AWWA Research Applications: Research in Use

How Particle counting can improve water quality

삼보과학(주)

particle count 데이터를 이용하여 수질에 관하여 밝혀낼 수 있는 것은 무엇인가? 정수장에서는 입자와 병원균을 제거하기 위하여 정수장 공정들을 최적화할 때 particle count 데이터를 어떻게 이용할 수 있는가?

지아디아(Giadia)와 크립토스포리듐(Cryptosporidium)과 같은 병원균 제거에 대한 요구가 증가함에 따라, 입자 제거 공정을 최적화할 필요성이 분명해졌다. Particle counter는 순간적인 수질변화를 보여주므로, 입자제거와 관련된 설계나 운영을 변경할 수 있게 해준다.

Role of AwwaRF Research

AWWA Research Foundation(AwwaRF)은 입자와 병원균을 제거하는 처리공정을 최적화하기 위하여, Particle Counter를 평가, 설치, 관리하는 음용수 관련단체에 의해 사용되어온 몇몇 보고서를 발표했다 :

● Hargesheimer, E.E. et al. 1992. Evaluation of Particle Counting as a     Measure of Treatment Plant Performance. Denver, Colo.: AwwaRF       and AWWA (Order #90595).

● Hargesheimer, E.E. and C.M. Lewis. 1995. A Practical Guide to         On-Line Particle Counting. Denver, Colo.: AwwaRF and AWWA          (Order #90674).

● McTigue, N.E., et al. 1998. National Assessment of Particle Removal     by Filtration. Denver, Colo.: AwwaRF and AWWA (Order #90757).

Patania, N.L., et al. 1995. Optimization of Filtration for Cyst             Removal. Denver, Colo.: AwwaRF and AWWA (Order #90699).

연구에 의하면, particle count 데이터는 원수의 수질, 처리수의 수질, 시스템의 처리성능, 전체적인 처리효율을 평가할 수 있는 중요한 수단이 된다. 정수장의 유입수 부분과 필터 여과수 부분은 정수장의 성능을 평가할 수 있는 가장 중요한 샘플링 지점이다. Particle counter는 탁도가 7~10NTU 이하인 물을 모니터링하기에 가장 적합하다. 입자농도가 높은 샘플링 지점은 유지관리와 클리닝을 자주 해야 하는 경향이 있다.

입자 갯수가 분석기의 농도한계를 초과하면 결과에 coincidence error가 발생할 것이다. 입자수(number)와 입자크기(size) 둘 다 음용수처리를 최적화하는데 이용될 수 있기 때문에, 여러 번의 연속적인 입자갯수 측정을 통하여 이용할 수 있는 가장 유용한 정보들은 총 누적입자수, 개별입자수, 퍼센트(%)값 등이다.

예를 들어, 연구결과에 의하면, 약품전처리는 크립토스포리듐과 지아디아 제거에 영향을 주는 가장 중요한 유일한 인자임을 연구결과는 보여준다. 약품전처리를 하지 않으면, 필터가 포낭과 난모세포 크기의 입자들을 제거할 수 있는 효과적인 방편으로 작용하지 못한다. 만일 각 응집조건들이 입자제거에 효과적이라면, 서로 다른 응집조건들(알럼-양이온성고분자 대 염화철, 양이온 성고분자가 있는 염화철과 없는 염화철)이 크립토스포리듐과 지아디아를 제거하는데 똑같이 효과적일 수도 있다.

일반적으로, 입자농도 증가는 크립토스포리듐과 지아디아의 농도증가와 관계가 있다. 그러나, 원생동물 측정방법들은 오류가 있을 수 있기 때문에, 입자들이 병원균의 대용물인지를 결정적으로 단정하기는 어렵다. 비록 지아디아를 제거하기 위한 대책으로 particle counting을 사용하는 것이 물의를 일으킬 수도 있지만, 정수장의 성능을 모니터링하기 위한 그것의 근본적인 유용성에 대해서는 아직 이의가 제기되지 않은 상태이다.

Utility Application of the Research

많은 정수장과 컨설턴트들은 처리공정을 최적화할 수 있는 on-line particle counter를 개발실시하기 위하여 AwwaRF research를 적용했다.

수처리응용에 있어서 선두적인, Southern Nevada Water System은 1979년에 정수장을 제어하고 응집을 최적화하기 위하여 on-line particle counter를 설치한 미국 최초의 정수장이었다. Mead 호수에서 0.5NTU의 물을 대도시인 라스베가스를 위한 600-mgd 정수장에 공급한다. 이렇게 탁도가 낮은 유입수의 경우에는, 앞서 탁도계로 관찰되지 않았던 작은 수질변화를 밝혀내기 위해 particle counter를 필요로 했다.

