고도정수공정에서 오염물질 제거효율 변화특성과 BAC조의 역세척에 따른 영향 Variation of Pollutant Removal Efficiency and Backwashing Effect of BAC Basin in Advanced Water Treatment Processes원문보기
본 연구에서는 국내 한 정수장의 고도정수처리공정의 실험분석 자료를 바탕으로 정수장으로 유입되는 원수의 수질특성과 처리공정별 오염물질 제거효율의 변화특성을 연구하였고, 활성탄여과조의 역세척에 따른 BAC 내의 미생물 거동을 추적하였다. KMnO$_4$ 소비량 등 8$\sim$9개의 주요 항목을 중심으로 제거특성이 연구되었고, 활성탄여과조의 유입 유출수에 대하여 NH$_3$-N 등 4항목의 농도변화를 추적하였다. 역세척 전 후의 활성탄 시료의 SEM 사진을 촬영하였고, 미생물 생체량(HPC) 조사를 통해 활성탄 부착미생물의 존재를 확인하고자 하였다. 유입원수의 특성은 대부분의 조사항목이 일정한 농도범위로 유입되었고 그 중 계절적 일관성을 갖는 항목이 있었다. 공정별 제거효율 변화특성은 월별 일정한 유형을 갖는 것, 공정진행에 따라 지속적으로 제거되는 것, 오존접촉조에서 제거효율이 떨어지는 것 등으로 분류되었고, 현재 운전되고 있는 고도처리공정에서 제거되는 주요 대상오염물질을 구별할 수 있었다. NH$_3$-N의 농도변화 곡선으로 활성탄여과조 내에 미생물이 존재함을 예측하여 SEM 사진과 HPC 측정으로 이를 확인하였다.
본 연구에서는 국내 한 정수장의 고도정수처리공정의 실험분석 자료를 바탕으로 정수장으로 유입되는 원수의 수질특성과 처리공정별 오염물질 제거효율의 변화특성을 연구하였고, 활성탄여과조의 역세척에 따른 BAC 내의 미생물 거동을 추적하였다. KMnO$_4$ 소비량 등 8$\sim$9개의 주요 항목을 중심으로 제거특성이 연구되었고, 활성탄여과조의 유입 유출수에 대하여 NH$_3$-N 등 4항목의 농도변화를 추적하였다. 역세척 전 후의 활성탄 시료의 SEM 사진을 촬영하였고, 미생물 생체량(HPC) 조사를 통해 활성탄 부착미생물의 존재를 확인하고자 하였다. 유입원수의 특성은 대부분의 조사항목이 일정한 농도범위로 유입되었고 그 중 계절적 일관성을 갖는 항목이 있었다. 공정별 제거효율 변화특성은 월별 일정한 유형을 갖는 것, 공정진행에 따라 지속적으로 제거되는 것, 오존접촉조에서 제거효율이 떨어지는 것 등으로 분류되었고, 현재 운전되고 있는 고도처리공정에서 제거되는 주요 대상오염물질을 구별할 수 있었다. NH$_3$-N의 농도변화 곡선으로 활성탄여과조 내에 미생물이 존재함을 예측하여 SEM 사진과 HPC 측정으로 이를 확인하였다.
In this paper, the property of influent water and variations of removal efficiencies in each unit processes were studied based on the experiment data from the advanced water treatment plant in a city of Korea. The microbial species in the biological activated carbon(BAC) after backwashing of activat...
In this paper, the property of influent water and variations of removal efficiencies in each unit processes were studied based on the experiment data from the advanced water treatment plant in a city of Korea. The microbial species in the biological activated carbon(BAC) after backwashing of activated carbon filtration tank(ACFT) were also identified. The property and the removal efficiencies were evaluated by considering 8-9 items. The variations of 4 items were investigated from the influent and effluent of ACFT. SEM recording were conducted on BAC samples before and after backwashing. And the existence of attached microorganisms were identified through HPC(Heterotrophic Plate Counter) investigation. For the property of influent water, the concentrations of most items were maintained in the constant ranges, some items had seasonal properties. For the removal efficiencies, there were some items showing similar monthly-pattern and increasing with time, other items decreasing at the ozone contactor. Through these investigations, it was possible to distinguish the target items, which were removed by the advanced processes. The existence of microorganisms in ACFT could be predicted based on the variation curve of NH$_3$-N, and this fact were proved by SEM and HPC.
