상하수도공학 담당교수명 : 서 영 민 연 락 처 : elofy@naver.com

5) 정수장 시설 5-1) 정수장 계획

정수장 기본계획 □ 계획 정수량 - 정수장 계획 및 설계시 정수장 시설의 용량을 결정하기 위한 기준 정수량 - 계획정수량은 계획1일 최대급수량을 기준으로 하고 여기에 여유수량을 가산하여 결정 • 여유수량에는 작업용수, 잡용용수, 손실수량 등이 포함 - 일반적으로 여유수량은 계획1일 최대급수량의 10%로 설정 □ 정수장 시설계획 - 정수장의 입지계획 조사에서 유의사항 • 상수도시설 전체에 대한 배치계획을 고려 • 위생적인 환경이어야 함 • 재해에 대하여 안전해야 함 • 용지는 필요한 면적과 형상이 확보되어야 함 • 시설물 유지관리에 편리한 위치이어야 함

정수처리 계통도 □ 정수과정 - 침전 (응집침전)  여과  살균 (염소처리) <일반적인 정수처리 모식도>

정수처리 계통도 □ 완속여과처리 계통도 - 침전  완속여과  살균 - 완속여과가 주가 되어 여과층 표면의 물리적, 생물학적 정화작용에 의존

정수처리 계통도 □ 급속여과처리 계통도 - 응집  플록 (floc) 형성  침전  급속여과  살균 - 부유물과 콜로이드질의 제거 및 세균 등의 무해화가 주된 기능

5) 정수장 시설 5-2) 침전법

침전이론 □ Stokes 법칙 - 독립입자의 침강속도를 결정하기 위한 법칙 - 독립입자의 침강속도는 중력가속도, 입자와 액체의 비중 차이, 입자직경의 제곱에 비례하고, 점성계수에 반비례 - 침강속도 Vs: 독립입자의 침강속도 g: 중력가속도 ρs: 독립입자의 비중 ρ: 액체의 비중 μ: 액체의 점성계수 d: 독립입자의 직경 □ 침전제거 효율 - 침전지에 유입된 탁질의 제거 비율 (제거효과) Vs: 독립입자의 침전속도 V0: 완전제거가 가능한 입자 중 최소지름을 가지는 입자의 침강속도 Q/A: 표면부하율 (surface loading) 또는 월류율 (overflow rate)

침전이론 □ 침전지 관계식 - 침강속도: 침전지에서 100% 제거될 수 있는 입자의 침강속도 (표면부하율) Q: 유입유량, A: 수표면적 - 수면적 부하: 침전지에서 입자가 100% 제거되기 위하여 요구되는 침전속도 - 침전지의 수면적

침전이론 - 체류시간 - 월류부하

침전이론 [예제] 침전에 의한 입자 제거율을 향상시키기 위한 방법에 대하여 설명하라. 침전제거효율 1) 입자의 침강속도 (Vs)를 증가시킨다. 2) 표면적 부하 (Q/A)를 감소시킨다. 3) 침전지 유입량 (Q)을 감소시킨다. 4) 침전지의 평면적 (A)를 증가시킨다. [예제] 침전속도 0.1cm/sec, 유량 12000m3/day, 침전지의 수표면적 80m2, 수심 5m일 때 침전제거효율을 구하라.

침전이론 [예제] 깊이 3m, 폭 10m, 길이 50m인 침전지에서 1000m3/hr의 유량이 유입될 경우 독립침전을 가정할 때 100% 제거할 수 있는 입자의 침강속도를 구하라. [예제] 침전지의 유효수심 5m, 1일 최대 사용수량 500m3/day, 침전시간 8시간일 경우 침전지의 소요 수면적을 구하라.

침전이론 [예제] 침전지의 수심이 4m, 체류시간 2시간일 때 이 침전지의 표면부하율을 구하라. [예제] 침전지의 표면적이 250m2, 깊이가 3m인 직사각형 침전지에서 유량 350m3/hr가 유입될 경우 표면부하율을 구하라.

침전형태 □ I형 침전 (type I): 독립침전 - 부유물질 입자의 농도가 낮은 상태에서 응집되지 않은 독립입자의 침전 - 독립침전은 입자 상호간에 아무런 방해가 없이 유체나 입자의 특성에 의해서만 영향을 받게 됨 (입자 상호간의 작용이 없다고 가정) - 비중이 큰 무거운 입자의 침전이 통상 독립침전에 속함 - Stokes 법칙이 적용되는 침전의 형태 - 침사지나 보통침전지에서 발생하는 침전 □ II형 침전 (type II): 응집침전 - 입자들의 침전속도 차이 발생  입자간 충돌이 발생  입자끼리 결합하여 더욱 커진 1개의 입자로 성장하여 침전 - 약품침전지에서 발생하는 침전

