미세기포를 이용한 호소 퇴적토의 인 부상분리 및 인의 거동특성 평가

Flotation and Behavior Characteristics Estimation of Phosphorus in Sediments of Lake Using Micro-bubble

Article information

J Korean Soc Environ Eng. 2019;41(6):328-336

Publication date (electronic) : 2019 June 30

doi : https://doi.org/10.4491/KSEE.2019.41.6.328

Yong-Ho Choi ¹, Yong-Hoon Jeong ², Jong-Won Yang ¹, In-Seok Chae ¹, Dong-Heui Kwak ¹^,²^,

¹Department of Bioactive Materials Science, Chonbuk National University

²Center for Jeongeup Academy-Industy Cooperation, Chonbuk National University

최용호¹, 정용훈², 양종원¹, 채인석¹, 곽동희¹^,²^,

¹전북대학교 생리활성소재과학과

²전북대학교 정읍산학연협력지원센터

^† Corresponding author E-mail: kwak124@jbnu.ac.kr Tel: 063-530-7611 Fax: 063-530-7619

Received 2019 March 19; Revised 2019 May 14; Accepted 2019 May 22.

Abstract

정체수역의 퇴적된 침전물에서는 수환경 상태에 따라 인이 용출되어 수체에 영양소 공급원으로 작용하여 호소의 수질관리를 어렵게 한다. 본 연구에서는 호소의 부영양화 억제를 목적으로 퇴적토에 함유된 인 제거를 위하여 미세기포를 호소 퇴적층 표면에 분사하여 수체로부터 인을 제거하기 위한 가상적 실내 실험을 실시하였다. 퇴적물 부상실험 및 응집제 주입량에 따라 제거되는 인에 대해서 T-P, PO₄-P 그리고 SRP (soluble reactive phosphorus)의 제거특성을 조사하고 이를 기초로 인의 형태 변화와 수체 내부에서의 거동특성을 살펴본 결과, 저층수와 퇴적토에 함유된 인을 일정수준 이상으로 제거가 가능함을 확인하였다. 응집시간 등 부상분리 운전조건은 일반적인 수처리 운전범위와 다소 달랐으며, 특히 Al:P 몰비는 하수처리장의 고도처리 공정에 비하여 크게 높은 15~20 범위에서 수체로부터 안정적으로 인을 부상 제거할 수 있었다. 한편, 부상분리 후 재침전하여 alum이 포함된 표면의 피막을 형성하는 침전물층은 저부 퇴적토에서 용출되는 인을 흡착 억류하여 수체로의 인 용출을 차단하는 일종의 capping 효과를 얻을 수 있는 것으로 여겨진다.

Trans Abstract

Phosphorus (P) released under the anoxic condition in the sediments of stagnant water body acts as a nutrients source on the eutrophication of lake and hinders water management and nutrients control. In order to remove P in the sediments, a hypothetical condition that micro-bubbles are injected on the bottom surface of sediment layer was configured, and a series of experiment was carried out on the basis of the laboratory scale of the stepwise flotation process. The experiment results which the removal efficiency of T-P (total phosphorus), PO₄-P, and SRP (soluble reactive phosphorus) was investigated and the behavior characteristics of P was evaluated revealed that effective removal efficiency of P contained in the sediment could be achieved by the flotation using micro-bubbles. The operation conditions of flotation including flocculation time were different from the typical water treatment processes, and especially the molar ratio of Al to P was stable in the high range of 15~20 rather than the advanced treatment process of municipal wastewater treatment plants. On the other hand, the surface film layer formed by the re-sediments and contained aluminum after flotation can perform an effective function as capping to block P release from the deep sediments.

Keywords: Bubble; Flotation; Phosphorus; Release; Sediment

Keywords: 기포; 부상; 용출; 인; 퇴적토

1. 서 론

최근에 많은 호소에서는 부영양화에 따른 조류의 번식으로 인해 정수처리의 저해, 냄새 유발, 유해물질 생성 등 여러 문제를 유발하여 호소 수질이 악화되고 있다[1,2]. 이러한 수질 악화를 개선하고 처리하기 위해 산화와 응집[3], 오존이나 초음파[4] 등을 이용하여 조류를 제거하는 연구들이 진행되어왔다. 하지만 조류를 제거한다 해도 사멸 후에 침전된 조류입자가 생분해되는 과정에서 산소를 소비하여 저층의 혐기성상태를 유발하게 된다[5]. 이처럼 외부의 오염원이 차단되어도 한번 축적된 저층의 퇴적물은 호소에 내부오염원으로써 지속적인 영향을 미친다. 조류 성장의 주요 영양소이자 수질 오염원으로 작용하는 퇴적물 속에 존재하는 인(phosphorus)은 물리･화학적 그리고 생물학적인 과정에 의해 용출이 가속화되어 호소의 수질을 악화시킨다[6]. 따라서 수중에 있는 조류나 부유물질 등을 제거한다고 해도 저층의 퇴적물에 함유 되어있는 인의 용출로 인해 호소의 수질을 개선하는 것은 한계가 있으며, 호소의 수질을 개선하기 위해서는 저층의 퇴적물에서 용출되어 조류성장의 내부오염원으로 작용하는 인에 대한 처리대책이 필요하다.

