혼화˙응집˙침전시설 운영관리(1)

1. 혼화˙응집 이론 

 본 공정은 착수정 이후 응집제 투입 및 급속교반을 통해 응집제와 탁질 성분이 반응하여 미세 플록이 형성되는 혼화 공정과, 미세한 플록들이 완속교반을 통해 한층 더 큰 입자의 플록으로 응집되는 응집공정으로 구성되어 있다. 일반적으로 응집 과정은 1단, 2단, 3단으로 교반강도를 감소시키는 점감식 공정을 통해 형성된 플록이 점점 더 크기가 커지며, 강한 교반에 의해 파괴되는 것을 방지한다. 

  가. 개요 

    1) 물속의 불순물의 특성은 다음과 같다. 

      수중 불순물은 토양의 침식, 동식물의 부패, 동물의 배설물, 산업용 오˙폐수 등으로부터 기인하며, 침전 가능한 고형물(settleable solids)의 크기는 0.01mm이상이다. 모래나 무거운 점토질(Silt) 등은 응집제 없이 중력에 의한 제거가 가능하나, 크기가 0.01mm이하인 콜로이드성(colloid)물질은 자연적인 중력침전이 불가능 하므로 박테리아, 미세점토(fine clay)등과 함께 물리화학적 처리가 필요하다. 크기가 1mm이하인 용해성물질은 동식물에서 유래한 천영유기물질(NOM, Natural Organic Matters) 또는 중금속과 같은 무기성 물질로 일반적인 물리˙화학적 방법으로는 상대적으로 제거율이 낮은 편이다. 

    2) 플록형성(응집) 메커니즘은 다음과 같다. 

      양이온 계통의 응집제가 수중에서 가수분해되면 음이온 성분의 콜로이드 입자표면의 제타전위가 감소되어서 불안정한 미세플록이 형성된다. 이들은 응집공정을 통해 그 크기가 점점 더 커지며 자중에 의해 가라앉게 된다. 고분자 응집제를 응집보조제로 주입하게 되면 형성된 미세플록이 가교현상(bridge)에 의해 중대형플록으로 발전되며, 침전효과 증대에 도움이 된다.      

    3) 혼화와 응집의 주요 영향인자로는 응집제 주입량, 수온, pH, 콜로이드 및 용존성 유기물질 농도, 알칼리도, 교반강도, 제타전위 등이 있다. 

  나. 응집제의 종류 

    1) 무기응집제 

       다가금속이온의 염으로 가수분해되어 콜로이드입자와 반대전하를 가지는 이온을 생성하며, 정수장에는 알루미늄 계열의 PAC(Poly Aluminum Chloride)를, 염색폐수 등 하폐수처리에는 철염(황산제1철, 황산제2철)이 많이 사용되고 있다. 

      (1) PAC는 약품제조단계에서 가수분해가 이루어진 상태로서, 응집성이 우수하고 적정주입율 범위가 넓으며, 주입에 따른 알카리도 저하가 적어 응집보조제가 필요없다. 다만, 가격이 고가이나 최근 대부분의 정수장에서 사용하고 있는 응집제 형태이다. 

      (2) 황산알루미늄은 원활한 반응을 위해서 충분한 알카리도가 공급되어져야 하고, 알카리도가 부족할 경우에는 소석회를 사용하여 알카리도를 공급해 주어야 하며, pH적정 범위는 6.5~8정도이다. 황산알루미늄은 무독성으로 대량주입이 용이하고 철염과 같이 시설을 더럽히지 않는다는 장점을 지니고 있으나, 생성된 플록의 비중이 가볍고 정정 pH폭이 좁아 최근에서는 거의 사용이 없다. 

       (3) 황산제1철은 높은 pH에서 반응성이 좋으며, 알카리도 소모량도 상대적으로 높아 일반적으로 소석회를 응집보조제로 투입한다. 황산알루미늄에 비하여 가격이 저렴하고 형성된 플록이 무거워서 침전지에서 침강속도가 빠르다. 

       (4) 황산제2철은 pH 4~11정도에서 적당한 반응이 일어나고 알카리보조제로서 석회를 사용하여 침전이 빠른 플록을 형성한다. 염화제2철은 일반적으로 액체로 주입하며, 대개 하수처리에서 50~300g/㎥ 정도로 주입한다. 

    2) 유기고분자응집제 

      유기고분자응집제인 알루미늄폴리머는 콜로이드를 중화시키고 가교시켜 응집이 더욱 효과적으로 발생할 수 있게 한다. 천역적으로 존재하는 물질로서 응집제의 성질을 가지는 것과 인공적으로 합성된 것이 있으며, 현재는 합성된 것을 많이 사용하는데 이들 폴리머가 가지는 성질에 의하여 음이온성(Anion), 양이온성(Cation), 비이온성으로 분류된다. 특히 황산알루미늄(Alum) 만으로 처리하기 어려운 하수에 유효하며, 주입율에 따른 pH 편화가 없다. 또한 슬러지 발생량이 적고 탈수성이 좋다. 

