바이러스란 기본적인 유전정보(핵산)와 이를 둘러싼 단백질(캡시드)로 구성된 비세포적인 구성체로서 보통 생물과 무생물의 중간형태로 간주된다.
보통 크기가 수십에서 수백 ㎚(1 nm = 1×10-6㎜)로 매우 작아 일반현미경으로는 관찰이 불가능하며 수십만배 확대가 가능한 전자현미경으로만 직접 관찰할 수있다. 바이러스는 숙주(host)에 감염하여야 생물체로서의 자기증식을 할 수 있는 절대기생체이다.
다시 말해 바이러스는 대장균과 같은 세균과는 달리 자연환경이나 관망에서 증식하지 않는다.
따라서 바이러스는 환경 중에서는 무생물적 입자와 같은 거동을 보인다. 바이러스는 숙주에 매우 특이적으로 감염하므로, 사람에게 질병을 일으키는 병원성바이러스는 원칙적으로 사람에게만 제한적으로 기생하고, 식물바이러스는식물에만, 콜리파아지와 같은 박테리오파아지는 세균에만 감염한다.
종류 및 관련 질병사례 바이러스 중 수돗물과 관련된 종류는 분변-구강경로(Fecal - oral route)로 신체에 유입되어 소화기계통에 감염하는 장관계 바이러스(Enteric viruses)이다.
장관계 바이러스는 엔테로바이러스(Enterovirus), A형간염바이러스, 노로바이러스, 로타바이러스 등 110종 이상이 있다. 이 중 먹는물에 의하여 질병을 일으킨 사례가 확인된 종류는 노로바이러스, 로타바이러스 등 장염 원인 바이러스와 A형 간염바이러스이고, 질병 사례가 보고되진않았지만 분변-구강경로에 의하여 먹는물이 감염경로로 추정되고 있는 종류로는 엔테로바이러스(폴리오바이러스, 콕사키바이러스, 에코바이러스 포함)와 아데노바이러스 등이 있다<표 6.1>.
바이러스에 감염되는 가장 흔한 경로는 오염된 식품의 섭취 또는 사람과 사람간의 접촉이며, 먹는물로 인한 발병사례는 상대적으로 매우 드물다.
미국의 경우 1974～1996년까지 먹는물에 의한 수인성 질병 발생 조사 결과, 질병의 5 % 정도가 바이러스가 원인인 것으로 조사되었으나, 대부분 개인급수 또는간이상수도 등에서 발생하는 것으로, 일부 수도시설의 경우는 배․급수관을 통한 오염이 주요 원인이 되기도 하였다<표 6.2>.
환경에서의 거동 및 정수처리 관련 특성 병원성 바이러스는 바이러스에 감염된 사람의 분변에 섞여 환경으로 배출된다. 따라서 사람의 분변이 집중되는 하수나 분뇨처리장 등이 주된 오염원이 된다.
폴리오바이러스(Poliovirus)와 에코바이러스(Echovirus)는 하천 수온이 16～20 ℃ 일 때 29～35일 정도 생존하며, 4 ℃에서 90일까지 살아남을 수 있어 일반적으로 장내세균에 비해 환경 중에서 오래 생존한다. 바이러스의 염소내성은 장내세균에 비해 약간 강한데, 대장균(E.coli)의 염소내성을 1로 할 때 폴리오바이러스는 대장균보다 수십배 강하다.
수돗물의 잔류염소농도가 1 mg/L 라 할 때, 대략 10여분 접촉하면 99.99 % 까지 제거할 수 있다.
자외선 소독의 경우에는 폴리오바이러스 99.9 %를 불활성화하는데 14~24 mJ/㎠ 가 필요한 것으로 보고되었지만, 아데노바이러스 등 장관계 바이러스의 종류에따라 자외선 민감도에 차이가 있기 때문에, 정수처리기준에서는 143 mJ/㎠ 일 때 99.9%가 불활성화된 것으로 인정한다.
분석방법 가장 많이 사용되고 공식적으로 인정된 방법은 세포배양법(Total Culturable Virus Assay,TCVA)이다.
이 방법은 살아있는 세포를 감염시킬 능력이 있는 바이러스만을 분리, 검출하므로 보건위생학적으로 의미 있는 결과를 얻을 수 있다.
그러나 분석과정이 매우 까다롭고 숙련된 기술이 필요하며 분석비용이 매우 고가일 뿐만 아니라 결과 판독까지 최대 2달까지 소요되므로 일상적인 검사로는적합지 않다. 또 다른 방법으로 유전자분석법이라 불리우는 PCR(Polymerase Chain Reaction)이 있는데, 빠르고 간편하게 분석이 가능하지만 살아있는지 여부를 구분할 수없으며 거짓양성의 가능성이나 실험실간의 오차가 개입되는 문제점이 있다.
현재 정수장 차원의 일상적인 바이러스 관리에 직접 적용될 수 있는 신뢰할 만한 바이러스 분석법은 없는 상태이다.
수인성 질병을 일으키는 병원성 원생동물의 일종이다. 여기서 원생동물(Protozoa)이란 세균보다 큰 단세포 생물로써, 원시적인 동물형태의 미생물을 말한다.
원생동물 중 기생생활을 하는 종류를 기생성 원생동물(또는 기생성 원충)이라 하며, 지아디아는 대표적인 기생성 원충의 하나이다.
사람에 감염을 일으키는 종류는 Giardia lamblia (Giardia duodenalis, Giardia intestinalis라고도 불리움)로, 우리나라에서는 람블편모충이라 불러왔다. 지아디아는 증식을 위해 숙주가 필요한 기생체로써, 체내의 장관계통에서는 <그림 6.1>과 같은 형태로 기생, 증식하다가 분변에 섞여 체외로 배출되는데 이때는
포낭(Cyst)형태 <그림 6.2>를 띈다. 배출된 포낭은 환경중에서 증식하지 않으며, 매우 두꺼운 벽으로 둘러싸여 있기 때문에 환경에서 수개월까지 생존하며 서서히
사멸된다. 지아디아의 포낭은 8~12 ㎛ 크기의 럭비공 모양으로, 우리가 환경에서 볼 수 있는 형태는 포낭 뿐이다. 포낭은 수중 탁질 중 미세입자로 분류되며 수중에서 음전하를 띄는 콜로이드 형태로 존재한다 <그림 6.2>.
관련 질병 및 수돗물 관련 사고사례 복통을 동반한 설사병을 유발하는데, 헛배부름, 경련, 팽창, 피로, 식욕감퇴, 메스꺼움, 체중감소, 구토 등의 증상이 나타날 수 있다.
건강한 사람은 1～2주 이내에 자연 치유되지만, 면역기능이 저하되거나 약한 영유아, 면역결핍환자에겐 탈수로 이어질 수 있다.
감염경로는 사람간, 사람-동물(특히 가축, 애완동물)간 접촉이 주된 경로이며, 드물게 오염된 음식이나 물 섭취가 원인이 되지만 상수계통이 원인인 경우에는폭발적인 양상을 띤다. 최소 10개 이하의 포낭으로도 감염을 일으킬 정도로 최소 감염량이 매우 적은 것으로 알려져 있다. 1975년 러시아에서 여행자들의 집단설사로 최초의 수인성 지아디아증(Giardiasis)이 보고된 이후, ‘80 미국에서는 매년 수십 건이 발생되었고, 이 중 여과, 소독처리된 수돗물이 원인이었던 경우도 있었다. 전염병관리시스템이 발달된 미국에서 ’89～‘94까지 6년간 발생한 총 90건의 수인성 집단질병 중 지아디아로 인한
것은 16건으로 약 18 %를 차지하였다. 우리나라에서는 아직 지아디아로 인한 수인성 감염사례가 보고된 적은 없지만, ‘70년대 감염률이 지역에 따라 1.8~8.0 % 정도로 매우 높다가 2000년대 들어서면서 0.2~0.4 % 정도인 것으로 보고 되고 있다.
환경에서의 거동 및 정수처리 관련 특성 지아디아의 숙주는 양서류, 조류, 포유류 등 40여종에 이를 정도로 매우 넓다. 따라서 사람과 각종 가축, 애완동물, 야생동물 등의 분변에 포낭이 섞여 배출될 수있는 것이다. 이는 하수․분뇨처리장 뿐만 아니라 축산폐수처리장도 주요한 오염원이 될 수 있다는 것을 의미한다. 인적이 없는 깊은 산속에서도 야생동물로 인해지아디아 포낭이 발견된다. 가축에서 배출된 지아디아가 사람을 감염시킬 수 있다.
환경에 배출된 포낭의 생존기간은 온도에 따라 달라진다. 10 ℃ 미만의 물속에서는 최소 77일간 생존하지만, 20 ℃ 이상이면 불활성화가 급속하게 진행되어 3일이면 거의 사멸된다. 지아디아 포낭의 소독내성은 바이러스보다 크고 크립토스포리디움 난포낭보다는 약하다.
즉 대장균(E.coli)의 염소내성을 1로 할 때 지아디아는 약 2,400배 정도 강해, 바이러스보다 수십배 강하다.
실제 소독효과는 pH, 수온 등에 따라 매우 다르며, 수돗물의 잔류염소농도 1 mg/L, pH 7.0인 조건에서 지아디아 99 % 를 제거하는데는 수온에 따라 25～140분의접촉시간이 필요하다. 지아디아는 8～15 ㎛ 크기의 입자이므로 플록 형성이 양호할 경우 여과과정에서도 상당부분 제거될 수 있다.
지아디아 포낭과 크립토스포리디움 난포낭은 응집․침전 및 여과공정이 최적 운영될 경우 99.7～99.9 %(2.5～3.0로그) 정도 제거된다.
포낭은 소독 이전의 과정에서 충분히 제거되어야 하므로 물리적인 제거과정이 그 관리에 있어 관건이 된다. 또한 소독공정의 경우, 지아디아의 염소내성이 매우 강하므로 단순히 염소투입량 조정만으로는 원하는 제거율을 얻기가 어렵다.
소독제와의 접촉시간을 최대화할 수 있는 모든 조건이 고려되어야 한다. 또한 수온 및 pH에 따른 소독효율도 매우 큰 차이를 보이기 때문에, 소독공정 운영 시이에 대한 고려가 필수적이다. 0.5 ℃에서 지아디아 0.5 log 를 제거하려면 25 ℃ 에 비해 약 6배 정도 높은 염소농도 또는 접촉시간을 확보해야 한다<표 6.3>.
pH 7.5에서는 7.0 에 비해 강한 소독이 요구된다<표 6.4>.
그러나 지아디아 포낭은 자외선소독에는 매우 쉽게 불활성화되는데, 99.9 % 불활성화에 3~8mJ/㎠가 필요한 것으로 보고되었다.
이러한 연구결과에 기초해, 정수처리기준에서는 11 mJ/㎠을 확보한 경우 지아디아 포낭의 99.9 % 가 불활성화된 것으로 간주한다.
분석방법 가장 많이 사용되고 공식적으로 인정된 검출법은 면역형광항체법(Immuno-fluorescence Assay)이다.
미국 환경청 공인방법인 “1623방법”이나 영국의 법정방법인 “DWI방법(Drinking Water Inspectorate Method)” 모두 이 검출법에 근거하고 있다.
항원항체원리에 따라 형광표지된 항체를포낭과 결합시킨 후 형광DIC현미경으로 관찰하는 방법이다<그림 6.3>.
이 방법은 매우 민감하지만, 생사여부 및 감염성 여부를 알 수 없어서 건강 영향을 정확히 예측할 수 없다. 또한 10～1000 L의 대용량의 물을 검사해야 하므로
분석과정이 매우 까다롭고 숙련된 기술이 필요하며 분석비용이 매우 높다.
그 밖의 검출방법으로 PCR, Flow cytometry 등이 있지만, 아직은 연구목적으로 사용되고 있는 수준이다.
크립토스포리디움 또한 병원성 원생동물의 일종으로, 증식을 위해서는 숙주가 반드시 필요한 절대기생체이다.
현재 20여종이 알려져 있지만, 주로 Cryptosporidium hominis, Cryptosporidium parvum이 사람에게 감염성이 있으며, 이 중 Cryptosporidium parvum은감염된 소에도 다량 배출되는 것으로 알려져 있다. 최근에는 말, 돼지 등의 가축, 개, 고양이, 쥐 등에서도 사람 감염성이 있는 난포낭의 배출이 발견되기도 하였다. 크립토스포리디움은 체내의 장관계통에서는 같은 형태로 기생, 증식하다가 분변에 섞여 체외로 배출되는데 이때는 포낭형태를 띄며, 유성생식을 거치므로 특별히
난포낭(Oocyst)이라 불린다<그림 6.4>.
