Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.31 No.2 pp.125-139
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2017.31.2.125

An investigation into the performance of a high-speed synthetic fiber filter employing different types of coagulants

Kisoo Park, Youngchul Kim*
Department of Environmental Engineering, Hanseo University
Corresponding author: Youngchul Kim ykim@hanseo.ac.kr
January 5, 2017 February 20, 2017 February 22, 2017

Abstract

In this paper, the performance of a synthetic fiber filter aimed at high-speed operation and dosed with different coagulants or filter aids was investigated. Without a coagulant, the filter efficiency was about 62% which was greatly enhanced when three types of coagulants namely PAC, Alum, and FeCl3 were used. Among the coagulants tested, PAC was the most effective, giving 91% filter efficiency, followed by Alum with 90%, and FeCl3 with 78%. PAC worked effectively at a very small range of dose, but Alum was relatively effective in a wide range of concentration. Compared with PAC and Alum, FeCl3 provided more or less contant efficiency regardless of its dose but gave the poorest filter efficiency. Moreover, as the inflow turbidity increased, headloss increased and the efficiency decreased at any dose and type of coagulant. The headloss recorded in this particular synthetic fiber filter is not significant as compared to that observed in typical granular filters. The recovery of solids estimated after filter cleaning was about 80% for both PAC and Alum, but poorer at 72% in the case of FeCl3 due to the heavy and large floc characteristics. The recurrence of filter efficiency verified through repetitive filter runs was found to be satisfactory.


응집제에 따른 합성섬유 여재를 충진한 고속필터의 여과특성에 관한 연구

박 기수, 김 영철*
한서대학교 환경공학과

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    (13 건설연구S04

    1.서 론

    건설현장 및 농경지에서 발생하는 토사 및 탁수 유 출은 지표수 및 지하수, 해양 수질오염의 주요 원인이 되고 있다(EPA, 2009). 이 중 건설현장은 농경지에 비 해 표토의 교란이 심하기 때문에 강우에 따른 토사유 출이 심각한 수준이다(Pitt et al., 2007).

    토사는 강우에 따라 발생하는 비점오염물질 중에서 도 모든 지표면에서 가장 넓게 유출되는 오염물질이 다. 일반적으로 토양으로부터 분리되어 수생태계에 영양원을 공급하는 토사는 자연에서 유용한 자원이 다. 그러나 토지의 피복/보호와 같은 적절한 관리가 없이 발생하는 과대한 토사가 하천이나 저수지와 같 은 수계로 직접 유입되면 수생태계에 지대한 문제를 야기시킨다(KEI, 2007). 국외에서 Bouraoui et al., (2004); Mimikou et al., (2000); Neff et al., (2000) 등은 탁수는 인근수계로 유입되어 저수지와 하천의 부유물 질 농도와 탁도를 증가시킨다고 보고하였다. 국내의 문헌에 따르면 토양침식으로 인해 발생한 탁수가 댐 과 저수지와 같은 수계로 유입되어 수질과 생태계에 악영향을 미친다고 보고하였다(Kim and Jung, 2007).

    이러한 문제점을 제어하기 일반적으로 침강지를 설 치하였으나 침강지는 물리적인 침전에 의한 처리기작 으로 미세입자의 처리에는 한계가 있다. 또한 침강지 는 넓은 부지면적이 필요하여 도시지역과 같은 인구 밀집지역에서는 건설하기 어려운 실정이다(Wood et al., 2005). 따라서 탁수에 함유된 토사를 적절하게 처 리하고 침강지의 용량을 획기적으로 감소할 수 있는 방안이 필요하다.

    여과(Filtration)는 물로부터 입자상 물질을 제거하고 자 할 때 적용되는 가장 기초적이면서 일반적인 처리 공정 중의 하나이다. 여과란 입자상 물질을 포함하고 있는 물을 다공성 매체(porous medium)를 통과시킴으 로서 고형물 입자를 제거하는 공정으로 정의할 수 있 다(Carroll et al., 2002). 여과에 사용되는 여재는 모래, 활성탄, 부직포, 분리막, 섬유 등의 다양한 여재가 사 용되고 있으며 여재의 성질 및 특성에 따라 여과방법 및 여과효율이 달라진다(Nicolaisen, 2002).

    이 중 섬유여재는 여재의 공극이 커 고속여과에 적 합하며 고속여과로 운전되기 떄문에 단위시간당 처리 수량이 크고 시설 설치에 필요한 부지 요구면적이 작 아 경제적이다(Park et al., 2015). 또한 내마모성과 탄 성이 우수하고 약품에 의한 변형, 좀, 곰팡이, 미생물 에 저항성이 높아 안정성과 내구성이 큰 특징이 있다 (Ko et al., 2006). 그러나 아직까지 수처리에서는 섬유를 이용한 연구자료가 미흡하고 막힘 현상이 자주 발생되 는 단점이 있기 때문에 지속적인 연구가 필요하다.

    기존의 섬유여재를 여재로 사용한 연구를 살펴보면 벤토나이트 탁수를 유입 원수로 이용한Guerra, (2013) 는 여과속도 1,500m/day에서 약 40%의 여과효율을 보 고하였다. 황토 탁수를 유입 원수로 사용한 Yuan et al., (2016)는 여과속도 800m/day에서 50%수준의 여과 효율을 제시하였으며 상기 두 연구에서는 응집제를 사용하지 않았다. 반면에 강우유출수를 유입 원수로 이용하고 폴리머 응집 전처리를 수행한 Horie et al., (2006)에서는 여과속도 1,000m/day에서 82%의 여과효 율을 달성하였다. 황토 탁수를 유입원수를 사용하고 PAC로 응집 전처리를 수행한 Park (2015)과 Niu (2015)은 여과속도 1,500m/day에서 90%의 여과효율을 보고하였다.

