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문제 정의
- 보다 정확한 저수조 내의 잔류염소 감소를 파악하기 위해 수체 내의 반응과 저수조에 존재하는 기체 내 잔류염소와의 관계를 살펴보았다. 이 때, 회분식 반응기에서 유도된 잔류염소 반응은 식 (9)와 같다.
- 본 연구에서는 국내 수돗물 조건에서 수체 내 분해반응, 증발(탈기)반응, 흡착반응에 대한 감소 계수 값을 도출하였으며, 이를 기반으로 기작별 잔류염소 감소계수 산정식을 제시하였다. 또한, 실지 저수조 스케일에서 온도(5~25°C)에 따른 단수와 무단수 조건에서의 잔류염소 거동을 해석해보았다.
가설 설정
- 기작별 도출된 계수 값을 이용하여 저수조에서의 잔류염소 거동 시뮬레이션을 시행하였다. 서울시 대형 저수조를 기준으로 저수조 용량을 1280ton으로 가정하고 각각 높이(H; height): 5m, 폭(W; width): 16m, 길이(L; length): 16m로 설정하였다. 시뮬레이션 연구에서 저수조 내에 수돗물 유출입이 존재하는 일반적인 경우는 연속교반탱크반응기(CSTR; Continuous Stirred Tank Reactor)로 간주하였고, 화재 및 지진 등의 자연재해로 인한 단수 상태는 회분식반응기(Batch Reactor)로 가정을 하고 진행하였다.
- 서울시 대형 저수조를 기준으로 저수조 용량을 1280ton으로 가정하고 각각 높이(H; height): 5m, 폭(W; width): 16m, 길이(L; length): 16m로 설정하였다. 시뮬레이션 연구에서 저수조 내에 수돗물 유출입이 존재하는 일반적인 경우는 연속교반탱크반응기(CSTR; Continuous Stirred Tank Reactor)로 간주하였고, 화재 및 지진 등의 자연재해로 인한 단수 상태는 회분식반응기(Batch Reactor)로 가정을 하고 진행하였다.
제안 방법
- 개방형 플라스크에서 교반으로 공기-물 물질이동이 큰 조건에서 수체 내 분해 반응과 탈기 반응의 복합 현상을 관찰하였다(b). 실험(c)는 반응조(b)와 동일한 조건에서 추가적으로 저수조에 사용되는 벽체 소재를 포함하여 재질의 변화에 따른 현상을 살펴보았다. 본 연구에서는 Stainless Steel (STS; 1.
- 각각의 반응에서의 수체 내 분해계수(KBulk), 증발(탈기)계수(Kaw), 벽체 흡착계수(Kwall) 값을 산정하기 위해 저수조 내에서의 다음의 세가지 수학적 반응식을 사용하였다.
- 수체 내 분해 반응만을 관찰하기 위해서 증발을 억제하고 벽체 흡착이 거의 없는 serum bottle (160 mL)을 이용한 실험을 수행하였다(a). 개방형 플라스크에서 교반으로 공기-물 물질이동이 큰 조건에서 수체 내 분해 반응과 탈기 반응의 복합 현상을 관찰하였다(b). 실험(c)는 반응조(b)와 동일한 조건에서 추가적으로 저수조에 사용되는 벽체 소재를 포함하여 재질의 변화에 따른 현상을 살펴보았다.
- 기작별 도출된 계수 값을 이용하여 저수조에서의 잔류염소 거동 시뮬레이션을 시행하였다. 서울시 대형 저수조를 기준으로 저수조 용량을 1280ton으로 가정하고 각각 높이(H; height): 5m, 폭(W; width): 16m, 길이(L; length): 16m로 설정하였다.
