Microcystis sp.가 고농도로 함유된 원수의 효율적인 정수처리를 위한 황토분말의 적용
Application of Yellow Clay Powder for Efficient Treatment of Cyanobacterium Microcystis sp. - Laden Source Water in Drinking Water Treatment Facility
Article information
Abstract
목적
본 연구에서는 Microcystis sp.가 대번성시 침전보조제로서 황토분말 투입효과를 평가하였다.
방법
Microcystis sp.가 고농도로 함유된 원수의 전산화(pre-oxidation) 처리 및 응집･침전실험은 쟈-테스터로 수행하였다. 전산화 처리 여부, 황토분말 투입농도 및 응집보조제인 폴리아민 투입농도에 따른 침전 후 상등수의 탁도와 입자물질을 분석하여 처리효율을 평가하였다.
결과 및 토의
황토분말 투입농도에 따른 응집･침전 후의 상등수 잔류탁도 및 입자물질을 평가한 결과, 전산화 처리 여부에 관계없이 황토분말 투입농도가 증가할수록 상등수의 탁도와 입자물질은 감소하였다. 특히, 전산화 처리를 수행하지 않은 조건에서 침전 후의 상등수 탁도와 입자물질은 현저히 감소하였다. 또한, 황토분말(50 mg/L)과 폴리아민(1.0 mg/L)을 함께 투입하면 전산화 처리 조건에 비해 전산화 처리를 하지 않은 조건에서 탁도는 25%, 입자물질 수는 41% 정도 감소하였다. 침전슬러지의 농축효율을 평가한 결과, 황토분말을 투입하면 황토분말을 투입하지 않은 조건에 비하여 전산화 처리 여부에 관계없이 31~38% 이상 농축효율이 상승하였다. 그러나 전산화 처리를 하면 동일한 황토분말과 폴리아민 투입조건에서 전산화 처리를 하지 않은 경우에 비하여 농축효율이 27~34% 정도 감소하였다.
결론
Microcystis sp.가 고농도로 함유된 원수에 황토분말을 투입하면 전산화 처리 여부에 관계없이 응집･침전 이후에 탁도와 입자물질의 수가 효과적으로 감소하였다. 특히, 전산화 처리를 하지 않은 경우에는 전산화 처리를 한 경우에 비해 응집･침전 후 탁도와 입자물질의 수가 현저히 감소하였고, 응집보조제인 폴리아민과 함께 사용할 경우 탁도와 입자물질의 제거에 더욱 효과적이었다. 또한, 황토분말 투입에 따라 농축효율이 불량한 Microcystis sp. 함유 슬러지의 농축효율도 개선되었다.
Trans Abstract
Objectives
This study evaluated the effect of dosing yellow clay powder as a sedimentation aid when Microcystis sp. bloomed.
Methods
Pre-oxidation (chlorination and ozonation) treatment and coagulation/precipitation experiments of Microcystis sp. - laden source water were performed with a jar-tester. Treatment efficiency was evaluated by analyzing the turbidity and particulate matter of the supernatant after sedimentation according to the presence or not of pre-oxidation, the concentrations of yellow clay powder, and polyamine dosing.
Results and Discussion
As a result of evaluating the turbidity and particulate matter of the supernatant after coagulation/sedimentation according to the dosing concentrations of yellow clay powder, the turbidity of the supernatant decreased as the dosing concentrations of yellow clay powder increased regardless of the presence or not of pre-oxidation. In particular, when pre-oxidation was not performed, both turbidity and particulate matter of the supernatant after sedimentation were significantly reduced. In addition, without pre-oxidation, when yellow clay powder (50 mg/L) and polyamine (1.0 mg/L) were dosed together, turbidity was reduced by 25% and the amount of particulate matter by 41% compared to utilizing pre-oxidation. Regarding the concentrating efficiency of sedimentation sludge, when yellow clay powder was added, concentrating efficiency increased by more than 31~38% regardless of pre-oxidation treatment compared to when yellow clay powder was not added. However, with pre-oxidation, the concentrating efficiency decreased by about 27~34% under the same yellow clay powder and polyamine dosing conditions compared to without pre-oxidation.
