KEI/1993기술현황 분석 보고서

직접 여과법

1993

이태관

<차 례>

Ⅰ. 서 언

Ⅱ. 급속여과법의 변법(變法) 및 직접여과 억류기구(抑留機構)에

관한 기존의 연구와 문제점

1. 서론

2. 급속여과의 변법

3. 직접여과의 향인자

4. 직접여과의 억류기구

Ⅲ. 직접여과의 금후 과제와 방향

1. 생물막법

2. 부상분리법

3. 하수의 직접여과법

Ⅳ. 결 언

참고문헌

<표 차 례>

표 1.1 탁질입자의 억류형태

Ⅰ. 서 언

급속 모래여과법은 19세기 말 미국에서 개발된 이래, 그 정수기구(淨水機構)에 대하

여 많은 연구가 행하여졌다(丹保, 1978). 그러나 아직까지도 급속 모래여과의 여과기구

는 충분히 해명되어 있지 않으며, 급속 모래여과지의 설계는 종래의 경험에 의존하고

있는 것이 실상이다. 그리고, 전체 정수장에서는 상당량의 응집제를 주입하여 큰 floc을

만들어 침전시키고 여과하는 것이 보통이지만, 이 방법은 명백히 침전을 대상으로 한

약품주입이며 여과에 대한 것이 아니다.

2내지 3도라고 하는 낮은 탁도의 원수(源水)를 이용하는 정수장에서 조차도 큰 floc을

형성시키기 위해 쓸데없는 노력을 기울이고 있는 것은 침전을 목적으로 하고 있기 때

문이다.

만약 여과를 목적으로 행하여지고 있다면, 지금까지 불리워지는 응집제 주입량이란

정말로 '적정수준'일까 하는 의문이 생긴다(佐藤, 1970). 응집, 침전, 여과라고 하는 통

상의 정수과정에 있어서 "적절한 응집"은 근본적으로 중요하지만, 그 뒤에 연결되는 탁

질제거조작인 "침전" "여과"의 어느쪽에 중점을 두느냐에 따라 2가지 방법이 있다. 한가

지는 floc 성장을 포함한 "침전조작"을 중시하고 "여과"를 보조, 완결 또는 비상용 안전

밸브로써 생각하는 방법이며, 또 한가지는 그 반대이다. 그러나, 만약에 정수과정에서

침전 중시의 입장을 취했다 하더라도 안정된 청정수를 얻기 위해서는 실제 문제로 여

과를 생략할 수는 없다. 따라서, 정수처리 전체의 경제성 향상을 위하여 고효율 여과지

를 개발하여 침전지 용량을 적게하고, 각각의 원수상황에 상응한 합리적인 정수처리시

설을 설계하고자 하는 생각이 microfloc법이다(小林, 1965). 이 microfloc법을 이용하고

자 하는 새로운 정수처리 시스템이 직접여과법이다.

직접여과법은 침전지(沈澱池)를 이용하지 않기 때문에 여과지에 걸리는 부하가 크므

로 10ppm이하의 저탁도수의 정수처리에 이용되어진다(Tanaka, Pirbazari, 1986). 이 방

법을 적용했을 경우 급격한 손실수두의 증가나 탁도누출(Breaking through) 등이 가장

큰 문제가 된다. 이러한 문제의 주된 대책법으로서 고분자 전해질의 사용등 응집제 개

량에 의한 접근법, 또는 이중여과, 삼중여과 등 여재의 개량에 의한 접근법 등이 많이

연구되어 지고 있다(海老江, 1986). 응집제 개량에 의한 접근법에는 고분자 응집제의 독

성문제와 함께 고분자 응집제의 이용법(주 응집제로서 단독 사용, Alum과의 병용, 여과

조제로서 이용 등) 또한 아직 확립되어 있지 않다. 그러나 다중여과를 이용하는 여재

(濾材)의 개량방법에서는 양질의 여과수가 얻어지는 범위에서 여속(濾速)의 증대

(speed-up) 그리고 여과 지속시간의 연장도 가능하지만, 입경이나 비중 등이 상이한 여

재 경계면에서 여재들의 혼합(Intermixing at the interface)으로 불투수층이 발생하는

점(Form on impervious layer)과 여재의 비용이 높아진다고 하는 문제가 있다(海老江,

1987) (後藤, 1987) (Visvanathan, 1985). 직접여과에 있어서 단층여과(單層濾過)의 역구

예가 적고 또 있다고 해도 손실수두의 급속한 증가나 빠른 탁도누출때문에 좋은 결과

를 얻지 못했다. 그러나 응집제의 성능개선 등에 의한 여과에 미치는 화학적 작용력 개

량등을 통해 직접여과에 있어서 단층여과를 재검토할 필요성이 대두되었다. 여과의

향인자로서 취급해 온 최적 여재입경(0.45∼0.75㎜)은 어떠한 근거도 없이 경험적으로

얻어진 것이다. 그러므로, 여재입경을 여과에 미치는 향인자로서 취급하는 것보다는

원수의 수질, 응집제의 종류, 응집제 주입량, floc 형성방법, 수온등의 향인자의 상태

에 따라 수반되는 여과운전조건의 한가지라고 하는 인식이 필요하다고 생각되어 진다.

또한 미국에서 행해지고 있는 직접여과 연구의 대부분이 고분자 응집제를 사용하고 있

음이 실상이지만, Alum 등의 무기 고분자 응집제만의 단독사용에는 무리가 뒤따르는

것인지 의문이 생긴다. 더우기, 실제 정수현장에서의 원수(原水)는 강우등에 의해 시시

각각 그 탁도가 변화되고 있으며, 저탁도원수의 처리에 이용하는 목적으로 개발되어진

직접여과가 탁도의 증가에 잘 대처할 수 있을까 하는 문제점도 있다.

