다시 뛰는 공정도시 서울!

문서번호 배급수연구과-438 결재일자 2018.1.19. 공개여부 부분공개(5) 방침번호 시 민 주무관 배급수연구과장 수도연구부장 서울물연구원장 한금석 김현돈 최영준 01/19 정득모 협 조 『정수장 부식성 관리기법 적용에 따른 상수관망 부식제어 효과 및 수돗물 수질영향조사』 공동 연구과제 최종결과 보고서 2018. 1 서울물연구원 (배급수연구과) 『정수장 부식성 관리기법 적용에 따른 상수관망 부식제어 효과 및 수돗물 수질영향조사』 공동 연구과제 최종결과 보고서 국립환경과학원과의 공동으로 추진한『상수관망 부식제어 효과 및 수돗물 수질영향조사 연구』에 대한 결과를 보고드림 Ⅰ. 연구개요 ？？ 연구배경 ○ 환경부 부식성 지수를 감시항목으로 지정 시행(’12.7.1) ○ 환경부 국립환경과학원과 공동연구 협약체결(’16.4.1) - 수돗물 음용률 제고를 위한 녹물방지대책 필요 ？？ 참여기관 ○ 서울시 서울물연구원(배급수연구과) - 참여자 : ○ 환경부 국립환경과학원(상하수도연구과) ？？ 과제명 ○ (국문) 정수장 부식성 관리기법 적용에 따른 상수관망 부식제어효과 및 수돗물 수질영향 조사 ○ (영문) Corrosion control and Water Quality of Distribution System in Drinking Water ？？ 연구기간 : 2016.1~2017.12(2년) Ⅱ. 연구결과 ？？ 경제성(비용) 검토 1. 국외(캐나다) 정수장 경제성 조사(L. Ballantyane, Corrosion in your distribution system..., Silent Killer, Clean and Safe Drinking water Workshop, NL, 2004) ⑴ 부식성 수질 조절 방법(adjusting the water chemistry) ① pH 증가(이상적 > pH 8.5) ② 알칼리도 30~40 ㎎/L as CaCO3 ③ pH와 알칼리도를 증대시키는 화학물질 화학물질 용도 성상 알칼리도 변화량/ 화학물질 ㎎/L NaOH pH 증대 ？ 93% 액상 ？ 50%미만 농도에서 동결방지 저장 1.55㎎/L CaCO3 Ca(OH)2 pH 증대 ？ 95~98% 순도 ？ 건조 저장 1.21㎎/L CaCO3 NaHCO3 pH 미세 증대 ？98% 순도 ？ 건조 저장 0.60㎎/L CaCO3 Na2CO3 pH 약간 증대 ？95% 순도 ？ 건조 저장 0.90㎎/L CaCO3 ④ 부식억제제(corrosion inhibitor) 사용 - 종류 : 규산나트륨, 중합인산염, 정인산염 - 부식억제 약품은 물과 접촉하는 금속표면을 장기적으로 덮거나 보호막을 형성하여 부식을 억제함 - CO2와 함께 사용하는 pH 조정이 필요 없음 - 부식억제제는 투입은 부식성 지수 변화를 수반하지 않음 - 부식억제제에 따라 최적 pH가 필요할 수 있으며, 일정한 pH 조건을 필요할 수 있음 - 인산염은 미생물 주요 성장성분으로 배급수 시스템에서 재성장을 유발할 수 있음 - 또한 정수장에서 인산염 주입은 하수처리장의 추가적인 시설을 필요로 할 수 있음 ⑵ 부식억제 약품 주입에 따른 비용분석 ① 비용은 현장 상황에 따라 유동적이며, 다음 사항을 고려하여 캐나다의 Northern Ontario 10,000㎥/day를 대상으로 평가한 것임 화학약품 농도(㎎/L) 약품비 ($/1,000㎥) 운영비 ($/1,000㎥) NaOH 2 ∼ 30 0.7 ∼ 10.5 0.15 ∼ 0.73 Ca(OH)2 2 ∼ 30 0.45 ∼ 6.75 0.38 ∼ 1.39 Na2CO3 10 ∼ 30 4.70 ∼ 14.10 0.38 ∼ 1.39 CO2 5 ∼ 20 2.80 ∼ 14.00 N/A Phosphate 0.3∼1.3 6.00 ∼ 25.00 0.15 ∼0.73 Silicate 4 ∼ 10 10.0 ∼ 25.00 0.15 ∼ 0.73 - 약품비는 부식억제제가 부식성 수질 조정제인 알칼리제(NaOH, Ca(OH)2)보다 높은 것으로 나타났으며, 