Conclusion
When yellow clay powder was added to Microcystis sp. - laden source water, turbidity and particulate matter were effectively reduced after coagulation/sedimentation regardless of the presence or not of pre-oxidation. In particular, when pre-oxidation was not performed, the turbidity and particulate matter after coagulation/sedimentation were significantly reduced as compared with utilizing pre-oxidation, and using yellow clay powder together with a polyamine reduced turbidity and particulate matter the most. In addition, the sludge concentration of Microcystis sp. - containing sludge with low concentrating efficiency was increased by dosing yellow clay powder.
1. 서 론
최근 기후변화 영향으로 평균 수온의 상승이 가속화되고 있으며, 이로 인해 국내의 많은 상수원에서 조류 대번성 문제가큰 화두로 대두되고 있다. 특히, 낙동강은 8개 보와 하구둑이 설치되어 있어 수류의 흐름이 정체된 곳이 많고, 중･상류지역 하･폐수처리장들의 방류수에 함유되어 방류되는 영양염류로 인하여 타 지역에 위치한 대규모 강들에 비하여 연중 조류 개체수 증가현상이 빈번히 발생하고 있다.
낙동강 하류지역에서 장기간 조류 생체량 및 수질 변화 특성에 대해 평가한 Son의 연구결과들[1,2]에 의하면 연중 다양한 조류종들이 상시 서식하며, 5월부터 11월까지는 남조류인 Microcystis sp.가 우점하며, 12월부터 4월까지는 규조류인 Synedra sp.와 Stephanodiscus sp.가 우점하는 것으로 보고하고 있다.
조류 대번성으로 고농도 조류가 함유된 원수가 정수장으로 유입되면 정수공정 운영측면에 있어서 여러 가지 장애요인들이 발생한다. 우선 유입 원수의 높은 pH와 유기물질 농도로 인하여 약품 사용량이 증가한다. 또한, 침전공정에서 조류 플록은 낮은 비중으로 침전이 용이하지 않아 모래여과지로 월류하여 여과지 폐색을 유발하며, 이로 인해 역세척 주기 단축으로 수돗물 생산량이 급감한다[3]. 특히, 하절기에 남조류 Microcystis sp.가 대번성할 경우, 이들이 생장하면서 분비하는 microcystin과 같은 조류독소 물질과 비릿한 맛･냄새 유발물질들이 수돗물의 안전성과 신뢰성을 위협한다[4-6].
정수장으로 Microcystis sp. 유입을 차단하기 위해서 심층취수 방안[7] 등이 효과적인 것으로 알려져 있으나 강이나 하천의 경우 호수와는 달리 취수원 주변의 수심이 얕아 적용하는데 한계가 있다.
Microcystis sp.는 다른 조류종들과 달리 세포 내에 존재하는 공기주머니(공포)로 인해 매우 강한 부력을 가지고 있어 고농도의 Microcystis sp.가 정수장으로 유입될 경우, 응집･침전공정에서 이들을 제거하기에 매우 큰 어려움이 있다. 따라서 다양한 목적(암모니아성 질소 제거, 철･망간 산화, 조류･병원성 미생물 사멸 등[8])으로 운영 중인 전산화(pre-oxidation) 공정에서 Microcystis sp.의 세포 산화(부력 제거)를 위해 염소 및 오존 투입농도를 증가[9]시켜 응집･침전공정에서의 침전효율을 높이는 방법으로 정수공정을 운영 중이다. 그러나 이러한 전산화 처리는 처리수의 수질측면에서 여러 가지 부작용을 초래한다. 첫째로 Microcystis sp. 세포내에 함유되어 있는 독소 물질인 microcystin과 세포내 유기물질(intracellular organic matter, IOM)의 수중으로 용출이다[4]. 전산화 처리에 의해 수중으로 용출된 microcystin의 경우는 후단에 위치한 후오존과 활성탄 공정에서 쉽게 제거 가능한 것으로 보고하고 있다[4,10]. 그러나 수중으로 용출된 조류기인 유기물질은 전산화 처리를 위해 투입된 염소와 반응하여 다양한 소독부산물[11~16]을 생성하며 이들 중 THMs (trihalomethanes)은 후단의 후오존과 활성탄 공정에서 효과적인 제거가 어려운 실정이다[17]. 특히, 하절기에는 높은 수온과 Microcystis sp.의 번성으로 pH가 상승하여 소독부산물들의 생성능은 더욱 증가한다[3].
