1.서 론

최근 기후변화로 인한 물 부족현상이 심각해지고 있으며, 이와 동시에 산업화와 인구증가로 인한 물 수 요의 증가가 진행되고 있다. 또한 국민 생활수준의 향 상과 경제적인 풍요에 따라 사용하는 물에 대한 기대 는 양적인 문제를 떠나 질적인 향상을 요구하고 있는 것이 현실이다. 따라서 이러한 수량 및 수질의 문제를 해결하기 위한 물 수요관리와 기존 수자원의 활용 최 적화 및 대체수자원 개발의 노력이 필요한 실정이다 (Marlow et al, 2013). 특히 최근에는 기존의 중앙집중 식 상하수도 기술의 한계를 극복하기 위한 분산형 수 처리 기술이 새로운 대안으로 주목받고 있다 (Battilani et al, 2010; Chung et al, 2008).

기존 분산형 수처리 기술은 건물이나 소규모 단지 를 대상으로 적용되고 있으며 (Peter-Varbanets, 2009), 중수나 빗물 등을 이용하여 화장실 세정용수나 잡용 수를 공급하고 있다 (Helmreich and Horn, 2009; Li et al, 2009). 이러한 분산형 수처리 기술은 물 부족의 문 제를 일정부분 해결할 수 있을 것으로 기대되고 있다 (Li et al, 2010; Assayed et al, 2013) 그러나 중수이용 과 빗물이용을 확대하기 위해서는 처리수 수질과 수 원의 안정성 등의 문제를 해결할 필요가 있다. 또한 현재까지는 중수와 빗물 등은 각각 이용되는 경우가 대부분이며 (Hocaoglu et al, 2013; Luo et al, 2014; Peter-Varbanets, 2012), 이를 조합하여 이용하는 경우 는 많지 않은 편이다. 다양한 수원을 이용하기 위해서 는 각각의 특성에 적합한 수처리 조합공정을 구성하 고 최적화하는 연구가 선행되어야 하지만 아직까지 이에 대한 연구는 활발하게 진행되지 않았다 (Santasmasas et al, 2013; Silva Vieira et al, 2013).

따라서 본 연구에서는 분산형 수처리 시스템에서 다중수원을 효율적으로 이용하기 위한 기술에 대하여 연구하였다. 수원의 구성과 특성에 맞는 최적의 수처 리 조합 공정을 구성하기 위하여 실험실 규모의 장치 를 제작하여 다양한 조건에서 실험을 수행하였으며, 최종 처리수의 수질특성과 조합공정의 처리특성을 분 석하였다. 또한 이러한 연구결과를 바탕으로 최적의 수처리 조합공정을 선정하기 위한 방법론을 제시하였 으며, 다중수원의 구성과 처리목표에 따른 공정조합 선택방법에 대하여 고찰하였다.

2.실험 재료 및 방법

2.1.원수의 특성

본 연구에서 사용한 다중수원의 경우, 빗물, 지하수, 하천수, 하수 2차 처리수로 사용하였으며, 각각 수원 은 건물 옥상, 지하수 펌프장, H 수중 보, G 환경사업 소에서 취수 하였다. 원수 별 수질은 Table 1과 같다.

2.2.공정조합

본 연구에서 선택한 공정은 ① 1차 처리: 모래여과 /MF 여과, ② 2차 처리: 활성탄여과/NF 여과, ③ 3차 처리: 염소/UV 소독을 각각 선택하여 적용하였다. 1차 처리에서는 탁도 유발 및 부유물질 제거를 주목적으 로 하였고, 2차 처리에서는 중금속, 유기물 제거를, 3 차 처리에서는 소독을 통한 병원성미생물 및 바이러 스 제거를 위함이다. 이 때 공정은, 단일공정 및 실험 실규모로 진행하였다. 공정모식도는 Fig. 1과 같다.

Table 2는 본 논문에서 실험적으로 검토한 공정조 합을 나타내고 있다.

1차 처리에 사용된 모래의 경우, 국산((주)남양정수 엔지니어링)에서 제조된 급속여과용 여재를 사용 하 였으며, MF membrane의 경우, 상용화된 PVDF 재질의 hollow fiber membrane (pore size 0.1 um)을 사용하였다. 2차 처리에 사용된 활성탄의 경우, 8X30 활성탄을 사 용 하였으며, NF membrane의 경우, NE2540-90을 사용 하였다. 3차 처리의 경우, 염소소독은 NaOCl(10-15%, Aldrich, U.S.A.)을 사용하였으며, UV장치의 경우, 국산 ((주)그린피아)에서 제조된 Low-pressure-UV(16W)장치 를 사용하였다.

