먹는물에 대한 소독목표는 먹는물에 관한 수질기준과 최근에 공포된 미생물 관리를 위한 정수처리 기준에 관한 규정에 설정되어 있다. 먹는물에 관한 수질기준은 정수장에서 준수하여야 할 미생물 항목 기준으로 일반세균(100#/1ml 이하)과 대장균군(불검출/50ml)이 있으며, 미생물 관리를 위한 정수처리 기준에 관한 규정에서는 원수중의 바이러스(virus)를 99.99%, 지아디아(Giardia)를 99.9% 제거하도록 정하고 있다.
현재로써는 바이러스와 지아디아에 대한 기준만이 설정되어 있으나 추후에는 크립토스포리듐(Cryptosporidium)에 대한 소독기준이 설정될 수 있다. 또한 원수중의 미생물 분포와 정수처리로 인한 제거효율에 대한 지속적인 조사 후에 바이러스와 지아디아에 대한 제거목표가 상향 조정될 가능성도 있다. 정수장은 일단 건설된 후에는 소독목표가 조정된다고 해서 쉽게 확충될 수가 없으므로 미리 소독기준의 상향 조정시를 대비하여 확장이 용이하도록 설계되어야 한다.
소독능 산정
상수도시설기준에서는 수도전에서 0.2mg/L의 유리잔류염소나 1.5mg/L의 결합잔류염소가 유지되도록 규정하고 있다. 국내 소독기준 중 배수관망에서 잔류염소가 0.2mg/L로 유지되는 것은 미생물의 침투와 재성장을 방지하는데 유용한 수단일 수 있지만 정수장에서 달성하여야하는 필요소독능을 충분히 만족시켜 주는 것과는 별개의 개념이다. 또한 대장균군 또는 일반세균은 지아디아(Giardia)나 크립토스포리듐(Cryptosporidium)보다 소독제에 대한 내성이 약하기 때문에 대장균과 일반세균의 사멸 또는 억제가 수인성 병원미생물의 불활성화를 대표하지는 못한다.
소독은 물속의 미생물이 질병을 일으키지 못하도록 하는 것으로 물속에 존재하는 모든 미생물을 사멸(sterilization)시키는 것이 아니라 물속의 병원성 미생물의 위험을 제거하는 정도까지의 소독이 필요하게 되는데 이를 필요소독능이라 한다. 물속의 미생물이 사멸되는 속도는 Chick-Watson식에 의하면 다음과 같다.
ln N / N0 = -k * C^n승 * T
N : t시간에서의 미생물 숫자 또는 농도
N0 : 초기 미생물 숫자 또는 농도
k : 속도상수(소독제, 미생물, 수질의 특성)
C : 소독제의 농도
n : coefficient of special lethality
t : 시간
위의 식에서 n은 소독제와 pH와의 함수이며 일반적으로 1.0에 근사하게 된다. 따라서 물 속의 미생물 농도는 C·T값에 비례하여 지수함수식으로 감소하는 특성을 나타낸다. 이러한 C·T 개념은 정수장에서 달성하여야 하는 필요소독능의 기본개념이 된다. 즉, 대상 병원성 미생물을 목표 수준까지 감소시킬 수 있도록 정수장의 C·T 목표값이 결정되는 것이다.
필요소독능이 결정되기 위해서는 소독의 목표 미생물이 우선 선정되어야 한다. 현재의 기준으로는 지아디아가 염소소독에 대한 내성이 가장 강하므로 염소소독만을 하는 정수장에서는 지아디아가 목표 미생물로 선정될 수 있다. 지아디아는 정수처리를 통한 목표제거율이 3 Log(99.9%)이지만 여과공정에서 2.5 Log가 제거될 수 있다고 인정되고 있으므로 소독공정은 0.5 Log의 제거를 목표로 설계될 수 있다. 염소소독은 또한 원수의 pH에 의하여 소독능에 많은 영향을 받으므로 연간 원수의 유입 pH 중에서 가장 높은 값이 선정된다. 수온 역시 염소의 소독능과 미생물의 생존율에 영향을 미치므로 년간 최저수온이 선정된다. 이와 같이 환경조건이 선정된 후에 염소를 사용하여 지아디아를 최저수온과 최고 pH에서 0.5 Log 제거할 수 있는 CT값이 선정된다. 선정된 CT 값을 정수지 유출부에서의 잔류염소 농도로 나눈 값이 정수지가 유지하여야 할 체류시간(T10)이 된다.
