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염소 저장시설의 유지관리 및 염소 저장시설의 유지관리

염소 저장시설의 유지관리

저장량과 안전관리
액체염소는 공장에서 충전된 용기(50 kg 또는 1 ton 용기)를 저장하여 사용한다. 항상 사용량 10일분 이상에 해당하는 양을 확보하여야 하며, 특히, 액체염소
1ton을 저장하는 경우 특정고압가스 소비자로서 안전관리 총괄자 1인과 각 사업소마다 안전관리 책임자 1인과 안전관리인 1인 이상을 두어 관련법에 따라 관리하여야 한다.

저장설비의 운영관리
(1) 염소가스가 충전된 용기는 반드시 정해진 저장소에 보관, 사용하여야 한다. 충전용기와 사용이 끝난 용기는 표시를 하여 구분하고, 염소용기 입하시에는 각종

     안전검사를 한다.
(2) 염소가스의 누출여부는 암모니아수를 용기주입구 근체에 도포하면 염소가 누출될 경우 흰색연기가 나타난다(NH4OH + HCl → NH4Cl + H2O).
(3) 연소용기를 운반할 때에는 캡 또는 커버를 씌워 밸브를 보호하고 충격을 주지 말아야 한다.​

(4) 원밸브의 고장이 가장 많이 발생하므로 개폐시에는 너무 강하게 다루지 않도록 하고 전용 핸들을 사용하거나 150 mm 이하의 렌치스패너를 사용하여야 한다.
(5) 사용이 끝난 용기는 바로 밸브와 뚜껑을 닫고 내부에 습기나 먼지가 들어가지 않도록 한다.
(6) 고압가스안전관리법에 의한 염소용기의 재검사 기간은 <표 9.2>와 같다.

다. 염소농도 측정 및 확인
염소주입에 의하여 확인된 잔류염소는 물의 안전도를 확보하고, 배수계통에 있어서는 불의의 오염에 의한 사고를 방지할 수 있다.

그러므로 배수계통에서 잔류염소가 검출되지 않거나 검출량에 이상한 변동이 발생할 경우에는 즉시 원인을 파악하고 그에 대한 조치를 취하지 않으면 안 된다.
정수지에 설치된 자동측정기의 값은 수시로 확인하여야 하며 정수장내의 정수지 유출부 등 적합한 위치에서 매일 1회 이상 잔류염소 값을 실측하여 확인하고,

관망도 등을 검토하여 주기적으로 관말지역에 대한 잔류염소를 측정하여 주입농도에 대한 피드백을 해야 한다.

라. 설비의 안전성 유지
(1) 소독설비의 설계와 취급은 안전규칙과 관련 법규를 엄격히 지키지 않으면 안 된다.
 염소설비가 주택지역 내에 있다면 염소가스가 누출될 경우에 대비하여 적절히 대응할 수 있는 중화설비는 물론 방재장비를 갖추어야 한다.


(2) 고압가스안전관리법에 의해 고압가스 저장소의 액체염소는 엄격히 관리하도록 규정하고 있는데, 액체염소 1,000 kg 이상을 저장하는 저장소의 허가를 받기
위한 자는 허가검사에서부터 1년에 1회 정기 및 자율검사를 실시하도록 하고 안전교육을 시행하여야 한다.


(3) 산업안전보건법에 의하면 20톤(저장량 포함) 이상의 염소가스를 취급하는 자는 공정안전자료, 공정위험평가서, 안전운전계획, 비상조치계획 등이 포함된
공정  안전보고서를 고용노동부장관에게 제출하여야 한다.


(4) 국소배기장치, 누출방지조치, 경보설비 및 긴급차단장치를 설치하여야 하고 위험을 방지하기 위한 작업수칙, 탱크 내 작업, 사고 시 대피 등의 작업방법을
구체적으로 수립하여야 한다.

     ​특히, 20톤(저장량 포함) 이상의 염소가스를 취급하는 자는 6개월에 1회 이상 작업환경 측정기록을 보전하고 노동관서에 보고하고 고용노동부장관에게 공정 안전보고서를 제출하여야 한다. 또한 작업자의 건강진단을 실시하고 기록을 보고하며, 특수건강진단도 실시하여야 한다.
(5) 10톤 이상(최대)을 저장하거나 연간 450톤 이상의 염소가스를 취급하는 자는 유해화학물질관리법에 따라 유해성에 관한 자료, 방제시설 및 보유현황, 화학
 물질안전관리, 조직인력구성도, 응급조치계획에 포함된 사항을 수립하여 시도지사에게 보고하여야 한다.

제해 및 배액처리
-염소가스의 누설 시 중화제로서 가성소다용액, 소다회용액, 석회유, 소석회가 있는데, 가성소다용액이 적합하며 널리 사용된다.
- 가성소다용액을 수입한 경우에 농도는 45 %인데, 석출, 동결 등의 문제가 있으므로 15∼20 %로 희석하여 사용한다.
-제해장치로서 염소가스가 누출된 경우에 이를 흡수하여 중화 처리할 수 있는 설비가 완비되어야 하며, 만일 염소가 누출되어 일정농도 이상이 되면 누출검지
 기가 검지하여 운전실에 통보되고 자동으로 중화장치가 작동되어야 한다.

     누출검지기는 염소투입실과 저장실 바닥면 둘레에 10 m당 1개 이상 설치하는 것이 바람직하다.
- 중화설비 내의 가성소다 저장탱크에서 수분이 증발하고 가성소다액이 석출되어 배관 밑 펌프의 회전차를 폐쇄하는 경우가 있으므로 정기검사를 하고 물을
  보충해 주어야 한다. 특히 동절기 가성소다가 석출될 우려가 있으므로 히팅 코일 설치로 결정 석출을 방지하고 중화설비는 적정한 실내온도를 유지하도록  한다.
-가성소다용액과 염소가 반응하면 차아염소산나트륨, 소금 및 물이 생성되는데, 차이염소산나트륨은 pH가 높고 염소농도가 높음으로 배액처리는 전문업체에

     위탁 처리함이 바람직하다.

 

바. 염소중독시 응급조치요령
-콧물이 나오는 경우는 바람이 양호한 장소에서 편히 휴식한다. 증상이 심할 때에는 2 %의 중탄산소다로 비강을 씻어낸다.
-눈에 접촉하여 통증이 있을 경우 즉시 다량의 물이나 생리식염수로 소독을 실시한 후(약 30-60분) 살균된 붕대로 감싸고 즉시 의학적인 조치를 취한다.
-증상이 무거운 때는 염소가스가 없는 장소로 옮겨 곧바로 의사를 부른 후 머리와 등을 높게 하고 몸을 따뜻하게 하여 눕힌다

염소가 부착되었던 의류는 곧바로 벗기고 피부에 묻은 염소는 온수로 씻어 낸다.

-호흡이 곤란할 때는 산소흡입을 2분 실시 후 2분 멈춤 등을 30분 이내에 실시한다. 호흡이 멈췄을때는 압박법으로 인공호흡을 한다(단, 1분에 8회 미만으로 실시한다).

출처 : 환경부 정수처리기준 해설서(2013) 내용 발췌 

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차아염소산나트륨 소독시설​

개요

​일반적으로 차아염소산나트륨은 가성소다용액에 염소를 흡수시켜 제조한다. 유효염소농도는 보통 5∼12 % 정도의 담황색 액체이다.

이러한 차아염소산나트륨은 용기에 충전한 것을 탱크로리로 운반하여 저장조에 이송한 후 사용하는 방식과 현장에서 소금을 분해하여 저농도의 안전한 차아염소산나트륨 용액을 생성시켜 주입하는 두 가지 방식이 있다.
염소가스와 동일한 소독효과를 갖는 반면 처리수 주입후 부산물로 형성되는 수산화이온(OH-)의 영향으로 수중의 알카리도, pH를 적절히 유지하고 설비 및 관로
부식을 억제하는 부차적인 효과를 갖는다.
액체염소는 안정성 문제 등 위험성이 있어 다음과 같은 경우에 차아염소산나트륨으로의 전환을 고려할 필요가 있다.

(1) 대지진 발생 가능성이 높은 지역
(2) 정수장 주변의 인구밀도가 높아 염소가스가 누설되면 큰 피해가 예상되는 경우
(3) 액체염소 사용에 동반되는 보안관리를 충분히 실시할 수 없는 상황인 경우


차아염소산나트륨은 염소보다 가격이 비싸지만, 염소에 비해 안전하고 최근 재염소시설이나 소규모 무인정수장과 하수처리장에서 사용되고 있는 추세이다.
본장에서는 주로 현장제조용 차아염소산나트륨에 대해 살펴보기로 한다.

 

특성 

차아염소산나트륨의 성질
시판되는 차아염소산나트륨은 안정제로 가성소다를 추가로 주입하므로 높은 pH(11.2 이상)를 갖는다.

​차아염소산나트륨 용액의 사용에 있어서 가장 큰 문제점은 1주일 이내에 유효염소의 상당부분을 상실한다는 점이다.

용액의 농도가 높고, 온도가 높을수록 품질 저하율이 증가한다. 하절기 12.5 % 용액은 20일 경과하면 유효염소의 약 25 % 상실하게 된다.

보통 10∼15 %인 경우 최대저장기간을 60∼90일로 유지하는 것이 바람직하다. 차아염소산나트륨은 불안정하고 상온에서도 보존 중에 산소를 방출하고 분해되는데 특히, 일광, 자외선, 중금속, 온도상승 및 pH 가 낮아지면 분해를 촉진하게 되므로 주의하여 저장하여야 한다.

반면에 현장에서 설비를 설치하여 생산하는 차아염소산나트륨은 이러한 문제점을 해소할 수 있다.

제조방법
발생원리
시판 차아염소산나트륨 용액은 수산화나트륨용액에 염소를 흡수시켜 제조하는데 유효염소가 5∼12%의 황갈색의 투명한 액체이고 염소와 유사한 특유의 냄새를
갖는다.

                                         Cl2 + 2 NaOH → NaOCl + NaCl + H2O

현장에서 제조하는 차아염소산나트륨의 발생원리는 순도 96 % 이상의 소금과 물(연수기를 거친 물)로 과포화된 소금물을 전기분해하여 생산한다.

                                          NaCl + H2O → NaOCl + H2

차아염소산나트륨이 물에 용해되면 다음과 같이 HOCl이 생성되어 소독효과를 갖게 된다.

                                         NaOCl + H2O → HOCl + NaOH
                                                  HOCl ⇆ H+ + OCl-


 

현장제조형 차아염소산나트륨 발생방식
현장 제조시에는 전기분해할 때 부산물로 수소가스가 발생한다. 수소는 가연성가스로 제조시 팬을 설치하여 옥외로 방출한다.

발생 차아염소산나트륨을 저장조로 이송할 때는 수소의 혼입을 방지하는 장치를 설치한다. 발생방식으로 무격막방식과 격막방식이 있다.

① 무격막방식
전기분해조에 양극판과 음극판이 설치되며 두판 사이를 구분하는 격막이 없다.

공급된 소금물은 전기분해되어 양극(+)에서는 염소가 발생하고 음극(-)에서는 H2 가스와 OH- 이온이 생성된다.

음극측​에서는 Na+ 이온과 OH- 이온으로 수산화나트륨(NaOH)이 생성되고, 양극에서 생산된 염소와 음극에서 생성된 수산화나트륨이 반응하여 NaOCl이 생성된다. 생성된 용액의 유효염소농도는 1 % 전후이다.

② 격막방식
전기분해조의 양극과 음극간에 이온교환막을 설치하여 양극측에 소금물, 음극측에 물을 공급하면 양극에서 염소가 발생하고 Na+ 이온이 교환막을 투과하여
음극으로 이동한다. 음극에서 H2가 발생하며 OH- 이온이 생성된다. 그리고 양극에서 이동해온 Na+ 이온과 OH- 이온 NaOH이 생성된다.

양극의 염소가스와 음극의 NaOH가 반응탑에서 반응하여 차염소산나트륨이 생성된다.
다음 <표 9.3>에서는 차아염소산나트륨과 염소가스의 장단점 등을 비교하였다.

 

주입방식
차아염소산나트륨의 주입방식에는 자연유하방식, 이젝터방식 및 펌프방식이 있다. 소독제의 저농도로 인해 액체염소보다 많은 양을 투입하여야 하며 단위수량에
따른 투입량을 증가로 소독제의 투입관경 및 정량펌프의 용량을 증가시켜야 한다.

자연유하방식
저장조 또는 분배조를 주입점 부근에 설치한다. 주입지점이 다수인 경우에는 각 주입점에 분배조를 설치하고 저장실의 저장조로부터 이송펌프로 각 주입점의
분배조에 이송한다. 분배조는 자연유하로 주입기(전자유량계와 유량조절밸브)에 보내서 주입한다. 구조가 단순하여 주입량의 변동이 적은 소규모 시설에 적합하다.

