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정수처리 방법 정수처리 기술 • 가정과 공장 등의 용수공급을 위한 정수처리의 역사는 그리 길지 않은 편이다. • 마을 단위로 우물을 파거나, 수로건설을 통하여 물을 끌어들여 사용하기 시작 한 것은 기 원전으로 거슬러 올라간다. • 수도시설은 도시들을 중심으로 증기기관 펌프를 이용하여 공급할 정도로 발전하여 왔지 만, 18세기까지도 정수처리의 개념은 실시되지 않았다. • 19세기에 이르러서야 비로소 정수처리가 수도시설에 포함되기 시작하였다. • 최초의 근대적인 정수처리는 공중보건을 위한 위생시설로서 모래를 이용한 여과(완속여 과)법이 19세기 초에 유럽의 몇몇 국가에서 시작되었으며, 수처리용 약품개발과 함께 19세 기 말에 이르러서야 약품 처리가 정수처리에 이용되기 시작하였다. •최근에는, 산업발달과 함께 상수원 오염이 심화되고, 오염물질이 다양화되고 있는 반면에, 수돗물 에 대한 소비자들의 기대치는 상승하고 있다. • 이러한 이유 때문에, 기존의 정수처리기술로는 대처하기 어려운 오염물질들을 처리하기 위한 좀 더 고도화된 정수처리기술들이 필요하게 되었으며, 유럽과 미국을 중심으로 도입 되어 이미 실용화되어 있다. • 우리나라의 경우, 19세기 말에 비로소 수도시설이 보급되어 물을 공급하였으며, 20세기 초에 한강 뚝섬에 설치된 여과기술이 최초로 도입된 정수처리로 알려져 있다. • 지난 한 세기 동안 수도 보급율의 증가와 함께 정수처리기술은 많은 발전을 이룩하였으 나, 우리나라의 기후 및 지형 특성상 계절별, 지역별 강우량의 편차가 심하여 상수원의 수 량과 수질관리가 어렵고, 이에 따른 적정 정수처리도 쉽지가 않다는 문제점을 안고 있다. • 그러나 깨끗하고 안전한 수돗물을 공급하기 위한 제도적 장치와 함께 정수처리에 대한 기술적 노력의 결과로, 이제는 선진대열에 들어서 있으며, 최근에는 국민들의 수돗물에 대 한 높은 기대치에 부응하기 위해 고도처리공정을 도입하여 보급하고 있다. 정수처리의 목적 지표수, 지하수, 호소수 등의 다양한 원수에서 부유물질, 중금속, 미량유기물질 및 병원균 등의 유해물질을 제거하여 “먹는물수질기준”에 적합하도록 안전한 물 을 생산하는데 있다. 수원 수원의 종류 • • • • 천수(meteoric water) 지표수: 하천수, 호소수, 저수지수 지하수: 용출수, 천층수, 심층수 기타 해수 등 수원의 구비조건 • 수량에 대해 -수량이 풍부할것 -수질이 양호할 것 -취수 및 관리가 용이할 것 -연간 수량의 변동이 적을 것 -상수소비지에서 가까운 곳에 위치해야 한다. • 수질에 대해 -취수유역이 안전할 것 -원수의 처리성이 좋을 것 -수질의 변화가 적을 것 등이다. 수원의 수질 정수의 필요성과 정수방법 (Necessity and method of Treatment) • 병원균이 없으며 인체에 유해한 물 질이 과다하게 함유되지 않을 것 • 물리적 성질(탁도, 색, 냄새, 맛, 온 도)이 양호할것 • 심미적 및 감능적으로 좋을 것 등이 다. 우리나라 지하수 수질검사기준 항목 국내 정수장의 수질조사기준 각국 먹는물 수질검사기준 법정항목 세계4대도시 상수도수의 수질비교 [단위:mg/l, 탁도 NTU] 표준정수처리 시설의 구성내용 보통 정수법을 분류하면 부유성물질 제거 용해성물질 제거 •보통침전과 완속여 과 병용 •약품침전과 급속여 과 병용 •어느정도 화학변화 를 시켜 제거 •경수를 연수처리 •철, 망간 등 제거 •수원이 지하수인 경우 각종 방법 바이러스성 미생물 제거 •여과성 바이러스의 제거 •약품침전 및 여과가 효과 적 •급속여과보다 완속여과가 더 효과적 •활성탄 종류의 흡착에 의 한 효과가 크다 •염소소독과 오존 소독이 효과적 세균제거 생물제거 •침전과 여과 병용 으로 세균의 대부분 제거 •염소 등 소독으로 직접 살균 •동물성 생물보다는 식물성 생물이 수원 에 존재 •식물성 생물(조류, 미생물)은 물에 색, 냄새, 맛을 내고 여 과기능을 방해함 •일광을 차단하고 약품으로는 황산동 이나 염소 사용 방사성물질 제거 •일반적인 약품침전으로 4585% 정도 제거 •완속사 여과는 급속사 여과 보다 제거율이 양호 •활성탄처리, 이온교환수지 및 막분리공정 등으로 99% 제거 표준형 정수처리계통 사례 대구시 매곡 정수장 정수처리 계통도 하천표류수의 취수시설 선정 호소 및 저수지 취수지점의 선정 호소를 수원으로 하는 경우 저수지를 수원으로 하는 경우 호소·댐 취수시설의 선정 지하수 취수지점의 선정 복류수(강변여과수) 지하수(복류수포함)의 취수 표류수 처리시설 대안 예시(Müller) 지하수처리 시설 대한 예시(Müller) 스크린과 미세망 스크린(screen): 정수장이나 폐수처리에서 최초의 단위조작이며, 유하하는 원 수나 폐수 중에 있는 고형물을 스크린으로 제거하는 처리법 < 기계식 봉스크린 > 수동식 봉스크린 미세망(micro strainer): 회전원관에 미세망을 갖는 망을 붙여 수중에 부 유하는 현탁물, 플랑크톤, 조류 등의 고정부유물을 여과하는 장치이다. 