상수처리에 있어 가압공기부상법을 이용한 조류(Algae)제거에 관한 연구

Abstract

[한글]

우리나라는 현재 상수원의 40%정도를 댐을 포함한 호소수로 이용하고 있으며, 호소수를 취수원으로 이용하고 있는 정수장의 경우 맛의 변질과 냄새 발생, 처리효율의 감소 등의 문제가 나타나고 있다(건설부, 1990). 이러한 문제는 인, 질소 등의 상수원으로 사용하는 호소로 유입됨으로써 발생하는 부영양화로 인한 조류의 과잉성장에 의하여 발생하는 것으로 정수처리장에서 다음과 같은 몇 가지 문제를 일으키고 있다. 첫째, 조류의 대사 산물인 geosmin과 2-MIB(2-Methylisoborneol)등의 물질이 수돗물에서의 맛과 냄새 등의 심미적인 문제(건설부, 1990; AWWA, 1990)와 둘째, 조류가 고유하게 지니는 기름성분 등으로 일반적인 처리공정인 모래여과지의 막힘을 유발하여 여과조의 운전시간을 단축시키며(조용모, 1990), 셋째, 염소소독시 발암물질인 trihalomethanes와 choloroacetic acid 같은 부산물 발생을 야기한다(Edzwald, 1993; Chung, 1994).

그러나 조류를 포함한 NVTOC(Non Volatile Total Organic Carbon)등은 염소소독시 THMs(trihalomethanes)을 생성시키며 전구물질의 일종인 humic substance의 생성능 보다 직접적인 영향을 주며, 또한 이들을 제거하여 THMs를 감소시켰다고 보고된 바 있다(권숙표,1983). 따라서 안전한 상수공급을 위해서는 조류의 제거가 필수적이라고 할 수 있다. 그런데 음용수의 질에 영향을 주는 조류는 일반적으로 침전 및 여과에 의존하고 있는 기존 정수처리공정으로 완전히 처리가 어려운 것으로 분석된 바 있다 (한국건설기술연구원, 1995). 따라서 근래에 안전한 상수를 제공하기 위한 질소, 인, 및 미량 오염발생물질 제거방법으로 고도정수처리기술의 도입이 필요하게 되었다(이상은, 1992)

한편, 최근 들어 기존 정수처리공정을 통한 조류제거의 어려움을 해결하기 위해 여러나라에서 가압공기부상법을 이용하려는 노력이 이루어지고 있다(Gehr, 1993; Edzwald, 1993; Richard, 1993; Wilson, 1993; Benoufella, 1994; Eades, 1995; Johnson, 1995). 이 방법은 표면전하의 반발작용과 세포표면의 친수성 때문에 침강법으로는 제거가 어려운 조류를비롯하여 자연적인 색도 및 부유물질 등의 제거에 효과적인 방법으로 알려져 왔으며(Hyde, 1975; Edzwald and , 1991; Edzwald, 1993). 그리고 처리시간이 30ns 이내로 기존의 침전방식이 2∼4시간인 점과 비교하여 볼 때, 훨씬 짧은 시간에 처리가 가능하며 이에 따라 처리장의 면적이 적게 드는 장점이 있다(Zerox, 1993).

따라서 본 연구는 기존 정수처리공정의 응집·침전 공정상 조류제거의 문제점의 해결 방안 및 대안으로 가압공기부상법의 적용 방안을 조사하고자 실시하였다. 실험재료로 빈영양의 하천수와 부영양화된 호소수(chlorophyll a 20㎎/㎥)를 사용하였으며, 또한 맛과 냄새를 일으키고 색도 유발물질이며, 부유성이 강한 조류종이며, 녹조류 일종인 Chlamydomonas속에 포함되며 최대 크기가 3㎛(Bold, 1978)정도로 비교적 작은 일부 조류종을 첨가한 합성수(chlorophyll a 80㎎/㎥)를 사용하였다. 그리고 대상실험재료에 대하여 가압부상 및 침전 전후의 탁도와 chlorophyll afmf 측정함으로써 조류 제거에 적합한 응집특성 분석, 가압공기부상법의 조건을 도출하였다.

대상원수별 응집특성 실험에서 응집제로 PAC(Poly Aluminum Chloride)을 사용하였으며,응집제 투여량, 응집강도, 응집시간 등을 조사하였고, 가압조 압력과 반송량에 따른 처리효율을 비교하여 가압공기부상의 적정 운전조건을 검토하였다. 또한 침전과의 처리효율의비교를 응집·침전의 효율과 부상과의 효율을 비교하였고, 실험장치는 회분식과 연속흐름을 사용하였다.