이젝터방식
이젝터로 압력수를 공급하여 차아염소산나트륨과 희석혼합시킨 후 주입지점에 보내는 방식으로 주입지점에서 혼합효과는 좋다.

이젝터에 공급하는 압력수는 희석혼합에 의한 스케일 생성을 피하기 위하여 가능한 경도가 낮은 물을 사용한다. 압력수의 희석배율은 100배 이상으로 한다. 

 

펌프방식
계량펌프(다이어프램식, 일축편심나사식, 기어식 등)로 주입점에 보내는 방식이며 주입량의 제어범위가 넓다.
단, 펌프 흡입부에 기포가 발생할 수 있으므로 주의하여야 한다.

주입량

차아염소산나트륨의 주입량은 다음 식을 이용해 산출한다.
                     

                   


                             여기서, Vv : 용적주입량(L/h)
                                          Q : 처리수량(㎥/h)
                                          R : 염소주입률(mg/L)
                                          C : 유효염소농도(%)
                                          d : 차아염소산나트륨 비중

 차아염소산나트륨 설비의 운전 유지관리
운전, 저장관리
(1) 염수를 전기분해하여 0.8 %(±0.1 %)의 차아염소산나트륨을 생산하여 주입하므로 생성되는 차아염소산나트륨의 농도를 항상 확인하여 운영하여야 한다.
(2) 염소주입 장소는 염소와 물이 충분하고 균등하게 혼합될 수 있는 곳을 선정하여야 한다. 정수지 유출부, 배수지 유출부, 급수전 등 적당한 위치에서 정기적으로

     잔류염소를 실측하고 균등하게 유지되는 가를 확인하여야 한다.
(3) 저장조는 철판으로 된 탱크내면에 FRP 등의 내식성 재료로 라이닝 또는 코팅을 한 것이나 내식성 재료로 제작된 저장조를 사용한다.
(4) 시판 차아염소산나트륨은 반입시에는 밸브의 개폐 등을 확인하고 계량과 품질검사를 실시하여야 한다.

    특히, 상온에서도 불안정한 물질이므로 유효염소 저하방지에 주의를 기울려야 한다.

유지관리
(1) 차아염소산나트륨은 기포발생, 스케일생성 등으로 주입오차나 무주입사고 등이 발생할 수 있으므로 정기적인 점검을 실시하여야 한다.
(2) 원료염의 저장용량은 용해염수 및 생성 차아염산나트륨을 포함하여 항상 사용량의 10일분 이상이 저장되도록 한다.
(3) 생성된 차아염소산나트륨의 저장조 용량은 항상 사용량의 1일분 이상을 저장 항 수 있도록 하고 어느 정도의 여유량이 확보될 수 있도록 한다.
여유량은 전극의 교환, 청소 등을 고려하여 산출하여 정한다.
(4) 차아염소산나트륨 설비에서 발생한 수소(H2)량이 일정량을 넘으면 산업안전보건법의 규제를 받으므로 관할관청과 협의 후 확인해 두어야 한다.

출처 : 환경부 정수처리기준 해설서(2013) 내용 발췌 

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자외선 소독시설 및 자외선의 파장별 특성

자외선 소독시설


개요
자외선(Ultra Violet)은 태양에서 지구에 도달하는 빛의 일부분으로서 1877년 태양광선에 의한 미생물의 살균이 관찰되어 근래에는 자외선을 여러 가지 용도로

사용하고 있다. 자외선은 자연에 이미 존재하고 있던 것으로 환경문제를 해결할 수 있는 최상의 선택이라 할 수도 있다.

최근에 수질오염에 따른 미생물의 소독 및 유기물의 제거에도 응용되고 있다.
자외선은 가시광선보다 짧은 파장을 갖고 있으며, X 광선보다 긴 파장을 갖으며, 살균소독에 이용되는 자외선은 자외선C로 200∼280 nm의 파장을 가지고 있다. 가시광선에 비해 파장이 짧은 254 nm 영역의 자외선은 보통 유리의 투과도가 상당히 낮고 물속에서도 수질에 따라 투과깊이가 달라지나, 일반적으로 10 cm 정도

이내밖에 되지 않는 특성을 가지고 있다.
역사적으로 볼 때 자외선은 여객선에서 정수처리 목적으로 이용되어 왔으나, 대중적인 음용수 처리를 위한 정수처리공정에는 활발히 적용하지 못하였는데 이는

소독 후에 잔류성이 없기 때문이다.
자외선에 의한 음용수 소독은 염소소독에 강한 내성을 갖는 크립토스포리디움과 같은 원생동물을 불활성화시키는 능력이 뛰어나 많은 주목을 받고 있다.

특성

 

자외선의 파장별 특성
(1) 자외선 A(320∼400 nm, Black Light)
     Black Light라고도 하며 실내에서 Suntanning을 하거나 푸른 조명을 할 때 사용한다.
(2) 자외선 B(280∼320 nm, Dormo Light)
     Dormo선(건강선)이라고 부르며 비타민 D를 형성하거나 피부에 홍반작용을 일으킨다.
(3) 자외선 C(200∼280 nm, Germicidal Light)
     살균(Germicidal)선이라고 하며 DNA와 단백질 그리고 오존이 잘 흡수하는 파장이다.

     따라서 오존을 잘 분해하기 때문에 UV/Ozone AOP 공정이 응용되거나 오존파괴용 또는 소독용으로 사용되고 있다.

(4) 진공자외선(1∼200 nm, Vacuum Ultraviolet Light)
     진공자외선은 파장이 너무 짧아 흡수성이 높고 투과력이 매우 낮다. 특히, 185 nm의 파장은 산소를 오존으로 바꾸는 성질이 있기 때문에 저농도 오존을 발생
시킬 때 사용이 되며, 반도체산업에서는 초순수공정에서 미량의 유기물질(TOC)을 제거하는데 응용되기도 한다.

 

자외선의 소독원리
자외선의 소독원리는 주파장이 253.7 nm인 자외선이 박테리아나 바이러스의 핵산에 흡수되어 핵산의 화학변화를 일으킴으로써 핵산의 회복기능이 상실되는데

있다. 따라서 자외선 소독의 의미는 253.7 nm의 자외선을 발생시켜 수중에 함유되어 있는 미생물에 직접 조사하여 유전자의 특성에 변형을 초래하여 번식을막거나 미생물의 세포막을 통과하여 DNA를 손상시켜 살균하는 방법이다.

 

자외선의 소독효과
자외선에 의한 살균은 DNA에 대한 광산화효과이며 비활성화(Inactivation)라고 한다.

반면, 자외선에 의해 비활성화된 미생물이 빛에 노출되면 다시 활성화되는 것을, 구체적으로 설명하면 DNA 내부에 있는 효소(Enzyme)가 빛을 받으며 손상된DNA를 복구하여 미생물이 활성화되는데 이를 광회복 효과라 한다.
이러한 이유로 살균에 자외선 사용을 꺼리는 경우가 있는데, 미생물별 자외선 조사량을 알면 별 문제가 되지 않으며 그보다도 자외선 조사량을 항상 동일한 조건
으로 유지할 수 있는 것이 중요하다.
자외선으로 소독 또는 산화시킬 때 일정한 수준의 에너지를 연속적으로 피조사체에 조사하여야 하는데, 조사량이 영향을 미치는 것은 투과력과 온도이다.

자외선은 파장이 매우 짧기 때문에 투과력이 제한된다. 또한 물질에 따라 선택적으로 투과하기 때문에 사용재료에 따라 성공여부가 결정된다.

먼지에 의한 자외선의 흡수와 산란 때문에 실제로 깨끗한 물보다 공기가 투과력이 낮을 수 있다.

그리고 주변온도가 너무 높거나 낮으면 조사량이 감소하는데 표준램프를 사용한다면 설계 시 고려하여야 한다.

 

유기물의 제거효과
유기물의 광분해 제거속도는 유기물이 자외선 에너지를 흡수하는 흡수성 및 분해수율 등이 주 변수로 작용한다.

따라서 자외선을 흡수하는 흡수성, 즉 몰흡광계수가 크고 광분해수율이 클수록 분해가 효과적이다.

 

3.3 자외선의 적용 

가. 자외선 소독공정 현황
과거 하수처리장에서 주로 염소소독을 사용하였으나 잔류염소에 대한 생태계의 영향 및 소독부산물의 생성으로 인해 최근에는 염소 대체공정으로 자외선 소독을
사용하고 있다. 미국 EPA에서는 원생동물을 소독하기 위해 자외선 소독방법을 제시하고 있다. 국내에서도 원생동물에 대한 규제가 강화될 경우 기존의 염소소독만으로 한계가 있어 대체소독제로 적용성이 크게 될 것이며, 자외선의 적용분야는 다음과 같다.

(1) 미생물학적으로 양질의 기준을 만족시키기 위한 음용수 소독
(2) 화장품, 의약품 등의 제조용수 소독
(3) 수영장, 수족관, 양어장 등의 순환수 및 방류수 소독
(4) 건물에 있는 바이러스와 박테리아의 확산을 막기 위한 공기 냉각수 소독
(5) 도시하수, 폐수 및 공업폐수의 소독

자외선 살균이 각광을 받기 시작한 것은 부산물이 발생되지 않기 때문이다. 자외선 살균은 멸균과 개념적 차이가 있다.

따라서 몇 %의 효과가 있는지를 나타내는 데는 보통 99.99 %의 살균을 목표로 하며, 이때 광회복 효과를 고려하여 자외선 조사량을 40,000 μW․s/㎠ 로 한다.

음용수 살균
과거에는 생수공장을 중심으로 자외선 살균기를 사용하였으나 최근 소비수준의 향상으로 아파트와 같은 집단주거시설 및 집단급수시설(식당, 휴양시설, 교육
시설 등)에도 사용되고 있다. 가정용정수기에도 소형 자외선 살균기를 사용하고 있다.

하・폐수
최종 방류되는 하폐수는 미생물을 살균 처리하여 방류하도록 규정되어 있다. 과거에는 염소 등 화학적 처리방법을 사용하였으나, 부산물의 생태계 교란발생등
으로 자외선과 같은 대체 살균제의 사용을 권장하고 있다.

출처 : 환경부 정수처리기준 해설서(2013) 내용 발췌 

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자외선 소독시설

운전 및 유지관리

일반사항
(1) 피부와 눈이 자외선램프의 자외선에 노출되지 않도록 하다.
(2) 수로 위의 자외선 빛을 막기 위한 커버를 설치하고 항상 커버를 덮어 둔다.
(3) 현장조건을 technical data에 맞추도록 한다.
(4) 빈번한 on/off 또는 자외선 램프의 과열(Dry-run)은 램프의 수명과 자외선 방출효율을 감소시키고 필라멘트소손의 원인이 된다.
(5) 수로의 동결은 고장의 원인이 되므로 동결방지를 위해 보온하여야 한다.
(6) 항상 수중에서 자외선 램프를 운전하기 위해서는 수위를 정확하게 유지한다.

점검사항
(1) 제어전원 및 시스템 점검
(2) 전자식 안정기 점검
(3) 자외선 램프, 석영슬리브, 자외선강도센서, 세척시스템 등의 수명을 고려한 정기적인 점검

유지관리
(1) 자외선 램프관리 및 교체
(2) 와이퍼 링 교체
(3) 전자식 안정기 교체
(4) UV모듈의 물리적 세척
(5) UV모듈의 화학적 세척

다음은 환경부에서 2011년 고시했던(2012.9. 폐지) 「정수처리기준 등에 관한 규정」에서 자외선 소독시설의 유지관리 규정을 발췌하였다.

출처 : 환경부 정수처리기준 해설서(2013) 내용 발췌 

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오존 소독시설

개요

​1783년 Van Marum에 의해 발견된 오존(Ozone)은 다른 소독제에 비해 강력한 산화력이 있어 응집 효율 증대 및 난분해성 유기물의 분해가 가능하고 살균, 탈색및 탈취 등에 매우 효과적이며, 페놀, ABS등 기존 수처리공정에서 제거가 곤란한 물질들에 대한 탁월한 제거효과로 적용성이 대단히 넓어 현재 프랑스를 비롯한유럽지역은 물론 미국을 포함한 북미에서도 빠른 속도로 오존처리공정 도입을 추진하고 있고 국내에서도 많은 정수장에서 도입하여 운영하고 있다.
따라서 상수원수의 오염 심화와 오염물질의 다양화 추세, 먹는물 수질기준 강화, 기존 살균소독 방법인 염소처리과정에서 발생하는 유해성 소독부산물(Disinfec
tion By-Products, DBPs) 문제 등 복합적인 수질문제에 대응하는 방안으로 오존처리공정의 이용이 급격히 늘고 있다.

오존처리는 오존의 강력한 산화력을 이용하여 원수 중에 있는 미량 유기물질의 성상을 변화시킨 후, 활성탄에 흡착시켜 제거하는 방법으로 활용할 수 있으며, THM전구물질이나 맛・냄새물질의 제거에 효과적이다.

