3.2.1. Zeta 전위 측정 결과 (응집제 주입 농도 결정)

본 연구에서의 대상 시료에 대한 응집제 종류 및 주입량 별에 따른 최적 응집 조건을 도출하기 위하여 상징수에 대 한 Zeta 전위를 측정함으로서 최적 응집제 주입 농도를 결 정하였다. Zeta 전위는 용액 속에 존재하고 있는 콜로이드 입자의 표면 전기적 특성을 나타내는 전위 값으로, 값이 클수록 입자 사이의 정전기적 반발력으로 인하여 응집이 이루어지지 않는 반면 ‘0’에 가까울수록 큰 응집을 형성하 게 된다. 따라서 Zeta 전위를 통해 용액에 존재하는 입자의 안정성을 측정할 수 있기 때문에 수 처리에 있어서 응집 공정의 효율을 평가하는 지표라 할 수 있다. 시료 200 mL 당 PAC는 0.1-1.5 mL와 C-210P의 경우는 2-8 mL의 응집제 를 각각 첨가한 후 생성된 floc의 침강으로부터 상징수를 취하여 Zeta 전위를 측정하였다.

응집제 주입량에 따른 Zeta 전위 결과 값은 Fig. 2에 나타내었 다. 그 결과 PAC 응집제는 0.5 mL (Al 26mg/L), C-210P는 5.5 mL (55 mg/L) 주입량에서 Zeta 전위 값이 0mV에 가깝게 수렴 하였으며, 이때의 농도를 최적 주입량으로 결정하였다.

Fig. 2. Zeta potential according to dose of coagulant.

Fig. 3은 각 응집제별 최적 주입량일 때, Zeta 전위 값을 보여준다.

Fig. 3. Zeta potential of the optimum coagulant dose.

3.2.2. pH 및 알칼리도 변화량 측정 결과

PAC 및 C-210P 응집제의 농도별 주입량에 따른 상징수 의 pH 및 알칼리도 측정 결과를 Fig. 4에 나타내었다.

Fig. 4. pH and Alkalinity according to dose of coagulants.

PAC 응집제 주입량에 따른 pH와 알칼리도 변화량을 살펴 보면 그래프 (a)에서 보여주듯이 주입량 0.5 mL (Al 26 mg/L) 에서 주입량을 증가할수록 pH가 4.4까지 감소하였으며, pH 감소와 더불어 알칼리도 값 또한 큰 감소폭으로 변화함을 알 수 있었다. 반면, C-210P 응집제 농도에 따른 pH와 알 칼리도의 그래프 (b)는 비교적 pH 값이 일정하며, 실제 약 pH 평균 7.4를 기준으로 ±0.1 정도의 pH 차이 값들을 보 였다. 일정한 pH 값 변화와 관계있듯이 알칼리도 또한 PAC 응집제와는 비교적 일정한 값을 유지하였다. 이를 통 해 pH와 알칼리도가 응집 반응의 영향 요인임을 고려했을 때 응집제의 주입량에 따른 pH 및 알칼리도의 영향이 큰 PAC 응집제가 C-210P 응집제 보다 응집효율에 영향을 줄 것으로 판단된다.

3.3.1. Floc의 크기 및 침강성 비교

본 연구는 응집제와 슬러지와의 반응으로부터 형성된 floc의 크기 및 침강성이 탈수 성능에 미치는 영향을 알아 보기 위해 수행하였다.

Fig. 5는 응집제 종류별에 따라 floc의 크기를 비교한 자 료로서 최적 주입량을 기준으로 그 이하, 이상 주입했을 때 floc의 실제 모습을 보여준다. 유기 응집제의 대표적인 장점이 잘 나타나 있듯이 무기 응집제와는 다르게 floc의 크기가 유기 응집제 주입량이 많을수록 크게 형성하였으며, 약 1 cm - 1.5 cm 크기의 floc을 형성하였다. 또한 무기 응집 제와 유기 응집제를 이용한 이액 주입 방식은 유기 응집제 를 단독으로 주입했을 때 보다 floc의 크기는 크지 않지만, 유기 응집제 주입에 의하여 크기 분별이 가능할 정도로 floc 이 형성되었음을 판단할 수 있다.

