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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 상수원수 수질변화에 따른 각 오염물질에 대한 오존처리효율을 비교하여 적정한 운전 방안을 도출하고 적정오존 주입비 선정 및 전오존의 미주입시 수질변화를 평가하여 수질이 좋은 시기에는 전오존을 투입하지 않음으로써 전력비용 절감을 위한 경제성 평가와 나아가서는 가장 경제적인 투입농도도 함께 평가하였다.
- 본 연구에서는 상수원수 수질변화에 따른 각 오염물질에 대한 오존처리효율을 비교하여 적정한 운전 방안을 도출하고 적정오존 주입비 선정 및 전오존의 미주입 시 수질변화를 평가하여 수질이 좋은 시기에는전오존을 투입하지 않음으로써 전력비를 절감을 위한 경제성 평가와 나아가서는 가장 경제적인 오존 투입농도를 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 86 ㎥으로 설계되었다. Pilot- plant 원수유량 조정조에 유입된 원수가 분배 펌프에 의하여 염소접촉조로 유입되며 이때 액체염소와 혼화되어 전오존 접촉조로 유입되도록 설계하였다.
- THMs 생성능(THM formation potential: THMFP)은 시료수에 24시간 후의 유리 잔류 염소농도가 1.5±0.2 mg/L가 되도록 염소를 주입하여 항온배양기에서 24시간 동안 반응시켰다.
-
1. 산화환원전위(ORP)
산화환원전위(Oxidation-Reduction Potential)의 측정을 위한 ORP 전극은 Mettler Toledo사의 Redox Electrode InLabⓇ Redox를 사용하여 측정하였고, pH/ORP 자동측정 및 디지털 출력장치는 Mettler Toledo GmbH SevenMulti를 이용하여 오존투입 농도별 산화환원전위를 측정하였다
. - 실험에 사용된 원수는 낙동강 표류수를 이용하였고 실증플랜트 120 ㎥/day 규모에서 낙동강 수질변화에 따라 전염소와 전오존 병행 투입과 전염소만 투입하였을 경우 각각의 유기오염물질에 대한 제거율 비교실험을 수행하였다.
- 염소 소독부산물에 대한 분석은 THMFP의 경우 headspace auto-sampler(HP 7694, Hewlett-Packard, U.S.A.)가 부착된 GC/ECD(5890 Series II, Hewlett-Packard, U.S.A.)를 사용하여 분석하였다.
- 2 mg/L가 되도록 염소를 주입하여 항온배양기에서 24시간 동안 반응시켰다. 염소와 24시간 반응시킨 후 잔류염소에 의한 추가적인 염소 소독부산물들의 생성을 억제하기 위해 인산(1+10)로 pH를 2 이하로 낮추고 Na2SO4를 사용하여 잔류염소를 제거한 후 분석하였으며, 24시간 이내로 분석이 불가능한 경우에는 4℃ 냉장고에서 보관하였다가 분석하였다.
- 오존공정의 운용비용을 구성하는 항목은 전력비 및 소모품과 수선유지비, 인건비 등이 포함되지만 본 연구에서는 순수하게 오존을 생산하고 접촉하는 데 소비된 전력비용 한 가지에 대하여 오존발생기 및 오존발생기 유입 전처리공정의 전력량을 적산전력계를 사용하여 경제성 평가를 하였다. Table 3은 오존공정 전력비용 산출방법을 나타내었다.
- 원수 중에 함유된 용존성 유기물질 측정을 위해 0.2㎛ 멤브레인 필터(Sartorius, Germany)로 여과한 후 그 여액을 사용하여 UV-Vis spectrophotometer (UV-2401PC, Shimadzu, Japan)와 TOC analyzer(Sievers 820, Sievers, U.S.A.)를 사용하여 UV254와 DOC를 분석하였다.
- 이러한 정부의 시책에 순응하기 위하여 상수원수 중 용존 유기물질(dissolved organic matter:DOM) 및 이취미를 유발하는 조류의 농도가 낮은 시기에는 전 오존을 주입하지 않음으로써 안정적인 수돗물 생산과 더불어 전력비용(Electric Energy Cost)을 절감코자 오존주입농도별 전력사용량(KWH)와 오존접촉조 유입 유량당 전력사용량을 적산전력계를 이용하여 산정하였는데 오존 접촉시간 25분에서 오존발생 전력은 오존주입비 0.5-2.0 ㎎/L에서 각각 6.0, 6.3, 6.8, 7.0 kwh/day로 나타났다. Table 4는 오존주입농도별 전력사용량(kwh/day)를 나타내었다.
- 전염소 접촉조의 체류시간은 10분에서 30분까지로 조정하였으며, 전오존 접촉조 체류시간은 15분에서 50분까지 조정하여 운전하였다. 오존 발생장치는 OZATⓇ CFS-1A(Ozonia, Swiss)를 이용하였으며, 발생된 오존 양은 오존 모니터(PCI Ozone & Control System Inc.
