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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.36 No.4 pp.273-279
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2017.31.4.273

Chromaticity removal by chlorine and ozone oxidation in water treatment

Jeonghoon Lee1,2, Jinkeun Kim1*
1Dept. of Environmental Engineering, Jeju National University
2Jeju Province Development Corporation
Corresponding author: Jinkeun Kim(kjinkeun@jejunu.ac.kr)
20160516 20160704 20170801

Abstract

Optimal processes to remove chromaticity at E water treatment plant(WTP) mainly caused by algae of E lake in Jeju island were investigated based on lab-tests of chlorine and ozone oxidation. 42.9% of chromaticity of filtered water was removed by chlorine oxidation under pH 7.0∼8.0, dose of 1.0 mg/L with contact time of 30∼60 min. On the other hand, chromaticity removal was 71.4% when post-ozone dose of 0.9∼1.9 mg/L and pH 9.0, while it was increased to 86.7% under post-ozone dose of 3.1∼7.3 mg/L and pH 9.0. However, there was no significant chromaticity removal efficiency increase when ozone doses were higher than 5.0 mg/L regardless of feeding point(i.e., pre-ozonation and post-ozonation) and pHs(i.e., 7.0 and 9.0.) under the experimental conditions. Based on the results, chlorine oxidation using existing chlorination facilities at the WTP is recommended for lower chromaticity while ozone oxidation is recommended for higher chromaticity by installing new ozone feeding facilities.


상수처리에서 염소 및 오존산화를 이용한 색도제거

이 정훈1,2, 김 진근1*
1제주대학교 환경공학과
2제주도개발공사

초록


    1.서 론

    자연수는 조류, 천연유기물질(NOM, natural organic matter), 망간 등에 의해서 색을 띨 수 있는데, 이를 나 타내는 지표가 색도이다. 색도는 일반적으로 지표수 중에서도 정체된 호소수나 습지대에서 높게 나타나 며, 강과 하천에서는 지표를 흘러가면서 일어나는 자 정작용이나 산화반응 등에 의해서 색도가 일부 제거 되어 상대적으로 낮게 나타난다. 일반적인 정수처리 공정(취수-응집-침전-여과-소독)에서 주요 제거대상 물질은 입자물질이므로, 용존성 물질인 색도 성분은 제거율이 낮아 색도가 높은 물은 정수장의 상수원수 로서 좋다고 할 수 없다(Yu and Cho, 2005).

    수돗물에서의 색도 발생은 수질에 대한 안전성보다 는 소비자에게 심미적으로 부정적인 영향을 주어 수 돗물에 대한 전반적인 신뢰도 저하를 유발할 수 있다. 즉, 사람이 눈으로 인지 할 수 있을 정도의 색도가 나 타나는 물은 음용수로서 안전하지 않다고 할 수는 없 지만 소비자로 하여금 색도로 인한 수돗물의 신뢰도 를 떨어트릴 우려가 있다.

    색도는 수생생물, 무기화학물질, 미네랄, 금속물질 (망간, 철 등), 토양, 식물 등에 기인한 유기물질의 분 해반응 등에서 발생 할 수 있으며, 수중에서의 색도는 겉보기 색도(apparent color)와 진색도(true color)로 구 분한다(AWWA, 2010). 색도의 먹는 물 수질기준은 5 도 이하이며, 시험결과 표시한계는 1 도, 시험결과 표시 자릿수는 ‘0’의 자리수이다(MOE, 2015b). 색도는 수질 오염공정시험기준 주해에 제시되어 있는 방법으로 0.45 μm 유리섬유여과지(GF/C)를 이용하여 여과 후 측정한 값, 즉 진색도를 의미한다.

