Application of Magnetized Anion Exchange Resin for Removal of DOC at Coldiron Watkins Memorial Water Treatment Plant

ORICA                                                           삼보과학(주)

in Danville, KY

Elizabeth Hamm

Water Quality Specialist

Commonwealth Technology, Inc., Lexington Kentucky

Michael Bourke

VP Sales & Marketing

Orica Watercare Inc., Denver Colorado

Abstract

Information Collection Rule1에 의해 수집된 자료에 따르면, 지표수를 원수로 하는 정수장(SWTPs :surface water treatment plants)은 처리수의 haloacetic acid의 총농도가 trihalomethane(TTHM) 총농도보다 낮을 거라고 생각하고 있다. 그러나, 대부분의SWTPs는 distribution system의 haloacetic acid(HAA5) 농도가 TTHM의 농도보다 더 높아서 골치를 앓고 있다. Kentucky주 Danville에 있는 10 million gallon/day(MGD)를 생산하는 Coldiron Watkins Memorial Water Treatment Plant는 이러한 문제를 가지고 있는 정수장 중의 하나이다. 그 정수장은 distribution system의 HAA5 농도가 TTHM 농도보다 2배 더 높다.

Disinfectant/Disinfection By-product Rule2(DBPR)에 부응하기 위하여, 지표수를 원수로 사용하는 다른 많은 정수장들처럼, Danville Water Treatment Plant(WTP)는 coagulation을 강화하고, 염소처리를 최소화하여 소독부산물의 생성을 줄이려고 노력해왔다. 그러나 이러한 방법은 단지 TTHM 농도와 HAA5 농도 사이의 간격을 줄였을 뿐이다. 이러한 정수시설은 접촉시간이 짧기 때문에, 소독을 할 때 교반속도를 빠르게 하여 적절한 CT(concentration X time) Credits3를 유지하여야 한다. 현재 distribution system의 four-quarter running annual average (4QRAA) TTHMs 농도는 0.06 mg/L이고, 반면에 4QRAA HAA5 농도는 0.08 mg/L이다. 연평균 총유기탄소(TOC) 제거율이 1.7이기는 하지만, 이 정수장은 추가적인 처리대책을 세우지 않으면  Stage 1 DBPR에서 요구하는 총 HAA에 대한 최대허용 농도 목표치(MCL) 0.06 mg/L를 초과하게 될 것이다.

Background

Danville WTP의 취수원인 Lake Herrington은 인공저수지인데, 강화된 coagulation을 따르지 않는 취수원과 비슷한 TOC 특성을 보여주고 있다. 원수의 TOC는 일반적으로 2-4 mg/L정도인데, 용존유기탄소(DOC)가 TOC의 98% 이상을 차지한다. 원수의 UV 흡광도(SUVA)3는 2 L/mg-m보다 약간 더 높다. Lake Herrington의 물은 일반적인 알칼리도가 100mg/L 이상이고, 총경도가 약 170mg/L이다.

DBPR2 Stage 1에서 정하고 있는 최대허용 농도 목표치(MCLs)를 충족시키기 위해  Coldiron Watkins Memorial WTP는 소독부산물(DPB) 전조물질인 DOC제거를 개선해야 한다. 강화된 DOC 제거를 고려한 공정중의 하나가 자기를 띠는 음이온 교환수지(MIEX□)4를 이용하는 연속식 이온교환법이다.

역사상, 이온교환공정은 많은 resin을 재고로 보유해야 하는것과 resin 오염문제때문에 고자본과 높은 운영비를 필요로 한다. 신제품인 자성을 띤 수지는 전통적인 이온교환시스템에서 발생했던 많은 문제들을 극복하였기 때문에 대형 정수장에서 경제적으로 실행할 수 있는 기술이다. 이 방법은 2001년 2월 Coldiron Watkins Memorial WTP에서 Pilot 시설을 준비하여 테스트가 수행되었다.

