|
섬유소재를 이용한 水처리
(SEN'I GAKKAISHI Vol.65, No.3(2009)
名和慶東(나와요시토)/유니티카(주)환경사업본부
1. 첫머리
섬유자재는 경량 고강도로, 내구성, 내양품성이 놓고 비교적 저가의 제품을 얻을 수 있다는 것 때문에 수처리에 있어서는 상수도처리와 하수도처리까지 폭넓은 분야에 사용되고 있다. 섬유자재의 주 용도는 고액분리로, 예를 들면 필터프레스나 벨트프레스 등 오니탈수기의 여포용과 권사 필터에 대표되는 카트리지 필터용도 등에 오래전부터 이용되고 있다.
여기서는 최근 모래여과기술 대체기술로 발전하고 있는 섬유여내를 이용한 도속여과법을 중심으로 섬유 간 생물 담지, 고부하 고속처리가 가능한 생물담체 등 섬유자재를 사용한 수처리 기술에 대해 소개하고자 한다.
2. 2차 처리수용 고속여과 여재
최근 하천, 호수, 만 등의 공공수역 환경이 주목받고 있어 2차 처리수(배수 침전처리(1차처리)한 후 활성오니법 등의 생물학적 처리를 행한 처리수) 중의 부유물질과 영양염류에 기인하는 오염 감소, 생태계에의 영향, 위생학적 안전에의 대응으로부터 하수처리시설 등의 배수처리 시설에 있어서는 보다 고도의 처리수질이 요구되고 있다. 또 더욱이 처리수를 중수도와 조경, 친수용수에 적극적으로 재이용하는 등의 움직임도 있다.
활성오니처리 등의 생물학적 배수처리를 실시한 2차 처리수에는 최종 침전지에서 침전분리가 되지 않았던 미생물로 되어 있는 flock을 주체로 한 부유물질이 약 5~20mg/L 정도 존재하고 있다. 이 부유물질 제거해 더욱 청정한 처리수를 얻는 방법으로는 오래전부터 모래나 안트라사이트 등의 여재를 적층, 하향류나 상향류 여과원수(2차 처리수)를 통수시킴으로서 여재표면에의 부착과 분자체(molecular sieve) 효과에 의해 현탁 물질을 제거하는 급속여과법(모래여과법)에 의한 처리가 행해져 왔다. 그러나 모래여과에 의한 처리에서는 통상 여과면적당 여과속도가 200~300㎥/㎡/day 정도이기 때문에 고도처리를 위해서는 비교적 넓은 면적을 필요로 해 왔다.
여기서 여과정도의 향상, 통수속도의 향상에 의한 컴팩트화, 역세수량의 감소 등을 목적으로 새로운 여재개발이 진행되었다. 그 중, 섬유여재는 공극율이 높기 때문에 압력손실이 매우 적어 여과속도 1000㎥/㎡/day 이상의 고속여과가 가능하고, 또 초미세섬유를 이용하기 때문에 미세한 현탁물까지 제거할 수 있는 등의 특징을 갖고 있다.
시판되고 있는 여재의 일예는 표1과 같다.
 
A 여재는 폴리에스터 권축사를 열융착해 직경 4~6mm, 길이 10mm의 원주상으로 자른 것이다.(그림 2). A, B 여재를 사용한 고속여과법에서는 여재를 적측시킨 여층 내부를 여과원수가 고속으로 통과할 때에 여재간극, 여재표면에 노출되어 있는 여재표면, 또는 여재 내부의 섬유간극에 의해 현탁물을 포집, 청정여과수를 얻는다. C 여재는 폴리에스터(나일론)의 장모섬유로 되어 있다.(그림 3).
여과 시에는 섬유여재를 고밀도로 충진한 케이징 내를 여과원수가 고속으로 통과할 때에 섬유표면 또는 섬유여재 간극에 의해 부유물을 보집, 청등여과수를 얻는다. 그림 4에 여재를 사용한 고속여과장치의 운전 예를 나타내었다. 여과공정에서는, 유입수는 여재 승강 장치를 이용해 어느 정도의 압착시킨 여재층을 표준 1250㎥/㎡/day의 속도로 위쪽으로 흘려 여과를 행한다.
