KR20070028079A - 폴리수산화염화황산알루미늄(ｐａｈｃｓ)을 이용한 과량응집공정을 포함하는 정수처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정수처리공정 중 응집제에 의한 약품응집공정에 관한 것으로, 특히 폴리수산화염화황산알루미늄(Poly Aluminium Hydroxy Chloro Sulfate, 이하 “PAHCS"라 함)을 과량으로 사용하여 비이온성 유기탁질까지 응집범위를 확대하고 응집효율을 크게 향상시킨 PAHCS 과량응집공정을 포함하는 정수처리방법에 관한 것이다. 본 발명의 PAHCS를 이용한 과량응집공정은, Alum, PAC, PACS 등을 사용하는 종래의 일반응집공정에 비해 매우 우수하고 안정적인 응집효율을 얻을 수 있고, 소독부산물의 저감 등 고도정수처리(막여과, 오존처리, 활성탄여과 등)에서나 가능한 정수처리 효과도 상당부분 얻을 수 있다.

약품응집공정, Alum, PAC, PACS , PAHCS, 강화응집, 고도응집, 오존처리, 활성탄여과

Description

폴리수산화염화황산알루미늄(ＰＡＨＣＳ)을 이용한 과량응집공정을 포함하는 정수처리방법 {Water Purifying Method Comprising Excess Coagulation Using Poly Aluminium Hydroxy Chloro Sulfate}

도 1은 PAHCS 과량응집공정에 보조공정을 조합한 본 발명의 일 실시예의 공정도이다.

도 2는 도 1의 실시예에 중염소처리 공정을 부가한 또 다른 실시예의 공정도이다.

도 3은 저탁도 원수에 대한 응집제 약품별 탁도 변화를 시험한 결과이다.

도 4는 중탁도 원수에 대한 응집제 약품별 탁도 변화를 시험한 결과이다.

도 5는 고탁도 원수에 대한 응집제 약품별 탁도 변화를 시험한 결과이다.

도 6은 휴믹산 5ppm의 조제수에서의 탁도 및 KMnO₄ 소비량제거율을 측정한 결과이다.

도 7은 처리수의 pH 변화를 측정한 결과이다.

도 8은 원수 pH 조정에 따른 PAHCS 쟈테스트 탁도변화 결과이다.

도 9는 원수 pH 조정에 따른 PAHCS 쟈테스트 KMnO4 변화 결과이다.

도 10은 폴리머 투입에 따른 PAHCS 쟈테스트 탁도 변화 결과이다.

도 11은 폴리머 투입에 따른 PAHCS 쟈테스트 KMnO₄ 변화 결과이다.

도 12 내지 15는 각각 응집제별 주입량에 따른 UV₂₅₄, 과망간산칼륨소비량 변화, TTMHFP 변화, HAAFP 변화를 측정한 결과이다.

도 16 내지 18은 각각 저탁도, 중탁도, 고탁도 원수에 대한 응집제 약품별 시험에서 응집플록의 생성속도를 나타낸 것이다.

도 19 및 20은 각각 반월정수장과 시흥정수장에서의 처리 후 침전수 탁도변화 결과를 나타낸 것이다.

도 21 및 22는 각각 시흥정수장과 반월정수장의 여과지속시간의 변화를 나타낸 것이다.

도 23 및 24은 각각 11월 19일과 12월 2일에 측정한 수도권 정수장별 여과지속시간을 나타낸 것이다.

도 25는 침전지 내의 지점별 플록의 크기별 분포를 조사한 결과이다.

본 발명은 정수처리공정 중 응집제에 의한 약품응집공정에 관한 것으로, 특히 폴리수산화염화황산알루미늄(Poly Aluminium Hydroxy Chloro Sulfate, 이하 “ PAHCS"라 함)을 과량으로 사용하여 비이온성 유기탁질까지 응집범위를 확대하고 응집효율을 크게 향상시킨 PAHCS 과량응집공정을 포함하는 정수처리방법에 관한 것이다.

원수의 탁질을 형성하는 부유물질, 미립자 등은 (-)전하를 띤 콜로이드 상태로 상호 (-)전하 때문에 서로 반발하면서 안정된 분산 상태를 이루어 수중에 존재하게 된다. 일반적으로 응집제는 수중에서 쉽게 가수분해되어 (+)하전을 띠는 물질로 (-)하전을 띠는 응집대상 입자의 표면전하를 중화시키게 되고, 전기적 반발력을 상실한 입자들은 상호 접촉하여 인력에 의해 결합되어 제거 가능한 크기인 플록을 형성하게 된다. 이러한 기작 때문에 종래 대부분의 응집제는 (+)하전의 응집제와 (-)하전의 콜로이드 입자 간에 중화가 일어날 수 있는 적정 투입범위를 초과하여 과량으로 투입하게 되면 전체적으로 (+)하전 상태가 되어 오히려 응집율이 크게 떨어지게 되었다.

따라서 기존의 정수공정에서 응집제로 주로 사용되고 있는 Alum(liquid aluminum sulfate), PAC(poly aluminum chloride), PACS(poly aluminum hydroxide chloride silicate) 등의 종래 응집제들은 원수의 탁도에 따라 설정된 좁은 투입율 범위 내에서만 양호한 응집효과를 낼 수 있어 홍수 등으로 원수의 탁도가 급변하는 경우에는 거의 대응하기 어려운 문제점이 있었다. 또, 수중에서 하전을 띠지 않는 비이온성 유기물들은 거의 제거되지 않았으므로, 탁질 제거에 기본적인 한계가 있었다.

