[보고서]과망간산나트륨을 산화제로 이용하는 녹조 대응 정수 기술 실증화 연구

홍석원

과망간산나트륨을 산화제로 이용하는 녹조 대응 정수 기술 실증화 연구
Empirical study on water treatment technology using sodium permanganate as oxidant for algal blooming 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	한국과학기술연구원 Korea Institute Of Science and Technology
연구책임자	홍석원
참여연구자	HUR DANIEL SANGDU
보고서유형	최종보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2022-03
과제시작연도	2021
주관부처	과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT
등록번호	TRKO202200012817
과제고유번호	1711130641
사업명	공공조달연계형국민생활연구실증사업화지원(R&D)
DB 구축일자	2022-10-18
키워드	조류 기인 수질 오염.정수처리 실증화.소독 부산물.과망간산나트륨.운전조건 최적화.Water pollution caused by algae.Demonstration of water purification.Disinfection by-products.Sodium permanganate.Optimization of operating condition.

초록 ▼

□ 연구의 목적 및 내용
○ 과망간산나트륨을 산화제로 이용하는 녹조 대응 정수 기술을 국내 현장에 적용, 실증화 함으로써 해당 기술의 성능 및 안정성을 확보하여 안전한 물에 대한 신뢰 확보와 국민 생활문제 해소에 기여
○ 과망간산나트륨 전산화 공정의 실증연구 기반 구축
◯ 과망간산나트륨을 이용한 녹조 대응 기술의 성능 및 효율 현장 평가
◯ 과망간산나트륨 전산화 공정 도입을 통한 목표 수질 달성 및 운영 매뉴얼 도출
◯ 목표 수질
- 조류(남조류) 개체수 침전율 96% 이상
- 탁도 평균 10% 개선
- THMs 평균 20% 저감
- 마이크로시스틴 평균 90% 저감
◯ 실증 운전을 위한 과망간산나트륨 전산화 공정의 최적 운영 조건 도출
◯ 과망간산나트륨 전산화 공정의 자동주입공정 설계 및 설치, 현장 자료 수집
◯ 과망간산나트륨 적용을 통한 처리 수질 확보
- 여과지 유출수 기준 조류 개체수, 탁도, THMs 및 마이크로시스틴 분석
◯ 잔류 과망간산나트륨 농도 계측에 의한 주입농도 제어 공정 확보
◯ 과망간산나트륨을 이용한 녹조 대응 기술의 성능 및 효율 현장 평가
◯ 녹조 대응을 위한 과망간산나트륨 전산화 공정의 운영 매뉴얼 도출 및 적용

□ 연구개발성과
○ 자동제어 방식의 과망간산나트륨 전산화 공정 공정 및 운영 매뉴얼 도출
◯ 기존 정수장에 탄력적 적용이 가능한 조류 대응 산화처리기술 확보
◯ 실증 연구를 통한 수질 공인인증시험성적서, SCI 논문 1편

□ 연구개발성과의 활용계획(기대효과)
◯ 녹조 발생에 영향 없이 안전한 물 공급이 가능하며, 완성도를 갖춘 기존 기술의 적용을 통해 상용화에 따른 시간 절감 및 개발 비용 절감 효과 기대
◯ 기존 정수처리공정에 연계하여 녹조 발생 시 탄력적으로 운전이 가능한 경제적이고 효율적인 공정으로 향후 녹조 발생의 위험이 있는 전국 정수처리장에 확대 적용 가능
◯ 안정적인 수자원 확보 및 공급을 통한 국민 편익 증대 및 불안감 해소
◯ 수처리용 산화제 및 철, 망간 등 무기물 처리 분야 등 관련 시장의 활성화 기대

(출처 : 요약문 4p)

