3.1 Effects of algal populations on WTP operation parameters

Fig. 3은 ’14.04~’17.07의 기간에 수집된 A 정수장의 월별 탁도와 남조류 개체수 및 응집제와 염소 및 오존 등의 월평균 일일 산화제 주입량과 월평균 THMs 농도를 보여 주고 있는데, ’16. 6월의 고탁도를 제외하면 대체적으로 조류 개체 증가시 응집제 주입량을 포함한 오존과 염소 주입량도 증가된 것으로 나타나고 있다.

Fig. 3. Raw water qualities and chemical dosages in A WTP.

이들 운전인자들의 월평균값을 기준으로 엑셀함수를 사용한 다중인자에 대한 상관계수 분석 결과가 Table 2에 제시되어 있는데, 정수의 THMs 값은 잔류염소농도와 가장 밀접한 상관계수 0.328로 분석되었고, 다음으로 후염소(Post-Chloride)와 0.025값을 보여주고 있으나 총염소량이나 오존과는 음의 상관성이 나타났다. 또한 잔류염소(Re-chloride)는 후염소와 후오존에 대해 높은 상관성을 보여 주고 있는데, 이는 THMs를 포함한 살균부산물과 미량 오염물질의 고도처리에 관한 선행 연구(^{Kim et al., 2004})에서 제시된 오존에 의한 THMs 전구물질의 처리와 THMs 생성 감소 관계에서도 제시되고 있다. 이러한 상관관계와 선행연구사례를 고려하면 잔류염소를 후염소 주입으로 제어하는 기본 공정에 추가된 후오존에 의한 유기물처리공정이 정수지에서 THMs로 전환될 수 있는 염소소비량 변화에 밀접한 영향을 주고 있음을 의미하는 것으로, 측정이 용이한 잔류염소를 THMs 관리인자로 활용할 수 있는 개연성을 보여 주고 있다.

Fig. 3과 Table 2에 인용된 A 정수장의 월평균 운영자료에서 고탁도 시기인 ’16년 6월을 제외하고 7월~10월을 조류 번성기, 그 이외의 시기를 비번성기로 분류하고 조류의 정수장 운영에 대한 영향을 분석하였고 그 결과를 Fig. 3에 제시하고 있다. 조류 번성기와 비번성기의 남조류 개체수가 평균 544 cell/mL에서 22,937 cell/mL로 변화됨에 따라 강우일을 제외한 번성기의 원수 평균 탁도는 3.8 NTU로 비번성기 평균 탁도 2.8 NTU 대비 1 NTU가 증가한 것으로 나타났다. 두 시기의 응집제 주입량(17%, PAC)은 각각 12,112 kg/d에서 24,419 kg/d로 2배 이상 증가한 것으로 나타나 탁도의 영향보다는 조류 개체수 증가로 인해 약품주입량과 같은 운전인자의 변화가 있음을 추정할 수 있다. 정수처리수 THMs는 조류 비번성기 평균 0.039 ppm에서 번성기 평균 0.036 ppm으로 유사하게 나타나 조류 유입에 대해 운전인자의 조절로 적절한 대응이 수행된 결과를 보여 주고 있다. 두 시기의 총오존 생산량은 각각 717 kgO₃/d와 899 kgO₃/d로 조류 번성기에 약 25%가 증가하였고 두 시기 모두 전오존 생산량이 각각 89%와 85%로 나타났다. 이러한 오존생산량 현황을 고려하면 A 정수장은 조류 번성기의 대응보다는 평상시의 원수의 수질에 대한 대응을 위해 전체적으로는 전오존중심으로 오존시설이 운영되고 있는 것으로 판단된다. 다만, 조류 번성기에는 후오존 생산량 증가율이 비번성기 대비 62.2%로 나타나 조류 자체 보다는 THMs 등 미량오염물질 중심의 대응 운전이 수행되고 있는 것으로 사료된다. 또한, 번성기에는 중염소 비중을 상대적으로 높게 운전함에 따라 염소투입량은 비번성기와 번성기 각각 평균 1,873 kg/d와 2,585 kg/d로 약 38%가 증가하였음에도 불구하고 THMs는 번성기에도 개선된 수질특성을 유지하고 있는 것으로 나타났다. 그러나 A 정수장의 전오존과 전염소 중심의 조류 번성기의 대응 방식은 선행 연구(^{Richardson et al., 2007}; ^{Xie et al., 2013})에 보고된 살균부산물의 증가 특성을 고려해 전산화공정의 대안에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 4. Chemical dosages according to the algae bloom condition in A WTP.

