소독부산물 저감을 위한 현장제조형 염소발생기 최적 운영조건 연구

A Study on the Optimal Management Technology of the On-site Sodium Hypochlorite Generator for Disinfection By-products Reduction

Article information

J Korean Soc Environ Eng. 2022;44(12):525-533
Publication date (electronic) : 2022 December 31
doi : https://doi.org/10.4491/KSEE.2022.44.12.525
1Department of Civil Engineering and Engineering Research Institute, Gyeongsang National University, Republic of Korea
2Water Supply and Sewerage Research Division, National Institute of Environmental Research, Republic of Korea
3Nakdong River Environmental Research Center, National Institute of Environmental Research, Republic of Korea
4Water Environmental Safety Management Dept., K-water, Republic of Korea
5Water & Wastewater Research Center, K-water Research Institute, Republic of Korea
박노석1orcid_icon, 윤석민1orcid_icon, 박상민2orcid_icon, 윤현정3orcid_icon, 윤미애4orcid_icon, 이영주5,orcid_icon
1경상국립대학교 토목공학과 및 공학연구원 토목공학과 및 공학연구원
2국립환경과학원 상하수도연구과
3국립환경과학원 낙동강물환경연구소
4K-water 물환경안전처
5K-water 연구원 상하수도연구소
Corresponding author E-mail: yjlee1947@kwater.or.kr Tel: 042-870-7532 Fax: 042-870-7549
Received 2022 October 18; Revised 2022 October 27; Accepted 2022 October 27.

Abstract

목적

국내 정수장에서 사용하고 있는 현장제조형 염소발생기를 이용하여 생산한 차아염소산나트륨을 대상으로 유효염소, 클로레이트 및 브로메이트 변화를 분석하여 소독부산물을 최소화할 수 있는 운영방안을 제시하고자 하였다.

방법

현장제조형 염소발생기(5 kg/day)를 이용하여, 용해수 종류, 염수 농도, 전해조 유입수 온도, 전해조 유입수 pH 및 전해조 전류밀도별 소독부산물 발생특성을 조사하였다.

결과 및 토의

용해수 종류에 따른 소독부산물(클로레이트, 브로메이트) 발생량은 연수 > 수돗물 > RO 처리수의 순으로 높게 나타났다. 염수 농도가 증가할수록 클로레이트는 감소하고 브로메이트는 증가하는 경향을 나타냈으며, 적정 염수 농도는 3% 이상인 것으로 조사되었다. 전해조 유입수 온도가 증가할수록 클로레이트는 감소하고 브로메이트는 증가하는 경향을 나타내며, 적정 유입수 온도는 20~25℃인 것으로 사료된다. 전해조 유입수 pH에 따른 소독부산물(클로레이트, 브로메이트) 발생 차이는 크지 않으며, 유효염소와 소독부산물을 고려했을 때 적정 pH는 7 정도인 것으로 판단된다. 또한 전류밀도가 증가할수록 클로레이트는 증가하고 브로메이트는 감소하는 경향을 나타냈다.

결론

현장제조형 염소발생기 제조사에서 제시하는 운영 범위에서 운전할 경우 소독부산물 발생을 최소화 할 수 있는 것으로 나타났으며, 일부 운영 조건은 전해조 셀을 보호하기 위한 것으로 판단된다. 현장제조형 염소발생기 시장이 점차 확대됨에 따라 강화되는 소독부산물 기준을 고려하여 개선된 설비가 지속적으로 출시되기를 기대한다.

Trans Abstract

Objectives

The purpose of this study is to suggest operating conditions that can minimize the disinfection by-products of sodium hypochlorite produced in on-site sodium hypochlorite generators.

Methods

The characteristics of disinfection by-products were investigated by operating conditions (dissolved water type, brine concentration, temperature of electrolytic cell inflow water, pH of electrolytic cell inflow water and electrolyzer current density) using a on-site sodium hypochlorite generator(5 kg/day).