퇴적물의 여러 가지 오염물질 중 인은 여러 가지 형태로 존재하는데 퇴적물 입자로부터 전기적으로 흡착되어 입자의 교란, 인 농도의 변화 등에 의해 쉽게 분리되는 용존 반응성 인, 알루미늄과 착물을 이뤄 산화환원전위가 낮아지거나 pH가 높아지면 수층으로 용출되는 인, 산화･환원에 민감하게 반응하여 용출될 수 있는 형태의 인, pH가 매우 감소할 때 용출되고 실제 인의 농도에서 큰 비율을 차지하는 인, 그리고 조류 등의 분해산물에 포함되거나 결합 되어있는 인 등 다양한 형태로 존재한다[7]. 또한, 인의 무기화(mineralization)에 따라 퇴적물 입자와 느슨하게 흡착되어 물리적 변화에 따라 쉽게 분리되는 adsorbed P (Ads-P), 알루미늄이나 철과 같이 양이온과 결합한 형태로 pH나 용존산소의 변동에 의하여 용출될 수 있는 non-apatite P (NAl-P), 광물의 결정 속에 함유되어 있으며 Ca²⁺ 등에 결합되어 통상 안정적인 상태로 존재하는 apatite P (A-P), 유기물과 같은 기타 다른 형태로 존재하는 residual P (Res-P) 등으로 인의 형태를 분류(fractionation)한다[8,9].

국외에서는 오염된 퇴적물의 저감을 위해 초음파 및 기계적 토양세척, 오존 세척, 전기화학적 세척 등 다양한 토양오염 정화기술이 사용되고 있다. 그리고 최근에는 퇴적물을 제거하기 위해 초음파 및 미세기포를 이용하여 퇴적물을 부상시켜 제거하는 연구가 수행되고 있고[10], 미세기포로 퇴적물을 부상 제거한 후 퇴적물과 함께 T-P (total phosphorus)의 제거율(또는 회수율, recovery)을 평가한 결과도 보고되고 있다[11]. 미세기포를 이용한 부상제거기술은 포기장치에 공기를 용존시켜 대기압에 분사함으로써 그 압력 차이에 의해 발생된 기포가 부상하면서 수중의 오염물질과 접촉시켜 수면 위로 분리, 제거하는 수처리 기술로서, 미세기포를 이용한 부상기술은 오래 전부터 최근까지 상수처리 및 오폐수처리공정에서 광범위하게 적용하여 사용되고 있다[12]. 이 외에도 수중의 조류와 박테리아[13], 바이러스[14], 기름[15], 부유물질 등을 제거하는 사례도 다수 수행되었다[16~18]. 이처럼 미세기포를 이용하여 퇴적물 및 인의 제거를 살펴보는 연구가 최근 활발히 시도되고 있으나, T-P와 SRP (soluble reactive phosphorus) 등 퇴적물속에 존재하는 다양한 형태의 인에 대한 세밀한 제거기작에 대한 연구는 아직 부족한 상황이다.

본 연구는 호소의 부영양화 억제를 목적으로 퇴적토에 함유된 인 제거를 위하여 미세기포를 호소 퇴적층 표면에 분사하여 수체로부터 인을 제거하기 위한 현장을 가상하여, 실제 현장에서 채취한 시료를 대상으로 일련의 실내 실험을 실시하였다. 많은 호소의 부영양화에 원인이 되는 조류가 다량 증식하여 사멸한 뒤 바닥에 침전되어 저층의 혐기성 상태를 유발하고 퇴적물 속의 영양염류의 용출이 가속화되는 악순환을 방지하기 위해, 1] 퇴적물에서 내부오염원으로 작용하며 조류번식의 주된 원인이 되는 인을 퇴적물과 함께 부상제거 하고, 2] 퇴적물 속에 존재하는 인의 형태 중 T-P를 비롯하여 퇴적물 입자의 표면에 인이 전기적 결합, 흡착 등으로 존재하며 어떤 화학적인 처리 없이 수층의 교란만으로도 쉽게 PO₄-P형태로 용존될 수 있는 SRP와 저층수의 용존무기 형태의 PO₄-P를 대상으로 수체 내에서의 거동특성을 살펴보고자 하였다. 그리고 3] 미세기포를 통한 인의 부상분리에 맞추어 실시하는 응집조작의 주요 인자인 Al:P 몰비(molar ratio)를 평가하고 향후 실제 적용에 대비한 기초적인 실험결과를 고찰하였다.

