工學碩士學位論文 폴리염화알루미늄의염기도변화가정수처리시응집의효율에미치는영향 THE INFLUENVCE OF BASICITY CHANGE OF POLYALUMINUM CHLORIDE ON COHESIVE EFFICIENCY IN WATER TREATMENT SYSTEM 2008 年 2 月 仁荷大學校工學大學院 工業化學科 李東錫
工學碩士學位論文 폴리염화알루미늄의염기도변화가정수처리시응집의효율에미치는영향 THE INFLUENVCE OF BASICITY CHANGE OF POLYALUMINUM CHLORIDE ON COHESIVE EFFICIENCY IN WATER TREATMENT SYSTEM 2008 年 2 月 指導敎授白成鉉이論文을碩士學位論文으로提出함仁荷大學校工學大學院工業化學科李東錫
이論文을李東錫碩士學位論文으로認定함 2008 年 2 月 主審 副審 委員
요약 본연구에서는 55% 의염기도를갖는폴리염화알루미늄 (PAC 55) 를합성하고정수처리과정에서일반적으로사용되는 45% 의염기도를갖는폴리염화알루미늄 (PAC 1종 ) 과정수처리시응집효율을비교하였다. PAC 55는 35% 의염산과탄산나트륨으로부터저염기성의수산화나트륨 [(Na 2 + Cl(OH)] 을합성하고, 여기에수산화알루미늄 [Al(OH) 3 ] 을첨가하여고온 (150~200 ), 고압에서합성하였으며물로희석시킨최종생성물은 55% 의염기도와 10% 의산화알루미늄 (Al 2 O 3 ) 을함유하는것으로나타났다. 탁도제거변화실험결과 PAC 1종은 20ppm as Al 2 O 3 에서 80% 이상의탁도제거효율을보였고, PAC 55는 14ppm as Al 2 O 3 에서 80% 이상의탁도제거효율을나타내었다. 20~30% 적은양을사용하여도 PAC 55는 PAC 1종과동등한탁도제거효율을얻을수있었으며, 정수처리시 PAC 1종에비해 ph와알칼리도하강이낮은것으로조사되었다. 또한산성이나알칼리성조건에서모두 PAC 55는 PAC 1종에비해높은응집효율을나타내었으며, 과량주입실험결과 PAC 55가 PAC 1종에비해높은탁도제거효율을나타내었다. 이러한 PAC 55의우수한응집효율은높은플럭, 높은침강속도등에기인하였다. i
ABSTRACT In this study, PAC 55 with 55% basicity was synthesized and its cohesive efficiency in water treatment system was compared with that of PAC 1, which has 45% basicity and is being commercially used. For the synthesis of PAC 55, proper amount of sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) was added into 35% hydrochloric acid (HCl), and sodium-oxalate (Na 2 +Cl(OH)) was formed after removal of carbon dioxide (CO 2 ). Aluminum hydroxide (Al(OH) 3 ) was added into sodium-oxalate and the resultant mixture was hydrothermally treated at elevated temperature (150~200 ) for 8 ~ 12 hours. After dilution with deionized water, the final product was found to contain 10% aluminum oxide (Al 2 O 3 ) with 55% basicity. Turbidity removal efficiency of synthesized sample was investigated in both acidic (ph=4) and basic (ph=9) water treatment. PAC 55 showed much higher removal efficiency than PAC 1. In addition, PAC 55 exhibited lower ph and alkalinity change than PAC 1. Turbidity change using excess amount of PAC was also measured, and PAC 55 showed about 95% turbidity removal efficiency. The enhanced cohesive efficiency of PAC 55 was attributed to the higher floc and higher sedimentation rate. ii
목 차 요약문 ABSTRACT ⅰ ⅲ 목차 ⅴ List of Tables ⅷ List of Figures ⅸ 1. 서론 1 2. 문헌연구 2 2-1. 한강수원특성및현황 2 2-1-1. 수질변화경향 2 가 ) 공간적 / 지점간 / 상하류간변화 2 나 ) 월간 / 계절변화 15 다 ) 한강수계오염원 22 a) 남한강수계 22 b) 북한강수계 30 c) 팔당호수계 30 iii
d) 한강본류수계 34 2-2. 정수처리 38 2-2-1. 정수처리계통도 38 2-2-2. 응집의원리 39 3. 실험방법 43 3-1. PAC 염기도 55% 합성방법 (PAC 55) 43 3-2. 실험재료및방법 43 3-2-1. 응집제 43 3-2-2. 원수 44 3-2-3. 장치및기구 44 3-2-4. 시약 44 3-2-5. 탁도측정 44 3-2-6. ph 측정 45 3-2-7. 알칼리도측정 45 3-2-8. 원수의 ph 조정 45 3-2-9. JAR TEST 방법 46 iv
4. 결과및고찰 47 4-1. PAC 1 종과 PAC 55 응집제약품투입별탁도제거 변화실험 47 4-1-1. 원수성상 47 4-1-2. PAC 1 종응집제주입 47 4-1-3. PAC 55 응집제주입 48 4-2. PAC 1 종과 PAC 55 응집제약품투입별 ph 변화실험 50 4-2-1. 원수성상 50 4-2-2. PAC 1 종응집제주입 51 4-2-3. PAC 55 응집제주입 51 4-3. PAC 1 종과 PAC 55 응집제약품투입별알칼리도변화 실험 51 4-3-1. 원수성상 52 4-3-2. PAC 1 종응집제주입 53 4-3-3. PAC 55 응집제주입 53 4-4. PAC 1 종과 PAC 55 응집제 ph 변화에따른탁도 제거변화실험 54 4-4-1. 원수성상 55 4-4-2. ph4 산성에서 PAC 1 종, PAC 55 응집제주입 55 4-4-3. 원수성상 57 v
4-4-4. ph9 알칼리에서 PAC 1 종, PAC 55 응집제주입 57 4-5. PAC 1 종과 PAC 55 응집제과량투입시응집별 탁도변화실험 59 4-5-1. 원수성상 59 4-5-2. PAC 1 종과 PAC 55 응집제주입 59 5. 결론 61 참고문헌 63 vi
List of Tables <TABLE 2-1> The trend of the passing of a year change of the average annual value of main item of the quality of water 3 <TABLE 3-2> The characteristics of each coagulants 43 <TABLE 4-3> The jar-test result of turbidity change by injection of PAC 1 47 <TABLE 4-4> The jar-test result of turbidity change by injection of PAC 55 48 <TABLE 4-5> The jar-test result of ph change by injection of PAC 1 51 <TABLE 4-6> The jar-test result of ph change by injection of PAC 55 51 <TABLE 4-7> The jar-test result of alkalinity change by injection of PAC 1 53 <TABLE 4-8> The jar-test result of alkalinity change by injection of PAC 55 53 <TABLE 4-9> The turbidity removal change by injection of each coagulants at ph 4 55 <TABLE 4-10> The turbidity removal change by injection of each coagulants at ph 9 57 <TABLE 4-11> The turbidity removal change by over injection of each coagulants 59 vii
