정 수 장 설 계

뉴 엔 텍 (주) 환경기술연구소

류 성 호

목 차

제 1 장 정수의 원리 제 2 장 혼 화 공 정

제 3 장 응 집 공 정

제 4 장 침 전 공 정 제 5 장 여 과 공 정

제 6 장 소 독 공 정

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제 1 장 정수의 원리

1-1 정수처리 원리

상수도로서 유지되어야할 수질은 우리나라의 경우 “먹는물수질기준”으로 규정하고 있

어, 처리될 원수자체가 이 기준을 만족시키기는 경우는 거의 없을 것이다. 따라서 인간이

먹을수 있는 수질기준과 원수의 수질차이를 해소하기 위해 일정한 조작이 필요하게 되며

이와같은 일련의 과정을 “정수처리”라 한다. 정수처리는 수중에 있는 불순물의 종류 및

농도등에 따라 여러과정을 상호 조합시켜 상수도로서 적합한물을 생산하는 일련의 시스

템으로 이루어져 있으며 이와같은 시스템구성은 처리될 원수의 종류 및 목표수질등에 따

라 구성되어 진다.

1-2 처리대상물질

정수처리대상물질은 수중에 있는 불순물의 크기에따라 현탁물질(suspended solids), 콜로

이드물질, 용해성물질(dissolved solids) 로 분류되며, 불순물의 기원(source)별 불순물의 종

류는 <표1-1>과 같다

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<표1-1> : 수중의 불순물과 그 기원

용해성물질(disolved solids) [10-4 ㎛ < d < 1㎛]구분

기원

(source)

현탁물질

(suspended solid) [ d > 1㎛ ]

콜로이드성물질

[10-3㎛<d<1㎛] 가스 비이온 양이온 음이온

무기성토양및암석

점토, 모래, 그외의

무기성토양

점토, SiO Fe O2, 2 3 Al2O3, MnO2

CO2

Ca2+, Mg2+,Na+,K+,Fe2+,

Mn2+, Zn2+

HCO3-, Cl-,

SO42-,

NO3-,

CO32-, F-,

OH- 무기계

대기 N2, O2, CO2, SO2

H+ HCO32--,

SO4

동식물의 사체

유기성토양(표토),유기성폐물

식물성색소, 유기성폐물

CO2, O2, N2, H2S,

CH4, 취기성분

식물성색소,

유기성폐물

Na+, NH4+,

H+ Cl-, HCO3

-, NO2

-, NO3-,

OH-, HS-

동식물의 생물체

어류, 조류, 미생물

바이러스, 세균, 조류 유기계

화학공업제품등

DDT, PCB, BHC 등의 석유화합물이 주체

* 일반적으로 지름 0.45㎛ 인 필터에 남는성분을 현탁물질, 필터를 통과한성분을 용해성

물질 이라함.

일반적인 표준식 정수처리공정의 주요처리대상은 수중에 다량으로 분포하는 입자의 크

기가 1㎛이하의 미세한 콜로이드성의 물질로서 콜로이드성분의 특성을 감안, 적정한 약

품(응집제)을 첨가하여 입자의 크기를 침전(부상) 및 여과공정에 의해 효과적으로 분리될

수 있는 10 ~ 수십㎛이상의 입자로 성장시켜 처리하는 일련의 시스템으로 구성되어 있다.

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1-3 정수시스템 구성

정수처리시스템의 구성은 수중의 불순물의 상태와 각 단위공정의 처리효율을 대응시켜

검토하여야 하며, 필요한 경우 처리성평가를 통해 결정되어야 한다. 일반적으로 단위공정

의 처리성과 연계하여 수중의 불순물의 치수, 불순물의 화학적반응성 및 농도등이 정수

시스템 구성을 위한 가장 중요한 요소가 된다. 현재 도입가능한 정수처리공정조합에 있

어 경제성을 감안할 경우 시스템구성 순서는 일반적으로 거친불순물을 우선적으로 처리

하고 농도가 높은 불순물성분을 먼저 처리하도록 하며, 2가지 원칙을 충족시킬수 없는 경

우(농도가 높은 용해성 성분이 있을때)에는 2가지의 원칙이 성립될 수 있도록 일반적으로

작은입자의 치수를 크게하기위한 전처리과정이 필요하다 하겠다.

<그림 1-1>은 정수처리 전체시스템구성의 예를 나타낸 것이며, <그림 1-2~3>은 원수 수

질특성, 유지관리능력, 부지여건 및 경제성등에 따라 도입되는 전형적인 완속여과시스템

과 급속여과시스템의 구성예를 나타낸 것이다.

<그림1-1> : 정수시스템 구성 (예)

<그림1-2> : 완속여과시스템 구성 (예)

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<그림1-3> : 급속여과시스템 구성 (예)

1-4 정수처리공정선정

(1) 처리공정 선정 (대안검토)

① 원수의 수질특성 및 처리수의 목표수질에 따라 최적공정 선정, 조합

② 처리공정 선정시 현재의 수질조건 및 장래 원수수질악화 및 먹는물수질기준강화에 대비한 공정선정

③ 운영관리능력 및 유지관리방안 고려

- 수처리약품 구입의 용이성 및 가격의 적정성

- 주요설비의 이용가능성 및 유지관리방안

- 운전자나 유지관리 직원의 능력등

④ 최종 처리공정선정 : 도입공정의 신뢰성, 시공의 용이성, 조작 및 유지관리의 용이성, 그리

고 운영 및 유지관리비용등을 종합적으로 검토

⑤ 급속여과방식의 경우 처리공정 대안(그림1-4~5참조) - IN-LINE FILTRATION - DIRECT FILTRATION - CINVENTIONAL TREATMENT - ADVANCED TREATMENT

<그림1-4> : 정수처리공정 대안 (예)

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<그림1-5> : 정수처리공정 대안 (예)

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<그림1-6> : 정수처리공정 대안 (예)

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제 2 장 혼화공정

2-1 혼화/응집의 필요성

수중에 있는 불순물중 주요 처리대상물질인 입자의 크기가 1㎛에서 1㎚정도의 콜로이

드성분은 입자의 성상을 변화시키지 않고 직접 처리하기에는 매우 곤란한 것으로 알려지

고 있다. 또한 이와같은 범위내에 있는 부유물질(1㎛ 전후의 치수), 천연의 색도성분(1㎛

미만의 치수), 바이러스(수십㎚의치수), 세균류(1~10㎛), 조류(1㎛ ~ 수십㎛치수)등은 대부

분 콜로이드 치수의 영역에 분포하고 있다. 따라서 이들을 효과적으로 침전, 여과에 의해

제거하기 위해서는 침전, 여과지 유입전에 인위적으로 입자의 크기를 성장시키는 과정이

필수적이라 하겠다.