2. 재료 및 방법

2.1. 시료 및 분석방법

본 실험에 사용된 퇴적토 시료는 다음의 Fig. 1에 나타낸 새만금호의 주요 측정지점 중 유입되는 입자가 침전되어 퇴적토가 수질에 가장 큰 영향을 미치고 있는 것으로 보고된[19] 지점에서 2018년 8월에 3회에 걸쳐 퇴적물을 채취하였다. 퇴적물은 Grab Sampler를 이용하여 채취하여 양동이에 옮겨 담은 후 실험실로 운반하여 상온 보관하였다. 새만금호는 방조제 조성 이후 호소 내부의 인 농도가 지속적으로 증가하여왔고[20], 이러한 인의 증가는 조류 증식 등의 내부부하에 대한 중요성이 보고되었다[21]. 다음의 Table 1은 새만금호 주요 지점에서 채취한 퇴적토 시료의 무기화 정도를 나타내는 인의 형태별 성상을 보여주고 있다[8].

Fig. 1.

Sampling point in Seamangeum Lake.

Table 1.

P fractions of sediment in the Saemangeum Reservoir

퇴적물의 성상분석에서 강열감량은 퇴적물을 고온(550℃)으로 가열한 후 그 무게 차이로 측정하는 중량법으로 분석하였고, 퇴적물의 입도분석은 표준체를 이용하여 입자들을 일정한 크기별로 분리하여 질량을 측정한 다음 각 크기별 퇴적물 입자의 분포비율을 이용하여 입자의 크기를 구하는 방법인 체거름법에 따라 분석하였다. 부상실험 전후 퇴적물의 T-P는 건조된 퇴적물시료를 550℃ 전기로에 2시간 가열한 후 추출용기에 옮겨 담아 염산 3.5 M을 20 mL 첨가하고 연소된 퇴적물이 가라앉지 않을 정도로 16시간 동안 교반하여 전처리한 후, 용액을 여과지(GF/C)에 여과하여 아스코르빈산 환원법으로 비색 정량하였다. SRP는 퇴적물 건조시료에 0.02 M의 KCl용액 20 mL을 시료에 넣고 24시간 동안 150 rpm으로 교반한 후 여과하여 T-P와 마찬가지로 아스코르빈산 환원법으로 비색 정량하였다. 퇴적물의 T-P와 SRP는 수질오염공정시험기준에 따라 각각 분석하였으며, 본 연구에서 수행되는 단계별로 시료의 분류와 측정 항목은 다음의 Fig. 2와 같다.

Fig. 2.

Stepwise experimental processes and measurements.

2.2. 실험방법 및 조건

본 연구는 오염된 호소의 퇴적물의 현장 처리를 가상하여 일련의 부상실험을 계획하였다. 즉, 호소의 퇴적토 표층에 미세기포를 주입하여 퇴적토에 함유된 인 성분을 부상분리해내는 처리 개념을 실내에서 구현한 것으로, 일반적인 수처리공정에서 사용하는 수질정화의 제거율(removal efficiency)이 아닌 호소 퇴적토에서 인을 분리 회수(recovery)하는 개념이다. 호소 퇴적층에 기포구름(bubble cloud; milky water)을 주입하면 퇴적층 표면에서 수리적 교란이 발생하고 침전입자의 부유와 함께 퇴적물 표면층에 존재하는 T-P와 SRP 등 인 성분이 증류수로(pure water)로 확산된다. 퇴적층에서 수중으로 이동한 T-P와 용존무기인 형태의 PO₄-P는 미세기포와 결합하여 수표면으로 부상 분리될 것이다.

부상 실험장치는 다음의 Fig. 3과 같으며, 칼럼 2.20 L (직경 10 cm, 높이 28 cm)에 퇴적물 50 g을 현장에서 채수한 물 1 L에 채우고 교반한 시료에 미세 기포를 분사하여 퇴적물의 부상과정을 관찰하였다.

Fig. 3.

Schematic diagram of sediment and phosphorus removal using microbubble.

