본 연구에서는 용존공기부상법(DAF)을 이용한 정수처리 공정에 오존을 도입하기 위하여 실험실 규모의 실험이 수행되었다. 오존의 수처리 적용시 공정제어 인자로 활용할 수 있는 I.D, $k_c$, 오존-Ct 및 OH 라디칼-Ct 등에 대한 반응속도론적 연구를 실시하였다. 또한 원수, DAF 처리수 및 여과수에 대한 오존처리 실험을 실시하여 오존공정의 최적 위치 및 주입량을 도출하였다. 실험 결과 오존-Ct와 OH 라디칼-Ct는 DAF 처리수에서 가장 높게 측정되었으며, DAF 공정의 체류시간인 30분 이후에도 계속적으로 유지되었다. 또한 각 공정수에 대한 오존처리 실험을 실시한 결과, 중오존이 전 후오존에 비해 높은 효율을 기대할 수 있을 것으로 나타났으며, 최적 오존주입농도는 $1{\sim}2\;mg/L$로 판단되었다. 이러한 결과로부터 중오존 / DAF(ozoflotation) 공정 도입을 위한 기초자료로서 활용하고자 하였다.
본 연구에서는 용존공기부상법(DAF)을 이용한 정수처리 공정에 오존을 도입하기 위하여 실험실 규모의 실험이 수행되었다. 오존의 수처리 적용시 공정제어 인자로 활용할 수 있는 I.D, $k_c$, 오존-Ct 및 OH 라디칼-Ct 등에 대한 반응속도론적 연구를 실시하였다. 또한 원수, DAF 처리수 및 여과수에 대한 오존처리 실험을 실시하여 오존공정의 최적 위치 및 주입량을 도출하였다. 실험 결과 오존-Ct와 OH 라디칼-Ct는 DAF 처리수에서 가장 높게 측정되었으며, DAF 공정의 체류시간인 30분 이후에도 계속적으로 유지되었다. 또한 각 공정수에 대한 오존처리 실험을 실시한 결과, 중오존이 전 후오존에 비해 높은 효율을 기대할 수 있을 것으로 나타났으며, 최적 오존주입농도는 $1{\sim}2\;mg/L$로 판단되었다. 이러한 결과로부터 중오존 / DAF(ozoflotation) 공정 도입을 위한 기초자료로서 활용하고자 하였다.
In this study, a lab-scale test was performed to apply the ozone process in drinking water treatment plant using dissolved ai, flotation(DAF). The kinetic study on the ozone decay and hydroxyl(OH) radical formation was investigated by several parameters, such as I.D(Instantaneous ozone demand),
In this study, a lab-scale test was performed to apply the ozone process in drinking water treatment plant using dissolved ai, flotation(DAF). The kinetic study on the ozone decay and hydroxyl(OH) radical formation was investigated by several parameters, such as I.D(Instantaneous ozone demand), $k_c$(ozone decomposition rate), ozone-Ct and OH radical-Ct. Ozonation of several target waters, such as raw water, DAF treated water and filtrate, was conducted to select the optimum position and dosage of ozone process. The highest value of Ozone-Ct and OH radical-Ct was observed at DAF treated water at initial run time($0{\sim}30\;min$). From the results of ozonation, the intermediate ozonation was proposed as the optimum position and the effective dose of ozone was determined to be $1{\sim}2\;mg/L$.
In this study, a lab-scale test was performed to apply the ozone process in drinking water treatment plant using dissolved ai, flotation(DAF). The kinetic study on the ozone decay and hydroxyl(OH) radical formation was investigated by several parameters, such as I.D(Instantaneous ozone demand), $k_c$(ozone decomposition rate), ozone-Ct and OH radical-Ct. Ozonation of several target waters, such as raw water, DAF treated water and filtrate, was conducted to select the optimum position and dosage of ozone process. The highest value of Ozone-Ct and OH radical-Ct was observed at DAF treated water at initial run time($0{\sim}30\;min$). From the results of ozonation, the intermediate ozonation was proposed as the optimum position and the effective dose of ozone was determined to be $1{\sim}2\;mg/L$.
