[논문]관로 내 적정소독능 확보를 위한 재염소 기법의 적용

이두진; 김영일; 이종민; 정남정; 김용운

문제 정의

특히 , 재염소 지 점의 선정 및 시설 설계에서 가장 중요한 것은 관로 내 잔류염소의 거동을 정확하게 모니터링 하는 것이며, 모니터링 결과를 바탕으로 재염소 설치위치, 주입농도, 그리고 운전 방법 등을 결정해야 하는 것이다. 이와 같은 배경을 바탕으로 본 연구에서는 송수관로를 대상으로 현장 조사와 잔류염소 예측모델인 EPANf:T을 이용하여 적정 잔류염소 농도 유지를 위한 재염소 시설 설치지점을 선정하는 방법을 제시하고, 재염소를 통한 농도 평활화, 잔류염소 사용량 절감효과 등을 평가하였다.
나타나고 있다. 이를 해결하기 위해 관로상에 추가적으로 염소를 주입하는 방안을 검토하였으며, 앞서 도출한 모의조건을 이용하여 재염소 지점와 주입농도를 결정하고자 하였다. 재염소 주입시설은 관말의 잔류염소가 생물학적으로 안전한 기준을 초과할 수 있도록 관로상에 추가적으로 염소를 주입할 목적으로 건설된다.
이를 해결하기 위해 관로상에 추가적으로 염소를 주입하는 방안을 검토하였으며, 앞서 도출한 모의조건을 이용하여 재염소 지점와 주입농도를 결정하고자 하였다. 재염소 주입시설은 관말의 잔류염소가 생물학적으로 안전한 기준을 초과할 수 있도록 관로상에 추가적으로 염소를 주입할 목적으로 건설된다. 관로 내 잔류염소 농도관리기준은 국가별로 다소 차이가 있으나, 한국수자원공사에서는 소독부산물 발생과 염소취에 의한 심미적 불쾌감을 저감시킬 목적으로 1999년 이후 자체 잔류염소 관리기준을 최고 1.

가설 설정

있다. 수리해석을 위하여 관로 내 유량 및 수압은 정상상태 (steady state)를 가정하여 관경 . 관 길이 및 조도 계수를 이용해 수리인자를 구축하였으며, 모델의 보정은 최근 2년간의 유속 및 관압자료를 이용하였다.