Fig. 5. Pictures for floc according to dose of coagulants.

침강은 기본적으로 4가지 형태인 독립 침강, 응집 침강, 계면 침강, 압밀 침강으로 분류된다. 고농도의 부유물질을 포함한 침강은 일반적으로 계면 침전과 압밀침전이 독립 및 응집 침전과 함께 일어난다. 균일한 농도의 부유물질을 메 스실린더에 넣었을 경우, 단계적으로 침전이 이루어지는데 먼저, 분산되어 있는 가벼운 입자들은 독립 입자나 응결성 입자와 같이 침전되고 침전이 계속 일어나면 계면 침전 층 과 상층부에 맑은 층이 형성되면서 뚜렷한 경계면이 형성된 다. 이를 계면 침강이라고 하며, 압밀 침강은 연속적으로 가 해지는 응집 입자들에 무게 때문에 일어난다. 또한, 이와 같 은 침강 양상은 슬러지의 고형 입자 농도, 크기, 점도, 밀도 등의 특성에 따라 다르다. (^{Tchobanoglous et al., 2004}).

본 논문에서는 입자를 포함한 현탁액의 침강성 실험을 메스실린더를 이용하여 0-200min동안 5-10min 간격마다 floc 의 침강 부피를 측정함으로서 일정 시간 동안 floc의 침강 부피(mL)를 측정하는 방법으로 구성하였다. 이때, Jar-test 이후에 대상 시료는 floc이 깨지지 않도록 균일하게 혼합하 였다. 또한, 슬러지에 주입할 응집제는 floc 크기에 따른 침강 특성에 대한 뚜렷한 결과를 비교하기 위해서 PAC 응집제 보다는 다양한 크기의 floc을 형성 시킬 수 있는 C-210P 응집제를 활용하여 최적 주입량을 기준으로 floc 크기의 변 화와 그에 따른 침강성의 변화를 비교하는 목적으로 본 실 험을 수행하였다.

일정시간 간격에 따른 침강부피를 측정한 결과 비교적 계면 층 위로 맑은 층을 형성하였으며, 초기 침강 부피에 대한 t시간에서의 침강 부피 비(V_t/V₀)를 Fig. 6에 나타내었 다. Fig. 6을 보면 각각 주입량 5.5 mL, 8 mL에서는 10~30 min에서 급격하게 침강하나 30min 이후에는 변화가 없었 으며, 200min 까지의 최종 침강 체적 부피율은 85-90% 이 였다. 반면, 주입량 2 mL에서는 200min 동안 완만하게 감 소하는 경향을 보였고, 최종 침강 체적 부피율은 대략 75% 값으로 상대적으로 주입량 5.5 mL, 8 mL 보다는 10% 정도 이상에 침강이 이루어졌음을 알 수 있었다. 결과적으로 30min 이전의 각 주입량에 따른 그래프의 기울기를 비교하 면 floc의 크기가 클수록 침강성이 좋지만, floc이 최종 시 간까지 침강한 전체 침강 체적 부피는 주입량이 5.5 mL < 8 mL < 2 mL 순서로 초기(t=0) 보다 침강이 많이 이루어졌으 며 floc 크기와 비교했을 때 상관성이 없는 결과라 할 수 있다. 이 결과는 응집제 주입량을 많이 주입하여 응집 농 도 증가 및 floc의 크기를 성장시킴으로 인해 침강 하는 과 정에서의 간섭 받는 영향력이 많을 뿐만 아니라, 고 농도 의 입자성을 갖는 현탁액을 침강 시킬 경우에는 자유 침강, 간섭 침강, 압축 침강들이 단계적으로 과정이 진행되기 때 문에 오히려 응집 농도가 저 농도일 경우가 침강 반응 속 도가 빠르게 형성된 것으로 판단된다(^{Tchobanoglous et al., 2004}). 뿐만 아니라 침강 현상은 이론적으로 floc의 크기 외 모양, 밀도, 점도, 고형물 농도 등 많은 요인들이 작용 하기 때문에 본 실험 방법으로서는 응집 현탁 용액의 환경 조건에 따른 floc 간의 상호 작용이 고려되어 나타난 결과 로서 해석하기에는 어려운 점이 있다(^{Zhao, 2004a}, ^2004b).