Ion Exchange Process

자성을 띤 수지는 원수의 DOC를 제거하기 위해 설계된 이온교환공정에서 이용된다.  특허를 받은 MIEX□ DOC Resin은 독특한 자기특성과 더불어 음이온 교환수지의 여러 특성을 결합한 것이다 :

□ 폴리아크릴, 거대기공성 구조

□ 중간정도의 기공 크기 및 공극율

□ 강염기성, 4차 암모니아 기능성

MIEX□ DOC resin은 전통적인 정수장의 flash mixer같은 교반식 contactor에서 발생하는 DOC를 치환제거하기 위해 개발되었다. MIEX□ DOC resin 입자는 그 크기가 약 180um정도로 전통적인 resin 입자보다 훨씬 크기가 작고, 표면적은 훨씬 더 크다. 이러한 특성 때문에 DOC를 많이 치환제거할 수 있는 능력과 빠른 치환 동력학을 나타낸다. 그래서 10~30분 정도의 접촉시간(contactor에서의 체류시간)동안 원하는 만큼 DOC를 제거하는데 필요한 resin의 농도(0.4-2.0 % vol/vol)는 매우 낮다.

그리고 나서 resin suspension은 분리단계(separating stage)로 넘어가는데, 그 곳에서 resin은 회수되어 재생된다. 자기성분(magnetic component)은 resin 입자 구조내에 분산되어 있다. 그래서 그것이 침전지(settler)로 넘어갔을 때, 미세한 resin 입자가 큰 덩어리가 되어 빠르게 침전할 수 있게 된다.  침전지의 부상속도(settler rise rate) 10m/hr(4 gal/min/sf) 이상에서 resin 회수율(recovery rates)은 99.9% 이상이다.

Figure 1. MIEX□ DOC Resin Ion Exchange Process

resin은 separator 바닥에서 농축(20-30 % vol/vol) 슬러리 형태로 연속적으로 회수된다. 이 resin은 부분적으로만 고갈되기 때문에, 대부분(90-95 %)은 재생되어 mixing tank로 다시 보내진다. 회수된 resin의 일부분(5-10 %)은 batch regeneration system으로 우회시켜 새로운(재생된) resin으로 교체된다. DOC를 흡착한 resin은 재생공정(regeneration process)에서 반대의 이온교환반응을 한다. 여기서 resin은 DOC 자리에 염소이온을 치환하고, DOC는 resin에서 떨어져 나와 진한 brine (NaCl) 용액에 남는다.

전통적인 이온교환 공정과는 달리, 이 연속식 공정은 고형물을 제거하기 위해 전처리를 할 필요가 없어서 처리과정 초기에서 원수를 처리하는 용도로 이용하거나 끝에 마무리 단계로 이용할 수 있다. 탁도가 높아도 DOC 흡착을 방해하지 않는다.

MIEX□ DOC Resin이 원수를 처리하는데 사용될 때, resin separator에서 나온 처리수는 탁도를 제거하기 위해 coagulation 및 filtration 같은 다음 처리공정으로 보내진다.

Figure 2. MIEX□ DOC Resin Pre-Treatment Process

Water Treatment Process

Coldiron Watkins Memorial Water Treatment Plant는 응고(coagulation), 응집(flocculation), 침전(sedimentation), 여과(filtration), 소독(disinfection) 과정을 실천하는 전통적인 정수장이다.

모든 처리약품은 빠른속도로 교반하면서 첨가된다. Plant design에는 다음과 같은 약품첨가가 포함된다.

□ 황산알루미늄aluminum sulfate (alum),

□ 양이온 폴리머(cationic polymer),

□ 석회(lime),

□ PAC(powdered activated carbon) - 필요한 경우,

□ 과망간산 칼륨(Potassium permanganate),

□ 염소

Figure 3. Coldiron Watkins Memorial WTP Schematic

Coagulation 후에, 물은 다음 정화공정을 위해 수력학적으로 동등하지 않은 두 경로로 갈라진다. 그 WTP의 용량은 몇 년에 걸쳐 응집(flocculation), 침전(sedimentation), 여과(filtration) 시설이 추가되어 커졌다.

그 WTP 직원들은 이용가능한 시설로 최대한 모든 수질 기준들(standards)을 달성하기 위하여 최선을 다하고 있다 ; 기준은 HAA 농도를 제외한 모든 기준들을 말한다. Table 1은 원수와 처리수에 대한 몇가지 대표적인 수질특성을 나타낸 것이다.

Table 1. Water Quality Characteristics

Treatment Alternatives

천연유기물 제거를 강화하여 DBPs의 생성을 감소시키기 위하여, 정수장 직원들은 1999년에 여러 가지 저비용 대안들을 시도했었다. 그들은 급속혼화에서 주입되는 염소의 양을 줄이고, 여과 전에 추가로 염소를 주입하여 소독을 보완하였다. 그들은 alum을 더 많이 첨가하고, 석회(lime)는 첨가하지 않거나 양을 줄여서 처리수의 pH를 감소시켰고, 그리고 distribution flushing events를 강화하였다. Table 2에서 볼 수 있듯이, 이렇게 함으로써 약간 개선이 되었다 ; 그러나 전통적인 방법으로는 HAA의 생성을 감소시키는 것이 힘든 것 같았다.

