급속여과(Rapid sand filtration) 및 여과(Filtration)

급속여과(Rapid sand filtration) 및 여과(Filtration)

표준정수처리 단위공정

​

여과 (Filtration)

여과는 정수처리공정에서 가장 중요한 역할을 하는 공정으로 불순물 특히 침전공정에서 제거되지 않은 작은 입자나 플록을 여재층에서 제거하는 공정이다.

여과공정에서는 응집/플록형성 및 침전공정에서 넘어 온 플록, 미생물, 그리고 연수화 과정에서 생성된 탄산칼슘과 같은 침전물, 지하수를 원수로 할 경우 철·망간침전물 등을 제거한다.

이러한 입자성 부유물질과 플록들은 침전지를 거치면서 대부분 제거되고, 작은 입자들은 물과 함께 여과지내 충진된 여재(Filter media, 예를 들어 모래나 다공성막과 같은 입상물질층)를 통과하면서 여재의 간극사이에 걸리는 걸름작용(Straining)과 여재사이를 흐르면서 유선을 가로질러 여재에 부착되는 차단(Intercepti-

on), 침전(Sedimentation), 확산(Diffusion) 등의 기작에 의해 제거된다.
일반적으로 모래를 여재로 사용한 여과지에서는 모래입자에 입자나 플록들이 흡착되고 점차 억류되어가면서 모래입자간의 공극이 좁아지게 되어 공극유속이빨라지고 전단력이 커지므로, 더 이상 부착될 수 없는 한계 억류량에 도달하게 되면 여재층을 역세척해 주어야 한다.

여과공정은 운전방식 등의 분류관점에 따라 다음과 같이 분류되며 중력식 개방형 급속모래여과지가 일반적으로 가장 많이 사용되는 여과방식이다.

◦ 여과속도 : 완속여과, 급속여과
◦ 여재종류 : 모래 단독여과, 이중여재 여과
◦ 여과방향 : 상향류식 여과, 하향류식 여과

◦ 침전공정의 유무 : 직접여과(Direct filtration) 또는 접촉여과(In-line filtration)
◦ 수리학적 조건 : 압력식 여과, 중력식 여과
◦ 형태 : 개방형 여과지, 폐쇄형 여과지
◦ 여과수량의 시간적 변화 : 정속여과, 감속여과
◦ 여과수량의 조절방식 : 유량제어형 여과, 수위제어형 여과, 자연 평형식 여과

​

급속여과(Rapid sand filtration)
-개요
급속여과 공정은 응집제를 투입하여 수중의 콜로이드 입자들을 불안정화 시켜 플록을 생성한 후 여과시켜 제거하는 공정이다.

원수의 탁도가 높을 경우 여과지가 조기에 폐쇄될 수 있으므로 침전후 작은 입자들만 여과지에서 제거한다. 여과속도는 여과재의 입경에 따라 다양하지만 일반적으로 120 m/일 이상이다. 여과속도가 빠르기 때문에 역세척이 빈번하고, 층 분리 현상과 표면여과가 발생한다.

따라서 이를 방지하기 위하여 상수도 시설기준에서는 모래여재의 크기를 0.35～1.0 mm 범위로 하며, 균등계수(uniformity coefficient, UC)는 1.7 이하로 할 것을정하고 있다.
급속여과에서 여과작용은 거의 물리화학적인 작용에 의존하며 5～15 cm 깊이에서 발생한다. 모래층의 두께를 보통 60 cm 정도로 하는데, 이는 여과시나 역세척전후 수리적인 안정성을 확보하여 여층의 유실 없이 안정적으로 여과효율을 확보하기 위해서이​다.

여과층이 60 cm 정도 두께이고, 여재의 유효입경(effective size, ES)이 0.45～0.55 mm 정도라고 할 때, 여과속도는 120～150m/일을 표준으로 한다.

​

- 여과기작
급속여과에서는 수중의 미세한 입자는 일반적으로 여재의 표면이나, 공극 사이에 억류된다. 따라서 여과기작은 부유입자 또는 탁질의 억류기작으로 설명될 수있다. 부유물질의 제거에 대한 기작은 매우 복잡하지만, 입자가 여재사이에 걸려서 억류되는 체걸름, 여재의 표면과 공극으로 이동하는 운반(이송), 마지막으로여재표면에 달라붙는 부착의 세 단계 기작으로 설명될 수 있다. 또한, 여재로부터 입자가 떨어져 나가는 탈리는 여과에서 중요하게 작용하는 기작 중에 하나이다.

​

* 체걸름(Straining)
입자가 여재의 공극에 의하여 걸러지는 현상으로 대부분 여층의 표면에서 일어난다. 처음에는 모래의 공극보다 큰 입자만 여재의 표층에 걸러져 억류되지만,여과가 진행되면서 공극이 작아져 작은 입자들이 퇴적된다. 조류와 같이 입경이 큰 입자들이 여재의 표층에 걸러지는 것을 예로 들 수 있으며, 일반적으로 여재입경의 약 15%(여재 공극의 크기) 이상 되는 입경을 갖는 입자들이 주로 체걸름 기작에 의해 제거되는 것으로 알려져 있다.

