[논문]천연 조류 제거제를 이용한 정수장 유입 조류 제거 효율

정호영; 김영희

doi:10.11001/jksww.2019.33.4.311

천연 조류 제거제를 이용한 정수장 유입 조류 제거 효율
Effectiveness of elimination inflowing algae in water treatment plant using natural algae remover 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.33 no.4, 2019년, pp.311 - 319

정호영 (호서대학교 벤처대학원 융합과학기술학과) , 김영희 (호서대학교 벤처대학원 융합과학기술학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study was to analyze water treatment characteristics, including the efficiency of removing algae from water purification plants, by installing a demonstration facility for decontamination of algae, including natural algae remover injection equipment, in the water purification plant. Jar-test showed that the optimum injection of natural decontaminant was 20 mg/L. Of the water contaminant treatment efficiency of the intake and water purification plants, Chl-a averaged 74.0% elimination efficiency from $5.0mg/m^3$ to $1.3mg/m^3$ and the maximum treatment efficiency was 91.5% removal efficiency when the inflow concentration of Chl-a was $11.8mg/m^3$. In addition, 51.2% and 47.1% of the taste and odor indicator items, geosmin and 2-MIB, resulted from the overgrowth and decaying of algae, respectively, to identify toxic substances and odor reduction effects. In addition, elimination efficiencies of SS and Turbidity materials were higher than 70.0%. In the injection of natural algae remover, no effects such as sudden changes in water quality due to secondary reactions were found, and appropriate levels were maintained under water treatment conditions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 경기 북부 북한강을 상수원으로 하는 정수장 유입수를 대상으로 천연 조류 제거제 주입장치, 슬러지 제거장치 및 이송 장치를 포함하는 조류제거 실증 시설을 정수장 전 시설인 취수장에 현장설치하고, 시설을 운전하면서, 천연 조류 제거제 주입농도에 따른 정수장 유입수의 조류 제거 효율을 포함한 수 처리 특성을 분석하고자 하였다. 천연 조류 제거제는 Jar-test 수행결과 20 mg/L가 최적 주입량임을 알 수 있었다.
원수에 포함된 유입 조류와 부유성 수질 오염물질, 조류 독성물질 및 맛·냄새 물질을 80.0% 이상을 제거할 수 있는 실시간 모니터링 시스템 및 자동 제어시스템과 연계한 고효율ㆍ콤팩트형 정수장 유입 조류 제거 및 전처리 복합 공정실증화 및 상용화를 통하여 상수원에서 발생하는 조류의 대량 유입에 따른 후속 정수공정의 부하 경감효과 극대화와 여과지 막힘 등에 의한 정수처리 장애문제를 해결하고, 맞춤형 조류 대응 기술 실증화를 통한 먹는 물에 대한 대국민 불안감을 해소하여 안정적으로 수질을 공급 하고자 하였다.
0% 이상을 제거할 수 있는 실시간 모니터링 시스템 및 자동 제어시스템과 연계한 고효율ㆍ콤팩트형 정수장 유입 조류 제거 및 전처리 복합 공정실증화 및 상용화를 통하여 상수원에서 발생하는 조류의 대량 유입에 따른 후속 정수공정의 부하 경감효과 극대화와 여과지 막힘 등에 의한 정수처리 장애문제를 해결하고, 맞춤형 조류 대응 기술 실증화를 통한 먹는 물에 대한 대국민 불안감을 해소하여 안정적으로 수질을 공급 하고자 하였다. 이에 따라, 본 연구의 목적은 정수장 유입수를 대상으로 천연 조류 제거제 주입 장치를 포함한 조류 제거 실증 시설을 설치하여 정수장 유입수의 조류 제거 효율을 포함한 수처리 특성을 분석하고자 하였다.
