상하수도공학

1. 상하수도공학 담당교수명: 서 영 민 연 락 처 : elofy@naver.com

2. 5) 정수장 시설 5-4) 소독법

3. 염소 살균법 □ 염소살균법 - 정수 시 염소를 투입하여 병원균및 병원성 바이러스를 살균하는 방법 - 상수도용으로 가장 많이 사용 - 다른 소독 방법에 비해 경제적이며 지속성이 있음 (상당 기간 동안 소독의효과가 유지됨) - 급수관에서는 항상 0.2mL/L 이상의 잔류 염소가 남도록 염소를 주입 □ 염소의 특징 - 가격이 저렴하며, 조작이 간단하고 살균력이 강함 - 살균 이외에 산화제로도 이용됨 - 살균 지속성이 있음 - 물 속에 암모니아가 존재하거나 물의 pH가 높은 경우,살균효과가 감소 - 수중에서 유리잔류염소와 결합잔류염소 형태로 존재함 - 염소 살균을 통해 발암 물질인 트리할로메탄 (THM)을 생성시킬 가능성이 있음

4. 염소 살균법 □ 염소의 성질 - 물에 염소를 주입하면,물과 반응 (가수분해)하여 차아염소산(HOCl)이 생성됨 Cl2 + H2O HOCl + H+ +Cl- - 차아염소산은pH가 상승하면,다시 차아염소산 이온 (OCl-)과수소이온 (H+)으로 분해됨 HOCl H+ + OCl- - 이때, 물 속에서 살균력이 강한 차아염소산(HOCl)과차아염소산 이온 (OCl-)을유리잔류염소라고 함 - 염소 소독 시 살균효과를 지속시키기 위해서는 잔류염소가 물 속에 어느 정도 남아있도록 더 많은 양의 염소를 주입해야 함

5. 염소 살균법 □ 유리 잔류염소의 특징 - 차아염소산(HOCl)과 차아염소산 이온 (OCl-)을유리 잔류염소라 함 - pH 5 이하에서는 염소 분자 (Cl2)의 형태로 존재함 - 차아염소산(HOCl)이차아염소산 이온 (OCl-)보다 살균력이 약 80배 정도강함 - 대장균의 살균을 위한 필요 농도는 차아염소산0.02ppm, 차아염소산이온 2ppm정도 - 차아염소산은 장기간 살균력이 지속되는 성질 (살균 지속성)을 가짐 - 차아염소산으로 인해물에 특유한 냄새가 나는 문제점이 있음 - pH 10인 경우는pH 5인 경우보다염소 주입량이 약 150배 더 많이 소요됨

6. 염소 살균법 □ 염소요구량과 결합 잔류염소 - 염소요구량: 염소를 주입하여 일정한 시간 접촉 후,유리잔류염소를 물 속에 유지하는데 필요한 염소량 - 염소 주입량과 잔류염소량의 관계 (잔류염소곡선) 1) I 형 - 증류수에 염소를 주입할 때,염소요구량이 0인경우- 잔류염소량은 염소주입량에 비례  염소 주입량과 동일한 잔류염소가 생성됨 2) II 형 - 물이 어느 정도의 유기물이나 산화되는 무기물을 포함하는 경우임- 염소요구량이 존재하는 경우로서 일반적으로 수돗물은 이 경우에 속함 파괴점 이후부터 염소 주입량에 비례하여잔류염소가 물 속에 생성됨  물 속에 잔류염소가존재하기 위해서는파괴점 이상으로염소를 주입해야 함

7. 염소 살균법 3) III 형 - 전염소처리 시에 나타나는 유형으로서 암모니아 화합물을 많이 포함한물에서나타남(* 전염소처리: 여과공정 전에 염소를 주입하는 처리방법) - 파괴점(break point, 연속점) • 잔류염소곡선에서 유리잔류염소가 본격적으로 출현하기 시작하는 점• 염소 주입에 의해서 살균작용이 실질적으로 시작되는 점 - 파괴점 염소처리법 (break point chlorination) • 암모니아성 질소와 유기물을 염소로 분해시 필요한 양보다 더 많은 염소를 주입 (파괴점 이상의 염소를 주입)하는 처리방법 • 결합잔류염소를 질소, 이산화질소가스로 분해하고,소독력이 강한 유리 잔류염소가물 속에 나타나도록 하기 위해실시 (* 결합잔류염소: 수중의 암모니아성 질소에 염소가 결합해서 생긴 클로라민과같은염소 화합물이물 속에 남아 잔류염소가 된 것)