Microcystis sp. 번성기에 전산화 처리의 또 다른 문제점으로는 Microcystis sp. 세포가 산화제와 반응하여 산화되면서 10 µm 이하의 입자물질들이 다량으로 생성된다는 것이다[18]. 이러한 입자물질들은 후단의 응집･침전공정뿐만 아니라 모래여과지에서도 유출될 가능성이 높은 것으로 알려져 있다[18].
본 연구의 목적은 남조류 Microcystis sp.가 번성하는 하절기에 효율적인 정수장 운영과 안전한 수돗물 생산을 위해 침전보조제로서 황토의 적용 가능성을 평가하는 것이다. 따라서 본 연구에서는 Microcystis sp.가 고농도로 함유된 상수 원수에 대해 전산화 처리 유무에 따라 침전보조제로서 황토 분말과 응집보조제로서 폴리아민을 사용하여 응집･침전 후의 수질과 Microcystis sp.로 구성된 침전슬러지의 농축효율을 평가하였다.
2. 실험재료 및 방법
2.1. 실험재료
2.1.1. 고농도 Microcystis sp. 함유 원수
실험에 사용된 Microcystis sp. 함유원수는 2022년 8월에 낙동강 하류 매리지역에서 채수하였다. 시료수(raw water)의 Microcystis sp. 개체수를 증가시키기 위하여 줄 간격 10 µm 체를 이용하여 원수 중에 존재하는 Microcystis sp.를 체거름(농축)하여 고농도 Microcystis sp. 농축액 20 L를 준비하였다. 이를 Microcystis sp.가 함유된 낙동강 매리원수에 혼합하여 실험에 사용하였다. 실험에 사용된 Microcystis sp. 고농도 시료수의 성상을 Table 1에 나타내었다.
Characteristics of raw water containing high concentration of Microcystis sp. cells.
2.1.2. 산화제
전산화 처리에 사용된 산화제는 염소와 오존이며, 염소는 염소가스를 순수에 용해시켜 조제한 염소수(1,300 mg･Cl2/L)를 사용하였다. 오존의 경우는 오존발생기(LAB-1, OzoneTech, Korea)를 이용하여 고순도 산소로 생성된 오존 가스를 4℃ 순수에 포화농도로 용해시킨 오존수(40~50 mg･O3/L)를 실험에 사용하였다[19].
2.1.3. 응집제, 응집 보조제 및 황토
실험에 사용된 응집제는 낙동강 하류의 정수장에서 사용하는 alum (Al2O3 : 8%, 홍원산업)을 이용하였으며, 응집 플록의 조대화를 위해 응집보조제인 polyamine (HCO-60, 한솔케미칼)을 사용하였다. 또한, 조류 플록의 침강능 증대를 위하여 침전보조제로 황토분말(325 mesh, 동방파우텍)을 실험에 사용하였다.
2.2. 실험방법
2.2.1. 전산화 및 응집･침전실험
전산화 및 응집-침전실험은 실험실에서 jar-tester (Phipps & Birds, USA)를 이용하여 수행하였다. 전산화 실험은 고농도 Microcystis sp. 함유원수를 2 L jar에 채운 후 염소를 7 mg/L의 농도로 투입하여 30 rpm으로 교반하면서 30분간 접촉시켰다. 오존처리는 염소접촉이 끝난 이후에 오존을 1 mg/L의 농도로 투입하여 30 rpm으로 교반하면서 5분간 접촉시켰다.