또한 오존은 살균효과가 우수하여 소량의 접촉에 의해서도 대부분의 세균을 사멸시키며, 염소 살균과는 달리 THM 등의 유기염소계 화합물을 생성시키지 않아대체 살균제로서 많이 고려되고 있다.​

 

특성

 오존의 물리적 특성

​오존은 불소(F2) 다음으로 강력한 산화제로서 수처리에서 원수 중에 존재하는 박테리아와 바이러스 및 다른 물질과의 반응으로 세포막을 파괴시킴으로써 매우유효하게 사멸시킬 수 있다.

분자구조와 전자구조
오존은 산소원자가 3개 결합하여 생긴 분자 O3로 그 주요 물리적, 화학적 성질은 높은 생성에너지에 유래한다.

오존분자는 동일 3원자 분자인 탄산가스와 같은 직선상 구조와는 달리 물이나 아황산가스와 같은 구조로 <그림 9.5>와 같이 결합각이 116°50′± 30′, 원자간 간격이1.278±0.003 A이다.

물리적 성질
오존은 수용액에서는 불안정하여 비교적 단시간에 분해되며, 20 ℃일 때 30분 미만의 반감기를 갖는다.

오존의 분해속도는 오존의 농도, 불순물의 존재여부, 압력 및 pH에 영향을 받으며, pH가 높으면 분해속도가 빨라는데, pH에 영향을 크게 받는 것은 수산화기(OH-)에 의해 오존이 스스로 분해할 수 있는 특성을 가지기 때문이다.

기체상태의 오존은 미청색, 액체는 흑청색, 고체는 암자색을 띠며 특이한 냄새를 갖는다.

대기 중에 0.01∼0.1 ppm 농도에서도 냄새를 느낄 수 있다. <표9.6>에서는 오존의 물리적 성질을 나타내었다.

(3) 오존의 광분해
자외∼가시영역의 빛에 의한 오존의 분해는 그 과정에서 활성 화학종을 생성하며 이것을 이용하여 오존의 반응성을 향상시킬 수 있으므로 중요하다.

오존의 수처리 효과
오존은 각종 병원균의 사멸, 바이러스(Virus)의 불활성화, 산화 및 후처리공정을 효율적으로 수행하기 위한 목적으로 이용되어 왔으며, 소독이나 산화제로의 오존
이용은 많이 연구되어 왔다. 이때 분자가 큰 오염물질(예 : Humic Substances)도 오존에 의해 산화될 수 있으며, 소독부산물의 전구물질을 산화시켜 염소소독부산물의 생성을 최소화시킬 수 있다.
입상활성탄이나 모래여과 전에 오존처리를 실시하면 산화반응의 결과, 일부는 생물학적으로 분해 가능한 물질로 변경되어 생물학적으로 활성화될 수 있다.

오존이 최초로 정수처리에 이용된 때는 소독이 주목적이었다. 그러나 오존은 강력한 산화력으로 인해 살균은 물론 각종 유기물 및 무기물의 산화분해 및 응집효과의 증진 등 수처리 효과에 대한 연구가 꾸준히 진행되어 지금은 다양하게 수처리 목적으로 이용 되고 있는데, 현재 정수처리 분야에서 오존을 이용하는 대표적인목적은 다음과 같다.

(1) 소독 및 조류(algae) 제거

(2) 무기물질의 산화
     ① 철(Fe) 및 망간(Mn)의 산화
     ② 질소(N) 및 황화합물의 산화

(3) 유기물질의 산화
     ① 맛, 냄새 유발물질 산화
     ② 페놀화합물 산화
     ③ 농약(살충제) 제거
     ④ 색도 유발물질 제거
     ⑤ THMFP(트리할로메탄생성능), TOXFP(총유기할로겐화합물생성능) 및 염소요구량 감소
     ⑥ 유기물질의 생물분해 능력 증대


(4) 응집능력 향상

출처 : 환경부 정수처리기준 해설서(2013) 내용 발췌 

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오존의 장단점 및 오존처리공정

특성

 

오존의 장단점

 

 

오존처리공정

오존공정의 적용
오존처리장치는 가스주입장치, 오존발생기, 오존접촉조, 배가스 파괴장치의 4가지로 구성된다.
가스주입장치는 오존발생기로 깨끗하고 건조한 산소를 공급하여준다. 오존접촉조는 처리해야 할 물에 오존을 전달하고 소독이나 기타 반응에 필요한 접촉시간을

제공해 준다. 또한 오존처리공정에서 분해되지 않고 남아 있는 잔류오존이 공기 중에 배출되면 오존의 독성으로 악영향을 유발할 수 있으므로 반드시 배가스를

파괴할 필요가 있다.
오존은 주입목적에 따라 전오존, 중오존, 후오존으로 구분한다.

다음 <그림 9.6>은 일반적인 오존 주입지점 및 공정도로서 처리목적에 따라 주입지점을 변경하게 된다.

 

 

 

오존주입율
오존주입율은 대상물질의 선정, Pilot plant 시험결과에 따라 결정되어지나 전오존 주입율은 하천수, 호소수에 따라 다르며, 조류(Algae), 철, 망간의 농도가 높으면

주입율은 증가한다. 국내에서는 통상적으로 1∼2 ppm 정도이며 후오존 주입율은 2∼3 ppm 범위이다.


다. 오존접촉시간
오존접촉시간은 오존접촉조에서 제거대상물질과 반응이 완료된 후 가수분해되어 소멸되는 시간을 포함한다.

전오존 접촉시간은 원수의 수질에 따라 차이는 있으나, 3분 이내를 권장하고 있으며, 후오존은 10∼15분 이내로 설계를 한다.

 

 

운전유지관리
오존처리설비의 운전시에는 오존발생기를 비롯하여 관련기기를 안전하고 유효하게 조작하는 것은 당연한데 주입한 오존화 공기의 수지동향을 파악하면서 운전관리하는 것이 처리효과를 한층 높이는 동시에 운전경비의 경감을 도모하기 위해서 중요하다.
즉, 주입된 오존화 공기는 수처리과정에서 대부분이 처리수에 용해된 후 피산화물과 반응하여 수질개선에 기여한다.

그러나 오존화 공기를 과잉 주입했을 때, 물에 충분히 용해되지 못하고 반응조의 상부로부터 대기에 방출되어 광화학 스모그의 한 원인이 되므로 다시 산소에 환원시키기 위한 배기오존처리를 필요로 한다. 또한, 배기오존농도는 오존흡수효율과 밀접한 관계가 있고 배기오존농도와 오존흡수효율을 측정함으로서 수질변동이나오존 반응조에서의 기액접촉 효율과 변화를 빨리 알 수 있다.

더욱이, 물에 용해된 오존, 즉, 잔류오존농도를 측정함으로서 오존농도를 확인하고 주입오존량의 제어를 정확하게 할 수 있다.
따라서 오존처리설비설계시나 운전관리를 할 때에도 이런 동향이나 특성을 정확하게 파악하는 것이 중요하다.
오존처리장치는 크게 나누어 ① 공기원 장치, ② 오존발생기, ③ 오존반응조, ④ 배기 오존처리장치로 구성되는데 이들 기기 유지관리의 양호성 여부는 오존처리효율과 유지관리경비에 큰 영향을 준다.
오존처리설비의 운전은 전력의 소비를 동반하기 때문에 계속해서 수질개선 효과를 확인하면서 주입농도를 제어하고 필요 이상의 주입은 피해야 한다.


오존처리장치의 유지관리

오존발생장치에서 생성된 오존농도에 영향은 ① 오존발생기에의 투입전력(인가전압과 주파수), ② 오존발생기에의 냉각수온, ③ 원료공기량, ④ 원료공기의 성분(산소 또는 공기, 습도, 불순물 등), ⑤ 원료 공기압력 등에 따라 다르다.

공기를 원료로 하여 오존을 발생시키는 경우, 소량의 N2O5와 NO2가 생성된다.

N2O5는 생성오존에 대해 몰비로 1 % 정도인데, 습기를 포함하는 공기를 이용하면 N2O5의 생성비율이 높아지며, 수증기와 결합하여 질산이 되고 금속재료를부식시키거나 수중의 질소화합물을 증가시키는 원인이 된다.

이 때문에 오존발생기에 공급되는 공기는 ① 이슬점 -50 ℃ 이하, ② 오존화 공기온도 35 ℃ 이하 ③ 유기물이나 불순물을 포함하지 않을 것 등의 조건이 필요하며,특히 공기원장치의 유지관리는 이 조건을 만족해야 한다.


공기원 장치
공기원 장치에는 크게 나누어 2가지 타입이 있다.

즉, 공기공급원에 공기압축기를 이용하여 제습장치(공기건조장치)에 압력재생방식을 이용하는 타입과, 공기공급원에 블로어를 이용하여 제습장치(공기건조장치)에 열재생방식을 이용하는 타입이 있다.

오존발생기
오존의 발생방법은 각종 방법이 시도되어 왔는데, 일반적으로 가장 많이 사용되고 있는 것은 무성방전방식이다.

오존발생기의 몸체는 접지측 전극으로서 스테인레스관과 특수유리제 유전체를 내장하고 있고, 유전체는 관모양이며 그 내측은 고압측 전극으로서 금속이 코팅

되어 있다. 또한, 고압측 전극은 급전용 블러시 및 유전체 보호 휴즈를 통해 고압부싱에 접속되고, 이 유전체와 스테인레스관간의 공극에서 방전을 일으켜 원료로

하는 공기가 여기를 통과하면 오존화 공기가 된다. 방전에 의해 발생한 열은 기기 내를 흐르는 냉각수에 의해 냉각된다.

특히, 운전 중은 방전상태를 관찰하고 방전 얼룩, 불꽃 방전의 유무 등을 점검하여 변압기 오일의 온도상승, 발생 오존농도의 그 변동에 주의한다.


오존반응조
오존발생기로 발생시킨 오존화 공기를 반응조에 유도하여 산기에 의한 기액향류접촉방식으로 정유량 자동조절밸브, 유량계, 산기관 및 이들을 접속한 배관으로

구성된다. 오존화 공기의 흐름은 오존발생기로부터 토출된 오존화 공기가 분배조절기구에 유도되어 주입기관에 분기된 후 정유량자동조절밸브에 들어가 주입량을

균등 분배하고, 반응조중의 산기관에 유도되어 산기된다. 또한, 주입량의 확인은 각 기관에 부착된 유량계로 확인한다.

 

배기오존처리장치
오존반응조에서 미반응 배기오존을 산소로 분산처리하여 대기에 환원시키는 장치이다. 현재까지 실용화되어 있는 장치로서 연소방법, 활성탄처리방법, 약액세정

방법, 촉매방법 등이 있다. 이들의 유지관리에 대해서는 선택하는 방법에 따라 다르기 때문에 취급설명서에 따라 관리한다.

 

 

출처 : 환경부 정수처리기준 해설서(2013) 내용 발췌 

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혼합산화제와 차아염소산나트륨 발생기와의 차이점


기타
 소독시설

​정수처리공정에서 소독제로 염소, 차아염소산나트륨, 자외선, 오존에 대해 고찰하였으며, 본 장에서는 기타 소독제로 사용되고 있는 혼합산화제, 이산화염소에대해 알아보기로 한다.

혼합산화제

최근에 혼합산화제(MIOX, Mixed Oxidant의 약자)가 일부 정수장, 수영장 등에서 소독을 목적으로 사용이 되고 있는데, 염소소독의 가장 큰 문제점인 염소냄새와맛의 문제를 해결하고 THM 등 소독부산물의 감소가 가능하다고 알려져 있다.

현재 국내 정수장에서 수돗물 병물제조 공장의 소독공정에 많이 도입하고 있어 본 제품의 특성 및 적용성에 대해 고찰해 보고자 한다.

제품의 특징

​(1) 소금물을 전기분해해서 현장에서 생산하기 때문에 액체 염소를 운반하거나 저장시의 위험성을 해소할 수 있다.​

(2) 액체 염소보다 살균력이 우수하다.
(3) 물에서 소독약 냄새가 나지 않는다.(물맛 개선 효과)
(4) 오랜 잔류 염소 효과가 있다.

제품내용
소금을 브라인 탱크에 투입한 후, 연수기를 통과한 물을 탱크에 주입하여 포화소금물을 만든 후, 그 소금물을 전기분해셀에 공급하여 전기분해를 한 후, 양극과
음극으로 따로따로 차아염소산과 이산화염소 및 오존을 생산하여 산화제 탱크에 저장하여 필요한 양 만큼을 물에 투입하여 살균 소독하는 시스템이다.
또한 자동제어 할 수 있기 때문에 잔류염소량을 일정하게 유지할 수 있으며 뛰어난 잔류성으로 관말에서의 잔류염소량도 확실하게 유지시킨다.