2-2 혼화공정 개요

혼화공정이란 원수에 함유되어 각종 오염물질들을 침전 또는 여과등의 물리적방법으로

효과적으로 제거하기위해 수중에서 음의 전하를 띄고 안정된 부유상태를 유지하고 있는

콜로이드등의 미세한 입자를 양의 전하를 띈 응집제와 접촉시켜 입자간의 결합을 가능하

게 하는 과정으로서 정수처리 전체효율에 가장 중요한 영향을 미치는 단위공정이라 하겠

다. 수처리에서 사용되는 “혼화"라는 용어는 ”mixing"이라는 단어로 해석되지만, 실용적으

로 급속혼화(rapid mixing) 또는 flash mixing 으로 불리어지며, 이와같이 수처리과정에서 적

용되는 응집약품과 처리될원수와의 mixing 에 있어 급속혼화가 요구되는 사유는 아래와

같이 요약된다

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※ 급속혼화(rapid mixing)의 중요성

- 사용약품이 alum 이고 주입율이 20 ppm 일 경우 액체 alum 과 물의비는 1: 50,000 임. 따라서 이러한 소량의 alum을 처리될 원수에 순간적으로 확산시켜 균등하고 양호한 floc 생성을 위해서는 급속혼화(rapid mixing)가 필수적임.

- 또한, 응집제 주입후 단시간내 수화반응 및 폴리머화가 진행되므로 혼화효과의 극

대화를 위해서는 급속혼화가 필수적임

※ 수화반응

- alum 계의 응집제가 원수에 주입되면 알루미늄염은 6개의 물분자에 둘러쌓인후 수

소이온이 해리되는 수화반응을 거치면서 monomer, medium polymer상태의 착이온을 거쳐 최종적으로 Al(OH)3 과같은 수산화물형성

Al(H2O)63+ ↔ Al(OH)(H2O)5 ↔Al13O4(OH)24 ↔ Al(OH)3 (precipitate)

2-3 혼화방식 종류 및 특징

(1) 혼화방식

수처리에서 실용적으로 도입, 적용되는 혼화방식에는 크게 기계식 혼화방식과 수리적

혼화방식으로 구분되며 그 종류는 아래와 같다.

ⓛ 순간혼화방식(Instantaneous Flash Mixier) ② IN LINE 정적혼화(In Line Static Mixer) ③ IN LINE 기계식혼화(In Line Blender Mixer) ④ 수류식 혼화(Hydraulic Mixing) ⑤ 기계식 혼화(Mechnical Mixing)등

(2) 혼화방식별 장,단점

특 징 혼화방식 장 점 단 점

설계고려사항

ㅇ순간혼화방식 ㅇno headloss ㅇvery effective ㅇ혼화강도조절 용이 ㅇ전력소비가 기계식 방식보다 적음 ㅇ경제적

ㅇnozzle 의 막힘 ㅇ설치관경의 제한 < 2,500 mm

ㅇ분사수탁도<5 NTU ㅇ분사압력>0.7kg/cm2 ㅇ희석비율 -alum < 1 % -철염(FeCl3)< 5 %

ㅇIn-Line Static방식 ㅇno moving parts ㅇquite effective ㅇ전력소비 없슴 ㅇ경제적 ㅇ막힘현상 거의없슴

ㅇ혼화정도및시간 : 처리수량에 지배 ㅇ특허품목

ㅇ혼화시간 : 1~3 sec. ㅇ손실수두 : 0.6 m ㅇ유입부 : screen설비 ㅇ혼화설비 수선유지 고려

ㅇHydraulic 방식

ㅇ전력소비가 없슴 ㅇ유지관리 용이 ㅇ경제적

ㅇ혼화정도및시간 : 처리수량에 지배

ㅇ종류 - Parshall Flume - Venturi Meter - Weir

ㅇMechanical 방식

ㅇ대부분의 정수장에 서 도입

ㅇ순간혼화효과 낮음 ㅇ단격류 ㅇ혼화시간이 길다 ㅇBackmixing

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혼화기기종 선정 비교표

구 분 기계식 혼화기 이단혼화설비 순간혼화기 비 고

형 식 Flash Mixer In-Line Blender Instantaneous Flash Mixer

개 요

혼화지에서 물리적 반응단계로서 약품투입시 임펠라를 회전하므로 혼화시키는 방식

1단계, 2단계로 나누어서 혼화하는 방식으로 1단계에서는관내혼화로서 In-Line Blender 이나 Orifice로 2단계에서는 기계혼화하는 방식

원수이송관로에서 이루어지며 펌프에 의한 압력노즐 분사로서 혼화시키는 방식

속도경사값 300∼750/sec-1 1단계 : 750∼1,000/sec-1 2단계 : 300∼500/sec-1

500∼1,000/sec-1

혼화시간 30∼60sec 1단계 : 3sec 이내 2단계 : 20∼40sec 이내

1∼2sec 이내

장 점

현재 많이 사용하고 있다.

1단계 2단계로 혼화하기 때문에 혼화효율이 높다.