8. 염소 살균법 □ 염소요구량 및 염소요구량 농도 염소주입농도 = 염소요구량 농도 + 잔류염소농도 (* 염소요구량 농도: 물을 염소로 소독하여 살균하는데 필요한 염소 농도)  염소요구량 농도 = 염소주입농도 – 잔류염소농도 (농도: mg/L) 염소요구량 = 염소요구량 농도 × 유량 × 1/순도 (염소요구량: kg/day) [예제] 1일 물 공급량이 5000m3/day이다. 이 수량을 염소처리 하기 위하여 60kg/day의 염소를주입한 후,잔류염소농도를 측정하였더니 0.2mg/L였다. 이때 염소요구량 농도를 구하라.

9. 염소 살균법 [예제] 처리수량이 6000m3/day인 정수장에서 염소를 6mg/L의 농도로 주입할 경우, 잔류염소농도가 0.2mg/L였다. 염소의 순도가 75%일경우, 염소요구량을구하라.

10. 염소 살균법 □ 염소의 주입량과 살균효과 - 염소주입량 (염소요구량+잔류염소량)은 평상 시 관말에서유리잔류염소량이항상 0.2ppm 이상이 되도록 주입해야 함 - 염소살균의 주체는 차아염소산(HOCl)과 차아염소산 이온 (OCl-)임 - 수질특성에 따른 염소의 살균효과 • 살균력은 차아염소산(HOCl) > 차아염소산이온(OCl-) > 클로라민(chloramine) • 물의 pH가 낮은 쪽이 살균 효과가 높음 • 접촉 시간이 길수록 살균효과는 커짐 • 염소의 농도가 증가하면 살균력도 증가함 • 혐기성 세균에 대해서는 염소의 효력이 없음 • 수온이 높을수록 염소 및 클로라민의 살균력은 증대함 • 산도는 살균효과를 증대시키고,알칼리도는 살균효과를 감소시킴 • 산화가능 물질 (철, 망간)은 살균효과를 감소시킴 • 수중의 부유 고형물은 염소의 효과를 저하시킴

11. 염소 살균법 □ 부활현상 (after growth) - 염소 소독 시 세균이 사멸되었다가, 일정 시간 경과 후물 속에 염소 성분이 없어진 이후에다시 세균이 증가하는 현상 - 그 원인은 불분명하나 염소 소실로 아포성(cyst) 세균이 증식하면 세균을잡아먹는 수중생물이 없어지고 조류가 사멸되어 영양원이 됨으로써 세균이급속히 증가 □ 클로라민(결합잔류염소) - 암모니아를 포함하고 있는 물에 염소를 주입하면,염소와 암모니아 질소가결합하여 클로라민이 생성클로라민을결합염소 또는 결합잔류염소라고 함 - 클로라민의 생성 반응은 물의 pH에 따라 세 가지 형태로 분류됨 pH 8.5 이상: NH2+ HOCl NH2Cl (모노클로라민, monochloramine) + H2O pH 4.5 – 8.5: NH2Cl + HOCl  NHCl2 (다이클로라민, dichloramine) + H2O pH 4.5 이하: NHCl2+ HOCl  NCl3 (트리클로라민, trichloramine) + H2O

12. 염소 살균법 - 클로라민의특징 • 살균 시 30분 이상의 접촉시간을 필요로 함 • 차아염소산(HOCl)보다 살균력이 약하여 주입량이 많이 요구됨 •살균 후 물에 맛과 냄새를 주지 않고,살균작용이 오래 지속됨 •세균이나 바이러스에 대한 소독력이 비교적 약하나, 후염소처리로서 사용할 수 있음