응집･침전 실험은 jar-tester에서 전산화 처리가 끝난 후에 수행되었다. 응집제는 최적의 탁도 제거율을 나타낸 70 mg/L로 투입하였다. 응집제 투입 후 100 rpm의 교반속도로 급속혼화 3분, 30 rpm으로 완속 혼화 10분 및 침전 60분의 조건으로 응집･침전 실험을 수행하였다. 침전 보조제로 사용된 황토는 전산화 처리 종료 후에 0~50 mg/L의 농도범위로 투입한 후 응집제를 투입하였다. 응집 보조제로 사용된 polyamine의 경우는 급속 혼화 종료 직전에 0~1 mg/L의 농도범위로 투입하였다. Microcystis sp. 플록의 침전효율은 침전시간(10분, 30분 및 60분)에 따라 상등수(수표면 5 cm)의 탁도와 입자물질 개수를 분석하였으며, 최종적으로 침전시간 60분 후의 탁도와 입자 물질 개수로 침전효율을 평가하였다.
2.2.2. 수질분석
원수 중의 조류 개체수는 도립현미경(Zeiss, Observer Z1, Germany)을 사용하여 200배의 배율로 계수하였다. 클로로필 -a 농도는 조류농도 분석기(bbe fluorometer, Moldaenke, Germany)를 이용하였다.
원수와 처리수 중의 탁도는 탁도계(Hach, TL2300, USA)로 분석하였으며, 수중의 입자물질 분석에는 입도분석기(PSS･ NICOMP, AccuSizer 780A, USA)를 이용하였으며, 자동 희석모드로 분석하였다.
용존 유기물질 농도 평가를 위하여 PES 재질의 0.45 µm 멤브레인 필터(Millipore, USA)로 여과한 여액을 DOC (dissolved organic carbon)와 FEEM (fluoroscence excitation-emission matrix) [20] 분석에 이용하였다. DOC 농도는 TOC 분석기 (Sievers M9, GE, USA)로 분석하였으며, FEEM은 fluorescence spectrophotometer (Aqualog, Horiba, Japan)를 사용하여 용존 유기물질에 대한 형광분석 특성을 평가하였다.
Microcystin은 online SPE (solid phase extraction)가 장착된 UPLC-Orbitrap MS (Thermo, Exactive, USA)를 이용하였으며, microcystin-LR, -RR, -YR, -LA, -LY, -LF 및 –LW 7종을 정량하여 총 합으로 나타내었다[4].
3. 결과 및 고찰
3.1. 전산화 처리의 문제점
고농도 Microcystis sp. 함유원수를 정수처리시에 Microcystis sp. 응집 플록의 침전능 향상을 위하여 대부분의 정수장에서 염소와 오존을 이용하여 전산화 처리를 수행하고 있다. 따라서 본 절에서는 전산화 처리가 수질에 미치는 영향을 평가하였다.
3.1.1. 유기물질 용출 및 소독부산물 생성
전산화 처리 전･후로 Microcystis sp. 세포의 형태적 변화를 비교하기 위하여 사진 촬영한 것을 Fig. 1에 나타내었다. 염소와 오존을 투입하지 않은 경우(Fig. 1(a))와 염소 7 mg/L(30분)와 오존 1.0 mg/L(5분)를 투입하여 전산화 공정을 적용한 경우(Fig. 1(b))를 비교해보면 전산화 공정을 적용한 경우(Fig. 1(b))는 Microcystis sp. 세포내 구성물질의 용출로 인해 조류 세포가 흰색으로 탈색된 것을 볼 수 있다(Fig. 1(b1)).
Morphological image changes of Microcystis sp. colonies and cells before and after pre-oxidation treatment.