응집제 및 응집보조제의 종류와 특성 Jar test 방법 주입할 응집제의 종류와 그 주입률을 결정하여야 함 -수온 -pH -알칼리도 -산도 -유리탄산 -경도 -전해mineral -미립자의 이온교환등 예제 Jar No. 반토주입 mg/l 석회주입 mg/l Floc 형성 1 2 3 4 5 6 0 20 20 20 30 30 30 0 0 3 6 8 10 12 원수 불량 보통 양호 양호 보통 불량 침전수 분석 색도 80 50 30 10 10 25 70 탁도 10 10 8 5 5 8 10 pH 5.6 4.6 5.0 5.4 5.4 5.8 6.2 알칼리도 mg/l 15 16 10 13 13 15 18 표준 정수처리 단위공정 혼화·응집(Coagulation) 첫번째 단계: 응집제 첨가에 의한 급속혼화 단계 두번째 단계: 플록형성단계 - 점감식으로 교반강도 조절해 주며, 단락류의 방지와 효율적인 충돌을 유도하 기 위하여 2-4개의 구역으로 나누어 교반시켜 준다. 입자들의 기본적인 특성과 전기적 안정성 •입자의 특성 -입자가 너무 작고, 표면이 전기적으로 하전되어 있어 중력에 의해 잘 침강하지 않는다. •입자의 안정성 -대부분의 콜로이드성 물질과 일부의 고분자 색도물질은 음(-)으로 하전되어 있음. -소수성(hydrophobic), 친수성(hydrophilic) 입자들이 서로 접근하지 못하도록 정전기적 반 발력이 작용하여 전기화학적인 안정성을 갖게 된다. -동일한 극으로 하전된 입자들은 서로 정전기적 반발력을 갖게 됨 •전기적 이증층(Double layer) -표면의 얇은 가상의 수막은 콜로이드와 함께 이동할 것이며 이층을 고정층(stern layer)이라 함. -고정층 바깥에서의 전위를 제타전위(zeta potential)라고 한다. -입자의 표면으로부터 일정한 거리 밖에서는 반대이온의 농도는 감소하여 같아지는 즉, 입자 의 하전에 의한 영향을 받지 않는 영역까지를 분산층(diffuse layer)이라고 한다. -입자에 작용하는 또 다른 힘은 반데르발스(van der waals)이다. - 이 두 힘의 함력에 의하여 입자간에는 반발력과 인력이 상호작용하게 되며, 반발력이 클 경 우를 안정한 상태라고 하고, 인력이 클 경우에는 불안정한 상태라고 한다. •응집기작(mechanism) : 응집은 수중에서 안정된 상태로 존재하는 입자들의 불안정화를 의미하는 것으로 입 자들 사이의 정전기적 반발력을 잃고, 반데르발스 인력이나 화학적 결합력 등에 의해 입자들의 서로 결합하는 현상을 말한다. -이중층 압축(double layer compression) -흡착 및 전기적 중화(adsorption and charge neutralization) -입자간 가교결합(inter-particle bridging) -포획(Enmeshment in a precipitates) 플록 형성(Flocculation) :콜로이드 입자의 불안정화를 전제로 입자들의 충돌을 효과적으로 유도하는 물리적인 반 응단계를 말하는 것으로, 크고 작은 입자들의 충돌원리를 바탕으로 브라운 운동 (Brownishmotion), 층류에서의 속도경사, 속도차 침전 및 난류확산 등으로 분류하여 설명 할 수 있다. -브라운 운동(Brownish diffusion, perikinetic flocculation) -층류에서의 속도경사(orthoinetic flocculation) -속도차 침전(Differential settling) -난류확산(Turbulent transport) 침전(Sedimentation) : 부유물 중에서 중력에 의하여 제거될 수 있는 침전고형물을 제거하는 것으로 고액분리를 위한 물리적 단위조작인 것이다. -입자성 고형물은 모래, 화학적 침전물, 오염물질, 플록 등을 제거 -수중의 입자들은 8-12시간 정도의 체류시간에서 대부분 제거된다. -작은 입자가 고농도로 존재할 경우, 잘 침전되지 않고 여과지도 쉽게 통과할 수 있기 때문에 콜로이드 등과 같은 하전된 미립자들은 반드시 응집과 플록 형성 조작이 필요하다. 