Table 2. Disinfection Byproducts - Trends

2000년 1월, 그 정수장은 이러한 사태를 도와줄 전문가를 찾기로 결정했다. 그들은  Commonwealth Technology, Inc.(CTI)5를 고용하여 DBPs를 감소시키는 것에 중점을 두고 정수장의 처리최적화 연구를 수행하였다. 강화된 coagulation6(TOC를 제거하기 위해 coagulant 주입량을 증가시킴)일지라도 alum만으로는 도움이 되지 않음을 그 연구는 밝혀냈다. 원수의 높은 알카리도(100-150 mg/L)때문에, pH를 7.0으로 하기 위해서는 coagulant의 평균 주입량을 30 mg/L (Al+3)에서 70 mg/L으로 늘려야 하고, pH를 6.3으로 하기 위해서는 주입량을 160mg/L로 늘려야 할 것이다. 이 때 TOC 제거율은 Graph 1 & 2에서 볼 수 있듯이 아주 조금 좋아졌다. 염화제2철(ferric chloride) coagulation의 적용성을 조사하였을 때, Graph 3에서 볼 수 있듯이 30 mg/L를 주입한 후에 PODR(point-of-diminishing returns6)이 한도를 넘어서는 유사한 결과를 얻었다. 이 연구에서는 또한 일반적으로 주입(30 mg/L as Al+3)되는 coagulant에 맞춰 acid를 첨가하여 보았다. 이 때 TTMMs의 생성은 증가하였고 반면에 HAAs는 다소 감소하였다.

Graph 1. Point of Diminishing Returns with Alum

Graph 2. Point of Diminishing Returns with Ferric Chloride

Graph 3. Point of Diminishing Returns as Demonstrated

with Ferric Chloride and Aluminum Sulfate

이 정수장은 coagulation만으로는 소독부산물 최대허용 농도 목표치(MCLs)에 부응할 수 있을 만큼 천연유기물을 충분히 제거하지 못할 것이다.

DBPs를 감소시키는 연구방법과 더불어, CTI에 의해 수행된 이 연구는 TTHMs과 HAAs의 생성을 최소화하기 위한 다른 처리방법을 추천했다.

그러한 방법 중의 하나는 과망간산칼륨(KMnO4)의 적용지점을 옮기는 것이었다. 이 정수장은 취수지점부터 WTP까지의 이송라인 길이가 7마일이다. 이 비처리수는 약품처리를 하기 전에 최소 3시간 30분을 이동한다. 과망간산칼륨의 장점을 강화하기 위해서 Bulk Feeder가 취수시설에 설치될 것이다(2002년 봄). 취수부분에서 KMnO4을 첨가하면 다음과 같은 장점이 있다 :

1. 염소 요구량 감소,

2. coagulant를 첨가하기 전에 microflocculation이 생기기 시작,

3. coagulant 요구량 감소,

4. 천연유기물이 산화하기 시작,

5. 용존 망간 농도 감소

이 정수장이 대안으로 선택한 두 번째 처리방법은 그 지역의 안전성을 높여줄 것이며, Occupational Safety and Health Association(OSHA)이 요구하는 Risk Management Plan(RMP)의 필요성을 없애줄 것이다. 이 정수장은 현재 대형 실린더로 정수장에 공급되는 염소기체로 소독을 하고 있다. 그 도시의 Risk Management Plan (RMP)7에 따라, 확실한 염소누출이 발견되면, WTP로부터 반경 5마일까지는 비상대피를 해야 할 것이다. 여기에는 다음 영역에 있는 사람들이 포함된다 :

□ 시립고등학교

□ 소방서, 경찰서

□ 시청

□ 도심 상가

□ 거주자들

□ 시립공원, 낚시용 저수지

□ 병원

그 정수장은 가압 염소 실린더를 저장하지 않고, MIOX□ 8 generator를 사용하여 염소와 기타 산화제를 현장에서 생산하기로 결정했다(2002년 봄). 최근에 설치된 몇몇 사례를 통해, MIOX□가 DBPs의 생성을 20~60 %만큼 감소시키고, 소독제 주입량을 30 %만큼 줄여준다는 사실이 밝혀졌다9.