본 보고서는 이러한 문제점과 향후 활용 가능성에 대해서도 그 가능성을 제시해 본

다.

Ⅱ. 급속여과법의 변법(變法) 및 직접여과 억류기구

(抑留機構)에 관한 기존의 연구와 문제점(佐藤, 1970)

(lves, 1964)

1. 서 론

직접여과법은 급속여과법으로부터 발전된 급속여과법의 한가지이다. 바꾸어 말하면,

직접여과가 급속여과와 다른 억류작용을 행하는 것이 아니라, 단순히 정수처리 과정상

에서 침전지를 갖추고 있지 않으므로, 여과지에 걸리는 부하가 커서 급속여과법의 이용

보다 직접여과의 운전(運轉)에 있어서 보다 면 한 주의가 필요하다. 본장에서는 먼저

급속여과법의 변법 소개와 문제점을 간단히 설명하고, 뒤이어 직접여과의 억류기구를

일반적인 급속여과법의 억류기구로부터 설명하고, 또 직접여과에 있어서 고려해야 할

사항에 관해서 서술함과 동시에 문제점 등에 관해서도 언급하고자 한다.

2. 급속여과의 변법

응집 침전을 행한 후 120∼150m/day의 여속(濾速)으로 여재내의 물흐름을 하향으로

흐르게 하는 방법을 표준법이라고 한다면, 이것과 상이한 방법을 변법이라 하겠다. 실

제로 최근에 여러 가지 변법이 연구되어졌고 또 실시되어지고 있다.

2.1. 고속여과

급속여과의 경제성을 높이기 위하여 표준보다도 빠른 여속으로 여과를 행하는 방법

이다. 여속(濾速)이 빨라지면 이것과 함께 손실수도(損失水頭)도 커지므로 이것에 대처

하기 위해 여재 입경을 크게 하지 않으면 안된다. 처음에는 여과수질의 저하를 우려하

여 반대하 으나, 많은 실험결과 290m/day까지, 여재입경 0.4∼0.8㎜이면 여과수질의 저

하는 거의 보이지 않음이 확인됐다. 최근 직접여과법을 사용하여 여속 640m/day, 여재

입경 1.1㎜까지 양호한 여과수를 얻을 수 있었다는 보고도 있다(Visvanathan, 1985)

(Conley, 1965).

2.2. 감량여과

보통 일반적으로 행하여지고 있는 급속여과법은 여과속도를 일정하게 유지할 수 있

도록 유량조절기를 설치하여 여과 유출벨브의 열린 정도를 여재층의 폐색 정도에 따라

조절함으로써 강제적으로 동일유량이 흐르도록 되어 있다. 그러므로, 여과수의 수질면

에서 보면 그다지 바람직하다고는 말할 수 없다. 감량여과는 유량조절기가 없고, 따라

서 여과층의 폐색에 수반하여 자연히 여과수량이 감소되어 진다. 이 방법의 장점은 유

량조절기가 불필요한 것, 벨브조절 등의 조작이 생략 가능한 것, 수질적으로 우수한 것,

특히 응집상태가 나빠도 양질의 여과수를 생산할 수 있다는 점 등을 들 수 있으나 처

리수량 면에서는 불리하다. 초기설정 여과속도는 150m/day가 이용되어 진다.

2.3. 역입도 구성여과(逆粒度 構成濾過)

급속여과에 사용하는 여재(濾材)의 균등계수(均等係數)는 1.7이하로 하지 않으면 안된

다라고 설정되어 있다. 실제로 각 정수장에서 채용하고 있는 여재의 균등계수는 폐색

(閉塞) 후 반드시 역류세정을 행하지만, 이러한 균등계수의 여재는 세정 후, 표층에는

작은 입경의 여재가 집중하고, 표층이하 저층으로 감에 따라 점차로 여재의 입경이 큰

것으로 성층되어 진다. 이와같은 바람직하지 못한 성층이 형성된 여과지에서 하향으로

여과하는 것은 부유물이 미세한 망으로부터 큰 망으로 향하여 걸러지는 것이 되고, 따

라서 망(걸름현상)의 원리와 상반된다. 걸름작용은 급속여과의 탁질제거기구의 주작용

의 하나임으로 이와같은 현상은 불합리적인 것이 명백하다. 또 표층부에서는 망이 미세

하기 때문에 큰 floc도 작은 floc도 하나같이 표층에서 억류(抑留)되어 표층부에서의 폐

색이 빨라지고 중 하층의 억류기능은 아직 충분함에도 불구하고 손실수두가 증가하여

여과 지속시간이 짧아진다. 처음에 큰 망을 통과하고 그로부터 미세한 망을 통과하도록

고안한다면 이러한 불합리성은 개선될 수 있고 또한, 여과수질도 향상되어 여재 전체를

보다 효과적으로 사용할 수 있다. 이러한 발상으로부터 역입도 구성여과가 고안되었다.

● 다층(多層)여과

역류세정(逆流洗淨)을 행하여도 반드시 큰 입자가 표층에 적은 입자가 저층에 있도록

성층시키면 종래와 동일한 하향류에 있어서도 이상적인 여과가 가능해진다. 이 때문에

여재보다 비중이 가볍고 입경이 큰 안스라사이트(Anthracite)를 모래위에 둔 이중(二重)

여과, 더 나아가 모래층 밑에 모래보다 비중이 크고 입경이 적은 가넷트(Garnet)를 배

치한 삼중(三重)여과 방법이 개발되었다. 이러한 구성은 여과표층에서는 큰 부유입자가

일단 제거되고 이하 점차로 적은 부유입자가 여재공극에 따라 제거되어 여과지 전체를

유효하게 사용함이 가능하다. 이중(二重)여과지는 360m/day의 여속으로 우수한 청증의

여과수를 얻을 수 있으며, 삼중여과지는 600m/day에서도 가능하다고 한다.

