In this study, effects of five raw water quality parameters (turbidity, odor compounds caused by algae, filter clogging caused by algae, pH increase caused by algae, and organic matter) on improvements and operations costs of typical water treatment plant (WTP) were estimated. The raw water quality ...
In this study, effects of five raw water quality parameters (turbidity, odor compounds caused by algae, filter clogging caused by algae, pH increase caused by algae, and organic matter) on improvements and operations costs of typical water treatment plant (WTP) were estimated. The raw water quality parameters were assumed the worst possible conditions based on the past data and costs were subsequently estimated. Results showed that new water treatment facilities were needed, such as a selective intake system, an advanced water treatment processes, a dual media filter, a carbonation facility, and a re-chlorination facility depending on water quality. Furthermore, changes needed to be made in WTP operations, such as adding powered activated carbon, increasing the injection of chlorine, adding coagulation aid, increasing the discharge of backwashed water, and increasing the operation time of dewatering facilities. Such findings showed that to reliably produce high-quality tap water and reduce water treatment costs, continuous improvements to the quality of water sources are needed.
In this study, effects of five raw water quality parameters (turbidity, odor compounds caused by algae, filter clogging caused by algae, pH increase caused by algae, and organic matter) on improvements and operations costs of typical water treatment plant (WTP) were estimated. The raw water quality parameters were assumed the worst possible conditions based on the past data and costs were subsequently estimated. Results showed that new water treatment facilities were needed, such as a selective intake system, an advanced water treatment processes, a dual media filter, a carbonation facility, and a re-chlorination facility depending on water quality. Furthermore, changes needed to be made in WTP operations, such as adding powered activated carbon, increasing the injection of chlorine, adding coagulation aid, increasing the discharge of backwashed water, and increasing the operation time of dewatering facilities. Such findings showed that to reliably produce high-quality tap water and reduce water treatment costs, continuous improvements to the quality of water sources are needed.
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문제 정의
본 논문에서는 국내 상수원의 가장 큰 비중을 차지하는 호소수를 취수하는 급속여과시설을 대상으로 상수원수 수질과 관련한 5가지(탁도, 조류기인 이취미 물질, 조류기인 여과지 막힘, 조류기인 pH, 유기물 농도) 항목에 대해 국내 상수원에서 과거 자료를 바탕으로 발생가능한 최악의 조건을 가정하고 해당 조건에서 예상되는 정수시설 개선비 또는 운영비를 산정하였다.
본 연구에서는 국내 상수도시설에서 가장 비율이 높은 호소수를 취수하는 급속모래여과시설을 대상으로 호소 수질저하에 따라 추가적으로 소요되는 정수처리 시설비 및 운영비를 추정하였다. 특정 오염물질의 유입으로 인한 수질사고 사례를 제외하고 호소 상류로부터의 일반적인 오염물질 유입 및 기상현상 등에 기인해 호소 내에서 발생가능한 오염물질의 농도 수준을 기존 자료 분석 등을 통해 가정하고 각각의 오염물질의 농도 증가에 따른 정수처리 비용 상승 정도를 산출하였다.
가설 설정
이와 같이 원수의 수질은 정수처리 시설비 및 운영비에 직접적인 영향을 미친다고 할 수 있으나, 기존 수도시설에서 원수의 수질이 당초 설계시보다 저하될 경우 추가로 소요될 수 있는 비용에 대한 연구는 거의 없는 상태이다. 따라서 본 연구에서는 원수 수질저하로 추가 소요가 예상되는 정수처리 시설설치비 및 운영비를 해당 상수원에서 발생가능한 최악의 수질조건을 가정하여 산정하였다. 이를 통해 상수원 수질개선사업 추진에 대한 타당성의 일부 근거를 제시할 수 있을 것으로 예상한다.
식 (1)의 공사비 함수식에서 취수시설을 기존 지표수 취수형식에서 취수탑을 이용한 선택취수 형식으로 전환시 총 취수시설 공사비의 30%가 소요되는 것으로 가정하였으며, 이는 기존 취수구로부터 신설하는 취수탑까지의 이격거리, 취수탑의 설치 수심 등 현장여건에 따라 공사비의 증감이 발생할 수 있다. 본 논문에서는 기존 취수시설에서 취수펌프 등은 그대로 사용하고 취수 형식만 지표수 취수 방식에서 수심에 따른 선택취수가 가능한 취수탑 시설로 개선하는 비용만 고려하였다.