이 정수장은 26개 filter 각각에 여과수 쪽에 particle counter를 설치하였고, particle counter 데이터에 근거하여 filter operation에 변화를 주었다. filter의 역세척 주기는 입자수, 탁도, 운영시간, 손실수두에 의해 결정되지만, particle count 데이터가 지배적으로 작용한다.  Southern Nevada는 실험을 통하여 filter가 정상 동작하는 동안의 통상적인 입자수 10개/ml와 여과수의 입자수가 20개/ml에 도달한 직후에 발생하는 particle breakthrough 사이에서, 최상의 절충값을 2□m보다 큰 입자수 20개/ml로 결정했다. Southern Nevada는 20분간의 filter-to-waste period을 추가하고, 역세척수에 폴리머를 공급함으로써 역세척 후의 particle spike를 최소화하였다.

이 정수장은 응집제 투입량을 최적화하기 위하여 particle counter를 갖춘 pilot plant를 이용하였다. 이 정수장의 유입수는 탁도가 낮아서, pilot plant데이터가 jar test 데이터보다 더 신뢰적이었다. 탁도에서는 particle counter에서 보여주는 작은 변화를 보여주지 못한다. 작은 변화이지만 600-mgd plant의 경우에는 응집제를 크게 절약할 수도 있다. 놀라운 일은 그들이 particle counter에 투자한 것을 얼마나 빨리 회수할 수 있는가였다. 이 정수장은 응집제 투입량을 조금만 변화시켰는데, 약 2년 후에 투자수익을 얻을 수 있었다.

새로운 정수장 건설을 추진한 매사추세츠 수자원청(Massachusetts Water Resources Authority : MWRA)은 새로운 여과지를 2회 실물 실험하는데 particle counter를 사용했다. 이 정수장은 탁도가 수질변화에 충분히 민감한 척도가 못된다는 사실을 발견했고, 그래서 particle counter를 사용하기 시작했다. particle count 데이터는 예전에는 알지 못했던 방식으로 원수가 변하고 있음을 보여주었다.

예를 들면, 메사추세츠 수자원청(MWRA)은 두 개가 연속으로 연결된 저장조를 가지고 있는데, 탁도를 비교해보면 두 저장조의 수질은 유사하다. 그러나 particle count와 유기탄소함량 값을 비교해보면 수질이 아주 다르다. MWRA는 두 저장조에 있는 원수의 탁도가 0.3NTU정도로 비슷하지만, 한 저장조의 particle count 데이터가 다른 저장조보다 50~100% 더 큼을 발견했다. 이러한 변화값은 두 수원지에서의 물이 저장조의 여러 지점에서 얼마나 잘 혼합되었는가에 대한 지표가 되며, 수질 최적화를 위한 물 이송 방법을 가르쳐준다.

MWRA는 새 정수장을 건설할 때 pilot test 결과를 사용할 예정이며, 원수 수질변화를 고려하여 공정을 최적화할 예정이다. 여러 변수 중에서,  particle count의 spike를 최소화하기 위해 각 filter마다 particle counter를 정수장 설계에 포함시켰다.

온라인 모니터링이 되는 batch sampler 사용. 우수한 수질의 물생산을 보장하기 위하여 위스콘신주의 Milwaukee 정수장은 process 및 operation에 중요한 변화를 주었다. 이 정수장은 유입되는 원수와 각 filter를 통과한 여과수에 particle counter를 설치했고, 여과수의 particle 가이드라인을 2개/ml이하라로 하였다. 이 정수장에서는 직원들이 품질보증을 위해 batch sampler를 사용하기 시작했다. 그러나, batch sampler에서 얻은 데이터는 on-line sampler에서 얻은 것보다 더 많은 입자수를 보여주었다.

비록 batch sampler particle counter에서 얻은 입자수가 online 시스템에서 얻은 입자수보다 더 많다고 할지라도, 직원들은 경험을 통하여 측정값의 정상적인 차이에서 예측할 수 있는 것이 무엇인지를 알게 되었다. Milwaukee 정수장의 직원들은 on-line particle counter를 체크하기 위하여 그리고 전체 처리공정을 고장수리하기 위하여 batch sampler를 자주 사용한다.

Particle counting은 커다란 영향을 주었다. 그것은 수질을 보증하는 가장 중요한 하나의 기준이 되었다. 예를 들면, filter operation에 변화를 줌으로써 역세척 후의 filter spike가 2□m 이상 입자수 50~100개/ml로 감소하였고, base number로 복귀하는데 걸리는 시간이 30분 이하로 단축되었다. 각 교대조는 원수, 침전수, 여과수, 정수장 방출수의 batch와 on-line 측정값을 비교한다. Particle counter는 운영과 유지관리의 문제점을 밝혀내고, 전체 수처리 공정에서의 고장을 미리 예고함으로써, 그리고 운영방법을 잘 조정하려는 노력을 유효하게 함으로써 수질을 향상시켰다.