Results and Discussion

The concentration of disinfection by-products (chlorate, bromate) according to the type of dissolved water was found to be high in the order of softened water > tap water > RO treated water. As the brine concentration increased, chlorate decreased and bromate increased. The optimal saline concentration was found to be 3% or more. As temperature of electrolytic cell inflow water increases,, chlorate decreases and bromate increases. The difference in the concentration of disinfection by-products(chlorate, bromate) according to the pH of electrolytic cell inflow water is not large, and the appropriate pH is determined to be about 7 when the free available chlorine and disinfection by-products are taken into account. Also, as the current density increases, the chlorate increases and bromate showed a decreasing trend.

Conclusion

It has been shown that the concentration of disinfection by-products can be minimized when operating within the operating range suggested by the on-site sodium hypochlorite generator manufacturer, and some operating conditions are thought to have been suggested by the manufacturer to protect the electrolyzer cells. As the market for on-site sodium hypochorite generator gradually expands, it is expected that improved facilities will be continuously released in consideration of the stricter standards for disinfection by-products.

1. 서 론

국내 정수장에서는 운전비용이 저렴하고 잔류염소 농도 관리가 용이하기 때문에 염소가스(chlorine gas)를 액화시킨 액화염소(liquified chlorine gas)를 대부분 소독공정에서 사용하여 왔다[1]. 액화염소는 독성이 강한 고압가스형태로 제조, 이송 및 저장하여 사용되는데, 이를 사용하는 정수장이 인구 밀집지역과 같은 수요처에 인접한 경우 자연재해 및 관리자의 운영 소홀 및 기계적인 오작동으로 인한 누출사고를 야기할 수 있다. 이러한 액화염소의 사고 가능성을 해소하기 위해 2000대 초반부터 동일한 소독성능을 가지고 있으면서도 안전한 차아염소산나트륨을 이용하는 정수장이 증가하고 있는 추세이다[2,3]. 대표적인 차아염소산나트륨 제조는 선택적 이온교환막을 이용하여 소금을 전기분해하면 염소가스와 가성소다가 생성되고, 생성된 염소가스와 가성소다를 혼합하여 일정 농도의 차아염소산나트륨(12% 이상)을 제조하게 된다[4]. 또한 현장제조형 발생기는 소금물을 전기분해하여 저농도(1% 이하) 차아염소산나트륨을 만드는 것으로, 기본적인 원리는 양극에서는 염소(Cl2)가 생성되고, 음극에서는 수산화나트륨(NaOH)이 생성되며, 염소와 수산화나트륨이 반응하여 차아염소산나트륨을 제조하는 것으로 기본적인 반응식은 다음과 같다[5].

2Cl-Cl2+2e        ()
2H2O+2eH2+2OH-          ()
2Na++2OH-2NaOH
Cl2+2NaOHNaOCl+NaCl+H2O   ( )

차아염소산나트륨의 제조 및 사용시 생성되는 소독부산물과 관련된 기본 반응은 다음과 같으며, 다양한 반응의 개연성으로 인해 소독부산물의 생성 기작과 제어 방안에 대한 연구는 현재까지 미비하다[6].

HOClOCl-+H+ (pKa=7.5)
HOCl+NaBrNaCl+HOBr
HOBrOBr-+H+ (pKa=8.5)
Br-+3OCl-BrO3-+3Cl-
OCl-+OCl-ClO2-+Cl- (slow)
OCl-+ClO2-ClO3-+Cl- (fast)

차아염소산나트륨을 이용한 소독공정을 사용할 경우, 클로레이트 및 브로메이트가 소독부산물로 발생하기 때문에, 차아염소산나트륨 용액의 분해를 최소화하여야 한다. 기존 오존공정에서 부산물로 발생하는 경우와 마찬가지로, 보관온도, pH, 용액의 이온세기, 보관농도 등이 주요 인자가 된다[7].

