2.1. 여과필터 및 여과보조제

여과필터는 현재 하수처리시설 내 재이용수 생산시설 현 장에서 적용하고 있는 폴리에틸렌(Polyethylene, PE)과 효과 적인 여과필터소재를 선정하기 위하여 M사가 제조한 폴리 프로필렌(Polypropylene, PP)을 대상으로 여과성능을 검토 하였고, 여과보조제로는 대부분 SiO₂ 86 ~ 93 % 함유되어 있는 다공성 규조토(Diatomite)와 규조토를 더 미세하게 분 말화한 Celpure^®100(SiO₂ 96 ~ 98 %) 그리고 SiO₂ 65 ~ 70 %가 함유되어 있는 산성백토(Acid clay) 등을 그린워터케 미컬(주)에서 구입하여 사용하였다. 여과보조제의 추가적인 성분으로는 Al₂O₃, Fe₂O₃, MgO 등이 함유되어 있으며, 다 공성이 커서 80 ~ 90 %의 공극율을 가지고 있는 구조이다 (^{Khraisheh et al., 2004}). 본 연구에 사용한 여과보조제의 입도분포는 Fig. 1과 같다. 여재의 입도분포는 부유물질 등 오염원 제거 효율에 영향인자로 규조토의 d₅₀은 77.64 μm, Celpure^®100의 d₅₀은 20.17 μm이었고 산성백토의 d₅₀은 33.20 μm을 나타내었다.

Fig. 1. Particle size distribution of filter-aid: (a) Diatomite, (b) Celpure®100, (c) Acid clay.

2.2. 실험방법

여과장치는 실험실용 흡입여과기와 진공펌프(DOA-P704- AC, Gast Manufacturing, INC.)를 이용하였으며(Fig. 2), 여 과필터를 47Φ사이즈(여과면적 17.35 cm²)로 자른 후 휠타 서포트에 올려놓고 여과보조제를 물과 혼합한 후 필터위에 pre-coat층을 형성시킨 다음 U하수처리시설의 하수원수 및 2차 처리수를 300 mL 이상 여과하였다. 본 실험결과에 대 한 신뢰도를 높이기 위하여 동일한 시료와 조건에서 2 ~ 3 회 반복적으로 여과실험을 수행하였고, 여과수의 수질은 수 질오염공정시험기준에 따라 COD_Mn, T-P, SS 등을 3회 이 상 분석하였다. 여과보조제 및 하수 2차처리수의 입도분포 는 입도분석기를(LS I3-320, Beckman counter)이용하여 측 정하였고, 주사전자현미경(TESCAN　VEGA3, Tescan)을 이 용하여 여과보조제 및 여과 후 여과보조제의 표면을 분석 하였다.

Fig. 2. Schematic diagram of lab-scale apparatus.

3.1. 폴리에틸렌 여과필터를 이용한 하수 2차처리수 의 처리효과

현재 현장에서 적용되고 있는 폴리에틸렌 필터를 사용하 여 여과보조제 종류에 따른 처리효율을 검토하고자 여과보 조제양은 57.64 g/m²로 pre-coat층을 형성시킨 다음 하수 2 차처리수를 여과하였다. 폴리에틸렌 여과필터에 규조토 여 과보조제양을 57.6 ~ 288.2 g/m²까지 변화시켜 pre-coat층을 형성시킨 후 하수 2차 처리수 처리특성을 2 ~ 3회 반복하여 실험한 결과의 평균값을 Table 1에 나타내었다. 여과보조제 양이 증가함에 따라 여과하는 시간 및 유량이 감소되는 것 으로 보아 여과보조제의 작은 입자들로 인해 여과필터의 공극이 막혀서 효율이 저하된 것으로 판단된다(^{Du et al., 2011}). 여과필터로만 이용하여 실험한 결과 SS제거효율은 약 44 ± 2 %정도 이었으나 규조토를 표면에 일정한 두께로 코팅한 후 여과한 경우 SS제거효율은 82.4 ~ 87.8 %로 향상 되었다. 그러나 규조토의 양이 많은 경우 ± 5 % 이하의 편 차를 갖는 것으로 나타났다. COD의 경우 여과보조제의 양 이 증가함에 따라 코팅두께도 증가되어 처리수의 농도가 약간 감소되는 것을 알 수 있었으나 큰 차이가 없었다. 본 실험시 유입원수의 평균 T-P농도는 0.123 mg/L이었고 규조 토보조제 양을 57.6 g/m²로 pre-coat 하였을 때 제거효율은 약 21.1 ± 2 %로 나타났다. 여과보조제의 양이 증가할수록 감소한 이유는 여과보조제의 코팅과정 중에 보조제의 쏠림 현상이나 여과과정 중에 압력에 의해 PE여과필터의 조직이 부분적으로 넓어져 여과보조제로 사용한 규조토의 미세 입 자나 여과 과정 중 포획된 입자가 유실되어 처리수에 영향 을 미친 것으로 판단된다. 탁도의 경우 보조제양이 증가하 여도 변화폭이 크지 않은 것은 여과처리수내 유실된 규조 토 미세입자수가 상대적으로 적어 수질과 달리 탁도에 영 향을 미치지 않은 것으로 판단된다(^{Shim et al., 2001}). ^{Du et al. (2011)}은 과잉으로 여과보조제를 첨가할 경우 여과보 조제의 케익층이 두꺼워 저향력이 높아져서 여과횟수가 줄 어드는 것으로 보고하였다. 그러므로 여과보조제의 최적양 은 제거대상원수의 부유 고형물의 크기, 양 및 유형에 따 라 차이가 있을 것으로 사료된다.

