화학 응집과 자성 분리를 이용한 하수 내 오염물질의 고도처리

신 수 희, 김 용 하, 서 근 학, 김 남 술*, 손 선 기**

부경대학교 화학공학과, 벽산 엔지니어링(주)*, 남성세라믹(주)**

Advanced Treatment of Contaminants in Sewage

using Chemical Coagulation and Magnetic Separation

Su-Hee Shin, Yong-Ha Kim, Kuen-Hack Suh,

Nam-Sul Kim* and Sun-Ki Son**

Department of Chemical Engineering, Pukyong National University

*Byucksan Engineering. Co., Ltd.

**Nam Sung Ceramic Co., Ltd.

서론

인간을 비롯한 모든 생물체가 물 없이 생존할 수 없으며 인류의 문명이 하천을 끼고 발달하여 온 것도 바로 물의 중요성을 말해주고 있다. 그러나 경제발전과 함께 국민의 생활수준 향상은 용수사용량 및 하수 발생량의 증가를 초래하여 배출 수역의 자정작용한계를 넘어 수질오염을 가중시키고 있다. 수질오염은 수중 서식생물들의 서식처 파괴는 물론 토양 및 지하수 오염, 자연경관의 저해 등 많은 문제점을 야기시켰으며 이는 하수처리의 필요성을 부각시켰다. 1970 년대 후반부터 시작된 하수처리는 현재 전국 100여 개 이상의 하수처리장을 통해 처리되고 있다. 하지만, 현재 우리나라의 하수처리율은 50 %에 채 못 미치고 있고, 이것마저도 하수관거의 부실로 인해 하·폐수를 적정하게 처리하지 못하고 있는 실정이다. 또한 하수처리장이 지나치게 대규모 위주로 설치되는 것으로 인한 막대한 건설비용과 투입된 비용에 비해 처리 효율성이 낮은 점은 현재 하수처리 공정의 심각한 문제점으로 여겨진다. 특히 기존의 생물학적 처리공정은 미생물의 생존 환경에 따라 처리효율의 차이가 심하고, 장마철인 경우 유입수량의 급증으로 하수 처리단계를 제대로 거치지 못한 채 그대로 방류됨으로써 여름철 크게 문제시되고 있는 적조 발생의 원인이 되기도 한다. 이러한 생물학적 처리방법의 문제점을 최근 들어 물리·화학적 방법으로 해결하고자 하는 움직임이 나타나고 있다. 물리·화학적 처리는 응집제를 주입하여 하수중의 현탁 입자나 콜로이드 입자의 성분을 응집·침전시켜 제거하는 것으로 도시하수의 불규칙한 유량변동과 하수 특성의 변동에 따른 문제점을 신속 정확하게 대응할 수 있고, 최적조건에서 효율적인 하수처리가 가능하다[1]. 하지만, 응집된 플럭을 제거하기 위해 사용되고 있는 침전, 여과 등의 방법은 처리 시간이 길고 넓은 공간이 필요하기 때문에 물리·화학적 방법을 통한 하수처리 또한 한계점을 가지고 있다고 하겠다.

본 연구자가 제시하는 하수처리공정은 부유물로 존재하는 유기물과 인 등의 오염물질의 제거는 화학응집과 자력분리를 이용하고, 질소는 이온교환과 질산화균에 의한 질산화와 탈질소균에 의한 탈질화를 이용하여 제거하는 것을 기본으로 하고 있다[2]. 특히 하수 내 오염물질의 처리에 있어서 화학응집을 통해 미세한 콜로이드 물질까지 플럭으로 형성시키고, 자성 미분체를 투입·교반하여 다수의

자성 미분체가 플럭의 표면에 부착된 자성 플럭을 형성한 후 이들을 폐수로부터 자성 분리하는 것이다.

본 연구의 목적은 이와 같은 하수처리 공정의 실용화와 관련하여 실제하수를 대상으로 오염물질의 제거특성에 대한 조업형태와 조업변수의 영향을 실험적으로 평가하는 것이다.

실험

본 실험에서 사용한 자성 유체 분리장치는 유체 분리탑, 폐수와 자성 미분체의 혼합기, 슬러리(폐수+자성 미분체) 공급 pump, On/Off식 자석 셋트로 구성되어 있다.

조업형태는 두 가지로 첫째, one step은 원수에 화학 응집제를 투입하여 하수 내 용존 내지는 부유 고형물의 입자를 응집시켜 크게 만들고, 자성 미분체를 투입하여 약 5분 정도 교반과정을 거치면서 자성 플럭으로 변화시킨 후 자성 유체분리탑을 통과시킨다. 이 때 사용하는 화학 응집제는 Al2SO4(LAS 8 %)로써 1□당 0.1 □로 투입시켰다. 화학 응집제를 투입할 때는 100 - 120 rpm의 속도로 급속 교반을 1분, 40 - 50 rpm의 속도로 완속교반을 10분 실시하였다. 둘째, two step은 원수에 화학 응집제를 투입하지 않고, 바로 자성 미분체를 투입하여 하수 내 오염물질을 자성 플럭으로 만든 후 자성 유체분리탑을 통과시켜 원수 내 부유 고형물이 일부 제거된 1차 처리수에 화학 응집제를 투입하여 응집 플럭을 형성시킨 다음, 다시 자성 미분체를 투입·교반시킨 후 자성 유체분리탑을 통과시킴으로써 2차 처리를 하게 된다. 즉, two step 인 경우에는 one step 단계 이전에 자성 미분체를 투입하여 부유성 오염물질을 제거하는 전처리 단계를 거치게 된다.