목차 Contents

표지 ... 1
제 출 문 ... 2
보고서 요약서 ... 3
요약문 ... 4
목차 ... 5
1. 연구개발과제의 개요 ... 7
가. 연구개발의 필요성 ... 7
(1) 연구개발 필요성 ... 7
(2) 연구개발 대상의 국내·외 연구현황 ... 8
(3) 확보 성과물의 우수성 ... 9
나. 선행연구의 내용 및 결과 ... 10
(1) 과망간산나트륨의 조류 기인 독소물질 제어 ... 10
(2) 과망간산나트륨의 THMs 저감 효과 ... 10
2. 연구개발의 목표 및 내용 ... 12
가. 연구개발의 목표 및 내용 ... 12
나. 연구개발 내용 ... 12
(1) 연구개발 목표 및 내용 ... 12
(2) 연구개발의 창의성 및 혁신성 ... 14
(3) 평가방법 ... 16
다. 세부연구의 목표, 내용 및 평가 착안점 ... 17
(1) 중간점검 ... 17
(2) 최종평가(전체 연구기간에 대하여 작성) ... 18
3. 연구개발의 추진전략, 방법 및 추진체계 ... 19
가. 연구개발의 추진 전략· 방법 ... 19
나. 연구개발 추진체계 ... 20
(1) 추진체계 ... 20
(2) 최적화 및 실중 R&D 추진 계획 ... 21
(3) 공공기술 Test-Bed 연계 계획 ... 21
다. 연구개발 추진일정 ... 22
4. 연구수행내용 및 성과 ... 24
가. 대체 산화제로써 실험실 규모 성능평가 ... 24
(1) 조류제어 실험을 위한 조류 선정 ... 24
(2) 산화제의 종류에 따른 산화 부산물 발생 비교 ... 25
(3) 염소 대비 과망간산나트륨 산화제의 녹조류 제어 특성 분석 ... 27
(4) 염소 및 과망간산나트륨 산화제의 남조류 제어 특성 비교 분석 ... 32
나. 과망간산나트륨 전산화 공정 연구 ... 43
(1) 과망간산나트륨을 이용한 전산화 공정 개요 ... 43
(2) 과망간산나트륨을 이용한 전산화 공정 설계 및 구축 ... 45
(3) 잔류 과망간산나트륨 농도 기반 주입량 제어 방안 연구 ... 52
(4) 과망간산나트륨을 이용한 전산화 공정의 경제성 평가 ... 65
다. 리빙랩 연구 수행 결과 ... 68
(1) 리빙랩 현장 연구 수행 개요 ... 68
(2) 정수처리장 공정별 수질 평가 및 정수장 운영현황 ... 71
(3) 침전지 유출수 대상 잔류 과망간산나트륨 모니터링 ... 97
라. 과망간산나트륨 전산화 공정 도입을 위한 목표 수질 평가 ... 103
(1) 과망간산나트륨 성능평가 및 현장실험 결과 검증 개요 ... 103
(2) 목표수질 달성 확인위한 공인인증 시험성적 결과 ... 104
(3) 파일럿플랜트를 이용한 과망간산나트륨 성능 평가 ... 107
마. 녹조 대응을 위한 과망간산나트륨 전산화 공정의 운영 매뉴얼 도출 ... 111
(1) 전산화 설비 구성 및 제원 ... 111
(2) 전산화 공정 및 시설개요 ... 113
(3) 전산화 공정 운영 매뉴얼 ... 119
바. 조류 발생량 저감 원인 분석 ... 149
(1) 조류 발생량 분석 위한 데이터 선정 ... 149
(2) 데이터 사전분석 ... 149
(3) CNN-LSTM 모델을 활용한 시계열 분석 ... 154
5. 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 ... 164
가. 목표 ... 164
나. 목표 달성여부 ... 164
다. 목표 미달성 시 원인(사유) 및 차후대책(후속연구의 필요성 등) ... 165
6. 연구개발 결과의 활용방안 및 기대효과 ... 166
가. 연구개발 결과의 활용방안 ... 166
(1) 안전한 녹조 대응 기술로 활용 ... 166
(2) 과망간산나트륨 산화 처리 주입 공정 사업화 ... 167
나. 연구개발 결과의 기대효과 ... 168
붙임. 참고문헌 ... 169
끝페이지 ... 170

표/그림 (173)