여과보조제 종류에 따른 여과속도 및 수량을 파악하기 위하여 PE필터에 규조토, Celpure^®100, 산성백토 여과보조 제양을 172.9 g/m²로 pre-coat층을 형성시킨 다음 하수 2차 처리수를 간헐회분식으로 1회여과시 500 mL씩 여과하면서 여과시간을 측정하여 Fig. 3에 나타내었으며, 이때 유입수 농도는 유입수의 SS농도가 3 ~ 4 mg/L이었다. 산성백토의 경우는 0.5 L 여과하는데 1 hr 이상 소요되어 이후는 실험 을 진행할 수 없었으며, Fig. 1에서도 나타난바와 같이 평 균입경이 큰 규조토가 Celpure^®100보다 여과속도가 빠른 것으로 나타났다. 이와 같이 동일한 농도에서 여과보조제의 입자에 따라 여과속도가 다른 것을 알 수 있었으며, 여과 횟수가 증가할수록 하수처리수내 부유물질의 영향으로 여 과저항이 증가하여 서서히 여과속도가 느려지는 것을 알 수 있었다(^{Ediz et al., 2010}). 이때 처리수의 SS농도는 규 조토여과의 경우 1.6 mg/L이었으며, Celpure^®100의 경우는 1.0 mg/L로 규조토보다 약간 양호 수질을 나타내었다. 이는 일반 규조토보다 Celpure가 투과성이 느리고 밀도도 작아 고형물을 포집할 수 있는 용량이 크기 때문인 것으로 판단 된다(^{Michen et al., 2011}; ^{San and Imaretli, 2011}).

Fig. 3. Filtration rate of PE filter, with filter-aids at 172.9 g/m2(Error bars: Standard deviation,p< 0.05).

하수 2차 처리수와 규조토여과수중의 입자의 입도분포를 측정하여 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 하수 2차 처리 수중 입자의 입도분포는 0.05 ~ 200 μm로 나타났으며 2 ~ 5 μm는 약 23 %정도이었고, 15 ~ 80 μm 입자는 60 % 이상 차지하는 것으로 나타났다. 여과보조제 규조토를 57.64 g/m²로 pre-coat 하였을 때 여과수중의 입자의 입도분포를 보면, 100 μm 이상과 0.05 ~ 2 μm 범위는 모두 제거되었으 나 2 ~ 4 μm, 20 ~ 100 μm의 경우 증가되는 경향을 나타내 어 이는 여과 시 유실된 규조토여과보조제 입자인 것으로 판단된다.