입자들 상태에 따른 침전 유형 I형 침전(독립입자의 침전) : 입자가 서로 반발하여 결합하지 않고 단독 으로 침강하는 경우 (보통침전이론) II형 침전(응결물 침전) : 입자간의 충돌로 서로 결합하여 침강하는 경우 (약품응집침전이론) III형 침전(지역침전) : 밀집 또는 지역침전이라고도 하면 부유물의 농도가 큰 경우 집합체로 침전하므로 부유물 과 상부의 남는 액체간에 뚜렷한 경계면이 생김 IV형 침전(압축침전) : 압밀침전이라고도 하며 침전이 계속됨에 따 라 침전지의 바닥 상부에 압축된 입자들의 층이 생김 침전형태의 분류 제I형 침전(독립침전) -독립침전은 입자들이 독립적으로 침전하고 어떠한 응집이나 응결이 발새하지 않 는 상태이다. -침사지 등에서 모래입자들이 침전하는 것을 예로 들 수가 있다. 입자의 침강속도 (Stokes의 법칙) : 입자의 침강속도는 입자의 크기, 형상, 밀도, 점성 등에 의해서 결정된다. Vs: 독립입자의 침강속도[cm/sec], g: 중력가속도[cm/sec2] 𝜌𝑠 : 독립입자의 비중[𝑔/𝑐𝑚3] 𝜌𝑤 : 액체의 비중[𝑔/𝑐𝑚3] 𝜇: 액체의 점성계수[𝑔/𝑐𝑚 ∙ 𝑠𝑒𝑐] 𝑑𝑝 : 독립입자의 지름[𝑐𝑚] Stokes식에 의한 입경과 침강속도 제II형 침전(독립침전) -어느 정도 현탁물의 농도가 증가하고, 입자들이 서로 응집하는 특성이 있을 때, 각 입자들이 침전하는 과정에서 서로 충돌하여 큰 입자로 성장하면서 침전하는 것을 말 한다. -화학적으로 응집된 플록이나 미생물 플록 등이 침전하며, 큰 침전속도를 지닌 입자 는 작은 속도를 지닌 입자와 결합하면서 더 빨리 침전하게 된다. 제III형 침전(독립침전) 고농도 현탁물에서 발생하는 침전현상으로 침전하고자 하는 입자가 가까이 위치한 입자들의 침전을 서로 방해하여 독립입자 형태로 침전하지 못하게 함에 따라 부유물 과 상징수 사이에 경계면을 형성하면서 침전하므로 계면침전 또는 방해 침전이라고 도함 제II형 침전(독립침전) 침전된 입자들이 그 자체의 무게로 인하여 입자사이의 물을 압축하여 공극 밖으로 밀 어내어 물이 빠져나오면서 슬러지 층이 압축되는 침전이다. 주로 침전조의 하부나 농 축조 등의 슬러지 농축 등에서 발생한다. 여과(Filtration) -불순물 특히 침전공정에서 제거되지 않은 작은 입자나 플록을 여재층에서 제거하는 공정이다. -여과공정에서는 응집/플록형성 및 침전공정에서 넘어 온 입자들을 제거 -걸름작용(Straining)과 차단(Interception), 침전(Sedimentation), 확산 (Diffusion) 등의 기작에 의해 제거된다. -더 이상 부착될 수 없는 한계 억류량에 도달하게 되면 여재층을 역세척해 주어야한다. 여과공정은 운전방식 등의 분류관점에 따라 다음과 같이 분류되며 중력식 개방형 급속모래여과지가 일반적으로 가장 많이 사용되는 여과방식이다. ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ 여과속도 : 완속여과, 급속여과 여재종류 : 모래 단독여과, 이중여재 여과 여과방향 : 상향류식 여과, 하향류식 여과 침전공정의 유무 : 직접여과(Direct filtration) 또는 접촉여과(In-line filtration) 수리학적 조건 : 압력식 여과, 중력식 여과 형태 : 개방형 여과지, 폐쇄형 여과지 여과수량의 시간적 변화 : 정속여과, 감속여과 급속여과(Reapid sand filtration) -급속여과 공정은 응집제를 투입하여 수중의 콜로이드 입자들을 불안정화 시켜 플 록을 생성한 후 여과시켜 제거하는 공정이다. -여과속도는 여과재의 입경에 따라 다양하지만 일반적으로 120 m/일 이상이다. -급속여과에서 여과작용은 거의 물리화학적인 작용에 의존하며 5～15 cm 깊이에서 발생한다. -모래층의 두께를 보통 60 cm 정도로 하는데, 이는 여과시나 역세척 전후 수리적인 안정성을 확보하여 여층의 유실 없이 안정적으로 여과효율을 확보하기 위해서이다. 급속여과지 구조 여과기작 -입자가 여재사이에 걸려서 억류되는 체걸름, 여재 의 표면과 공극으로 이동하는 운반(이송), 마지막으 로 여재표면에 달라붙는 부착의 세 단계 기작으로 설명될 수 있다. -또한, 여재로부터 입자가 떨어져 나가는 탈리는 여 과에서 중요하게 작용하는 기작 중에 하나이다. 