표 미국 지역별 정수장 수원지 및 정수장 내 조류 대책 (Water research foundation, 2009)
표 전산화 공정에 따른 THMs 농도 비교(출처 : Domínguez-Tello et al, Environ Monit Assess (2015))
표 과망간산나트륨 전산화 공정 도입을 통한 목표 수질(고도처리 전단여과지 유출수 기준)
표 과망간산나트륨 주입을 통한 정수처리시설 비용 절감 효과 *(a): 수도시설 운영비 및 공사비 개략산정기준 (2016, 환경부), (b): 입상활성탄 재생기준 수립과 평가기술 (2012, K-water)
표 과망강산염 주입에 따른 조류 제거 및 세포 손상율 *(a), (b): Pengchao Xie et al. Environ. Sci. Technol. 2013, 47, 14051−14061 *(c), (d): 녹조 발생 시 정수처리 선진화를 위한 산화제 및 공정화 기술 개발 보고서(KIST, 2016)
표 연구개발 추진체계
표 (a) 선정된 2종의 녹조류(Monoraphidium sp., Micractinium inermum) 및 남조류(M. aeruginosa) (b) 기포탑 광생물반응기
표 산화제 종류에 따른 LC/Q-TOF MS 산화 부산물 분석 결과 비교
표 산화제 주입 조건에 따른 THMs 발생농도(LC/Q-TOF MS)
표 현장수 조건에서 과망간산나트륨 산화반응 후 THMs의 농도(n=3)
표 현장수 조건에서 차아염소산나트륨 산화반응 후 THMs의 농도(n=3)
표 Monoraphidium sp.(좌)와 Micractinium inermum(우)의 산화제 처리 전 cytogram
표 차아염소산나트륨 농도 및 시간에 따른 Micractinium inermum의 cytogram 특성 변화
표 차아염소산나트륨 농도 및 시간에 따른 Monoraphidium sp.의 cytogram 특성 변화
표 과망간산나트륨 농도 및 시간에 따른 Micractinium inermum의 cytogram 특성 변화
표 과망간산나트륨 농도 및 시간에 따른 Monoraphidium sp.의 cytogram 특성 변화
표 9월 6일 건국대학교 일감호 현장 사진
표 9월 6일에 채수한 일감호 수질 분석 결과
표 산화제 농도 0.5 mg/L (a), 1 mg/L (b), 2 mg/L (c), 5 mg/L (d) 주입시 THMs 발생량
표 산화제 주입량에 따른 M. aeruginosa의 cytogram 특성 변화
표 차아염소산나트륨(a-d, 0.5, 1, 2, 5 mg/L) 및 과망간산나트륨(e-h, 0.5, 1, 2, 5 mg/L)에 의한 유기물 성상 변화(LC-OCD 분석결과)
표 산화제 농도에 따른 마이크로시스틴-LR 변화
표 9월 13일 건국대학교 일감호 현장 사진
표 9월 13일에 채수한 일감호 수질 분석 결과
표 산화제 농도 0.5 mg/L (a), 1 mg/L (b), 2 mg/L (c), 5 mg/L (d) 주입시 THMs 발생량
표 차아염소산나트륨과 과망간산나트륨의 농도 및 시간에 따른 M. aeruginosa의 cytogram 특성 변화
표 산화제 농도에 따른 마이크로시스틴-LR 변화
표 8월 29일 칠서정수장 현장 사진
표 8월 29일에 채수한 칠서정수장 원수 수질 분석 결과
표 산화제 농도 0.5 mg/L (a), 1 mg/L (b), 2 mg/L (c), 5 mg/L (d) 주입 시 THMs 발생량
표 차아염소산나트륨과 과망간산나트륨의 농도 및 시간에 따른 M. aeruginosa의 cytogram 특성 변화
표 산화제 농도에 따른 마이크로시스틴-LR 발생량