특히 수온이 떨어지기 시작하는 늦가을부터 봄까지 규조류(Synedra sp.)가 발생하면 정수공정에서 여과지 폐색이 일어나게 되는데 (여과지속시간 5∼10시간까지), 기존 응집제로는 아무리 혼화강도와 응집강도의 조건을 최적으로 유지하더라도 여과장애를 막을 수 없었다. 이러한 심각한 여과장애는 제한급수를 고려할 정도로 정수생산량 확보에 차질을 초래하기도 한다. 또, 홍수 후 댐 방류수에는 유기질 탁질이 다량 존재하게 되는데, 이러한 유기질 탁질은 응집되지 않고 잔류하게 되어 여과수에 탁질이 누출되고 이에 따라 병원성미생물 제거율이 감소하는 문제점을 발생시키기도 한다.

최근 많은 문제가 되고 있는 소독부산물(DBPs : Disinfection by-products)의 전구물질인 유기물질(주로 NOM : Natural organic material)이 증가하면 염소처리에 의하여 소독부산물인 THMs(Trihalomethanes), HAAs(Haloacetic acids) 등이 증가한다.

한편, 원수 중에 존재하는 용존 또는 부유 유기물질(주로 NOM : Natural organic material)들은 염소처리에 의하여 THMs(Trihalomethanes), HAAs(Haloacetic acids) 등의 소독부산물(DBPs : Disinfection by-products)을 형성하게 된다. 이러한 소독부산물은 수돗물의 수질과 관련하여 최근 많은 문제가 되고 있어 원수 중에 존재하는 소독부산물의 전구물질(주로 NOM)들을 미리 제거해 줄 필요가 있다. 그러나 기존의 응집제로는 전구물질인 유기물질의 제거가 어려우므로 강화응집(Enhanced coagulation) 또는 고도응집(Advanced coagulation)공정을 사용해야 한다. 그러나 이러한 기존의 강화 또는 고도응집공정은 처리공정의 pH를 5 전후로 낮추어 처리한 후 pH를 다시 올리는 공정으로서 전구물질은 제거되나 적정 pH 범위를 벗어나므로 탁도 제거가 안 된다는 문제점이 있다. 따라서 종래의 강화 또는 고도응집 공정은 개발되어 있어도 실제 이용되지 않고 있으며, 대신에 오존처리와 활성탄 여과 등의 고도정수처리공정의 도입이 고려되고 있다. 그리고 고도정수처리공정은 막대한 건설비 및 운전비가 소요되고 전문인력이 요구되어 현실적으로 도입이 결코 쉽지 않다.

따라서 고도정수처리공정의 도입 보다는 응집공정의 효율을 향상시키는 방향으로 문제를 해결할 수 있다면 더욱 바람직하다. 이를 위해서는 정수처리공정에서 응집제의 부유물 응집효과를 높이고, 처리된 용수중의 알루미늄, 철, 망간 등 무기물 및 유해금속과 과망간산칼륨소비량 등의 유기물 함유량을 낮출 수 있으며, 우기시 높은 탁도와 급변하는 탁도에 대응하여 안정적인 수처리 공정을 유지할 수 있고, 나아가 소독부산물의 전구물질(NOM)인 유기물질까지 제거할 수 있는 응집공정의 개발이 절실하다. 이와 관련하여 종래의 기술은 주로 혼화?응집교반강도, 침전효율 등 물리적 조건의 변화에 연구의 초점을 맞추어 왔으나 그 성과는 미미하였다. 본 발명은 수화학적 접근으로 응집공정의 효율을 획기적으로 향상시키는 것에 관한 것이다.

본 발명자들은 기존 응집공정의 한계를 극복하고 응집공정의 효율을 획기적으로 향상시키기 위해 연구 노력한 결과, 기존 응집제를 이용한 응집방법과는 전혀 다른 폴리수산화염화황산알루미늄(PAHCS)만의 독특한 응집공정을 개발하게 되었다. 즉, 기존 응집제가 (+)하전을 띠는 응집제와 (-)하전을 띠는 콜로이드 입자 간에 중화가 일어날 수 있는 적정 투입범위 내에서만 양호한 응집이 일어나는 것과 달리 PAHCS는 기존 응집제 사용량의 2 내지 7배 정도에 이르는 과량 투입시 오히려 응집율이 크게 향상되고 기존의 방법으로는 제거가 어려웠던 용존 유기물질까지도 응집 제거되어 처리수의 탁도를 획기적으로 낮추고 소독부산물까지도 크게 줄일 수 있다. 또한 PAHCS의 과량 투입에 의한 응집은 양호한 응집이 일어나는 적정 투입범위가 매우 넓어 우기시의 높은 탁도와 급변하는 탁도에도 안정적인 응집처리가 가능하다.

따라서 본 발명은 이러한 PAHCS를 이용한 응집공정의 특성을 이용하여 탁도의 제거효율을 극대화하고, 종래 제거가 어려웠던 유기성탁질을 효과적으로 제거하며, 급변하는 탁도에도 안정적인 응집효과 유지할 수 있고, 조류 여과장애를 개선할 수 있고, 소독부산물의 저감, 물 맛의 개선 및 기타 정수처리공정 중 약품응집으로 종래 제거하지 못하였던 다양한 미량유기성분까지 효과적으로 제거할 수 있는 PAHCS 과량응집공정을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명에서는 응집공정의 효율을 더욱 향상시키기 위하여 본 발명의 PAHCS 과량응집공정 전후에 필요에 따라 보조공정을 부가한 몇 가지 실시예를 제공한다.