실험에 사용한 시료는 대상범위를 표준화하기 위하여 제조과정에서 초기에 즉시 침전된 조립자는 배제하고, 교반된 수층에 퍼져 있는 미세 부유(suspension particle) 시료를 45 µm 표준체(standard sieve)를 이용하여 퇴적물을 걸러낸 후 현장 새만금 호소수와 혼합하여 250~300 NTU의 원수를 제조하였다. 이 원수 시료를 대상으로 Jar test 및 일련의 부상실험을 수행하였다. 응집 조건은 1분 동안 약 140 rpm으로 급속교반, 그 후 10분 동안 30~50 rpm으로 완속교반을 실시하였다. 이 시료에 대하여 포기장치(saturator) 4.0 atm의 압력으로 가압된 포화수(saturated water, milky water)를 분사하여 부상분리를 실시하였다. 부상시간은 5~20분까지 실험 조건에 따라 단계적으로 실험하였으며, 가압수량(순환비)은 10~50%까지 실험조건에 따라 단계적으로 주입하였다.

부상실험은 제조한 시료를 Jar test 비이커에 500 mL를 채운 후 응집제로 PAC (poly aluminum chloride)와 가압수(saturated water)를 주입량에 따라 부상처리 후 제거율을 측정하고 이를 토대로 최적 응집제 주입율을 결정하였다. 부상실험에서는 실험 전 시료 원수에 혼합할 퇴적토의 중량과 인 농도를 측정하고, 이후 원수와 혼합된 시료에 대하여 수질분석을 실시하였다. Jar test에 기초한 응집처리 후 상층부에 떠있는 부상 퇴적물과 하단부에 가라앉는 침전 퇴적물을 진공 펌프를 이용하여 채취한 후 여과지에 여과하여 부상 및 침전 퇴적물을 약 100℃의 오븐에 넣어 건조 후 T-P, SRP 등을 정량하였다. 이후 인의 거동특성을 고려하여, 부상실험 후 수표면에 부상된 퇴적물과 바닥에 침전된 퇴적물의 중량과 농도를 측정하고, 처리수의 농도를 측정하여 다음의 식 1~3과 같이 제거율(R, %)을 산정하였으며, 이 측정결과를 토대로 실험에 관여된 전반적인 물질수지를 평가하였다.

(1) Vo×Co+Ms×Cs=Vi×Ci+Mres×Cres

(2) Vi×Ci=Mflo×Cflo+Msed×Csed+Mres×Cres

(3) R%=Vo×Co+Ms×Cs-Mres×Cres-Ve×Ce+Msed×CsedVo×Co+Ms×Cs-Mres×Cres×100

또는,

(4) R%=Mflo×CfloVi×Ci×100

여기서, V_o = 원수 시료량(L)

C_o = 원수에 함유된 물질 농도(mg/L)

M_s = 시료에 혼합한 퇴적물량(kg)

C_s = 시료에 혼합한 퇴적물에 함유된 물질 농도 (mg/kg)

M_res = 혼합후 재침전한 퇴적물량(kg)

C_res = 재침전한 퇴적물에 잔존하는 물질 농도(mg/kg)

V_i = 혼합후 원수 시료량(L)

C_i = 혼합후 원수에 함유된 물질 농도(mg/L)

V_e = 부상분리 후의 처리수 시료량(L)

C_e = 처리수에 함유된 물질 농도(mg/L)

M_flo = 수표면에 부상 분리된 퇴적물량(kg)

C_flo = 부상 퇴적물에 함유된 물질 농도(mg/kg)

M_sed = 바닥에 침전된 퇴적물량(kg)

C_sed = 침전 퇴적물에 함유된 물질 농도(mg/kg)

3. 결과 및 고찰

3.1. 퇴적물의 특성과 응집제 요구량

본 연구에서는 시료로 사용한 퇴적물을 현장에서 채취하여 성상을 분석하였으며, 그 결과는 다음의 Table 2에 나타내었다. 퇴적물의 입도는 모래가 평균 4.2%, 실트가 평균 86.2%, 점토는 평균 9.6%로 퇴적물의 평균적인 직경을 나타내는 평균 입도는 7.8 µm로 실트함량이 높은 세립질 퇴적물로 구성되어 있었다. 퇴적물의 유기물 함량을 나타내는 강열감량은 평균 12.1%를 보였다. 퇴적물 T-P는 평균 311.46 mg/kg의 범위를 보였고, 2016년도에 조사된 Table 1의 농도에 비하여 해당 시료의 농도가 다소 상승한 상태였으며, 2016년도에는 주변 퇴적토의 준설이 진행된 시기였다. 본 시료는 국내 담수 하천의 퇴적물에 비하여 다소 높은 값을 보였으며[22], 해안 인근의 부영양호의 퇴적물에서 조사된 농도범위와[23] 크게 다르지 않았다. 초기 시료의 pH는 평균 6.2정도였고, 알칼리도는 평균 22 mg/L (as CaCO₃)이었으며 응집에 필요한 알칼리도를 보충하기 위하여 소석회(CaOH₂)를 추가로 주입하여 실험을 실시하였다.