여과의 주요 기작 -체걸름(Straining) -운반(Transport) -부착(Attachment) -탈리(Detachment) 급속여과지 구조 완속여과(Slow sand filtration) -여과속도는 5～10 m/일 이하를 표준으로 하며, 여과층 표면에 생기는 생물막 (biofilm)을 이용하여 미생물, 유기물질 및 입자성 물질을 제거한다. -완속여과에서는 부유물질과 세균은 대부분 제거되고 색도, 철,망간 등도 일부가 제 거된다. -완속여과에서 원수 중의 암모니아성 질소는 여과지 표면에서 서식하는 질산화 미 생물의 산화작용으로 질산성 질소로 산화되지만 온도가 5℃ 이하로 감소하는 겨울 철에는 기대하기 어렵다. 완속여과지의 구조 여과기작 완속여과에서 미생물이나 콜로이드와 같은 미세 입자들과 일부 용존유기물이 제거 되는 기작은 다음과 같이 체걸름작용, 침전, 생물학적 작용 및 산화작용 등을 들 수 있다. -체걸름(Straining) -침전(Sedimentation) -생물학적 작용(Biological activity) -산화작용(Oxidation) 완속여과지의 구조 완속여과지 유입설비 압력식여과장치의 예 소독(Disinfection) -현재는 소독공정이 공중보건과 특히, 정수처리공정들 중에서 가장 중요한 부분을 차지하는 공정이다. -대표적인 병원성 미생물은 콜레라균(Vibrio Cholera), 대장균군 (Eshcerichia Coli.), 캠필로박터 제쥬니(Campylobacter Jejuni), 옐리시아 엔 테로콜리티카 (Yersinia Enterocolitica), 레지오넬라 뉴모필라(Leginella Pneumophilla), 지아디아 람블리아(Giardia Lamblia), 크립토스포리디움 (Crytosporidium) 및 소장 내에 존재하는 바이러스(Virus) 등은 과거 수년 동 안 가장 많은 관심의 중심에 있었던 병원성 미생물들이다. -가열처리, 태양광에 의한 소독, 약품소독 등이 포함되지만 정수처리공정의 소독공정에 국한할 경우, 사용되는 대표적인 소독방법으로는 염소(chlorine), 이산화염소(chlorine dioxide), 오존(ozone), 클로라민(chlorimine), 자외선(UV) 등이 있다. -이 밖에도 최근 들어, 크립토스포리디움이나 지아디아와 같은 원생동물에 의한 오염사례가 보고되면서 오존과 자외선과 같은 강력한 산화력을 가진 소 독제가 사용되기도 한다. 염소소독의 효력 -유기물 산화(냄새, 맛 제거에 효과) -응집침전을 촉진한다 -살균력은 온도, 반응시간, 염소농도, pH에 따라 다르다 -온도 영향은 매 10℃마다 2배의 차이가 난다 -같은 살균을 위해서는 동일 농도일때 결합 잔류염소는 유리잔류염소보다 100 배의 접촉 시간을 요하고, 같은 접촉시 간에서는 25배의 농도가 필요하다. 온도와 pH치의 변화에 대응하는 수중의 염소산, 차아염소산의 분 포(Morris, J.C에 의함) 염소주입과 잔류염소의 관계 고도정수처리 -표준정수처리기술로는 처리가 곤란한 맛, 냄새, 암모니아성질소, 트리할로메 탄(THM)과 유기할로겐화합물(TOX)과 같은 다양한 오염물질을 제거하고 궁극 적으로 보다 깨끗하고 안전한 수돗물을 공급하고자 하는 데 목적이 있다. -우리나라는 1990년대부터 고도정수처리에 관심을 갖고 처리하기 시작함 문제시되는 먹는 물의 오염물질 종류 고도정수처리 대상 맛, 냄새 물질 -수돗물에서 맛․냄새를 유발하는 원인물질은 하․폐수에 함유된 화학물질과 조류와 수생 동식물의 부산물 유입 및 정수과정에서 사용하는 소독제에 의한 것으로 구분할 수 있다. -현재 남조류와 방선균에 의한 지오스민(Giosmin)과 2-메틸이소보르네올(2-Methyliosborneol, 2-MIB) 등 으로 확인되고 있다. 곰팡이 냄새의 원인, 그 외 페놀(Phenol), 사이클로헥실아민(Cyclohexylamine), 기름 등에 기인하는 냄새는 공업폐수 등에 의해 발생한다. 