규산염은 인산염보다 높은 농도를 필요로 하며, 규산염 최소비용은 수돗물 1,000㎥ 생산당 CA $10, 인산염은 CA $6가 필요한 것으로 분석되었음. - Ca(OH)2를 이용할 경우 수돗물 1,000㎥ 생산당 약품비는 CA 0.45 $, Ca(OH)2+CO2를 사용할 경우 CA $ 2.45로 분석되었음. - 운영비는 액상 화학제품인 NaOH, Phosphate, Silicate가 0.15~0.73으로 나타났고, 고상인 Ca(OH)2, Na2CO3 등은 0.38~1.39 CA $가 필요한 것으로 나타났음. - 부식 제어는 수도관 수명을 연장할 수 있고, 수질을 안정적으로 유지할 수 있음 ② 비내식성관의 경우 부식제어에 소요되는 비용은 추가되지만 장기간 사용하면 경제적 이득이라 할 수 있음. ③ 캐나다 Bonnavista 시의 비용 절감 사례 예 - 초기 조건 : pH 5.78 ~ 6.51, LSI ？4.3 ~ -5.1 - 부식제어방법 : 수산화칼슘을 주입하여 pH와 알칼리도 증대 - 연간운영비용 : 12,000 CA $ 기 간 운 영 비 부식 누수수량 비 고 1994-1998 CA $295,220/yr 83 leaks/yr 부식제어 미실시 1999-2003 CA $248,120/yr 17 leaks/yr 수산화칼슘 부식제어 순절감 CA $47,100/yr 66 leaks/yr 2. 서울시(구의정수장 380,000m3/일 생산기준) 부식제어 비용(약품비) 분석 약품종류 사용량(Kg/일) 단가(원/kg) 약품비(원/일) 약품비(천원/년) CO2 4,180 189 789,184 288,052 Ca(OH)2 7,030 248 1,739,925 635,073 계 -　 -　 2,529,109 923,125 국산 인산염 2,157 5,400 11,647,800 4,251,447 외산 인산염 2,157 7,200 15,530,400 5,668,596 ※ 위 내용은 약품비만 비교 한 것임 동일 용량에 칼슘농도 평균 10mg/L , 이산화탄소 11mg/L 주입, 인산염(PO4-P) 1mg/L 주입시 약품비만 산정 비교 ？？ 연구내용 ○ 미네랄(수산화칼슘) 용해 신기술 개발 - 수산화칼슘 용액을 고속분산시스템으로 미립자하여 칼슘 농도 조절 기술 개발 - 미국, 일본보다 앞선 기술로 소독효율이 높아 염소투입량 감소 가능 (20%이상) ※ 국내특허 등록(‘17.11) 및 해외출원 심사(’16.12.) ○ 부식제어공정 도입시 정수처리 및 수질영향 평가 - 지방정수장 수돗물 수질분석(강원도 영월, 전남 곡성) : ‘16.10~‘17.1 - 정수공정에서 응집제 주입전 칼슘용해에 따른 후공정 영향 평가 : ‘17.4 - 전남 곡성군 현장 적용 시험 : ‘17.7 - 부식제어 실증 플랜트 운영 및 수질효과 분석( ~ .17.12) ？？ 추진실적 ○ 지방 정수장 수돗물 부식지수 및 무게감량 분석(‘16.10~’17.1) 1) 지방정수장 수돗물 수질특성 분석 - 대상 정수장 : 강원도 영월군 영월정수장, 전남 곡성군 석곡정수장 - 수질분석 결과: ⑴ 곡성군 석곡정수장 LI 값이 영월군 영월정수장 LI 보다 높음 ⑵ 석곡의 경우, 칼슘 등 미네랄 함량이 상대적으로 낮았음 표 1. 지방정수장 수질 분석 결과 채수일 정수장 pH 전기전도도 염소이온 (mg/L) 황산염이온 (mg/L) Ca2+ (mg/L) Mg2+ (mg/L) Total (mg/L) 알칼리도 (mg/L as CaCO3) LI 2) 지방정수장 수돗물 부식속도 분석 - 대상 정수장 : 강원도 영월군 영월정수장, 전남 곡성군 석곡정수장 - 실험방법 : 탄소강 시편을 정수장의 정수지에 침지시킨 후 4주 간격 회수 탄소강 시편준비 정수지 시편 회수 시편 화학 세정 전 시편 화학 세정 후 그림 1. 영월 및 석곡정수장 시편 사진 그림 2. 정수장별 부식속도 결과 그림 3. 정수장별 수돗물의 잔류염소농도 그림 4. 