응집은 폐수 처리의 화학적 단위 공정으로, 침전되지 않는 미세한 교질 입자(0.001 ~ 1㎛)의 전기적 안정성을 파괴하여 제거 가능한 형태(플록)로 만드는 핵심 단계다.
1. 교질 입자의 안정성 원리
Principles of Colloidal Stability & Electrical Double Layer
왜 미세 입자는 침전되지 않는가?
폐수 내 교질 입자(0.001 ~ 1㎛)는 중력의 영향보다 표면 전하의 영향이 지배적입니다. 이들은 대부분 순 음전하(Net Negative Surface Charge)를 띠고 있어, 전기적 반발력으로 인해 서로 뭉치지 않고 안정적으로 분산된다.
- 전기 이중층(Electrical Double Layer): 입자 표면 전하 주변에 반대 전하 이온들이 층을 형성한다.
- 반발력: 이 음전하로 인해 입자끼리 서로 밀어내는 힘이 작용하여 안정적으로 분산된 상태를 유지한다.
- 제타 전위(Zeta Potential): 이 입자의 안정성을 나타내는 지표다.
반발력(Repulsion) > 인력(Attraction). 즉, 브라운 운동이 중력보다 우세해 서로 뭉치지 않고 분산되게 된다.
2. 화학적 단위 공정 : 응집 (Coagulation)
Chemical Unit Process: Mechanisms & Hydrolysis Reactions
응집은 단순한 물리적 혼합이 아닌, 금속염이 물과 반응하여 생성된 가수분해 종(Species)들이 입자와 결합하는 복잡한 화학 반응. 즉, 응집제를 투입하여 입자 간의 반발력을 없애거나 물리적으로 엮어내는 과정이다.
주요 메커니즘
- 전하 중화 (Charge Neutralization) :
- 가수분해된 금속 양이온(Al3+, Fe3+ 등)이 음전하를 띤 입자에 흡착되어 표면 전하를 중화시킨다.
- 전기 이중층을 압축하여 반발력을 줄인다.
- 스윕 플록 (Sweep Floc) :
- 폐수 처리에서 가장 일반적인 방식.
- 다량의 금속 수산화물 침전물(Al(OH)3, Fe(OH)3)을 형성하여, 이것이 가라앉으면서 입자들을 그물처럼 포획(Enmeshment)하여 함께 제거한다.
- 폴리머 가교 (Polymer Bridge) :
- 고분자 응집제가 여러 입자에 동시에 흡착되어 다리(Bridge)를 놓아 입자들을 엮어준다.
금속염의 가수분해 반응식 (Hydrolysis Reactions)
1. 알루미늄(Alum)의 가수분해 단계 (t < 10^(-3)s)
※ Al(OH)3는 양쪽성(Amphoteric)이다. 산성에서는 Al3+로 용해되고, 고pH에서는 Al(OH)4-로 재용해된다.
2. 스윕 플록 (Sweep Floc)
1) 알루미늄(Alum)의 반응 물속의 알칼리도(HCO3-)와 반응하여 불용성의 수산화알루미늄 침전물을 만든다.
- 특징 : 알칼리도를 소모하며 CO2 발생으로 pH가 낮아질 수 있다.
- 최적 pH : 5 ~ 7 (최소 용해도 pH 6.0)
2) 염화제이철(Ferric Chloride)의 반응 마찬가지로 알칼리도와 반응하여 수산화제이철 침전물을 만든다.
- 최적 pH : 7 ~ 9 (최소 용해도 pH 8.0)
※ 반응 결과 CO2가 생성되어 pH가 낮아지고 알칼리도가 소모됩니다. 알칼리도가 부족하면 인위적으로 알칼리제(석회 등)를 투입해야 한다.
3. 물리적 단위 공정: 플록 형성 (Flocculation)
Physical Unit Process: Particle Transport & G-value
화학적으로 불안정해진 입자들을 서로 충돌시켜 침전 가능한 크기의 거대 플록(Macro-floc)으로 성장시키는 물리적 수송 단계입니다.
입자 충돌 및 성장 메커니즘
1. 미세 응집 (Microflocculation)
입자 크기 0.001 ~ 1 μm 범위. 외부 교반과 무관하게 유체 분자의 브라운 운동(Brownian Motion)에 의한 무작위 열 운동으로 충돌이 발생합니다.
2. 거대 응집 (Macroflocculation)
입자 크기 > 1 μm. 브라운 운동의 영향은 무시할 수 있으며, 인위적인 교반에 의한 속도 구배(Velocity Gradient)나 차등 침전에 의해 입자 충돌이 유도됩니다. 플록 형성조 설계의 주 대상입니다.
핵심 공학적 설계 인자
| 구 분 | 권장값 및 설명 |
| 평균 속도 구배 (G) |
50 ~ 100 s-1 G가 너무 크면 전단력에 의해 플록 파괴(Shear Breakage), 너무 작으면 충돌 부족. (급속 혼합은 1,500~6,000 s-1) |
| 체류 시간 (τ) |
30 ~ 60분 (충분한 성장 시간) |
| Camp Number (Gτ) |
104 ~ 105 (무차원) 전체적인 응집 효율을 나타내는 지표. |
| Kolmogorov 미세 규모 (λK) |
유체 내 가장 작은 와류의 크기. G=1000s-1일 때 λK ≈ 31.7 μm. 이보다 작은 입자는 G값의 영향을 받지 않음. |
4. 공정 적용 및 운영 효과
Applications, Benefits & Operational Considerations
CEPT (화학적 강화 1차 처리)
- TSS 제거율 : 50~70% → 80~90%
- BOD 제거율 : 25~40% → 50~80%
- 후속 생물학적 처리 부하 대폭 감소
인(Phosphorus) 제거
용존 인산염을 불용성 침전물로 변환. pH 제어가 가장 중요함.
- 최적 pH 범위 (Minimum Solubility) : Alum - pH 6.0, Ferric - pH 8.0
고도 처리 전처리
MF/UF 막 분리 공정 전단에서 콜로이드 물질을 제거하여 막 오염(Fouling)을 방지하는 필수 단계.
※ 공학적 고려사항 : 화학 슬러지 (Chemical Sludge)
응집제는 가산성(Additive) 물질이므로 처리수의 총 용존 고형물(TDS) 농도를 증가시킨다. 또한, 일반 침전 대비 훨씬 많은 양의 화학 슬러지가 발생하므로 이에 대한 처리 및 처분 계획(농축, 탈수 등)이 설계 시 반드시 고려되어야 한다.
5. 요약 및 비유
| 구 분 | 비 유 | 역 할 |
| 교질 입자 | N극끼리 만난 자석 |
서로 밀어내며 흩어져 있음 (안정화)
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| 전하 중화 | 자석의 힘 제거 |
밀어내는 힘을 없애 뭉칠 수 있게 함
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| 스윕 플록 | 무거운 그물 |
위에서 그물을 던져 입자들을 바닥으로 쓸어 내림
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| 폴리머 가교 | 끈/밧줄 |
입자들을 끈으로 묶어 덩어리로 만듦
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