[환경공학실험]Jar Test(약품응집실험)

실험 목적

부유 상태로 침강하지 않는 콜로이드성 입자의 침전을 위한 최적의 응집제량과 최적의 응집제량을 바탕으로 최적의 pH를 결정한다.

 

 

실험 이론 및 원리

1. 서론

상수도 시설을 통하여 공급되는 물은 정수장에서 침전, 여과, 소독 등 여러 단계를 거쳐서 생활용수 및 공업용수 등으로 공급되게 된다. 물 속에 현탁 되어있는 활성슬러지 처리후 미생물, 벌킹미생물, 부유물질(SS) 및 콜로이드 물질은 진비중이 1.0보다 크지만 겉보기 비중이 물과 비슷해 침강하지도 않고 물표면에 떠오르지 않아 분리되기가 어렵게 된다. 

따라서 미생물, 현탁입자 등을 분리 제거하기 위해 pH를 조정한 다음 반응조에서 응집제를 주입, 미세입자들은 서로 응결시켜 응집조에서 anion polymer를 주입해 겉보기 비중을 무겁게 함으로써 침강속도를 바르게 하여 침전조에서 고액분리 시킴으로써 안전하게 처리할 수가 있다. 따라서 오염물질의 농도가 높을지라도 약품을 주입시킴으로 언제나 대처할 수 있어 가장 안정하게 운전 관리할 수 있게 된다.

 

2. 실험 배경

콜로이드 입자가 침강하기 위하여는 입자간의 응집이 이루어져 입자의 크기가 커져야 한다. 그러나 앞장에서 검토한 바와 같이 콜로이드 입자는 표면의 전하로 인하여 두 대전체 사이의 반발하는 힘인 쿨롱(Coulomb)력에 의한 반발로 응결을 방해하는 안정요소로 작용하며 두입자 사이의 반데르발스(Van der Waals)력에 의한 인력은 응집을 일으키는 불안정요소로 작용한다.

그림-1는 두 입자들 사이에 존재하는 정전기적인 반발력(쿨롱력)과 반데르 발스 인력을 나타낸 것으로 두입자들이 서로 접근하게 되면 서로 떨어져 있으려는 정전기적 반발력이 증가한다.

그림-1 안정된 콜로이드 입자간의 인력 및 반발력

그러나, 이 에너지 장벽을 넘어 서로 충분히 가까워 지면 반데르 발스 인력이 지배적으로 되어 입자들이 합쳐 지게 된다. 콜로이드 입자들을 응결시키려면 이 입자들 사이의 에너지 장벽을 극복할 수 있는 충분한 운동에너지를 가해 주거나, 입자표면의 반대전하를 가진 응집제를 가하여 표면전하를 중화시키거나, 전해질을 첨가하여 그림-2에서 보는 바와 같이 입자간의 반발력을 감소시켜 에너지 장벽을 낮추어야 한다

 

그림-2 불안정화된 콜로이드 입자간의 인력 및 반발력

 

3. 응집(Flocculation)

쇄상(鎖狀)의 수용성 고분자물질에 의하여 입자간의 가교작용(架橋作用)으로 접착시키는 현상을 응집(Flocculation)이라고 한다.입자의 접착력은 고분자와 입자간의 접착력과 접촉매체인 고분자간의 접착력의 두가지 작용에 의하는 것으로 알려져 있다.고분자와 입자간의 접착력은 고분자와 입자간의 친화력, 분자간 인력, 수소결합등을 생각할 수 있다.

친화력은 고분자가 가지는 친수성, 소수성의 밸런스, 활성기의 종류에 관련이 있고 분자간 인력은 입자와 고분자간의 밀착도와 중합도에 관계된다.두번째 요인인 고분자간의 접착력에 관하여는 고분자의 분자량, 만곡성(彎曲性), 기타의 조건에 영향을 받고 고분자속(高分子束)의 생성법과 자체의 결합성이 관계된다. 고분자의 응집력은 분자량과 관계가 있으며 분자량은 중합도와 관계되며 고분자 용액의 점도의 측정으로 대체적인 분자량을 알 수 있다.