각각 단위공정에서의 운전조건은 다음과 같다. 1차처 리 모래급속여과의 경우, 단일 모래, 자갈층으로 구성하 였으며, 약 2L/min 으로 여과하였다. MF Membrane의 경우, 침지식 모듈을 이용한 정유량방식 30 L/m2-h으로 운전하였다. 2차처리 활성탄필터의 경우, 입상활성탄을 사용하였으며, 응집시간 1시간 후, 약 0.3 L/min 으로 여과하였다. NF Membrane의 경우, Dead-end 방식 (6bar)을 이용하여 40 L/m2-h으로 운전하였다. 3차 처 리 염소소독은 NaOCl(10-15%) 5ppm 주입하여 소독하 였다. UV 소독의 경우, LPUV (Low pressure-UV, 16W) 를 이용하여 20초 간 소독하였다. 각 단위공정의 사양 과 운전조건은 [Table 3]에 정리되어 있다.

2.3.분석방법

분석항목은 대한민국 중수도 수질기준(중수도의 용 도별 수질기준(제8조제2항 관련)) 중 Total Coliform Group, Total Bacteria, pH, COD, Turbidity을 바탕으로 선 정하였으며, 단위공정 별로 처리능력을 비교하기 위해, 추가적으로 TOC, UVA-254, Conductivity을 측정하였다. 분석조건은 수질공정시험법과 AWWA의 Standard Method(Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 21th Edition)을 기준으로 결정하였다.

3.결과 및 고찰

3.1.유입수 종류별 수처리 조합공정의 처리효율 비교

각 유입수에 대하여 수처리 조합공정을 적용하였을 때 최종 처리수의 수질특성을 조사하였으며, 그 결과 를 각각 Table 4, Table 5, Table 6, Table 7에 나타내었 다. Table 4는 유입수로 빗물을 사용하였을 때의 결과 를 정리한 것이다. 빗물은 비교적 이온 농도가 낮아서 TDS와 전기 전도도가 낮았으며, 그 외 유기물 농도와 이온농도도 낮은 편이었다. 수처리 공정을 적용한 결과 를 살펴보면 이온 제거가 가능한 SN과 MN을 제외하고 나머지 공정에서는 TDS와 전기 전도도 값은 처리 후에 도 변화가 거의 없었으며, 입자 농도는 모래여과 처리 를 제외하면 모두 처리수에서 낮은 값을 보였다.

한편, TOC는 활성탄 처리가 포함된 공정(SG와 MG)이 NF 처리가 포함된 공정 (SN과 MN)보다 다소 낮은 값을 나타내어, 본 실험조건에서는 활성탄의 유 기물 제거효율이 NF보다 높은 것으로 평가되었다. 또 한, UV254의 경우에도 TOC와 유사한 결과가 나타났 다. 그리고 UV254는 모래여과만을 적용한 경우(SD)에 는 크게 제거되지 않았으나 MF만을 적용한 경우(MF) 에서는 약 45%가 제거된 결과를 보였는데, 이는 UV254에 해당하는 물질 중 콜로이드성 입자가 모래 여과에서는 잘 제거되지 않았으나 MF에서는 잘 제거 되었으므로 나타난 결과로 해석되었다. Fig. 2는 Table 4의 결과를 바탕으로 수질인자별 제거율을 계산하여 나타낸 결과이다. 전체적으로 SG와 MG가 가장 높은 제거율을 보이고 있는 것을 알 수 있다.