T10 값의 산정
일반적으로 정수지에서 C·T의 T값은 정수지 평균 체류시간이 사용되는 것이 아니라 T10이 사용된다. 이는 정수지 소독기능이 과도하게 평가되는 것을 방지하기 위함이다. 정수지에서 T10은 추적자 실험을 통한 F Curve로부터 선택되며, Tracer가 무게비로 10% 유출되었을 때 시간을 의미한다. 이러한 설정은 소독제가 투입되었을 때 소독제의 90%가 아직 물 속의 미생물과 접촉하며 소독기능을 발휘하는 시간을 의미한다. 정수장의 필요소독능이 정확히 산정되기 위해서는 T10값은 추적자를 이용하여 결정되어야 하지만 자금, 인력, 설비 등의 부족으로 추적자 실험이 수행되기 어려운 경우에는 T10 결정을 정수지의 개략적인 구조와 수리학적인 체류시간에 의하여 산정될 수 있다. 즉, 정수지의 길이와 폭의 비, 조 내의 도류벽 설치유무, 유입구 도류벽과 유출방향의 웨어 배열의 효과 등이 영향을 미친다. 아래 <표1>은 미국 EPA에서 정류벽에 따라 T10과 평균 체류시간 T의 비(T10/T)를 나타낸다. 도류벽이 있으면 없는 것에 비하여 T10/T 값이 크게 증가하는 것을 볼 수 있다.
미국 OEPA(Ohio Environmental Protection Agency)에서는 USEPA와는 별도로 값을 정수지 구조, 수리조건, 운영변수에 따라 <그림1>과 같이 제시하였다. 값은 T10/T 값과 같은 것으로 T10 = T = (V/Q) 이다.
여기서 V는 정수지 체적, Q는 유량, 그리고 0 1은 “유효체적 factor”라고 불리는 무차원 값이다. 이상적인 flow에서는 <그림1>에서처럼 도류벽이 없는(unbaffled) 정수지는 유입부와 유출부의 분리정도에 따라 0.0∼0.2의 값을 갖고, 도류벽이 있는(baffled) 정수지는 장폭비(L:W)에 따라 0.2∼0.6의 값을 갖는다. 미국 OEPA의 값은 USEPA의 T10/T 값과 다소 상이한 값을 제시하고 있다. 설계자는 USEPA의 값이나 OEPA의 값을 도류벽 설치상황에 따라 적합한 값을 취사선택할 수 있다.
지아디아 불활성에 필요한 CT값의 보장
소독기준은 항상 달성되어야 하므로 최악의 조건이 고려되어 CT값이 결정되어야 한다. 지아디아를 목표미생물로 한 설계개념은 다음과 같다.
겨울철 낮은 온도(0.5 )와 pH(8.0)를 선정할 때의 C·T값을 평가한다. 만족시켜야 하는 C·T10값은 유리잔류염소와 접촉시간의 함수이므로, <표2>에서 정수지 유출수의 잔류염소를 1.0mg/L, pH 8, 0.5-log 지아디아 불활성화를 위해 필요한 C·T10값은 51이 된다.
정수지에서 정수지 유출수 잔류염소를 1mg/L로 유지한다고 가정하면 T10값은 51분이다. USEPA의 Guidance Manual에 따라 도류벽이 설치된 정수지의 계수인 0.5의 값이 부여되면 설계되어야 할 이론적 체류시간(T=T10/0.5)은 102분(1.7시간) 정도로 설정될 수 있다. 그러므로 겨울철 낮은 온도(0.5 )에서 여과수의 pH 8, 잔류염소 1.0mg/L가 유지된다면 0.5 Log의 지아디아를 제거하기 위해서는 최저수심에서 102분의 체류시간이 제공되어야 한다. 최저수심은 시간 최대유량에서 발생되는 경우가 많으므로 겨울철 시간최대유량의 1.7배(102분 용량)가 정수지 최저용량으로 설계되어야 한다. 여기에 운전유량으로 일평균 유량의 1시간분이 추가되어 정수지의 용량으로 설정되면 무난하다고 할 수 있다. 마찬가지로 각 계절별로 수온, pH, 잔류염소농도가 감안되어 0.5 Log의 지아디아가 제거될 수 있는 정수지 최소용량이 구하여지고 각 계절별 일평균 유량의 1시간분이 추가되어 정수지의 용량이 설정된 후에 계절별 정수지 용량 중에서 가장 큰 값으로 정수지의 용량이 결정되도록 한다.
현재 한국수자원공사에서 운영하고 있는 정수장별 정수지의 유출부 잔류염소 농도는 <표3>와 같다.
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