기타 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시에 의해 더 잘 알게 될 것이다.

본 발명의 과량응집공정은 응집제 PAHCS의 다량 투입에 의해 이루어진다. 본 발명의 PAHCS를 이용한 과량응집공정에서는, PAC, PACS 등 종래 일반응집제 사용량의 2∼7 배 정도로 PAHCS를 고농도로 투입한다. PAHCS의 구체적인 투입량은 수질에 따라 결정되는데, 일반적으로 일반응집제 사용량의 2.5 배 내지 3배(수질에 따라서는 그 이상)에서 결정된다. 본 발명의 과량응집공정에서는 응집이 양호하게 일어나는 투입율의 범위가 종래의 일반응집공정에 비해 수배에서 수십배로 넓으며, 처리수의 탁도는 일반응집공정의 1/2에서 많게는 1/6 수준까지 크게 향상된다.

구체적으로 본 발명에서는,

폴리수산화염화황산알루미늄(PAHCS)을 30∼120㎎/L로 고농도 투입하여 탁질과 용존성 유기물질을 응집 처리하는 것을 특징으로 하는 PAHCS 과량응집공정을 포함하는 정수처리방법이 제공된다.

또한 본 발명에서는,

10 NTU 이하의 저탁도 원수에 대하여 폴리수산화염화황산알루미늄(PAHCS)을 15∼30㎎/L로 과량 투입하여 탁질을 응집 처리하는 것을 특징으로 하는 PAHCS 과량응집공정을 포함하는 정수처리방법이 제공된다.

응집효율을 보다 향상시키기 위하여 본 발명의 과량응집공정의 전후에 pH 조정 또는 폴리머 투입과 같은 보조공정이 선택적으로 부가될 수 있다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 대한 간략한 공정도로, PAHCS의 투입에 의한 과량응집공정 전 후에 pH 조정 및 폴리머 투입 공정을 부가한 것이다.

PAHCS의 투입에 앞서 먼저 pH조정제를 투입하여 원수의 pH를 조정한 후 PAHCS를 고농도로 투입하여 처리공정의 pH가 7.0∼7.5 정도로 되도록 한다. 시험결과, 처리공정의 pH가 7.0∼7.5일 때 PAHCS에 의한 가장 양호한 응집효율이 얻어졌다. 이때 pH조정제로는 정수처리에 사용가능한 것이면 어느 것이나 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어, pH를 감소시키기 위해 황산, 이산화탄소 등이 사용될 수 있으며, pH를 증가시키기 위해 가성소다, 소석회 등이 사용될 수 있다. 일반적으로 처리공정의 pH를 7.0∼7.5 정도로 조정하기 위해서는 원수의 pH를 7.5∼8.0 정도로 조절하게 된다. 따라서 원수의 pH가 상기 범위에 있을 때에는 별도로 pH 조정을 할 필요가 없다. 그러나 응집제 투입량에 따라 원수의 pH 조정 범위는 달라질 수 있다.

응집 후단계에서 정수처리용 고분자 응집제를 0.1∼0.3㎎/L 투입한다. 폴리머 투입은 급속혼화 후에 하며, 응집효율을 현저하게 증가시키게 된다. 실험결과, pH 조정 및 폴리머 투입 공정을 부가한 경우가 본 발명의 PAHCS에 의한 과량응집공정만을 수행한 경우에 비해 처리수의 최저 탁도가 현저하게 낮게 나왔다. 정수처리용 고분자응집제로는 폴리아민, 알긴산나트륨 등 정수처리용으로 허용된 고분자 응집제는 모두 사용될 수 있으며, 특히 폴리아민이 사용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 대한 공정도로, PAHCS에 의한 과량응집처리 후 침전수를 중염소처리한다. 이렇게 할 경우 PAHCS에 의한 과량응집공정을 거치면서 소독부산물의 전구물질인 용존유기물질들이 제거되어 THMs, HAAs 등의 소 독부산물이 상당히 줄어들게 된다. 전염소 처리 후 PAHCS에 의한 과량응집을 거치는 경우에도 THMs, HAAs 등의 소독부산물 자체가 PAHCS 과량응집으로 제거되는 효과를 기대할 수 있다. 그러나 소독부산물의 경우에는 보통 전구물질에 비해 보다 안정한 상태가 되므로 응집공정으로 제거하기가 더 어려워지게 된다. 따라서 전염소 처리 없이 나중에 침전수를 중염소처리하는 공정이 더 바람직하다.

또한, 본 발명에서는 탁도가 급변하는 원수에 대하여 폴리수산화염화황산알루미늄(PAHCS)의 투입량을 10∼50 NTU 범위에서는 30∼40㎎/L로, 50∼200 NTU 범위에서는 40∼50㎎/L로, 200∼400 NTU 범위에서는 50∼60㎎/L로, 400 NTU 이상에서는 60∼80㎎/L로 4단계로 조절하여 응집처리하는 것을 특징으로 하는 과량응집방법이 제공된다. PAC, PACS 등 종래 일반응집제의 경우 응집이 양호하게 일어나는 투입율의 범위가 매우 협소하여 원수의 탁도가 변함에 따라 응집제 투입율을 계속적으로 정밀하게 조정하여야 하였으며, 따라서 홍수 등으로 탁도가 급변하는 경우에는 거의 대처가 곤란하였다. 그러나 본 발명의 PAHCS 과량응집공정은 적정 투입율의 범위가 넓으므로, 10에서 400 NTU가 넘는 탁도변화에도 4단계 정도의 투입률 조정만으로 원수의 탁질을 효과적으로 제거할 수 있다.