Table 5는 유입수로 지하수를 사용한 경우의 결과 를 정리한 것이다. 사용한 지하수는 건물 내에 위치하 는 지하수 펌프장에서 취수한 것으로서 일반적인 지 하수와 도로면 등에서 유출된 빗물이 혼합된 것으로 볼 수 있다. 따라서 전반적으로 본 지하수는 빗물보다 높은 이온농도와 유기물 농도 및 입자농도를 보이는 것으로 나타났다. 실험결과 SD에서는 전체적으로 처 리율이 가장 낮았으며, MF는 높은 입자성 물질의 제 거율을 보였으며, SG와 MG는 비교적 높은 유기물 제 거율을, SN과 MN은 유기물 제거와 함께 이온물질 제 거율을 약간 보이는 것으로 나타났다. 이때, 제거율이 낮은 것이 확인되는데, 이는 원수로 쓰이는 지하수의 수질을 검토해보면, 유기물 및 TOC 농도가 다른 원수 에 비해 많이 낮는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 NF 공정이 적용되는 SN, MN 공정에서 많은 제거율이 나 오지 않게 되었다. 하지만 최종결과를 검토한 결과, 이번 결과는 각 단위공정의 특징을 볼 때 예상한 결 과와 일치하는 것이다. 한편, [Fig. 3]는 [Table 5]의 결 과를 바탕으로 수질인자별 제거율을 계산하여 나타낸 결과이다.

하천수와 하수처리장에서 2차 처리된 방류수를 유 입수로 하여 처리한 후 수질을 분석하여 비교한 결과 를 각각 Table 6과 Table 7에 나타내었다. 각 수질인자 별 처리특성은 전반적인 경향은 앞서 경우와 유사한 것으로 나타났다. 또한, 하천수는 비교적 높은 입자성 물질의 농도 (4 mg/L)을 보였으며, 하수처리수는 비교 적 높은 유기물 농도 (4400 μg/L)을 보였으므로, 하천 수의 처리에서는 MF 등의 분리막을 사용하는 것이 최종처리수 수질 측면에서 유리하였고, 하수처리수의 재이용에서는 활성탄 처리가 포함된 공정이 다소 유 리한 것으로 평가되었다. 각 수질인자별 처리효율은 Fig. 4와 Fig. 5에 정리되어 있다. 제거율 측면을 볼 때 하천수 처리에는 SN 공정이 다소 높은 값을 보이고, 하수처리수의 재이용에는 SG와 MG 공정이 다소 높 은 값을 보이는 것으로 나타났다.

3.2.염소소독과 UV 후처리의 영향

후처리 공정의 영향을 살펴보기 위하여 모래여과와 활성탄 처리를 한 경우(MG)에 대하여 염소소독과 UV 처리를 실시하였다. 빗물의 경우 총 대장균군이 57/mL, 총 세균이 193/mL로 분석되었으며, 지하수의 경우 총 대장균군은 불검출, 총 세균은 18/mL로 분석되었다. 한편 한강수의 경우 총 세균이 3500/mL이었고 하수처 리수의 경우 불검출로 나타났다. 처리결과 염소소독 및 UV 처리에서 모든 경우 총 대장균군과 총 세균이 불검출로 나타났다.

후처리 공정은 소독의 목적으로 적용되지만 처리수 의 유기물에 영향을 줄 수 있다. 따라서 염소소독과 UV 처리가 유기물 농도에 미치는 영향을 조사 분석 한 후 [Fig. 6]에 나타내었다. 염소소독의 경우 UV 처 리에 비하여 최종처리수의 TOC와 UV254가 높은 값 을 보였는데, 이 현상은 염소소독 과정에서 유기물이 일부 부분적으로 산화됨에 따라 처리수 내의 유기물 농도를 증가시키는 결과를 보인 것으로 해석되었다.

반면 UV는 추가적인 산화효과가 낮으므로, 유기물 농 도의 증가는 미미한 것으로 나타났다. 따라서 소독제 의 잔류성이 반드시 필요한 경우가 아니라면 UV를 적용하는 것이 염소소독을 적용하는 것 보다 처리수 수질 측면에서 유리한 것으로 볼 수 있다.

3.3.수질비율에 의한 수처리 조합공정의 선정

한 가지 종류의 수원을 사용하는 수처리 공정의 경 우 최적 공정을 선택하는 것에 대해서는 많은 연구가 진행된 바 있다. 그러나 본 연구와 같이 다중수원을 적용하는 경우 공정의 선택을 위한 방법론은 아직까 지 많은 연구가 진행되지 못하였다. 또한 처리수를 다 양한 용도로 사용하는 경우에는 용도별로 최적의 공 정이 달라질 수 있는데 이에 대한 평가방법에 대해서 도 체계적인 방법이 도출되어 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 이러한 최적 공정 선택의 한 가지 기준으 로서 최종처리수의 수질과 처리목표와의 비율을 이용 하는 방법을 적용하였다. 이 방법은 다양한 수원의 물 을 혼합하여 유입수로 사용하고, 이를 처리하여 여러 가지 목적으로 적용하는 경우에 적용할 수 있는 방법 으로, 여러 시나리오에 대하여 수질기준을 맞출 수 있 는 공정을 선별해낼 수 있다. 이를 위하여 다중수원의 물을 처리하였을 때의 최종수질은 개별 수원의 물을 처리한 경우의 최종수질의 선형적인 합과 같다는 가정 을 적용하였다. 즉, 다음과 같은 관계식을 적용하였다.