전산화 처리 전･후의 Microcystis sp. 군집의 형태학적 변화를 관찰한 현미경 사진(Fig. 1(a2, b2, b3))을 보면 전산화 처리 전(Fig. 1(a2))에는 Microcystis sp. 세포들이 군집을 형성하고 있으나 전산화 처리 이후에는 Microcystis sp. 세포들이 색소물질의 용출로 인해 흰색으로 변한 것(Fig. 1(b2))과 산화처리로 인해 Microcystis sp. 세포군집이 해체되어 각각의 Microcystis sp. 개별 세포로 분산되어 잔존하는 것(Fig. 1(b3))을 볼 수 있다.
전산화 처리 전･후로 수중의 용존 유기물질(DOC), 소독부산물(THMs) 및 조류독소(microcystin)의 농도 변화를 Table 2에 나타내었다. 전산화 처리 전에는 DOC 농도가 5.5 mg/L, THMs는 불검출 및 microcystin 농도는 0.64 µg/L였으나, 전산화 처리 후에는 DOC, THMs 및 microcystin 농도가 각각 7.0 mg/L, 61 µg/L 및 8.8 µg/L로 증가하였다. 이는 앞에서 기술하였듯이 산화처리에 의해 Microcystis sp. 세포의 IOM이 수중으로 용출된 결과이며, THMs는 Microcystis sp.를 구성하는 세포 구성물질 뿐만 아니라 수중으로 용출된 IOM이 염소와 반응하여 생성되며 후단의 정수처리 공정에서 제거가 어려운 것으로 보고되고 있다[17].
Comparison of water quality before and after pre-oxidation treatment.
전산화 처리 전･후로 수중의 용존 유기물질 특성변화를 평가하기 위하여 FEEM 분석결과를 Fig. 2에 나타내었다. 전산화 처리 전･후의 FEEM spectrum 변화를 나타낸 Fig. 2(a, b)를보면 펄빅 유사물질(fulvic-like), 휴믹 유사물질(humic-like) 및 트립토판 유사물질(tryptophan-like)들의 검출 강도가 전산화 처리 이후(Fig. 2(b))에 증가한 것으로 나타났다. 특히 전산화 처리 이후에는 트립토판 유사물질에 비하여 휴믹과 펄빅 유사물질의 검출 강도가 급격히 증가한 것을 볼 수 있으며, 이들 물질들은 THMs와 같은 소독부산물의 주요 전구물질로 잘 알려져 있다[21].
Comparison of FEEM spectrums before and after pre-oxidation of Microcystis sp. laden water.
3.1.2. 입자물질 생성
고농도 Microcystis sp. 함유 원수에 대해 전산화 처리 전･후로 수중의 입자물질 특성변화를 평가한 결과를 Fig. 3에 나타내었다. Fig. 3에서 볼 수 있듯이 전산화 처리 전에 비하여 전산화 처리 후에는 6 µm 이상의 입자물질들의 수는 감소되면서 6 µm 이하의 입자물질들의 수는 증가하였다. 특히, 2 µm 부근의 입자물질들의 수가 급격히 증가하였다. 앞서 기술하였듯이 이러한 현상은 Microcystis sp. 세포가 산화제(염소, 오존)와 반응하여 Microcystis sp. 세포가 파괴되면서 유발된다. 응집･침전되지 않고 수중에 잔류하는 입자물질들은 후단의 모래여과지에서 제거가 용이하지 않은 것으로 알려져 있다[18].
Comparison of distribution changes of particle matters before and after pre-oxidation of Microcystis sp. laden water.