그리고, 손실수두의 증가도 재래의 여과지에 비해 약 1/2 수준이고, 여과지속시간도

상당히 연장 가능하다고 한다. 그러나 다층여과의 불리한 점은 여재의 비용이 높아지는

것과 여재끼리의 혼합(Intermixing)에 의한 불투수층이 만들어져 효율이 떨어질 가능성

도 있다.

● 상향(上向)여과

큰쪽에서 작은 쪽으로의 여과원리는 아주 오래 전부터 착목되어 왔으며, 1940년에

Geyer 등에 의해 실험이 행하여 졌다. 그러나 실제로 여과처리에 적용된 것은 최근의

일로서 이 방법은 미여과수를 밑에서 위로 흐르게 하기 때문에 보통으로 성층된 모래

만으로도 역입도(逆粒度)여과가 이루어진다. 상향여과는 300m/day 혹은 그 이상의 여과

속도로도 양질의 여과수를 얻을 수 있다. 본 방법의 결점은 여과속도를 임의로 높일 수

없다는 점과 역류세정이 곤란한 점, 여과중에는 절대로 사층을 팽창시켜서는 안되지만,

사층의 폐색과 수반하여 부상(浮上)하는 경향이 있는 점 등이다. 실제 운용에 있어서,

여속을 빨리하기 위해서는 상승류의 부력에 지탱할 수 있는 중량이 필요하므로 사층의

두께를 크게 할 필요가 있으며, 실제로는 통상의 사층두께 보다 큰 약 2m의 두께를 이

용하고 있다. 역류세정은 보통여과와 동일하게 상향류이기 때문에 억류 부유물에 의한

공극의 막힘으로 인해 사층 자체가 팽창해서 모래를 부유상태로 만드는 것 등의 어려

운 점이 있다.

● By-flow-여과

상향류여과의 결점을 개량한 것이라고 할 수 있는 여과방식으로 여과중 사층의 팽창

을 방지하기 위하여 고안되었다. 이는 여과중 사층을 콤팩트한 상태로 유지시키기 위해

서는 유입수의 약 20%를 정상으로부터 얇은 미세사층을 통과하여 하향으로 흐르게 하

고 나머지 약 80%를 저층으로부터 두꺼운 사층을 통과하여 상향류로 여과하는 방법이

다. 여과수는 모래 표층면에서 조금 밑부분의 사층중에 설치된 집수 스트레이너

(Strainer)로 부터 얻어진다. 이와같이 함으로서 사층의 팽창이나 부상을 방지할 수 있

다. 본법에서 중요한 것은 상향류와 하향류의 여과기능을 상호보완적으로 얻어낼 수 있

다는 것이다.

2.4. 활성탄 여과

맛과 냄새 등을 제거할 목적으로 모래대신에 입상활성탄을 이용하여 여과하는 방법

이다. 활성탄이 맛과 냄새를 제거한다는 것은 이미 30년전에 논증된 것이지만, 근년에

들어 맛과 냄새 제어 이외의 효과, 즉 유기물 세제 등의 제거와 물의 외관적인 개선(색

도제거)에 효과가 있는 것으로 판명되어 활성탄 사용에 높은 관심이 모아지고 있다. 독

일에서는 600m/day의 여속으로 운전되어지고, 미국에서는 300m/day가 설계속도로 되

어 있다고 한다. 맛과 냄새가 적을 때에는 전층에 활성탄을 사용하지 않고, 여과지 표

면부분에 활성탄을 둔 일종의 이중여과를 행하는 방법도 고려된다(이런 경우 보통 분말

활성탄을 이용하여 응집과정중에 살포하는 것이 많음). 이때 활성탄은 수처리 마무리

약품으로서의 기능도 겸하고 있다. 활성탄은 값이 비싸다는 것이 큰 결점이다.

2.5. 여과조제(濾過助劑)의 사용

여과조제란 여과 직전의 미여과수에 고분자 응집제 등을 미량(수 ppb) 첨가하는 것을

말한다. 여과조제는 미여과수 중의 floc에 흡착하여 부유물을 상호결합시켜 여재에 부착

시키는 접착제와 같은 역할을 가지므로 여과속도를 상당히 올려도 양질의 여과수를 얻

을 수 있다. 실험에 의하면 600m/day 여속에도 충분한 양질의 여과수를 얻을 수 있었

고, 여과조제 사용시 300∼600m/day가 가장 효과적이었다. 또한 여과조제를 사용하면

응집제 주립량을 보통보다 감소시킬 수 있어 운전 비용면에서도 유리하다. 여과조제 주

립량은 원수의 수질에 따라 달라지지만, 대략 10∼30ppb가 보통인 것 같다.

그러나 여과조제를 사용할 시에 역류세정에 미치는 향에 대해서는 아직 확실치 않

다. 여과조제 사용에는 많은 잇점이 있지만, 보통의 정수장에서는 원수의 수질이 악화

되어 응집효과가 높아지지 않을 경우에만 여과조제를 사용하는 것이 바람직하다.