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문제 정의
DAF를 적용한 정수처리 공정에서 오존의 수처리 적용시 활용할 수 있는 다양한 인자들에 대해서 알아보았으며, 각 공정수에 대한 오존처리 실험을 실시한 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 DAF와 오존의 장점을 동시에 기대할 수 있는 ozoflotation 공정을 도입하기 위해, DAF를 이용한 정 수처리 공정에 대한 오존의 적용성 평가를 실시하였다. 따라서 DAF를 정수처리에 활용하고 있는 강원도 W시 소재 S 정수장의 공정수에 대한 순간오존요구량(Instantaneous ozone demand; I.D) 및 오존분해속도(Ozone decomposition rate; kc) 측정을 통한 오존-Ct와 OH 라디칼-Ct를 도출하여, 오존 의 정수처리 적용시 활용할 수 있는 수질특성 인자들에 대한 평가를 실시하였다. 또한 오존공정 도입 최적지 및 주입 량을 도출하고자 원수, DAT 처리수, 여과수에 대한 별도의 오존처리 실험을 실시하여 전오존, 중오존, 후오존의 개념으 로 각 공정을 비교평가 하였다.
본 연구에서는 DAF와 오존의 장점을 동시에 기대할 수 있는 ozoflotation 공정을 도입하기 위해, DAF를 이용한 정 수처리 공정에 대한 오존의 적용성 평가를 실시하였다. 따라서 DAF를 정수처리에 활용하고 있는 강원도 W시 소재 S 정수장의 공정수에 대한 순간오존요구량(Instantaneous ozone demand; I.
본 정수처리 공정에 대한 오존의 적용성 평가를 위해서 원수, DAF 처리수, 여과수를 대상으로 별도의 오존처리 실험을 실시하였으며, 궁극적으로 오존공정의 최적 도입지 및 주입량을 도출하고자 하였다. 실험은 2.
또한 오존공정 도입 최적지 및 주입 량을 도출하고자 원수, DAT 처리수, 여과수에 대한 별도의 오존처리 실험을 실시하여 전오존, 중오존, 후오존의 개념으 로 각 공정을 비교평가 하였다. 평가인자로는 UV254, 할로 초산 전구물질(HAAFP), 오존산화 부산물인 aldehydes를 선 정하여 기존의 정수처리 공정 대비 수질개선 효과를 제시하 고자 하였으며, 증오존/DAF 공정 (ozoflotation)을 도입하기 위한 평가 자료로서 활용하고자 본 연구를 수행하였다.
제안 방법
HAFP는 샘플에 30 mg의 과량의 염소를 주입한 후 24시간 동안 25℃ 조건에서 반응하여 제조하였다.") Aldehydes는 발암성, 유전독성 및 돌연변이성을 나타내는 formaldehyde, acetaldehyde, glyoxal, methyl glyoxal 등 4종 에 관하여 분석하였으며, 시료 5 mL에 PFBOA(o・(234, 5, 6・ pentafluorobenzyl)-hydroxylamine hydrochloride)를 첨가하여 유도체화 시킨 후, I.S.(decafluorobiphenyl)7} 400 pg/L 첨 가된 hexane으로 추출하여 GC-MS(Satum 3300, Variant}) 로 분석하였다
5 mg/L 의 오존을 주입한 후 pCBA의 제거경향을 HPLC(UV-VIS 151, Gilson사)로 분석하였다. DOC는 TOC analyzer(phoenix 8000, TEKMAR DOHRMANN사)로 분석하였다.
반응 기 외부로 배출되는 배오존 가스는 KI trap으로 포집하여 반응에 소모된 오존량을 측정하였다. UV254는 UV/Vis Spec- trophotometer(Cary 50, Varian사)를 사용하여 254 nm 파장 에서 측정하였으며, HAAFP 분석은 US EPA Method 552.2를 응용한 LLE(Liquid-liquid extraction)를 이용하여 GC-ECD(5890 seriesll, HP사)로 정성 및 정량분석을 실시하였다. HAFP는 샘플에 30 mg의 과량의 염소를 주입한 후 24시간 동안 25℃ 조건에서 반응하여 제조하였다.
D) 및 오존분해속도(Ozone decomposition rate; kc) 측정을 통한 오존-Ct와 OH 라디칼-Ct를 도출하여, 오존 의 정수처리 적용시 활용할 수 있는 수질특성 인자들에 대한 평가를 실시하였다. 또한 오존공정 도입 최적지 및 주입 량을 도출하고자 원수, DAT 처리수, 여과수에 대한 별도의 오존처리 실험을 실시하여 전오존, 중오존, 후오존의 개념으 로 각 공정을 비교평가 하였다. 평가인자로는 UV254, 할로 초산 전구물질(HAAFP), 오존산화 부산물인 aldehydes를 선 정하여 기존의 정수처리 공정 대비 수질개선 효과를 제시하 고자 하였으며, 증오존/DAF 공정 (ozoflotation)을 도입하기 위한 평가 자료로서 활용하고자 본 연구를 수행하였다.