침전형태 □ III형 침전 (type III): 지역침전, 방해침전, 간섭침전 - I형, II형 침전 다음에 발생하는 침전단계 - 부유물질의 농도가 큰 경우 가까이 위치한 입자들이 서로 침전을 방해함  침전속도는 점차 감소하게 됨 - 침전하는 부유물과 상층수 간에 뚜렷한 경계면이 생김 - 생물학적 처리가 이루어지는 2차 침전지의 침전 형태 □ IV형 침전 (type IV): 압축침전 - 침전된 입자 자체의 무게로 인하여 압축 발생  입자들이 서로 접촉한 사이로 물이 빠져나가 계속 농축되는 현상 - 2차 침전지 및 농축조의 저부에서 침전하는 형태

약품 침전법 □ 약품침전법 (응집침전법) - 보통 침전법으로 제거하지 못하는 미세한 부유물질이나 콜로이드성 물질, 미생물 및 비교적 분자가 큰 용해성 물질에 약품을 사용하여 침전이 가능 하도록 플록 (floc)을 형성시켜 침전 제거하는 방법 □ 약품침전에서 응집반응을 지배하는 인자 1) 수온 - 수온이 높아지면 물의 점성이 저하  이온의 확산이 빨라짐  응집제의 화학반응이 촉진  응집효과 증진 - 수온이 낮아지면 플록 형성에 필요한 시간이 길어지고 응집제의 사용량도 많아짐 2) pH - 응집제마다 응집작용이 최대가 되는 최적의 pH가 존재 - 황산알루미늄의 경우 최적 pH의 범위가 5.5~7.5 3) 알칼리도 - 응집작용을 효과적으로 하기 위해 응집제를 완전히 가수분해시키고 플록을 생성하는데 충분한 알칼리도가 필요함

약품 침전법 □ 응집제 (coagulant) 1) 황산알루미늄 (황산반토, Al2(SO4)318H2O) - 황산알루미늄의 수중에서의 반응 Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 2Al(OH)2 + 3CaSO4 + 6CO2 - 황산알루미늄 응집제의 특징 • 저렴하고 무독성이므로 대량 첨가가 가능하고 거의 모든 수질에 적합 • 결정은 부식성, 자극성이 없고 취급이 용이 • 황산알루미늄의 수용액은 강산성이므로 취급에 주의를 요함 • 탁도, 색도, 세균, 조류 등 거의 전부의 현탁물 또는 부유물에 대하여 유효함 • 철염에 비하여 생성한 플록이 가볍고 적정 pH 폭이 좁은 것이 단점 (5.5~7.5)

약품 침전법 2) 폴리염화알루미늄 (poly aluminum chloride, PAC) - 응집력이 우수하며 단독으로 사용해도 좋고 황산알루미늄과 병용해도 좋음 - 폴리염화알루미늄의 특성 • 응집, 플록 형성 속도가 황산알루미늄보다 현저히 빠름 • 생성 플록이 대형으로 침강속도가 빠름 • pH, 알칼리도의 저하는 황산알루미늄의 1/2 이하 • 탁도의 제거 효과가 탁월 • 적정 주입률의 폭이 크며 과잉으로 주입하여도 효과가 떨어지지 않음 • 저온 열화하지 않음 3) 알루민산나트륨 (sodium aluminate, NaAlO2) - 수산화나트륨 (NaOH2)에 알루미나 (Al2O3)를 녹인 것 - 단독으로는 응집작용이 약하므로 보통 황산알루미늄과 함께 사용 - 색도가 높은 물에 유효하며 알칼리성으로 수처리 후의 경도 및 유리 탄산도가 증가하지 않으므로 보일러 용수의 특수 정수에 사용

약품 침전법 4) 암모늄 명반 - 소규모의 정수장치에 한해서 사용 - 용해속도가 느림 5) 황산제일철 (ferrous sulfate, FeSO4) - 소석회와 함께 사용해야 함 - 알칼리도가 높고 고탁도인 원수에 가장 적합하며 경제적 - 플록은 황산알루미늄에 비해 무겁고 저온이나 pH 변화에 의한 영향이 적음 6) 황산제이철 (ferric sulfate, Fe2(SO4)3) - 더운 물로 용해시켜야 하며 소석회는 필요없음 - 금속에 대한 부식성이 강하므로 내산성의 고무나 납으로 피복된 장치를 사용해야 함 - 플록의 생성, 침전시간은 황산알루미늄보다 빠름

