Evaluation of the Applicability of Ferric Chloride Coagulant for  Drinking Water Treatment of Raw Water in the Lower Nakdong  River Water

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Abstract

This study evaluated the applicability of ferric chloride (FeCl₃) as a coagulant for drinking water treatment using raw water from the lower Nakdong River and compared its performance with aluminum sulfate (alum). Jar-tests and pilot-scale experiments were conducted using raw water from the Maeri intake station. Water quality parameters including turbidity, total organic carbon (TOC), chlorophyll-a (Chl-a), color, alkalinity, and pH were monitored. Dissolved organic matter (DOM) fractions were characterized using LC-OCD, while disinfection by-product formation potentials (THMFP and HAAFP) were measured to assess the removal efficiency of organic precursors. The performance of a hybrid coagulant (alum mixed with FeCl₃) was also investigated. Results showed that FeCl₃ outperformed alum in removing turbidity, TOC, and Chl-a in both batch and continuous experiments. Notably, FeCl₃ exhibited superior removal of humic substances (HS) and building blocks (BB) fractions, resulting in a more significant reduction in THMFP and HAAFP. Although the supernatant color increased initially with FeCl₃ application, the filtered water color remained lower than that of alum, suggesting that residual color-causing agents were primarily particulate microflocs. Furthermore, FeCl₃ effectively reduced the DOC load delivered to the subsequent granular activated carbon (GAC) process, enhancing overall treatment efficiency. FeCl₃ is a promising alternative or supplement to alum for treating raw water with high organic and algal content, provided that alkalinity and pH are appropriately controlled during practical application.

Key words: Ferric chloride (FeCl₃), Coagulation/Sedimentation, Nakdong River, Dissolved Organic Matter, Disinfection By-Product Formation Potential.

요약

본 연구에서는 낙동강 하류 원수를 대상으로 염화제이철(FeCl₃) 응집제의 정수처리 적용 가능성을 평가하고, 황산알루미늄(alum)과의 응집･침전 성능을 비교하였다. 낙동강 하류 매리 원수를 대상으로 회분식 쟈-테스트와 파일럿 규모 연속식 응집/침전 실험을 수행하였다. 탁도, DOC, chlorophyll-a (Chl-a), 색도, 알칼리도 및 pH를 분석하였으며, LC-OCD를 이용한 용존 유기물 분획 분석과 소독부산물 생성능(THMFP, HAAFP) 측정을 통해 유기물 및 소독부산물 전구물질 제거 특성을 평가하였다. 또한 alum과 FeCl₃를 혼합한 hybrid 응집제의 효율도 함께 검토하였다. FeCl₃는 회분식 및 연속식 실험 모두에서 alum보다 탁도, DOC 및 Chl-a 제거 성능이 우수하였으며, 소독부산물 전구물질인 humic substances (HS)+building blocks (BB) 분획 제거와 THMFP 및 HAAFP 저감 효과도 더 크게 나타났다. FeCl₃ 적용 시 상등수의 색도는 증가하였으나, 여과 후 처리수 색도는 alum보다 낮게 나타나 잔존 색도 유발물질이 주로 입자상 미세 플록임을 확인하였다. 또한 FeCl₃는 후속 입상활성탄 공정으로 유입되는 DOC 부하를 감소시켜 전체 공정 효율 향상에 기여할 수 있는 것으로 평가되었다. FeCl₃는 낙동강 하류와 같이 유기물 및 조류의 영향이 큰 원수 조건에서 alum을 대체하거나 보완할 수 있는 유망한 응집제로 평가되었으며, 다만 실제 적용 시 알칼리도와 pH 대한 관리가 필요하였다.

주제어: 염화제이철, 응집/침전, 낙동강 하류 원수, 용존 유기물, 소독부산물 생성능

1. 서 론

정수처리 공정에서 응집(coagulation)은 수중의 입자성과 용존성 오염물질을 플록(floc) 형태로 전환시켜 후속 침전 및 여과 공정을 통해 제거하는 핵심 공정이다[1]. 응집 효율은 응집제의 종류, 유입수의 수질 특성, 혼화 조건 등 다양한 인자의 영향을 받으며, 특히 응집제의 특성과 원수의 pH는 공정성능을 좌우하는 주요 변수로 알려져 있다[2].