또한 물에서 소독약 냄새가 나지 않기 때문에 민들에게 수돗물에 대한 거부감을 없앨 수 있을 뿐만 아니라, 정수지나 배수지 인근에 사는 시민들의 소독약 냄새에대한 민원도 동시에 해결할 수 있다. ​

 

MIOX의 장단점 비교 등
다음은 MIOX의 장단점과 기존에 사용하고 있는 차아염소산나트륨과의 차이점을 비교분석하였다.

혼합산화제와 차아염소산나트륨 발생기와의 차이점
혼합산화제 발생기와 차아염소산 나트륨 발생기는 소금물을 전기분해 한다는 점 때문에 같은 것이라고 생각하나 두 발생기는 소금물을 전기분해 한다는 점만 같을
뿐 셀의 구조나 화학반응 및 수처리 효과는 차이가 난다.​

출처 : 환경부 정수처리기준 해설서(2013) 내용 발췌 

 

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이산화염소의 적용 및 특징

기타 소독시설

​정수처리공정에서 소독제로 염소, 차아염소산나트륨, 자외선, 오존에 대해 고찰하였으며, 본 장에서는 기타 소독제로 사용되고 있는 혼합산화제, 이산화염소에대해 알아보기로 한다.

이산화염소

이산화염소는 1811년 Davy에 의해 발견되었는데 최초로 정수처리에 이산화염소를 적용한 보고는 1944년 뉴욕주의 나이아가라 폭포 정수처리장이며, 이후 여러정수장에서 소독제 또는 산화제로 사용하기 시작하였다.


특징
정수처리에 사용하는 이산화염소는 염소와 아염소산나트륨을 혼합시키는 산화과정을 이용하여 생성시킨다.

               2 NaClO2 + Cl2 → 2 ClO2 + 2 NaCl

이산화염소는 수중에서 THM을 생성하지 않으며, 암모니아와 반응하여 클로라민을 만들지 않으므로 소독제로 사용되어 왔다.

이산화염소는 압축가스로 저장이 되지 않기 때문에 현장에서 발생하여 사용하여야 한다. THM 생성을 줄이기 위해서 이산화염소를 전처리로 사용하고 잔류염소를유지하기 위하여 후처리로 염소를 투입한다. 이산화염소는 알카리조건에서 다음과 같이 불균형이 이루어져 아염소산이온(ClO2-)이나 염소산이온(ClO3-)을 1:1의몰비로 생성시킨다.

             2 ClO2 + 2 OH- → H2O + ClO2- + ClO3-


이러한 반응속도는 이산화염소의 농도가 높거나 pH가 9 이상의 값을 갖는 경우에 빠르게 진행된다.
농도가 5∼10 mg/L인 이산화염소는 pH 12에서 20분∼3시간의 반감기를 갖는다. 따라서 이산화염소를 몇 시간씩 보관하여 두는 것은 현실적이지 못하다.
이산화염소는 음용수에서 곰팡이 냄새와 맛, 흙냄새, 비린내 맛의 제거에 효과적인 것으로 알려져 있다.

수중의 부패물질과 반응하면 총염소계유기화합물(TOX)이 발생한다.

이산화염소의 적용

-박테리아, 바이러스, 원생동물의 소독효과 등
이산화염소의 살균효과는 1940년대부터 알려졌다. 1∼5 mg/L의 농도에서 현탁물이 존재하는 경우에도 E.Coli와 바이러스의 소독에 효과적이지만 유기물이 많은경우에 소독효과가 감소한다. 그러나 염소와 비교할 때 유기물이 많고 pH가 높은 경우에는 이산화염소가 염소보다 우수한 소독효과를 보인다.

이산화염소는 염소와 클로라민보다 바이러스, 크립토스포리디움, 지아디아 등과 같은 병원성 미생물에 대하여 더욱 효과적이다.
철, 망간, 황 등을 산화시키며, 페놀화합물, 조류 또는 썩은 식물 등에서 유발되는 맛・냄새를 제어할 수 있고 적절한 소독공정 하에서 halogen-substituted DBPs가 생성되지 않는 장점이 있다. 또한 이산화염소를 쉽게 제조할 수 있으며 pH의 영향을 받지 않고 잔류효과가 있다.


사용상의 주의점
이산화염소는 가스를 액화하여 사용할 경우 폭발의 위험성이 높기 때문에 현장에서 직접 제조하여 사용하여야 한다.

또한 제조공정 중에 부산물로 아염소산이온(Chlorite, ClO2-)과 염소산이온(Chlorate, ClO3-)이 생성되므로 최소화시켜야 한다.

과다한 이산화염소의 주입은 인체에 유해한 것으로 알려져 있다. 또한 Sodium chlorite가 비싸며 이산화염소는 빛에 노출되면 분해된다.

또한 이산화염소가 일부 시스템에서 유독한 냄새를 유발할 수 있다.

국내에서 적용성
국내에서 THM 검출의 계기로 염소소독과정에서 이산화염소와 병행 처리하는 것에서 시작하였다.
당시에 이산화염소에 대한 정확한 인식이나 연구의 부족으로 부적절하게 사용되어온 것도 사실이다.

또한 이산화염소를 주입한 수돗물에서 냄새발생으로 민원을 호소하기도 하였으며, 국내에 이용된 안정화 이산화염소는 부산물로 생성되는 아염소산이온이나 염소산이온과 같은 물질이 함유되는 등의 문제점이 도출되어 사용하는 정수장은 급격히 줄어든 실정이다.

출처 : 환경부 정수처리기준 해설서(2013) 내용 발췌 

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수치해석과 CFD(Computational fluid dynamics)의 개요

수치해석의 정의
유체를 포함하는 하나의 시스템에서 유체의 흐름, 열전달 등과 같은 현상들을 수학적으로 풀기 어려운 비선형 방정식들의 근사해를 구하는 방법이다.

이러한 수치적 근사해와 이론적 해석해와 비교해 보면,근본적인 차이점은 후자가 전 영역의 유동을 단일함수로 근사하는 것에 비하여 전자는 국소적으로 각각다른 함수로 근사하게 된다. 따라서 낮은 차수의 다항식을 사용하여 높을 정확도를 얻을 수 있다는 장점을 갖게 된다.

비록 근사해가 오차를 갖는다는 단점을 갖지만 적당한 해석기법 및 이산화 기법, 격자생성기법을 사용하여 충분한 정확도를 얻을 수 있게 된다.

수치해석의 목적


구조물의 설계 시 전통적인 설계방식 및 이론을 이용하여 설계되었는바 구조물의 형상변화에 따른 수리학적 특성이 최적의 상태로 고려되지 않았다.

정수장의 수리학적 특성을 검토할 수 있는 효율적인 방법이 없었기 때문에 정수품질이 수리학적 특성에 따라 매우 큰 영향을 받음에도 불구하고 간단한 수식을통한 설계방식을 유지해왔다. 하지만, 최근 컴퓨터의 발달에 힘입어 3차원 수치해석이 정수장 설계에 적용되기 시작하였고, 이것이 수리학적 특성의 파악 및

정수장 효율향상에 효과가 크고, 비용 및 소요시간에서 수리모형실험 보다 효율적이다.

정수공정의 화학적 처리 과정들도 수리적 흐름과 긴밀히 연관되어 있으므로 3차원 수치해석을 통하여 주요 정수장 구조물의 수리학적 특성을 최적화하고 이를통하여 정수품질을 향상시키는데 그 목적이 있다.

수치해석의 필요성


수리모형실험과 비교하면 수치해석의 경우가 일반적으로 개발에 소요되는 기간이 짧고 소요비용도 적게 든다.

한편, 신뢰성에 있어서는 수리모형실험 쪽이 높다고 생각될 수 있으나, 이는 대개의 경우가 모델 실험으로 실제유동으로의 재현 및 실물 크기에로의 환산에 문제가

따르며, 또한 데이터를 수집하는 과정에서의 계측오차와 비정상 3차원 유동에서의 그 전모를 충분히 파악해 낼 수 없다는 난점이 있다.

그러나 수치해석은 수리모형실험이 어려운 다양한 해석대상에 대하여 적용할 수 있다는 장점을 갖게 된다.

 

수치해석 프로그램의 설명


수치해석 프로그램은 해석모델작성, 격자생성, 해석수행, 결과작성 등으로 나누어 볼 수 있다.
Water-CFD v1.0 등의 경우 해석모델작성은 프로그램내 모델링을 사용하여 2차원 평면 스케치를 작성하고 이를 이용하여 3차원 모델을 생성할 수 있는 기능이
내장되어있다. 또한, 기존 3차원 모델링 프로그램의 경우 기능 메뉴가 많아 초보자들이 쓰기에 어려움이 많기 때문에 본 프로그램에서는 정수장 구조물 작성에필요한 기능만 추가하여 초보자들도 쉽게 사용할 수 있도록 구성하였다.

해석모델을 작성한 후에는 PC를 이용하여 해석을 할 수 있게 해석격자를 생성 작업을 수행해야 한다. 해석 격자는 보통 사면체, 육면체, 다면체 격자가 있으나,본 프로그램에서는 형상 표현에 큰 제약이 없는 사면체 격자를 사용하여 초보자들도 쉽게 생성할 수 있도록 구성하였다.

해석격자가 완성이 된 후에는 해석수행을 통해 계산을 진행하게 되며 계산이 완료된 후에 프로그램 내 결과 보기 프로그램을 이용하여 2차 및 3차원 해석 결과 임의의 위치에서의 결과 값 도출이 가능하다.

또한, 해석결과를 토대로 자동으로 보고서를 생성하여 초보자들도 쉽게 수치해석 결과 보고서를 만들 수 있도록 구성하였다.


CFD 해석(전산 유체역학 혹은 수치 유체역학)


CT 방법은 너무 보수적으로 소독능을 산정시에 문제가 있어, Integrated Disinfection Design Frame(IDDF)가 개발되기도 하였다.

그러나 CT 방법과 IDDF 방법 모두 소독능의 수리학적 거동을 평가 할 때 체류시간 분포 곡선만을 고려한다.

체류시간 분포 곡선은 해당 조 내에서 수리학적 거동을 나타낼 때 매우 유용한 정보이지만, 부분적인 수리학적 효율을 제시하지 못하는 문제가 있다.

따라서 진보된 전산유체역학(CFD) 모델을 적용하여 소독능을 평가하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재의 소독능 연구는 소독능을 정확하게 파악하는데 주 관심이 있으며, 해당 소독능에서 소독능을 어떻게 증가시킬 수 있는지 방법에 대한 연구는 부족하다.

소독능에 영향을 미치는 여라 가지 요소들 중 수리학적 특성이 일반적으로 가장 중요하다.
기존의 풍동실험 등을 컴퓨터로 대신 하는 실험으로 사용분야는 광범위하여 항공, 자동차, 토목 등 유체가 사용되는 모든 부분에 적용된다.

CFD 계산은 지배 방정식으로 미분 방정식을 풀어야 하는데, 여러 경우 직접 풀어내지 못하고 선형화 하게 되며, 비선형의 경우 근사 해를 찾는 여러가지 이론 등의

방정식을 이용하나, 모든 구간을 동시에 진행할 경우 지배 방정식 자체가 너무 어렵고 방정식을 푼다고 해도 오차가 크기 때문에 작게 나누어 계산하여야 한다.
작게 나누는 방법 중 FDM(Finite Defference Methode : 유한 차분법)을 가장 많이 사용한다.

이는 미분 방정식을 풀어내는 수학적 기법으로 편미분 방정식을 차분방정식으로 근사화 시켜서 계산한다.

른 방법으로는 FVM(Finite Volume Methode : 유한 체적법) 등이 있다. 전반적으로 CFD 해석은 일정 교육과 경험 등을 바탕으로 해석하여야 한다.

CFD는 어떤 문제를 풀기 위해 지배 방정식을 근사화해서 풀어내는 도구로 상황에 따라 그 방정식의 수량이 워낙에 많기 때문에 사람이 풀지 않고, 컴퓨터로 분석

하는 것이며 계산할 수 있어야 컴퓨터로 가능하기 때문에 어떤 방정식으로 계산할 것인가가 중요하다.

또한 유체의 경우 고체와 달라 비선형의 영역이 많기 때문에 어떤 방법을 취해서 계산할 것인지는 이론과 경험이 적절히 조합되어야 한다.​

출처 : 환경부 정수처리기준 해설서(2013) 내용 발췌 

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고도처리공정의 필요성

서론

각 지자체 상하수도사업소에는 보다 안전하고 깨끗한 수돗물을 공급한다는 목표로 부단히 노력하고 있으나 시민들이 수돗물에 대한 신뢰도는 상당히 낮은 현실

이다. 이렇게 수돗물을 불신하는 주요 원인은 수돗물에서 나는 염소냄새를 비롯한 냄새와 이상한 맛일 것이다.  실제 각 사업소에 접수된 수돗물수질민원중에서

냄새·맛 관련 민원은 44.5%를 차지하였다.