List of Figures <Fig. 2-1> BOD change of the upper and down South-Han River 5 <Fig. 2-2> COD change of the upper and down South-Han River 5 <Fig. 2-3> T-N change of the upper and down South-Han River 6 <Fig. 2-4> T-P change of the upper and down South-Han River 6 <Fig. 2-5> COD, T-N and T-P change of Chungju Lake 7 <Fig. 2-6> Nitrate nitrogen and chlorophyll-a change of Chungju Lake 7 <Fig. 2-7> Ammonia nitrogen change of Chungju Lake 8 <Fig. 2-8> BOD change of the upper and down North-Han River 8 <Fig. 2-9> T-N change of the upper and down North-Han River 9 <Fig. 2-10> T-P change of the upper and down North-Han River 9 <Fig. 2-11> COD, T-N and T-P change of Soyang Lake 10 <Fig. 2-12> Nitrate nitrogen and chlorophyll-a change of Soyang Lake 10 <Fig. 2-13> Ammonia nitrogen change of Soyang Lake 11 <Fig. 2-14> COD, T-N and T-P change of Paldang Lake 13 <Fig. 2-15> Nitrate nitrogen and chlorophyll-a change of Paldang Lake 13 viii
<Fig. 2-16> BOD change at the junction of the South and North-Han River 14 <Fig. 2-17> T-N change at the junction of the South and North-Han River 14 <Fig. 2-18> 2-18 T-P change at the junction of the South and North- Han River 15 <Fig. 2-19> Monthly change of water temperature and DO at the river 30 of the 90 s 17 <Fig. 2-20> Monthly change of ph and SS at the river 30 of the 90 s 17 <Fig. 2-21> Monthly change of BOD and COD at the river 30 of the 90 s 18 <Fig. 2-22> Monthly change of T-N and T-P at the river 30 of the 90 s 18 <Fig. 2-23> Monthly change of Nitrate nitrogen acid and Ammonia nitrogen at the river 30 of the 90 s 19 <Fig. 2-24> Monthly change of water temperature and DO at the three lake point of the 90 s 19 <Fig. 2-25> Monthly change of ph and SS at the three lake point of the 90 s 20 <Fig. 2-26> Monthly change of BOD and COD at the three lake point of the 90 s 20 <Fig. 2-27> Monthly change of T-N and T-P at the three lake point of the 90 s 21 <Fig. 2-28> Monthly change of Nitrate nitrogen acid and Ammonia nitrogen at the three lake point of the 90 s 21 ix
<Fig. 2-29> Monthly change of chlorophyll-a at the three lake point of the 90 s 22 <Fig. 2-30> Pollution load at Kangsang of the down South-Han River 25 <Fig. 2-31> Pollution load at Sambongli of the down South-Han River 29 <Fig. 2-32> Pollution load at Paldang Lake 33 <Fig. 2-33> Pollution load at Jamsil of the main stream of the Han River 37 <Fig. 2-34> Distribution diagram of water treatment system 38 <Fig. 2-35> Range of colloid cohesion 40 <Fig. 2-36> Cross-cohesion by a high polymer coagulant (Cation) 41 <Fig. 2-37> Reinforcement of floc by an anion cohesion supplement 42 <Fig. 4-38> The turbidity removal change by PAC 1 and PAC 55 49 <Fig. 4-39> Formation of floc by injection of coagulants 49 <Fig. 4-40> Comparison of sedimentation by cohesion of coagulants 50 <Fig. 4-41> The ph change by PAC 1 and PAC 55 52 <Fig. 4-42> The alkalinity change by PAC 1 and PAC 55 54 <Fig. 4-43> The change of turbidity by injection of each coagulants at ph 4 56 x
<Fig. 4-44> Comparison of floc by cohesion of each coagulant at ph 4 56 <Fig. 4-45> The change of turbidity by injection of each coagulants at ph 9 58 <Fig. 4-46> Comparison of floc by cohesion of each coagulants at ph 9 58 <Fig. 4-47> The turbidity removal change by over injection of each coagulants 60 <Fig. 4-48> Comparison of floc by over injection of each coagulants 60 xi
1. 서론 최근수질오염의방지와수질개선을위한정부의다각적인노력에도불구하고상수원의수질은거의개선되지않고있는실정이다. 이에따라서각정수장에서는막대한정수비용이소요되는고도정수처리가도입운영되고있다. 고도정수처리공정중응집공정은후속공정인침전 여과 오존 활성탄흡착 소독공정에가장큰영향을미치는공정으로서, 응집공정의효과에따라서후속정수공정의효율및비용은물론정수된수돗물의수질에직접적인영향을미치게된다. 상수원수는연중수질의변화가심하여응집공정에서수질에따른적정응집제의선정이매우중요하다. 응집제과다주입시비용의증대와침전성이좋지못한플럭형성과폐슬러지의과다발생등의문제가발생하게된다. 또한최적주입량보다적은양의주입시플럭형성의어려움과침전지에서도오염물질이침전제거불가능및여과지의과부하를초래한다. 일반적으로정수및폐수처리용으로널리사용되는무기응집제인폴리염화알루미늄 (Polyaluminum Chloride, PAC) 은탁도제거등의응집성능이탁월한응집제이다. 본연구에서는일반적인 PAC 1종과 PAC 55 염기도를 55% 로상향조정하여합성한제품을서로비교하여정수처리시응집에미치는영향을연구하고자한다. 1