과망간산칼륨과 MIOX□  disinfectant를 함께 사용하면 DBPs의 생성에 유리한 효과를 줄 것이다. 최종적인 소독부산물 감소는 여전히 밝혀내야 하는 과제이다.

그 정수장은 HAA생성을 30% 감소시켜야 DBPR2의 Stage 1를 충족시킬 수 있으며, 최소한 50%는 감소시켜야 Stage 2를 충족시킬 수 있을 것이다. 앞에서 말한 방법으로 이 정도의 감소를 보여줄 수도 있다 ; 그러나, 설치한 날로부터 12개월이 될 때까지는 결과를 알 수 없을 것이다(2003년 봄).

그 정수장은, 장기간동안 DBP 규정을 확실히 충족시킬 수 있기를 원하지만, DBPs를 감소시키기 위하여 오로지 KMnO4와 MIOX□의 적용에만 의존하는 것은 원치 않는다. 그래서 DBP 생성을 줄이기 위한 다른 대책을 더 조사하기로 결정했다. 대안으로서 다음 세 가지가 고려되었다 :

1. 여과시의 활성탄 흡착,

2. 멤브레인 여과(nanofiltration),

3. MIEX□  DOC Resin.

이들 각 방법에 드는 비용은 Table 3과 같다.

Table 3. Comparative Costs for Treatment Options

활성탄 시스템의 설치 및 운영에 드는 비용은 현재 설치운영되고 있는 타시설의 자료를 이용하여 어림한 것이다. 보다 근사한 활성탄 비용을 구하려면, Danville 정수장 특유의 조건하에서 pilot 실험을 현장에서 해볼 필요가 있다.

Table 3에 있는 세 가지 방법중에서, 이 정수장은 MIEX□ DOC Resin 공정의 개념을 마음에 들어했다. 다음과 같은 것들이 그 도시한테는 마음을 끄는 것이었다 :

□ 이온교환으로, DBP 전조물질이 제거되었고, 그래서 DBPs가 감소하였다.

□ 공정이 단순하여 운영자들이 이해하기가 쉬웠다.

□ 형이하학적인 기본시설이 기존의 시설과 유사했다(응집지).

□ 조작자의 실수로 그 공정이 오염되지는 않는다.

□ 현재의 처리방법을 바꿀 필요가 없다.

위에 소개한 세 방법의 장·단점은 다음과 같다.

Granular Activated Carbon

Advantages	Disadvantages

□ 운영이 간단하다.	□ 운영비가 비싸다.

□ 다양한 유기물을 제거한다.	□ 수명이 짧다.

□ 많은 인력과 모니터링을 필요로 한다.

□ 추가적인 내부 시설이 필요하다.

Post Membrane Filtration (Nano-level)

Advantages	Disadvantages

□ 운영이 간단하다.	□ 운영비가 비싸다.

□ Crypto와 Giardi를 포함한	□ 초기 비용이 많이 든다.

많은 오염물질을 제거한다.	□ rejection rate가 크다.

□ 설계를 탄력적으로 할 수 있어	□ Rejection rate가 plant capacity를

쉽게 용량을 늘일 수 있다.            10% (1 MGD)만큼 감소시킨다.

MIEX□ DOC Resin

Advantages	Disadvantages

□ 유기물의 DOC 성분을 제거한다.	□ 추가 인력이 필요하다.

□ coagulant 주입량이 크게 감소한다.	□ 폐기해야하는 폐 소금물이 생성된다.

□ 슬러지 생성량이 줄어든다.	□ 추가적인 시설이 필요하다.

□ pH 조절용의 lime을 첨가할 필요가 없다.

□ 소독제 사용량이 줄어든다.

□ 일종의 전처리 옵션이다.

MIEX□ DOC Resin Pilot Plant Trial

1.7 gpm MIEX□ pilot plant를 이용하여 시운전을 하였다(Figures 4, 5, 6 참조). 이 pilot plant는 실제 정수장과 동일한 배열을 가지며, 동일한 조건하에서 운영되었다 ;

그래서, 거기서 나오는 처리수는 곧 실제크기의 MIEX□ Plant를 설치했을 때 생산되는 물을 대표하는 것이라 할 수 있다.

약품처리하지 않은 원수는 정수장의 원수공급라인의 tap에서 직접 MIEX□ pilot plant로 공급되었다. pilot plant는 매일 평균 20시간씩 정수장 옆에서 운전되었다.