조류에 의한 독성 및 여과장애 -조류에 의한 독성물질 인체에 미치는 영향에 따라 남조류가 발생시키는 독성물질은 신경독성물질 (Neurotoxins)과 간 독성물질 (Hepatotoxins)로 분류되고, 독성물질을 발생시키는 남조류 중 가장 먼저 알려진 종은 Microcystin aeruginosa이다. -조류에 의한 응집 및 여과장애 •조류 체내에 기포를 가진 종류는 부상하기가 용이하여 응집, 침전의 장애를 일으키며, 전염소 처리시 군체 가 각개의 세포로 흩어져 여과지에서 누출되는 경우가 발생하거나 여과지속시간을 단축시키기도 한다. •최근에 국내 하천 및 호소에서 수환경의 변화로 수온이 낮은 봄철에 규조류에 의한 여과폐색 현상이 문제 가 되고 있는데, 주요 종으로는 Synedra 속이며 세포가 비늘모양이나 곤봉모양으로 가늘고 길다. • 또한 조류의 세포는 세포외 유기물질(Extracellular Organic Matter, EOM)에 둘러 싸여 있는데, 이는 조류 가 생성하여 배출하는 물질 •기존의 모래여과지를 안트라사이트(Anthracite) 여과지로 대체하는 방법과 부상공정이나 오존에 의한 산 화공정 등을 적용할 수 있다. THM 전구물질 및 소독부산물 • 수돗물중에 발생하는 THM은 자연에 존재하는 유기착색성분인 휴민질(Humin)이나 그것과 유사한 유기물인 전구물질(Precursor)과 전염소 처리나 소독을 위해 투입하는 염소와의 반응으로 생성된다. • THM의 4가지 화합물(Cholorform, Bromodichloromethane, dibromochloromethane, Bromoform) 중에서 클 로로포름(CHCl3)이 일반적으로 가장 큰 비중을 차지하고, 이들 화합물을 합하여 총트리할로메탄(Total Trihalomethane, TTHM)이라고 정의하며 발암성 물질인 것으로 확인되었다. •활성탄 처리나 오존처리 방법이 효과적인 것으로 알려져 있다. 색도 •원수 중의 황색 성분은 부식질에 기인하는 것이 많으나, 철, 망간에 기인하는 것과 산업폐수의 혼입에 기인하 기도 한다. •부식질로부터 유래하는 색도는 휴믹산(Humic acid), 펄빅산(Fulvic acid)으로 구분된다. 암모니아성 질소 •정수처리에 있어서는 유기물, 철, 망간 등의 산화와 함께 암모니아성 질소처리를 목적으로 전염소처리가 행하 여져 왔으나, 휴믹산류 등의 용해성 유기물질과 염소가 반응하여 THM 생성에 큰 영향을 미친다. •암모니아성 질소농도가 낮은 경우에는, 완속여과 공정과 같은 호기성 미생물에 의한 산화법이 신뢰성이 높다. 반면, 일정농도 이상에서는 생물처리가 효과적이지만 겨울철 수온이 낮을 때는 효과가 감소하여 적용에 어려 움이 있다. 음이온 계면활성제 •음이온 계면활성제는 가정하수, 산업폐수 등의 혼입에 의해 유래되며, 일반적으로 수도 원수에서는 주로 발포 에 의한 장애를 일으킨다. •경성합성세제(Alkylbenzene sulfonate, ABS)는 일시 사용되었으나, 생물 분해성이 나쁘기 때문에 생물 분해성 이 좋은 연성합성세제(Linear Alkyl benzene sulfonate, LAS)로 바뀌어 사용되고 있다. 오존처리 공정 •19세기말 오존 살균력이 발견된 후, 독일에서 정수장에 파일럿(pilot) 플랜트를 설치하여 박 테리아에 대한 살균효과를 검증한 바 있으며, 따라서 초기에는 살균제로서 도입되었다. •부수적으로 맛, 냄새물질, 색도, 철 및 망간 등의 제거도 가능한 것으로 밝혀지면서 그 사용 범위가 확대되어 왔다. •1970년대 THM이 발견된 이후부터, 오존공정은 최근까지 상수원수의 오염심화와 오염물질 의 다양화 추세, 먹는물 수질기준의 강화, 염소처리에 의한 소독부산물(DBPs) 발생 등의 복합 적인 수질문제에 대응하여 조류제어 및 소독부산물을 제어할 목적으로 고도정수처리에 도입 되고 있다. • 크립토스포리디움에 의한 수질사고 이후, 소독제로서 오존에 대한 관심이 증가하였으며, 더욱이 오존은 살균효과가 우수하고 염소 소독과는 달리 THMs 등의 화합물을 생성시키지 않는 장점이 있다. •게다가, 강력한 산화력에 의해 페놀, ABS 등의 난분해성 유기물질의 분해․제거가 가능하고 THM 전구물질이나, 맛․냄새 등의 제거에도 매우 효과적이다. • 또한, 유기물질의 성상을 변화시킨 후, 활성탄에 흡착시켜 제거하는 전처리 방법으로도 활 용할 수 있어 소독부산물의 제어를 위한 생물활성탄(BAC)에 대한 전처리시설로서 적용되고 있다. •따라서 프랑스를 비롯한 유럽지역은 물론 미국을 포함한 북미지역에 오존처리공정이 급속 도로 확산되었다. 반면, 오존처리 기술이 정수처리기술 분야에서는 조금 낯선 실정이고, 도입 에 따른 과도한 소요비용, 현장생산에 따른 기술적인 문제점들이 있다. •또한, 오존의 강한 산화력에 의한 브로메이트(bromate, BrO3-), 클로레이트(chlorate, ClO3-), 알데하이드(aldehydes)와 같은 소독부산물들이 생성될 수 있으며, 이들에 대한 위해성 검증 과 대책이 과제로 남아 있다. 