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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.30 No.5 pp.587-596
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2016.30.5.587

Analysing the Effect of Residual Chlorine Equalization for Water Quality Improvement in Water Distribution System

Taeho Choi, Doojin Lee*, Cheolho Bae, Jiyoung Moon
K-water
Corresponding author : Doojin Lee (djlee@kwater.or.kr)
August 30, 2016 October 6, 2016 October 10, 2016

Abstract

This study attempts to draw factors for an analysis of the operation effect of a rechlorination facility and autodrain equipment for residual chlorine equalization by installing and operating a rechlorination facility and autodrain equipment in P City and analyzing the practical evaluation method and operation effect. For this purpose, this study selected three indicators for an analysis of the effectiveness of residual chlorine equalization and conducted a comparative analysis before and after the implementation of the residual chlorine equalization. As a result of estimation, ① the reduction of the residual chlorine concentration range from a water treatment plant to the pipe end was 16.0%; ② the total reduction of chlorination input was 18.0%; and ③ the reduction of the generation of disinfection by-products was 19.5%. In addition, this achieved enough residual chlorine equalization in the supply process and shows that it could successfully achieve the economic feasibility of investment in equipment and the reduction of the generation of disinfection by-products. Like this, it is judged that the three indicators suggested in this study will be used sufficiently as indicators of an analysis of the effectiveness of residual chlorine equalization according to the operations of the rechlorination facility and autodrain equipment.


공급과정 수질개선을 위한 잔류염소 균등화 효과분석

최 태호, 이 두진*, 배 철호, 문 지영
한국수자원공사

초록


    Ministry of Environment
    2016002120005

    1.서 론

    우리나라 공공수도의 역사는 100년이 넘었으며, 그 동안 어디서나 수돗물을 사용할 수 있도록 수도시설 보급확대, 고품질 수돗물 생산을 위한 고도정수처리 시설 도입, 노후 수도시설개선 등 수도시설에 대한 막 대한 투자와 노력을 끊임없이 해오고 있다. 이러한 인 프라 확대 노력에도 불구하고 여전히 현재 수돗물에 대한 불신으로 수돗물 직접음용률은 매우 저조하며, 먹는 물에 대한 소비자 인식도 안전한 수돗물 수준을 넘어 ‘맛과 건강’이 우선적인 기준으로 변화되고 있는 실정이다. 원수에서부터 정수장, 배ㆍ급수관망, 수도 꼭지에서 발생할 수 있는 미생물학적 수질문제는 공 공보건에 심각한 영향을 미칠 수 있기 때문에 생산과 정은 물론 소비자에게 공급되는 수도꼭지 말단까지 생물학적 안전성을 담보할수 있는 소독능의 유지가 필수적이다.

    상수도관망에서 적절한 소독능을 확보하기 위해서 잔류성이 있는 소독제로 염소가 널리 활용되고 있는 반면, 관로상에서의 잔류염소 농도는 수돗물 공급량, 체류시간, 계절변화에 따른 수온 등에 영향을 받는다 (Clark et al., 1995). 염소는 그 동안 이용 및 운영방법 상의 기술적 축적이 상당히 이루어져 왔으며, 소독부 산물(DBPs) 생성에 대한 우려가 높은 단점을 가지고 있으나 계속해서 소독제로 많이 사용되고 있다 (Boccelli et al., 2003). 급ㆍ배수계통에서 수돗물을 안 전하게 유지하기 위해서는 최소한의 잔류염소 농도를 유지시켜야 한다. 그러나 염소소모성 물질과의 반응 및 그 외의 다른 물질과의 반응으로 분해를 가속화할 수 있는 문제점이 있고 이렇게 분해된 염소는 환원되 어 금속류와 반응하여 부식을 촉진하기도 한다(Clark et al., 2010).

