폭기 및 폐순환 역삼투 공정을 이용한 소규모 수도시설 개선에 관한 연구
Study on Retrofitting of Small-scale Water Supply Facility using aeration and Closed-circuit Reverse Osmosis
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Abstract
목적
본 연구에서는 자연 방사성물질, 질산성 질소, 불소 처리가 필요한 소규모 마을 상수도 시설을 개선하기 위하여 폭기 및 폐순환 방식의 역삼투(CCRO) 공정을 조합한 수처리 시스템을 도입하였으며, 도입 설비의 수처리 효율 및 블렌딩 효율을 평가하고자 하였다.
방법
원수 및 각 단위공정들의 처리수 수질을 분석하여 주요 처리대상 오염물질 및 그 외 이온성 물질에 대한 제거율을 평가하였다. 또한, RO 처리수의 혼합비율에 따른 폐순환 방식의 역삼투(CCRO) 공정 설비가 갖는 운영적 특성 및 혼합비율 평가를 통해 소규모 수도시설에 대한 운영 효율을 검증하였다.
결과 및 토의
원수에 포함된 라돈은 2시간의 폭기를 통해 최대 86%, 역삼투 공정을 통해 우라늄 98.9%, 질산성 질소 85.5%, 불소 82.8%가 제거되었다. 그 외 이온성 물질의 경우에는 평균적으로 80% 이상이 제거되었다. 아울러, RO 처리수 혼합비율을 75% 까지 높일수록 정수 수질이 좋아지는 장점이 있지만, 높은 여과유량(1.8 m3/hr)으로 인해 CCRO 운영상 고압(7.6 bar) 운전이 필요하여 상대적으로 높은 SEC(0.27 kWh/m3)를 확인할 수 있었다.
결론
폭기 및 RO 공정을 조합한 정수처리 시스템 도입으로 주요 처리대상 오염물질들이 효과적으로 제거됨을 알 수 있었다. 또한 국내 첫 실용화 사례인 폐순환 방식의 역삼투(CCRO) 설비의 안정적인 운영 및 처리효율을 확인할 수 있었다. 폭기 및 RO 처리수의 혼합을 통해 고품질 수돗물 생산이 가능하였으며, 고농도 오염물질 유입시에도 먹는물 수질기준을 만족할 수 있을 것으로 예상한다.
Trans Abstract
Objectives
A water treatment system, combining aeration and reverse osmosis (RO) processes, was introduced to improve water supply facilities in a small village where additional water treatment was required due to high concentrations of natural radioactive substances, nitrate nitrogen, and fluoride. In this study, CCRO(Closed-circuit reverse osmosis) was first introduced for commercial use in Korea. With this system, we evaluated its water treatment efficiency and effectiveness of blending the aerated water and RO permeate for improved waterworks in rural areas.
Methods
The removal rate of major pollutants and other ionic substances was evaluated by analyzing the water quality of raw water and unit processes. In addition, the operational efficiency of a small-scale water supply facility was verified and optimized by evaluating a change in operational characteristics depending on the blending ratio of the treated waters by aeration and CCRO processes.
Results and Discussion
Up to 86% of the radon contained in raw water was removed by the aeration process within 2 hours, and 98.9% of uranium, 85.5% of nitrate nitrogen, and 82.8% of fluoride were removed by the RO process. In the case of other ionic substances, more than 80% was removed on average by the RO process. The higher blending ratio of RO permeate up to 75% resulted in the better quality of the final treated water. However, since requiring the high flux and pressure (at 1.8 m3/hr and 7.6 bar, respectively), CCRO operation resulted in a relatively high specific power consumption at 0.27 kWh/m3.
Conclusion
In this study, we found that the major contaminants (natural radioactive substances, nitrate nitrogen, and fluoride) were effectively removed by the water treatment system wherein the aeration and CCRO processes were combined. In particular, it was confirmed for the first time in Korea that the stable operation and water treatment efficiency of the CCRO process was satisfactory for commercial purposes. It could produce high-quality tap water through the blending of waters treated by aeration and CCRO, expecting that meeting drinking-water quality standards would be attainable even when raw water contains high-concentration pollutants.