In this paper, the property of influent water and variations of removal efficiencies in each unit processes were studied based on the experiment data from the advanced water treatment plant in a city of Korea. The microbial species in the biological activated carbon(BAC) after backwashing of activated carbon filtration tank(ACFT) were also identified. The property and the removal efficiencies were evaluated by considering 8-9 items. The variations of 4 items were investigated from the influent and effluent of ACFT. SEM recording were conducted on BAC samples before and after backwashing. And the existence of attached microorganisms were identified through HPC(Heterotrophic Plate Counter) investigation. For the property of influent water, the concentrations of most items were maintained in the constant ranges, some items had seasonal properties. For the removal efficiencies, there were some items showing similar monthly-pattern and increasing with time, other items decreasing at the ozone contactor. Through these investigations, it was possible to distinguish the target items, which were removed by the advanced processes. The existence of microorganisms in ACFT could be predicted based on the variation curve of NH$_3$-N, and this fact were proved by SEM and HPC.
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문제 정의
본 논문에서는 국내 C정수장의 고도정수처리공정의 설계자료와 수질측정 결과 등 몇 가지 인자를 바탕으로 유입 원수의 수질특성과 정수장의 처리공정별 오염물질 제거효율의 변화특성을 연구하였고, 역세척으로 인한 활성탄여과지 내의 오염물질 농도변화와 미생물 활동특성을 추적하여 현 정수장의 효율적인 운영과 향후 계획중인 타지역의 고도정수처리시설 설계 및 운전에 도움을 주는 것에 그 목적을 두었다.
가설 설정
3. Removal efficiency of KMnO4 over the operation time(2004∼2006) : (a) time-based, (b) unit-based.
제안 방법
고도공정 중 오염물 저감에 결정적 영향을 미치는 활성탄여과공정의 역세척과 관련된 BAC조의 제거특성을 연구하기 위해 모래여과조, 오존접촉조, 그리고 활성탄여과조의 유출수를 채집하여 농도변화가 비교적 뚜렷한 4항목(탁도, TOC, DOC, NH3-N)에 대해 평가하였고 BAC 상층부의 미생물의 거동을 추적하기 위해 SEM(scanning electron microscope) 사진 촬영과 HPC(heterotrophic plate counter)의 변화 상태를 분석하였다. 본 연구의 실험에 사용된 활성탄여과지의 시설제원은 Table 2와 같다.
역세척수는 역세척 1시간 전부터 역세척 완료 후 100시간에 걸쳐 초기에는 1시간 간격, 그 이후로는 3, 5, 10시간씩 점차 시간간격을 늘이면서 채수하였고, 활성탄 시료는 역세척을 기준으로 1시간 전, 완료 직후, 그리고 임의의 경과시간(9시간, 34시간, 54시간, 100시간) 등 총 6회에 걸쳐 활성탄조의 상부 10∼15 cm 깊이에서 채취하였다.
유입되는 원수의 수질특성과 처리공정별 제거효율의 변화특성을 연구하기 위하여 활성탄여과조의 활성탄이 교체되기 이전까지의 근래 3년간(2004∼2006)의 수질측정 자료를 월별 평균치로 통계처리하였다.
유입원수의 수질특성 및 공정별 제거효율의 변화특성 연구를 위해 실제 정수장에 설치된 24시간 연속자동측정장치와 실험실의 분석기기를 병행하여 사용하였다. 탁도와 pH 는 연속자동측정장치로부터 중앙제어실로 전송되는 측정 자료이고, 그 측정기기는 pH가 HDM-136A, 탁도계는 TUF100 모델이다.
유입원수의 특성 및 제거효율 변화특성의 평가대상 오염물질은 9항목(pH, 탁도, KMnO4 소비량, TOC, DOC, UV254, THMFP(THM formation potential), 망간(Mn), 암모니아성질소(NH3-N))과 8항목(pH 제외)을 중심으로 연구하였고 이 중 KMnO4 소비량, UV254, TOC 및 DOC 등 4개 항목을 중점적으로 평가하였다. 보고서에 의하면 KMnO4 소비량, UV254, DOC 등은 고도정수공정의 제거효율 평가에 주요 대상물질이 되고 있다.