일반적으로 정수처리에 사용되는 응집제는 알루미늄염계(Al계)와 철염계(Fe계)로 구분되며, 국내 정수장에서는 취급의 용이성 및 경제성 등의 이유로 Al계 응집제가 주로 적용되고있다[3]. 그러나 Al계 응집제는 최적 응집 pH 범위가 비교적제한적이며, 생성 플록의 밀도와 침강성이 상대적으로 낮아 원수수질 변동시 응집 및 침전 효율이 저하될 가능성이 있다[1, 4].특히, 낙동강 하류와 같이 규조류 및 남조류의 증식이 빈번하여원수 pH가 연중 높은 수준으로 유지되는 수계에서는 응집･침전 효율 저하 문제가 더욱 두드러질 수 있다[5, 6].

이에 따라 낙동강 하류를 취수원으로 사용하는 대형 정수장에서는 응집 공정 전단에 염소(Cl₂)와 CO₂를 투입하여 원수pH를 조절함으로써 응집 및 침전 공정을 운영하고 있다[7]. 그러나 이러한 방식은 CO₂ 수급의 불안정성, 염소 투입에 따른 소독부산물(DBPs) 생성 문제[8, 9], 그리고 염소와 CO₂ 등다양한 약품 투입에 따른 공정 운영의 복잡성 증가 등의 한계를 수반한다. 또한, Al계 응집제의 지속적 사용과 관련하여잔류 알루미늄에 의한 건강 영향에 대한 사회적 우려도 존재한다[10].

이와 같은 한계를 보완할 수 있는 대안으로 Fe계 응집제의 적용 가능성을 검토할 필요가 있다. Fe계 응집제는 Al계에 비해상대적으로 넓은 pH 적용 범위를 가지며, 유기물 제거 효율과 플록 침강성이 우수하다[2, 11]. 따라서 하절기 남조류가 대량발생하여 원수의 pH, TOC가 상승하는 경우 적절한 대책으로 고려될 수 있는 반면, 알칼리도 소모와 pH 저하가 상대적으로크며, 처리수의 색도(color) 증가를 유발할 가능성이 있어 실제적용시 이에 대한 충분한 평가가 요구된다. 국외에서는 Fe계응집제가 정수처리, 하･폐수처리, 해수담수화 공정 등 다양한수처리 분야에서 폭넓게 활용되고 있으며[12-15], 특히 탁도,유기물 및 조류(algae) 제거를 목적으로 정수장에 적용된 사례가 다수 보고되어 있다[12, 16, 17]. 그러나 국내 정수처리 공정에서의 적용 사례는 여전히 제한적인 실정이다[2, 18].

최근에는 단일 응집제의 한계를 보완하기 위한 방안으로 Al계와 Fe계 응집제를 병합 또는 복합화하여 적용하는 hybrid응집 방식도 검토되고 있다[19, 20]. Al계 응집제는 비교적 안정적인 플록 형성과 운전 편의성 측면에서 장점이 있는 반면, Fe계 응집제는 전하중화 및 유기물 제거 측면에서 상대적으로 우수한 특성을 나타낼 수 있다. 따라서 두 응집제를 혼합적용할 경우, Al계 응집제에 의한 안정적인 플록 형성과 Fe계응집제에 의한 강한 전하중화 및 유기물 제거 효과가 상호 보완적으로 작용할 가능성이 있다. 실제로 고조류･고알칼리도 원수를 대상으로 PACl과 FeCl₃를 병합 적용한 연구에서는단일 응집제 적용보다 탁도, UV254 및 조류 제거효율이 향상되었으며, 보다 조밀한 Al–Fe 기반 플록 구조가 형성되어 침강성이 개선되는 것으로 보고되었다[19]. 또한 Al–Fe 복합 응집제인 polyaluminum ferric chloride (PAFCl)를 이용한 연구에서도 humic acid 제거에 효과적인 것으로 보고되어 있으나[20], 이러한 hybrid 응집 방식의 효과는 원수의 pH, 알칼리도, 유기물 및 조류 농도, 응집제 혼합비와 투입 순서에 따라 달라질수 있으므로 실제 정수장 원수를 대상으로 한 적용성 검토가필요하다[19, 20].

따라서 본 연구에서는 염화제이철(ferric chloride, FeCl₃)을 적용하여 낙동강 하류 원수를 대상으로 응집･침전 성능을 평가하고, 기존 Al계 응집제 및 Fe계 응집제의 처리 효율 비교를 통하여 낙동강 하류 정수장에서의 적용 가능성을 검토하고자 하였다.