- 저수조 내에서 최대한의 잔류염소를 유지하기 위해서는 수체 내 분해반응, 흡착(탈기)반응, 벽체 흡착반응 모두에서 감소작용이 최소화되어야 한다. 따라서 각각의 기작들이 잔류염소 관점에서 최적의 상황이 되었을 때의 영향을 알아보고자 일반적인 설계 조건(공기 흐름, 공기부피: 전체부피의 30%내외, 분산작용 존재, 벽체 재질: SMC)과 설계조건을 다음과 같이 변화(공기 흐름 폐쇄, 공기부피: 전체부피의 10%내외, 분산작용 억제, 벽체 재질: PE)하였을 때, 저수조 수체 내 잔류염소 농도를 다양한 온도 환경에서 살펴보았다(Fig. 5). 그 결과, 무단수 조건에서는 변화된 설계조건을 통해 저수조 내에서 최대 20%의 잔류염소 감소의 저감효과를 보였으며 단수 조건에서는 최대 40%의 저감효과가 나타났다.
- 또한, 실지 저수조 스케일에서 온도(5~25°C)에 따른 단수와 무단수 조건에서의 잔류염소 거동을 해석해보았다.
- 또한, 온도에 따른 잔류염소 반응을 도출하기 위해 여름철과 겨울철의 저수조 내 수온을 고려하여 인큐베이터 온도를 25°C, 5°C로 설정하였다.
- 특히 닥타일주철 재질을 위주로 연구된 기존의 흡착 연구와는 다르게 STS, SMC, PE를 이용한 벽체 흡착실험으로 다양한 재질에서의 잔류염소 영향을 판단할 수 있게 되었다. 또한, 저수조 내에서의 증발작용의 고려와 정량적인 기작 평가를 통해서 잔류염소 유지를 위한 위생적인 저수조 설계 기반을 구축하였다. 뿐만 아니라 실지 저수조 수준에서의 시뮬레이션 평가를 통해 현실 적용가능성을 파악하였으므로 저상 저수조 및 물탱크 내의 잔류염소 유지 가이드에 대한 기초 정보로 사용될 수 있음을 시사한다.
- 본 연구에서는 Stainless Steel (STS; 1.5 cm × 0.2 cm × 10 cm * 5), Sheet Molding Compound (SMC; 1.3 cm × 1 cm × 7.1 cm * 5)와 Poly Ethylene (PE; 1.5 cm × 0.2 cm × 10 cm * 5) 재질을 가지고 실험을 진행하였고 해당 결과들을 통해 기작별 반응계수 값을 구할 수 있었다.
- 본 연구에서는 서울시의 대표적인 저수조 조건에서 잔류염소 농도가 감소하는데 기여하는 기작들(수체 내 분해반응, 증발(탈기)반응, 벽체 흡착반응)의 계수 값들을 국내 수돗물 조건에서 실험적으로 결정하였고, 이를 이용해서 다양한 온도에 따른 저수조 조건에서의 잔류염소 감소 거동을 수학적 모형 시뮬레이션으로 살펴보았다. 이 시뮬레이션에서는 자연재난 등의 위급 상황에서의 단수 조건과 일반적인 무단수 조건을 모사하는 계산을 각각 수행하고 비교하였다.
- 본 연구의 실험은 회분식 반응조 방식(batch reactor system)으로 진행되었으며, 시간별로 잔류염소 농도를 측정하였다. 또한, 온도에 따른 잔류염소 반응을 도출하기 위해 여름철과 겨울철의 저수조 내 수온을 고려하여 인큐베이터 온도를 25°C, 5°C로 설정하였다.
- 하지만 저수조의 벽체 표면은 주로 콘크리트, Sheet Molding Compound (SMC), Stainless Steel (STS) 등의 재질로 이루어져 있기 때문에 해당 재질들에 대한 실험적인 연구평가가 이루어져야 한다고 생각된다. 본 연구진은 이러한 기작들을 이론적으로 적절하게 설명할 수 있는 수학적 공식들을 문헌에서 선별하였으며 문헌조사로 획득된 기작별 계수 값들을 이용한 시뮬레이션으로 잔류염소 감소 최소화방안을 모색해보았다(Noh et al., 2016). 하지만 국내 실정에 맞는 저수조 설계기법 및 지침 제시를 위해서는 국내 수돗물 조건과 저수조 조건에서의 관련 계수들을 실험적으로 측정하는 것이 필요하다.