본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

첫째, 원수특성에 따른 응집제 투여량 실험결과 하천수 및 호소수, Chlamydomonas를 투여한 합성수에 대하여 부상실험의 경우 원수의 특성에 관계없이 PAC의 주입농도가 약 3.0㎎ as Al₂O₃/L 이상에서는 제거효율의 증가율이 둔화되어 포화되는 경향을 나타내었다.

합성수의 chlorophyll a의 응집제 농도별 제거효율은 시험조건하에서 부상의 경우 PAC 3.0 ㎎ as Al₂O₃/L 이상일 경우 97%이상이 제거되는 것으로 나타나 침전의 경우 약 80%와 비교하여 월등히 제거효율이 높았다.

둘째, 원수 특성에 따른 적합한 응집강도와 응집시간을 조사한 결과 탁도제거에 있어서 하천수에서는 응집강도가 20sec-1,30sec-1일 경우 응집시간이 5분 이상될 경우 처리효율이 95%이상으로 나타났다. 호소수의 chlorophyll a 제거의 경우는 응집강도가 약한 경우(G:10 sec-1,20sec-2)응집 시간이 5분일 경우 효율이 98%정도로 나타났으며, 응집강도가 큰 경우(G:30sec-1, 45sec-1)는 동일한 처리효율이 나타나기 위해서는 응집시간이 15분 정도 소요되는 것으로 나타났다. 합성수의 chlorophyll a의 처리효율은 침전보다 부상에서 높은 처리효율을 보이고 있으며, 부상 실험에서 Chlamydomonas 세포수를 측정한 결과 원수 1.7×10cell/ml의 세포수가 98%이상 감소되었다. 이상의 결과는 조류제거에 효율적인 응집시간과 강도와의 관계에 있어서 응집강도가 약한 경우 짧은 시간의 응집시간이, 응집강도가 강한 경우 긴 시간의 응집시간이 필요하다는 것을 의미한다.

셋째, 가압부상조건의 압력과 반송비에 따른 처리효율에 있어서 탁도는 하천수의 경우 압력이 4㎏/㎠에서는 실험조건내의 반송비 변화와 관계없이 대부분 95%이상의 처리효율을 보이고 있으며, 이 때의 최소 공기체적농도는 5600ppm이였다. 호소수의 경우 실험조건내의 압력변화와 관계없이 반송비 15%이상에서 90%이상의 처리효율을 보인 것으로 나타났다. 이때의 최소 기포체적농도(φb)는 8030ppm이상으로 하천수 보다 높은 것으로 나타났다. 호소수의 chlorophyll a 처리효율은 실험조건에서 압력에 뚜렷한 영향을 받지 않았으며, 반송비가 10%이상일 경우 98%이상의 제거율을 나타내고 있으며, 최소 기포체적농도(φb) 5600ppm에서 원수에 포함된 Chlamydomonas 1.7×10 cell/ml의 세포수가 약 98%이상 감소하였다. 따라서 조류 제거를 위한 적정 기포체적농도(φb)는 5600ppm이상이며, 이때의 부상조건은 압력 4㎏/㎠과 반송비 10%임을 알 수 있었다.

넷째, 연속흐름에 있어서 반송량 변화에 따른 chlorophyll a의 제거율의 실험결과 압력4.0㎏/㎠일 경우 반송량 10%이상에서 chlorophyll a가 95%이상 제거 되었다. 이런 결과는 전단계에서 실시한 회분식 실험 결과와 비슷한 경향을 나타내고 있으나, 회분식실험에서의 처리효율이 98%이상인 것을 감안할 때 다소 낮은 처리효율을 보였다. 또한, 압력에 따른 chlorophyll a 처리효율의 변화는 반송량 10%경우 4.0㎏/㎠에서 최고의 처리효율을 보이고 있으며, 경향은 비슷하게 나타났다. 이런 경향은 기포의 크기가 영향을 준 것으로 판단된다.

다섯째, 부상과 침전의 처리효율을 비교하기 위해 탁도 및 chlorophyll a의 처리효율을 비교한 결과, 탁도와 chlorophyll a 모두 부상이 침전보다 우수한 처리효율을 보이고 있으며, 특히 chlorophyll a가 약 80 ㎎/㎥을 함유하고 있는 합성수의 경우 부상이 침전보다 처리효율이 뚜렷이 높음을 알 수 있었다. 이런 결과를 토대로 조류 및 chlorophyll a를 다량 함유하고 있는 원수의 경우 부상법을 사용하여 처리하는 것이 우수하리라 사료된다.

