하수처리장, 폐수처리장에서 사용하는 응집제에 대해 알아보자.
응집 원리
응집 원리에 설명하자면 콜로이드 입자는 넓은 표면적을 가지고 있어 주변의 물분자를 흡착하고 있고 정전기와 유사한 이온을 가지고 있어 이러한 특성을 활용하면 더 큰 입자로 응집될 수 있다. 전형적인 친수성 콜로이드는 물에 용해될 때 안정되고 이온화 가능한 큰 유기분자를 이루고 있고, 소수성 콜로이드는 불안정한 이온 종의 흡착을 통해 하전층이 형성되기 때문에 콜로이드 분산에 안정적이다. 응집은 크게 두 가지 원리로 정리되는데 콜로이드 입자들이 불안정하게 되면 브라운 운동을 하며, 이러한 운동 과정에서 다양한 입자들이 충돌하게 되고 충돌한 입자들이 큰 응집체를 형서한다. 다른 원리는 폐수 내의 난류 즉 교반에 의하여 서로 접촉된 콜로이드들이 큰 플록을 형성하는 응집현상이 발생한다.
응결은 전기화학적으로 안정된 분산액이 불안전화 되는 것이며, 응집은 불안정화된 입자가 여과 또는 분리가 가능한 큰 플록으로 성장하는 과정을 의미하며 상호 보완적인 관계이다. 음으로 하전된 콜로이드는 물 속에 분산된 상태로 반대 전하를 띤 이온에 둘러싸여 전체적인 전위를 형성하고 양이온성 응집제 혼입은 이온 강도를 향상시킨다.
응집제
응집제로 주로 사용되는 알루미늄계 응집제와 철염계 응집제가 이에 해당된다. 이러한 양이온성 응집제의 투입은 확산 이중층의 압축을 유도하고 콜로이드 전하가 주위 전위에 주는 영향을 감소시킨다. 따라서 콜로이드 간 반발효과가 감소하게 되어 콜로이드가 모여서 큰 플록을 형성한다. 물에 첨가되면 가수분해되어 다양한 양이온을 생성하고 이러한 양이온들이 응결, 흡착, 전하 중화 효과를 나타낸다. 또한 콜로이드의 응집과 큰 블록의 생성을 촉진한다. 황산 제 1철, 황산 제 2철 등이 이에 해당된다.
고분자 응집제는 응결제로서 고분자 물질의 첨가는 고분자 가수분해된 종을 생성하여 콜로이드 입자의 가교 역할을 수행한다. 물에 이온화된 고분자 물질은 콜로이드에 부착하여 중합체 입자의 움직임을 방해하고 고분자 사슬이 서로 상호작용하여 큰 플럭을 형성한다. 응결을 위하여 많은 양의 무기 금속염이 첨가되면 가수분해 과정에서 생성되는 불용성 금속화합물이 침전된다. 이러한 물질들은 침강하는 동안 큰 고분자 구조의 콜로이드를 포획하여 함께 침강하는 응집 현상이 발생한다.
일반적으로 폐수처리 공정에는 다양한 종류의 금속염 및 고분자 물질이 사용된다. 알루미늄계와 철염계 금속 응집제가 주로 사용된다. 알루미늄계 응집제는 황산알루미늄, 염화알루미늄, 알루민산나트륨 등이 있고, 철계 응집제는 황산 제 2철, 염화 제 2철, 황산 제 1철 등이 있다. 기타 응집제로는 석회, 탄산 마그네슘, 고분자 전해질, 고분자 물질 등이 있다. 고분자 물질은 천연물질과 합성물질로 구분할 수 있는데 천연물질에는 전분 생성물, 알긴산 염, 키토산 등. 합성물질로는 폴리아민, 설포네이트, 비가수된 알루미늄계 및 철염계 등이 있다.