    Andral et al., (1999)에 따르면 100㎛이하의 입자는 전통적인 수리학적 분리로 제거하기 힘들다고 보고하 였다. 단편적으로 상기 4가지 연구의 여과효율을 비교 하였을 경우에도 응집제의 사용 유무에 따라 극명한 여과효율을 차이를 보여 응집제의 사용에 따른 여과 장치의 성능 분석이 필요하다고 판단된다.

    한편 Niu et al. (2015b)은 전기적으로 (-) 전하를 띠 는 나일론 합사를 이용한 고속여과필터를 운전한 결 과 응집제가 섬유필터의 여과기작에 미치는 영향을 규명한 바 있으며 적정 여과보조제의 투입으로 상당 한 수준의 여과효율을 달성할 수 있는 것으로 보고하 고 있다. 여과시설의 운영에서 대부분의 비용이 동력 비 및 약품비용, 그리고 약품사용에 따른 슬러지 처리 비용 등에 소요되며, 이러한 요소들은 응집제의 종류, 투여량, 그리고 수두손실과 관련이 있으므로 이 부분 에 대한 검토가 반드시 필요하다.

    본 연구에서는 나일론 합사 비직조 섬유여재를 충 진한 고속필터에 대한 후속 현장적용 예비단계의 연 구로 일반적으로 널리 사용되는 응집제(PAC, Alum, FeCl3)의 투입에 따른 여과 성능 및 특성을 분석하였다.

    2.연구방법 및 재료

    2.1.실험장치의 구성

    본 연구에 사용된 실험 장치는 아크릴로 제작된 실 험실규모의 여과장치로 Fig. 1(a)에 나타내었다. 여과 장치의 구성은 유입탱크, 세척탱크, 여과부로 구성되 어있다. 유입탱크와 세척탱크는 1m3 크기의 일체형 구조로 제작하였으며 내부에 아크릴 벽을 설치하여 유입탱크와 세척탱크를 분리하였다.

    유입탱크는 0.7m3 규모이며 수중펌프와 지름 2cm의 PVC 파이프를 연결하여 유입원수를 여과부에 공급하 였다. 유입속도 조절을 위해 PVC파이프 중간에 볼밸 브를 설치하였고 입자상 물질의 침전을 방지하기 위 해 혼합장치를 설치하였다. 세척탱크는 0.3m3 규모로 유입탱크와 마찬가지로 수중펌프와 PVC파이프를 여 과부에 연결하여 세척수를 공급하였다.

    여과부는 지름 7cm, 높이 40cm의 규모의 투명 아크 릴로 제작하였다(Fig. 1(b)). 상·하부에는 유입과 유출 이 원활하게 이루어질 수 있도록 각각 5cm의 여유고 를 두었고 중간부 30cm에 섬모상 여재를 충진하여 여 과실험을 수행하였다. 상·하부 여유고와 중간부에 맞닿는 지점에 유공판을 설치하여 유량이 균등하게 분배될 수 있도록 설계하였다. 또한, 운전 중 내부의 손실수두를 측정하기 위해 여과부 측면에 압력계를 설치하였다.

    2.2.여재 및 유입원수의 특성

    본 실험에 사용된 여재는 2mm의 폴리에틸렌 로프사 재질 내심에 600 데니아 나이론/폴리에필렌 모노사를 엮어 만든 고정상 이중 나선 로프형 여재로 Fig. 2(a)에 보는 바와 같이 선형다발 형태(line bundle shape)로 제 작하였으며 여재의 표면은 (-) 성질의 전하를 띠고 있 다. 직경은 약 4cm이며 공극율은 90-95%, 여재 충진 밀도는 112g/L이었다. 본 연구에서 적용된 섬유가 갖 는 전기적인 특성은 응집제의 주입으로 체거름 작용 뿐만 아니라 침전, 충돌, 차단, 확산, 응결 등의 복합 적인 여과기작이 발생하여 여과효율을 크게 향상시키 며 섬유여재와 중화된 입자 사이의 부착 뿐 만 아니 라 여재표면에 부착된 입자 표면에 다른 입자들이 다 시 부착되는 현상, 즉 전체 여재깊이에 걸친 여과기능 의 성숙과정이 핵심적인 여과현상으로 보고되고 있다 (Niu et al., 2015a).

    본 여과장치의 특성은 여과 진행방향과 세척방향이 동일하게 하향류로 형태로 운전하였는데 그 이유는 여재의 결을 수지상(나무가지) 형태로 제조하여 하향 류 물과 함께 유입되는 입자상 물질이 여재와의 충돌 의 기회를 최대한 제공할 수 있도록 유도하였으며 세 척시 고압의 하향류로 유입되는 세척수에 의해 수지 상 여재가 수류방향으로 펼쳐지도록 함으로서 세척이 용이하게 일어나도록 고안하였다(Guerra, 2013).

    유입원수는 일반적으로 의류 및 직물을 염색하는데 사용하는 50㎛ 이하의 상업용 황토를 수돗물과 희석하 여 제조한 인공탁수를 사용하였다(Fig. 2(b)). 인공탁수 는 입자상 물질의 침전을 예방하기 위해 수중 펌프를 사용하여 지속적으로 혼합하였다. 한편 응집제 주입범 위는 선행 연구를 통한 처리실험과 출판된 논문자료 (Park et al., 2015; Park, 2016)를 기초로 결정하였다.

    2.3.운전방법

    2.3.1.여과방법

    Fig. 3에는 본 여과장치의 운전 모식도를 나타내고 있다. 그림에서 보는바와 같이 여과는 유입탱크의 인 공탁수를 수중펌프를 이용하여 하향류로 여과부에 공 급하고 여과공정을 거쳐 배출되는 형태이다.