민원이 발생된 원인을 구분하면 첫째 수돗물에서 소독 냄새가 심하게 난다는 민원으로 이는 대부분 음식점등에서 부적절한 고무호수 사용(수도용이 아닌)으로

인한 냄새를 소독약품냄새로 오인하는 경우이며, 둘째 수돗물에서 흙냄새와 곰팡이 냄새가 난다는 민원으로 이는 여름철에 가뭄 및 고온으로 인해 상수원에 조류

가 이상성장함에 따라 냄새가 유발되는 현상이다.

이중에서 고무호수 사용으로 인한 문제는 문제호스를 제거함으로써 쉽게 해결할 수 있으나 조류로 인한 냄새는 고도처리공정을 도입하지 않는 이상 지속적으로생길 수 밖 에 없다

 

고도처리공정의 필요성

국내 수도분야에서 지속적인 고도정수처리 정수장의 필요성은 다음 4가지로 정리할 수 있다.

깨끗하고 안전한 수돗물에 대한 요구가 증대

주민에게 깨끗하고 안전한 물을 공급하는 것은 국가와 지자체의 주요한 임무이다.

상수처리는 수 천년 전부터 이루어져 왔으나 현대적인 정수처리기법이 개발 적용된 것은 약 100년 전이다.

당시 응집, 침전, 소독 등 현재까지 일반적으로 사용되고 있는 정수처리공정이 개발·적용된 이후로 산업화 등으로 인한 수질오염의 진행되어 기존의 일반적인정수처리방식으로는 깨끗하고 안전한 수돗물 생산 및 공급이 한계에 부딪히게 되었다.

따라서 일본, 미국, 유럽등 여러 국가에서는 일반적인 정수처리 공정보다 더욱 진일보된 다양한 고도정수처리공정의 도입이 수십 년 전부터 이루어지고 있다.

특히 유럽등지에서는 오존이나 활성탄공정과 같은 고도정수처리공정은 정수처리의 기본적인 공정으로 인식되고 있다.

표준식 정수처리공정의 처리한계 극복

표준식 정수처리공정은 응집, 침전, 여과(모래여과), 소독 등의 공정으로 구성되는데 이러한 공정들로 구성된 정수시스템은 물 속의 탁도, , 망간, 일반세균,대장균등의 제거효과가 있다. 그러나 표준식 정수처리공정으로 색도, 암모니아성 질소, 음이온계면활성제, , 냄새, 소독부산물 전구물질과 소독부산물, 산업

폐수나 농약 등에 의한 각종 미량유해물질의 제거효과는 거의 없거나 충분하지 못하다.

표준식 정수처리공정을 갖추고 있는 66개 정수장을 대상으로 한 일본의 자료에 따르면 일반세균, 색도, 탁도, 음이온계면활성제, , 냄새, 과망산간칼륨소비량,암모니아성질소에 대한 평균제거율은 각각 100%, 99.7%, 99.7%, 25.5%, 87.6%, 74.7%, 100%로 나타나고 있다.

즉 표준식 정수처리공정은 음이온계면활성제, 맛과 냄새, 과망간산칼륨소비량의 제거에 효과적이지 못한 것으로 나타나 있다.

(일본수도협회, 고도정수처리 가이드라인, 1997) 암모니아성 질소가 100% 제거가 된 이유는 파괴점염소처리법에 의한 결과로 보여진다.

 

 

                                   

표1. 일본의 일반적인 정수처리공정에 의한 제거율(일본수도협회, 1997)

항목 원수 제거율(%) 비고
일반세균(CFU/) 22,700 100 전체 자료의
95%에 해당하는 수치임
색도() 43.7 95.7
탁도() 49.5 99.7
음이온계면활성제(/) 0.16 25.5
취기강도 34.0 87.6
과망간산칼륨소비량(/) 11.0 74.7
암모니아성 질소(/) 0.46 100

 

미량유해물질과 병원성 미생물에 대한 다중 방어막

750여 가지의 물질이 먹는 물에서 검출되고 있으며, 이중 600개 이상이 유기오염물질로 알려져 있다.

이러한 물질 중에는 트리할로메탄등과 같은 소독부산물은 대부분 수질기준을 만족하고 있으나 소독부산물중 많은 경우가 발암성 물질로 간주되고 있는 만큼 이들

물질의 생성을 최소화하기 위한 방안이 지속적으로 검토, 적용되어야 할 필요가 있다.

검출한계이하의 낮은 농도로 나타나고 있는 농약과 각종유기화합물, 환경호르몬 등 미량유해물질 또한 측정기술의 발달로 극미량의 농도를 점차 정밀하게 측정할 수 있게 되었다. 많은 경우에 미량 유해물질이 인체에 미치는 영향을 명확하게 밝히는 것이 어려운 실정이므로 미량유해물질에 대한 잠재적인 위해성을 최소화

하기 위해서도 고도정수처리시설의 도입을 전향적으로 검토할 필요가 있다.

미량유해물질과 함께 수돗물에서 최근 중요시되는 것은 병원성미생물에 대한 관심이다.

일반적인 정수처리공정으로 일반세균이나 대장균등의 제거는 충분한 효과를 얻을 수 있으나, 바이러스나 크립토스포리디움, 지아디아와 같은 원생동물은 일반적인 정수처리공정으로는 충분하게 불활성화 시키기가 상대적으로 어렵다.

서울시 상수원수에서 최근 지아디아 포낭 검출농도는 20~230/100L에서 달하여 현재의 정수처리 기준이 가정하는 상수원수의 발생정도를 크게 상회하는 것으로 염소소독에 의존하여 지아디아 포낭 제거하는 표준식 정수처리공정으로 충분한 효과를 얻기 힘든 병원성미생물에 대한 관리의 일환으로 고도정수공정의 역할을 재조명할 필요가 있다.

 

수돗물에 대한 불신감 해소

수돗물에 대한 국민들에 대한 여러 설문조사 결과에 의하면 수돗물에 대한 불신의 많은 경우가 수돗물에서의 맛, 냄새, 녹물 등 심미적 요인에 기인한 것으로 나타나고 있다. 2003년도에 전국 국민 1000명을 대상으로 실시한 설문조사에 따르면 대상자의 71.5%가 수돗물이 식수로서 부적합하다고 생각하고, 불신의 원인으로

맛이나 냄새를 답한 경우가 41.3%에 이르고 있다.

또한 수돗물을 그대로 마시는 국민은 1.0%(2000년은 2.5%)에 불과하고 정수기를 이용하거나 먹는 샘물을 구입하여 마시는 국민이 2000년에 비하여 2~3배 증가하여 수돗물에 대한 심리적 불신감이 점점 심해되는 것으로 나타나고 있다.(환경보전에 대한 국민의식조사 결과보고서, 환경부).수돗물에서의 맛과 냄새는 잔류염소에 의한 경우가 많을 것으로 판단되나 수돗물내의 물질에 의해서 발생하는 맛과 냄새의 영향도 무시할 수 없다.

국내의 경우 상수원의 98%를 지표수에 의존하고 있으며,  40%가 호소를 수원으로 이용하고 있는 등 지표수 의존도가 높은 실정이다.

사실상 대부분의 호소는 부영양화에 따른 조류발생 문제를 잠재적으로 갖고 있어 정도의 차이는 있을 수 있으나 호소를 수원으로 하고 있는 모든 정수시설이 맛과냄새, 조류독성에 대한 위험을 내포하고 있다고 할 것이다.

조류에 의한 맛과 냄새의 제거, 조류에 의해 생성되는 독성물질의 제거는 일반적인 정수처리로는 충분한 효과를 얻을 수 없다.

출처 : 2004년 환경부 "고도정수처리 정책방향에 관한연구" 발췌

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혼화, 응집(Coagulation) 및 입자의 특성, 전기적 이중층(Double layer)

표준정수처리 단위공정

혼화, 응집(Coagulation)

응집은 침전되지 않는 콜로이드 상태의 물질과 침전속도가 느린부유물질이 잘 침전될 수 있도록 큰 플록을 형성시키는 공정이다.

집은 두 단계의 연속적인 과정으로 이루어진다. 첫 번째 단계는 응집제를 첨가하고, 이를 매우 빠른 속도로 혼합시켜 콜로이드 상태의 미세한 부유물질의 전기화학적 특성을 변화시켜 불안정화 시키는 급속혼화(rapid mixing) 단계이다.

이 단계에서는 응집제의 화학적 반응과 콜로이드의 불안정화가 빠른 시간 내에 진행되므로 가능한 짧은 시간 내에 큰 강도로 교반시켜 주어야 한다.
두 번째 단계는 급속혼화공정 후 불안정화 된 입자들을 효과적으로 서로 충돌시켜, 큰 입자로 성장시키는 플록형성단계이다.

플록형성단계에서는 플록의 침전속도가 충분히 크도록 성장시키기 위하여 점감식으로 교반강도 조절해 주며, 단락류의 방지와 효율적인 충돌을 유도하기 위하여2-4개의 구역으로 나누어 교반시켜 준다. 이러한 응집의 원리를 이해하기 위해서는 우선 자연수 중에 존재하는 입자들의 기본적인 특성과 전기적 안정성에 대하여설명되어야 할 것이다.

입자의 특성
수중에 존재하는 콜로이드성 입자는 1㎚~1㎛ 범위의 크기를 가지며, 입자가 너무 작고, 표면이 전기적으로 하전되어 있어 중력에 의해 잘 침강하지 않는다.

따라서 효과적으로 빠른 시간내에 수중에서 분리하기 위해서는 인위적인 조작으로 콜로이드의 특성을 변경시켜야 한다. 이러한 콜로이드 영역에 있는 입자에는천연착색성분(1㎚)으로부터 바이러스(수십 ㎚), 탁질(1 ㎛ 전후), 세균류(1~10㎛)와 조류(1㎛~수십㎛) 등이 포함되어 있다.
이러한 미세한 입자들의 주요 특성은 스스로 오랜 시간동안 부유성 상태로 수중에서 존재한다는 것이다.

수중에 존재하는 부유성 입자들은 다음과 같이 크기별로 분류할 수 있다.

b. 입자의 안정성
자연수계에 존재하는 대부분의 콜로이드성 물질과 일부의 고분자 색도물질은 여러 가지 원인에 의해서 음(-)으로 하전되어 있다.

따라서 소수성(hydrophobic), 친수성(hydrophilic) 입자들이 서로 접근하지 못하도록 정전기적 반발력이 작용하여 전기화학적인 안정성을 갖게 된다.

​소수성 입자의 경우, 입자표면의 하전상태에 따라 표면에 정전기력을 갖게 되며, 같은 극의 표면전위를 갖는 입자들을 서로 밀어내어 수중에서 안정한 상태로 존재하게 된다. 한편, 친수성 무기질 입자의 경우, 입자의 표면이나 계면에 위치한 카르복실기나 다른 유기산 계열의 물질이 pH에 따라 해리되어 음이온이 되기 때문에입자표면이 음의 전하를 띄게 된다. 동일한 극으로 하전된 입자들은 서로 정전기적 반발력을 갖게 되어 서로 가까이 접근할 수 없고, 이러한 반발력이 중력보다크기 때문에 입자들은 서로 충돌하거나 침전하지 않고 안정한 상태로 수중에 현탁액 상태로 존재하는 것이다.

전기적 이중층(Double layer)
수중에 존재하는 콜로이드성 입자표면의 전기적 특성을 이해하기 위해서는 그림에서와 같이 전기적 이중층(double layer)을 이해하여야 한다.

콜로이드가 수중에서 이동할 경우, 표면의 얇은 가상의 수막은 콜로이드와 함께 이동할 것이며, 이 층을 고정층(stern layer)이라고 한다.

이 층에는 입자의 표면전하와 반대되는 이온들이 몰려 있으며, 이로 인하여 전기적 반발력이 일부 상쇄된다. 고정층 바깥에서의 전위를 제타전위(zeta potential)

라고 한다. 한편, 입자의 표면으로부터 일정한 거리 밖에서는 반대이온의 농도는 감소하여 같아지는 즉, 입자의 하전에 의한 영향을 받지 않는 영역까지를 분산층(diffuse layer)이라고 한다. 입자의 표면에 존재하는 이 두층을 전기적 이중층이라고 한다.
입자표면의 정전기력에 의한 반발력과 함께 입자에 작용하는 또 
다른 힘은 반데르발스(Van der waals) 힘으로, 이는 질량을 갖는 콜로이드 물질에 작용하는 만유인력을 의미하는 것이다. 즉, 정전기적 반발력과 반대로 작용하는 끌어당기는 인력이다.

이 두 힘의 합력에 의하여 입자 간에는 반발력과 인력이 상호작용하게 되며, 반발력이 클 경우를 안정한 상태라고 하고, 인력이 클 경우에는 불안정한 상태라고한다. 불안정한 상태가 되면 입자들은 서로 충돌하여 결합하게 되므로 쉽게 침전하게 되며, 정수처리기술 중에서 응집공정이 바로 이러한 불안정화를 유발하는첫 단계라고 할 수 있다.​

d. 응집기작(Mechanism)
응집은 수중에서 안정된 상태로 존재하는 입자들의 불안정화를 의미하는 것으로 입자들 사이의 정전기적 반발력을 잃고, 반데르발스 인력이나 화학적 결합력 등에
의해 입자들의 서로 결합하는 현상을 말한다.
이러한 불안정화는 다음과 같은 전기적 이중층압축, 흡착 및 전기적 중화, 가교결합 및 입자의 포획 등 4가지 기작에 의해 이루어진다.