곡성 석곡정수장 부식속도 - 분석 결과 : ⑴ 부식속도가 곡성보다 영월이 더 빨라 부식이 심한 것으로 나타나, 앞선 LI 지수와 다른 양상을 보였음. ⑵ 원인 분석한 결과, 잔류염소 농도에 의한 영향으로 판단되며, 정수지 내 대기노출 시편에서도 영월이 곡성정수장보다 부식속도가 빨랐음을 확인함 ⑶ 잔류염소 부식영향을 고려할 때, 정수지에서의 적정 잔류염소 운영 필요 ⑷ 잔류염소 농도를 고려한 새로운 부식성 지수 개발이 필요함 ⑸ 곡성 석곡정수장 수돗물의 칼슘농도 및 알칼리도가 낮아 칼슘공급이 수질향상에 도움일 될 수 있을 것임 ○ 수산화칼슘을 이용한 구의정수장 착수정 자-실험 결과(2017.4) ⇒ 실험목적 : 정수공정에서 응집제 주입전 칼슘용해에 따른 후공정 영향 평가 수돗물의 칼슘농도 및 알칼리도, LI 지수 개선 방안 검토 1) 10%-Ca(OH)2 용액제조시 균질화기기 분산시간에 따른 탁도변화 - 대상 시료 : 수돗물(pH 6.3) 1L - 주입량 :10% Ca(OH)2 300㎕ 첨가(Ca 16.2㎎/L), (ω=2㎮, v=6㎝/sec) (※ non homo : 19.98 Ca ㎎/L, 16시간 경과 탁도 2.3NTU) ※ 이산화탄소 주입하여 pH 6.3~ 6.5 유지 후 10% Ca(OH)2 주입함 - 실험결과 : 분산시간은 30min 적정 표 2. 분산시간에 따른 수돗물의 탁도 변화 분산시간 10min 20min 30min 40min 교반시간 T0 0.15 0.16 0.18 0.18 t=0 min T1 1.46 1.53 1.41 1.31 t=30min T2 0.84 0.75 0.63 0.65 t=60 min T3 0.66 0.66 0.45 0.65 t=90min T4 0.65 0.44 0.24 0.46 t=120min 2) 균질화기기 사용 유무에 따른 수질변화 실험 - 사전 석회수제조 : 5% - Ca(OH)2 용액 제조(균질화기기 사용 유무) 균질화기기 운영조건 : 20,000rpm, 30분 - 실험방법 : ⑴ 착수정 원수에 응집제 PAC 10ppm 주입 ⑵ Ca(OH)2 주입 유무 및 주입량(300, 600㎕) ⑶ 침전 15분, 2시간 후 탁도, pH 등 측정 그림 5. 석회수 용해 실험 그림 6. 석회수 용해 실험번호(Jat test) 표 3. 실험번호별 실험조건 실험번호　 1 2 3 4 5 6 원수 pH 7.21 7.21 6.54 6.54 6.06 6.06 Ca(OH)2 5%용액 × 균질화기 X 300uL 균질화기30분 600uL 균질화기 X 600uL 균질화기30분 600uL 균질화기 X 600uL Ca 주입율 (ppm) 0 4.05 8.11 8.11 8.11 8.11 PAC (ppm) 10 10 10 10 10 10 ※ 이산화탄소 주입하여 pH 동일유지(실험번호 3,4, 실험번호 5,6) 표 4. 응집침전 2시간 후 수질 분석 비교 항목 실험번호(1) 실험번호(3) CO2+Ca(OH)2 침전2시간 후 탁도(NTU) 0.31 0.24 침전2시간 pH 7.01 7.33 최종 Ca2+(㎎/L) 24 32.4 최종 알칼리도 55 62 그림 7. 수돗물 탁도변화 그림 8. 수돗물의 pH 및 LI 변화 - 실험 결과 ⑴ CO2+Ca(OH)2를 주입하여 적정 응집범위(알칼리도, pH변화)를 증가시켜 침전수 탁도 감소 : 응집침전 효율 증가 ⑵ 수돗물의 부식성 지수(LI)는 42% 개선 ○ 곡성군 현장 실증 실험(2017.7) - 대상 : 곡성 석곡정수장 ？구 성 : 착수정, 완속모래여과, 소독공정, 정수지(배수지) ※ 응집제 미투입 방식으로 정수장 운영 ？시설용량 : 1,000㎥/일 이산화탄소공급시스템 이산화탄소와 원수 혼합과정 석회수 주입 (착수정 말단) 그림 9. 곡성 현장 실험 장치 및 주입 사진 - 실험 목적 ？정수장의 착수정에 수산화칼슘을 주입을 통한 부식성 지수 개선 효과 평가 ？정수처리 실공정에서 칼슘용해에 따른 후공정 영향(여과지 부하 및 탁도) 평가 - 실험 조건 ？ 정수장 취수유량 : 700㎥/일(486L/min) ？ 