제안 방법

C와 E지점은 가압시설, B와。지점은 송수관로가 분기되는 지점, F와 H지점은 송수관로의 말단, 그리고 G와 I지점은 배수지이다. 조사지점 가운데 EPANET에 필요한 기초자료를 입력하기 위하여 총 4군데의 현장 조사지점 (A, D, E, G)에서 2시간 간격으로 시료를 채취하여 pH, 온.도, 그리고 잔류염소 등을 현장에서 측정하였다.
잔류염소 감소계수를 산정하기 위하여 Serum bottle(160mL)과 테프론 코팅이 되어있는 실리콘 마개 (20mm teflon silicon septa, Wheaton, USA), 그리 고알루미 늄 캡 (20mm Aluminium seal, Wheaton, USA) 을 이용하여 bottle test를 실시하였다(Chambers et al., 1995; HaUamet al., 2002). 실험상의 오차를 최소화하기 위하여 실험에 사용한 시료병을 초음파 세척기로 약 1시간 세척한 후 초순수로 깨끗하게 씻고 105℃에서 건조시킨 다음 사용하였다.
실험상의 오차를 최소화하기 위하여 실험에 사용한 시료병을 초음파 세척기로 약 1시간 세척한 후 초순수로 깨끗하게 씻고 105℃에서 건조시킨 다음 사용하였다. 시료병을 대상 시료로 3회 정도 세척한 다음 시료를 채취하였으며, 기포가 발생하지 않도록 시료를 병목까지 가득 채웠다. 온도변수를 고려한 잔류염소 감소계수를 산정하기 위하여 A지점 유출수를 대상으로 7, 20, 그리고 25。(2의 온도조건에서 bottle test< 수행하였다.
시료병을 대상 시료로 3회 정도 세척한 다음 시료를 채취하였으며, 기포가 발생하지 않도록 시료를 병목까지 가득 채웠다. 온도변수를 고려한 잔류염소 감소계수를 산정하기 위하여 A지점 유출수를 대상으로 7, 20, 그리고 25。(2의 온도조건에서 bottle test< 수행하였다. 차아염소산나트륨 농도가 160mg/L인 stock 용액 1 mL 를 각각의 bottle에 넣어 잔류염소 농도가 lmg/L가 되도록 하였다.
반응시간 0, 1. 2, 4, 8, 12, 18, 24, 36, 그리고 48시간 이후에 시료를 채취하여 잔류염소를 측정하였으며, 48시간 이후부터는 24시간씩 늘려 최종 168시간까지 시료를 채취하여 잔류염소를 측정하였다. 재염소를 모의하기 위해 필요한 잔류염소 감소계수는 48시간이 지난 이후에 0.
2, 4, 8, 12, 18, 24, 36, 그리고 48시간 이후에 시료를 채취하여 잔류염소를 측정하였으며, 48시간 이후부터는 24시간씩 늘려 최종 168시간까지 시료를 채취하여 잔류염소를 측정하였다. 재염소를 모의하기 위해 필요한 잔류염소 감소계수는 48시간이 지난 이후에 0.48mg/L의 염소를 추가 주입하여 시간에 따른 잔류염소 농도를 측정하여 산정하였다. 잔류염소는 Pocket colorimeter(Hach, USA)로 측정하였다.
48mg/L의 염소를 추가 주입하여 시간에 따른 잔류염소 농도를 측정하여 산정하였다. 잔류염소는 Pocket colorimeter(Hach, USA)로 측정하였다.
4mg/L 이하로 떨어지는 것으로 나타났다. 따라서 E지점에서 재염소를 시행한다는 것을 전제로 재 염소 이후 잔류염소 감소경향을 모의하기 위하여 추가적 인 bottle test# 수행 하여 1, 2차 잔류염 소 감소계수 값을 산정하였다. 재염소에 따른 잔류염소 감소계수를 산정하기 위해 현장체류시간을 고려하여 48 시간 이후에 추가적으로 0.