이상의 결과에서 효율적인 조류제거를 위해서는 응집공정의 인자인 응집제 투여량은PAC 3.0㎎ as Al₂O₃/L, 응집시간과 응집강도의 관계에 있어서 응집강도가 강한 경우 보다 약한 경우에 오히려 짧은 시간의 응집시간이 필요함을 알 수 있었다. 또한 부상을 통하여 조류 제거를 위하여 필요한 적정 기포체적농도(φb)는 5600ppm이상이며, 이때의 부상조건은 압력 4㎏/㎠과 반송비 10% 임을 알 수 있었다. 그리고 chlorophyll a를 다량 함유하고 있는 원수의 경우 부상법을 사용하여 처리하는 것이 우수하리라 사료된다.

[영문]

In Korea, about 40% of drinking water uses dam and lake water. One of the major problem of using these water is the algae which was determine the taste and odors of treated water. But these organisms could not perfectly been removed by conventional water treatment process. Therefore, the advanced water treatments are needed in these day.

Lake Paldang is important water resources for capital area, Algae bloom has been seasonally observed in this lake. It is well known that high concentration of phosphorus and nitrogen bring about algae bloom.

Algae in drinkingwater supplies can cause several problems including bad taste and strange odors which is mostly due to geosmin and 2-MIB(Methylisoborneol), formation of disinfection by-products such as trihalomethanes and chloroacetic acids, and clogging of filter beds.

Flotation has been used as a clarification process in drinking water treatment in the Europe for more than 20 years. This process, however, has recently been introduced in the North America. Dissolved air flotation(DAF) system is an alternative process of sedimentation which is effectivefor the removal of low densty particles such as algae, floc particles produced from treating water supplies containing natural color or humic substances.

The purpose of this study is to investigate the algae removal using dissolved air flotation technique substituted to conventional gravity settling on various raw waters collected from these resources such as Amsa(river water), Lake Guam(lake

water) and synthetic water contained Chlamydomonas.

This study has three specific objectives: 1) investigation of flocculation condition such as the coagulant dose, flocculation time and mixing intensity for removing various algae concentration; 2) examination of the dissolved air flotation

tank parameter such as recycle ratio and saturator tank pressure; and finally 3) comparison of algae removal ability by flotation and sedimentation.

The results are summarized as follows :

1. Poly Aluminum Chloride(PAC) 3.0 mg as Al2O3/l is the optimum dosage for removing turbidity and chlorophyll a. But lake water contained with about 20 mg/m3 chlorophyll a and the synthetic water contained with about 80 mg/m3 have slight difference trends of removal efficiency from the river water. In the synthetic water, dissolved air flotation removes more than 95% of chlorophyll a at PAC 3.0 mg as Al2O3/l and this removal efficiency is better than that of sedimentation.

2. In the results of flocculation time and mixing intensity for various raw waters, removal efficiency of algae in the lake and the synthetic water differ from that in the river water. When mixing intensity is low, highest removal efficiency is obtained at the relatively short time(5min). When mixing intensity is high, highest removal efficiency is obtained at the relatively longer time(15min).

3. In the results of recycle ratio and saturator pressure for removing algae on various raw waters, the optimal conditions of bubble volume concentration(φb), recycle ratio and saturator pressure were 5600 ppm, 10 %, 4 kg/cm2 respectively. At this condition, Chlamydomonas 1.7×105 cells/ml reduce above 98%.

4. In the results of continuous flow test, removal efficiency of chlorophyll a is 95% with 10% recycle ratio and 4.0 kg/cm2 saturator pressure. These results of removal efficiency is slightly less than that of batch test, but trend of removal efficiency is the same.

5. In the comparisons of flotation to settling techniques, dissolved air flotation is more effective than settling for removing chlorophyll a. If raw water contain much more chlorophyll a, flotation process shows more efficient than sedimentation.

According to these results, we can find that optimum dosage for removing algae is Poly Aluminum Chloride(PAC) 3.0 mg as Al2O3/L. Flotation performance is slightly im proved with increasing flocculation mixing intensity and time. Bubble volume concentration, recycle ratio and saturator pressure are 5600ppm, 10%, 4 kg/cm2 respectively.

The results suggest that flotation is more effective water treatment for removing algae in raw water.