수처리에서 황산알루미늄의 용도는 무엇입니까?

수처리에서 황산알루미늄이 응집제로 작용하는 방식

응집 과정의 이해 및 황산알루미늄이 부유 입자들을 불안정하게 만드는 역할

수처리는 응집이라는 과정으로 시작되며, 이 과정에서는 미세한 불순물들이 모여서 나중에 쉽게 제거될 수 있도록 한다. 명밤효과(Alum)은 여기에서 매우 효과적인데, 물에 녹을 때 3가 알루미늄 이온(Al³⁺)을 방출하여 점토 입자, 유기물 조각, 심지어 일부 유해 미생물과 같은 부유 물질의 음전하를 중화시키기 때문이다. 이러한 전하가 중화되면 입자들 간의 반발력이 사라지고 빠른 혼합 단계 동안 서로 뭉치기 시작하며, 이 과정은 일반적으로 1~2분 정도 소요된다. 대부분의 수처리 시설에서는 수질의 pH가 5.5에서 7.5 사이일 때 명밤효과가 가장 좋은 결과를 얻는 것으로 알려져 있다. 투입해야 할 명반의 양은 수질의 탁도와 존재하는 오염물질의 종류에 따라 다양하게 달라지며, 일반적으로 리터당 50~300mg 정도 사용된다.

황산알루미늄의 응집체 형성 및 불순물 제거에 대한 화학적 메커니즘

전하가 균형을 잡은 후, 알루미늄은 수분분해에 의해 분해되기 시작하여 알루미늄 하이드록시드 (Al ((OH) 3) 를 생성한다. 이 물질은 젤과 같은 고체로 형성됩니다. 물에서 제거하고자 하는 물질을 잘 잡는 것이죠. 이 작은 군집들은 이라고 불리며, 성장하면서, 크기가 반 밀리미터에서 3 밀리미터까지 될 수 있습니다. 그래서 그들은 처리 탱크에 잘 정착합니다. 모든 것이 제대로 작동하면 이 방법은 물 샘플의 85~85%의 흐름을 제거하고, 그 귀찮은 유기 화합물의 2/3~4/5을 제거합니다. 연구 결과에 따르면 이 산화수소 플록은 표면에 결합을 형성함으로써 인산 이온과 다른 종류의 중금속과 같은 다양한 용해된 오염 물질에 달라붙습니다. 이 끈적끈적한 작용은 전체 정화 시스템이 전체적으로 얼마나 잘 작동하는지 증가시킵니다.

대체 응고제 와 비교: 효과, 비용, 실용적 고려 사항

염화철은 물에서 거의 모든 인을 제거할 수 있으며, 때로는 최대 98%까지 제거가 가능해 알루미늄 황산염(알룸)이 약 70~85% 정도의 제거율을 보이는 것보다 훨씬 뛰어납니다. 하지만 단점은 염화철이 배관과 장비를 훨씬 더 빠르게 부식시켜 지자체들이 수리 및 교체 비용으로 추가 지출을 하게 된다는 점입니다. 합성 폴리머는 또 다른 대안으로, 처리 후 매우 맑은 수질과 적은 슬러지 잔여물을 제공하지만, 이러한 자재는 가격이 매우 높아 대부분의 일반적인 폐수처리장에서는 실용적이지 못합니다. 그래서 많은 도시들이 새로운 대체 방법들이 있음에도 불구하고 여전히 알룸을 사용하고 있습니다. 알룸은 수십 년 동안 사용되어 왔으며, 복잡한 설치 절차 없이도 신뢰성 있게 작동하며, 더 고급 옵션들처럼 예산을 크게 초과하지 않습니다. 노후화된 인프라를 관리하면서 재정적으로 어려움을 겪는 지방 정부들에게는 기술적으로 최고 성능을 내지 못하더라도 익숙한 방식을 유지하는 것이 타당한 선택이 됩니다.

환경적 우려: 처리된 물에 잔류하는 알루미늄과 장기적인 안전성

세계보건기구(WHO)는 시간이 지남에 따라 뇌 기능에 미칠 수 있는 잠재적 영향에 대한 우려로 인해 상수도 물에서 잔류 알루미늄의 최대 허용 농도를 리터당 0.2밀리그램으로 설정했다. 최신 여과 기술을 사용하는 정수 시설은 기존 방식에 비해 이러한 알루미늄 잔여물을 약 70%에서 최대 90%까지 감소시킬 수 있다. 처리 과정 전반에서 pH 수치를 관리하고, 처리 후 특수 막을 이용한 추가 공정을 도입하면 보건 당국이 설정한 안전 기준 이내를 유지할 수 있다. 이를 통해 정수 과정의 효율성을 저하시키지 않으면서도 사람들의 건강을 지킬 수 있다.

