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문제 정의
- 소금물로부터 소독제를 생산하는 전기화학적 소독공정은 운전의 편의성과 관리의 용이성 때문에 국내광역 상수도 재염소시설 및 소규모 정수시설에 적용되고 있으며, 강원도 소규모정수장에서도 이 방법을 주로 사용하고 있는데 본 연구에서 조사결과 전체 소독부산물 구성 비율을 보면, chlorate 76%, THMs 14%, bromate 6%, HAAs 4%, HANs 1%, CHD 1%로서 chlorate 구성 비율이 가장 높았고 bromate 구성 비율이 할로아세틱보다 높은 것으로 나타났다. 전기화학적 소독공정에서 소독장치에 따라 소독부산물의 생성에 차이가 있으나 본 연구는 강원도내 정수장에서의 일반적인 특성을 분석하기 위한 목적에서 진행된 연구로서 각 정수장별 소독장치의 차이에 대한 부산물생성 특성보다는 소금물로부터 소독제를 생산하는 전기화학적 소독공정을 사용하는 정수시설은 산화성부산물이 생성될 수 있다는 것을 보여주고 있으며, 이와 같은 결과는 문헌(Siddiqui, 1996)에 보고된 바 있다.
제안 방법
- DOC 농도는 0.45 μm membrane filter(Whatman)로 여과후 TOC analyzer (Multi N/C 3000)를 이용하였으며 UV254는 DU 800 Spectrophotometer(Beckman)로 측정하였다.
- SUVA254 값에 따른 부산물 생성특성은 SUVA254값 2L/mg･m 미만(n=17)과 2 L/㎎․m 이상(n=23)으로 분류하여 각 소독부산물의 전체 구성비를 비교하였는데 Fig.3과 같이 SUVA254 값이 2 L/㎎.m 이상일 경우 THMs과 bromate의 비율이 증가하는 것으로 나타났다.
- 그리고 bromide의 존재로 인하여 THMs 종 구성에 영향이 있을 것으로 예상하여 bromide 함량에 따는 THMs 종 구성을 조사하였다. Bromide의 THMs 종 구성에 대한 영향은 Fig.
- 소독부산물로서 분석한 항목은 Trihalomethanes(THMs), Chloroform(CF), Bromodichloromethane(BDCM), Dibromochloromethane (DBCM), Bromoform(BF), Haloacetic acids(HAAs), Dibromoacetonitril, Dichloroacetonitril, Choral Hydrate(CH), Trichloroacetic acid 이었다. 분석항목 중 chlorate, bromate는 IC(Ion chromatography 5000)로 측정하였으며 나머지 부산물들은 GC(Gas chromatography) 로 측정하였다.
- 원수는 pH, DOC(Dissolved Organic Carbon), UV254, bromide를 분석하였다. Bromide 측정은 IC(Ionchromatography 5000)를 이용하였고 SUVA254(Specific Ultraviolet Absorbance)는 US EPA의 National Primary Drinking Water Regulation(2009)에 따라 DOC와 UV254 값으로부터 아래와 같은 식을 이용하여 계산하였다.
- 원수의 bromide 농도를 3단계(under 10(n=11), 10~15(n=19), over 20(n=10)μg/L)로 나누어 bromide 농도별로 소독부산물에 대한 영향을 분석하였다.
- 잔류염소 측정은 시료채취 시 현장에서 측정하였고 (HACH Chlorine Pocket Colorimeter Ⅱ), 수소이온 농도는 pH meter로 측정하였다. DOC 농도는 0.
- 정수의 수질분석은 소독부산물 14개 항목에 대하여 측정하였다. HAAs (Haloacetic acid)는 trichloroacetic acid, bromodichloroacetic acid, dibromoacetic acid의 합으로 나타냈으며, HANs(haloacetonitrile)는 dibromoacetonitrile, dichloroacetonitrile, trichloroacetonitrile의 합으로 나타냈다.
대상 데이터
- 수질분석은 먹는물수질공정 시험방법(Ministry of Environment, 2011b)과 수질오염공정시험법(Ministry of Environment, 2011a), EPA Method(US EPA, 2000) 등에 따라 분석하였다. DOC를 비롯한 일반 이화학적 성분과 무기이온류 성분분석용을 위한 시료는 무균 폴리에틸렌 채수병을 이용하였고, DBPs 분석용 시료채취는 유리병을 이용하였다.
- 본 연구에서는 강원도내의 정수장 중에서 전기분해시 발생되는 소독제를 사용하는 40개 정수시설을 대상으로 THMs, chlorate, bromate의 생성 현황을 조사하였으며 전기분해 시설별 소독부산물의 생성특성은 본 연구의 범위에서 제외되었다.
- 연구에 필요한 시료는 강원도내 정수장 중에서 전기분해를 사용하여 소독하는 정수장 40개소에서 현장을 방문하여 시료를 채취하였다. 수질분석은 먹는물수질공정 시험방법(Ministry of Environment, 2011b)과 수질오염공정시험법(Ministry of Environment, 2011a), EPA Method(US EPA, 2000) 등에 따라 분석하였다.