2. 문헌연구 2-1. 한강수원특성및현황 2-1-1 수질변화경향가 ) 공간적 / 지점간 / 상하류간변화 1990-2000년사이의수질측정치를평균하여남한강, 북한강, 한강본류에서공간적인수질변화를그림으로나타냈다.( 그림 2-1 ~ 그림 2-13). 남한강상류에서하류로가면서충주호유입전 ( 덕천지점 ) 까지는본류나지류의 BOD가 1ppm 내외로비슷하다 ( 그림 2-1). 충주호를전후해서는상류의하천지점 ( 덕천 ) 보다호수역 ( 충주댐4) 에서 BOD가높으며 TN, TP는호수에서농도가낮아진다. 호수내에서는하류쪽으로가면서 BOD, 질산성질소는낮아지는데, TP, 크로로필 a, 암모니아성질소는댐쪽 ( 충주댐1) 에서다시농도가증가한다. COD나 TN은연도에따라변동이있다. 상류에서운반된것이외에댐부근에서추가로오염물질이유입되고생물량이증가함을의미한다. 충주호하류에서팔당호유입전구간에서는장평천, 원주천, 복하천등본류에비해오염도가현저하게높은지류가유입되었고, 본류지점에서는 BOD가높아져상하류간에 1ppm 정도차이가났다. TN과 TP도지점간에 BOD와비슷한대소관계를보이며본류에서는충주호아래구간에서상류구간보다 TN 0.5ppm, TP 0.03ppm 정도가높아졌다 ( 그림 2-3 ~ 그림 2-4) [3,5]. 2
<TABLE 2-1> The trend of the passing of a year change of the average annual value of main item of the quality of wate [3] 수역명칭측정망지점 BOD COD TN TP 송천조양강감소증가변동증가 어천어천감소변동증가변동 지장천지장천 2 감소변동증가감소 석향천석향천감소변동증가감소 평창강평창강 3 변동변동증가증가 옥동천옥동천 2 감소변동증가감소 한강 Ⅰ 덕천감소변동변동변동 제천천제천천 3 변동변동증가변동 충주댐충주댐감소증가증가변동 달천달천 5 감소변동증가변동 섬강하류섬강 4 변동변동 청미천청미천 3 변동변동변동변동 양화천양화천감소변동증가증가 한강 Ⅱ 여주 2 변동변동증가변동 복하천복하천 3 변동변동증가변동 흑천흑천 2 변동변동증가변동 한강 Ⅲ 강상변동변동변동변동 화천천화천천변동변동증가변동 북한강상류춘천변동변동변동변동 인북천인북천 2 변동변동증가변동 소양강소양강 2 감소변동증가변동 공지천공지천 3 변동변동변동변동 3
가평천 가평천3 변동 변동 증가 변동 홍천강 홍천강2 변동 변동 증가 변동 조종천 조종천3 감소 변동 증가 변동 북한강하류삼봉리 변동 변동 변동 변동 경안천 경안천6 증가 증가 증가 변동 팔당댐 팔당댐 증가 증가 증가 증가 왕숙천 왕숙천4 변동 변동 증가 변동 한강Ⅳ 잠실 변동 변동 변동 변동 ( 선형회귀분석에서기울기의유의수준 p 0.05 일때증감경향인정 ) 북한강상류부터팔당호유입전구간에서는공지천을제외하면두드러지게오염도가높은지류가없다. 본류지점에서는 BOD가서서히증가하여상하류간 0.4ppm 정도차이가있다. TN과 TP는지천중에서공지천, 가평천, 조종천에서본류보다농도가높은것이눈에띄며, 본류지점들간에는차이가작았다. 소양호에들어와서는위의하천지점 ( 소양강1) 보다유입부 ( 소양댐4) 에서 BOD, COD가높다. 호수하류 ( 소양댐1) 로가면서농도가다시감소하는데, 특이하게크로로필a는소양댐3 지점에서증가하였었다. 소양댐3 지점에서 90년대내내다른항목은상류지점 ( 소양댐5) 보다농도가약간낮은상태를유지한반면, 크로로필a는 90년대전반기에상류지점보다뚜렸하게농도가높았다. 하지만연년이감소하여서 90년대전반기에는상류지점보다생물량증가에유리한조건이었으나최근까지그조건이유지되는것같지는않다 [3,5]. 4
<Fig. 2-1> BOD change of the upper and down South-Han River[3] <Fig. 2-2> COD change of the upper and down South-Han River[3] 5
<Fig. 2-3> T-N change of the upper and down South-Han River[3] <Fig. 2-4> T-P change of the upper and down South-Han River[3] 6
<Fig. 2-5> COD, T-N and T-P change of Chungju Lake[3] <Fig. 2-6> Nitrate nitrogen and chlorophyll-a change of Chungju Lake[3] 7
<Fig. 2-7> Ammonia nitrogen change of Chungju Lake[3] <Fig. 2-8> BOD change of the upper and down North-Han River[3] 8
<Fig. 2-9> T-N change of the upper and down North-Han River[3] <Fig. 2-10> T-P change of the upper and down North-Han River[3] 9
<Fig. 2-11> COD, T-N and T-P change of Soyang Lake[3] <Fig. 2-12> Nitrate nitrogen and chlorophyll-a change of Soyang Lake[3] 10
<Fig. 2-13> Ammonia nitrogen change of Soyang Lake[3] 소양호를지난하천지점 ( 소양강2) 과소양호전의지점 ( 소양강1) 을비교해보면, 소양강2 지점에서 95년부터데이터가있는데대개의항목에서소양강2 지점이농도가낮다. 경안천의수질변화를보면상류에서중류구간에서수질이급속히악화되며하류로가면서 SS를제외하고는농도가감소한다. 팔당호로유입되기전지점 ( 경안천6) 에서아직상류수준으로회복되지않고남한강유입수에비해수질이나쁘긴하지만, BOD, COD에비해 TN과 TP는상대적으로증가폭과회복속도가더빠르다. 생화학적자정작용에의한 BOD 감소가완성되지않는구간에서질산화와생물에의한 uptake, 흡착과침강같은영양염류제거반응이빠른속도로일어나는것같다. 중류의오염이심한구간 ( 경안천3, 경안천4, 경안천5) 에서 TN,TP농도가계속증가하고 11
있으므로, BOD뿐만아니라 N,P 부하량삭감과하류구간에서의자정작용을촉진하는조치가 90년대보다강화될필요가있다. 북한강, 남한강, 경안천이유입되는팔당호에서변화를보면삼봉리 ( 북한강 ) 지점과팔당호내지점, 팔당호에서변화를보면삼봉리 ( 북한강 ) 지점과팔당호내지점, 팔당댐하류지점을비교해보면 BOD, COD, TN는큰차이가없으나 TP는하류로가면서증가하여삼봉리에서들어오는물보다팔당댐에서나간물의농도가높다. 강상 ( 남한강 ) 지점과비교하면팔당호내지점 ( 팔당댐1, 팔당댐3) 에서 BOD, COD, TN, TP 모두낮아졌고팔당댐바로하류지점 ( 팔당댐 ) 에서는강상보다좋은하천수질을보인다. 경안천의경우모든항목이팔당댐을거치면서농도가낮아졌다. 즉북한강물이남한강물과경안천물을희석시키고있다. 팔당댐하류부터잠실수중보사이구간에서는왕숙천에서 BOD가 90년대평균 8.6ppm 이었고, 한강본류지점에서는하류로가면서 BOD가 1ppm 정도증가하였다. TN과 TP도 BOD와마찬가지로하류로가면서평균값이증가하였으며, 한지점에서의시간적변동도커졌다. 이구간에서는유입되는지류영향보다는본류로직접유입되는오염원영향이큰것으로보인다 [3]. 12
<Fig. 2-14> COD, T-N and T-P change of Paldang Lake[3] <Fig. 2-15> Nitrate nitrogen and chlorophyll-a change of Paldang Lake[3] 13
<Fig. 2-16> BOD change at the junction of the South and North- Han River[3] <Fig. 2-17> T-N change at the junction of the South and North- Han River[3] 14
<Fig. 2-18> T-P change at the junction of the South and North- Han River[3] 나 ) 월간 / 계절변화지점에따라 90년대중에도시간에따라계절변화가일정하지는않으나평균적인월별 / 계절간변화를파악하기위해각수질항목별로월평균을계산하여 ( 그림 2-19 ~ 그림 2-29) 도시하였다. 하천에서 BOD는겨울부터봄까지증가하다가 6월 ~9월에감소하여가을에가장낮다. COD도거의같은경향으로서겨울에증가하며, 여름 ~ 가을보다겨울 ~ 봄에높다. BOD,COD는모두유량이작을때높다. SS는 4월부터 8월까지증가하고가을에감소한다. 강우와강설의영향으로 12월 ~1월에는약간증가하므로봄가을에낮고여름과겨울순으로높다. 15
