[출처= 워터저널(www.waterjournal.co.kr) 2008년 4월호 특집 기사]

 

 

 

이단 복합여과시스템으로 처리수 수질 향상

유지관리 안정성·관리비 절감효과 증대…시공도 용이
입자성 탁질물질·냄새 유발물질·병원성 미생물 제거 탁월

 

 

 

 

환경부는 정수장의 탁도 기준을 미국과 동일한 수준으로 강화하고 원생동물의 99.9% 이상을 제거토록 하는 등 수질관리 기준을 대폭 강화한다고 2004년 6월 29일 발표한 바 있다. 이에 따라 수돗물 생산능력이 하루 10만 톤 이상 되는 정수장의 경우 탁도관리기준을 0.5NTU에서 0.3NTU로 강화하고 모든 정수장이 원생동물의 99.9% 이상을 제거 혹은 불활성화해야 한다.

이는 바이러스 등 병원성 원생동물의 관리를 위해 2002년 7월 5일 제정된 「정수처리에 관한 기준」에서 2년 간 유예해 온 원생동물 관리가 본격적으로 시행되는 것을 의미한다. 더불어 과잉소독방지를 위해 2003년 1월 1일부터 10만 톤 이상의 정수장을 대상으로 실시해 오던 클로랄하이드레이트 등 5개 소독부산물에 대한 먹는 물 수질기준 준수의무를 전국 정수장으로 확대됐다.
이렇게 강화되는 정수장에서의 탁도, 병원성원생동물, 소독부산물 등의 수질기준을 맞추기 위해서는 여과지의 성능향상을 위한 기존 여과방식의 개량 기술 개발이 무엇보다도 중요하다.

미국은 1993년 밀워키시에서 발생한 ‘Cryptosporidium 누출사고’ 이후 여과지에서 원생동물의 제거를 최대화하기 위해 탁도를 0.1 NTU 미만으로 운전토록 유도하고 있으며 기존의 모래여과방식을 활성탄+모래, 안트라사이트+모래, 안트라사이트+모래+가넷 등과 같은 이층여과 또는 다층여과 방식으로 전환되고 있을 뿐만 아니라 Particle Counter까지 설치해 입자수를 최소화하도록 노력하고 있다.

그러나 국내에서는 기존 정수처리방법으로는 제거가 곤란한 미량오염물질을 제어할 수 있는 고도정수처리공정으로서 대부분 모래여과를 거친 후 오존+입상활성탄여과시스템을 채택해 왔으며, 최근에는 막(membrane) 여과 공정에 대한 실험적 연구가 활발히 진행되고 있다.

한국수자원공사는 수돗물의 안전성 확보를 위해 총 3천352억 원의 사업비를 2004년부터 2015년까지 연차적으로 투입하여 창원 반송 등 9개 정수장에 입상활성탄공정 등을 설치하는 계획을 수립해 시행하고 있다.

서울시는 2003년 12월부터 구의정수장 내에 프랑스 드그레몽사를 비롯해 5개 업체가 참여하는 막여과 실증플랜트 운전을 시작했으며 환경부 수처리선진화사업단의 사업으로 연계해 막대한 연구비를 투자할 계획이다.

그러나 목표수질을 달성하기 위한 장기적 안목에서 중대형 정수시설에 이들 공정을 적용하기에는 기술적, 재정적 측면과 더불어 안전성, 안정성 및 유지관리의 난이도 등이 심도 있게 검토돼야 할 공정들이다.

상수원수의 수질이 기존 표준정수처리로 먹는 물의 목표수질을 달성할 수 있는 수준으로 개선되지 않는 한 당분간 시설 및 운전유지관리상의 비용과 어려움을 감수해야 할 고도정수처리공정이라 불리는 특수정수처리공정의 추가도입은 불가피한 실정이다.

따라서 당사에서는 겨울철 수온강하, 여름철 우천 시 표류수 중의 고탁도 물질 및 봄, 가을철의 조류성장 시기 등을 고려해 기존의 급속 모래여과 시스템을 이단 이층 복합여과 시스템으로 개량하는 기술을 개발하게 됐다.

이 신기술은 기존 여과지의 개량 또는 신설 여과지 설계 시 또 다른 부지의 확장 없이 기존 모래여과지를 대체하는 기술로서 하부집수장치 상부에 모래+활성탄 층을 두고 활성탄 층 상부에 일정한 간격의 역세 팽창층을 두고 전처리의 개념으로 중간집수장치 위에 모래층을 두는 이단 이층 복합여과시스템을 말한다.

