KR20030068056A

KR20030068056A - 상수도 관로의 부식저감을 위한 정수처리공정에서의수질제어방법

Info

Publication number: KR20030068056A
Application number: KR1020030019848A
Authority: KR
Inventors: 김동윤; 홍순헌; 이지형; 이재인
Original assignee: 주식회사 삼영건설기술공사
Priority date: 2003-03-29
Filing date: 2003-03-29
Publication date: 2003-08-19

Abstract

본 발명은 상수도관의 부식을 억제하기 위하여 각 가정에 수돗물을 공급하는 정수장내의 정수처리 과정에서 탄산가스(CO₂)와 소석회[Ca(OH)₂], 생석회(CaO), 소다회(Na₂CO₃), 가성소다(NaOH) 등과 같은 약품을 적량 투입하여 포화용해도 이상의 석회석(CaCO₃)을 생성시킨다.

이렇게 조절된 정수가 관망으로 유입 될 시 포화도 이상으로 생성된 부분의 석회석(CaCO₃)이 상수도관 내벽으로 침전되어 관 내벽에서 얇은 피막으로 코팅된다.

이 피막이 관 벽과 물의 접촉을 차단시켜 금속성 상수도 관 내부의 부식을 억제하게 된다. 이렇게 포화 용해도 이상으로 과포화된 석회석은 포화 용해도가 형성되어 질 때까지 관 내부벽에 과잉의 석회석이 침전되어 막이 형성되어 지는데 이런 석회석의 침전능을 이용한 부식 방지법을 CCPP(Calcium Carbonate Precipitation Potential)법이라고 할 수 있다.

원수의 Ca ion 농도가 낮을 시에는 소석회나 혹은 생석회를 투입하여 Ca ion 농도를 필요한 수준까지 올리고, 필요한 양의 알칼리도와 pH를 탄산가스와 소다회 등의 약품을 투입하여 CCPP가 적당하게 생성 되도록 조절한다.

반대로 원수의 Ca ion 농도가 높을 경우에는 소석회와 생석회를 투입하지 않고 탄산가스, 소다회, 가성소다만으로 적당량의 CCPP가 생성되도록 조절한다.

따라서 본 발명에서 CCPP를 0이상으로 조절하여 상수도 관망의 내부 벽에 석회석으로 피막을 입혀 상수도관의 부식을 억제토록 한 수질제어방법을 제공코자 한 것이다.

즉 본 발명은 상수원수가 유입되어 정수처리되는 공정에서 전염소, 전오존접촉을 거친 물에 탄산가스와 소석회를 연차적으로 주입하여 pH, 알카리도, Ca ion 농도 등을 목표수질로 1차 조절하고 응집, 침전, 모래여과 후 오존, 활성탄 처리 후 염소처리 후 마지막 공정단계인 정수지에서 목표 CCPP 농도가 부족되었을 시에는 Ca ion 농도, 알칼리도, pH 등을 최종적으로 다시 상기 약품들로서 적정농도의 CCPP가 되도록 조절한다. 그러나 마지막 공정인 정수지에서는 일반적으로 pH만이 조절된다.

이와 같은 본 발명은 정수처리 앞 공정에서 기존 정수처리설비에 있는 소석회 설비를 활용하고 탄산가스를 추가 주입하여 수질을 조절함으로 응집처리 이후의 정수처리공정에 pH, Ca ion 농도, 알칼리도, 탁도 등의 수질에 안전성을 기할 수 있는 점과 기 설비되어있는 소석회 설비를 활용함으로 추가설비를 요하지 않는 장점이 있으며, 장래에 대형 정수장에 있는 활성탄 재생설비로부터 발생하는 탄산가스를 재활용하여 수질을 제어할 수 있고, 수질측정이나 모니터링을 행하여 수질조절작업의 자동화 구축이 가능한 등 다수의 이점을 제공하는 것이다.

Description

상수도 관로의 부식저감을 위한 정수처리공정에서의 수질제어방법{Water controlling system of th clean water treating progress for reducing waterwarks pipe path}

본 발명은 상수도 관로의 부식저감을 위한 정수처리공정에서의 수질제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 상수도관의 부식을 억제하기 위하여 각 가정에 수돗물을 공급하는 정수장 내의 정수처리 과정에 탄산가스(CO₂)와 소석회[Ca(OH)₂], 생석회(CaO), 소다회(Na₂CO₃), 가성소다(NaOH) 등과 같은 약품을 적량 투입하여 상수도관내에 얇은 석회석(CaCO₃)과 같은 무기물들의 피막을 코팅시켜 금속성 상수도관의 부식을 억제토록 한 수질제어방법을 제공코자 한 것이다.