2.6. micro-floc법

종래부터 [응집․침전․여과]라고 하는 것이 가장 일반적인 정수처리 공정이며, 실제

로 정수처리 과정에 복잡한 공정이 추가되었다 해도 모든 정수처리 시설에서 이 기본

적인 공정은 교란하지 않고 운전하고 있다. 물론 이러한 3단계 공정은 근본적으로 중요

하지만, 이들 공정 중에서 침전을 중심으로 하고 여과를 부수적으로 행한다든지 또는

그 반대로 여과를 중심으로 하고 침전을 부수적으로 행한다 하는 두가지의 수행방법에

의해 공정방법도 다소 차이가 있을 것이다. 전자의 침전을 중심으로 처리할 경우, 여과

지는 불필요할까라고 한다면 결코 그렇지 아니하고 청정한 음용수를 얻기 위한 마무리

로서 여과지는 절대 불가결한 처리시설이다. 한편, 여과를 주로한 처리의 경우, 여과지

의 부담은 증가하겠지만 침전과정을 생략함은 가능하다. 그러므로, 정수장 전체의 경제

성으로부터보면, 성능이 우수한 여과지를 사용하여 침전과정을 생략하거나 또는 침전

용량을 대폭 감소하는 편이 유리할 지도 모른다.

그러나 집중호우로 인하여 원수의 탁도가 상당히 높아질 경우도 있으므로 그러한 때

에는 적절한 응집을 행하여 부유물을 침전시켜야 하므로, 실제 운용에서 침전지를 완전

히 생략하는 것에는 어려움이 예상된다. 현재 응집제 주입량의 결정은 침전수의 탁도를

대상으로 행하여지고 있지만, 만약 원수에 탁도변동이 대단히 심할 경우, 원수변동에

따른 응집제 주입량을 완전히 일치시키기 위한 시간적 여유를 얻기는 어렵다. 더우이

약품을 주입하여 여과지를 통과하여 나오는데 소요시간이 많이 필요하므로 상당한 시

간의 불일치가 발생한다.

W.R.Conley는 이러한 발상으로부터 여과수 탁도에 의한 약품주입량을 관리하는 방법

에 대해 고찰했다(Conley, 1965). 즉, 여과수 탁도의 측정이 응집상태의 적부를 감시하

는 가장 실제적인 방법이라고 논하고 있다. 또한 특수한 여과지를 사용하면 충분히 floc

형성과 침전이 되어있지 않아도 쉽게 여과가능하며, 더욱이 여과수를 연속적으로 상시

감시하면 응집상태 부적(不適)의 응집수가 침전지를 채우고 있는 낭비가 방지될 수 있

다.

이러한 근거에 의해 생겨난 것이 micro-floc 법이다. 이 방법은 응집제를 여과지입구

직전에서 원수에 주입하여 급속교반(flash-mixing) 등으로 혼합한 즉시 여과지로 흐르

게 한다. 이 시점에서 floc은 당연히 미소 floc 이지만, 응집(미소 floc의 형성)은 수 초

간 또는 십 수 초내에 종료되기 때문에 이후의 floc 형성은 여과내지를 통과하는 동안

에 충분히 행하여져 탁질이 완벽하게 제거된다. 이 경우 응집제 주입량은 적정량보다

상당히 소량으로 가능하지만, 탁도누출 방지를 위하여 응집조제를 주입하고, 여과지(濾

過池)는 이중처리를 이용하는 것이 통례로 되어있다.

3. 직접여과의 향인자(Committee Report, 1980)

3.1. 원수(源水)의 탁도와 색도

색도로서 30∼40 Hazen units, 탁도로서 15도를 넘으면 여과를 행하는 데 문제가 있

다. 이러한 것은 고분자 전해질 사용에 의해 해결될 수도 있다. 고분자 전해질은 응집

제로서 단독 또는 다른 응집제와 병행하여 이용되어진다. 또는 여상의 구석구석까지 억

류(抑留)를 가능하게 하거나 탁도누출을 방지하기 위하여 여과조제를 사용하기도 한다.

억류에 보다 적합한 크기나 강도를 가진 floc을 만들기 위하여 교반강도나 여재입경의

선정이 중요하다.

3.2 조 류

여과에 방해가 되는 규주류와 같은 조류의 증가는 정수처리에 큰 향을 미친다. 침

전을 이용하지 않으면 계절적으로 발생하는 조류의 큰 부하는 여상의 막힘을 초래하여

지속시간을 짧게 한다. 또한 역세척도 많이 필요하게 된다. 조류가 증가하는 것은 일반

적으로 물수요가 많은 시기와 일치하기 때문에 중대한 문제가 된다. 조류처리에 대한

한가지 방법은 안쓰라사이트를 기존보다 유효경은 크나 도가 적은 것으로 대체하는

것이다. 그러나 이 경우 공극이 커지게 되므로 탁도누출을 방지하기 위하여 여과조제가

필요하게 된다. 또는 다단여과법을 사용하는 것도 좋은 방법이 될 수 있다.

3.3. 온 도

원수의 수온은 중요한 인자이다. 직접 여과에서의 교반은 침전여과법 보다 단시간에

이루어지기 때문에 한랭한 시기에는 floc 형성이 불충분할 경우가 있다. 반응을 촉진시

키기 위하여 고분자 응집제를 첨가하는 방법도 있다. 한랭한 시기는 보통 물수요가 적

기 때문에 유속을 늦추는 것도 한가지 방법이다.

3.4. pH

응집제는 Alum을 사용할 때 pH가 높으면 응집에 문제가 발생한다. 조류 증가시에는

pH가 상승하는 경우가 많다. 따라서 pH를 낮추는 방법이 강구되어야 한다. Alum 사용

시 불용성의 최적 pH를 얻기 위한 pH는 5∼7이다. 높은 pH에서 여과를 행하면 여과지

에서 처리되어 유출된 후 배관등에서 뒤늦게 floc이 형성되는 후(後) floc 형성(after

floc formation) 등을 일으킨다.

3.5 화학약품

직접여과에 걸맞는 수질의 원수를 취급하는 대부분의 처리설비에서는 응집제를 0∼

10㎎/ℓ의 범위에서 사용하고 있다. 원수의 탁도가 높아짐에 따라 Alum 주입량이 많이

증가되지만, 이때 고분자 전해질을 사용함으로 이러한 문제를 극복하는 경우가 많다.