또한, 본 발명의 PAHCS 과량응집공정은 빠른 응집과 침전속도 등의 침전효율에 있어 기존의 경사판침전지보다 우수한 것으로 나타나고 있다. 따라서 이러한 빠른 응집특성을 정수장 설계에 반영하여 응집지의 길이를 일반응집공정의 1/2∼2/3으로 줄일 수 있고, 월등한 침전속도와 침전효율에 따른 특성을 정수장 설계에 반영하여 침전지의 길이를 1/3∼2/3 까지 줄일 수 있다(단, 침전지내 유속은 기존 과 같이 유지하는 것으로 함). 또한, 본 발명의 PAHCS 과량응집공정 및 이와 보조공정의 조합은 pH 감소율이 매우 적고, 넓은 pH범위에서 응집이 가능하므로 pH 조정설비를 일반응집공정에 비하여 대폭 축소하여 설치할 수 있다. 본 발명에서 “일반응집공정”은 Alum, PAC, PACS 등 종래의 일반 응집제를 사용하는 응집공정과 PAHCS를 15 ㎎/L 미만으로 사용하는 경우를 모두 포함한다.

본 발명의 PAHCS에 의한 과량응집공정, 그리고 여기에 pH 조정 및 폴리머 투입과 같은 보조공정을 부가한 공정설계는 기존 응집공정의 한계를 극복하기 위해 개발한 것으로서, 종래 약품응집공정에서 제거되지 않았던 저분자의 유기탁질 또는 미지의 물질에 의한 탁질까지도 매우 효과적으로 제거하게 된다. 따라서 본 발명의 응집공정을 거친 처리수의 탁도는 기존 응집공정의 처리수보다 매우 낮으며, 홍수 후 댐 방류수의 유기성 탁질 및 소독부산물의 전구물질도 효과적으로 제거된다. 본 발명의 PAHCS 과량응집공정에 의한 탁도제거 효율은 한외여과(Ultra filtration)와 비교될 수 있을 정도이며, 소독부산물의 감소는 오존 및 활성탄여과에는 다소 못 미치나 기존 공정보다는 월등하다.

본 발명의 PAHCS 과량응집공정이나 여기에 보조공정이 부가된 조합공정은 정수공정의 수화학적 접근에 의해 개발된 방법으로 안정성이 충분히 확보되어 있으며, 적용시 슬러지양 증가 외에는 다른 부수적 장애현상이 없다.

이하 구체적인 실험예 및 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 다음의 실험예 및 실시예에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 물론이다.

실험방법

1) 시험기간 : 2004년 6∼11월

2) 대상응집제 : 폴리염화알루미늄(PAC, Al2O3 17%), 폴리수산화염화규산알루미늄(PACS, Al2O3 17%), 폴리수산화염화황산알루미늄(PAHCS, Al2O3 12.5%). 응집제별 성분기준은 다음의 표 1과 같다.

3) 적용원수 : 팔당호 1, 2 취수장 원수

① 저탁도 ( 10 NTU 이하) : 평상시

② 중탁도 ( 50 NTU 전후) : 강우시

③ 고탁도 (100 NTU 전후) : 폭우시

4) 시험항목

① 쟈 테스트(Jar-test) : 탁도, pH 등

② 기타 수질분석 : UV₂₅₄, TTHMFP, HAA5FP, KMnO₄ 소비량 등

5) 시험방법

① 쟈 테스트 : 급속교반(150rpm) 1분, 완속교반(70, 40rpm) 각각 10분, 정치 20분 실시. 응집제 1%(V/V)희석 사용 및 2L Gator Jar 사용.

② 탁도 : 탁도 측정은 HACH Model-2100A Tubidimeter와 Nippon Denshoku Water analyzer 2200K 병행 사용.

③ UV₂₅₄ : GF/C 여과지로 거른 시료를 Varian Cary 300C 분광광도계로 측정

④ TTHMFP : Standard Method에 의한 GC 분석

⑤ HAA5FP : Standard Method에 의한 GC 분석

⑥ KMnO₄ 소비량 : 수질오염공정시험법에 의거 시험

실험예 1

PAHCS 과량응집공정

1. 응집제 투입율에 따른 탁도 변화

1) 저탁도 원수

도 3은 저탁도 원수에 대한 시험결과이다(원수조건(04.6.14) : Tem=22.4℃, pH=7.75, 탁도=7.5 NTU). PAC는 8ppm 투입할 때 쟈테스트 상징수 탁도가 0.65 NTU로 최저치를 나타내었고 그 이후는 투입율이 증가하면서 탁도도 급격히 증가하여 16ppm에서는 1.5 NTU로 탁도 제거효율이 크게 떨어졌다. 그러나 PAHCS는 투입율이 증가하면서 탁도제거효율도 계속 증가하여 16ppm에서는 0.24 NTU로 PAC의 최저치보다 현저하게 낮은 값을 나타내었다. 도 16은 응집제 투입에 따른 플록형성의 속도변화를 나타낸 것이다. PAHCS에 의한 응집플럭의 생성은 완속교반단계에서 시작하나 투입율에 관계없이 2분 20초정도로 PAC에 비해 빠르게 나타났다.

