Issue
수질 맞춤형 정수처리공정 개발
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1. 서론
산업의 발전, 도시화 및 인구의 도시 집중으로 인 하여, 산업으로부터의 새로운 오염물질의 배출이 심 화되고, 특히, 기존의 정수처리 공정에서는 원수 내 포함되어있는 입자성 물질 및 탁질 물질의 제거만으 로도 음용수를 생산하는데 큰 지장이 없었으나, 산 업화와 도시화로 인하여 새로운 오염물질이 원수로 유입되어 이의 처리필요성이 대두되고 있다.
국내 정수처리장의 취수원은 2%를 제외한 모든
수량이 댐, 하천복류수, 하천표류수로 지표수 및 호 소수에 극단적으로 치우쳐져 기존 정수처리 시설은 하천수 만을 대상으로 한 정수처리 공정이 개발되어 왔다. 정수처리공정은 현재까지 대부분이 사여과 중 심의 여과 공정을 기반으로 하고 있으며, 최근 병원 성 미생물에 대한 안전성, 처리공정의 단순화 및 집 적화를 위해 막여과 공정의 도입이 검토되고 있으 며, 국가과제인 Eco-Smart사업단의 과제를 통해 막여과를 통한 정수처리 공정의 가능성을 확인하였 다. 사여과 중심의 기존정수처리 공정은 이러한 미 량오염물질, 맛·냄새 물질에 대한 처리가 어렵기 때문에 이러한 문제를 해결하기 위하여 활성탄 흡 착, 고도산화와 같은 다양한 정수처리 공정들이 도 입되고 있다. 막여과 공정 또한 정수처리에서 사용 되는 정밀여과막(MF, Microfiltration), 한외여과막 (UF, Ultrafiltration)은 입자성 물질의 완벽제거를 통한 최종 처리수의 탁도 0.1 NTU 미만을 달성하였 고, 특히 병원성 미생물 처리 성능이 4 Log 이상으 로 수질 안전성을 확보할 수 있으나, 미량물질의 제 거 성능은 기대하기 어렵다. 정수처리를 위한 단위 공정으로써는 응집, 침전, 사여과(급속, 완속), 막 여과, 흡착, 고도산화(AOP, Advanced Oxidation Process), 소독 등이 있으며 각 단위공정별 기술적 수준은 세계적인 수준과 비교하여도 손색이 없을 만 큼 높은 수준에 도달해 있으나 대부분이 하천수나 호소수와 같은 지표수를 대상으로 한 처리 공정이기 김 충 환
K-water연구원 연구위원 chkim@kwater.or.kr
권 순 범
K-water연구원 책임연구원 chester@kwater.or.kr
유 영 범
K-water연구원 선임연구원 youngbeom@kwater.or.kr
때문에 기후변화로 인해 지표수의 수량적, 수질적 문제에 직면하여 대체수자원을 필요로 할 시, 대체 수자원을 수돗물로 생산하기 위한 공법개발이 필요 하다.
특히 기존 정수처리장의 경우 15년 이상의 노후화 된 정수장이 많아 이를 개량 또는 신설해야 할 필요 가 있으며, 개량/신설함에 있어 기존과 비교하여 동 일 부지에서 높은 처리유량의 확보, 수질안전성을 확보해야 할 필요가 있다. 따라서 기존정수장의 토 목구조물, 펌프, 유량계 등의 기기를 최대한 활용하 여 정수장을 개량하는 설계기술 및 시공기술을 개발 하여야 한다.
이에 따른 대안으로 기존 수질의 DB를 통해 상수 원수로 사용가능한 취수원의 수질을 조사하고 그룹 화 하여 원수수질에 따른 처리공정의 구성 및 구성 공정의 운영최적화 인자 도출 및 방안 마련이 필요 하며 구성된 공정을 노후화된 기존정수장에 도입하 기 위하여 기존정수장의 개량 설계기술의 확보하여
야 한다.
환경부의 글로벌탑 환경기술개발 사업인 ‘에코스 마트상수도시스템개발사업단’ 의 6세부 과제인 ‘수 질맞춤형 정수처리공정개발’은 총 9개 기관이 참여 하고 있으며 본 주제의 총괄적인 연구내용을 소개하 고자 한다.
2. 6세부 연구과제 소개
6세부 연구과제는 기존 취수원의 수질 공개자료 분석 및 해석 후 취수원의 원수수질 Data Base 구 축과 지표수 및 지하수 대상 미량유기물 제거와 유 해성 이온성 물질의 제거 공정인 수질 맞춤형 정수 처리공정개발, 그리고 개량 대상 정수장을 선정하여 기존정수장 토목구조물 및 기기/계측기 최대 활용한 기존정수장 Retrofit 기술개발을 최종 목표로 하고 있다.
그림 1. 연차별 연구개발 목표 및 내용
3. 수질맞춤형 정수처리공정 개발 3.1 지표수처리 모형플랜트
기후변화에 따른 원수 수질변화에 대응하기 위하
여 제작한 원수 수질별 주요 공정을 탑재한 이동식 모형플랜트는 지표수처리모형플랜트와 지하수처리 모형플랜트 총 2대이며 지표수처리모형플랜트의 주 요공정은 관내응집/DAF → 막여과(MF) → 오존/
활성탄 → UV 로써 혼화응집 및 DAF 공정연계 막 그림 2. 연구개발의 정량적/정성적 목표
그림 3. 수질맞춤형 정수처리공정개발 연구 로드맵
여과 공정의 성능을 유지하기 위한 전처리 공정으 로 적용하였다. DAF의 경우 조류 출현 시 대응공 정으로 적용/평가를 병행하고, AOP 및 흡착공정 은 기존표준처리공정에서 제어가 어려운 미량유기 물질, 맛·냄새 유발물질 등의 안전한 처리를 위한 고도처리공정으로 적용하였다. 본 연구에서는 제거 대상물질을 기준으로 한 대표 BAT(Best Available Technology economically achievable) 공정의 하 나로 MF → AOP(H2O2+O3) → GAC로 제안하고, BAT공정에 적합한 운영/설계 조건을 확보하였다.