13. 염소 살균법 □ 트리할로메탄 (THM) - 염소가 천연 유기물과 결합하여 트리할로메탄 (trihalomethane, THM)을 생성 -발암물질로 알려져 있음 트리할로메탄이 생성되지 않으려면,원수에 가능한 한 유기물이 적게 포함되어야 함!! - 클로라민을 사용한 소독에서는 트리할로메탄이 생기지 않고 파괴점을넘지 않도록염소처리를 함 - 전염소처리를 하지 않고 약품침전과 침전 및 활성탄 흡착으로 처리하는 것이 좋음

14. 전염소처리법 □ 전염소처리 - 여과공정 전에 염소를 주입하는 처리공정 - 원수가 심하게 오염되어 1)세균, 암모니아성 질소 (NH4-N)와각종 유기물을포함함으로써침전, 여과의 정수만으로는 제거되지 않는 경우나 2)철 (Fe), 망간(Mn)을 제거할 경우 적용 - 완속여과방식에서는 염소가 여과막 생물에 악영향을 미치므로 원칙적으로적용하지 않음 - 전염소처리의 목적 •일반 세균이 1mL 중 5,000 이상또는 대장균군이100mL 중 2,500 이상존재할 경우,1)물의 세균을 감소시켜서 수질 안정성을 높이거나,2)침전지나 여과지를 위생적으로 유지 •조류, 세균 등의사멸 및번식 방지 •원수 중에 용존하고 있는 철, 망간을 산화 제거 •암모니아성 질소, 황화수소 (H2S), 아질산성 산소, 페놀류, 유기물을산화 제거

15. 5) 정수장 시설 5-5) 고도정수처리

16. 고도정수처리 □ 고도정수처리 - 통상의 정수법인 침전, 여과, 소독법만으로 음용수 수질기준을 만족시킬수 없을 경우,추가적으로 실행하는 정수처리 - 원수 중에 철, 망간 등의 특수 성분의 중금속 물질이 포함되어 있거나, 경도가 높은 원수를처리하는 방식 - 대표적인 고도정수처리 방법에는흡착법, 오존 소독법, 활성탄처리법 등이 있음

17. 흡착 □ 흡착 (adsorption) - 용액 중입자의 분자가 물리적, 화학적 결합력에 의해서 고체 표면에 달라 붙은 현상 - 흡착 처리하는 경우 • 응집, 물리 화학적 처리 등에 의해 제거되지 않는 극히 미세하고 생물화학적으로 안정된 유기물이 미량 존재하는 경우• 극미량의 유해성분 (냄새, 맛, 잔류농약 등)을 제거할 경우 □ 흡착제 - 흡착작용이 원활하게 이루어질 수 있도록 첨가하는 물질 - 대표적인 흡착제로서 활성탄, 규조토, 활성알루미나, 산성백토, 이온교환수지 등이 있음 - 흡착제가 갖추어야 할 조건 •단위 무게당 흡착능력이 우수할 것• 불용성,내알칼리, 내산성일것• 재생이 가능할 것• 다공질이며, 입경 (또는 부피)에 대한 비표면적이 클 것• 흡착제 자체가 수중에서 유독성 물질을 발생시키지 않을 것• 입도 분포가 균일하며, 구입이 용이하고 가격이 저렴할 것

18. 오존소독 □ 오존 소독법 - 오존의 주요 작용: 산화작용, 살균작용 - 오존 소독법의 적용하는 경우 • 트리할로메탄 (THMs)과할로아세틱산(HAAs)의 전구물질을저감시키는 전처리산화제(산화작용)로서 사용(* 전구물질: 일련의 생화학 반응에서 어떤 물질이 A에서 B로, B에서 C로 변할 때, C라는 물질에서 본A 또는 B물질을 지칭) •염소보다 훨씬 강한오존의 산화력을 이용한 대체소독제 (살균작용)로서 사용 - 오존 소독법의 목적 • 소독•맛, 냄새 및 색도의 제거• 소독 부산물의 저감 □ 오존처리 대상물질 및 수처리 공정 개선 - 산화분해대상:색, 냄새, 맛, 철, 망간, 유해한 유기물, 트리할로메탄 (THM)의 원인 물질 - 살균소독 대상: 세균, 바이러스, 일반 생물 - 오존소독을 통한 수처리공정의 개선 용해성유기물의 응집효과 증진, 유기물의 활성탄처리 향상, 유기물의 생물 분해 향상

