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배급수계통에서 잔류염소 및 THMs 분포 예측에 관한 연구
Modeling Residual Chlorine and THMs in Water Distribution System 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.29 no.6, 2007년, pp.706 - 714  

안재찬 (서울특별시 상수도연구소) ,  이수원 (서울특별시 상수도연구소) ,  노방식 (서울특별시 상수도연구소) ,  최영준 (서울특별시 상수도연구소) ,  최재호 (서울특별시 상수도연구소) ,  김효일 (서울특별시 상수도연구소) ,  박태준 (서울특별시 상수도연구소) ,  박창민 (서울특별시 상수도연구소) ,  박현 (서울특별시 상수도연구소) ,  구자용 (서울시립대학교 환경공학부)

초록
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본 연구에서는 배급수계통에서 잔류염소와 THMs의 분포를 예측하는 방안을 제시하였다. 잔류염소와 THMs의 등의 수질변화에 대해 현장조사를 실시하였고, 수체와 관벽에 대한 잔류염소 감소계수와 THMs의 생성계수를 산출하여 관망해석에 의한 수질모델링에 적용하였다. 병실험을 통해 잔류염소 병렬 1차 수체 반응계수를 구하고, 5개 관벽 감소 모델을 비교 평가하여 1차 관벽 감소계수 산출하고 적용했을 때 잔류염소 현장 측정값과 관망 수질모델링에 의한 예측간의 평균절대오차평균제곱근오차가 각각 0.03, 0.037 mg/L로 가장 작았다. 또한 병실험에 의한 THMs생성량을 비선형 회귀분석으로 1차 생성계수를 구하고 현장 측정값과 비교하였다. 그 결과, 9월의 현장 측정값과 예측값의 결정계수 $R^2$는 0.98, 11월에는 0.82로 예측이 가능하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study suggested a method for prediction of residual chlorine and THMs in water distribution system by measurement of residual chlorine, THMs, and other parameters, estimation of chlorine decay coefficients and THM formation coefficients, and simulation of water qualities using pipe network anal...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 2003년 3월부터 11월까지 격월로 총 5회에 걸쳐 오전 10 시부터 다음날 오전 10시까지 24시간 동안 1~2시간 간격으로 2인 1조로 구성하여 3팀이 지점을 나누어 순회하면서 현장 조사연구를 수행하였다. 잔류염소는 1~2시간 간격으로 측정하였고 THMs는 8시간마다 채수하여 냉장보관한 후 실험실에서 분석하였다.
  • 관로의 조도계수를 정확하게 실측하기 어렵기 때문에 문헌상의 값을 인용하였고17,18) 손실수두는 Hazen-Williams식을 적용하였다. A1과 A2, A3으로 연결되는 수계에서 도중에 분기하는 지역 에 대해서는 물 사용량과 물 사용계수를 입력하여 절점으로 간주하였다.
  • A1에서 정수를 채수하여 월별, 수온별로 THMs 생성실험을 10회 실시하였다. 여과수가 정수지로 유입될 때 후염소를 주입하고 있었으며 따라서 정수지에서 체류하면서 펌핑전에 THMs이 생성되었는데 이를 Table 4에 초기생성량(Co)으로 나 타냈다.
  • A3에서 A4와 B1을 통해 물이 공급되는데 유량계가 펌프 토출 측에 설치되어 있어 펌프가 가동할 때에만 유량이 기록되므로 배수구역의 물 수요량 패턴을 파악할 수 없었기 때문에 펌프 운전과 배수지 수위의 수지분석을 통해 물 수요량 패턴을 도출하였다.
  • 여기서, A는 배수지 면적(nS)이고, h는 배수지 높이(m)이다. A4와 B1 배수구역의 수도계량기 검침량에 기초한 일평균물 사용량은 각각 260 m3/hr, 194 m'/hr이었으며, 현장 조사 기간에 A3의 평균 펌핑량이 수도계량기 검침량보다 A4 배 수지역이 1.2~1.3배, B1 배수지역은 1.4~ 1.5배 많았기 때문에 관망 수리해석에서 누수량 또는 불명수량이 배수구역 전체에 고르게 분포하는 것으로 간주하여 관망 수리해석을 실시하였다.
