다시 뛰는 공정도시 서울!

문서번호 정수과-21815 결재일자 2022. 5. 23. 공개여부 부분공개(5) 방침번호 시 민 주무관 주무관 정수과장 암사아리수정수센터소장 경규선 정승경 유준수 05/23 조성태 협 조 정수시설과장 전훈 잔류오존제거제 현장실험 결과에 따른 티오황산나트륨 설비 도입 검토 보고 2022.5 암사아리수정수센터 (정수과) 보고서 요약 ○ 배경 - 활성탄내 대기오존농도 개선 및 효율적인 수처리 운영을 위한 티오황산나트륨(잔류오존제거제) 설비 도입 필요성 대두 ○ 잔류오존제거제 현장실험 결과 - 수온 7.0℃ 기준 티오황산나트륨이 과산화수소에 비해 약 2.3배 우수 - 티오황산나트륨(50%) 1.0 ppm 주입 시 용존오존농도 0.13 mg/L를 제거 - 작업장 환경기준에 적합한 대기오존농도 유지 조건 : 용존오존농도 0.001이하 ○ 운영 및 관리조건 검토 - 원액기준 티오황산나트륨 1 mg/L 주입 시 후염소 주입량 증가영향 없음 - 동결방지 및 재결정 석출 방지를 위해 밀폐구조 및 보온조치 필요 - 과산화수소 설비와는 별도 분리 필요(화학반응에 의한 폭발위험) ○ 티오황산나트륨 설비 도입 검토 - 주요 설비용량 산정(정량펌프 및 저장탱크 등) ○ 결론 및 향후 계획 순 서 Ⅰ. 근거 및 배경 1 Ⅱ. 추진개요 2 Ⅲ. 실험결과 1. 용존오존 및 대기오존농도 관계 분석 3 2. 고도산화공정 운영에 따른 용존오존농도 분석 4 ○ 약품주입률별 용존오존농도 변화 ○ 티오황산나트륨 주입률별 용존오존농도 감소 분석 ○ 잔류오존제거제별 용존오존 제거효과 비교 Ⅳ. 운영 및 관리조건 검토 1. 수질 및 공정관리에 따른 운영 조건 7 ○ 냄새물질 제거 ○ 소형생물(유충) 제어 ○ 내부 공정관리 및 작업 안전관리 ○ 병행 추진 방안 2. 티오황산나트륨 안정성 및 품질관리 10 ○ 잔류 티오황산나트륨에 의한 후공정에의 영향성 ○ 티오황산나트륨 품질관리 Ⅴ. 티오황산나트륨 설비 도입 검토 1. 국내 정수장 설비 도입 사례 12 2. 설비도입 검토 결과 12 ○ 티오황산나트륨 설비 도입 필요성 ○ 약품량 및 약품비용 ○ 설비용량 3. 시설 설치비용 산정 15 Ⅵ. 결론 및 향후계획 16 잔류오존제거제 현장실험 결과에 따른 티오황산나트륨 설비 도입 검토 보고 활성탄공정에서 오존가스에 의한 시설부식 방지, 안전사고 예방과 안정적 활성탄 교체 및 수질관리를 위해 티오황산나트륨 현장실험을 실시하고 그에 따른 전용설비 도입 타당성 검토 결과를 보고드림. Ⅰ 근거 및 배경 근거 ○ 잔류오존제거제 “티오황산나트륨” 현장 적용실험 결과 보고(정수과-6403, 2019.6.10.) ○ 고도처리시설 오존처리공정 개선 운영계획(정수과-387, 2022.1.12.) ○ 고도 오존처리공정 개선운영 중간실행보고(정수과-1260, 2022.2.9.) 배경 ○ ○ 공정운영(오존 상시투입) 및 입상활성탄 교체공사 병행을 위해 대체 잔류오존제거제인 티오황산나트륨의 현장 적용 운영 시행 - 냄새물질 제거 및 티오황산나트륨 사용에 의한 활성탄공정 대기오존농도 개선 - 오존투입 중단없이 입상활성탄 교체공사 추진 가능 - 티오황산나트륨 현장 적용 정밀 테스트 지속 실시 및 약품 제반시설 도입 결정 필요 ○ 티오황산나트륨 전용 주입설비 도입 타당성 검토 필요 Ⅱ 추진개요 ○ 기 간 : 2022. 