1. 서 론
마을상수도란 지방자치단체가 대통령령으로 정하는 수도시설에 따라 100명 이상 2,500명 이내의 급수인구에게 정수를 공급하는 일반수도로서 1일 공급량이 20 m3 이상 500 m3 미만인 수도 또는 이와 비슷한 규모의 수도로서 특별시장･광역시장･특별자치시장･특별자치도지사･시장･군수(광역시의 군수는 제외한다)가 지정하는 수도를 말하며, 소규모급수시설이란 주민이 공동으로 설치･관리하는 급수인구 100명 미만 또는 1일 공급량 20 m 3 미만인 급수시설 중 특별시장·광역시장·특별자치시장･특별자치도지사･시장･군수(광역시의 군수는 제외한다)가 지정하는 급수시설로 정의한다[1].
환경부 상수도 통계에 따르면 2020년 말 기준 우리나라의 전국 161개 지방상수도사업자 및 1개 광역상수도사업자가 전체인구의 99.4%인 약 52,644천명에게 상수도를 공급하고 있으며, 농․어촌지역의 상수도 보급률은 96.1%이다. 특히, 지방･광역 상수도 이외의 시설인 소규모 수도시설인 마을상수도와 소규모 급수시설은 아래의 Table 1에서 나타낸 바와 같이 2020년 말 현재 총 12,900여 개소로 농․어촌지역을 중심으로 많은 소규모 시설이 운영 중이다[1].
Status of small-scale water supply facilities in Korea.
소규모 수도시설은 지방상수도에서 공급이 여의치 않은 농어촌 지역의 중요한 급수원 역할을 하고 있으며, 이러한 농어촌 지역의 위생 및 생활환경 개선에도 크게 기여하고 있다[2]. 그러나, 노후화된 시설이 많고, 관리부실, 수원의 수질오염 등으로 인해 안전한 수돗물 공급에 문제점이 되기도 한다. 이에 따라서 많은 연구자에 의해 소규모 시설 개선방안이 다양하게 연구되고 있으며[2,3], 정부와 지자체 차원에서도 지속적인 개선사업이 진행되고 있다.
현재 국내 소규모 수도시설은 약 80% 정도가 지하수를 수원으로 사용하고 있다[4]. 이로 인해 탁도 등의 입자성 물질에 대한 수질 문제는 대체로 크지 않지만, 질산성 질소, 불소 등 주로 이온성 물질에 대한 수질 문제가 많이 발생하며, 일부 지역에서는 자연 방사성물질(natural radioactive materials)에 대한 수질 문제가 존재하였다.
질산성 질소, 불소 등 이온성 물질을 처리하기 위해 나노여과(Nanofiltration, NF), 역삼투(Reverse osmosis, RO), 전기화학적 흡착 및 응집 등 많고 새로운 기술들이 연구되고 결과가 보고되었다[5-7]. 특히, RO 공정은 질산성 질소와 불소 제거에 높은 제거율을 기대할 수 있는 것으로 보고되었으며[6,7], 라돈의 경우에는 소규모 수도시설의 운영과정인 지하수 양수, 저수조 저류, 공급과정에서 자연적인 저감이 이루어지며, 농도가 높은 경우에는 폭기시설을 설치 운영하여 효과적인 처리가 가능하다[8].
또한, 일부 소규모 수도시설에서는 우라늄과 라돈과 같은 자연방사성물질의 검출로 인하여 국민의 불안감이 있어 환경부에서는 2007년부터 2016년 까지 전국 4,348곳의 소규모 수도시설에 대한 자연 방사성물질 함유 실태를 조사했고 미국(EPA) 기준 등을 초과한 시설에 대해 개선조치를 실시하는 등 소규모 수도시설에 대한 관리를 강화하고 있다. 또한, 이전 연구에 따르면 경기도 내 346개의 소규모 수도시설을 대상으로 한 조사연구에서 수질기준 초과 문제가 우라늄의 경우 22개(6.4%), 라돈은 54개(15.6%)에서 발생한 것으로 보고되어서, 많은 소규모 시설을 대상으로 조사 및 개선 조치가 이루어지고 있다[9].