오존처리 기작 •오존은 수용액에서 불안정하여 비교적 단시간에 분해되며, 20℃에서 반감기가 30분 미 만이다. •오존의 분해속도는 오존의 농도, 불순물의 존재여부, 압력 및 pH 등의 영향을 크게 받으 며, pH가 높을수록 분해속도는 빨라진다. •오존 분해속도가 pH의 영향을 받는 것은 수산화기(OH-)에 의하여 오존이 스스로 분해할 수 있는 특성을 가지고 있기 때문이다. O3 + H2O → HO3+ + OHHO3+ + OH- → 2HO2· HO2· + O3 → OH· + 2O2 HO· + O3 → HO2· + O2 오존과 염소의 소독력에 대한 상대적 비교 (2) 오존처리 효과 o 살균 및 조류억제 오존은 염소와 같이 유기물과 결합하여 THMs 등을 형성시키지 않으며 맛과 냄새의 원인이 되는 페놀 등의 유기물을 산화시킨다. o 철․망간 제거 •보통 철, 망간은 수중에서 Fe(HCO3)2, Mn(HCO3)2 또는 착염상, 콜로이드상, 규산/암모니아 등과 공존 하는 형태로 존재한다. 이를 제거할 수 있다. o 시안(CN-) 제거 시안은 광산, 화학공장 및 도금공장에서 방류되는 폐수 등에 함유되어 원수를 오염시키게 되는데, 오존 에 의해서는 가수분해 되어 무해하게 된다. o 맛, 냄새제거 잔류 오존농도가 0.5 mg/L라고 가정할 때, 대부분의 맛, 냄새물질을 산화/분해하는데 필요한 접촉시간 은 10분 정도로 알려져 있다 o 응집보조 역할 응집/침전 공정에서 오존 전처리를 병행하면 응집 상승효과를 얻게 되고, 이로 인해 응집효율을 증가시 켜 약품주입량의 절감이라는 경제적인 이점도 함께 얻게 된다. o 유기물의 생분해도 증진 유기물이 오존의 산화작용에 의하여 일부는 무기화되지만, 대부분이 저분자 형태로 변화하게 되어 생물 분해성(bio-degradability)이 향상된다 활성탄처리 공정 •활성탄의 표면구조는 페놀성 수산기, 카르복실기, γ-락톤기, 락톤기, 카르보닐기, 무수 카 르본산 등이 포함된 복잡한 구조를 이루고 있다. 이러한 기능기들과 피흡착질과의 각종 화 학적 결합이 이루어져 흡착현상이 발현된다. •활성탄의 흡착능력은 활성탄의 종류와 흡착질에 따라 다르며, 원수의 수온, pH 또는 공존 하는 물질들의 특성에 따라서도 차이가 난다. •정수처리공정에서 활성탄 흡착공정은 주로 상수 원수나 정수처리 공정에서 수중에 용존 되어 있는 맛과 냄새의 원인물질을 제거할 뿐 만 아니라, 미량 유기오염물 및 THMs 전구 물질의 제거에도 널리 이용된다. •정수처리공정에 이용되는 활성탄은 분말활성탄(Powder Activated carbon, PAC), 입상활 성탄(Granular Activated Carbon, GAC) 및 섬유상 활성탄(Activated Carbon Fiber, ACF) 등 이 있으며, 일반적으로 입상활성탄을 가장 많이 사용하고 있다. 활성탄의 세공 크기에 따른 구분(JUPAC, 1972) (1) 흡착 기작 •활성탄의 표면이 소수성으로 무수한 세공을 지니고 있고 내부 표면적이 매우 커 수 중의 각종 미량 오염물질이 활성탄을 통과하는 과정 동안 흡착, 제거된다. •수중에 존재하는 오염물질이 다공성 활성탄에 흡착되어 제거되는 것은 대부분이 물리적인 흡착에 의하여 진행되는데, 이는 몇 단계를 거쳐서 일어나게 된다. o 용액속에서 흡착질의 이송(Bulk solution transport) 수중에 존재하는 흡착질은 물로 둘러싸여 있는 활성 탄의 경계층으로 이동하게 된다. o 전달의 외부저항(External 또는 Film resistance to transport) 두 개의 상이 접할 때 2중 경막이론(Two film theory) 에 의해 경계면의 양측에서 농도구배에 의해 확산을 일으키는 추진력이 발생한다. 흡착질은 2중 경막을 분자확산에 의하여 전달되는데, 이를 일반적으로 “외 부물질전달“ 또는 ”필름확산“이라고 한다. o 내부 전달(Internal 또는 Pore transport) 2중 경막을 통과한 후에 흡착질은 흡착 가능한 장소 (site)를 찾기 위하여 공극 안에서 전달되어야 한다. 내부에서의 물질전달은 공극 안에 있는 물을 통한 전 달(Pore diffusion)과 흡착제의 표면을 따른 전달 (Surface diffusion)이 있다. 