 

4. 응집의 조건

1) 교반(Agitation)

콜로이드 입자간의 응결이나 응집이 일어나게 하려면 우선적으로 표면전하의 중화, 응집제에 의한 가교작용등이 필요하나 콜로이드간의 접착을 위하여 콜로이드 상호간 충돌의 기회를 많게 하여야 하며 하며, 효율적인 응집을 위하여는 콜로이드의 Brown운동만으로는 부족하며 유체의 교반을 통한 난류변동을 주어 입자가 floc상의 응집이 일어나도록 하여야 한다. 그러나 과도한 교반은 유체의 흐름에 대한 속도경사(velocity gradient)의 증가에 따라 전단력이 증가되어 응집된 floc이 붕괴되어 무제한으로 응집되지는 않는다. 실제의 floc형성 조작에서는 교반을 적정하게 행함에 따라 floc의 성장을 촉진시켜 응집효율을 좋게 하는 동시에 floc의 파괴를 적게하는 노력이 필요하다

 

2) pH의 영향

현탁용액의 pH는 콜로이드 입자의 표면전하를 일으키는 분자의 해리와 응집제의 해리등에 영향을 주므로 응집력에 크게 영향을 미치며 응집제의 종류에 따라 적절한 pH범위가 있으며 응집효과를 높히려면 해당 응집제별 적정 pH범위로 응집처리를 하여야 한다.

 

5. 응집제의 종류(화학적 응집시설)

1) 개요

2차 처리수중에는 침전이 어려운 미세입자, 부유 고형물 등이 존재하는데 이는 전하를 지니고 서로 안정되게 수중에 존재하며, 탁도나 색도를 유발하고, 1,2차 처리시설로는 제거가 어려운 경우가 있다. 이를 응집제를 사용하여 미세입자들을 응집시켜 플록(Floc)으로 형성하고, 응집보조제의 추가 투입으로 거대한 플록으로 성장시켜 침전성이 좋게 할 필요가 있는데, 이러한 플록의 측징은 함수율이 높고 비중이 작으나 입경이 크기 때문에 쉽게 침전하게 된다. 

수중에 응집제를 투여하게 되면 응집제와 폐수중의 미세입자와 충돌수를 크게 하기 위하여 급속교반을 한 다음, 완속교반으로 플록입자의 조대화를 기할수 있는데 이때 응집보조제를 병행하면 효율이 증진된다. 응집반응은 응집제의 종류 및 투여량, 교반조건 등에 따라서도 달라지지만 2차 처리수중의 온도, pH, 알카리도 등에 의해서도 효과가 달라지므로 2차 처리수의 특성을 파악하는 것이 무엇보다도 중요하다.

화학적 응집은 2차 처리수중에 금속염(알루미늄, 철염)이나 석회를 가함으로써 용존 및 부유물질의 물리학적 상태를 변화시켜 침전 및 부상분리에 의해 제거될수 있도록 화학약품을 첨가하는 것으로 말한다. 응집제로는 알루미늄, 철염등이 가장 많이 사용되며, 플록의 침전 및 부상분리를 빠르게 하기 위해 고분자 응집제와 같은 응집보조제를 사용하기도 한다.

2) 황산알루미늄(Aluminium Sulfate : Al2(SO4)3․18H2O)

황산알루미늄은 Alum 또는 황산반토로 불리우며 1885년 Rutger대학의 Austen과 Wilber교수가 응집특성에 관한 연구를 발표한 이후 우수한 응집특성과 저렴하고 무독성이며 거의 모든 수중의 탁질에 적합하고 취급이 용이하여 오늘날까지 가장 광범위하게 사용되고 있는 응집제이다.

 

제조공정은 최근 알루미늄공업의 발달에 따라 값싼 수산화알루미늄을 얻을 수 있기 때문에 수산화알루미늄을 주원료로 아래 반응식과 같이 황산과 반응시켜 제조함으로써 불순물을 함유하지 않은 순도 높은 제품을 제조하고 있다.

2Al2(OH)3 + 3H2SO4 → 2Al2(SO4)3 + 6H2O

황산알루미늄은 고상과 액상이 있으며 고상은 Al2O3(알루미나분)로서 14~15%이고 액상은 Al2O3(알루미나분)로서 8%인 제품이 일반적으로 사용되고 있다. 황산알루미늄의 결정석출점은 8.3%일 때 -14℃로 가장 낮으며 농도가 증가하면 결정석출온도가 급격히 높아져 상온에서도 결정이 석출되어 보관 및 주입설비를 폐쇄하여 사용할 수 없다. 황산알루미늄이 응집작용을 위하여 중탄산알카리도와의 응집반응식은 아래와 같다.

