총인 처리시 원수특성에 따른 응집제 주입방법의 최적화 연구 = A Study on Coagulant-dosing Optimization Depending on Wastewater Characteristics in Phosphorus Removal

국문 초록 (Abstract)

국내의 하수처리시설은 총인을 제거하기 위해 생물학적 고도처리에 의존해 왔다. 그러나 2012년부터 지역구분에 따라 강화되는 총인의 수질기준을 만족하기 위해서는 화학물질을 이용한 추가적인 인 처리시설을 적용할 필요성이 대두되었다. 현재 국내 대부분의 하수처리시설에서는 황산알루미늄(Aluminium Sulfate, Alum)이나 폴리염화알루미늄(Poly Aluminum Chloride, PAC)과 같은 알루미늄계 응집제를 사용하고 있다. 이러한 알루미늄계 응집제는 인산염인 뿐만 아니라 수중의 유기물, OH-와 결합하여 응집제의 실제 사용량이 더 많은 것으로 알려져 있으며, 응집제의 과다한 사용은 알루미늄 성분의 높은 잔류성으로 인한 문제, 비용의 증가, 비침전성 floc과 폐슬러지의 과도한 발생 등 다양한 문제를 유발한다.
따라서 본 연구에서는 응집제의 최적 주입조건 평가를 위하여 현재 국내에서 운영되고 있는 하수처리시설의 생물학적 처리수를 이용하여 서로 다른 농도의 Alum(as Al2O3 7%)과 PAC(as Al2O3 17%)주입을 통해 Jar-Test 및 Pilot-Test를 진행 하였으며, 연구를 통해 도출된 결과를 바탕으로 응집효율 및 침전성을 비교․평가하여 각 원수 수질특성별 최적화된 반응조건을 제시하였다.
그 결과 동일한 응집제의 경우에는 몰비와 비례하여 응집효율이 높은 것으로 나타났으며, 용존성 비율이 높은 A하수처리시설의 경우 Alum이, 입자성 비율이 높은 B하수처리시설의 경우 PAC이 높은 처리효율을 나타내었다.
응집효율을 높이기 위해 Alum과 PAC응집제의 혼합주입 및 침전시간 감소를 위한 마이크로샌드 3.5mg/L와 폴리머 1mg/L의 혼합주입 등의 조건으로 추가 실험을 진행하였으며, 그 결과 단일 응집제 주입에 비해서 Alum과 PAC를 혼합 주입하는 경우 제거효율이 10～20% 향상되어 혼합주입의 적정성을 확인하였다.
또한, 마이크로샌드와 폴리머 등의 응집보조제를 주입하는 것은 미주입에 비해 플럭 형성을 양호하게 하여 침전시간을 단축시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
한편, 경제성을 고려한 지표로 EI값을 제시하였으며, EI값은 T-P 1g을 제거하기 위한 처리비용으로 산출하였다. Pilot-Test 결과 EI값은 응집제 단독주입시 10.5원/Prevg, 혼합주입시 9.8원/Prevg으로 혼합주입이 6.7% 경제적인 것으로 산정되었다.
앞서 실험한 결과에 대한 검증을 위해 Pilot-Test를 수행한 결과 Jar-Test 결과와 동일하게 응집제 혼합주입이 처리효율 및 경제성이 우수함을 재확인 하였다.
본 연구에서는 현재 국내에서 운영 중인 하수처리시설의 생물학적 처리수를 대상으로 최적화된 응집제 주입방법 및 주입률, 응집보조제 주입 효과를 실험을 통해 도출하였으며, 이와 같은 연구결과가 총인 방류수수질기준 강화에 따른 하수처리시설의 효율적인 운영에 도움이 될 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Domestic wastewater treatment plants have been depending on biological treatment mechanism to remove total phosphorus. However, supplementary phosphorus treatment facility using chemical addition should be required almost all of WWTPs to meet enhanced total phosphorus effluent standards.
Nowadays most of WWTPs in Korea was using Al-coagulant that aluminum sulfate(Alum) or poly aluminum chloride(PAC). Al-coagulant is combined not only phosphate but organic, OH- to produce unsoluble sludge therefore Al-coagulant addition should be more required. Dosing of non-optimal coagulant makes several problems that residual aluminum, increasing chemical cost, producing non-precipitation floc and substantial amount of additional sludge.
This study conducted Jar-Test and Pilot-Test using WWTPs effluents for optimal coagulants addition and producing precipitable floc to removal phosphorus by different amount of coagulant dosing.
In case of same coagulant increased coagulation efficiency in proportion to coagulant addition mole ratio, amount of coagulant dosing is optimized 4mole ratio.
Additionally, this study conducted Alum and PAC co-dosing test and microsand and polymer co-dosing test. As a result, in case of Alum and PAC co-dosing increased coagulation efficiency in proportion to single coagulant addition, and dosing coagulant aids such as microsand and polymer increased settling performance.
The value of EI is for fulfilling both economic effects and efficiencies simultaneously by factorial design. It is computed by multiplying the removed concentration of T-P by the cost of coagulant usage. As a result the mixture injection of 1 mol of Alum with 2 mol of PAC is figured out.
This study suggests optimal coagulant type and amount of dose through Jar-Test and Pilot-Test of already operated WWTPs secondary clarifier effluents. This result contributes to efficient operation of WWTPs by enhanced total phosphorus effluent standards.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.2 연구내용 및 범위 3
• 2. 이론적 배경 4
• 2.1 하수처리시설의 인 제거 원리 4
• 2.1.1 생물학적 인 제거 4
• 2.1.2 화학적 인 제거 6
• 2.2 총인처리시설 공법 사례 24
• 2.2.1 고속응집침전 처리시설의 특성 24
• 2.2.2 고속응집침전 처리시설의 종류 24
• 3. 실험재료 및 방법 28
• 3.1 대상시료 및 시약 28
• 3.1.1 대상시료 28
• 3.1.2 시약 29
• 3.2 실험방법 29
• 3.2.1 Jar-Test 29
• 3.2.2 응집제 및 응집보조제 주입률 30
• 3.2.3 Pilot-Test 33
• 3.2.4 분석방법 34
• 4. 결과 및 고찰 35
• 4.1 응집제 주입률 산정 실험 35
• 4.1.1 A하수처리시설 35
• 4.1.2 B하수처리시설 49
• 4.2 응집보조제 주입여부에 따른 침전성 실험 62
• 4.2.1 응집보조제 주입여부에 따른 플럭형성 실험 63
• 4.2.2 응집보조제 주입에 따른 침전성 실험 64
• 4.2.3 응집보조제 주입여부에 따른 침전성 실험 65
• 4.3 경제성을 고려한 응집제 주입률 산정 66
• 4.3.1 경제성을 고려한 응집제 주입률 산정 방법론 66
• 4.3.2 경제성을 고려한 응집제 주입률 산정 68
• 4.4 하수처리시설별 응집제 주입률 비교∙검토 76
• 4.4.1 응집조건별 처리효율 76
• 4.4.2 응집조건별 경제성 평가 83
• 4.5 Pilot-Test를 통한 혼합주입의 타당성 검증 86
• 4.5.1 처리특성 평가 86
• 4.5.2 경제성 평가 92
• 5. 결론 95
• 참고문헌 98
• ABSTRACT 102