크립토스포리디움의 난포낭(Oocyst)은 직경 4～6 ㎛ 크기의 공 모양으로, 배출된 난포낭은 환경중에서 증식하지 않으며, 매우 두꺼운 벽으로 둘러싸여 있기 때문에 환경에서 수개월까지 생존하며 서서히 사멸된다. 우리가 환경에서 볼 수 있는 형태는 난포낭 뿐이다.
관련 질병 및 사고사례 복통을 동반한 설사병을 유발하는데, 건강한 사람은 1～2주 이내에 자연 치유되지만, 면역기능이 저하되거나 약한 영유아, 면역결핍환자에겐 탈수로 이어져
치명적일 수 있다. 감염경로는 사람간, 사람- 동물(특히 가축)간 접촉이 주된 경로이며, 드물게 오염된 음식이나 물 섭취가 원인이 되지만 상수계통이 원인인
경우에는 폭발적인 양상을 띈다. 난포낭의 감염력은 특히 매우 강해 미국의 수질사고 시 수돗물중의 난포낭 농도를 추정해보면 한 개 내지 몇 개의 난포낭인데도 감염이 발생한 것으로 밝혀졌다. 미국에서 있었던 자원자실험에 의하면, 난포낭을 섭취한 사람의 절반이 감염되는 개수(ID50)는 132개로 측정되었다.
크립토스포리디움의 경우, 세계 각지에서 발생한 수인성 집단질병사례는 <표 6.5>와 같다. 가장 큰 사례로는 ’93년 미국 밀워키에서 크립토스포리디움에 오염된
수돗물이 공급되어 40만 명이 감염되고 50여명이 사망한 경우이다. 우리나라에서는 ’12년 5월 23일 한 노후아파트 저수조에 정화조 오수가 유입되어 크립토스
포리디움에 오염된 결과 주민 228명이 설사를 호소한 사례가 있었다.
다. 환경에서의 거동 및 정수처리 관련 특성 크립토스포리디움에 감염된 사람은 하루에
개의 난포낭을, 소나 양은 하루에
개까지 약 14일간 배출한다.
난포낭은 지표수에서 수개월동안 생존할 수 있으며, 습기찬 토양에서도 120일 이상 생존하는 것으로 알려졌다. 따라서 사람 및 가축 감염률은 하수나 하천수의
오염정도를 결정하는 관건이 된다. 우리나라 사람의 감염률은 지역에 따라 매우 다양한데, 대체로 도시지역보다는 농촌지역이나 섬지역에서 더 높은 감염률을 보이고 있다.
소나 개의 감염률도 여러 지역에서 확인되었는데, 경우에따라서는 수십 %로 매우 높은 곳도 있었다.
따라서 하수․분뇨처리장 뿐만 아니라 축산폐수처리장, 도살장 등도 주요한 오염원이 될 수 있다. 염소에 대해서는 극도로 강한 내성을 가져 염소소독공정은 아무 효과가 없다. 수온 25 ℃, pH 7.0일 때, 염소농도 80 mg/L 에서 90분 이상 노출되어야 99 %가불활성화 된다는 연구결과가 있었다(Korich et al., 1990).
실제 정수장의 잔류염소농도에 근접한 0.94 mg/L에서 90 % 불활성화하는데 필요한 CT값이 790 mg･min/L이었다는 보고도 있다(志村有通, 2001). 이처럼 크립토스포리디움은 염소 소독에 의한 일부 제거조차도 불가능하므로, 오존, UV 등의 대체소독제를 사용하지 않는 한, 여과까지의 과정에서 총제거율을
달성해야 한다. 난포낭은 수중 탁질 중 미세입자로 분류되며 수중에서 음전하를 띄는 콜로이드형태로 존재하므로, 응집 ․ 침전 및 여과공정이 최적 운영될 경우99.7～99.9 %(2.5～3.0로그) 정도 제거될 수 있다. 그러나 많은 연구에 따르면 응집이 잘 이루어지지 않을 경우 크립토스포리디움 난포낭 제거율은 50 % 정도에불과하므로 응집여부 및 그 효율이 매우 중요하다고 할 수 있다(Dugan et al. 2000).
미국에서의 크립토스포리디움 관련 몇몇 수질사고에서 응집 불량으로 인한 탁도 급상승 현상이 관찰되었던 것은 이를 잘 보여준다. 오존은 염소보다 강력한 산화제이기 때문에, 원수의 크립토스포리디움 오염정도가 높아 99 % 를 초과하는 제거율이 필요한 경우에는 염소소독에 대한 대체소독
제로 권장된다. 하지만 오존의 경우에는 수온에 따라 소독효율의 차이가 크므로, 주의해야 한다.
예를 들어 20 ℃에서는 3.9 mg･min/L로도 90 % 불활성화가 가능하지만, 수온이 1 ℃일때는 이보다 6배 강한 23 mg･min/L이 필요하다. 크립토스포리디움 난포낭은 3~9 mJ/㎠ 로도 99.9 %가 불활성화될 정도로 자외선 소독에는 매우 약한 것으로 보고되었으며, 미국에서는 12 mJ/㎠을 확보한 경우난포낭이 99.9 % 가 불활성화된 것으로 인정하고 있다.
라. 분석방법 표준화된 분석법에는 대체로 면역형광항체법이 사용되며 보통 지아디아와 동시 분석된다.
그렇다면 구체적으로 어떤 방법으로 소독내성이 강한 병원성 미생물들을 제거할 것인가? 앞서 확인하였듯이, 이에 대한 해답은 소독공정 하나에서만 얻어질 수
없음은 분명하다. 소독 이전의 정수처리공정까지 포함하여 최대한의 제거율을 얻어야 한다. 즉 기존 정수처리시설의 여과 및 소독공정을 병원성 미생물 제거의측면에서 최적화하여 최대한 높은 수준의 안전성을 확보하려는 다단계 방어전략(Multiple barrier strategy)이 필요해진 것이다.
여과공정 먼저 물리적 제거공정을 살펴보면, 그 이론적 기초는 미생물이 수중에서 보통 음전하를 띄는 콜로이드입자형태로 존재한다는 점에 있다.
바이러스는 크기는 작아도 침강성이 좋은 플럭으로 형성되면 90 % 이상 제거가 가능하다. 지아디아, 크립토스포리디움과 같은 원생동물은 4～15 ㎛의 크기의미세입자이므로 플록 형성이 양호할 경우 여과과정에서도 상당부분 제거될 수 있다. 지아디아포낭과 크립토스포리디움 난포낭은 응집․침전 및 여과공정이 최적
운영될 경우 99.7～99.9 %(2.5～3.0 log) 정도 제거된다. 특히 원생동물은 염소내성이 강해 소독 이전의 과정에서 충분히 제거되어야 하므로 이러한 물리적인 제거과정이 그 관리에 있어 관건이 된다.
이 중 크립토스포리디움은 염소 소독에 의한 일부 제거조차도 불가능하므로, 오존, UV 등의 대체소독제를 사용하지 않는 한, 여과까지의 과정에서 총제거율을달성해야 한다. 그러나 많은 연구에 따르면 응집이 잘 이루어지지 않을 경우 크립토스포리디움 난포낭 제거율은 50 % 정도에 불과하므로 응집여부 및 그 효율이
매우 중요하다고 할 수 있다(Dugan et al. 2000). 바이러스는 염소 소독으로 쉽게 99.99 %(4 log) 정도가 제거되지만, 탁질 제거가 충분하지 않을 경우 소독을 피할 수 있는 피난처가 될 수 있기 때문에 소독 이전에일정 수준이하로 탁도를 낮추는 것이 중요하다. 또한 크기가 매우 작지만, 응집에 의해 플록 형성이 양호할 경우 99 %(2 log) 정도는 제거된다.
소독공정 소독은 물속의 병원성 미생물을 불활성화(Inactivation)하는 것으로, 물속에 존재하는 모든 미생물을 완전히 사멸시키는 멸균(Sterilization)과는 구별된다.
정수처리에 있어 물속에 존재하는 모든 미생물을 사멸시키는 것은 불필요한 일일 뿐 아니라, 냄새문제를 발생시키고 소독부산물 생성을 증가시켜 먹는물의 질을오히려 떨어뜨린다. 소독제로는 염소, 이산화염소, 클로라민, 오존, UV 등이 가장 잘 알려져 있다. 이들 소독제들은 미생물과 접촉할 경우 세포벽을 손상시켜 물질 전달작용을 방해하거나, 유전물질을 파괴하여 성장 및 증식을 중단시킴으로써 미생물을 불활성화시킨다. 소독은 세균과 바이러스를 제거하는 가장 핵심적인 공정이자, 모든 병원성 미생물로부터 안전한 먹는물을 확보하기 위한 “마지막 방어벽”이 된다.
소독공정에서 바이러스가 최소 99 %(2 log) 이상 제거되어야 하며, 특히 지아디아와 같이 염소내성이 강한 미생물에 대한 소독에서는 염소투입량 조정만으로는원하는 제거율을 얻을 수 없으므로, 소독제와의 접촉시간을 최대화할 수 있는 모든 조건이 고려되어야 한다.
미생물 제거여부 확인
정수처리를 통해 병원성 미생물이 안전한 수준으로 제거되었는지, 즉 정수처리공정이 최적 운영이 되었는지는 어떻게 확인할 것인가?
정수처리기준이 수질측면에서의 정수장 운영기준인 만큼, 미생물 제거수준을 그때그때 정확히 파악하는 일은 정수처리기준 적용 시 가장 핵심적인 문제라 할것이다. 가장 확실한 확인방법은 물론 여과지 유출수나 최종처리수에 대해 바이러스나 원생동물을 직접 검사해보는 것일 것이다.
그리고 이때의 수질검사에는 신속하고 정확한 검사방법이어야 한다. 그러나 바이러스 검사에 가장 많이 사용되고 공식적으로 인정된 방법인 세포배양법(TotalCulturableVirus Assay, TCVA)은 분석과정이 매우 까다롭고 숙련된 기술이 필요하며 분석비용이 매우 높을 뿐 아니라 결과 판독까지 최대 2달까지 소요되므로일상적인 검사로는 적합지 않다. 지아디아 포낭과 크립토스포리디움 난포낭 검사방법 또한 기존의 총대장균군 검사와는 비교할 수 없을 정도로 높은 비용과 전문
기술, 분석경험을 필요로 한다. 따라서 정수장 수질관리 시 수돗물 중의 병원성 미생물량을 직접 측정하지 않고도 각 공정에서 미생물 제거여부를 파악하고 정수처리공정을 관리하는 방법이필요하다.
여과공정 병원성 미생물을 직접 검사하지 않고 여과까지의 물리적 공정에서 미생물 제거정도를 손쉽게 알려주는 지표물이 바로 “탁도”이다.
탁도는 물의 가장 기본적인 물리적 성질로써, 수중 입자에 의해 광선이 산란되거나 흡수되는 광학적 성질을 나타낸 것이다.
탁도는 보통 물의 상대적인 투명도에 대한 측정치로써 그동안은 먹는물의 심미적인 영향 차원에서 고려되어온 수질검사항목이다. 탁도를 구성하는 물질로는 토양성분, 침니(Silt), 미세한 무기․유기물, 용존성 유색화합물, 조류, 기타 미생물 크기의 물질 등이 있으며, 그 원인물질로는 하폐수
유기물, 강우 유출된 토양, 조류나 수초, 식물 부패산물인 휴민산 등의 유기물질, 철 농축물, 처리과정에서 발생한 입자(NaOH 등)와 기포 등이 있는데, 이 중에매우 적은 양의 병원성 미생물이 포함될 수 있다.
여과수 또는 정수 탁도가 낮다는 것은 물리적인 처리공정이 적절히 수행되었음을 의미한다. 실제로 많은 pilot연구에서 탁도 제거율과 원생동물 제거율은 매우강한 상관성을 보였다<그림6.6>,<그림 6.7>.
탁도는 원생동물 제거정도에 대한 좋은 지표(Indicator)가 되며, 따라서 공중보건차원에서도 각 정수장이 최적화 되었는지를 결정하는 훌륭한 판정기준이 될 수있다.
반대로 먹는물의 탁도가 높다는 것은 심적인 불쾌감 뿐만 아니라 안전성에도 문제가 있을 수 있음을 나타낸다.
탁도는 병원성 미생물에 영양물과 피난처를 제공할 수 있으며, 또 한편 처리가 불충분하다는 것을 의미하기도 한다.