환경부는 2011년부터 먹는물 수질감시 항목으로 클로레이트(Chlorate, ClO3-) 0.7mg/L, 브로메이트(Bromate, BrO3-) 0.01mg/L를 지정하고 있으며, 2016년부터는 브로메이트를 먹는물 수질기준으로 운영하고 있다[8]. 세계보건기구(WHO) 및 미국 EPA에서는 2005년 이후 먹는물 수질에 관한 가이드라인을 제정하여 클로레이트 0.7mg/L, 브로메이트 0.01mg/L의 기준 값을 제시하고 있다[9,10]. 일본은 먹는물 중 클로레이트와 브로메이트 기준을 각각 0.6mg/L, 0.01mg/L로 관리하고 있다[11]. 캐나다는 식수품질 가이드라인(Guidelines for Canadian Drinking Water Quality, 2018)에서 브로메이트 0.01mg/L, 클로레이트 1.0mg/L로 규제하고 있고, 호주는 Australian Drinking Water Guidelines(2017)을 통하여 브로메이트 0.02mg/L, 클로레이트의 경우 값을 설정하기 위한 데이터 부족으로 규제하고 있지 않다[12,13].

이에 본 연구에서는 현재 국내 정수처리에서 사용되고 있는 현장제조형 염소발생기를 통해 만든 차이염소산나트륨을 대상으로 유효염소, 클로레이트 및 브로메이트 변화를 분석하여 소독부산물을 최소화할 수 있는 운영방안을 제시하고자 하였다.

2. 실험 방법

2.1. 실험 장치

본 연구는 현장제조형 염소발생기(5kg/day)를 이용하여 각 운영 변수별 소독부산물 발생특성을 조사하고자 하였으며, 현장제조형 염소발생기는 Fig. 1과 같이 반응조(전해조), 정류기, 전해수 라인으로 구성되어 있다.

Fig. 1.

Photograph of on-site sodium hypochlorite generator.

반응조(전해조)는 총 부피 3,570mL, 운전 부피는 3,260 mL이며, 내부는 양극(anode), 음극(cathode)이 삽입되어 있고, 각 전극의 면적은 2,700cm2이다. 양극의 경우 재질은 CSA(Catalytic Stable Anode)이며, 음극은 Ti(Titanium)으로 구성되어 있다.

정류기는 Xantrex(model XFR 40-70, Xantrex technology Inc., USA)를 이용하였다. 운전 시 정류기 최대 전압은 30 V로 고정하였고, 실시간 전압을 확인할 수 있도록 설정했다. 또한 디지털 멀티미터(SK-103, SK electronics, Co., Korea)를 사용하여 시료 채수 시 정류기의 정확성을 확보하였다. 본 연구에서는 전류밀도 97.2mA/cm2 및 정격전류 43.7 A로 실험을 수행하였다.

전해수 라인은 전해수, 펌프, 항온장치, 생산수로 구성되어 있으며, 전해수는 PE 재질의 200L 저장탱크에 소금물을 녹여 제조한 뒤 기본항목(pH, 온도, TDS, 경도)을 측정하였다. 그 후 펌프(Iwaki Metering Pump. model ES-C36VC-230N5, IWAKI Co., Japan)을 이용하여 전해수를 전해조에 유입시켰다. 유량은 24L/hr로 운전하였다. 이 때 전해수 호스는 내경 8mm, 외경 10mm의 호스를 사용하였다. 온도는 항온수조(WiseCircu TM Fuzzy System, model WCB-22, DAIHAN Scientific, Co., Korea)를 이용하여 조절하였고, 차아염소산나트륨 생산액은 PE 재질의 100L 저장탱크에 받아 분석을 진행하였다.

2.2. 분석 항목 및 측정방법

소금 용해수 및 차아염소산나트륨 생산수에 대하여 pH, 온도, TDS, 경도, 유효염소 및 소독부산물을 분석하였다.