19. 오존소독 □ 오존처리의 장점 - 산화력이 높고,염소에 비하여 높은 살균력을 가짐 - 맛, 냄새,색도 제거에 효과적 - 염소와의 반응으로 냄새를 유발하는 페놀류 등을 제거하는데 효과적 - 유기물질의 생분해성을증가 - 염소 주입에 앞서 오존을 주입염소 소비량 감소 - 철, 망간에 대한 산화력이 우수 - 소독 부산물의 생성을 유발하는 각종 전구물질에 대한 처리효율이 우수 - 병원균에 대한 살균효과 우수 □ 오존처리의 단점 - 지속성이 없음 - 오존발생 비용이 많이 소요됨(염소 살균에 비해 경제성이 낮음) - 후염소 주입 설비 필요(살균지속성 확보목적, 복잡한 오존 발생 장치가 필요) - 수온 증가 시 오존 소비량 증가 - 배수 계통에서 미생물 증식 우려(∵ 살균지속성이 없기 때문)

20. 활성탄처리법 □ 활성탄 처리법 - 활성탄 (activated carbon)의 높은 흡착력을 이용한 고도정수처리 방법 - 통상의 정수처리 방법으로 제거되지 않는이취미(algae related odor), 페놀류, 유기물, 색도, 트리할로메탄, 합성세제의 제거 등에 사용 - “분말 활성탄처리법”과 “입상 활성탄처리법”으로 구분 - 응급을 요하고 단기간 사용할 경우에는 “분말 활성탄처리법”이 적합하며, 연간 연속하거나 비교적 장기간 사용할 경우에는 “입상 활성탄처리”가 유리

21. 활성탄처리법 □ 분말 활성탄 처리법 - 응집처리 전에 분말 활성탄 (powdered activated carbon, PAC)을 주입시켜 혼화 및 접촉시키고,흡착처리를한 뒤 침전여과함 -응급처리 방법으로서 단시간 사용할 때 적합 - 겨울철 저온 시 응집처리를 할 경우 응집효과가 저하되기 때문에 분말 활성탄이나 응집 보조제를사용하여 응집효과를높임 - 주입률•주입률 결정을 위해 Jar-test 실시•주입률은 처리 대상물질의 종류, 농도에 따라달라짐•이취미 제거의 경우 주입률은 보통 10~30mg/L 정도 - 주입방식: 건식주입, 혼식주입 - 접촉시간: 20분 이내

22. 활성탄처리법 □ 입상 활성탄처리법 - 통상의 여과와 염소소독의 중간에서 실시하며,연속처리 또는 비교적장기간에 적용되는입상 활성탄을 이용한 방법 - 기존 여과지를 이용, 다층 여과지에 적용시켜 처리하는 경우도 있음 - 여과속도: 240 - 480m/day (급속여과의 2~4배) - 여과방식: 중력식(대규모)과압력식(중소규모) - 여층두께: 1.5 - 2.0m - 역세척 방법: 표면세척+역세척 또는 표면세척+공기세척+역세척 - 역세척 횟수:7~10일에 1회 정도 - 입상 활성탄에 의한 제거물질 • 냄새 유발 물질 • 트리할로메탄 • 색도 • 음이온 계면 활성제, 페놀류 등 유기물질 * 계면: 기체와 액체, 액체와 액체, 액체와 고체가 서로 맞닿은 경계면 * 계면활성제: 물에 녹기 쉬운 친수성 부분과 기름에 녹기 쉬운 소수성 부분을 가지고 있는 화합물로서계면의 경계를 완화시키는 역할을 하며, 표면장력을 약화시키는 화합물 (비누나 세제 등으로 많이 활용)