원수이송관에 직접 연결하므로 혼화지가 필요없다. 수화반응전 급속혼화가 이루어지면 혼화강도를 조절할 수 있다. 혼화기에 의한 수두손실이 적다. 2차오염이 발생하지 않는다. 유지비가 저렴하다.

단 점

순간혼화가 어렵다. 혼화시간이 길다. 소음 및 기름누유등 이차공해가 발생된다. 해석이 충분치 않아 축과 구동부에 고장발생이 많다. 단락류가 많이 생긴다.

약품공정이 2단계로 되어 있어 소요면적이 크다. 주입약품이 많을 경우장치가 복잡하다. 1단계 혼화를 Orifice로 할 경우 체류시간에 따라 교반강도가 변하고 손실수두가 커져 동력이 많이 손실된다.

원수이송관이 Ø2200m/m 이상과 Ø600m/m이하에 서는 사용치 않는다. 혼화펌프 및 유량계 스트레나 등 부대설비가 필요하다.

동력비 (50,000TON/일기

준) 22KW 5.5KW 3.7KW

약품비 (현재의 사용량

기준) 100% 130% 70%

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<그림2-1> : 급속혼화방식 (예)

(a) hydraulic mixing

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(b) in-line static mixing

(c) 순간혼화기(Instantaneous Flash Mixer)

STS 316 PipeNozzle

Inlet Valve

Deflector Plate

PAC PipeFLOW

PAC

P FM

MIX PUMP

VVVF

STRAINER

DPT

M

LCP

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제 3 장 응 집 공 정

3-1 개 요

응집공정은 혼화공정에서 급속교반을 통해 불안정화된 미세 floc 들을 완속교반(gentle

mixing)을 통해 입자간의 접촉기회를 크게하여 floc을 크게 성장시키는 공정이다. 응집공

정 mechanism 은 수중에서 물분자의 열역학적 불안정에 의해 콜로이드 분자가 계속해서

움직이는 브라운운동과 외부로부터 도입된 에너지에 의한 유체전단력에 의해 입자들간의

충돌에 의한 floc 이 생성되는 것으로 알려져 있다.

3-2 탁도 및 색도입자의 응집

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3-3 응집형식 종류 및 특성

(1) 형식의 종류

① 기계적 혼화 (Mechanical Mixing)

- vertical shaft type (turbine 또는 propella 형식의 blade)

※ 일반적으로 작고 단단한 floc 생성에 적합 --> 직접여과방식

- paddle type (수평 또는 수직 shaft)

※ 일반적으로 크고 무거운 floc 생성에 적합 --> 표준식정수처리

② Baffled Channel Basins : 수평, 수직형 (손실수두 :0.3 ~ 0.6 m)

③ 고속응집침전

④ Contact Flocculation

⑤ Diffused Air, Water Jet Agitation

※ 일반적으로 다음과같은 사유로 vertical shaft flocculator 가 선호됨

① 유지관리비용이 저렴

② 운영상의 신축성(flexibility)

③ 지내 손실수두가 작음

④ 혼화강도조절이 용이

⑤ 혼화효과 양호(effectiveness)

⑥ 혼화기 1기고장시 처리효율에 미치는 영향 최소

<그림3-1~2 : 응집기의 종류 (예)>

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3-4 여러 응집기의 운전예

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제 4 장 침 전 공 정

4-1 개 요

침전(sedimentation)공정은 정수처리에 있어 처리수내 탁질제거를 위한 단위공정중 부상

(floatation)공정에 대응하는 방법으로서 혼화/응집공정을 통해 양호하게 생성된 floc을 중

력에의해 고액분리시키는 단위 조작이다. 침전공정은 정수약품을 첨가하지 않은 탁질제

거를 위한 보통침전(침사지)방법과 정수약품을 주입하여 인위적으로 입자의 크기를 크고

무겁게 하여 고액분리시키는 약품친전으로 분류되며 이를 분류하기 위한 기준은 부유물

질의 입경 및 비중등에 따라 분류된다. 정수처리에 있어 침전공정은 약품침전이 대부분

을 차지하며, 처리효율은 후속공정인 여과지 운영효율과 직결되므로 여과지의 부담경감

은 물론 양질의 정수생산과 수질사고등을 미연에 방지하기 위한 전처리공정인 혼화/응집

공정의 최적화를 통한 침전효율향상을 위한 각별한 노력이 필요하다 하겠다. 또한 정수

처리시설에 있어 침전지의 주요기능은 탁질제거공정외 일시적인 수리적 및 수질적 과부

하를 조정하여 전체 수처리시설운영에 있어 안정성 확보를 위한 완충역활도 주요기능중

의 하나이다.

4-2 침전의 원리

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4-3 침전지의 흐름과 구조물

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4-4 주요 설계고려사항

(1) 전체처리공정 (Overall Treatment Process)

① 취수원이 하천표류수인경우:모래등 큰입자의 물질제거를 위한 침사지 고려

② 후속공정인 여과지의 형식이

(가) 단층모래여과지 : 침전지의 역할이 매우중요

- 여과지 유출수의 탁도는 침전유출수의 탁도에 비례함

- 침전유출수 탁도 < 2 NTU

(나) 다층여과지

- 여과지 유출수의 탁도는 침전유출수의 탁도에 반비례함

- 침전유출수 탁도가 5~7 NTU 까지도 여과지 유출수탁도 양호

- 일반적으로, 후속공정인 여과지의 형식이 다층여과지인 경우 단

층여과지 보다 수리부하변동에 대처능력이 2배이상됨

(2) 입자의 침강속도 (settling velocity)