- 이중층 압축(Double layer compression)
이온의 농도가 높은 곳에서는 이온의 농도가 낮을 때보다 전기적 이중층의 두께가 감소하게 된다. 이는 수중의 이온들이 하전된 입자의 이중층으로 이끌려 입자의
정전기적 반발력을 상쇄시키기 때문이다.
그러나 입자간에 작용하는 반데르발스 인력은 변화 없이 유지되기 때문에 입자의 불안정화를 유발하게 된다. 경험상 제타 포텐셜이 약 ±20 mV 이하로 감소하게
되면 응집이 발생하기 쉬우며, 이는 시스템에 따라 매우 다양한 값을 가지게 된다.

용해된 이온의 양에 의해 이러한 급속한 불안정화가 일어나게 된다.

 

- 흡착 및 전기적 중화(Adsorption & Charge neutralization)
입자들은 전기 이중층의 압축뿐만 아니라 반대 전하를 띤 입자(응집제 플록)와 정전기적 인력에 의해 서로 흡착될 때 불안정화 될 수 있다.

입자들의 표면에 반대 전하를 띤 이온들이 흡착하는 것은 결합력이 약하기 때문에 강한 흡착은 불가능하고 표면의 정전기력은 줄여줄 수 있다.
알루미늄이나 철과 같은 다가의 금속이온들은 수중에서 여러가지 수화물을 만드는데, 이들은 입자와 반대의 전하를 띠는 고분자 금속수화물이나 친수성 수화물을
만들기 때문에 입자의 전하를 효과적으로 중화하여 불안정화 시킨다.
반면, 이들이 과량 주입될 경우에는 하전이 역전되는 현상이 발생하여 입자들이 재안정화(re-stabilization)하게 된다.

금속 수화물들은 pH에 따라 하전 특성이 다른 다양한 수화물을 생성하기 때문에 pH가 응집효율을 결정짓는 중요한 인자가 되며 응집제의 주입율과 pH를 적정범위로 조정해 주지 못할 경우 만족할 만한 콜로이드 입자의 불안정화를 기대할 수 없게 된다.

 

- 입자간 가교결합(Inter-particle bridging)
응집제를 주입함으로써 생성되는 금속수화물들은 입자와 반대전하를 띠고 있으므로 입자들을 서로 결합시키는 역할을 하는데 이를 가교결합이라고 한다.

콜로이드 입자의 표면전위를 감소시키면서 동시에 두 입자를 하나로 연결해 주는 역할을 하는 것을 말하며, 이러한 작용에 의하여 작은 콜로이드 입자가 침전이나여과가 가능한 클 플록으로 성장할 수 있게 된다.

 

- 포획(Enmeshment in a precipitates)
원수 중의 입자수가 적을 경우, 입자들의 충돌효율이 낮기 때문에 효과적으로 응집이 일어나기 어렵다. 이 경우 금속수화물을 다량 형성시킨 후, 반대 전하를 띠고
있는 플록을 만들어 수중에 존재하는 적은 수의 콜로이드 입자를 불안정화 시켜 결합시키게 된다.

금속 수화물은 콜로이드 입자의 표면전위를 감소시킴은 물론 고분자 수화물끼리 가교결합 작용을 하게 되어 플록에 콜로이드 입자를 포획할 수 있기 때문에 입자들과 함께 후속되는 공정에서 침전하거나 여과된다. 이러한 응집기작을 이용한 정수공정이 정수처리에서 폭 넓게 사용되고 있다.​

출처 : 2004년 환경부 "고도정수처리 정책방향에 관한연구" 발췌

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표준정수처리 단위공정

플록형성 (Flocculation)

응집(Coagulation)이 전기화학적인 반응에 의하여 콜로이드 입자의 표면전위를 감소시켜 입자들을 불안정화 시키는 화학적인 반응단계라고 한다면, 플록형성은불안정화 된 입자들이 침전이나 여과가 가능한 입자로 성장할 수 있도록 적당한 강도로 충돌시켜 성장시키는 물리적인 반응단계를 의미한다.

일부에서는 이 두 단계에 대한 용어가 명확하게 정의되어 있지 않아 혼란스럽게 사용되고 있으나, 관련된 반응이 화학적 반응인가 아니면 물리적 반응인가에 따라응집과 플록형성을 분리하는 것이 정확한 개념이다.
그러나 응집, 즉, 화학적 반응단계를 물리적 반응단계와 완전하게 분리한다는 것은 불가능하다. 또한, 금속계 응집제의 수화반응이 순간적으로 진행될 뿐 아니라
화학반응은 응집제의 완전한 분산을 전제하고 있고, 기계적으로 화학반응이 진행되기 전에 순간적으로 혼합시키기가 불가능하다.

이러한 원인으로 인하여 급속혼화공정에서는 일반적으로 화학적 반응단계인 응집(coagulation)과 물리적 반응단계인 미세플록(micro-floc)형성이 동시에 진행된다. 결과적으로 플록형성은 콜로이드 입자의 불안정화를 전제로 입자들의 충돌을 효과적으로 유도하는 물리적인 반응단계를 말하는 것으로, 크고 작은 입자들의

충돌원리를 바탕으로 브라운 운동(Brownish motion), 층류에서의 속도경사, 속도차 침전 및 난류확산 등으로 분류하여 설명할 수 있다.

브라운 확산(Brownish diffusion, Perikinetic flocculation)
작은 입자들은 수중에서 열에너지에 의해 움직이는 물분자들의 브라운 운동에 의해 불규칙적으로 움직이는데, 이러한 움직임에 의한 물질의 확산을 브라운 확산
이라 한다. 이에 의한 입자들의 전달 및 충돌을 “Brownian” 혹은 "perikinetic 플록형성"이라 한​다.

Perikinetic 플록형성은 아주 작은 입자와 큰 입자 사이의 충돌이나, 층류상태에서 작은 입자들의 충돌에는 지배적일 수 있으나, 비교적 큰 입자들을 기계적인 교반이나 난류에 의한 확산에 의해 충돌시킬 경우 브라운 확산에 의한 플록형성은 무시할 정도로 작은 영향을 미치게 된다.

층류에서의 속도경사(Orthokinetic flocculation)
속도경사가 있는 층류영역에서 유속이 빠른 영역에 있는 입자는 빠르게 움직일 것이며, 유속이 상대적으로 낮은 영역에 있는 입자는 천천히 움직일 것이다.

이러한 입자 상호간의 속도차에 의하여 두 입자는 서로 충돌하게 되는데 이러한 기작에 의한 플록형성을 “Orthokinetic 플록형성“이라고 한다.

여기서, 수평하게 움직이는 입자들의 충돌과 플록형성을 가능하게 하는 구동력(driving force)이 전단력(shear force)이기 때문에, 전단응집이라고도 한다.

속도차 침전(Differential Settling)
침전속도가 다른 두 입자는 정체된 수중에서 침전되는 과정에서 서로 충돌할 수 있으며, 응집/침전 과정에서 발생하는 주된 플록형성 기작이다.

속도차 침전에 의한 플록형성은 중력이 구동력으로 작용하며, 침전지나 교반속도가 낮은 플록형성지 마지막 단에서 발생할 수 있다.

즉, 속도경사에 의한 입자충돌은 속도의 차에 의하여 발생하는 것과 마찬가지로 속도차 침전은 입자의 침전속도 차이에 의해 발생한다.

난류확산(Turbulent Transport)
난류영역에서 유체의 불규칙한 움직임의 변화에 의해 여러 크기의 소용돌이(eddy)가 발생하고, 그 소용돌이에 의해 유체의 운동량 즉, 속도경사가 수시로 변하
면서 부유하는 입자들이 서로 충돌하도록 유도함으로써 플록형성이 진행된다. 따라서 교반을 이용한 난류를 발생시킴으로써 소용돌이의 내․외부에서 입자들의충돌하고 성장하게 된다.

침전 (Sedimentation, Settling)

수용액으로부터 부유물질을 중력으로 분리하는 것은 정수처리공정에서 가장 오래되고 널리 사용되어온 방법이다.

원수중의 거의 모든 입자성 물질은 물보다 무거우므로 중력에 의해 바닥에 가라앉는데 이를 이용하여 침전 가능한 고형물을 분리하는 이른바 고액분리를 위한물리적 단위조작인 것이다. 침전과정을 통하여 제거가능한 입자성 고형물은 모래, 화학적 침전물, 오염물질, 플록 등이 있다.

일반적인 수중의 입자들은 8~12시간 정도의 체류시간에서 대부분 제거된다. 그러나 작은 입자가 고농도로 존재할 경우, 잘 침전되지 않고, 여과지도 쉽게 통과할 수 있기 때문에 콜로이드 등과 같은 하전된 미립자들은 반드시 응집과 플록 형성조작이 필요하다.
입자들의 침전은 입자크기가 비슷하고, 농도가 대체로 낮을 경우 침전과정에서 다른 입자와 서로 충돌하지 않고 침전하는 독립침전과 다양한 크기의 입자와
입자의 농도가 대체로 높을 경우 응집침전 및 압밀침전 등에 의해 진행된다.

입자들의 크기 분포나 농도에 따라 침전공정은 다음과 같은 네 가지 유형으로 구분할 수 있다.

제 I형 침전(독립침전)
독립침전(discrete settling)은 저농도 현탁물 또는 입자들이 서로 응집하지 않고 독립적으로 침전하는 것을 말한다.

독립침전은 입자들이 독립적으로 침전하고 어떠한 응집이나 응결이 발생하지 않는 상태이다. 침사지 등에서 모래입자들이 침전하는 것을 예로 들 수가 있다.

독립침전의 침강속도는 Stoke's 법칙이라 불리는 식에 의해 설명될 수 있다. Stoke's 법칙은 입자가 작은 구형이라고 가정할 때 레이놀드수, Re<0.5의 영역에서적용되는 식이다. 입자의 침강속도는 입자의 크기, 밀도, 형상, 물의 온도(점성) 등에 의해 영향을 받으며 다음 식으로 나타낼 수 있다.

                           



    Vs : 입자의 침강속도(cm/sec)
     d : 입자의 직경(cm)
     μ : 물의 점성계수(g/cm·sec2)
   Sp : 입자의 비중[=입자의 밀도(g/cm3, ρ s ) - 물의 밀도(g/cm3, ρ w )]


제 II형 침전(응집침전)
응집침전(flocculant settling)은 어느 정도 현탁물의 농도가 증가하고, 입자들이 서로 응집하는 특성이 있을 때, 각 입자들이 침전하는 과정에서 서로 충돌하여
큰 입자로 성장하면서 침전하는 것을 말한다. 이 경우는 화학적으로 응집된 플록이나 미생물 플록 등이 침전​하며, 큰 침전속도를 지닌 입자는 작은 속도를 지닌

입자와 결합하면서 더 빨리 침전하게 된다. 

 

제 III형 침전(계면침전 또는 방해침전)
고농도 현탁물에서 발생하는 침전현상으로 침전하고자 하는 입자가 가까이 위치한 입자들의 침전을 서로 방해하여 독립입자 형태로 침전하지 못하게 함에 따라
부유물과 상징수(supernatant) 사이에 경계면을 형성하면서 침전하므로 계면침전(zone settling) 또는 방해침전(hindered settling)이라고도 한다.

d. 제 IV형 침전(압밀침전)
압밀침전(compression settling)은 침전된 입자들이 그 자체의 무게로 인하여 입자사이의 물을 압축하여 공극 밖으로 물을 밀어내어 물이 빠져나오면서 슬러지
층이 압축되는 침전이다. 주로 침전조의 하부나 농축조 등의 슬러지 농축 등에서 발생한다.

출처 : 2004년 환경부 "고도정수처리 정책방향에 관한연구" 발췌

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급속여과(Rapid sand filtration) 및 여과(Filtration)

표준정수처리 단위공정

여과 (Filtration)

여과는 정수처리공정에서 가장 중요한 역할을 하는 공정으로 불순물 특히 침전공정에서 제거되지 않은 작은 입자나 플록을 여재층에서 제거하는 공정이다.

여과공정에서는 응집/플록형성 및 침전공정에서 넘어 온 플록, 미생물, 그리고 연수화 과정에서 생성된 탄산칼슘과 같은 침전물, 지하수를 원수로 할 경우 철·망간침전물 등을 제거한다.

