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문제 정의
- 공급과정에서의 잔류염소 농도는 환경부의 맛있는 물 가이드라인과 일본 동경도의 유리잔류 염소 관리 목표인 0.1 ~ 0.4 mg/L과 동일하게 설정하였고, 이를 달성하기 위한 적정 재염소 지점 및 주입농도를 도출하고자 하였다.
- 재염소 시설은 급배수시스템에서 적정 잔류염소 확보를 위해 추가적으로 염소를 주입하는 시설로서, 본 연구에서는 잔류염소 조절이 가장 어려운 최악 조건에서 적정 재염소 주입 지점 및 농도를 모의하였다.
- 본 논문에서는 수돗물 공급과정에서의 고농도 잔류염소 농도 유지로 발생할 수 있는 염소 냄새와 소독부산물 농도 등을 줄이기 위하여 공급과정에서의 잔류염소 농도를 저감하고 균등화하는 방안을 연구하였다.
제안 방법
- 이를 위해 lab test를 통해 도출한 수체감소 계수와 systematic analysis method로 도출한 관벽감소 계수를 이용하여 대상지역의 잔류염소 저감 및 균등화를 위한 재염소 주입시설의 필요성에 대해 검토하였으며, 시설 설치가 가능한 지점을 선정하고 재염소 주입량 및 잔류염소 농도 변화에 대해 고찰하였다.
- 잔류염소 감소특성 분석을 위한 수체감소 계수는 Table 1의 3개 정수장을 대상으로 분석하였으며, 공급과정에서의 관벽감소 계수 산정은 ES 정수장 공급계통만을 대상으로 실시하였다.
- 제주도에는 16개의 정수장이 있으며(Jeju Province, 2014; MOE, 2013), 이중 지하수, 용천수, 지표수의 원수 수질을 대표하는 3개 정수장을 선정하여 수체에서의 잔류염소 감소특성을 고찰하였다.
- 제주도에는 16개의 정수장이 있으며(Jeju Province, 2014; MOE, 2013), 이중 지하수, 용천수, 지표수의 원수 수질을 대표하는 3개 정수장을 선정하여 수체에서의 잔류염소 감소특성을 고찰하였다. 또한, 지표수를 수원으로 하는 ES 정수장의 공급 관로를 대상으로 공급과정에서의 관벽에의한 잔류염소 농도 감소 특성, 수돗물 공급과정에서의 잔류염소 농도 저감 특성 및 재염소 주입방안 등을 EPANET을 활용하여 고찰하였다.
- 시료병은 질산세척 후 초순수로 깨끗이 씻고 120 ℃에서 2시간 건조 후 사용하였으며, 시료 59 mL를 채우고 NaOCl을 이용하여 유리잔류염소 농도를 1 mg/L로 주입한 후 밀봉하고 온도조건을 5 ℃, 15 ℃, 25 ℃로 설정한 배양기를 이용하여 일정한 온도 조건에서 실험을 실시하였다.
- 또한 현장에서의 실측 잔류염소 농도와 EPANET2.0로 모의한 해당 지역 예측 잔류염소 농도를 비교하여 관벽감소 계수를 구하였다.
- 연구 대상인 ES 정수장 급배수계통에서의 관경, 관의 길이, 고도, 용수공급량 등 관로에 대한 수리해석을 시행하고 그 결과를 바탕으로 EPANET2.0로 관망도를 구축하였다(Fig. 1 참조).
- 반응시간이 증가함에 따라 잔류염소 감소가 완만해지므로 24시간 이전에는 측정간격을 짧게 하고, 24시간 이후에는 측정간격을 늘려가면서 최종 145시간까지 유리잔류염소를 측정하였다.
- 실험실 조건에서의 수체감소 계수 도출을 위하여 Table 1에 표시된 3개 정수장에서 염소 소독 전에 채수한 시료를 대상으로 3가지 온도 조건에서 serum bottle(70 mL)을 이용하여 bottle test를 실시하였다. 시료병은 질산세척 후 초순수로 깨끗이 씻고 120 ℃에서 2시간 건조 후 사용하였으며, 시료 59 mL를 채우고 NaOCl을 이용하여 유리잔류염소 농도를 1 mg/L로 주입한 후 밀봉하고 온도조건을 5 ℃, 15 ℃, 25 ℃로 설정한 배양기를 이용하여 일정한 온도 조건에서 실험을 실시하였다.
- 각 온도별로 145 hr까지 일정 간격으로 잔류염소 농도를 측정하였다. 반응시간이 증가함에 따라 잔류염소 감소가 완만해지므로 24시간 이전에는 측정간격을 짧게 하고, 24시간 이후에는 측정간격을 늘려가면서 최종 145시간까지 유리잔류염소를 측정하였다.
- 구축된 관망도에 잔류염소의 수체감소 계수와 관벽감소 계수를 입력하고 실제 용수공급량과 수온에 따른 주요 지점별 잔류염소 농도를 예측함으로써 대상지역의 재염소 시설 설치의 필요성과 재염소 시설 설치에 따른 잔류염소 농도변화에 대해서 모의하였다.
- Arrhenius equation을 이용하여 Fig. 3과 같은 상관관계식이 도출되었으며, 이를 토대로 ES 정수장 공급계통에서의 수온별 수체감소 계수를 구하였다.
- 현장조사시의 수온인 19.9 ℃를 바탕으로 Arrhenius equation으로 추정한 ES 정수장의 수체감소 계수(kb) -0.1188 d-1를 적용하여 EPANET으로 모의한 다음, 보정과정을 통하 여 관벽감소 계수(kw)를 도출하였으며, 결과는 Table 3과 같다.