결론적으로, PAC는 8∼10ppm의 투입율 범위에서 응집이 양호하며, 그보다 적거나 많으면 응집이 불량해지며, 따라서 적정투입율의 범위가 아주 좁다. 응집제 PACS도 PAC와 거의 동일한 양상을 나타내었다. 그러나 PAHCS는 약간의 과량투입으로 응집효율을 크게 향상시킬 수 있었고, 적정투입율의 범위도 PAC에 비해 매우 넓어 공정이 안정적으로 운영될 수 있었다. 따라서 저탁도의 안정된 평상 수질에서는 약간의 과량투입으로 PAHCS응집공정을 운영하면 연중 안정된 양질의 수질을 얻을 수 있는 것으로 판단된다.

2) 중탁도 원수

도 4는 중탁도 원수에 대한 시험결과이다 (원수조건(04.7.6) : Tem=21.7℃, pH=7.19, 탁도=38.5 NTU). PAC와 PACS는 20ppm 투입할 때 쟈테스트 상징수 탁도가 1.22 NTU로 최저치를 나타내었고, 그 이후는 투입율이 증가하면서 탁도도 급격히 증가하여 60ppm에서 9.5와 11.7 NTU를 나타내었다. 그러나 PAHCS는 20ppm 투입할 때 0.93 NTU를 나타내었고, 투입율이 증가하면서 처리효율도 계속 증가하여 90ppm에서 최저치 0.30 NTU를 나타내었다. PAHCS의 처리수 탁도 최저치는 PAC와 PACS에 의한 처리수 탁도 최저치의 거의 1/4인 것으로 나타났다. 또, PAC와 PACS에 의한 처리수의 탁도 1.22 NTU는 원수 38.5 NTU 보다는 양호한 것이나 정수로서는 만족할 만큼의 탁도제거가 이루어지지 않았다. 따라서 원수의 탁도가 중탁도 정도만 되어도 기존 응집제를 이용한 일반적인 응집공정으로는 만족할 만한 탁도제거 효과를 거둘 수 없음을 알 수 있다.

도 17은 응집제 투입에 따른 플록형성의 속도변화를 나타낸 것이다. 40ppm까지는 급속교반 종료시 이미 플럭의 생성이 보였으며, 80ppm 이상 투입 시부터 다소 느려지기 시작하였다.

결론적으로, PAC와 PACS는 20ppm 전후의 좁은 투입율 범위에서 응집이 일어나며, 그보다 적거나 많으면 응집이 불량해졌다. 그러나 PAHCS는 고투입율인 50∼120ppm의 범위에서 처리수의 탁도가 0.30∼0.42 NTU으로 매우 우수하고도 안정적인 처리효과를 보였다.

3) 고탁도 원수

도 5는 고탁도 원수에 대한 시험결과이다 (원수조건(04.7.14) : Tem=22.4℃, pH=6.93, 탁도=121 NTU). PAC와 PACS는 20ppm 투입할 때 쟈테스트 상징수 탁도가 3.1 NTU로 최저치를 나타내었고, 그 이후로는 투입율이 증가하면서 처리수 탁도도 급격히 증가하여 40ppm에서 62.6과 67.5 NTU를 보였다. 그러나 PAHCS는 30ppm 투입할 때 0.9 NTU를 나타내었고, 40ppm에서는 0.5 NTU로 최저치를 보였다. PAHCS의 처리수 탁도 최저치가 PAC와 PACS의 처리수 탁도 최저치의 거의 1/6인 것으로 나타났다. 또, PAC와 PACS에 의한 처리수의 탁도 3.1 NTU는 정수로서는 상당히 탁한 상태로 응집효과가 매우 불량한 것으로 나타났다. 따라서 원수가 고탁도인 경우 기존 응집제를 이용한 일반적인 응집공정으로는 제대로 탁도 제거를 할 수 없음을 알 수 있다.

도 18은 고탁도에서의 응집플록의 생성속도를 나타낸 것이다. 급속교반 종료시 플럭의 생성이 보일 정도로 응집플럭의 생성속도가 빠르게 나타났으며 PAC와 PACS보다 월등한 생성능력을 보였다.

결론적으로, PAC와 PACS는 20ppm 전후의 좁은 투입율 범위에서 응집이 일어나며, 그보다 적거나 많으면 응집이 대단히 불량해졌다. 그러나 PAHCS는 투입율이 증가하면서 처리수의 탁도가 30ppm 이후로도 계속 낮아져 0.5∼0.9 NTU의 우수한 처리효과를 보였다.

2. 고농도 유기물 제거 효과

유기물 제거효과를 확인하기 위하여 휴믹산(humic acid) 5ppm을 첨가한 조제시료수에 대하여 응집시험을 실시하였다. 조제수는 휴믹산 5ppm, pH 6.4로 하여 쟈테스트를 실시하였으며, 탁도 및 KMnO₄ 소비량제거율을 측정하였다. 실험결과는 도 6과 같다. 일반응집제는 탁질제거나 KMnO₄ 소비량 제거율이 매우 낮았으나, 반면 PAHCS는 50ppm 이상에서 탁질과 KMnO₄ 소비량 제거율이 모두 80% 이상으로 현저하게 높았다.