Al2(SO4)3․18H2O + 3Ca(HCO3)2 → CaSO4 + Al(OH)3 + 6CO2 + 18H2O

또한 황산알루미늄 1㎎/ℓ의 주입율에 따른 수중의 알카리도 소모율은 CaCO3를 기준으로 0.45㎎/ℓ이다.

알카리도소모율=1㎎/ℓ×{(3×CaCO3)/Al2(SO4)3․18H2O} = 0.45㎎/ℓ

 

장점	단점	적정pH범위
1. 가격이 저렴 2. 거의 모든 현탁물에 유효 3. 무독성 4. 부식성이 적어 취급 용이	1. floc이 철염보다 가벼움 2. 응집 pH범위가 좁음	5.5~8.5

 

3) 황산제1철(Ferrous Sulfate : FeSO4․7H2O)

녹반이라고도 불리우며 제조방법은 철을 희황산에 용해시키거나 황산철을 자연산화시켜 만든다. Fe+2 이온은 엷은 녹색을 나타내며 용해도가 크기 때문에 거의 침전하지 않으며 pH 7.7이상에서 침전이 생긴다. 일반적으로 침전물을 형성하기 위하여는 석회가 동시에 첨가되어야 하고 응집제로서 반응은 아래와 같다.

FeSO4․7H2O + Ca(HCO3)2 → CaSO4 + Fe(HCO3)2 + 7H2O

Fe(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 → Fe(OH)2 + CaCO3 + 2H2O

수산화 제1철은 수중에 녹아 있는 산소에 의해 수산화 제2철로 된다. 또한 황산제1철 1㎎/ℓ의 주입율에 따른 수중의 알카리도 소모율은 CaCO3를 기준으로 0.36㎎/ℓ이다.

장점	단점	적정 pH범위
1. floc이 무거워 침강속도가 빠름 2. 값이 싸다.	1. 부식성이 강하다. 2.철이온이 잔류한다.	9~11

 

4) 염화제2철(Ferric Chloride : FeCl3․6H2O)

염화제2철은 암갈색을 띠며 제조방법은 철과 염산을 반응시켜 염화제 1철을 만든 후 염소가스로 산화시켜 염화제2철을 만들며 그 응집반응은 아래와 같다.

FeCl3 + 3H2O → Fe(OH)3 + 3H+ + 3Cl-

장점	단점	적정 pH범위
1. floc이 무거워 침강속도가 빠름 2. 색도제거에 유효하다. 3. 응집 pH범위가 넓다. 4. 황화수소의 제거나 에멀션의 파괴에 유효하다.	1. 부식성이 매우 강하다. 2. 희박용액(pH 2이상)에서 수산화물을 생성한다. 3. 처리후 색도가 남는다.	9~11

 

5) 폴리염화알루미늄(Poly Aluminium Chloride : [Al2(OH)nCl6-n]m)

황산알루미늄 이후 새로운 응집제로 PAC라고 불리는 폴리염화알루미 늄이 만들어져 응집성능이 탁월하여 현재는 정수처리장에서 황산알루미 늄을 대체하여 가장 많이 사용하고 있다. 폴리염화알루미늄은순수한 폴 리염화알루미늄용액에 가수분해가 되지 않는 범위에서 중축합촉진제로 황산이온을 적당량 가하여 혼합 숙성시킨 함황산 폴리염화알루미늄으로 사용된다. 수도용 폴리염화알루미늄은 무색 내지 담황색의 투명한 액체 로 Al2O3(알루미나분)로서 10~11%인 제품이 일반적으로 사용되고 있 다.

 

PAC는 황산알루미늄에 비하여 다음과 같은 장점이 있다.

① 저탁도 및 고탁도수나 후민질성 착색수에 대하여도 황산알루 미늄 보다 효과가 있다.

② 적정주입율 폭이 매우 넓으므로 과량 주입에 의한 역효과가 적어 작업의 안전성이 좋아 진다.

③ 알카리도의 저하가 황산알루미늄에 비하여 약1/2로 적어 알카 리제 의 투입량이 절감된다.

④ floc의 형성속도가 빠르고 floc의 크기가 커서 침강속도가 빠 르다.

⑤ 저온에서도 응집효과가 좋다.

⑥잔류 알루미늄 농도가 낮다.

