

정하여 응집제 량과 humic acid의 농도를 변화시키면서 실험하였다.

응집제 량과 제거물질 농도의 관계는 전하중화 이론과 착화합물화-침전이론을 통해 구할 수 있다. 최적 응집제의 농도와 피응집물의 농도 그리고 착화합물과-침전이론의 관계는 다음과 같이 식(1)로 나타낼 수 있다5).

[eqn: rm `[A]`=`a[H]`+`b`]	(1)

여기에서 [A]  = 최적 응집제의 농도, [H]  = 피응집물의 농도, a, b = 상수

위 식에서 도출된 a, b값을 이용하여 최적응집제 주입량을 결정하였으며, 부상공정에 적합한 응집제량과 humic acid 농도의 관계를 Fig. 1에 나타내었다. 초기 TOC와 색도에 대해 일정 비율 이상으로 alum을 주입하면 응집되며 부상에 의해 80 %의 TOC와 90 %의 색도 제거율을 얻을 수 있었다. 응집제 량과 humic acid 농도(TOC와 색도)의 관계는 식(1)에 의해 다음과 같이 구하였다.

[eqn: rm [A]` = `0.0681[c olor]`-` 0.2685],[eqn: rm R^2 =0.9565]

[eqn: rm [A]` = `1.4188[T O C]`-`3.7042],[eqn: rmR^2 =0.9713]

위의 결과로 보면 전하중화이론이 잘 적용됨을 알 수 있었다. 그러나 humic acid중의 용존유기물질로 인하여 잔여 색도는 24.2, TOC는 3.52 □/□이하로 처리되지 않았다. 기포-플록의 부상시간은 5 분으로 고정하였지만, 1∼2 분에서 거의 완결됨을 알 수 있었다.

응집·응결시 완속교반속도에 따른 잔여 TOC 변화를 Fig. 2에 나타내었다. 원수 TOC가 10.93 □/□일 때 교반속도 20∼30 rpm에서는 잔여 TOC 4.78∼5.19 □/□였지만, 40 rpm이상에서는 잔여 TOC 3.91∼4.36 □/□으로 다소 낮아짐을 알 수 있었다. Humic acid의 플록은 저 밀도이기 때문에 전단력의 영향을 크게 받지 않아 60∼70 rpm에서도 안정된 처리효율을 나타내었다. 완속교반시간에 따른 잔여 TOC 변화를 Fig. 3에 나타내었다. 교반시간 0분에서는 플록이 거의 형성되지 않아 플록이 부유상으로 존재했기 때문에 부상이 잘 안되었다. 따라서 잔여 TOC는 13.25 □/□로서 미세한 플록에 의해 원수 TOC보다 더 높게 나타났다. 그러나 완속교반시간이 5 분이상에서는 플록의 형성과 기포-플록의 부착이 양호하여 TOC 5.13 □/□이하로 낮게 나타났다.

Humic acid의 주요 관능기인 carboxyl group과 phenolic OH group이 해리되어 음전하를 띠고 있기 때문에 다량의 양전하를 가진 alum을 주입하게 되면 전하중화에 의해 응집이 일어나게 된다. pH 6이하에서는 alum이 Al3+, Al13(OH)345+ 및 Al7(OH)174+ 등으로 다량의 양전하를 가지나 pH 6이상에서는 Al(OH)3로 침전이 일어난다고 알려져 있다5). humic acid의 응집에 있어 pH 영향은 pH 5∼7의 범위에서 좋은 플록 형성과 높은 부상효율이 보였다.

결론

본 실험에서는 humic acid의 응집·응결·부상실험을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

응집제량과 humic acid 농도는 다음과 같은 관계로서 최적값을 정하였다.

[eqn: rm [A]` = `0.0681[c olor]`-` 0.2685],[eqn: rm [A]` = `1.4188[T O C]`-`3.7042]

humic acid는 pH 5∼7의 범위에서 응집이 가장 잘 일어났으며, 또한 좋은 플록 부상효율을 나타내었다.

참고문헌

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

2. Thomas R. Hundt and Charles R. O'Melia, "Aluminum-fulvic acid

interactions", J. AWWA, Apr. 176-186(1988)

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

4. 환경부, □기존정수처리장 효율향상 기술□, (1997)

5. 전희동과 이문득, □Humic Acid의 염소화반응과 응집□, 화학공학, 25, 3(1987)

6. 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)