3. 처리수의 pH 변화

121 NTU의 고탁도 원수의 처리수에 대하여 pH 변화를 측정하여 그 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7에 나타난 바와 같이, PAHCS의 투입량 변화에 따른 pH의 변화는 매우 적다. 따라서 강화응집시 PAHCS를 다량 투입해도 처리수의 pH 범위는 음용수에 적합한 범위 내로서 pH 조정을 위한 별도의 공정을 둘 필요가 없음을 알 수 있었다.

4. 효과정리

1) 본 발명의 PAHCS 과량응집공정은 도 3 내지 5에 도시된 바와 같이, 적정투입범위(도 4의 "B")가 일반응집공정의 적정투입범위(도 4의 "A")보다 월등히 넓으므로 다량 투입을 하면서도 효과적인 탁질 제거가 가능하다. 그러나 다른 응집제의 경우는 다량 투입할 경우 오히려 탁질 제거율이 낮아지게 된다.

2) 본 발명의 PAHCS 과량응집공정에서의 처리수 최저탁도는 일반응집공정의 처리수 최저탁도에 비해 1/2∼1/6 정도로 처리효과가 현격하게 향상되었다.

3) 본 발명의 PAHCS 과량응집공정에서의 응집제 투입율은 일반응집공정의 투입율 보다 보통 2.5∼3배 정도에서 우수한 탁질 제거 효과를 보이는 것으로 나타났다. 그러나 수질과 처리목적에 따라 투입율은 다소 달라질 수 있으며, 단순한 탁질제거효율의 향상 목적으로는 이 보다 적은 약간의 과량 투입으로도 충분하다.

4) 본 발명의 PAHCS 과량응집공정에서는 일반응집공정에 비해 유기물이 효과적으로 제거되는 것으로 나타났으며, 동시에 일반강화응집공정에서 불가능하였던 탁질까지도 효과적으로 제거되었다.

5) 본 발명의 PAHCS 과량응집공정에서는 pH의 감소율이 매우 적었다. 따라서 공정 후단에 pH를 상승시키기 위한 별도의 설비 내지 공정을 부가할 필요가 없으며, 또 설치하더라도 적은 규모로 가능하다.

실험예 2

PAHCS 과량응집공정 과 보조공정의 조합

1. 원수의 pH 조정에 따른 탁도 변화

원수의 pH 조정에 따른 PAHCS의 쟈테스트 탁도 변화를 도 8 및 9에 나타내었다. 도 8은 원수 pH 조정에 따른 PAHCS 쟈테스트 탁도 변화이고, 도 9는 원수 pH 조정에 따른 PAHCS 쟈테스트 KMnO₄ 변화 결과이다. 실험결과, pH 7.0∼7.5에서 다른 pH 범위보다 낮은 탁도를 나타내고 유기물 농도의 간접지표인 KMnO₄ 소비량도 낮은 것으로 나타났다. 응집공정에서 원수의 pH를 이 범위로 유지할 경우 응집효율을 향상시킬 수 있다는 결론을 얻을 수 있었다.

2. 폴리머 투입에 따른 탁도 변화

폴리아민 투입에 따른 PAHCS의 쟈테스트 탁도 변화를 도 10 및 11에 나타내었다. 도 10은 폴리아민 투입에 따른 PAHCS 쟈테스트 탁도변화이다 (원수조건(04.12.22) : Tem=12.4℃, pH=7.46, 탁도=1.39NTU). 도 11은 폴리아민 투입에 따른 PAHCS 쟈테스트 KMnO₄ 소비량변화 결과이다 (원수조건(04.12.22) : Tem=12.4℃, pH=7.46, 탁도=1.39NTU). 실험결과, 폴리아민 투입율 0.1∼0.3ppm에서 탁도와 유기물농도의 간접지표인 KMnO₄소비량이 감소되는 것으로 나타났다. 따라서 본 발명의 PAHCS 강화응집공정에 폴리머 투입공정을 조합하면 응집효율을 더욱 향상시킬 수 있다는 결론을 얻을 수 있었다.

3. 효과정리

PAHCS 과량응집공정과 pH 조절 및/또는 폴리머 투입의 보조공정의 조합은 PAHCS의 응집효율을 현저하게 증가시켰다. 특히 처리수의 탁도 뿐 아니라 유기물농도의 간접지표인 KMnO₄소비량도 현저히 낮아졌다. 원수의 pH는 7.0∼7.5에서 처리효과가 우수하였고, 폴리머는 0.1∼0.3ppm의 투입율 범위에서 처리효과가 우수하였다.

실험예 3

침전수의 중염소 처리

전염소처리를 하지 않고 상기 실험예 2에서와 같이 PAHCS 강화응집공정과 보조공정을 조합 시행한 후에 침전수를 중염소처리하고 처리효과를 평가하였다. PAC, PACS, PAHCS 각각에 대하여 응집제별 주입량에 따른 UV₂₅₄, 과망간산칼륨소비량 변화, TTMHFP 변화, HAAFP 변화를 측정하여 그 결과를 도 12∼15에 나타내었다.