고분자 전해질을 첨가하는 장소는 flash-mix나 floc 형성지로부터 여과지입구까지 다양

하다.

3.6 교반강도

직접여과법에서 교반조의 체류시간은 1분부터 40분까지 폭이 넓고 또 속도 구배도

다양하다.

3.7 여과장치

- Coal media:먼저 입경에 대하여 살펴보면 유효경 0.8㎜보다 적은 안스라사이트는

지속시간이 짧고, 조류로 인해 막히기 쉽다. 최근의 실험 플랜트에서는 유효경 1.1㎜로

시운전하고 있다. 이 크기는 지속시간과 여과수수질로부터 판단하여 적합한 입경임에

판명되었다. 보다 큰 입경에서는 고분자의 적용과 세심한 주의가 요구된다.

또한 여재 충전두께는 두께에 비례하여 그것만큼 억류용량이 증가하며 지속시간이

길어진다. 마지막으로 균등계수는 여과지내에서 여재가 혼합될 역이 최소화 되도록

적게함이 좋다.

- 모 래 : 대개의 정수시설의 모래 유효경은 0.4∼0.5㎜ 이다.

- 그 외의 여재 : 직접여과의 장해가 될 수 있는 수질의 원수를 가끔 취급하는 설비

에서 이용하는 여재는 유효경 0.2∼0.3㎜의 가네트가 주로 쓰인다. 하부 집수장치를 막

히지 않게 할 입경의 여재를 사용함이 중요하다.

- 여과속도 : 일반적으로 120m/day를 기준으로 했다. 최근 기술이 진보되어 통상의

침전여과법에서 550m/day까지 속도가 증가하게 되었다. 직접여과에 있어서도 여과속도

를 높일 필요성이 대두되고 있다. 여속을 높이는데 있어 문제점은 탁도누출이지만, 교

반강도와 고분자 응집제의 이용에 의해 극복할 수 있다. 현재의 여과속도는 60∼

354m/day이다. 지속시간은 이 여속에 의해 좌우되기 보다는 응집제 주입량과 조류농도

등의 인자에 의해 결정된다.

- 여과속도 제어 : 많은 설비에서 여과속도를 일정하게 하여 여과를 행한다. 감량여

과쪽의 수질이 약간 양호하다는 보고가 있지만, 큰 상이점은 없다. 감량여과에서는 유

량제어를 행하지 않아도 좋지만, 처음의 여과속도가 상당히 빠를 때에는 초기 탁도누출

제어가 중요한 문제가 된다.

- 역류세정 : 보다 큰 유효경의 안쓰라라이트를 이용하면, 역세정시 유속을 빨리하지

않으면 안된다. 역세정 전에 공기세정을 행하면 역세정 수량이 적게 든다. 그러므로, 역

세정만의 경우와 공기․물을 사용한 복합 세정의 경우와는 충분히 비교 조사되어져야

한다. 더욱이 고분자 응집제를 주응집제로서 사용할 때에는 고분자 화합물의 물리화학

적 성질로부터 여러 가지 역세정 기술이 필요하게 된다. 고분자 응집제를 이용하는 설

비에서는 그 점착성 때문에 어려움이 있다는 지적도 있다. 점착성을 여과지내에서 제거

하지 않으면 mud ball을 형성할 가능성이 있다. 표면세정은 꽤 보급되어 있으며, 여층

의 최상부에서 문제되는 물질을 제거하는데 유효하다.

- 여과 지속시간 : 보통의 설비에서는 지속시간의 최소치는 10∼20시간의 범위이나,

이 수치보다 상당히 밑도는 경우도 있다. 지속시간을 좌우하는 인자는 많다. 원수의 색

도, 탁도, 조류, 교반강도, 여재입경, 여과속도 등이며 이러한 인자들중의 일부 또는 전

부를 변화시킴에 의해 또 다른 지속시간의 특성이 얻어진다. 지속시간을 길게 하기 위

해서는 응집제나 응집조제 그리고 여과조제 등을 주의깊게 적용할 필요가 있다.

3.8 여과수의 수질

- 탁도 : 탁도는 여과가 성공한 것인가, 아니면 실패한 것인가를 나타내는 가장 중요

한 인자이다. 여과장치가 최고의 수질을 만들 수 있도록 최적화되고, 미리 검토되어진

공정변수를 적절히 제어했을 때 여과수 탁도는 주로 여재의 유효경과 충전두께에 따라

정해진다.

-잔류 Aluminum: 잔류 Aluminum이 많으면 후 floc 형성문제가 발생하여 수질이 악

화될 수 있다. 교반조건이나 응집조제 등을 통한 처리수 중의 잔존 Aluminum 극복을

위한 연구가 필요하다.

-색도: 직접여과에서의 색도제거는 일반적으로 Alum에 의한 색소물질의 응집으로 행

해진다. 유기 고분자물이 주응집제로서 사용되어질 때에는 색도제거는 거의 이루어지지

않는다.

4. 직접여과의 억류기구(角田, 靑柳, 1975)

급속여과에서는 입자상물질로 이루어지는 여과층을 비교적 빠른 속도로 물이 통과하

므로써수중의 탁질은 걸림 또는 여재로의 흡착에 의해 제거된다. 여층에 들어온 탁질은

막힘 또는 중력침전에 의해 수송되어 여재표면이나, 이미 표면에 부착된 탁질과 접촉하

여 부착 억류되는데 침전단계에서 첨가되어진 응집제의 역할이 큰 것으로 생각되어진

다. 이러한 탁질의 억류는 당연히 적은 입자로 이루어진 표층에 가까운 여재부분에 집

중되고, 여기에서는 공극이 적어져 손실수두가 크게 된다. 이 손실수두가 일정값에 달

하면 여재와 역방향으로 물을 흘려 역세정을 행하고, 이때 억류되어 있던 탁질은 위로

씻겨 나가 제거된다.