도시 수자원 시스템에서 수질 투명도 향상 및 탁도 제거

알루미늄 황산염은 수돗물의 뿌옇기(탁도)를 약 90% 정도 줄일 수 있기 때문에 도시 급수 처리에서 여전히 흔히 사용되는 선택지입니다. 이 과정에서 점토 입자, 미세한 먼지, 심지어 물속에 떠다니는 미생물과 같은 미세 입자들의 전기적 전하를 제거하게 되고, 이로 인해 입자들이 뭉쳐서 더 큰 덩어리(응집물)를 형성하여 침전이 용이해집니다. 2021년에 발표된 연구에 따르면 적절하게 적용할 경우 탁도가 0.3 NTU 이하로 감소하여 세계보건기구(WHO)의 깨끗한 식수 기준을 충족할 수 있습니다. 이러한 효과 덕분에 후속 공정의 필터에 가해지는 부담이 줄어들며, 전체적으로 정수장의 운영 효율이 향상되고 비용 절감 효과도 얻을 수 있습니다. 특히 매일 수백만 명에게 물을 공급하는 대도시 급수 시스템에서는 매우 중요한 장점입니다.

응집을 통한 유기물, 병원체 및 중금속 제거

응고 과정에서 알룸(Alum)이 작용하는 방식 덕분에 다양한 오염물질을 한 번에 제거할 수 있습니다. 물에 녹아 있는 유기물질은 처리 과정 중 생성되는 수산화알루미늄 응집체(flocs)에 붙잡히게 됩니다. 또한 대장균(E. coli)과 같은 박테리아나 기생충인 지아르디아(Giardia) 역시 이 과정에서 물리적으로 제거됩니다. pH가 약 6.5에서 7.5 사이를 유지할 경우, 납, 비소, 크롬과 같은 중금속의 제거율은 연구 결과에 따르면 85%에서 92%에 달합니다. 이 방법의 큰 장점은 여러 오염물질을 동시에 처리함으로써 추가 소독 필요성을 줄일 수 있다는 점입니다. 그러나 잔류 알루미늄 농도가 0.2mg/L의 안전 기준치를 초과하지 않도록 하기 위해 적절한 투입량 조절이 매우 중요합니다.

알룸 처리 후 침전 및 여과 효율 향상

알루미늄으로 처리할 경우, 응집물은 침전지에서 무처리 입자에 비해 약 40~60% 더 빠르게 침전되는 경향이 있어 고형물의 분리 효율이 크게 향상된다. 침전 속도가 빨라짐에 따라 여과 장치가 덜 막히게 되어 청소 주기가 길어지고 역세척 필요량을 약 30% 줄일 수 있다. 흥미로운 점은 수산화알루미늄 응집물의 끈적한 성질이 모래층 내부에 추가적인 여과층처럼 작용한다는 것이다. 이러한 응집물은 초기 응집 단계에서 빠져나간 1마이크로미터보다 작은 미세 입자들을 포획한다. 이러한 모든 개선 사항들이 결합되어 고품질의 정수 처리 시스템은 최종 수질에서 입자 물질의 99.9% 이상을 제거할 수 있게 된다.

하수 및 산업폐수에서의 효과적인 인 제거

알루미늄은 수분 처리 분야에서 자주 언급되는 리간드 교환 반응 덕분에 기본적으로, Al3+ 이온이 정교폭산 이온 (PO4^3-) 과 만나면, 그들은 물에 녹지 않는 알루미늄 인산화물 (AlPO4) 을 만들기 위해 결합합니다. 이 물질은 안정되어 기계적으로 필터링됩니다. 유럽 전역의 45개의 다른 폐수 시설에서 얻은 자료를 살펴보면 연구자들은 알루미늄을 사용함으로써 이 공장들의 88%에서 전체 인산화질소 수치가 0.5mg/L 이하로 낮아진 것을 발견했습니다. 이것은 실제로 EU 수자원 기본 지침에서 청정수 기준에 대해 요구하는 것을 충족시킵니다. 이 물질은 식품 가공업체와 섬유 제조업체에서 나오는 폐기물을 처리하는데 정말 잘 작동합니다. 왜냐하면 그 하수로는 엄청난 양의 인산이 들어 있기 때문이죠.

