2.1. 시설 현황

2.1.1. 정수장 시설 현황

G시에 위치한 I정수장은 P1취수장을 취수원으로 하며, 시설용량은 250,000 m³/일이다(1단계 150,000 m³/일, 2단계 100,000 m³/일). 고도정수처리 공정으로 산화공정인 UV/H₂O₂-AOP (Advanced Oxidation Process)와 여과･흡착 공정인 GAC F/A (Granular Activated Carbon Filtraion/Adsorption)가 적용되었다. 해당 공정은 현재 1단계에 도입되었으며, 2022년에 2단계까지 도입을 완료할 예정이다. Fig. 1은 I정수장의 정수처리 공정도이다.

Fig. 1.

Schematic diagram of I WTP.

약품 혼화 이후 1단계와 2단계가 분리되어 정수처리가 이루어진다. 1단계는 응집･침전 후 고도정수처리 공정인 UV 산화(평상시) 또는 UV/H₂O₂-AOP(맛･냄새 물질 유입시)와 GAC 여과･흡착 처리(상시)가 이루어진다. 2단계는 응집･침전 후 표준정수처리 공정인 안트라사이트-모래의 2중층 여과가 이루어진다. 각 단계의 통합 여과수는 혼합된 후 후염소 주입을 거쳐 정수지로 유입된다. 고농도 맛･냄새 물질 유입 시 또는 UV 소독 적용 시에는 1단계(고도정수처리 공정)만 운영하며, 2022년 이후에는 전체 생산량에 대하여 고도정수처리 공정을 적용할 예정이다.

2.1.2. 고도처리 설비 현황

UV 반응조는 2기가 설치되어 있으며, 각 반응조는 6개의 섹션으로 구성되어 있다. UV 램프는 저압고출력(LPHO) 타입으로 1개 섹션 당 16개(반응조당 총 96개)가 설치되어 있다. UV 가동전력 범위는 30-100%로 탄력적인 운영이 가능하다. AOP 반응을 위한 H₂O₂는 튜브펌프로 주입되며 저장탱크 용량은 총 80 m³이다.

GAC는 석탄계로, 유효경 1.1 mm이며, F/A지의 포설심도는 1.7 m, EBCT (Empty Bed Contact Time)는 14.6분으로 총 8개지가 설치되어 있다.

UV/H₂O₂-AOP 설비 현황은 Table 1에 나타내었다.

Table 1.

Detailed information on advanced treatment facilities in I WTP.

향후 2단계 고도공정 도입 시 UV 반응조 2기와 H₂O₂ 주입 펌프 및 저장 탱크, F/A지 6개지가 증설될 예정이다.

2.1.3. 소독공정 현황

현재 I정수장에서는 소독제로 액체염소를 사용 중이며, 2021년 이후에는 차아염소산나트륨(NaOCl)으로 대체할 예정이다. 액체염소의 최대 주입량은 전(중)염소 40 kg/h, 후염소 20 kg/h이다. 장래 설치할 대체소독설비는 현장에서 제조한 NaOCl과 시판 NaOCl을 상황에 따라 선택하여 사용할 수 있도록 구성된 hybrid 타입이며, NaOCl의 유효염소 농도는 12%를 표준으로 한다. 각 정수지에는 3개의 도류벽이 설치되어 있으며, 장폭비 환산계수는 0.63이다. 정수지 총 용적은 15,587 m³으로, 시설용량 기준 1.6시간 분이다. 현재 정수지 용량 부족으로(상수도 시설기준 2시간 분 이상 권장) 동절기 수온 저하 및 pH 상승 시 소독능 확보가 어려운 실정이다. 소독공정 현황을 Table 2에 나타내었다.

Table 2.

Detailed information on disinfection facilities in I WTP.

2.1.4. 공급계통 및 배수지 현황

I정수장에서 생산된 정수는 2개 계통의 4개 배수지를 통해 G시 일원에 공급된다. 각 계통별로 2개의 배수지에 용수를 공급하며, 총 관로연장은 16 km이다. I정수장의 공급계통 및 배수지 현황을 Fig. 2 및 Table 3에 나타내었다.

Fig. 2.

Water distribution line diagram of I WTP.

Table 3.

Detailed information on distribution reservoir in water distribution line of I WTP.

2.2. 연구방법

2.2.1. 정수 수질 및 소독능 계산

소독능 계산에 필요한 수질 인자는 정수의 수온, 잔류염소 농도, pH 및 여과수 탁도이며, Table 4의 수질자동측정기에서 측정된 시간데이터를 활용하였다. Virus 및 Giardia 불활성화비 계산은 환경부에서 개발한 “소독능 계산 프로그램”을 활용하였다.