2.2.1. 공통 항목 분석

소금 용해수 및 차아염소산나트륨 생산수에 대한 공통 측정항목은 pH, 온도, TDS, 경도이며, 측정장비는 pH meter(Orion 4Star, Thermo Scientific Orion Co., USA)와 디지털 핀 온도계(Multi-Thermo, DAIHAN Co., Korea)를 사용하였다. 이 때 정확한 pH 측정을 위해 실험 전 pH 4.01, 7.00, 10.01로 보정을 하였다. 온도는 디지털 온도계를 이용하여 섭씨로 측정하였다. 총 용존성 고형물질(TDS) 분석을 위해 TDS meter (HQ14d Portable Conductivity Meter, HACH Co., USA)를 이용하였다. 경도는 Hach Digital Titrator(cat. 16900-01, HACH Co., USA)를 이용하여 적정하였고, 시약은 Hardness, Total(Tiration Method using EDTA, 10 to 400mg/L as CaCO3, cat. 2448100, Methode 8213, HACH Co., USA)을 이용하였다.

2.2.2. 유효 염소 분석

유효염소의 측정은 ‘수처리제의 기준과 규격 및 표시기준’에 고시된 방법에 따라 실험하였다[14]. 차아염소산나트륨(NaOCl) 5 g을 달아 250 mL 플라스크에 넣고 증류수로 표선까지 채운 후 이 용액 25 mL 취하여 300 mL 삼각플라스크에 옮겨 넣고 요오드화칼륨 1 g을 가한 후 초산 4 mL를 가하여 산성으로 한다. 유리된 요오드를 0.1 N 티오황산나트륨 용액으로 적정하여 액의 청색이 소멸될 때를 종점으로 하여, 다음식에 따라 시료중의 유효염소 농도(%)를 산출하였다.

(1) (%)=C×f1×0.003545S×25025×100

여기서, C는 0.1 N 티오황산나트륨 용액의 사용량(mL), f1은 0.1 N 티오황산나트륨 용액의 규정도계수, 0.003545는 0.1 N 티오황산나트륨 용액 1 mL에 상당하는 유효염소의 질량(g), S는 시료의 질량(g)을 의미한다.

2.2.3. 소독부산물 분석

클로레이트 및 브로메이트의 분석 또한 ‘수처리제의 기준과 규격 및 표시기준’에 고시된 방법에 따라 실험하였다[14]. 분석 장치는 이온크로마토그래피/전기전도도 검출기(IC/Cond. IC-5000, Thermo Fisher Scientific Inc. USA)를 이용하였다. 시료분석의 범위는 0.015~1.000mg/L이며, 범위를 초과하는 경우에는 희석하여 재분석하였다. 시료 중에 입자상 물질이 존재하는 경우에는 0.2µm 또는 0.45µm 멤브레인 필터를 사용하여 여과하였다. 시료의 종류별로 희석 배수를 달리하여 희석하였고, 시료의 간섭영향은 전기전도도를 측정하여 간섭이온(염소이온, 황산이온, 탄산이온 등)의 영향을 확인하였다. 간섭이온의 농도가 높을 경우 –Ba → -Ag → -H 순으로 카트리지를 사용하여 간섭이온을 제거한 후 분석하였다.

2.2.4. 운전 조건

본 연구에서 사용한 현장제조형 염소발생기(5kg/day)는 제조사에서 제공한 전해셀 운전방법을 참고하여 연구를 진행하였으며, 현장제조형 염소발생기 모식도는 Fig. 2와 같다. 용해수는 용해수 분석 항목(pH, TDS, 온도, 경도, 소독부산물)을 측정한 뒤 소금을 정량하여 용해수에 녹이고 TDS를 측정하며 목표 농도로 제조하였다. 온도 유지를 위해 냉각관에 항온수조(WiseCircuⓇ Digital Circulation Water Bath, WCB-22, DAIHAN Scientific. Co., Korea) 순환 호스를 연결하고, 이때 항온수조는 증류수를 순환시켜 일정 온도를 유지시켰다. 냉각관의 다른 연결부위에 펌프를 연결하여 반응조(전해조)로 전해수를 공급하며, 유량은 24L/hr로 운전하였다. 이후 정류기를 가동 시킬 때 반응조(전해조)에 공급된 전해수가 부족할 경우 반응조(전해조)의 과열, 정류기 전원 차단, 수소 가스 및 차아염소산나트륨 과다 발생의 위험이 있으므로 반드시 전해수가 가득 차 있을 경우에만 정류기의 전원을 가동시켰다. 그리고 정류기의 전압을 최대로 맞춘 뒤 전류를 목표값으로 설정한 다음 디지털 멀티미터를 이용하여 정류기의 전류를 확인 한 뒤 실험을 시작하였다. 시료는 각 채수 시간에 맞추어 50 mL Centrifuge Tubes(Corning CentriStar™ Centrifuge Tubes, Corning Incorporated. Co., USA)에 채수하여 시료 분석항목을 측정하였으며, 4℃에 냉장 보관하였다.