낙동강 하류부의 B 정수장은 ’18년 8월에 월평균 남조류(BG_Algae) 개체수가 42,408 cell/mL를 기록한 이후 ’19년부터 전염소공정의 중염소 전환과 후오존 중심에서 전오존과 후오존 병행운전 및 활성탄 교체주기 단축 등 공정 운영에 큰 변화가 있었고 이후 Fig. 5(b)에 나타난 바와 같이 월평균 THMs 값은 지속적으로 감소하는 것으로 나타났다. B 정수장은 오존생산공정에 액체산소와 과산화수소수를 원료로 사용함에 따라 여름철의 오존 주입량 증가에 따라 응집제 뿐 만 아니라 과산화수소수와 같은 오존생산을 위한 보조 약품의 공급량도 증가하고 있는 것으로 나타났다.

Fig. 5. Raw water qualities and chemical dosages in B WTP.

Fig. 5에 제시된 전산화 실증화 연구 현장 B 정수장의 운영자료에서 전오존과 중염소 운영방식이 적용된 ’19.07~ ’21.06 기간의 자료를 대상으로 다중 상관관계를 분석한 결과, THMs 농도는 A 정수장과 달리 총염소 또는 후염소 주입량(Post_Chl)과 가장 높은 상관성을 보여 주고 있고 다음으로 잔류염소(Re_Chloride) 순으로 나타났다. THMs와 오존의 관계에서는 A 정수장과 같은 통상적인 예상과 달리 후오존과 0.558의 높은 상관성이 관측되었는데, 이는 ’19.7월~’19.9월 기간 THMs의 고농도와 후오존 과주입 운영 현황의 영향이 반영된 것으로 판단된다. 따라서 조류와 조류 기인 오염물질의 관리를 위한 과도한 산화제의 사용이 THMs와 같은 특정 항목의 수질관리 측면에서 항상 유용하지는 않다는 것을 알려주는 결과로 사료된다. Fig. 5와 Table 3에 인용된 B 정수장의 월평균 운영자료에서 조류 개체수가 적은 고탁도 시기를 제외한 조류 번성기과 비번성기의 시기를 대상으로 정수장 운영에 대한 조류의 영향을 분석하였고 그 결과를 Fig. 6에 제시하였다. B 정수장의 ’17.01~’21.07 기간 조류 번성기의 총조류와 남조류 개체수는 각각 평균 13,754와 9,608 cell/mL, 비번성기는 각각 6,771과 2,171 cell/mL로 나타났고 번성기의 원수탁도는 약 7.5 NTU, 비번성기는 약 3.6 NTU로 A 정수장에 비해 탁도 차이가 크게 나타났다. 이러한 차이는 조류 개체수의 차이보다는 ’19년~’21년에 강우량과 강우일수의 증가로 인한 탁도 증가의 영향도 부분적으로 포함되어 있는 것으로 사료된다.

Fig. 6. Chemical dosages according to the algae bloom condition in B WTP.

두 시기의 응집제 주입량(12%, PAC)은 각각 9,643 kg/d와 6,096 kg/d로 번성기에 응집제는 조류 대응을 위해 약 58% 추가 주입되고 있는 것으로 평가할 수 있다. B 정수장의 THMs는 조류 비번성기 평균 0.017 ppm에서 번성기 평균 0.027 ppm으로 극히 우수한 수질관리 결과를 보여 주고 있으며, 총오존 생산량은 각각 142.2 kgO₃/d와 158.1 kgO₃/d로 A 정수장과 달리 두 시기에 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 이는 B 정수장의 경우 오존생산시설 생산량의 제한으로 인해 활성탄의 교체주기 단축에 나타난 바와 같이 오존에 의한 산화보다는 활성탄 흡착에 대한 의존도가 높게 운영되고 있는 영향으로 판단된다. A 정수장의 조류 번성기 평균 오존투입량 899 kgO₃/d를 고려하면 B 정수장은 약 18%에 불과한 수준이나, 조류 번성기에는 후오존 투입량이 전체 오존의 약 35%(Fig. 6-b), 비번성기에는 A 정수장과 유사한 약 13%로 나타나 B 정수장도 유사하게 조류로 인한 THMs와 미량 오염물질의 관리를 위해 후오존의 운영 비중을 높게 운전하는 것으로 사료된다.

또한, 염소투입량은 비번성기와 번성기 각각 7,843 kg/d와 1,008 kg/d로 약 29%가 증가하였고 잔류염소농도도 증가함에 따라 THMs 값이 증가하는 것으로 분석되었다. 그러나 B 정수장의 전오존과 전염소 중심의 조류번성기의 수질관리 방식도 A 정수장과 유사하게 선행 연구(^{Richardson et al., 2007}; ^{Xie et al., 2013})에 보고된 살균부산물의 증가 특성을 고려하면 전산화공정의 대안에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다.

