응집이론 및 영향인자

왜 배우는가: 응집은 정수처리에서 탁도와 유기물 제거 효율을 좌우하는 첫 단계이므로 실무에서 가장 먼저 최적화되는 공정이다. 응집 조건이 나쁘면 침전지와 여과지의 부하가 커지고 소독부산물 전구물질 제거도 어려워진다. 시험에서는 응집의 원리를 제타 전위와 연결해 설명하는 문제와 영향인자를 묻는 문제가 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제138회 1교시 1번, 제132회 1교시 11번, 제117회 3교시 3번, 제110회 1교시 4번, 제102회 1교시 12번, 제90회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

응집은 원수 속 콜로이드 입자의 전기적 반발력을 낮춰 입자가 서로 뭉칠 수 있게 하고, 이를 플록으로 키워 침전이나 여과로 제거하는 공정이다.

답안 첫 줄에는 이 정의 문장을 그대로 쓰고, 이어서 아래 키워드를 본문에서 연결한다. 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 콜로이드: 크기가 1nm~1μm인 미세 입자로, 탁도와 색도를 일으키는 주된 원인이다.
• 제타 전위: 입자 표면 주변 전기이중층의 전위로, 입자 사이 정전기적 반발력의 크기를 나타내는 지표이다.
• 전기이중층: 입자 표면의 전하를 둘러싸고 반대 부호의 이온이 모여 형성되는 층이다.
• 응집제: 입자의 전하를 중화하거나 입자를 가교하여 응집을 일으키는 약품이며, 황산알루미늄, 폴리염화알루미늄(PAC), 염화철 등이 대표적이다.
• 급속혼화: 응집제를 원수 전체에 짧은 시간 안에 고르게 분산시키는 단계이다.
• 플록형성: 완속 교반에서 미세 입자가 충돌·결합하여 침강 가능한 플록으로 성장하는 단계이다.
• 등전점: 수산화물 입자의 표면 전하가 0이 되는 pH이며, 응집 조건을 판단하는 기준점이다.
• 교반 강도(G값): 단위 길이당 유속 변화를 나타내는 속도경사로, 급속혼화와 플록형성 설계의 기준 변수이다.

2. 개념 풀이

Coagulation(응집)은 응집제를 주입하여 콜로이드 입자의 안정성을 깨뜨리는 1단계 작용이다. Flocculation(플록형성)은 불안정해진 입자를 교반으로 충돌시켜 침강성이 있는 크기로 키우는 2단계 작용이다. 두 단계를 합쳐 응집 공정이라 부르며, 답안에서는 두 단계를 구분해 쓰는 것이 정확하다. 응집 공정은 침전이나 여과 그 자체가 아니라, 후속 공정이 제거할 수 있는 입자 크기로 바꾸는 전처리 과정이다.

응집은 입자 사이 반발력을 줄이는 작용이고, 플록형성은 입자를 키우는 작용이다.

원수의 콜로이드 입자는 대부분 음전하를 띠고, 같은 부호의 전하끼리 반발하여 서로 가까워지지 못한다. 이 반발력은 입자 표면의 전기이중층과 제타 전위로 설명되며, 제타 전위의 절댓값이 클수록 입자는 안정하게 분산된다. 반 데르 발스 인력은 입자가 충분히 가까워질 때만 작용하므로, 반발력이 인력보다 우세한 상태에서는 입자가 뭉치지 않는다. 응집은 이 반발 장벽을 낮추는 작용이다.

황산알루미늄이나 PAC는 물에서 가수분해하여 양전하를 띤 수산화물 종을 만든다. 이 종이 음전하 콜로이드 표면에 흡착하면 전하 중화가 일어나 제타 전위의 절댓값이 작아지고, 입자 사이 반발력이 사라져 충돌이 일어난다. 반면 응집제를 많이 주입하면 금속 수산화물이 과포화되어 침전하면서 주변 입자를 포획하고 함께 가라앉히는데, 이를 스위프 플록(sweep floc)이라 한다. 두 기구는 같은 응집제라도 주입량과 pH에 따라 우세해진다.

제타 전위는 응집 조건을 판단하는 가장 직접적인 지표이다. 응집제 주입량과 pH를 바꾸면서 제타 전위를 측정하면, 전위가 0 근처로 떨어지는 조건이 응집 효율이 높은 조건과 대체로 일치한다. 따라서 제타 전위는 최적 응집제 선정과 주입량 결정에 쓰인다. 다만 제타 전위가 0이라 해서 항상 최적이라는 보장은 없으므로, 플록 크기와 침강성을 함께 확인해야 한다.

급속혼화는 응집제를 짧은 시간에 원수 전체에 분산시켜 전하 중화가 고르게 일어나도록 하는 단계이다. 혼화가 불충분하면 응집제가 국소적으로만 작용하여 입자 불안정화가 불균일해진다. 이어서 플록형성 단계에서는 완속 교반으로 입자 충돌 빈도를 높여 플록을 키운다. 이때 교반이 지나치면 이미 형성된 플록이 깨지므로, 교반 강도는 G값으로 관리하며 두 단계의 G값은 서로 다르게 설정한다. 교반 강도 외에 입자 농도도 플록형성 속도를 좌우하는 인자이다. 입자 농도가 높을수록 충돌 빈도가 커져 플록이 빨리 성장하고, 농도가 낮은 원수에서는 응집제 주입량을 늘리거나 체류시간을 길게 잡아야 한다.