Fig. 4. Particle size distribution of biologically treated effluent and diatomite filtration. (a) Secondary effluent, (b) Diatomite filtration water

3.2. 폴리프로필렌 여과필터을 이용한 2차처리수 처 리효과

하수 처리수 재이용수의 수질을 향상시키기 위하여 새로 운 여과필터를 탐색하기 위하여 시중에 판매되고 있는 여 과필터 종류별 처리효과를 검토하였다. 폴리프로필렌(PP)여 과필터를 이용하였으며 여과보조제로는 규조토, 산성백토, Celpure^®100을 이용하였고, 여과보조제량은 57.6 g/m²로 동 일하게 pre-coat층을 형성시킨 후 하수 2차 처리수를 여과 하여 수질을 비교하였다. 폴리프로필렌 여과필터만 사용하 였을 경우 여과속도는 60 mL/sec이었으며, 규조토를 여과보 조제로 pre-coat층을 형성시킨 경우 입자분포가 고르지 않 아 부분적으로 코팅되었고 여과필터 표면 모서리로 몰려있 는 경향이 많았으며, 여과속도는 8.82 mL/sec이었다. 여과보 조제 Celpure^®100의 경우는 입자사이즈가 미세하여 코팅은 양호하였으나, 여과속도는 7.69 mL/sec로 약간 감소하였다. 산성백토의 경우 여과속도는 1.94 mL/sec이었고, 코팅된 산 성백토가 여과 시 여과필터를 통과하는 양이 많아 탁도를 높이는 것으로 나타났다. 이와 같이 여과보조제의 입경분포 가 pre-coat할 때 여과필터의 공극을 채워 여과속도에 영향 을 미치는 것으로 판단된다.

Fig. 5는 PP 여과필터에 3종류의 여과보조제를 사용하여 여과한 처리수의 결과를 나타낸 것이다. 유입원수의 SS농도 는 7.4 ~ 9.0 mg/L이었으며, 처리수의 농도는 1.0 ~ 1.4 mg/L 이하로 제거효율은 82.9 ~ 87.8 %를 나타내었다. COD농도 는 평균 12.8 mg/L이었고, 처리수는 여과보조제에 따라 큰 차이는 없는 것으로 나타났으며 평균 10.8 mg/L로 평균 15.6 % 제거되는 것으로 나타났으며, ± 8 % 이하의 편차를 갖는 것으로 나타났다. 주암호 물을 대상으로 규조토여과를 수행 한 ^{Shin et al. (2004)}의 연구에 비해 제거효율은 낮게 나타 났는데 이는 규조토의 사용량, 피복상태 등에 따라 처리효 율이 상이한 것으로 보고하였다. T-P의 경우 유입원수의 농도는 평균 0.137 mg/L이었고, 처리수 농도는 규조토의 경 우 평균 0.095 mg/L로 약 24 % 제거되었으며, ± 10 % 이하의 편차를 갖는 것으로 나타났다. Celpure^®100은 평균 0.081 mg/L로 제거효율은 약 40 %정도로 높게 나타났으나, ± 15 % 이하의 편차를 갖는 것으로 나타났다. 이는 Celpure^®100 여과보조제의 입도분포가 규조토보다 조밀하기 때문에 거대 한 입자뿐만 아니라 미세한 입자도 제거되어 유입되는 원수 의 입자성 인 제거효율이 우수한 것으로 판단된다(^{Michen et al., 2011}).

Fig. 5. Change of COD and T-P concentration with pre-coating filter aids on PP filter (Error bars: Standard deviation,p<0.05).

규조토 및 Celpure^®100 여과보조제를 이용하여 pre-coat 한 여과필터의 여과전·후 SEM사진을 Fig. 6 ~ Fig. 7에 나 타내었다. Fig. 6(a)와 (b)에 나타낸 바와 같이 규조토와 Celpure^®100 여과보조제를 보면 다공성면서 골격구조가 복 잡하고 다양한 형태를 나타내고 있었으며, 특히 Celpure^® 100은 규조토보다 좀 더 불규칙하고 여러 종류가 혼합되어 있었으며 불순물 등이 거의 없는 것으로 나타났다. 하수 2 차 처리수를 여과한 결과, Fig. 7(a)와 (b)와 같이 부유물질 이 여과보조제 표면 및 공극에 포집된 것을 알 수 있었다 (^{Tremblay, 2017}).

Fig. 6. SEM micrographs of diatomite (a) and Celpure®100 filter-aids (b).

Fig. 7. SEM micrographs of side-view of precoat filters after filtration run. (a) Diatomite filter-aid, (b) Celpure®100 filter-aid