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맑고 깨끗한 광주의 수돗물!

궁금한 수질문제

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질문 수돗물을 만들어 공급하는 과정(응집, 침전)
수돗물을 만드는 공장을 정수장(淨水場)이라하며, 일반적인 정수공정은 혼화(混化 : 물과 응집제라는 약품을 섞는 과정) → 응집(凝集 : 물속의 부유물과 응집제가 섞여 큰 덩어리로 되는 과정)→침전(沈澱 : 커진 덩어리, 플럭을 가라 앉히는 과정) → 여과(濾過 : 모래층으로 물을 깨끗이 거르는 과정)→ 소독(消毒 : 염소등으로 세균을 살균하는 과정)의 순서로 이루지며, 수돗물을 만드는 과정은 매우 복잡하고 여러가지 학문과 이론들이 접목되어 수돗물로 공급된다. 이번에는 이중에서 물속에 녹아있거나 떠있는 부유물질을 제거하는 상수도 생산에서 첫 번째 과정이고 가장 중요하게 여기는 응집과 침전에 대해 이야기해본다.

물속에는 여러종류의 부유물질이 포함되어 있어서 탁도를 나타낸다. 이러한 탁도 유발물질을 제거하는 것이 상수도의 처리공정의 가장 중요한 공정일 것이다. 물속에 포함된 부유물질을 크기별로 구분하면 10-10m부터 10-1m까지 8자리수의 범위에서 광범위하게 분포하고 있다. 이것을 상태별로 보면 용해성분과 현탁성분(용해되지 않는 성분)로 여과지를 통과한 성분은 용해성, 통과하지 못한 성분은 현탁성이라고 한다. 10-9m(nm)에서부터 10-6m(㎛)의 범위의 부유물은 물과 일체되어 움직이지 않고 현탁성에 가까운 거동을 보인다. 이러한 성분을 콜로이드성분이라고 한다. 콜로이드성분은 단위중량당 표면적이 극히 커서(예를들면 1cm 사각 입방체(1㎥)의 표면적은 6㎠로 이것을 1㎛사각 입방체로 나누면 그 표면적은 6㎡이 되고, 다시 1㎚로 나누면 6,000㎡이나 된다.) 입자성질로서 입자표면전하상태나 표면수와 친화성이 문제가 된다.

콜로이드입자를 제거하는 방법이 여러 가지가 있으나 상수도에서는 용해성성분을 불용화하거나 크기를 크게하는 조작인 응집, 플럭형성등의 처리를 이용한다.

수중의 불순물중 1㎛로부터 1㎚정도의 크기의 콜로이드성분을 그대로 직접처리하는 일반적인 방법은 없다. 그러나 정수장에서 제거하여야하는 대부분의 성분은 탁도성분(1㎛전후의 크기), 천연착색성분(1㎚의 크기), 바이러스(수십㎚), 세균류(1㎛〜10㎛의 크기), 조류(1㎛〜수십㎛의 크기) 등으로 대부분 콜로이드 크기의 영역에 해당한다. 따라서 이것들을 수중으로부터 침전, 여과작용에 의해 분리하기 위해 응집제라는 약품을 투입하여 응집・침전처리하는 중요한 공정이다.

수중에 있는 콜로이드는 그 표면에 (-)전하를 띠고 있어 콜로이드 입자간의 상호(-)전하 때문에 2개의 입자가 접근하여도 서로 반발하면서 안정된 분산상태로 수중에 존재하게 된다. 또한 물분자와 친한 친수성콜로이드(단백질과 전분)는 콜로이드와의 결합보다는 물분자와 결합하려는 경향이 강하므로 같은 부호의 전하와 수화에 의해 수중의 콜로이드 입자는 안정한 분산상태를 유지한다.

이와같이 콜로이드의 안정상태를 와해시켜 상호접촉하고 결집되도록 하는 조작이 응집조작이다. 즉 콜로이드의 불안정화조작이다. 이를 위해 콜로이드입자와 반대의 전하를 가진 이온등의 미립자를 처리대상의 물에 투여하는데 이것을 응집제라 부른다. 광범위하게 사용되는 응집제는 알루미늄(Al)과 철(Fe)염이다

콜로이드 표면의 전기적 성질을 표시하는데 제타(Zeta)전위라고 하는 지표가 이용된다. 응집을 촉진시키기 위해서는 제타전위를 0부근으로 하면 좋다. 실제로 ±10mV정도의 범위가 되도록 전하를 중화하면 반데르발스력에 의한 결합이 가능하게 된다.

그러나 실제 침전지에서 제거 가능한 크기까지 콜로이드 입자를 결집시키고자 한다면 적당한 강도의 교반에 의해 응집입자 상호간의 반복적인 충돌을 유도하고 큰 결집체로 만들 필요가 있는데 이것을 플록형성(flocculation)이라고 한다. 플록형성과정에서 입자상호의 결합을 보강하기 위한 물질이 필요하며 이 보강은 고분자 성분이 콜로이드입자간에 흡착되어 상호간 다리를 놓는것과 같은 효과에 의한다. 응집제가 갖추어야 할 제2의 역할이 가교작용이다. 가교작용의 기능이 약할 때는 플록형성 보조제를 사용해서 보강한다.

응집제를 과량으로 투여하면 (-)하전의 표면이 외관상 (+)하전의 입자와 같이 변화한다. 이와 같은 현상을 하전의 역전이라하는데 하전이 역전하여 (+)의 콜로이드 입자로 변하면 콜로이드 입자는 상호간에 반발하고, 재차 수중에 분산한다. 이런 상태가 되면 침전지에 하얀 탁도물질의 부유현상이 관찰된다. 이것을 재분산(재안정화)현상이라 한다.

정수장에서는 이와같이 탁도성분을 제거하기 위해서 약품을 투입하기전에 몇가지 시험을 거친다. 즉, 콜로이드같은 탁도, 알칼리도, 수온등 수질항목과 응집조건과 약품투여량을 결정하기 위해 쟈 테스트(Jar test)를 거쳐 적정량의 약품을 투입하게된다. 또한 최적의 응집효과를 기하기 위해 제타(Zeta)전위를 측정한다.

응집이 이루어진 물은 직사각형의 거대한 풀(침전지)에서 3〜4시간 정체되어 흐르면서 침전되어 상등수는 다음 단계인 여과지로 넘어가고, 바닥에 침전된 찌꺼기인 슬러지(오니, Sludge)는 한곳에 모아 수분을 제거한후 비료공장으로 보내져 퇴비로 활용한다.