원수의 탁도 상승 정도에 따라 상이할 수는 있으나 집중호우가 발생하는 장마기 및 태풍시기 등의 기간을 약 2개월로 가정할 경우 해당 시기에 정수처리공정에서 응집제 주입률이 평균 10 mg/L 정도 증가가 예상된다. 이에 따라서 동일 기간 동안 침전슬러지 발생량 증가에 따라 탈수슬러지 케익의 발생량 및 탈수시설 전력비는 20% 증가하고, 여과지속시간은 25% 감소되어 역세척 빈도 및 여과지 전력사용량은 50% 증가하는 것으로 가정하였다.
따라서 본 논문에서는 탁도, 조류 개체수, 유기물 농도의 증가로 인한 호소수의 수질저하를 가정하고 각각의 수질저하에 따른 추가적인 정수처리 시설비 및 운영비를 추정하였다. 정확한 정수처리 비용은 특정 상수원에서 실측한 수질자료를 바탕으로 산정하여야 하나, 본 논문에는 향후 원수 수질이 저하될 경우에 예상되는 국내 수도시설에서의 추가 정수처리 비용을 국내 주요 호소 상수원의 과거 수질자료를 토대로 발생 가능한 최악의 경우를 가정하여 추정하였다.
제안 방법
따라서 본 논문에서는 탁도, 조류 개체수, 유기물 농도의 증가로 인한 호소수의 수질저하를 가정하고 각각의 수질저하에 따른 추가적인 정수처리 시설비 및 운영비를 추정하였다. 정확한 정수처리 비용은 특정 상수원에서 실측한 수질자료를 바탕으로 산정하여야 하나, 본 논문에는 향후 원수 수질이 저하될 경우에 예상되는 국내 수도시설에서의 추가 정수처리 비용을 국내 주요 호소 상수원의 과거 수질자료를 토대로 발생 가능한 최악의 경우를 가정하여 추정하였다.
식 (1)의 공사비 함수식에서 취수시설을 기존 지표수 취수형식에서 취수탑을 이용한 선택취수 형식으로 전환시 총 취수시설 공사비의 30%가 소요되는 것으로 가정하였으며, 이는 기존 취수구로부터 신설하는 취수탑까지의 이격거리, 취수탑의 설치 수심 등 현장여건에 따라 공사비의 증감이 발생할 수 있다. 본 논문에서는 기존 취수시설에서 취수펌프 등은 그대로 사용하고 취수 형식만 지표수 취수 방식에서 수심에 따른 선택취수가 가능한 취수탑 시설로 개선하는 비용만 고려하였다. 선택 취수가 가능한 취수탑시설은 호소 수심별로 탁도, 조류 개체수 농도, 이취미 물질 농도, 유기물 농도, 원수 pH 등을 조사하여 최적의 수질을 취수할 수 있는 시설이므로, 탁수 유입뿐만 아니라 다른 오염물질 대응에도 유용하게 적용될 수 있다.
본 연구에서는 국내 상수도시설에서 가장 비율이 높은 호소수를 취수하는 급속모래여과시설을 대상으로 호소 수질저하에 따라 추가적으로 소요되는 정수처리 시설비 및 운영비를 추정하였다. 특정 오염물질의 유입으로 인한 수질사고 사례를 제외하고 호소 상류로부터의 일반적인 오염물질 유입 및 기상현상 등에 기인해 호소 내에서 발생가능한 오염물질의 농도 수준을 기존 자료 분석 등을 통해 가정하고 각각의 오염물질의 농도 증가에 따른 정수처리 비용 상승 정도를 산출하였다.
대상 데이터
가상의 수도시설을 대상으로 합리적인 정수처리비용 산출을 위해 적용된 근거자료는 가상의 정수시설과 유사하게 호소수를 취수하고, 급속여과시설로 구성된 광역상수도 A 정수장(Q = 325,000 m3/일)의 자료를 참고하였다. 정수처리비용 산출에 고려된 전력원 단위는 수돗물 1 m3을 생산하는 과정에서 소요되는 전기요금(단위 : 원/m3)이며, 슬러지케익처분비원단위는 수돗물 1 m3을 생산하는 과정에서 발생하는 탈수슬러지케익을 최종 처분하는데 소용되는 비용(단위 : 원/m3)이다.
성능/효과
한편, 2005~2016년 동안 원수에서 2-MIB 발생현황을 보면 전국 정수장 원수 대상 20 ng/L 이하 누적 발생률은 91%이고, 최대 발생 농도는 156 ng/L이며, 연중 발생하고 있다. 따라서, 20 ng/L를 초과하는 누적 발생률인 10%에 해당하는 연간 약 30일 정도(약 1개월)는 분말활성탄 주입 등의 추가 처리가 필요한 것으로 판단된다.