3.2 Effects of SPM field application on B WTP

B 정수장의 실증 연구 시기인 2020년 11월에 대부분이 규조류이긴 하지만 조류개체수 40,000 cell/mL 초과 일의 침사지에 SPM이 투입된 전산화 시험계열과 대조계열의 침사지 유출수를 대상으로 현장 jar-test를 수행하였다. Jar-test는 전산화제가 1.0 mg as SPM/L(Test A)와 0.5 mg as SPM/L(Test B)가 주입된 시료를 대상으로 현장과 동일하게 응집제 25 ppm과 염소 2 ppm을 추가 주입하고 10분 완속교반 후 5분 침전 상등수를 대상으로 수질특성을 분석하였다. 전산화를 위해 주입된 SPM 농도에 따른 pH의 영향은 거의 나타나지 않았고, 전산화제 1.0 ppm과 0.5 ppm이 주입된 시험계열의 잔류염소는 각각 0.78~0.90 ppm와 0.61 ppm, 산화제가 주입되지 않은 대조군 시료는 0.20~0.28 ppm과 0.31 ppm으로 대조군의 염소소비량이 증가되는 것으로 나타나 SPM이 염소를 대체한 전산화제 역할을 수행하고 있음을 확인할 수 있다. 이러한 현장의 응집 조건을 반영한 시험 시료의 THMs 값은 SPM 1.0 ppm 주입 시료에서 가장 낮은 1~2 μg/L가 관측되었고, 대조군 시료와 비교하면 SPM 주입 시료의 THMs 농도가 일관성 있게 낮게 나타나 산화제 주입에 의한 THMs 저감 기능을 확인할 수 있었다. 또한 THMs의 간접 지표로 활용되는 UV 254의 경우 회수수의 영향으로 유입수의 값이 항상 기존 계열(Test bed)이 높게 나타났고 SPM 주입농도 0.5 ppm 보다는 1.0 ppm에서 더 양호한 개선 효과가 나타났다.

3.3 Greenhouse gas emission characteristics of pre-oxidation processes

B 정수장의 최근 3년(’19.01.01~’21.10.30) 오존생산량은 0.0~412.5 kg O₃/d(평균 133.4 kg/d), 전력소비량은 216.0~10,440 kWh(평균 3,844 kWh)로 오존생산에 소비하는 전력량은 평균 약 28.8 kWh/kg O₃로 나타났다. 오존을 생산하지 않는 날의 최저 전력소비량은 216kWh로 이러한 비가동 소비를 제외해도 전력소비량은 3,628 kWh, 단위소비전력은 27.2 kWh/kgO₃로 산정할 수 있다. 따라서, B 정수장의 평균 생산량 약 250,000 m³/d에 1.0ppm의 전오존을 투입할 경우 에너지 소비량은 약 6,800 kWh/d로서 전력소비에 의한 온실가스 배출계수 0.4664 톤 CO₂eq/MWh(에너지관리법 시행규칙 별표 4)를 적용하면 오존 생산에 의한 온실가스 배출량은 약 1,157 톤CO₂eq/yr에 상당한다. B 정수장의 최근 3년 전력 사용량이 평균 20,377.3 MWh/yr (55,828 kWh/d)임을 고려하면 오존생산에 의한 전력소비율이 약 12.2% 수준으로 상당한 전력 소비 부하를 보여 주고 있다. 특히, ^{Alina et al. (2007)}에 의하면 정수장 LCA 기반의 에너지 소비가 정수시설의 취수와 공급펌프 설비가 전체 에너지의 94%, 온실가스 배출의 90% 수준임을 고려하는 경우 정수장의 온실가스 관리 측면에서 오존시설의 추가는 새로운 온실가스 배출 인자가 될 수 있을 것으로 사료된다. 한편, 평균 유입 유량 5,966 m³/hr, 산화제 주입량 0.4~0.6 ppm 주입 조건의 B 정수장 전산화 현장 연구 수행 시기 제어시스템에 저장된 에너지 소비량 기록을 Fig. 7(b)에서 보여주고 있는데, 단위 전력소비량은 평균 3.0 Wh/m³으로 오존과 동일하게 250,000 m³/d를 생산하는데 전산화 시스템이 소비하는 전력은 약 750 kWh로 전오존 1 mg/L 생산을 위한 전력소비에 의한 온실가스 배출량의 약 10.8%에 상당하는 약 128 톤CO₂eq/yr으로 나타났다. 최근 기후변화 대응을 위한 탄소중립에 대한 국가정책을 고려하는 경우 단순한 비용의 문제뿐 아니라 전력소비에 따른 온실가스 배출에 대한 영향도 충분히 고려되어야 할 것으로 사료된다.

Fig. 7. Power consumption for ozone production in B WTP.