본 신기술은 현재 모형설비의 현장적용성에 대한 자체평가를 완료하고 공인기관의 객관적인 평가를 통해 검증과정을 거치고자 하며 평가가 완료된 후 기술의 보급에 힘써 기존 정수장의 처리 효율을 높여 수돗물 수질 향상과 만족도 높은 물 생산에 이바지하고자 한다.

 

 

장애물질·병원성 미생물 제거기술

본 기술은 정수처리과정 중 급속여과지를 1단과 2단으로 분리해 1단에서는 전처리용의 여재층을 2단에서는 본 처리용의 Dual-Media층을 이용해 입자성 탁질물질과 병원성 원생동물(Giardia, Cryptosporidium), 맛·냄새 유발물질, 내분비계 장애물질, 유기물질 등을 제거하고 2단의 마감처리용 여재층에서 미세 분말활성탄 및 추가적인 병원성 미생물 등을 제거하는 기술이다.

본 신기술은 정수처리공정 중 급속여과지를 1단과 2단으로 분리하는데 1단에서는 전 처리용의 조립모래층에서 입자성 탁질물질을 제거하고 2단에서는 본처리용의 입상활성탄층에서 병원성 원생동물(Cryptosporidium, Giardia), 맛·냄새 유발물질, 내분비계 장애물질, 유기물질 등 제거한다.

입상활성탄층 2단에서는 마감처리용 세립모래층에서 미세 분말활성탄 및 병원성 미생물 등 제거하고 1단과 2단에는 국내 최초로 국산화한 유공블럭형 하부집수장치를 적용한다.

본 신기술에 적용된 유공블럭형 하부집수장치의 장점으로 △블록 사수부 제거용 오리피스를 설치해 균등한 여과 및 역세척 가능 △공기·물 동시 역세척이 가능하여 효율 증대 △고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 재질로 조립 및 시공이 용이하다. 또한 본 신기술의 하부집수장치와 여재사이에 적용된 다공성지지판은 자갈층을 대신해 여층의 깊이를 줄여줄 수 있다.

 

 

비용 절감 효과 큰 복합여과시스템

 

 

▲ 정수처리용, 복합여과시스템 개념도

본 신기술은 다음 그림과 같이 정수처리공정 중 급속모래 여과장치를 1단과 2단으로 분리하고 1단에는 조립모래여과재에 의한 전처리, 2단의 상부는 입상활성탄에 의한 본처리, 입상활성탄의 하부에 모래여과재에 의한 마감처리의 개념을 도입했다.
본 신기술은 기존 모래여과장치에서는 제거가 어려운 맛·냄새 유발물질, 고분자 유기물질, 원생동물(Cryptosporidium, Giardia), 내분비 장애물질 등 다양한 오염물질의 제거 및 여과성능 향상을 위해 여과지 개량 시 또는 신설시 추가적인 부지 확보 없이 막대한 비용이 드는 막 분리(membrane) 공정이나 오존+BAC(Biological Activated Carbon)공정과 유사한 효과를 거둘 수 있는 복합여과시스템이다.

균등한 여과 및 역세척 가능

본 신기술은 국내의 독특한 수질특성인 봄, 가을철의 조류의 급격한 성장, 여름철 우천 시 표류수 중의 고탁도 물질 발생, 겨울철 수온의 급격한 저하에 대비할 수 있다. 즉, 봄, 가을의 조류성장기, 여름철 우천시 고탁도 물질 유입에 따라 여과속도를 빨리하고 전처리 개념으로 1단에는 조립모래여과재 충진하고 겨울철 수온강하에 따른 암모니아성 질소 제거, 유기물질 제거를 위해 2단에 입상활성탄 충진했으며 입상활성탄에서 미세활성탄 및 미생물의 탈리 방지를 위한 입상활성탄층 하부에 세립모래여과재를 충진했다.

본 신기술은 다음 그림과 같이 1단의 잦은 역세척에 대비해 1단·2단을 분리하고, 전체 여과층의 두께를 최소화하고 공기+물 동시 역세척을 위해 당사에서 국내 최초로 국산화한 유공블럭형 하부집수장치를 1단과 2단에 각각 적용한다.