Table 2.

Particle size, ignition loss, T-P concentration of sediments

응집제 주입량에 따라서 퇴적토의 부상분리에 의한 처리효율이 어떻게 변화하는지 알아보기 위해 제조한 시료에 응집제를 주입하고 점차 주입량을 증가시키면서 부상실험을 실시하고, 그에 대한 제거율을 탁도와 더불어 T-P와 PO₄-P로써 비교하였다. 시료는 앞의 제조방법에 제시한 바와 같이, 새만금호 현장에서 채수한 원수에 혼합한 퇴적물의 양으로 조절하여 단계적으로 차등된 수질 범위를 나타내도록 하였다.

탁도 261~266 NTU, T-P 0.172~0.194 mg/L, PO₄-P 0.018~0.033 mg/L의 임의 시료를 대상으로 부상분리 실험을 실시한 결과, 다음의 Fig. 4(a)와 같이 응집제 주입량에 따라 탁도, T-P 및 PO₄-P 제거율은 점차 상승하였고, 주입율 100 ppm에서부터 탁도 제거율이 90%를 초과하였으며 그 이상으로 응집제를 주입하여도 탁도 제거율은 크게 증가하지 않았다. 또한, T-P 제거율도 응집제 주입율의 증가에 따라 상승하였고, PO₄-P는 주입율의 변화에 따라 제거율이 크게 변동하지 않았으며, 응집제 주입율이 증가하여도 제거율은 50%를 넘지 않았다. PO₄-P의 낮은 제거율은 초기 시료의 농도가 매우 낮았던 원인으로 판단되었으나 본 연구에서는 실제 현장의 상황을 고려하여 별도의 PO₄-P 보충용 시약(agent)를 주입하지 않고 그대로 실험을 진행하였다.

Fig. 4.

Variation of sediment removal efficiency in terms of coagulant dosage.

한편, 초기 시료에 함유된 퇴적토(T-P 311.15 mg/kg, SRP 62.2 mg/kg)가 Jar test의 부상분리 과정을 거치면서 변화되는 T-P와 SRP 농도의 변화를 살펴보았다. 수표면에 부상된 스컴의 T-P 농도는 다음의 Fig. 4(b)에 나타낸 바와 같이 응집제 주입율 증가에 따라 상승하였다. 여기서 주목할 만한 것은, 부상분리되어 수표면에서 채집한 스컴에 함유된 SRP 농도는 응집제 주입율의 증가에 따라 감소한 반면, 침전된 슬러지에서는 응집제 주입율의 상승에 따라 SRP 농도가 증가하는 상반된 농도변화 패턴을 보였다. 특히, 퇴적토에 함유된 SRP분율(SRP/T-P fraction)은 부상분리를 거치면서 초기 0.20에서 0.09~0.18로 감소하였고, 투입율 160 ppm을 이상에서는 0.09으로 안정된 값을 나타내었다.

3.2. 운전조건에 따른 부상특성 및 Al:P 몰비

일반적으로 수중의 입자를 응집하여 부상 제거할 때 입자의 크기를 증가시키기 위한 응집시간은 입자의 제거에 큰 영향을 미치지 않는데, 부상공정에서는 침전공정과는 달리 일정 크기 이상으로 플록의 크기가 크지 않아도 기포를 부착시켜 부상분리 할 수 있기 때문에 플록 크기를 키우기 위한 긴 플록형성 시간을 필요로 하지 않는다[14].

본 부상 실험에서는 1분의 급속교반을 거친 후 완속 교반 시간을 변화시켜 플록형성 시간에 따라 부상제거 된 탁도, T-P 및 PO₄-P를 살펴보았다. 부상처리수(subnatant)의 수질은 다음의 Fig. 5와 같이 탁도의 경우 10분으로 충분한 제거율을 얻을 수 있었으나, T-P는 보다 긴 응집시간 영역에서도 상대적으로 제거율이 꾸준히 상승하는 경향성을 보였다. PO₄-P도 응집시간 증가에 따라 제거율이 지속적으로 증가하였으나 그 증가폭과 제거율이 낮았으며, 이는 Jar test에서와 같이 초기 시료의 PO₄-P 농도가 낮았던 원인으로 여겨진다.

Fig. 5.

Change of T-P and PO₄-P concentration after flotation according to the flocculation time.