TN은겨울과봄에비슷한수준이며 6월 ~9월에감소하여가을에가장낮다. 겨울에증가하며, TN의 10~20% 를차지하는암모니아성질소가 TN과비슷한경향을보인다. 질산성질소는봄, 여름에 TN과변화가다른데겨울보다봄에낮아지며 7월에증가한다. 가을에는 TN이나암모니아성질소와마찬가지로가장낮은농도로되며겨울에현저하게증가한다. TP는 TN과비슷하게봄부터늦가을까지감소하고겨울에증가한다. TN, TP, 암모니아성질소는유량과역상관을보이며, 질산성질소는봄, 가을의동화작용때문에감소영향받는것으로평가되었다. 호수 ( 소양호, 팔당호, 충주호 ) 에서 BOD, COD는봄 (4월) 에증가하며 COD는가을까지비슷하지만, BOD는여름에약간낮아졌다증가하며겨울에감소한다. 하천과비교하면여름에농도수준이높아지는데, 이는유입량과농도증가또는자체생산성의계절간변화를좀더연구해야할것으로판단된다 [3,4]. SS는봄에증가해서 7월 ~8월에가장높고가을에낮아지는것이하천에서와마찬가지이나겨울까지그대로감소하는점은다르다. TN은하천에서보다계절변화가다양한데초봄에증가했다가 5월 ~6월에감소하며 7월에다시증가했다가가을에낮아진다. 질산성질소와암모니아성질소는초봄에증가세가약한점을제외하면 TN과비슷한계절변화를보인다. 용존성질소가봄에감소하는대신입자성질소는증가하기때문으로여겨진다. TP는하천에서 TN과같이봄부터가을까지감소하던것과달리호수에서는 SS와매우비슷하게봄부터여름까지증가하며겨울에가장낮다. 크로로필a는 SS, TP와비슷한계절변화를보이며이는질산성질소와반대로변화하는것이다 [3,4]. 16
<Fig. 2-19> Monthly change of water temperature and DO at the river 30 of the 90 s[3] <Fig. 2-20> Monthly change of ph and SS at the river 30 of the 90 s[3] 17
<Fig. 2-21> Monthly change of BOD and COD at the river 30 of the 90 s[3] <Fig. 2-22> Monthly change of T-N and T-P at the river 30 of the 90 s[3] 18
<Fig. 2-23> Monthly change of Nitrate nitrogen acid and Ammonia nitrogen at the river 30 of the 90 s[3] <Fig. 2-24> Monthly change of water temperature and DO at the three lake point of the 90 s[3] 19
<Fig. 2-25> Monthly change of ph and SS at the three lake point of the 90 s[3] <Fig. 2-26> Monthly change of BOD and COD at the three lake point of the 90 s[3] 20
<Fig. 2-27> Monthly change of T-N and T-P at the three lake point of the 90 s[3] <Fig. 2-28> Monthly change of Nitrate nitrogen acid and Ammonia nitrogen at the three lake point of the 90 s[3] 21
<Fig. 2-29> Monthly change of chlorophyll-a at the three lake point of the 90 s[3] 다 ) 한강수계오염원 a. 남한강수계남한강수계중남한강상류구간에는송천, 어천, 지장천, 석항천. 평창강, 옥동천및남한강본류일부수역구간등이포함되어있으며, 남한강하류구간에는남한강상류구간을포함하여, 제천천, 달천, 섬강, 청미천, 양화천, 복하천, 흑천및남한강본류일부수역구간등이포함되어있다. 오염원중인구현황을보면, 남한강상류구간에서는전체적으로 241,228명에서 184,277명으로 24% 의인구가줄어들었고, 10개년동안총인구의증가는한번도없었으나, 환경기초시설의설치로처리인구의비율이 1996년 30%, 1997년 40% 를나타내고있으며, 남한강하류구간에서는인구가지속적으로증가하는추세를보였다. 22
산업폐수발생량의경우, 1997년까지증가하는추세이나그이후매년약간씩감소하는추세에있다. 가축사육두수변화를보면, 남한강상류구간에서는젖소의경우, 1995년에최대였으며, 한우의경우 1996년최대, 돼지의경우매년사육두수가증가하는추세이며, 남한강하류구간에서는젖소및한우의경우, 1998년을기점으로증가추세가꺽였으며, 돼지의경우매년사육두수가증가하는추세이다. 토지이용변화를살펴보면, 남한강상류구간에서는밭과논이대지및목장용도로변화하여, 이농과도시집중이진행되고있는유역으로판단되며, 남한강하류구간에서도밭과논이대지및목장용도로변화하였으며, 가축사육의증가, 도시화의진행이토지이용변화와직접적인관련이있는것으로파악되었다. 양식장면적은앞서언급했듯이 1997년이전자료의미비로 1990년 ~1996년에는 1997년의자료로대체하였다. 팔당상수원의수질보호를위하여 1998년이후에는호수등에서의가두리양식장등의신규면허가사실상종료되었고, 기존의면허도연장하지않게됨에따라 1998년이후의양식장면적은허가가완료되는만큼줄어들고있다. 남한강상류구간에서는허가면적이변화없이지속되고있으며, 남한강하류구간에서는 1997년이후충주댐및일부유역에서줄어든것으로조사되었다 [3,7]. 부하량은발생및배출원단위에오염원의크기가곱해진형태이며, 여기에환경기초시설의방류수수질기준과방류량이고려되었는데, 방류수수질기준은기준의변경에따라년도별로다소차이를가지며, 개별처리로인한배출허용기준도방류위치, 시설규모, 년도별로다르게적용된다. 남한강수계에서는오염원의이러한변동과년별지역별발생및 23
배출원단위에따라계산한결과, 1999년 BOD 발생부하량중에는축산이 62% 로서가장많은부분을차지하였으며, 다음이생활 17%, 산업 13%, 토지 6% 순이었고, TN 발생부하량중에는축산 53%, 토지 26%, 생활 18%, 산업계 2% 순이었고, TP는축산이 82%, 토지 8%, 생활 7%, 산업계 3% 순이었다. 수질과밀접한관련이있는배출부하량의경우 BOD는생활이 31% 로서가장많은부분을차지하였으며, 다음이토지 29%, 축산 28%, 산업 5% 순이었고, TN는토지 56%, 생활 21%, 축산 19%, 산업계 4% 순이었고, TP는토지 40%, 축산 24%, 생활 21%, 산업계 12% 순이었으며, 오염원별부하량을누적한결과는그림 2-30과같다. BOD 발생부하량은 1997년 556.2t/d, 1999년 524.9t/d, TN 발생부하량은 1997년 153.2t/d, 1999년 148.3t/d, TP 발생부하량은 1997년 34.68t/d, 1999년 33.67t/d였으며, BOD 배출부하량은 1997년 114.1t/d, 1999년 112.2t/d, TN 배출부하량은 1997년 68.11t/d, 1999년 69.91t/d, TP 배출부하량은 1997년 6.517t/d, 1999년 6.511t/d였다. 최근년도로올수록생활및산업계의배출부하량이줄고있는것은환경기초시설의확대와배출허용기준및방류수수질기준의강화와관련이있으며, 비점오염원으로알려진토지로부터의비중이증대하고있어, 향후남한강수계의수질관리에비점오염원및축산에대한투자및연구가필수적인요소임을나태내주고있다 [3,4,5,9,15]. 24
<Fig. 2-30> Pollution load at Kangsang of the down South-Han River[3] 25
b. 북한강수계북한강수계중북한강상류구간에는화천천, 인북천및소양댐, 북한강본류일부수역구간등이포함되어있으며, 북한강하류구간에는북한강상류구간을포함하여, 공지천, 가평천, 홍천강, 조종천및북한강본류일부수역구간등이포함되어있다. 오염원중인구현황을보면, 북한강상류구간에서는 1999년 119,195명으로서 10년동안총인구의증감은거의없었으며, 환경기초시설의설치가적어처리인구의비율이 1999년 23% 를나타내고있으며, 북한강하류구간에서는인구가 1990년대비 13% 가증가한 529,460명으로지속적으로증가하는추세를보이나, 하수처리율은 37% 에불과하였다. 산업폐수발생량의경우, 북한강상류구간에서는 1995년에 2,000여톤 / 일, 1997년 4,000여톤 / 일로 2배씩증가한것이외에는변동이적었으며, 배출비율은감소추세이며, 1999년에는배출비율이 56% 이었다. 북한강하류구간에서는증가추세이며, 폐수방류비율이 1997년까지 30% 미만이나, 1998년부터 45% 이상을보여이시기에증가한산업시설은자가처리후방류하는소규모산업시설로판단된다. 가축사육두수변화를보면, 북한강상류구간에서는, 젖소의경우 1997년까지증가하다감소하는경향을보였으며, 1990년 2,169두, 1997년 2,969두, 1999년 2,663두이었고, 한우는년변화가뚜렷하지는않으나 1999년이후로는감소하는경향을보이고있으며, 평균 24,670두로조사되었다. 돼지는사육두수가꾸준히증가추세에있으며, 1990년 27,812두, 1995년 45,718두, 1999년 60,730두로조사되었다. 북한강하류구간에서는, 젖소의경우 1994년을기점으로증감이바뀌었으며, 1990년 16,775두, 1994년 17,339두, 1999년 13,823두로나타났다. 한우의경우 1996년을기점으로증감이 26