유입되는 원수의 수질특성과 처리공정별 제거효율의 변화특성을 연구하기 위하여 활성탄여과조의 활성탄이 교체되기 이전까지의 근래 3년간(2004∼2006)의 수질측정 자료를 월별 평균치로 통계처리하였다. 정수공정구분은 원수(raw water), 침전수(sedimentation), 모래여과수(filtration), 오존처리수(ozonation), 활성탄여과수(GAC effluent) 등 5개의 단위공정으로 구분하였고, 정수장으로 유입되는 원수의 수질상태는 Table 1에 보인 바와 같이 환경부의 COD 환경기준(호소수)으로 5 mg/L 이하인「보통(Ⅳ)등급」의 수질상태를 보였다.
활성탄 내 미생물의 탈리현상을 확인하기 위하여 SEM 사진 촬영 및 HPC를 측정하였다. Fig.
대상 데이터
본 연구의 대상은 국내 A시의 C정수장 고도정수처리공정으로서 낙동강(댐에 일시 저류된 원수)을 주요 취수원으로 사용하고 있다. Fig.
운전 중인 활성탄조의 역세척시 농도변화 상태를 추적하기 위해 운전기간동안 일정한 시간간격으로 시료를 채취하였다. Table 3은 실제공정에서 역세척을 실시할 때의 시료채취시간을 나타낸 것이다.
45 µm membrane 여과지로 여과한 후의 시료를 사용하였다(Standard Method). UV254는 1 cm 길이의 석영 셀을 사용하였고, 분석 전에 시료를 pH 2로 낮추어 254 nm의 흡광도에서 측정하였고 (Varian Cary 3C) 그 외의 항목은 국내의「먹는물공정시험 방법」에 준하여 실험하였다.
성능/효과
1) 유입원수의 수질특성은 9개의 조사항목 대부분 일정한 농도범위로 유입되었고 그 중 계절적 일관성을 갖는 5개 항목을 발견하였다. 유입원수의 농도는 통상 pH 6.
특히 국내 주요 4대강 중의 하나인 낙동강은 영남지역 대부분에 걸쳐 원수를 공급하고 있는데 이 지역에 집중된 개발로 낙동강은 심각한 환경오염에 노출되어 생물학적 산소요구량(BOD)이 지속적으로 증가하고 있다.1) 이러한 산업화․도시화의 진행으로 말미암아 인체에 악영향을 미치는 미량오염물질이 다양화되는 동시에 새로운 화학물질도 지속적인 출현하였고, 원수의 부영양화가 수시로 발생하는 등 원수 수질은 크게 호전되지 못하고 있다. 더욱이 이전의 정수처리는 급속모래여과를 중심으로 한 응집-침전-여과과정을 거치는 물리․화학적 처리 위주였는데 이는 원수 중의 입자상물질 제거에 주목적이 있기 때문에 원수 수질이 나쁠 때는 그 처리가 어렵다.
2) 공정별 제거효율의 변화특성은 월별 일정한 유형을 갖는 것, 공정진행에 따라 지속 제거되는 것, 오존접촉조에서 제거효율이 떨어지는 것으로 분류할 수 있었고, 현재의 고도처리공정에서 제거되는 주요 대상(target) 오염물질을 찾을 수 있었다. 제거효율이 여름철을 정점으로 산모양을 보이는 KMnO4 소비량과 UV254, 공정진행에 따라 지속 감소하는 KMnO4 소비량, UV254, TOC, DOC, THMFP, 오존공정에서 크게 떨어지는 탁도, Mn 등의 항목이 있었다.
3) 활성탄여과조의 역세척에 따른 거동을 추적한 결과, NH3-N의 수질농도 변화곡선으로 활성탄조 내의 미생물 존재를 예측하였고 SEM 사진 촬영과 HPC 측정으로 이를 확인하였다. NH3-N의 농도변화곡선을 통해 활성탄여과조의 오염물질 제거가 BAC에 의한 생물학적 제거 기능도 있음을 예측하였고, HPC는 활성탄 1 g 당 역세척 전 6.