    이에 정수처리 후 잔류성이 있는 염소소독을 통해 수요자의 수도꼭지까지의 수질안전성을 확보하고 있 고, 현재 국내에서의 수도꼭지의 잔류염소 농도가 0.1mg/L이상(병원성 미생물에 의해 오염되거나 오염 될 우려가 있는 경우 0.4mg/L 이상)이어야 한다는 규 제 사항이 있으나 정수장에서 수도꼭지까지의 체류시 간 및 수요량변동의 차이와 원수수질 및 수온 등의 차이로 인해 공간적 및 시간적으로 균등한 잔류염소 농도를 달하지 못하고 있다. 즉, 생산된 정수장의 소 독을 위해 주입된 염소의 농도가 높을 경우 심미적 요인의 민원을 야기할 수 있고, 낮을 경우에는 살균력 저하로 안전성 문제가 발생할 수 있으며, 이는 정수장 에서의 소독제 주입만으로는 수질 안전성 및 수질 민 원 문제를 동시에 해결하기 어렵다는 것을 의미 한다. 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해서는 잔류염소 균등화를 위한 노력이 필요하며, 모든 수요지점에 대 하여 공간적인 잔류염소 농도 편차를 최소화 시키는 것을 공간적 균등화, 동일한 지점을 대상으로 시간적 인 잔류염소 농도 편차를 최소화 시키는 것을 시간적 균등화라고 정의 할 수 있다.

    잔류염소 균등화의 방안으로 재염소설비 등이 최근 에 제안되고 있고, 특히, Kim et al., (2010) 등 재염소 설비의 최적 설치 위치 및 최적 주입량 결정 등과 관 련된 연구들이 활발히 이루어지고 있다. 하지만, 재염 소설비에 대한 운영기준 및 실제운영효과 분석사례가 많지 않으며, 재염소설비를 설치 및 운영을 하더라도 잔류염소 균등화가 아닌 관말 잔류염소 부족지역 해 소를 위해서만 목적으로 활용되고 있는 실정이다.

    따라서 본 연구에서는 원수수질조건이 열악하여 공 급과정에서의 잔류염소 소모가 크고, 직접급수나 배 수지를 거치는 간접급수가 공존하는 지역을 대상으로 재염소설비 및 자동드레인 장치를 통한 시간적인 잔 류염소 농도의 균등화를 시도하였으며, 이를 통한 수 질개선 효과를 평가하고자 하였다.

    2.연구방법

    2.1.연구대상지역 현황

    연구대상지역인 P시의 공급계통은 댐내 호소수를 원수로 한 GY정수장으로 부터 공급되는 광역상수도 급수구역과 하천수를 원수로 수수하여 MS정수장으로 부터 공급되는 지방상수도 급수구역으로 구분된다. 두 정수장은 모두 고도정수처리공정으로써 후단에 오 존산화 및 활성탄여과 공정을 운영하고 있다.

    2015년 기준, 지방상수도 MS정수장은 JS, GT, TH, BW배수지 및 직결급수지역으로 일 평균 65,000㎥/일 을 공급하고 있고, 광역상수도 GY정수장은 GH, WR 배수지로 일평균 80,000천㎥/일을 공급하고 있다.Fig. 1

    2.2.재염소설비 및 자동드레인 장치의 설치 및 운영

    본 연구대상지역의 GY정수장과 MS정수장은 고도 정수처리 공정으로 운영되고 있음에도 불구하고 서로 다른 원수특성으로 인하여 <Fig. 2>와 같이 수체반응 에 의한 잔류염소 감소속도에 큰 차이를 보이고 있다. 이러한 잔류염소 소모속도의 차이는 여러 가지 수질 인자가 영향을 미칠수 있는데, 특히 <Fig. 3>과 같이 두 정수장의 용존유기물이 잔류염소 반응성에 영향을 미치기 때문으로 판단된다. GY정수장계통에 비하여 MS정수장계통의 수돗물의 잔류염소 농도 감소속도가 매우 큰 것을 알 수 있다.