이론/모형
- 원수는 pH, DOC(Dissolved Organic Carbon), UV254, bromide를 분석하였다. Bromide 측정은 IC(Ionchromatography 5000)를 이용하였고 SUVA254(Specific Ultraviolet Absorbance)는 US EPA의 National Primary Drinking Water Regulation(2009)에 따라 DOC와 UV254 값으로부터 아래와 같은 식을 이용하여 계산하였다.
- 연구에 필요한 시료는 강원도내 정수장 중에서 전기분해를 사용하여 소독하는 정수장 40개소에서 현장을 방문하여 시료를 채취하였다. 수질분석은 먹는물수질공정 시험방법(Ministry of Environment, 2011b)과 수질오염공정시험법(Ministry of Environment, 2011a), EPA Method(US EPA, 2000) 등에 따라 분석하였다. DOC를 비롯한 일반 이화학적 성분과 무기이온류 성분분석용을 위한 시료는 무균 폴리에틸렌 채수병을 이용하였고, DBPs 분석용 시료채취는 유리병을 이용하였다.
성능/효과
- 그리고 bromide의 존재로 인하여 THMs 종 구성에 영향이 있을 것으로 예상하여 bromide 함량에 따는 THMs 종 구성을 조사하였다. Bromide의 THMs 종 구성에 대한 영향은 Fig. 8과 같이 bromide 함량이 높을수록 THMs 구성 성분 중 BDCM과 DBCM의 구성비율이 높아지는 것으로 나타났다.
- 전체 소독부산물 구성 비율을 보면, chlorate 76%, THMs 14%, bromate 6%, HAAs 4%, HANs 1%, CHD 1%로서 chlorate 구성 비율이 가장 높았다. Bromide의 영향은 THMs 종 구성 성분 중 원수의 bromide 함량이 높아질수록 정수에서는 브롬치환성분인 BDCM과 DBCM 구성비율이 높아졌으나 원수의 bromide 존재로 인한 THMs의 실질적 증가는 BDCM 또는 DBCM 보다는 Chloroform(CF)의 증가로 인한 것으로 나타났다.
- 그리고 원수에 존재하는 bromide로 인하여 THMs 생성이 증가하였는데 이러한 증가는 THMs 구성 성분 중에서 BDCM과 DBCM의 증가로 인한 결과인 것으로 나타났다. THMs 성분 중에서 농도측면에서 BDCM과 DBCM이 차지하는 비중은 현저히 작게 나타났으며 원수의 bromide 존재로 인한 THMs의 실질적 증가는 CF의 증가로 인한 것으로 나타났다.
- THMs 조성에 미치는 SUVA254값의 영향은 SUVA254 2 L/mg･m을 기준으로 비교하였을때 2 L/mg･m 이상에서 2 L/mg･m 미만일 경우에 비하여 BDCM과 DBCM 비율은 감소한 반면 CF 비율은 증가하였다. 이러한 현상은 원수의 bromide 농도에 따라서도 bromide 함량이 높을수록 BDCM과 DBCM 비율은 감소한 반면 CF 비율은 증가하는 유사한 경향을 나타났다.
- 각 소독부산물의 분석결과는 Table 3에 한국, 일본, WHO의 규제치와 함께 요약되어 있으며 chlorate 0~157.0 μg/L, bromate 0~22.6 μg/L, THMs 0~22 μg/L로 나타났으며 일부 정수시설에서 산화성 부산물인 chlorate 와 bromate가 검출되었고 발암유발물질로 알려진 bromate는 먹는물감시항목 기준 (BrO3 10 μg/L)을 초과하는 경우도 있었다.
- 강원도내 소금물 전기분해에 의한 소독을 실시하는 40개 정수장을 대상으로 조사한 결과 SUVA254 값과 DOC 농도와의 상관관계는 뚜렷하지 않았다. 전체 소독부산물 구성 비율을 보면, chlorate 76%, THMs 14%, bromate 6%, HAAs 4%, HANs 1%, CHD 1%로서 chlorate 구성 비율이 가장 높았다.
- 2는 THMs 생성에 미치는 원수의 DOC의 영향을 나타낸 그림으로 DOC의 상관관계가 뚜렷하게 나타나고 있지 않아 THMs 생성에 DOC 외의 다른 영향들이 있음을 알 수 있다. 그리고 원수에 존재하는 bromide로 인하여 THMs 생성이 증가하였는데 이러한 증가는 THMs 구성 성분 중에서 BDCM과 DBCM의 증가로 인한 결과인 것으로 나타났다. THMs 성분 중에서 농도측면에서 BDCM과 DBCM이 차지하는 비중은 현저히 작게 나타났으며 원수의 bromide 존재로 인한 THMs의 실질적 증가는 CF의 증가로 인한 것으로 나타났다.
