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문제 정의
- scale test 결과를 바탕으로 고도정수처리공정을 구성하였다. PAC+Membrane+F/A 복합공정 구성을 통해 NOM 제거와 후염소 주입을 통한 소독부산물 제어방안을 수립하고자 한다. 복합공정 구성은 부지가 좁은 중･소규모 정수장의 특성상 소요부지가 적은 F/A를 추가 고도정수처리공정을 구성하였다.
- 본 연구는 소독부산물 생성의 전구물질인 NOM을 제거하기 위해 PAC와 막여과시설 및 F/A 복합공정을 구성하였으며, Lab. scale test와 Pilot plant 운전을 통해 고도정수처리공정의 적용 가능성을 평가하고자 한다. Lab.
- 본 연구에서는 조류발생에 따른 NOM 제거와 소독부산물을 제어하기 위해 PAC+Membrane+F/A가 결합된 고도정수처리공정의 적용 가능성을 평가하고자 하였다. 이에 따라 Lab.
- 먹는 물 수질기준 이내로 소독부산물의 발생을 최소로 하기 위해 NOM 농도별 소독부산물 발생특성을 평가하였다. 이를 통해 고도처리를 거친 후 최대로 유출 가능한 NOM 농도를 설정하고자 하며, 후염소 주입의 적용가능성을 평가하고자 한다. 소독부산물 발생특성을 평가하기 위한 Lab.
- 이에 따라 본 연구에서는 조류 대량발생에 따른 문제로 NOM 제거를 위해 분말활성탄(Powdered Activated Carbon, PAC)과 막여과시설 및 F/A (Filter/Adsorber) 복합공정을 적용하였으며, 소독부산물 제어를 위한 후염소 주입방안을 평가하고자 한다.
제안 방법
- PAC+Membrane+F/A 복합공정의 효율을 평가하기 위해 기존 재래식 정수처리공정인 모래여과와 F/A 단독공정을 비교하였으며, Pilot plant 적용방법을 Fig. 2에 나타내었다. 고도처리공정에 사용에 Membrane은 중공사막으로 하이드로필릭 폴리순폰 재질로 이루어져 있으며, 공칭공경은 0.
- Pilot plant 운전은 PAC 혼합조에서 충분한 체류시간을 거친 후 Membrane을 통과하여 막 여과수를 F/A로 유입되도록 구성하였다. PAC와 혼합된 원수는 순환여과방식에 의해 Membrane을 거치도록 하였으며 일부 PAC 혼합조로 순환되도록 운전하였다. 고도정수처리공정 현장 적용 결과를 Table 3 및 Fig.
- 9). Pilot plant 운전은 PAC 혼합조에서 충분한 체류시간을 거친 후 Membrane을 통과하여 막 여과수를 F/A로 유입되도록 구성하였다. PAC와 혼합된 원수는 순환여과방식에 의해 Membrane을 거치도록 하였으며 일부 PAC 혼합조로 순환되도록 운전하였다.
- THMs 분석은 FID (Flame Ionization Detector)와 Rtx 502.2 칼럼(내경 0.25 mm×30 m)이 장착된 Varian 3600 Gas Chromatograph 시스템을 이용하여 Purgeable Organic Compounds in Water by Capillary Column Gas Chromato-graphy (US EPA, 502.2)로 분석하였다.
- 실험에 사용된 NOM 성상은 Humic acid (SIGMA-ALDRICH, CAS 1415-93-6)를 이용하여 제조하였으며, PAC 주입농도별 TOC 제거 특성을 통해 최적의 PAC 주입량을 도출하였다. TOC 유입농도는 북한강 수계에서 채수한 샘플을 분석하여 최대 발생농도를 기준으로 설정하였다. 반응시간은 급속교반 30분으로 설정하였으며, 반응이 종료된 후에는 GF/C filter로 여과하여 TOC를 분석하였다.