1. ~ 4. ○ 대 상 : 과산화수소(H2O2, 34%), 티오황산나트륨(Na2S2O3？5H2O, 50%) ○ 참여자 분야 구분 참여자 역할 현장 실험 정수과 실험실 조건별 실험 사무실 설비운영 및 수급관리 정수시설과 설비 점검 및 수리 설비도입검토 정수과 운영조건 및 필요용량 검토 정수시설과 시설설치 비용 산정 ○ 추진사항 - 잔류오존제거제 현장실험을 통한 효과분석 - 티오황산나트륨 설비 도입 검토 - 티오황산나트륨 설비 용량 산정 및 설치비용 산정 ※ 잔류오존제거제 시설현황 Ⅲ 실험결과 용존오존농도 및 대기오존농도 관계 분석 ○ 실험조건 - 실험기간 : 2022. 2. 13. ~ 2. 21. - 실험방법 ？ 오존, AOP용 과산화수소 및 티오황산나트륨 투입률 조정으로 용존오존농도 일정 유지 ？ 4~5시간 경과 후 휴대용 대기오존농도계로 활성탄지 2계열 실내 중간부 측정 - 수질 조건 구분 침전지 여과지 활성탄지 정수지 pH TOC (mg/L) 잔류염소 (mg/L) 기온 (℃) 수온 (℃) 측정값 7.03~7.17 1.32~1.45 0.12~0.28 -9 ~ 5 2.0~3.7 ○ 실험결과 - 용존오존농도 증가에 따라 활성탄공정 실내 대기오존농도가 비례적으로 증가하였으며, 용존오존농도값 대비 대기오존농도가 약 33배의 수치상 증가를 보임. - 용존오존농도 0.001 mg/L이하에서 작업환경기준의 대기오존농도 만족 ※ 작업환경 농도기준(산업안전보건법) : 8시간 평균 0.08 ppm이하, 15분간 허용값 0.2 ppm 이하 ※ 휴대용 대기오존측정기 특성상 동일위치에서 일정부분 농도차이가 발생하여 육안상 평균값으로 기록 고도산화공정 운영에 따른 용존오존농도 분석 ○ 약품주입률별 용존오존농도 변화 - 티오황산나트륨 투입 시 접촉시간이 짧음에도 불구하고 급격히 용존오존농도가 감소함. <약품주입률별 용존오존농도 변화> 일자 유량 약품주입률 용존오존농도 대기오존농도 (활성탄지) 유입부 유출부 오존 (mg/L) 과산화수소 (ml/m3) 티오황산나트륨 (ml/m3) 오존접촉조3단 (mg/L) 활성탄지유입 (mg/L) ※ 약품주입률 중 과산화수소와 티오황산나트륨은 과산화수소 용액(H2O2, 34%) 및 티오황산나트륨 용액(Na2S2O3？5H2O, 50%)의 약품 유량계값으로 산출한 용액 부피 주입률(ml/m3)임. - 오존 1.0 mg/L 투입 시 활성탄지 유입 용존오존농도 0.001 mg/L로 조정하기 위한 방법 중 ？ AOP용 과산화수소를 단독 사용할 경우 오존 1.0 mg/L 투입 기준으로 2.94 ppm 이상이 필요하며, 오존접촉조내의 용존오존농도가 매우 감소하여 소독능 저하 및 소형생물 제어가 곤란함. ？ 티오황산나트륨을 병행 사용할 경우에는 AOP용 과산화수소와 티오황산나트륨이 각각 1.18 ppm과 0.99 ppm 이상 또는 1.47 ppm과 0.65 ppm이 필요하며, 오존접촉조내 용존오존농도가 상대적으로 덜 감소하며 총 약품량 측면에서도 약 0.77 ppm 이상이 절감됨. ○ 티오황산나트륨 주입률별 용존오존농도 감소 분석 - 티오황산나트륨(50%) 1.0 ppm 주입 시 용존오존농도 0.13 mg/L를 제거시킴. 