이 과정을 나타내는 여과방정식은 다음과 같다.

c, λ, q는 t와 z의 함수이며, 저지율 λ는 여층의 폐색과 함께 변화하며 최초는 상승하

지만, 그후로 감소한다.

여과의 억류기구는

ⅰ) 여재표면으로 탁질입자의 이동과 접촉

ⅱ) 여재와 탁질입자, 여재표면에의 부착한 탁질입자와 탁질입자간의 응집 부착 또는

여재공극에의 침전 등 2단계로 이루어진다.

전자에 있어서는 브라운 운동, 중력침전, 관성충돌, 유체역학적 작용이, 후자의 경우에

는 반데르발스 힘, 쿨롱인력, 화학적 결합력 등이 작용한다. 그리고, 여층내 탁질의 억

류형태로서 ①침전형 ②피복형 ③폐색형 3가지로 대별할 수 있다. 이 탁질입자 억류형

태는 표-1에서 보는 바와 같다.

표-1 탁질입자의 억류형태

침전형은 여층내의 수류가 느린 장소나 수류 향이 미치지 않는 공극내에 억류되어

지는 것으로 손실수두 증가가 극히 적은 것이 특징이다. 이러한 억류형태는 탁질입자끼

리 또는 탁질입자와 여재표면과의 상호 응집력이 약할 때 형성되어 지는 것으로 수류

변동 등의 충격으로 탁질입자가 누출되거나 청정한 여과수가 얻어지지 않는 등의 결점

이 있다.

피복형이라 함은 여재 표면에 균등하게 탁질입자가 부착한 모델이다. 탁질입자끼리의

반발에너지가 탁질입자와 여재상호의 반발에너지보다 큰 것이 주요요인이 된다. 즉, 탁

질입자끼리의 응집보다는 탁질입자의 여재표면으로의 접촉쪽이 지배적이다. 또 초기 여

재표면은 탁질입자 부착면과 부착되지 않은 표면이 혼재되어 있지만, 이때 탁질입자가

부착하고 있지 않은 표면으로 접촉하여 부착하는 경향이 강하지 않으면 안된다.

그러기 위해서는 탁질입자와 여재표면 상호간의 반발에너지가 적은 것이 필요하다.

또 한가지 주요인자는 탁질입자의 부착력이 강하지도 않고 약하지도 않는 중간 정도일

때이다. 이것은 수류가 빠른 부분으로 부착이 억제되어 밑쪽의 수류가 느린 부분으로

억류되어지는 것으로서 여재층이 유효하게 이용되어진다. 더우기, 손실수두의 증가도

크지 않아, 청정한 여과수가 얻어지며, 수류변동 등에도 안정성이 강하여 여과의 최적

조건이다.

폐색형이라 함은 여재표면에 부착한 탁질에 선택적으로 억류되어, 가교현상에 의한

여재층내 수로단면을 폐색하는 모델이다. 이러한 억류형태를 나타내는 요인중 하나는

탁질입자끼리의 적은 반발에너지이며, 다른 하나는 탁질입자끼리의 응집부착력이 대단

히 큰 것에 기인한다. 이 억류형태는 표층부에 집중적으로 탁질이 억류되어 수로를 폐

색해 버리기 때문에 손실수두의 증가가 급속한 점이 최대 결점이다. 부착력이 강력하고

탁질입자의 leak가 전혀 보이지 않아 고속여과나 굵은 입자여재를 이용한 여과방식에

적합하다.

Ⅲ. 직접여과의 금후 과제의 방향

상술한 바와 같이 직접여과법의 최대 문제점은 여과지에 걸리는 과부하를 어떻게 해

결해 나갈 수 있는가 하는 것이다. 여과지에 걸리는 과부하 문제는 직접여과를 실질 정

수설비에 적용하는데 걸림돌이 되어 미국의 일부 경우를 제외하고는 국내 및 일본에서

는 실질 예가 아직 없다. 그러나 많은 실험 결과들은 탁도 50mg/ℓ 정도의 원수에 대

해서도 양질의 여과수를 얻을 수 있는 것으로 보고하고 있으며(李외, 1989-b), 여재입경

의 선택에 대한 연구도 많이 이루어져 급격한 손실수두의 증가를 억제할 수 있음을 시

사하고 있다(李외, 1989-a). 또한 급격한 손실수두 증가의 최대 주요 인자는 주입 응집

제량임이 알려져 있으며, 탁도의 증가는 탁도가 증가한 비례만큼 응집제 양을 추가로

필요로 하지 않으므로 손실수두의 급격한 증가에 심각한 향을 초래하지 않는다(李,

佐藤, 1989). 그리고 응집조제 또는 여과조제로서 이용되는 고분자 응집제류는 이들의

독성으로 인해 문제가 되고 있지만 소량의 고분자 응집제 사용은 고려할 만한 향을

주지 않는 것으로 본다. 미국 공중 위생국의 수처리용 응집보조제에 관한 위원회는 수

십종류의 고분자에 대해 "음용수용으로 독성이 없어 사용하여도 좋다"라고 허가되어져

있으며(小林, 1965), 미국내 300여개소의 정수처리시설에 있어서 고분자 응집제 사용실

태에 관한 앙케이트 조사에 의하면 약 50%의 시설에서 현재 또는 장래에 사용할 예정

으로 되어 있다(Committee Report, 1982). 따라서 여과조제 등의 사용으로 인해 탁도

누출문제도 극복할 수 있어 상당히 장래성이 밝다.