- 세가지 벽체 재질 중 흡착능이 가장 적게 산정된 PE에 대해서 온도에 따른 흡착계수 값을 산정하기 위해 한국수자원공사에서 선행연구된 PE 재질 흡착실험(2.5, 16.8, 25.4°C) 결과와 종합하여 PE 재질의 흡착계수 산정식(R2 = 0.97)을 아래와 같이 도출하였다.
- 수체 내 분해 반응, 증발(탈기) 반응, 벽체 흡착 반응의 영향을 각각 살펴보기 위해서 Fig. 1과 같은 세 개의 반응조를 운영하였다. 수체 내 분해 반응만을 관찰하기 위해서 증발을 억제하고 벽체 흡착이 거의 없는 serum bottle (160 mL)을 이용한 실험을 수행하였다(a).
- 1과 같은 세 개의 반응조를 운영하였다. 수체 내 분해 반응만을 관찰하기 위해서 증발을 억제하고 벽체 흡착이 거의 없는 serum bottle (160 mL)을 이용한 실험을 수행하였다(a). 개방형 플라스크에서 교반으로 공기-물 물질이동이 큰 조건에서 수체 내 분해 반응과 탈기 반응의 복합 현상을 관찰하였다(b).
- 4배 증가함을 알 수 있었다. 실험을 통해 도출한 계수의 타당성을 입증하기 위해 이론을 기반으로 하여 증발(탈기) 계수 값을 산정하였다. 이 때, 일반적으로 저수조 수위는 70~90% 가량 유지하므로 5 m 높이를 가진 저수조 내에 수위가 각각 3.
- 본 연구에서는 서울시의 대표적인 저수조 조건에서 잔류염소 농도가 감소하는데 기여하는 기작들(수체 내 분해반응, 증발(탈기)반응, 벽체 흡착반응)의 계수 값들을 국내 수돗물 조건에서 실험적으로 결정하였고, 이를 이용해서 다양한 온도에 따른 저수조 조건에서의 잔류염소 감소 거동을 수학적 모형 시뮬레이션으로 살펴보았다. 이 시뮬레이션에서는 자연재난 등의 위급 상황에서의 단수 조건과 일반적인 무단수 조건을 모사하는 계산을 각각 수행하고 비교하였다.
- 저수조 내 잔류염소 감소에 미치는 영향을 알아보기 위하여 반응 기작별 잔류염소 감소정도를 정량적으로 측정하고 반응계수 값을 산정하였다. 이때 본 실험에서는 서울시 S지역의 수돗물(pH: 6.
- 증발(탈기) 반응으로 인한 잔류염소 감소는 대조군(negative control (closed)) 대비 수체 내 분해반응 시스템에서 증발 반응만 추가적으로 일어난 결과(negative control (open))로 살펴보았다. 25°C에서는 반응시간이 지남에 따라 계속해서 잔류염소 농도가 감소되며, 수체 분해 반응만이 존재하는 시료와 증발 반응까지 동시에 일어나는 시료 사이의 농도 격차가 점차 커짐을 볼 수 있었다.
- , 2010)를 이용하였다. 초기 잔류염소를 모두 1.0mg/L로 맞추기 위하여 식 (1)에 따라 차아염소산나트륨(NaOCl, 12%)을 주입하여 10분간 용해를 시킨 후, 잔류염소 경향을 측정하였다(MOE, 2010).
이론/모형
- 은 식 (10)과 동일하다. 시뮬레이션은 Matlab R2015b를 이용하여 구현하였다.