3.2. 황토분말의 적용
3.2.1. 황토분말 투입농도에 따른 응집･침전 후 탁도 변화
고농도 Microcystis sp. 함유 원수에 대해 전산화 처리 후 황토분말 투입농도별(0~50 mg/L) 응집 후 침전시간 경과에 따른 상등수 잔류탁도 변화에 대한 평가 결과를 Fig. 4에 나타내었다. Fig. 4에서 볼 수 있듯이 황토분말 투입농도가 증가할수록 수중의 잔류탁도는 점진적으로 감소하였다. 침전시간 60분의 조건에서 황토분말을 10 mg/L로 투입한 경우(1.86 NTU)에는 투입하지 않은 경우(1.82 NTU)에 비해 침전 후 상등수의 탁도가 서로 유사하게 나타났으나 황토 분말 투입농도를 30 mg/L와 50 mg/L로 증가시킨 경우에는 침전 후의 잔류탁도가 각각 1.29 NTU와 1.15 NTU로 감소하였다.
Turbidity variations with concentration of yellow clay powder in pre-oxidation treated water.
특히, 침전시간 10분과 30분에서 잔류탁도를 비교해보면 황토분말을 0 mg/L과 10 mg/L로 투입한 경우에는 각각 3.93 NTU와 3.81 NTU 및 2.80 NTU와 2.63 NTU인 반면, 30 mg/L와 50 mg/L의 투입농도에서는 2.68 NTU와 2.54 NTU 및 2.00 NTU와 1.78 NTU로 나타나 잔류탁도 농도는 여전히 차이를 나타내어 적정한 농도로 투입된 황토분말은 전산화 처리에 의해 생성된 Microcystis sp. 세포 파편들로 형성된 미세플록의 침전효율 증대에 기여를 하는 것으로 평가되었다.
3.2. 전산화 및 황토분말 처리여부에 따른 침전 후 탁도및 입자물질 변화
고농도 Microcystis sp. 함유 원수를 전산화 처리 유무 및 황토분말 투입농도에 따른 응집･침전 후의 상등수 잔류탁도 및 입자물질 수를 평가한 결과를 Fig. 5에 나타내었다. Fig. 5(a)에는 전산화 처리 유무에 따른 황토분말 투입농도별(0~50 mg/L) 응집･침전 후의 상등수 잔류탁도에 대한 평가 결과를 나타내었다. Fig. 5(a1~a3)에서 볼 수 있듯이 전산화 처리 유무에 관계없이 황토분말 투입농도 및 침전시간이 증가할수록 상등수의 잔류탁도는 점진적으로 감소하였다. 전산화 처리 유무에 따른 황토분말 투입효과는 전산화 처리를 수행하지 않은 조건에서 응집･침전 후의 상등수 잔류탁도가 더욱 낮았다. 그러나 황토를 투입하지 않은 조건에서는 전산화 처리를 수행하지 않은 경우에 응집･침전 후 상등수 잔류탁도가 더욱 높게 나타났다. 이는 전산화 처리를 수행하지 않은 경우에는 Microcystis sp. 세포 내에 존재하는 공포의 부력으로 인해 응집 플록들의 침강능이 저해되기 때문이다. 그러나 황토분말을 낮은 농도(10 mg/L)라도 투입하면 전산화 처리를 수행하지 않은 조건에서 침전시간 30분 이후 (Fig. 5(a2, a3))부터 싱등수의 잔류탁도가 월등히 낮게 나타났다.
Changes in turbidity and particulate matters depending on the treatment of pre-oxidation and yellow clay powder.
Fig. 5(b)에는 전산화 처리 유무 및 황토분말 투입(50 mg/L) 유무에 따른 응집･침전 후의 상등수 입자물질들의 분포 결과를 나타내었다. Fig. 5(b)에서 볼 수 있듯이 전산화 처리를 수행한 조건이 수행하지 않은 조건에 비하여 응집･침전 후 2 µm 이하의 입자물질들의 수가 많은 것으로 나타났다. 전산화 처리 후에 황토분말을 투입한 경우에는 3 µm 이하의 입자 물질들의 수가 많이 감소하였으나, 전산화 처리를 하지 않고 황토분말을 투입한 경우에는 Fig. 5(b)에 나타낸 입자물질 분포 범위 내에서 입자물질들의 수가 매우 큰 폭으로 감소하였다. 이는 앞서 설명하였듯이 황토분말 투입에 따른 미세 플록의 침전능 개선으로 나타난 결과이다.