Fig. 2.

Schematic diagram of on-site sodium hypochlorite generator.

3. 결과 및 고찰

3.1. 용해수 종류별 소독부산물 발생 특성

국산 천일염을 이용하여 용해수 종류별(연수, 수돗물, RO처리수)로 실험을 수행하였다. 국산 천일염을 용해수에 녹여 3% 전해수로 제조 후 수질분석을 하였으며 그 결과는 Table 1과 같다. 운전은 정류기 전류 43.7A, 전해수 유량 24 L/hr으로 설정하여 실험을 진행하였고, 시료는 120~180min에 생산된 차아염소산나트륨 용액을 채수하여 소독부산물 등을 분석하였으며, 유사 조건에서 3회 반복 실험하였다.

Water quality characteristics of inflow water in electrolytic cell according to the type of dissolved water.

Fig. 34는 용해수 종류별 유효염소 및 소독부산물 발생특성을 나타낸 것으로, 3종류의 용해수에서 모두 유효염소 0.75~0.85%로 나타났다. 또한, 클로레이트의 K-water 관리기준 (0.5mg/L)을 만족하기 위해 RO 처리수는 최대 26ppm, 수돗물은 최대 18ppm, 연수는 최대 15ppm 주입이 가능하고, 브로메이트(0.008mg/L)의 경우 RO 처리수와 수돗물은 최대 3ppm, 연수는 최대 2ppm 주입이 가능한 것으로 나타났다. 염소 주입량이 많은 정수장의 경우 RO 처리수를 용해수로 사용하는 것이 타당한 것으로 판단된다[15]. 또한 모든 실험에서 클로라이트 및 퍼클로레이트는 불검출 되었다.

Fig. 3.

Free available chlorine concentration by type of dissolved water.

Fig. 4.

Chlorate and bromate concentration by type of dissolved water.

3.2. 염수 농도별 소독부산물 발생 특성

국산 천일염을 용해수(연수)에 녹여 2%, 3%, 5% 전해수로 농도를 변화시켜 제조하였으며 수질분석 결과는 Table 2와 같다. 운전은 정류기 전류 43.7A, 전해수 유량 24 L/hr으로 설정하여 실험을 진행하였고, 시료는 120~180 min에 생산된 차아염소산나트륨 용액을 채수하여 소독부산물 등을 분석하였으며, 유사 조건에서 3회 반복 실험하였다.

Water quality characteristics of inflow water in electrolytic cell by brine solution concentration.

Fig. 56은 염수 농도별 유효염소 및 소독부산물 발생특성을 나타낸 것으로, 염수 농도 3% 및 5%가 ‘저농도 차염발생설비 기술기준 전문시방서’에 의한 유효염소 범위(0.75~0.85%)를 만족하는 것으로 나타났다[16]. 염수 농도가 증가할수록 클로레이트는 감소하고 브로메이트는 증가하는 경향을 나타내며, K-water 관리기준을 근거로 클로레이트(0.5mg/L)는 염수농도 3% 및 5%에서 각각 최대 18ppm 및 23ppm 주입이 가능하고, 브로메이트(0.008mg/L)는 염수 농도 3% 및 5%에서 각각 최대 2ppm 및 1ppm 주입이 가능한 것으로 나타났다[15]. 또한 모든 실험에서 클로라이트 및 퍼클로레이트는 불검출 되었다.

Fig. 5.

Free available chlorine concentration by brine concentration.