    수중의 조류 또한 색도 발생의 원인이 될 수 있다. 조류(algae)는 수중에서 부유하면서 엽록소-a로 광합성 을 통해 생식하는 식물성 플랑크톤을 말한다(MOE, 2015a). 조류에 의한 색도는 1차적으로 조류 체내에 가지고 있는 색소에 의해서 발생된다. 이뿐만 아니라 조류에 의해 분비되는 대사산물에 의해서도 나타난 다. 수질오염공정실험기준에서 규정한 색도측정방법 에 의하면 조류 체내에서 나타내는 색은 0.45 μm GF/C에 여과되지만 조류의 대사산물은 GF/C를 통과 하여 색도를 나타낼 것이다. 조류체내에서 나타내는 색에 비해서는 적은 양이지만 색을 낸다는 의미에서 매우 중요하다. 또한 조류 개체수에 따라서 색도의 차 이가 뚜렷이 달라지며, 조류의 종에 따라서도 달라질 수 있다.

    제주도의 대표적인 지표수 상수원인 E저수지는 준 공후 약 45년간 사용하고 있어, 호소내 퇴적물에 의한 오염물질의 용출 및 영양염류의 지속적인 유입 등에 기인한 부영양화현상과 이에 기인한 조류개체수 증 가, 색도 증가 현상 등이 발생 할 수 있다. 실제 2013년 3월에는 E저수지에서 색도가 40 도 이상으로 높게 측 정되어 수질저하 현상이 일어났으며 이러한 현상이 반복적으로 발생한다면 정수장에서 색도제거에 대한 대책이 필요할 것으로 판단되었다. 제주도 E저수지의 경우 색도, 조류개체수, Chl-a, TOC, 철, 망간, 탁도, SS 등의 다양한 수질항목을 모니터링하고 수질인자간 의 상관관계를 분석한 결과 E저수지의 색도 발생은 조류 개체수와 가장 상관성이 높은 것으로 조사되었 다(JPWRH, 2015; Lee, 2016).

    본 연구에서는 제주도 E정수장에 유입된 색도물질을 처리하기 위한 방안으로 현재 E정수장에서 운영중인 염 소 산화처리방법과 추가적인 대안공정으로 고려할 수 있 는 오존 산화처리방법을 통해 색도제거에 관한 lab-test를 실시하고 색도제거율을 비교 분석하여 E정수장에 적합 한 처리공정 및 운전조건을 제시하고자 하였다.

    2.연구대상 및 방법

    본 연구에서는 최대 저수용량이 100,000 m3인 제주 도 E저수지를 상수원으로 하는 E정수장(Q=15,000 m3/d)에서 원수의 색도를 제거하기 위한 추가 공정과 최적 운전 조건을 연구하였다.

    E저수지는 최대수심이 7.5 m, 만수위가 해발 596 m 로 제주도 한라산 중턱에 위치하고 있으며 대부분 용 천수를 저수하여 집중호우기를 제외하면 원수의 탁도 가 매우 낮은 수준으로 유지되고 있다. 시료수는 E저 수지에서 색도가 상대적으로 높은 수심 1 m에서 채수 하였다(JPWRH, 2015; Lee, 2016).

    E장수장의 수처리 공정은 고탁도시기를 제외하고 는 대부분 응집제 주입없이 압력식 급속모래여과기를 이용하여 입자물질을 제거하고, 후속되는 완속여과지 에서 입자물질, 유기물 등을 제거하는 공정으로 구성 되어 있다. 이후 여과수는 차아염소산칼슘(Ca(ClO)2) 으로 소독한 후 정수지를 통해 자연유하방식에 의해 수용가에 공급하고 있다(JPWRH, 2015).

    본 연구에서 색도제거 효율평가는 염소산화와 오존 산화에 대해서 실시하였다. 염소산화 실험은 E정수장 에서 사용되는 고상의 차아염소산칼슘을 대신하여 액 상의 차아염소산나트륨(NaOCl)을 사용하여 실시하였 다. E정수장에서 완속여과지 유출수를 대상으로 염소 소독을 실시하는 현장 여건을 고려하여, 본 연구에 사 용한 시료 또한 E저수지 원수를 0.45 μm GF/C로 여과 하여 사용하였다.