표 과망간산나트륨 주입에 따른 THMs 발생량 (a) 기존 운영 결과, (b) 리빙랩 운영 결과
표 유기물 성상 변화 비교 (a) 기존 운영 결과, (b) 리빙랩 운영 결과
표 칠서정수장의 시설 평면도
표 칠서정수장의 정수처리 공정도
표 칠서정수장 단위공정 시설 제원 현황
표 전산화 공정 설치위치와 리빙랩 사진
표 산화제 주입공정의 설치 시공 사진
표 자동제어 방식의 리빙랩 설비 P&ID
표 잔류 과망간산나트륨 농도 연속 계측기와 자동 세척공정
표 과망간산나트륨을 이용한 전산화 공정의 조류 제거 메커니즘
표 과망간산나트륨 산화제를 이용한 전산화 공정의 유기물 제거 메커니즘
표 다양한 산화제의 용해성망간 산화반응 관계와 반응 특성
표 무기물에 의한 과망간산나트륨의 반응 정량 비
표 과망간산나트륨을 이용한 용해성망간의 산화 처리 특성
표 정수장에서 전산화 공정의 기능
표 산화제 적정 주입량 산정을 위한 Jar test 예
표 MnO4 잔류 농도 측정 위한 Calibration curve
표 무기물에 의한 과망간산나트륨의 반응 정량 비
표 Jar test 시료의 수질 특성
표 리빙랩 정수장의 Jar test에 의한 한계 주입량 산정 시험
표 과망간산나트륨 전산화에 따른 잔류 용해성망간 농도
표 모니터링 반응기와 멀티 측정기를 이용한 연속 수질 모니터링
표 멀티계측기를 활용한 수질영향인자 모니터링 결과 요약
표 멀티계측기를 활용한 ORP, 전기전도도 모니터링 결과
표 리빙랩 정수장의 원수 탁도와 전기전도도(‘20-’21.11)
표 리빙랩 정수장의 오존생산에 소비된 전력량
표 과망간산나트륨 전산화 공정의 전력 소비량
표 고도처리공정과 과망간산나트륨 전산화 공정의 시설 사업비 비교
표 고도처리공정과 과망간산나트륨 전산화 공정의 시설 운영비 비교
표 리빙랩 정수장의 활성탄 교체 현황
표 과망간산염을 이용한 전산화 리빙랩의 세부 운영 조건
표 과망간산염을 이용한 리빙랩의 전산화시스템 세부 운영 조건(계속)
표 정수장 운영팀과 협의된 리빙랩 운전조건 및 채수시간
표 공정단계별 THMs 모니터링 결과
표 공정운전 기간 및 산화제 주입조건
표 산화제 주입농도에 따른 정수공정별 THMs 농도 (5월 산화제 농도; (a) 0 mg/L, (b) 0.43 mg/L)
표 산화제 주입농도에 따른 정수공정별 THMs 농도 (11월 산화제 농도; (a) 0 mg/L, (b) 0.93 mg/L, (c) 1.0 mg/L, (d) 0.31 mg/L, (e) 0.34 mg/L)
표 산화제 주입농도에 따른 공정단계별 DOC 농도 변화 ((a) 5월, (b) 6월, (c) 7월, (d) 8월, (e) 9월, (f) 10월, (g) 11월)
표 원수, 유입수, 침전수 THMFP 농도 비교 ((a) 8월, (b) 9월, (c) 10월, (d) 11월)
표 정수공정별 샘플링 분석 리스트 및 산화제 주입조건
표 산화제 주입농도에 따른 정수공정별 THMs 농도 (5월, 산화제 농도 (a) 0 mg/L, (b) 0.47 mg/L, (c) 0.47 mg/L, (d) 0.47 mg/L, (e) 0.47 mg/L, (f) 0.57 mg/L, (g) 0.57 mg/L)
표 산화제 주입농도에 따른 정수공정별 THMs 농도 (6월, 산화제 농도 (a) 0 mg/L, (b) 0.4 mg/L, (c) 0.4 mg/L, (d) 0 mg/L, (e) 0.4 mg/L, (f) 0.4 mg/L, (g) 0.4 mg/L)
표 산화제 주입농도에 따른 정수공정별 THMs 농도 (7월, 산화제 농도 (a) 0.5 mg/L, (b) 0.5 mg/L, (c) 0.5 mg/L, (d) 0 mg/L, (e) 0.5 mg/L, (f) 0.5 mg/L)
