본 발명에서 제공하는 상수원수의 수질변화에 따른 부식성 수질조절을 위한 자동부식제어공정은 1, 2단계로서 구분된다.
제 1단계는 응집공정 전단계에서 pH와 칼슘경도, 알칼리도를 조절에 의해 제어하고, 2단계는 최종정수지에서 pH와 알칼리도 조절에 의한 제어가 이루어진다.
Lime(Ca(OH)2)과 CO2(탄산가스)를 이용하여 수중 칼슘경도를 조절함과 동시에 응집효율을 증가시키기 위해 수중 pH, 알칼리도를 최적범위로 조절하고 있다.
즉, pH, 알카리도, 칼슘경도 조절을 위해 주입약품을 계산에 의해 정량적으로 주입하기 위한 자동부식제어공정을 제공한다.
응집효율은 수중의 pH와 알칼리도에 영향을 많이 받는데, 응집반응에 pH와 알칼리도의 소모가 많이 발생하여 pH가 적정범위가 아니고, 알카리도가 낮으면 응집 및 침전효율이 낮아지게 되며 응집제 소모량 또한 증가된다.
응집제 소모량이 증가되면 수중에 SO4 2-양이 증가하여 부식성을 더 가중시키게 된다. 소석회와 탄산가스 등과 같은 약품주입을 통하여 pH와 알칼리도를 조절하는 것은 응집효율을 증가시키면서 응집제 주입량을 약품주입을 통하여 저감하게 되고 관내부 부식을 저감 할 수 있다.
우리나라의 계절별 원수변화가 표 1과 같이 매우 크기 때문에 유입 원수의 성상에 따라 pH, 알칼리도, 칼슘경도 같은 부식에 영향을 미치는 수질인자의 조절이 매우 중요하다고 할 수 있다.
도 2는 초기 pH를 조절하여 응집실험을 한 결과이다. 먼저 Ca(OH)2와 탄산가스를 주입하여 pH를 7.0~9.0 범위로 조절하였고, 응집제(PSO-M) 주입농도에 따른 탁도변화를 살펴보았다. 응집제 30~60mg/L 사용범위에서 초기 pH를 8.48로 조절한 수질이 가장 낮은 탁도를 나타냈다.
CO2를 응집공정 이전에 사용하는 것은 용해성을 증가시키기 위해서이다.
Ca(OH)2만 사용하여 수중의 칼슘과 알칼리도를 증가시킬 경우, 약품 특성상 용해도가 매우 낮아 수중에 첨가시 심한 탁도를 유발하고, 또한 주입농도에 비해 용해효율이 낮고 슬러지가 다량 발생하는 문제점을 가지고 있다.
본 발명에서는 응집제의 산(酸)작용과 함께 Ca(OH)2의 용해를 증가시키기 위해 응집공정 이전에 CO2를 함께 주입함으로써 이 문제점을 해결하였다.
도 3은 본 발명의 자동부식제어공정의 1단계를 보인 플로우챠트이다.
〔1〕여기서 pH1. Temp1, Alk1, Ca1는 유입되는 원수의 pH와 온도(℃), 알카리도(mg/L as CaCO3), 칼슘경도(mg/L as CaCO3)를 나타낸 것이며, Q1은 유입원수의 유량을 나타낸 것이다.
모니터링 계측기에서 유입 pH, 온도, 알칼리도, 칼슘경도를 측정한다.
전기한 표 1에 나타낸 바와 같이 원수의 계절적 변화가 크다.
〔2〕그리고 DECa1, DEpH1, DEAlk1, DECt1, Ct1은 목표 칼슘경도(mg/L as CaCO3), pH, 알카리도(mg/L as CaCO3), 총탄산계농도를 각각 나타낸 것이며, Lime CONC는 소석회농도, Factor는 보정계수, PV=nRT는 기체방정식을 나타낸 것이다.
DECal : 목표 칼슘경도, 65mg CaCO3/L
DEpHl : 목표 pH를 8.5(설정값은 변경 할 수 있다.)
1) 계절에 따른 원수의 칼슘농도 변화가 크다.
2) 원수의 칼슘농도가 목표농도에 미치지 못하면 그 차이만큼 약품이 주입되며, 목표농도 초과시에는 약품이 주입되지 않는다.
3) 목표 칼슘농도는 원하는 농도로 조절될 수 있다.(단, 농도범위는 40~70 mg CaCO3/L 적당)
4) 목표 pH도 원하는 값으로 조절이 가능하며, 이 값은 원수의 특성에 따른 응집의 최적조건 및 응집제 농도에 따라 조절된다.(단, 값의 범위는 8.0~8.5가 적당하다.)
