혼화강도가 응집효울에 미치는 효과

허재용, 이상화, 김용태*, 곽종운*

경원대 화학공학과, (주)워테크 수처리센타*

The effect of mixing intensity on coagulation efficacy

Jae-Yong Heo, Sang-Wha LeeYong-Tae Kim*, Jong-Woon Kwak*

Kyungwon University, WATEK Co. Ltd.*

서론

응집제는 수중에 투입되면 수초내에 금속 수화물을 형성하는데, 이러한 금속수화물은 응집성능을 저하시킨다. 따라서 투입된 응집제를 급속 교반하여 수중에 빠르고 고르게 분산시켜 응집반응이 진행되도록 하는 것이 중요하다. 그러나 교반속도가 너무 크면 중복혼화가 일어나서 에너지 과소비가 일어나고, 교반속도를 작게 하면 응집제가 고루 분산되지 못하고 수중에서 수화반응을 일으키게된다. 또한 교반시간이 너무 짧으면 응집제가 고루 분산되기도 전에 국부적인 응집이 일어나게 되고, 교반시간이 길 경우에는 활성 응집종의 성장이 저하된다. 따라서 본 연구에서는 초기 급속교반 및 완속교반의 혼화강도(교반속도×교반시간)가 응집효율(인과 탁도의 제거)에 미치는 효과를 고찰하였다.

실험

응집실험은 flocculator 2000 모델(Kemira, Sweden)을 이용하여 수행하였으며, 이 교반기의 특징은 개인적 오차를 최소화하도록 한번에 여섯 가지의 시료를 동일 조건하에서 테스트함으로써 여러 응집변수들의 최적조건을 찾는데 적합한 실험장치이다. 급속교반 및 완속교반의 rpm과 반응시간을 조절해가면서 혼화(mixing) 강도에 따른 응집반응을 수행하였으며, 응집실험 후 수면에서 5cm지점에서 상등액을 샘플링하여 탁도 및 인 농도의 변화를 분석하였다. 인공 원수의 탁도는 Haake사 제품의 탁도표준용액(4000NTU)을 희석하여 조정하였고 인의 농도는 ortho-P 농도를 기준으로 10ppm으로 맞추었다. 또한 알칼리도 조정은 CaCO3 기준으로 원수 중에 20mmg/L의 단위로 조절하였다. 원수의 일정한 성상을 유지하기 위하여 kaolin과 PO43- 이온이 첨가된 표준 조제수 용액을 제조하였다. 실험에 사용된 응집제는 PACC(Al2O3 10%, 염기도=70%) Al계 신규 무기고분자 응집제이다.

결과 및 토론

급속교반의 효과.

응집제의 주입량을 변화시켜가면서 급속교반의 혼화강도가 응집효율에 미치는 효과를 고찰하였다. 이때 응집제 주입량은 8ppm, 17ppm, 34ppm으로 변화시켜가면서 25℃에서 탁도 및 인의 제거효율을 살펴보았다. 이때 인공원수는 pH8, 탁도 20NTU, 인 10mg/L의 성분으로 조제하였다. 응집제 주입량이 8ppm인 경우에는 동일한 급속교반시간의 조건하에서 약 300∼350rpm에서 최적의 응집효율을 나타내었다. 그러나 300rpm보다 낮거나 350rpm보다 높은 조건하에서는 응집효율이 급격히 감소하였고, 일반적으로 급속교반 시간이 증가할수록 잔류탁도는 감소하였다. 반면에 인의 제거에 있어서는 혼화시간에따른 응집효율의 차이가 탁도제거에 비해서 뚜렷하게 나타나지 않았다.(Fig. 1, Fig. 2)

Fig. 1. The effect of rpm on the turbidity removal with the variation of mixing time at pH8 and 25℃.(initial turbidity=20NTU)

Fig. 2. The effect of rpm on the PO43- removal with the variation of mixing time at pH8 and 25℃.(initial turbidity=20NTU)

앞서 구한 실험결과를 바탕으로 Gt값의 변화에 따른 응집효율간의 상관관계를 Fig. 3과 Fig. 4에 나타내었다. 탁도제거에 있어서는 Gt값의 변화에 따라 잔류탁도가 최소가 되는 적정 Gt값이 존재함을 알 수 있었고, 반면에 인의 제거에 있어서는 뚜렷한 상관관계를 도출할 수 없었다. 대체적으로 Gt값, 즉 혼화강도가 증가함에 따라 잔류 인의 농도가 감소하는 경향을 나타내주었다.