실험일 연번 분배조 유량 (m3/h) 티오황산나트륨(50%) 용존오존농도(mg/L) 주입량 (ml/min) 주입률 (ml/m3) 전 후 감소 ○ 잔류오존제거제(퀜칭제)별 용존오존 제거효과 비교 - 잔류오존제거조 유출부에 과산화수소(34%)와 티오황산나트륨(50%)을 교대로 투입한 결과 티오황산나트륨(50%)의 용존오존 제거효과가 약 2배 이상 우수한 것으로 나타남. 실험일 수온 분배조 평균유량 잔류오존제거제 용존오존농도(mg/L) 약품명 주입량 (ml/min) 주입률 (ml/m3) 전 후 감소 - 과산화수소는 접촉시간, 온도와 pH에 큰 영향을 받고 티오황산나트륨의 경우 빠른 반응속도를 보이며 온도와 pH에 영향을 받지 않고 일정한 제거속도를 가짐. (출처 : 권민환 외 6인, 과산화수소와 티오황산나트륨을 이용한 정수처리공정에서의 잔류오존 제거, 상하수도학회지 제29권 제4호, 2015) ※ 반응식 - 과산화수소 : H2O2 + 2O3 → 2OH· + 3O2 - 티오황산나트륨 : S2O32- + 4O3 + H2O → 2SO42- + 4O2+ 2H+ Ⅳ 운영 및 관리 조건 검토 수질 및 공정관리에 따른 운영 조건 ○ 냄새물질 제거 - 냄새물질 농도가 낮은 상태에서 실험하여 분별성이 떨어지나, 잔류오존제거가 냄새물질 제거효율에 미치는 영향은 없거나 극히 적은 것으로 판단됨. 약품주입률 (mgO3/L, ml/m3) 냄새물질(ng/L,) 2-MIB Geosmin O3 H2O2 Na2S2O3 착수 여과 오존 활성탄 정수 착수 여과 오존 활성탄 정수 - 냄새물질 제거를 위해서는 우선적으로 오존주입률을 상향 조정하여야 하며 AOP로 운영할 시에 부가적인 제거효율(10~20%) 향상을 기할 수 있음. ○ 소형생물(유충) 제어 - 2020 서울시 고도정수처리 운영매뉴얼에 의하면, 수서곤충 번식기에는 활성탄지에서 서식하지 못하도록 AOP를 중단하고 오존 1.0 mg/L 이상 투입을 권고함.(활성탄지 유입수 잔류오존 농도 상시 유지) - 논문 및 문헌자료에 의하면, 오존 CT값에 따른 깔다구 유충 불활성화가 보고됨 ？ 후오존 처리수에서 깔따구 불검출, 오존 CT값 20에서 50% 깔따구 유충사멸 (Olsen et al., The Origin and population dynamics of annually(Diptera: Chironomidae) colonising GAC adsorbers used in potable water treatment, Bulletin of Entomological Research, 99, pp643~651, 2009) ？ 깔따구 관리를 위해 활성탄 유입수 잔류오존농도 0.1 mg/L 유지 ？ 