2. 재료 및 방법

2.1. 유입수

본 연구에서는 낙동강 하류 매리 취수장에서 채수한 원수(이하 매리 원수)를 사용하였으며, 실험은 3월부터 4월 사이에수행되었다. 실험에 사용된 매리 원수의 수질 특성을 Table 1에 제시하였다. 실험기간 동안의 조류 개체수는 평균 5,400 cells/mL였으며, 규조류가 우점종이었다.

2.2. 응집/침전 실험

응집/침전 실험은 회분식 및 연속식 조건으로 각각 10회 수행하였다. 응집제로는 낙동강 하류 대형 정수장에서 사용 중인 대표적인 Al계 응집제인 황산알루미늄(alum, 8%, 고도화학)과 본 연구에서 낙동강 하류지역 정수장 대한 적용성을 평가하기 위해 선정한 염화제이철(FeCl₃, 38%, 고도화학)을 사용하였다.

회분식 실험은 쟈-테스터(Phipps & Bird, PB-900, USA)와2L 사각 쟈로 수행하였으며, 급속교반(200 rpm, 2.5 min), 완속교반(30 rpm, 30 min) 및 정치(60 min) 조건을 적용하였다.정치(침전) 후 수면 아래 10 cm 지점에서 시료를 채수하여 탁도, TOC 등의 수질항목을 평가하였다.

연속식 실험은 아크릴 재질의 파일럿 규모(5 ton/day) 횡류식 침전지(Fig.1)를 이용하여 수행하였다. 파일럿은 급속 혼화조(5 min), 완속 혼화조(3단, 90 min) 및 침전조(180 min)로 구성되어 있다. 동일한 구성의 횡류식 침전지를 2계열로 설치하여 alum과 FeCl₃를 각각 별도의 정량펌프를 통해 각 급속혼화조에 투입하였다. 실험 과정에서는 응집제 외의 다른 약품(산화제, pH 조절제 등)은 투입하지 않았다.

2.3. 수질 분석

탁도는 탁도계(TU5200, Hach, USA), TOC는 TOC 분석기(TOC Analyzer M9, Sievers, USA), 클로로필-a는 조류 분석기(AlgaeLab Analyzer, BBE Moldaenke, Germany), 색도는색도계(TCU2750, Keystone SNT, Korea), 철･알루미늄 농도는 ICP-MS(7900, Agilent, USA)를 이용하여 측정하였다. 또한, 용존 유기물질의 분획 특성을 평가하기 위하여 LC-OCD(Model 8, DOC-Labor, Germany)를 이용하여 biopolymers (BP), humic substances (HS), building blocks (BB), low molecular weight acids (LMW-A)와 low molecular weight neutrals(LMW-N)로 구분하여 정량하였다[21-23].

TOC 분석용 시료는 공극 크기 1.2 μm인 GF/C 필터(Whatman, England)로 여과한 후 측정하였으며, LC-OCD 분석용 시료는공극 크기 0.45 μm 멤브레인 필터(Millipore, USA)로 여과한후 분석하였다.

소독부산물 생성능(formation potential, FP)은 trihalomethanes-FP(THMFP)와 haloacetic acid-FP (HAAFP)를 분석하여 평가하였다. 시료는 300 mL BOD병에 투입한 후 11% 차아염소산 나트륨 용액(Junsei chemical, Japan)을 초기 유효염소 농도 10mg/L가 되도록 주입하였다. 이후 NaOH와 인산을 이용하여6.8~7.2 범위로 조절하고 20℃에서 24시간 반응시킨 후 GC-ECD(7890A, Agilent, USA)로 분석하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 회분식 응집/침전 효율 평가

Alum과 FeCl₃의 투입농도 변화에 따른 응집/침전 처리수의 탁도, TOC, 색도 및 클로로필-a (Chl-a) 농도변화를 평가한 결과를 Fig.2에 나타내었다. 전반적으로 두 응집제 모두 투입농도가 증가함에 따라 탁도, TOC, 색도 및 Chl-a 농도가 감소하는 경향을 나타내어 응집/침전 공정의 처리 효율이 향상되었다. 특히 FeCl₃를 적용한 경우, alum에 비해 전반적으로 우수한 제거 성능을 나타내었다.

탁도의 경우(Fig.2(a)), 두 응집제 모두 초기에는 급격히 감소한 후 완만한 감소 경향을 보였으며, alum과 FeCl₃를 80 mg/L투입한 조건에서 최저값인 0.44 NTU와 0.26 NTU를 나타내었다. 동일 투입농도 조건에서 FeCl₃ 처리수가 alum 처리수 보다더 낮은 잔존 탁도를 나타내어 상대적으로 우수한 탁도 제거성능을 보였다. 침전수 탁도 기준을 0.5 NTU로 가정할 경우,FeCl₃는 약 30 mg/L 수준의 투입으로도 이를 충족할 수 있는반면, alum은 약 50 mg/L 수준의 투입이 필요한 것으로 평가되었다.