    한편, MS정수장계통의 경우에는 배수지를 거쳐 수 돗물이 공급되는 간접급수지역과 정수장에서 직접공 급 되는 직접급수지역이 함께 존재한다. 정수장과 배 수지 잔류염소농도의 장기모니터링 결과, <Fig. 3>에 서와 같이 정수장과 배수지유출수 농도사이에 약 0.4 ~0.6mg/L의 차이(감소)를 보이고 있는데, 이는 앞서 잔류염소 감소실험결과와 같이 정수장 유출이후 배수 지 체류시간동안 잔류염소가 소모되었기 때문이다. 이러한 수질특성으로 인하여 MS정수장에서는 정수 장~배수지 사이의 소모되는 잔류염소를 감안하고 또 한 배수지 이후 급배수관망의 체류시간을 고려하여 연중 0.8~1.2mg/L로 운전하고 있다. 이러한 결과로 정수장과 인접한 직접급수구역의 경우에는 과다한 잔 류염소 농도로 인한 민원이 발생하고, 간접급수구역 의 관말지점에서는 잔류염소가 부족할 우려가 있는 상황이다.

    따라서 본 연구에서는 MS정수장 계통전반에 걸쳐 적 절한 소독능을 확보하면서 공간적 농도편차를 줄이고 아울러 염소농도를 낮게 유지함으로써, 음용에 거부감 없는 수돗물 공급을 목적으로 하였다. 이를 위하여 주요 배수지에 재염소설비 및 관말 자동드레인 장치를 다음 <Table 1>, <Fig. 4>, <Fig. 5>와 같이 설치하였다.

    각 배수지별 재염소설비와 관말 자동드레인 장치의 설치위치는 <Fig. 2>의 수체반응계수실험 결과가 반 영된 관망해석 결과와 설치 가능 공간 분석을 통해 결정하였다. 수온이 높고 체류시간이 긴 수리조건의 관망해석 결과를 토대로, 배수지 추가염소 투입량을 산정하였고, 배수지 이후 관말과다체류시간 지점에는 정체수배제를 통하여 체류시간을 단축시키기 위하여 자동드레인 장치를 설치하였다. 재염소 설비와 자동 드레인 장치는 관망해석 및 실시간 수질감시설비와 연동되어 정수장의 통합관리시스템에서 원격으로 운 전될 수 있도록 구축되었다. 즉, 하절기 직결급수지역 관말 잔류염소 농도가 기준치 0.1mg/L이상을 유지하 는 조건으로 MS정수장 유출 잔류염소 농도를 축소시 키고, 이때에 각 배수구역 관말 잔류염소 농도가 0.1mg/L이상이 되는 조건으로 재염소설비와 자동드레 인 장치를 설치하도록 하였다.

    2.3.재염소설비 및 자동드레인 장치의 운영방법

    재염소설비 및 자동드레인 장치의 운영은 ① 정수 장 잔류염소 농도저감(CT값 고려), ② 배수지 재염소 주입, ③ 관말 자동드레인 작동 여부 결정의 단계로 진행하였다. 여기서, MS정수장 잔류염소 유출농도의 경우에는 직접급수지역 관말 잔류염소 농도가 기준치 인 0.1mg/L이상이 되는 범위내에서 단계적으로 조절 하였으며, 이때에 각 배수지 계통별 관말 잔류염소 농 도가 0.1mg/L이상을 유지할 수 있도록 재염소설비와 자동드레인 장치의 운전여부를 결정하였다.

    2.4.운영효과 분석 방법

    잔류염소 균등화는 충분한 소독능을 확보하면서도 최소화하여 음용에 거부감 없는 수돗물을 공급하고자 하는 것으로써 재염소설비 및 자동드레인 장치 운영 에 대한 효과분석 지표는 ① 정수장과 관말 사이의 잔류염소 농도범위 축소, ② 총염소 투입량 절감, ③ 소독부산물 생성량 저감의 3가지로 설정하였다. Table 2

    잔류염소 균등화 효과분석 지표에 대한 평가를 위 하여 2015년 10월의 재염소설비를 운영하지 않은 기 존운영 분석기간과 재염소설비를 운영한 적정운영 분 석기간으로 구분하였다. 그리고 분석대상 기간내 수 온변화 등 외부요인에 의한 영향을 감안하기 위하여 2014년도 10월의 동일한 시기에 대하여 기존운영 분 석기간과 적정운영 분석기간으로 구분하여 비교 분석 하였다.

