토목기사 요약/상하수도 공학/정수장 시설

정수장 계획

계획정수량은 일 최대급수량 기준.(03, 14-3)
급속여과: 응결 - floc 형성 - 침전 - 급속여과 - 살균(96, 02)
일반적인 정수과정: 스크린 - 응집침전 - 여과 - 살균(05, 08, 11, 19-3)
일반적인 상수처리 계통: 취수 - 착수정 - 침전지 - 여과지 - 소독설비 - 배수지

정수방법 선정 시 고려사항(15-1)

원수 수질
수질관리 목표
정수시설 규모
~~도시발전 상황, 물 사용량~~

착수정 및 응집 시설

착수정

16-4

체류시간 : 1.5분 이상
수심 : 3–5m

응집시설

명반 상수 침전 시 응집조에서 완속교반 하는 이유는 floc 크기를 증가시키려고.(95)
w:황산 알루미늄(Al₂(SO₄)₃) (=황산반토) 수용액은 강산성. 철염에 비해 생성 floc이 가벼움. 적정 pH 폭 좁음.(5.5–8.5) (96)
기타 응집제 : 염화 제 2철(FeCl₃), 황산 제 1철(Ferrous Sulfate; FeSO₄·7H₂O), 황산 제 2철(Ferric Sulfate; Fe₂(SO₄)₃) 등
약품 침전 시 점토같은 콜로이드를 넣는 이유는 콜로이드 농도를 올려 응집효율을 높이기 위해서이다.
알칼리제(pH 조절제): 탄산 나트륨(Na₂CO₃ = 소다회)(00, 15)
보조제: 활성 규산(00, 15)
현탁성 THM 전구물질은 응집침전 제거(13-1)

Jar test

Jar test에서 급속교반 후 완속교반하는 이유(04, 07, 09-1, 13-1, 18-1)

플록을 깨뜨리지 않고 성장시키기 위해

교반기 속도경사(00)

$G={\sqrt {\frac {P\eta }{\mu \cdot V}}}$ [sec⁻¹]

P: 축동력(W)
η: 효율
μ: 점성계수(kg/m s)
V: 응집지 부피(m³)

08-3, 14-1

원수 200mL에 0.1% PAC 용액 12mL 첨가하는 것이 응집효율이 가장 좋다. 원수에 대해 PAC 용액 사용량은 몇 mg/L인가?

농도(mg/L)를 묻는 문제.

1mL = 1g = 1000mg이므로

${\frac {12\times 1000mg\times 0.001}{200\times 10^{-3}L}}=60mg/L$

13-2, 19-3

원수 알칼리도와 탁도가 어떤 값일 때 황산알루미늄 소비량이 60ppm이다. 원수 48000m³/day일 때 6% 황산알루미늄 용액의 1일 필요량은? 액체 비중은 1이다.

${\begin{aligned}60ppm=60mg/L&={\frac {60\times 10^{-9}t}{10^{-3}m^{3}}}\\&=60\times 10^{-6}t/m^{3}\\\end{aligned}}$

${\begin{aligned}60\times 10^{-6}t/m^{3}\times 48000m^{3}/day&=2.88t/day\\&=2.88m^{3}/day\\\end{aligned}}$

이건 희석된 용액 아닐 때고, 6% 용액을 넣는거니까 양이 실제로 들어가는 것보다 줄어든 것이다. 원래 양을 x라 하면

$x\times 0.06=2.88m^{3}/day$

x = 48m³/day

침전지

침전지 종류: 보통, 약품 침전지

보통침전지: 침전시간 8시간 표준.(02)
약품침전지: 완속 여과지 전처리로는 사용하지 않음. 급속 여과지의 전처리용. 4시간 전후 침전.
고속 응집 침전지 : 혼화, 플록형성, 침전이 하나의 반응조 내에서 이루어지는 침전지(00, 13)

침전 이론

계산 문제 99, 01, 05, 13-1

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

v_{0}={\frac {Q}{A}}={\frac {h_{0}}{t}}

Q : 유량

A : 침전지 면적

h_{0}

: 침전지의 깊이(유효 수심)

t : 침전지 체류 시간(침전 시간)

스토크스의 법칙

스토크스 법칙 기본 가정: 입자 크기 일정, 구형. 물 흐름은 층류상태.(01)

입자의 침전속도 (15-1)

$v={\frac {g(\rho _{s}-\rho )d^{2}}{18\mu }}$

ρ_s : 입자 밀도
ρ : 유체 밀도
μ : 유체 점성계수
d : 입자의 직경

1. 00

침사지 직경 0.01mm 토립자 침강 속도가 0.008cm/s일 때 같은 침사지에 밀도가 같고 토립자 직경이 0.02mm인 토립자의 침강 속도는?

풀이

$v={\frac {g(\rho _{s}-\rho )d^{2}}{18\mu }}$

직경 제외 모든 조건이 같다. 따라서 v와 d의 관계만 보면 된다.