TOC의 경우(Fig.2(b)), 응집제 투입농도가 증가함에 따라지속적으로 감소하는 경향을 나타내었으며, FeCl₃ 적용시alum에 비해 유기물 제거효율이 현저히 높았다. Alum과 FeCl₃를 각각 100 mg/L 투입한 조건에서 잔존 TOC 농도는 각각2.30 mg/L 및 1.59 mg/L로 나타났으며, 제거율은 각각 43%및 61%였다. 응집/침전 공정의 TOC 제거 목표를 40%로 설정할 경우, FeCl₃는 약 30 mg/L 수준에서도 해당 목표를 충족할수 있는 반면, alum은 약 70 mg/L 수준의 투입이 필요한 것으로 나타났다.

색도의 경우(Fig.2(c)), FeCl₃를 저농도로 투입한 조건에서는 일시적인 색도 증가가 관찰되었으나, 50 mg/L 이상의 투입조건에서는 alum과 비교하여 큰 차이를 보이지 않았다. 처리수의 최저 색도는 alum 80 mg/L 조건에서 3.6 TCU, FeCl₃ 100mg/L 조건에서 4.9 TCU로 나타났다. 따라서 FeCl₃는 탁도 및유기물 제거 측면에서는 우수한 성능을 나타내었으나, 색도측면에서는 alum에 비해 다소 불리한 경향을 보였다.

Chl-a의 경우Fig.2(d)), 두 응집제 모두 투입농도 증가에 따라 급격한 감소 경향을 보였으며, 특히 FeCl₃는 상대적으로 낮은 투입농도에서도 우수한 제거효율을 나타내었다. FeCl₃40 mg/L 조건에서 Chl-a 농도는 1.62 mg/m³까지 감소한 반면, alum은 80 mg/L 조건에서 최저값인 2.16 mg/m³을 나타내었다.

이상의 결과를 종합하면, FeCl₃ 응집제는 탁도, TOC 및 Chl-a 제거 측면에서 alum 보다 우수한 성능을 나타내었으며, 낙동강 하류와 같이 pH가 높고, 유기물 농도가 상대적으로높은 원수 조건에서 효과적인 대안 응집제로 활용될 가능성이있는 것으로 판단된다. 반면, 색도 측면에서는 FeCl₃ 적용 시일부 불리한 특성이 관찰되어 이에 대한 추가적인 평가가 필요하다.

Fig.2에서 확인된 바와 같이, 동일한 조건에서 FeCl₃의 TOC 제거 효율은 alum 보다 현저히 높은 수준으로 나타났다. 이에 따라 LC-OCD 분석을 이용하여 유기물질을 분획별로 구분하고 각 분획의 제거 특성을 평가한 결과를 Fig.3에 나타내었다. 유기물질은 겉보기 분자량에 따라 biopolymers (BP), humic substances (HS), building blocks (BB), low molecular weight acids (LMW-A) 및 low molecular weight neutrals(LMW-N)로 구분되며[23], 본 연구에서는 유사한 특성을 갖는 분획의 농도를 합산하여 BP, HS+BB 및 LMWs의 세 그룹으로 Fig.3에 나타내었다.

분석 결과, alum 및 FeCl₃ 모두 투입 농도가 증가함에 따라모든 유기물 분획의 잔존 농도가 감소하는 경향을 보였으며, 특히 고분자 유기물군에 해당하는 BP와 HS+BB 분획에서 감소 폭이 두드러졌다. BP는 다당류, 단백질 및 아미노당 등으로 구성되며, 일반적으로 응집/침전을 통해 비교적 용이하게제거되는 것으로 알려져 있다[3]. 또한, 동일한 투입 농도 조건에서 FeCl₃는 alum에 비해 소독부산물 전구물질로 알려진 HS+BB 분획의 제거 효율이 더 우수한 것으로 나타났다[17, 24]. 반면, 저분자 유기물로 구성된 LMWs(Fig.3(c))의 경우에는 alum 60 mg/L 및 FeCl₃ 40 mg/L 이상의 투입조건에서 잔존 농도의 추가적인 감소가 크지 않았으며, 이는alcohol류, aldehyde류, ketone류 등으로 구성된 LMW-N의 제거가 제한적이기 때문으로 판단된다. 반면, 유기물의 최종 분해 부산물로 구성된 LMW-A는 alum 약 20 mg/L 조건에서도50% 이상의 제거율을 나타내었고, FeCl₃ 처리 시에는 거의완전 제거되는 경향을 보였다.