- 를 각각 산정할 수 있다. 온도에 따른 보정을 위해서 공기 중 확산계수는 EPA에서 지점별 평가방법으로 제시된 Fuller, Schettler and Giddings(FSG) 방법(Lyman et al., 1990)을 사용하였으며, 수식에 필요한 이외의 계수 및 상수들은 Table 1에 나타냈다.
- 저수조 내 잔류염소 감소에 미치는 영향을 알아보기 위하여 반응 기작별 잔류염소 감소정도를 정량적으로 측정하고 반응계수 값을 산정하였다. 이때 본 실험에서는 서울시 S지역의 수돗물(pH: 6.9 ~ 7.5, 잔류염소: 0.15 ~ 0.22 mg/L, COD: 0.7 ~ 2.3 mg/L)을 이용하였으며 수체 내 잔류염소 측정은 Chemets Kit Chlorine K-2502 (CHEMetrics Inc., Calverton, Virginia) (Vilaseca et al., 2010)를 이용하였다. 초기 잔류염소를 모두 1.
- 증발(탈기) 계수(Kaw)의 경우 잔류염소의 증발에 의한 물질전달 확산유량 공식에 픽의 법칙(Fick’s first law)과 헨리 법칙(Henry’s law)을 적용하여 산정하였다(식 (5)).
성능/효과
- 5mg/L로 유지되었으며, SMC 재질의 경우 시간에 따라 지속적으로 감소되는 것을 볼 수 있었다. 20시간 가량의 반응시간 이후, PE와 STS 재질은 SMC 재질에 비해 잔류염소 감소량이 약 2% 정도 적은 것을 확인하였으나 55시간의 반응시간 이후에는 13.5% 정도의 차이가 남을 확인할 수 있었다. 여름철 수온일 경우에는 잔류염소 농도가 0mg/L가 될 때까지 감소하는 경향을 보였으며, 세 가지 재료 모두에서 대체적으로 68~70시간 반응을 하였을 때 잔류염소가 모두 소멸됨을 보였다.
- 25°C에서 각각의 재질의 잔류염소 흡착능은 SMC, STS, PE 순으로 높았으며, SMC 재질이 포함된 반응조 내 잔류염소의 감소율이 STS와 PE보다 약 7~10.5% 가량 높았다.
- 이 현상은 온도가 높았을 때 감소 속도가 훨씬 빠른 경향을 보였다. 겨울철 수온일 경우에 SMC를 제외하고는 초기 25시간 반응 후 잔류염소 농도가 0.5mg/L로 유지되었으며, SMC 재질의 경우 시간에 따라 지속적으로 감소되는 것을 볼 수 있었다. 20시간 가량의 반응시간 이후, PE와 STS 재질은 SMC 재질에 비해 잔류염소 감소량이 약 2% 정도 적은 것을 확인하였으나 55시간의 반응시간 이후에는 13.
- 5). 그 결과, 무단수 조건에서는 변화된 설계조건을 통해 저수조 내에서 최대 20%의 잔류염소 감소의 저감효과를 보였으며 단수 조건에서는 최대 40%의 저감효과가 나타났다. 무단수 조건에서는 설계조건을 변화함에 따라 수체 내 잔류염소 기준치(0.
- 0534 m/day가 되다. 또한, 여름철의 온도 상승 시 STS, SMC 재질의 분해속도계수 값은 약 1.16배와 1.35배가량 증가하였으나, PE의 경우에는 2.25배가 감소함을 알 수 있었다. 세가지 벽체 재질 중 흡착능이 가장 적게 산정된 PE에 대해서 온도에 따른 흡착계수 값을 산정하기 위해 한국수자원공사에서 선행연구된 PE 재질 흡착실험(2.
