자성 유체분리에 의한 폐수내 부유 고형물의 제거

여 평 모, 김 용 하, 서 근 학, 서 인 국*

부경대학교 화학공학과

포항제철 기술연구소 선강연구팀*

Removal of Suspended Solids from Wastewater

by Magnetic Fluid Separation

Pyoung-Mo Yeo, Yong-Ha Kim, Kuen-Hack Suh and In-Kook Suh*

Department of Chemical Engineering, Pukyong National University

Iron & Steelmaking Research Team, POSCO Technical Research Lab.*

서론

깨끗한 물을 적절하게 공급하는 것은 인간 생존 뿐아니라 동식물의 성장에도 필수 불가결한 것이다. 이를 위한 수처리 공정중 폐수내 부유 고형물의 분리는 탁도 향상과 병원균을 포함한 유해물질의 제거면에서 19세기 초부터 그 중요성이 인식되어 공공용수에 침강과 여과처리를 실시하여 왔다. 고형물의 제거효율은 입자의 크기 또는 밀도가 작아질수록 감소되는데 이 때문에 약 30 - 50 □m이하 미세입자의 처리에는 응집제 등을 투여하여 입자크기를 크게한 후 여과하거나 침강에 소요되는 체류시간을 크게하기 위하여 침강탱크의 표면적을 크게하는 방법 등을 택하고 있으나 이에 따른 시설 투자 및 운전 비용 등이 큰 부담으로 작용하고 있다.

본 연구에서는 폐수내 부유된 미세 고형물이 magnetite와 같은 미분체에 흡착되어 플럭을 형성하는 성질을 갖고 있음에 착안하여 이와같은 자성 플럭을 폐수의 흐름과정에서 자성분리 방식에 의해 제거하므로써 폐수로부터 부유 고형물을 분리하는 기술을 제안하고, 본 기술의 공정화와 관련하여 부유 고형물의 제거효율에 대한 조업변수, 즉 공탑 액체유속, 부유 고형물에 대한 magnetite의 질량비, 부유 고형물의 농도, 자석 배열, 조업시간 등의 영향을 규명하고자 한다.

실험

본 실험에 사용한 자성 유체분리 장치는 유체분리탑, 폐수와 magnetite의 혼합기, 슬러리 (폐수 + magnetite) 공급 pump, On/Off식 자석 set로 구성되어 있다. 유체분리탑은 내경 5 cm, 높이 100 cm의 아크릴관으로 제작되어 있으며 폐수와 magnetite의 혼합수는 교반형 slurry 탱크로부터 peristaltic pump를 경유하여 분리탑의 하부로 유입되어 상부로 흐르는 상향류식이다. 상기 유체분리탑의 외벽 원주를 따라 자석이 배열되어 있는데 자석 set는 높이방향 약 10 - 20 cm의 간격으로 1 - 5 단이 설치되어 있으며 자석 set별 자석 수는 2 - 4 개로 서로 90 - 180 o의 각도로 배치되어 있다.  이때 유체분리탑의 중심 축에는 길이 100 cm의 아크릴 봉을 설치하여 액체가 아크릴관의 안쪽과 아크릴봉의 바깥쪽사이를 흐르도록 유도하였다. 본 실험에서 사용한 아크릴봉의 직경은 0.7, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0 cm로 하였으며 이에 따른 제거효율의 변화를 아크릴봉을 사용하지 않은 경우와 비교 검토하였다.

폐수내 고형 부유물은 부경대 양어장의 순환수에서 약 200 mesh의 체로 고형 부유물을 체질하고 이를 110 oC의 dry oven에서 건조하여 준비하였으며 사용할 때마다 일정 양의 무게를 측정한 후 미분쇄하고 이를 10 l의 수도물에 분산하여 실험용 폐수로 하였다. 이때 투입하는 고형 부유물의 양에 따라 폐수내 부유물질의 농도는 50 - 1000 ppm의 범위에서, 그리고 공탑 액체유속은 0.1 - 0.4 cm/s의 범위에서 조절하였다. Magnetite는 평균입도가 약 2 □m인 1급 시약용 四三酸化鐵 (藥理化學)로 부유 고형물에 대한 magnetite의 질량비 (: Magnetite/SS)는 0 - 4.0의 범위에서 조절하였다. 각 조건에서의 실험시간은 약 30분, 시료 채취는 2회로 하였으며 폐수내 고형 부유물의 농도는 Standard Method1)에 의해 분석하였다.