정수처리에서 고도처리법으로서의 생물처리 기술의 도입으로 인하여 보다 실질적인

방법으로서의 정수시설에 직접여과법의 채택은 아주 가까운 기간 내에 실용화될 기술

이 될 가능성이 상당히 높은 것으로 기대되며, 하수에서도 2차 처리수에 대한 고도처리

로서 직접여과법을 이용할 수 있는 가능성이 시사되고 있다. 직접여과를 실질 적용면에

서 이용가능케 할 수 있는 생물막법과 부상분리법, 그리고 하수의 직접여과법에 대해서

간단히 소개한다.

1. 생물막법(洞 편저, 1982)

생물처리법에는 생물군들이 자유럽게 부유하고 있는 형태의 활성오니법과 생물군들

이 고정되어 있는 고정 생물막법으로 크게 대별할 수 있다. 또 고정 생물막법에는 대표

적으로 살수여상법, 회전판 접촉법, 접촉폭기법으로 나뉘어진다.

특히, 이중에서 접촉폭기법으로 불리워지는 생물처리법은 침적여상법 또는 생물접촉

산화법 등으로 불리워지기도 하며 이 법은 저농도 오수 등의 처리에도 적합한 것으로

알려져 상수의 전처리, 하수의 3차처리 등에 널리 이용된다. 본 보고서에서는 생물처리

법 중 상수의 전처리 목적으로 많이 연구되어진 접촉폭기법(하니콤식 접촉산화법)에 대

하여 그 특징을 알아본다. 하니콤식 튜브 접촉산화법이란 벌집모양의 하니콤 튜브를 여

재로 하여 이것을 생물막으로 이용하여 정화하는 침적여상법의 일종이다.

1.1. 본법의 개요(李, 1988)

하천을 흐르는 오염물질은 하천을 흘러가는 도중 하상의 물이끼처럼 보이는 생물등

에 의해 제거된다. 하상의 물이끼(일종의 생물막)는 세균, 원생동물, 후생동물 등이 서

식하는 복잡하고도 조화가 이루어진 생태계를 구성하고 있으며, 오염물질을 점차적으로

연쇄상에 의해 섭취 소화하는 기능을 가지고 있다. 본 법은 이와 같은 원리를 처리탱크

등에 응용한 처리법이다.

1.2. 처리성능(李 외, 1988-a)(李 외, 1988-b)

1.2.1 NH4-N 제거

2시간의 여과지내 체류시간으로 동기(冬期)에 50% 정도, 춘기(春期)에 50% 정도, 하

기(夏期)에는 90% 정도의 제거가 기대되며, 저수온일 경우에는 체류시간의 연장이 필요

하다.

1.2.2. 냄새제거

수온의 향을 받지 않고 2시간의 체류로 80% 정도의 제거율을 기대할 수 있고, 오

존 또는 활성탄과의 병행 이용을 통해 냄새의 완전제거가 가능하리라 기대된다.

1.2.3. THMFP(Trihalomethane Formation Potential)

트리할로메탄 생성물질의 제거는 불가능하다 NH4-N 등의 제거가 선행된다면 투입하

는 염소의 전체량을 감소시킬 수 있어 트리할로메탄의 생성량을 줄일 수 있을 것으로

본다.

1.2.4. 탁질제거(SS, chl-a)

2시간 체류시간으로 SS는 60∼80%, Chl-a는 46∼83% 그리고 조류는 51∼93%의 제

거가 가능하다.

이상과 같이 하니콤식 생물처리법의 제거율은 각각의 수질항목에 대하여 높지는 않

지만, 전반적인 수질항목에 대하여 뛰어난 제거 기능을 가지고 있어 종합적인 관점에서

판단하며, 정수처리의 전처리로서 이용되어질 때, 부수적으로 여과지에 걸리는 부하도

상당히 감소할 것으로 예상되어지며, 전처리로서 생물처리가 운용될 때 그 처리수에 대

하여 침전을 목적으로 한 응집공정의 운용은 생략할 수 있다.

2. 부상분리법(최 외, 1992)(須藤 외, 1993)

부상분리법이란 처리대상의 물에 비중이 물보다 적은 부유물질이 많은 경우에 사용

된다. 이 방법의 이론적 배경은 침전방법과 동일하나 침전시키는 대신에 부상시키는 방

법이므로 침전지의 모양을 뒤집어 놓은 형태가 된다.

부상분리법에는 공기부상, 가압용해 공기부상, 진공부상의 세가지 방법이 있다.

부상법은 일반적으로 작은 공기방울을 용액에 주입시켜 용액내의 입자가 엉켜 붙어

서 부력에 의해 상승시키는 방법으로 공기부상은 폭기와 동일하며 일반적으로 scum이

잘 형성되는 폐수를 제외하고는 그리 효과적이지 못하다. 가압용해 공기 부상은 공기를

가압(3-5kg/㎤)하여 용액속으로 주입시켜서, 더 많은 공기를 용해시키고 이용액이 대기

압으로 노출될 때 매우 작은 공기방울들로 분산되어 이의 상승 효과를 이용하는 방법

이다. 이 때에는 일정한 용기에 원수와 공기를 가압시킨 후 부상지에 대기에 노출시킨

다.

진공부상법은 용액을 진공상태에 노출시킬 때 포화된 공기가 작은 공기 방울로 튀어

나오게됨에 따라 입자와 엉켜붙어서 상승하는 현상을 이용한 것이다. 이러한 방법 중

가장 많이 사용되고 있는 방법은 가압 용해 공기부상법이다.