응집/침전 처리 후 상등수의 색도 특성을 육안으로 비교하기 위하여 사진 촬영한 이미지를Fig.4에 나타내었다. Alum을 적용한 경우 상등수는 비교적 투명한 상태를 유지한 반면, FeCl₃를 적용한 경우에는 투입농도가 증가함에 따라 상등수의 색이 점차 갈색으로 짙어지는 경향이 관찰되었다. 이에 따라 응집/침전 처리 후 상등수를 채수하여 공극 크기 1.2 um의 GF/C 필터로 여과하기 전·후의 색도 변화를 비교한 결과를 Fig.5에 나타내었다.

모든 투입농도 범위에서 FeCl₃를 적용한 경우가 alum을 적용한 경우 보다 GF/C 여과 후 처리수의 색도가 더 낮게 나타났다. 구체적으로, alum을 10~100 mg/L 농도로 처리한 후 GF/C 필터로 여과한 경우 처리수 색도는 3.6~2.4 TCU 범위였으며, 동일 조건에서 FeCl₃를 적용한 경우에는 3.1~1.5 TCU범위로 감소하였다. 이러한 결과는 FeCl₃ 처리시 상등수에 잔존하는 색도 유발물질이 용존상이 아니라 입자상으로 존재함을 의미하며, 주된 원인물질은 침전되지 않은 미세 플록으로 판단된다. 따라서 이들 미세 플록은 후속 모래여과 공정에서 효과적으로 제거가 가능한 것으로 평가되었다.

Alum과 FeCl₃ 투입농도에 따른 응집/침전 처리수의 소독부산물 생성능 변화를 평가한 결과를 Fig.6에 나타내었다. THMFP 및 HAAFP 농도는 응집제 투입농도가 증가할수록 감소하는 경향을 보였으며, 유기물 제거능이 상대적으로 우수한 FeCl₃ 처리수에서 더 큰 저감 효과가 나타났다. 이러한 결과는 (Fig.3(b))에 제시된 HS+BB 분획의 제거 특성과 유사한양상을 보였다. THMFP와 HAAFP에 대해 목표 제거율을 각각 40%와 50%로 설정하여 응집제 요구량을 추정한 결과,alum의 경우 THMFP 40% 및 50% 제거를 위해 각각 90 mg/L및 100 mg/L 이상의 투입이 필요한 것으로 나타났으며,HAAFP는 각각 55 mg/L 이상 및 100 mg/L 이상의 투입이 필요한 것으로 평가되었다. 반면, FeCl₃ 적용 시 THMFP 40% 및 50% 제거를 위해서는 각각 35 mg/L와 60 mg/L, HAAFP40%와 50% 제거를 위해서는 각각 30 mg/L와 50 mg/L 수준의 투입이 필요한 것으로 나타났다. 이는 FeCl₃가 유기물, 특히 소독부산물 전구물질 제거에 효과적임을 시사한다.

3.2. 연속식 응집/침전 효율 평가

금속염 응집제는 수중에서 가수분해되어 금속 수산화물을 생성하는 과정에서 알칼리도를 소모하므로, 원수 내 적정 수준 이상의 알칼리도가 요구된다. 실험기간 동안 수행한 총 10회의 쟈-테스트 결과를 바탕으로 각 응집제 투입농도별 알칼리도 소모율을 조사한 결과를 Fig.7에 나타내었다. 원수의 평균 알칼리도와 pH 농도는 63 mg/L 및 7.7이었으며, 동일 투입농도 조건에서 FeCl₃는 alum에 비해 약 2배 수준의 알칼리도소모를 나타내었고, pH 역시 큰 폭으로 저하되었다.

파일럿 플랜트를 이용한 연속 실험에서는 TOC 제거율 40%이상을 목표로 하여 응집제 투입 농도를 60 mg/L 및 90 mg/L의 두 조건으로 설정하였다. FeCl₃를 각각 60 mg/L 및 90 mg/L 투입한 경우, 처리수의 알칼리도와 pH는 각각 30.3 mg/L, 6.22및 16.0 mg/L, 5.59로 나타났다. 이는 FeCl₃ 적용 시 우수한응집 성능을 보이지만, 알칼리도 소모 및 pH 저하에 대한 적절한 관리가 요구됨을 의미한다.