- Lab. scale test 결과를 바탕으로 고도정수처리공정을 구성하였다. PAC+Membrane+F/A 복합공정 구성을 통해 NOM 제거와 후염소 주입을 통한 소독부산물 제어방안을 수립하고자 한다.
- scale test는 Jar-test를 이용하여 NOM 제거를 위한 최적 PAC 주입량 도출과 NOM 농도별 소독부산물 발생특성을 알아보았으며, Lab. scale test 결과를 토대로 Pilot plant를 구성하여 현장 적용성을 평가하였다.
- Lab. scale test는 Jar-test를 이용하여 NOM 제거를 위한 최적 PAC 주입량 도출과 NOM 농도별 소독부산물 발생특성을 알아보았으며, Lab. scale test 결과를 토대로 Pilot plant를 구성하여 현장 적용성을 평가하였다.
- 소독부산물 발생특성을 평가하기 위한 Lab. scale test는 NOM 농도별로 실험조건을 구분하였으며, 염소 소독제는 차염소산나트륨 (NaOCl)을 사용하였으며, 반응시간의 경우 정수지의 체류시간을 근거로 설정하였다. 아래 Table 2에 소독부산물 발생 실험조건과 Fig.
- 북한강 수계에서 발생된 최대 NOM 농도를 분석하여 Lab. scale test를 실시하였다. 실험에 사용된 NOM 성상은 Humic acid (SIGMA-ALDRICH, CAS 1415-93-6)를 이용하여 제조하였으며, PAC 주입농도별 TOC 제거 특성을 통해 최적의 PAC 주입량을 도출하였다.
- 이에 따라 Lab. scale test를 통해 NOM 제거를 위한 최적 PAC 주입량을 도출하였으며, 먹는 물 수질감시항목 권고기준 이내로 소독부산물을 제어하기 위해 NOM 최대 잔류농도를 확인하였다. 또한 Pilot plant 운전에서 기존 공정과의 비교를 통해 고도정수처리공정의 적용 가능성을 평가하였으며, 다음과 같이 결론을 도출하였다.
- 막여과시설 유입 전 PAC 혼합조를 설치하여 Lab. scale test에서 도출된 최적 PAC 주입량을 설정 하였다. 막여과시설과 F/A의 구성은 조류발생으로 인한 NOM 뿐만 아니라 이･취미물질을 동시에 제거를 위하여 복합공정을 구성하였다(Choi et al.
- 일반적으로 NOM 흡착에 대한 분말활성탄의 접촉시간은 10분 이내로 알려져 있다(Park, 2006). 그러나 본 연구에서는 조류발생에 따른 NOM 뿐만 아니라 이･취미물질 제거까지 고려하여 안정성 확보를 위해 30 분으로 설정하였다. TOC 초기농도는 5.
- scale test를 통해 NOM 제거를 위한 최적 PAC 주입량을 도출하였으며, 먹는 물 수질감시항목 권고기준 이내로 소독부산물을 제어하기 위해 NOM 최대 잔류농도를 확인하였다. 또한 Pilot plant 운전에서 기존 공정과의 비교를 통해 고도정수처리공정의 적용 가능성을 평가하였으며, 다음과 같이 결론을 도출하였다.
- 이에 따라 전염소 주입 대신 고도처리를 통해 NOM을 제거하고 정수지 이전에 후염소를 주입하는 방안을 고려하였다. 먹는 물 수질기준 이내로 소독부산물의 발생을 최소로 하기 위해 NOM 농도별 소독부산물 발생특성을 평가하였다. 이를 통해 고도처리를 거친 후 최대로 유출 가능한 NOM 농도를 설정하고자 하며, 후염소 주입의 적용가능성을 평가하고자 한다.