도 12∼13에 나타난 바와 같이, PAHCS를 투입한 경우 UV₂₅₄와 과망간산칼륨소비량이 현저하게 낮아졌는데, 이는 소독부산물의 전구물질이 효과적으로 제거되었음을 의미하는 것이다. 또한 이 처리수를 사용하여 TTHMFP와 HAAFP를 시험한 결과를 도 14 및 15에 나타내었는데, TTHMFP와 HAAFP 또한 낮게 나타남을 확인할 수 있다.

따라서 실제 정수처리공정에서는 PAHCS 과량응집공정 외에 처리효율을 높이기 위해 pH 조절 및 폴리머 투입의 보조공정을 조합하고 여기에 침전수 중염소처리까지 한다면 높은 응집효율을 얻을 수 있고 소독부산물 또한 현저하게 감소시킬 수 있다는 결론을 내릴 수 있다.

실시예

정수장에서의 적용

본 발명의 응집공정을 실제 정수장에 적용하여 수처리 효과를 평가하였다. 적용원수는 팔당댐 1, 2 취수장의 원수를 대상으로 하였다. 대상응집제로는 PAC, PACS 및 PAHCS를 사용하였다.

1. 침전수의 탁도 변화

응집처리 후 침전수의 탁도변화 결과를 도 19(반월정수장) 및 도 20(시흥정수장)에 나타내었다.

도 19에서 ●는 통합침전수의 탁도이며, □는 침전지 4지의 침전수 탁도, △는 침전지 1지의 침전수 탁도를 나타낸다.

도 20은 시흥정수장의 2004년 1년간의 정수 탁도이다. 처리공정은 PACS 20ppm, PAHCS 10∼12ppm, PAC 10∼15ppm, PAHCS 10∼27ppm, PAHCS를 다른 응집제의 최적 투입율 보다 5ppm 정도 추가한 투입율로 5단계로 일정기간씩 약품을 변경 운영하였다. 그 결과, 도 20에 나타난 바와 같이 다른 응집제의 최적주입율에 5ppm 를 더한 값으로 운영한 2004년 8월말 이후 정수탁도가 0.03 NTU로 안정된 것을 확인할 수 있다. 약간의 PAHCS 과량 투입으로도 이러한 효과를 얻을 수 있으므로 평상 수질의 원수는 경제성을 고려하여 PAHCS를 약간만 과량 투입하는 것이 적절하다는 것이 확인된다.

2. 여과지속시간

규조류 발생시 여과지속시간을 평가하였다. 발생기간은 2004년 10월 5일부터 12월 14일까지였다. Synedra 개수는 평균 1,166cells/mL이고, 최대 2,550cells/mL(11/18)이었다. 각 정수장별 여과사는 다음과 같다.

- 덕소 : 조립심층모래여과지

- 와부, 성남, 수지, 일산 : 안트라사이트모래이중여과지

- 반월, 시흥 : 일반모래여과지

도 21은 시흥정수장의 여과지속시간의 변화를 나타낸 것이다. 평소 50∼70시간이던 여과 시간이 11월 18일 이후 평균 1/2 이하, 최대 10시간 이하로 감소하였다. 도 22는 반월정수장의 여과지속시간의 변화를 나타낸 것이다.

도 23 및 24는 수도권 정수장별 여과지속시간을 측정한 결과로, 도 23은 11월 19일에 측정한 것이며, 도 24는 12월 2일에 측정한 것이다. 도 23에서 덕소는 PAHCS 20ppm, 와부(Ⅲ)은 PAHCS 15ppm, 와부(Ⅳ)는 PACS 13ppm, 성남은 둘다 PACS 13ppm과 폴리아민 0.2ppm, 반월 및 시흥은 PAHCS 25ppm, 수지는 PACS 12ppm 과 폴리아민 0.2ppm, 일산은 PACS 12ppm과 폴리아민 0.15 ppm을 사용하였다. 도 24에서 덕소는 둘다 PACS 13ppm, 성남은 둘다 PACS 11ppm 과 폴리아민 0.2ppm, 반월 시흥은 PAHCS 25ppm, 수지는 PAHCS 30ppm과 폴리아민 0.1ppm, 일산은 PACS 13ppm과 폴리아민 0.15 ppm을 사용하였다. 수지정수장의 경우 자체평가 결과 PAHCS 과량응집공정으로 300%의 개선 효과가 있는 것으로 평가되었다.

3. 침전지 내 플록분포와 침전효율

(1) 조사방법

시흥정수장 실공정에서 PAHCS를 10∼27ppm 범위에서 약간의 과량응집방법을 사용하고 응집지 유입전 수로, 응집지내, 침전지내의 지점별 플록의 크기별 분포를 조사하여 침전효율을 조사하였다.

- 조사지점 : 16개소(응집지 유입전 수로, 응집지 1단, 2단, 침전지 0, 10, 20, 30, 40, 48, 58, 68, 78m)

- 조사깊이 : 수심 0.5m

- 플록크기 : 15범위(0∼30㎛, 31∼40㎛, 41∼50㎛, 51∼70㎛, 71∼100㎛, 101∼120㎛, 121∼150㎛, 151∼200㎛, 201∼250㎛, 251∼300㎛, 301∼400㎛, 401∼500㎛, 501∼600㎛, 601∼700㎛, 701∼1000㎛, 1001∼1200㎛ ※ Floc크기 1200㎛ 이상은 없거나, 채수시 파괴되어 검출 불가)

- 시험기기 : Floc Sizer Analizer(모델 FSA-1000, 삼보과학)

결과는 도 25와 같다. 도 25는 PAHCS 응집시 플록의 분포현황을 나타낸 것으로, 응집지 내에서 형성된 플록이 침전지 내 유입 즉시 10m 이내에서 침전이 완료되는 것으로 나타났다.