혼합탱크(mixed tanks)의 resin 농도는 contactor에서의 원수 1 L에 대해 대략 settled resin 6 ml (4-10 ml/L 범위)정도로 유지되었다. 두 contactor에 적용된 총 접촉시간은 30분이었다. resin은 침전조(settling basin)에서 회수되었고, 처리수는 pilot plant에서 방출되었는데, 이곳에서 여러 가지 분석을 실시하기 위한 처리수를 취수하였다.

이 plant는 resin 재생율 10%(즉, 90%는 회수하여 재생하지 않음)로 운전되었다.  사용된 resin은 매일 아침 한꺼번에 재생되었다. 재생용액(regenerant solution)은 농도가 1 lb/gal인 NaCl을 4갤런 사용하였다. 재생용액은 5번만 재사용한 후 버렸다. 즉, 한 재생용액으로 6번 resin 재생을 실시하였다. 매번 사용 후에는, 0.4 kg의 NaCl를 첨가하여 소금물에 용해시켜 염소 이온 농도를 일정하게 유지시켰다.

Table 4. MIEX□ Process Operating Parameters

Figure 4. MIEX□ Pilot Plant Layout

Figure 5. MIEX□ Aerial View

Figure 6. Pilot Unit at Danville, Kentucky

Sampling and Preparation of Samples

결과를 모니터링하기 위하여, 매일 여러 샘플을 취수하여 UV254 흡광도(UVabs)10, 탁도(turbidity)11, 색도(color)12를 분석하였다. 샘플 취수지점은 다음과 같다 :

□ 원수 - pilot plant inlet의 샘플링 포인트에서 취수

□ MIEX□ 처리수 - pilot plant outlet에서 취수 ; 이 샘플은 황산알루미늄을 이용한 jar    test에도 사용된다.

□ Plant water - 전통적인 수처리 후 실험영역내에 있는 plant tap에서 취해진 finished    water.

□ MIEX□/Alum treated - pilot effluent에서 취수한 샘플을 coagulant 주입량을 세 가    지로 달리하여 jar test에서 황산알루미늄으로 응집시켰다. jar test를 수행한 각 샘    플은 현장에서 pH, 탁도, 색도, UVabs를 측정하였다.

매일 모든 샘플의 pH, 색도, UVabs. TOC, DOC, TTHM, HAA를 분석하였고, 그러한 샘플분석은 Summers & Hooper13사에 의해 수행되었다. off-site 분석용 샘플은 보내기 전에 샘플병에 담아서 냉장하여 이송하였다. 게다가, 많은 샘플들의 알카리도와 경도는 CTI가 WTP 실험실에서 적정법을 이용하여 현장분석하였다. 다른 항목들, 즉 황산염, 망간, 철, 염소이온은 HACH 측정방법과 시약, 그리고 DR4000 분광광도계를 이용하여 측정하였다.

Post-MIEX□ Jar Tests

황산알루미늄(alum)을 사용하는 jar test는 시운전 첫 주에는 매일 실시되었으며, 그리고나서 둘째 주에는 격일로 실시되었다. 이러한 테스트는 현재 운영중인 정수장과 DOC 및 DBP 감소정도를 비교할 목적으로, MIEX□로 전처리한 물을 전통적인 coagulation 처리할 때의 효과를 모의실험하기 위한 것이었다. Danville WTP를 위해 개발된 표준 jar test 방법은 다음과 같다:

□ MIEX□ pilot plant outlet에서 물샘플을 5갤런 취수한다,

□ 직사각형 jar에 물샘플 2L짜리 6개를 준비한다,

□ alum 용액을 첨가하여 농도(Al+3) 5 ppm, 7 ppm, 10 ppm짜리로 준비한다,

□ 250rpm에서 45초동안 살짝 교반한 후, 120rpm에서 16.5분, 60rpm에서 10분동안

연속적으로 coagulation/flocculation시킨다,

□ 1 rpm에서 20분동안, 0 rpm에서 10 분동안 연속적으로 침전시킨다,

□ 수면 아래쪽으로 10cm 되는 지점에서 샘플을 취한다.