응집제의 주입율과 응집을 위한 교반 시간을 각 160 ppm, 20분으로 고정한 후 미세기포의 주입량에 따라서 T-P와 PO₄-P의 제거율은 어떠한 변화를 나타내는지 알아보기 위해 기포체적 농도(bubble volume concentration) [24]를 1.0~25 ml/L까지 단계적으로 변화시키며 부상실험을 실시하였다. 이 미세기포 주입량에 따른 T-P와 PO₄-P의 제거율을 다음의 Fig. 6에 나타내었다.

Fig. 6.

Turbidity, T-P and PO₄-P removal efficiency of flotation depending on the bubble volume concentration.

부상실험에서는 미세기포가 많을수록 응집된 입자와 접촉할 수 있는 충돌․부착효율이 증가하고 기포와 입자의 충돌･부착효율이 증가하게 되면 부상분리 제거율이 상승한다[11]. 본 연구의 실험에서도 주입된 미세기포의 농도에 따라서 T-P의 제거율은 최대 63.2%까지 점차 증가하는 것을 볼 수 있었으며 탁도와 PO₄-P도 마찬가지의 경향을 보였다. 그러나 탁도와 T-P에 비하여 PO₄-P의 제거의 증가폭은 상대적으로 적었는데, 이는 탁도와 T-P의 일정 부분이 입자성 물질인데 비하여 PO₄-P는 용존된 무기이온의 형태이기 때문에 부상공정에서 입자분리를 위한 콜렉터로 작용하는 미세기포의 농도에 상대적으로 덜 영향을 받기 때문으로 여겨진다. 이상의 부상실험 결과에 의하면, 수체에서 인의 부상분리를 위하여 적용하는 기포주입량의 결정은 일반적으로 하수처리공정에서 사용하는 A/S ratio가 아닌 상수처리공정의 운전지표로 활용하는 기포체적 농도의 통상적 운전과 크게 다르지 않은 범위에서 적용이 가능함을 확인하였다.

수체에 PAC와 같은 응집제가 투입되었을 때, 두 가지의 경쟁적 반응이 발생한다. 축합인산염과 유기인산염간의 반응을 무시하고, 수산화알루미늄(aluminum hydroxide, Al(OH)₃)과 인산알루미늄(aluminum phosphate, AlPO4)이 형성되는 주된 과정에서 경쟁이 나타난다. 이때 다른 화합물이나 이온도 관여하게 되며, Al:P의 화학양론적 반응으로 수산화인산알루미늄 결정이 형성되고 침전성 입자가 만들어진다. 그러나 이 반응과정에서 실제로 Al:P 몰비가 화학양론적으로 1:1로 이루어지기 어려우며, 처리현장에 투입된 알루미늄 이온(Al³⁺)과 제거된 인(P)간의 몰비는 수질에 따라 달라진다[25].

2차 침전지를 거친 하수처리 유출수를 대상으로 고도처리의 인 제거 반응에서도 적절한 Al:P 몰비의 운전으로 목표로 하는 높은 처리효율을 얻을 수 있으며, 도시하수처리장에서 실제 하수처리장의 활성슬러지 혼합액과 2차 침전지 유출수(유입수의 TP 0.5 mg/L, SS 20 mg/L 이상)를 대상으로 인을 고도처리할 경우 적정한 Al:P 몰비는 3~4범위로 보고된 바 있다[26].

정확한 수질특성에 대한 정보가 없는 물을 처리하는 경우에는 적정한 Al:P 몰비를 결정하기 어려울 수 밖에 없다. 특히 수중의 부유고형물이나 다른 이온들이 함께 존재할 경우 응집제의 Al과 결합하는 반응이 다르게 나타나므로 인 제거에 적용되는 정확한 Al:P 몰비를 화학양론적으로 사전에 판단하기는 어렵다. 본 연구에서 증류수와 퇴적물을 이용하여 제조한 시료에 대하여 응집하고 부상분리한 실험에서 유출수의 T-P는 Al:P 몰비가 상승함에 따라 처리수의 인 농도가 감소하였으며, 다음의 Fig. 7에 나타낸 바와 같이 Al:P 몰비가 15~20 범위에서 안정적인 처리수 수질을 얻을 수 있었다. 이 Al:P 몰비는 전형적인 수처리 과정에서 경험적으로 얻어진 범위에 비하여 약 5배가량 높았으며, 본 연구와 같이 호소수의 인을 제거하기 위하여 부상분리를 위한 응집을 수행할 경우 일반적인 수처리의 범위보다 높은 설계범위와 운전이 필요함을 알 수 있다.

Fig. 7.

Change of effluent T-P concentration in terms of molar ratio of Al to P.