Table 4.

Detailed information on water quality measuring instruments.

2.2.2. 용수생산량별 소독능 확보를 위한 정수지 잔류염소 농도 산정

동절기 최악 수질 조건 시 용수생산량별 Giardia 불활성화비 1.1(법적 기준 및 여유율 10% 감안) 이상 만족을 위한 정수지 유출 잔류염소 농도를 산정하였다. 수온은 최근 5년간 최저 수온인 1.9℃를 적용하였으며, pH는 액체염소 사용 시 최근 5년간 최고값인 7.8을 적용하였다. NaOCl 사용 시에는 NaOCl 주입에 따른 pH 변화 시험 결과에 따라(Table 5), 약품에 의하여 pH가 상승(전염소 주입률 2.5 mg/L 및 후염소 주입률 0.81-1.61 mg/L 고려 시, pH 상승값 0.23-0.3)함을 고려하여 8.03-8.10을 적용하였다. 정수지 수위는 만수위의 80%인 3.2 m, 용수생산량은 150,000-250,000 m³/일(이용률 기준 60-100%), 정수지 통과유량은 시간최대유량(시간평균유량×1.19)을 적용하였다.

Table 5.

NaOCl injection as residual chlorine vs pH increase.

2.2.4. UV 소독능 분석

I정수장의 UV 설비는 Trojan에서 제조하였으며, UV 반응조의 조사량 인증 시험은 USEPA의 Ultraviolet disinfection guidance manual (UVDGM 2006)에 의거하여, 북미지역의 인증기관인 HDR｜HydroQual에서 수행하였다.

UV의 소독능 계산을 위한 인정조사량(VD, Validation Dose)은 동등제거조사량(RED, Reduction Equivalent Dose)과 보정인자(VF, Validation Factor)를 통해 산출된다[18]. 종합적인 절차는 Fig. 3에 나타내었다.

Fig. 3.

Overview of UV dose validation protocol [18].

RED는 Colimated beam test(평형조사시험)를 통해 도출된 자외선조사량과 불활성화율의 관계식과 Full scale reactor test(실규모 반응기 시험) 시의 미생물 불활성화율을 분석하여 산정한다. 실규모 반응기 운영 시 RED는 운영인자(유량, UVT, 출력 등)에 따라 결정된다.

VF는 RED 보정인자(B_RED)와 성능평가 불확실성인자(U_val)를 통하여 계산한다. U_val은 평행조사시험 안전인자(UDR), 강도계 안전인자(US) 목표치 안전인자(USP), 내삽 안전인자(UIN) 등으로 구성된다.

VD는 RED/VF로 계산한다.

본 연구에서는 HDR｜HydroQual에서 작성한 I정수장 UV 설비의 조사량 인증 시험을 통해 도출된 RED, VF, VD를 적용하여 소독능을 분석하였다. RED 도출을 위한 Full scale reactor test 조건은 가동 섹션 2-6개, 가동전력 20-100%, 통과유량 10,200-127,350 m³/일, UVT 54.9-85.9%이며, UVT는 Lignin sulfonate를 이용하여 조정하였다. 시험을 위한 지표미생물은 MS2와 T1을 사용하였다[19].

3.1. 정수 수질 및 지아디아 불활성화비 분석 결과

매년 동절기 시(12월-3월) 수온 저하와 pH 상승으로 소독능은 감소한다. virus의 경우 염소에 대한 소독효과가 높아 동절기시 불활성화비 10 이상을 달성할 수 있으나, Giardia는 2 이하 수준이다. 최근 5년간의 정수 수질 및 Giardia 불활성화비를 Fig. 4에 나타내었다.

Fig. 4.

Water quality and inactivation ratio of Giardia (2015-2019).

Fig. 5는 동절기시 정수 수질 및 Giardia 불활성화비이다. 동절기 시 수온은 최저 1.9℃까지 감소하며, pH는 7.2-7.8 수준이다. 동절기 Giardia 불활성화비 확보를 위하여 수온 및 pH를 고려하여 잔류염소 농도를 0.6-1.2 mg/L로 운영하였으며, 정수지 수위는 3.0 m 이상을 유지하여 접촉시간을 확보하고자 하였다. 이를 통하여 최근 5년간 Giardia 불활성화비는 1.0 이상을 만족할 수 있었다. 그러나 정수지 수위 감소(2.0 m 이하)로 인해 접촉시간이 짧아져 Giardia 불활성화비가 급감한 사례가 있었다(2018.01.31.-2018.02.03.). 해당 시기의 정수장 이용률은 60% 수준이었음을 감안할 때, 향후 용수생산량 증가 시 정수지 고수위 운영으로도 충분한 접촉시간 확보가 어려워 Giardia 불활성화비의 법적기준(1.0 이상) 달성이 어려울 것으로 판단된다.