오존발생기로 부터 발생된 오존은 반응기 하부로 주입되었으며, impeller 를 통해 오존과 공정수가 고르게 교반되도록 하였다. 반응 기 외부로 배출되는 배오존 가스는 KI trap으로 포집하여 반응에 소모된 오존량을 측정하였다. UV254는 UV/Vis Spec- trophotometer(Cary 50, Varian사)를 사용하여 254 nm 파장 에서 측정하였으며, HAAFP 분석은 US EPA Method 552.
NT's-'로 매우 빠른 특성을 가지고 있다. 본 연구에서는 수중의 OH 라디칼의 농도를 간접적으로 측정하기 위하여 100 mL 공 정수에 pCBA를 2 pM 농도로 주입하고 여기에 1.5 mg/L 의 오존을 주입한 후 pCBA의 제거경향을 HPLC(UV-VIS 151, Gilson사)로 분석하였다. DOC는 TOC analyzer(phoenix 8000, TEKMAR DOHRMANN사)로 분석하였다.
본 연구에서는 흐름주입분석 (Flow injection analysis; FIA) 방법에 기초하여 제작된 오존분해속도 측정 자동화장치를 사용하여 공정수별 I.D와 #를 측정하였다. 실험장치는 Fig.
D와 #를 측정하였다. 실험장치는 Fig. 1과 같이 오존발생기로부터 발생된 오존가스를 오존 포화기 에서 초순수에 과포화 시킨 다음 공정수 100 ml가 들어있는 pyrex 재질의 반응기에 초기오존농도가 일정하도록 주입 한 후, 오존분해속도 측정 자동화장치를 통해 측정되도록 구성되었다. 오존농도는 수중의 잔류오존농도를 측정할 때 사용하는 indigo 시약을 이용하여 측정하였으며, 공정수와 일정비율로 섞인 후 장치로 유입되도록 하였다.
1과 같이 오존발생기로부터 발생된 오존가스를 오존 포화기 에서 초순수에 과포화 시킨 다음 공정수 100 ml가 들어있는 pyrex 재질의 반응기에 초기오존농도가 일정하도록 주입 한 후, 오존분해속도 측정 자동화장치를 통해 측정되도록 구성되었다. 오존농도는 수중의 잔류오존농도를 측정할 때 사용하는 indigo 시약을 이용하여 측정하였으며, 공정수와 일정비율로 섞인 후 장치로 유입되도록 하였다. 오존은 순 도 99.
2와 같이 pyrex 재질의 6 L semi-batch reactor를 사용하였다. 오존발생기로 부터 발생된 오존은 반응기 하부로 주입되었으며, impeller 를 통해 오존과 공정수가 고르게 교반되도록 하였다. 반응 기 외부로 배출되는 배오존 가스는 KI trap으로 포집하여 반응에 소모된 오존량을 측정하였다.
원수, DAF 처리수, 여과수를 대상으로 각 공정수에 대한 오존-Ct 및 OH 라디칼-Ct를 측정하였다. 초기 오존주입농 도는 1.
대상 데이터
본 정수처리 공정에 대한 오존의 적용성 평가를 위해서 원수, DAF 처리수, 여과수를 대상으로 별도의 오존처리 실험을 실시하였으며, 궁극적으로 오존공정의 최적 도입지 및 주입량을 도출하고자 하였다. 실험은 2.1 절과 동일한 온도 조건에서 실시하였으며, 평가인자로는 UV254, HAAFP 및 aldehydes의 경향을 파악하였고, 반응기는 Fig. 2와 같이 pyrex 재질의 6 L semi-batch reactor를 사용하였다. 오존발생기로 부터 발생된 오존은 반응기 하부로 주입되었으며, impeller 를 통해 오존과 공정수가 고르게 교반되도록 하였다.
오존농도는 수중의 잔류오존농도를 측정할 때 사용하는 indigo 시약을 이용하여 측정하였으며, 공정수와 일정비율로 섞인 후 장치로 유입되도록 하였다. 오존은 순 도 99.9%의 산소를 이용하여 오존발생기(CFS-1, OZONIA 사)를 사용하여 발생시켰으며, 모든 실험은 대상수의 온도가 약 13℃인 조건에서 실시하였다.
성능/효과
그러나 염소의 투입으로 인한 소독부산물 생성과 환경오염 및 수 질악화로 인한 유독성 미량유해물질, 조류 등을 제거하기에 기존의 정수처리 공정으로는 한계가 있다. 침전공정의 대체 공정으로 개발된 용존공기부상 (Dissolved Air Flotation; DAF) 공정은 조사결과 조류 및 저탁도 수질에 대한 처리 효율 및 경제성 측면에서 우수한 것으로 나타나고 있으며, ''2)최근 수처리 분야에서 각광받고 있는 오존은 강력한 산화력(전위차 : 2.07 V)을 바탕으로 수증에 존재하는 유독 성 미량유해물질 및 농약류, 맛 . 냄새 유발물질에 대한 탁 월한 제거효과가 있는 것으로 알려져 있다.