바뀌었으며, 1990년 52,884두, 1996년 77,242두, 1995년 108,720두, 1990년 125,699두로조사되었다. 토지이용변화를살펴보면, 북한강상류구간에서는밭과논은 1999년에 1990년보다 14km 2, 3km 2 이감소하여 224km 2, 108km 2 이었고, 목장이 3km 2 이증가하여 9km 2 으로변화하여, 이농을인한경작축소가진행되고있는유역으로판단되며, 북한강하류구간에서는밭과논은 1999년에 1990년보다 18km 2, 7km 2 이감소하여 409km 2, 234km 2 이었고, 대지및목장이 3km 2, 7km 2 이증가하여 72km 2, 22km 2 으로조사되었고, 경작지가주거지및목장용지로변화하였는데, 이는가축사육의증가, 도시화의진행이토지이용변화와직접적인관련이있는것으로파악되었다. 양식장허가면적의경우, 북한강상류구간은 1997년이전에 116,276m 2 에서 1998년 100,701m 2, 2000년에는 44,005m 2 으로축소되었고, 북한강하류구간에서도 1997년이전에 211,961m 2 에서 1998년 164,392m 2, 2000년에는 99,554m 2 으로축소되었다. 이는 1998년이후에는호수등에서의가두리양식장등의신규면허가사실상종료되었고, 기존의면허도연장하지않게됨에따라 1998년이후의양식장면적은허가가완료되는만큼줄어든것이다. 부하량계산결과, 1999년발생부하량중 BOD는축산이 42% 로서가장많은부분을차지하였으며, 다음이생활 26%, 산업 12%, 토지 12% 순이었고, TN은토지 46%, 축산 28%, 생활 21%, 양식 3% 순이었고, TP는축산이 59%, 토지 19%, 생활 13%, 양식 6% 순이었다. 수질과밀접한관련이있는배출부하량의경우 BOD는토지 37%, 생활 24%, 양식 24%, 축산 11% 순이었고, TN는토지 65%, 생활 23%, 축산 6%, 양식 4% 순이었고, TP는토지 47%, 생활 24%, 양식 16%, 축산 8%, 산업계 6% 순이었으며, 오염원별부하량을누적한결과는그림 2-31과같다. 27
BOD 발생부하량은 1997년 129.3t/d, 1999년 121.1t/d, TN 발생부하량은 1997년 45.35t/d, 1999년 43.47t/d, TP 발생부하량은 1997년 7.487t/d, 1999년 6.825t/d였으며, BOD 배출부하량은 1997년 43.67t/d, 1999년 39.06t/d, TN 배출부하량은 1997년 30.84t/d, 1999년 30.86t/d, TP 배출부하량은 1997년 2.921t/d, 1999년 2.736t/d였다. 1996년이후생활계의배출부하량이줄고있는것은환경기초시설의확대와배출허용기준및방류수수질기준의강화와관련이있으며, 비점오염원으로알려진토지로부터의비중이증대하고있어, 향후북한강수계의수질관리에하수처리율의확대와더불어비점오염원에대한투자및연구가필수적인요소임을나타내주고있다 [3,4,9,10,15]. 28
<Fig. 2-31> Pollution load at Sambongli of the down South-Han River[3] 29
c. 팔당호수계팔당호수계에는남한강수계, 북한강수계, 경안천및팔당댐수역구간이포함되어있다. 오염원중인구현황을보면, 1999년 2,388,046명으로서 10년동안총인구는 14% 의신장을보였으며, 1994년및 1997년에환경기초시설의확대로처리인구의비율이각각 20%, 40% 로증가하였다. 최근들어중소규모마을하수도처리시설이증가로처리율이증가하고는있으나, 2000년현재전체적으로는 50% 수준이었다. 산업폐수발생량의경우, 꾸준히증가추세에있으며, 1999년 168,840t/d이고배출비율이 70% 이었다. 대규모산업단지는없으므로, 대부분의산업시설은자가처리후방류하는소규모산업시설로판단된다. 가축사육두수변화를보면, 젖소는상류의영향이누적되어 1997년까지는증가하다이후조금씩감소하는경향을보여주고있으며, 1990년 97,039두, 1997년 114,235두로최대치를보였고, 1999년에는 108,199두로나타났다. 한우는 1996년까지는증가하다이후조금씩감소하는경향을보여주고있으며, 1990년 311,328두, 1996년 459,237두로최대치를보였고, 1999년에는 351,905두로나타났다. 돼지는꾸준히증가하는경향이있으며, 1990년 767,300두, 1995년 1,071,220두, 1999년 1,396,133 두로조사되었다 [3]. 토지이용변화를살펴보면, 1990년에비하여 1999년에는밭과논이 각각 4%, 3% 줄어든 1,541km 2 및 1,217km 2 으로조사되었으며, 대지 면적은 19% 가증가한 295km 2 이었는데, 1990 년대비 1992 년에 2%, 1995 년 3%, 1996 년 5%, 이후매년 3% 대의증가를보였다. 목장용 지도 40% 증가한 96km 2 이었으며, 밭과논의농경지가주거지및 목장용지로변화하였는데, 이는가축사육의증가, 도시화의진행이 30
토지이용변화와직접적인관련이있는것으로판단된다. 양식장허가면적의경우, 1997년이전에 425,976m 2 에서 1998년 339,251m 2, 2000년에는 274,413m 2 으로축소되었다. 이는 1998년이후에는호수등에서의가두리양식장등의신규면허가사실상종료되었고, 기존의면허도연장하지않게됨에따라 1998년이후의양식장면적은허가가완료되는만큼줄어든것이다. 부하량계산결과, 1999년발생부하량중 BOD는축산이 57% 로서가장많은부분을차지하였으며, 다음이생활 20%, 산업 13%, 토지 7% 순이었고, TN은축산 47%, 토지 30%, 생활 20%, 산업 2% 순이었고, TP는축산이 78%, 토지 9%, 생활 9%, 산업 3% 순이었다. 수질과밀접한관련이있는배출부하량의경우 BOD는생활 32%, 토지 30%, 축산 23%, 양식 10% 순이었고, TN는토지 57%, 생활 24%, 축산 15%, 산업 3% 순이었고, TP는토지 41%, 생활 24%, 축산 19%, 산업 10%, 양식 6% 순이었으며, 오염원별부하량을누적한결과는그림 2-32과같다. BOD 발생부하량은 1997년 737.1t/d, 1999년 699.4t/d, TN 발생부하량은 1997년 212.7t/d, 1999년 206.6t/d, TP 발생부하량은 1997년 45.04t/d, 1999년 43.44t/d이었다. BOD 배출부하량은 1997년 172.0t/d, 1999년 166.3t/d, TN 배출부하량은 1997년 106.3t/d, 1999년 108.8t/d, TP 배출부하량은 1997년 10.17t/d, 1999년 10.03t/d였다. 팔당호수계는상류의영향이누적되어인구및축산, 산업등오염원이지속적으로증가하고있으나, 1997년을기점으로증가추세가사라지거나그경향이바뀌고있는것으로조사되었다. 1998년이후인구및대지의증가에도불구하고발생부하량이감소하고있는이유는산업폐수및가축사육두수의감소로기인된 31
것이며, 배출부하량이 1995년이후조금씩감소추세를보이는것은환경기초시설의투자가지속적으로진행되고있기때문으로판단된다. 삭감부하량이증가하여도배출부하량이현저히줄어들지않는것은오염원크기의증가속도에비하여환경기초시설의증설이나신규설치가시기적으로늦게대처되기때문으로파악되었다. 팔당호수계는배출부하량은점오염원인생활계및축산계의배출부하량이상당부분을차지하므로환경기초시설의확대가필수적이며, 비점오염원으로알려진토지로부터의배출부하량도점오염원에버금가게계산되고있으므로, 질소, 인의배출을저감하여호수의부영양화를방지하기위해서는비점오염원에대한투자및연구도병행되어야할것이다 [3,9,10,11,15]. 32
<Fig. 2-32> Pollution load at Paldang Lake[3] 33
d. 한강본류수계한강본류수계에는팔당댐수계와왕숙천및한강본류일부수역구간이포함되어있다. 오염원중인구현황을보면, 1999년 3,978,305명으로서 10년동안총인구는 16% 의신장을보였으며, 1997년에환경기초시설의확충으로처리인구의비율이 59% 로증가하였는데, 팔달호하류의처리인구비율이거의 100% 이지만팔당호상류의처리율이 50% 수준이므로, 전체적인처리인구의비율은아직도낮은편이다. 산업폐수발생량의경우, 꾸준히증가추세에있으며, 1999년 187,082t/d이고배출비율이 72% 이었다. 대규모산업단지는없으므로, 대부분의산업시설은자가처리후방류하는소규모산업시설로판단된다. 가축사육두수변화를보면, 젖소사육두수는상류의영향이누적되어 1996년까지는증가하다이후조금씩감소하는경향을보여주고있으며, 1996년 125,834두로최대치를보였고, 1999년에는 115,823두로나타났다. 한우도 1996년까지는증가하다이후조금씩감소하는경향을보여주고있으며, 1996년 466,851두로최대치를보였고, 1999년에는 356,514 두로나타났다. 돼지는꾸준히증가하는경향이있으며, 1995년 1,109,600두, 1999년 1,430,748두로조사되었다. 토지이용변화를살펴보면, 1990년에비하여 1999년에는밭과논이각각 4%, 4% 줄어든 1,583km 2 및 1,257km 2 으로조사되었으며, 대지는 19% 가 증가한 328km 2 이었는데, 도시의인구집중과더불어급격한증가를 보였다. 목장용지도 43% 증가한 99km 2 이었으며, 밭과논의농경지 가주거지및목장용지로변화하였는데, 이는가축사육의증가, 도시화의진행이토지이용변화와직접적인관련이있는것으로판단된다. 양식장허가면적의경우, 팔당호하류에서잠실수중보사이에는허가기록이없으므로, 팔당호수계의자료와동일하며, 34