일반적으로, 자연유기물 질(NOM)과 같은 거대 분자들은 pore diffusion에 의 하여 전달되고, 합성유기물질과 같이 분자량이 작은 것들은 surface diffusion에 의하여 전달된다. o 흡착(adsorption) •흡착 결합은 물리적 흡착에서는 이 단계가 상당히 빠르기 때문에 앞에서 언급된 3단계 중에 하나가 용 액속에 존재하는 흡착질의 실질적인 흡착, 제거를 결 정하게 된다. (2) 활성탄 공정 • 활성탄은 그 입자의 크기에 따라 분말활성탄(Powdered Activated Carbon, PAC)과 입상활성탄 (Granular Activated Carbon)으로 구분 •공정의 처리방식에 따라 상기의 두 가지와 함께 생물활성탄(Biological Activated Carbon,BAC)공정으로 분류 •생물활성탄 공정은 입상활성탄의 표면에서 성장하는 생물막을 이용하여 생분 해성 유기화합물을 제거효율을 증가시키기 위한 것이다. 입상활성탄(GAC)과 분말활성탄(PAC)의 물리적 특성 활성탄 공정의 특성 및 장단점 막여과 공정 막(Membrane)은 19세기 중반에 발명된 초산셀룰로오스(Celluloid)를 시작으로 현 재는 다양한 기능성 합성막을 생산하기에 이르렀다. •막여과 공정은 막소재의 물리․화학적 특 성, 미세구조의 크기, 화학적 친화성, 이온 성 등의 차이에 따라 유체의 상(Phase)변 화를 수반하지 않고 분리할 수 있는 효율 적인 공정인 것이다. •막분리 공정에서 이러한 분리를 가능하 게 하는 구동력(Driving force)은 막 양면 에서의 농도차, 압력차 또는 전위차 등에 의한 것이다. •고도정수처리에 적용되는 막여과 공정은 제거되는 입자의 크기별로 역삼투 (Reverse Osmosis, RO)법, 저압역삼투법 또는 나노여과 (Nanofiltration, NF)법, 한 외여과(Ultrafiltration, UF)법, 정밀여과 (Microfiltration, MF)법 및 전기투석 (Electrodialysis, ED)법 등으로 분류 할 수 있다. • 막여과법 종류 및 특징 항 목 정밀여과막 (MF) 한외여과막 (UF) 나노여과막 (NF) 역삼투막 (RO) 해수담수화 (RO) 여과법 정밀여과법 분리경 제거대상물질 공칭공경 부유물질, 콜로이드, 세균, 조류, 바이러스, 크립토스포 0.01 μm이상 분획 분자량 한외여과법 100,000Dalton이 하 나노여과법 역삼투법 역삼투법 염화나트륨 리디움 포낭(包囊), 지아디아 포낭 등 부유물질, 콜로이드, 세균, 조류, 바이러스, 크립토스포 리디움 포낭, 지아디아 포낭, 부식산 등 유기물, 농약, 맛․냄새물질, 합성세제, 칼슘이온, 마그 제거율 5~93%미만 네슘이온, 황산이온, 질산성질소 등 염화나트륨 제거율 93% 이상 염화나트륨 제거율 99% 이상 금속이온, 염소이온 등 해수중의 염분 막여과법의 장단점 장 점 단 점 - 원수에 포함된 일정 크기이상의 현탁 물질을 확실하게 - 색, 냄새, 맛 등에 관계되는 용해성 물질을 제거하기 위 제거할 수 있음.(처리수질 고급화) 해서는 재래식처리 방법과의 조합이 필요함. - 시설이 콤펙트하여 소요 면적 1/2, 기계적으로 움직이 - 막오염을 방지하기 위해 약품세정이 필요하고, 막의 수 는 부분이 적어 자동확 쉽다(유지관리 단순화) 명이 짧아 교환비용이 많이 소요됨. - 응집제 없이 운전이 가능하거나, 필요시에도 소량으로 - 건설 및 유지 관리비용이 많이 소요됨 가능하여 운전관리가 간단함.(화학처리 최소화) - 공사기간이 오래 소요되지 않음. - 고농도의 농축수가 발생하므로 이를 처리하기 위한 시설 이 필요함. 역삼투압의 원리 막분리공정의 효과 •막 공정에 의한 분리 대상은 이온성 물질로부터 큰 미립자나 미생물이 있고, 각각의 제거대상에 대하여 적절한 막을 사용할 수 있다. •음용수 생산에 적용하기 위한 가장 큰 가능성을 갖는 5가지는 역삼투막(RO), 나노여과막(NF), 한외여과막(UF), 정밀여과막(UF) 및 전기투석(ED)이다. •막 공정은 원수 중의 고형물과 콜로이드성 입자들을 분리함으로써 청정한 처 리수 혹은 투과수를 얻는다. •막의 공경이 작으면 작을수록 용질이나 더 작은 종까지 제거될 수 있다. •역삼투막이나 전기투석법은 일차적으로 반염수(brackish water)를 탈염하기 위 해 사용되었다. •나노막은 새로 개발된 막공정으로 THM 전구물질 제거나, 일반적으로 석회 연 화(lime softening)에 의해 처리하는 지하수의 연수화를 위해 사용된다. •한외여과막은 산업분야에서 용액으로부터 유기분자를 분리하는데 광범위하게 사용되어 왔으며, 정밀여과막도 미세입자나 탁도를 제거하기 위하여 사용되어 졌다. •막공정은 탈염, 연화, THM 전구물질제거, 살균, 탁도제거, 특별한 유기물질 제 거가 가능하다. 