Resin Activity Tests

이 테스트는 시운전이 진행됨에 따라 resin activity에 어떤 변화가 있는지를 알아보기 위하여 실시되었다. 무기침전물이나 불충분한 재생으로 인해 resin이 부분적으로 유기물에 의해 오염되어서 resin activity가 감퇴될 수도 있다.

activity 테스트는 Danville WTP의 원수에 resin을 4 ml/L 주입하여 표준 MIEX□ jar test를 하여 수행되었다. 물샘플은 지정된 횟수만큼 취수하여 0.45□ GF(glass fiber) filter로 여과하여 UVabs를 측정하였다.

UVabs 결과는 접촉시간을 연장했을 때의 총 UVabs 감소뿐만 아니라, 사용한 resin 샘플들에 의한 UVabs 감소(즉, 유기물 흡착) kinetics를 비교하는데 이용되었다. resin 샘플의 성능차이를 관찰할 수 있는 기회를 최대화하기 위하여, 일반적으로 MIEX□ contactors에서 사용되는 접촉시간(30분)보다 더 긴 접촉시간을 적용하였다.

Raw Water Characteristics

시운전실험을 하는 동안, MIEX□ pilot plant는 Danville WTP와 동일한 원수를 이용하여 나란히 운전되었다. 원수 수질은 다음 Table 5에 나타냈다.

Table 5. Raw Water Characteristics during Trial

TOC and UV254 Absorbance Removal

앞서 서술하였듯이 세 가지 샘플, 즉 원수, MIEX□ 처리수, MIEX□ 처리후 alum 처리한 물의 샘플을 수집하여 MIEX□ /Alum 처리공정 각 단계의 성능을 결정하였다. 이 때 얻어진 결과를 WTP 실험실의 최종처리수라인에서 취수한 물샘플을 분석하여 현재의 WTP 성능과 비교하였다.

TOC 분석결과가 보여주는 바에 의하면, MIEX□ 처리를 함으로써 TOC가 평균적으로 1.5 mg/L(44 % 제거)만큼 제거되어, 평균 TOC가 1.9 mg/L (Graph 4)인 물을 생산했다. 이러한 결과는 재생용액의 재활용으로 인한 resin 성능변화 없이 일관되게 이루어진 것이었다. 비교해보자면, 현재의 처리공정에서는 원수의 TOC를 평균적으로 겨우 26%만 제거하여, 평균 TOC 농도가 2.6 mg/L인 물을 생산한다.

Graph 4. Process TOC Results

MIEX□ 처리 후에 alum 처리를 함으로써 TOC를 추가적으로 조금 더 제거할 수 있었고, 총 TOC 제거에는 평균 2%정도 기여하였다.  흥미있는 사실은, MIEX□로 처리한 물을 alum으로 coagulation처리하였을 때, 그에 상응하는 UVabs 감소가 훨씬 더 컸다 - 평균 21% (Graph 5). 이것은 UV 비흡광도 변화로 설명될 수 있다 (Table 6).

Graph 5: UV254 Absorbance Removal

Table 6. DBP Surrogate Measurements

alum으로 처리한 후에는 TOC가 아주 소량 제거되었지만, 제거된 TOC는 비교적 큰 흡광특성을 가지는 것이었다. 이러한 특성은 보통 고분자량, 고방향성 NOM(천연유기물) 성분과 관계가 있다(Graph 6). 불행하게도, Danville WTP에서 생산되는 물의 UVabs 결과(alum 처리만 함)와는 비교를 할 수가 없었다.

Graph 6. Molecular Weight Profile

DBP Reductions

소독부산물 생성 가능성은 TOC와 UV254 감소결과와 유사한 경향을 나타냈다. 2월 5일 취수한 샘플을 제외하고는, MIEX□ /alum 처리를 하였을 때 EPA Stage 1의 TTHM과 HAA 기준값 이하의 처리수를 일관되게 생산했다. 현 처리공정에서는 그러한 소독부산물에 대한 한계치를 40~60%만큼 시종일관 초과했었다(Graph 7 & 8).  TOC 분석결과로 밝혀졌듯이, 비록 직접 비교할 수 있는 샘플이 2 set뿐이었지만 MIEX□ 처리후에 실시한 alum 처리가 THM과 HAA 감소에 미치는 기여도는 비교적 작았다. 평균적으로, MIEX□ 처리를 하면 현재 정수장에서 생산되는 물에서 THM 생성가능성(32%)보다 HAA의 생성가능성(56%)을 훨씬 크게 줄일 수 있다.

Graph 7: THM Formation Results

Graph 8. HAA Formation Results

Impact on Other Water Quality Characteristics

원수의 pH, 알카리도, 총 경도(total hardness)에 MIEX□ 처리로 인한 두드러진 변화는 없었다 (Graph 9).