    여과실험은 매 10분마다 유입수 및 여과수의 pH, 알칼리도, 탁도, 여과속도, 수두손실, 수온을 측정하고 매 30분 간격으로 채취된 시료의 입도분석을 실시하 였다. 또한 응집제의 주입은 인공탁수를 제조한 후 2L 의 비커에 응집제를 희석하여 유입원수 탱크의 혼합 지점에 순간적으로 주입하였다(Fig.2).

    2.3.2.세척방법

    세척의 경우에도 여과와 마찬가지로 수중펌프를 이 용하여 세척 탱크의 세척수를 약 20,000m/day(세척속도 = 세척유량/면적 = 1.00×10-3m3/sec ÷ 3.85×10-3m2 = 0.259m/sec × 86,400sec/day = 22,377m/day ≒ 20,000m/day)의 빠른 속도로 여과장치에 주입하여 일명 ‘간헐적 충격세척 (하향류식)’을 실시하였다.

    Fig. 4에는 본 실험에 사용된 간헐적인 충격 세척법 의 모식도를 나타내고 있다. 그림과 같이 연속적으로 1L씩 2회의 고속세척을 실시하였다. 세척시 발생할 수 있는 내부 진공상태를 회피하기 위하여 세척모드 이후 즉시 필터 상부에 장착된 감압밸브를 열고 신속 하게 배출하는 방식으로 세척을 수행하였다.

    세척은 세척 수 2L를 기준으로 배출수를 채취하여 탁도 및 입도분포를 측정하였고 전체 10~15회의 반복 적인 세척을 실시하였다. 세척수량은 여과수량의 약 5~7%인 20~25L를 사용하였다.

    2.4.분석방법

    여과효율은 TSS와 탁도의 분석결과를 바탕으로 식 (1)과 같이 산출하였다.

    R e m o v a l e f f i c i e n c y ( % ) = ( C f C e ) / C f × 100
    (1)

    여기서,

    • Cf =  Turbidity or TSS concentration of the feedwater

    • Ce =  Turbidity or TSS concentration of the filter water

    여과장치의 입자 억류속도는 다음 식 (2)를 이용하 여 산정하였다.

    P a r t i c l e r e m a i n i n g m a s s ( g ) = ( P R t 1 + P R t 2 ) / 2 × ( t 1 t 2 ) × 1 / 1000
    (2)

    여기서,

    • P R t 1 =  Particle remaining rate from t1 (mg/min)

    • P R t 2 =  Particle remaining rate from t2(mg/min)

    • t1, t2 =  Operation time(min)

    한계 체류량 도달 후 여재 세척시 발생하는 입자상 물질의 회수율은 식 (3.4)와 같이 총회수량을 총 억류 량으로 나누어 산출하였으며 총회수량은 각각의 세척 시 측정된 TSS 농도와 세척수량을 이용하여 산출된 양을 합산하여 산출하였다.(3)

    P a r t i c l e r e cov e r y ( % ) = T o t a l r e cov e r y ( g ) / T o t a l  det e n t i o n ( g ) × 100
    (3)

    Fig. 5에는 섬유여과장치의 물질수지 개요도를 제시 하였다. 고형물수지는 총 유입량 중 억류된 고형물의 양, 배출된 고형물의 양을 계산하여 산출하였고 세척 후 회수율은 여과 전·후, 그리고 세척수에 함유된 고 형물 농도와 유량자료를 바탕으로 산출하였다.

    2.5.여과시험의 개요

    Table 1에는 고속필터의 여과성능을 평가하기 위해 총 18회 수행된 시험조건을 나타내었다. 우선 여과장 치의 특성을 파악하기 위해 응집제를 주입하지 않은 상태에서 시험을 수행하였다.

    응집제 주입에 따른 여과특성을 분석하기 위해 PAC를 주입하여 응집제 주입에 따른 성능분석을 수 행하였다. PAC를 주입한 결과 분명한 여과성능의 차 이를 보여 추가적으로 현장에서 널리 사용되는 응집 제인 Alum과 FeCl3에 대하여 여과시험을 진행하였다.

    모든 시험에서 비직조 섬유여재를 Fig. 2(a)와 같이 상부 유공판에 고정한 라인형(line type)으로 제작하여 실험을 수행하였고 재현성 확인을 위해 각각의 여과 실험을 3회씩 반복 수행하였다.

    3.결과 및 고찰

    3.1.여과특성

    3.1.1.여과특성곡선

    Fig. 6에는 본 여과장치의 운전과정을 설명하기 위해 약 1,500m/day의 여과속도에서 50NTU (TSS 150mg/L에 해당)의 인공탁수를 유입원수로 사용한 실험과정을 운전예시로 제시하였다. 그림에는 여과지속시간에 따 른 여과속도, 여과효율, 원수 및 여과수의 탁도, 수두 손실을 나타내었다.

    여과는 Phase 당 90분에 걸쳐 진행되었으며 섬유필 터 세척 후 다음 Phase의 운전을 연속하여 3회 실시하 였다. 필터의 운전시간은 실험실에서 고속으로 운전 하는 관계로 원수 저수탱크의 최대용량 및 1톤의 물 을 채웠을 때 발생하는 건물의 하중문제로 90분을 기 본으로 하였다.

    운전결과 여과효율은 초기 80% 내외에서 압력손실 이 증가함에 따라 감소하였으며 전체 운전시간동안의 평균 여과효율은 62% 수준이었다. 여과수의 탁도를 살펴보면 여과초기 약 20 NTU의 탁도를 보였으나 여 과기작이 점진적으로 성숙되면서 30분까지 약 10 NTU의 여과수가 유출되었다. 이후 지속적으로 탁도 가 증가하여 종료시점에는 30 NTU 이상의 탁도를 보 였다.