지표수처리모형플랜트 구축 시 주요 검토 내용은 우
선 원수내의 맛·냄새 유발물질 농도가 낮은 경우 처리수의 농도를 10 ng/L 이하로만 낮추면 되기 때 문에 제거율이 높은 공정 보다는 적정한 처리수를 생산할 수 있는 최소한의 공정이 최적 처리공정으로 선정될 수 있도록 검토하였다.
3.2 지하수처리 모형플랜트
지하수처리모형플랜트는 나노여과(NF) 공정에 대 하여 전후처리를 기본으로 하는 공정으로, 지표수처 리 모형플랜트와 함께 수질에 따른 적정 처리공정을
그림 4. 지표수처리 이동식 모형플랜트
개발하기에 적합한 설비이다. 본 설비에 탑재한 나 노여과(NF)를 이용하여 목표물질 제거능 평가를 수 행하였으며 특별히, 공정의 운전조건에 따른 제거능 을 관찰하기 위하여 서로 다른 운전조건의 나노여과 플랜트 2식을 각각 운영하여 얻은 결과를 비교하였 다. 주요 운전조건의 변수는 회수율과 막여과 유속 으로 하였다.
본 설비는 취수원수 특성에 따라 정밀여과(MF)/
연수화(Pellet softening)를 조합하여 최적 정수처 리공정(BAT)을 운영 모드화 하여 가동할 수 있는 특징을 가지고 있으며 특히 나노여과(NF) 공정 농 축수에 대한 연수화(Pellet softening) 연계 운영이
가능하도록 구성하였다. 또한, 다양한 현장 및 원수 에 선택적으로 적용이 가능하고, 막여과 및 전후처 리 공정과의 효율 평가가 가능하기 때문에 타 기관 과의 공동 활용이 가능하다.
3.3 Test-bed 구축
기존 정수장을 리트로피팅 하기 위한 공사기간은 규모별, 시설별로 차이가 있고 소규모 정수장의 경 우라도 순수 공사기간만 최소 약 3개월 정도 소요 되며, 대규모 정수장의 경우에는 6개월 이상이 소 요될 것으로 예상된다. 따라서 공사를 시작하기 이
그림 5. 지하수처리 이동식 모형플랜트
전에 용수수요량이 적은 시기를 파악하여야 하며, PERT/CPM 이론을 기본으로 한 공정관리를 적용하 여 최대한 공사가 신속하게 진행될 수 있도록 하여 야 한다.
정수장 개량 시 용수 공급을 중단하지 않고 공사 를 진행하면 주민들에게 피해를 주지 않아 민원을 예방할 수 있고, 인접 정수장에도 영향을 주지 않게
되어 전체적인 물수요 관리측면에서도 유리하므로 무중단 시공은 매우 중요한 항목이라고 할 수 있다.
일정 규모 이상의 정수장은 계열별로 운전되고 있고 용수공급에 대한 여유율도 높아 별도 방안이 제시되 지 않아도 무중단 시공이 가능할 것으로 판단되나 계열별 운전에 대한 명확히 구분이 어렵고 적용하기 도 용이하지 않아 일반적인 경우의 무중단 시공방안
그림 6. Test bed 구축 개념
그림 7. 막여과 전처리 개량(Retrofitting)기술 개발 및 적용
에 대한 면밀한 검토가 필요하다.
막여과 정수장에 리트로피팅 시설을 도입하기 위 해서는 먼저 기 정수장의 수질과 시설을 검토하고 평가하여 문제항목을 도출하여야 한다. 이렇게 도출 된 기존시설의 문제점을 해결하기 위하여 원수수질 과 목표수질을 설정하고 수처리공정을 검토하여 최 적의 막처리 공정이 적용될 수 있도록 한다.
4. 결론
본 과제 수행에 따른 기대성과로는 취수원에 대한 수질 Data Base를 구축하고 수질변화 트렌드 분석 을 통한 취수원 원수 수질변화 예측 및 수질변화에 따른 적합공정 선정 바탕마련이 가능하다. 다양한
원수수질에 따른 적합 정수처리 공정 개발을 통해 기후변화로 인해 다변화되는 원수 수질에 공공상수 공급의 안전성 확보와 노후정수장의 토목구조물 및 기기류의 재사용을 통한 정수처리 고도화의 용이성 확보가 가능해지며 이에 따라 다양한 정수처리공정 확보를 통한 해외 수처리 시장진출이 용이해질 것으 로 기대된다.
감사의 글
본 연구는 환경부 “차세대 에코이노베이션사 업(글로벌탑 환경기술개발사업)”의 지원에 의 해 수 행 되 었 으 며 이 에 감 사 드 립 니 다 . ( G T - SWS-11-01-006-0)
그림 8. 수질맞춤형 정수처리공정 과제 수행에 따른 차별성
