정수처리공정별 THMs 현황과 영향인자와의 상관성 등 생성특성을 분석하고 저감할 수 있는 운영방안을 연구하였다. M정수장의 처리공정은 전염소-응집-침전-여과-오존-활성탄-후염소로 구성되어 있다. 공정별 THMs 농도는 응집침전여과의 기본공정에서 92~93%가 생성되어 전염소처리공정이 주된 영향을 미치는 것으로 조사되었다. THMs 생성과 원수수온, $KMnO_4$소비량의 결정계수는 0.80, 0.72로 높게 나타났으며 정수장에서는 원수수온과 $KMnO_4$소비량으로 생성농도를 예측하는 것이 효율적이라 판단된다. 중염소처리를 한 경우 정수 THMs이 전염소처리의 48% 수준으로 나타나, 염소 주입지점만 변경하는 중염소 처리가 THMs 저감에 유용한 방식으로 판단된다. 전구물질 제거를 위한 분말 활성탄 실험에서는 전염소 앞단에 주입하는 경우에 THMs 생성이 줄었다. 생성된 THMs 제거에는 에어스트리핑 방법이 효과가 있었다.
정수처리공정별 THMs 현황과 영향인자와의 상관성 등 생성특성을 분석하고 저감할 수 있는 운영방안을 연구하였다. M정수장의 처리공정은 전염소-응집-침전-여과-오존-활성탄-후염소로 구성되어 있다. 공정별 THMs 농도는 응집침전여과의 기본공정에서 92~93%가 생성되어 전염소처리공정이 주된 영향을 미치는 것으로 조사되었다. THMs 생성과 원수수온, $KMnO_4$소비량의 결정계수는 0.80, 0.72로 높게 나타났으며 정수장에서는 원수수온과 $KMnO_4$소비량으로 생성농도를 예측하는 것이 효율적이라 판단된다. 중염소처리를 한 경우 정수 THMs이 전염소처리의 48% 수준으로 나타나, 염소 주입지점만 변경하는 중염소 처리가 THMs 저감에 유용한 방식으로 판단된다. 전구물질 제거를 위한 분말 활성탄 실험에서는 전염소 앞단에 주입하는 경우에 THMs 생성이 줄었다. 생성된 THMs 제거에는 에어스트리핑 방법이 효과가 있었다.
The occurrence of THMs, the characteristics of THMs formation and removal of THMs were investigated. The treatment train of M plant consists of prechlorination, flocculation, sedimentation, filtration, ozonation, activated carbon and postchlorination. The study of THM formation indicated that about ...
The occurrence of THMs, the characteristics of THMs formation and removal of THMs were investigated. The treatment train of M plant consists of prechlorination, flocculation, sedimentation, filtration, ozonation, activated carbon and postchlorination. The study of THM formation indicated that about 92% of the THMs were formed in the flocculation/sedimentation/filtration process which affected by prechlorination. The formation of THMs was highly correlated to $KMnO_4$ consumption and water temperature in raw water. The regression model had showed 0.72~0.80 of determination coefficient so it could be used to predict the amount of THMs formation in finished water. Compared to the prechlorination process, the THMs formation was reduced in interchlorination process. With the addition of PAC, fewer THMs were formed in PAC-chlorination process than in chlorination-PAC process. Our results showed that air stripping could be used to remove the existing THMs.
The occurrence of THMs, the characteristics of THMs formation and removal of THMs were investigated. The treatment train of M plant consists of prechlorination, flocculation, sedimentation, filtration, ozonation, activated carbon and postchlorination. The study of THM formation indicated that about 92% of the THMs were formed in the flocculation/sedimentation/filtration process which affected by prechlorination. The formation of THMs was highly correlated to $KMnO_4$ consumption and water temperature in raw water. The regression model had showed 0.72~0.80 of determination coefficient so it could be used to predict the amount of THMs formation in finished water. Compared to the prechlorination process, the THMs formation was reduced in interchlorination process. With the addition of PAC, fewer THMs were formed in PAC-chlorination process than in chlorination-PAC process. Our results showed that air stripping could be used to remove the existing THMs.
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문제 정의
분말활성탄(Powdered Activated Carbon)의 THMs 전구물질과 생성된 THMs의 제거능력을 조사하기 위해 분말활성탄을 넣지 않는 경우와 분말활성탄을 농도별로 넣은 경우를 자 테스트하였다. M정수장은 전염소주입 후 분말활성탄주입시설이 설치되어 염소성분이 분말활성탄에 흡착되어 흡착능에 영향을 미치므로 전염소-분말활성탄 방식과 분말활성탄-전 염소 방식으로 시험하여 비교하였다.