    수두손실의 경우에는 여과개시 50분 이후부터 발생 하였으며 시간이 경과함에 따라 증가하여 최종적으로 약 6-8cm H2O의 압력손실을 나타내었다. 일반적인 입 상여과에서는 보통 압력손실이 한계치를 초과하게 되 면 여과효율이 감소하는 것으로 알려진(Droste, 1996) 반면에 본 연구에서와 같이 고속운전조건에서는 짧은 여과 성숙과정을 거친 후 압력손실이 발생되기 이전 부터 여과수의 탁도가 증가하기 시작하였다.

    한편 관측된 압력손실은 공극율 40~50% 수준에서 가동되는 급속모래여과(여과속도 120m/day)의 여과말 기 손실 2.5~3.0m (Kawamura, 2000)와 비교하면 극히 미미한 수준인데 그 이유는 섬유여과에서 수두손실은 여과속도보다는 내부에 충진된 여재의 공극율에 의해 지배되기 때문인 것으로 판단된다.

    Fig. 7에는 운전 중 시간에 따른 섬유필터의 외관을 제시하였다. 여과초기에는 입자상 물질이 주로 상부에 포획되고 운전시간이 경과함에 따라 서서히 여과대가 하부로 진행된 후 최종적으로 전체 여재층이 포화상태 에 이르는 심층여과(depth filtration)를 나타내었다.

    3.1.2.응집제 종류에 따른 여과특성

    Park et al., (2015)의 연구결과에 의하면 PAC를 응 집제로 사용한 경우 주입농도에 따라 여과기작에 큰 차이를 보였다. PAC를 전혀 주입하지 않았을 때에는 입자가 여재가 제공하는 간극에 의해 억류되는 단순 체거름(trapping) 기작만이 발생하였고, 적정량의 PAC 를 주입한 경우 응결, 침전, 충돌, 부착, 확산 등 다양 한 형태의 여과 기작이 발생하였다.

    그러나 PAC 주입이 과다한 경우 전하의 역전으로 여재에 기 억류된 입자와 새로 유입되는 입자사이에 부착작용은 일어나지 않아 처리효율이 적정량의 PAC 를 주입한 경우보다 감소하였다고 보고하고 있다.

    응집제의 사용은 심층여과 시스템에서 필수적으로 본 연구에서는 일반적인 응집-침전 공정에서 널리 사 용되는 세 가지 응집제(PAC, Alum, FeCl3)를 대상으로 고속 여과시험을 수행하였다. Fig. 8에는 응집제 투여농 도에 따른 여과효율 및 수두손실을 나타내었다. 유입수 의 탁도와 여과효율의 반비례관계 및 Headloss와의 비례 관계는 너무 당연한 결과인데 그 결과를 제시한 이유는 공극율이 95%인 섬유여재 필터에서 1500m/day의 고 속여과 조건에서 나타나는 수두손실의 크기 및 이로 인한 효율에 미치는 영향을 일반 모래여과 등 다른 여과공정과 가늠/비교할 수 있도록 제시하였다.

    각각의 응집제 주입에 따른 최적효율은 PAC(0.5mg/L) 91.2%, Alum(2.5mg/L) 90.4%, FeCl3 (2.0mg/L) 78.4%로 PAC와 Alum이 가장 효과적인 것으로 밝혀졌다. 그러 나 Fig.8에 나타난 것처럼 PAC의 경우에는 매우 좁은 농도범위에서 효과를 발휘한 반면에 Alum은 비교적 넓은 주입 범위에서 효과적이었다. 이와 반면에 FeCl3 는 주입농도에 따라 효율변화가 크지 않아 넓은 범위 에 적용이 가능하나 여과효율은 PAC와 Alum과 비교 하여 저조하였다.

    수두손실을 살펴보면 최적의 효율에서 PAC(0.5mg/L)는 12cm, Alum(2.5mg/L)는 18.5cm, FeCl3(2.0mg/L)는 18.0cm 로 최적 효율적인 측면에서는 PAC, FeCl3, Alum 순으로 나타났다. 그러나 직접적인 비교가 가능한 응집제 주입 농도 2.0mg/L에서는 Alum이 17.5cm, FeCl3가 18.0cm로 유사하였고 PAC에서 24.0cm로 가장 높게 나타나 응 집제의 사용량이 동일하다면 PAC에서 수두손실이 가 장 큰 것으로 나타났다.

    또한 5mg/L 이상의 응집제를 사용한 Alum과 FeCl3 의 수두손실을 비교해 보면 Alum에서 수두손실이 급 격하게 증가하는 것으로 나타났다. 본 연구에 사용된 섬유필터에서 응집제의 종류에 관계없이 수두손실 10-20cm범위에서 최상의 효율을 보였고 20cm 이상의 수두손실이 발생할 경우에 점차적으로 여과효율이 감 소하는 현상이 발생하였다.

    전술하였듯이 약품량 증가에 따른 수두손실의 증가 가 특히 Alum의 경우가 PAC와 FeCl3를 사용했을 때 보다 훨씬 컸는데 그 이유는 Alum 주입에 따른 화학 적 슬러지 즉 수산화알루미늄의 생산량이 PAC 보다 많고 또한 여재에서 제거되는 슬러지의 점성이 크기 때문으로 사료된다.

    3.1.3.응집제 사용에 따른 유입 및 여과수의 입도분포

    Fig. 9에는 응집제 주입여부 및 종류에 따른 유입원 수와 여과수의 평균 입도분포를 나타내었다. Fig. 9(a) 의 유입원수에서는 mL당 입자의 개수는 0.5~1.5㎛ 사 이에서 유사한 수준의 입자밀도를 보였다.

    그러나 1.5㎛ 이상의 입자개수는 응집제의 영향으 로 PAC > Alum > FeCl3 > No Aid 순으로 나타나 PAC가 응집에 가장 효과적이었음을 반증하고 있으며 결과적으로 플록체적이 커서(Pernitsky and Edzwald, 2003) 고속필터의 운전성능에도 영향을 미친 것으로 판단된다.