Fig. 5.

Water quality and Giardia inactivation ratio in winter (2015-2019).

정수장 및 공급과정(배수지, 관말 수용가) 잔류염소 농도 및 수온측정 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 배수지 잔류염소는 수질자동측정값을, 관말 수용가 잔류염소는 G시 상하수도사업소의 수도꼭지 수질검사 결과를 활용하였다.

Fig. 6.

Residual chlorine of I WTP and distribution line (2017-2019).

동절기에는 소독능 확보, 하절기에는 공급과정 미생물 번식 방지를 위해 잔류염소 농도를 상향 운영하였다. 배수지 잔류염소 농도의 경우 자체 기준(0.4 mg/L 이상)을 상시 만족할 수 있었으며, 도달시간 및 수용가 용수 사용량의 차이로 인해 N-N 배수지의 잔류염소 농도가 I-J 배수지 대비 낮은 수준이었다. 관말 수용가의 잔류염소 농도 역시 법적 기준(0.1 mg/L 이상)을 상시 만족하고 있으며, 동절기 잔류염소가 하절기 대비 높은 수준임을 확인할 수 있었다.

3.2. 용수생산량별 소독능 확보를 위한 정수지 잔류염소 농도 산정

용수생산량별 소독능 확보를 위한 정수지 유출 잔류염소 농도 산정 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 잔류염소 농도는 용수생산량이 증가함에 따라 상승하며, NaOCl 적용 시 pH의 상승으로 액체염소 대비 0.07-0.26 mg/L의 농도 상향이 필요하다. 액체염소 적용 시 200,000 m³/일 이상, NaOCl 적용 시 190,000 m³/일 이상의 용수생산 시 정수지 잔류염소 농도를 K-water 자체 기준인 1.0 mg/L을 초과하여 운영하여야 한다.

Fig. 7.

Residual chlorine in clean water reservoir by water production for satisfying disinfection efficiency.

3.3. 공급과정 잔류염소 농도 예측 결과

I정수장 수돗물의 수온별 수체 감소계수(kb) 도출을 위한 bottle test 결과를 Fig. 8에, 수온별 수체 감소계수(kb) 및 상관계수(R²)를 Table 6에 나타내었다. 잔류염소는 수체 내 피산화물과의 반응을 통해 1차, 2차, n차 등으로 표현될 수 있으며[14~16], 본 연구에서는 1차 반응에 따라 감소하는 것으로 판단된다. 또한 수온이 높을수록 잔류염소 감소 속도는 빨라짐을 확인할 수 있었다.

Fig. 8.

Chlorine decay at different temperatures.

Table 6.

Bulk decay coefficient and correlation by water temperature.

온도 변화에 따른 kb의 증감은 Arrhenius equation을 통하여 적절하게 예측할 수 있다[20]. Arrhenius equation을 이용하여 수온과 kb의 상관관계를 도출한 결과를 Fig. 9에 나타내었다.

Fig. 9.

Correlation between bulk decay coefficients (kb) and temperatures by Arrhenius equation.

연구 결과, 다음과 같은 상관관계식 (1)을 유도할 수 있었으며(R²=0.9909), 이 식을 적용하여 최저 수온(1.9℃)의 kb를 –0.222 day^-1로 도출하였다.

where, kb : bulk decay coefficient (day^-1), T : temperature (K)

Systematic method에 의한 kw 도출을 위해, I-J 배수지의 잔류염소 실측값과 EPANET2.0을 이용한 모의 결과를 비교하였다. 실측 조건은 정수지 유출 잔류염소 농도 0.91 mg/L, 수온 2.7℃, kb –0.2323 day^-1이었으며, 비교 결과 kw는 –0.4 m/day로 적용할 때 실측값과의 오차가 가장 적었음을 확인할 수 있었다(Table 7).

Table 7.

Actual vs simulated residual chlorine by kb.

EPANET2.0을 이용한 동절기 배수지 잔류염소 농도를 모의하였다. 용수생산량에 따른 배수지별 공급유량은 Table 8에 나타내었다.

Table 8.

Water supply of distribution reservoir by water production (m³/day).