- 그 결과, 무단수 조건에서는 변화된 설계조건을 통해 저수조 내에서 최대 20%의 잔류염소 감소의 저감효과를 보였으며 단수 조건에서는 최대 40%의 저감효과가 나타났다. 무단수 조건에서는 설계조건을 변화함에 따라 수체 내 잔류염소 기준치(0.1 mg/L)를 만족하는 기간이 10~25시간까지 증가하는 것으로 나타났으며 단수 조건에서는 적어도 100시간 이내에서 항상 상회하였다. 해당 결과에 따라 저수조 내 공기흐름을 저감하고 유입 분산을 저감하는 장치 개발하여 적용하는 것이 저수조 내에서의 잔류 염소량 감소 저감에 유의한 결과가 있음을 파악되었다.
- 2배 증가함을 알 수 있었다. 본 실험으로 도출한 수체 내 분해계수 값과 문헌에서 획득된 계수 값들(Kim et al., 2010; KISTEC, 2015)의 자연로그는 온도와의 높은 상관관계를 보였다(Fig. 3). 따라서 국내 상황에 적합한 수체 내 분해계수 산정식(R2 = 0.
- 본 연구를 통해 국내 상황에 적합한 저수조의 잔류염소 기작별 감소계수 값을 다양한 온도 범위에서 파악함으로써 저수조 내에서의 잔류염소 유지 방편 마련이 가능하게 되었다. 특히 닥타일주철 재질을 위주로 연구된 기존의 흡착 연구와는 다르게 STS, SMC, PE를 이용한 벽체 흡착실험으로 다양한 재질에서의 잔류염소 영향을 판단할 수 있게 되었다.
- 수체 내 분해 반응에서는 온도 25°C의 경우 분해 반응이 시작된 후, 수체 내 잔류염소 농도가 0.1mg/L이 될 때까지 지수곡선을 그리며 감소하는 패턴을 보였으며 총 170시간이 소요되었다(Fig.
- 온도 5°C와 25°C에서 시간에 따른 재질별 흡착에 의한 잔류염소 감소 변화(STS(open), SMC (open), PE (open))는 수체 내 분해반응과 증발반응이 동시에 진행되는 negative control (open) 시료와 동일한 환경으로 진행되었다. 실험 결과, 특정 재료를 투여했을 경우가 negative control (open)에 비해 반응 초기시간(20시간) 동안에 상대적으로 급격한 잔류염소 농도의 감소량을 보였다. 이 현상은 온도가 높았을 때 감소 속도가 훨씬 빠른 경향을 보였다.
- 5% 정도의 차이가 남을 확인할 수 있었다. 여름철 수온일 경우에는 잔류염소 농도가 0mg/L가 될 때까지 감소하는 경향을 보였으며, 세 가지 재료 모두에서 대체적으로 68~70시간 반응을 하였을 때 잔류염소가 모두 소멸됨을 보였다. 25°C에서 각각의 재질의 잔류염소 흡착능은 SMC, STS, PE 순으로 높았으며, SMC 재질이 포함된 반응조 내 잔류염소의 감소율이 STS와 PE보다 약 7~10.
- 5% 가량 높았다. 위 재질 실험을 통해 높은 온도에서는 PE 재질을 사용하였을 때, 잔류염소 감소율이 가장 적었으며 낮은 온도에서는 SMC 재질을 사용하였을 때, 잔류염소 감소율이 일정 시간 안에 가장 빠르게 증가하였다.
- 이를 통해 20°C 가량의 온도가 상승할 경우 분해 속도 계수 값은 약 2.2배 증가함을 알 수 있었다.
- 0552 m/day가 된다. 이를 통해 여름철의 온도 상승 시 겨울철보다 증발 속도계수 값이 약 3.4배 증가함을 알 수 있었다. 실험을 통해 도출한 계수의 타당성을 입증하기 위해 이론을 기반으로 하여 증발(탈기) 계수 값을 산정하였다.