1997년이전 425,976m 2, 1998년 339,251m 2, 2000년 274,413m 2 이었다. 부하량계산결과, 1999년발생부하량중 BOD는축산이 50% 로서가장많은부분을차지하였으며, 다음이생활 29%, 산업 12%, 토지 6% 순이었고, TN은축산 42%, 생활 29%, 토지 27%, 산업 2% 순이었고, TP는축산이 73%, 생활 14%, 토지 9%, 산업 3% 순이었다. 수질과밀접한관련이있는배출부하량의경우 BOD는생활 34%, 토지 30%, 축산 22%, 양식 9% 순이었고, TN는토지 54%, 생활 27%, 축산 14%, 산업 3% 순이었고, TP는토지 39%, 생활 27%, 축산 19%, 산업 10%, 양식 6% 순이었으며, 오염원별부하량을누적한결과는그림 2-33과같다. BOD 발생부하량은 1997년 858.9t/d, 1999년 818.7t/d, TN 발생부하량은 1997년 245.7t/d, 1999년 239.2t/d, TP 발생부하량은 1997년 49.03t/d, 1999년 47.18t/d였으며, BOD 배출부하량은 1997년 181.6t/d, 1999년 179.0t/d, TN 배출부하량은 1997년 111.6t/d, 1999년 117.5t/d, TP 배출부하량은 1997년 10.76t/d, 1999년 10.86t/d였다 [3,4,9,10,11,15]. 한강본류수계는팔당호수계와마찬가지로상류의영향이누적되어인구및축산, 산업등오염원이지속적으로증가하고있으나, 1997년을기점으로증가추세가사라지거나그경향이바뀌고있는것으로조사되었다. 1998년이후인구및대지의증가에도불구하고발생부하량이감소하고있는이유는산업폐수및가축사육두수의감소로기인된것이며, 배출부하량이 1995년이후조금씩감소추세를보이는것은환경기초시설의투자가지속적으로진행되고있기때문으로판단된다. 삭감부하량이증가하여도배출부하량이현저히줄어들지않는 35
것은오염원크기의증가속도에비하여환경기초시설의증설이나신규설치가시기적으로늦게대처되기때문으로파악되었다. 한강본류수계는팔당호수계에왕숙천및한강본류일부수역구간이합류한것이므로배출부하량은팔당호수계와마찬가지로점오염원인생활계및축산계의배출부하량이상당부분을차지하므로환경기초시설의확대가필수적이며, 비점오염원으로알려진토지로부터의배출부하량도점오염원에버금가게계산되고있으므로, 비점오염원에대한투자및연구도병행되어야할것이다. 또한팔당호하류와잠실수중보사이에서의상수도취수량이점차증가하고있어한강본류수역구간및왕숙천의관리가중요해지고있다 [3]. 36
<Fig. 2-33> Pollution load at Jamsil of the main stream of the Han River[3] 37
2-2. 정수처리 2-2-1 정수처리계통도 PAC, 응집제투여 오존처리시설 <Fig. 2-34> Distribution diagram of water treatment system 38
2-2-2 응집의원리수중의불순물중 1μm로부터 1nm정도크기의콜로이드성분을그대로직접처리하는일반적인방법은없다. 그럼에도불구하고정수장에서제거해야하는주된성분들을예로들면탁도 (1μm전후의크기 ), 천연착색성분 (1nm의크기 ), 바이러스 ( 수십nm의크기 ), 세균류 (0.1μm ~1μm의크기 ), 조류 (1μm ~ 수십μm의크기 ) 등은대부분이콜로이드크기의영역에해당한다. 수중에있는콜로이드는그표면에전하를띠고있다. 전술한자연수중에서제거되어야할여러가지콜로이드성분은보통 (-) 전화를띠고있다. 콜로이드입자는상호의 (-) 전하때문에 2개의입자가접근하여도서로반발하면서안정된분산상태로수중에존재하게된다. 또수중에있는모든성분은많고적음에차이는있으나물분자를그표면에부착시키고있다. 이러한현상을수화 ( 水和 ) 라고한다. 물분자와의친화성이특히강한콜로이드를친수성콜로이드라부른다. 친수성이강한콜로이드는상호결합하려고해도표면수층에의해충분한결합력을발휘할수없다. 이와같이표면의같은부호의전하와수화에의해수중의코로이드입자는안정한분산상태를유지한다 [16]. 이러한콜로이드의안정상태를와해시켜상호접촉하고결집되도록하는조작이응집조작이다. 즉콜로이드의불안정화조작이다. 이를위해콜로이드입자와반대의전하를가진이온등의미립자를처리대상의물에투여한다. 이것을응집제라고부르며, 첫번째역할은수중에콜로이드와반대의전하를가진입자를발생시켜그전하에의해서응집대상입자표면의전하를중화하는것이다. 일반적으로광범위하게사용되고있는응집제는알루미늄 (Al) 과철 (Fe) 염이다. 이러한금속염을물에투여하면 39
가수분해되어일반적인 ph 범위에서 (+) 전하를가진미립자가발생한다. 콜로이드표면의전기적성질을표시하는데제타 (zeta) 전위라고하는지표가이용된다. 응집을촉진시키기위해서는제타전위를 0부근 ( 등전점즉, 0 제타전위 ) 으로하면좋다. 이값이 (+) 또는 (-) 로서크면입자상호간의전기적반발력이크게된다. 실제로 ±10mV 정도의범위 (+10mV ~ -10mV의사이 ) 가되도록전하를중화하면반데르발스력에의한결합이가능하게된다.( 그림 2-35) 그러나실제침전지에서제거가능한크기까지콜로이드입자를결집 ( 예 500~1,000μm ) 시키고자한다면적당한강도의교반에의해응집입자상호간의반복적인충돌을유도하여큰결집체로만들필요가있다. 이것을플록형성 (flocculation) 이라고한다 [16]. <Fig. 2-35> Range of colloid cohesion[17] 이와같은플록형성과정에서의계속된교반을견디면서플록이 성장하기위해서는반데르발스력에의한결합력만으로는 불충분하다. 따라서입자상호의결합을보강하기위한물질이 40
필요하게된다. 이보강은고분자의성분이콜로이드입자쌍방에흡착되어상호간다리를놓는것과같은효과에의해달성된다. 응집제가갖추어야할제2의역할이이러한가교작용이다. 따라서응집제는필요충분한크기를가진폴리머 ( 고분자 ) 이지않으면안된다. 알루미늄, 철등의응집제는하전중하기능과함께가교작용의기능을지니고있다. 또이러한기능이약할때는플록형성보조제를사용해서보강한다.( 그림 2-36) 응집제를과량으로투입하면 (-) 하전의표면이외관상 (+) 하전의입자와같이변화한다. 이와같은현상을하전의역전이라한다. 하전이역전하여 (+) 의콜로이드입자로변하면콜로이드입자는다시상호간에반발하고, 재차수중에분산한다. 일반적으로이러한상태가되면침전지에하얀탁도물질의부유현상이관찰된다. 이것을재분산 ( 재안정화 ) 현상이라한다. 투여한보조제가활성규산과같은 (-) 콜로이드 ( 음이온 ) 의경우에는 (+) 하전의응집제폴리머가규산에부착하고, ( 그림 2-37) 와같이접합용실과같은작용을하여결합력을강화시킨다고사료된다 [16]. <Fig. 2-36> Cross-cohesion by a high polymer coagulant (Cation)[16] 41
<Fig. 2-37> Reinforcement of floc by an anion cohesion supplement[16] 42
3. 실험방법 3-1. PAC 염기도 55% 합성방법 (PAC 55) 35% 의염산 (HCl)6kg과탄산나트륨 (Na 2 CO 3 )0.5kg을혼합한후, 생성된탄산가스 (CO 2 ) 를제거하고 HCl + Na 2 CO 3 Na 2 + Cl(OH) + CO 2 의반응에의해저염기성 (OH) 의수산염나트륨 [Na 2 + Cl(OH)] 을형성하도록한다. 여기에수산염나트륨 [Na 2 + Cl(OH)] 에수산화알루미늄 [Al(OH) 3 ] 3kg을투입하고 150 ~ 200 의온도로 8 ~ 12시간동안고온고압으로반응시킨후물 7.5kg을희석시켜염기도55% 이고 10% 의산화알루미늄 (Al 2 O 3 ) 을함유하는폴리염화알루미늄 17kg을얻을수있다. 3-2. 실험재료및방법 3-2-1. 응집제 - PAC (Polyaluminum Chloride) (PAC 1 종 ) - PAC 55 <TABLE 3-2> The characteristics of each coagulants 구분 PAC 1종 PAC 55 비중 (20 ) 1.230 1.260 Al 2 O 3 (%) 10.5 10.5 Basicity(%) 45.0 55.0 43