Graph 9. pH, Alkalinity, and Total Hardness Results

사실상 MIEX□ 처리로 용존 망간과 철이 감소하지는 않았다(Graph 10 & 11). alum으로 jar test를 한 후에 이들 값은 다소 감소하였는데, 아마도 jar test를 하는 동안 용존되어 있던 철과 망간이 산화 및 침전하였기 때문일 것이다. 이번 시운전실험에서는 철이나 망간이 resin 성능에 어떤식으로 영향을 주었는지에 대한 어떤 지표가 없었다.

Graph 10. Manganese Results

Graph 11. Iron Results

Resin Activity During Trial

resin의 동적성능(kinetic performance)에 대한 테스트는 재생용액의 재사용이나 되돌릴 수 없는 오염으로 인해 resin 성능에 어떤 감퇴가 있는지를 알아보기 위하여 실시되었다. Graph 12에 나타낸 결과는 resin 성능에 약간의 차이가 있었음을 보여준다; 그러나, 어떠한 일관된 감퇴는 전혀 나타나지 않았다. 게다가, 동일한 kinetic test를 다른 pH값에서 재생된 resin 샘플을 가지고 실시하였다 - 즉 brine-only regenerant (pH 8.1)와 caustic-brine(pH 10.1)에서 resin을 각각 재생함. 그 결과(Graph 13)는 resin 성능에 어떠한 차이가 없음을 나타내고 있다. 즉 재생용액의 pH를 다르게 하여도 감지할 수 있을 만한 차이가 없었다. pilot plant contactor에서 샘플링한, 수처리에 사용된 resin에서 얻은 kinetic test 결과는 비교용으로 이용된다. 예상했던대로, 사용된 resin의 capacity는 contactor에서 TOC를 흡착한 후에 줄어들었다.

Graph 12. Resin Kinetic versus Regenerant Reuse

Graph 13. Comparison of Brine Only versus Caustic Brine Regeneration

이 실험에서 MIEX□ resin에 의한 황산이온 제거는 일관성이 없었다(Graph 14). 이 황산 음이온은 resin 표면의 활성부위에서 DOC와 경쟁반응을 할 수도 있다. 경쟁반응정도는 DOC의 특성에 의해 좌우된다. 이번 실험에서, 실험내내 DOC 제거는 꽤 일관성이 있었지만 황산이온은 그렇지 않았기 때문에, Danville 정수장의 원수에 존재하는 DOC는 황산이온보다 우선적으로 제거되었다. 황산이온 제거가 저조한 것은 brine regenerant중에 황산이온이 증가하는 것과 관련이 있을 수 있는데, 그것은 결국 재생공정에서 황산이온이 제거되지 않기 때문일 것이다. 만일 이 물에서 DOC가 황산이온보다 우선적으로 반응한다면, resin을 원수로 돌려보낼 때 resin에 여전히 남아 있던 황산이온이 DOC와 교환될 것이고, 결과적으로 원수중의 황산이온 양이 다소 증가하게 될 것이다. MIEX□/Alum 처리후의 황산이온 양은 정수장의 물에 존재하는 양보다 적었다. 왜냐하면 MIEX□로 전처리를 한 후에 alum 투입량이 두드러지게 감소하였기 때문이다.

MIEX□ 처리는 생산된 물의 염소이온을 다소 증가시켰다. 제거될 TOC와 황산이온이 염소이온과 이온교환을 하면서 resin에서 떨어지기 때문이다.

Graph 14. Sulfate Results

Estimated MIEX□ Process Operating Costs for Danville WTP

시운전 결과에 근거하여 추정한 대략적인 운영비는 다음과 같다 :

Table 7. MIEX□ Process Operating Cost Estimate

Conclusions

MIEX□ process의 연속적인 운영은 다음과 같은 최적 운영파라미터에서 성공적인 것으로 증명되었다 :

□ Resin의 농도 6 ml/L,

□ 접촉시간 30 분,

□ 재생율(Regeneration Rate) 10 %,

□ Brine regenerant의 재사용 횟수 5 회,

□ 탁도 제거를 위한 alum 주입량 5 mg/l,

□ 대략적인 운영비 $0.14/1000gal.

2001년 1월 29일부터 2001년 2월 13일까지 실시된 이 시운전실험을 통하여 내린 주요 결론은 다음과 같다 :

□ MIEX□ resin의 TOC 제거율(평균 46 %)은 기존의 Danville WTP(평균 26 %)와 비    교할 때 현저히 높았다.