실제 크립토스포리디움에 의해 유발된 집단발병 사고에서도 대부분 여과수 또는 정수에서 평상시와는 다른 탁도 돌출현상이 발견되어 이러한 관련성을 뒷받침하고 있다<표 6.6>. 미국에서 발생한 아래 사건들은 집단발병이 일어났던 시기에 최종처리수 탁도가 1.0 NTU를 초과하였다.
따라서 여과수 또는 정수 탁도가 매우 낮다는 것은 (1) 세균이나 바이러스가 소독되기 좋은 상태로 감소되었으며, (2) 지아디아나 크립토스포리디움 같은 원생동물제거율이 양호하다는 것을 의미한다. 이러한 근거로부터, 여과공정에서의 제거여부는 바이러스나 포낭을 직접 검사하는 대신 정기적으로 탁도를 측정함으로써 확인한다.
우리나라의 정수처리기준에서는 급속여과 시, (통합)여과수 탁도를 4시간 간격으로 측정하여 월 측정치의 95 % 이상이 0.3 NTU 이하이고 한 시료도 1 NTU를초과하지 않을 경우, 바이러스 2 log, 지아디아 2.5 log, 크립토스포리디움 난포낭 2 log가 제거 된 것으로 인정한다.
직접여과는 동일한 탁도 측정결과에도 급속여과보다는 낮은, 바이러스 1 log, 지아디아 2 log 및 크립토스포리디움 2 log 제거를 인정해준다.
완속여과일 경우에는, 역시 동일하게 탁도를 측정하여 월 측정치의 95 % 이상이 0.5 NTU 이하이고 한 시료도 1 NTU를 초과하지 않으면, 바이러스와 지아디아,크립토스포리디움 모두 2 log씩 제거된 것으로 인정한다.
소독공정 여과공정에서의 제거목표가 달성되었다면 소독공정에서 우리가 달성해야 할 제거목표는 바이러스 최소 99 %(2 log) 및 지아디아 최소 68 %(0.5 log)이다.
만일 탁도 측정결과 여과에서 달성할 목표제거율을 만족하지 못했다면, 소독에서 모두 제거해야 하므로 목표제거율은 바이러스 최소 99.99 %(4 log), 지아디아최소 99.9 %(3 log)가 된다. 소독공정 운영은 병원성 미생물을 직접 검사하지 않고 불활성화비를 측정함으로써 안전성을 확인한다.
즉 매일 달성된 소독효과 즉 소독능(CT값)을 측정, 계산함으로써 바이러스와 지아디아의 이론적인 제거여부를 추정하는 방법을 사용한다.
여기서 C는 소독제 농도(Concentration)를 말하며, T는 접촉시간(time), 즉 소독제와 미생물이 접촉한 시간을 의미한다.
따라서 소독능(CT값)이란 잔류소독제 농도(C)와 소독제와 물의 접촉시간(T)의 곱을 말하며, 따라서 CT값의 단위는 mg･min/L이다.
소독능은 소독효과를 의미한다. 소독에 의한 각 미생물의 불활성화에 필요한 소독능값은 선행연구를 통해 이미 결정되어 있다. 예를 들어 염소에 의한 바이러스 2 log 불활성화(수온 0.5 ℃)에 필요한 CT요구값은 6 ㎎･min/L 이므로, 잔류염소농도 0.6 mg/L에서 접촉시간 10분이면 바이러스가 2 log 제거되었다고 간주할 수 있는 것이다.
그리고 소독공정에서 매순간 실측된 소독능이 이 필요소독능보다 크거나 같으면 미생물 제거목표를 달성하였다고 간주한다.
CT계산값과 CT요구값의 비율을 불활성화비라고 하며, 불활성화비가 1 이상이면 미생물 제거목표를 달성한 것으로 간주한다. 그러나 지아디아와 같이 소독내성이 강한 미생물의 소독에는 소독제농도와 접촉시간 이외에도 사용된 소독제, 수온, pH, 물속에 존재하는 유기물 및 환원물질의양 등에 따라 소독효과가 매우 다르기 때문에 이에 대한 고려도 필요하다.
각 소독제의 소독력은 클로라민보다는 염소가, 염소보다는 이산화염소가, 이산화염소보다는 오존이 강하다. 또한 수온이 낮을수록 소독효과는 감소한다. 따라서 겨울철에는 소독효과가 감소하여 소독제농도를 높이거나 접촉시간을 늘려야 다른 계절과같은 소독효과를 얻을 수 있다.
여과시설의 설치･운영의 경우 광역･지방상수도는 수도법 제17, 18조의 규정에 따른 정수시설을 갖추어야 하며, 다만, 여과시설이 설치되지 아니한 시설의 경우에는 소독에 의한 병원성미생물 제거율을 달성하여야 하고 탁도기준도 준수하여야 한다.
또한 활성탄 및 기타여과공정을 통해 정수처리기준을 만족하고자 하는 경우에는 한국상하수도협회장의 인증을 받아야 한다. 여과공정은 침전지로부터 유출되는 탁도 유발물질 등 미세 Floc을 입상 여과재의 내부 간극에 억류시켜 제거하는 마지막 공정으로, 급속여과 효율에 가장 큰영향을 주는 것은 적절한 응집･침전이고 침전수의 탁도가 낮으면 낮을수록 또는 플록의 양이 적으면 적을수록 여과지속시간이 길어지고 여과수의 탁도도 낮다.
따라서 급속여과의 관리에 있어서는 침전지 유출수의 탁도나 플록의 다소와 크기 등을 계속 측정･관찰하여 그 결과를 약품주입, 응집․침전작업에 반영하고 전처리효과를 높이도록 운영/유지관리 하여야 한다.
여과공정 최적 운영관리 보통 여과공정은 혼화, 응집, 침전공정의 다음단계로 원수의 현탁 입자, 여과재의 물리･화학적 작용과 수력학적인 운전조건 등 많은 요인이 매우 복잡하게 얽혀있는 현상으로 주요 영향인자들 중 여재입경분포, 여재공극율, 입자의 밀도, 크기, 표면전위, 여과속도, 사층 깊이, 손실수두, 세척방법 등 제반인자들의 상관관계를 비교하여 선행 운전하여야 한다. ① 여과 원리 및 구조 등을 이해하고 수질이상시 즉시 대처 할 수 있는 능력을 보유하여야 하며, 세척효율 등을 현장 점검하여 최적으로 운전하여야 함. ② 지별 여과지에 수충격으로 탁도변화가 가급적 생기지 않도록 운영한다(FRS 운영) - 효과적인 여과지 운영관리는 여과지를 자주 start-up, shut-down 하거나 여과속도를 하루에도 몇번씩 올렸다 내렸다 하지 않고 여과지를 원활하고 일정하게
운영한다는 것을 의미 함. - Cleasby, Williamson, and Baumann(1963)는 여과속도 변화가 천천히(10분 이상) 이루어질 때보다 빠를 때 속도증가에 따른 수질악화가 더 크다는 사실을 보여 주는데 100 % 유속 증가가 25 % 유속 증가보다 22.5배 더 많은 물질을 배출한다고 보고 함. ③ 원수 탁도변화에 따라 응집제 주입량을 변화시켜, 쟈 테스트, 조견표, 제타 전위나 유동전류 측정등으로부터 정보를 얻어 전처리공정 최적화를 유도하여야 함. - 천연 유기물질(NOM)은 색도와 다른 형태로 나타날 수 있고, 철과 망간은 부영양화 저수지의 심수층에 용존산소가 낮은 조건에서 존재할 수 있으며, 세균들이
유기물질을 이용하기 때문에 용존산소가 고갈됨으로써 침전된 철과 망간이 가용성 형태로 전환될 수 있다. ④ 운영자는 시간대별 탁도나 입자수의 트렌드를 이용하여 분석하고 불규칙하게 발생하는 피크에 대한 해석능력을 개발하여 최적화로 운영하여야 한다. - 트랜드상 피크 발생은 응집제 과대 및 과소투입, 과부하 운전, 순간정전, 여과지 전단 단위공정 작업, 여과속도 변경 등을 검토하고 - 지별 여과수 탁도관리 목표 위반 시 위반된 여과지 번호, 위반일자, 탁도 등을 기록하고 여과개시 초기탁도가 단위공정 여과지 전체에서 발생하는지 1개 여과지에서 발생하는지 원인을 분석하여 운영방법이나 근본적인 개선방안을 강구하여야 함.
⑤ 동절기 저수온 사이클로텔라 조류가 유출됨에 따라 탁도가 발생할 수 있으므로 여과보조제를 사용하여 탁도누출을 억제한다. ⑥ 역세척 시간대별 발생 탁도 변화, 여과 지속시간의 적정, 역세척 효율을 평가하여 여과수량 대 역세척 수량의 비로 여과효율을 주기적으로 평가한다. ⑦ 염소처리된 역세수는 입상여재 여과지에 미생물 성장을 차단하고 여층을 깨끗하게 유지하나, 잔류소독제를 함유하지 않은 물로 여과하면 여층에서 생물 활성도가 높아 천연유기물질을 제거할 수 있는 장점이 있으며,많은 종속 영양 세균수(HPC)를 보임 ⑧ 생물 여과지는 살아있는 미생물(박테리아)이 여층내 여재입자에 부착해서 자라고 성장하므로 여과지에서 세균의 탈리(Sloughing)가 발생할 수 있어, 오존으로
전처리가 필요하다. ⑨ 입상여재 여과지의 가장 모범적인 운전 방안은 손실수두, 가동시간 또는 여과지 유출수 탁도의 한계에 도달할때까지 여과지를 가동한 다음 여과를 멈추고 역
세척하는 것이다. ⑩ 영국에서 발행된 전문가그룹 보고서(Badenoch, 1990)는 “급속 여과지를 정지한 후에는 반드시 역세척하고 나서 재가동해야 한다”라고 주장하고 “캘리포니아
지표수 처리 규칙” (California Surface WaterTreatment Rule)은 여과지를 정지한 다음 재가동시에는 반드시 여과지를 역세척하도록 요구함. ⑪ 탁도파과가 발생하면 입상여재 여과지에서는 가동 초기에 여층의 공극 공간에 저장되었던 오염물질이 플록과 함께 배출되므로 정수시설용량, 여과지 수, 수원
별 평균 및 최대 탁도 등을 검토하여 예방운전을 하여야 한다. ⑫ 여과지를 오랫동안 정지시켜 놓을 경우 박테리아가 성장할 수 있고 여층 내 물에 용존산소가 고갈될 수 있어 이럴 경우 여층에 포착된 산화철이나 산화된 망간의 누출과 맛･냄새 문제가 생길 수도 있으므로 특히 입상활성탄 여과지를 며칠 동안 정지시키면 질화 박테리아가 여층 내에 자리 잡아서 아질산염(Nitrite)이
형성될 수도 있다. ⑬ 고액분리를 위한 용존공기부상(DAF)은 조류제거에 탁월한 공정으로 조류는 부유하는 경향이 있어 응집된 입상물질의 제거를 위한 부유는 조류가 움직이는 방향과 같은 방향에서 조류를 제거하는 작용을 하기 때문이다.
역세척 방법: 여과를 계속하게 되면 사층에 mudball-泥狀物質의 퇴적량이 증가하게 되어 사층의 마찰저항(여과저항)이 증대하게 되므로 여과 조절정의 수위가여과지 수위보다도 손실수두만큼 내려가는데 이를 검토하여 역세척(Back washing)시기를 결정하여야 한다. 물만을 사용하는 세척방법은 가장 효과가 낮았으며공기세척과 병용한 비유동화 물세척이 가장 효과가 높았다. 역세척 중 중요한 세척메카니즘은 여재간 충돌로 부착물을 제거하는 것이다.(유동화, 여상 팽창율,
수리학적인 전단력, 여과속도 등)
① 완전 유동화를 이용해서 위로 세척하는 방법 ② 표면 세척으로 보완 및 공기 세척에 의해 역세척 보조 ③ (공기세척) + (공기세척과 물세척 동시) + (물 세척) - 아이브스(Ives 1981)는 사용된 역세척수의 양은 여과지 생산량의 1 %가 정상이며, 3 %는 높고, 5%는 과도한 것으로 간주된다고 함 - 물과 공기병용 세척법은 공기세척 후에 물 세척을 하는 것보다 더 효과적인 것으로 판명되었다. - 공기세척 단계에는 역세척 속도가 매우 낮아야 하며, 최소 유동화 속도의 30∼50%의 역세척수 속도를 설계기준으로 발표했다. - 클리스비와 록스돈(Cleasby and logsdon(1999)은 여재 손실을 방지하기 위해 수위를 세척수 트라프 상단에서 아래쪽으로 약 15 ㎝ 낮추어 실시했다.