3-2-2. 원수 본실험에서사용된원수는공촌정수장으로유입되는원수를 사용하였다 3-2-3. 장치및기구 쟈테스터 탁도계 ph 측정기 모델 Chang shin사 C-JT HACH사 2100N HANNA사 ph213 3-2-4. 시약 - ph 조정제 : H 2 SO 4, NaOH 3-2-5. 탁도측정 침전후처리수의상등액을채취하여탁도계 ( HACH 2100N ) 로 탁도를측정한다. 44
3-2-6. ph 측정 침전후처리수의상등액을채취하여 ph Meter( HANNA ph213 ) 로 ph 를측정한다. 3-2-7. 알칼리도측정 측정수를 50mL 로샘플해서교반시키며 ph meter 를이용하여 ph 가 4.5 가될때까지 H 2 SO 4 (0.02M) 을떨어뜨린다. Alkalinity mg/l as CaCO 3 = A N 50,000 시료 (ml) A : 소비된 H 2 SO 4 의부피 (ml) B : H 2 SO 4 normal 농도 ( 여기서는 0.02N) 3-2-8. 원수의 ph 조정 H 2 SO 4 과 NaOH로원수의 ph를 4.0, 9.0으로적정한다. 0.1M 농도의 H 2 SO 4 와 NaOH을주사기를이용하여각원수에 jar에한방울씩떨어뜨리며 ph meter를사용하여조정한다. 조정된원수에탁도를측정하고 jar-test를실시한다. 45
3-2-9. JAR TEST 방법 모든실험은원수를 1L 씩넣은비이커를 jar-tester 와 jar 를 이용하여대상약품의주입량을변화시키면서다음의순서와같은 일반적인방법에의해수행하였다. 급속혼합 120rpm : 60 초 급속혼합 60rpm : 완속혼합 20rpm : 5 분 5 분 침전 0rpm : 10 분 46
4. 결과및고찰 4-1. PAC1 종과 PAC55 응집제약품투입별탁도제거 변화실험 본실험은일반적으로사용되고있는응집제인 PAC와그리고새로개발된 PAC55 2가지의응집제에대하여각각 jar-test를실시하였다. 이때의원수의 ph나알칼리도는사전조정하지않은상태에서단지응집제의양만변화시킨것이다. 일반적으로응집제의주입량은 Al 2 O 3 농도, Al농도로표현할수있으며우리나라에서는 Al 2 O 3 농도를많이사용하므로본실험에서도 Al 2 O 3 농도로통일하여사용하겠다. 4-1-1 원수성상 탁도 (NTU) ph 알칼리도 (mg/l) 7.5 7.18 32.5 4-1-2 PAC1 종응집제주입 <TABLE 4-3> The jar-test result of turbidity change by injection of PAC 1 주입률 (ppm) 10 12 14 16 18 20 잔류탁도 (NTU) 3.83 3.05 2.52 1.78 1.60 1.24 탁도제거율 (%) 48.93 59.33 66.40 76.27 78.67 83.47 47
주입률 (ppm) 22 24 26 28 30 32 잔류탁도 (NTU) 1.17 0.964 0.907 0.876 0.705 0.684 탁도제거율 (%) 84.40 87.15 87.91 88.32 90.60 90.88 4-1-3 PAC 55 응집제주입 <TABLE 4-4> The jar-test result of turbidity change by injection of PAC 55 주입률 (ppm) 10 12 14 16 18 20 잔류탁도 (NTU) 3.25 2.28 1.42 1.35 0.954 0.846 탁도제거율 (%) 56.67 69.60 81.07 82.00 87.28 88.72 주입률 (ppm) 22 24 26 28 30 32 잔류탁도 (NTU) 0.835 0.802 0.774 0.720 0.660 0.601 탁도제거율 (%) 88.87 89.31 89.68 90.40 91.20 91.99 PAC 55의경우주입량이 14ppm as Al 2 O 3 에서잔류탁도가 1.42NTU로탁도제거효과는 81.07% 를제거했다. PAC 1종의경우동일한 14ppm as Al 2 O 3 에서잔류탁도가 2.52NTU로탁도제거효과는 66.40% 를제거했다. 여기서 PAC 55의경우 14ppm as Al 2 O 3 에서 80% 이상의높은탁도제거효율을나타내었고 PAC 1종의경우 20ppm as Al 2 O 3 에서 80% 이상의높은탁도제거효율을나타내었다. 48
Turbidity removal efficiency(%) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1.PAC 1 종 2.PAC 55 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Coagulant dosage (ppm) <Fig. 4-38> The turbidity removal change by PAC 1 and PAC 55 (PAC 1 종 16ppm as Al 2 O 3 ) (PAC 55 16ppm as Al 2 O 3 ) <Fig. 4-39> Formation of floc by injection of coagulants 49
(PAC 1 종 16ppm as Al 2 O 3 ) (PAC 55 16ppm as Al 2 O 3 ) <Fig. 4-40> Comparison of sedimentation by cohesion of coagulants 4-2. PAC 1 종과 PAC 55 응집제약품투입별 ph 변화실험 이실험은원수에 PAC 1 종과 PAC 55 를 10,12,14,16,18,20ppm as Al 2 O 3 을투입하여 ph 변화를알아보았다. 4-2-1 원수성상 탁도 (NTU) ph 알칼리도 (mg/l) 7.5 7.18 32.5 50
4-2-2 PAC 1 종응집제주입 <TABLE 4-5> The jar-test result of ph change by injection of PAC 1 주입률 (ppm) 10 12 14 16 18 20 ph 7.11 7.09 7.07 7.04 7.03 7.01 주입률 (ppm) 22 24 26 28 30 32 ph 6.99 6.98 6.97 6.92 6.88 6.85 4-2-3 PAC 55 응집제주입 <TABLE 4-6> The jar-test result of ph change by injection of PAC 55 주입률 (ppm) 10 12 14 16 18 20 ph 7.14 7.12 7.10 7.06 7.05 7.04 주입률 (ppm) 22 24 26 28 30 32 ph 7.01 7.00 6.99 6.93 6.90 6.87 ph 변화실험에서는 PAC 1 종이 PAC 55 보다 ph 하강이큰것으로 나타났다. 51
ph 7.2 7.2 7.1 7.1 7.0 7.0 6.9 6.9 6.8 1.PAC 1종 2.PAC 55 10 15 20 25 30 Coagulant dosage (ppm) <Fig. 4-41> The ph change by PAC 1 and PAC 55 4-3. PAC1 종과 PAC55 응집제약품투입별알칼리도 변화실험 이실험은원수에 PAC 1 종과 PAC 55 를 10,12,14,16,18,20ppm as Al 2 O 3 을투입하여알칼리도변화를알아보았다. 4-3-1 원수성상 탁도 (NTU) ph 알칼리도 (mg/l) 7.5 7.18 32.5 52
4-3-2 PAC 1 종응집제주입 <TABLE 4-7> The jar-test result of alkalinity change by injection of PAC 1 주입률 (ppm) 10 12 14 16 18 20 알칼리도 (mg/l) 30 30 30 29 29 29 주입률 (ppm) 22 24 26 28 30 32 알칼리도 (mg/l) 28 27 27 26 25 25 4-3-3 PAC 55 응집제주입 <TABLE 4-8> The jar-test result of alkalinity change by injection of PAC 55 주입률 (ppm) 10 12 14 16 18 20 알칼리도 (mg/l) 31 31 31 30 30 29 주입률 (ppm) 22 24 26 28 30 32 알칼리도 (mg/l) 28 28 27 27 26 26 알칼리도변화실험에서는 PAC 1 종과 PAC 55 가유사하게 저감되었으나 PAC 55 의염기도가높은응집제가 ph 하강이낮은 결과를나타냈다. 53
32 Alkalinity change (ppm) 30 28 26 24 1.PAC 1 종 2.PAC 55 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 Coagulant dos age (ppm) <Fig. 4-42> The alkalinity change by PAC 1 and PAC 55 4-4. PAC1 종와 PAC55 응집제 ph 변화에따른 탁도제거변화실험 이실험은 4-1. PAC 1종과 PAC 55 응집제약품투입별탁도제거변화실험을참고하여적정주입률을선정하고원수의 ph를 4.0과 9.0으로조정하여응집제투입후탁도제거변화를실험한다. ph의조정은 0.1M 농도의 H 2 SO 4, NaOH를이용하여조정한다. 54