정수 공정을 거쳐서 처리된 물에서 곰팡이 냄새가 나거나 물비린내가 나는 경우가 발생하는데 이는 수중의 조류가 발생하는 geosmin 및 2-MIB와 같은 물질 때문이다. 이에 본 연구에서는 geosmin 및 2-MIB의 물질을 함유한 정수장 유입 원수에 천연 조류 제거제를 최적량 주입 하였을 때에 유입 처리수의 제거 효율 및 특성을 분석 및 관찰하였다.

제안 방법

또한, 조류 제거 실증 시설의 운전은 2016년 8월부터 2017년 5월까지 총 8개월 진행하였고, Chl-a, geosmin, 2-MIB, turbidity, SS, pH, DO, TOC 등 총 8가지 수질항목을 선정하여 항목별로 12∼18회에 걸쳐 정수장 유입 원수 및 처리수에 대한 조류를 포함하는 수질오염 물질의 처리 효율을 아래 Table 2의 실험 방법에 의해 분석하였다.
분석 기간은 2016년 8월 23일부터 10월 11일까지이며, 주 3회(화, 수, 금) 오후 2시에 채수하였고, 채수위치는 수질 연속 모니터링이 설치된 취수장 내에서 원수와 처리수를 채수하였으며, 분석항목은 Chl-a, geosmin 등이며 천연 조류 제거제 주입 농도는 5, 15, 20, 40, 50mg/L로 투입하였다.
광합성 반응에서 발생하는 산소 기포와 수중에 과포화된 산소가 수온 증가 시 포화 용해도가 낮아지면서 미세 기포가 생성되며, 기 응집된 조류를 포함하는 수중 오염물질과 결합하여, 기포의 부력을 이용해 수중 오염 물질을 수면 위로 부상시켜, 제거하는 수 처리 원리를 가지고있다. 사용된 천연 조류 제거제의 물리 화학적 특성은 현재 정수 처리 공정에서 많이 사용되고 있는 수 처리 응집제인 폴리염화알루미늄(Poly AluminumChloride;〔Al₂(OH)_n Cl₆-n〕m)의 수 처리제 기준과 비교하여 분석 하였으며, 2018년 4월 16일 한국 먹는 물 안전 연구원에서 발급된 천연 조류 제거제 시험 성적서를 근거로, 본 연구에서 사용된 천연 조류 제거제의 물리 화학적 특성을 아래의 Table 1에 나타내었다.
천연 조류 제거제 주입 농도 결정의 기초 로직은 유입 수질 변동에 따른 조류제거 실증시설 운영을 위해서 유입 원수를 한강에서 채취한 배양 조류를 농도별로 투입하여 진행하였고, 원수의 조제는 국내에 출현하는 조류 농도를 그룹화하여 증류수에 spiking하여 조제하였다. Jar-test의 진행과정은 천연 조류 제거제 주입 후 완속 교반시 조류입자들이 점점 응집되며, 교반 완료 후 Jar바닥에 일시적으로 침전되었던 floc들이 작은 덩어리를 이루면서 다시 부상하는 모습이 관찰되었다.
천연 조류 제거제 주입 장치를 포함하는 조류 제거실증 시설 통과 전의 취수장 유입수의 수질 특성을 분석하였다. 유입수의 수질을 12회 분석한 결과는 Table 3과 같으며, Chl-a 2.
천연 조류 제거제 주입 장치를 포함하는 조류 제거실증 시설 통과 후의 취수장 처리수의 수처리 특성을 분석하였다. 처리수의 수질을 12회 분석한 결과는 Table 4와 같으며, Chl-a 0.