결과 및 고찰

1) 부유 고형물의 특성

총 부유성 고형물 (Total suspended solids) 농도는 단위부피당 들어있는 입경 1 □m 이상의 고형물 질량으로 정의된다. 부유성 고형물은 유기물과 무기물 성분으로 이루어져 있는데, 유기성 성분은 산소의 소비와 함께 biofouling을 야기시키는 반면 무기성 성분은 침전물을 생성하게 된다. 부경대의 양어장 순환수내 총 부유성 고형물 농도는 약 200 - 300 g/m3의 범위에 해당되는데 이는 사료 찌꺼기와 어류의 배설물 등에 의해 급격히 증가된다. 이들이 미생물에 의해 분해됨에 따라 어류의 성장에 유해한 NH3, NO2-를 생성할 뿐 아니라 용존산소를 소모하게 되어 양식에 나쁜 영향을 주게된다. 부유 고형물의 밀도는 약 1.2 g/cm3이며, Stokes 영역에서 이들의 침강속도는 약 0.1 cm/s로 매우 낮기 때문에 신속한 제거방법이 필요하다2).

2) Magnetite/SS 질량비의 영향

Fig. 1은 폐수내 부유 고형물에 대해 투입하는 magnetite의 질량비, 즉 Magnetite/SS의 값 변화에 따른 부유 고형물의 제거효율을 나타낸 것으로 이때 부유 고형물의 농도는 247 - 896 ppm, 공탑 액체유속은 0.14와 0.21 cm/s이었다.  Magnetite/SS의 비가 0.5이하의 범위에서는 Magnetite/SS의 비가 증가함에 따라 부유 고형물의 제거효율이 급격히 상승하였으나 0.5 이상에서는 상승기울기가 낮아지면서 완만한 증가율을 보였다. 이때 2.0 이상의 Magnetite/SS의 조건에서는 부유 고형물의 제거효율이 거의 99 %에 육박함을 알 수 있었다. 한편 magnetite를 투입하지 않은 상태에서의 부유 고형물의 제거효율은 공탑 액체유속이 0.14와 0.21 cm/s에서 각각 약 60과 48 %를 나타내고 있다. 이는 입경이 큰 고형물의 경우 침강속도가 액체유속보다 높아 유체분리탑내를 흘러가면서 침강되어 탑 하부에 가라앉기 때문으로 볼 수 있다.

3) 공탑 액체유속의 영향

Fig. 2는 공탑 액체유속의 변화에 따른 부유 고형물의 제거효율을 나타낸 것으로 이때 부유 고형물의 농도는 190 - 280 ppm, Magnetite/SS의 비는 0 - 3.57이었다. 어느 경우에나 공탑 액체유속의 증가에 따라 부유 고형물의 제거효율은 감소하는 경향을 보였다. 이때 제거효율의 감소 기울기는 Magnetite/SS의 비의 증가에 따라 감소하며 Magnetite/SS의 값이 2.0 이상인 경우 제거효율에 대한 공탑 액체유속의 영향은 매우 약해짐을 알 수 있다. 이는 Magnetite/SS의 비가 높아질수록 부유 고형물의 제거효율에 공탑 액체유속과 같은 유체력의 영향력은 감소되고 Magnetite/SS의 질량비나 자력의 세기와 같은 자성력이 강하게 작용함을 의미하는 것이다.

참고문헌

1. APHA, Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater.      18th ed. American Public Health Association (1989)

2. 서근학, 이민규, 이민수, 김병진, 김은정, 조문철, □포말분리법을 이용한 양어장     순환수 처리 - II. 고형물 제거특징□, 한국수산학회지, 30 (3), 334-339 (1997)