이러한 입자성 부유물질과 플록들은 침전지를 거치면서 대부분 제거되고, 작은 입자들은 물과 함께 여과지내 충진된 여재(Filter media, 예를 들어 모래나 다공성막과 같은 입상물질층)를 통과하면서 여재의 간극사이에 걸리는 걸름작용(Straining)과 여재사이를 흐르면서 유선을 가로질러 여재에 부착되는 차단(Intercepti-

on), 침전(Sedimentation), 확산(Diffusion) 등의 기작에 의해 제거된다.
일반적으로 모래를 여재로 사용한 여과지에서는 모래입자에 입자나 플록들이 흡착되고 점차 억류되어가면서 모래입자간의 공극이 좁아지게 되어 공극유속이
빨라지고 전단력이 커지므로, 더 이상 부착될 수 없는 한계 억류량에 도달하게 되면 여재층을 역세척해 주어야 한다.

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
◦ 여과수량의 조절방식 : 유량제어형 여과, 수위제어형 여과, 자연 평형식 여과

급속여과(Rapid sand filtration)
-개요
급속여과 공정은 응집제를 투입하여 수중의 콜로이드 입자들을 불안정화 시켜 플록을 생성한 후 여과시켜 제거하는 공정이다.

원수의 탁도가 높을 경우 여과지가 조기에 폐쇄될 수 있으므로 침전후 작은 입자들만 여과지에서 제거한다. 여과속도는 여과재의 입경에 따라 다양하지만 일반적으로 120 m/일 이상이다. 여과속도가 빠르기 때문에 역세척이 빈번하고, 층 분리 현상과 표면여과가 발생한다.

따라서 이를 방지하기 위하여 상수도 시설기준에서는 모래여재의 크기를 0.35~1.0 mm 범위로 하며, 균등계수(uniformity coefficient, UC)는 1.7 이하로 할 것을정하고 있다.
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 위해서이​다.

여과층이 60 cm 정도 두께이고, 여재의 유효입경(effective size, ES)이 0.45~0.55 mm 정도라고 할 때, 여과속도는 120~150m/일을 표준으로 한다.

- 여과기작
급속여과에서는 수중의 미세한 입자는 일반적으로 여재의 표면이나, 공극 사이에 억류된다. 따라서 여과기작은 부유입자 또는 탁질의 억류기작으로 설명될 수
있다. 부유물질의 제거에 대한 기작은 매우 복잡하지만, 입자가 여재사이에 걸려서 억류되는 체걸름, 여재의 표면과 공극으로 이동하는 운반(이송), 마지막으로여재표면에 달라붙는 부착의 세 단계 기작으로 설명될 수 있다. 또한, 여재로부터 입자가 떨어져 나가는 탈리는 여과에서 중요하게 작용하는 기작 중에 하나이다.

* 체걸름(Straining)
입자가 여재의 공극에 의하여 걸러지는 현상으로 대부분 여층의 표면에서 일어난다. 처음에는 모래의 공극보다 큰 입자만 여재의 표층에 걸러져 억류되지만,
여과가 진행되면서 공극이 작아져 작은 입자들이 퇴적된다. 조류와 같이 입경이 큰 입자들이 여재의 표층에 걸러지는 것을 예로 들 수 있으며, 일반적으로 여재입경의 약 15%(여재 공극의 크기) 이상 되는 입경을 갖는 입자들이 주로 체걸름 기작에 의해 제거되는 것으로 알려져 있다.

*운반(Transport)
운반 메커니즘 중에서 중요한 것은 차단(interception), 침강(sedimentation), 확산(diffusion), 동수역학적 감속(hydrodynamic retardation) 및 표면작용력(surf
ace interaction force) 등이다. 이들 중에 지배적인 여과기작은 유입되는 입자의 크기와 관련이 있다.
여과지에서 잘 제거되지 않는 입자의 크기는 1 ㎛ 라고 알려져 있다. 1 ㎛ 이상의 입자는 중력, 침강 및 차단이 중요한 제거기작으로 작용하게 된다.

- 차단(Interception) : 입자가 물의 흐름에 따라 움직일 때 입자의 크기와 위치 때문에 입자가 여재로 가까이 갈수록 여재의 표면과 부딪치는 현상을 말한다.

   일정한 여과재의 크기에 대하여 탁질 입자의 크기가 크고 밀도가 작을수록 차단 기작에 의한 제거효율은 커진다.
- 침강(Sedimentation) : 유체의 밀도보다 탁질 입자의 밀도가 큰 경우 입자는 중력에 의해 침강한다. 만약, 입자의 침강속도가 유속보다 큰 경우 입자는 유선을
가로질러 입자의 표면에 떨어질 것이다.

   여과지에서 입자의 밀도는 작은 반면, 크기는 클 경우 차단과 침강이 동시에 작용하나 입자의 밀도가 클 경우에는 침강에 의해 주로 제거된다.
- 확산(Diffusion) : 확산은 주로 브라운 확산으로서 1.0 ㎛ 이하의 입자(예; 바이러스)가 여재의 표면까지 운반되는 작용이다.

   확산에 의한 작은 입자의 운반은 유체의 열에너지가 크고 입자의 크기가 작을수록 그리고 여재의 크기가 작을수록 높아진다. 이는 여재가 작을수록 여재가 포획 할 수 있는 입자의 억류면적이 증가되고, 입자의 운반거리가 짧아지기 때문이다.
- 동수역학적 감속(Hydrodynamic retardation) : 유체 내의 입자가 여재표면에 가까울수록 입자와 여재 사이의 유체를 밀어내는데 이러한 현상에 의해 접근속
도가 감소하고, 입자를 회전시키는 작용을  동수역학적 감속이라고 한다. 여과지 유입수 내의 입자크기, 여재크기가 클수록 그리고 유체의 점성이 클수록 그영향이 커진다.
- 표면작용력(Surface interception force) : 표면에 작용하는 물리, 화학적 성질에 따라 여재의 표면작용력은 입자의 제거효율에 영향을 준다.

   표면작용력에 대한 가설은 전기적 이중층에 의한 반발력과 반데르발스 인력이다. 이중 이온층에서 표면 바로위에 있는 평형이온층인 확산층(diffuse layer)의 유효 두께는 용액속의 양이온 총량과 입자 표면에 있는 음이온 총량에 의해 결정된다. 확산층의 두께는 양이온이 감소됨에 따라 그리고 표면전하가 증가됨에 따라 증가하게 된다. 이중층 반발력은 같은 극으로 하전된 두 개 입자의 확산층이 뒤섞일 때 발생한다.

   이 과정에서 입자가 여재로 접근하는 과정에 영향을 미치고 용액 속에서는 입자간의 접근시에도 영향을 미치게 된다.

   반발력은 입자가 여재의 표면에 접근할수록, 확산층의 범위가 커질수록 커지기 때문에 여과효율이 감소하게 된다.

*부착(Attachment)
여과지 유입수에 포함되어 운반된 입자들은 여재 표면에 부착된다.

부착단계의 중요한 기작은 표면작용력 등에 의해 영향을 받으며 이들은 물리화학적인 작용이다. 세부적으로는 정전기적인 상호작용과 화학적인 가교작용 및 흡착등이 작용하게 되는데, 이 두기작 사이의 명확한 구분은 힘들다.

*탈리(Detachment)
이는 여재표면과 공극에서 입자의 억류량이 증가함에 따라 그 사이를 통과하는 물의 유속이 증가하게 된다. 따라서 물의 흐름에 의한 전단력이 증가하면서 여재
상부와 여재 사이에 억류되었던 입자들이 깨지거나 떨어져 나가는 현상이 발생하는데, 이를 탈리라고 한다.

즉, 탈리에 의해 여과수와 함께 입자 또는 탁질이 누출된다.

출처 : 2004년 환경부 "고도정수처리 정책방향에 관한연구" 발췌

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완속여과(Slow sand filtration)
 개요

여과속도는 5~10 m/일 이하를 표준으로 하며, 여과층 표면에 생기는 생물막(biofilm)을 이용하여 미생물, 유기물질 및 입자성 물질을 제거한다.

여재는 급속모래 여과보다 작은 0.3 mm의 유효경을 가진 미세한 모래를 이용한다. 따라서 대부분의 제거 가능한 유기물과 부유물질들이 표면에서 제거되며,표면에 증식된 생물막층(Schmutzdecke)에서 원수중의 유기물질이 일부 제거된다.

생물막이 과다하게 형성되어 수두손실이 커지고 생산 유량이 감소하게 되면 여과층의 상부를 1~2 cm 정도를 제거한다.
완속여과에서는 부유물질과 세균은 대부분 제거되고 색도, 철, 망간 등도 일부가 제거된다. 완속여과에서 원수 중의 암모니아성 질소는 여과지 표면에서 서식하는
질산화 미생물의 산화작용으로 질산성 질소로 산화되지만 온도가 5℃ 이하로 감소하는 겨울철에는 기대하기 어렵다.

완속여과는 느린 여과속도로 인해 넓은 부지면적을 요구하고, 원수 수질의 악화에 대한 적응성이 떨어진다.

- 여과기작
완속여과에서 미생물이나 콜로이드와 같은 미세 입자들과 일부 용존유기물이 제거되는 기작은 다음과 같이 체걸름작용, 침전, 생물학적 작용 및 산화작용 등을
들 수 있다.

-체걸름(Straining)
완속여과에서도 생물막이 성장하여 안정화되기 전에는, 급속모래여과와 마찬가지로 입자가 여재의 공극에 의하여 걸러지게 되는 체걸름 현상이 발생한다.

이는 대부분 여층의 표면에서 일어나는데, 처음에는 모래의 공극보다 큰 입자가 여재 표층에 억류되지만, 여과가 진행되면서 작은 입자들이 퇴적하게 된다.
또한, 원수 중에는 유기물질과 미생물이 포함되어 있기 때문에, 이 퇴적층에서 미생물이 성장하여 생물막을 형성하게 된다. 미생물의 성장으로 인하여 표면의

생물막은 점성을 띠는 젤라틴 형태로 변하여 점착에 의한 걸름효과가 강화된다. 이 생물막층을 "Schmutzdecke"라고 하며, 미생물이 성장함에 따라 조밀하고

두꺼워져 일정 이상의 수두손실이 전개되면 그 층을 제거하여야 한다.

-침전(Sedimentation)
모래의 표면을 통과한 미세한 입자들은 여재층 내의 공극사이를 천천히 흐르며, 공극 내에서의 침전작용과 모래여재 표면으로의 부착현상으로 여재층 내에 억류
하게 된다.

 

*생물학적 작용(Biological activity)
생물학적 작용은 완속여과 특유의 기작으로 햇빛과 산소의 공급이 원활한 표층 수 cm 이내에서 미생물이 성장하고 모래표면에 부착하여 생물막을 형성한다.

이러한 생물막은 수중의 유기물과 세균을 제거하게 되며, 질산화 미생물이 성장할 경우에는 암모니아성 질소를 질산성 질소로 산화하는 역할도 수행하게 된다.

 

*산화작용(Oxidation)
산화작용은 높은 산소농도와 낮은 여과유속에 의하여 철과 망간이 산화되어 입자성 물질로 변화하여 제거된다.

또한, 일부에서는 여재층 표면에서 성장하는 철․망간 박테리아에 의해 산화되기도 한다.

 

 

소독 (Disinfection)

 

병원성 미생물에 의해 유발되는 질병을 수인성 질환(waterborne diseases)이라 한다. 이러한 전염병은 19세기 말이 되어서야 비로소 확인되었으며, 현재는소독공정이 공중보건과 특히, 정수처리공정들 중에서 가장 중요한 부분을 차지하는 공정이다. 소독은 수중의 병원성 미생물로부터 감염력을 상실시켜 소비자를병원성 미생물에 의한 질병으로 부터 보호하는 것을 의미한다.

과거 오래 동안 수인성 전염병 발생이 발표되기는 하였으나, 이들은 비교적 흔한 질병은 아니었다.
반면, 아시아 콜레라균(Vibrio Cholera), 대장균군(Eshcerichia Coli.), 캠필로박터 제쥬니(Campylobacter Jejuni), 옐리시아 엔테로콜리티카 (Yersinia
Enterocolitica), 레지오넬라 뉴모필라(Leginella Pneumophilla), 지아디아 람블리아(Giardia Lamblia), 크립토스포리디움(Crytosporidium) 및 소장 내에 존재

하는 바이러스(Virus) 등은 과거 수년 동안 가장 많은 관심의 중심에 있었던 병원성 미생물들이다.
이러한 병원성 미생물을 불활성화 하기 위한 일반적인 의미에서의 소독은 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.

이들 중 현재 먹는물을 소독하는데 가장 널리 사용되는 소독제는 염소이다.

염소를 주입할 경우 살균 이외의 철·망간의 산화, 이·취미 제어 등의 효과를 볼 수 있으나, 표준정수처리공정에서 상대적으로 제거정도가 낮은 페놀과 결합하여불쾌한 악취를 발생시킬 수도 있고, 착색성분과 같은 유기물과 반응하여 트리할로메탄(THMs), 할로초산(HAAs)등과 같은 소독부산물(disinfection byproducts,DBPs)을 생성하는 등의 2차적인 유해성이 수반될 수 있다는 문제점이 있다.
이산화염소는 아염소산나트륨(NaClO2)과 염소가스(Cl2)를 접촉시켜 발생시키는 가스로 박테리아나 바이러스에 대한 살균력이 우수하고 THMs와 같은 소독부산
물이 발생하지 않는 장점 때문에 많이 사용되어져 왔다.