고부하물 하수류의 흐름을 줄이고 오염물질을 줄이기

알루미늄의 두 가지 응고-발결 작용으로 인해 복잡한 고부하수 처리에 적합합니다.

• 콜로이드 서스펜션 : 1,000 NTU 이상의 흐름을 가진 물에서 음전하 입자를 중화합니다.
• 중금속 : 중금속: pH 9 ~ 9.5에서 수산화 생성을 통해 Pb2 + 및 Cr3 +를 공동 침착합니다.
• 유기물 부하 : 리그닌과 단백질과의 결합을 통해 종이 공장 폐수에서 화학 산소 수요 (COD) 를 65~80% 감소시킵니다.

중국의 7개의 산업단지에서 얻은 현장 자료에 따르면 알루마는 5,000mg/L 이상의 초기 고체 함량을 가진 하천에서 전체 중연 고체 (TSS) 를 98% 제거하여 까다로운 조건에서 강력한 성능을 보여줍니다.

사례 연구: 도시 폐수 처리 시설에서의 성공적인 구현

유럽에서 1백200만 명의 주민을 서비스하는 도시 시설은 알루미늄 황산 응고로 전환한 후 상당한 개선이 이루어졌습니다. 이 시설은 하루 3억 m3의 폐수를 처리하는 것으로 보고했습니다.

18개월간의 시험 기간 동안, 플랜트는 잔류 알루미늄 농도를 0.2 mg/L 이하로 유지하면서 94%의 인 제거율과 82%의 COD 저감을 달성하였으며, 이는 대규모 폐수 처리에서 알루미늄 황산염의 효과성과 경제적 실현 가능성을 입증한 것이다.

황산알루미늄 성능 최적화: 주입량, pH 및 수질 조건

최대 응집 효율을 위한 이상적인 pH 범위 및 투여 전략

응집 과정에서 최상의 결과를 얻으려면 pH 농도가 약 5.5에서 7.5 사이를 유지하는 것이 가장 좋습니다. 이 범위 내에서는 응집 과정의 효율이 훨씬 높아지며, 경우에 따라 이 범위 밖일 때보다 40~60%까지 성능이 개선되기도 합니다. 사용할 알루미늄 황산염(알룸)의 양은 일반적으로 대부분의 수처리 공정에서 5~200mg/L 정도가 필요합니다. 그러나 물이 매우 탁하거나 오염물질이 많을 경우에는 최대 500mg/L까지 필요할 수도 있습니다. 특정 장소에서 어떤 조건이 가장 효과적인지를 파악하기 위해서는 여전히 저수조 시험(jar testing)이 가장 신뢰할 수 있는 방법 중 하나입니다. 이를 통해 세계보건기구(WHO)가 정한 안전 기준치인 0.2mg/L를 초과하는 잔류 알루미늄이 물에 남는 것을 방지할 수 있습니다. 하지만 pH가 7.5 이상으로 올라가면 문제가 발생하기 시작하는데, 이는 수산화알루미늄이 덜 용해되기 때문입니다. 그 결과 적절한 응집물(floc) 형성이 어려워지고, 궁극적으로 전체 처리 공정의 효율이 떨어지게 됩니다.

수온, 알칼리도 및 이온 조성의 영향

10도 섭씨 이하로 유지되는 물은 처리 과정 중 반응 속도를 상당히 늦춘다. 이는 응집물(floc) 형성이 훨씬 느려지게 하며, 때때로 정상보다 30~50% 더 오랜 시간이 소요되기도 하고, 운영자들이 혼합 시간을 연장해야 한다는 의미이다. 알칼리도 수준의 경우, 황산알루미늄(알룸) 주입 후 시스템이 산성화되는 것을 방지하는 데 중요한 역할을 한다. 칼슘탄산염 기준 알칼리도가 리터당 50밀리그램 미만으로 떨어질 경우, 대부분의 수처리 시설은 적절한 운전을 위해 pH를 안정적으로 유지하기 위해 추가로 석회 또는 소다회를 필요로 한다. 또 다른 문제는 물속의 이온 강도가 센티미터당 1000 마이크로지멘스를 초과할 때 나타난다. 이러한 조건은 입자 주변의 미세한 전기 층을 압축시켜 입자들이 덜 효과적으로 뭉치게 한다. 그 결과? 이러한 조건에서 응집 작용이 약 40% 정도 저하된다. 이러한 모든 변수들은 계절에 따라 수질이 변하는 시설일수록 실시간 모니터링 시스템을 갖추는 것이 왜 중요한지를 보여준다.