후속 조류제거 시설 공정 부하 최소화 및 천연 조류제거제의 적정 주입농도를 알고자 취수장 유입 조류제거 실증 시설 구축이 완료된 후 2016년 8월부터 10월까지 총 3개월간 취수장 유입수에 대하여 천연 조류 제거제 20 mg/L를 주입하며 실험 및 분석하였다. 천연 조류 제거제의 최적 주입량은 기존 문헌의 결과를 활용하였으며, 천연 조류 제거제의 주입량별 Chl-a, geosmin 및 기타 오염물질의 제거에 가장 우수한 효율을 보인 20 mg/L를 적용하였다 (MOE, 2017). 또한, 조류 제거 실증 시설의 운전은 2016년 8월부터 2017년 5월까지 총 8개월 진행하였고, Chl-a, geosmin, 2-MIB, turbidity, SS, pH, DO, TOC 등 총 8가지 수질항목을 선정하여 항목별로 12∼18회에 걸쳐 정수장 유입 원수 및 처리수에 대한 조류를 포함하는 수질오염 물질의 처리 효율을 아래 Table 2의 실험 방법에 의해 분석하였다.
플랜트가 설치된 외부에는 유입 및 유출펌프, 유입유량계, 반응조 내 상, 하부 물 흐름장치, LED램프, 슬러지 회수장치(컨베어 벨트), 이송호퍼, 유입 및 유출조작 판넬 등으로 구성되었으며, 취수장 건물 내부에는 원수 및 처리수의 Chl-a, 남조류, turbidity, DO, pH 등을 실시간 측정이 가능한 모니터링 시스템을 구성하여, Chl-a, turbidity 등의 처리 효율을 display 화면상에서 상시 확인이 가능하고, 원수의 유입 유량과 유입조류의 농도에 따라 자동으로 천연 조류 제거제 투입량을 결정하고 투입할 수 있도록 개발된 HMI 자동 제어시스템, 약품 투입펌프 및 약품 저장탱크, 유출 유량계 등으로 구성하였다.
후속 조류제거 시설 공정 부하 최소화 및 천연 조류제거제의 적정 주입농도를 알고자 취수장 유입 조류제거 실증 시설 구축이 완료된 후 2016년 8월부터 10월까지 총 3개월간 취수장 유입수에 대하여 천연 조류 제거제 20 mg/L를 주입하며 실험 및 분석하였다. 천연 조류 제거제의 최적 주입량은 기존 문헌의 결과를 활용하였으며, 천연 조류 제거제의 주입량별 Chl-a, geosmin 및 기타 오염물질의 제거에 가장 우수한 효율을 보인 20 mg/L를 적용하였다 (MOE, 2017).

대상 데이터

1과 같다. 경기도 남양주시 화도읍 북한강로에 위치한 H 정수장 소속 G 취수장 내에 가로 8 m x 세로 20 m x 높이 4 m의 콘크리트 구조물로 설계 및 시공하였으며, 유효수심 3 m 기준으로 유입 원수 약 480톤 저장이 가능하고, 처리 용량은 5,000m³/day으로 수리학적 체류 시간은 2시간 이내 가능하도록 실증 플랜트를 구축하였다.
H정수장은 하루 48천톤의 정수를 생산하여 인근 지역 약 16만명의 시민들에게 정수한 물을 공급하고 있다. 본 실험을 위해 G취수장 내에 가로 8 m x 세로 20 mx 높이 4 m의 콘크리트 구조물의 조류 제거 실증 시설 및 장치를 구축하였다.
실험 지역인 G취수장은 경기도 남양주시 화도읍 북한강로 일대에 위치하고 있으며, 상수원인 북한강의 물을 취수하여, H정수장으로 공급하는 역할을 한다. H정수장은 하루 48천톤의 정수를 생산하여 인근 지역 약 16만명의 시민들에게 정수한 물을 공급하고 있다.
연구에 사용된 천연 조류 제거제는 환경부로부터 신기술 인증(환경신기술인증 제405호)을 취득한 M사의 응집용 제품으로, 주요 구성 성분은 제올라이트, 견운모, 규산염, 황토 등 광물 원료와 밤나무, 상수리, 솔잎, 녹차 등 식물 원료를 각각의 개별공정에 따라 처리한 후 이를 혼합 교반하였다.