EPANET2.0을 이용한 배수지 잔류염소 농도 모의 결과를 Fig. 10에 나타내었다.

Fig. 10.

Simulation results of residual chlorine in distribution reservoir by chlorine sole disinfection.

용수생산량 증가 시 소독능 확보를 위한 염소 주입률 상승 및 배수지 도달시간 감소로 배수지 잔류염소 농도가 상승함을 확인할 수 있었다. 특히, NaOCl 적용 시 액체염소 대비 잔류염소 농도가 0.05-0.24 mg/L 상승할 것으로 산정된다. 소독능 확보를 위한 염소 주입률 상향 시, 약품의 고농도 주입으로 약품비가 상승함은 물론 소독부산물 농도 상승. 염소 냄새에 의한 민원 발생 등이 예상된다. 용수생산량에 따른 배수지별 공급과정 잔류염소 농도 예측 결과는 Table 9와 같다.

Table 9.

Residual chlorine in distribution reservoir by chlorine sole disinfection.

3.4. UV 소독능 분석 결과

I정수장의 UV 공정은 여과공정 전단에 위치하므로, UV를 통한 Giardia의 목표 불활성화비는 3.0 log를 적용하여야 한다. US EPA의 UVDGM 2006 [18] 및 국내 환경부 고시 등에 Giardia 불활성화비 3.0 log 달성을 위한 UV 조사량은 11.0 mJ/cm²로 제시되어 있다.

HDR｜HydroQual에서 수행한 I정수장 UV 설비의 UV 조사량 인증 시험을 통해 다음의 RED 산정 공식 (2)가 도출되었으며[19], 항목별 내용은 Table 10에 나타내었다.

Table 10.

Factors of RED calculation.

I정수장의 RED 계산 시 적용값은 유량 19.8 mgd (75,000 m³/일), UVA 0.0329 cm-1 (UVT 92.7%), 램프 수명 후 출력비 86%, 석영관 fouling 후 투과비 95%, 1개 섹션(lamp 16개) 가동, 적용 미생물의 UV 민감도 20 mJ/cm²/log inactivation (MS2)이다. 해당 조건에서 RED는 41.8 mJ/cm²로 산정된다. 적용 유량은 설비 이용률 100% 기준임을 감안할 경우, 실공정 운영시의 RED는 41.8 mJ/cm² 이상일 것으로 예상된다.

VF 산정 시 B_RED는 UVDGM에 제시된 바에 따라 1.77 (Giardia 목표 제거율 3.0 log, UVT 92.7%, Challenge microorganism인 MS2의 UV sensitivity 20 mJ/cm²/log I 적용 시), U_val은 10.7을 적용하였다. 이에 따라 VF는 1.96으로 산정되었다.

RED와 VF를 통해 VD는 21.3 mJ/cm²로 도출되었으며, 이는 Giardia 불활성화비(3.0 log 제거 기준) 1.936, Cryptosporidium 불활성화비(3.0 log 제거 기준) 1.775에 해당한다. 이를 통해 UV 반응조 전체 6개 섹션 중 1개 섹션 가동(가동전력 100%)으로 Giardia 및 Cryptosporidium을 3.0 log 이상 충분히 불활성화할 수 있다고 판단된다.

현재 RED와 VF 계산을 위한 적용 인자(a～m, U_val)는 제조사(Trojan)의 영업 비밀에 해당되어 외부에 공개되지 않고 있다. 그러나 UV 소독 적용을 위해서는 RED 및 VF의 실시간 계산이 필요하므로, I정수장 2단계 고도정수처리 공정 도입시 해당 값의 자동계산 및 표출 프로그램을 정수장 제어 시스템에 탑재할 예정이다.

US EPA의 정수처리 소독 기준은 Long term 2 enhanced surface water treatment rule (LT2ESWTR)에 따라 Cryptosporidium 검출 농도 0.01 oocysts/L 이하 시 목표 제거율 2.0 log, 0.01 oocysts/L 초과 시 목표 제거율 3.0 log를 적용한다[21]. 최근 국내 상수원수 중 Cryptosporidium oocysts 검출 농도가 한강수계에서 6.6 oocysts/L [2], 금강수계에서 2.5 oocysts/L [2], 낙동강수계에서 8.0 oocysts/L [3]까지 검출된 사례가 있음을 고려할 때, Cryptosporidium 목표 제거율을 현재의 2.0 log에서 3.0 log로 강화할 필요가 있다고 판단된다. Cryptosporidium의 강한 염소 내성을 고려하면, UV나 오존 등을 활용한 보완이 필요하며, I정수장은 UV 설비의 소독 적용으로 기준을 충족할 수 있을 것으로 사료된다.