​

*운반(Transport)
운반 메커니즘 중에서 중요한 것은 차단(interception), 침강(sedimentation), 확산(diffusion), 동수역학적 감속(hydrodynamic retardation) 및 표면작용력(surface interaction force) 등이다. 이들 중에 지배적인 여과기작은 유입되는 입자의 크기와 관련이 있다.
여과지에서 잘 제거되지 않는 입자의 크기는 1 ㎛ 라고 알려져 있다. 1 ㎛ 이상의 입자는 중력, 침강 및 차단이 중요한 제거기작으로 작용하게 된다.

​

- 차단(Interception) : 입자가 물의 흐름에 따라 움직일 때 입자의 크기와 위치 때문에 입자가 여재로 가까이 갈수록 여재의 표면과 부딪치는 현상을 말한다.

   일정한 여과재의 크기에 대하여 탁질 입자의 크기가 크고 밀도가 작을수록 차단 기작에 의한 제거효율은 커진다.
- 침강(Sedimentation) : 유체의 밀도보다 탁질 입자의 밀도가 큰 경우 입자는 중력에 의해 침강한다. 만약, 입자의 침강속도가 유속보다 큰 경우 입자는 유선을가로질러 입자의 표면에 떨어질 것이다.

   여과지에서 입자의 밀도는 작은 반면, 크기는 클 경우 차단과 침강이 동시에 작용하나 입자의 밀도가 클 경우에는 침강에 의해 주로 제거된다.
- 확산(Diffusion) : 확산은 주로 브라운 확산으로서 1.0 ㎛ 이하의 입자(예; 바이러스)가 여재의 표면까지 운반되는 작용이다.

   확산에 의한 작은 입자의 운반은 유체의 열에너지가 크고 입자의 크기가 작을수록 그리고 여재의 크기가 작을수록 높아진다. 이는 여재가 작을수록 여재가 포획 할 수 있는 입자의 억류면적이 증가되고, 입자의 운반거리가 짧아지기 때문이다.
- 동수역학적 감속(Hydrodynamic retardation) : 유체 내의 입자가 여재표면에 가까울수록 입자와 여재 사이의 유체를 밀어내는데 이러한 현상에 의해 접근속도가 감소하고, 입자를 회전시키는 작용을  동수역학적 감속이라고 한다. 여과지 유입수 내의 입자크기, 여재크기가 클수록 그리고 유체의 점성이 클수록 그영향이 커진다.
- 표면작용력(Surface interception force) : 표면에 작용하는 물리, 화학적 성질에 따라 여재의 표면작용력은 입자의 제거효율에 영향을 준다.

   표면작용력에 대한 가설은 전기적 이중층에 의한 반발력과 반데르발스 인력이다. 이중 이온층에서 표면 바로위에 있는 평형이온층인 확산층(diffuse layer)의 유효 두께는 용액속의 양이온 총량과 입자 표면에 있는 음이온 총량에 의해 결정된다. 확산층의 두께는 양이온이 감소됨에 따라 그리고 표면전하가 증가됨에 따라 증가하게 된다. 이중층 반발력은 같은 극으로 하전된 두 개 입자의 확산층이 뒤섞일 때 발생한다.

   이 과정에서 입자가 여재로 접근하는 과정에 영향을 미치고 용액 속에서는 입자간의 접근시에도 영향을 미치게 된다.

   반발력은 입자가 여재의 표면에 접근할수록, 확산층의 범위가 커질수록 커지기 때문에 여과효율이 감소하게 된다.

​

*부착(Attachment)
여과지 유입수에 포함되어 운반된 입자들은 여재 표면에 부착된다.

부착단계의 중요한 기작은 표면작용력 등에 의해 영향을 받으며 이들은 물리화학적인 작용이다. 세부적으로는 정전기적인 상호작용과 화학적인 가교작용 및 흡착등이 작용하게 되는데, 이 두기작 사이의 명확한 구분은 힘들다.

​

*탈리(Detachment)
이는 여재표면과 공극에서 입자의 억류량이 증가함에 따라 그 사이를 통과하는 물의 유속이 증가하게 된다. 따라서 물의 흐름에 의한 전단력이 증가하면서 여재상부와 여재 사이에 억류되었던 입자들이 깨지거나 떨어져 나가는 현상이 발생하는데, 이를 탈리라고 한다.

즉, 탈리에 의해 여과수와 함께 입자 또는 탁질이 누출된다.

​

​

​

​ 출처 : 2004년 환경부 "고도정수처리 정책방향에 관한연구" 발췌

​