이번 연구는 대표적인 염소소독부산물인 THMs의 정수처리공정별 생성현황, 영향인자와의 상관성 등 생성특성을 분석하고 THMs 생성을 저감시킬 수 있는 운영방안을 찾고자 하였다.
소독제는 음용수로부터 유해균의 제거 외에 정수처리에 있어 산화제로 사용된다. 정수공정에서 맛, 색도의 제거, 철과 망간의 산화, 응집과 여과 효율 증진, 침전지와 여과지의 조류 성장 저해, 급수계통의 미생물학적 재성장 방지 목적으로 사용된다. 염소는 살균력이 뛰어나고 잔류소독능이 높고 가격이 저렴하여 정수처리공정에서 가장 많이 사용되고 있는 수처리제이다.
제안 방법
5,6) THMs 생성에 영향을 미치는 인자를 찾기 위해 원수의 수질인자와 정수처리공정별 생성 THMs 농도의 상관관계를 분석하였다.
분말활성탄(Powdered Activated Carbon)의 THMs 전구물질과 생성된 THMs의 제거능력을 조사하기 위해 분말활성탄을 넣지 않는 경우와 분말활성탄을 농도별로 넣은 경우를 자 테스트하였다. M정수장은 전염소주입 후 분말활성탄주입시설이 설치되어 염소성분이 분말활성탄에 흡착되어 흡착능에 영향을 미치므로 전염소-분말활성탄 방식과 분말활성탄-전 염소 방식으로 시험하여 비교하였다.
THMFP (THM Formation Potential)는 일본상수방법에 따라 시료를 pH 7.0 ± 0.2, 온도 20℃, 반응시간 24시간, 24시간 후의 유리잔류염소 1~2 mg/L의 조건에서 실험하여 생성된 THMs을 측정하였다.
10~13) 낙동강 원수는 갈수기에 조류번식 등으로 pH가 9 이상으로 상승하여 정수장에서는 정수공정효율을 높이기 위해 응집제와 염소주입을 강화하여 운영하고 있다. THMs 생성에 미치는 pH의 영향을 알아보기 위해 낙동강원수에 H2SO4와 NaOH을 사용하여 pH를 조정하고 THMFP 실험을 실시하였다. pH가 낮을수록 THMs 생성이 감소하였으며, pH 6의 THMFP는 pH 10의 THMFP농도 50%수준이었다.
에어스트리핑은 용존상태의 휘발성유기화합물을 공기를 이용하여 액상에서 기상으로 전달시키는 기술이다. THMs은 구성성분이 휘발성 유기화합물이므로 에어스트리핑 적용이 가능하여 실험을 수행하였다. 실험조건은 2 L 비이커에 오존처리수와 활성탄처리수를 넣고 공기량 220 mL/min으로 포기하여 포기시간별로 THMs을 조사하였다.
실험방법은 먹는 물 수질공정시험기준과 수질오염공정시험기준에 따라 분석하였으며, THMs 분석은 Teklink3100 concentrator Purge & Trap을 사용하여 HP 7890 series GCECD로 분석하였다.
THMs은 구성성분이 휘발성 유기화합물이므로 에어스트리핑 적용이 가능하여 실험을 수행하였다. 실험조건은 2 L 비이커에 오존처리수와 활성탄처리수를 넣고 공기량 220 mL/min으로 포기하여 포기시간별로 THMs을 조사하였다.
염소 접촉시간에 따른 THMs 생성을 알아보기 위하여 시간 별 THMFP조사를 하였다.
원수의 성상이 같은 경우 수온에 따른 THMs 생성변화를 조사하기 위해 동일 원수를 대상으로 수온별로 THMFP 실험을 하였다.
천연유기물이 소독부산물의 전구물질로 작용하므로 유기물 농도 변화에 따라 THMs 생성이 달라질 수 있다. 원수중 유기물 농도의 지표인 TOC, KMnO4소비량과 정수 THMs의 월변화를 조사하였다.
월별 THMs 발생현황과 공정별 THMs 분석은 M정수장의 자료를 이용하였고, 파이로트플랜트에서는 염소 주입 지점에 따른 THMs 생성실험을 하였다. 다른 실험은 실험실에서 수행하였다.
파이로트 플랜트의 침전지 전(전염소), 후(중염소)에 염소주입을 실시하여 주입 지점에 따른 THMs 생성을 조사하였다. 염소주입농도는 여과지 유입전의 잔류염소가 0.