파일럿 플랜트를 이용한 연속 실험(n=10)에서 탁도, TOC, Chl-a 및 색도의 평균 제거율을 Fig.8에 나타내었다. 이때 TOC와 색도는 GF/C로 여과한 여액을 대상으로 분석하였다. 모든 수질 항목에서 FeCl₃를 적용한 경우가 alum에 비해 전반적으로 더 높은 제거율을 나타내었다. 특히, TOC 제거율은동일 투입농도 조건에서 alum 대비 약 16% 정도 높게 나타났으며, 탁도, Chl-a 및 색도 제거율 역시 각각 약 2~3%, 7~8% 및 1~9% 더 높은 것으로 나타났다.

이러한 결과는 FeCl₃ 적용 시 가수분해 과정에서 형성되는 철 수산화물 종이 입자 및 유기물의 표면전하를 효과적으로 중화(electrostatic neutralization)하고, 금속 수산화물 침전에 의한 포집 응집(sweep coagulation) 및 흡착·착화(complexation)를 통해 유기물 제거에 기여했기 때문으로 해석된다. 또한 Fe계 응집제는 고분자 유기물뿐 아니라 소수성(hydrophobic) 유기물에 대해서도 상대적으로 높은 결합 및 제거능을 나타내는것으로 보고되고 있어[25], TOC 및 색도와 같은 유기물 관련 지표의 제거효율이 Al계 응집제보다 높게 나타난 것으로 판단된다.

파일럿 플랜트를 이용하여 alum과 hybrid 응집제(alum과FeCl₃를 부피비로 1:1로 혼합한 응집제)의 제거능을 비교한 결과를 Fig.9에 나타내었다. 실험 결과, alum 단독 적용에 비해 hybrid 응집제를 적용한 경우 모든 수질 항목에서 더 높은제거율을 나타내었다. 특히 TOC의 경우, hybrid 응집제는 alum 대비 약 19% 정도 높은 제거율을 보여 유기물 제거능이 크게 향상된 것으로 평가되었다.

다만 본 연구에서 적용한 hybrid 응집제는 alum과 FeCl₃를 부피비 1:1로 혼합한 조건이므로, 동일 주입농도에서 Al 및 Fe의 유효 금속 주입량이 alum 또는 FeCl₃ 단독 조건과 동일하지 않다. 따라서 본 결과를 Al계와 Fe계 응집제 간의 순수한 상승효과로 단정하기에는 제한이 있다. 그러나 60 mg/L 조건에서 hybrid 응집제의 TOC 제거율 향상 폭은 alum과 FeCl₃단독 처리 간의 차이보다 크게 나타나, Fe계 응집 성분의 단순한 보완 효과만으로는 설명하기 어려운 특성을 보였다. 이는Al계 응집제에 의한 금속 수산화물 기반 포집 응집과 Fe계응집제에 의한 전하중화, 흡착 및 착화 작용이 동시에 작용하면서 유기물 제거가 강화되었을 가능성을 시사한다.

이러한 해석은 금속염 응집제가 수중에서 가수분해되어 금속 수산화물 및 다양한 가수분해 종을 형성하고, 이들이 전하중화, 흡착, 포집 응집(sweep flocculation) 및 입자 간 가교(bridging)에 관여한다는 기존 응집 이론과도 부합한다[26-28]. 특히 hybrid 응집은 alum 기반 공정에서 기대할 수 있는 안정적인 플록 형성 및 포집 응집 특성과 Fe계 응집제의 강한 전하중화 및 유기물 제거 특성을 동시에 활용할 수 있다는 장점이있다. 또한, 서로 다른 금속 이온이 동시에 존재할 경우 다양한 Al/Fe계 수산화물 또는 복합 수산화물이 형성될 수 있어,입자성 물질뿐 아니라 용존성 유기물에 대한 흡착·제거 범위가 확대되고 플록의 성장 및 침강성이 개선될 가능성이 있다. 실제로 PACl과 FeCl₃를 병합 적용한 선행연구에서는 단일 응집제 적용보다 탁도, UV254 및 조류 제거효율이 향상되었으며, 조밀한 Al-Fe 기반 망상 플록 구조 형성에 따른 침강성 개선이 보고되었다[19]. 또한 Al–Fe 복합 응집제인 PAFCl을 이용한 연구에서도 humic acid 제거 시 전하중화, 가교 및 포집 응집이 주요 기작으로 제시된 바 있다[20]. 아울러 금속염응집제의 가수분해 및 종 분포는 pH와 알칼리도에 영향을 받으므로, hybrid 응집은 단일 응집제 적용 시 나타날 수 있는pH 의존성을 일부 보완하고 수질 변동 조건에서 공정 안정성을 높이는 운전 전략으로 활용될 수 있다[19, 28].

