응집원리와 영향인자

왜 배우는가: 응집은 정수처리 공정에서 탁도와 콜로이드를 제거하는 첫 단계로, 침전과 여과의 효율을 좌우한다. 기술사 시험에서도 응집 원리와 영향인자는 1교시 용어와 4교시 논술에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제138회 1교시 6번, 제113회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

응집은 응집제를 주입해 콜로이드 입자의 전기적 안정성을 깨뜨려 미세 입자가 서로 부착하여 큰 플록을 형성하게 하는 조작이다.

• 콜로이드 안정성
• 전기이중층
• 제타전위(Zeta potential)
• 불안정화(destabilization)
• 플록 형성(floc formation)
• 완속 혼화(flocculation)
• 속도경사(G)
• pH·수온

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 물속의 흙탕 입자가 서로 밀어내고 있어서 가라앉지 않는 것을, 약품으로 밀어내는 힘을 없애서 서로 붙게 만드는 과정이다. 미세 입자는 크기가 매우 작아 비중이 물과 거의 같고, 대부분 음전하를 띠어 서로 반발한다.

정식으로는 응집(coagulation)과 응결(flocculation)을 구분한다. 응집은 응집제를 급속 혼화시켜 콜로이드를 불안정화하고 입자가 처음 서로 부착하는 조작이다. 응결은 불안정해진 입자를 완속으로 저어 엉키게 하여 침강하기 쉬운 플록을 키우는 조작이다. 두 단계를 합쳐 응집 공정이라 부른다.

입자의 안정은 제타전위(Zeta potential), 반데르발스 인력, 중력의 평형으로 설명한다. 제타전위는 입자 주변 전기이중층의 전기적 반발력이다. 응집제가 이 반발력을 낮추면 반데르발스 인력이 우세해져 입자가 붙는다.

불안정화를 일으키는 방법은 두 가지다. 하나는 양이온 응집제로 음전하를 중화하는 방법이고, 다른 하나는 전해질을 주입해 전기이중층을 압축하는 방법이다. 전해질의 전하 반대 부호 이온은 원자가가 높을수록 응집 효과가 크다.

응집제가 물에 녹으면서 생긴 금속 수산화물은 입자 표면에 흡착하고 가교하여 플록을 만든다. 따라서 응집은 단순한 전기적 중화만이 아니라 흡착과 가교 작용을 함께 포함한다.

3. 등장 배경과 필요성

자연 침전만으로는 미세 탁도 성분을 제거하는 데 시간이 너무 오래 걸린다. Stokes 법칙에 따르면 입자 침강 속도는 입경의 제곱에 비례하므로, 콜로이드 크기의 입자는 거의 침강하지 않는다. 그래서 응집제를 써서 입자를 크게 키워 짧은 체류시간에 침전시킬 필요가 생겼다.

정수처리에서는 급속 모래여과와 침전지에 앞서 고형물을 덩어리로 만들어야 제거 효율이 높아진다. 플록 형성이 잘 되는지가 탁도, COD, SS 제거율의 핵심이다. 하폐수 처리에서도 부유물과 콜로이드성 색도, 유기물을 제거하는 공정으로 널리 쓰인다.

응집 조건이 맞지 않으면 플록이 깨지거나 약하게 형성되어 후속 침전과 여과의 부담이 커진다. 약품 과다 주입은 슬러지 발생량과 처리비용을 늘린다. 이 때문에 응집 원리와 영향인자를 이해하고 Jar-test로 최적 조건을 정하는 것이 실무의 기본이다.

4. 구성요소·원리·절차

응집은 물속 콜로이드 입자가 서로 달라붙어 플록(floc)을 이루게 하는 조작이다. 원수의 미세 입자는 대부분 음전하를 띠어 서로 밀어내며 분산되어 있으므로, 이 반발력을 줄이는 것이 응집의 출발점이다. 응집은 불안정화와 플록 형성의 두 단계로 나뉜다.

콜로이드 입자가 안정하게 떠 있는 이유는 정전기적 반발력(Zeta potential), 반데르발스 인력, 중력이 서로 균형을 이루기 때문이다. 여기에 응집제(알루미늄염, 철염 등)를 넣으면 양이온이 음전하 입자를 중화하고 이중층을 압축하여 반발력이 사라진다. 이후 반데르발스 인력이 우세해지면 입자들이 결합해 큰 덩어리가 된다. 응집의 핵심은 입자 간 반발력을 제거하여 인력이 작용하게 하는 것이다.

응집 구성요소를 표로 정리하면 다음과 같다.

응집제 종류별로 작용 범위가 다르다. 알루미늄염은 pH 약 6~7.5 부근에서 효과가 크고, 철염은 pH 범위가 더 넓다. 고분자 응집제는 소량으로 플록을 키우고 침전 속도를 높인다.

응집 공정의 절차는 다음과 같다.

• 원수에 응집제를 주입한다.
• 급속혼화 단계에서 약품을 원수 전체에 빠르게 분산시킨다.
• 응결(완속교반) 단계에서 입자 충돌을 유도해 플록을 키운다.
• 침전지 또는 부상지에서 플록을 분리한다.
• 여과지에서 잔류 미세 플록을 제거한다.

응결 단계에서 입자 충돌 빈도는 속도경사 G와 체류시간 t에 의해 좌우된다. 두 값의 곱 G \cdot t(무차원)가 응결 효율의 지표로 쓰인다. 여기서 G는 속도경사(1/s), t는 응결 체류시간(s)이다. 일반적으로 G는 20~80/s, G \cdot t는 10^4 \sim 10^5 범위에서 운전한다.

순서를 보이는 흐름도는 다음과 같다.

5. 관련 법령·기준·표준

응집 공정의 설계와 운영은 「수도법」과 「수도시설의 설계기준」, 환경부 고시 「먹는물 수질기준 및 검사 등에 관한 규칙」의 수질 기준을 따른다. 응집 공정 자체를 규정한 별도 조문보다는 정수처리 기준과 설계 지침에 기준값이 실려 있다. 아래 표는 응집 설계에서 자주 쓰는 기준값을 정리한 것이다.

위 값은 설계 일반 기준이며, 원수 수질과 시설 형식에 따라 jar test로 조정한다. 수질 항목은 먹는물 수질기준으로 탁도 기준이 정해져 있고, 정수장 응집 공정의 성능은 탁도 제거율로 평가한다. 개정 연혁은 「수도법」의 체계 정비와 함께 기준 수치가 조정되어 왔으므로, 현행 설계기준의 최신 판을 기준으로 삼는다.

금속염 응집제의 응집 효과는 pH와 수온에 따라 달라진다. 저수온에서는 입자 충돌이 느려 완속교반 시간을 늘려야 한다.

6. 유형과 비교

응집 공정은 약품의 종류, 투입 방식, 혼화 조건에 따라 여러 유형으로 나뉜다. 각 유형의 작동 원리와 적용 조건을 구분해 두면 설계와 운전 문제를 정확히 설명할 수 있다.

무기 응집제는 주입량에 따라 플록 형성이 달라지므로 Jar-Test로 최적 주입량을 정한다. 고분자 응집제는 소량으로 플록 강도를 높여 침전과 여과 부하를 줄인다.