6)석회

침전제로서 석회가 단독으로 가해졌을 때 그 원리를 설명하는 반응식은 다음과 같다.

Ca(OH)2 + H2CO3 → CaCO3 ↓ + 2H2O

Ca(OH)2 + CaO(HCO3)2 → 2CaCO3↓ + 2H2O

모든 유리탄산과 중탄산염의 탄산과 결합하여 응집제로서 작용하는 탄산칼슘을 형성하도록 하기 위해서는 충분한 양의 석회를 가하여야 하며, 황산철과 공동으로 사용했을때보다 훨씬 많은 양의 석회가 필요하다.

7) 인제거를 위한 화학적 응집침전

2차 처리수로부터 인을 제거하는 공정은 2차 처리수중에 금속염 (알미늄염, 철염)이나 석회를 가함으로써 인을 난용성 물질로 응결시켜 침전제거하는 공정으로 이들 화학약품에 의한 응집효과가 있어 오르토인산 뿐만 아니라 고형물등에 함유된 다른 형태의 인도 함께 제거할수 있다.

① 금속염에 의한 인제거

금속염은 미처리 폐수, 활성슬러지 포기조, 최종침전처리수로 등 다양한 장소에서 주입될 수 있지만 폴리인산염(Poly phosphate)과 유기인 (Organic phosphorus)은 오르토인(Ortho phosphorus)에 비해 잘 제거가 되지 않기 때문에 2차 처리후 주입할 경우 높은 제거율을 얻을수 있다. 이론적으로 용해도가 최소가 되는 pH는 AlPO4의 경우 6.3, FeSO4의 경우 5.3이나 실제적으로는 pH5.5~7.0의 범위에서는 어느때나 인의 제거효율이 양호하다.

약품주입에 따른 침전성 향상으로 여분의 질소도 제거되지만, 1차 처리시 약품주입이 질산화가 일어나는 지점에서 BOD부하를 감소시키지 않으면 실질적인 암모니아 제거는 일어나지 않는다. 알미늄염과 철염에 의한 인제거 반응은 다음식과 같다.

a) Al2(SO4)3 + 2H2PO4- + 4HCO3- → 2AlPO4↓ + 3SO42- + 4H2CO3

b) NaAlO2 + H2PO4- + 2HCO3- → AlPO4↓ + Na+ + 2CO32- + 2H2O

a)의 반응에서는 알카리도와 pH가 저하되고 b)의 반응에서는 알칼리도와 pH가 상승하게 된다.

c) 4FeSO4 + O2 + 4H2PO4- + 4HCO3- → 4FePO4↓+4SO42- + 2H2O + 4H2CO3

d) Fe2(SO4)3 + 2H2PO4- + 4HCO3- → 2FePO4↓ + 3SO42- + 4H2CO3

e) FeCl3 + H2PO4- + 2HCO3- → FePO4↓ + 3Cl- + 2H2CO3

위의 반응에서는 알카리도와 pH가 저하된다.

○ 장점

- 안정하고 제거공정이 확립되어 있으며, 통상 많이 사용된다.

- 폐수의 산용액을 상용하면 약품비가 감소한다.

- 화학약품 사용량은 근본적으로 폐수의 인농도와 유출수 수질에 영향을 받는다.

- 인제거 공정이 단순하다.

- 기존 처리장의 보완시설 설치시 비용이 상대적으로 적고 설치가 용이하다.

- 슬러지 생성과정이 기존 공법과 동일하다.

- 최종침전지에 금속염을 첨가하는 경우에는 2차 처리시 20~30%의 유기물 부하량을 감소시킨다.

- 최대한 금속염의 사용을 효율화함으로서 처리수의 농도를 조절한다.

○ 단점

- 생물학적 인제거 공정보다 화학약품비가 크다.

- 슬러지의 발생량이 많고 처분비가 크다.

- 슬러지의 탈수효율이 떨어진다.

② 석회에 의한 인제거

서회는 인제거를 위해 최초침전지나 최종침전지의 유출수에 투입된다. 이때 석회수요량은 수중의 CO2, NH4+, HCO3- 등을 중화시킨후 CaCO3가 충분하게 응결되어 Ca5(PO4)3OH 응결을 위한 핵이 될 수 있을 정도까지 pH를 상승시키는데 필요한 양으로 금속염에 비해 처리하여야 할 슬러지량이 크게 증가하게 된다. 또한 석회의 취급, 보관, 주입에 따른 운전 미 유지관리상의 문제등으로 인제거시 석회사용은 감소하고 있는 추세이다.