정수장에서 각 가정으로 수돗물을 공급하는 상수도관은 주철관, 강관 같은 금속관으로 이루어져 있어, 장기간 사용 시에는 부식이 발생되어 관 자체가 파손되기도 하고 부식생성물에 의해 수질이 악화되어 수돗물의 보건안전에 위협적이기도 하다.

이러한 상수도관의 장기 사용 시 발생하는 부식을 억제하기 위한 기술은 다수 알려진 바 있으나, 기존에 알려져 있는 기술은 정수공정의 후단, 즉 상수관 입구에서 소석회와 탄산가스, 가성소다 등과 같은 약품 주입으로 수질을 조절하여 부식을 방지코자 한 것인데, 원료 약품 등에 포함된 불순물이나 탁도 등의 조절을 위하여 별도의 여과장치 등의 설치가 소요되는 결점이 있었다.

한편, 참고로 부언하면; 상수도관의 부식성을 알 수 있는 지표로 직접적으로는 금속의 부식 정도를 측정하는 방법이 가장 정확하지만, 물이 흐르고 있는 중에는 직접 측정하기에 다소 어려워 간접적으로 수질을 측정한 뒤 부식지수를 계산하여 부식의 정도를 판단하게 된다.

물의 부식성 정도를 나타내는 지수로서 랑겔리아 지수(Langelian Index)와 탄산칼슘침전능(CCPP; Calcium Carbonate Precipitation potential)이 사용되고 있는데 이러한 지수에 직접적 영향을 미치는 것은 pH, Ca ion 농도, 알칼리도(Alkalinity) 등이 있는데 이들이 수중에 용해되어 있는 정도에 따라 물의 부식성 정도를 확인할 수 있는 것이다.

이에 본 발명에서는 정수장에서의 행하는 정수공정의 전후 공정에 적용되어 전체 정수공정을 거치는 동안 안전한 수질을 확보할 수 있는 수질제어방법을 제공코자 하는 것으로서,

특히 소석회와 이산화탄소, 소다회 등의 연속식 주입에 의한 pH, 알칼리도, Ca ion 농도, 탁도, 온도 등의 연속조절과 연속 측정 모니터링을 실시하여 수질의 자동조절 및 부식의 자동제어를 행하도록 하여 상수도 관로의 부식속도 완화, 중금속 용출저감, 관로수명 연장 등의 수질악화를 방지할 수 있는 수질제어방법을 제공함에 발명의 기술적 과제를 두고 본 발명을 완성한 것이다.

도 1은 본 발명의 수질제어방법에 의해 일반 정수공정을 보인 공정도

도 2는 본 발명의 수질제어방법에 의한 고도 정수공정을 보인 공정도

도 3은 본 발명에 있어서, 부식속도 및 생성물을 관찰한 실험을 위한 각 장

치에서 실험된 부식된 시편의 부식변화를 보인 그래프

도 4는 본 발명에 있어서, 부식속도 및 생성물을 관찰한 실험을 위한 각 장

치에서 실험된 시편의 중금속 용출농도

■ 도면의 주요부분에 사용된 부호의 설명 ■

1: 탄산가스주입장치2: 소석회주입장치

3: 응집조4: 응결조

5: 침전조6: 모래여과조

7: 후오존조8: 활성탄조

9: 소다회및소석회주입장치10: 정수조

상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는 알려져 있는 상수도관 내벽의 부식방지방법으로 이용되고 인산법과 CCPP법 중에서, CCPP법을 사용하여 관내의 부식발생을 억제토록 한 것을 특징으로 한다.

'CCPP법'은 상수도관 내벽에 석회석을 얇은 막 형태로 코팅하여, 수돗물과 상수도관 내벽과의 접촉을 차단시켜 부식 발생을 억제하는 방법이다.

좀 더 구체적으로는 'CCPP(Calcium Carbonate Precipitation Potential)법'은 석회석(CaCO₃)의 물에 대한 용해도를 이용하는 것으로, 즉 용해도보다도 크게 석회석이 물에 용해되면 용해도 이상의 석회석은 모두 상수도관 내벽으로 침전되어 내벽의 표면이 석회석으로 코팅되는 부식발생 억제방법이다.

상기 CCPP법에서 석회석(CaCO₃)의 생성원리는 물 속에 적당량의 칼슘이온농도와 알칼리도(Alkalinity)(HCO₃- ion, CO₃ ^2-ion농도)를 유지시킨 후, pH를 7.6~8.6정도 되게 조절하면 석회석이 생성된다.