    한편 Fig. 9(b)에는 응집제 종류에 따른 여과수의 평 균 입도분포를 나타내었다. 여과수의 입도분포 또한 여과효율과 마찬가지로 응집처리를 하지 않은 경우와 처리한 경우에 분명한 밀도차이를 보이고 있다.

    여과효율이 가장 우수했던 PAC를 주입한 경우에 전체 범위의 입경에서 입자의 밀도가 확연하게 적었 던 반면에 여과효율이 최대 12%가량 차이를 보인 Alum과 FeCl3의 경우 1~5μm의 입경범위에서 약 2배 이상의 밀도차이를 보였다. 특히 Alum의 경우 탁도로 측정된 효율에는 PAC와 거의 차이가 없었으나 입자 밀도에서 큰 차이를 보인 이유는 PAC와 비교하여 높 은 농도의 Alum 주입에 따라서 더 많은 수산화알루미 늄 Al(OH)3의 생성 때문이다.

    결론적으로 응집제의 투여는 여과효율을 향상시키는 효과가 있는 반면에 단점으로는 응집제 주입에 따른 운전 비용의 상승과 슬러지 발생량이 증가한다는 점이다. 또 한 응집제를 넣게 되면 단순한 여과로 제거된 토사가 일반 슬러지가 아니라 화학적인 슬러지로 전환되기 때문 에 슬러지 처리/처분 비용이 크게 상승하게 된다.

    따라서 섬유필터를 이용한 토사입자 여과를 위한 응집처리는 도심지에서 이루어지는 터파기 공사나 지 하철 공사장에서 평상시 지하수 발생과 함께 발생하 는 흙탕물을 처리하는 목적이 아니면 바람직하지 않 다고 판단된다.

    Table 2에는 최적의 응집제 주입량에 따른 응집제의 가격을 비교하여 제시하였다. 응집제의 kg당 단가는 PAC가 2,006원으로 Alum(352원), FeCl3(275원)에 비하 여 각각 5.7배, 7.3배 정도 높았다. 최적 주입량에 대 해 일일 10,000톤 처리를 기준으로 약품비를 산출할 경우 PAC가 10,030원, Alum에서 8,800원, FeCl3에서 5,500으로 산출되었다. kg당 PAC의 비용은 5~7배 정 도로 높았으나 PAC의 주입비율이 낮아 최종 처리비 용은 1.1~1.8배 수준으로 산출되었다.

    3.1.4.응집제 사용에 따른 운전특성

    Fig. 10에는 최적의 응집제 투여조건에서 실시한 고 속필터 운전결과를 제시하였다. 운전조건(여과속도 =1,500m/day 및 유입원수의 탁도 약 50NTU)은 모두 동일하였다. 그러나 실제 운전에서는 측정된 유입수 의 탁도는 PAC인 경우 50NTU, Alum인 경우 54NTU, 그리고 FeCl3인 경우 48NTU로 다소 차이가 있었다.

    먼저 수두손실을 비교하면 PAC를 사용한 경우에 수두손실이 가장 적었으며 Alum과 FeCl3를 주입한 경 우 20cm로 유사한 수준의 수두손실을 보였다. 여과수 의 탁도는 FeCl3를 주입하였을 때 가장 높았다. PAC 와 Alum을 사용한 경우에는 지속적으로 10NTU이하 의 탁도로 안정적인 여과성능을 나타내었다.

    반면에 응집제를 주입한 모든 실험에서 응집제를 주입 하지 않았을 경우와 비교해 보면 극명한 여과수의 탁도 차이가 나타났다. 평균 여과효율을 살펴보면 PAC(91.2%) > Alum(90.4%) > FeCl3(78.4%) > No aid(62.3%) 순으로 PAC 의 성능이 가장 우수하였다.

    3.1.5.유입원수의 농도에 따른 여과효율

    Fig. 11(a)에는 유입원수의 탁도에 따른 최적주입조 건에서 응집제(PAC, Alum)의 영향을 비교하여 제시 하였다. 그림에 따르면 유입수의 탁도가 증가할수록 여과효율은 감소하였는데 그 이유는 탁도가 증가할 수록 중화되어야할 입자 수에 비해 응집제의 양이 부 족으로 기인한 것으로 해석된다. 유입원수가 25NTU 와 50NTU에서는 약 90%로 큰 차이가 없었으나 75NTU와 100NTU에서는 PAC에서 각각 83%와 77% 의 효율을 보였고, Alum에서 각각 74%와 70%의 효 율을 보여 탁도의 증가가 PAC의 응집 및 여과에 미 치는 영향이 적었다. 한편 Fig. 11(b)에서 수두손실의 경우 유입수의 탁도가 증가할수록 수두손실은 선형 적으로 증가하였는데 그 이유는 유입수의 농도가 증 가할수록 여재에서 억류되는 입자의 양이 증가하였기 때문이다.

    3.2.고속섬유필터의 세척

    여과공정을 통해 입자상 물질이 탁월하게 제거되어 도 수두손실 및 여과수의 탁도 관점에서 파괴점에 (breakthrough)에 도달한 후 적절한 수준의 여재 세척 이 이루어지지 않는다면 지속적인 여과성능을 담보할 수 없다. 본 연구에서는 ‘간헐적 충격 세척법’으로 세 척을 수행하였다(Heidi 2015).

    Fig. 12에는 응집제를 사용하지 않았을 때 세척수량 에 따른 입자상 물질(고형물) 회수율을 나타내었다. 세척속도는 약 20,000m/day의 속도로 여과 진행방향 과 동일한 하향류 방식의 세척을 실시하였다. 여과속 도1,500m/day의 여과속도로 운전한 여과장치에서 회 수율은 73~86%로 평균 80%의 회수율을 보였다.