3년 평균 제거효율은 공정단계별로 원수 대비 각각 94, 99, 92, 99%이었고 활성탄여과수에서 최종적으로 0.07∼0.20 NTU를 유지하였다.
NH3-N의 3년 평균 제거효율은 처리단계별로 각각 58, 53, 57, 76%로서 오존처리수 단계까지는 변화가 미미하나 활성탄여과지를 거치면서 순수고도공정만의 제거효율은 약 23(-25∼98)%나 제거되었다.
NH3-N의 농도변화곡선을 통해 활성탄여과조의 오염물질 제거가 BAC에 의한 생물학적 제거 기능도 있음을 예측하였고, HPC는 활성탄 1 g 당 역세척 전 6.36 ×107 CFU, 역세척 후 3.61 × 107 CFU로 43% 정도의 미생물이 탈리되었고, 50시간 경과 후에는 5.12 × 107 CFU로초기상태로 거의 회복되었다.
THMFP의 3년 평균 제거효율은 처리단계별로 원수 대비 각각 55, 60, 62, 75%로 일반처리공정에서 조금씩 제거되다가 오존처리수에서 활성탄처리수로 넘어가면서 다소 높은 비율(13%)로 제거되고 있으며, 고도 처리공정에서 추가로 제거되는 효율은 15(1∼46)%로 활성탄여과수의 최종 THMFP 농도는 0.005∼0.074 mg/L이다.
THMFP의 변화도 뚜렷한 계절적 일관성은 없이 간헐적으로 높은 농도를 보이나 대개 0.02∼0.30 mg/L범위로 유입되었고, Mn과 NH3-N의 경우 역시 간헐적 높은 농도를 보이고 계절적 일관성 없이 약 0.00∼0.30 mg/L 범위로 유입되었다.
4는 각각 운전기간동안 유입수 및 공정별 처리수의 UV254의 최대, 최소, 평균값과 시간에 따른 월별·처리단계별 제거효율 변화특성을 나타낸 것이다. UV254제거효율도 KMnO4 소비량의 경향과 유사하게 원수농도가 높은 여름을 정점으로 처리효율이 하강하는 전형적인 산 모양의 유형을 보였고, 공정이 진행됨에 따라 지속적으로 제거되어 3년 평균 제거효율은 처리공정 단계별로 원수 대비 각각 61, 70, 74, 84%로 나타났다. 고도처리공정에 의해서 14(2∼27)%가 더 제거되어 활성탄여과수에서는 최종적으로 0.
앞선 두 항목과 비교해 볼 때 전체 제거효율은 각각 64, 62%로 20% 이상 더 낮은 효율을 보이나 고도처리공정만의 순수제거율로 볼 때 오히려 5∼7%의 더 높았다.
2) 공정별 제거효율의 변화특성은 월별 일정한 유형을 갖는 것, 공정진행에 따라 지속 제거되는 것, 오존접촉조에서 제거효율이 떨어지는 것으로 분류할 수 있었고, 현재의 고도처리공정에서 제거되는 주요 대상(target) 오염물질을 찾을 수 있었다. 제거효율이 여름철을 정점으로 산모양을 보이는 KMnO4 소비량과 UV254, 공정진행에 따라 지속 감소하는 KMnO4 소비량, UV254, TOC, DOC, THMFP, 오존공정에서 크게 떨어지는 탁도, Mn 등의 항목이 있었다. 고도공정만의 평균 제거효율은 Mn, NH3-N, DOC, TOC, KMnO4 소비량, THMFP, UV254, 탁도의 순서대로 각각 32, 23, 22, 20, 16, 15, 14, 0%이었고, 고도공정의 주요 처리 대상물질은 Mn, NH3-N, DOC, TOC 위주이며 KMnO4 소비량, THMFP, UV254도 대상물질이라 볼 수 있다.
5는 TOC 및 DOC의 최대, 최소, 평균값과 제거효율의 변화를 나타낸 것이며, TOC와 DOC 제거효율은 계절별 뚜렷한 차이를 보이지 않고 다만 활성탄여과수에서 원수농도가 높은 봄․여름에 높아지는 경향을 보였다. 처리공정이 진행됨에 따라 지속적으로 제거되기는 하나 활성탄여과수에서 그 제거현상이 더욱 두드러져 3년 평균 제거효율은 공정단계별로 원수 대비 TOC는 39, 44, 47, 64%, DOC는 36, 40, 45, 62%이었다. 순수 고도처리공정에 의해서 평균적으로 TOC 20(7∼47)%, DOC 22(6∼50)%가 더 제거되어 활성탄여과수에서 TOC와 DOC 농도는 각각 0.