3.3. FeCl₃ 응집 처리에 따른 유기물 제거능 향상이 입상 활성탄 흡착 공정에 미치는 영향

앞서의 결과에서 확인된 바와 같이, FeCl₃를 적용한 경우 동일한 응집제 투입농도 조건에서 alum 대비 유기물 제거능이 향상되었으며, 이에 따라 응집/침전 처리수의 잔존 유기물 농도 역시 더 낮은 수준을 나타내었다. 일반적으로 정수처리 공정에서 유기물질 제거는 응집 공정과 활성탄 흡착 공정이 주요 역할을 담당하므로, 응집 단계에서의 유기물 제거율 향상은 후속 공정의 운전 효율에 직접적인 영향을 미친다. 즉,응집 공정에서 유기물 제거 효율이 증가할수록 입상활성탄공정으로 유입되는 유기물 부하가 감소하며, 이는 입상활성탄의 흡착 수명 연장에 기여할 수 있다.

이에 따라 alum과 FeCl₃를 이용하여 응집/침전 처리한 시료를 GF/C 필터로 여과한 후, 동일 질량의 입상활성탄을 투입하여 잔존 용존 유기물질을 최대한 흡착시켰다. 이후 응집 및 활성탄 흡착에 의해 제거된 DOC의 제거 분율을 평가한 결과를Fig.10에 나타내었다.

Alum을 20~100 mg/L 농도 범위로 투입하여 응집/침전 처리한 후 활성탄 흡착을 적용한 경우(Fig.10(a)), 제거된 전체 DOC 농도는 3.09~3.15 mg/L로 나타났다. 또한, FeCl₃를 적용하여 응집/침전 처리한 후 활성탄 흡착을 수행한 경우(Fig.10(b))에도 3.00~3.19 mg/L 범위의 DOC가 제거되는 것으로나타나 낙동강 원수 중 응집 및 활성탄 흡착 공정을 통해 제거가능한 DOC 농도는 3 mg/L 수준으로 평가되었다.

그러나 Fig.10에서 볼 수 있듯이 제거 가능한 DOC의 총량이 유사하더라도 각 공정 단계에서의 분담 비율에는 차이가 나타났다. Alum을 20~100 mg/L 농도로 적용한 경우, 낙동강원수 중 응집 및 활성탄 흡착을 통해 제거 가능한 DOC의 19.1%~41.6%가 응집 단계에서 제거되었다. 반면, 동일한 농도 조건에서 FeCl₃를 적용한 경우에는 DOC 제거율이 31.2%~59.9%로 증가하여 후단의 활성탄 흡착 공정으로 유입되는 DOC 부하가 alum 적용 시에 비해 약 12%~18% 저감되는 것으로 나타났다. 이는 FeCl₃를 적용한 응집 공정이 단순히 1차처리 효율 향상에 그치지 않고, 후속 활성탄 흡착 공정의 부하저감 및 전체 정수처리 공정의 효율 향상에 기여할 수 있음을시사한다.

Alum과 FeCl₃를 각각 60 mg/L 농도로 적용하여 응집/침전 처리한 경우와 해당 처리수에 대해 추가적으로 활성탄 흡착 공정을 적용한 경우의 LC-OCD chromatogram을 Fig.11에 나타내었다. 응집 처리 후에는 alum 및 FeCl₃ 모두에서 biopolymers (BP)와 humic substances (HS) peak의 현저한 감소가 관찰되었으나, building blocks (BB)과 low molecular weight-acids (LMW-A) peak에서는 부분적인 감소 경향을 보였다.

반면, 응집/침전 처리 후 활성탄 흡착 공정을 적용한 경우에는 alcohol류, aldehyde류, ketone류 등으로 구성된 low molecular weight neutrals (LMW-N) 성분을 제외한 대부분의 peak가 뚜렷하게 감소하였다. 다만, Alum+GAC와 FeCl₃+GAC 조건에서 chromatogram의 peak 크기와 형태가 전반적으로 유사하게 나타났으며, 이는 활성탄 흡착 공정을 통해 응집/침전이후 수중에 잔존하는 흡착 가능 DOC 성분이 대부분 제거되었음을 의미한다. 따라서, alum+GAC 조건은 FeCl₃+GAC 조건에 비해 활성탄 공정으로 유입되는 DOC 부하가 상대적으로 더 크기 때문에 DOC 성분에 의한 활성탄 소모율이 높아사용연한 측면에서 매우 불리한 것으로 평가되었다.