- 본 연구 대상인 소금물 전기분해를 이용하는 40개 정수시설에서의 원수의 수질분석결과는 Table 2에서와 같이 원수의 pH는 6.1~8.3의 분포로 나타났고, DOC의 범위는 0.081~1.244 mg/L 이었다. UV254 범위는 0.
- 소금물로부터 소독제를 생산하는 전기화학적 소독공정은 운전의 편의성과 관리의 용이성 때문에 국내광역 상수도 재염소시설 및 소규모 정수시설에 적용되고 있으며, 강원도 소규모정수장에서도 이 방법을 주로 사용하고 있는데 본 연구에서 조사결과 전체 소독부산물 구성 비율을 보면, chlorate 76%, THMs 14%, bromate 6%, HAAs 4%, HANs 1%, CHD 1%로서 chlorate 구성 비율이 가장 높았고 bromate 구성 비율이 할로아세틱보다 높은 것으로 나타났다. 전기화학적 소독공정에서 소독장치에 따라 소독부산물의 생성에 차이가 있으나 본 연구는 강원도내 정수장에서의 일반적인 특성을 분석하기 위한 목적에서 진행된 연구로서 각 정수장별 소독장치의 차이에 대한 부산물생성 특성보다는 소금물로부터 소독제를 생산하는 전기화학적 소독공정을 사용하는 정수시설은 산화성부산물이 생성될 수 있다는 것을 보여주고 있으며, 이와 같은 결과는 문헌(Siddiqui, 1996)에 보고된 바 있다.
- 소독부산물로서 분석한 항목은 Trihalomethanes(THMs), Chloroform(CF), Bromodichloromethane(BDCM), Dibromochloromethane (DBCM), Bromoform(BF), Haloacetic acids(HAAs), Dibromoacetonitril, Dichloroacetonitril, Choral Hydrate(CH), Trichloroacetic acid 이었다. 분석항목 중 chlorate, bromate는 IC(Ion chromatography 5000)로 측정하였으며 나머지 부산물들은 GC(Gas chromatography) 로 측정하였다.
- 그런데 전기분해로 생성된 소독수를 실제 투입하였을 경우 생성되는 소독부산물 가운데 위의 4종류의 부산물농도는 먹는물수질기준이하로 나타났으며 현장에서는 희석하여 사용한다는 점을 감안할 때 전기분해방식에 의한 소독과정이 소독부산물의 생성에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다 (Cho, 2013). 소독부산물의 생성은 잔류염소농도가 높을수록 높게 나타났는데, 잔류염소 농도 0.1 ppm~ 1 ppm 범위에서 THMs 생성량은 검출한계 이하로 나타났다. 그리고 HAAs는 0.
- 2 L/mg･m을 기준으로 비교하였을때 2 L/mg･m 이상에서 2 L/mg･m 미만일 경우에 비하여 BDCM과 DBCM 비율은 감소한 반면 CF 비율은 증가하였다. 이러한 현상은 원수의 bromide 농도에 따라서도 bromide 함량이 높을수록 BDCM과 DBCM 비율은 감소한 반면 CF 비율은 증가하는 유사한 경향을 나타났다. chlorate와 bromate의 생성 특성은 전기분해과정에서의 운전조건에 따라 차이가 있으므로 이에 대한 추가적인 연구는 현재 진행 중에 있다.
- 전체 부산물 구성비로 분석한 결과는 Fig. 6과 같으며 bromate의 생성은 bromide 15 μg/L 이상에서 큰 폭으로 증가하는 것으로 나타났다.
- 값과 DOC 농도와의 상관관계는 뚜렷하지 않았다. 전체 소독부산물 구성 비율을 보면, chlorate 76%, THMs 14%, bromate 6%, HAAs 4%, HANs 1%, CHD 1%로서 chlorate 구성 비율이 가장 높았다. Bromide의 영향은 THMs 종 구성 성분 중 원수의 bromide 함량이 높아질수록 정수에서는 브롬치환성분인 BDCM과 DBCM 구성비율이 높아졌으나 원수의 bromide 존재로 인한 THMs의 실질적 증가는 BDCM 또는 DBCM 보다는 Chloroform(CF)의 증가로 인한 것으로 나타났다.
후속연구
- 이러한 현상은 원수의 bromide 농도에 따라서도 bromide 함량이 높을수록 BDCM과 DBCM 비율은 감소한 반면 CF 비율은 증가하는 유사한 경향을 나타났다. chlorate와 bromate의 생성 특성은 전기분해과정에서의 운전조건에 따라 차이가 있으므로 이에 대한 추가적인 연구는 현재 진행 중에 있다.
- 문헌에 의하면(von Gunten, 2003), 원수에 bromide가 포함되어 있을 경우 오존처리를 하면 부산물로서 bromate가 생성될 수 있다. 본 연구에서 원수에 없던 bromate가 정수에서 검출된 것을 볼 때, 소금을 이용한 전기분해과정에서 bromate가 생성되었을 것으로 판단되며 bromate의 생성을 방지하기 위해서는 bromide의 전처리 또는 전기분해 인가전압의 조절과 같은 대책이 필요할 것이다.
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