처리공정이 진행됨에 따라 지속적으로 제거되어 침전수, 모래여과수, 오존처리수, 활성탄여과수에서의 3년 평균 제거효율은 원수 대비 각각 60, 68, 73, 84%로 나타났고, 따라서 후단부의 고도처리공정에 의해서만 약 16(7∼28)%가 더 제거되어 활성탄여과수에서 최종적으로 0.4∼2.0 mg/L을 유지하였다.
후속연구
특히, 이 3항목은 활성탄 교체 직전인 2006년의 제거효율이 상대적으로 높게 나타났다. 향후 활성탄 교체 이후의 제거효율 특성과 상호비교하고, 다른 지역의 고도처리공정과도 비교해 본다면 더욱 심층적인 연구결과가 도출되리라 본다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
예전에 사용되던 정수처리 방법은?
1) 이러한 산업화․도시화의 진행으로 말미암아 인체에 악영향을 미치는 미량오염물질이 다양화되는 동시에 새로운 화학물질도 지속적인 출현하였고, 원수의 부영양화가 수시로 발생하는 등 원수 수질은 크게 호전되지 못하고 있다. 더욱이 이전의 정수처리는 급속모래여과를 중심으로 한 응집-침전-여과과정을 거치는 물리․화학적 처리 위주였는데 이는 원수 중의 입자상물질 제거에 주목적이 있기 때문에 원수 수질이 나쁠 때는 그 처리가 어렵다. 따라서 입자상물질 제거 중심의 처리방식에서 진일보하여 수돗물의 맛, 냄새, ABS(alkylbenzene sulfonate)의 제거, THMs(trihalomethanes)의 생성 억제, TOC(total organic carbon) 및 DOC(dissolved organic carbon)의 제거 등이 큰 관심사가 되고 있었다.
급속모래여과를 중심으로 한 응집-침전-여과과정을 거치는 물리․화학적 정수처리 방식이 지닌 단점은?
1) 이러한 산업화․도시화의 진행으로 말미암아 인체에 악영향을 미치는 미량오염물질이 다양화되는 동시에 새로운 화학물질도 지속적인 출현하였고, 원수의 부영양화가 수시로 발생하는 등 원수 수질은 크게 호전되지 못하고 있다. 더욱이 이전의 정수처리는 급속모래여과를 중심으로 한 응집-침전-여과과정을 거치는 물리․화학적 처리 위주였는데 이는 원수 중의 입자상물질 제거에 주목적이 있기 때문에 원수 수질이 나쁠 때는 그 처리가 어렵다. 따라서 입자상물질 제거 중심의 처리방식에서 진일보하여 수돗물의 맛, 냄새, ABS(alkylbenzene sulfonate)의 제거, THMs(trihalomethanes)의 생성 억제, TOC(total organic carbon) 및 DOC(dissolved organic carbon)의 제거 등이 큰 관심사가 되고 있었다.
물리․화학적 처리 위주의 정수처리 방식에서 진일보한 방법은?
더욱이 이전의 정수처리는 급속모래여과를 중심으로 한 응집-침전-여과과정을 거치는 물리․화학적 처리 위주였는데 이는 원수 중의 입자상물질 제거에 주목적이 있기 때문에 원수 수질이 나쁠 때는 그 처리가 어렵다. 따라서 입자상물질 제거 중심의 처리방식에서 진일보하여 수돗물의 맛, 냄새, ABS(alkylbenzene sulfonate)의 제거, THMs(trihalomethanes)의 생성 억제, TOC(total organic carbon) 및 DOC(dissolved organic carbon)의 제거 등이 큰 관심사가 되고 있었다.2,3) 그 결과 기존의 처리방법에 새로운 정수처리공정이 하나씩 추가되었는데 이것이「고도정수처리공정(advanced water treatment processes)」이다.
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