Instrument Calibration 비준하기. 캘리포니아의 Alameda County Water District는 두 개의 정수장을 운영하고 있다. 하나는  1975년에 지어진 것으로 filter가 두 개이며, 다른 하나는 1993년에 지어진 것으로 6개의 granular activated carbon biological filter를 갖춘 21-mgd짜리 정수장이다. 원수는 Sacramento-San Joaquin 삼각주에서 South Bay Aqueduct 수로를 통해 공급된다. 이들 정수장은 여과효율을 평가하기 위해 각 filter의 여과수마다 on-line particle counter를 설치하였다. particle counter의 가장 큰 애로점은 그것을 SCADA시스템에 통합시키는 데에 있었다. 오늘날 제조업자들은 4-20mA 시그날을 주는 소프트웨어와 장비를 공급하고 있다. 그래서 particle counter를 수처리 시스템에 보다 쉽게 설치할 수 있게 되었다.

particle counter와 관련해서 두 번째로 힘들었던 것은 calibration이었다. Alameda County는 laser를 calibration하기 위해 1년에 한 번 제조자에게 particle counter를 보낸다. 제조자는 instrument calibration에 대한 등급을 제공한다. 그러나, laser를 alignment하는 경비때문에 Alamea County는 기계를 보내는 것을 보다 비용 효율적으로 하는 방법을 찾게 되었다. 이 정수장은 batch sampler를 reference로 사용함으로써, on-line particle counter의 calibration을 1년에 3번 확인한다. Alameda County는 또한 새로 개발한 표준용액(polystyrene latex spheres)을 사용한다. 만일 on-line 장비의 표준용액에 대한 판독값이 5~10% 이상 변하면, 그 장비는 제조자에게 보낸다. calibration을 확인함으로써, 이 정수장은 제조자에게 장비를 calibration하러 보내는 횟수를 줄일 수 있을 수 있다.

초기에, particle counter는 구 정수장과 신 정수장의 여과성능 차이를 비교하기 위하여, 그리고 1개의 filter에는 GAC를 나머지 5개의 filter에는 dual media/anthracite(무연탄의 일종)를 적용하여 filter의 성능을 조사하기 위하여 사용되었었다. 결과에 의하면, GAC가 더 안정한 성능을 보여주었으며, 필터를 더 오랫동안 사용할 수 있었다. Particle counter는 여과지를 매일매일 콘트롤하는 데 있어서 가장 큰 차이를 보여주므로, 운영상의 결정을 더 잘 할 수 있게 해준다. Quality Control 절차는 조작을 변경할 시스템 공정들을 비교할 때 신뢰성을 부여한다. 예를 들어, filter가 6개인 그 정수장에 역세척수 저장량이 최소한도에 있다고 하자. 그 중에 2개의 filter가 탁도가 0.09NTU이어서 filter 운영시간이 똑같을 수 있다. 이때 오퍼레이터는 particle count가 큰 filter를 역세척용으로 선택할 수 있다. 왜냐하면 particle breakthrough가 일반적으로 turbidity breakthrough보다 몇 시간 더 빨리 발생하기 때문이다. 이렇게 하면, filter를 보다 정확하게 역세척하여 포낭크기입자(cyst-sized particles)가 filter를 통과하는 것을 방지할 수 있다.

Conclusions

정수장들이 시스템운영에 있어서 particle counting 설비를 갖춤에 따라, 그들은 시스템을 미세하게 조정하는 데 있어서의 그것의 유용함을 알게 될 것이다. 그리고 수질을 최적화하는 데 있어서 예상하지 못했던 것들을 발견하게 될 것이다. 연구결과는 기술적인 장애들 - 실제적인 온라인 샘플링, 데이터 운용. 특히 수처리 공정제어를 위한 품질보증 방법, 이러한 새 기술을 실제규모의 수처리 모니터링에 적용 - 을 극복할 수 있는 방법과 기술을 포함하여 particle counter를 갖춘 정수장에게 실제적인 도움을 주었다

ⓒ Awwa Research Foundation. All rights reserved. January 2002.

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주의: 본 자료 4페이지 3번째 단락 4째 줄을 보시면, "여과수의 particle 가이드라인을 2개/ml이하"라는 내용이 있습니다. 이것은 원본을 그대로 옮긴 것인데 "2개/ml"는 "20개/ml"의 오타로 간주되어 현재 AWWA  Research Foundation에 문의하여 놓은 상태입니다. 저자가 사직한 관계로 확인이 늦어지고 있다고 합니다. 확인이 되는대로 다시 알려드리겠습니다.

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