종합하면, FeCl₃를 적용한 응집 공정은 alum에 비해 응집 단계에서 더 많은 유기물을 제거함으로써 후속 입상활성탄공정으로 유입되는 DOC 부하를 감소시키고, 결과적으로 전체 정수처리 공정의 효율 향상 및 활성탄 운전 안정성 확보에 긍정적인 영향을 미칠 수 있는 것으로 평가된다.

4. 결 론

본 연구에서는 낙동강 하류 원수를 대상으로 alum과 FeCl₃의 응집/침전 성능을 회분식 및 연속식 조건에서 비교･평가하고, FeCl₃ 적용이 후속 입상활성탄 공정에 미치는 영향을 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1. 회분식 및 연속식 응집/침전 실험에서 FeCl₃는 alum보다탁도, TOC 및 Chl-a 제거 측면에서 전반적으로 우수한 성능을 나타내었다. 또한, 동일한 처리목표를 달성하기 위해 요구되는 주입농도 역시 alum보다 낮았다.

2. LC-OCD 분석 결과, FeCl₃는 biopolymers (BP) 및 humic substances (HS)+building blocks (BB) 분획 제거에 효과적이었으며, 특히 소독부산물 전구물질로 작용하는 HS+BB 분획저감에서 alum보다 우수한 특성을 나타내었고, THMFP 및 HAAFP 저감 효과 또한 FeCl₃에서 더 크게 나타났다.

3. FeCl₃ 적용 시 상등수의 색도 증가 경향이 관찰되었으나, GF/C 필터로 여과 후 처리수의 색도는 alum 처리수보다 더 낮게 나타났다. 이는 FeCl₃ 처리 시 잔존 색도 유발물질이 주로 입자상 미세 플록 형태로 존재하며, 후속 여과공정을 통해 제어될 수 있음을 의미한다.

4. Alum과 FeCl₃를 혼합한 hybrid 응집제는 Alum 단독 대비 TOC 제거효율이 향상되었다.

5. FeCl₃ 응집 처리는 응집 단계에서의 DOC 제거 비율을 증가시켜 후속 입상활성탄 공정으로 유입되는 유기물 부하를 감소시켰다.

Notes

Declaration of Competing Interest

The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.

Fig. 1.

Photographs of the pilot-scale sedimentation basin showing (a) the front, (b) the top and (c) the rear.

Fig. 2.

Changes in water quality parameters of settled water according to FeCl₃ and alum dosages (n=10).

Fig. 3.

Changes in dissolved organic matter fractions of settled water according to FeCl₃ and alum dosages (n=10).

Fig. 4.

Visual comparison of treated water color after coagulation/sedimentation using alum (a) and FeCl₃ (b) at different coagulant dosages.

Fig. 5.

Effect of alum and FeCl₃ dosages on color removal after coagulation/sedimentation and GF/C filter filtration (n=10).

Fig. 6.

Changes in THMFP and HAAFP of settled water according to FeCl₃ and alum dosages (n=10).

Fig. 7.

Changes in alkalinity and pH of settled water according to FeCl₃ and alum dosages (n=10).

Fig. 8.

Comparison of treated water quality parameters after sedimentation between alum and FeCl₃ at dosages of 60 and 90 mg/L in a pilot plant (n=10).

Fig. 9.

Comparison of treated water quality parameters after sedimentation between alum and hybrid coagulant (alum+FeCl₃) at dosages of 60 and 90 mg/L in a pilot plant (n=10).

Fig. 10.

Fraction of DOC removal by coagulation and activated carbon adsorption using alum and FeCl₃.

Fig. 11.

LC-OCD chromatograms of DOC fractions after coagulation/sedimentation with alum and FeCl₃ (60 mg/L) and subsequent GAC adsorption.

Table 1.

Water quality characteristics of raw water.

Parameter	pH (-)	Algal cell count (cells/mL)	Chl-a (mg/m³)	Turbidity (NTU)	TOC (mg/L)	color (CU)
Raw water	7.8±0.2	5,400	21.4±8.5	3.3±1.3	4.05±0.41	17.8±2.3

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