지속적인 영양염류의 유입은 수계의 부영양화를 가속화시키고 있으며, 빈번한 녹조발생과 수자원의 가치하락을 초래하고 있다. 지금까지 개발된 다양한 녹조제어 기술은 대부분 실험실 규모의 연구수준에 그치고 있어 현장적용에 제한적이며, 녹조발생 현장에서는 황토나 살조제 살포와 같은 일시적인 방법만이 적용되고 있다. 따라서 녹조발생의 영향인자, 현장적용성 및 지속성 등을 고려한 녹조제어기술 개발이 시급한 시점이다.
본 연구의 목적은 소성된 굴 패각과 프리코트필터를 이용하여 호소 내 녹조와 인을 동시에 제거하는 것이다. 이를 위해 굴 패각분말의 소재특성과 인 흡착특성에 대한 기초연구를 수행하였으며, 연속반응기의 운전으로부터 호소수 처리특성 및 최적 공정구성 방안을 도출하였다. 또한, 소성 굴 패각분말과 프리코트필터를 이용한 현장실험을 통하여 최적 운전인자를 도출하였으며, 호소수 내 인과 녹조입자의 동시제거 특성을 평가하였다.
굴 패각은 무기계 불순물 함량비가 높아 열처리에 의하여 약 40.5%의 중량감소가 나타났으며, 약 900℃에서 소성이 완료되었다. 굴 패각분말의 XRD분석에서는 소성온도가 높을수록 CaCO3의 주피크 감도가 낮아졌고, 900℃에서 소성된 굴 패각분말에서는 CaO와 Ca(OH)2의 주피크가 관찰되었다.
시료 내 초기 인 농도가 높고 굴 패각분말의 소성온도가 높을수록 인 제거효율은 증가하였다. 흡착반응은 소성 온도조건에 관계없이 1분 내외의 반응초기에 완료되는 것으로 판단되며, 흡착반응에 의하여 중간생성물(DCPD)과 최종산물(HAp)이 동시에 생성되는 것을 확인할 수 있었다.
굴 패각분말에 의한 인의 등온흡착은 Fruendlich식을 만족하는 것으로 나타났다. Fruendlich식에 의한 Kf 및 1/n은 각각 0.0330~10.3110(mg/L1/n)/(g/L1/n), 1.8385~0.9042였으며, R2는 0.7759~0.9956으로 높았다. 흡착반응은 유사 2차 반응속도식에 적합하였으며, k2, qe, 및 R2는 각각 18.5829~1.2202g/mg?min, 3.0~40.5mg-PO43-/g 및 0.9871~0.9999로 나타났다.
호소수로부터 인을 제거하기 위한 COSP-900의 최적 투입량은 0.15g/L로 도출되었으며, S-P에 대한 제거효율과 흡착능은 각각 80.6%, 0.4mg-PO43-/g이었다. 연속반응기를 이용한 실험에서는 입상패각보다 분말패각을 충진한 경우가 더 안정적인 효율을 보였으며, 효율저하, 미세고형물 유출 및 손실수두 증가에 대응하기 위해 접촉반응과 고액분리로 조합된 최적 처리공정의 도입이 요구되었다.
녹조입자의 여과저항은 여재저항보다 평균 여과비저항이 훨씬 크게 나타났다. 여재저항은 여과압력에 더 많은 영향을 받는 것으로 나타났고, 평균 여과비저항은 고형물 농도에 더 큰 영향을 받는 것으로 판단된다.
프리코트필터를 이용한 현장운전에서 누적된 녹조층을 제거하지 않을 경우 약 10분 만에 압력이 -0.34bar에서 -0.76bar까지 상승하였으나, advancing knife를 이용하여 녹조층을 제거할 경우 압력은 -0.35bar로 안정적이었으며, COSP-900의 최적 투입량은 0.2g/L이었다. 이때 T-P, S-P 및 TSS의 제거효율은 각각 97.5%, 93.5%, 98.7%로 나타났고, 인 흡착능은 4.1mg-PO43-/g이었다.
소성된 패각을 활용한 프리코트필터 공정은 수계내의 고형물(녹조)과 인을 동시에 효과적으로 제거할 수 있으므로 호소에 적용할 경우 장기적으로 녹조제어에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

The continuous inflow of nutrients is accelerating the eutrophication of water body, leading to frequent algal bloom and depreciation of water resources. Most of the algae control techniques developed so far are limited to laboratory-scale research, and as a result, only temporary methods such as loess or algicide spraying are applied in the algal field. Therefore, it is necessary to develop a new technology for algal bloom control in consideration of the limiting factors of algal growth, field application and sustainability.
The purpose of this study is to remove algae and phosphorus simultaneously using calcined oyster shell and pre-coat filter. For this purpose, fundamental experiments focused on the physicochemical characterization and phosphorus adsorption of oyster shell powder were carried out, and laboratory scale experiments using a continuous reactor were conducted to evaluate lake water treatment and to propose the optimal treatment process. In addition, field experiments using calcined oyster shell powder and pre-coat filter were performed to evaluate the optimal operation factors and simultaneous removal of phosphorus and algae particles in lake water.
The oyster shell had a high inorganic content, resulting in weight loss of about 40.5% by heat, and calcination was completed at about 900℃. In the XRD analysis of oyster shell powder, the higher the calcination temperature, the lower the main peak sensitivity of CaCO3, and the main peaks of CaO and Ca(OH)2 were observed in the oyster shell powder calcined at 900℃.
Phosphorus removal efficiency increased with higher initial phosphorus concentration and calcination temperature of oyster shell powder. Phosphorus adsorption on oyster shell powder was mostly completed within 1 minute, regardless of calcination temperature, and intermediate products(DCPD) and final products(HAp) were simultaneously detected in the adsorption reactants.
Phosphorus isothermal adsorption by oyster shell powder was highly correlated with Fruendlich equation, and the adsorption constants were as follows: 0.0330~10.3110(mg/L1/n)/(g/L1/n) Kf, 1.8385~0.9042 1/n, and 0.7759~0.9956 R2. The adsorption kinetic was well-fitted to the pseudo-second order equation, and the kinetic constants were as follows: 18.5829~1.2202g/mg·min k2, 3.0~40.5mg-PO43-/g qe, and 0.9871~0.9999 R2.
To obtain the removal of phosphorus over 80% of S-P, the optimum dose of COSP-900 and adsorption capacity for S-P are 0.15g/L and 0.4mg-PO43-/g, respectively. In the experiment using a continuous column reactor, the effluent from the reactor packed with calcined oyster shell in powder was maintained more stable than that from the reactor packed with calcined oyster shell in granular, and it was required to introduce the optimal process combining the contact reactor and the solid-liquid separator to cope with the spillage of fine solids and the increase of head loss.
The filtration resistance test showed that the average specific filtration resistance was relatively higher than the filter medium resistance. The filtration pressure had more influence on the filter medium resistance than the average filtration resistance, but the solid concentration had more influence on the average filtration resistance than the filter medium resistance.
In the field operation using the pre-coat filter, the pressure rose from -0.34bar to -0.76bar in 10 minutes without removing the accumulated algae. To obtain the simultaneous removal of phosphorus and algae over 97% of T-P, 92% of S-P, and 98% of algae as TSS, the optimized conditions for filtration from the field test are as follows: continuous removal of algae cake, below -0.35bar vacuum pressure, 0.2g/L COSP dosage, and 4.1mg-PO43-/g adsorption capacity.
The pre-coat filter process combined with the adsorption by calcined shells can effectively separate solids(algae particles) and phosphorus from aqueous system simultaneously, which may contribute to algae control in long term.