3.3. 폴리아민 투입에 따른 응집･침전 후 탁도 변화
폴리아민 투입 효과를 평가하기 위해 전산화 처리수에 대해 폴리아민 투입농도별(0~1.0 mg/L) 응집･침전 후 상등수 중의 잔류탁도와 총 입자개수를 평가한 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 폴리아민은 전산화 처리 후 황토분말 50 mg/L와 응집제 70 mg/L를 투입하고 급속혼화 마지막 단계에서 농도별로 투입하였다.
Changes in turbidity and particulate matters depending on the dosage of polyamine after pre-oxidation treatment.
폴리아민 투입농도에 따른 침전시간별 상등수의 잔류탁도 변화를 나타낸 Fig. 6(a)를 보면 침전 초기(10분) 상등수 잔류 탁도의 경우, 폴리아민 투입농도가 증가할수록 급격히 낮아졌으나 폴리아민을 투입한 경우에는 침전시간이 증가할수록 큰 차이를 보이지는 않았다. 이는 폴리아민 투입으로 황토분말이 함유된 Microcystis sp. 응집플록의 조대화로 인해 플록의 비중 증가로 침전시간 30분 정도에서 응집된 플록들의 침전이 거의 완료되었기 때문이다.
침전시간 60분 후의 상등수의 잔류탁도를 비교해보면 폴리아민을 투입하지 않은 조건의 잔류탁도는 1.15 NTU였으나, 폴리아민을 0.3, 0.6 및 1.0 mg/L 농도로 투입한 조건에서의 잔류탁도는 0.52, 0.37 및 0.34 NTU를 나타내어 폴리아민 투입농도에 따라 잔류탁도에 차이를 나타내었다. 또한, 폴리아민 투입농도별 침전 60분 후 상등수 중의 총 입자개수를 평가한 결과(Fig. 6(b))를 보면 Fig. 6(a)에 나타낸 잔류탁도 변화와 매우 유사한 경향을 나타내고 있으며, 폴리아민을 투입하지 않은 조건에서의 총 입자개수는 19875 개/mL였으나 폴리아민 투입농도 0.3 mg/L에서 1.0 mg/L로 증가할수록 총 입자개수는 5441 개/mL에서 1795 개/mL로 점진적으로 감소하였다.
전산화 처리 유무에 따른 폴리아민 투입 효과를 응집･침전 후 상등수의 잔류탁도와 입자 크기별 개수분포로 비교 평가한 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 황토분말 투입농도는 50 mg/L, 폴리아민 투입농도는 1.0 mg/L이었다. 잔류탁도 평가 결과를 나타낸 Fig. 7(a)를 보면 전산화 처리를 한 조건에 비하여 전산화 처리를 하지 않은 조건에서 잔류탁도가 낮게 나타났다. 침전시간 60분 후의 잔류탁도를 비교해보면 전산화 처리를 하지 않은 경우가 0.27 NTU로 전산화 처리를 한 경우의 0.36 NTU에 비하여 낮은 잔류탁도를 나타내었다.
Changes in turbidity and particulate matters depending on the treatment of pre-oxidation and polyamine.
또한, Fig. 7(b)에 나타낸 입자물질 분포결과를 보면 전산화 처리를 하지 않은 경우 보다 전산화 처리를 한 경우에 1 µm 보다 큰 입자물질들이 수중에 더 많이 잔류하는 것으로 나타났고, 총 입자물질 개수의 경우도 1795 개/mL로 전산화 처리를 하지 않은 경우의 1061 개/mL에 비해 훨씬 많았다.