3.3. 퇴적물의 인 제거특성 고찰과 수체내 인의 거동

기존 문헌에 따르면, 수체에 충분한 양의 인이 용존상태로 존재하지 않을 경우 응집제를 주입해도 Al³⁺에 의한 응집반응에 의해 제거되지 않으며, pH가 7이상에서 응집에 필요한 용존성 인의 농도는 약 2000 mg/L이상 필요하다고 보고된 바 있다. 이에 의하면 본 실험에서의 인 농도는 충분하지 않은 상태이다. 인을 제거할 때 알루미늄 이온은 주로 Al(PO₄), Al(OH)₃ 두 가지 형태의 침전물을 형성하는데 그 중 Al(OH)₃가 Al(PO₄)보다 응집에 필요한 인의 농도범위가 더 낮아서 침전물 형성에 필요한 인의 농도가 적기 때문에 낮은 용존 인 농도에서 알루미늄 이온은 Al(PO₄) 형태가 아닌 Al(OH)₃의 흡착 형태로 제거된다는 것이다[27]. 이에 따라 본 연구에서도 Fig. 4~Fig. 6에서와 같이 응집제의 주입량이 증가하여도 T-P 제거율이 탁도 제거율과 유사한 패턴을 보이는 이유는 플록 입자의 표면에 흡착으로 제거되는 인 제거특성을 반영한 결과로 해석된다. 특히, 응집제 주입량이 증가하여도 SRP의 제거율이 크게 변동하지 않는 이유와, SRP와 T-P가 서로 다른 제거형태를 나타내며 SRP의 제거효율이 T-P보다 낮은 결과를 나타내는 이유이기도 하다[28].

본 연구에서처럼, 수체에 퇴적된 침전물에 함유된 인을 제거하기 위해 미세기포를 이용하여 부상분리를 실시할 경우, 미세기포가 함유된 포화수(saturated water)를 퇴적층에 분사하면 퇴적토 표층의 수리적 교란이 발생함에 따라 증류수가 바닥 침전물의 영향으로 부유상태(suspension phase)로 변화되는 가운데 함께 주입되는 PAC에 의하여 응집과 기포와의 충돌-결합(collision-attachment)이 진행되면서 기포-입자 응집체(bubble-floc agglomerates)가 형성된다. 이 기포-입자 응집체는 수표면으로 부상하여 수거됨으로써 수체로부터 분리 제거되는 한편, 기포와 부착되지 못한 입자들은 다시 바닥에 침전되어 퇴적토의 표면층을 이룰 것이다. 장기적으로 퇴적층의 표면에 alum 플록이 쌓여 형성된 피막층은 퇴적토 저부에서 용출되는 SRP를 흡착 차단함으로써 capping 효과에 의한 인 용출을 억제할 것으로 여겨진다.

다음의 Fig. 8에는 본 실험결과에 기초하여, 미세기포를 이용하여 수체에 퇴적된 침전물에 함유된 인을 제거하기 위해 부상분리를 함에 따라 나타나는 인의 거동을 모식화하여 단계별(step-wise)로 나타내었다. 퇴적층에 존재하는 인(T-P 6,200 g, SRP 1,240 g)과 증류수를 이용하여 시료를 제조하였다. 당초 퇴적토의 일부는 부유상으로 전환되지 않고 즉시 바닥에 가라 앉아 퇴적토로 남은 인(T-P 6,110 g, SRP 1,120 g)을 제외하면, 실제 시료의 인(T-P 89.9 g, PO₄-P 19.7 g)이 부상분리의 처리 대상이 된다. 이 시료를 응집조작을 거쳐 미세기포를 주입 분사하여 충돌, 접촉, 분리 단계 등 일련의 부상분리 과정을 거치면 부상된 스컴의 인(T-P 52.74 g, SRP 4.26 g)과 기포와 결합하지 못하고 가라앉은 침전슬러지의 인(T-P 25.61 g, SRP 4.94 g), 그리고 수중에 잔존하는 저충수의 인(T-P 11.5 g, PO₄-P 10.5 g)으로 최종 처리된다.

Fig. 8.

Conceptual mass balance of P in this stepwise experiments.

한편, 초기 퇴적토 표면의 입자층은 현장에서 미세기포 분사에 의한 수리적 교란에 따라 저층수로 이류(advection)될 것이며, 이후 일련의 응집과 부상 및 침전과정을 거쳐 alum 입자의 형태로 다시 침전되어 경계면 피막층(boundary film layer)을 형성할 것이다. 이 alum 입자로 형성된 피막층은 일종의 capping 효과를 나타내어 퇴적물 저층에서 용출되는 인을 흡착하는 피복재로 작용될 수 있을 것으로 여겨진다. 본 실험에서 초기 시료의 SRP 1,244 g 중에서 부상분리 후 다시 침전되어 피막층을 형성하는 SRP는 4.94 g에 이르는 것으로 나타났다.