    세척 초기에는 매우 빠르게 고형물이 회수되었으나 세척 횟수의 증가(세척수량의 증가)에 따라 회수율은 급속히 감소하였다. 초기 5L의 세척수에 의해 평균적으로 65%가 회수되었으나, 이후 추가적인 25L의 세척수를 통하여 약 15%가 회수되어 전체적으로 80%의 효율을 나타내었다.

    Fig. 13에는 간헐적 충격세척을 통해 여재 내부의 입자상 물질의 세척양상을 모식도로 제시하였으며 Fig. 14에는 채취된 세척수를 제시하였다. 세척시 여 재 상부에서 하부방향으로 세척이 순차적으로 이동 진행되었으며 여재의 외곽에 억류된 대부분의 입자상 물질은 초기에 세척이 이루어졌다.

    그러나 역세척시 90% 이상의 회수율을 보이는 일 반 입자상 여과(granule filter)와 비교하여 회수율이 크 게 떨어진 이유는 여재의 깊숙한 지점에서 섬유여재 와 결합된 분자수(molecular water) 및 여재 내부의 공 극수(pore water)의 분리 이탈이 어려웠기 때문이다.

    한편 Fig. 12에 나타난 바와 같이 필터 운전차수(1회→ 3회)가 증가함에 따라 회수율이 감소하는 경향을 나 타나 운전차수가 효율 및 수두손실, 세척시 고형물 회 수율에 미치는 영향을 조사하였다. 섬유여재는 일반 모래 등과 같은 입상여재와 달리 강도가 약하고 변형 이 쉽다. 여과속도가 입상여과와 비교하여 10배 이상 으로 크고, 세척유속은 여과속도의 200배에 가까운 20,000m/day에서 진행되므로 여재손상 가능성이 크다. 또한 세척 후에 여재형태 및 구조의 변형으로 채늘링 등과 같은 문제가 발생될 소지가 높다.

    이와 같은 목적으로 총9회(여과시간 810분)에 걸쳐 연속적인 여과시험을 실시하였다(Fig. 15). 전체 운전 시간 동안의 평균효율은 85.3%(표준편차 ±1.7%), 평균 수두손실은 11.1cm (표준편차 = ±1.7cm)를 나타내어 성능 및 운전 재현성이 매우 양호한 것으로 밝혀졌다. 그러나 세척 후 물질수지를 통하여 산출된 평균 고형 물 회수율은 79.3%, 표준편차는 ±9.6%로 변동 폭이 큰 것으로 나타났으나 반복적인 여과에 따른 세척효율 의 저하문제는 발생되지 않았으며 또한 세척효율의 변 동이 여과효율이나 수두손실에 큰 영향을 미치지 않았 다. 운전초기의 반복운전에 따른 일시적인 회수율의 저 하는 섬유여재의 안정화 과정으로 볼 수 있는지 아니면 다른 운전변수의 중첩과 분석 및 유량 및 농도오차 등 으로 누적영향의 파악은 가능하지 않았다.

    Fig. 16에는 응집제의 형태에 따른 여재세척 후 입 자상 물질의 회수율을 나타내었다. 1차, 2차, 3차 운전 후의 평균 회수율을 살펴보면 PAC와 Alum의 경우에 는 약 80%로 동일하였으며, FeCl3는 72%로 가장 낮은 회수율을 보였다. 그 이유는 철염은 알루미늄 계열의 응집제에 비해 생성되는 플록의 크기가 크고 무겁다. 따라서 고속으로 운전되는 본 연구 여과장치 내부의 여재에 부착, 흡착될 경우 분리가 어려웠기 때문으로 판단된다.

    3.3.본 섬유여과의 특성 및 경제성, 현장 적용성 검토

    앞서 제시한 Fig. 8과 관련하여 응집제의 주입량을 증가하였을 때 어느 수준까지는 여과효율이 증가하였 지만 최적주입량을 초과하였을 경우에는 응집제의 형 태 즉 PAC나 Alum, FeCl3에 상관없이 여과효율은 감 소하였다. 따라서 응집제와 합성섬유 여재 사이의 상 호작용을 규명하는 것은 매우 중요하다.

    본 연구결과를 종합한 결과 Fig. 17에는 응집제 주 입량에 따른 필터의 성능 및 여과기작을 도식적으로 제시하였다. 우선 Fig. 17의 (a)에는 응집제를 주입하 지 않은 경우를 나타내었다. 응집제를 사용하지 않았 을 경우 Fig. 17(a)에서 보는 바와 같이 진흙입자의 (-) 전하와 합성섬유 여재가 갖는 전하가 (-)로 동일하다. 따라서 일반적인 심층여과지의 간극이나 공극에서 일 어나는 충돌, 침전, 확산, 성장, 응결 등과 같은 기작 은 일어나지 않고 여과지로 유입되는 입자 중 공극의 크기보다 큰 입자상 물질만이 우연한 접촉에 의해 강 제 억류 제거되는 체거름(straining) 기작만이 일어났기 때문에 저조한 여과효율을 보인 것으로 해석된다.

    적정량의 응집제를 투여한 경우를 상정하고 도시한 Fig. 17(b)의 경우 (+) 전하 응집제를 주입함에 따라 유입수에서 (-) 전하를 띤 콜로이드 입자들의 전기적 반발력이 소멸되었으므로 응집제를 투여하지 않았을 경우 발생했던 체거름 작용뿐만 아니라 침전, 충돌, 차 단, 확산, 응결 등의 복합적인 여과기작이 발생하여 여 과효율이 크게 증가한 것으로 사료된다. 또한 섬유여재 와 중화된 입자 사이의 부착 뿐 만 아니라 여재표면에 부착된 입자 표면에 다른 입자들이 다시 부착되는 현 상, 즉 전체 여재깊이에 걸친 여과기능의 성숙과정이 본 여과장치의 핵심적인 여과현상으로 판단된다.