본 실험에서 사용한 하수는 부산 남부하수처리장의 유입수이고, 원수 내 부유 고형물의 농도는 약 50 - 100 ppm, 탁도는 10 - 30 NTU 정도였다. 자성 유체분리 탑에서 하수의 공탑 액체 유속은 0.548 - 1.66 cm/s 범위 내에서 조절하였고, 이와 같은 유속 조건에서 폐수의 탑 내 체류시간은 약 1 - 2 분에 해당된다. 자성 미분체로써는 평균입도가 약 2 □인 1급 시약용 四三酸化鐵을 사용하였고, 부유고형물에 대한 자성 미분체의 질량비 (: magnetic powders/SS)는 0.61 - 2.21의 범위에서 조절하였다. 각 조건에서 시료 채취는 2회로 하였으며 폐수 내 부유 고형물의 농도는 Standard Method, 탁도는 HACH 2100N turbidimeter, 입도는 Laser Diffraction Particle Size Analyzer(SHIMADZU SALD-2001) 의해 분석하였다.

결과 및 고찰

Figs. 1과 2는 각각 one step과 two step으로 처리하였을 경우, 그 처리 단계별 하수 내 부유 고형물과 탁도의 관계를 나타낸 것이다.

우선 one step인 경우를 살펴보면 화학 응집제에 의해 응집된 플럭이 자성유체분리에 의해 제거되면서 처리수 내 부유 고형물의 농도는 약 2 - 8 ppm로, 탁도는 4 - 6 NTU로 감소하였음을 보여준다. Two step인 경우에는 1단계로 자성 미분체를 투입하여 처리하였을 때 약 60 %의 부유 고형물이 미리 제거되었고, 화학 응집제를 투여하여 잔존하는 부유 및 용존 고형물들을 응집시킨 후 다시 자성 미분체를 투입하여 최종 처리한 후에는 처리수 내 잔존 부유 고형물의 농도는 약 1 - 2 ppm, 탁도는 약 2 - 5 NTU 정도 수준까지 감소하였다. 1 단계에서 자성 미분체를 투입하는 것만으로 높은 처리효율이 얻어지지 않는 이유는 하수의 특성상 콜로이드 물질이 많이 함유되어 있기 때문이다. 자성 미분체의 크기는 약 3 □ 정도로 그 이하 크기의 물질들을 제거하는데 한계가 있으므로 응집제를 사용하여 콜로이드 입자를 3 □이상의 큰 입자들로 만든 후 자성 미분체를 투입해야만, 미세 입자까지 제거 가능해짐을 의미한다.

One step과 two step의 처리결과를 비교해 놓은 Fig. 3에서 보는 바와 같이 two step의 최종 처리 효율이 one step보다 약간 높음을 알 수 있다. 이는 two step인 경우 화학 응집제를 사용하기 전, 자성 미분체를 투입하여 어느 정도 부유 고형물을 미리 제거함으로써 화학 응집제를 투입했을 때, 콜로이드 물질이 보다 효과적으로 응집되어 플럭을 형성시켰다고 볼 수 있다.

화학응집과 자성 분리 그리고, 질소의 미생물 제거 공정의 조합은 청천시 또는 우천시에는 처리수의 방류 또는 재 이용에 대응하여 Fig. 4와 같이 구성될 수 있으며 이들은 탈질 및 탈인 공정을 포함한 하수의 고도처리 시에도 하수 처리장의 규모 축소와 처리시간의 단축, 높은 처리효율의 달성이 가능해 기존의 처리방법이 지닌 문제점들을 합목적적으로 극복할 수 있어 향후 현장 적용이 기대된다.

참고문헌

1. 성동모, 윤태일, □알칼리 응집을 이용한 하수처리에 관한 연구□, 한국물환경학     회지, 15, 79-88 (1999)

2. 김용하 등, 자력 및 생물막을 이용한 하수 및 폐수의 고도처리 방법 및 고도     처리 장치. 특허출원 2000-34463호

Fig. 1

Relationship between

SS and turbidity in

one-step treatment

Fig. 2

Relationship between

SS and turbidity in two-step treatment

Fig. 3

Change of parameters in clarified water with respect to applied procedures

Fig. 4 Schematic diagram of combined process using

Magnetic Clarifier and Bio-film Reactor