    3.연구결과 및 고찰

    3.1.정수장과 배수지의 잔류염소 농도변화 분석 결과

    <Table 3>은 2014년 10월과 2015년 10월에 대한 기 존운영 분석기간과 적정운영 분석기간의 MS정수장 및 각 배수지 잔류염소 농도를 분석한 통계값이다. 2015년 10월에 재염소설비 및 자동드레인 장치 운영을 통해 MS정수장 평균 잔류염소 유출농도는 0.87mg/L에 서 0.69mg/L로 20.7% 감소하였고, 재염소설비 및 자동 드레인 장치 미운영시기인 2014년 10월의 자연적인 기 온저하에 의한 MS정수장 평균 잔류염소 유출농도가 0.90mg/L에서 0.85mg/L로 5.6%감소된 것을 감안하더 라도 크게 낮아져, 감시 관리지점 분산으로 보다 안정 적인 범위로 운영되고 있는 것을 알 수 있다.

    또한, MS정수장 및 각 배수지에서의 잔류염소 농도 에 대한 표준편차와 평균의 비를 의미하는 변동계수 를 분석한 결과 잔류염소 균등화를 시행한 2015년 10 월의 적정운영 분석기간이 기존운영 분석기간에 비해 모든 지점에서 크게 감소한 것으로 나타났다. 이는 MS정수장의 유출 잔류염소 농도 축소와 배수지에서 의 재염소설비 운영에 따른 2단계에 걸친 잔류염소 농도 제어를 시행함으로써 보다 안정적이고 균등한 수질의 수돗물을 공급할 수 있다는 것을 의미한다.

    3.2.정수장과 관말 사이의 잔류염소 농도 변화

    재염소설비 및 자동드레인 운영에 의한 잔류염소 균등화 효과를 분석하기 위하여 각 배수지계통별 재 염소설비 운영전, 후에 대한 잔류염소 농도의 공간적 분포변화를 분석하였다. 배수구역별로 재염소시설을 운영한 기간에 다소 차이가 있어, 비교가 용이한 구간 으로 기존운영 분석기간은 2015년 10월 6일 ~ 2015년 10월 15일, 적정운영 분석기간은 2015년 10월 16일 ~ 2015년 10월 30일로 구분하여 자료를 활용하였다.

    3.2.1.JS배수지 계통

    기존운영에 비해 MS정수장 잔류염소 농도를 0.87mg/L에서 0.69mg/L 감소시키는 대신 JS배수지 유 출 잔류염소 농도는 재염소설비를 이용하여 0.43mg/L 에서 0.49mg/L로 증가시켰다. 그 결과 관말 잔류염소 농도는 기존에 0.32mg/L로 과다하게 유지되던 농도를 0.16mg/L까지 낮출수 있었고 정수장과 관말사이의 잔 류염소 농도범위는 0.55mg에서 0.53mg/L로 큰 차이가 없었으나, 전체 조사지점의 평균 잔류염소 농도는 38%가 감소되는 효과를 보였다.

    3.2.2.GT배수지 계통

    GT배수지의 경우에는 재염소설비를 설치하였으나, 조사기간에는 관말 잔류염소 확보에 문제가 없어 추 가적인 염소주입을 시행하지 않았다. 하지만, MS정수 장 잔류염소 유출농도 저감에 의해 정수장과 관말사 이의 잔류염소 농도범위는 기존운영 기간에 비해 3.6% 감소하였고, 평균 잔류염소 농도도 24.7% 감소 되는 효과가 나타났다.Fig. 7Fig. 8Fig. 9