    염소산화 실험은 먼저 차아염소산나트륨을 100 mg/L으로 제조하고 여과한 시료 100 mL를 둥근바닥 플라스크에 옮겨 담은 후 유리잔류염소 농도 기준으 로 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.8, 1.0, 1.5 mg/L가 되도록 주입 하였다. 주입 후에는 주입구를 밀봉하여 균일하게 섞 고 30분간 정치 한 후 잔류염소 농도와 색도를 측정 하였다. 같은 방법으로 NaOH와 황산을 이용하여 pH 를 7.0, 8.0, 9.0 조건으로 만든 후 pH에 따른 색도제거 와 염소소모량에 대한 실험을 실시하였다. 또한 접촉 시간에 따른 색도제거율과 염소소모량을 알아보기 위 하여 유리잔류염소 주입농도 1.0 mg/L에서 접촉시간 을 1, 3, 5, 10, 20, 30, 60, 120분으로 나누어 위와 같은 방법으로 실험을 하였다. 잔류염소의 측정은 pocket colorimeter(HACH, USA)를 사용하여 실시하였다(Lee, 2016).

    오존산화 실험은 원수를 대상으로 하는 전오존과 여과수를 대상으로 하는 후오존으로 구분하였다. 이 를 위해 원수를 0.45 μm GF/C 여과 전후로 나누어 실 험을 실시하였다. 또한 pH의 변화에 따른 산화효율 비교 평가를 위하여 pH 7.0, 9.0 조건에서 색도 제거 율을 분석하였다. 오존농도의 측정은 Standard methods 에 제시되어 있는 KI방법을 이용하여 측정하였으며 (APHA et al., 2012), 오존발생기는 Ozonia사의 LAB2B 를 사용하였다.

    오존산화 실험은 두 단계로 나누어 진행하였으며, 첫 번째 단계에서는 오존발생기에서 발생하는 오존의 발 생량이 같은 압력조건에서 동일하게 발생되는지를 평 가하기 위한 재현성 평가 실험을 실시하였고, 두 번째 단계는 발생된 오존이 시료 안에 얼마만큼 용해되어 색 도를 제거하는지에 대한 본 실험을 실시하였다. 용해되 어 산화반응을 일으키는 오존의 양은 재현성 실험에서 얻은 오존량에서 본 실험에서 용해되고 나온 배오존의 차이로 산출하였다. 오존발생기를 가동하였을 때 말단 까지 배오존이 발생하는지를 알아보기 위하여 실험장 치 말단에는 500 mL 매스실린더에 증류수 490 mL를 넣고 제조한 KI용액 10 mL를 넣어 500 mL로 하고 황산 용액 2.5 mL를 주입하여 색의 변화를 관찰 하였다. 또한 각 플라스크에 오존 주입구에는 디퓨져를 연결하여 오 존이 시료와 KI용액에 잘 용해될 수 있게 하였다. Fig. 1은 오존실험 장치 모식도이다.

    3.결과 및 고찰

    3.1.염소산화 처리를 이용한 색도제거

    E정수장에서의 염소산화는 소독을 위한 후염소처 리 공정이며 정수지 전단에서 실시되고 있다. 따라서 본 연구에서도 현장 여건을 감안하여, 원수를 0.45 μm GF/C에 여과한 시료를 대상으로 차아염소산나트륨 (NaOCl)의 주입률을 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.8, 1.0, 1.5 mg/L로 하고 염소와의 접촉시간을 30분으로 하면서 pH 변화에 따른 색도 제거율을 평가하였다.

    Table 1은 원수수질 및 실험조건을 나타내고 있으 며, Table 2, 3, 4는 각각 pH 7.0, 8.0, 9.0에서의 염소주 입률, 잔류염소, 염소소모량, 색도, 색도 제거율이며 Table 5는 pH 8.0, 염소주입농도 1.0 mg/L의 동일 조건 에서 접촉시간에 따른 잔류염소, 염소소모량, 색도, 색 도제거율에 대한 결과표이다.

    Fig. 2에서 색도 제거율은 염소의 주입농도가 증가할 수록 pH가 낮을수록 증가하는 것으로 나타났다. 염소주 입농도가 높을수록 양호한 제거율을 나타냈지만 주입 농도를 1.0 mg/L이상으로 하였을 경우에는 색도제거율 의 변화가 미미한 것으로 나타났다. pH 7.0, 8.0, 9.0에서 의 색도 제거율을 평가한 결과, pH가 7.0일 때 색도제거 율이 상대적으로 좋은 것으로 나타났다. 이는 pH가 낮 을수록 OCl- 보다 HOCl의 비율이 높아지기 때문에 산화 력이 상승하여 나타나는 결과로 판단된다.