- 전염소와 전오존을 병행 투입할 경우 전염소는 수질에 따라 1.5-6.0 ㎎/L 사이에서 고정 투입하였고, 전 오존은 0.5-2.0 ㎎/L로 변경하여 투입하고 이때 처리 유량을 1 ㎥/hr에서 3 ㎥/hr로 조절하여 각각의 오염물질에 대한 제거율 실험을 수행하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 Pilot Plant 전염소 접촉조는 스테인레스 재질로 규격 W 500 cm × L 1,000 cm × H 11,200 cm이며, 용량은 0.6 ㎥, 유효용량은 0.5 ㎥으로 하루 최대처리유량은 120 ㎥으로 설계되었다.
이론/모형
- Chlorophyll-a 농도는 원수 중 25 mL의 시료를 취해 조류 측정기(Fluorometer, bbe)로 각각 750, 664, 647, 630 nm에서의 흡광도를 측정하여 trichromatic method (APHA, 1992)의 계산식에 따라 chlorophyll-a의 양을계산하였다.
성능/효과
- 1. 오존투입농도 3.0 ㎎/L에서 ORP 값은 258㎷로서 낙동강 원수 산화환원 전위 값 200±10 ㎷ 값보다 29 %정도 높은 전위 값을 나타내었으며, 오존투입농도 4.0-12.0 ㎎/L 각각 다르게 투입하였을 때의 ORP 값은 낙동강 원수대비 67.9-257.8 %로 크게 증가하여 수중에 존재하는 유기물질 산화 및 난분해성 유기물질의 생물분해 가능한 유기물질로의 전환에 큰 역할을 하는 것으로 나타났다.
- 2. DOC 농도가 3.117~3.739 ㎎/L로서 수질이 좋지 못한 2, 3, 7, 8, 9월에는 전오존투입 농도에 따른 수중의 DOC 농도변화는 오존 투입농도 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 mg/L에서 각각 6.4-14.0 % 제거율을 보였으며, DOC 농도 1.637~2.959 ㎎/L로 수질이 좋은 4, 5, 6, 10월에는 0.3-6.9 % 제거율을 나타내었다. 또한, 전오존의 경우 오존주입 증가율에 따른 DOC 제거율 향상도 미미한 것으로 조사되었다.
- 2010년도 1월에서 10월까지의 공정별 평균 DOC 제거율은 전염소 공정에서 DOC농도가 증가하였다가 전오존 및 침전공정에서 전염소 대비 34%의 제거율을 나타내었고 활성탄 공정에서 다시 한 번 감소하는 것으로 조사되었다.
- 3. 오존 투입농도별 UV254의 변화에서는 오존투입 농도 0.5 ㎎/L에서 13.9-25.9 % 제거율을 보였으며, 오존 1.0 ㎎/L에서는 38.6-51.2 %, 오존 1.5-2.0 ㎎/L 에서는 45.7-55.8 %로서 비슷한 제거율을 보였다. 오존투입 농도가 증가할수록 UV254 제거율도 각각 증가하는 것으로 나타났다.
- 4. THMFP의 경우 2010년 4월 57.01 ㎍/L로서 수질이 좋았던 시기와 9월의 92.22 ㎍/L로서 수질이 악화된 시기의 공정별 데이터를 분석하면 염소에 의한 산화 제거율이 각각 34.0 % 및 37.4 %로 오존에 의한 산화보다 더 큼을 알 수 있어 염소산화로도 소독부산물 전구물질인 THMFP의 제거에는 충분한 것으로 사료된다. 또한 응집침전 개선효과도 염소에 의한 것으로 판단된다.
- 5. 클로로필-a 제거율은 오존주입률 1.0 ㎎/L, 2.0㎎/L, 접촉시간 15분 각각 55.4 %, 60.4 % 제거 가능하였으며, 오존 2.0 ㎎/L, 접촉시간 50분 92.6 % 제거 가능한 것으로 조사되었다.
- 6. 유기물 및 클로로필-a 제거실험에서 도출된 각각의 수질인자 농도 수치를 DOC ＞ 2.5 ㎎/L, THMFP ＞ 70 ㎍/L, Chl-a ＞ 30 ㎎/㎥ 이하로 가정할 경우 2010년 6월 및 10월이 전기한 기준을 충족하는 것으로 나타났다. 이 기간의 2009년 덕산정수장 수돗물 생산량은 각각 18,556,200 ㎥, 18,510,750 ㎥으로 총 37,066,950 ㎥으로 계산되어진다면 파일롯트 플랜트를 이용한 전력사용량 산정실험값과 덕산정수장의 실례를 사용한 전력비용 절감액은 각각 0.
- 7. 본 실험결과에서 유기물질 제거능 및 소독부산물 생성능, 경제성을 고려하여 오존 투입농도를 결정한다면 1 mg/L가 적정 오존 투입농도로 조사되었다.