Fig. 6.

Chlorate and bromate concentration by brine concentration.

염수 농도와 소독부산물과의 관계를 통계처리를 통해 분석한 결과, 클로레이트는 염수 농도별로 발생량 차이가 없는 것으로 나타났다(Table 3). 따라서 결론적으로 유효염소와 소독부산물을 고려한 적정 염소농도는 3% 이상인 것으로 판단된다.

Comparison result of chlorate per free available chlorine by brine concentration.

3.3. 전해조 유입수 온도에 따른 소독부산물 발생 특성

국산 천일염을 용해수(연수)에 녹여 3% 전해수로 제조하여 분석한 수질특성은 Table 4와 같다. 전해수의 온도는 4, 10, 15, 20, 25, 30, 35℃로 조절하였으며, 4, 10, 15℃는 냉장고에서 하루 동안 온도를 낮춘 뒤 사용하였고, 20, 25, 30, 35℃의 경우 실온에서 온도를 증가시켜 실험을 진행하였다. 운전은 정류기 전류 43.7A, 전해수 유량 24 L/hr으로 설정하여 실험을 수행하였고, 시료는 120~180 min에 생산된 차아염소산나트륨 용액을 채수하여 소독부산물 등을 분석하였으며, 유사 조건에서 2회 반복 실험하였다.

Water quality characteristics by temperature of the inflow water in the electrolytic cell.

Fig. 78은 전해조 유입수 온도별 유효염소 및 소독부산물 발생특성을 나타낸 것으로, ‘저농도 차염발생설비 기술기준 전문시방서’에 의한 유효염소 범위(0.75~0.85%)를 만족하기 위해서는 유입수 온도 10~25℃가 적당한 것으로 나타났다[16]. 전해조 유입수 온도가 증가할수록 클로레이트는 감소하고 브로메이트는 증가하는 경향을 나타내며, K-water 관리기준을 근거로 클로레이트(0.5mg/L)는 유입수 온도 10~20℃에서 21~23ppm 주입이 가능하며, 브로메이트(0.008mg/L)는 유입수 온도 10~20℃에서 2~3ppm 주입이 가능한 것으로 나타났다[15]. 또한 모든 실험에서 클로라이트 및 퍼클로레이트는 불검출 되었다.

Fig. 7.

Free available chlorine concentration by temperature of the inflow water in electrolytic cell.

Fig. 8.

Chlorate and bromate by temperature of the inflow water in the electrolytic cell.

3.4. 전해조 유입수 pH별 소독부산물 발생 특성

전해수의 pH는 4, 5, 7, 8, 9, 10, 11, 13으로 조절하였으며, pH는 황산원액(H2SO4: 98.08%)과 4N 수산화나트륨(NaOH: 40.00%)을 사용하여 조절하였다(Table 5). 운전은 정류기 전류 43.7A, 전해수 유량 24 L/hr으로 설정하여 실험을 수행하였고, 시료는 120~180 min에 생산된 차아염소산나트륨 용액을 채수하여 소독부산물 등을 분석하였다.

Water quality characteristics by pH of the inflow water in the electrolytic cell.

Fig. 910은 전해조 유입수 pH별 유효염소 및 소독부산물 발생특성을 나타낸 것으로, ‘저농도 차염발생설비 기술기준 전문시방서’에 의한 유효염소 범위(0.75~0.85%)를 만족하기 위해서는 유입수 pH 7~9가 적당한 것으로 나타났다[16]. 전해조 유입수 pH에 따른 소독부산물(클로레이트, 브로메이트) 발생 차이는 크지 않으며, 유효염소와 소독부산물을 고려했을 때 최적 pH는 7 정도인 것으로 판단된다. 또한 모든 실험에서 클로라이트 및 퍼클로레이트는 불검출 되었다.

Fig. 9.

Free available chlorine concentration by pH of the inflow water in the electrolytic cell.

Fig. 10.

Chlorate and bromate concentration by pH of the inflow water in the electrolytic cell.

