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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 표준활성슬러지 공법 과 고도처리 공법으로 처리된 방류수를 이용하여 염소 소독에 의한 하수 방류수의 소독 효율과 THMs 및 기타 소독부산물에 대한 발생 특성을 비교, 검토하여 보았다.
- 본 실험은 각 하수처리공정의 방류수에 대한 염소 소독 시 소독부산물 발생 특성에 대하여 살펴보았으며 분석 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 하수 방류수에 대한 염소주입농도를 선정하기 위하여 하수 방류수에 대하여 여러 개의 100 mL 용기에 표준활성슬러지 공정으로 처리된 하수 방류수를 넣고 유효염소 농도가 점차 적으로 증가되도록 국내 D사의 차아염소산나트륨 발생 장치에서 생산된 차아염소산나트륨을 각 시료에 주입하였다. 각 주입염소농도에 대한 총잔류염소와 대장균군수, THMs 농도를 분석하였다.
- 각 주입염소농도에 대한 총잔류염소와 대장균군수, THMs 농도를 분석하였다. 또한 하수 방류수에 대하여 주입 염소 농도 0.
- 각 주입염소농도에 대한 총잔류염소와 대장균군수, THMs 농도를 분석하였다. 또한 하수 방류수에 대하여 주입 염소 농도 0.5 mg/L, 1.0 m&L, 1.5mgL에 대한 단위 시간 별 대장균군수 변화를 분석하였다.
- 이후 각 처리장에서 방류되는 방류수를 채취하여 여러 개의 300 mL 삼각 플라스크에 250 mL씩 넣고 유효염소 농도가 각 0.5 mg/L, 1.0 mg/L, 1.5 mg/L, 2.0 mg/L 가 되도록 차아염소산나트륨 용액을 주입한 다음 각 방류수에 대한 농도별 총잔류염소, 대장균군수 및 THMs 농도변화를 분석하였으며 유효염소농도 lmg/L에 대하여 단위 시간별로 형성되는 THMs 농도를 분석하였다.
- 또한 THMs외의 소독 부산물 생성 특성을 살펴보기 위하여 각 처리장 방류수에 대하여 주입염소 1 mg Cb/L가 되도록 주입한 다음 DCAN(Dichloroacetonitrile), DCAA(Dich- loroacetic acid), TCAA(Trichloroacetic acid), CH(Chloral hydrate)등을 분석하였다.
대상 데이터
- 하수처리공정별 염소 소독 효과를 비교하기 위하여 소독시설을 갖추지 않은 표준활성슬러지공정으로 운전되는 하수처리장과 고도처리시설을 갖춘 하수처리장을 각 1곳씩 선정하였다. 이후 각 처리장에서 방류되는 방류수를 채취하여 여러 개의 300 mL 삼각 플라스크에 250 mL씩 넣고 유효염소 농도가 각 0.
- 본 연구에 이용된 시료는 표준활성슬러지공정으로 운전된 경기도 소재의 A 하수종말처리장의 방류수를 이용하였으며 방류수의 pH는 7.6, 암모니아성 질소 농도는 22.5 mg/L를 나타내었다.
- 본 연구에서 이용된 표준활성슬러지 방류수는 A 하수종말처리장 방류수를 그대로 매월 채취하여 이용하였으며 고도처리공정으로 처리된 방류수는 충청남도에 소재한 C 하수종말처리장에서 매월 채취하여 이용하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 방류수 수질이 THMs 등 소독부산물 생성에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 pH, TSS, CODmn, BOD5, NH3-N, NO2-N, NO3-N, 대장균군수 등을 수질오염 공정실험법에 따라 분석하였으며 총잔류 염소분석에는 DPD 방법을 이용하여 Pocket colorimeter(HACH Co., US)로 분석하였다. 또한, THMs 분석은 EPA 524.
- , US)로 분석하였다. 또한, THMs 분석은 EPA 524.2 방법에 따라 실험하였으며 기타 소독부산물(TCAA, DCAA, CH, DCAN) 분석은 EPA 551.1(CH, DCAN)과 EPA 552(TCAA, DCAA) 방법에 따라 실험하였다. THMs 분석에는 GC-ECD(HP5890 Series n, Hewlett Packard, USA)를, 기타 소독부산물 분석에는 GC-MSD(HP6890/HP5973 MSD, Hewlett Packard, USA)를 사용하였다.
성능/효과
- 분석 결과, 염소 주입 후 7분이 지난 후 대장균군수는 주입농도별로 3, 500 개/mL, 1, 450 개/mL, 150 개/mL를 나타내었으며 15분이 지나자 모든 시료에서 하수 방류수 기준인 3, 000 개/mL를 만족하였고 이후 주입염소농도 0.5 mg/L를제외한 나머지 시료에서는 안정적인 대장균군수를 나타내었다. 이 결과에서 초기 대장균군수는 급격히 감소하였고 점차 감소폭이 낮아졌는데 이는 주입 초기에는 주입된 유리 잔류염소에 의하여 짧은 시간안에 급격히 감소하였으나 점차 암모니아성 질소와 반응하여 살균력이 낮은 결합 잔류염소를 형성시킴으로써 감소폭이 낮아지는 것으로 판단된다.