4-4-1 원수성상 (ph4) 탁도 (NTU) ph 7.5 4.0 4-4-2 ph4 산성에서 PAC 1 종, PAC 55 응집제주입 <TABLE 4-9> The turbidity removal change by injection of each coagulants at ph 4 PAC 1종 PAC 55 주입률 (ppm) 14 16 18 14 16 18 잔류탁도 (NTU) 2.78 1.95 1.74 1.66 1.54 1.14 탁도제거율 (%) 63.52 74.41 76.8 78.22 79.79 85.04 원수의 ph4의산성에서 PAC 55는 PAC 1종보다플럭이크고침강속도가빠르고탁도제거율도높은것을알수있었다. PAC 1종은 14ppm as Al 2 O 3 탁도제거율이 63.52% 를나타내었고, PAC 55는 14ppm as Al 2 O 3 탁도제거율이 78.22% 를나타냈다. 55
100 Turbidity removal efficiency (%) 90 80 70 60 50 40 1.PAC 1종 2.PAC 55 14 16 18 Coagulant dosage (ppm) <Fig. 4-43> The change of turbidity by injection of each coagulants at ph 4 (PAC 1 종 16ppm as Al 2 O 3 ) (PAC 55 16ppm as Al 2 O 3 ) <Fig. 4-44> Comparison of floc by cohesion of each coagulant at ph 4 56
4-4-3 원수성상 탁도 (NTU) ph 7.5 9.0 4-4-4 ph9 알칼리에서 PAC 1 종, PAC55 응집제주입 <TABLE 4-10> The turbidity removal change by injection of each coagulants at ph 9 PAC 1종 PAC 55 주입률 (ppm) 14 16 18 14 16 18 잔류탁도 (NTU) 2.57 1.85 1.67 1.44 1.38 0.96 탁도제거율 (%) 66.14 75.63 78.00 81.03 81.82 87.40 원수의 ph9의알칼리에서 PAC 55는 PAC 1종보다플럭이크고침강속도가빠르고탁도제거율도높은것을알수있었다. PAC 1종은 14ppm as Al 2 O 3 탁도제거율이 66.14% 를나타내었고, PAC 55는 14ppm as Al 2 O 3 81.03% 의높은탁도제거율을나타냈다. 57
Turbidity removal efficiency (%) 100 90 80 70 60 50 40 1.PAC 1종 2.PAC 55 14 16 18 Coagulant dosage (ppm) <Fig. 4-45> The change of turbidity by injection of each coagulants at ph 9 (PAC 1 종 16ppm as Al 2 O 3 ) (PAC 55 16ppm as Al 2 O 3 ) <Fig. 4-46> Comparison of floc by cohesion of each coagulants at ph 9 58
4-5. PAC1 종과 PAC55 응집제과량투입시응집별 탁도변화실험 이실험은 PAC 1 종과 PAC 55 응집제 20, 30, 40, 50ppm as Al 2 O 3 과량을주입하여탁도제거효율을알아보고자한다. 4-5-1 원수성상 탁도 (NTU) ph 알카리도 (mg/l) 7.5 7.18 32.5 4-5-2 PAC1 종과 PAC55 응집제주입 <TABLE 4-11> The turbidity removal change by over injection of each coagulants PAC 1 종 PAC 55 주입률 (ppm) 20 30 40 50 20 30 40 50 잔류탁도 (NTU) 1.240 0.705 0.523 0.463 0.846 0.660 0.439 0.437 탁도제거율 (%) 83.47 90.60 93.03 93.83 88.72 91.20 94.15 94.17 PAC 1종을 50ppm as Al 2 O 3 과량투입시 93.83% 의탁도제거율을나타내었고 PAC 55의경우 50ppm as Al 2 O 3 과량투입시 94.17% 의탁도제거율을보였다. 과량주입실험결과 PAC 55가 PAC 1종보다탁도제거효율이좋은것을알수있었다. 59
100 Turbidity removal efficiency (%) 95 90 85 80 20 25 30 35 40 45 50 Coagulant dosage (ppm) 1.PAC 1 종 2.PAC55 <Fig. 4-47> The turbidity removal change by over injection of each coagulants (PAC 1 종 50ppm as Al 2 O 3 ) (PAC 55 50ppm as Al 2 O 3 ) <Fig. 4-48> Comparison of floc by over injection of each coagulants 60
5. 결론 1, PAC 1종과 PAC 55 응집제약품투입별탁도제거실험결과 PAC 1종은 20ppm as Al 2 O 3 에서 80% 이상의탁도제거효율을보였고, PAC 55는 14ppm as Al 2 O 3 에서 80% 이상의탁도제거효율을나타냈다. 탁도제거효율을 80% 이상제거시킬경우 PAC 1종보다염기도가높은 PAC 55 응집제가약품주입이 20~30% 적게주입됨을알수있었다. 2, PAC 1 종과 PAC 55 응집제약품투입별 ph 변화실험결과 염기도가높은 PAC 55 가 ph 하강이낮은것을알수있었다. 3, PAC 1종과 PAC 55 응집제약품투입별알칼리도변화실험결과염기도가높은 PAC 55가알칼리도하강이낮은것을알수있었다. 응집보조제사용시 PAC 55는 PAC 1종보다알칼리도저하가적어적게사용할수있어경제적이다. 4, PAC 1종과 PAC 55 응집제 ph 변화에따른탁도제거실험결과원수의 ph4 산성에서 PAC 1종은 14ppm as Al 2 O 3 탁도제거율이 63.52% 를나타내었고, PAC 55는 14ppm as Al 2 O 3 탁도제거율이 78.22% 로높게제거됨을알수있었다. 61
원수의 ph9 알칼리에서 PAC 1종은 14ppm as Al 2 O 3 탁도제거율이 66.14% 를나타내었고, PAC 55는 14ppm as Al 2 O 3 탁도제거율이 81.03% 의높은탁도제거율을나타내었다. 원수의 ph 변화산, 알칼리실험결과 PAC 1종보다 PAC 55가플럭도크고침강속도도빠르고탁도제거효율도높은것을알수있었다. 5, PAC 1종과 PAC 55 응집제과량투입시응집별탁도변화실험결과 PAC 1종은 50ppm as Al 2 O 3 과량투입시 93.83% 의탁도제거율을나타내었고, PAC 55의경우 50ppm as Al 2 O 3 과량투입시 94.17% 의탁도제거율을보였다. PAC 1종과 PAC 55 응집제과량주입실험결과 PAC 55가 PAC 1종보다탁도제거효율이좋은것을알수있었다. 결과적으로염기도가높은 PAC 55 응집제는 PAC 1종보다는 ph 변화폭이완만하고탁도제거율이우수하며, 응집력이우수하여플럭의크기도좋을뿐아니라침강속도가빠른우수한응집제로 PAC 1종대비약품투입량의감소에따른비용절감의특징을가진응집제이다. 62
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감사의글 어느덧길게만느껴졌던 2년이란대학원생활이벌써막바지에이르렀습니다. 신입생때의설레임이아직도선명한데정든이곳을떠나려니아쉬움이밀려옵니다. 먼저, 부족한저에게세심한관심으로논문연구의결실을맺도록이끌어주신백성현지도교수님께깊은감사드립니다. 그리고대학원생활동안많은가르침을주신장윤호교수님, 안화승교수님, 박동화교수님, 진명종교수님, 탁용석교수님, 정지원교수님, 심상은교수님, 김상한박사님께감사드립니다. 본논문연구에도움을아끼지않았던최용호선생님, 성미진선생님, 최성훈선생님, 박호만선생님, 이우주선생님, 오태헌선생님에게도고마운마음을전합니다. 늘소중한만남으로간직해나가겠습니다. 저에게는항상고마운은사님이신황인국교수님께이자리를빌어감사드립니다. 특히, 직장내에서제가학업을마칠수있도록이해와배려를해주신박제천사장님과박윤철전무님과선 후배님께고개숙여감사드립니다. 끝으로, 사랑하는가족에게미안함과고마움을보냅니다. 2007 년 12 월이동석 65