본 발명의 PAHCS 과량응집공정 및 이와 보조공정의 조합은 고탁도 원수, 저알칼리도 원수, 유기물을 다량 포함한 원수 등을 처리하거나, 수질의 변동이 급격할 때, 기존 응집공정의 한계를 극복하기 위해 개발된 것으로서 종래 약품응집공정에서 제거되지 않았던 탁질부분(저분자의 유기탁질 또는 미지의 물질)까지도 효과적으로 응집제거하여 처리수의 탁도가 기존 응집공정보다 현저하게 낮아지게 된다. 탁도제거 효율은 일반모래여과공정을 거치는 경우에 한외여과(Ultra filtration)를 능가할 정도가 된다.

또, 투입율 범위가 매우 넓어 일정 범위 투입율에서 저, 중, 고탁도의 모든 수질을 안정적으로 응집처리할 수 있고, 따라서 응집제 투입율의 정밀한 조정 없이도 강우시 급변하는 수질의 원수를 효과적으로 처리할 수 있다.

또한, 유기성 탁질이 용이하게 응집되므로 일반응집제로 쉽게 처리되지 않는 홍수 후 댐 방류수의 탁질도 효과적으로 처리하고 병원성미생물의 제거율도 잘 유지할 수 있다.

또한, 소독부산물의 전구물질의 제거효율이 높아 정수처리된 수돗물의 소독 부산물이 감소되는데. 이는 오존 및 활성탄여과에는 미치지 못하나 기존 응집공정보다는 월등한 것으로 판단된다. 또, 본 발명의 응집공정은 기존 정수처리시설로 즉시 운영이 가능하고, 새로운 설비운전 기술을 필요로 하지 않아 투입비용이 고도처리에 비해 월등히 저렴하다. 즉, 본 발명의 응집공정은, 건설비는 기존시설을 사용하므로 추가 비용이 없고, 운전비는 약품비에서 2∼3배 증가하는 정도이며, 인건비에는 변동요인이 없다. 따라서 소독부산물 저감 목적으로 오존 및 활성탄여과 등과 같은 고도정수처리시설을 도입하기 전에 본 발명의 응집공정 도입을 먼저 고려하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 PAHCS 과량응집공정은 응집지, 침전지 및 pH 조정설비를 대폭 축소하여 설치할 수 있으므로, 새로운 정수장 설계시 정수장 건설부지가 대폭 축소되어 설치비를 크게 절감할 수 있고, 적은 비용으로도 운전이 가능하여 경제성을 도모할 수 있다

본 발명의 PAHCS 과량응집공정와 보조공정의 조합은 기존 정수공정을 수화학적으로 접근하여 개선한 결과로, 안정성이 충분히 확인된 공정이며, 슬러지 양의 증가 외에는 다른 부수적 장애현상이 없다.

따라서 본 발명의 PAHCS 과량응집공정 및 이와 보조공정의 조합은 현재까지 개발?이용되어온 종래의 응집공정을 대체하여 원수의 수질저하에 대처하고 보다 양질의 수돗물을 생산할 수 있는 기본적인 정수 공정으로서 모든 정수장에서 활용될 수 있다.

Claims (8)

1. 폴리수산화염화황산알루미늄(PAHCS)을 30∼120㎎/L로 과량 투입하여 탁질과 용존성 유기물질을 응집 처리하는 것을 특징으로 하는 PAHCS 과량응집공정을 포함하는 정수처리방법.
2. 10 NTU 이하의 저탁도 원수에 대하여 폴리수산화염화황산알루미늄(PAHCS)을 15∼30㎎/L로 과량 투입하여 탁질을 응집 처리하는 것을 특징으로 하는 PAHCS 과량응집공정을 포함하는 정수처리방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, PAHCS를 투입한 후 정수처리용 고분자 응집제를 0.1∼0.3㎎/L 투입하는 것을 특징으로 하는 PAHCS 과량응집공정을 포함하는 정수처리방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 원수의 pH를 조정한 후 PAHCS를 투입하여 처리공정의 pH를 7.0∼7.5로 조정하는 것을 특징으로 하는 PAHCS 과량응집공정을 포함하는 정수처리방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전염소 처리 없이 응집처리 후 침전수를 중염소처리하는 것을 특징으로 하는 PAHCS 과량응집공정을 포함하는 정수처리방법.
6. 탁도가 급변하는 원수에 대하여 폴리수산화염화황산알루미늄(PAHCS)의 투입량을 10∼50 NTU 범위에서는 30∼40㎎/L로, 50∼200 NTU 범위에서는 40∼50㎎/L로, 200∼400 NTU 범위에서는 50∼60㎎/L로, 400 NTU 이상에서는 60∼80㎎/L로 4단계로 조절하여 응집처리하는 것을 특징으로 하는 PAHCS 과량응집공정을 포함하는 정수처리방법.
7. 제1항, 제2항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 일반응집공정의 1/2∼2/3로 축소된 응집지를 사용하는 것을 특징으로 하는 정수처리방법.
8. 제1항, 제2항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 일반응집공정의 1/3∼2/3로 축소된 침전지를 사용하는 것을 특징으로 하는 정수처리방법.

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