① 침강속도 (Settling Velocity, vs) vs = [g * (ρs - ρw) * ds

2] / 18 * μ

(vs : 침강속도, g : 중력가속도, ρs, ρw : 수중입자및물의밀도, ds : 입자의직

경, μ : 물의 점성계수) ※ 영향인자 : floc의 밀도 및 크기, 물의온도

② 표면부하율 (vo, Surface Loading Rate, Overflow Rate) vo = Q / (B * L) (Q : 처리수량, B * L = 지의표면적) ※ 표면부하율의 물리적의미 : 침전지내 유입된 입자의 한계침강속도(critical

settling velocity)를 나타내는 것으로서 침전지의 규모를 결정하는 주요설계

인자임

- 침강속도 > 표면부하율(한계침강속도) : 지내 완전히 제거

- 침강속도 < 표면부하율( “ ) : 부분적으로 제거

③ 침전효율(E) = vs / vo (입자의 침강속도 / 표면부하율) = vs * (B*L) / Q

※ 침전효율상승법 : 입자의 침강속도를 크게, 표면부하율을 작게

ⓐ 지의 표면적(B*L)을 크게 --> 다층침전지(경사판침전지) ⓑ 입자의 침강속도(vs)를 크게 --> 응집제 변경(밀도, 크기등) ⓒ 처리수량(Q)을 적게 --> 중간유출

④ 입자의 침강속도 측정 : Jar Test시 시행 (최소안전율 1.5 고려)

<표 4-1> : 입자의 침강속도와 침전지의 표면부하율(수온 : 10°C)

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입자의 크기 입자의 종류 비중

Mesh mm

침강속도

(mm/sec.) 표면부하율

(m/hr.)

모 래 2.65 18 1.0 100 360

실 트 2.65 70 0.2 21 76

점토혼합실트 2.65 200 0.03 6 22

점 토 2.65 - 0.02 0.62 2.3

alum floc 1.001 - 1 ~ 4 0.2 ~ 0.9 0.71 ~ 3.3

석회 floc 1.002 - 1 ~ 3 0.4 ~ 1.2 1.5 ~ 4.3

(3) 단격류 (Flow Short Circuiting)

① 설계부적정 (Improper Design) - 유입부 설계 불량

- 유입부와 유출부의 거리가 짧을때

- 지의 형상이 폭이크고 길이가 짧고 깊이가 깊을때

- Re-No.가 크고 Fr-No.가 적을 때

(Re = v * R / υ, Fr = v2 / (g * R)) ② 심각하지는 않지만 만성적 원인

- 대부분의 침전지

- 수온차에 의해 유입부에서 하강후 유출부에서 재부상

③ 밀도류 (Density Flow) - 취수원의 수원이 급격히 변할때

- 급격한 탁도변화시 ( > 50 NTU) - 강풍등

※ 밀도류의 크기 (일본토목학회 공식, 1963) v = [(2*g*△ρ*△h*α) / (ρ*k)]0.5

(v : 밀도류(m/s), △ρ : 밀도차(g/cm3), ρ : 유입수의밀도(1.0 g/cm3), g : 중력가속도(9.81 m/s2), △h : 밀도류의깊이(m), α : 에너지보정계

수(0.5), k : 희석계수(1.5~2.0)) --> 수온변화 0.2 ~ 0.5 C 변화시 밀도류 0.8 ~ 1.8 m/min. (설계수평유속 : 0.4 m/min.)

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(4) 지의 형식

① 상향류 침전지 및 고속응집침전지

- 수리 및 수질적적부하가 일정할때 효율 양호

- compact 하고 제조업자에 의존함

- 대부분이 철재(metal)이므로 부식 및 유지관리가 어려움

② 수평류식 침전지

- 처리수량변화에 신축적 : 설계수량의 50~100 % 부담가능

- 수리적 안정성(Fr. No. 상승)

- 대부분의 대용량시설에 운영경험이 많음

- 침강효율 예측가능

- 유지관리비용 최소

(5) 유입부 및 유출부설계

① 유입부 설계 (정류벽설치) - 정류공 : 균등하게 배치 (가급적 많이) - 통과수두손실 < 1 cm (유량균등분배 및 floc 파괴방지) - 정류공 규격 : 0.075 ~ 0.2 m (조류등에 의한 막힘방지) - 정류공 간격 : 0.25 ~ 0.5 m (철근배근등 구조적강도 고려) - 정류공 부설 : 수평하게

- 응집.침전지가 일체구조인경우

--> 응집지 유출부로부터 2~2.5 m 하류에 설치(floc 생성기회제공) ② 유출부 설계

ⓐ 유출 trough 설치 : transverse 형, finger 형

※ 구형(rectangular basin)침전지의 경우 filger -type 이 유리함

- 지내 수심을 일정하게 유지가능

- 처리수량변화에 대처용이

- 바람등에 의한 영향최소화

ⓑ 유출 weir 형식 : v - notch, 수중 orifice 형

※ 수중 orifice 형이 유리함

- scum 유입방지 가능

- floc 의 파괴방지

- 설치가 용이 (weir 높이의 정밀성이 v-notch 보다 적음) - orifice 통과유속 < 0.5 ~ 0.75 m/s (floc 파괴방지)

(6) 수평류식 침전지의 형상 (Shape of the Tank)

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① 폭이넓고 길이가 짧고 지가 깊을경우 : 수리적으로 불안정

② 폭이 좁고 길이가 길고 지의 깊이가 얕을경우 : 수리적으로 안정

③ 지내 수리적 특성평가

- Re = v * R / ν < 2,000 - Fr = v2 / (g * R) > 10-5

(Re : Reynolds 수,v : 수평유속(m/s), R(A/P) : 동수반경, ν : 동점성계수 (m2/s), g : 중력가속도(9.81 m/s2))

※ 지내 중간분리벽설치시

--> 동수반경(R) 감소 --> Re - No. 감소, Fr.-No. 증대

--> 수리적 안정성확보

4-3 형식 및 설계기준

설계기준 형 식 장ㆍ단점

외국(미국등) 국내상수도시설 기준(건교부)

장방형 (수평류식)

ㄱ. 부하변동에 강하다 ㄴ. 효율예측이 가능하며 ㄷ. 운전및유지관리비가 저렴 ㄹ. 고속침강장치부착이 용이 a. 지내에서 밀도류발생 b. 응집지와 일체구조

- 표면부하율: 0.83~2.5 m/h - 수심 : 3~5 m - 체류시간: 1.5 ~ 3hr. - 폭/길이 >1/5 - weir부하 < 11 m3/m.h

- 표면부하율: 0.9 ~ 2.7 m/h - 수심 : 3~5.5 m - 체류시간:3~5hr. - 폭/길이:1/3~8 - 수평유속< 0.4 m/min - weir부하 < 14.5~16.7m3/m.h.