$v_{1}:d_{1}^{2}=v_{2}:d_{2}^{2}$

알맞는 값을 대입하면 v₂ = 0.032cm/s

18-3

침전지 내 비중 0.7인 입자의 부상속도 V, 비중이 0.4인 입자 부상 속도는?(다른 조건은 모두 동일)

${\frac {V_{0.4}}{V_{0.7}}}={\frac {1-0.4}{1-0.7}}$

침전 제거율

00, 13-1

$E={\frac {v_{s}}{v_{0}}}={\frac {v_{s}}{\frac {Q}{A}}}={\frac {v_{s}}{\frac {h_{0}}{t}}}$

$v_{s}$ : 독립 입자의 침강 속도

침전조에 경사판 설치 시 침전조 수표면적 증가량

12-3

$A'={\text{경 사 판 넓 이 }}\times \cos({\text{경 사 각 }})$

침전효율 증가율

${\frac {A+A'}{A}}\times 100(\%)$

여과지

95 - 외울 것 없이 원리 알고 Q = AV로 풀면 됨!!

${\text{여 과 지 소 요 면 적 }}(m^{2})={\frac {{\text{계 획 1일 최 대 급 수 량 }}(m^{3}/day)}{{\text{여 과 속 도 }}(m/day)}}$

${\text{여 과 지 수 }}={\frac {\text{여 과 지 소 요 면 적 }}{\text{1지 당 면 적 }}}$

♣♣ 03, 11, 14-2, 14-3, 15-2, 16-4, 19-2

완속, 급속여과지 요약표
		완속여과지	급속여과지
모래층	유효경	0.3–0.45mm	0.45–0.7mm	0.9–1.1mm
	최대입경	2mm
	두께	70–90cm	60–70cm	90–100cm
	균등계수 C_u	2 이하	1.7 이하(1에 가까우면 탁질억류)
여과속도		4–5m/day	120–150m/day

완속 여과지

보통침전지를 통과한 침전수를 모래 여과하여 물을 정화하는 시설을 말한다.

99, 13-3, 14-3, 19-2

모래층 표면에 배양한 미생물에 의해 유기물을 제거한다.
완속 여과는 표면 여과 작용을 한다.
탁도가 낮은 물의 정화에 사용한다.
급속 여과지에 비해 건설비가 많이 든다. 면적이 많이 필요 급속여과에 비해 일반적으로 수질이 좋다.
모래 여과 시 수두손실에 영향을 주는 인자: 여과속도, 모래층 두께, 물의 점성도

구조, 형상

16-1

깊이 : 하부집수장치 높이에 자갈, 모래층 두께, 모래면 위 수심과 여유고를 더해 2.5–3.5m를 표준으로 함.^[1]
형상 : 직사각형 표준
배치 : 1–2열
주위벽 상단은 지반보다 15cm 이상

급속 여과지

약품 응집 및 침전을 시킨 침전수를 모래 여과하여 물을 정화하는 시설을 말한다.

98, 13-3, 14-3, 18-2, 19-2

전처리로 반드시 응집 침전이 요구된다.
탁도가 잘 제거되며, 여과지 면적이 완속 여과지에 비해 작으므로 건설비가 저렴한 장점이 있다.
원수가 고농도 현탁물일 때는 급속여과가 유리. 손실수두 큼.

99, 02

1지의 여과면적은 150m² 이하
지수는 예비지 포함 2지 이상

급속여과 순서: 부수압 - airbinding - scour - 탁질누출현상(00)
- airbinding : 부수압이 됐을 때 물 속의 공기가 기포가 되어 모래층 공극에 남는 현상. 이후 모래의 공극이 줄어들며 모관 내를 흐르는 물의 유속이 빨라짐.
- scour : 유속이 어느 한계를 넘으면 모래에 붙어있던 탁질이 세류(scour)됨
- 탁질누출현상 : 여재층 속의 floc이 파괴되어 여과수와 같이 누출.
표면세정 목적: 여층 내 교상물질로 된 mud-ball 현상 저하(00)
- mud ball 현상 : 여과가 어느정도 진행되면 여재 표면에 각종 오염물질로 인한 덩어리가 형성되어 여과를 어렵게 만드는데 이걸 mud ball 현상이라 함.
막 여과 시설 약품세척 중 무기물질 제거에 쓰이는 약품 : 염산, 황산, 구연산(16-2, 19-3)
막 여과 공법 중 금속 이온, 염소 이온(염화나트륨 93% 이상 제거) 제거 가능한 공법 : 역삼투법(16-2)

다층 여과지

13-1

모래 단층 여과지에 비해 여과속도 큼
탁질 억류량에 대한 손실수두 적음. 여과 지속시간 길다.
수류 방향에서 여재 입경 큰 것으로부터 작은 것으로 역입도로 여과층 구성함.

