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정수 (물)

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일본 도쿄도 가쓰시카구에 위치한 가나마치 정수장

정수(淨水, 영어: water purification)는 물을 깨끗하게 하는 과정이나 깨끗하게 한 물을 가리킨다. 특정한 목적을 맞게 물을 생산하는 것이 목적이다.[1] 대부분의 물은 인간이 소비(음료)하기 위하여 정화하지만, 이 밖에도 정수 과정은 의학, 약리학, 화학, 산업 목적과 같은 다양한 목적으로 시행한다. 이와 비슷한 용어로, 거름종이나 여과기(water filter)로 말미암아 액체 속에 남아있는 침전물을 걸러내는 여과가 있다.

마실 수 있는 물의 품질에 대한 표준은 국제 표준이나 정부가 정립해 놓는다. 이러한 표준은 일반적으로 물을 이용할 수 있는 최소 제한과 최대 제한을 정해놓고 있다. 물을 정화하는 과정을 실생활에서 쉽게 볼 수 있는 예로 가정과 사무에서 쓰이는 정수기(淨水器, water purifier)가 있다.

공공 수도에서의 정수 과정

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공공 수도에서는 수원으로부터 취수되어, 정수지로 도수되어 온 원수(原水)를 물리적, 화학적 처리를 통해 정수하게 된다. 보통의 공공 수도에서는 착수정→응집→약품 침전→급속 여과→소독(염소, 오존)의 순서를 거쳐[2] 정수가 진행된다. 완속 여과 시에는 착수정→보통 침전→완속 여과→소독의 순서로 정수가 진행된다.[1]

응집

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응집이란 응결된 입자가 가교 현상에 의해 서로 결합하는 것을 말한다.[3] 대표적인 응집제로 황산 알루미늄(Al2(SO4)3, 상하수도 공학에서는 명반으로 취급하기도 한다)이 있다. 그 외 기타 응집제로는 염화 제 2철(FeCl3), 황산 제 1철(Ferrous Sulfate; FeSO4·7H2O), 황산 제 2철(Ferric Sulfate; Fe2(SO4)3) 등이 있다. pH 조절을 위해 첨가하는 물질로는 탄산 나트륨(Na2CO3)이 있다.

최적의 응집제량을 찾기 위해 약품 교반 시험(Jar Test)를 실시한다.[4]

침전지

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침전 속도

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모든 입자가 100% 제거되는 침전 속도를 v0이라 하면, 침전 속도를 다음 식으로 나타낼 수 있다. 침전 속도는 표면적 부하율과 같은 값이다.[5]

Q : 유량
A : 침전지 면적
 : 침전지의 깊이(유효 수심)
t : 침전지 체류 시간(침전 시간)

침전 제거율

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침전 제거율(E)는 다음 식으로 구한다.[6]

 : 독립 입자의 침강 속도

여과지

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여과지는 완속 여과지와 급속 여과지로 분류한다. 여과지의 면적을 A라고 하면, 계획 정수량 Q와 여과 속도 v와의 관계는 아래와 같다.[7]

  • 완속 여과지 : 보통침전지를 통과한 침전수를 모래 여과하여 물을 정화하는 시설을 말한다. 모래층 표면에 배양한 미생물에 의해 유기물을 제거한다. 완속 여과는 표면 여과 작용을 한다. 모래의 유효경은 0.3~0.45mm인 모래를 사용하고, 70~90cm 두께로 설치한다. 모래의 최대 입경은 2.0mm이하이고, 균등 계수는 2.0 이하로 한다. 여과 속도는 4~5m/day이다. 탁도가 낮은 물의 정화에 사용한다. 급속 여과지에 비해 건설비가 많이 든다.[7] 급속여과에 비해 일반적으로 수질이 좋다.[8]
급속여과지


  • 급속 여과지 : 약품 응집 및 침전을 시킨 침전수를 모래 여과하여 물을 정화하는 시설을 말한다. 전처리로 반드시 응집 침전이 요구된다. 모래의 유효경은 0.45~0.7mm인 것을 60~70cm 두께로 사용하고, 0.9~1.1mm의 범위의 모래인 경우에는 90~100cm 두께로 설치한다.[9] 균등 계수는 1.7 이하인 것을 사용한다. 여과 속도는 120~150m/day이다. 탁도가 잘 제거되며, 여과지 면적이 완속 여과지에 비해 작으므로 건설비가 저렴한 장점이 있다.[10]

소독

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상수도 시스템에서 소독은 수인성 질병을 예방할 수 있다는 점에서 필수적인데, 그 중 염소를 이용한 소독(Chlorination)이 가장 보편적으로 여겨진다.[11] 염소 소독은 전염소 처리(prechlorination), 중간 염소 처리, 후염소 처리가 있다.[12]