상하향류 (방사식상하향류

)

ㄱ. 소형이고 경제적 ㄴ. 슬러지 배제가용이 ㄷ. 침전효율이 높다 a. 부하변동에 취약 b. 장치규격에 한계

-형상:원형,장방형 - 표면부하율: 1.3~1.9m/h - 수심 : 3 ~ 5m - 체류시간:1~3h - weir부하 < 7 m3/m.h

-

접촉반응형

ㄱ. 응집과침강을 하나의장치 로 통합하여 compact 함 ㄴ. 응집.침전효과양호 a. 숙련된 운전자필요 b. 온도변화에 심한영향

- 응집시간:약20분 - 침강시간:1~2h - 표면부하율 : 2 ~ 3 m/h - weir부하 < 7.3~15 m3/m.h - 상승유속 < 50 mm/min.

-

고속응집침전 (슬러지블랭킷등

)

ㄱ. 연수화및탁도제거에양호 ㄴ. compact하고 경제적 a. 유지비가고가이고 고도의 숙련도요구 b. 수량및수질변화에 민감

- 응집시간:약20분 - 침강시간:1~2h - 표면부하율 : 2 ~ 3 m/h - weir부하 < 7.3 ~ 15m3/m.h - 상승유속 < 10 mm/min. - 슬러지순환율: 원수유입량의 3~5배

-침강시간:1.5~2h -상승유속 : 40~50 mm/min.

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제 5 장 여 과 공 정

5-1 개 요

정수처리공정중 여과공정은 수중의 현탁물질, 세균 및 유.무기물질등을 입자상의 재료

를 이용하여 물을 통과시켜 여재표면에 부착시키거나 여층의 체거름작용등에 의하여 수

중의 탁질의 제거를 기대하는 공정이다. 그리고 정수처리 전체공정중 탁질제거를 위해

도입되는 마지막 공정으로서 양질의 정수생산을 위한 여과공정 자체의 역할 및 중요성은

지대하다 하겠다. 여과공정에서 도입되는 여과지 형식은 원수수질은 물론 전처리방식 그

리고 유지관리능력 및 경제성등을 종합적으로 검토하여 최적방식이 도입되어야 하며, 그

도입되는 형식 또한 다양한 분류방법에 따라 여러 가지 이름으로 불리어 지며 내부 탁질

제거 mechanism 은 물론 각종 설계 및 운영인자 또한 정수처리 전체시설중 상대적으로

매우 복잡한 공정이라 하겠다.

5-2 여과의 기구(Mechanism)

- 27 -

5-3 여과의 분류

(1) 흐름에 의한 분류

① 중력식 여과 (하향류여과) : 일반적인 여과방식임

② 상향류 여과

③ 2방향여과(상하향류 여과) ④ 수평류 여과

(2) 여과속도에 의한 분류

① 완속여과 : 여과속도가 4~5 m/일(상수도시설기준)인 여과방식으로, 유효

경은 0.3~0.45 mm 의 가는모래를 여재로 사용하며 깊이는 70~90cm 를 사용하는 여과방식

② 급속여과 : 낮은 여과속도를 가진 완속여과방식의 단점을 극복하는 수

단으로 도입된 방식으로, 여과속도가 120 m/일이상인 경우를 말하며, 완속여과방식의 여과사보다 굵은여재를 사용하며, 여과에의해 탁 질이 쌓여서 여과속도가 떨어지면 여과흐름의 역방향으로 물(공 와 조합)로서 여과지를 세척하는 구조를가진 여과방식

(3) 공정조합에 따른 분류

① 표준여과방식(Conventional Filtration) : 급속여과방식

② 직접여과방식(Direct Filtration) ③ In-Line Filtration

(4) 사용여재에의한 분류

① 모래여과

② 이중여재 여과 (안트라사이트 + 모래) ③ 다층여재 여과 (이중여재 + 석류석) ④ GAC (Granular Activated Carbon)여과(BAC 여과) ⑤ Precoat 여과

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(5) 여과량 조절방식에 의한 분류

① 정속여과 : 유출부 또는 유입부에 조절장치를 설치하여 여과에 따른 여

층의 폐색에 따라 밸브를 조절하거나 압력수두를 증가시켜 전여과공정

에 걸쳐 일정한양의 여과수량을 확보하는 여과방식

② 감쇄여과 : 일정한 압력하에서 여과가 진행될수록 집적되는 탁질에 의

해 여과수량이 서서히 감소되는 정압여과의 변법으로, 여과초기에 발생

되는 탁질누출의 최소화를 기하기 위해 유량조절장치를 통하여 초기

의 여과수량을 제한하여 주는 방식

5-4 설계고려사항

(1) 원수수질 및 전처리방식

① 지하수 : 철, 망간함유 --> 산화(염소, KMnO4) + 압력식여과지

산화 + 직접여과

② 직접여과 또는 In-Line Filtration 방식

--> 이중여재 또는 다층여재사용 (탁질억류공간 확보) ③ 조류발생 : 여과지 폐색 --> 이중여재 또는 다층여재사용

④ 모래여과지 : 여과지유입수질 양호 (표면여과) ⑤ 2단여과 : 원수수질이 양호 --> 응집 및 침전공정 생략

(2) 장래 여과지의 변경

① 장래 수요증가에 대비한 시설변경 및 추가(모래여과지 -> 다층여과지) ② 장래 시공시 유지관리에 최소의 영향을 고려 초기단계시 시공

③ 구배배관 고려

④ GAC 여과지로 변경시 : EBCT (15~30 분) --> 수심 1.8 ~ 2.4 m (여과속도 5 ~ 10 m/h)