- 여과지 손상이나 여재 손실을 방지하기 위해 역세척수 유속을 신중하게 제어해야 한다. 지지 자갈(존재할 경우)의 전복이나 하부집수장치 손상을 방지하기 위해 역세척은 최소한 30초에 걸쳐서 서서히 시작해야 한다(Cleasby and logsdon 1999). - 유동화세척은 물의 점성변화를 감안하여 수온에 따라 계절적으로 세척속도를 변화시키는 것이 바람직하며, 20∼30 % 정도 팽창시키면 충분히 유동화 된다
(1년에 4번 측정). - 수온에 따라 유량을 변화시킬 수 있어야 하는데 효과적인 유량제어 기능이 안 될 때는 여상 팽창으로 여재손실이 일어날 수 있다. - 역세척 직후 초기 15분 이내에 최고 탁도가 나타나야 하며, 이후에 목표 수질에 도달하지 못 할 경우, 역세척 수량 및 수압의 부족, 여과지 운전방법의 부적정 등을 전반적으로 검토해야 한다(정수장 기술진단 매뉴얼). - 세척 트라프의 위치에 대한 미국의 관행은 0.9 m 이하의 수평 이동거리를 제공하는 것이며, 반면에 유럽의 공기와 물세척 관행은 일반적으로 월류 중에 트라프를 사용하지 않고 4 m의 수평 이동거리를 허용하는 것이다.
역세척 시작: 여과지 가동시간, 유출수 탁도, 손실수두 등과 같은 여러 가지 요인들을 결합해서 역세척 시기를 결정하고, 정속으로 운전되는 여과지는 손실수두때문에 유속이 제한될 때 역세척이 필요하며 감쇄여과에서는 유속이 느리거나 여과지내의 수위가 높을 때 세척이 개시된다.
역세척이 적정치 않아 장기적으로 과도한 오염물 부착이 발생할 경우에는 여과지속시간에 근거해서 여과지를 세척하는 것이 유리한데 이 경우 손실수두에 의한세척빈도 보다 여과지를 더 자주 세척함으로써 여재 청정도를 개선시킬 수 있다.
여과지를 휴지한 후에 역세척을 실시했더라도 재시동하기 전에 중지된 여과지 내에서 박테리아가 생장할 수 있으므로 반드시 역세척을 다시 해야 한다.
역세척 시점은 아래와 같다.
① 여과지 지별 탁도나 입자계수가 허용 목표값을 초과하거나 누출될 경우 ② 손실수두가 최대 허용값에 도달했을 때 ③ 여과지속 시간이 최대 허용값에 도달했을 때 ④ 장시간 여과지 운전정지 후 운전재개 시 및 정수처리시설 운영에 필요시 등
또한, 여과지 역세척 일정계획은 여과지 성능측면(여과수 수질, 손실수두 및 여과지속시간, 오염도등) 뿐만 아니라 정수처리시설 운영 환경에 의해서도 영향을는데 그 주요 요인들은 아래와 같다.
① 물 수요량과 생산속도, 최종 처리수의 저장량 ② 세척수의 가용성과 역세척수의 배출수 저장능력 ③ 여과지 수와 세척을 위한 여과지 가동 중지에 따른 영향 ④ 다른 여과지들의 손실수두 상태 ⑤ 여과지 이후 소독에 대한 영향 등을 검토하여, 생산량을 최적화하고 최종 처리수 수질을 악화시키지 않으면서 역세척 비용을 최소화하기 위해서는 역세척 일정 계획을 계절별로 검토하는 것이 바람직하다.
역세척 효과평가: Kawamura(2000)는 역세척 배출탁도가 10~15 NTU에 달할 때 역세척을 종료하도록 권장하고, Cleasby and logsdon(1999)은 역세척 배출수 탁도가 10 NTU에 달하면 여과지가 충분히 세척된 것이라고 제안했다. 역세척을 중지하는 시기는 운영자의 과거 경험과 역세척 배출수의 투명도에 대한 시각
적인 관찰에 근거하거나 미리 설정된 역세척 시간을 이용한다. ① 여과지 세척 전과 후에 여상의 육안 검사 ② 역세척 개시 후 1분 간격으로 역세척된 물의 탁도 측정(탁도추이 분석) ③ 여과지 세척 전, 후에 여상의 코아 시료채취 및 플록 체류분석 실시 ④ 여과지 수가 매우 적고 정속여과방식을 가진 정수처리시설에서 최종 손실수두의 10~20 % 밖에 남지 않은 여과지에서 여과속도를 30∼50 % 증가하면 그
여과지는 탁도 파과가 매우 빠르게 최종 손실수두에 도달하므로(연쇄 반응) 가급적 피하여야 한다.
여과지 재성층화: 이중여재 여과지나 다중여재 여과지를 사용할 경우에 세척 후에 여상을 원 상태로 회복시키는 것으로, 밀도가 낮은 대형 여재(안트라사이트)를
여상의 상부로 복귀시키고 크기가 작고 밀도가 높은 여재(모래)를 아래쪽에 위치하도록 하는 것이다.
예를 들어, 모래와 안트라사이트로 구성된 이중여재에서는 격렬한 유동화 역세척으로 이 두 재료가 서로 섞이게 된다, 물의 상향류를 이용해서 여상을 재성층화
하여 가벼운 안트라사이트를 모래 위쪽으로 이동시키고, 재성층화를 위한 역세시에는 상승속도를 역세척 주기가 끝날 때까지 점진적으로 낮추어 서서히 감소시
키면 효과를 극대화할 수 있다. 결론적으로 역세척이 끝날 때 각 여과재 종류 별로 가장 작은 입자가 그 재료층의 상부에 위치하게 된다.
여과공정 최적 운영관리 엄격한 여과수질의 목표를 달성하기 위해서는 여과 메커니즘, 즉 입자 부착과 물리적 체가름 작용이 잘 이루어지도록 운영하고 그 결과를 반영한 여과지 평가나
진단을 그때그때 실시하여 피드백이 잘 이루어져야 여과공정 최적화가 될 수 있다. ① 주기적으로 역세척 현장을 확인하여 역세시간의 적정성, 하부집수장치의 이상여부를 검토한다. ② 여과지별 사층조사(1회/월), 오염도조사(1회/분기), 여과모래 재질 적정여부 등은 계열별 대표지점에 대해 반드시 주기적으로 확인하고, 지별 여과지 이상
발생시는 수시로 확인하여 정비한다. - 여과모래 오염은 역세척 시간, 역세 효율 및 여과수 수질에 영향을 주고, 여과층 내부에서 오염이 진행될 수 있으므로 오염도조사를 층별로 실시하여 오염
여부를 확인 (여과모래층 하부가 오염되어 있으면 평상시 여과지 오염도조사를 소홀히 하였거나 관리를 하지 않았다는 증거). - 지별 여과지 관리카드를 만들어 제반제원이나 운영상황을 기록하고, 여과지 성능을 비교/평가하여 유지관리 하여야 한다.
여과지 성능･평가관리: 여과지 내에서 어떤 일이 일어나고 예상되는가를 운영일지의 데이터나 기록등을 분석하고 여과성능에 대한 정보를 읽혀, 여과지가 지금까지 어떻게 가동되어 왔는지 파악하므로 여과지 최적운영을 위한 정확한 의사결정을 내리는 것이다.
여과지 성능은 여러가지 방법으로 평가할 수 있는데 개별(통합) 여과지의 탁도, 입자수 측정, 여과지속시간 및 오염도 측정 등이 있으며 탁도나 입자계수의 급상승정도와 지속시간, 그 외 유출유량, 손실수두, UFRV 등이 있다.
여과성능 평가지표는 여과지속시간 내 처리된 여과지 단위면적(m2)당 여과수량(m3)(unit filter run volumn, UFRV=여과속도(m/분)× 여과지속시간(분))으로 나타내며, UFRV값으로 아래와 같이 판단할 수 있다.
① UFRV값 200 m3/m2 이하 : 여과지속시간이 너무 짧다 ② UFRV값 410 m3/m2 초과 : 여과지 성능 양호 ③ UFRV값 610 m3/m2 이상 : 재래식 정수공정에서 여과성능이 좋다
정수장 기술진단 매뉴얼에 UFRV 300이하 정수장은 원인조사와 분석을 실시하여 대책을 강구토록 되어 있다. 매일 여과수 탁도, 유량 및 손실수두 경향을 지속적Monitoring하여 주어진 목표 및 해당처리시설의 “정상” “비정상” 여부를 판단하여 조치를 취하고 그 내용을 기록한다. - 여과수질을 0.1 NTU 미만으로 유지하고 역세척 후 초기 탁도 급상승의 정도를 최소화하여야 한다. - Partnership for Safe Water(미국, AWWA)의 목표는 역세척 후에 탁도 급상승이 0.3 NTU를 초과하지 않으며, 여과수 공급 시작 후 15분 안에 탁도가 0.1 NTU미만으로 떨어지는 여과수를 생산하는 것이다.
입자계수는 탁도 데이터 보다 더 자세한 데이터를 제공해 주는데 탁도는 물의 흐림 정도에 대한 총체적인 척도인 반면, 입자계수는 여과수 내에 있는 입자의 수와크기 범위에 대한 추정값을 제공하는데, 여기에는 계수 셀을 통과하는 입자에 해당하는 액체의 부피, 센서를 통과하는 입자가 광 탐지기에 그림자를 비출 때 차단
되는 빛의 양, 그리고 입자에 의해 산란되는 빛의 양 등이 포함된다. 그러므로 입자계수기는 아래와 같은 사유로 초기의 탁도 문제를 조기에 경고해 줄 수 있다. - 입자 밀도가 높은 시료수는 총 입자수가 실제보다 낮게 계산될 수 있다. - 입자 계수기는 매우 민감한 여과지 성능감시 장치이다. 탁도 데이터로 명백히 드러나지 않는 수질차이를 입자 계수기를 사용하여 밝힘으로써 운영자들은 여과 수질을 더욱 최적화하여 추가적인 수질개선을 얻을 수 있다. - 입자계수를 근거로 한 사례(Carmichael, Lewis, and Aquino 1998)로, 운영자들은 2개 여과지의 유출수 내의 입자 수가 mL당 1개 미만에서 mL당 약 5~15개로 증가했다가 다시 감소했다는 사실을 발견했는데 이러한 현상은 하루 걸러 한번씩 자정 쯤에 일어났다.
이들 2개 여과지로 들어가는 유입수는 주로 4개의 병렬 침전지 중 하나에서 왔는데 운영자들은 늘어난 입자계수가 침전바닥을 청소하기 위한 슬러지 콜렉터 가동이 예정된 시간쯤에 관찰된다는 사실을 깨달았다.
여과효율 측정방법: 다음과 같은 4가지 방법이 있다. ① 여과수 탁도 측정(입자수) - Kawamura는 2 um보다 큰 입자수가 50이하/mL(매우 양호), 50~150/mL(양호), 200이상/mL(나쁨) ② 여과지속시간 측정 ③ 여과수량에 대한 역세척수량의 비율 산정 ④ 여과지속시간내에 처리된 단위 여과면적당 여과수량(UFRV)
여과지 자가진단: 여과개시 후 초기 0.5 NTU 를 초과하거나 여과개시 4시간 경과 후 0.3 NTU를 초과하고 매월 1 NTU 초과한 사례가 3개월 연속 발생시에는
각 분야 실무담당자로 진단팀을 구성하여 자가진단을 실시한다. 그 진단 절차는 다음 그림과 같다.