따라서, 본 연구에서는 질산성 질소, 불소 및 우라늄과 라돈과 같은 자연 방사성물질 등의 수질 문제를 가지고 있는 소규모 수도시설에 대해 폭기 및 RO 공정을 적용하여 처리효율 개선에 대한 효과를 평가하는 것에 그 목적이 있다.
2. 실험 장치 및 방법
2.1. 기존 소규모 수도시설 및 운영현황
본 연구의 대상시설인 A 소규모 수도시설은 지방상수도가 공급되지 않은 농촌지역에 설치된 시설이다. 지하수를 수원으로 사용하며 배수지로 지하수를 취수한 후 별도의 수처리 시설 없이 취수과정에서 배수지(STS) 상부에서 염소를 주입 후 용수를 공급하는 30 m 3 /일 규모의 시설이다. 국내의 많은 소규모 수도시설에서의 문제점과 유사하게 효율적인 시설 운영 관리에 어려움 및 문제점이 있으며, 대상시설에 대해 상기 주요 오염원에 대한 2018년부터 2020년까지 모니터링 결과(Table 2), 질산성 질소 및 자연 방사성물질(우라늄 및 라돈) 등에 대한 수질 위험성이 있는 시설이었다.
Water quality of A small-scale water supply facilities.
2.2. 소규모 수도시설 개선 및 운영방법
기존 소규모 수도시설의 수질 문제 해소를 위하여 지하수 원수의 수질을 고려한 불소 및 질산성 질소, 그리고 우라늄 제거를 위해 RO 공정을 적용했고, 라돈 제거 목적으로 폭기 공정을 적용하였다. 또한, 향후 지하수 원수의 오염물질 농도의 변화 정도에 따라 탄력적인 운영이 가능하도록, 폭기 공정 후단에 RO 공정을 side-stream 형태로 배치하고 최종적으로 혼합(blending) 후 염소 소독하여 공급하도록 하였다. 개선된 시설에 대한 공정 개략도 및 전경은 Fig. 1과 같다.
A Small water facilities with aeration and reverse osmosis. (a) Schematic diagram of water treatment system, (b) photograph of installation of small-scale waterworks.
취수펌프 및 배수지는 기존의 시설을 활용하였으며, 취수펌프의 용량은 90 m 3 /일이고, 배수지 및 폭기조의 수위에 연동되도록 하였다. 자연 방사성물질의 제거 목적인 폭기조는 1지가 설치되었으며, 규격은 1.0 m(W)×2.0 m(L)×2.1 m(H)이며, 유효수심(He)을 조절하여 2시간 이상의 체류시간이 확보되도록 운영하였다. 폭기조에 공기공급을 위해 1.65 m3/분 최대배기량을 갖는 에어 블로워(air blower) 2대를 설치하고 이 중 1대를 예비로 사용하였다.
질산성 질소 등 이온성 물질의 제거를 목적으로 하는 RO 공정은 총 8개의 베셀(Pentair Model 40S30)로 구성되었으며, 하나의 계열당 2개의 베셀(모듈)을 직렬로 연결하여 4계열이 병렬구성이 되도록 설치하였다. RO 공정에서의 분리막 사양(specification)은 PA(poly amide)계열 소재의 RO 멤브레인으로 구성된 직교류(cross-flow) 방식의 나권형(spiral-wound type) 엘레멘트(1,029 mm(L), 100 mm(D))가 적용되었으며, 단위 엘레멘트 당 막면적은 7.2 m2, 투과유속는 27 Lm2hr-1 범위 내에서 운영되었다. 아울러 RO 공정 보호 및 폭기공정 후 이물질 유출방지 등의 목적으로 수직 원통형 카트리지 필터(5.4 m3/hr)를 설치하여 운영하였다. 또한, 설치된 RO 공정은 소규모 시설인 점을 고려하여 작은 부지 내에서도 회수율을 극대화하기 위하여 폐순환 방식의 역삼투(Closed-Circuit Reverse Osmosis, CCRO) 시스템으로 설계하고 운영하였다. 즉, 여과 과정에는 RO 농축수가 고압펌프 전단으로 연속적으로 반송되고, 목표 회수율 도달 후에는 RO 모듈에 남아있는 고농도의 농축수를 플러싱(flusing)을 통해 전량 배출하는 방식이다.