  • )로 측정하였다. THMs는 Purge & Trap Concentrator와 GC/MS로 분석하였고 TOC는 TOC 분석기(Sievers Co.)를 이용하였다.
  • 3에 A4와 B1 배수지 수위의 실측값과 예측값을 나타냈다. 가압장의 펌프 운전, 유량, 배수지 수위 데이터를 바탕으로 펌프 운전패턴을 반복 조정하여 실제 수위값에 근사시켰다. A4와 B1의 수위변화가 조금 다른 것은 물 수요에 따른 펌 핑량과 관계가 있었으며 A3에서 펌핑하는 양이 많을수록 B1과 같은 수위형태이었고 상대적으로 펌핑량이 작으면 A4와 같은 유형이 되었다.
  • 국내에서는 배급수계통에서 THMs 생성특성에 대해 유기물, pH, 수온 등을 분석하여 생성 모델식을 제시하여13~15) 활발한 연구를 지속하여 왔으며, 더 나아가 배급수계통에서 THMs의 1차 생성계수를 산출하고 관망해석 소프트웨어에 적용하는데 있어 체계적인 접근방법이 필요하였다. 따라서 본 연구에서는 잔류염소와 THMs 등의 24시간 수질변화에 대해 현장조사를 실시하였고, 수체 와 관벽에 대한 잔류염소의 1차 감소계수와 THMs의 1차 생성계수를 산출하여 적용성을 평가하고 관망해석에 의한 수질모델링에 활용하였다.
  • 수온이 가장 높았던 7월에 25 ㎍/L로 가장 큰 값을 보였다. 수온이 동일할 때 월별 수질변화에 따른 THMs의 생성량을 비교하기 위하여 수온 25℃에서 실험하였다(Fig. 9), 100시간이 경과했을 때 7월, 9월, 11월의 TUMs는 각각 26 ㎍/L, 23 μg/L, 19 μg/L이었다. 전체적으로 볼 때 TOC가 증가함에 따라 THMs 생성량도 증가하는 경향을 보였다.
  • 관망해석 소프트웨어를 활용해 잔류염소 분포를 나타내기 위해서는 잔류염소의 관벽 감소계수를 구하여 식 (7)에 대입하여야 한다. 수체 감소계수만을 적용했을 때, 0차 및 1차 관벽 감소계수를 적용했을 때, 조도계수를 고려한 0차 및 1차 관벽 감소계수를 적용했을 때의 5개 모델을 비교하였다. 평균절대오차(mean absolute error)와 평균제곱근오차 (root mean square error)를 이용하여 잔류염소의 실측값과 예측값의 오차가 최소가 되는 값을 관벽 감소계수로 결정하였다.
  • 실험온도는 시료 채수시의 수온과 5, 15, 25℃이었다. 실험 초기에는 시간간격이 1시간, 3시간, 6시간이었고 그 후 12시간, 24시간으로 시간간격을 두었다.16)
  • 잔류염소 농도 변화를 예측하기 위해 연구대상지역으로 A1 정수장 수계의 관말지역을 선정하고 관로에 대한 24시간 현장 조사를 수행하고 잔류염소와 THMs의 수질모델링을 실 시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
  • 2003년 3월부터 11월까지 격월로 총 5회에 걸쳐 오전 10 시부터 다음날 오전 10시까지 24시간 동안 1~2시간 간격으로 2인 1조로 구성하여 3팀이 지점을 나누어 순회하면서 현장 조사연구를 수행하였다. 잔류염소는 1~2시간 간격으로 측정하였고 THMs는 8시간마다 채수하여 냉장보관한 후 실험실에서 분석하였다. A1과 A2의 잔류염소는 자동수질측정 데이터(서울시 상수도연구소, Seoul Water-Now System)를 활용하였다.
  • 정수된 물이 상수도 배관을 통과하여 관말에 도달할 때까지 잔류염소의 변화를 조사하기 위해 A1 수계의 관말지역인 A3 배수지역에 대해 24시간 현장 조사를 실시하였다. Table 1의 샘플링 지점은 A1에서 A2의 유출지점까지 관 길이가 15 km, 체류시간은 17 hr, A3까지는 각각 25.
  • 수체 감소계수만을 적용했을 때, 0차 및 1차 관벽 감소계수를 적용했을 때, 조도계수를 고려한 0차 및 1차 관벽 감소계수를 적용했을 때의 5개 모델을 비교하였다. 평균절대오차(mean absolute error)와 평균제곱근오차 (root mean square error)를 이용하여 잔류염소의 실측값과 예측값의 오차가 최소가 되는 값을 관벽 감소계수로 결정하였다. 잔류염소 1차 수체 감소계수와 1차 관벽 감소계수를 적용했을 때 평균 절대오 차와 평균제곱 근오 차가 0.