그 주된 내용은 미국 환경청의 CCP프로그램 등을 활용하여 실시할 수 있고, 탁도 이상으로 정수수질에 영향을 주어 탁도관리 목표를 초과하거나 시민에게 공지사유 등 특별한 경우에는 즉시 보고하여야하며 모든 측정결과 자료는 3년간 보관한다. ① 여과지에서 유량을 감시하는 이유는 입자상에서 제거된 입자들을 떨어뜨릴 수 있는 유속의 단계적 변화로 인한 수압 충격을 탐지하기 위해, UFRV를 측정하기
위해, 저속 시동을 평가하기 위해 그리고 시동방수에서 급수로 변화할 때 유속의 단계적 변화가 일어나는지를 알아내기 위함이다. ② 플록 억류시험(슬러지의 여층내 퇴적분포)결과 역세척후 탁도가 30~60 NTU은 깨끗하고 숙성된 여층을 나타내고, 120 NTU를 초과하면 여과지 세척시스템과
역세척 절차를 평가할 필요가 있는 오염된 여상을 나타내며, 300 NTU를 초과할 시에는 머드볼 문제가 있음을 의미한다. ③ 여과시설의 종류 및 규모 등에 따라 정수처리기준에서 정한 탁도기준을 준수하도록 유지관리와 수질검사를 실시하고 전반적인 여과지 검사는 정수처리시설 예방 유지보수의 핵심적인 부분으로 정기적으로 실시한다. - 지별 탁도계 측정자료는 전산디스켓에 입력하여 3년간 보존․관리 - 지역주민에게 공고 시 공고문을 24시간 이내에 시․도지사를 거쳐 환경부장관에게 보고 - 지난 1년 동안의 정수처리시설 운영을 기록(여과속도, 생산량, 역세척수가 사용된 비율 등) - 정수처리시설 표준 운영절차(여과지 역세척, 여과지 가동, 세척수 폐기 또는 회수) - 모든 여과지 검사를 완료한 후에는 향후에 기록을 검색하고 시간에 따른 여과지 상태 비교를 할 수 있도록 적절한 파일 시스템을 이용해서 검사 기록을 보존
한다. ④ 여과지 배수속도가 느리다면, 여재가 평평한지 여부를 빨리 판단할 수 있는 방법으로 수면이 여재에 닿을 때 즉시 여과지 배수를 정지하는 것이다.
물이 스스로 수평을 찾으면서 함몰은 웅덩이로 나타나고 요철부위는 수면 위로 솟는 형태로 나타난다. - 여과지를 배수한 후에 여재를 주의 깊게 검사하여 균열, 구멍, 무더기 또는 함몰이 있는지 확인하고 여재를 벽에서 분리되지 않았는지 살펴보며 일반적으로 세척 효과가 좋지 않은 여과지 구석에 있는 여재를 주의 깊게 관찰한다.
⑤ 트라프가 수평인지 확인하는 방법은 여과지 구조물을 역세척할 때처럼 천천히 채우는 것으로 상승 속도를 매우 느리게 해서(물이 거의 정지한 것처럼 보이는상태) 수면이 모든 트라프의 꼭대기에 동시에 도달하는지 관찰한다. ⑥ 물을 이용한 역세척 기간 중에 비등영역이 있으면 지지 자갈이 붕괴되었거나 노즐이 깨졌거나, 또는 다른 하부집수장치상 문제가 있음을 나타낸다.
비등영역은 국부적으로 과도한 수류가 존재하여 여재표면이 주위의 유동화 여재보다 더 높이 솟아오르게 만들 때 나타나는 징후이다. - 역세척을 관찰하면서 “비등(Boiling)”이나 고르지 않은 수류 또는 세척수 안에 원하지 않는 공기가 들어 있는지 살펴보고, 역세척이 비효율적인 것처럼 보이는
사각 지점(Dead spots)과 물이 깨끗해지는데 다른 지역보다 세척시간이 오래 걸리는 사각지점이 있는지 여부와 특히 여상의 모서리에서 이 같은 문제가 잘 일어난다. - 공기세척의 균일성은 매우 중요하며 건설 단계에서 여과지 안에 여재를 설치하기 전에 관찰하는 것이 중요하고 여재설치 후에는 공기세척이 진행되는 도중에기포의 패턴으로 관찰할 수 있다.
완속여과지는 1820년 영국 런던의 첼시정수장에서 처음 시작되었는데, 사층표면에 성장한 호기성 미생물 여과막에 의해 현탁성물질을 억류함과 함께 환원성무기물을 산화하거나 생물 분해성 물질을 분해하는 생물여과막 또는 슈뮤츠데케(Schmutzdecke-얇은 유기물층)에 의한 여과효과가 그 특징이다. 완속여과방식은 유지관리가 간단하고 고도의 기술을 요구하지 않으면서 안정된 양질의 처리수를 얻을수 있다는 장점이 있으나 여과속도가 느리기 때문에 넓은면적이 필요하고 또 오사삭취 작업 등을 위한 많은 인력이 필요하다.
또한 원수수질에 따라 보통침전지를 설치하는 경우와 생략하는 경우가 있으며 필요에 따라서는 침전지에 약품처리가 가능한 설비를 갖추어야 한다.
완속여과법은 약품을 사용하지 않고 자연의 정화능력을 이용하는 방법으로 여과층 표면 10 mm 정도의 부분에 발생한 호기성의 생물에 의해 만들어진 점질막(粘質膜)과 내부 모래입자 표면에 생기는 생물피막에 의해 여과되는데 물리･화학･생물학적으로 탁질, 세균 등의 부유물이나 암모니아성질소, 철, 망간, 냄새물질등의 용해성 물질이 제거된다. 완속여과에서 현탁물질(탁도, 조류 등) 억류는 모래층표층부에 집중되기 때문에 표층부분에서 큰 여과손실수두가 생겨 필요한
통수량이 유지되지 않으면 여과를 정지하고 표층의 모래를 삭취한 후 표면을 재생하여야 한다.
그래서 여과사층의 미생물군의 번식상황을 항시 관찰하여야 하고 특히 여과사를 보충한 후의 여과지는 미생물군이 번식하고 정상적인 여과기능이 발휘되는 것이확인될 때까지 특별한 작업관리가 필요하다.
통침전지는 완속여과지와 조합하여 사용하는 것으로 응집제를 사용하거나 자연침전에 의하여 원수중의 큰 입자를 제거하여 완속여과지의 부담을 경감하고자 하는목적으로 설치하며, 이때 플록이 여과지에 유입되어 여과폐색이 일어나지 않도록 보통침전지의 평균유속을 30 cm/분 이하로 운전하여야 한다.
또한 초벌여과(조대입자여과)설비는 플랑크톤, 조류, 탁질 등의 부유물질들을 제거하여 여과지의 부담을 줄이기 위하여 완속여과지의 전단계로 필요에 따라 설치한다. 완속여과지에 추가하여 응집제를 주입하는 보통침전지를 갖추어 아래와 같이 운영할 경우 병원성미생물에 대한 제거능을 더 확보할 수 있다.
○ 연속으로 보통침전지를 운영하고 정수장 처리수량 전체 물량이 통과할 것 ○ 보통침전지에 연속적으로 응집제를 투입할 것 ○ 1년중 최소 11개월 이상 침전지에서 월간 탁도기준으로 0.5 log 이상을 제거할 것
상수원이 크립토스포리디움 등의 병원성미생물로 오염될 우려가 있는 경우에는 여과속도는 5 m/d 를 넘지 않도록 하고, 여과모래를 교체한 다음에는 여과수를배출시키면서 생물막이 다시 형성되어 정수탁도가 0.1 NTU 이하로 될 때까지 낮은 여과속도로 여과하고 서서히 올리도록 한다.
또한 여과를 중단하면(여름철 18～20 ℃에는 2일, 겨울 7～10 ℃에는 7일) 여과사층 내의 용존산소가 결핍되어 나쁜 냄새나 맛이 발생하고 망간이 용출되기도하므로 이럴 경우 여과기능 유지를 위해 최저 0.5～1.0 m/일 정도의 여과속도로 물을 통과시키는 것이 좋다.
플랑크톤 조류에 의한 여과폐색을 방지하기 위해서는 저수지에서 플랑크톤 조류처리를 하거나 그것이 불가능한 경우에는 여과 전에 마이크로스트레이너를 사용하여 제거한다거나 2단여과의 일차여과나 응집침전에 의하여 제거할 필요가 있다.
나. 운영･유지관리 유입부에 정류벽 등을 설치하여 여과사 교란이나 불균등 여과를 예방하고 여과지의 수위를 사면위 90~120 cm를 유지해야 한다.
완속여과 속도는 5 m/일 내외로 최대 8 m/일 이내에서 조작할 수 있어야 하고, 여과지 유입수 탁도는 연중 최고 10 NTU를 초과해서는 안된다.
여과속도 상승폭은 10～20 % 이내로 하며 급격하게 50 % 정도 증가는 여과효과를 저해한다. 여과층 표면이 갈퀴, 막대 등의 교반에 의해 여과막이 손상되거나,조류발생에 의해 부상, 혹은 어류,패류, 지렁이 등에 의해 손상되면 부분여과(국부여과)될 우려가 있으므로 주의해야 하며, 여과막이 손상될 우려가 있는 경우는
조금 일찍 두껍게 삭취작업을 해두어야 한다. 느린 여과속도로 운전을 계속하게 되면 플랑크톤의 이상번식에 의한 착색현상이 일어나는 경우가 있으므로 이러한 여과지에서는 물을 뺄 때 농축되어 모래층 내에남아 있던 플랑크톤이 오사(汚砂) 삭취 후의 여과수에 대량으로 나타나는 경우가 있으므로 주의를 요한다. 완속여과의 손실수두는 표면의 여과막에서 발생하는데 이는 부유물에 의한 폐색이 대부분 표면에서일어남을 보여주고, 하부 사층에서도 여과작용을 하므로 사층두께가 얇을 경우 여과효과에 악영향을 미칠 수 있다.
여과지의 유출수위는 사층표면보다 저하시켜서는(부수두 발생) 안되며 급격한 손실수두의 상승이나 하강 시에는 여과막 등에 이상이 있는 징조이므로 즉시 여과를 중지하고 조사, 보수를 시행하며, 여과지속 일수는 여과속도, 원수의 수질, 여상의 상태 등에 의하여 좌우되므로 그 지속일수가 너무 길거나 짧을 경우 이상의유무를 조사하여야 한다.
완속여과지의 경우에 약품을 사용하지 않는 것이 장점이나 여름철 고탁도나 비상시에는 완속여과지가 감당할 수 있을 정도의 탁도롤 저하시켜 줄 전처리 설비를보완해야 한다. 또 다른 계절적 문제점으로 봄, 가을에 조류의 번식과 겨울철에 미생물의 활성저하로 인한 완속여과지의 기능저하를 예방할 수 있는 조류번식을
억제하기 위한 차광막 설치 또는 겨울철 보온용 여과지 덮게 등 적절한 보조설비들이 필요하다. Fogel et al.(1993)은 완속여과의 실공정에서 크립토스포리디움과 지아디아에 대해 제거율을 평가한 결과 제거율은 각각 0.1~0.5 log, 0.9~1.4 log로 나타났으며,이때 원수 유입탁도와 여과 유출탁도는 각각 1.3~1.6 NTU, 0.31~0.35 NTU로 낮은 원생동물 제거효율을 나타났는데 그 이유로는 저급 여재를 사용하고 생물학적
활동도가 낮은 수온(1 ℃)에서 운영되었기 때문으로 판단하였다. 오사 삭취나 보사작업을 위하여 여과지를 비울 때 함몰, 내부의 슬러지 축적, 미생물번식 등의 상태를 정기적으로 조사하고 이상상태가 감지될 때는 신속히 보수또는 교체하거나 오사삭취 두께를 가감하여야 하며, 오사 삭취는 나무판 등으로 사층 표면적 1 cm(삭취간격은 2.0～2.5 m)를 평탄하고 균등하게 삭취하고, 작업
시 잔존사층의 두께가 40 cm 내외로 감소하였을 때에는 여과사를 반드시 보충하며 한랭기 이전에 시행하여 동결하지 않도록 주의하여야 한다.
오사 삭취 작업은 다음과 같이 시행한다.
(1) 인입, 인출의 정지와 주벽 등의 세척 작업 (2) 사면 이하의 반출 및 삭취 오사의 반출 (3) 사면고르기 (4) 여과수의 역송 (5) 원수 인입 및 여과배수 후 사용개시
여과사보충은 기존의 여과사를 적당한 폭으로 굵은 모래면까지 삭취 굴착하고 새로운 여과사를 포설하고 그 상부에 기존의 여과사를 뒤집는 것을 순차적으로
반복하여 전면에 걸쳐 작업한다. 이런 작업중에 기존의 여과사와 새로운 여과사가 혼합되지 않도록 그 사이에 나무판으로 구분하여 작업한다.