상기 과잉의 석회석을 생성시키기 위하여 투입장치가 정수된 물이 상수도관망으로 유입되는 상수도관 입구에 설치하여 운전되기도 하지만, 본 발명에서는 정수장의 정수처리공정 내에서 과잉의 석회석, 즉 CCPP를 0 이상으로 생성시켜 수질을 제어, 운전할 수 있는 방법을 제공하는 것이 특징이다.

이러한 본 발명의 이점은 Ca ion 농도를 소석회[Ca(OH)₂]와 생석회(CaO)로 조절할 시 원료에 포함된 불순물과 소석회의 용해도 불량으로 탁도가 발생하는데, 이런 문제를 제거하기 위하여, 상수도관 입구 이용법에서는 별도의 모래여과조 등의 시설이 요구되지만, 본 발명의 수질제어방법을 이용하면, 기존 정수처리공정 내에는 모래여과조와 침전조가 설치되어 있어, 탁도와 불순물 제거 문제는 자연적으로 해결되는 것이다.

그리고 원수는 계절에 따라 수질 변화가 많은데, 일예로 조류가 많이 번식 할 시기에는 원수의 pH가 상당히 높아져 기존 정수처리공정 중의 응집조에서 응집효능에 필요할 정도의 pH까지 낮추어야 하므로 응집제의 투입량이 대량으로 소비된다. 이 경우 부식방지를 위한 과잉의 소석회 생성용으로 알칼리도 조절용 탄산가스(CO₂)가 투입되는데, 상기 탄산가스 투입으로 인하여 응집제 소비량이 절약되며, 그리고 원수내에 알칼리도가 적을 시(주로 홍수 시나 풍수 시) 응집제 성능이 떨어짐으로 탄산가스 투입으로 응집제 효능을 위해서 요구되는 알칼리도가 생성되어 응집제의 성능 저하를 방지 할 수 있는 것이다.

CCPP 생성을 위해서 이용되는 약품들은 소석회[Ca(OH)₂], 생석회(CaO), 탄산가스(CO₂), 소다회(Na₂CO₃), 생석회(CaO), 가성소다(NaOH) 등인데, 상기한 약품의 투입 장소는 주로 응집제를 투입하는 응집조(=급속 혼합조, Rapid Mixer)와 후 염소공정 후, 정수조의 두 공정에서 이루어진다.

상기 응집조에서는 소석회 혹은 생석회와 탄산가스 투입으로 적당량의 CCPP생성을 위한 칼슘이온농도와 알칼리도 조절, 그리고 응집제의 응집 효능을 위한 pH조절(주로 pH를 떨어트림)이 행해진다. 이러한 pH 조절에서는 응집제 투입공정부터 마지막 후염소 처리공정까지 지나면서 기존 정수처리시의 처리효율과 동등하던지 그 이상의 효과로 처리되어진다.

후염소 공정 후, 정수처리 공정의 마지막 단계인 정수조에서는 소다회(Na₂CO₃), 가성소다(NaOH), 소석회[Ca(OH)₂] 및 생석회(CaO) 등으로 pH를 7.6~8.6 정도로 조절한다.

상수도관 망으로 부식방지 조절된 처리수가 유입되기 전에 최종적으로 적당한 CCPP 생성조건으로 수질이 조절되었는지 점검한 후 만약에 Ca ion 농도와 알칼리도가 기대 값보다 적을 시에는 소석회 혹은 생석회, 그리고 가성소다 등으로 다시 농도를 마지막으로 조절하기도 한다.

일반적으로 응집조에서 Ca ion 농도, 알칼리도 등의 농도가 잘 조절되므로, 만약 마지막 정수조에서 Ca ion 농도 증가가 요구될 시라도 소석회의 소요 약품량이 소량으로도 Ca ion 농도가 조절되어지므로 탁도를 적정선에서 유지하는 데에는 전혀 문제가 되지 않는다.

이와 같은 본 발명의 수질제어방법을 구현하기 위한 수질제어방법은 도 1,2에서 도시된 바와 같이 기존의 상수도 일반 정수설비 내지는 고도 정수설비를 이용하여 수행된다.