- TOC 유입농도는 북한강 수계에서 채수한 샘플을 분석하여 최대 발생농도를 기준으로 설정하였다. 반응시간은 급속교반 30분으로 설정하였으며, 반응이 종료된 후에는 GF/C filter로 여과하여 TOC를 분석하였다. 실험에 사용된 PAC는 석탄계열로 된 분말활성탄을 사용하였으며, 200 mesh에서 체잔류물이 10% 이하, 요오드흡착력 950 mg/g 이상, 메틸렌블루 탈색력 150 mL/g 이상인 제품을 사용하였다.
- PAC+Membrane+F/A 복합공정 구성을 통해 NOM 제거와 후염소 주입을 통한 소독부산물 제어방안을 수립하고자 한다. 복합공정 구성은 부지가 좁은 중･소규모 정수장의 특성상 소요부지가 적은 F/A를 추가 고도정수처리공정을 구성하였다. 막여과시설 유입 전 PAC 혼합조를 설치하여 Lab.
- 4에 나타내었다. 소독부산물은 THMs와 HAAs 농도 측정을 통해 확인하였다. TOC 농도 0.
- 조류의 발생으로 정수장에 NOM이 대량 유입될 경우 현재 조류사멸의 목적으로 착수정에 전염소를 투입하는 기존의 정수처리공정은 공정 내에 소독부산물 생성을 증가시킬 수 있다. 이에 따라 전염소 주입 대신 고도처리를 통해 NOM을 제거하고 정수지 이전에 후염소를 주입하는 방안을 고려하였다. 먹는 물 수질기준 이내로 소독부산물의 발생을 최소로 하기 위해 NOM 농도별 소독부산물 발생특성을 평가하였다.
대상 데이터
- 45 μm 여과지로 고형물을 분리하였다. 소독부산물은 THMs와 HAAs를 측정하였다. THMs 분석은 FID (Flame Ionization Detector)와 Rtx 502.
- scale test를 실시하였다. 실험에 사용된 NOM 성상은 Humic acid (SIGMA-ALDRICH, CAS 1415-93-6)를 이용하여 제조하였으며, PAC 주입농도별 TOC 제거 특성을 통해 최적의 PAC 주입량을 도출하였다. TOC 유입농도는 북한강 수계에서 채수한 샘플을 분석하여 최대 발생농도를 기준으로 설정하였다.
- 반응시간은 급속교반 30분으로 설정하였으며, 반응이 종료된 후에는 GF/C filter로 여과하여 TOC를 분석하였다. 실험에 사용된 PAC는 석탄계열로 된 분말활성탄을 사용하였으며, 200 mesh에서 체잔류물이 10% 이하, 요오드흡착력 950 mg/g 이상, 메틸렌블루 탈색력 150 mL/g 이상인 제품을 사용하였다. Table 1에는 NOM 제거를 위한 Lab.
이론/모형
- HAAs의 경우 ECD (Electronic Capture Detector)와 HP-1칼럼(내경 0.25mm×길이 60m)이 장착된 Gas Chromatograph를 이용하여 Microextraction method (US EPA, 552)로 분석하였다.
- TOC 분석의 경우 Dohrmann TOC 분석기 (Dohrmann Phoenix 8000)을 이용하여 Persulfate-Ultraviolet Oxidation method로 분석하였으며, 분석 전 시료는 0.45 μm 여과지로 고형물을 분리하였다.
성능/효과
- 1) 조류발생에 따른 NOM과 Geosmin의 제거는 기존 재래식 정수처리공정으로 먹는 물 수질감시항목 권고기준 이하를 준수하기 어려우며, 단독 F/A공정은 Geosmin 제거가 가능하지만 NOM 제거는 어려운 것으로 나타났다.
- 2) PAC+Membrane+F/A 복합공정을 구성할 경우 TOC 초기농도 5 mg/L에서 THMs 0.1 mg/L 이하를 유지하기 위한 최적의 PAC 주입량은 20 mg/L가 적절할 것으로 판단되며, 소독부산물 생성을 억제하기 위해 PAC 전처리가 필요할 것으로 사료된다.