대상 데이터

  • 잔류염소는 1~2시간 간격으로 측정하였고 THMs는 8시간마다 채수하여 냉장보관한 후 실험실에서 분석하였다. A1과 A2의 잔류염소는 자동수질측정 데이터(서울시 상수도연구소, Seoul Water-Now System)를 활용하였다.
  • B1은 표고가 113 이이고, 용량이 4, 000 n?이며 5, 400여 가구에 21, 900명이 거주하고 있다. Fig. 1에 나타낸 바와 같이 A4를 통해 공급되는 배수지역에는 4지점(A5, A6, A7, A8), B1의 배수지역에서는 3지점(B2, B3, B4)을 선정하였다.
  • 4 m이고 길이가 4, 789 m의 터널이 2열로 설치되어 있다. 현장 조사지역은 서울시 북서쪽에 위치한 G가압장(A3) 배수지역으로 A2에서 물이 공급되며, A3은 J배수지(A4)와 S배수지(B1)를 통해 수돗물을 공급한다. 표고 100 m인 A4의 용량은 2, 700 n?이고 배수지역 내에 11, 941가구에 39, 700명이 거주하고 있다.

이론/모형

  • 절점의 수는 752개, 관로의 수는 856개, 관 길이는 총 63 km이었다. 관로의 조도계수를 정확하게 실측하기 어렵기 때문에 문헌상의 값을 인용하였고17,18) 손실수두는 Hazen-Williams식을 적용하였다. A1과 A2, A3으로 연결되는 수계에서 도중에 분기하는 지역 에 대해서는 물 사용량과 물 사용계수를 입력하여 절점으로 간주하였다.
  • 잔류염소는 DPD 법의 Pocket Colorimeter(HACH Co.)로 측정하였다. THMs는 Purge & Trap Concentrator와 GC/MS로 분석하였고 TOC는 TOC 분석기(Sievers Co.
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참고문헌 (24)

  1. 한국상하수도협회, 상수도시설기준, 689-695(2004) 

  2. Clark, R M., Rossman, L. A., and Wymer, L. J., 'Modeling distribution system water quality: Regulatory implications,' J. Water Resour. PIng. and Mgt. ASCE, 121(6), 423-428(1995) 

  3. Sharp, W. W., et al., 'Insitu Chlorine Decay Rate Testing,' in Proceedings of AWWARF/EPA Conference on water quality modeling in distribution systems, Cincinnati, OH, AWWARF/EPA(1991) 

  4. Vasconcelos, J. J., Rossman, A. L., Grayman, W. M., Boulos, F. P., and Clark, M. R, 'Kinetics of chlorine decay,' J. AWWA, 89(7), 54-65(1997) 