응집제는 pH에 매우 민감하게 반응하므로 유입수의 pH 조건에 따라 효율의 차이가 큰 것으로 나타나며, pH에 따라 가수분해되면서 다양한 종을 형성한다. 알루미늄 계열의 응집제의 사용 pH 범위는 3~11 pH 범위이며, 최적의 pH 범위는 5.5~7.7이며 이 범위에서 대부분의 콜로이드가 음전하로 대전된다. 따라서 알루미늄 염의 양이온으로 가수분해된 종은 전하의 중화를 통해 음전하로 대전된 콜로이드를 불안정하게 만드는 작용을 한다. 등전점보다 높은 응집제를 투입하게 되면 알루미늄 수산화물과 알루미늄 침전물이 발생하게 되는데 이는 공침 현상을 촉진하다.
철염계 응집제는 가장 보편적으로 사용되는 화학물질로 고체 및 액체 형태 상태로 존재하는 염화 제 2철과 황산 제 2철을 사용한다. 폐수의 계절적 변화와 유기 오염 물질의 유형을 고려할 때 황산 제 2철과 황산 제 2철의 최적 투여량은 다양하다. 그러나 가수분해의 정도는 Al계 응집제와는 상당히 다르다. 약 6의 pH에서 Fe계 염의 용해도는 0.01㎛ 미만이다. Fe의 가수분해 상수는 Al 응집제와 비교하여 넓은 pH 범위를 갖는다. 유사한 물리 화학적 조건에서 Fe 및 Al 기반 응집과 응집 메커니즘은 다르며 여러 연구자료를 살펴보면 최적 pH 범위를 1.5~7 규정한다.
고분자 응집제의 경우에는 무기, 유기 고분자 응집제가 모두 개발되어 사용 중이다. 무기 고분자 응집제는 무기 응집제로 해결하기 어려운 가수분해 조건을 해결하였다. 알루미늄 기반의 응집제에 NaOH를 첨가하면 불용성 금속 수산화물의 과포화 용액이 생성되고 침전된 수산화물의 표면에 전하가 연속적으로 감소한다. 가장 많이 연구된 무기 고분자 응집제는 중합성 알루미늄 황산 제 2철, 고분자 제 2철 황산 아연, 염화 제 2철 황산염, 폴리염화 알루미륨, 제 2염화 폴리에틸렌 중합인산 알루미늄 화합물 등이다.
전하를 중하하는 금속염 응집제에 비하여 무기 고분자 응집제는 작은 기능 발휘한다. 하지만 고분자 응집제는 흡착, 공침 방법을 통하여 유기 오염물을 제거하거나 탁도를 개선하는 효과가 높다. 고분자 응집제의 특징은 일반적인 유기 합성 중합체에 비하여 적은 슬러지를 발생하고 적은 양을 투입하는 조건에서 효율이 우수하다. 또한 pH 의존도가 낮다. 천연 응집제 중에서 상업적인 활용이 가능한 것은 주로 타틴계 응집제와 키토산 응집제이다. 일반적으로 합성 응집제는 잔여 응집제의 영향과 많은 양의 슬러지 생성 및 사용 pH 조건이 까다롭다는 단점이 있다. 이에 반하여 천연 응집제의 경우에는 합성 응집제의 단점을 줄일 수 있으며, 재생이나 분해, 낮은 독성 등의 장점을 가지고 있다.
응집제 사용하는 국내 하/폐수처리장집
전국의 공공하수종말처리장 시설 현황을 확인한 결과 운영 중인 처리장의 개수는 약 3,900여 개소이며, 하루에 처리되는 원수의 양은 약 25,000,000톤 규모인 것으로 확인된다. 유입되는 원수의 수질도 시설에 따라 큰 차이를 보이는 것을 확인된다. BOD는 낮은 곳은 20정도로 유입되나 높은 곳은 300을 초과하는 곳도 있다. 각 하수 종말처리장에 유입되는 유입 원수
의 차이가 큰 것을 확인하였다. 유입되는 원수의 성상을 확인하기 위하여 특정 하수 종말처리장을 대상으로 평균 수질 검토와 수처리 공정 검토를 진행한다. 동일한 처리장에서도 월별 통계를 확인한 결과 큰 차이를 보이는 것으로 조사되었다.