여기서 cfinal,i은 i 성분에 대한 최종처리수의 수질 이며, cfinal,i,j는 j라는 수원에 대하여 수처리 조합공 정이 적용되었을 때 i 성분에 대한 최종처리수의 수질 이다. 또한 qj는 전체 유입수 j라는 수원의 물이 차지 하는 비율이다. 본 관계식은 근사식이며, 수처리 공정 의 특징에 따라 맞지 않는 경우가 발생할 수 있다. 그 러나 수처리 공정 의사결정의 기준으로서는 적용이 가능할 것으로 판단되어 본 연구에서는 이 방법을 적 용하였다.

Fig. 6은 이러한 방법을 적용하여 여러 가지 수처리 조합공정을 비교한 결과를 나타낸 것이다. 여기서는 빗물과 지하수, 하천수와 하수처리수가 각각 1:1:1:1로 혼합된 경우에 대하여 식 (1)로 최종처리수의 수질을 계산한 값을 나타낸 것이다. 그래프의 Y축은 최종처 리수의 수질과 목표수질의 비율이다. Fig. 6(a)는 1번 째 목표수질로서 TDS < 300 mgL; conductivity < 250 μS/cm; UV254 < 0.2; TOC < 2000 μg/cm; SS < 5 mg/L 을 적용한 결과이며, Fig. 6(b)는 2번째 목표수질로서 target water quality: TDS < 1,000 mgL; conductivity < 800 μS/cm; UV254 < 0.05; TOC < 1000 μg/cm; SS < 1 mg/L을 적용한 결과이다. 이 때, 목표수질을 선정한 이유는 AWWA의 Standart Method(AWWA, Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 21th Edition) 및 대한민국 중수도수질기준(중수도의 용도별 수질기준(제8조제2항 관련))을 목표로 선정한 결과이다. 위 2개의 도표 중, 전자는 처리수가 비교적 낮은 이온농도를 요구하는 경우이며, 후자는 낮은 유 기물 농도와 입자농도를 요구하는 경우를 가정하였 다. 동일한 다중수원을 동일한 수처리 조합공정으로 처리하는 경우에도 최종목표수질이 달라짐에 따라서 선택할 수 있는 공정이 달라지는 것을 알 수 있다. 즉, Fig. 6(a)의 경우에는 TDS와 전기전도도가 목표수질을 초과함에 따라 무처리 (None)나 모래여과, MF 단독처 리 등이 적용될 수 없는 것을 알 수 있으며, [Fig. 6(b)] 의 경우에는 유기물과 SS에 의하여 처리공정이 결정 되는 것을 알 수 있다.

Fig. 7은 다른 조합의 다중수원에 대하여 같은 목 표수질이 적용되었을 때의 결과를 나타내고 있다. 여 기서는 빗물과 지하수, 하천수와 하수처리수가 각각 4:3:2:1로 혼합된 경우에 대하여 최종처리수의 수질을 계산한 후 최종처리수의 수질과 목표수질의 비율을 계산하였다. 최종목표수질은 Fig. 6a와 같이 TDS < 300 mgL; conductivity < 250 μS/cm; UV254 < 0.2; TOC < 2000 μg/cm; SS < 5 mg/L 가 적용되었다. 두 그래프를 비교하여 보면 다중수원의 구성에 따라서도 수처리 조합공정의 선택기준이 달라질 수 있다는 것 을 볼 수 있다. 따라서 본 연구에서 제안된 방법을 적 용하면 다중수원과 다양한 목표수질에 대한 수처리 공정선택이 가능할 것으로 보인다.

4.결 론

본 논문에서는 빗물, 지하수, 하천수, 하수 재이용 수 등의 다중수원 연속활용을 위한 수처리 조합 시스 템의 의사결정 방법에 대하여 연구하였으며, 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.