급속여과시설로 구성된 B정수장의 경우 현장에서 대처가능한 방법은 분말활성탄주입, 중염소 주입 등인데 이로 인해서 수처리제 비용이 329% 정도 급격하게 상승하는 것으로 나타났다. 또한 고도처리시설이 도입된 경우에도 오존주입률 증가로 전력비 등이 증가될 수 있으며 이로 인해 정수처리비용이 14~23% 정도 증가하는 것으로 조사되었다. Table 4에서 고려된 비용은 정수처리과정에서 소요되는 수처리제(응집제, 분말활성탄 등)와 고도정수시설 가동 전력비만 고려하였다 (K-water, 2020).
후속연구
원수 수질저하에 대응하여 정수처리시설 설치측면에서는 선택취수시설, 이중여재시설, 액화탄산 주입시설, 고도처리시설, 재염소 주입시설 등의 선택적인 추가 설치가 필요할 것으로 판단되며, 정수처리시설 운영측면에서는 분말활성탄 주입, 응집제 주입량 증가, 염소소독제 주입량 증가, 응집/여과보조제 주입, 역세척 물량 증가, 배출수처리시설 가동시간 증가 등이 예상된다. 따라서 고품질의 수돗물을 안정적으로 생산하고 정수처리 비용의 절감을 위해서는 지속적인 상수원수의 수질개선이 필요할 것으로 판단된다.
한편, 급속여과시설에서 중염소 및 분말활성탄으로 조류기인 이취미 물질의 제어가 어려울 경우에는 안정적인 이취미 물질 제거를 위해 오존산화 및 입상활성탄(GAC, granular activated carbon) 흡착공정으로 구성된 고도처리시설의 추가 설치가 필요하다.
한편, 본 논문에서 고찰한 상수원수 수질저하의 5가지 항목은 발생시기가 일부 중첩되거나 특정 수질 항목의 발현이 다른 항목의 발현을 억제할 수 있으므로 이에 대한 고려가 필요하다. 예를 들어 탁도의 장기간 상승은 조류의 광합성을 억제하여 녹조발생 현상을 억제할 수 있으므로 해당시기에는 조류에 의한 이취미, 여과지폐색, 원수 pH 상승 등이 발생하지 않을 가능성이 높다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
양질의 상수원수를 취수하여 최적의 처리를 통해 최상의 품질을 가지는 수돗물을 생산공급 해야하는 이유는?
수도사업자 입장에서는 양질의 상수원수를 취수하여 최적의 처리를 통해 최상의 품질을 가지는 수돗물을 생산공급하는 것이 가장 바람직하다. 상수원수의 수질이 양호해야만 추가적인 정수처리시설의 설치 필요성이 없고 수처리제 주입량도 낮아져서 정수처리비용을 저감할 수 있다.
수처리제로는 어떤 것이 있는가?
따라서 수질기준 준수를 위해서는 유입원수의 수질에 따라 다양한 수처리공정을 운영하게 되는데 이 과정에서 원수 수질에 대응한 수처리제를 사용하게 된다. 대표적인 수처리제로는 탁질 물질 제거를 위한 응집제, 병원성 미생물 제거를 위한 소독제, 응집효과 상승을 위한 응집보조제, 여과기능 향상을 위한 응집/여과보조제, 슬러지 탈수능 향상을 위한 고분자 응집제, 이취미 물질 제거를 위한 활성탄, 원수 pH 조정을 위한 산제 및 알칼리제 등이 있다. 이러한 수처리제는 원수수질에 따라 주입률의 차이가 발생할 수 있는데 원수의 수질이 저하될수록 일반적으로 수처리제의 주입률이 증가하게 된다.
추가적인 수처리제의 주입으로도 원수 수질저하에 대처가 어려울 경우에는 어떤 방안이 필요한가?
또한, 추가적인 수처리제의 주입으로도 원수 수질저하에 대처가 어려울 경우에는 보다 안정적인 정수처리를 위해서 유기물 및 조류기인 이취미 물질 제거를 위한 고도처리시설, 여과지 막힘 개선을 위해 단일여재여과지에서 이중여재여과지로 시설개선, 최상의 상수원수 수질 취수를 위해 선택적 취수가 가능한 취수탑 설치, 수돗물 공급과정에서 적정 잔류염소 농도 유지를 위한 재염소 주입시설 설치 등이 필요할 수 있다 (MOE, 2017a).
참고문헌 (13)
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Kim, J.K. and Han, J.A. (2014). Rechlorination for residual chlorine concentration equalization in distribution system, J. Korean Soc. Water Wastewater, 208(1), 91-101.
K-water. (2019). 2018 Annual report of waterworks management.
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Yum, K.T., Park, E.S., Song, S.J. and Lee, G.S. (2007). Consideration on the status and improvement factors of the turbid-water management in multi-purpose dam, J. Korean Soc. Civ. Eng., 55(12), 123-131.
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