Fig. 6. Sedimentation volume according to time of floc.

일반적인 슬러지의 침강성을 측정할 수 있는 방법으로 SVI (Sludge Volume Index) 및 SDI (Sludge Density Index) 값을 또한 구하였다. 일반적으로 SVI는 50-150 범위에서, SDI는 0.83-1.67 범위가 적당하다. Table 3에 C-210P 응집 제의 주입 농도에 따른 SVI 및 SDI 값을 비교한 결과 두 지표 모두 양호한 범위 안의 값을 나타내며 이로부터 최적 응집제 농도 조건 기준에서 그 이하 또는 이상의 주입량의 경우 양호한 침강 및 응집성을 가짐을 알 수 있었다. SVI 및 SDI 측정 외 고형물 flux 값을 산출하여 침강 특성을 분석하였다. 고형물 flux는 단위 시간 동안에 단위 면적 당 고형물 이동량을 말하며, 고형물 농도를 변화에 따른 일련 의 침강 실험을 통해 얻어진 자료부터 얻을 수 있다. 중력 에 의한 고형물 flux는 고형물의 농도와 그 농도에서의 고 액계면 침강속도에 의해 결정되며 관계식은 다음과 같다. (^{Kim, 2005}; ^{Kim et al., 2004}).

SF_g = 중력의 의한 고형물질 플럭스, kg/m²h

C_i = i 지점에서의 고형물 농도, mg/L

V_i = 농도 C_i 에서의 고액계면의 침강속도, m/h

본 연구에서는 슬러지 고형물 농도에 따른 고형물 flux가 아닌 0-200min 범위에서의 각 침강 속도를 구하여 침강 시 간에 따른 고형물 flux 관계를 통해 침전되는 응집 입자의 이동량을 계산하였다. 이 때, C-210P 2, 5.5, 8 mL의 주입량 에 해당하는 시료의 고형물 농도는 2966.67 mg/L, 3095.11 mg/L, 3330.11 mg/L 이였다.

그 결과 Fig. 7에 나와 있듯이 초기의 고형물 flux 값과 침강 시간이 지남에 따른 고형물 flux 변화로부터 응집 입 자가 침강되는 이동량의 폭이 응집제 주입량이 많을수록 크다는 것을 알 수 있었다. 이에 대한 주된 영향 요인은 침강 속도의 차이일 것으로 판단되어지며, 전체적으로 양호 한 SVI 및 SDI 값과 고형물 flux를 고려했을 때, 본 연구 에서는 양이온 고분자 응집제를 최적 주입량에 상관없이 형성된 floc 크기가 클수록 일시적인 순간의 침강 속도는 좋지만, 전반적으로 여러 환경 조건을 무시하고 floc 크기 만을 침강효율의 영향 요소로 분석하기에는 어려움이 있다 는 것을 확인하였다.

Fig. 7. Variation of solid flux according to sedimentation time.

3.3.2. SRF (Specific Resistance of Filtration, 비여과저항)

응집제 종류 및 주입 방식에 따른 슬러지의 탈수성 효율 을 알아보기 위해 SRF(Specific Resistance of Filtration, 비 여과저항) 실험을 수행하였다. 또한, SRF 탈수 실험에 영 향을 줄 수 있는 중요 요인 중 탈수성 평가를 위한 비교 인자로서 점도를 측정하였다.

PAC 및 C-210P 응집제에 대한 각각의 단일 주입 방식과 PAC 응집제를 선반응 시킨 후 C-210P 응집제를 주입하는 이액 주입 방식을 통하여 주입 방식에 따른 탈수 특성을 조사하였다. 이액 주입 방식은 Zeta 전위 결과로부터 얻은 PAC 응집제의 최적 농도 값을 고정하고 이에 따른 C-210P 응집 제 농도 변화 실험을 통해 SRF 결과 값을 얻었다.