즉, 일반 정수공정 및 고도 정수공정에 유입되는 상수 원수의 알칼리도와 pH조절을 위해 탄산가스(CO₂)를 주입하는 탄산가스주입장치(1), 칼슘이온 공급을 위해 소석회를 주입할 수 있는 소석회주입장치(2), 상기 소석회주입장치(2)를 통하여 주입된 소석회를 균일하게 수중에 섞을 수 있도록 모터에 의해 구동되는 교반기를 설치한 응집조(3) 및 이를 응결시키는 응결조(4), 그리고 침전조(5) 및 모래여과조(6), 오존(O₃)을 투입하여 물속에 잔류하는 유기물을 파괴하기 위한 후오존조(7), 그리고 유기물 흡착을 위한 활성탄조(8), 상기 각 설비를 통한 공정을 거쳐 나오면서 변화된 수질을 체킹하여 보충조절하기 위한 소다회 또는 소석회(lime)를 주입하기 위한 소다회및소석회주입장치(9)가 정수조(10)상에 설치되어 각각의 정수공정을 거쳐 상수도관 망을 통하여 수돗물이 공급된다. 상기 정수공정에서 일반 정수공정의 경우는 후오존조(7)와 활성탄조(8)는 거치지 않고 모래여과조(6)를 경유한 원수는 바로 정수조(10)로 공급이 이루어진다.

상기 일반적인 수질제어설비를 이용한 본 발명의 수질제어방법에 있어서, 탄산가스(CO₂)를 소석회 주입보다 먼저 주입하는 것은 소석회의 용해도가 물의 pH가 낮을수록 크기 때문에 물의 pH를 먼저 낮추기 위한 것이며, 물에 용해된 탄산가스는 물속에서 아래의 반응식과 같이 중탄산이온, 수소이온, 카보네이트이온이 존재하게 된다. 이 중 수소이온(H⁺)은 pH를 낮추며 중탄산이온(HCO₃ ^-)과 카보네이트이온(CO₃ ^2-)은 알칼리도로 역할을 한다.

H₂O + CO₂= H₂CO₃

H₂CO₃= H⁺+ HCO₃ ^-

HCO₃ ^-= H⁺+ CO₃ ^2-

상술한 바와 같은 본 발명의 수질제어방법은 상수도 원수가 정수처리공정으로 유입되어 탄산가스주입장치(1), 소석회주입장치(2), 응집조(3), 응결조(4), 침전조(5), 모래여과조(6), 후오존조(7), 활성탄조(8), 소다회및소석회주입장치(9)가 설치된 정수조(10)를 거치면서 정수를 행하여 수용가로 공급하되, 정수처리의 전 공정 중 앞의 공정부분에서 탄산가스를 먼저 용해시키고, 이후에 소석회를 투입하여 상수도 관로의 부식방지와 음용수로 적합한 pH, 알칼리도, Ca ion 농도, 탁도가 유지될 수 있도록 한 후, 수질을 측정하여 요구되는 pH, 알칼리도, Ca ion 농도, 탁도 등을 모니터링 한 후 CCPP 생성에 적합하도록 소다회(soda ash)를 사용하여 최종 pH를 마무리 조정하게 된다.

이렇게 조절된 정수는 관망에서 포화도 이상 부분에서 석회석(CaCO₃)은 관벽에 침전, 코팅되어 CCPP법에 의해 부식방지가 된다.

한편, 본 발명의 발명자는 본 발명의 수질제어방법에 의해 부식된 상수도 관망에서 부식성 인자조절에 따른 부식속도와 생성물을 살펴보았다.

이미 부식된 상수도관에 대한 CCPP 조절의 적용 가능성을 알아보기 위해 표 1과 같이 장치 Ⅰ과 Ⅱ에서 12주간 실험하였는 바, 이 실험은 부식이 이미 진행된 주철(Ductile iron) 시편을 이용하였고, 이들 시편을 소석회(Lime)와 탄산가스(CO₂)를 첨가하여 수중 pH 및 알칼리도를 조절한 순환수(장치 Ⅲ)에서 12주간 연속운전 실험하였다. 각 장치 순환수의 특성은 표 1과 같다.

각 장치 순환수의 평균 수질

	장치 Ⅰ	장치 Ⅱ	장치 Ⅲ
pH	7.64	8.15	8.09
Alkalinity(mg CaCO₃/L)	15.9	65.5	74.1
Ca²⁺(mg CaCO₃/L)	23.1	55.6	60.4
	Tap Water	Tap Water + Lime & CO₂

부식된 주철시편의 부식속도 변화를 도 3에 나타내었다.

여기서 볼 수 있듯이 장치 Ⅱ 보다 장치 Ⅰ(수돗물)에서 부식된 주철시편의 부식속도 감소율이 약 84일간 운전 중 평균 0.11 mdd/day 정도로서 시험 처음부터 도 3에서 보는 바와 같이 높은 부식속도를 유지하고 있다.