막여과 공정의 문제점 막여과 공정별 막 오염 유발물 질 생물막 처리공정 (1) 생물반응 기작 •생물막 처리의 기작은 오염물질을 함유한 액상과 미생물이 부착·성장하여 막을 형성 하는 고체상 생물막 사이에서의 물질전달로 이루어진다. •수중의 오염물질과 영양분은 생물막 표면으로 이송하고 표면에 도달한 반응물질은 확산에 의해 생물막 내부로 침투하여 미생물의 생화학적 대사작용에 의해 산화/분해 됨으로써 제거된다. •생물막 처리공정은 호기성 미생물뿐만 아니라 혐기성 미생물의 활동도 오염물질 제 거를 수행한다. •생물막 내에서 미생물의 생화학적 반응은 물리화학적 반응에 비해 제어가 훨씬 까다 롭고, 반응속도가 낮아 오염물질의 완전한 제거도 어려울 뿐만 아니라, 유해물질에 독 성영향에 의해 처리효율이 저하될 수 있기 때문에 전처리 공정으로 많이 이용된다. 회전원판법 수중의 오염물질들이 다양한 생물학적 반응에 의해 제거되는 기작 o 유기물 o 질산화 반응 2NH4+ + 3O2 → 2NO2- + 2H2O + 4H+2NO2- + O2 → 2NO- <질산화 과정> o 탈질산화 반응 임의성(Facultative) 종속영양형 미생물(Aerobacter, Bacillus, Flavobacterium, Macrococcuc, Pseudomonas)등 에 의해 호기 혹은 혐기성 상태의 기본적 생화학반응을 거친다. o 조류 원수 중의 조류는 생물막에 일단 부착된 후, 생물막에 존재하는 원생동물 등과 같은 포식자 에 의해 제거된다. o 냄새 냄새유발물질(Geosmine, 2-MIB, H2S 등)은 주로 이들을 유발하는 조류를 제거함으로써 제 거될 수 있다. o 철, 망간, 음이온계면활성제 철과 망간을 산화하는 박테리아에 의해 산화되며, 탄화수소를 분해하는 미생물의 활동에 의해 음이온계면활성제를 제거할 수 있다. 생물막 처리공정 •생물막 처리공정은 미생물이 부착하여 성장할 수 있도록 비표면적이 큰 담체 또는 충진재를 충진하고 수중의 오염물질과 충분한 접촉을 유도하여야 한다. •생물막 형성과정은 여러 가지 유기물의 흡착, 미생물의 이동과 부착, 미생물의 성장 및 탈리 와 같은 과정을 거치면서 이루어지는데, 여기에 원수를 접촉시켜 수중의 오염물질을 산화/분 해하는 공정이 생물막공정이다. o 생물접촉여과 입상의 충전재에 미생물을 부착·성장 시켜 원수를 접촉시킴으로써 오염물질을 생물 학적으로 산화 및 제거하는 방법이다. o 침지여상법 - 벌집형(honeycomb-tube) 방식 충전재를 수중에 침지시켜 그 표면에 생물 막을 형성시키고 원수와 접촉함으로써 수 중의 오염물질을 제거하는 방식 o 회전원판법 물에 담가서 기계적으로 일정한 속도를 유 지하여 회전시킴으로써 원판 표면에 부착 된 미생물막에 의해 오염물질을 산화, 분 해하는 방법이다. o 생물 유동상 반응조 생물유동상 반응조(biological fluidized bed reactor, BFBR)는 다공질의 여재, 모래, 입상활성탄, 안트라사이트 등의 충전재에 미생물막을부착 시켜 처리하는 방법 생물접촉여과 회전원판법 (3) 생물막처리의 효과 •생물막 처리는 일반적으로 전처리공정로 사용되며, 암모니아성 질소의 질산화, 곰팡이 냄새 및 조류의 제거에 매우 효과적이다. •고도정수처리에 사용되는 암모니아성 질소는 원수중의 유기물 농도가 매우 낮 기 때문에 질산화 미생물의 성장이 유리하여 질산화 반응이 활발히 진행되므로 아질산성 질소(NO2--N) 및 질산성질소(NO3--N)로 전환된다. o 생물학적 처리 특성 - 정화에 관여하는 미생물의 다양성이 높다. - 질산화 및 탈질 미생물이 잘 증식한다. - 수량 및 수질의 변동에 강하다. - 고액분리가 좋다. - 동력비가 적게 소요된다. - 슬러지 발생량이 적다. 고도정수처리기술의 선정 (1) 고도정수처리의 범위 •고도정수처리 공정의 개념적인 측면은 분류방법이 달라질 수 있다. •유럽 등지에서는 오존이나 활성탄 공정은 정수처리의 기본적인 공정으로 정착화 되어 고도정수처리공정이란 특별한 의미를 부여하기가 어려운 점도 있다. •그러나 국내에서 과거로부터 적용하여온 응집, 침전 및 모래여과의 기본적인 정 수처리 공정에 오존, 활성탄, 막 등을 이용한 특수처리 공정을 고도정수처리의 범 주로 볼 수 있을 것이다. (2) 고도정수처리 공정의 선정 고도정수처리는 표준정수처리공정으로 충분히 대응할 수 없는 트리할로메탄 전 구물질, 암모니아성 질소, 색도, 이취․미 물질, 음이온 계면활성제 등을 제거할 목 적 대상 물질별 적용 가능한 고도정수처리 기술 고도정수처리 공정 구성 예