성능/효과

Chl-a, geosmin 등은 천연 조류 제거제 20 mg/L 주입 시 처리효율이 가장 높았으며, 특히 Chl-a는 천연 조류 제거제 20 mg/L 주입 시 5.4→1.0 mg/m3(평균 81.9%)로 가장 효율적으로 저감되었고, Chl-a, geosmin, turbidity 및 SS의 저감효율을 나타낸 그래프는 Fig. 2와 같다.
Geosmin 및 2-MIB은 유입 원수 대비 천연 조류 제거제 주입을 포함하는 조류 제거 실증 시설 통과 후의 처리수의 평균 제거 효율은 geosmin 51.2%(18.7 mg/L→9.12 mg/L), 2-MIB 47.1%(17.0 mg/L→9.0 mg/L)로 분석되었다.
1%)로 분석 되었다. 상수원 조류 번성 지표 항목인 Chl-a의 경우 평균 처리 효율이 74.0%로 조류 제거 효과가 가장 큰 것으로 분석 되었으며, 조류가 제거된 후에도 조류로부터 기인한 독성 물질 및 맛, 냄새 등을 유발하는 대표적인 용존성 물질인 geosmin 및 2-MIB은 각각 평균 처리효율이 51.2%, 47.1%로 수 처리로 인한 제거가 어려운 항목임에도 비교적 높은 처리 효율을 나타내었다. 적정량의 천연 조류 제거제 주입은 상수원수에 포함된 조류 물질인 Chl-a 및 맛, 냄새 유발물질인 geosmin 및 2-MIB, SS, turbidity 항목에 대한 제거효과가 특히 큰 것으로 나타났다.
1%)로 분석 되었다. 상수원 조류 번성 지표 항목인 Chl-a의 경우 평균 처리 효율이 74.0%로 조류 제거 효과가 가장 큰 것으로 분석 되었으며, 조류가 제거된 후에도 조류로부터 기인한 독성 물질 및 맛, 냄새 등을 유발하는 대표적인 용존성 물질인 geosmin 및 2-MIB은 각각 평균 처리효율이 51.2%, 47.1%로 수 처리로 인한 제거가 어려운 항목임에도 비교적 높은 처리 효율을 나타내었다. 적정량의 천연 조류 제거제 주입은 상수원수에 포함된 조류 물질인 Chl-a 및 맛, 냄새 유발물질인 geosmin 및 2-MIB, SS, turbidity 항목에 대한 제거효과가 특히 큰 것으로 나타났다.
8 mg/L)로 분석되었다. 상수원의 조류 지표 항목인 Chl-a와 냄새, 맛 등의 변화를 일으키는 geosmin, 2-MIB, turbidity의 항목의 경우 영양 물질 유입 및 수온, 계절적 영향으로 변동 폭이 크게 나타났다.
유입수의 수질을 12회 분석한 결과는 Table 3과 같으며, Chl-a 2.1∼11.8 mg/m3(평균 5.0 mg/m3), geosmin 1.9∼33.0 mg/L(평균 18.7 mg/L), 2-MIB 5.0∼29.0 mg/L(평균 17.0 mg/L), turbidity 2.1∼22.4 NTU(평균 4.8 NTU), SS 0.8∼23.0 mg/L(평균 12.0 mg/L), pH 7.1∼7.4(평균 7.3), DO 6.4∼8.2 mg/L(평균 7.4 mg/L), TOC 1.6∼2.0 mg/L(평균 1.8 mg/L)로 분석되었다.
5와 같다. 이 중 turbidity, SS는 처리 효율이 높게 나타난 반면, DO, TOC의 처리효율은 비교적 낮게 나타났다. 이는 천연 조류 제거제 주입으로 인한 수질 변동요인이 미미하기 때문이다.