    3) 응집보조제

       응집공정에서 플록 강도를 높게 형성함으로서 침전이 빠른 플록을 형성하기 위한 최적의 응집상태를 조성하는데 응집보조제를 사용하며, 응집제와 보조제를 병행하여 사용하면 응집제의 사용량도 절감할 수 있다. 응집보조제는 무기제와 유기제로 나눌 수 있는데 규조류 발생시에는 폴리아민과 같은 고분자응집보조제를 사용하며, 알루미늄이나 철염을 사용할 경우 산성이기 때문에 상대적으로 pH가 떨어지는 것을 방지하기 위하여 수산화나트륨이나 석회를 가할 필요가 있다. 

    4) 약품주입설비의 유의사항 

        부식성이 있으며 여러 형태로 존재하므로, 약품의 저장시설, 주입시설, 배관 등 관리에 주의를 하여야 한다. 사용되는 약품의 양은 원수의 부유물질, pH, 알카리도 등과 밀접한 관계가 있으며, 다음 사항에 대하여 유의하여야 한다. 

      (1) 교반시설 

          응집시설은 주로 콜로이드성물질 및 미세입자 등을 침전제거하기 위한 공정으로, 응집제를 투여하여 응집제와 입자와의 충돌을 많게 하고, 균일한 분산을 위한 급속교반과 플록을 형성하는 완속교반이 필요하다. 이때 와류형성 방지를 위한 도류벽(Baffle)을 설치하여야 한다. 

         가) 급속교반시설 

             급속교반의 목적은 응집제와 원수 내 입자와의 충돌을 많이 일으키고, 균일한 분산을 이루기 위한 것으로서, 펌프 디퓨져(PDM, Pump Diffuser Machine), 인라인믹서(In-line Mixer), 기계식 급속교반기(터빈형과 프로펠러형) 등과 수류낙차식이 주로 사용된다. 난류상태를 유지하기 위한 교반기의 속도경사값은 400~1,500/초로 하여야 하며, 유속 및 유량의 변화에 대처할 수 있도록 회전속도를 조정할 수 있도록 한다. 

          나) 완속교반시설

             급속교반으로 생성된 플록끼리의 응집으로 침전이 가능한 큰 플록을 형성하는데 완속교반의 목적이 있으며, 완속교반기의 형태는 패들형과 터빈형이 주로 사용된다. 

      (2) 약품탱크 

            약품저장탱크는 연속적인 약품의 공급과 약품의 상태를 유지하기 위한 장치로서, 약품에 대하여 내산, 내알카리, 내구성이 뛰어난 재질을 사용하여야 하므로, 약품탱크 내부는 PE(Polyethylene) 계통의 재질을 주로 사용한다. 약품을 상시 투입할 경우, 최소 30일분 인상, 간헐 주입할 경우 10일분 이상 저장용량이 필요하며, 수처리제 품질검사를 위해서는 최소 2개 이상으로 구성한다. 

  다. 속도경사(G, 교반강도) 

      입자간의 접촉을 일으키게 하는 정도의 표현, 혼화조 내의 교반정도를 나타내는 수치로서 수류에서 유선 간의 속도차 전단력에 의하여 발생하는 것으로 흐름방향에 직각인 거리(dy)에 대한 속도차(dv)로 표시된다. 

  라. Jar-test(쟈 테스트) 

      수온, 탁도, 알카리도, 용존성고형물농도(TDS, Total Dissolved Solid), 응집제 종류 등에 따라 혼화·응집 특성의 차이가 발생하는데, 원수특성에 따라 응집제주입율도 조정이 필요하다. 따라서 응집제 주입율을 통계적으로 정하기가 쉽지 않으므로 수계별·계절별로 주기적인 Jar-tes를 통하여 체류시간, 혼화조건, 침전조건에서 발생하는 상황을 실험실에서 재현(simulation)하여 그 시점에서의 최적 약품주입량을 결정하여야 한다. 물론 특별한 경우가 아니면 매일 할 필요는 없고, 수질변환에 따라서 탄력적으로 시행해 주면 된다. 

 

2. 혼화지 특징 

  혼화지는 물과 응집제(약품)를 잘 섞이도록 빠르고 균일하게 혼합해 주는 곳이다. 

  가. 혼화 방법으로는 기계적 혼화 및 수리적 혼화 방식이 있다. 

    1) 기계적 혼화 설비로는 패들형, 프로펠라형, 터빈형이 있으며, 큰 에너지가 필요하다. 또한 펌프 디퓨져 방식(PDM)이나 도관(conduits)등 파이프 내 디퓨져(diffuser)가 있다. 

    2) 수리적 혼화로는 수류에너지를 이용한 수리적 혼합(baffle)과 디퓨저(Diffuser)나 grid(격자) 시스템(static mixers)을 이용하는 것이 있다. 

   나. 혼화설비 운영 및 점검사항으로는 다음과 같다. 

      기계식 혼화장치의 경우 구동장치의 전류, 진동, 소음, 발열, 감속기 오일상태와 감속기 오일 누유로 인한 수질오염 여부, 투입배관, 노즐의 막힘 및 균등분배 상태(응집제 석출), 동절기 설비관리(동결) 및 고주파 영향대책(inverter 등) 등이 있다.  수리적 혼화방식의 경우 별도의 에너지가 필요없이 수리적 낙차와 혼화를 돕기 위한 baffle이나 grid 등을 설치, 교반을 일으키도록 하는 방법으로 약품을 혼화하는 방법도 정수장에서 많이 사용되고 있다.