    한편, Fig. 17(c)에는 응집제를 과다하게 주입하여 유입 원수내의 탁도 유발입자들의 전하가 원래의 (-) 에서 오히려 (+)로 역전되어 여과효율이 감소한 경우 를 기술하였다. 이 경우 섬유 여과지로 유입되는 입자 의 표면이 (+) 전하이기 때문에 (-)전하의 섬유여재 사 이에는 전기적 흡인력(attraction)이 작용하여 충돌, 차 단, 확산 등의 여과현상이 발생된 것으로 추정된다. 그러나 과량의 응집제가 투입되어 입자 표면의 전하 가 (+)로 역전된 입자 상호간에는 반발력이 발생하기 때문에 입자와 입자 사이에서 일어나는 응결과정(성 장)이 일어나기 어렵다. 따라서 여재 공극이나 간극에 서 일어나는 억류량 증가에 따른 여과지 성숙이 빈약 하였기 때문에 전체적으로 여과효율이 최적 주입량을 상정한 Fig. 17(b)에 비해 낮았던 것으로 해석할 수 있 다(Niu et al., 2014). 이와 같은 결과는 응집제의 형태 에 따라 최적주입량에는 차이가 있었지만 대체로 동 일한 양상을 보였다.

    본 연구에서 운전된 여과속도 1500m/day는 하루에 단 1m2의 여재면적을 통해서 1500m3의 물을 처리할 수 있다는 의미이므로 기존의 다른 여과 시스템과 비 교하면 매우 경제적이다. 또한 섬유여과의 특성상 모 듈화, 소형화를 통한 설치비용의 절감 및 부지확보 문 제를 해결할 수 있다는 측면에서 다른 여과시스템과 비교하면 경쟁력이 있으며 현장 적용가능성이 매우 높을 것으로 판단된다. 처리대상 원수와 여과속도, 여 과 및 운전방법이 본 연구와 다르므로 직접적인 비교 는 어렵다. 그러나 여과속도 측면에서 본 여과기술은 기존의 다른 여과기술에 비하여 높은 속도에서 운전 되었으나 여과효율이 우수하거나 유사한 효율을 나타 내었다(Park et al., 2015).

    앞서 응집제의 주입율에 따른 최적의 응집제 주입 량에 따른 응집제의 가격을 비교분석한 결과 kg당 PAC의 단가가 5~7배 정도로 높았으나 PAC의 주입농 도가 낮으므로 최종 처리비용은 다른 응집제와 비교 하여 1.1~1.8배 수준으로 산출되어 PAC가 슬러지 발 생량 및 최종 처리/처분 비용을 고려한 경제성 측면에 서 유리한 것으로 나타났다.

    4.결 론

    본 연구의 고속합성섬유 여과장치에서 여러 가지 응집제를 투입하여 여과성능을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.

    섬유여재를 사용한 여과에서 전체 여재층이 포화 상태에 이르는 심층여과현상이 발생하였으며 응집제 를 사용하지 않았을 경우 여과속도 1,500m/day, 유입 원수의 탁도 50NTU(TSS= 150mg/L)에서 평균 62%의 여과효율을 보였고 수두손실은 10cm 미만으로 나타 났다.

    세 가지 응집제(PAC, Alum, FeCl3)를 사용하여 성능을 분석한 결과 여과효율은 PAC(91.2%) > Alum(90.4%) > FeCl3(78.4%)로 PAC가 가장 우수하였다. 그러나 PAC의 경우 매우 좁은 범위에서 효과를 발휘하였고 Alum은 비교적 넓은 주입범위에서 효과적이었다. 이와 반면에 FeCl3의 경우 주입농도에 따라 효율변화가 크지 않아 넓은 범위에 적용이 가능하나 PAC, Alum과 비교하여 저조한 효율을 나타내었다. 유입원수의 농도에 따라 여과 효율을 비교한 결과 응집제의 종류에 상관없이 유입원수 의 농도가 증가할수록 수두손실이 증가하고 여과효율이 감소하였다.

    응집제의 형태에 따른 고형물의 회수율을 분석한 결과 PAC와 Alum은 80%수준을 보였고 FeCl3의 경우 72%로 낮은 회수율을 보였다. 그 이유는 철염은 알루 미늄 계열의 응집제 보다 플록의 크기가 크고 무겁기 때문에 고속으로 운전된 여과장치에서 내부의 여재에 부착, 흡착될 경우 분리가 어렵기 때문으로 판단된다. 연속적인 여과시험에도 평균 85%(표준편차 ±1.7%)의 여과효율을 보여 운전의 재현성은 매우 양호하였다. 또한 고형물의 회수율은 평균 79%(표준평차 ±9.6%)로 변동폭이 큰 것으로 나타났으나 반복적인 여과에 따 른 여과효율의 변화는 나타나지 않았다.

    여과효율은 응집제를 사용할 경우 크게 향상 시킬 수 있는 반면에 슬러지 발생량 및 최종 처리/처분 비 용이 증가할 수 있으므로 신중하게 결정해야 할 것으 로 사료된다. 여과속도 1500m/day는 하루에 단 1m2의 여재면적을 통해서 1500m3의 물을 처리할 수 있다는 의미이므로 대단히 매력적이며 모듈화, 소형화를 통 한 설치비용의 절감 및 부지확보 문제를 해결할 수 있다는 측면에서 섬유여과에 대한 다양한 연구가 필 요하다.