Table 4로부터 알 수 있듯이, 각 응집제 주입 농도별에 따른 응집 전후의 점도는 C-210P 응집제가 PAC 응집제보 다 높지만, 0.81-0.87 mPa·S의 범위로 약 4-7% 정도의 차 이 밖에 나지 않기 때문에 탈수성에 미치는 영향력은 높지 않을 것으로 판단된다. 탈수성은 SRF 값이 클수록 나쁨을 의미하므로 응집제의 단일 주입 방식만 비교했을 때 전체 적으로 농도가 증가할수록 탈수성이 향상되었다. PAC 응집 제보다 C-210P 응집제의 탈수성이 좋게 나타났으며, 최적 응집 조건에서의 탈수성은 각각 SRF (r, m/kg)값이 1.16×10¹² (PAC 0.5 mL), 3.14×10¹¹ (C-210P 5.5 mL)로 C-210P 응집제 가 높은 탈수성을 보여주었다. 반면 이액 주입 방식은 단일 주입 방식의 응집 조건보다는 응집제 농도 변화에 따른 비 저항 계수 r 값의 차이가 크지 않았으며 PAC 0.5 mL(Al 26 mg/L) 만 주입하는 경우보다 C-210P 응집제를 후공정으로 주입할 경우가 최소 30%에서 최대 75%까지 높은 효율을 나타내었다. 본 실험 결과로부터 양이온성의 유기 응집제가 탈수성 효율이 높은 이유는 C-210P 응집제로 응집 반응 시 킨 결과가 Fig. 5와 Fig. 6, 7에서 알 수 있듯이 큰 입자를 형성함으로서 슬러지 cake 상과 액상 사이에 고액 분리 및 침강성이 좋았기 때문이며 결과적으로 슬러지의 부피 감소 와 큰 입자간의 탈수 될 수 있는 큰 공간율로 부터 높은 탈수성 결과가 나온 것이라 판단된다. 또한 무기응집제와 유기 응집제의 이액 방식에서도 PAC 응집제의 선반응으로 인하여 슬러지의 표면전하를 앞서 중화시키고 유기 응집제가 큰 floc으로 성장시키는 응집 반응 mechanism 때문에 PAC 응집제보다는 더 높은 탈수 효과를 나타난 결과로 판단된 다(^{Jung et al., 2012}). 본 논문과 관련하여 타 연구에서는 잉여슬러지를 폴리 아크릴 아미드 계통의 분말 고분자 응 집제를 주입하여, 주입 농도 조건하에서 1.25 × 10¹¹ ~ 1.46 × 10¹⁰ m/Kg 범위의 비저항 값을 얻었으며, 잉여 슬러지와 소 화슬러지를 혼합한 경우에는 잉여슬러지의 혼합비가 높을 수록 오히려 탈수 성능을 떨어뜨리는 결과가 나타났다(^{Kim et al., 1998}). 농축슬러지의 탈수성 향상에 대한 개선 방법 으로 폐지 및 카본을 주입을 하면 SRF 값으로부터 최대 98%의 효율을 얻을 수 있으며(^{Moon, 2011}), 고농도의 축산 폐수는 무기 및 양이온 고분자 응집제의 단독 주입하는 것 보다 혼합 적용할 시에 침강성과 탈수성의 높은 효율(^{Kang and Min, 2002}) 등을 보여준다. 타 연구와 다르게, 본 연구 에서의 잉여슬러지를 이용한 탈수 효율은 무기 응집제 및 유기 응집제, 혼합 응집제를 사용 했을 경우, 주입한 농도 범위에서의 가장 낮은 SRF 값은 응집제를 주입하지 않은 슬러지의 초기 SRF 값보다 각각 89.71, 99.18, 89.75% 감 소 효율의 결과를 얻을 수 있었다.