10% Ca(OH)2 주입율 0.15L/min → 칼슘 투입농도 : 16.68mg/L · 이산화탄소 주입하여 착수정 pH 5.8~6.2 유지 (원수 pH 6.4~6.6 변동에 따른 실시간 조절 ) ？ 수산화칼슘 주입시간 : 7.13.(목) 15:00~7.14.(금) 01:40 표 5. 석회수 주입에 따른 정수장 여과수 수질 분석 결과 시 간 pH 탁도 (NTU) 알칼리도 (㎎/L) 칼슘 (㎎/L) 전기전도도 (㎲/㎝) 부식성 지수 (LI) 07-13 15:00 07-13 18:00 07-13 22:00 07-14 0:00 07-14 4:00 07-14 6:00 07-14 10:30 그림 10. 시간에 따른 탁도변화 그림 11. 시간에 따른 pH 변화 그림 12. 시간에 따른 알칼리도 변화 그림 13. 시간에 따른 칼슘농도 변화 - 실험 결과 ⑴ 수산화칼슘 주입 13시간 후 5 ppm칼슘 농도가 12 ppm에 도달하였으나, 주입용액 부족으로 20 ppm에는 도달하지 못하였음. ⑵ 탁도 증가, 여과지 부하 등 문제점은 발생하지 않았고, 부식성 지수 LI 는 개선되었음 ⑶ 수산화칼슘 주입함에 따라 pH를 6.5에서 6.8로 증가시킬 수 있었음 ○ 부식제어 실증플랜트를 이용한 부식속도 실험(2017.10~12) - 연구기간 : 2017.10.~12. - 실험목적 ？탄소강 시편을 이용한 부식속도 평가 ？부식억제제별 부식속도 비교 평가 - 실험내용 ？시험관 설치 : 4종 총 800 m(강관, 아연도강관, 노후아연도강관, 구리관) ？시험약품 : 석회용해수(자체개발), 인산염(국산 및 외산), 수돗물(비교수) ？시 편 : 탄소강 침지 후 2, 4, 6주 간격 회수 후 무게측정 및 부식속도 계산 그림 14. 부식제어 실증플랜트 주요 공정도 [Ca ; Ca(OH)2, H/M;Homogenizer, F1 : filteration process with lime water, F2; filteration process without lime water, Cl2 : Sodium hypochlorite]. 그림 15. 부식제어 실증플랜트 배관구성(강관, 아연도강관, 구리관, 노후아연도강관) 표 6. 석회수 주입에 따른 정수장 여과수 수질 분석 결과 　부식억제제별　 시편 번호 부식속도(mm/yr)　 2주 4주 6주 석회수 ( 약 8mg/L 주입) 1 2 3 평균 외산 인산염 (약 1mg/L 주입) 1 2 3 평균 국산인산염 (약 1mg/L 주입) 1 2 3 평균 수돗물 (비교실험) 1 2 3 평균 그림 16. 부식억제제별 시간에 따른 부식속도 변화 - 실험 결과 ⑴ Ca(OH)2 주입에 따른 석회수의 탄소강의 부식속도는 수돗물보다 늦어 Ca(OH)2 주입에 따른 부식 저감 효과는 있는 것으로 나타남 ⑵ 인산염의 경우 외산인 경우가 국산보다 부식억제제 효과는 높았으나, 6주 후에는 국산 및 외산 인산염 주입한 물에서 부식속도 거의 비슷해져 지는 양상을 보여 장기간 사용시 국산 및 외산인산염의 부식억제제 효과는 비슷할 것으로 보임 ⑶ Ca(OH)2 주입에 따른 석회수의 부식속도는 시편 침지 6주 후에서 50%이상 부식속도가 감소됨을 확인함 ⑷ Ca(OH)2를 수돗물에 용해하는 기술은, 수도관의 부식 제어와 해수담수화공정 등의 미네랄주입공정 등에 적용이 가능함 Ⅲ. 향후 계획 및 기대효과 ？？ 향후계획 ○ 곡성군 정수장 수산화칼슘 주입장치 시험 설치 기술 지원 ○ 부산시 해수 담수화 공장 수산화칼슘 용해기술 및 pH 조절 기술 지원 ？？ 기대효과 ○ 정수장 적용시 부식억제 효과 등 도입 타당성 근거자료 확보 ○ 수도관 부식제어 기술기반 마련 ○ 부식성 관리에 필요한 약품 투입기술 및 투입장치 개발 유도 ○ 비내식성 수도관의 부식억제 효과로 인한 녹물 민원 해소 끝.

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배급수연구과-438

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