대상시설의 운영조건에 있어서, RO 시설의 용량은 원수의 수질조건에 따라 0~100% 까지 변화시킬 수 있도록 하였으며, 본 연구에서는 현재의 원수조건을 고려하여 50%의 용량을 RO 시설에서 처리하는 것으로 고정하고 수질을 평가하였다. 이때, RO 공정의 여과시간은 30분, 플러싱시간 1분으로 하여 회수율은 약 91% 이었다. 또한, 대상시설에는 원수 및 생산수 수질(pH, 수온, 탁도, 잔류염소, 전기전도도 등), 배수지･RO 설비 유･출입 유량, 배수지 수위, 설비 배관 수압 등을 on-line으로 모니터링 할 수 있도록 하였으며, 주요설비를 원격으로 제어할 수 있도록 제어시스템을 설치하였다.
또한, 본 연구에서는 폭기, 폐순환 RO 및 블랜딩의 효율을 평가하기 위해 세부 실험을 수행하였다. 폭기 효율을 평가하기 위해 공기공급량은 1.65 m3/min로 고정하고 수리학적 체류 시간 변화에 따른 자연성방사성물질의 제거효율을 평가하였으며, 블랜딩 비율에 따른 효율을 평가하기 위해 RO 설비의 운영비율을 조정하여 RO 설비 전･후 및 블랜딩 후의 이온성 물질 및 전기전도도 등을 분석하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 소규모 수도시설 원수 수질
본 연구에서는 지하수를 원수로 사용하고 있는 대상 지역에 대한 수질분석을 통하여 주요 처리대상 오염물질을 파악하였다. 2022년에 측정된 원수 수질분석 결과에 따르면(Table 3), 기본적인 검사항목인 탁도는 0.7 NTU로 기준치(0.5 NTU 이하)를 초과하고 있으며, 경도는 56 mg/L로 기준치(300 mg/L 이하) 내에서 수질 기준을 만족하고 있다. 알루미늄, 아연, 황산이온, 염소이온은 기준치의 10%를 초과하지 않는 수준에 있으며, 중금속류 중에서 건강상 유해물질(납, 비소, 카드뮴, 크롬, 수은, 셀레늄) 및 심미적 유해물질(구리, 철, 망간), 그 외 시안, 암모니아성 질소, 병원성 미생물(총대장균군 및 대장균)은 불검출되었다.
Water quality analysis results of A small-scale water supply facilities.
불소 및 질산성 질소는 0.23 mg/L 및 1.58 mg/L로 각각의 기준치(1.5 mg/L 이하 및 10 mg/L 이하) 대비 15% 수준인 것으로 확인되었다. 두 오염물질에 대한 2018~2020년도 과거 수질분석 결과에 따르면(Table 2), 불소의 경우 농도가 0.31~0.34 mg/L로 기준치의 20% 수준으로 나타났고, 질산성 질소도 3.6~7.8 mg/L로 나타나 기준치의 최소 32% 부터 최대 78%까지 검출되었다.
자연 방사선 물질인 라돈의 경우 농도가 238.4 Bq/L로 기준치(148 Bq/L 이하)를 크게 초과하는 약 161%의 결과를 보여주고 있으며(Table 3), 이와 같은 수질기준 초과 문제는 2020년에도 발생하였으며 당시 라돈 농도가 기준치의 146.5%로 216.8 Bq/L를 기록했었다(Table 2). 우라늄의 경우 2022년 측정 당시 농도가 0.016 mg/L로 기준치(0.03 mg/L 이하)를 만족하고 있지만, 2019년도에 0.006 mg/L(기준치의 20%) 및 2020년도에 0.028 mg/L(기준치의 93.3%)가 검출되었다.
앞선 지하수에 대한 수질분석 결과를 통해서 질산성 질소, 불소, 라돈, 우라늄이 소규모 수도시설의 주요 처리대상 오염 물질인 것을 확인했기 때문에, 상기 네 가지 오염물질에 대한 지속적인 모니터링 및 관리가 필요하다.
3.2. 폭기에 의한 오염물질 제거 특성
Table 2 및 Table 3의 수질분석 결과를 통해 선정된 네 가지 주요 처리대상 오염물질을 대상으로 폭기 공정에 대한 처리효율을 평가하였다. 수질평가 항목은 라돈, 우라늄, 질산성 질소, 불소이며, 폭기 반응조 체류시간 변화에 따른 제거율을 비교해 보았다.