 

 

▲ 복합여과시스템에서 1단/2단 분리 개념도

역세수·역세공기 줄여 오염 감소

본 신기술에 적용된 유공블럭형 하부집수장치의 공기실은 분산실과 송수실의 두 기능으로 나눠져 있는데, 그 중에서도 분산실은 오리피스의 간격 및 크기, 위치가 중요한 요소로 작용한다. 이 오리피스는 역세척 시 물과 공기의 균등분배를 위해 서로 다른 크기의 오리피스 직경을 가져야 하며, 그리고 송수실은 역세척 시의 유속을 감소시키기 위해 0.32㎡ 이상의 내부 면적을 가져야 한다. 본 유공블럭형 하부집수장치는 상기 조건에 근거해 초소량의 공기 유속을 가지고도 균등 역세가 가능하도록 설계됐다. 유공블럭형 하부집수장치는 1, 2차 분산실을 가지고 있으며, 경사판은 1단계 물 오리피스 직경 20 5개소, 2단계 공기 오리피스 직경 4.5 4개소, 3단계 공기 오리피스 직경 4.5 5개소 , 4단계 공기 오리피스 직경 4.5 4개소의 4단 오리피스 구조를 갖는 형태로써 최소 공기 유속을 0.24㎥/㎡분에서도 균등 역세가 가능하다. 이는 역세 시 역세수와 역세 공기 사용량을 줄일 수 있어 운영비 절감과 역세 시 발생하는 이물질이 함유된 배출수의 감소로 인하여 2차 환경오염을 줄여 처리비용을 감소시킬 수 있다.

▲ 유공블럭형 하부집수장치

공기·물 동시에 역세척 가능

유공블럭형 하부집수장치는 약 5cm의 조밀한 간격으로 블록 사수부 제거용 상부 오리피스를 설치해 사수지역을 최소화하고 Mud Ball 형성을 방지함으로써 균등한 여과 및 역세척이 가능하며 역세척 시 손실수두를 최소화하고 물 역세척, 공기/물 동시 역세척이 가능해 효율이 증대되며, 파손 및 고장 요인이 없어 유지관리의 안정성 및 관리비 절감효과를 증대시킬 수 있다. 또 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 재질로 가벼우며 긴 블록을 이용해 조립 및 시공이 용이한 장점이 있다.

유공블럭형 하부집수장치의 상부와 여재 사이에 설치될 다공성지지판은 규격이 L 870mm×W250mm×T20mm이고 충격에 강한 폴리에틸렌(HDPE)의 재질로 제작돼 어떠한 충격과 마모에도 견디도록 제작됐다. 다공성지지판은 미로와 같이 다층의 입자와 입자가 결합돼 있어 기공경 이하의 이물질에 의해서도 기공의 폐쇄가 없는 구조로서 자갈층을 대신해 여재를 지지함으로써 여층의 깊이를 줄여줄 수 있고, 700∼800㎛의 일정한 공극 형성으로 균등역세 시 공기 및 물의 균등 분배를 가능하게 도와줄 수 있다.

 

 

▲ Y시 S정수장에 설치된 소규모 Pilot Plant

▲ 기존 공정과 효성에바라엔지니어링 신기술 비교

탁도 유입 원수대비 97% 감소

모형시설 운전기간 동안 탁도는 유입원수대비 97%가 감소했고 총 입자개수는 유입원수 내 평균 4천932counts/mL에 대해 2단 최종여과수에서는 평균 52 counts/mL이 검출됐다. 특히 2㎛ 이상의 입자는 유입원수 내 평균 1.202 counts/mL에 대해 2단 최종여과수에서는 평균 16 counts/mL로 나타났다.

모형시설을 통한 병원성 원생동물인 Cryptosporidium, Giardia의 간접적인 제거율을 확인하기 위해서 3∼5㎛, 5∼15㎛ 범위로 나눠 분석할 결과 유입원수에서는 3∼5㎛가 평균 559 counts/mL , 5∼15㎛가 평균 181 counts/mL에 대해 2단 여과지 여과수는 5 counts/mL, 2 counts/mL로 원수대비 99.1%, 99%를 나타났다.

2단 여과수 최종유출수의 유기물 평균제거율은 TOC 54%, DOC 55%, UV254 89%로 나타났다. 또한, 소독부산물의 평균제거율은 THMs 58%, THMFP 42%, HAAs 89%, HAAFP 71%, Chloral Hydrate 100%로 나타났다.

이 밖에도 이 취미 원인물질의 평균제거율은 Geosmin 12.5%, 2-MIB 50.3%로 나타났으며 Cryptosporidium, Bisphenol A, Geosmin, 2-MIB의 Spiking Test 결과 제거율은 Cryptosporidium 99.9∼99.99%, Bisphenol A 95% 이상, Geosmin, 2-MIB 각각 90% 이상으로 나타났다.