수처리에서 황산알루미늄 사용의 장점과 과제

주요 이점: 비용 효율성, 신뢰성 및 다양한 처리 시스템에서의 다목적 활용성

알룸(Alum) 또는 황산알루미늄은 도시 및 산업용 수처리 시설 전반에서 저렴하고 신뢰할 수 있는 응집제로 널리 사용되고 있습니다. 염화철과 같은 다른 옵션들과 비교했을 때, 알룸은 탁도와 유해한 병원체 제거율을 95% 이상 유지하면서도 운영 비용을 약 30~50% 절감할 수 있습니다. 이 물질의 뛰어난 점은 소규모 농촌 급수 시스템부터 대도시 수처리장에 이르기까지 다양한 규모의 시설에서 효과적으로 작동한다는 점입니다. 운영자는 매일 변화하는 수질 조건에 따라 주입량을 조절할 수 있습니다. pH 수준이 약 5.5~7.5의 최적 범위에 유지될 경우, 알룸은 유기 오염물질의 약 70~90%를 제거할 수 있습니다. 무엇보다 예산이 중요한 상황에서는 알룸이 종종 PAC(폴리알루미늄 클로라이드) 솔루션보다도 훨씬 경제적인 선택이 됩니다.

일반적인 한계: 슬러지 발생, pH 조절 필요성, 환경적 고려사항

알루미늄은 몇 가지 단점도 가지고 있다. 합성 폴리머에 비해 약 15~30% 더 많은 슬러지를 생성하므로 폐기 비용이 높아지고 폐수 관리의 물류가 복잡해진다. 알루미늄이 수처리 과정에서 분해될 때 실제로 pH 수준을 낮추게 되며, 이를 보완하기 위해 수처리 시설은 석회와 같은 알칼리성 물질을 구매하는 데 비용을 지출해야 한다. 이러한 화학물질 구매 비용은 전체 운영 예산의 거의 20%까지 차지할 수 있으며, 물의 산성도를 적절한 수준으로 유지하기 위해 필요하다. 환경 규제 기관들은 정수 처리 후 남아 있는 알루미늄 농도를 면밀히 감시하고 있으므로 세계보건기구(WHO)의 권고인 리터당 최대 0.2mg 이하를 준수하는 것이 필수적이다. 다행스럽게도 최근 연구에 따르면 운영자가 투입량 조절 방식을 정밀하게 조정하고 새로운 여과 시스템과 함께 사용할 경우 슬러지 생성을 약 40% 줄일 수 있다. 이 방법은 수질을 저하시키지 않으면서 안전한 식수에 대한 미국환경보호청(EPA) 및 미국수도협회(AWWA)의 중요한 기준을 충족하는 데에도 도움이 된다.

자주 묻는 질문

알루미늄 황산염이 수처리에서 수행하는 주요 역할은 무엇인가?

알루미늄 황산염은 수처리 과정에서 응집제로 작용하여 부유 입자를 불안정하게 만들어 이후 추가 처리 공정을 통해 효과적으로 제거될 수 있도록 돕는다.

알루미늄 황산염은 처리된 물의 pH 수준에 어떤 영향을 미치는가?

알루미늄 황산염은 처리된 물의 pH를 낮추는 경향이 있으므로, 시설에서는 일반적으로 효과적인 처리를 위한 최적의 pH 범위를 유지하기 위해 석회와 같은 알칼리성 물질을 첨가해야 한다.

알루미늄 황산염 사용과 관련된 환경적 우려 사항이 있는가?

예, 처리수에 잔류하는 알루미늄은 잠재적인 건강 영향을 미칠 수 있기 때문에 문제가 될 수 있다. 따라서 세계보건기구(WHO)가 권장하는 바와 같이 처리 시스템은 잔류 농도를 0.2mg/L 이하로 유지하려 한다.

제한점에도 불구하고 다른 응집제보다 알루미늄 황산염이 선호되는 이유는 무엇인가?

황산알루미늄은 비용 효율적이며 신뢰성 있고 다목적으로 사용할 수 있기 때문에 많은 지자체에서 선호되는 선택입니다. 특히 예산이 제한되어 있거나 기존 인프라를 보유한 지자체의 경우 더욱 그렇습니다.