    한편, Fig. 3은 pH와 염소주입농도 변화에 따른 염 소소모량을 나타내며, 동일 염소주입농도에서 pH가 낮을수록 염소소모량이 증가하였는데, 이는 pH가 낮 을수록 염소의 산화력이 증가하여 색도제거율이 증가 됨에 따라 나타나는 현상이라고 판단된다.

    접촉시간에 따른 색도제거 효율을 나타낸 Fig. 4에 서는 접촉시간이 60분 이상일 경우에는 뚜렷한 색도 의 변화가 없는 것으로 나타났다. 따라서, 실험조건에 서 E정수장에 적용 가능한 최적주입농도는 1.0 mg/L 이며, 최적접촉시간은 30∼60분으로 판단되며, 이때 색도제거율은 42.9%로 분석되었다.

    한편, 실제 정수장에서 염소산화를 통해 색도를 제 거할 경우에는 후염소 공정뿐만 아니라 전염소주입 공정을 통해서도 일정 부분 대응이 가능하므로, E정 수장의 경우 원수의 색도가 10 도 정도까지는 염소산 화를 통하여 먹는물 수질기준인 5 도 이하 수준으로 생산할 수 있을 것으로 판단된다.

    3.2.오존산화 처리를 이용한 색도제거

    오존산화 실험은 원수를 사용하여 pH, 오존주입농 도, 주입지점(여과 전・후) 변경 등에 따른 색도 제거 율을 비교하였다. Table 6, 7은 pH 7.0 조건에서 각각 여과 전·후의 오존주입농도에 따른 색도와 색도제거 율을 나타내었으며 Table 8, 9는 pH 9.0 조건에서 각 각 여과 전·후의 오존주입농도에 따른 색도와 색도제 거율을 나타내었다.

    Fig. 5는 pH 7.0에서 전오존 및 후오존 산화에서 오 존 주입률별 색도 제거율을 나타내고 있다. 오존의 주 입률이 증가할수록 색도 제거율은 증가되었으며, 후 오존의 경우가 전오존의 경우와 비교하여 색도 제거 율이 높았는데 이는 후오존 처리의 경우 여과공정을 통해 피산화물질의 농도가 감소함에 따라 상대적으로 색도 제거율이 향상되는 것으로 판단된다. Fig. 6은 pH 9.0에서의 전오존 및 후오존 산화에서 오존 주입 률별 색도 제거율을 나타내며, pH 7.0 조건에서의 실 험과 유사한 결과를 나타내고 있다. 한편 pH 7.0, 9.0 에서 색도 제거율을 비교하면, 염소산화 실험과는 반 대로 pH가 높을수록 색도 제거율이 증가하는 것으로 나타났다.

    한편, 오존의 주입농도가 3.0 mg/L 이상이 되면 pH 7.0, 9.0 두 조건에서 모두 색도제거율이 71.43% 이상 이 되는 것을 알 수 있었다. 색도 제거율이 가장 높은 조건인 pH 9.0에서는 후오존주입 농도가 0.9∼1.9 mg/L에서는 색도가 71.43%가 제거되었으며, 후오존주 입 농도가 3.1∼7.3 mg/L에서는 85.71%가 제거되었다.

    3.3.염소 및 오존산화를 이용한 색도제거 효율 비교 및 현장 적용방안

    여과수에 대한 염소산화와 오존산화를 이용한 색도 제거율은 주입농도 1.0 mg/L, pH 7.0 조건에서 각각 42.9%, 57.1%로 나타났다. 산화제 주입농도를 0.5 mg/L로 낮추었을 때는 염소산화는 14.3%, 오존산화는 약 50%의 색도제거율을 나타냈다. 또한 산화제 농도 를 1.0 mg/L 이상으로 주입했을 경우 염소산화의 경 우 42.9%에서 더 이상 증가하지 않았으나 오존산화의 경우는 약 85.7%까지 제거율이 상승하였다.