적정량의 천연 조류 제거제 주입은 상수 원수에 포함된 조류 물질인 Chl-a 및 맛, 냄새 유발 물질인 geosmin 및 2-MIB, SS, turbidity 항목에 대한 제거 효과가 특히 큰 것으로 나타나 정수장 수 처리 시설에 천연 조류 제거제 투입을 조합한 정수 처리 공정은 또 하나의 정수장 고도처리 공정으로 적용이 가능한 것으로 판단되었다.
1%로 수 처리로 인한 제거가 어려운 항목임에도 비교적 높은 처리 효율을 나타내었다. 적정량의 천연 조류 제거제 주입은 상수원수에 포함된 조류 물질인 Chl-a 및 맛, 냄새 유발물질인 geosmin 및 2-MIB, SS, turbidity 항목에 대한 제거효과가 특히 큰 것으로 나타났다.
정수장 유입 수 대비 천연 조류 제거제 주입을 포함하는 조류 제거 실증 시설 통과 후의 처리수의 기타 수질 오염 물질 평균 처리 효율은 turbidity는 73.8%(4.8 NTU→1.3 NTU), SS는 62.5%(12.0 mg/L→4.5 mg/L), DO는 5.1%(7.4 mg/L→7.8 mg/L), TOC는 11.1%(1.8 mg/L→1.6 mg/L)로 각각 저감 되었으며, 천연 조류 제거제 주입 시 2차 반응으로 인한 급격한 수질 변동 같은 영향은 없었으며, 정수 처리 조건에서 적정 수준을 유지하였고, 실험기간 중 turbidity, SS, DO, TOC의 변화는 Fig. 5와 같다.
정수장 유입 수 대비 천연 조류 제거제 주입을 포함하는 조류 제거 실증 시설 통과 후의 처리수의 수질 오염물질 평균 처리 효율은 Chl-a 5.0→1.3 mg/m3(평균 74.0%), geosmin 18.7→9.1 mg/L(평균51.2%), 2-MIB 17.0→9.0 mg/L(평균 47.1%), turbidity4.8→1.3 NTU(평균 73.8%), SS 12.0→4.5 mg/L(평균62.5%), DO 7.4→7.8 mg/L(평균 5.1%), TOC 1.8→1.6mg/L(평균 11.1%)로 저감되었다.
처리수의 수질을 12회 분석한 결과는 Table 4와 같으며, Chl-a 0.0∼2.7 mg/m3(평균 1.3 mg/m3), geosmin 0.0∼21.0 mg/L(평균 9.1 mg/L), 2-MIB 2.0∼20.0 mg/L(평균 9.0 mg/L), turbidity 0.6∼2.3 NTU(평균 1.3 NTU), SS 2.1∼10.0 mg/L(평균 4.5 mg/L), pH 6.2∼7.4(평균 6.9), DO 6.3∼8.8 mg/L(평균 7.8 mg/L), TOC 1.2∼2.1 mg/L(평균 1.6 mg/L)로 분석되었다.
천연 조류 제거제를 이용한 응집·부상공정에서 첫째 미세조류 응집, 둘째 응집된 미세조류 floc의 침전, 셋째 타감 작용에 의한 침전된 미세 조류의 광합성 활성화, 넷째 미세조류 floc 내·외부의 미세기포 생성 및 성장, 다섯째 미세기포의 성장에 따른 부력 상승 및 floc의 부상, 마지막으로 부상 슬러지의 압밀 등의 과정이 순차적으로 관찰되었다.
Jar-test의 진행과정은 천연 조류 제거제 주입 후 완속 교반시 조류입자들이 점점 응집되며, 교반 완료 후 Jar바닥에 일시적으로 침전되었던 floc들이 작은 덩어리를 이루면서 다시 부상하는 모습이 관찰되었다. 최종 부상 완료 후 조류 floc들이 부상한 후 시간이 경과할수록 압밀되어 부상 슬러지의 겉보기 밀도가 높아지는 모습이 관찰되었다.