3.4. 침전 슬러지의 농축효율 평가
Microcystis sp.가 고농도로 함유된 상수원수를 전산화 처리 및 황토분말(YC)과 폴리아민(PA) 투입여부에 따른 침전 슬러지의 농축성을 평가한 결과를 Fig. 8에 나타내었다. 전산화 처리여부에 따라 Fig. 8(a, b)와 Fig. 8(c, d)로 나누어 응집시 폴리아민만 투입한 경우는 Fig. 8(a, c), 응집시 황토분말과 폴리아민을 함께 투입하여 처리한 경우는 Fig. 8(b, d)에 나타내었다.
Comparison of sludge thickening efficiency with or without pre-oxidation and yellow clay treatment(3 days after).
Fig. 8에서 볼 수 있듯이 전산화 처리 후 폴리아민만 투입한 경우(Fig. 8(a))는 슬러지 농축 후의 부피가 51 mL였으나 폴리아민과 황토분말을 함께 처리한 경우(Fig. 8(b))에는 35 mL로 나타나 31% 정도 농축효율이 상승하였다. 반면 전산화 처리를 하지 않은 경우(Fig. 8(c)와 (d))에는 농축 후 슬러지 부피가 각각 37 mL와 23 mL로 나타나 38% 정도 농축효율이 상승하였다.
전산화 처리 여부에 따른 침전슬러지의 농축효율을 비교해보면 전산화 처리를 하지 않은 경우, 폴리아민만 투입한 조건(Fig. 8(a)와 (c))은 27%, 폴리아민과 황토분말을 함께 투입한 조건(Fig. 8(b)와 (d))에서는 34% 정도 전산화 처리를 수행한 조건에 비하여 침전슬러지 부피가 감소하여 농축효율이 증가하는 것으로 나타났다.
이와 같이 Microcystis sp.가 고농도로 함유된 상수원수를 정수처리시 전산화 공정을 적용할 경우 침전슬러지의 농축 효율에도 영향을 미치는 것으로 평가되었다. 슬러지 농축조의 농축효율이 낮아지면 농축조 부하로 인해 침전지에서 침전슬러지의 배출 주기가 증가하게 된다. 침전지 내에서 Microcystis sp. 함유 슬러지가 오래 체류하게 되면 이들의 부패로 인해 맛･냄새 유발물질 생성 및 부패시 발생하는 기포로 인해 침전되었던 플록들이 재부상하여 모래여과지로 유출되는 문제가 있다. 따라서 적절한 황토분말 투입으로 농축슬러지 농축효율이 증가함에 따라 여러 문제점들을 효과적으로 해결 가능한 것으로 평가되었다.
4. 결 론
본 연구에서는 하절기 상수원에 남조류 Microcystis sp.가 대번성시 정수장에서 이들의 효율적인 처리와 정수장 운영을 위하여 침전보조제로서 황토분말을 적용한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
Microcystis sp.가 고농도로 함유된 원수를 전산화(pre-oxidation) 처리하면 수중의 용존유기물질, 소독부산물, 조류 독소 농도 및 입자물질 개수가 증가하여 처리수의 수질에 악영향을 미쳤다. 황토분말을 투입하면 전산화(염소+오존) 처리 여부에 관계없이 응집･침전 이후에 탁도와 입자물질의 수가 감소하였다. 특히, 전산화 처리를 하지 않고 황토분말을 투입한 경우에는 전산화 처리 후 황토분말을 투입한 경우에 비해 침전 후 처리수 중의 탁도와 입자물질의 수가 현저히 감소하였다. 또한, 응집보조제인 폴리아민과 함께 사용할 경우 탁도와 입자물질의 제거에 더욱 효과적이었다. 그리고, 황토분말 투입에 따라 농축효율이 불량한 Microcystis sp. 함유 슬러지의 농축효율도 30% 이상 개선되었다. 하절기 Microcystis sp. 번성기에 전산화 공정을 배제하고 응집공정 이전에 황토분말을 적정 농도로 투입하면 처리수 수질 및 정수장 운영면에서 효과적인 것으로 평가되었다.
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.