- 5 mg/L를제외한 나머지 시료에서는 안정적인 대장균군수를 나타내었다. 이 결과에서 초기 대장균군수는 급격히 감소하였고 점차 감소폭이 낮아졌는데 이는 주입 초기에는 주입된 유리 잔류염소에 의하여 짧은 시간안에 급격히 감소하였으나 점차 암모니아성 질소와 반응하여 살균력이 낮은 결합 잔류염소를 형성시킴으로써 감소폭이 낮아지는 것으로 판단된다. 따라서 주입 염소 농도를 고려할 경우 방류수의 대장균군 기준을 만족시키기 위해서는 최대 15분 이상의 접촉 시간이 요구되며 주입염소농도가 증가할수록 그 시간은 더욱 감소되는 것으로 나타났다.
- 이 결과에서 초기 대장균군수는 급격히 감소하였고 점차 감소폭이 낮아졌는데 이는 주입 초기에는 주입된 유리 잔류염소에 의하여 짧은 시간안에 급격히 감소하였으나 점차 암모니아성 질소와 반응하여 살균력이 낮은 결합 잔류염소를 형성시킴으로써 감소폭이 낮아지는 것으로 판단된다. 따라서 주입 염소 농도를 고려할 경우 방류수의 대장균군 기준을 만족시키기 위해서는 최대 15분 이상의 접촉 시간이 요구되며 주입염소농도가 증가할수록 그 시간은 더욱 감소되는 것으로 나타났다.
- 각 주입염소농도로 15분간 접촉한 결과 하수 방류수 의총 잔류염소 농도, 대장균군수, THMs 농도 변화는 Table 2와 같으며 염소 농도가 증가할수록 대장균수는 감소하여 주입 염소 농도 2.0 mg/L이상에서 완전히 사멸하였다. 이때 소독부산물인 THMs 농도는 주입염소농도에 비례하여 증가하였으며 대장균군이 완전히 사멸된 2 mg/L에서의 THMs 발생 농도는 1.
- 각 공정에서 방류된 처리수의 대장균군수는 표준활성슬러지 방류수에서 4, 200-7, 000 개/mL로 1, 860 -6, 500 개 /mL 의 농도를 나타낸 고도처리 방류수에 비하여 높은 값 을 보였다. 따라서 이를 현재 대장균군에 대한 방류수 기준인 3, 000 개/mL 이하와 비교할 경우, 표준활성슬러지 방류수는 년중 대부분 방류수 허용 기준 이상으로 방류되고 있으며 고도처리 방류수내에도 대부분 허용기준보다 높은 값을 보여 방류수 허용 기준에 적합하도록 유지하기 위해서는 소독과정이 필요한 것으로 나타났다.
- 보였다. 따라서 이를 현재 대장균군에 대한 방류수 기준인 3, 000 개/mL 이하와 비교할 경우, 표준활성슬러지 방류수는 년중 대부분 방류수 허용 기준 이상으로 방류되고 있으며 고도처리 방류수내에도 대부분 허용기준보다 높은 값을 보여 방류수 허용 기준에 적합하도록 유지하기 위해서는 소독과정이 필요한 것으로 나타났다.
- 소독을 위하여 염소를 주입한 결과 각 방류수에 대하여 0.5 mg/L의 염소를 주입한 경우 허용기준 이하를 나타내었으나 표준활성슬러지 방류수는 방류수 기준과 비슷하거나 다소 높은 대장균군수를 나타내어 안정적인 소독을 위해서는 주입염소농도를 0.5~ 1.0 mg/L 범위로 주입할 필요가 있는 것으로 나타났다. 이는 표준활성슬러지 방류수의 대장균군 수와 pH가 고도처리된 방류수에 비하여 높아 차아염소산나트륨의 살균력이 낮아졌고 여기에 고농도로 존재하는 암모니아성 질소는 염소 주입 시 살균력이 낮은 결합 잔류염소를 형성시킴으로써 더욱 살균 효율을 낮아지게 하였기 때문으로 판단된다.
- 각 처리장 방류수에 대한 염소 소독시 접촉 시간에 따른 THMs 농도 변화를 알아본 결과 Fig. 3과 같이 주입 초기대부분의 THMs가 생성되었으며 이후 접촉 시간에 따른 THMs 증가는 거의 없었다.
- 각 방류수에 대한 염소 주입 결과, 수중의 암모니아성 질소에 대한 주입염소농도비는 표준활성슬러지 방류수에서는 평균 약 1:0.2내외로 낮게 나타났으며 고도처리 방류수는 평균 1:10내외로 높게 나타났으며 최고 1:100이상도 나타내었다. 또한 이때 발생하는 THMs 평균농도는 주입 염소 농도에 따라 표준활성슬러지에서 평균 약 1~4 /zg/L로 나타났으며 고도처리된 방류수에서는 평균 약 2.