표 리빙랩 및 기존 운영 조건의 THMs 분석결과 비교(원수, 침전수 대상)
표 산화제 주입농도에 따른 정수공정별 THMs 농도 (7월, 산화제 농도 (a) 0 mg/L, (b) 0.75 mg/L, (c) 0 mg/L, (d) 0.6 mg/L, (e) 0.55 mg/L, (f) 0.5 mg/L, (g) 0.4 mg/L, (h~k) 0.5 mg/L)
표 리빙랩 및 기존 운영 조건의 THMs 분석결과 비교(원수, 침전수 대상)
표 산화제 주입농도에 따른 정수공정별 THMs 농도 (10월 산화제 농도 (a) 0 mg/L, (b) 0 mg/L, (c) 0.4 mg/L, (d) 0.35 mg/L, (e) 0.35 mg/L)
표 리빙랩 및 기존 운영 조건의 THMs 분석결과 비교(원수, 침전수 대상)
표 산화제 주입농도에 따른 정수공정별 THMs 농도 (10월 산화제 농도 (a) 0 mg/L, (b~e) 0.4 mg/L)
표 리빙랩 및 기존운영 조건의 THMs 분석결과 비교(원수, 침전수, 여과수 대상)
표 산화제 주입농도에 따른 정수공정별 THMs 농도 (11월, 산화제 농도 (a) 0 mg/L, (b) 0.4 mg/L, (c) 0.4 mg/L, (d) 0.3 mg/L, (e) 0.6 mg/L, (f) 0.6 mg/L, (g) 0.6 mg/L)
표 리빙랩 및 기존운영 조건의 THMs 분석 결과 비교(침전수, 여과수 대상)
표 잔류 과망간산염 실시간 측정기의 제원
표 잔류 과망간산염(MnO4 -)의 소비특성
표 기존 계열 시설 침전지의 탁도 공간 분포
표 잔류 과망간산염 실시간 측정을 위한 샘플라인 현황
표 자동제어시스템에 수신된 잔류 과망간염 농도변화와 한계농도 설정 현황
표 과망간산나트륨 전산화 공정 도입 위한 목표 수질
표 공인인증 시험 채수 일정
표 조류 개체수 제거율 공인인증 시험 결과
표 탁도 개선율 공인인증 시험 결과
표 THMs 저감율 공인인증 시험 결과
표 마이크로시스틴-LR 저감율 공인인증 시험 결과
표 파일럿 공정 공인인증 시험 채수 일정
표 파일럿플랜트의 조류 개체수 제거율 공인인증 시험 결과
표 파일럿플랜트의 탁도 개선율 공인인증 시험 결과
표 파일럿플랜트의 마이크로시스틴-LR 저감율 공인인증 시험 결과
표 전산화 공정 공정 처리계통도
표 전산화 공정 설비 구성
표 과망간산나트륨 산화제를 이용한 전산화 공정 주요 설비
표 약품 탱크의 설치 개요도
표 초음파 수위계
표 측정원리
표 Dosing pump
표 Pulsation damper
표 터치 PC 바탕화면
표 HMI 실행 화면
표 설비 이상 경보 내역
표 수위 설정 팝업 창
표 RRM 설정 팝업창
표 설비제어 팝업 창
표 수동 운전 설비제어 팝업 창
표 밸브 수동 운전 확인 창
표 약품 희석탱크 제조
표 아날로그 트렌드 화면
표 디지털 트렌드 팝업 창
표 공정 경보
표 세부 기능
표 보고서 관리창
표 감시제어프로그램 종료 확인 팝업 창
표 품목 명세서
표 그림 배선도
표 측정부 분해 조립
표 오류 관리표
표 장치 화면
표 잔류농도 출력값
표 온도와 mV 스크린
표 수동 세척 스크린
표 수동 세척 스크린
표 패스워드 입력
표 Stop Motor 화면
표 농도 설정 화면
표 교정 메뉴 화면
표 Cell 교정 화면
표 영점 선택 교정 화면
표 수동 영점조정화면
표 자동 영점조정화면
표 Cell 범위 조정화면
표 mV 입력값이 영점 mV 보다 낮을 때의 해결 방법
표 과망간산나트륨 농도 값 세팅
표 아날로그 출력값 보정
표 전류값 변경