장치 Ⅰ과 Ⅱ에서 운전 84일 후 시편의 부식속도 차와 이들 시편이 장치 Ⅲ에서 84일간 재 운전된 후 부식 속도 차이가 평균 9.2 mdd/day 정도 감소되었다.

따라서 이미 부식된 관망의 부식방지 효과 실험 검토에서 CCPP로 잘 처리된 장치 Ⅲ에서 부식방지효과가 큼을 알 수 있었다.

다음은 각 장치의 순환수를 통해 측정된 철분 용출농도를 도 4에 나타내었다.

장치 Ⅰ에서 시편의 철분 용출농도는 평균 0.55 mg/L였고, 장치 Ⅲ에서는 평균 0.15 mg/L을 나타내어 0.4 mg/L 정도 차이로 장치 Ⅲ에서 낮은 철분 용출농도를 보였다.

따라서 이미 부식된 상수도관에서도 CCPP 조절을 적용하면 부식속도 감소 및 중금속 용출량이 감소되었으며, 장치 Ⅰ과 Ⅱ 및 Ⅲ의 실험결과를 이용하여 실제 pilot형 정수처리 공정내에서 적용한 결과 본 발명의 내용처럼 부식관이나 신관에서 부식방지 효과를 나타내었다.

* pilot식 처리조건 예

원수 수질특성이 계절적으로 혹은 1일 중에도 변화하므로 원수 수질에 대응한 CCPP 생성 조절 조건이 다르게 된다. 이중 한 예의 원수의 수질 특성에 대응한 최종 CCPP 조절을 위한 약품과 투입량을 조절한 결과 CCPP 부식방지 조건의 수질을 얻을 수 있었다.

원수의 수질특성

	Raw Water
pH	8.70
Temp.	5.0	℃
Alkalinity as CaCO₃	60.0	mg/L
Calcium as CaCO₃	70.0	mg/L

최적조건을 만족하기 위한 약품주입량

CO₂gas	7.0	mg/L
Lime(Ca(OH)₂)	6.5	mg/L
Soda Ash(Na₂CO₃)	25.0	mg/L

정수공정에서 표 3과 같이 약품을 주입할 경우 수질변화는 아래와 같다.

(결과의 부식 방지 수질)

· pH: 8.48

· Alkalinity: 79.0 mg CaCO₃/L

· Calcium: 79.0 mg CaCO₃/L

이상과 같이 본 발명에서 제공하는 수질제어방법은 상수도를 정수처리하는 공정 앞뒤 부분에서 행하여지는 것으로서, 상수도관으로 유입되는 수돗물의 수질을 보다 안정적으로 유지관리하면서 상수도관 내부의 부식을 방지할 수 있으며, 그로 인하여 수용가에게 보건위생학적으로 더욱 안전한 수돗물을 공급할 수 있고, 간접적으로는 상수도관 부식이 대폭 억제되어 관로의 수명연장 효과를 제공받을 수 있는 것이다.

또한 원수내 조류 발생에 의한 높은 pH 상승을 탄산가스의 투입으로 적당히 떨어트리고, 알칼리도가 조절되어 응집제 효능을 향상시킬 수 있으며, 소석회 사용으로 발생되는 탁도 문제는 기존 정수처리장내에 존재하는 침전조와 모래여과기를이용하여 자연적으로 해결할 수 있는 등 그 기대되는 효과가 다대한 발명이다.

Claims

정수처리 공정으로 유입되는 원수를 일반 정수처리 내지는 고도 정수처리 시 정수처리공정 내에서 포화용해도 이상의 탄산칼슘 용액 인 과포화 용액의 탄산칼슘을 생성시켜 상수도관 관로 내벽에 CCPP를 생성토록 하며,

상기 CCPP 생성 범위는 포화용해도 이상의 과포화된 탄산칼슘의 농도가 0~4PPM, pH는 7.6~8.6, Ca ion 농도는 50~70PPM(CaCO₃로 농도표시), 알칼리도는 50~120PPM(CaCO₃로 농도표시)상태에서 행하는 것을 특징으로 하는 상수도 관로의 부식저감을 위한 정수처리공정에서의 수질제어방법.
제 1 항에 있어서,

상기 알칼리도, Ca ion 농도, pH 조절을 위하여 탄산가스(CO₂), 생석회(CaO), 소석회[Ca(OH)₂], 소다회(Na₂CO₃), 가성소다(NaOH)를 선택적으로 사용하는 것을 특징으로 하는 상수도 관로의 부식저감을 위한 정수처리공정에서의 수질제어방법.