약품 침전법 □ 응집보조제 - 플록이 보다 무겁고 신속히 침강하도록 만들고, 플록의 강도를 증가시키기 위하여 사용하는 약품  침강속도 및 플록 강도 증가 - 각종 응집보조제를 병용함으로써 응집을 촉진시키고 응집제의 사용량을 절감할 수 있음 1) 알칼리제 - 소석회, 소다회, 가성소다 2) 벤토나이트 - 수중의 콜로이드 입자의 흡착에 대해서 핵을 제공 - 알칼리성 점토로서 pH에 영향을 주지 않고 황산알루미늄과 병용해서 응집제가 절약됨

약품 침전법 □ 응집교반시험 (Jar test) - 응집제와 응집보조제의 적정 pH 및 최적 주입량을 결정하기 위한 시험 - 응집교반시험 방법 • 처리하는 물을 6개의 비이커에 동일량 (500mL 또는 1L)을 채움 • 교반회전수를 120~140rpm으로 급속교반시켜 pH를 최적범위로 조정 • pH 조정을 위한 약품과 응집제를 짧은 시간내에 주입 • 교반시 회전속도를 20~70rpm으로 감소시키고 10~30분간 완속교반함. 이때 floc이 생기는 시간을 기록 • 플록생성시간과 상태를 기록하면서 약 30~60분간 침전시켜 상등수를 분석

5) 정수장 시설 5-3) 여과법

여과이론 □ 여과법 (filtration) - 원수를 다공질층 (여재)을 통해 유입시켜 부유물질, 침전으로 제거되지 않는 미세한 입자의 제거에 가장 효과적인 정수방법 □ 여과지 관계식 - 여과면적 A: 총여과면적 (m2) Q: 계획정수량 (m3/day) V: 여과속도 (m/day) [예제] 여과수량이 6000m3/day이고 여과유속을 120m/day로 할 경우 여과지의 총면적을 구하라.

여과이론 [예제] 정수장의 처리수량이 1일 35000톤이다. 여과속도가 150m/day이며, 여과지 수를 5개로 하고자 한다 (각 여과지의 면적은 동일). 이때 급속 여과지 하나의 면적을 구하라. 여과지 한 개의 면적 = 233.3/5=46.7m2 [예제] 여과층의 두께 2m, 투수계수 0.08cm/sec의 모래 여과지에서 여과지와 출구의 수위차를 50cm로 하고 1일 500m3의 물을 여과하고자 할 때 여과지 면적을 구하라.

여과이론 [예제] 계획급수인구가 5000명이고 1인1일 최대급수량이 200L이며, 여과속도가 130m/day인 급속여과지의 면적을 구하라.

여과이론 [예제] 어떤 도시의 계획급수인구는 200,000명이며, 계획 1일 최대급수량이 60,000m3일 때 여과속도를 4m/day로 하려면 이때 여과지의 총소요면적을 구하고, 여과지를 폭 30m, 길이 50m의 직사각형으로 할 경우 필요한 여과지 개수를 구하라.

여과이론 - 여재 (여과사)의 유효입경과 균등계수 • 유효입경이 작을수록 세균이나 부유물질의 제거효과는 좋지만 쉽게 막힘 • 균등계수: 체통과율 60% 및 10%인 여재의 입경에 대한 비율 • 균등계수 (Cu)가 클수록, 모래의 공극률이 작아지고, 여과저항이 증대함 Cu: 균등계수 D10: 체통과율 10%인 여과사의 입경 (유효입경) D60: 체통과율 60%인 여과사의 입경 [예제] 여과사의 입도분석 결과가 다음과 같은 때 이 여과사의 균등계수를 구하라. 체통과율(%) 5 10 20 40 60 80 입경 (mm) 0.2 0.3 0.38 0.6 0.85 1.3

여과이론 □ 모래 여과지의 손실수두 ΔH: 손실수두, L: 모래층의 두께, μ: 물의 점성계수, V: 여과속도, d: 모래의 평균입경, ε: 공극률 영향인자 조건 (손실수두) 손실수두 모래층의 두께 (L) 두꺼울수록 (↑) 크다 얇을수록 (↓) 작다 모래 입자의 크기 (d) 클수록 (↑) 작을수록 (↓) 여과 속도 (V) 물의 점성도 (μ) 공극률 (ε)

완속여과법 □ 완속여과법의 원리 - 여과속도를 느리게 유지하면서 모래층에 형성된 여과막 (filter film)의 미생물 활동에 의하여 정수하는 방법 - 모래층의 표면이나 모래층 내에 번식한 조류, 미생물에 의하여 만들어진 여과막에 의하여 물리적 및 생물학적으로 탁질, 세균 등의 부유물이나 암모니아, 망간 등 용해성 물질을 제거 또는 분해하는 방법 - 완속여과법에서 부유물은 주로 모래층의 표면에서 제거됨