표 경고 설정 스크린
표 설정값 변경
표 트립된 설정값 일치 여부 표시
표 시간 설정
표 새 비밀번호 설정
표 새 암호 설정 과정
표 배선 도면
표 기상 데이터와 한강 남조류 세포수 간의 상관관계(결정계수 r) 분석 결과
표 기상 데이터와 창녕 함안보 남조류 세포수 간의 상관관계(결정계수 r) 분석 결과
표 확보된 남조류 데이터 정규분포 검정 결과와 데이터 히스토그램
표 Kruskal-Wallis test 결과
표 표 49의 한강 지역 Kruskal-Wallis test 결과에 대해 Post-hoc 분석을 수행한 결과를 나타낸 표. (주황색: 해당연도와 남조류 발생 정도가 다르다, 남색: 해당연도와 남조류 발생정도가 다르지 않다, 하얀색: 동일연도)
표 서울 한강 지역 연도별 남조류 발생량 Kruskal-Wallis test의 Post-hoc 검정 결과를 K-means clustering으로 분류하여 그래프로 표시한 결과
표 표 49의 창녕 함안보 지역 Kruskal-Wallis test 결과에 대해 Post-hoc 분석을 수행한 결과를 나타낸 표. (주황색: 해당연도와 남조류 발생 정도가 다르다, 남색: 해당연도와 남조류 발생정도가 다르지 않다, 하얀색: 동일연도)
표 창녕 함안보 지역 연도별 남조류 발생량 Kruskal-Wallis test의 Post-hoc 검정 결과를 K-means clustering으로 분류하여 그래프로 표시한 결과
표 CNN 모델링 기법
표 전처리 하지 않은 데이터와 이동 평균을 적용한 데이터
표 CNN-LSTM 모델에 활용된 Input 데이터
표 CNN-LSTM 모델 훈련 과정으로 인한 Loss 감소 경향
표 CNN-LSTM 모델 활용한 시계열 분석 결과
표 MLR 모델과 CNN-LSTM 모델 동시활용 방안
표 MinMax Scaling 계산법
표 2013- 2021년 창녕 함안보 지역 실제 남조류 발생량(주황색 점)과 MLR 모델을 통해 추정된 발생량(파란색)을 나타낸 그림
표 2019년부터 2021년까지 창녕 함안보 지역에서 매년 6-9월에 나타난 실제 남조류 발생 규모(붉은색)와 동시기 MLR 추정 결과(파란색)를 나타낸 그래프
표 각 독립변수들의 6, 7, 8, 9월 평균(μ)과 표준편차(σ)를 연산한 뒤, 차년도 6-9월 각 독립변수들의 추이가 ‘μ-σ’ (파란색), ‘μ’ (빨간색) 그리고 ‘μ+σ’ (초록색) 세 가지 시나리오 중 하나를 따른다고 가정할 때 출력되는 MLR 모델값의 결과들
표 각 시나리오별 MLR 추정치에 대한 딥러닝 복합모델 예측값의 일치도
표 각 시나리오별 MLR 추정치에 대한 딥러닝 복합모델 예측값의 일치도를 그래프로 나타낸 것; (a)μ-σ , (b)μ, (c)μ-σ
표 여과지 1 및 여과지 2 수위 데이터에 기반해 도출된 모수 검정법 및 비모수 검정법의 결과를 나타낸 표
표 (a) 정수처리장 내 살균부산물(THMs) 법적 기준 및 지자체 별 목표치, (b) 일반정수처리 및 고도정수처리장 내 THMs 농도 차이, (c) 과망간산나트륨 산화제 기술을 통한 THMs 제어

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과망간산나트륨을 산화제로 이용하는 녹조 대응 정수 기술 실증화 연구
Empirical study on water treatment technology using sodium permanganate as oxidant for algal blooming 원문보기

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