[상하수도 기술사] (15일) 급속혼화 및 속도경사

개요

 

 응집공정은 정수처리공정 중에서 응집제를 이용하여 전기적으로 불안정화된 탁질을 더욱 크게 만드는 물리적인 공정이며, 침전공정이나, 용존공기부상공정(DAF) 및 여과공정의 최적화를 위하여 불안정화된 수중의 입자들을 크게 만드는 공정이 필요하다.

 속도경사(속도구배, Velocity gradient)란 수류에서 유선간의 속도차에 의하여 발생되는 것으로 흐름방향에 직각인 거리(dy)간의 속도차(dv)로 표시하며,  혼화 공정의 설계와 운영에 있어 가장 중요한 기준이 되는 함수로서 시간의 역수 단위로 표시한다. 

 

 입자의 접속횟수(Camp & Stern 식)는 입자의 직경, 농도 교반에너지가 클수록 증가하고 점성계수가 클수록 감소(동절기 불리)하다. 즉 플록형성단계에서 큰 플록을 형성하기 위해서는 플록농도가 클수록 효과적이고 적당한 교반이 필요하며 입자의 직경의 3승에 비례하여 급속히 성장됨을 알 수 있으므로 플록형성지의 단계에서는 효과적인 교반과 적당한 교반시간으로 플록을 성장 촉진시키는 것이 필요하다.

  교반으로 플록이 어느 크기까지 성장하면 수류에 의한 전단작용에 저항하지 못하여 파괴되므로, 클 플록을 만들기 위해서는 플록입경이 작은 초기에는 강한 교반을 하고 플록이 크게 성장함에 따라 단계적으로 교반강도를 낮추어가는 점감식플록형성(tapered flocculation)방식을 채택하는 것이 바람직하다.  즉 플록형성지 후단으로 갈수록 수류 자체의 에너지에 의한 교반인 경우에는 수로폭 등을 확대하여 평균유속을 느리게 하며, 또한 기계에너지에 의한 교반인 경우에는 회전속도를 낮추어서 교반장치의 주변속도를 느리게 한다.  따라서 플록이 점차 크게 성장함에 따라 3~4단으로 나누어 교반강도를 줄여가는 방식을 채택하는 경우가 만한다.

 

플록형성지

  플록형성은 급속혼화 후에 바로 이루어지며 성장된 플록이 침전지에 도달하는 사이에 지나치게 유동되거나 외부로부터 영향을 받으면 파괴될 우려가 있기 때문에 플록형성지는 혼화지와 침전지 사이에 위치하고 침전지에 붙여서 설치한다.

 플록형성지 형상은 직사각형이 표준이며, 플록의 성장에 필요한 에너지를 주기 위하여 교반장치 설치, 교반장치에는 기계식인 경우가 있고, 또한 유수로식으로서 저류판과 도류벽을 설치한 우류식도 있음

 플록형성지의 체류시간은 보통 20~40분간이 적당하며 너무 짧으면 교반에너지를 충분히 투입하였더라도 플록형성효과가 크게 저하된다. 반대로 체류시간이 너무 길면 형성된 플록이 침강되거나 파괴되는 경우가 생기며 수류에 의한 전단작용이 지나치면 플록이 파괴된다.

 급속혼화로 생성된 미소플록을 침강 제거시키기 위해서는 응집된 플록이 크고 무거우며 견고하게 형성되어야 한다. 플록형성과정은 응집된 미소플록을 크게 만드는 조작이다. 

 1) 수류자체의 에너지에 의한 교반

 이 방법은 유수 자체의 수두를 교반에 이용하는 것으로 상하우류식, 수평우류식 및 양자의 복합식이 대표적인 형식이다. 우류식에서는 교반을 위하여 큰 수두손실을 필요로 하나 기계를 사용하지 않으므로 유지관리면에서 대단히 용이하다.  

 

 2) 기계에너지에 의한 교반

 기계적 교반방식에는 여러 가지가 있으나 모두 교반날개로 수류를 교반하고 플록의 성장을 촉진하는 형식이며 대표적인 방식으로 패들(paddle)식 교반장치가 있다. 기계교반식 플록큐레이터는 손실수두가 적고 처리수량이나 수질변동에 따라 교반강도를 바꿀 수 있도록 설계할 수 있다는 점 등 유리한 점이 있으나, 기계작동부분이 수중에 있으므로 유지관리비가 많이 들고 회전축 근반에서의 교반강도가 약해서 균일하게 교반되지 않으며, 또한 단락류가 발생하기 쉬운 점 등 불리한 점도 있다. 

 

  어떤 방법으로 플록을 형성시키거나 가장 중요한 점은 유입수가 동일하게 교반되도록 플록형성지를 수리적으로 구성해야 한다. 플록형성이 잘 되지 않는 가장 일반적인 원인은 단락류나 정체부분이 생김으로써 유효체류시간을 크게 저하시키게 된다. 이러한 현상을 방지하기 위해서는 플록형성지에 저류벽이나 정류벽 등을 적절하게 설치해야 한다.

 

플록형성지 등의 유입구 형식 선정

 플록형성지(침전지포함)나 여과지의 유입수로에서 유량의 시간적인 변화에도 불구하고 가능한 한 각지에 균등하게 분배시켜야 하는 것은 대단히 중요하다. 각 지별로 유입구의 갯수와 상관없이 가장 중요한 설계문제는 각각의 지에 수량이 일정하게 공급되는가 하는 것이다.

 플록형성지 유입구를 설계할 때에 두 가지의 기본적인 방법 중에서 선택할 수 있다. 즉, 동일한 높이에 똑같은 개별적인 위어를 몇 개 설치하는 방법과, 각각 차단용 밸브나 수문이 부착된 잠수공을 몇개 설치하는 방법이다. 

 위어유입은 4가지의 기본적인 문제가 있음

 1) 수로의 전체 길이에 걸쳐서 유량의 다소에도 불구하고 수면 높이가 거의 동일하게 유지되도록 유입수로가 충분히 커야 함

 2) 수로의 규격이 크고 수로 내에서의 유속이 느리기 때문에 수로 내에 부유고형물이 퇴적된다.

 3) 각 지를 수위조절판(stop log)으로 고립시키지만, 수위조절판은 완전하게 차수되지 않으면 또한 아래로 눌러서 열리는 수문을 채택하지 않는 한 정수장 운전자에게 아주 어려운 일을 요구하게 된다.

 4) 항상 모든 위어의 높이가 동일하게 설치되었다면, 수로에서 수심을 변경시키는 것은 위어를 넘어가는 유량에 큰 변화를 가져온다. 

 

일반혼화의 문제점

 1) 금속염응집제가 가수분해되면 1초 이내에 금속수산화물(Al(OH)3)을 형성하므로 금속이온과 콜로이드입자와의 흡착은 더 빨리 이루어져야 함

 2) 일반혼화는 체류시간이 길어 콜로이드의 전화중화에 의한 응집효과가 낮아 금속수산화물의 침전 시 공침(Sweep Floc)으로 콜로이드 제거

 3) 따라서 응집효율 향상을 위해서는 급속혼화 필요

속도경사와 접촉시간