한편 세정공정에서는 여재 지지체를 저하시켜 blower로부터의 세정공기에 의해 여재를 펼치고, 여재를 교반시켜 부착한 부유물질을 씻어 탈락, 여과원수와 함께 배수하는 flow로 되어 있다.
그림 5에 B 여재를 사용한 고속여과장치의 운전 예를 나타낸 것이다. 폴리에스터로 되어 있는 침전성 여재이기 때문에 유입수는 자연낙하(설치위치에 따라 양수 펌프 필요, 또는 압력식 탱크를 이용한 경우도 펌프가 필요))에 의해 표준 1000㎥/㎡/day의 속도로 여재층을 하향유로 통과시킨다.
한편 세정공정에서는 컴프레서에 의한 세정공기에 의해 여재층을 전개, 여재를 교반시켜 여재에 부착되어 있는 부유물질을 배수하는 flow로 되어 있다.
그림 6에 C 여재를 사용한 고속여과장치의 운전예를 나타내었다. 폴리아미드로 되어 있는 장섬유 여재를 상하방향으로 배치한 여과기 내를 유입수는 외측으로부터 내측으로 향해 횡과 종의 입체적인 흐름으로 여재층을 표준 3000㎥/㎡/day의 속도로 통과시킨다. 한편 세정공정에서는 컴프레서에 의한 세정공기 투입과 여과원수의 투입을 반복, 여재에 부착된 부유물을 배수하는 flow로 되어 있다.
3. 합류 하수도 대책용 고속여과 여재
오수와 우수를 동일 관료에서 빠르게 배재하는 합류식 하수도는 비교적 오래전부터 하수도 보급에 이용된 도시부에 많고, 생활환경의 개선과 공공용수역의 수질개선에 공헌해왔다. 그러나 우천 시에는 하수 일부가 미처리 그대로 하천과 해역 등으로 방류되기 때문에 큰 문제가 되어, 그 대책기술의 하나로 고속여과법이 행해지고 있다.
미처리 하수를 고속여과 함으로서 부유물질을 제거함과 함께 부유물질에 함유되어 있는 유기물(일반적으로 BOD로 표시)을 제거한 후 방류함으로서 공공용수역으로 수질오탁부하를 감소시킬 수 있게 되었다.
미처리 하수에서는 부유물질 농도(SS)가 높고, 특히 강우 초기에는 500mg/L를 넘는 경우도 있다. 또 미처리 하수에는 오일류와 초목류 등의 협잡물도 많이 함유되어 있어, 이 때문에 여층 내의 폐한을 예방하는 목적으로 스크린 등을 전단에 배치한 협잡물을 제거한 후 고속여과를 하는 경우가 많다. 사용되는 여재는 층 내에 공극율이 높아 우천 시에 고농도, 대유량의 미처리 하수에 대해 낮은 압력손실로 처리가 가능해 초미세섬유를 하용하고 있는 경우나 표면형상의 노력 등으로 고정도로 여과할 수 있도록 설계되어 있다.
전술한 A 여재는 6mm망의 미세 스크린 조합으로 처리를 행하는, 여과속도 1000㎥/㎡/day(유효 여과속도 795㎥/㎡/day)의 조건으로 시스템을 구성하고 있다.
A 여재를 이용한 시스템은 기존 토목구체를 전용하는 것도 가능해, 이 경우에는 건설비용을 절감할 수 있다. 또 전술한 B 여재는 특수 스크린 부착 swirl을 조합시킨 시스템으로 맑은 날씨에는 2차 처리수의 고속처리용으로 이용하고, 우천 시에는 대량의 미처리 하수에 대응하기 위해 협잡물을 제거한 후 최대 2000㎥/㎡/day로 여과하는 시스템을 구축하고 있다.
다음에 합류하수도 대책용 고속여과 전용 여재로서는 D 여재, E 여재 등을 들 수 있다. D 여재는 올레핀계 부직포 섬유로, 8mmΦ×8mm의 원주형상으로 된 것이다. 여재의 형상은 고농도의 부유물질에 대응해 5kPa 정도의 비교적 낮은 여과손실 수두에서 많은 부유물질을 포집할 수 있도록 비교적 큰 투공을 갖고 있다(그림 7).