보사나 교체작업 후 사면고르기는 보행판을 설치하여 사면을 직접 밟지 않도록 하며, 삭취오사를 반출한 사면은 목제의 고르기판을 사용하여 평탄하게 하지않으면 안된다. 오사 삭취 후 원수 유입에 앞서 여과사층내의 공기배제와 여과사면 보호를 위하여 인출구로부터 여과수를 2 m/일이하의 속도로 서서히 인접여과지의 여과수를
역송하여 여과사면 10～20 cm까지 물을 올려야 하고, 원수의 인입은 역송이 끝난 후 여과사층면을 흐트러지지 않게 서서히 행하고 규정수위로 하지 않으면 안
된다. 여과층 조사는 각 층의 슬러지량 등을 조사해 모래층 내부상황을 분석하고 이전의 값과 비교하여 오염 진행 상황을 판정한다.
여과배수는 삭취 후 여과기능 발휘에 이르기까지 3 m/일 한도로 하고 여과속도를 서서히 증가시켜야 한다. 정수의 역송, 원수의 인입, 여과배수, 사용개시는 삭취작업의 경우에 준하여 행하나 여과사 보충 후의 여과지는 상당한 기간에 걸쳐 여과기능 발휘가 지체되므로
규정 여과속도의 1/2정도로 여과하고, 여과지 기능을 확인하기 위한 수질검사를 적어도 탁도, 색도, 일반세균 및 대장균군에 관하여 수행한다.
특히 오사삭취나 보사작업의 기간을 이용하여 계기류나 기타설비 등을 점검･보수하며, 여과지의 손실수두, 여과수량, 등의 운전일지를 작성하고 관측하여야 한다.
물속의 현탁성이나 콜로이드성 물질을 정밀여과막(MF), 한외여과막(UF) 등의 분리막을 여재로 사용하여 막의 공경(Pore size)에 상당하는 입자(Particle)나 오염 물질을 물리적으로 제거하는 방식으로, 막여과의 성능을 효율적으로 발휘시키기 위해서는 협잡물 등을 제거하기 위한 전처리가 필요한 경우가 있다.
막여과로 제거하기 어려운 용해성 유기물이나 망간 등을 제거하기 위해서는 후처리를 해야 하며, 특히 트리할로메탄, NO3-N, 농약, 냄새물질 등 용해성 미량 유기물질을 막처리로 제거하기 위해서는 나노여과막이나 역삼투압막 등이 필요하다.
막여과 방식에는 가압형과 침지식이 있으며 가압형 막모듈방식은 막모듈을 케이싱 안에 수납하는 방식으로 막공급수를 가압하여 여과하는 것이고, 침지식 막모듈방식은 막모듈을 조 내에 침적하는 방식으로 수위차나 흡인펌프를 이용하여 여과를 수행하는 것으로 구분한다.
막운전 방법에는 막공급수 차압을 일정하게 유지하여 여과하는 정압여과방식(Constant pressure filtration)으로 펌프, 수두 등을 이용, 압력을 일정하게 유지하여여과를 행한다. 또한 막의 여과유량을 일정하게 유지하여 여과하는 정유량여과방식(Constant flow filtration)이 있는데 정량펌프나 유량계를 이용하여 여과수량을
일정하게 유지해서 여과를 행한다.
막 종류별 공극과 조작압력 및 투과 Flux는 다음과 같다.
막과 관련된 용어 정의는 아래와 같다. ○ 모듈 : 수십개의 막을 하나 단위로 묶은 것 ○ 막 오염 : 장기간 운전으로 막의 여과성능이 저하되거나 막 자체의 노화, 막힘, 공극폐색 등을 나타낸다. ○ 막 세척 : 막 오염을 원래상태로 회복시키기 위해 막세척을 하는데 막세척의 종류에는 공기와 물을 이용한 물리세척과 약품을 이용한 화학세척이 있다. ○ 직접 완전성 시험(Direct integrity testing) : 병원성 미생물(입자성 물질)의 제거율을 검증하여 막 안전성을 확보하는 시험
(Pressure－based test와 Marker－based test) ○ 간접 완전성 시험(Indirect integrity testing) : 여과수의 탁도나 입자수를 모니터링하여 막여과시스템의 완전성을 연속적으로 검증하는 것으로 전체 막여과의완전성을 확보하는 시험.
100 NTU 이상의 고탁도가 유입되어 막차압(1 kg/cm2)이 상승하고, 정수생산량이 현저히 감소하는 현상을 보일 때의 대처방안은 다음과 같다. ① 전처리 공정 강화 : 응집제 투입, 침전지 및 가압부상조 가동 등 - 평상시 착수정 원수 직접여과 ⇒ 고탁도시 응집/침전수 여과 - 평상시 저농도(1 mg/L이하) 응집제 주입으로 미세플록 형성 후 직접여과 ⇒ 고탁도시 침전지 추가 운영, 플록 침강성 증대를 위해 응집제 주입량 증가
② 순환여과(Cross-flow filtration) 방식 전환 : 막모듈 내부의 오염물질 축적을 방지 - 평상시 전량여과(Dead-end filtration) 운전 ⇒ 고탁도시 순환여과 운전 - 평상시 20 % 순환여과 운전 ⇒ 고탁도시 30 % 순환여과 운전 (농축수 이송량 10 % 증대)
단, 회수율을 유지하기 위해 막모듈에서 순환되는 농축수는 원수저장조로 회수 ③ 유지세척 주기 단축 : 저농도의 산･알칼리제(차아염소산, 황산 등)로 유지세척 주기 단축운전.
차아염소산 500 mg/L 농도의 세척약품으로 5분 동안 순환 후 20분 동안 정치 - 평상시 유지세척 주기 : 1회/3~7일 ⇒ 고탁도시 유지세척 주기 : 1회/1일 ④ 화학세척 실시 : 고농도의 산･알칼리제(차아염소산, 황산 등)로 화학세척 실시 - 차아염소산 2,000 mg/L에서 6시간 순환, 황산 10,000 mg/L에서 2시간 순환 등
⑤ 역세척(물리세척) 주기 단축 및 역세수량 증가 운전 : 회수율에 영향 - 평상시 30분 여과, 60초 역세척 ⇒ 고탁도시 15분 여과, 60초 역세척 ⑥ 여과 플럭스 감속 운전 : 생산량 감소 - 평상시 여과플럭스 1.5 m3/m2･day ⇒ 고탁도시 여과플럭스 1.0 m3/m2･day로 조정
조류 유입 시 감시 및 대처방법 조류예보제와 조류 대발생 단계로 2회 연속채취 시 Chl-a 농도 100 mg/m3 이상, 남조류 세포수 10^6 세포/mL 이상 유입 시에 대처방안은 다음과 같다. ① 전처리 공정 강화 : 응집제 투입, 침전지 및 가압부상조 가동 등 - 평상시 착수정 원수 직접여과 ⇒ 고탁도시 전염소 처리 및 응집/침전수 여과 - 평상시 저농도(1 mg/L 이하) 응집제 주입으로 미세플록 형성 후 직접여과 ⇒ 고탁도시 침전지 추가 운영, 플록 침강성 증대를 위해 응집제 주입량 증가 ② 순환여과(Cross-flow filtration) 방식 전환 : 막모듈 내부의 조류 축적을 방지 - 평상시 전량여과(Dead-end filtration) 운전 ⇒ 고탁도시 순환여과 운전 - 평상시 20 % 순환여과 운전 ⇒ 고탁도시 30 % 순환여과 운전 (농축수 이송량 10 % 증대)
단, 회수율을 유지하기 위해 막모듈에서 순환되는 농축수는 원수저장조로 회수 ③ 유지세척 주기 단축 : 저농도의 산･알칼리제(차아염소산, 황산 등)로 유지세척 주기 단축운전 - 차아염소산 500 mg/L 농도의 세척약품으로 5분 동안 순환 후 20분 동안 정치 - 평상시 유지세척 주기 : 1회/3~7일 ⇒ 고탁도시 유지세척 주기 : 1회/1일 ④ 화학세척 실시 : 고농도의 산･알칼리제(차아염소산, 황산 등)로 화학세척 실시 - 차아염소산 2,000 mg/L에서 6시간 순환, 황산 10,000 mg/L에서 2시간 순환 등 ⑤ 역세척(물리세척) 주기 단축 및 역세수량 증가 운전 - 평상시 30분 여과, 60초 역세척 ⇒ 고탁도시 15분 여과, 60초 역세척 ⑥ 여과 플럭스 감속 운전 - 평상시 여과플럭스 1.5 m3/m2･day ⇒ 고탁도시 여과플럭스 1.0 m3/m2･day로 조정
① 막파단 감시시스템 구축 막여과 공정이 온전한 상태를 유지하면서 연속적으로 처리수를 생산할 수 있는가를 감시하는 방법은 아래 표와 같이 직접법과 간접법으로 구분할 수 있다.
- 탁도나 입자수 감시는 비용면에서는 우수하지만, PDT나 입자수계측기 등과 같이 검출한계값(Resolution)이 낮고 민감도(Sensitivity)가 높은 방법의 병용이
필요하다. - 막손상 검지방법으로서 PDT 등의 직접법을 채용하지 않는 경우에는 고감도(0.5 um) 입자수계측기의 채용이 바람직하다. - 직접법 중 PDT법은 감도가 매우 좋고, 신뢰성이 높은 방법이다. 특히 공기역세를 채용하고 있는 시스템에서는 비용이 거의 들지 않는 방법이다
[버블 포인트시험(Bubble point testing)은 초기에 공경크기나 막의 완전성을 평가하는 방법으로 사용되고 막 파손시 막 모듈 입구 또는 출구에서 손상된 가닥
(Fiber) 밖으로 나오는 공기방울이 처리수 투명관에서 발견되었을 경우 비정상 상태로 판단]
② 막파단에 의한 생산수 수질의 저하 각 계열별로 설치된 탁도계 및 입자수계측기를 통해 상시 감시하고, 처리수 탁도계 수치가 0.1 NTU 이상이거나, 처리수 내 2 um 이상의 입자수가 10개를 초과한
경우
③ 대처방안 탁도 및 입자수가 감시기준을 초과한 계열은 즉시 운전을 정지하고 계열별(모듈별) PDT(Pressure Decay Test)를 통해 여과막의 파단 여부를 검사하고, 여과
막을 보수 또는 교체 후 재운전하여야 한다. 또한 주기적인 PDT를 통해 여과막 파단 여부를 확인한다. - 막 파손이 발생하여 경보 발생 후 막여과장치의 계열이 정지되었을 경우, 타계열을 증량 운전하여 생산수량을 확보한다.
단, 한계여과유속 (Critical Flux, 예 2.0 ㎥/㎡･일 등) 이상으로 운전하지 않는다(공정흐름의 목표값을 설정하여 감시, 확인)
- 초기 대응 시에는 원인조사 실시 및 현장에 보관되어 있는 예비 여과막으로 교환하여 막여과 설비가 정상운전이 가능토록 한다. : 예비 여과막은 전체 모듈수의 10 % 내외의 모듈을 시설 내 비치 : 초기 설치 당시 장기보관 처리가 되어 개봉하지 않을 경우 그대로 장기보관 - 동시에 막 설비 시공업체(제조사)에 A/S를 요청하고 기술담당자와 함께 막 파손원인을 조사한다. - 막파단 Test 주의사항 : Test 시 주입공기에 의한 여과막 건조와 오염 주의 : Test는 10분 이내에 완료하고 Test 직후에 모듈 내부를 물로 충진 : 검사 후에 여과하여 압력제거 - 막 파단 Test 순서 : 여과중지와 원수유입밸브와 여과수 유출밸브 차단 : 공기유입밸브에 압축공기 혹은 질소가스라인 연결 : 역세유입밸브에 얇은 튜브를 연결해(약 ø5 ㎜) 반대쪽 끝을 벳셀 내부에 담근다. : 역세유입밸브와 공기유입밸브를 천천히 개방, 모듈내부에 기체 공급압력을 100 kPa 이상 설정한다. : 여과막 모듈 상부 투명관에서 지속적인 공기 방울이 발생할 경우 비정상 상태로 조치필요. 단, 공기방울이 전혀 없는 상태는 여과막에 압력이 차지 않은 초기
상태로 비정상상태가 아님(만일 역세유입밸브가 시스템상에서 사용이 불가능할 경우 여과수 유출밸브를 개방해 모듈의 처리수 노즐에 공기방울의 발생을 검출
한다).
④ 막 모듈의 보수요령 - 해당계열을 정지하고 파손된 모듈 상부 캡을 분리한 뒤, 막모듈에 공기압축기로 공기를 공급해 파단된 부위를 확인하고 보수한다.
필요시 해당 막모듈을 계열에서 분리해 예비막으로 교체한 후 별도 장소에서 보수할 수도 있다. - 일반적인 막모듈 보수요령은 다음과 같다.