    색도제거 효율은 동일 실험 조건에서 오존산화가 염 소산화에 비하여 우수한 것으로 분석되었다. 하지만 연 구대상인 E정수장의 경우 오존주입 설비가 설치되어 있지 않으므로 오존산화공정을 신규로 도입하기 위해 서는 초기 설치비 및 운전비용 등이 고려되어야 할 것 이다. 염소산화의 경우에는 E정수장에서 기존에 소독 용도로 시설을 운영하고 있으므로 추가적인 시설이 필요 없어 경제적인 측면에서도 유용한 방법으로 판단 된다. 따라서 저농도의 색도가 유입될 경우에는 기존에 설치된 염소산화공정의 효율화를 통해서 대응하고 고 농도의 색도가 유입 될 경우 오존산화 공정의 도입을 검토하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

    4.결 론

    본 연구에서는 제주도 E저수지에 발생한 색도를 E 정수장에서 제거하기 위해서 염소 및 오존산화 lab-test를 통해 색도제거율을 평가하고 적합한 정수처리공정을 도출하고자 하였으며, 결론은 다음과 같다.

    • 1) 염소산화처리를 이용한 색도제거 실험 결과 최 적주입농도는 1.0 mg/L이며, 접촉시간은 30∼60분으 로 나타났다. 최적 염소주입농도와 접촉시간에서 pH 7∼8 조건이라면 여과수의 색도를 42.9% 제거할 수 있을 것으로 분석되었다.

    • 2) 오존산화에서는 전·후오존과, pH 7.0, 9.0 조건에 서 모두 주입농도가 5.0 mg/L이상에서는 색도 제거율 에 대한 큰 변화는 없는 것으로 분석되어, 정수처리공 정에 적용할 때에는 오존주입농도를 5.0 mg/L이하로 설정하는 것이 운영 효율화 측면에서 타당할 것으로 판단된다.

    • 3) 색도제거율이 가장 높은 오존산화 실험조건은 pH 9.0, 후오존처리에서 나타났으며 pH 9.0, 후오존주 입 농도가 0.9∼1.9 mg/L에서는 색도가 71.4%가 제거 되었으며, 후오존주입 농도가 3.1∼7.3 mg/L에서는 85.7% 제거되었다.

    • 4) E정수장에서 10도 이하의 색도가 유입될 경우에 는 현 정수처리공정(염소산화)의 효율화(주입농도 증 가, 주입지점 다변화 등)를 통해서 대응이 가능하지만 10도 이상의 색도가 유입될 경우에는 오존산화 공정 의 도입을 적극적으로 검토할 필요가 있는 것으로 판 단된다.

    사 사

    이 논문은 2017학년도 제주대학교 교원성과지원사 업에 의하여 연구되었음

    Figure

    JKSWW-31-273_F1.gif

    Schematic of ozone experimental system.

    JKSWW-31-273_F2.gif

    Chromaticity removal with NaOCl dosage(0.3∼1.5 mg/L) and pH(7.0∼9.0).

    JKSWW-31-273_F3.gif

    Chlorine consumption with NaOCl dosage(0.3∼1.5 mg/L) and pH(7.0∼9.0).

    JKSWW-31-273_F4.gif

    Chromaticity changes under various contact times (pH=8.0, chlorine dosage=1.0 mg/L).

    JKSWW-31-273_F5.gif

    Chromaticity removal with pre-ozonation and postozonation( pH 7.0).

    JKSWW-31-273_F6.gif

    Chromaticity removal with pre-ozonation and postozonation( pH 9.0).

    Table

    Raw water qualities and experimental conditions

    Experimental results of chlorination at pH 7.0

    Experimental results of chlorination at pH 8.0

    Experimental results of chlorination at pH 9.0

    Experimental results with contact time(pH-8.0)

    Chromaticity removal with pre-ozonation(pH 7.0)

    Chromaticity removal with post-ozonation(pH 7.0)

    Chromaticity removal with pre-ozonation(pH 9.0)

    Chromaticity removal with post-ozonation (pH 9.0)

    References

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