어떤 하수 종말처리장은 일반 생활 폐수와 축산 폐수가 동시에 유입되어 처리되는 처리장이며, 생활 폐수와 축산 폐수의 앞단의 처리공정이 분리된 형태를 취하고 있다. 생활 하수의 경우에는 유입 원수가 생물학적 처리 공정으로 바로 유입되지만 축산 폐수의 경우에는 1차 침전, 2차 응집 공정을 거친 후 생물학적 처리 공정으로 유입되는 것으로 확인된다. 생물학적 공정에서는 생활 폐수와 축산 폐수가 혼합되어 처리되고 있다. 대부분의 하수 종말처리장은 생활 폐수만을 처리하고 있으며 이러한 공정은 생물학적 처리 공정만으로 하수 처리 공정이 구성되었음을 확인하였다.
최근 들어 배출 농도 기준이 강화됨에 따라서 생물학적 공정만으로 기준을 만족할 수 없게 되었으며, 이를 해결하기 위하여 인 제거 공정을 추가하고 있다. 이 공정은 대부분 응집 공정이 활용되고 있으며 슬러지를 회수하는 방법인 침전식과 가압 부상식으로 나뉜다.
인 제거 공정에 활용되는 응집제는 대부분 알루미늄계 응집제가 사용되고 있으며, 응집 공정 후에 하천으로 방류하는 공정이므로 응집 처리에서 pH 조정이 중요한 것으로 확인된다. 유입 원수에서 부유물을 침강시키기 위하여 일부 응집 공정이 활용되고 있으니 이 응집 공정 슬러지는 다량의 Si를 포함하고 있는 것으로 확인되었다. 하수 종말처리장에서 배출되는 슬러지는 대부분 생물학적 공정에서 배출된 것으로 대부분 유기물로 구성한다. 단 인 제거 공정의 경우에는 금속염 응집제를 사용하고 있으므로 금속염 성분이 포함되나 현재는 생물학적 처리 슬러지와 인 제거 공정의 화학적 슬러지가 혼합되어 배출되고 있다.
폐수의 경우에는 그 종류가 매우 다양하며 처리되는 방식도 공단 형태에서 통합 처리하는 방법과 각 개별 단위의 공장이 자체 처리하는 경우로 구분된다. 염색 폐수는 고농도로 배출되는 대표적인 오염도가 높은 폐수이며, 염색 산업의 특성상 허가된 지역 즉 염색 공단 내에 군집되어 있는 특징이 있으며, 제거 대상으로 하는 물질들이 대부분 공정에서 사용되는 화학약품들이다. 일반적인 섬유 가공에 다양한 화학약품이 포함되며 다양한 계면활성제 및 염료가 가장 큰 폐수 농도 증가 요인이 되는 것으로 확인되었다.
염색 폐수는 악성 폐수로 생물학적 공정만으로 처리가 불가능한 조건을 가지고 있다. 국내에 운용되고 있는 염색 공단 폐수처리장의 공정을 확인한 결과 유입되는 원수를 1차 응집 처리하고 2차 생물학적 처리하는 것으로 확인되었으며, 응집 공정의 비율이 생물학적 공정의 비율보다 높은 것으로 조사되었다. 염색 폐수의 방류수 기준은 염색 공단에 따라 차이가 보이는 것으로 확인되었으며, 이러한 차이는 방류수가 바로 하천으로 유입되는 경우와 하수 종말처리장으로 유입되는 경우로 나뉜다. 염색 폐수에서 처리에 어려움을 겪는 부분은 염료에 의하여 폐수의 색도가 높아 이를 제거하는 과정인 것으로 조사된다.