폭기조 내에서의 라돈 농도변화 결과에 따르면 원수 내 포함된 238.4 Bq/L 라돈 농도가 30분의 체류시간에 88.5 Bq/L까지 급격히 감소하는 것을 확인하였다(Fig. 2a). 그 후 120분까지 35 Bq/L 이하까지 감소하여 기준치(148 Bq/L) 이하로 안정적인 처리가 가능함이 관찰되었다. 따라서 체류시간 변화에 따른 폭기공정에 의한 제거효율은 63~86% 범위에서 변동하는 것을 확인하였다. 폭기시설에 설치된 diffused bubble aeration system은 미세 공기 방울을 저수조 하부에서 생성시키고, 이를 통해 기-액 계면을 증가시켜서 휘발성이 강한 라돈이 지하수로부터 대기로 물질 전달(mass transfer)이 크고 빠르게 발생하도록 유도한다[8].
Concentration change according to the residence time of aeration tank; (a) Radon, (b) Uranium, (c) Nitrate, (d) Fluoride.
반면, 우라늄의 경우에는 원수에서 0.016 mg/L 농도가 폭기 공정에서는 0.023~0.028 mg/L 범위로 원수보다 아주 미미하게 증가한 결과를 보여주었으며, 이를 통해 폭기 공정에서는 우라늄 처리 효과가 없음을 확인할 수 있었다(Fig. 2b). 폭기조에서 우라늄 농도가 소폭 증가한 이유는 반응조가 회분식이아닌 연속회분식으로 운전되었기 때문에 유입수의 농도변화에 따른 영향 때문으로 판단된다. 이와 아울러 질산성 질소와 불소도 반응조 체류시간에 따른 농도변화가 미미하게 감소하거나 소폭 증가하는 것으로 나타나 폭기에 의한 처리 효과가 거의 없음을 확인하였다(Fig. 2c, 2d).
3.3. 역삼투에 의한 오염물질 제거 및 운영 특성
질산성 질소 농도가 1.52 mg/L인 폭기 처리수가 RO 공정을 거친 후 처리수 농도가 0.22 mg/L까지 감소하여 약 86%의 제거율을 확인할 수 있었다(Table 4). 불소는 0.29 mg/L 농도의 폭기 처리수를 RO 처리를 통해 0.05 mg/L까지 감소시켜 약 83%의 제거율을 확인하였다(Table 4). 특히 우라늄의 경우 0.028 mg/L 농도의 폭기 처리수를 RO 처리를 통해 0.3×10-3 mg/L까지 감소시켜 약 99%의 높은 처리효율을 보여주었다(Table 4). 이와는 대조적으로 RO를 이용한 라돈 처리는 유출수 농도가 폭기 처리수 대비 소폭 증가하였기 때문에 라돈 처리효율이 없음을 암시하고 있다. 여기에서 후속 공정인 RO 처리수 라돈 농도가 폭기 대비 소폭 증가한 이유는 두 공정의 샘플링 시점 차이로 인한 오차로 해석될 수 있다. RO 공정의 경우 폐순환 방식으로 운영되기 때문에 농축수를 유입수로 재순환･처리 과정에서 수분 이내의 샘플링 시점 차이에서도 농도가 높아질 수 있다.
Concentration and removal rate of main contaminants in reverse osmosis process.
본 연구에서는 국내 처음으로 소규모 마을에 용수공급 용도로 실용화된 폐순환 방식의 RO 공정(CCRO)에 대한 운영 특성을 분석하였다. 이를 위하여 정수인 최종 생산수에서 RO 공정 처리수 혼합비율에 따라 변화하는 RO 유입수 전기전도도, 정수의 전기전도도, 전기전도도 기준 RO 분리막 제거율을 비교해 보았다.