그러나 이산화염소를 액화하여 사용할 경우, 폭발의 위험성이 매우 높고, 제조공정 중에 아염소산이온(chlorite, ClO2-)과 염소산이온(chlorate, ClO3-)이 발생하게 된다. 이들은 소독효율이 크게 떨어지고 인체에 유해한 것으로 알려져 있어 국내에서는 이산화염소의 사용량이 지속적으로 감소하였다.
클로라민은 암모니아성 질소와 염소가스를 접촉시켜 생성되는 결합잔류염소이며, 결합된 염소이온의 수에 따라 monochloramine(NH2Cl),dichloramine(NHCl2),
nitrogen trichloride(NCl3)로 구분된다.

이들은 잔류성이 뛰어나 급․배수 관망에서 요구되는 2차 소독제로 주로 사용되지만, 염소나 이산화염소에 비해 살균력은 떨어지는 문제점이 있다.

이 밖에도 최근 들어, 크립토스포리디움이나 지아디아와 같은 원생동물에 의한 오염사례가 보고되면서 오존과 자외선과 같은 강력한 산화력을 가진 소독제가 사용되기도 한다.

자외선은 맛과 냄새를 유발하는 물질이 생성되지 않고, 염소계 소독제에 내성이 강한 미생물에 매우 효과적이며 소독부산물(DBPs)이 발생하지 않는다.

그러나 현장에서 발생시켜야 하며, 잔류성이 없어 후속되는 소독공정을 요구한다는 문제점이 있다. 또한, 투여량을 결정하기가 어려울 뿐만 아니라 유지 관리상의어려움이 있다. 오존은 수산기(OH)로부터 발생되는 자유 라디칼(radical)에 의한 강한 산화력을 이용한 소독제로, 염소 소독보다 살균력이 강한 장점이 있다.

그러나 오존의 잔류성은 그리 길지 않으며, 원수 중에 브롬이온 등이 존재할 경우, 브로메이트(bromate, BrO3-)와 같은 소독부산물을 생성하는 문제점이 있다.

참고
o 미생물의 불활성화 기작(Inactivation mechanism)
염소는 세포막은 물론 DNA에 영향을 끼칠 만큼 치명적인 영향을 주는 산화제이다. 염소는 박테리아의 세포호흡, 이동(transport), 그리고 DNA의 활동에 불리하게작용을 하는 것으로 알려져 있다. 또한, Escherichia Coli, Candida Parapsilosis, Mycobacterium Fortuitum 등 박테리아에게는 산소이용을 직접적으로 감소

시키고, 특히 염소가 세포막에 손상을 주어 세포막으로부터 세포액을 누출 시킨다.

결국 병원성 미생물들의 DNA 합성정도를 낮추는 역할을 수행하는 것으로 알려져 있다. 또한, 염소가 이들 박테리아를 불활성화하는 속도가 매우 빠르기 때문에번식(또는 복제)은 일어나기 어렵다고 보았다. 따라서 염소에 불활성의 주요한 기작은 세포조직등의 변화와 손상(Lesion) 등이 지배적으로 작용한다.
오존과 자외선은 우선적으로 미생물의 세포벽을 손상시켜, 세포의 선택적인 투수성을 방해하게 된다. 따라서 세포 내의 원형질의 특성 변화를 초래하여 용해되거
나, 단백질 등을 응고시킴으로서, 미생물을 사멸시키는 것으로 알려져 있다.

또한, 세포 내의 유전정보 물질인 DNA나 RNA에 손상을 입힘으로서, 효소를 불활성화 시키고 세포의 복제능력을 불가능하게 하여 미생물을 살균하는 것으로 알려져 있다.

 

출처 : 2004년 환경부 "고도정수처리 정책방향에 관한연구" 발췌

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고도정수처리

고도정수처리는 표준정수처리기술로는 처리가 곤란한 맛, 냄새, 암모니아성질소 등을 포함하여, 염소 처리시 발생하는 트리할로메탄(THM)과 유기할로겐화합물(TOX)과 같은 2차 오염을 유발할 수 있는 미량 유기오염물질, 합성유기화합물(synthetic organic compounds), 휘발성 유기물질(volatile organic compounds)등을 처리함으로써 이들 물질로부터 초래될 수 있는 잠재적 불안 요소를 제거하고 궁극적으로 보다 깨끗하고 안전한 수돗물을 공급하고자 하는 데 목적이 있다.

우리나라는 1989년 중금속 오염사건을 시작으로 THM 초과검출사건, 페놀오염사건, 낙동강 하류의 정수장 악취발생사건 등 일련의 수돗물 수질오염 문제들을경험하면서, 수돗물에 대한 국민들의 염려가 증대되어 왔다. 이에 따라 정부는 1993년 맑은 물 공급 종합대책을 수립하고, 그 다음해에는 효율적인 수질관리를위해 행정조직을 개편하는 등의 먹는물 수질개선을 위한 노력을 아끼지 않고 있다.

한편, 현재 국내에서 가동 중인 정수처리시설은 탁도와 세균의 제거를 목적으로 하는 표준정수처리공정이 대부분이며, 다양한 오염물질에 의해 날로 악화되어가는원수 수질을 감안할 때 이러한 정수처리공정으로는 수돗물의 수질을 개선시키는데 그 한계가 있다.

최근 문제가 되는 수돗물 내 오염물질들은 다음의 표와 같이 표준정수처리 공정에서 제거가 되지 않는 물질, 정수처리공정에서 발생하는 부산물, 급배수과정에서발생되는 물질로 크게 3가지로 구분할 수 있다. 이들 외에도 많은 종류의 물질들이 건강상의 장애요인 또는 심미적 질의 저하요인으로 작용하기 때문에 적정처리를위한 기술적 방안으로서 표준정수처리공정의 개선, 신기술 도입 또는 이 두 가지를 적절히 조합한 최적처리공정시스템 즉, “고도정수처리공정”의 도입이 필요하다.

이와 관련하여, 미국의 경우 2003년 현재 총 88개 항목에 대한 먹는물수질기준을 설정하여, 각 오염물질에 대한 최적화처리기술(Best Available Technology,BAT)을 지정하고 있다. 이러한 최적화처리기술의 지정 목적은 대상 오염물질이 검출될 경우 기준상에 제시된 처리 기술의 제거 효율에 상응하는 처리기술의 사용을 의무화하는데 있다.
이와 같은 기술들은 다양한 원수수질 및 오염물의 농도에 대하여 장기적이고도 체계적인 현장시험과정을 거쳐서 선정된 것이며, 비용대 효용성의 측면에서 보다
경제적인 기술을 개발하기 위한 노력이 지속적으로 수행되고 있다. 따라서 국내에 고도정수처리 공정을 도입함에 있어서도, 원수의 오염현황 및 수돗물에 대한심도 있는 모니터링과 이들의 위해성 평가 등의 과학적인 절차는 물론 기술적용의 경제성 등을 충분히 고려하여 적절한 고도정수처리기술을 선정하는 것이  중요하다.

 

 

고도정수처리 대상

맛, 냄새물질

​수돗물에서 맛․냄새를 유발하는 원인물질은 하․폐수에 함유된 화학물질과 조류와 수생 동식물의 부산물 유입 및 정수과정에서 사용하는 소독제에 의한 것으로구분할 수 있다. 우리나라 상수원의 수원은 90% 이상이 대형 인공 저수지나 하천 표류수를 이용하고 있어 하․폐수의 유입이나 수질사고의 위험성이 내재되어있다. 최근 수돗물의 맛과 냄새에 의한 장해는 점점 많아지고 있는 추세인데 이취․미가 있는 물은 마시는 사람에게 불안감을 주고 수도의 신뢰도를 떨어뜨린다.

물의 취기 중에서 수도에 있어서는 부영양화 저수지 또는 그 방류수를 수원으로 하는 경우에 발생하는 조류 및 방선균 등의 미생물에 의한 취기가 문제로 되는경우가 많은데, 이는 거의 곰팡이 냄새로 그 원인은 현재 남조류와 방선균에 의한 지오스민(Giosmin)과 2-메틸이소보르네올(2-Methyliosborneol, 2-MIB) 등으로 확인되고 있다.

그 외 페놀(Phenol), 사이클로헥실아민(Cyclohexylamine), 기름 등에 기인하는 냄새는 공업폐수 등에 의해 발생한다.
조류에 의한 방향취, 조취(臊臭), 청초취(靑草臭), 어취(漁臭) 및 저질에 의한 황화수소 냄새, 부패냄새 등은 완속여과공정과 표준정수처리공정으로 조류를 직접
제거하거나, 전염소 처리를 통하여 제거하는 데는 효과가 있으나, 곰팡이 냄새의 제거효과는 기대할 수 없다.

조류에 의한 곰팡이 냄새와 맛 등은 입상활성탄 공정으로 제거가능하며, 오존처리 공정과 병행하면 효과를 상승시킬 수 있다.

- 조류에 의한 독성 및 여과장애

​조류에 의한 독성물질
인과 질소계 유기물질 등의 유입으로 인한 상수원의 부영양화는 표준정수처리공정에 많은 어려움을 줄 뿐만 아니라 조류의 과잉번식으로 심각한 장애를 초래할

수 있다. 조류가 다량 서식하고 있는 물을 마시면 불쾌한 맛과 냄새를 동반하지만, 조류 중에서 몇종은 물고기나 가축들에게도 강한 독성물질을 발생시키는 것으로알려져 있다.
조류 중 남조류에 의한 독성은 1870년경 오스트레일리아에서 Nodularia에 의한 동물의 죽음이 최초로 보고된 후, 미국, 캐나다등 여러 나라에서 동물에 대한 피해

보고가 있었다. 인체에 미치는 영향에 따라 남조류가 발생시키는 독성물질은 신경독성물질(Neurotoxins)과 간 독성물질(Hepatotoxins)로 분류되고, 독성물질을발생시키는 남조류 중 가장 먼저 알려진 종은 Microcystin aeruginosa이다.

신경독성물질로는 Aphanizomenon flos-aquae로부터 발생하는 Aphantoxins(Sasitoxins)와 Anabaena flos-aquae로부터 발생하는 Anatoxin-a 및 anatoxin-a(s) 등 세 가지가 보고되고 있다.
지금까지 약 50 여종이 알려져 있으며, 국내에서는 아직까지 조류 독성에 의한 피해사례가 보고된 바 없으나 1990년 중반부터 Microcystins의 확인, 분석이 연구

되어 왔다. 국내 호소 및 하천에서 Microcystins-LR 및 Microcystins-RR의 생성이 확인된 바 있다.

조류에 의한 응집 및 여과장애

조류 체내에 기포를 가진 종류는 부상하기가 용이하여 응집, 침전의 장애를 일으키며, 전염소 처리시 군체가 각개의 세포로 흩어져 여과지에서 누출되는 경우가발생하거나 여과지속시간을 단축 시키기도 한다.
Microcystis와 Anabaena 등과 Synechococcus와 Cynechocystis 등은 여과지 누출 가능성이 충분하다.

최근에 국내 하천 및 호소에서 수환경의 변화로 수온이 낮은 봄철에 규조류에 의한 여과폐색 현상이 문제가 되고 있는데, 주요 종으로는 Synedra 속이며 세포가비늘모양이나 곤봉모양으로 가늘고 길다. 부유성이며 세포의 길이가 100~300 ㎛에 달하는 Synedra acus나 50~400 ㎛에 정도의 Synedra ulna가 대량 번식하여 물에서 흙냄새를 띄며, 응집이 불량하고 형성된 플록이 가벼워 침전이 어려워 여과지 폐색이 일어나는 원인으로 보고되고 있다.
또한 조류의 세포는 세포외유기물질(Extracellular Organic Matter, EOM)에 둘러 싸여 있는데, 이는 조류가 생성하여 배출하는 물질로 다당류, 클리코릭산, 탄수
화물, 펩타이드, 단백질, 유기인산염, 효소, 휘발성물질 및 비타민 등으로 매우 다양한 조성을 보인다.

이러한 세포외물질들이 입자표면에 흡착되어 더욱 안정하게 함으로써 응집제 소비량을 증가시키는 등의 응집공정에서 장애의 원인이 된다.

특히, 이러한 문제점은 남조류나 녹조류보다 규조류가 발생시키는 경우가 더 많다.
조류에 의한 여과지 조기폐색을 방지하기 위해서는 다양한 시험 연구를 거쳐 기존의 모래여과지를 안트라사이트(Anthracite) 여과지로 대체하는 방법과 부상공정
이나 오존에 의한 산화공정 등을 적용할 수 있다.

출처 : 2004년 환경부 "고도정수처리 정책방향에 관한연구" 발췌

 

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