따라서 E지점에서 재염소를 시행한다는 것을 전제로 재 염소 이후 잔류염소 감소경향을 모의하기 위하여 추가적 인 bottle test# 수행 하여 1, 2차 잔류염 소 감소계수 값을 산정하였다. 재염소에 따른 잔류염소 감소계수를 산정하기 위해 현장체류시간을 고려하여 48 시간 이후에 추가적으로 0.48mg/L를 주입한 다음 bottle test를 계속적으로 수행하였다. Fig.
관말지역인 G지점의 관로내 잔류염소농도가 0.4 mg/L 이상 유지하는 것을 목표로 설정한 다음 EPANET을 모의하였다. 모델 입력자료는 2004~ 2005년 사이 G지점의 유량 공급자료와 잔류염소 모니터 링 결과를 이용하여 잔류염소 관리관점에서 가장 열악한 조건을 대상으로 설정하였다.

대상 데이터

실험대상지역은 일반적인 정수처리공정을 운영하고 있는 S정수장의 송수관로이다. 송수관로는 1개의 라인으로 구성되어 있으며, 라인중간에 2개의 가압장을 가지고 있다.
1은 총 송수관로 연장이 152km 인 실험대상지역의 송수관망도를 나타낸 것이며, 알파벳은 송수관로상의 현장조사지점 및 모의지점을 나타낸 것이다. 현장 조사지점은 분기점을 중심으로 현장 접근이 용이하고 연속적으로 시료채취가 가능한 지점을 고려하여 선정하였으며, 모의지점은 송수관로 상에 중요한 시설물(가압장 혹은 배수지)이나 수질을 모니터링할 필요성이 있는 지점을 중심으로 선정하였다. C와 E지점은 가압시설, B와。지점은 송수관로가 분기되는 지점, F와 H지점은 송수관로의 말단, 그리고 G와 I지점은 배수지이다.
조사지점 가운데 EPANET에 필요한 기초자료를 입력하기 위하여 총 4군데의 현장 조사지점 (A, D, E, G)에서 2시간 간격으로 시료를 채취하여 pH, 온.도, 그리고 잔류염소 등을 현장에서 측정하였다. 특히, A지점은 시설용량 285, OOO㎥/d인 정수장으로 현재 가동율 35%인 lOSOOO㎥/d를 생산하여 대상지역으로 송수하고 있고, D지점은 20, 000 ㎥/d가 넘는 유량이 빠져나가는 용수분기점이며, E지점은 관로가 양쪽으로 분기되는지 점으로 수질을 모니터 링 하기 위해 현장 조사지점으로 선정하였다.
도, 그리고 잔류염소 등을 현장에서 측정하였다. 특히, A지점은 시설용량 285, OOO㎥/d인 정수장으로 현재 가동율 35%인 lOSOOO㎥/d를 생산하여 대상지역으로 송수하고 있고, D지점은 20, 000 ㎥/d가 넘는 유량이 빠져나가는 용수분기점이며, E지점은 관로가 양쪽으로 분기되는지 점으로 수질을 모니터 링 하기 위해 현장 조사지점으로 선정하였다.
수리해석을 위하여 관로 내 유량 및 수압은 정상상태 (steady state)를 가정하여 관경 . 관 길이 및 조도 계수를 이용해 수리인자를 구축하였으며, 모델의 보정은 최근 2년간의 유속 및 관압자료를 이용하였다. 한편, 수질인자는 실험실과 현장실험을 통하여 입력할 수 있는데, 실험실에서는 bottle test를 통하여 수체 잔류염소 감소계수(kl)를 도출하였으며, 현장에서는 잔류염소를 측정하여 관벽 잔류염소 감소계수(kw)를 도출하였다(Bis was and Clark, 1993; Clark et al.
4 mg/L 이상 유지하는 것을 목표로 설정한 다음 EPANET을 모의하였다. 모델 입력자료는 2004~ 2005년 사이 G지점의 유량 공급자료와 잔류염소 모니터 링 결과를 이용하여 잔류염소 관리관점에서 가장 열악한 조건을 대상으로 설정하였다. 잔류염소 감소계수는 ArBienius식을 이용하여 수체의 감소계수 값 (Kb)을 산정하였으며, 이를 EPANET에 적용하여 보정 과정을 거쳐 구간별 관벽 감소계수(Kb)값을 산정하였다(Clark et al.