① 단계 : 해당 모듈에 압축공기를 유입시켜 파손된 막 섬유을 확인한다. ② 단계 : 파손된 막 섬유에 스테인레스 핀으로 중공사을 막는다. ③ 단계 : 스테인레스 핀을 고무 망치로 가볍게 두드려 핀을 고정한다. ④ 단계 : 파손된 막 섬유가 수리된 모습
통상의 정수처리로 먹는물 수질기준을 만족할 수 없을 경우 일반적인 정수처리에 추가하여 오존처리, 입상활성탄 처리, 생물 활성탄 처리, 고도산화처리(AOP)
등을 추가하여 합성 미량유기화합물을 제거하게 되는데, 중요한 점은 원수 수질의 특성을 정확히 파악하여 처리수의 목표수질을 대상으로 비교･평가한 다음 모형
실험을 거쳐 새로운 공정을 추가하여 설계 및 시공하게 된다. 그러므로 기존 정수처리공정 이외에 2차적으로 모래여과나 활성탄 흡착공정을 새로이 도입할 경우
병원성미생물에 대한 제거능을 추가적으로 확보하여 안전한 물을 생산할 수 있다.
가. 일반 현황 입상활성탄은 다공질 구조의 탄소재료(직경 2∼50 nm)로 그 흡착능은 공극률, 비표면적, 세공용적, 세공분포 등에 따라 다르고, 흡착원리는 고체의 표면장력(면적
당 에너지)에 영향을 받는다. 입상활성탄 흡착설비는 흡착탑 또는 흡착지에 입상활성탄을 고정층이나 유동층으로 충전하고 여기에 처리할 물을 통과시켜 처리대상
물질인 오염물질을 흡착하여 제거하는데 흡착탑 내부의 미생물의 활동여부를 기준으로 입상활성탄(GAC)방식과 생물활성탄(BAC)흡착방식으로 나눌 수 있다.
입상활성탄 처리방법은 활성탄 내부세공(pore)에 오염물질이 이동하여 흡착, 축적됨으로써 오염물질을 제거하는 공정으로 처리대상물질의 농도가 파과되어 초기
농도에 가까운 농도를 보일 때에는 활성탄접촉조의 운전을 멈추고 곧바로 활성탄의 교체를 수행하여야 한다.
이러한 흡착지를 사용함에 따라 손실수두가 증대되고 미생물의 과다한 번식이 발생할 수 있으므로 정기적으로 7～10일에 1회 정도의 역세척이 필요하다.
입상활성탄의 맛･냄새제거 기작은 다음과 같다. ⓐ 경쟁적 흡착(Competitive adsorption) : Geosmin, 2-MIB는 분자량이 매우 작은 물질로써 분자량 500이하의 저분자 자연유기물(NOM)과 흡착과정에서 직접
적인 경쟁관계에 있으므로 원수유기 물의 특성을 파악할 필요가 있다. ⓑ 세공막힘현상(Pore blockage) : 저분자 유기물 중에서도 분자량 600정도의 유기물들은 활성탄내 세공통로(Transitional-pore)를 막히게 하는 세공막힘을
일으켜 처리효율과 관련이 있다. ⓒ 탈착(Desorption) : 활성탄 세공내의 흡착과 탈착이 반복되어 활성탄 내부의 흡착 농도가 주위농도보다 매우 높아지는 경우 탈착될 수 있다.
즉 유입수의 Geosmin, 2-MIB이 낮아졌는데도 입상활성탄 유출수의 Geosmin, 2-MIB이 일정기간 검출되는 경우도 있을 수 있다. ⓓ 미생물에 의한 분해(Biodegradation) : 2-MIB와 Geosmin은 Alicyclic alcohols, Ketones류로 생물분해 가능한 물질이다.
특히 한강원수는 입상활성탄의 미생물활성도가 높은 하절기에 Geosmin이 유입되므로 높은 처리효율을 기대할 수 있고 반대로 2-MIB의 경우 겨울철(입상
활성탄의 미생물 활성도가 낮은 시기)부터 발생되므로 제거하기가 어렵다.
활성탄 흡착능력은 활성탄의 종류와 피흡착 물질, 수온, pH 및 공존물질에 따라 다르고, 운전시간이 지남에 따라 흡착능은 점차 감소하여 포화상태에 도달되어
처리 목표달성이 어려워지는 시점에서 재생하거나 교체하여야 한다.
오존처리를 병행할 경우에도 생분해성 증가와 전체적인 오염물질제거율은 제한적이므로 원수수질, 통수조건, 제거대상물질의 농도, 처리효율 등을 종합적으로
판단하여 설계･시공한다. 특히 입상활성탄 흡착설비의 처리공정 배열은 원수수질, 처리목표수질 및 농도, 경제성 등 다양한 현장조건에 따라 다를 수 있으므로 적정한 처리공정의 배열을
선정하여 적용할 수 있다.
활성탄 흡착지 운전을 정지하였다가 재개할 때에 갑작스러운 수량의 유입은 유동층 계면을 교란하고 활성탄이 유출되는 위험이 있으므로 서서히 수량부하를 증가
시키는 것이 필요하고, 활성탄흡착지를 새로이 사용개시 하거나 재생탄을 다시 충전하여 사용개시 할 때에도 충분히 세척하여 분탄의 누출을 예방하여야 한다.
특히 신탄은 pH값이 높은 경우가 많으므로 활성탄 양의 100～300배 정도의 물로 세척해주거나, 이미 pH값을 중성상태로 세척해 놓은 활성탄을 구입하는것도
좋다. 입상활성탄의 처리효율에 대한 설계값은 접촉시간 또는 공간속도, 선속도, 탄층 두께, 입경 등 상호관계로부터 결정되며, 공간속도를 우선 정한 뒤 그에 따른
각 정수장의 조건에 적합한 활성탄층 깊이를 결정한다.
① 공상접촉시간(empty bed contact time, EBCT) 입상활성탄의 충전량(m^3)을 처리수량(m^3/h)으로 나눈 값으로 공상접촉시간이 결정되면 탄층의 두께와 선속도의 관계가 결정되며 선속도를 크게 하려면
입상활성탄의 층고를 두껍게 해야 하고, 공상접촉시간이 길수록 처리효과는 증가한다. ② 공간속도(Space velocity) 입상활성탄층을 통과하는 1시간당 처리수량을 입상활성탄의 용적으로 나눈 값으로 공상접촉시간의 역수이다.
즉 1시간에 통과하는 수량이 입상활성탄 용적(m^3)의 몇 배가 되느냐를 나타낸 통과수량(m^3/m^3･h)이다 ③ 선속도(Linear velocity) 처리수량을 흡착지의 면적으로 나눈 값으로 여과속도에 해당된다. 중력식 고정상인 경우에는 10~15m/h, 가압식인 경우 15~20 m/h, 유동상인 경우 10~15 m
/h 정도이다. 입상활성탄 흡착공정의 앞 단계에서 염소처리를 실시한 경우에도 활성탄 지내에서 미생물이 번식하며 이를 먹이로 하여 미소동물이 증식하는
경우가 있으므로 이러한 경우의 세척빈도는 손실수두에만 따라 세척하지 말고 미소동물의 생명주기(Life cycle) 등을 모두 고려하여 정하고, 이때 정수로 세척
하더라도 단기간이기 때문에 생물활성탄의 처리효과에는 거의 영향을 주지 않는다.
나. 운영･유지관리 활성탄 흡착지 운전은 일반적인 모래 여과지의 운전과 유사하므로 이를 참조할 수 있으며, 다만 역세척시 여상팽창은 최소한으로 억제해야 하며, 활성탄의 비중이
작으므로 역세척수의 공급율도 낮추어야 한다. 흡착지 유출수는 주기적으로 검사하여 활성탄으로 흡착하고자 하는 오염물질의 누출여부를 확인하여야 하며, 냄새
물질, 트리할로메탄, 소독부산물, 음이온 계면활성제 등이 흡착대상물질로 인식되고 있다. 역세척속도는 사용하는 입상활성탄의 종류에 따라 다르며 동일 역세척속도에서 탄층팽창률은 수온의 영향을 받는데 일반적으로 탄층팽창률이 20~40 %(평균 25
%)정도가 되도록 역세척한다. 실 예로, 야자계 활성탄에서는 수온 20 ℃, 팽창률 40 %일 때의 역세척유속은 약 0.48 m3/m2･분으로 되며, 일반적으로 입경이 동일
한 경우에 모래여과지보다 느리다. 입상활성탄은 비교적 가벼우므로 역세척시 과도한 팽창이나 유실이 발생할 우려가 많으므로 역세척 수량의 공급에 주의하고
역세척시 과도한 교란은 오히려 효율저하의 원인이 된다.
물에 의한 역세척을 보조하는 공기세척은 입상활성탄 입자의 유실과 마모 및 잔류 기포에 의한 편류와 같은 문제가 있지만, 입상활성탄 입자 상호간의 전단력이
크기 때문에 물에 의한 역세척만으로는 세척이 불충분할 경우에 공기세척을 병용하는 방식이 더 효과적이다. 장래 수질기준이 엄격해질 것을 예상하여 보통의 여과층을 활성탄(GAC)여재로 교체하는 계획을 수립할 경우 가장 짧은 공탑접촉시간(EBCT) 10분인 활성탄
여과에 필요한 접촉시간을 확보하기 위하여 보통의 여과지를 신설 할 경우에도 활성탄여과에 대응할 수 있도록 깊게 하는게 좋은데, 240 m/d 여과속도에서 10분
의 공탑접촉시간을 확보하기 위해서는 최소한 1.7 m 여층두께가 필요하다. 이중여재 여과지에서 안트라사이트 여재를 GAC 여재로 바꾸면 여과지 구조물이나 여재 설계, 그리고 역세척 기법이 매우 중요해지는데 안트라사이트의 밀도가
GAC의 밀도 보다 더 크기 때문에 여재 크기가 비슷할 때 GAC의 역세척 속도가 더 낮다. 그러나 GAC 아래에 모래층이 존재할 경우에는 상승속도가 모래와 GAC가
유동화세척이 될 수 있도록 비중이나 균등계수 적정해야 한다.
이중여재 및 다중여재 여상에서는 떨어진 고형물을 여과지에서 제거하고 여재층을 재성층화하기 위해 유동화 헹굼(rinse)이 반드시 필요하나 단일여재의 경우
유동화를 위해 필요한 세척수 상승속도는 여재의 직경이 증가함에 따라 증가한다. Kawamura, Najm, and Gramith(1997)는 역세척수 트라프의 측면벽에 단순한 도류벽을 설치함으로써 GAC 여재손실을 70 % 까지 줄일 수 있었다고 보고했다. 입상활성탄을 일정기간 사용하여 흡착력이 없어지면 재생을 하는데 재생효과는 신탄에 비하여 83∼97%의 흡착능 회복률을 보이고, 기존의 흡착시설에 추가하기
쉬울 뿐 아니라 경제성에서도 신탄가격의 10∼20 % 정도의 비용이 소요되는 등 여러가지 장점을 가지고 있다.
상수도에서 소독은 염소, 차아염소산나트륨, 오존, 자외선 등에 의한 방법이 주로 사용되고 있으며, ｢수도법｣ 및 ｢수도법시행규칙｣에 의해 수도꼭지에서 일정농도의 잔류염소를 유지하도록 규정하고 있다. 염소는 국내 정수장에서 가장 널리 사용되는 소독제이다. 염소제의 장점은 소독효과가 우수하고 대량의 물에 대해서도 용이하게 소독이 가능하며 소독효과가잔류하는 점 등을 들 수 있다. 한편 트리할로메탄(THMs ; Trihalomethanes) 등의 유기염소화합물을 생성하며 특정물질과 반응하여 냄새를 유발하기도 하고암모니아성질소와 반응하여 소독효과를 약하게 하는 등의 문제가 있을 수 있다.
또한, 염소 내성 미생물인 크립토스포리디움(Cryptosporidium) 등 병원성 미생물에 의한 오염문제를 계기로 염소제에 의한 소독이 완전하다고는 단언할 수없다는 것이 판명되고 있다. 오존은 매우 강력한 살균효과를 가지고 있어서 바이러스나 원생동물의 포낭을 쉽게 무력화시킬 수 있다.
그러나 염소와 같은 잔류효과가 없으며 수중의 유기물질과 반응하여 유해한 소독부산물을 생성할 가능성도 있다.