3.5. 전해조 전류밀도별 소독부산물 발생 특성

국산 천일염을 용해수(연수)에 녹여 3% 전해수로 제조하여 분석한 수질특성은 Table 6과 같다. 전류는 5 kg/day 전해셀 운전방법에서 제시한 40, 60, 80, 97.2, 100, 120 mA/cm2를 식(1)의 ‘A’에 대입하여 계산하여 18, 27, 36, 43.7, 45, 54 A로 나타내었다.

Water quality characteristics according to current density in the electrolytic cell.

Fig. 11Fig. 12는 전해조 전류밀도별 유효염소 및 소독부산물 발생특성을 나타낸 것으로, ‘저농도 차염발생설비 기술기준 전문시방서’에 의한 유효염소 범위(0.75~0.85%)를 만족하기 위해서는 전류밀도 97.2 mA/cm2 이상이 필요한 것으로 나타났다[16]. 전류밀도가 증가할수록 클로레이트는 증가하고 브로메이트는 감소하는 경향을 나타내며, 소독부산물 발생량을 기준으로 적정 전류밀도는 97.2~100 mA/cm2 인 것으로 판단된다. 또한 모든 실험에서 클로라이트 및 퍼클로레이트는 불검출 되었다.

Fig. 11.

Free available chlorine concentration according to current density in the electrolytic cell.

Fig. 12.

Chlorate and bromate concentration according to current density in the electrolytic cell.

(2) A×2,700cm2×11,000×16=B

4. 결론

본 연구에서는 국내 정수장에서 사용하고 있는 현장제조형 염소발생기를 이용하여 생산한 차이염소산나트륨을 대상으로 유효염소, 클로레이트 및 브로메이트 변화를 분석하여 소독부산물을 최소화할 수 있는 운영방안을 제시하고자 하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1) 용해수 종류에 따른 소독부산물(클로레이트, 브로메이트) 발생량은 연수 > 수돗물 > RO 처리수의 순으로 높게 나타났으며, 클로레이트(관리기준 0.5mg/L)의 경우, RO 처리수는 최대 26ppm, 연수는 최대 15ppm 주입이 가능한 것으로 나타나, 연수 사용 대비 42%의 주입률 향상이 가능한 것으로 나타났다.

2) 염수 농도가 증가할수록 클로레이트는 감소하고 브로메이트는 증가하는 경향을 나타내며, 클로레이트(관리기준 0.5 mg/L)의 경우, 염수 농도 3% 및 5%에서 각각 최대 18ppm 및 23ppm 주입이 가능한 것으로 나타나, 적정 염수 농도는 3% 이상인 것으로 조사되었다.

3) 전해조 유입수 온도가 증가할수록 클로레이트는 감소하고 브로메이트는 증가하는 경향을 나타내며, 클로레이트(관리기준 0.5 mg/L)의 경우, 유입수 온도 20~25℃에서 23~28ppm 주입이 가능한 것으로 나타나, 적정 유입수 온도는 20~25℃인 것으로 사료된다.

4) 전해조 유입수 pH에 따른 소독부산물(클로레이트, 브로메이트) 발생 차이는 크지 않으며, 유효염소와 소독부산물을 고려했을 때 적정 pH는 7 정도인 것으로 판단된다. 또한 전류밀도가 증가할수록 클로레이트는 증가하고 브로메이트는 감소하는 경향을 나타내며, 소독부산물 발생량을 기준으로 적정 전류밀도는 97~100 mA/cm2인 것으로 나타났다.

Acknowledgements

본 연구는 환경부 국립환경과학원의 지원을 받은 ‘수처리제 시험방법 및 관리체계 개선방안 마련 연구(과제번호 : NIER-2018-01-02-063)’의 일환으로 수행하였습니다.

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.