이론/모형

, 2000). 한편, 잔류염소 감소계수는 온도에 의존하여 변화하기 때문에 Arrhenius식으로 표현할 수 있으므로(AWWARF. 1996) 현장조사 당시 수온의 잔류염소 감소계수 값을 온도변화에 따른 잔류염소 감소계수 값과 Arrhenius식 을 이용하여 도출하였다.
모델 입력자료는 2004~ 2005년 사이 G지점의 유량 공급자료와 잔류염소 모니터 링 결과를 이용하여 잔류염소 관리관점에서 가장 열악한 조건을 대상으로 설정하였다. 잔류염소 감소계수는 ArBienius식을 이용하여 수체의 감소계수 값 (Kb)을 산정하였으며, 이를 EPANET에 적용하여 보정 과정을 거쳐 구간별 관벽 감소계수(Kb)값을 산정하였다(Clark et al., 2005). 참고로 Table 2에 EPANET 입력자료로 사용한 잔류염소 감소계수 값들을 나타내었다.

성능/효과

9mg/L 범위를 유지하고 있다. 표에서 보는 바와 같이 최근 2년 동안 A지점 유출수의 잔류염소농도는 평균 0.86mg/L로목표를 충족시키고 있는 것으로 나타났으나, 체류 시간이 상대적으로 긴 지점 G에서는 하절기에 잔류염소 농도가 0.2mg/L까지 감소하는 것으로 조사되었다. 따라서 A지점 유출수의 잔류염소농도를 1.
2mg/L까지 감소하는 것으로 조사되었다. 따라서 A지점 유출수의 잔류염소농도를 1.0mg/L 이하로 유지할 경우, 향후 용수공급조건이 변화됨에 따라 관말에서 잔류염소농도를 평상시에는 0.2mg/L, 미생물의 재성장이 우려되는 시기에는 0.4mg/L 이상으로 유지하기 어려울 것으로 판단된다.
참고로 Table 2에 EPANET 입력자료로 사용한 잔류염소 감소계수 값들을 나타내었다. 이러한 값들이 제대로 산정되었는지 검증하기 위하여 구해진 값을 EPANET에 적용한 결과, 현장조사 지점별 잔류염소 실측치와 예측치 값이 잘 일치하는 것으로 나타났다 (Table 3 참조).
21 mg/L로 예측되었다. 관로가 분기되는 E지점을 기준으로 F지점 방향과 H지점 방향의 거리와 체류 시간을 비교한 결과, E지점에서 F지점까지의 거리와 체류 시간은 각각 98.9km, 57.3시간이었으며, E지점에서 H지점까지는 101.3km, 59.6시간으로 양방향이 유사한 경향을 보였다. 잔류염소 농도는 F와 H 지점에서의 값이 거의 동일하였으며, 최종 관말지역인 G와 I 지점도 동일한 결과를 보였다.
6시간으로 양방향이 유사한 경향을 보였다. 잔류염소 농도는 F와 H 지점에서의 값이 거의 동일하였으며, 최종 관말지역인 G와 I 지점도 동일한 결과를 보였다. 반면, F에서 G지점, H 에서 I지점까지의 거리는 각각 22.
5시간으로 상대적으로 거리가 짧은 F~G지점에서 물이 정체한다는 것을 알 수 있었다. 잔류염소의 농도도 H~I 지점에서는 0.08mg/L(0.36 - 0.28mg/L) 떨어진 반면, F-G 지점에서는 0.14mg/L(0.35 - 0.21m/L) 떨어져 체류 시간 증가에 따른 잔류염소 농도의 감소폭이 큰 것으로 나타났다.
5에서와 같이 평상시 재 염소를 운영하는 경우 정수장 염소 주입농도를 1. 이mg/L에서 O.52mg/L로 약 49% 줄이고 E지점 재염소 시설에서 추가적으로 0.1mg/L를 주입함에 따라 송수관로 전반에 걸쳐 잔류염소 농도를 0.42~0.60nig/L로 유지할 수 있을 것으로 판단된다. 염소사용량 관점에서도 재염소 이전에 염소 총사용량은 98kg/d이었으나,재염소 시설을 운영하는 경우에는 총 62kg/d(l차 정수장 염소 58kg/d, 재염소 4kg/d)를 사용함으로써 염소사용량을 36.
60nig/L로 유지할 수 있을 것으로 판단된다. 염소사용량 관점에서도 재염소 이전에 염소 총사용량은 98kg/d이었으나,재염소 시설을 운영하는 경우에는 총 62kg/d(l차 정수장 염소 58kg/d, 재염소 4kg/d)를 사용함으로써 염소사용량을 36.7% 절감시킬 수 있는 것으로 나타났다. 이와 같은 잔류염소 농도의 평활화로 인해 정수장 인근에서 발생하는 염소취에 따른 민원이 줄어들 것으로 예상된다.
1) 정수장에서의 평균 잔류염소농도를 0.86mg/L로운전하는 경우, 체류시간이 약 83시간에 이르는 긴 G지점에서는 하절기에 0.2mg/L까지 감소하는 것으로 조사되었으며, 향후 용수공급조건의 변화에 따라 정수장 잔류염소 농도를 1.0mg/L 이하로 유지하면관말에서의 잔류염소 농도는 0.2mg/L 이상으로 유지하기 어려울 것으로 판단된다.
2) Bottle test와 Arrhenius식을 이용하여 구한 잔류염소 수치 감소계수 값 (KQ과 관벽 감소계수 값 (KQ 을 EPANET에 적용한 결과, 현장조사 지점별 잔류염소 실측치와 예측치 값이 잘 일치하는 것으로 나타났다.
3) EPANET을 이용하여 대상지역의 체류 시간과 잔류염소 농도를 모의한 결과, E지점 이후에 송수관로 관리농도인 0.4mg/L에 미달하였으며, 특히 짧은 거리에도 불구하고 상대적으로 체류시간이 긴 F~G 지점사이에 잔류염소 농도의 감소폭이 큰 것으로 나타났다.
4) 재염소 이후 잔류염소 감소계수 값은 약 2.4배 정도(0.015 - 0.0062) 낮아지는 것으로 나타났는데, 이는 1차 소독에 의해 반응성이 큰 물질이 대부분 산화되고 반응성이 낮은 물질이 재염소에 의해 추가적으로 산화되므로 잔류염소의 감소가 느리게 일어나는 것으로 판단된다.
5) E지점에 염소를 0.22mg/L 추가 주입하는 경우 전 대상지역의 잔류염소농도가 0.4mg/L를 상회하였다. 평상시에 재염소를 운영하는 경우 정수장 염소주입농도를 L01mg/L에서 O.
4mg/L를 상회하였다. 평상시에 재염소를 운영하는 경우 정수장 염소주입농도를 L01mg/L에서 O.52mg/L로 약 49% 줄이고 E지점 재염소 시설에서 추가적으로 O.lmg/L를 주입함에 따라 송수관로 전반에 걸쳐 잔류염소 농도의 평활화를 이룰 수 있으며, 염소사용량도 36.7 % 절감시킬 수 있을 것으로 예측되었다.

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