완속여과법 □ 완속여과법의 효과 - 완속여과법의 효과는 원수의 수질, 여과사의 입도, 수온, 여과속도, 여과지의 작업 방법 등에 좌우됨 - 부유물질과 세균은 거의 모두 제거되고, 색도, 용해성 유기물, 철, 망간, 암모니아 등도 어느 정도 제거됨 - 탁도의 제거는 완속여과보다 급속여과의 효과가 우수함 - 완속여과의 특징 • 여과속도는 4~5m/day 정도 • 세균 제거율이 탁월 (98.0~99.5%) • 약품을 투입할 필요가 없으며, 유지관리비가 저렴함 • 처리수의 수질이 양호함 • 여과지의 면적이 넓고, 건설비가 많이 듦 • 탁도가 높거나 심하게 오염된 원수에는 부적당 • 인력으로 여재를 청소하기 때문에 경비가 많이 들고 오염의 염려가 있음 • 여과지 면적에 비해 처리할 수 있는 용량이 작음  대규모 처리에는 부적합함

완속여과법 □ 완속여과의 주요작용 1) 여별효과 (여과효과, straining effect) - 여과사에 원수를 통과시켜 오염물질을 걸러내고, 여과막에서 오염물질을 정화하는 기능 - 대부분 여층 표면에서 정화가 이루어짐 - 여과가 진행됨에 따라 대립자, 유기물, 미생물 등에 의하여 여과막이 형성  미립자까지 제거가 가능해짐 - 여과가 계속됨에 따라 여과막이 점점 두꺼워져 결국에는 여과의 저항이 커져 물이 통과하기 어려워짐 2) 흡착 (adsorption) 및 침전 (sedimentation) - 모래의 표면을 통과한 미세물질들이 모래층 중의 공극을 천천히 이동 하면서 플록 형성, 공극 내에서의 침전, 모래 표면에서의 흡착을 통해 여층 내에 머물게 됨. - 플록을 형성하지도 않고 흡착도 되지 않은 미립자는 모래층 하부로 이동 - 수온이 낮으면 물의 점성이 커져서 플록형성이 어려워지므로 여과효과는 저하됨

완속여과법 3) 생물학적 작용 (biological activity) - 완속여과 특유의 작용으로서, 모래층에 존재하는 미생물이 생물막을 형성 하여 모래에 부착됨 - 생물막에 의하여 콜로이드, 세균 같은 미세한 물질들이 흡착 제거되며 암모니아성 질소도 제거됨 4) 산화작용 (oxidation) - 모래 표면의 플랑크톤이 광합성을 통하여 산소를 공급하므로 철, 망간 등이 산화되어 제거됨

급속여과법 □ 급속여과법 - 완속여과와는 달리 여과속도를 빠르게 하고 약품을 사용한 응집침전을 유도하여 오염물질을 여과 및 제거하는 방법 □ 급속여과의 특징 - 여과속도가 완속여과에 비하여 매우 높음 (120~150m/day) - 설치 면적을 적게 차지하여 건설비가 적게 소요됨 - 인력이 적게 소요되며 자동 제어화가 가능함 - 약품사용 (응집침전), 동력소비 등에 따른 유지관리비가 많이 소요됨 - 여과시 손실수두가 큼 (여과속도가 빠르기 때문) - 탁도가 다소 높은 원수의 처리에 적당함 - 세균처리에 있어서는 확실성이 떨어짐 - 기계적으로 여재를 청소하기 때문에 경비가 많이 드나 청소시간이 짧아 오염의 염려도 적어짐

급속여과법 □ 역세척 (back washing) - 모래층을 기계적으로 교반후 물을 역류시켜 모래층을 세척하는 방법 - 역세척의 필요성 • 여층 표면 또는 내부의 여재사와 탁질, 점질성 물질이 서로 붙어 점차 크게 성장 (mud ball 현상)하고, 여재 심부에 들어가서 여과수의 수질을 악화시키는 것을 방지하기 위한 목적 - 역세척 방법의 구분 · 공기로 모래층을 교란시킨 후 역세척하는 방법 · 물로 역세척하는 방법 · 공기와 물을 동시에 분출시켜 역세척하는 방법 □ 모래층 팽창비 - 역세척시 모래층의 팽창비는 역세척 공정에 중요한 지표가 됨 - 팽창비가 너무 크면 모래층 간의 마찰 및 충돌이 작아져서 완전한 세척이 되지 않으므로 30%가 적당함

급속여과법 여과상태 세척상태

급속여과법 [예제] 급속여과지의 최소 여사층 높이는 60cm 이상이고, 충진 여사층의 높이는 80cm이다. 이때 역세척시 여사층이 높이가 104cm로 팽창할 경우 여사층의 팽창비를 구하라.