□ MIEX□로 전처리를 함으로써 alum 주입량을 기존정수장(35 mg/l)과 비교할 때       5mg/l까지 줄일 수 있었고, 반면에 TOC 제거율은 더 좋아졌다.

□ 결합형의 MIEX□ /alum 처리체제로 처리수에서의 THM과 HAA 생성가능성이 기존    정수장에 비해 현저히 감소했다. 단 하루의 샘플을 제외하고는, MIEX□/alum 처리    로  THM과 HAA 생성가능성이 EPA Stage 1 limits 이하로 현저하게 감소했다. 기    존 정수장 처리수의 DBPs는 항상 EPA Stage 1 limits를 초과했었다.

□ MIEX□ 처리로 현재 정수장의 THM 생성가능성(32 % 감소)보다 HAA 생성가능성    (56 % 감소)이 훨씬 더 많이 줄었다. 이러한 데이터는 이 정수장이 일반적으로     EPA Stage 1 TTHM limit는 충족시키지만 HAA limit는 충족시키지 못하기 때문에    매우 용기를 북돋우어 주는 것이라 할 수 있다.

□ 시운전 실험을 하는 동안 TOC 제거율은 일관성이 있었으며, 이것은 원수의 특성    으로 인해 resin에 회복불능의 오염이 생기지 않는다는 것을 보여주었다.

Acknowledgements

필자는 이 연구와 관련하여 샘플의 분자량 측정을 원조해준 Dr. Gary Amy, 그의 제자인 박사과정학생 Nohwa Lee, 그리고 콜로라도 대학에 감사를 전하고 싶다. 그리고 Coldiron Watkins Memorial Water Treatment Plant 직원들에게도 감사를 드린다. 수처리법을 향상시키기 위해 성심껏 도와주고 헌신해준 모든 사람들, 즉 Luther Galloway, Ted Croushorn, Scott Whitis, Tom Crawford, Jamie Sewll, Charlie Lawson, Danny Neeley, James Atkins, Keith Hamm에게도 감사를 드린다. 또한 Kentucky 및 Ohio 지역담당 MIEX□ 공급처인 H.M. SAMCO.의 Ken Matthews에게도 감사드린다.

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1 U.S. Environmental Protection Agency, National Primary Drinking Water Regulations:   Information Collection Rule, Federal Register 40 CFR 141/Vol. 61, No. 94 (May 1996).

2 U.S. Environmental Protection Agency, National Primary Drinking Water Regulations;

Disinfectants and Disinfection Byproducts, Federal Register 40 CFR Parts 9, 141, 142/Vol. 63. No. 241 (December 1998).

3 U.S. Environmental Protection Agency, Disinfection Profiling and Benchmarking Guidance Manual, EPA 815-R-99-013, (August 1999).

4 ORICA Watercare Inc., 9781 S. Meridian Boulevard Suite 400, Englewood, CO 80112. 303-268-5282

5 Commonwealth Technology, Incorporated, a Tetra Tech Company, 2526 Regency Road, Lexington, KY 40503. 800-467-3091.

6 U.S. Environmental Protection Agency, Enhanced Coagulation and Enhanced Precipitative Softening Guidance Manual, EPA 815-R-99-012 (May 1999).

7 U.S. Environmental Protection Agency, Clean Air Act: 40 CFR 68: Accidental Release Prevention Requirements: Risk Management Program, Section 112(r)7.

8 MIOX□ Corporation, 12316 W. 101 Terrace, Kansas 66215. 913-307-9272

9 http://www.miox.com/MIOX-process/lowerdbpmiox_process.html

10 American Public Health Association, American Water Works Association, Water Environment Federation, Standard Methods: For the Examination of Water and Wastewater. 20th Edition 1998, 5910 B. Ultraviolet Absorption Method.

11 American Public Health Association, American Water Works Association, Water Environment Federation, Standard Methods: For the Examination of Water and Wastewater. 20th Edition 1998, 2130 B. Nephelometric Turbidity Method.

12 American Public Health Association, American Water Works Association, Water Environment Federation, Standard Methods: For the Examination of Water and Wastewater. 20th Edition 1998,2120 C. Spectrophotometric Color Method.

13 Summers & Hooper, Inc., 6 Knollcret Drive, Cincinnati, OH 45237, 513-679-2201.