염소 소독

살균력 순위: 오존 > 차아염소산(HOCl) > 차아염소산이온(OCl⁻) > 클로라민(NH₂Cl, NHCl₂) (00, 10, 14-1, 14-2)
수온 높고 pH 낮으면 살균력 좋음(12-3)
- 클로라민(NH₂Cl, NHCl₂) : 암모니아와 염소가 결합 시 생성(14-2). 이런 걸 결합염소라 부름.^[2] 유리염소(차아염소산, 차아염소산 이온)보다 살균작용 오래 지속.
급수관 잔류염소는 0.2ppm 이상 유지되어야 함.(00, 10)

불연속점(파괴점, breakpoint) 염소주입에 의해 파괴점 이후 일어나는 현상 : 살균작용이 비로소 활발히 시작
염소 소독은 가격이 저렴하고, 잔류 효과가 있으며, 소독 효과가 완전하다는 장점이 있다.
단점으로는 트리할로메탄(THM)이 생김.

전염소 처리

07, 09, 13-1, 14-3, 19-1

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

중간염소처리

18-2

침전지와 여과지 사이에 하는 염소처리

후염소 처리

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

01, 08, 14-3, 15-2

염소 주입량 = 염소 주입량 농도 × 유량

염소 요구 농도 = 염소 주입량 농도 ― 잔존 염소 농도

${\begin{aligned}{\text{염 소 요 구 량 }}&={\frac {\text{염 소 요 구 농 도 }}{\text{염 소 의 순 도 }}}\times {\text{유 량 }}\\&={\frac {{\text{염 소 주 입 량 농 도 }}-{\text{잔 존 염 소 농 도 }}}{\text{염 소 의 순 도 }}}\times {\text{유 량 }}\\\end{aligned}}$

잔존염소는 소독이 끝난 정수에 염소가 남아 있는 것이다. 이렇게 하면 수돗물이 수도관을 타고 이동하면서 발생할 수 있는 작은 오염에 저항할 수 있게 된다.^[3]

정수지

18-1

정수를 저류하는 탱크. 정수시설 중 최종 단계
정수지 상부는 반드시 복개(덮어야)해야 함.
유효수심 3 ~ 6m
정수지 바닥은 저수위보다 15cm정도 낮게 한다.

고도 정수 처리법

일반적인 정수 처리 과정만으로 먹는 물 수질 기준을 확보할 수 없을 때, 추가적으로 실시하는 정수 처리 과정을 고도 정수 처리.

물이 너무 더러운 경우 조류처리, 전염소처리도 사용할 수 있다.(95)
상수 원수 중 암모니아 처리법: 폭기방법, 염소주입, 생물활성탄(00)
색도 제거법: 오존처리, 활성탄 처리, 응집침전 처리(01, 09, 16-2)

오존 처리법

장점은 염소 소독에 비해 처리된 물에 맛과 냄새가 남지 않음
트리할로메탄(THM)과 같은 화학물질을 남기지 않음.
폭기효과.
맛 냄새 제거.
철, 망간 산화능력 큼.
유기물 생분해성 증가.
단점으로는 지속 시간이 짧아 잔류 효과가 없으며 염소살균보다 효율 떨어짐.
처리 비용 염소보다 비쌈.

활성탄 처리법

13-1, 19-2

활성탄을 통해 오염 물질을 흡착 제거.
입상 활성탄(Granular Activated Carbon; GAC)과 분말 활성탄(Powdered Activated Carbon; PAC)로 나뉜다.
맛, 냄새, 색도 제거에 효과적.
염소 소독으로 인한 트리할로메탄(THM)도 제거 가능.
음이온 계면활성제 제거 가능.

Freundlich 등온식(식은 제시해줌)

12-3

${\frac {X}{M}}=KC^{\frac {1}{n}}$

$X={\text{원 수 COD 농 도 }}-{\text{주 입 후 COD 농 도 }}(C)$
M : 주입한 활성탄 농도

정수장 배출수 처리

정수장 배출수 처리 과정 : 조정, 농축, 탈수, 건조(09, 14-2, 19-3)
배출수 처리 대상 : 침전슬러지, 여과지 역세척수, 응집물질(98)

조정

농축 슬러지 탈수성 개선 전처리 종류: 동결융해 처리, 열처리, 고분자응집제 처리

농축

슬러지 농축조 용량 (96, 12-3, 13-3)
- 계획 슬러지 양의 24–48시간 분
- 고형물 부하 10–20kg/m²/day
농축조는 슬러지 용량 감소가 주목적(09)

탈수

가압여과기: 슬러지 탈수방법. 슬러지 케이크 함수율 55–70%정도로 생산 (95)

기타

상수원의 부영양화는 정수시설에 가장 큰 영향을 줌.(18-3)

각주

↑ KDS 57 55 00 :2017 정수시설 설계기준. 8.2 구조와 형상
↑ 물 백과사전 - 유리염소
↑ 이종형 외. 《상하수도 공학》 4판. 구미서관. 181쪽.

[1] KDS 57 55 00 :2017 정수시설 설계기준. 8.2 구조와 형상

[2] 물 백과사전 - 유리염소

[3] 이종형 외. 《상하수도 공학》 4판. 구미서관. 181쪽.

[1]

[2]

[3]