💧혼화(Coagulation) & 응집(Flocculation)

혼화는 미세 입자들의 전하를 중화시켜 서로 모일 수 있는 조건을 만들고, 응집은 그 입자들이 단단한 덩어리로 뭉치게 해 제거를 용이하게 하는 과정임.
 

혼화(Coagulation) & 응집(Flocculation)

 
✅ 혼화(Coagulation) 
혼화는 원수에 응집제를 첨가하여 미세한 부유물질과 유기물을 서로 뭉치게 하는 첫 번째 과정임.
작은 입자들은 전하를 띠고 있어 자연적으로 서로 밀어내는데, 응집제를 투입하면 전하가 중화되면서 입자들이 서로 결합할 수 있음.
 
혼화의 주요 목적
- 물속의 미세한 부유물 제거
- 유기물 및 탁도(Turbidity) 저감
- 응집제를 효과적으로 확산시켜 응집 과정 촉진

대표적인 응집제

  - 황산알루미늄(Al₂(SO₄)₃) 반응
 : 황산알루미늄이 물과 반응하여 알루미늄 수산화물(Al(OH)₃) 플록을 형성하고, 황산(H₂SO₄)이 생성됨.
  - PAC(폴리염화알루미늄) 반응
 : 폴리염화알루미늄(PAC)이 물과 반응하여 알루미늄 수산화물 플록을 형성하고 염화이온(Cl⁻)을 방출함.
 - 황산철(Fe₂(SO₄)₃) 반응
 : 황산철이 물과 반응하여 철 수산화물(Fe(OH)₃) 플록을 생성하며, 황산이 남음.
 

이러한 반응을 통해 생성된 수산화물(Al(OH)₃ 또는 Fe(OH)₃)은 부유물질과 결합하여 더 큰 플록을 형성하고 이후 응집(Flocculation) 및 침전(Sedimentation) 과정을 통해 제거됨.
혼화는 원수에 응집제를 첨가하여 미세한 부유물질과 유기물을 서로 뭉치게 하는 첫 번째 과정임.
작은 입자들은 전하를 띠고 있어 자연적으로 서로 밀어내는데, 응집제를 투입하면 전하가 중화되면서 입자들이 서로 결합할 수 있음.
 
+ 알루미늄 기반 응집제(황산알루미늄, Al₂(SO₄)₃)와 Al(OH)₃ 생성 과정
응집 과정에서 황산알루미늄(Al₂(SO₄)₃)이 물과 반응하면 다음과 같은 화학 반응이 발생함:

# 황산알루미늄의 가수분해 반응
Al2_SO4_3 + 6H2O -> 2Al_3+ + 3SO4_2- + 6H2O

• 황산알루미늄이 물에 용해되어 알루미늄 이온(Al³⁺)과 황산 이온(SO₄²⁻)을 방출함.

# 알루미늄 이온의 수산화 반응으로 Al(OH)₃ 생성
Al_3+ + 3H2O -> Al(OH)3↓ + 3H+

• 알루미늄 이온(Al³⁺)이 물과 반응하여 알루미늄 수산화물(Al(OH)₃) 플록을 형성하고, 수소 이온(H⁺)이 발생함.

# pH 조절을 위한 추가 반응 (석회 Ca(OH)₂ 사용)
Ca(OH)2 + 2H+ -> Ca_2+ + 2H2O

• 발생한 H⁺ 이온은 물의 pH를 낮출 수 있으므로, pH 조절을 위해 석회(Ca(OH)₂)나 NaOH를 추가로 투입하여 반응을 조절할 수 있음.

 
혼화 방법       
- 급속 혼화(Rapid Mixing): 물에 응집제를 빠르게 확산시켜 입자들이 응집할 수 있도록 함.
- 기계적 혼화(Mechanical Mixing): 교반기 또는 인공적인 흐름을 이용해 혼합을 촉진함.
- 수력 혼화(Hydraulic Mixing): 물의 유속 차이를 이용하여 혼화를 유도함.
 
 혼화 후의 변화
 :혼화 과정이 끝나면 미세한 입자들이 서로 결합할 준비가 되어 있으며, 이들은 다음 단계인 응집(Flocculation) 과                정에서 더 큰 덩어리(플록, Floc)로 성장함.
 
혼화(Coagulation) 과정에서 기계적 강도(교반 강도)를 나타내는 대표적인 식은 혼화 강도 지수(G)를 활용하여 표현함.

 
+ 혼화 강도(G)

혼화 장치에서 교반이 얼마나 강하게 이루어지는지를 나타내는 속도 기울기(Gradient of Velocity, G)는 다음과 같이 정의
 

혼화 장치에서 교반이 얼마나 강하게 이루어지는지를 나타내는 속도 기울기(Gradient of Velocity, G)

여기서,

• G : 속도 기울기(1/s) → 혼화의 강도를 나타내는 지표
• P : 혼화 장치에서 소모되는 동력(W)
• μ : 유체의 동점성계수 (N·s/m²)
• V : 혼화조의 부피(m³)

G 값의 의미

• G 값이 크면 강한 교반이 이루어져 응집제(혼화제)가 빠르게 확산됨.
• 너무 크면 응집된 입자가 깨질 수 있어 비효율적일 수 있음.
• 일반적으로 급속 혼화에서는 G 값이 700~1,000 s⁻¹, 느린 교반에서는 20~100 s⁻¹ 정도로 조절됨.

결론
혼화 장치에서 기계적 강도는 속도 기울기(G)로 나타내며, 이는 혼화 과정에서의 교반 강도를 수치적으로 표현하는 중요한 지표임.
 
 
✅ 응집(Flocculation) 
응집은 혼화된 작은 입자들이 더 큰 덩어리(플록, Floc)로 성장하도록 천천히 저어주는 과정임. 이 과정은 물속의 부유물질을 더욱 효과적으로 제거하는 데 필수적임.
 
응집의 주요 목적
-   플록 형성을 통해 부유물질 제거 효율 향상
-  침전 및 여과 공정에서 처리 효율 극대화
-  미세한 부유물과 유기물을 더욱 안정적으로 제거
 
응집 과정에서의 주요 요인
-  교반 속도: 너무 빠르면 플록이 깨지고, 너무 느리면 효과적으로 응집되지 않음.
-  응집 시간: 일반적으로 15~45분 정도 유지.
-  온도와 pH: 물의 온도와 pH가 적절해야 응집이 효과적으로 이루어짐.
 
응집 방법
-  완속 응집(Slow Mixing): 천천히 교반하여 플록을 성장시키는 방법.
-  기계적 응집(Mechanical Flocculation): 기계를 이용해 일정한 교반 속도를 유지하며 응집을 촉진.
-  수력 응집(Hydraulic Flocculation): 물의 유동을 이용하여 자연스럽게 입자들이 응집되도록 유도.
 
✅ 응집 후의 변화 
응집이 완료되면 형성된 플록이 충분히 커져 침전지에서 쉽게 가라앉을 수 있으며, 이후 침전 및 여과 과정에서 더욱 깨끗한 물을 얻을 수 있음.
 
☆Floc: 원수 + 응집제