대상 데이터
2009년 1월부터 2010년 12월까지 대구시 M정수장의 원수및 공정수(침전수, 여과수, 오존처리수, 활성탄처리수, 정수, 관말수)를 대상으로 월 1회 이상 분석하였다.
성능/효과
두 경우 모두 포기시간 5분 내에 급격히 제거율이 증가하였고 차츰 완만한 제거율을 나타내었다. 30분 포기 후 THMs 제거율은 오존처리수 74.3%, 활성탄수 72.7%로 비슷하게 나타났다. 5분 내 제거율은 활성탄수에서 높게 나타나지만 현장 적용 시에는 오존처리수에 에어스트리핑을 하는 것이 활성탄에 부하를 줄여 활성탄의 수명을 연장할 수 있는 것으로 판단된다.
6) THMs 생성반응은 염기성 촉매반응(base-catalyzed reaction)으로 pH값의 증가에 따라 생성량은 증가한다. 낮은 pH값에서는 전구물질과 염소가 중간체를 형성하고 있다가 pH값이 증가하면 수화분해되어 THMs량이 증가한다.
낮은 pH값에서는 전구물질과 염소가 중간체를 형성하고 있다가 pH값이 증가하면 수화분해되어 THMs량이 증가한다.6) 원수 pH가 높은 갈수기에는 황산이나 이산화탄소 등으로 pH를 조정함으로 응집제와 염소의 주입을 줄이고 THMs 생성도 줄일 수 있다고 판단된다.
THMs 구성성분의 생성비율은 클로로포름 62% (38~89%), 브로모디클로로메탄 29% (11~51%), 디브로모클로로메탄 7% (0~19%)로 클로로포름의 생성량이 가장 많았고 브로모포름은 생성되지 않았다. 할로겐족 원소중에서 염소가 브롬이나 요오드보다 반응성이 좋아 THMs 전구물질인 유기물과 주로 반응하여 THMs중에서 클로로포름의 비율이 높다고 판단된다.
THMs생성 영향 인자중 원수 수온, KMnO4소비량, TOC 항목의 결정계수는 0.80, 0.72, 0.65로 높게 나타났으며 정수장에서는 수온과 KMnO4소비량으로 생성농도를 예측하는 것이 효율적이라 판단된다.
THMs 생성에 미치는 pH의 영향을 알아보기 위해 낙동강원수에 H2SO4와 NaOH을 사용하여 pH를 조정하고 THMFP 실험을 실시하였다. pH가 낮을수록 THMs 생성이 감소하였으며, pH 6의 THMFP는 pH 10의 THMFP농도 50%수준이었다.
005 mg/L로 나타났으며, 구성 성분비율은 클로로포름이 62%로 가장 많았다. 공정별 THMs 농도는 응집침전여과의 기본공정에서 92~93%가 생성되어 전염소처리공정이 THMs발생에 주로 영향을 미치는 것으로 조사되었다.
4배, 45℃에서 4배의 THMs 농도를 나타내었다. 구성 성분별로는 클로로포름이 69%에서 85%로 늘어났으나 브로모디클로로메탄은 26%에서 13%로, 디브로모클로로메탄은 6%에서 2%로 줄어들어 온도증가에 따른 클로로포름의 증가가 THMs 증가에 중요한 영향을 미치는 것으로 나타났다.
두 경우 모두 분말활성탄 5 ppm에서는 제거효과가 없었으며, 10 ppm 이상부터 제거효과가 나타났다. 분말활성탄-전 염소 방식의 THMs 농도가 전염소-분말활성탄 방식보다 분말활성탄 10 ppm에서는 13.6%, 분말활성탄 80 ppm에서는 33.3% 낮아 분말활성탄을 먼저 주입한 후 전염소를 사용하는 방식이 THMs 생성을 줄일 수 있다.
분말활성탄을 주입하고 전염소처리하는 방식이 THMs 생성을 줄였으며, 생성된 THMs을 제거하기 위한 air stripping의 현장 적용은 오존처리수에 에어스트리핑을 하는 것이 활성탄에 부하를 줄여 활성탄의 수명을 연장할 수 있는 것으로 판단된다.
THMs 분석은 전처리, 고가 장비, 숙련된 인력이 필요함으로 분석은 전문기관에서 하고 정수장에서는 예측할 수 있도록 하면 효율적인 정수공정운영에 도움이 되리라 생각된다. 상관분석결과 THMs과 관련있는 원수 수질인자중 KMnO4소비량과 TOC항목의 결정계수가 0.72, 0.65로 높게 나타나는데 현장에는 고가의 TOC장비보다 쉽게 측정할 수 있는 KMnO4소비량을 가지고 THMs의 농도를 예측하는 것이 효율적이라 판단된다.