그림 8은 D 여재를 사용한 미처리 하수처리 예이다. 이미 설치한 토목구체를 전용할 수 있어 유입된 하수는 전처리부에서 협잡물을 부상-침전 분리한 후 여과부에서는 상향으로 500㎥/㎡/day 이하의 속도로 통수, 여과를 행해 강우가 종료될 때가지 세정을 행할 필요 없기 때문에 세정장치를 간소화한 것이 특징이다.
E 여재는 섬유여재는 아니나, 부상성 특수 풍차형 합성수지제 여재(7.5mm×7.5mm×4mm)로, 정격수량 12만 톤 규모 등의 실적이 있다(그림 9).
E 여재를 이용한 시스템에서는 이미 설치한 토목구체를 전용, 상향류로 1000㎥/㎡/day의 속도로 통수하는 방식으로 되어 있다. 여재는 특수 풍차형을 하고 있어 세정 시에는 폭기 공기에 의해 회전, 단시간에 부착된 부유물을 효과적으로 탈리시킬 수 있도록 되어 있다(그림 10) .
4. 생물접촉 여과용 여재
이 방법은 여과법의 일종이나, 다음에 기술하는 미생물 담체 모양으로 여재에 유용한 미생물을 고농도로 포집, 미생물에 의해 피 처리수 중에 함유되어 있는 대상물의 산화․분해를 행함과 함께 부유물에 대해서도 여과로 제거하는 방법이다. 일반적으로 상수 분야에 이용되고 있고, 하천수를 원수로 하고 있는 경우에는 수질악화로 하천 중에 함유되어 있는 암모니아성 질소의 산화와 2-MIB에 대표되는 취기물질을 분해할 목적으로, 또 지하수를 원수로 하는 경우에는 지하수 중의 용해성 철이나 용해성 망간이 많은 경우 산화해 불용성 물질로 한 후 여과에 의해 효율적으로 제거하는 방법이다.
기존에는 지하수 중의 용해성 철과 용해성 망간의 제거는 과망간산칼륨 등의 산화제를 사용해 화학적으로 산화해 불용화 한 후 응집제를 첨가, 모래여과에 의해 제거하는 방법 등이 행해졌다. 생물접촉 여과에 사용되고 있는 여재로서는 섬유여재 외에 활성탄과 다공질 세라믹스, 발포 폴리프로필렌 등이 있다.
섬유여재의 예로서 F 여재의 물성은 표2와 같다. F 여재는 폴리에스터 섬유로 5~7mm의 구상으로 하고 있다(그림 11).
생물접촉여과법에서는 여과기에 여재를 충진하고 하향류로 여과원수를 200~300㎥/㎡/day 정도로 통과시킨다. 이 때 자연발생적으로 생물막이 형성되고, 주 중에 수중 용존산소를 사용해 철과 망간을 산화하는 철 산화세균과 암모니아성 질소를 아질산성 질소 및 질산성 질소로 산화하는 질화세균 등이 증식, 이들 세정작용에 의해 효율좋게 철, 망간, 암모니아성 질소 등을 산화하고, 또 충진한 여재에 의해 원수 중 또는 생성된 철, 망간산화물을 함유하는 미생물 flock 등의 현탁성분을 포집함으로서 깨끗한 처리수를 얻을 수 있어, 기존 방법에 비해 설치면적의 감소와 약품대 등의 유틸리티 절감을 기대할 수 있는 방법이다.
5. 미생물 담체에 대하여
폐수의 생물처리법은 활성오니법에 대표되는 것처럼, 반응조 내에서 폐수와 미생물을 완전 혼합시켜 처리를 행하는 부유생물처리법, 반응조 내를 유동하는 담체에 미생물을 담지, 또는 부착시켜 처리를 행하는 유동상 생물막처리법, 반응조 내에 고정된 접촉재에 미생물을 부착시켜 처리를 행하는 고정상 생물막 처리법으로 분류된다.
5.1 유동상 생물막 처리용 미생물 담체
유동상 생물막처리법은 유용한 미생물을 고농도로 섬유 등의 담체에 담지, 수처리를 행하는 방법으로, 활성오니법에 비해 미생물을 고농도로 유지할 수 있기 때문에 처리시간의 단축과 장치의 성 스페이스가 가능하고, 또 부하변동에도 강한 방법이다.