〔3〕DEAlkl = (Alkl - Cal) + DECal : 목표 알칼리도
(IF Cal < 65, DEAlk1 = "positive value"
IF Cal ≥ 65, DEAlk1 = "zero or negative value"
1) 약품 주입량은 pH와 알칼리도 값에 의해 계산된다.
2) 목표 알칼리도 값을 위식과 같이 유동적으로 조절되도록 하였다. 이는 계산되어 주입되는 약품(Ca(OH)2)이 설정된 목표 칼슘농도를 초과하지 않는 범위내에서 알칼리도를 상승시킨다.
다시 말해 알칼리도 상승을 위해 Ca(OH)2를 사용하는데 목표 알칼리도 값을 고정시킨다면 수중의 칼슘농도가 과다하게 증가될 수 있기 때문이다.
〔4〕Lime Dosage = DEAlk1 - Alk1 : Lime 주입농도 결정
(Lime CONC.. Q1에 의해 주입유량 결정)
: 위 3항에서 계산된 목표 알칼리도 값과 유입수의 알칼리도 차이에 의해 Lime의 주입농도가 결정된다.
〔5〕Factor = DECal / Cal' : 초기설정값 1.0, 반자동 보정
(Cal' = 응집이후 칼슘농도)
: 응집공정 이후에 칼슘농도를 측정하여 이론값과 실제 측정값의 차이를 보정한다. 자동 및 반자동이 가능하다.
〔6〕Lime CONC. = 10 : Lime 용액 농도(%)
: 약품의 농도조절이 가능하다. 단, Lime의 용해성을 고려하여 15% 이내가 적당하다.
Lime(소석회)을 주입하기 위해 pump 가동(ON) 또는 Lime(소석회) 주입중지를pump 중지(OFF)로 하여 조절한다.
〔7〕탄산가스 주입량 계산
[Ct(Total Carbonate Carbon)] = 〔H2CO3*〕+〔HCO3-〕〔CO3 2-〕
DECt1 : DEpH1, DEAlk1 이용
Ct1 : pH1, Alk1 이용
여기서
⇒PV = nRT, Templ, Q1에 의해 주입유량 결정
: 목표 Ct 값과 유입수의 Ct 값의 차이를 통해 CO2가스 주입농도가 결정되며, 이는 이상기체 방정식과 수온, 유량에 의해 주입량이 계산된다.
〔8〕Factor = DEpH1 / pH1' : 초기설정값 1.0, 반자동 보정
(pH1' = 응집이전 pH = 약품주입이후 pH)
: 약품주입 이후 pH 값을 측정하여 이론값과 실제 측정값의 차이를 보정한다. 자동 및 반자동이 가능하다.
〔9〕PV = nRT
1) 기체 방정식에 의해 단위 환산을 하여 온도과 압력에 따라 기체 volume을 계산한다.
2) 탄산가스 주입을 위해 탄산가스 주입장치의 regulator를 ON 또는 OFF하여 조절한다.
〔10〕Monitoring Turbidity of Sedimentation
1) 응집이전 pH 조절에 따른 침전조의 탁도 관찰(수질 안정성 및 약품 최적 주입 판단)
2) 응집효율을 고려하여 약품주입량이 산정되었기 때문에 약품조절의 정확 성을 침전조의 탁도를 관찰함으로서 판단된다.
그리고 도 4는 본 발명의 자동부식제어공정의 2단계를 보인 플로우챠트이다.
〔1〕여기서 pH2, Temp2, Alk2는 BAC 처리수의 pH와 온도(℃), 알카리도(mg/L as CaCO3)를 나타낸 것이며, Q2는 BAC 처리수의 유량을 나타낸 것이다.
같은 기간동안의 BAC 처리수의 수질변화는 표 2에 나타내었다. 이는 반자동으로 부식공정을 적용한 이후 결과로 약품주입을 하였음에도 응집공정 이후 pH와 알칼리도는 많은 감소가 있었으며, 약품(소석회) 주입으로 인한 칼슘경도는 응집조에서 증가한 후, BAC까지 일정하게 유지되어 2단계에서는 칼슘경도를 조절 할 필요없이 pH와 알칼리도만 조절하게 된다.