    사 사

    본 논문의 자료분석 및 준비는 국토교통부/국토교 통과학기술진흥원 건설기술연구사업의 연구비지원(13 건설연구S04)과 2015년도 한서대학교 교내연구지원에 의해 수행되었으며 이에 감사드립니다.

    Figure

    JKSWW-31-125_F1.gif

    Photo of the filter system and filter module.

    JKSWW-31-125_F2.gif

    Photo of the fiber media and influent used in this study.

    JKSWW-31-125_F3.gif

    Schematic diagram of the filter operation.

    JKSWW-31-125_F4.gif

    Schematic diagram of the cleaning methods used in this study.

    JKSWW-31-125_F5.gif

    Solids balance for filtration and filter cleaning.

    JKSWW-31-125_F6.gif

    Filter performance during filtration of yellow clay (No aid).

    JKSWW-31-125_F7.gif

    Schematic diagram of the filter ripening and clogging phenomenon.

    JKSWW-31-125_F8.gif

    Comparison of filter performance with different coagulants. (Filtration rate = 1,500m/day)

    JKSWW-31-125_F9.gif

    Particle size distribution of the feedwater and filtered water coagulated by PAC, Alum and Ferric Chloride.

    JKSWW-31-125_F10.gif

    Comparison of filter operation with different filter aids (Filtration rate = 1,500m/day; Feed water turbidity = 50NTU, Average inflow turbidity for PAC = 50NTU, Average inflow turbidity for Alum = 54NTU, and Average inflow turbidity for Fecl3 = 48NTU)

    JKSWW-31-125_F11.gif

    Influent turbidity versus filter efficiency using different filter aids.

    JKSWW-31-125_F12.gif

    Solids recovery during downward filter cleaning.

    JKSWW-31-125_F13.gif

    Schematic diagram of the filter cleaning procedure.

    JKSWW-31-125_F14.gif

    Samples of the wash water during each washing cycle.

    JKSWW-31-125_F15.gif

    Repetitive filter running tests to confirm recurrence.

    JKSWW-31-125_F16.gif

    Solids recovery after filter cleaning from different coagulant usages.

    JKSWW-31-125_F17.gif

    Schematically illustrated relationship between filter aid doses and filter performance.

    Table

    List of operational schemes for the filter

    Comparison of the operational parameters and cost of the difference filter aids

    References

    1. Bouraoui F. , Grizzetti B. , Granlund K. , Rekolainen S. , Bidoglio G. (2004) Impact of climate change on the water cycle and nutrient losses in a Finnish chtchment , Clim. Change, Vol.66 ; pp.109-126
    2. Carroll T. , Booker N.A. , Meier-Haack J. (2002) Polyelectrolyte-grafted microfiltration membranes to control fouling by natural organic matter in drinking water , J. Membr. Sci, Vol.203 ; pp.3-13
    3. Guerra H.B. (2013) High speed filtration using a highly porous fiber media for advanced and compact water treatment, Marster's Thesis, Hanseo University,
    4. Guerra H.B. , Niu S. , Park K. , Kim Y. (2014) High-Speed Filtration Using a Highly Porous Fiber Media for Advanced and Compact Particle Removal , Water Sci. Technol. Water Supply, Vol.14 (5) ; pp.735-742
    5. Horie N. , Kabata M. , Kanamori S. (2016) High rate filtration process, Japan Institute of Wastewater Engineering Technology,
    6. Kim B.C. , Jung S.M. (2007) Turbid storm runoffs in lake Soyang and their enviromental effect , Journal of Korean Society of Enviromental Engineers, Vol.31 (8) ; pp.655-662
    7. Ko J.S. (2006) Industrial Textile Materials-Theory and Practices, Chonnam National University Press,
    8. (2007) Sediment Management Plans for Protecting Aquatic Ecosystem,
    9. Mimikou M. , Blatas E. , Varanaou E. , Pantazis K. (2000) Regional impacts of climate change on water resources quantity and quality indicators , J. Hydrol. (Amst.), Vol.234 ; pp.95-109
    10. Neff R. , Chang G. , Knight C. , Najjar R. , Yarnal B. , Walker H. (2000) Impact of climate variation and change on Mid-Atlantic region hydrology and water resources , Clim. Res, Vol.14 ; pp.207-218
    11. Nicolaisen B. (2002) Developments in membrane technology for water treatment , Desalination, Vol.153 ; pp.355-360
    12. Niu S. , Park K. , Guerra B.H. , Kim Y. (2015) Experimental study on non-woven filamentous fibre micro-filter with high filtration speed , Water Sci. Technol, Vol.71 (9) ; pp.1414-1422a
    13. Niu S. , Park K. , Yu J. , Kim Y. (2015) Operation and performance evaluation of high-speed filter using porous non-woven filamentous fibre for the treatment of turbid water , Environ. Technol, Vol.37 ; pp.577-589b
    14. Park K. , Cheng J. , Kim Y. (2015) Treatment study of the turbid water by high-speed synsthetic fiber filter system , Journal of Korean Society on Water Enviroment, Vol.31 (3) ; pp.262-271
    15. Park K. (2016) Reduction of Particulate Matter by High Speed Filter Using Synthetic Fiber. Doctor's Thesis, Hanseo University,
    16. Pernitsky D.J. , Edzwald J.K. (2003) Solubility of polyaluminuim coagulant , coagulant, J. Water Supply: AQUA, Vol.52 (6) ; pp.395-406
    17. Pitt R. , Clark S.E. , Lake D. (2007) Construction site erosion and sediment controls, DEStech Publications. Inc,
    18. Development document for final effluent gudelines and standards for the construction and development category,
    19. Wood J. , He C. , Rochfort Q. , Marslaek J. , Seto P. , Yang M. , Chessie P. , Kok S. (2005) High-rate stormwater clarification with polymeric flocculant addition , Water Sci. Technol, Vol.51 (2) ; pp.79-88