유동상 미생물처리법에 이용되고 있는 미생물 담체로서는 저가로, 미생물과의 친화성을 높이고, 제적 또는 미생물 담지량이 많아 조 내에서 격한 교반에 대한 내구성이 높다. 또 교반 에너지를 높이기 위해 비중이 1 정도로 가벼운 소재가 요구되기 때문에 합성유기고분자 제품이 많이 사용되고 있어, 폴리에틸렌글리콜, 셀룰로오스, 폴리비닐포말, 폴리우레탄폼, 폴리에틸렌, 폴리비닐알코올, 발포 폴리프로필렌, 폴리에스터 등이 사용되고 있다.
그 중에서 섬유상 미생물 담지체의 예로서는 A 담체로 그 특성은 표3과 같다. A 담체는 폴리에스터계 섬유로, 이형단면을 갖고 있어 표면적을 키울수 있음은 물론 섬유담체의 내부에 고농도의 미생물을 담지하기 때문에 활성오니법에 비해 고부하에 대응할 수 있다(그림 13). 또 미생물 담체를 이용한 수처리 방법에는 수중의 질소제거에 관계하는 질화세균 등의 생육이 늦은 미생물 등을 반응조 내에 담지시킬 수 있다. 질소제거와 특수한 폐수에 대한 처리법으로 유효하다.
5.2 고정상 생물막 처리용 접촉재
고정상 생물막법은 방응조내에 고정된 접촉재에 미생물을 부착시켜 처리하는 방법으로, 접촉재로서는 기존의 각종 형상을 갖는 플라스틱제가 있고, 또 끈 상과 네트상 섬유 접촉재도 이용되고 있다. 그림 14는 폴리에스터 네트상 접촉재로, 반응조 내에 일정간격으로 설치된다. 섬유상 접촉재는 미생물과 친화성이 좋고, 또 수류에 의해 흔들려 과잉으로 비후화한 생물막이 탈락, 생물막의 혐기화, 접촉재의 폐한이 일어나지 않는 것이 특징이다. 또 탄소섬유제 접촉재가 다른 수질정화에 사용되고 있는 연구사례도 있다.
6. 섬유상 활성탄
섬유활성탄은 레이온계, 아크릴계, 페놀계, 피치계로 공업적으로 생산되고 있다. 섬유상 활성탄의 특징을 분말활성탄(입경 250㎛미만), 입상활성탄(입경 250㎛이상)에 대해 정리하면 다음과 같다. ①비표면적(활성탄 1g/㎡ 정도의 표면적)이 크고, 흡착성이 높다. ②흡착에 기여하는 마이크로 포어가 섬유표면이 있어 흡착속도가 빠르다(표4, 그림15). ③정제, 증류, 축중합에 의한 제조프로세스에 의해 매우 불순물이 적다. ④성형이 쉬워 용도에 맞게 성형(펠트상, 페이퍼상, 허니컴상 등)으로 가공 가능하다.
섬유상 활성탄의 수처리 용도로서는 탈염소와 취기 제거를 목적으로 한 음료수와 샤워용 정화필터나 도금액 정화용 필터 등이다. 도금액에는 금속이온 외에 표면광택제가 함유되어 있어 도금액을 사용함에 있어서 광택제의 열화가 일어난다. 이것을 선택적으로 활성탄 카트리지로 제거함으로서 도금액을 장기 이용할 수 있는 상황이 되고 있다.
7. 끝으로
이번에는 섬유자재에 대해 보고하였으나, 수처리용도로서는 막 분리 활성오니법에 이용되는 MF, UF막이나 정수기술에 이용되는 RO막, 이온교환수지 등, 보다 고도처리를 위해 고분자기술이 만들어낸 제품군이 매우 많이 보인다. 또 수처리 용도에 한정하지 않고, 환경장치로서는 배가스 처리용 백필터에 유리섬유소재가 사용되는 등 다종다양한 섬유소재도 사용되고 있다.
수처리는 향후 고도처리(부유물질, 질소 인의 제거), 난 분해성 물질처리, 성에너지 등의 처리, 자원(희토류 등), 에너지 회수 등의 분야가 진행되고 있다고 생각되어, 향후에는 이들 과제를 해결하기 위해 킬레이트 섬유나 섬유상 인 흡착제와 같이 섬유의 특성을 살린 소재가 계속 개발될 것으로 생각된다.
|