상관분석결과 공정별 처리수와 관련있는 원수 수질인자는 수온과 유기물농도를 나타내는 KMnO4소비량, TOC항목과 상관계수가 높게 나타났으며 전염소주입율과는 0.3 정도로 낮게 나타났다.
047 mg/L로 나타나 2배 이상 생성되었으며 그 이후의 증가폭은 둔화되는 것으로 나타났다. 염소 2 mg/L, 3 mg/L 주입에 따라 THMs 생성이 2배 이상 차이가 남으로, 실험에 사용된 원수 수질(탁도 53 NTU, TOC 4.19 mg/L)에서는 염소 2 mg/L의 주입이 THMs 발생을 현저히 저감시키는 것으로 판단된다.
원수에 염소량을 달리하여 자테스트 시험한 결과 THMs는 염소량이 증가함에 따라 생성량이 증가하였다. 염소를 2 mg/L 이하로 주입한 경우 0.
전구물질과 염소의 빠른 반응에 의해 반응초기부터 12시간까지 THMs 생성이 급격히 증가하다가 완만해지는 추세를 보였으며, 12시간 내 THMs 생성량은 72시간까지 생성된 THMs 농도의 59%를 나타내었다.
정수처리공정에서 발생되는 THMs의 생성비율은 침전수에서 78~84%, 모래여과수에서 9~14%, 응집침전여과의 기본공정에서 92~93%가 생성되어 전염소처리공정이 THMs 발생에 주로 영향을 미치는 것으로 조사되었다. 활성탄수에 후염소 처리한 정수에서 3~5%생성되며, 관말은 정수보다 8~12% 정도 더 생성되었다.
19 mg/L)의 경우 염소 2 mg/L의 주입이 THMs 발생을 현저히 저감시키는 것으로 조사되었다. 중염소처리를 한 경우 THMs이 전염소처리의 41~48%수준으로 검출되므로 THMs 생성 저감에 유용한 방식으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
트리할로메탄은 무엇인가?
트리할로메탄은 메탄의 수소원자 4개 가운데 3개가 염소, 브롬, 요오드 등 할로겐원소로 치환된 물질로, 클로로포름 (Chloroform), 디브로모클로로메탄(Dibromochloromethane), 브로모디클로로메탄(Bromodichloromethane), 브로로포름(Bromoform) 의 네 가지 물질을 총칭하여 총트리할로메탄으로 부른다.
염소소독부산물은 어떻게 생성되는가?
염소는 살균력이 뛰어나고 잔류소독능이 높고 가격이 저렴하여 정수처리공정에서 가장 많이 사용되고 있는 수처리제이다. 1) 염소는 원수중에 존재하는 천연유기물(NOMs; Natural Organic Matters)과 반응하여 소독부산물(DBPs; Disinfection By- Products)을 생성시켜 인체에 유해성을 나타낸다. 염소소독부산물은 트리할로메탄(THMs; Trihalomethanes), 할로아세틱에시드(Haloacetic Acids), 할로아세토니트릴(Haloacetonitriles), 할로케톤(Haloketones) 등이 있고 분석기술의 발달로 발견되는 종류는 계속 증가하고 있으며 국내외적으로 소독부산물에 대한 규제를 추가하고 강화해가는 추세이다.
염소소독부산물로는 무엇이 있는가?
1) 염소는 원수중에 존재하는 천연유기물(NOMs; Natural Organic Matters)과 반응하여 소독부산물(DBPs; Disinfection By- Products)을 생성시켜 인체에 유해성을 나타낸다. 염소소독부산물은 트리할로메탄(THMs; Trihalomethanes), 할로아세틱에시드(Haloacetic Acids), 할로아세토니트릴(Haloacetonitriles), 할로케톤(Haloketones) 등이 있고 분석기술의 발달로 발견되는 종류는 계속 증가하고 있으며 국내외적으로 소독부산물에 대한 규제를 추가하고 강화해가는 추세이다.
참고문헌 (14)
Sadiq, R. and Rodriguez, J., "Disinfection by-products (DBPs) in drinking water and predictive models for their occurrence: a review," Sci. Tot. Environ., 321, 21-46(2004).
Peters, C. J., Young, R. J. and Perry, R., "Factors influencing the formation of haloforms in the chlorination of humic substances," Environ. Sci. Technol., 14(11), 1391-1395(1980).
Liang, L. and Singer, P., "Factors influencing the formation and relative distribution of haloacetic acids and trihalomethanes in drinking water," Environ. Sci. Technol., 37(13), 2920-2928(2003).
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