오존투입농도 1.0 mg/L, 25~30분으로 유충 100% 불활성화 (오사카 무라노정수장, 정수장 깔따구 관리, 2004년) ※ 출처 : 서울물연구원, 2020 서울시 고도정수처리 운영매뉴얼, 2020 - 활성탄지 성충유입 차단 하에서 오존접촉조내 유충 100% 사멸 조건을 도출하고 운영이 가능할 경우 잔류오존제거조 유출부에 티오황산나트륨을 투입하여 잔류오존을 제거함으로써 생물 활동기에도 활성탄지 작업환경 개선 및 시설부식 억제가 가능함 ○ 내부 공정관리 및 작업안전 관리 - 활성탄 공정의 운영관리 및 설비 유지관리를 위해 내부 출입 및 작업이 수시로 필요하나, 오존가스로 인한 보호구 착용, 작업복 및 피부에서의 오존냄새 지속 유지로 인한 작업 후 필히 샤워 필요 등 불편과 소요시간 증가 - 내부 오존가스 농도로 인해 수위계 등 계측·전기·제어 설비 고장 빈도가 점차 증가하여 출입 점검 횟수 또한 증가하고 있음. - ○ 병행추진 방안 (소독능 유지, 냄새물질 제거, 소형생물(유충)·제어, 활성탄 교체 등 작업 안전관리) - ※ ○ 양호, △ 미흡, × 불가 <> 티오황산나트륨(50%) 안정성 및 품질관리 ○ 잔류 티오황산나트륨에 의한 후공정에의 영향성 - 티오황산나트륨은 환원제로서 자체가 산화반응을 하지 않고 잔류할 경우 산화제인 염소와 산화환원반응에 의해 염소를 제거하므로 염소소모량에 영향을 미칠 수 있으나, - 후공정인 활성탄을 거칠 경우 과산화수소와 마찬가지로 후염소 주입률에 영향을 미치지 않음. ※ 티오황산나트륨 현장적용 실험기간 중 유의미한 후염소 주입률 변화 및 정수지 잔류염소 변화 없었음. <관련근거> ？ 잔류오존제거제 “티오황산나트륨” 현장 적용실험 결과 보고(정수과-6403, 2019.6.10.) ☞ 티오황산나트륨 0.56 mg/L 주입시 후염소 주입률 변동 미미함. ？ 권민환 외 6인, 과산화수소와 티오황산나트륨을 이용한 정수처리공정에서의 잔류오존 제거, 상하수도학회지 제29권 제4호, 2015 ☞ 티오황산나트륨 1.0 mg/L 지속 주입시 유출수에서 티오황산나트륨이 거의 측정되지 않음. ☞ 반응하지 않고 잔류한 티오황산나트륨(티오황산이온)은 활성탄 표면의 산화작용기 또는 용존산소 등에 의해 최종 산화물인 황산이온으로 생성되어 제거되는 것으로 판단. - 다만, 필요 이상으로 과량 지속 투입시에는 정수지 잔류염소를 모니터링하고 필요시 대응방안을 강구하여야 함. ○ 티오황산나트륨(50%) 품질관리 - 수처리제 성분 규격 기준에 적합할 것 항 목 기준 항 목 기준 성상 무색투명한 액체 납(Pb) 2.5 mg/kg 이하 확인시험 확인시험법상 적합 카드뮴(Cd) 0.05 mg/kg 이하 pH 6.5～8.5 크롬(Cr) 2.5 mg/kg 이하 티오황산나트륨 50±1 % 수은(Hg) 0.05 mg/kg 이하 황산나트륨 2.5 % 이하 셀레늄(Se) 1 mg/kg 이하 물불용물 0.15 % 이하 니켈(Ni) 2.5 mg/kg 이하 비소(As) 0.25 mg/kg 이하 안티몬(Sb) 1 mg/kg 이하 ※ 출처 : 수처리제의 기준과 규격 및 표시기준(환경부고시 제2017-190호,2017.10.23.) - 티오황산나트륨(50%)의 수처리제 규격(pH) 자체 실험 결과, 납품시료의 pH가 규격에는 부합하나 자체 제조시료와는 차이 발생. 구 분 기준 자체 제조시료 용매:증류수 용매:수돗물 시험항목 비중 - 1.29 1.29 pH 6.5~8.5 7.57 7.31 ※ 수급관리 시 납품업체가 소규모 업체이므로 품질관리 사항 사전 체크 필요. - 산화제와 달리 환원제로서 2년간 현장 보관 시에도 잔류오존 제거효과 우수 - 저장안정성 실험 결과 약품배관라인은 밀폐구조 및 보온시설이 필요하며, 저장탱크의 경우 실내 설치 필요 ？ 