석회에 의한 인제거 반응은 다음과 같다.

a) Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3↓ + H2O

b) Ca(OH)2 + 2NH4+ → Ca2+ + 2NH3+↑ + 2H2O

c) Ca(OH)2 + 2HCO3- → CaCO3↓ + CO32- + 2H2O

d) Ca(OH)2 + 2H2PO4- → 2HPO42- +Ca2+ + 2H2O

e) 5Ca2+ + 4OH- + 3HPO42- → Ca5(OH)(PO4)3 + 3H2O

석회슬러지는 소성화할수 있는데 이 공정은 재석회 공정의 비용이 많이 소요되므로 대용량의 처리장에만 적용 가능하다.

○ 장점

- 공정이 단순하며 2차처리수의 인농도보다 2차 처리수의 알카리도에 영향을 받으므로 pH조절에 의해 석회사용량을 조절할수 있다.

- 높은 인제거 효율이 있다.

- 크롬, 니켈등 여러 가지 금속들도 제거된다.

○ 단점

- 경수(Hard Water)를 사용하는 처리장에서는 약품비가 크다.

- 다른 공정들 보다 슬러지 생산량이 많다

- 석회저장, 공급, 운영장비가 고가이다

- 운영비 및 유지관리비가 높다.

6. 응집제의 역할

대부분 수중에서 제거해야할 콜로이드의 제타전위는 -10mV 이하이다. 이를 반데르발스힘에 의한 결합 가능한 범위(-10mV ~ +10mV)로 응집대상 입자표면의 전하를 중화하는 역할을 한다. (즉, 콜로이드의 불안정화조작) 응집제는 보통 알루미늄과 철염을 사용한다. 이러한 금속염을 물에 투입하면 가수분해 되어 일반적인 pH 범위에서 (+)전하를 가진 미립자가 발생하여 입자들간의 응집이 이루어진다.

 

응집제	화학식	용해도 (% @10~30℃)
고형황산알미늄	Al2(SO4)3․18H2O	65.3 ~ 78.8
액체황산알미늄	Al2(SO4)3 용액	-
폴리염화알미늄 (PAC)	[Al2(OH)mCl6-m]n (m=2~4)	-
암모늄백반	Al2(SO4)3(NH4)2․SO4․24H2O	9.5 ~ 20.0
칼륨백반	Al2(SO4)3․K2SO4․24H2O	7.6 ~ 16.6
황산제일철	FeSO4․7H2O	37.5 ~ 60.2
황산제이철	Fe2(SO4)3	大

실험 기구 및 시약

1. 실험 기구

① 응집교반기(Jar Tester) - Daeheung Science, D-6JT 0-300rpm

② pH Meter – HL2216, Hanna instruments

③ 탁도계 (wtw, DE/Turb 350 IR, 휴대용, 0-1100NTU)

④ 비커(1000ml) 6개

⑤ 매스실린더(250ml), 피펫, 시계

 

2. 실험 시약

① 시료(인공탁수), 응집제(100ppm PAC), 0.1N HSO, 0.1N NaOH

실험 방법

1. 실험 과정

① 원수의 탁도와 pH를 기록한다.

② 응집제인 0.1%PAC을 0.01%로 희석한다.

③ 원수를 1L 비커 6개에 500ml씩 담는다.

④ 희석된 응집제를 각각의 비커에 0, 2, 4, 6, 8, 10mL씩 투여한다.

⑤ 비커들을 테스터기에 배열 후 처음 2분간 200rpm으로 급속 교반한다.

⑥ 다음 15분간은 5분 간격으로 60, 40, 20rpm으로 조절하며 완속 교반 한다.

⑦ 교반 종료 후 30분간 침전시킨 후 상등액을 채수한다.

⑧ 각 상등액의 pH 및 탁도를 측정한다.

⑨ 실시한 실험과정을 통해 결정된 최적의 응집제 양을 6개의 500ml 원수가 담긴 비커에 넣고 pH를 4, 5, 6, 7, 8, 9로 조절한다(마그네틱교반기로 교반하면서 조절한다).

⑩ pH조절된 비커들을 테스터기에 배열하고 ➄~➇의 과정을 반복하여 최적 pH를 기록한다.