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(3) 여과지크기 및 지수

① 크기와 지수는 상호 연관성

② 최대크기(<150 m2):역세척시 역세척수량의 균등배분 가능여부 및 역세

척수 처리시설 고려

③ 여과지수 : 최소4지 (중, 대규모시설), 최소2지 (소규모시설), 최소6지 (지간자동역세척 여과지), 가급적 짝수지수(수리배분고려) ④ 일반적으로 지수가 적으면 적을수록 경제적

⑤ 여과지수가 적을때 : 운영중인 여과지중 유지보수 또는 역세척시 타여

과지의 여과속도 증가고려하여야 함. --> 일반적으로 여과속도상승 15 ~ 20 % 허용

※ 여과지수(N) = 1.2 Q0.5 (Q : 처리수량(MGD, 1 MGD=3,785 m3/일)

(4) 여과속도

① 여과속도(vf) = 처리수량(m3/일) / 전체여과면적(m2) ② 고속여과의 여과속도 : 25 m/h 까지 여과유출수질에 크게영향을미치지

않는것으로 보고되고 있음. ③ 일반적으로 급속여과(모래여과) < 180 m/일, 고속여과(다층여과) < 360 m/

일

④ 여과지형식 및 적용여재에 대하여 여과속도와 이용가능수두 고려

--> 여과지의 소요면적, 이용가능수두, 여과지의 최종허용수두, 여과지

속시간 --> 일반적으로 손실수두 1.8 m내외

(5) 약품주입

① 주입약품의 종류 및 목적

- polymer (여과조제) : 고속여과추구, 여과효율증대

- 염 소 : 여층내 미생물번식을 방지하고 깨끗하게 유지

- 알칼리제(소석회, 가성소다) : pH 상승

- 분말활성탄(PAC) : 맛.냄새제거

② 주요 고려사항

- 약품주입지점의 최소화 (유입부, 유출부, 세척수) - 여과 유출수에서의 약품누출

- 주입약품의 균일한 확산

③ 주입지점별 주입약품

- 유입부 : 염소, polymer, PAC - 유출부 : 염소, 알칼리제, 방식제, 불소

- 역세척수 : 염소, polymer 등

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(6) 여과유량 조절방법

① 유량계 및 유량조절밸브를 사용한 정속여과

② 균등유량배분 유입웨어, 수위계 및 유량조절밸브를 사용한 정수위여과

③ 유입구가 여과지수위아래(orifice type)에 있는 감쇠여과

④ 균등유량배분 유입웨어 및 각지의 유출수위를 동일하게 제어하는 웨어

를 사용한 정속여과

※ ①, ② : 표준식 유량조절방식, 유지관리비용 상대적으로 높음

③, ④ : 최소6지필요, 유지관리비용 저렴

※ 감쇄여과지의 경우 운영관리 문제점 : 역세척시기 결정의 확실한 인

자가 없슴

- 운영중인 여과지의 수두손실이 거의동일

- 각지별 여과유량측정 곤란

- 여과유출수의 탁도가 여과지속시간과 더불어 크게상승하지 않음

- 운영관리자기 여과지속시간으로 결정

(7) 여재의 구성 (깊이, 크기등)

① 여과효율 : 여재의 물리적특성, 여재의 조건및 전처리의 정도에 지배됨. ② 여재의 물리적 특성 - 여재의크기 및 형상

- 공극율

- 여재의 전표면적

- 여재의 깊이와 여재입경의 비 (L / D - Ratio) ③ 여재의 크기와 깊이결정이 가장중요 --> 공극율, 전표면적결정

④ 여재의 크기와 깊이결정방법

- 처리될 원수와 유사하거나 동일원수로 운영중인 여과지의 운영관리실

적

- pilot plant test - 여재깊이와 여재입경의 비율적용 (L / D - Ratio) ⓐ 단층모래여과지, 이층(모래+안트라사이트)여과지 : L/D > 1,150

ⓑ 다층(3층)여과지, 단층고속여과지(coarse monosand) : L/D > 1,400 - 다층여과지(2중여재)여재입경선정

d1 / d2 = [(ρ2 - ρw) / (ρ1 - ρw)]0.667

(d1, d2 : 여재의 입경, ρ1, ρ2, ρw : 여재 및 물의 밀도)

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(8) 역세척 방식

① 역세척 시기

- 탁도 증가 (설정된 탁도기준 초과) - 여과지속시간 (감쇄여과방식) - 이용가능수두 (설정된 수두에 도달시) ② 세척방식

- 역세척 수조에 의한 방식

- 역세척 펌프에 의한 방식

- 지간 자동역세척 방식

③ 세척방법

- 물역세척

- 표면세척 + 역세척

- 공기 + 물 (air and water) - 공기 (air scouring)

(9) 세척 trough 설치

① 역세척방식

- Fluidized Bed 역세척 (표면세척) ㅇ trough 설치(일반적) : 간격 1.8 ~ 2.4 m, 높이 0.8 ~ 1.2 m(여재상부) ※ trough 설치높이(HO) : 0.5 L + D < HO < L + D

trough 설치간격(S) : 1.5 HO < S < 2.5 HO (여기서, L : 여층깊이, D : trough 깊이, Ho : 여층표면과 trough 상

단과의 거리)

- Air Scour 역세척 (partial fluidized) ㅇ 횡월류 weir 설치 (B = 0.5 m) ② 일반적인 trough 설치기준 : 역세척을 통해 분리된 floc 이 trough 에 도

달 하기전 수평방향으로 0.9 m 이상 이동되지 않도록

③ trough 형식 : U - type, V - type (바닥의 형상 ≠ flat)

(10) 하부집수장치

① 조 건

- 여과수의 집수 및 역세척수의 분산이 균일

- 손실수두가 크지않을 것

- 지지사리층의 두께가 얇아도 기능상 큰 장애가 없을 것

- scale 등에 의하여 폐색되지 않을 것

- 내구성이 좋을 것

- 시공성이 좋을것

② 형 식

- strainer - type, polyethylene block --> air scour 형식

- 유공 block, 유공관

- wheeler 형 - 유공블록형

<그림 5-1> : 여과유량조절방식 (예)

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<그림 5-2> : 여재입경에 따른 최적 역세척속도

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(계산예) ; sand 와 anthracite로 구성된 이층여과지의 경우, sand의 유효경(ds) 0.55 mm, 균등

계수 1.5, 비중(ρs) 2.65인 경우, 균등계수 1.5, 비중(ρa) 1.6인 anthracite의 유효경(da)은 ?