가압 용해 공기부상법은 부상분리 처리수의 일부를 가압수로 순환시키는 순환수가압

법을 사용하는 것이 특징이다. 공기의 용해감압, 기포의 발생, 원수의 혼합, 기포의 부

착, 부상분리하고 하는 일련의 조작이 이루어지거나 각자의 조작효율이 부상 분리 전체

의 효율을 좌우한다고 말할 수 있다. 특히 가압부상분리에 있어서 원수속의 고형분과

공기량과의 중량비, 즉, 기체․고체비가 분리를 좌우하는 가장 중요한 인자이고, 이 기

체․고체비를 원수의 조건, 공기의 용해도, 가압순환수량, 압력에 의하여 결정한다.

본법은 부상분리조 수면적 부하 3∼6㎥/㎡․h, 부상분리조 체류시간 15∼40분 조건하

에서 염색폐수, 식용가공폐수 등의 유분, SS, 색도, COD 제거, 부 양화된 저수지계 원

수, 저수지를수원으로 하는 정수장의 배수, 철․망간을 함유한 지하수, 탁도가 낮고 색

도가 높은 원수, 오염된 하천수 등에 효과적인 고도처리 방법이다.

이 방법은 상술한 바와 같이 부상하기 쉬운 입자가 많은 물처리를 위해 개발되어진

것이나, micro-floc법을 이용하여 정수처리에 이용하면 좋은 결과를 얻을 수 있을 것으

로 확신한다. 침전법을 이용한 정수처리의 단점 중 하나는 긴 체류시간을 요함으로써

많은 부지를 필요로 하는 것이나, 본법은 짧은 부상분리조 체류시간으로 인해 필요부지

를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 부상분리를 목적으로 하기 때문에 소량의 응집제 주

입량으로도 충분한 처리효과를 기대할 수 있다. 본법의 활용으로는 정수처리시 직접여

과에 걸리는 부하를 줄이는 목적이외에도 홍수 등의 집중호우로 인한 탁도 증가시 일

시적으로 이용하는 방법을 들 수 있으며, 후술의 하수 고도처리로 이용되어지는 직접여

과법에 있어서 하수의 인농도가 높을 때 여과지의 부하를 줄일 수 있는 방법으로 앞으

로 많은 연구․검토가 이루어져야 하겠다.

3. 하수의 직접여과법(李, 1991)

하수처리는 생물처리법 등의 2차 처리가 주종을 이루고 있으나, 그 자체만으로는 우

리의 수환경을 바람직하게 보전할 수 없다.

활성슬러지법 등에 의한 하수 이차 처리수 중에는 통상 10∼20mg/ℓ정도의 미생물

floc을 주체로 하는 입자가 포함되어 있다. 이차처리수의 BOD 50∼80% 정도가 이러한

입자로부터 유래하는 것으로 부유성 물질(SS)을 제거하면 양질의 고도 정수된 처리수

가 얻어지는 결과가 된다. 이러한 이유로 급속모래여과법이 이용되어져 많은 연구가 행

하여져 왔다. 상술한 바와 같이 10∼20mg/ℓ의 부유물질 농도는 직접여과법을 이용하

기에 충분하다는 결론에 도달할 수 있으며 실제 하수의 3차 처리로 직접여과법을 이용

한 실험예가 있다(李 외, 1991)(西村 외, 1991). 그러나 하수의 2차 처리수들의 응집특성

은 2차 처리수중 인농도와 상관관계가 있음이 밝혀져 하수의 3차처리 목적은 BOD 성

분의 제거뿐만 아니라 수역의 부 양화를 초래하는 최대 원인물질인 인을 제거하기 위

함이다. 그러나 기존의 하수 2차 처리는 인제거 공정을 도입하고 있지 않은 것이 현실

이며 따라서 인의 적절한 제거를 위해서는 불가분 과다 응집제 주입량이 필요하게 되

어지고 여과지속시간은 응집제 주입량이 많아 질수록 짧아지게 되어 고농도 인을 함유

한 2차 처리수에 대한 직접여과는 여과 지속시간의 단축으로 그 실용성이 적어지는 결

과를 낳았다.

이미 선진국에서는 생물처리에 있어서 질소․인을 동시에 제거하는 기술이 활발히

연구되어 이의 실용화가 목전에 와있다. 생물처리기술의 발달은 저농도 인 함량 2차 처

리수를 가능케 하여, 향후 2차 처리수의 고도처리로서의 여과는 직접여과가 채택될 가

능성이 더욱 높아졌다. 하수 2차 처리수에 대한 직접여과는 양질의 처리수가 얻어짐이

보고 되어져 있으며, 다만 여과 지속시간이 문제가 되어 이의 해결에 연구가 추가로 진

행되고 있다.

Ⅳ. 결언

직접여과법은 소량의 응집제 주립량만으로 양질의 처리수를 얻을 수 있으며, 침전지

를 대폭 축소하거나 생략함으로써 부지를 상당히 절약할 수 있는 장점을 지닌다. Alum

등의 응집제의 과다 사용은(경제적인 문제뿐만 아니라) 용존성 Aluminum문제를 일으

켜 인체에 해로운 향을 주고, 자연의 순수한 물 맛을 잃게 한다. 또한 극도의 오염된

물은 새로운 수처리 공정을 요구하여 정수처리 시스템에 많은 복잡한 공정을 도입케

한다. 이러한 새로운 수처리 공정은 어디까지 도입되어야 충분한 처리효과를 기대할 수

있을지 현재로선 알 수 없다. 활성탄과 막처리 등의 고도처리도 상술한 생물처리와 물

리 화학적처리 방법이 잘 선행되었을 때 비로소 그 역할을 완전히 수행할 수 있으며

경제성도 향상되어진다. 이러한 새로운 공정도입은 기존의 정수처리 시스템을 보다 콤

팩트화시킬 때 가능하다 하겠다.

참고문헌