- 또한, 실지 저수조 스케일에서 온도(5~25°C)에 따른 단수와 무단수 조건에서의 잔류염소 거동을 해석해보았다. 정상적인 정수처리 및 급수관리가 이루어질 경우, 잔류염소 농도가 법정기준을 상향하는 것으로 나타났으나 자연재해로 인한 단수 상황이 발생되면 일정기간 내에 기준치 이하로 감소되었다. 만일 저수조 설계를 기존의 저수조 대비 수체 저온 유지, 공기 흐름 및 부피 최소화, 분산작용 억제, 흡착능이 적은 벽체 재질을 사용한다면 다소 높은 잔류염소 감소의 저감효과(약 20~40%)를 얻을 수 있다.
- 주변 환경 온도가 25°C일 때는 37시간 이후에 수체 내 잔류염소의 기준치를 만족하지 않게 된 반면에 5°C에서는 이틀 가량이 증가된 82시간동안 법정기준을 만족하는 것으로 파악되었다.
- 1 mg/L)를 만족하는 기간이 10~25시간까지 증가하는 것으로 나타났으며 단수 조건에서는 적어도 100시간 이내에서 항상 상회하였다. 해당 결과에 따라 저수조 내 공기흐름을 저감하고 유입 분산을 저감하는 장치 개발하여 적용하는 것이 저수조 내에서의 잔류 염소량 감소 저감에 유의한 결과가 있음을 파악되었다. 또한, 저수조 수체의 저온 유지, 흡착능이 적은 벽체 재질 사용, 저장용량 중 공기부피를 줄여서 운행을 하면 잔류염소 유지에 더욱 효과적일 것으로 판단이 된다.
후속연구
- 하지만, 완벽한 직결급수 체계가 도입되더라도 긴급상황을 대비하여 저장용수를 담아두어야 하는 저수조 설치는 불가피하다. 따라서 수도공급의 마지막 저장시설인 저수조 내 수돗물 위생관리는 계속적으로 이루어져야 하며, 저수조 내 잔류염소 유지를 위한 체계적인 연구 역시 필요하다.
- 하지만 국내 실정에 맞는 저수조 설계기법 및 지침 제시를 위해서는 국내 수돗물 조건과 저수조 조건에서의 관련 계수들을 실험적으로 측정하는 것이 필요하다. 또한 이런 실험기반의 계수 값들을 이용하여 실제 저수조 내에서 잔류염소가 어떠한 감소 형태를 보이는지를 살펴보는 수학적 모형 시뮬레이션 연구는 국내 저수조 조건에서 다양한 온도에 따른 잔류 염소에 대한 평가를 체계적으로 하는 방법으로 사용될 수 있다. 하지만 이러한 연구는 아직 시도된 바가 없다.
- 만일 저수조 설계를 기존의 저수조 대비 수체 저온 유지, 공기 흐름 및 부피 최소화, 분산작용 억제, 흡착능이 적은 벽체 재질을 사용한다면 다소 높은 잔류염소 감소의 저감효과(약 20~40%)를 얻을 수 있다. 본 연구에서 제시한 수정된 저수조 설계방법을 사용한다면 단수 조건에서는 적정 잔류염소 농도 유지 기간이 길어지며, 무단수 조건에서도 전반적인 잔류염소 농도 감소폭이 줄어드나 초기 잔류염소가 0.2 mg/L 이상으로 저수조에 유입된다면 무단수의 경우는 설계방법에 상관없이 잔류염소의 국내 법정기준을 항상 만족하게 된다.
- 또한, 저수조 내에서의 증발작용의 고려와 정량적인 기작 평가를 통해서 잔류염소 유지를 위한 위생적인 저수조 설계 기반을 구축하였다. 뿐만 아니라 실지 저수조 수준에서의 시뮬레이션 평가를 통해 현실 적용가능성을 파악하였으므로 저상 저수조 및 물탱크 내의 잔류염소 유지 가이드에 대한 기초 정보로 사용될 수 있음을 시사한다.
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