    3.2.3.TH배수지 계통

    TH배수계통의 경우 배수지에 재염소설비, 관말에 자동드레인 장치를 모두 설치하였고, 기존운영에 비 해 MS정수장 잔류염소농도는 0.87mg/L에서 0.69mg/L 감소시키는 대신 TH배수지 유출 잔류염소 농도는 재 염소설비를 이용하여 0.20mg/L에서 0.42mg/L로 증가 시켰다. 이러한 상황에서 관말 잔류염소 농도가 수도 꼭지 수질기준(0.1mg/L)에 미달하여 일시적으로 약 1.15㎥/hr의 드레인을 시행하였다. 그 결과 정수장과 관말 사이의 잔류염소 농도범위는 0.75mg/L에서 0.59mg/L로 21.3% 감소하고 평균 잔류염소 농도도 21.3% 감소되는 효과를 얻었다.

    3.2.4.BW배수지 계통

    BW배수지에는 재염소설비를 설치하지 않았지만, MS정수장 잔류염소 농도 저감에 의해 정수장과 관말 사이의 잔류염소 농도범위는 기존운영 분석기간에 비 해 22.9% 감소하였고, 평균 잔류염소 농도도 26.6%감 소되는 효과가 나타났다.Fig. 10Fig. 11

    3.2.5.직접급수지역

    직접급수지역의 경우에는 MS정수장에서 처리된 수 돗물이 배수지를 거치지 않고 수용가에 공급되는 지 역이다. 이 경우에도 관로상에 재염소설비를 설치할 수 있지만, 연구대상지역의 경우에는 직접급수지역이 넓고 배수관망이 망목식으로 구성되어 있어 재염소설 비의 설치가 용이하지 않았다. 다만, 직결급수지역의 관말일부가 급수조정을 통하여 타 배수구역으로 변경 됨에 따라 조사지점 말단의 농도는 0.47mg/L로 다소 높았으며 이는 향후 타 배수지 재염소시설과 연계하 여 점진적으로 낮출 수 있을 것으로 판단된다. 정수장 과 관말 사이의 잔류염소 농도범위는 기존운영 분석 기간에 비해 29.0% 감소하였고, 평균 잔류염소 농도 도 23.2% 감소되는 효과가 나타났다. Table 4Table 5

    3.2.6.정리

    MS정수장 잔류염소 유출농도는 감소시켰음에도 불 구하고, 재염소설비나 자동드레인 장치를 운영함으로 써 전 공급과정에 대하여 잔류염소 수질기준 0.1mg/L 이상을 유지함으로써 소독능을 확보할 수 있었다. 이 러한 결과는 잔류염소 균등화 효과분석 지표로 확인 할 수 있었으며, 각 배수지계통별 정수장과 관말 사이 의 잔류염소 농도범위 축소효과는 다음 <Table 4>와 같이 나타났다.

    재염소설비가 설치되어 있는 JS배수지와 TH배수지계 통 뿐만 아니라 재염소설비가 설치되어 있지 않은 계통에 서도 정수장과 관말 사이의 잔류염소 농도범위 축소 효과 가 나타났으며, 특히 정수장 농도를 낮춤에 따라 직접급수 구역의 농도를 저감시킬 수 있었으며 MS정수장 계통 전체적으로 약 16.0% 감소한 것으로 산정되었다.

    3.3.총염소 투입량 저감효과 분석결과

    잔류염소 균등화는 정수장에서의 총 투입농도를 줄 이고, 개별 재염소시설에서 필요량 만큼 추가함에 따 라 일부 관말지역에 과다한 농도로 공급하던 문제를 해소시킬 수 있다. 비교기간에 배수지에서 추가로 주 입된 염소량은 일공급 유량대비 JS배수지 0.35kg/d, TH배수지에서 1.26kg/d였다. 반면에 MS정수장 잔류 염소 농도 감소에 의해 염소주입량은 당초 60.21kg/d 에서 47.75kg/d로 크게 감소시킬 수 있었으며, 기존운 영 분석기간 대비 총염소 투입 저감량은 10.85kg/d으 로써 약 18.0%의 염소를 저감시킬 수 있었다.