I정수장의 UV의 소독만으로 Giardia 불활성화비의 법적 기준을 만족할 수 있을 경우, 정수지 잔류염소는 관망 잔류염소 유지 수준으로 감소하여 운영할 수 있다.

말단 배수지 잔류염소 농도 0.5 mg/L 확보를 위한 정수지 잔류염소 농도를 산정하기 위하여 EPANET2.0으로 모의한 결과를 Fig. 11에 나타내었다.

Fig. 11.

Simulation results of residual chlorine in distribution reservoir by UV combined disinfection (UV+NaOCl).

I정수장의 최장 관말 배수지인 I-I 배수지의 잔류염소 농도 0.5 mg/L 이상 유지를 위한 정수지 잔류염소 산정 결과는 Table 11과 같다. I정수장의 잔류염소 농도는 0.59-0.65 mg/L로, 액체염소 적용 시 대비 0.08-0.74 mg/L, NaOCl 적용 시 대비 0.15-1.00 mg/L 감소시킬 수 있다. 이를 통해 용수생산량 증가에 따른 체류시간 감소를 고려한 잔류염소 농도 관리가 가능할 수 있으며, 후염소 주입률 감소를 통한 소독부산물 발생 저감도 기대할 수 있다.

Table 11.

Residual chlorine in distribution reservoir by UV combined disinfection (UV+NaOCl).

3.5. 소독 방법별 경제성 비교 분석 결과

정수지 유출 잔류염소 농도확보를 위한 후염소 주입률은 상황별 정수지 잔류염소 농도와 정수지 접촉시간, 수체감소를 고려하여 다음의 식 (3)에 따라 계산하였다.

where, Cl_i : injection of post chlorine, Cl_o : residual chlorine at clean water reservoir, t : contact time(day)

후염소 주입률 계산 시, kb는 –0.222 /day, t 계산을 위한 정수지 수위는 3.2 m를 적용하였다. 상황별 후염소 주입률을 Fig. 12에 나타내었다.

Fig. 12.

Injection of post chlorine by disinfection type and water production.

경제성 비교 분석 조건을 Table 12에 나타내었다.

Table 12.

Comparative condition of economical efficiency.

UV 소독 시 UV 반응조 당 1개 섹션(lamp 16개)을 가동하며, 출력은 100%로 적용하였다. UV 반응조 가동 대수는 반응조 설계 통과유량(75,000 m³/일)을 고려하여 결정하였다. 경제성 검토를 위한 약품 및 전력비 단가는 2019년도 현재 단가를 기준으로 하였다.

소독 방법별 원단위 분석 결과를 Fig. 13에 나타내었다.

Fig. 13.

Price unit by disinfection type and water production.

약품 단가는 액체염소가 NaOCl 대비 3.1배 이상이나, 유효염소 농도의 차이(액체염소 99.5% 이상, NaOCl 12% 수준)로 인해 NaOCl의 약품비가 더 높게 산정된다. 원단위는 액체염소 단독 소독이 가장 저렴하나, I정수장에서는 소독제를 NaOCl로 대체할 예정이므로 2021년 이후 액체염소는 사용할 수 없다.

소독제로 NaOCl을 사용하는 경우, 용수생산량 190,000-250,000 m³/일일 때 UV 병행 소독 시가 NaOCl 단독 소독 시 보다 원단위를 0.02-0.85 원/m³ 절감할 수 있을 것으로 산정된다. 또한 UV 병행 소독 시, 후염소 주입률을 0.60-0.66 mg/L로 낮춰서 운영해도 Giardia 불활성화비는 2.4-2.8을 확보할 수 있으며, Cryptosporidium 역시 3.0 log 제거(원수에서 0.01 oocycts/L 초과 검출 시 US EPA의 정수처리기준)가 가능하다.

현재 UV 설비 현황 및 증설계획, 대체 소독제 도입 계획 등 고려 시, NaOCl 도입 전 용수생산량 150,000 m³/일 수준 시에는 액체염소 단독 소독이, UV 설비 증설 및 NaOCl 도입 이후에는 UV 병행 소독이 적합하다고 판단된다. 향후, VD(RED, VF 포함) 계산 프로그램의 정수장 제어 시스템 탑재 후, 반응조 통과유량 및 UVT에 따라 UV 가동전력을 탄력적으로 운영할 경우 UV 설비 운영에 따른 전력비를 감소할 수 있을 것으로 예상된다.