References

1. Cho H. J, Na C. W, Ko S. H. A study on the stable operation of high sodium hyporchlorite generation. The KSFM J. of Fluid Machinery 20(2):69–74. 2017;
2. Snyder S. A, Stanford B. D, Pisarenko A. N. Hypochlorite-an assessment of factors that influence the formation of perchlorate and other contaminants American Water Works Association. Denver, Colorado: p. 3. 2009.
3. Min B. D, Chung H. M, Kim T. W, Park J. H. Study on disinfection by-products formation according to kind of salt in on-site production. J. of Korean Society of Water and Wastewater 29(5):575–581. 2015;
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12. Health Canada, Guidelines for Canadian Drinking water Quality, Health Canada, pp. 10(2018).
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16. K-water. On-site chlorine generator installation and operation standard K-water; 2011.

Article information Continued

Fig. 1.

Photograph of on-site sodium hypochlorite generator.

Fig. 2.

Schematic diagram of on-site sodium hypochlorite generator.

Fig. 3.

Free available chlorine concentration by type of dissolved water.

Fig. 4.

Chlorate and bromate concentration by type of dissolved water.

Fig. 5.

Free available chlorine concentration by brine concentration.

Fig. 6.

Chlorate and bromate concentration by brine concentration.

Fig. 7.

Free available chlorine concentration by temperature of the inflow water in electrolytic cell.

Fig. 8.

Chlorate and bromate by temperature of the inflow water in the electrolytic cell.

Fig. 9.

Free available chlorine concentration by pH of the inflow water in the electrolytic cell.

Fig. 10.

Chlorate and bromate concentration by pH of the inflow water in the electrolytic cell.

Fig. 11.

Free available chlorine concentration according to current density in the electrolytic cell.

Fig. 12.

Chlorate and bromate concentration according to current density in the electrolytic cell.

Table 1.

Water quality characteristics of inflow water in electrolytic cell according to the type of dissolved water.

구 분  RO treated water
Tap water
Softened water
RO treated water Brine Solution Tap water Brine Solution Softened water Brine Solution
pH 6.4 6.9 7.3 7.2 7.8 7.0
Temp (℃) 20 19 23 22 22 22
TDS (g/L) 0.34* pH 75* 31 67* 31
Hardness (㎎/L) - - - - ND 59
*

Unit : mg/L

Table 2.

Water quality characteristics of inflow water in electrolytic cell by brine solution concentration.

Parameter 2%
3%
5%
Softened water Brine Solution Softened water Brine Solution Softened water Brine Solution
pH 7.4 7.1 7.36 7.29 7.35 7.19
Temp (℃) 25 25 25 25 25 24
TDS (g/L) 65* 21 66* 31 66* 51
Hardness (mg/L) 0.15 47 0.05 54 0.10 110
*

Unit : mg/L

Table 3.

Comparison result of chlorate per free available chlorine by brine concentration.

Parameter Level ClO3/Cl2 (average) F value P-value
Brine solution Conc.(%) 5 0.021245 2.81 0.2054
3 0.026400
2 0035128

Table 4.

Water quality characteristics by temperature of the inflow water in the electrolytic cell.

Temp.(℃) 4 10 15 20 25 30 35
Parameter
pH 7.3 7.2 7.3 7.2 7.3 7.4 7.3
Temp (℃) 5 10 15 20 25 30 35
TDS (g/L) 31 31 31 31 31 31 31
Hardness (㎎/L) 51 49 49 49 49 51 49

Table 5.

Water quality characteristics by pH of the inflow water in the electrolytic cell.

pH 4 5 7 8 9 10 11 13
Parameter
pH 4.0 5.0 7.0 8.1 9.0 10.0 11.0 13.0
Temp (℃) 23 26 26 24 26 25 25 26
TDS (g/L) 31 31 31 30 30 3 3 61
Hardness (㎎/L) 49 49 49 49 49 50 54 -

Table 6.

Water quality characteristics according to current density in the electrolytic cell.

Current density (mA/cm2) 40 60 80 97.2 100 120
Parameter
Current (A) 18 27 36 43.7 45 54
pH 7.2 7.2 7.3 7.4 7.4 7.4
Temp. (℃) 25 25 25 25 25 25
TDS (g/L) 31 31 31 31 31 31
Hardness (㎎/L) 56 56 50 50 50 50