    3.4.소독부산물 생성량 저감효과 분석결과

    <Table 6>은 잔류염소 균등화 전후에 관로상의 소 독부산물(THMs)을 측정한 결과이다. 기존운영 분석기 간 대비 적정운영 분석기간의 THMs 농도는 19.5%저 감된 것으로 측정되었다. 이는 잔류염소 균등화를 위 해 MS정수장 유출 잔류염소 농도를 0.87mg/L에서 0.69mg/L로 크게 감소시켜 운영하였기 때문이며, 초기 염소주입량이 증가할수록 THMs발생이 증가한다는 연구결과와도 일치하였다.

    4.결 론

    본 연구에서는 잔류염소 균등화를 위하여 MS정수 장계통에 대하여 배수지 재염소설비와 관말 자동드레 인 장치를 설치하여 잔류염소 균등화 시행 전ㆍ후에 대하여 비교ㆍ분석하였다. 그 결과 ① 정수장과 관말 사이의 잔류염소 농도범위 축소는 16.0%, ② 총염소 투입량 절감은 18.0%, ③ 소독부산물 생성량 저감은 19.5%로 산정되었으며, 이는 배수지 재염소 설비와 관말 자동드레인장치를 설치ㆍ운영함으로써 공급과 정에서의 잔류염소 균등화를 충분히 달성할 수 있다 는 것을 보여준다.

    본 연구에서의 재염소설비 및 자동드레인 장치가 2015년 10월에 한하여 운영되었다는 점을 감안하면, 잔류염소 감소속도가 높은 하절기에 운영되었을 경우 에는 더 좋은 결과를 나타낼 수 있을 것으로 예상할 수 있을 것이다. 이와 같이 본 연구에서 제시한 3가지 지표는 재염소설비 및 자동드레인 장치 운영에 따른 잔류염소 균등화 효과분석 지표로 충분히 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

    하지만, 본 연구에서 산정한 “정수장과 관말 사이의 잔류염소 농도범위 축소”의 경우에는 하나의 시점에 서의 공간적인 잔류염소 균등화이며, 원수변화, 수온 변화, 수요량 변동 등에 의한 시간적인 잔류염소 균등 화는 산정하지 못하였다. 향후, 본 연구에서 제시한 3 가지 잔류염소 균등화 효과분석 지표 뿐만 아니라 시 간적인 잔류염소 균등화 지표도 함께 사용하고, 잔류 염소 수체반응계수 산정시 수온 이외에 TOC, 전기전 도도, pH 등의 잔류염소 감소 영향인자들을 추가적으 로 고려한다면 잔류염소 균등화를 위한 재염소설비 및 자동드레인 장치 운영 효율성을 보다 증대시킬 수 있을 것으로 판단된다.

    사 사

    본 연구는 환경부 “글로벌탑 환경기술개발사업 (2016002120005)”으로 지원 받은 과제입니다.

    Figure

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    Water supply system status of P city.

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    Reducing the residual chlorine concentration by bulk reaction (25℃)

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    Status for residual chlorine concentration deviation between MS WTP and Reservoir.

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    Installation location for rechlorination and autodrain equipment

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    Installation pictures for rechlorination and autodrain equipment.

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    Effectiveness analysis for residual chlorine equalization in JS Reservoir system.

    JKSWW-30-587_F8.gif

    Effectiveness analysis for residual chlorine equalization in GT Reservoir system.

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    Effectiveness analysis for residual chlorine equalization in TH Reservoir system.

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    Effectiveness analysis for residual chlorine equalization in BW Reservoir system.

    JKSWW-30-587_F11.gif

    Effectiveness analysis for residual chlorine equalization in Directly supply area.

    Table

    Installation and operation status for rechlorination and autodrain equipment in 2015

    Analysis period for existing and proper operation

    Analysis results of residual chlorine concentration at MS WTP and each Reservoir

    Analysis results for concentration range reduction of residual chlorine between MS WTP and Critical point.

    Analysis results for total reduction of chlorine dose

    Analysis results for THMs formation reduction

    References

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