Fig. 3 The effect of mixing intensity, Gt, on the turbidity removal at pH8 and 25℃.(initial turbidity=20NTU, PACC dosage =8ppm)

Fig. 4. The effect of Gt on the PO43- removal at pH8 and 25℃.(initial PO43-=10mg/L, PACC dosage =8ppm)

응집제의 주입량이 17ppm으로 증가하였을 때 혼화강도가 응집제의 효율에 미치는 영향을 살펴보았는데, 주입량이 8ppm인 경우와 마찬가지로 동일 교반시간의 조건하에서 250∼300rpm 근방에서 탁도제거율이 가장 좋게 나타났다. 그러나 인의 제거에 있어서는 100rpm을 제외하고는 혼화강도 및 시간의 뚜렷한 의존관계를 나타내주지 않았다. 평균 혼화강도인 Gt값의 변화에 따른 잔류탁도 및 인의 관계를 Fig. 3과 Fig. 4에 나타내었다. 탁도의 경우에는 적정 Gt값이 존재하나 인의 경우에 있어서는 Gt값에 상관없이 거의 일정하게 나타났다.

Fig. 5. The effect of mixing intensity, Gt, on the turbidity removal at pH8 and 25℃.(initial turbidity=20NTU, PACC dosage=17ppm)

Fig. 6. The effect of mixing intensity, Gt, on the PO43- removal at pH8 and 25℃.(initial  PO43-=10mg/L, PACC dosage=17ppm)

그러나 응집제 주입량이 34ppm인 경우에는 혼화강도가 탁도의 제거율에 미치는 뚜렷한 상관관계를 볼 수 없었다. 반면에 인의 제거율은 혼화강도가 증가할수록 약간 증가하는 추세를 나타내주었다.

Fig. 7. The effect of mixing intensity, Gt, on the turbidity removal at pH8 and 25℃.(initial turbidity=20NTU, PACC dosage=34ppm)

Fig. 8. The effect of mixing intensity, Gt, on the PO43- removal at pH8 and 25℃.(initial PO43-=10mg/L, PACC dosage=34ppm)

완속교반의 효과.

300rpm으로 30초간 급속교반 후 완속교반의 혼화강도를 증가시켜가면서 인과 탁도의 제거율을 살펴보았다. 이때 원수의 탁도는 12NTU, PACC 주입량은 10ppm으로 하였고, 완속교반 후 정치는 30분으로 고정하였다. 탁도의 제거에 있어서는 적정 혼화강도가 뚜렷하게 나타났는데, 이는 완속교반에 의한 플럭의 고른 성장도 탁도 제거율에 중요한 영향을 미치는 것으로 해석될 수 있다. 인의 제거에 있어서도 탁도제거와 유사하게 거의 동일한 혼화강도에서 인의 제거율이 가장 높게 나타났다. 당량적으로 반응하는 인의 경우에 있어서도 완속교반의 적정 조건하에서 성장하는 플럭에 인이 흡착되어 제거되는 효과도 인의 전체적인 제거에 상당한 영향을 미치는 것으로 해석될 수 있다.

Fig. 9. The effect of mixing intensity, Gt, on the turbidity removal at pH8 and 25℃.(initial turbidity=12NTU, PACC dosage=10ppm)

Fig. 10. The effect of , mixing intensity, Gt on the PO43- removal at pH8 and 25℃.(initial PO43-=12NTU, PACC dosage=10ppm)

참고문헌

1. 곽종운, □물리화학적 수처리 원리와 응용,□ 예지각(1999).

2. Thomas, D. N., Judd, S. J. and Fawcett N., Water Research, 33, 1579-1592(1999).

3. Rossini, M., Garrido, J. G. and Galluzzo, M., Water Research, 33, 1817-1826(1999).