밀폐되지 않고 대기와 장기간 접촉시 약품내 수분이 증발되면서 벽체 접촉부에 고체분말 티오황산나트륨이 석출됨. <약품투입 분배조 내 티오황산나트륨 흰색분말 석출> ？ 저온 동결실험 결과 대기 접촉여부에 상관없이 영하 15℃에서 결빙이 발생하지 않았으나 영하 20℃에서는 결빙현상이 나타남 <저온 동결실험 결과> Ⅴ 티오황산나트륨 설비 도입 검토 국내 정수장 설비 도입 사례 ○ 티오황산나트륨 전용설비를 도입하여 운영 중인 정수장은 없음. ○ 에서 2019년 잔류오존제거용 과산화수소 설비를 대체하여 티오황산나트륨을 시범 사용 실적 있음. < 현장 방문 결과> ○ 일 시 : '22.3.24. 14:30 ~ 16:30 ○ 방문자 : 총 4명 ) ○ 면담자 : ○ 주요 확인내용 설비 도입 검토 결과 ○ 티오황산나트륨의 설비 도입 필요성 - 약품 특성상 수온 영향성이 없으며, 과산화수소와 달리 반응시간이 짧아 접촉시간이 짧은 우리 정수센터 실정에 적합함. - 현재 잔류오존제거용 과산화수소 설비는 용량이 부족하고 저수온시기에는 반응성이 저하되어 잔류오존제거 효과가 미흡함에 따라 충분한 접촉시간을 확보할 수 있는 AOP용 과산화수소를 사용하여 일정부분 잔류오존제거를 할 수는 있으나, 오존 소독능 저하 및 소형생물 제어 곤란으로 대체 방안이 필요함. - 소형생물 제어 관점에서는 상시 오존접촉조내 용존오존농도를 일정하게 유지(0.10 mg/L)하여야 하므로 중대재해 예방 관련 활성탄지내 순찰 및 작업 시 대기오존농도를 관리하기 위해서는 잔류오존 제거 효과가 우수한 티오황산나트륨으로 잔류오존을 제거하는 것이 가장 현실적인 방안임. ○ 약품량 및 약품비용 - 수온에 따라 잔류오존제거용 과산화수소 사용량이 다르므로 수온별 과산화수소와 티오황산나트륨의 사용량 실험하여야 하나, 현재 사용 중인 정량펌프의 용량이 적어 비교 실험에 한계가 있음. - 수온 7.0℃ 기준 실험결과, 용존오존농도 0.10 mg/L를 제거하기 위해서는 각각 과산화수소(34%)는 1.97 ppm, 티오황산나트륨(50%) 0.84 ppm이 필요 ☞ <약품비 비교> - 수온이 높을수록 과산화수소의 반응성이 향상되므로 티오황산나트륨의 상대적 경제적 비용이익은 크지 않을 것으로 판단됨. - 타 정수장 현장 실증연구에 따른 약품량 시뮬레이션 비교 결과에 의하면, 21만톤/일 기준 연간 과산화수소 적용 시 131백만원, 티오황산나트륨 87백만원으로 연간 44백만원의 약품비 절감 예상 (출처 : 박종일 외 5인, 2-MIB 처리 및 잔류오존 제거를 위한 G정수장 Peroxone (O3/H2O2-AOP)-Quenching 공정 최적화 연구, 대한환경공학회지 제41권 제12호, 2019) ○ 설비 용량 - 정량펌프 ？ 최대 투입가능량 기준일 경우 소량투입 시 제어 불량, 잔류 영향성 문제 및 과다 설계에 따른 비용 증가 우려 ？ 소형생물 대응 조건을 고려하고 잔류 영향성이 검증이 된 주입률을 통해 정량펌프의 적정 용량을 설계하는 것이 바람직함. ？ <정량펌프 필요용량 산정> 설계최대주입률`# `````````````=`실험`최대`티오황산나트륨`주입률` TIMES ` {시간최대유량} over {실험운영유량} ` TIMES 여유율(5%)``# `````````````=` {0.61} over {0.1305} ` TIMES ` {52,000} over {44,100} ` TIMES `1.05````=`5.79``ml/m ^{3}# # 설계용량```=`설계최대주입률` TIMES 시간최대유량# ``````````````````````````````````=`5.79``ml/m ^{3} DIVIDE 1,000``ml/l` TIMES 52,000``m ^{3} /h` DIVIDE 60```min/h# ``````````````````````````````````=`5.02``L/min - 가압(희석)수 펌프 ？ 티오황산나트륨은 반응이 매우 빠르고, 접촉시간이 짧은 조건의 경우 잔류하지 않도록 순간 급속혼화를 함으로써 접촉효율을 향상시키고 약품소모량을 줄일 수 있음. ？ 잔류오존제거제 “티오황산나트륨” 현장 적용실험 결과 보고(정수과-6403, 2019.6.10.)에 의하면 가압수 펌프 1대(30 L/min) 가동 시보다 2대 가동 시 약품주입률이 0.52ppm에서 0.19ppm으로 63% 급감효과가 있었음. - 저장탱크 용량 ？ ※ 과산화수소 저장탱크와는 별도로 분리하여 설치 필요(화학반응에 의한 폭발위험) <저장탱크 필요용량 산정> 시설 설치비용 산정 ○ <전용 투입시설 구성 및 분야별 산출금액> Ⅵ 결론 및 향후계획 결론 및 보고자 의견 ○ 저수온 시기 현장실험 결과, ○ - - - - ○ 향후 계획 ○ - - ○ 붙임 1. 참고문헌(논문) 2. 시설 설치비용 산출내역(별첨). 끝. 붙임 1. 참고문헌(논문) ○ 권민환 외 6인, 과산화수소와 티오황산나트륨을 이용한 정수처리공정에서의 잔류오존 제거, 상하수도학회지 제29권 제4호, 2015 - 과산화수소는 접촉시간이 증가함에 따라 지속적으로 완만히 감소하고 티오황산나트륨은 반응속도가 매우 빠르고 이후 안정적으로 일정 유지됨. - 완전제거를 위한 티오황산나트륨/오존 mole비 : (이론) 0.26, (실제) 0.30 - 과산화수소는 온도 및 pH가 높을수록 오존분해속도가 큼 - 티오황산나트륨은 온도와 pH의 영향을 거의 받지 않음. ○ 박종일 외 5인, 2-MIB 처리 및 잔류오존 제거를 위한 G정수장 Peroxone (O3/H2O2-AOP)-Quenching 공정 최적화 연구, 대한환경공학회지 제41권 제12호, 2019) - Quenching용 약품 성능 비교 결과, Quenching속도가 빠르고, 수온에 영향을 받지 않으므로 연중 대부분의 기간에는 주입률을 낮게 운영할 수 있을 것으로 예상 - 시뮬레이션 결과, 연간 약품비는 티오황산나트륨 적용 시 87백만원, 과산화수소 적용 시 연간 131백만원으로 산정 <시뮬레이션 운영 조건> ※ 기간 : 2018. 10. ～ 2019. 09. <과산화수소와 티오황산나트륨 주입률 시뮬레이션 결과> <과산화수소와 티오황산나트륨 약품비용 시뮬레이션 결과>

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