- 2내외로 낮게 나타났으며 고도처리 방류수는 평균 1:10내외로 높게 나타났으며 최고 1:100이상도 나타내었다. 또한 이때 발생하는 THMs 평균농도는 주입 염소 농도에 따라 표준활성슬러지에서 평균 약 1~4 /zg/L로 나타났으며 고도처리된 방류수에서는 평균 약 2.0~6.8 “g/L로 표준활성슬러지에 비하여 높게 나타났다.
- THMs 생성은 pH가 높을수록 염기에 의한 촉매 작용으로 농도가 높아 진다는 Stevens(1977)의 연구 결과와는 달리 본 연구에서는 표준활성슬러지 방류수의 pH가 고도처리방류 수에 비하여 높음에도 THMs 생성 농도가 낮게 나타났다. 이는 방류수내의 암모니아성 질소가 높아 암모니아성 질소와 주입염소농도비가 평균 1:0.
- 그러나 고도처리 방류수는 낮은 pH 상태임에도 불구하고 암모니아성 질소와 주입염소농도비가 평균 1:10 내외로 상당히 높고 특히 봄, 여름철에는 높은 질산화율에 의하여 암모니아성 질소와 주입염소비가 최대 1:100로 높아져 암모니아성 질소와의 반응은 감소한 반면 수중의 전구물질과 반응하는 염소의 량이 증가되면서 생성되는 THMs 농도가 높아진 것으로 판단된다. 따라서 고도처리 방류수의 THMs 농도는 암모니아성 질소와 주입염소농도비가 가장 낮은 5 월, 8월, 10월경에 높게 나타났다. 이는 암모니아성 질소가높을수록THMs 발생이 낮아진다는 한(1999)의 연구 결과와 같았다.
- 소독부산물이 공공수역으로 유출될 경우 수중 생태계에 독성을 줄 수 있는데 본 연구 결과에 따라 염소 소독에 의하여 하수방류수내 형성된 클로로포름 농도는 최대 12.7 /L로 기존의 독성실험결과와 비교할 경우 수중 생태계에 미치는 영향은 없을 것으로 판단된다. 이러한 수중 생태계에 대한 클로로포름의 독성에 대하여 Anderson 등(1980)은 수중의 단세포 식물이나 다른 미생물에 영향을 미칠 수 있는 LC50 농도가 보편적으로 125 mg/L에서 3, 200 mg/L 이상이었고 어류는 97 mg/L에서 191 mg/L정도의 LCso 농도를 나타낸다고 하였으며 EPA에서는 클로로포름과 브로모디클로로메탄에 대한 수계생물의 위험농도를 각각 4, 700 /L와 220 /L로 지정하여 이를 관리하도록 권장하고 있다.
- 1) 하수 방류수에 대한 염소 소독 결과, 대장균군 방류수 기준에 적합하도록 유지하기 위한 최적주입농도는 0.5~ 1.0 mg/L의 범위에서 나타났으며 pH와 암모니아성 질소 농도가 높은 표준활성슬러지공정이 고도처리공정에 의한 방류수보다 다소 높은 농도의 염소 주입이 요구되는 것으로 나타났다.
- 2) 염소 소독 부산물로 발생한 THMs는 대부분 클로로포름의 형태이며 그 농도는 최대 12 “g/L로 상당히 낮게 나타났다. 또한 처리공정에 따른 THMs 발생 특성을 비교한 결과 암모니아성 질소가 높은 표준활성슬러지 공정 방류수가 고도처리 방류수에 비하여 THMs 농도가 낮아 암모니아성 질소 농도의 영향을 크게 받는 것으로 나타났다.
- 또한 처리공정에 따른 THMs 발생 특성을 비교한 결과 암모니아성 질소가 높은 표준활성슬러지 공정 방류수가 고도처리 방류수에 비하여 THMs 농도가 낮아 암모니아성 질소 농도의 영향을 크게 받는 것으로 나타났다.
- 3) 기타 소독부산물을 분석한 결과, HAA류에 속하는 DCAA와 TCAA이 검출되었으며 그 농도는 상당히 낮게 나타났다. 또한 하수처리공정에 따른 발생 특성을 살펴본 결과, 일반 표준활성슬러지 방류수에 비하여 고도처리 방류수가 높게 나타났다.
- 나타났다. 또한 하수처리공정에 따른 발생 특성을 살펴본 결과, 일반 표준활성슬러지 방류수에 비하여 고도처리 방류수가 높게 나타났다.
- 4) 하수의 염소 소독에 의해 생성된 THMs등과 같은 소독부산물이 수중생태계에 미치는 영향에 대하여 기존의 독성 연구결과와 비교, 분석한 결과 수중생태계에 대한영향은 없을 것으로 판단된다.
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