- 용수공급량의 경우 실제 주요 지점의 수도계량기 검침량 자료를 이용하여 분석자료의 신뢰도를 향상 시켰다.
- ES 동부관로에서 계절별 재염소가 필요한 시기를 예측하기 위해 수온 10 ℃, 15 ℃, 20 ℃, 25 ℃의 조건에서 잔류염소 농도에 대해 모의하였다.
- 제주지역의 3개 정수장을 대상으로 잔류염소 수체감소 계수를 산정하고 지표수를 정수처리하는 ES 정수장 공급계통에서의 관벽감소를 도출한 후, EPANET 모델을 이용하여 재염소 주입을 통한 잔류염소 농도 균등화 방안을 연구하였으며, 주요 내용은 아래와 같다.
대상 데이터
- 본 연구는 제주도 지역을 대상으로 실시하였으며 제주도의 상수원은 국내 육지부와는 다르게 대부분 지하수 또는 용천수에 의존하고 있다.
이론/모형
- 관벽감소 계수 도출을 위한 방법으로는 informal adjustment, heuristic method, systematic analysis method 등을 고려할 수 있는 데 본 연구에서는 조건의 제약을 적게 받으며 적용가능 범위가 비교적 넓은 추정법인 systematic analysis method를 이용하여 관벽감소 계수를 도출하였다.
- 한편, 유리잔류염소 농도는 HACH사의 pocket colorimeter II를 이용하여 DPD법으로 측정하였다.
- 이를 통해 도출된 3개 온도에서의 수체감소 계수 값에 Arrhenius equation을 적용하여 실제 공급과정 수온에서의 수체감소 값을 추정하였다(Powell et al., 2000).
성능/효과
- 특히, 유기물 지표인 과망간산칼륨 소비량의 경우 NW, GJ 정수장에서는 불검출되었으며, ES 정수장에서도 소량 검출되어 전체적으로 유기물의 농도가 낮은 것으로 나타났다.
- 잔류염소는 전반적으로 반응 초기에 급격한 감소를 보이고 이후 완만하게 감소하였으며, 온도가 높을수록 감소량도 증가하였다.
- 지표수를 상수원으로 하는 ES 정수장의 경우 초기 잔류염소의 감소 경향이 뚜렷하게 나 타났으며, GJ 정수장의 경우도 유사한 반응을 보였다.
- Arrhenius equation에 의해 도출된 3.0 ℃에서의 수체감소 계수 -0.0651 d-1를 대상으로 검증한 결과, 동부관로의 경우 체류시간이 가장 긴 E5 지점에서 오차율이 19.05 %로 가장 크게 나타났으며 서부관로의 경우 W12 지점에서 가장 큰 오차율을 나타냈으나, 모든 지점에서의 오차율은 20 % 미만이었다.
- 이 지점의 잔류염소를 0.1 mg/L 이상으로 유지시키기 위해 정수장의 잔류염소를 0.4 mg/L로 낮추고 E5, E6 지선이 분기되는 지점 앞에 재염소 시설을 설치할 경우 모든 지점에서 기준을 만족시킬 수 있었으며 최소 0.42 mg/L의 재염소 주입이 필요할 것으로 판단된다.
- 따라서 동부관로에서는 잔류염소 확보가 가장 취약한 E5, E6 지선이 분기되는 지점 앞에 재염소 시설을 설치하는 것이 효율적이며 서부관로에서는 W21 지선이 분기되는 지점에서 재염소를 주입하면 W25 지점까지 0.1 mg/L 이상의 잔류염소 농도 유지가 가능할 것으로 모의되었다.
- 본 연구에서 수온 조건은 최악조건으로 하고 수량조건은 평균 공급량을 고려하였는데, 일일 최소공급량으로 모의할 경우에는 관내 체류시간이 증가되어 재염소 주입량은 더 증가될 것으로 예상된다.
- 정수장의 잔류염소 농도를 동부관로와 마찬가지로 0.4 mg/L로 조정하고 재염소를 W21 지선으로 분기되기 전에 주입하는 것으로 모의한 결과, 적정 재염소 주입 농도는 0.27 mg/L로 예측되었다.
- 1. 잔류염소 수체감소 실험결과, 염소 주입 후 급격한 감소를 보이고 20시간 후에는 완만한 감소를 보였으며, 수온이 높을수록 감소량도 증가하였다.
- 2. 관벽감소 계수를 추정한 결과 서부관로의 경우 W25 지점이 -1.44 m/d로 가장 높게 나타났으며, W21, W12, W8 지점에서 각각 -0.17, -0.23, -0.63 m/d의 분포를 보였다.
- 3. EPANET2.0에 도출된 계수 값을 적용하여 최악의 조건으로 잔류염소 농도를 모의한 결과 모든 지점에서 0.1 mg/L 이상의 잔류염소를 유지하기 위해서는 정수장에서 최소 1.9 mg/L 이상의 잔류염소가 필요하므로 쾌적한 수돗물 공급을 위해서는 재염소 시설 설치가 필요할 것으로 판단되었다.
- 4. 재염소 주입시설을 설치할 경우, 적정 지점은 동부의 경우 E5과 E6 지점이 분기되는 주송수관로 이전이며 서부의 경우 W21 지점으로 분기되기 전이 적절할 것으로 예측되었다.
- 현재 운영조건에서 적정 재염소 주입농도는 동부 0.42 mg/L, 서부 0.27 mg/L로 산정되었으며, 재염소 주입을 통해 정수장으로부터 관말 분기점까지 잔류염소 농도가 균등하게 분포되는 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
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