DAF 처 리수의 경우 잔류오존이 4, 500초(약 75분)까지 존재하여 Fig. 5의 (a)와 같이 오존-Ct는 접촉시간에 따라 계속 중가 하였으나, 원수 및 여과수의 잔류오존은 거의 소모되어 각각 1,000초와 2,000초 이후에는 누적 Ct값이 더 이상 증가 하지 않았다. Fig.
1) 각 공정수에 대한 오존-Ct, OH 라디칼-Ct 및 Ret에 대해서 반응속도론적인 접근을 시도한 결과, 각 공정수 중에서 DAF 처리수의 오존-Ct 및 OH 라디칼-Ct가 가장 높은 값을 나타내었으며, 접촉시간 약 30분 이후에도 계속 유지 되었다. 이것은 중오존/DAF 공정 적용시 체류시간에 따른 오존의 소독 및 산화능 평가에 활용할 수 있을 것이다.
2) 원수, DAF 처리수, 여과수에 대한 오존처리 실험을 실시한 결과, 오존주입농도 1.5 mg/L에서 UV254의 제거효 율은 원수에서 40%, DAF 처리수와 여과수에서는 약 20% 까지 증가하였다. 반면에 aldehydes는 원수에서 오존주입농도가 높아질수록 증가하였으며, 나머지 공정수에서는 증가 하지 않았다.
3) 각 공정수에 대한 반응속도론적 접근법에 의한 연구 결과와 오존처리 실험결과를 종합하였을 때, 본 정수처리 공정에 오존을 적용하기 위한 최적위치 및 주입농도는 중 오존에서 1~2 m&L인 것으로 판단되었으며, 이는 향후 증 오존/DAF 공정(ozoflotation) 도입의 타당성을 제시해주는 결과로 해석할 수 있었다.
Fig. 8에서 보는 바와 같이 오존 주입농도를 약 2.5 mg/L 까지 주입하였을 때 반응 초기에는 (1)의 메커니즘에 의해 오존이 전구물질을 제거하여 HAAFP의 농도가 감소하였으 나, 오존 주입농도 2.5 mg/L 이상에서는 (3)의 메커니즘이 우세한 경향을 나타내어 HAAFP의 농도가 증가하는 것으로 예상되었다. 원수 및 DAF 처리수에서 HAAFP의 제거효율은 최고 30%까지 나타났으며, 2.
이러한 결과로부터 과도한 양의 오존이 급격 하게 소모되는 전오존 공정에서는 동일한 오존-Ct를 유지 하기 위해서 중오존이나 후오존 공정보다 상대적으로 높은 오존주입농도가 필요하다는 것을 알 수 있었다. 따라서 전 오존보다 중오존이나 후오존 공정을 도입하여 산화능 및 소독능을 제어하는 것이 보다 유리할 것으로 판단되었다
위와 같이 실험을 실시한 결과, DAT 처리수의 오존-Ct 및 OH 라디칼-Ct가 공정수 중에서 가장 높게 측정되었으 므로, 중오존 개념으로 오존의 소독능과 산화능을 제어하는 것이 가장 유리한 것으로 판단되었다. 또한 UV254 제거를 위한 최적 오존주입농도는 원수나 DAF 처리수를 대상으로 0.5-1.5 mg/L 범위였으며, HAAFP를 제어하기 위한 최적 공정은 원수나 DAF 처리수에 대해서 2.5 mg/L 이하로 오 존을 주입하는 것이 적절할 것으로 판단되었다. 그러나 원 수를 오존처리 할 경우 aldehydes가 생성되는 경향을 감안 한다면, 본 정수처리 공정에 알맞은 오존공정은 중오존, 주 입량은 약 1~2 mg/L.
반면에 aldehydes는 원수에서 오존주입농도가 높아질수록 증가하였으며, 나머지 공정수에서는 증가 하지 않았다. 또한 오존주입농도 2.5 mgd 이하에서 원수 및 DAF 처리수의 HAAFP 제거효율이 약 30%까지 관찰되었다.