물에 염소를 주입하는 과정에서 HOCl, OCl-가 발생하는데, HOCl는 OCl-보다 강력한 살균 효과를 가지고 있다. 염소 소독은 가격이 저렴하고 소독 효과가 탁월하며, 잔류 효과가 있어 수도관을 통해 공급될 때에도 생물학적 오염을 방지할 수 있다는 장점이 있으나 처리 과정에서의 부산물(Disinfection by-products, DBPs)로 트리할로메탄(THM)이 발생할 수 있다.[13] 트리할로메탄은 암의 발생에 있어 결정적인 작용을 하는 것은 아니지만, 생리 및 임신 기간의 이상과 그로 인한 조산, 태아의 성장 및 선천적인 기형, 정자의 품질 저하와 같이 생식계통 이상을 초래할 가능성이 있다고 여겨진다.[14]

전염소 처리(prechlorination)는 소독작용이 아닌 산화, 분해 작용을 목적으로 침전지 이전에 염소를 투입하는 정수 처리 과정이다. 조류, 세균, 암모니아질소, 아질산성 질소, 황화 수소(H2S), 페놀류, 철, 망간, , 냄새 등을 제거할 수 있다.[12]

정수를 위해 염소를 투입하면 염소가 살균과 산화에 소비된다. 이때 소모되는 염소의 양을 염소 요구량이라고 하고, 다음 식으로 구한다.[15]

염소 주입량 농도 =
염소 요구 농도 = 염소 주입량 농도 ― 잔존 염소 농도

잔존염소는 소독이 끝난 정수에 염소가 남아 있는 것이다. 이렇게 하면 수돗물이 수도관을 타고 이동하면서 발생할 수 있는 작은 오염에 저항할 수 있게 된다.[16]

고도 정수 처리

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일반적인 정수 처리 과정만으로 먹는 물 수질 기준을 확보할 수 없을 때, 추가적으로 실시하는 정수 처리 과정을 고도 정수 처리라고 한다. 대표적으로 오존(O3) 처리법, 활성탄 처리법 등이 있다.

  • 오존 처리법 : 장점은 염소 소독에 비해 처리된 물에 맛과 냄새가 남지 않으며, 물에 트리할로메탄(THM)과 같은 화학물질을 남기지 않는다는 점이 있다. 단점으로는 지속 시간이 짧아 잔류 효과가 없으며 경제성이 낮다는 점이 있다.
  • 활성탄 처리법 : 활성탄을 통해 오염 물질을 흡착시켜 제거하는 방법이다. 입상 활성탄(Granular Activated Carbon; GAC)과 분말 활성탄(Powdered Activated Carbon; GAC) 처리법 두 가지로 나뉜다. 맛, 냄새, 색도 제거에 효과적이다. 염소 소독으로 인한 트리할로메탄(THM)도 제거할 수 있다.[17]

정수 시설의 설계

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정수 시설 설계에 이용되는 기준량은 일 최대 급수량이다.[2]

같이 보기

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외부 링크

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각주

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  1. 노재식, 한웅규 & 정용욱 2016, 15쪽.
  2. 노재식, 한웅규 & 정용욱 2016, 155쪽.
  3. 노재식, 한웅규 & 정용욱 2016, 157쪽.
  4. 노재식, 한웅규 & 정용욱 2016, 158-159쪽.
  5. 노재식, 한웅규 & 정용욱 2016, 164쪽.
  6. 노재식, 한웅규 & 정용욱 2016, 165쪽.
  7. 노재식, 한웅규 & 정용욱 2016, 169쪽.
  8. 노재식, 한웅규 & 정용욱 2016, 174쪽.
  9. KDS 57 55 00 :2017 정수시설 설계기준. 7.6 여과층의 두께와 여재
  10. 노재식, 한웅규 & 정용욱 2016, 169-170쪽.
  11. Iro et al. 2020, 2쪽
  12. 노재식, 한웅규 & 정용욱 2016, 175쪽.
  13. 노재식, 한웅규 & 정용욱 2016, 176쪽.
  14. Cristina M. et al 2015
  15. 노재식, 한웅규 & 정용욱 2016, 177, 180쪽.
  16. 이종형 외. 《상하수도 공학》 4판. 구미서관. 181쪽. 
  17. 노재식, 한웅규 & 정용욱 2016, 182-186쪽.

참고 문헌

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추가 문헌

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  • Masters, Gilbert M. Introduction to Environmental Engineering. 2nd ed. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 1998.
  • United States EPA Ground and Drinking Water Homepage. EPA Ground and Drinking Water Homepage Visited 12/13/05