본 연구의 실험결과를 토대로 미세기포를 이용한 퇴적토의 인 제거율을 계산하면, T-P의 유효제거율은 58.67%이며, 침전슬러지에 의한 피막층도 capping 효과를 위한 기능적 제거율에 포함시키면 최대 87.2%로 간주할 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 정체수역과 같은 수체에 퇴적된 인의 제거를 위하여 미세기포를 이용한 상황을 가상하여 일련의 부상분리 실험을 수행하였다. 퇴적물 부상실험 및 응집제 주입량에 따라 제거되는 인에 대해서 T-P, PO₄-P 그리고 SRP의 제거특성을 조사하고 이를 기초로 인의 형태와 수체 내부에서의 거동특성을 살펴보았다. 그리고 미세기포를 통한 인의 부상분리에 맞추어 응집조작의 주요 인자를 평가하고 향후 실제 적용에 대비한 기초적인 연구를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1) 증류수와 퇴적물을 혼합한 원수시료를 대상으로 부상분리를 실시한 결과, 최적의 조건에서 탁도 93.9%, T-P 58.7%의 양호한 제거율을 얻을 수 있었다. 그러나 실제 현장에 적용실험에서는 퇴적토의 깊이와 성상 등에 따라 응집제 소요량도 달라질 것이며 퇴적물 혼합정도에 따라 미세기포에 의한 제거율도 크게 달라질 수 있을 것이다. 따라서 실제 현장에서는 주입된 미세 기포에 교란 부유하는 퇴적토 입자와 인 농도 등 처리조건의 변동성이 매우 크기 때문에 향후 현장 조건에서 추가적인 검증실험이 요구된다.

2) 본 실험의 유효제거율은 T-P 58.7%를 나타낸 반면, PO₄-P와 SRP는 각각 46.7%와 21.6%로 상대적으로 낮은 제거율을 산정되었다. 이는 초기 시료의 PO₄-P과 SRP 농도가 낮은 조건이었던 이유로 여겨지며, 보다 높은 농도를 보이는 시료에서는 제거율이 상승할 수 있는 바, 향후 이에 대한 확인도 필요할 것으로 여겨진다.

3) 인 제거를 위한 부상분리에서 응집에 필요한 Al:P 몰비는 15~20 범위로 나타났으며, 이 Al:P 몰비는 전형적인 수처리과정에서 경험적으로 얻어진 범위에 비하여 약 5배가량 높았다. 본 연구와 같이 호소수의 인을 제거하기 위하여 부상분리를 위한 응집을 수행할 경우 일반적인 수처리의 범위보다 높은 설계범위와 운전이 필요함을 알 수 있었다.

4) 수체에 퇴적된 침전물에 함유된 인을 제거하기 위해 미세기포를 이용하여 부상분리를 실시할 경우, 기포-입자 응집체는 수표면으로 부상하여 수체로부터 분리 제거되는 스컴과는 달리, 기포와 부착되지 못한 입자들은 다시 바닥에 침전되어 퇴적토의 표면층을 형성할 것이다. 이는 장기적으로 퇴적층의 표면에 alum 플록이 쌓여 형성된 피막층은 퇴적토 저부에서 용출되는 SRP를 흡착 차단하는 일종의 피복재로 작용하는 할 수 있을 것으로 기대된다.

이상과 같이 정체수역의 부영양화를 억제하기 위한 수단으로 미세기포를 호소 퇴적층 표면에 분사하여 수체로부터 인을 제거하기 위한 가상적 실내 실험을 통하여 일정 수준의 인 제거가 가능함을 확인하였다. 반면, 미세기포를 이용한 인 제거 부상 조건은 일반적인 수처리 운전범위와 다소 다르게 나타나 향후 실제 현장적용을 위해서는 보다 세밀한 연구가 수행될 필요가 있음을 확인하였다. 아울러, 부상되지 못하고 다시 침전하는 표면의 alum 슬러지 피막은 저부 퇴적토에서 용출되는 인을 흡착 억류함으로써, 인 부상제거뿐만 아니라 용출을 차단하는 일종의 capping 효과 적용 가능성을 확인하였다.

Acknowledgements

본 결과물은 환경부의 재원으로 한국환경산업기술원의 환경정책기반공공기술개발사업의 지원을 받아 연구되었으며(2018000200001), 일부는 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었습니다(NRF-2019R1A2C1006441).

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Sediments	Average particle size (µm)	Ignition loss (%)	T-P (mg/kg)	SRP (mg/kg)
Sediment 1	7.8	11.6	340.86	67.61
Sediment 2	7.8	12.3	290.78	58.55
Sediment 3	7.8	12.3	302.76	60.43