취수장 유입수 대비 천연 조류 제거제 주입을 포함하는 조류 제거 실증 시설 통과 후의 취수장 처리수(정수장 유입수)의 수질 오염물질 평균 처리효율은 Table 5와 같이, Chl-a 5.0→1.3 mg/m3(평균 74.0%), geosmin 18.7→9.1 mg/L(평균 51.2%), 2-MIB 17.0→9.0mg/L(평균 47.1%), turbidity 4.8→1.3 NTU(평균73.8%), SS 12.0→4.5 mg/L(평균 62.5%), DO 7.4→7.8mg/L(평균 5.1%), TOC 1.8→1.6 mg/L(평균 11.1%)로 분석 되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	천연 조류 제거제의 수 처리 방법 및 원리는?	천연 조류 제거제의 수 처리 방법 및 원리는 오염된 수역의 수면에 주입 장치를 구성하여, 직접 살포하여 조류를 포함하는 수질 오염 물질을 응집·부상시킨 후 부상된 슬러지를 포집 및 수거하여 최종 고액 분리 공정을 거쳐 수 처리를 하는 방법을 취하고 있다. 오염 수역에 살포하는 천연 조류 제거제에 포함되어있는 알루미늄 성분 등이 조류 세포를 파괴시키지 않은 상태에서 응집시키는 역할을 한다.
	천연 조류 제거제에 포함된 알루미늄은 어떤 역할인가?	천연 조류 제거제의 수 처리 방법 및 원리는 오염된 수역의 수면에 주입 장치를 구성하여, 직접 살포하여 조류를 포함하는 수질 오염 물질을 응집·부상시킨 후 부상된 슬러지를 포집 및 수거하여 최종 고액 분리 공정을 거쳐 수 처리를 하는 방법을 취하고 있다. 오염 수역에 살포하는 천연 조류 제거제에 포함되어있는 알루미늄 성분 등이 조류 세포를 파괴시키지 않은 상태에서 응집시키는 역할을 한다. 광합성 반응에서 발생하는 산소 기포와 수중에 과포화된 산소가 수온 증가 시 포화 용해도가 낮아지면서 미세 기포가 생성되며, 기 응집된 조류를 포함하는 수중 오염물질과 결합하여, 기포의 부력을 이용해 수중 오염 물질을 수면 위로 부상시켜, 제거하는 수 처리 원리를 가지고있다.
	소규모 정수장의 문제점을 해결할 수 있는 방안으로는?	기존 소규모 정수장의 경우 조류 밀도의 증가 시응집제 및 염소 소독제 등을 과다하게 투여하고 조류사체로 인한 여과 과정에 부하가 발생하여 정수 효율이 저하되는 문제점을 앓고 있으나 뚜렷한 대안을 찾지 못하는 실정이다 (Lee, 2014). 이에 대한 극복 방안으로, 정수장 원수의 조류를 80.0% 이상 제거하는 시스템(간이수조, 오염도 측정 장치, 정량투입장치, 슬러지회수장치, 미세 슬러지 여과필터, 장치보호 및 제어시스템 설치 하우스 등)을 취수탑 부근에 설치하며 이때 원수 처리를 위한 장치로 1차 간이수조(1,000〜5,000톤)를 설치한 후 조류 제거제 자동투입 장치로 유입 수량에 비례하여 천연 조류 제거제를 자동 투입하고, 수조 안에서 제거된 조류는 물 흐름 장치에 의거한쪽 방면에 집결시킨 후 슬러지 회수용 컨베어 벨트로 실시간 수거하여 자연탈수(중력탈수)하여 슬러지 보관창고에 적치하며, 1차 수조에서 조류와 슬러지를 제거한 후 미세 슬러지 제거용 펌프를 통하여 2차 수조에 정수 처리된 맑은 물을 펌핑 하여 보관 후 실시간 취수탑으로 공급하는 입체적인 공정 개발이다(Buchanan, 2005; Lee, 2015). 원수에 포함된 유입 조류와 부유성 수질 오염물질, 조류 독성물질 및 맛·냄새 물질을 80.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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