BAC 처리수의 수질변화(02~03년)
구분 |
12월~7월 중순 |
pH(ave) |
5.80~7.79(6.85) |
Temp.(ave)℃ |
2.10~24.2(12.0) |
Alk.(ave) mg CaCO3/L |
14.3~61.0(38.4) |
Ca2+(ave) mg CaCO3/L |
32.8~90.9(61.7) |
〔2〕DEAlk2 : 목표 알칼리도, 65 mg CaCO3/L
DEpH2 : 목표 pH, 8.2
1) 2단계에서는 목표 알칼리도 값을 고정되도록 하였으며, pH와 알칼리도 상승을 목적으로 하고 있다. 사용되는 약품이 소다회(Na2CO3)이므로 칼슘성분을 포함하고 있지 않기 때문에 약품사용으로 인한 칼슘농도의 증가는 없다.
2) 목표 알칼리도는 원하는 값으로 조절될 수 있다. (단, 농도범위는 40~60 mg CaCO3/L 적당)
3) 목표 pH도 원하는 값으로 조절이 가능하다. (단, CCPP 형성 원리에 따라 값의 범위는 7.8~8.3 적당)
〔3〕SodaAsh Dosage = DEAlk2 - Alk2 : SodaAsh 주입농도 결정
(SodaAsh CONC.. Q2에 의해 주입유량 결정
NaOH(가성소다) 및 Ca(OH)2(소석회) 사용 가능
1) 목표 알칼리도 값과 BAC 처리수의 알칼리도 차이에 의해 소다회 주입농도가 결정된다.
2) 사용되는 약품은 소다회는 물론 Lime 및 가성소다(NaOH) 또한 가능하다. 단, Lime 사용시에는 칼슘농도가 증가되므로 1단계에서 목표 칼슘농도를 적절하게 조절하는 것이 요구되며, 가성소다 사용은 비용면에서 경제성이 떨어지므로 신중히 고려할 필요가 있다.
〔4〕Factor = DEAlk2 / Alk3 : Alk3 측정치로서 자동보정
: 약품주입 이후 알칼리도를 측정하여 이론값과 실제 측정값의 차이를 보정한다. 자동 및 반자동이 가능하다.
〔5〕SodaAsh CONC. = 5.0 : SodaAsh 용액 농도(%)
: 약품의 농도조절이 가능하다. 단, 소다회 및 가성소다는 용해성이 좋기 때문에 문제가 없지만, 2단계에서 Lime 사용시에는 처리수에 탁도유발 되는 것을 고려하여 1% 미만의 농도로 조절하는 것이 적당하다.
〔6〕CO2Dosage = DECt2 - Ct2 : CO2주입농도 결정
[Ct(Total Carbonate Carbon)] = 〔H2CO3〕 +〔HCO3 -〕〔CO3 2-〕
DECt2 : DEpH2, DEAlk2 이용
Ct2 : pH2, Alk2 이용
여기서
⇒PV = nRT, Temp2, Q2에 의해 주입유량 결정
: 목표 Ct 값과 유입수의 Ct 값의 차이를 통해 CO2가스 주입농도가 결정되며, 이는 이상기체 방정식과 수온, 유량에 의해 주입량이 계산된다.
〔7〕Factor = DEpH2 / pH3 : pH3 측정치로서 자동보정
: 약품주입 이후 pH 값을 측정하여 이론값과 실제 측정값의 차이를 보정한다. 자동 및 반자동이 가능하다.
〔8〕PV = nRT
: 이상기체 방정식에 의해 단위 환산을 하여, 온도와 압력에 따라 탄산가스의 용량을 계산, 탄산가스 주입을 위해 탄산가스 주입장치의 regulator를 ON 또는OFF하여 조절한다.
〔9〕Monitoring pH3, Temp3, Alk3, Ca3
1) pH, 알칼리도, 칼슘경도 조절에 따른 최종정수의 수질을 측정하여 CCPP 부식지수 값을 계산한다. (부식자동제어 전 단계에서 설정된 값들은 CCPP 지수가 ‘+’값으로 유지되도록 조절되었다.)
2) pH3 및 Alk3 - Factor 보정에 이용
자동부식제어 단계별 약품주입량을 Excel program을 이용하여 계산하였고, 도 5에 예로서 나타내었다.
다음은 이미 표 1과 2에 나타낸 원수 및 BAC 처리수 수질 data를 근거로 자동부식제어 단계별 약품주입량을 계산하였다.(도 6,7, 표 3)
또한 1단계에서 목표 pH를 8.5로 고정하고 목표 칼슘경도를 60mg/L와 65mg/L로 하였을 경우 소석회 및 CO2주입량을 살펴 본 것과, 2단계 조절에서는 목표 pH를 8.2로 설정하고 목표 알칼리도를 60mg/L와 65mg/L로 설정한 경우 Na2CO3와 CO2주입 농도를 나타낸 것으로 목표 설정값의 변화에 따라 약품량이 조절됨을 알 수 있다.