- 8 %로 크게 증가하여 수중에 존재하는 유기물질 산화 및 난분해성 유기물질의 생물분해 가능한 유기물질로의 전환에 큰 역할을 하는 것으로 나타났다. 또한, 오존투입농도 3.0, 4.0, 6.0, 12.0 ㎎/L의 증가와 함께 잔류 오존농도도 0.7, 1.3, 2.0, 4.1 ㎎/L로 증가하는 것으로 조사되었다. Fig.
- 9 % 제거율을 나타내었다. 또한, 전오존의 경우 오존주입 증가율에 따른 DOC 제거율 향상도 미미한 것으로 조사되었다.
- 8 %로서 비슷한 제거율을 보였다. 오존 투입 농도가 증가할수록 UV254 제거율도 각각 증가하는 것으로 나타났다.
- 오존 투입농도별 UV254의 변화에서는 오존투입 농도 0.5 ㎎/L에서 13.9-25.9 % 제거율을 보였으며, 오존 1.0 ㎎/L에서는 38.6-51.2 %, 오존 1.5-2.0 ㎎/L에서는 45.7-55.8 %로서 비슷한 제거율을 보였다. 오존 투입 농도가 증가할수록 UV254 제거율도 각각 증가하는 것으로 나타났다.
- 8 %로서 비슷한 제거율을 보였다. 오존 투입 농도가 증가할수록 UV254 제거율도 각각 증가하는 것으로 나타났다.
- 오존투입농도 3.0 ㎎/L에서 ORP 값은 258 ㎷로서 낙동강 원수 산화환원 전위 값 200±10 ㎷ 값보다 29%정도 높은 전위 값을 나타내었으며, 오존투입농도 4.0-12.0 ㎎/L 각각 다르게 투입하였을 때의 ORP값은 낙동강 원수대비 67.9-257.8 %로 크게 증가하여 수중에 존재하는 유기물질 산화 및 난분해성 유기물질의 생물분해 가능한 유기물질로의 전환에 큰 역할을 하는 것으로 나타났다.
- 이 기간의 2009년 덕산정수장 수돗물 생산량은 각각 18,556,200 ㎥, 18,510,750 ㎥으로 총 37,066,950 ㎥으로 계산되어진다면 파일롯트 플랜트를 이용한 전력사용량 산정실험값과 덕산정수장의 실례를 사용한 전력비용 절감액은 각각 0.131 kwh/㎥×37,066,950 ㎥ × 67 원/kwh = 325,336,620원 절감 가능하였고, 0.036 kwh/㎥× 37,066,950 ㎥ × 67 원/kwh = 89,405,483원 절감 가능한 것으로 나타났다.
- 이 기간의 2009년 덕산정수장 수돗물생산량은 각각 18,556,200 ㎥, 18,510,750 ㎥으로 총 37,066,950㎥으로 계산되어진다면 파일롯트 플랜트를 이용한 전력사용량 산정실험값과 덕산정수장의 실례를 사용한 전력비용 절감액은 각각 0.131 kwh/㎥× 37,066,950 ㎥× 67 원/kwh = 325,336,620원 절감 가능하였고, 0.036 kwh/㎥× 37,066,950 ㎥ × 67 원/kwh = 89,405,483원 절감 가능한 것으로 나타났다.
- 2008년도 조류농도는 1,2,3월을 제외하고 40 ㎎/㎥이하를 나타내었고, 2009년 조류농도는 1,2,4,12월을 제외하고 40 ㎎/㎥ 이하를 나타내었다. 전체적으로 강수 및 동물성플랑크톤의 출현 시기에 낮은 농도를 유지하는 경향을 나타내었다. Fig.
- 접촉시간별 DOC 제거농도는 15분, 25분, 50분 이상에서는 DOC 제거농도가 유사한 것으로 조사되었으며, DOC농도가 2.0-3.0 ㎎/L 정도의 낮은 시기에는 오존의 산화환원 전위력으로 짧은 접촉시간에도 충분하게 산화를 하는 것으로 판단된다. Fig.
- 클로로필-a 제거율은 오존 주입률 1.0 ㎎/L, 2.0 ㎎/L, 접촉시간 15분 각각 55.4 %, 60.4 % 제거 가능하였으며, 오존 2.0 ㎎/L, 접촉시간 50분 92.6 % 제거 가능한 것으로 조사되었다. 클로로필-a는 전염소 및 전 오존 후 응집침전공정에서 99 % 정도 제거율을 보인다고 알려져 있으며, Fig.
후속연구
- 또한 미래 화석연료의 고갈과 세계 열강의 자원무기화 및 원자재 가격, 환율상승으로 인한 전력 생산비용의 증가가 수돗물 값 상승으로 이어져 시민들의 부담이 가중될 수도 있을 것이다. 이에 수돗물 값의 안정화와 전력비용 절감을 위하여 접촉시간 25분 및 유량 2 ㎥/hr일 때 오존주입비 0.
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