자외선 또한 효과적인 병원성미생물의 소독방법으로 주목되고 있다. 자외선은 오존과 마찬가지로 잔류효과가 없으나, 유해한 소독부산물을 생성하지 않으며바이러스와 원생동물을 효과적으로 불활성화 시킬 수 있으며 조작과 관리가 간편하다. 따라서 소독제의 조건으로는 용해도가 높고, 독성 부산물이 적으며 경제성이 있어야 하고 잔류성이 있으며, 소독력이 강할 뿐만 아니라 주입 조작이나 소독제의모니터링이 용이하여야 한다.
염소 소독시설
개요 상수도에 사용되는 염소제로는 일반적으로 수중에서 용이하게 차아염소산 및 차아염소산이온을 생성하고 소독효과를 확실히 발휘할 수 있는 약제를 말하며,액화염소(Cl2), 이산화염소(ClO2), 클로라민(Chloramine), 차아염소산나트륨(NaOCl) 및 차아염소산칼슘〔Ca(OCl)2〕등이 있으나. 국내에서는 일반적으로액체염소,차아염소산나트륨이 사용되고 있어 이들 두가지 염소제에 대해 중점적으로 고찰하기로 한다. 염소제의 선정은 특성, 유지관리의 난이도 및 안전성 등을 고려할 필요가 있다. 일반적으로 중규모 이하의 상수도에서는 시판 또는 자가 생성 차아염소산나트륨을사용되고 있으나, 운반과정에서의 사고로 인한 2차 재해방지 등을 고려할 때 자가제조하는 방안을 고려할 필요가 있다. 액화염소는 저장이나 주입에 어려움이 있어 보다 안전하고 취급하기 쉬우며 제해설비가 필요 없는 차아염소산나트륨으로의 전환을 검토할 필요도 있다.
전환 가능 여부는 경제성 등도 충분히 고려되어야 하지만 기존의 액화염소설비의 운영, 유지관리에 따른 애로점, 예상되는 위험도 및 대응 정도 등을 고려하여판단하여야 할 것이다. 수도법에 의한 수질기준에서는 급수전 수돗물에서 유지되어야 할 잔류염소의 농도를 규정하고 있다. 염소소독은 트리할로메탄 등 유기염소화합물을 생성하며 특정물질과 반응하여 냄새를 일으키기도 하지만, 소독효과가 우수하고 대량의 물을 쉽게 소독할 수있으며 잔류효과 등으로 염소의 의한 소독은 가장 현실적이고 우수한 소독방법으로 가장 오랫동안 이용되어 왔다.
특성 염소의 성질 정수장에서 사용하는 액화염소는 염소가스를 압축하여 액상으로 변화시킨 염소로서 상온 상압에서 황록색의 자극성 냄새가 나는 기체이다.
공기보다 무거워 누출 시 하부에 위치하게 된다. 액화된 염소는 비중 약 1.56의 오렌지색의 액체로 염소용기에 채워 운반된다.
용기에는 통상 상온에서 90 %의 액화염소와 약 10 %의 고압염소가 충전되어 있다. 액화 염소가 가스로 기화되면 약 460배(0 ℃, 1기압) 용적의 가스로 팽창한다. 염소의 용해도를 보면 20 ℃에서 0.71 %, 9 ℃에서는 1 %이다.
염소화학 염소가스가 물에 용해되면 급격히 가수분해 반응이 일어난다. 염소는 물과 빠르게 반응하여 차아염소산(HOCl)과 염산(HCl)을 생성한다.
Cl2 + H2O ⇆ HOCl + H+ + Cl-
차아염소산(Hypochlorous acid)은 수소이온과 차아염소산 이온(Hypochlorite ion, OCl-)으로 해리되고, 수중에서 HOCl과 OCl-의 양은 <그림 9.1>과 같이 pH와
온도의 함수이다. 여기서 HOCl은 OCl-보다 소독력이 월등히 우수하다. pH가 증가하면 OCl-의 농도가 증가하여 산화효과가 감소하게 된다. 따라서 이상적인 소독의 조건은 낮은 pH(6∼7), 비교적 높은 온도(20∼25 ℃), 긴 접촉시간(30분 이상), 고농도의 잔류염소의 유지(0.5 mg/L) 등이다.
HOCl ⇆ H+ + OCl
염소의 장단점 염소의 장점은 강한 산화력으로 소독효과가 우수하고 가격이 저렴하며, 소독의 잔류효과가 우수하여 관로에서 미생물의 재성장을 방지할 수 있다.
또한, 대용량의 수처리가 용이하고 오랫동안 소독제로 사용되어 왔다는 점이다. 단점으로는 천연유기물과 반응하여 THMs, HAAs(Haloacetic acids) 등의 소독부산물을 생성하고 pH가 소독효과에 영향을 미치게 된다.
또한, 염소소독으로 인한 냄새로 불쾌감을 줄 수 도 있고, 상대적으로 접촉시간이 필요하며 위해를 방지하기 위한 제해설비가 필요하다.
염소의 독성 염소가스의 공기 중 허용농도는 1 mg/L 이하이며 고농도로 공기 중에 노출되면 위험할 수 있으므로 취급에 주의를 기울려야 한다.
정수장에서 염소는 정수처리공정의 여러 단계에서 주입되는데, 주입지점에 따라 전염소처리와 후염소처리로 나눌 수 있다.
전염소처리는 혼화지나 원수가 유입되는 구조물에서 주입한다. 전염소처리의 목적은 원수중의 염소요구량 만족, 조류의 사멸, 암모니아성 질소의 제거, 철 및망간의 산화, 맛 및 냄새물질의 제거 등으로 응집, 침전공정 전에 주입한다.
전염소처리는 염소가 유기물질과 접촉시간이 연장되므로 트리할로메탄과 같은 소독부산물 생성에 주의하여야 한다. 후염소처리는 수인성미생물의 살균을 목적으로 급수전단계인 정수지에 투입한다. 후염소처리는 정수처리공정의 마지막 단계로서 일정농도의 잔류염소를 유지하도록 하여야 한다. 소독력은 유리염소가 더강하지만 잔류성에 있어서는 결합염소가 우수하다. <그림 9.2>는 일반적인 정수처리공정에서 전염소 및 후염소처리시의 주입지점을 나타내었다.
기타 염소처리 방법 전염소 및 후염소처리 이외에 정수장의 여러 상황에 따라 중간염소처리, 과염소처리, 탈염소처리 및 재염소처리를 시행하는 경우도 있다. 중간염소처리는 정수처리 공정의 중간지점에 또는 다양한 공정들의 사이 지점에 염소를 투입하는 것이다.
주로 여과 전에 염소를 주입하는 방법에 적용되고 있으며, 이는 여재에 미생물이 축적되는 것을 최소화하고 여과지의 운전시간을 늘린다.
간헐적 또는 연속적으로 투입할 수 있는데 연속적인 투입으로 소독 부산물 생성의 원인이 될 수도 있다. 수중에 암모니아, 아민류, 아민산류의 화합물이 존재하면 유리염소는 이들과 반응하여 다음과 같이 3가지 형태의 클로아민(Chloramine)을 생성한다. 이러한 반응은 단계적으로 진행되며 수온, pH, 접촉시간, 초기 암모니아와 염소의 비율에 따라 다르다.
일반적으로 과염소처리는 10∼50 mg/L의 염소를 투입하는 것으로 높은 농도의 암모니아를 포함하는 물을 처리할 목적으로 적용을 하고 있으나, 소독부산물의생성을 신중히 고려하여야 한다.
NH2Cl은 염소투입량이 수중의 암모니아량의 5배까지 일 때 주로 생성되는 물질이고 염소투입량이 5 ∼9배일 때에는 NHCl2이 생성된다. 탈염소처리는 염소가 주입된 물로부터 과량의 염소를 제거하는 공정이다. 일반적으로 사용되는 염소제거제는 이산화황(SO2), 아황산나트륨(NaHSO3), 황산
나트륨(Na2SO3), Sodium Metasulfite, 티오황산나트륨(Na2S2O3) 등이 있다. 재염소처리는 급수관망에 보내진 후 물에 염소를 다시 투입하는 공정이다. 정수된 물이 관말까지 도달하는데 급수관망이 긴 경우에 관망 내에서 염소요구량이증가한다. 이 경우에는 관망의 적당한 지점에 추가적으로 염소를 주입하여야 한다.
최근 재염소처리를 위해 운영, 관리, 위험도 등을 고려하여 차아염소산나트륨 설비를 갖추어 현장에서 투입하는 방식을 적용하기도 한다. 또한, 관망에서의 잔류염소를 지속적으로 모니터링 할 필요가 있다.
염소 주입설비의 분류 및 유지관리 염소주입설비는 진공조절기, 이젝터(Ejector), 급속분사교반기, 염소용기 계량기, 염소용기, 중화설비, 기타 배관 및 밸브로 구성된다.
염소주입설비는 염소의 주입방법과 기화방법에 따라 크게 구분할 수 있다.
염소 주입방법에 의한 분류 주입방식에 의한 염소설비의 분류는 <표 9.1>과 같이 크게 건식과 습식으로 구분하고 습식방식은 진공식과 압력식으로 나눌 수 있다.
염소 기화방법에 의한 분류
자연기화방식 자연기화방식은 <그림 9.3>과 같이 소용량의 염소를 사용하는 경우에 적용이 되고 있다. 즉, 액체염소 용기내에서 기화한 염소가 투입기를 통해 직접적으로 물에투입되는 방식이다.
강제기화방식 저온 시(7∼9 ℃) 자연기화가 곤란한 지역이나 자연기화량보다 많은 주입량을 필요로 하는 경우에 강제기화방식이 사용되며, <그림 9.4>의 구성도에서와 같이일반적으로 주입량이 20 kg/h 이상인 경우에 많이 사용된다.
염소주입설비
염소주입에 관한 중요한 사항은 다음과 같다.
기화기를 사용하지 않고 염소용기로부터 염소를 직접 취하는 경우 기화열은 공기로부터 용기의 본체를 통해 공급되어야 한다.
실온이 15∼20 ℃일 때 100 kg 용기 1개로부터는 시간당 약 0.8∼1.0kg, 1 ton 용기로부터는 시간당 약 6∼8 kg의 염소를 취함이 적당하다. 염소사용량이 많은 경우에는 기화기를 사용하는데 일반적으로 시간당 15∼20 kg 정도이다. 염소설비는 소독이 중단되지 않도록 항상 정비하고 사고에 대비하여야 한다. 특히 염소용기를 기화기에 연결할 때는 연결나사나 누출방지용 고무링 등에
이물질의 혼입 유무를 확인한 후 접속하여야 한다. 기화기 수조는 월류관을 설치하여 수위가 넘치지 않게 하고 물이 증발하여 수위가 낮아지는 경우가 없도록 하며, 수조내 침전물을 방지하기 위해 3개월에 한번 씩은 갈아주도록 한다. 기화기는 매일 일상점검, 6개월마다의 정기점검 및 정기정비로 구분하여 시행하여야 한다. 염소주입장소는 착수정, 정수지, 배수지의 입구 등에서 염소와 물이 충분히 혼화할 수 있도록 하고, 배수지나 정수지에서는 도류벽을 설치하여 흐름이 plug flow 형태를 이루도록 하는 것이 바람직하다. 정수지나 배수지 유출부 기타 적당한 장소에서 정기적으로 잔류염소를 측정하고 주입량이 균등하게 유지되고 있는지 검사하여야 한다. (5) 염소주입량을 미리 추정하기 위해서는 ① 급수전수에서 유지해야 할 잔류염소 농도 ② 물과 접촉하는 수도시설에 의해 소비되는 염소량 ③ 물의 염소요구량과 염소소비량의 세가지 조건을 고려할 필요가 있으며, 액체염소의 주입량 계산은 다음 식을 이용해 산출한다.
여기서, V : 질량주입량(kg/h) R : 염소주입율(mg/L) Q : 처리수량(㎥/L)
평상시 염소주입량은 관말에 있어서 유리잔류염소가 0.1 mg/L 이상(결합잔류염소의 경우에는 0.4mg/L) 유지되도록 하다.
단, 다음과 같은 경우에는 유리잔류염소로 0.4 mg/L(결합잔류염소로는 1.8 mg/L) 이상으로 하여야 한다.
① 수원부근 및 급수구역, 그 부근에 있어 소화기계 전염병이 유행하고 있을 때 ② 전 구역에 걸치는 광범위한 단수 후 급수를 개시할 때 ③ 홍수 또는 갈수 등으로 수질이 나빠졌을 때 ④ 정수과정에 이상이 있을 때 ⑤ 배수관의 대규모 공사나 수도시설이 현저히 오염될 것으로 예상될 경우 ⑥ 기타 특히 필요하다고 생각될 때