--> ds 0.55 mm 및 균등계수(d60 /d10)로부터 d60 = 0.825 mm

모래비중 2.65, anthracite비중으로부터 d60 (anthracite) = 1.53 mm

anthracite의 균등계수 및 d60값으로부터 anthracite의 유효경(da) = 1.02 mm. say 1.0 mm

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<그림 5-3> : 여과지 하부

집수장치 (유공블록형)

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제 6 장 소 독 공 정

6-1 개 요

수돗물은 병원생물에 오염되지 않고 위생적으로 안전하여야 한다. 일반적인 정수처리

방법인 침전, 여과방법으로는 수중의 세균을 완전히 제거하기가 불가능하고 또한 배수계

통에서 위생상의 안전을 유지하기 위하여 수돗물은 항상 확실하게 소독되어야 한다.

따라서, 정수시설에서는 정수방법의 종류나 시설규모의 대소에 불구하고 소독설비를 설

치하여야 하며, 소독방법으로는 염소, 클로라민, 이산화염소, 오존등에 의한 것이 있으나

수도법에 규정하는 급수전수에서의 잔류염소조건을 만족시키기 위해 통상적으로 염소를

사용하고 있다.

6-2 염소 소독제의 특성 및 효과

(1) 1903년 미국에서 음용수에 사용한이래 현재 대부분의 정수장에서 실용적으로 도입,

적용되고 있음

(2) 최근 소독부산물인 THM 발생

(3) 염소사용의 이점

- 소독효과가 완전하고

- 대량의 물에대하여도 쉽게 소독할수 있고

- 경제적

- 잔류효과

(4) 수중의 유기물,철,망간,암모니아성질소 및 유기성질소등의 피산화물에 의해 소비

※ 성분 1 mg/l 당의 염소 요구량

- 암모니아(NH3) : 7.6 ~ 15 mg/l - 황화수소(H2S) : 8.5 mg/l - 2가의 철(Fe2+) : 0.6 mg/l - 2가의 망간(Mn2+) : 1.3 mg/l - 아질산이온(NO2

-) : 1.5 mg/l

(5) 수중의 염소반응 (HOCl >>> OCl)

Cl2 + H2O --> HOCl + H+ + Cl- HOCl --> OCl- + H+

(6) 영향인자

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- 수중에 있는 피산화물의 종류 및 농도, pH, 수온, 접촉시간, 잔

류염소농도

(7) 이상적인 소독조건

① pH : 6 ~ 7 , ② 수온 : 20 ~ 25 C, ③ 접촉시간 > 30 min. ④ 잔류염소 > 0.5 mg/l (상수도시설기준: 유리염소>0.2 mg/l, 결합염소

>1.5mg/l

(8) THM 생성 및 처리대책

① THM 의 생성

- 유리염소 + 전구물질 --> THM + 기타생성물

- 온도가 높을수록 pH 가 높을수록 많이생성

- 현재까지 CHCl3(클로로폼)외 4종발견

② 처리대책

- THM 전구물질 제거 : 응집.침전, GAC, PAC

- 대체소독제 사용 : 결합염소, 오존, 이산화염소

- 생성 THM 제거

6-3 CT값 평가

살균은 수돗물에 생존하는 병원균을 죽이거나 활동하지 못하게 하는 과정으로 일차 살

균과 이차 살균을 이용하고 있다. 일차 살균은 병원균을 목표치까지 죽이거나 활동하지

못하게 하는 것이고, 이차 살균은 병원균이 급수관에서 번식하지 못하도록 일정량의 살

균제를 잔류시키는 것이다. SDWA Amendments (1989)에 의하면 살균의 주목적은 Giardia

Cyst를 99.9% (3 log) 제거하고, Entric Viruses를 99.99% (4 log) 제거하며, 다른 해로운 미생

물을 제거하고, 살균된 수돗물이 인체에 해롭지 않고, 원치 않는 살균부산물의 형성을 최

소화하고, 살균제 및 살균부산물의 MCL을 맞추는 것이다. 일차 살균제로 염소, 오존 또

는 이산화염소를 사용하는 경우에는 99.9%의 Giardia Cyst를 제거하면 Entric Viruses가

99.99% 이상 제거된다. 그러나 일차 살균제로 클로라민을 사용하는 경우에는 Virus에 대

한 살균력이 떨어져 Giardia Cyst와 Virus를 동시에 규제치 이상 제거할 수 있는지를 실험

으로 증명하여야 한다. pH가 7이고 수온이 섭씨 0.5도인 물의 염소농도가 2 mg/ℓ일 때

Giadia를 99.9%를 제거하기 위한 CT값(살균제 농도 × 접촉시간)은 236이지만, 바이러스

의 경우에는 99.99%를 제거하기 위한 CT값이 12 정도로 조사되었다. 이처럼 미국에서는

Giardia Cyst와 Cryptosporidium의 제거에 우선을 두고 운영 및 연구를 하고 있다.