  5. 이현동, 정원식, 문숙미, '상수도 배관망에서의 수질변화에 관한 연구,' 대한상하수도학회지, 11(3), 59-66(1997) 

  6. 이현동, 정원식, 곽필재, 김만기, '상수도시스템에서 잔류 염소 거동에 관한 연구,' 대한상하수도학회 . 한국물환경학회 공동춘계학술발표회 논문집, pp. 169-172(2000) 

  7. 주대성, 박노석, 박희경, 오정우, '상수관망내 잔류염소농도 분포 예측,' 대한상하수도학회지, 12(3), 118-124(1998) 

  8. 현인환,김형준, 강호, '수돗물에 있어서 잔류염소농도 감소계수에 관한 연구,' 대한상하수도학회 . 한국물환경 학회 공동추계 학술발표회 논문집, pp. 59-62(2000) 

  9. 현인환, 김형준, 강호, '송배수시스템에서 잔류염소 변화의 계절적 특성,' 대한상하수도학회 . 한국물환경학회 공동춘계학술발표회 논문집, pp. 41-44(2001) 

  10. Westerhoff, P., et. al., 'Applying DBP models to fullscale plants,' J. AWWA, 92(3), 89-102(2000) 

  11. Amy, G. L., Chadik, P. A., Chowdhury, Z. K., 'Developing models for predicting Trihalomethane formation potential and kinetics,' J. AWWA, 79(7), 89-97(1987) 

  12. Vasconcelos, J. J., et aI., Characterization and Modeling of Chlorine Decay in Distribution Systems, AWWARF, 184-247(1996) 

  13. 이지형, 김동윤, 최유정, '모형관과 상수도 현장 관망에서 THMs 생성 및 예측 모델링에 관한 연구,' 대한환경공학회지, 19(6), 709-720(1997) 

  14. 오정우, 김주환, '상수도 관로내에서의 THMs 생성추정 모델식의 산정,' J. KSWQ, 14(4), 455-462(1998) 

  15. 한송희, 구윤희, 구자용, 유명진, '배수과정에서의 염소 소비 및 THMs 생성에 대한 예측,' 대한상하수도학회 . 한국물환경학회 공동춘계학술발표회 논문집, E21-E24(2002) 

  16. 안재찬, 박창민, 구자용, '배급수계통에서 잔류염소 감소 특성 및 적용연구,' 대한상하수도학회지, 19(4), 487-496 (2005) 

  17. 최영박, 엄원택, 상수도학, 형설출판사, 359(1992) 

  18. Walski, M. T., et. aI., Advanced water distribution modeling and management, 4th ed., Haestad Press, pp. 36-37(2003) 

  19. Ahn, J. C., Lee, S. W., Lee, G. S., Koo, J. Y., 'Predicting water pipe breaks using neural network,' Water Science and Technology: Water Supply, IWA, 5(3-4), 159-172(2005) 

  20. Hua, F., West, F. R., Barker, R. A., and Forster, C. F., 'Modelling of chlorine decay in municipal water supplies,' Water Res., 33(12), 2735-2746(1999) 

  21. Powell, J. C., et aI., 'Performance of various kinetic models for chlorine decay,' J. Water Resour. Plng. And Mgmt. ASCE, 126(1), 13-20(2000) 

  22. Ahn, J. C., Kim, Y. W., Lee, K. S., Koo, J. Y., 'Residual chlorine management in water distribution systems using network modelling techniques: case study in Seoul City,' Water Science and Technology: Water Supply, IWA, 4(5-6), 421-429(2004) 

  23. 안재찬, 상수도 송배수시스템에서의 최적수질관리 방안에 관한 연구, 서울시립대학교, 박사학위 논문(2005) 

  24. Rossman, L. A., Clark, R. M., and Grayman, W. M., 'Modeling chlorine residual in drinking water distribution system,' J. Environ. Eng., 120, 803-820(1994) 

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