Aldehydes는 오존산화의 주요 부산물이며, 수중의 유기물 질이 산화되어 고분자 유기물이 저분자화 되면서 생성되는 중간생성물질로 알려져 있다 따라서 수중에 다량의 유기 물질이 존재할수록 aldehydes의 잠재적인 생성능도 높아질 것으로 예상할 수 있다. 본 연구에서 수행한 원수, DAF 처 리수, 여과수에 대한 오존처리 실험 결과, Fig. 7과 같이 DAF 처리수와 여과수를 제외한 원수에서 aldehydes/} 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 원수 내에 오존처리에 의해 aldehydes로 전환될 수 있는 물질이 다량 함유되어 있다는 것을 증명하는 것이며, aldehydes의 제어 측면에서 살펴볼 때 원수에 대한 오존처리는 부정적인 것으로 판단되었다.
5 mg/L 이상에서는 (3)의 메커니즘이 우세한 경향을 나타내어 HAAFP의 농도가 증가하는 것으로 예상되었다. 원수 및 DAF 처리수에서 HAAFP의 제거효율은 최고 30%까지 나타났으며, 2.5 mg/L 이상의 오존주입은 HAAFP 제어 측면에서 불필요할 것으로 판단되었다.
원수, DAF 처리수 및 여과수를 대상으로 각각 오존처리 실험을 실시한 결과, Fig. 6과 같이 오존주입농도 0.5~ 1.5 mg/L에서 원수의 UV254는 초기 값보다 약 40%, DAF 처리 수와 여과수에서는 최대 20%까지 감소되었다. 이것은 원수 내에 난분해성 유기물질의 초기농도가 상대적으로 높기 때 문이며, 이에 비례하여 반응에 의해 제거되는 물질의 비율이 높기 때문인 것으로 판단되었다.
위와 같이 실험을 실시한 결과, DAT 처리수의 오존-Ct 및 OH 라디칼-Ct가 공정수 중에서 가장 높게 측정되었으 므로, 중오존 개념으로 오존의 소독능과 산화능을 제어하는 것이 가장 유리한 것으로 판단되었다. 또한 UV254 제거를 위한 최적 오존주입농도는 원수나 DAF 처리수를 대상으로 0.
3x10° mMxsec으로 가장 높았으며 그 이후로 계속 증가하였다. 이것은 중오존/DAF 공정의 효율성을 뒷받침 하는 자료가 될 수 있으며, DAF조 내에서 오존의 소독능 및 유기물에 대한 산화능도 유리하게 제어할 수 있을 것으로 판단되었다.
7x10' mMxsec으로 가장 높았다. 이러한 결과는 접촉시간 5분의 운전조건에서 오존의 소독 능은 DAF 처리수, 산화능은 원수에서 제어하기가 다소 유 리하다는 것을 말해주는 것이다. 그러나 DAF조에서 체류 시간이 약 30분으로 운전되는 점을 감안하였을 때, DAF 처리수의 OH 라디칼-Ct는 점차 증가하여 접촉시간 30분에 서는 8.
D와 #의 변화폭이 점차 감소되어 그 변화를 유발하는 수질구성 인자가 점차 감소되므로오 존주입농도에 따른 명확한 kc 경향이 나타나지 않은 것으로 사료된다. 이러한 결과로부터 과도한 양의 오존이 급격 하게 소모되는 전오존 공정에서는 동일한 오존-Ct를 유지 하기 위해서 중오존이나 후오존 공정보다 상대적으로 높은 오존주입농도가 필요하다는 것을 알 수 있었다. 따라서 전 오존보다 중오존이나 후오존 공정을 도입하여 산화능 및 소독능을 제어하는 것이 보다 유리할 것으로 판단되었다
OxlO'7 mMxsec으로 가장 높게 측정되었다. 접촉시간을 5분으로 제한하였을 졍우에는 오존 -Ct는 DAF 처리수와 여과수에서 유사하게 나타났으나, OH 라디칼-Ct는 원수에서 3.7x10' mMxsec으로 가장 높았다. 이러한 결과는 접촉시간 5분의 운전조건에서 오존의 소독 능은 DAF 처리수, 산화능은 원수에서 제어하기가 다소 유 리하다는 것을 말해주는 것이다.
후속연구
1) 각 공정수에 대한 오존-Ct, OH 라디칼-Ct 및 Ret에 대해서 반응속도론적인 접근을 시도한 결과, 각 공정수 중에서 DAF 처리수의 오존-Ct 및 OH 라디칼-Ct가 가장 높은 값을 나타내었으며, 접촉시간 약 30분 이후에도 계속 유지 되었다. 이것은 중오존/DAF 공정 적용시 체류시간에 따른 오존의 소독 및 산화능 평가에 활용할 수 있을 것이다.
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