일반 정수장은 적절히 설계되고 운영된다면 99.9%의 Giardia Cyst와 99.99%의 Entric

Viruses를 제거할 수 있다. 최종 SWTR(US EPA, 1989)에서는 처리공정의 여러 위치에서

살균제가 주입되는 경우, 각 지점에서의 살균제 농도(C) (㎎/ℓ)와 접촉시간(T) (분)을 곱한

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값을 총합하여 얻은 값이 규정된 CT값보다 커야 된다고 명시하고 있다. 접촉시간은 시간

당 최대유량에서 최대 Tracer 농도의 10%가 통과하는 시간 (T10)으로 정의하고 있다. 아

래 표 6-1은 Giardia Cyst를 1 log 제거하기 위한 CT값(US EPA, 1989)을 정리한 것이다. 우

리나라의 경우 전염소처리를 고려할 경우 EPA가 제시하는 CT값에 대부분 맞으나, 미국

일부 주에서와 같이 전염소처리에 의한 CT값을 무시할 경우 기존배수지의 규모가 작아,

정수장 주위에 공급되는 수돗물은 CT값이 충분하지 않다. 따라서 배수지를 증설하고, 원

수와 정수에 Giadia Cyst와 Cryptosporidium의 존재여부, 기존 정수장의 각 공정별 미생물

살균능력 등에 대한 집중적인 연구가 필요하다.

표 6-1 Giardia Cyst 90% Inactivation 시키기 위한 CT값

온 도 살균제 pH

≤1℃ 5℃ 10℃ 15℃ 20℃ 25℃

6 55 39 29 19 15 10

7 79 55 41 28 21 14

8 115 81 61 41 30 20

유리염소

(2 ㎎/ℓ)

9 167 118 88 59 44 29

오존 6∼9 0.97 0.63 0.48 0.32 0.24 0.16

이산화염소 6∼9 21 8.7 7.7 6.3 5 3.7

클로라민 6∼9 1270 735 615 500 370 250

미국에서 미생물학적 기준에 맞는 수돗물을 생산해 내는 급속모래여과지에서도 약 104

∼106/mℓ의 프랑크톤류의 미생물이 그대로 통과되어 수요자에게 공급되고 있다 (Brazos

and O'Connor 1993). 관에서의 재성장(Regrowth)을 최소화시키기 위해서는 다음과 같은 세

가지 방법이 있다. 첫째, 미생물이 번식할 수 없는 물, 즉 영양소를 제거한 물을 생산해

내는 것이며, 둘째, 공급관에 잔류염소를 충분히 유지하도록 하는 것이고, 셋째, 미생물이

재성장을 못할 정도까지 미생물 제거 효율을 높이는 것이다. 증류수와 같이 미생물이 번

식할 수 없는 물을 공급하는 것이 가장 이상적이나 경제적으로 거의 불가능하기 때문에

제일 최선의 방법은 정수설비를 개선하여 미생물의 제거효율을 높이는 것과, 관에 잔류

염소량을 충분히 유지하는 것이다.

이러한 CT 값은 사용되는 소독제의 종류, 수온, pH 등에 의해 영향을 받는다. 여기서 반

응조를 빠져나가는 잔류염소의 농도를 C로 설정하며, 접촉시간은 수리학적 체류시간을

사용하는 것이 아니고 T10이라는 값을 쓰는 것을 요구한다. T10은 조(basin)안에 있는 90%

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이상 물은 T10이상의 시간동안 C 농도이상과 접촉하고 있다는 것을 의미한다. 이러한 정

수정 단위공정에서의 T10는 수치는 추적자(Tracer)실험이나 혹은 이론적으로 baffling degree

표 6-2를 통해 산출한다(T10 = T(이론적 지체시간)×baffling factor).

표 6-2 정수지 특성에 따른 유효소독제 접촉시간 산정기준 (EPA Guidance Manual, 1991)

도류벽 조건 기 준 설 명

없음 0.1 혼화형 반응조, 높은 유입·출 속도, 변화하는 수위

낮은 효율 0.3 도류벽이 없는 유입·출, 반응조내 도류벽이 없는 경우

평균 0.5 도류벽이 있는 유입·출 또는 반응조내 도류벽 설치

우수 0.7* 관형 유입 도류벽, 구불구불한 반응조 도류벽 조건, 관형 유출 및 웨어

관형 흐름 1.0 관형 흐름 조건

*; 최소수위에서 수리학적 체류시간에 기초

도류벽이 없는 정수지에서 물의 흐름

도류벽이 설치된 정수지에서 물의 흐름

다음 그림에 도류벽의 없는 정수지와 도류벽이 설치된 정수지에서 물의 흐름을 비교한

것이다. 정수지내 도류벽이 없는 경우에는 단회로, 사수부 등의 생성으로 정수지에서 투

입한 염소가 미생물과 접촉하지 않고 가정으로 유출될 수 있는 여지가 있음을 알 수 있

다.

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정수지에서 도류벽이 설치된 경우에는 물의 흐름이 구불구불한 형태로 유지되어 소독제

와 미생물과의 충분한 접촉시간을 통하여 소독이 된 후 가정으로 공급되게 된다. 그러므

로 부적절한 설계를 갖는 정수지에서는 장기적으로 향후 정수지의 시설개량이나 보수,

정수지 신설시에서는 사수부의 존재없이 최소의 잔류염소로 최소 소독부산물을 생성시키

고 최대 미생물 접촉시간을 갖는 관형 흐름 조건으로 정수지를 설계하는 것이 바람직하

다.

참고문헌

1. 丹保憲仁, 『淨水의 技術』, 기보당

2. Kawamura, 『Integrated Water Treatment Plant Design』, AWWA, 1998

3. 환경부, 『상수도시설기준』, 1997

4. 박중현, 『상하수도공학』, 동명사

5. Water Treatment Plant Design, AWWA, 1997

6. 건설공무원교육자료, 서울시립대학교 도시과학대학원, 2001

7. 윤제용, “소독공정진단기술”, 수도연구회 정수장기술 진단연구, 2002