- F/A공정을 단독으로 운전하였을 경우 기존 재래식 정수 처리공정에 비해 TOC, Geosmin 제거효율이 높았으며, Geosmin의 경우 먹는 물 수질감시항목 권고기준인 20 ng/L 이하를 만족하는 것으로 나타났다.
- 036 mg/L의 유출농도를 나타냈다. Geosmin 유출농도는 최소, 최대, 평균이 각각 10.0, 18.0 13.5 ng/L로 관측되었다.
- Mode 1에서는 기존 재래식 정수처리공정인 취수정, 착수정, 모래여과, 정수지로 이루어져 있다. Mode 1에서 TOC 제거특성은 최소, 최대, 평균 유출농도가 각각 0.973, 1.543, 1.284 mg/L를 나타냈으며, Geosmin의 경우 최소, 최대, 평균 유출농도가 20.0, 72.0, 43.7 ng/L를 보였다. Mode 2는 F/A공정을 단독으로 운전하였으며, TOC 제거특성은 최소 0.
- 173 mg/L를 나타내었다. PAC 주입량 20 mg/L에서 TOC 평균농도가 급격히 감소하는 것을 확인하였다. PAC 주입량 20, 25, 30 mg/L에서 TOC 제거효율은 각각 94.
- PAC 주입량 20 mg/L에서 TOC 평균농도가 급격히 감소하는 것을 확인하였다. PAC 주입량 20, 25, 30 mg/L에서 TOC 제거효율은 각각 94.0, 96.0, 96.5%로 높은 제거효율을 보였다. 기존 연구를 고찰한 결과 표면이 개질된 PAC를 이용한 DOC 제거에 관한 연구에서 DOC 제거효율이 75%로 나타났으며, PAC 칼럼을 통해 대부분 유기물 제거가 이루어진다고 보고하고 있다(Kim and Seo, 2011).
- PAC+Membrane+F/A 복합공정은 운전한 결과 TOC와 Geosmin의 최소, 최대, 평균 유출농도가 각각 0.621, 0.892, 0.732 mg/L 및 0, 6.0, 2.4 ng/L로 나타났다. 재래식 정수 처리공정 및 단독 F/A공정과 제거특성을 비교한 결과 TOC는 Lab.
- 재래식 정수 처리공정 및 단독 F/A공정과 제거특성을 비교한 결과 TOC는 Lab. scale test 결과에서 도출된 1.0 mg/L 이하를 만족하였으며, Geosmin의 경우에도 권고기준을 만족하는 결과를 보였다.
- , 1998). 따라서 PAC 주입량에 따른 TOC 제거특성을 평가한 결과 최적의 PAC 주입량은 20 mg/L로 유지하는 것이 적절하다고 판단된다.
- , 2009). 본 실험결과를 토대로 THMs의 먹는 물 수질기준(0.1 mg/L)을 만족하기 위해서는 TOC 1.0 mg/L 이하로 유지되어야 할 것으로 판단된다. Stewart et al.
후속연구
- 3) 조류 대량발생 시 여과지 막힘 현상과 염소 주입에 따른 소독부산물 생성 등의 문제는 PAC+Membrane+F/A 복합공정 적용으로 제어가 가능할 것으로 사료되며, 본 연구의 결과가 먹는 물 수질기준을 준수하기 위한 하나의 대안이 될 수 있을 것으로 판단된다.
- (2003)의 연구에서는 기존 재래식 정수처리공정에서 NOM 제거율을 향상시킬 필요성이 있다고 보고하고 있어 안정성이 보장되어야 하는 중･소규모 정수장에도 고도정수처리공정 적용이 필요할 것으로 판단된다. 이에 따라 소독부산물 제어를 위한 NOM 및 이･취미물질 제거를 위해 PAC+ Membrane+F/A가 결합된 복합공정을 적용하는 것이 가능할 것으로 사료된다.
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