RO 유입수 전기전도도는 CCRO 회수율을 90% 이상까지 달성하기 위하여 RO 농축수를 재순환 후 유입수로 재처리하는 30분 동안, RO 처리수 혼합비율을 75% 까지 증가시킬수록 전기전도도가 최대 1,498 μS/cm까지 높아졌다(Fig. 3a). 그 후 RO 처리수 혼합비율을 50% 및 38% 까지 순차적으로 낮출수록 유입수의 전기전도도는 1,343 μS/cm 및 996 μS/cm까지 감소하였다. 최종 생산수(정수) 기준 2.4 m3/hr 정유량 조건에서 RO 처리수 혼합비율이 높다는 의미는 단위시간 당 여과유량, 즉 투과유속의 증가를 가리키며, 이에 따라 RO 유입수로 재순환했던 농수의 농축배수가 커졌기 때문에 농도가 증가할 수 있다.
Changes in operating conditions of closed-circuit reverse osmosis (CCRO) for different blending ratios of aeration treated water and RO permeate; (a) conductivity of CCRO inflow, (b) conductivity of final treated water(blended water), (c) RO rejection rate of conductivity.
최종 생산수의 전기전도도의 경우에는 위 결과와는 대조적으로 RO 처리수 혼합비율을 75%에서 38%까지 순차적으로 낮추면서 전기전도도가 증가하는 경향을 보여주고 있다(Fig. 3b). 이러한 결과에 대한 이유는 RO 처리수 혼합비율이 높아지면 분리막의 투과 유속(유량)이 증가하게 되고, 그 결과 희석효과로 인하여 여과수 농도가 낮아졌기 때문이다. CCRO 설비에서 RO 농축수는 재순환 후 유입수로서 재처리된다. 이러한 이유로 유입수의 농도는 배출 전까지 시간이 지남에 따라 점차 증가하는데도 불구하고, 각각의 혼합비율 조건 모두에서 최종 생산수 전기전도도가 크게 변하지 않고 비교적 일정한 것을 확인하였다. 그 이유는 첫 번째로는 유입수로 사용된 지하수 농도가 해수 대비 매우 낮은 범위이므로 이온성 물질을 포함한 원수를 여과하는 과정에서 분리막 표면에 발생하는 농도분극의 정도도 미미했고, 두 번째로는 RO 분리막은 비교적 높은 이온성 물질 제거율을 지녔기 때문이다. 실제로 Fig. 3c 결과에 따르면 RO 분리막의 제거율 분포가 98.3~99.3% 범위 안에서 높은 것을 확인했다.
전기전도도 기준 RO 분리막 제거율 결과(Fig. 3c)를 세부적으로 확인하기 위하여, RO 혼합비율별(75%, 50%, 38%)로 대표적인 이온성 물질의 분석 결과를 Fig. 4에 종합하여 나타내었다.
Ion rejection rate of reverse osmosis (RO) membrane.
불소(82.8%) 및 질산성 질소(85.5%)와 비교 시, 이가 양이온인 칼슘(Ca2+) 및 마그네슘(Mg2+)은 모두 96%(±0.7 이하) 근접한 높은 제거율을 확인했다. 일가 양이온인 칼륨(K+)과 나트륨 (Na+ 은 각각 86.2%(±1.4) 및 80.3%(±1.4), 그리고 규소(Si4+)의 경우 90.7%(±0.5)의 평균 제거율을 보여주고 있다. 일가 음이온인 염소이온(Cl-)의 경우 모든 혼합비율 조건에서 불검출되어 대부분 제거됐을 것으로 추정되며, 중탄산염(HCO3-)은 89%(±0.9)의 평균 제거율을 보여주고 있다.
본 연구에서는 생산기준 정유량 조건에서 CCRO 공정의 운영 특성을 확인하기 위하여, RO 처리수 혼합비율에 따른 여과 유량, 운전차압, 에너지소모량 변화를 살펴보았다. 정유량으로 시간당 약 2.4 m3의 정수를 평균적으로 생산하는 소규모 수도시설에서 RO 처리수 혼합비율을 75%, 50%, 38%로 순차적으로 변화시킴에 따라 RO 여과유량은 평균 약 1.8 m3/h, 1.2 m3/h, 0.9 m3/h 내외 수준에서 분포하고 있다(Fig. 5a). 상기 유량 변화에 상응하는 필요 차압은 평균 7.6 bar, 5.0 bar, 3.9 bar 수준으로 운전되었다(Fig. 5b). 에너지 소모량의 경우 RO 처리수 혼합비율을 낮추려면 운전압력이 낮아지기 때문에 고압펌프 가동 전력량이 줄어들어 평균 0.13~0.27 kWh/m3 분포를 확인할 수 있었다(Fig. 5c).
Operational characteristics of closed-circuit reverse osmosis (CCRO) for different blending ratios of aeration treated water and RO permeate; (a) permeate flux, (b) operating pressure, (c) specific energy consumption (SEC).
RO 공정의 생산수 단위 톤당 펌프의 전력소비량(kWh/m3)을 나타내는 specific energy consumption (SEC) 식(1)에서 Pf는 운전압력(bar), Qf는 유입유량(m3/hr), Qp는 여과유량(m3/hr), η는 펌프와 인버터에 대한 총효율(80%를 가정하여 0.8 적용)을 가리킨다[10]. 상기 식에서 단위 환산 인자(conversion factor)로서 36을 분모에 적용해 산정하였다.
3.4. 소규모 수도시설 개선 효율 평가
폭기조 및 RO에서의 주요 처리대상 오염물질에 대한 제거율 결과를 토대로 소규모 수도시설의 전체 유량의 ½를 RO 공정에서 생산할 경우 원수의 농도 허용 기준치를 산정하였다. 자연 방사성물질의 경우, 원수의 라돈 농도가 770 mg/L(기준치의 5.2배) 이상으로 유입되거나, 우라늄 농도가 0.06 mg/L(기준치의 2배) 초과로 유입되지 않는 한 먹는물 수질기준 이하로 처리될 수 있을 것이다. 아울러 원수의 질소 농도가 17 mg/L(기준치의 1.7배) 이하로 유입되거나, 원수의 불소 농도가 2.5 mg/L(기준치의 1.6배) 이하로 유입될 시에는 폭기+RO 단위공정 조합을 통해 안정적인 처리효율을 보일 것으로 예상한다. 그 외에도 본 소규모 수도시설에서 폭기와 RO의 처리수 혼합비율에 따라 변화하는 이온성 물질의 농도는 다음과 같다(Table 5).
Changes in the concentration of ionic substances in final treated water according to the blending ratio.
4. 결 론
본 연구에서는 불소, 질산성 질소, 자연 방사성물질 등의 처리가 필요한 소규모 마을 수도시설을 대상으로 정수처리 효율 및 블렌딩의 효용성을 평가하고, 운영 특성을 분석하였다. 상기 연구 결과를 통해 폭기 및 RO 단위공정 조합 기반의 개선된 정수처리 시스템의 도입은 주요 처리대상 오염물질들을 효과적으로 제거할 수 있는 것을 입증하였다. 이와 아울러 국내 첫 실용화 도입사례인 폐순환 방식의 역삼투(CCRO) 설비의 안정적인 처리효율, 그리고 블렌딩 비율에 따른 CCRO 운전조건(유량, 압력, 에너지 소모량) 데이터를 확보할 수 있었다.
폭기 25%+RO 75%로 블렌딩한 처리수는 폭기 50%+RO 50%로 블렌딩한 처리수 대비상대적으로 좋은 수질의 정수를 공급할 수 있다는 장점을 확인했다. 그러나 상기 조건은 RO 공정 운영에서 고압 및 고에너지를 요구한다. 이에 따라 소규모 수도시설의 장기운영 측면에서는 막 오염에 취약하거나, 막의 교체 주기가 짧을 수 있으며, 높은 운영비 등의 문제를 초래할 수 있다. 이와는 대조적으로 RO 처리수 혼합비율을 본 시설의 펌프 가동 허용범위 내에서 38%로 최소로 한다면 앞서 언급했던 단점을 최소화할 수 있다. 하지만 주요 처리대상 오염물질(우라늄, 질산성 질소, 불소)의 유입농도에 대한 허용치가 상대적으로 낮아져 일시적인 고농도 유입 시 먹는 물 수질에 대한 기준치 초과가 우려된다. 그러므로 이러한 점에서 폭기 처리수와 RO 처리수를 동일하게 ½씩 혼합하는 것이 상기 단점들을 모두 보완하면서 고품질의 정수도 동시에 생산할 수 있을 것이다.
Notes
Declaration of Competing Interest
The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.