CAS-T 자동운전시 응집제 투입량 정확
고탁도에서도 응집제 상당량 절감…안정적 운전 가능

1. 서 론

▲ 김무인/부천시 까치울정수장

원수 수질변화에 따른 응집제 요구량의 결정은 Jar-test 방법으로 주로 결정하고 있으며, 탁도, 전기전도도, 알카리도, 수온, 수소이온농도(pH) 등의 각종 수질인자들을 이용하여 주입률을 결정하는 경우도 있다.

전자의 경우 복잡한 실험과정과 상당한 시간이 필요하고 정수장 응집공정의 교반강도 등 조건이 실험조건과 다르며 급격한 수질변화가 있는 원수의 유입 시 수질변화에 실시간 대응하기 어려운 점이 있으며, 후자는 각종의 수질인자의 정확한 측정값과 응집조건 변화에 따른 많은 자료를 요구하기에 수질변화에 따른 응집제 투입률 자동화에 한계가 있다.

이러한 문제를 해결하고 수질변화에 따른 응집제 자동투입 시스템을 구축하기 위해 SCD, Particle counter 등을 이용한 연구가 이루어졌지만 응집공정의 자동화를 위한 방법으로 이용되는 데는 한계를 가지고 있다.
최근에는 입자의 표면전하를 측정하고 표면전하를 중화시키는데 소모된 양이온 적정액량을 측정하는 방식으로 응집제 주입률을 결정하는 ‘CAS-T(Charge Analyzer and Titration System)를 이용하여 응집제 주입 공정의 자동화에 관한 연구’가 이루어졌으며, 결과가 매우 긍정적으로 평가되었다.

▲ 부천시 까치울정수장 전경.

2. 연구방법
응집제 주입률 자동제어 시스템은 까치울정수장의 특성을 고려하여 설계했다. 까치울정수장은 한강수계의 팔당상수원 광역상수도 5단계 원수를 이용하고 있으며, 정수장의 착수정 유입부에 전 염소 투입 및 응집보조제인 수산화나트륨(NaOH) 투입지점이 있고, 기계식 back mixing 타입의 급속혼화지 내에 응집제가 투입된다.

전 염소 및 응집보조제 투입 시 응집제와 반응하는 원수는 수질변화가 생길 수 있어 CAS-T 설치 시 고려하여 입자의 표면전하 측정용의 원수 샘플링 지점을 [그림 1]에서와 같이 응집보조제 투입전인 ⓐ지점과 투입 후인 ⓑ지점을 선정하여 투입 여부에 따라 변경할 수 있게 샘플링 펌프를 설치했다[그림 1 참조].

[그림 1] CAS-T의 설치 구성도

원수의 일정량이 CAS의 측정 셀(Cell) 속으로 들어가면 CAS에 의해 표면전하가 실시간 측정되고 동시에 양이온 고분자 응집제인 Poly-Dadmac(0.1mN) 적정 용액이 일정량씩 측정 셀로 들어가며 이는 측정 셀 속의 원수의 표면전하가 0mV가 될 때까지 적정하고 그 때 소모된 Poly-Dadmac(0.1mN)의 양을 이용하여 정수처리 응집제 양을 결정한다. 이렇게 결정된 값들은 정수장 중앙제어 시스템으로 보내지며, 중앙제어 시스템에서 약품투입실의 정량펌프를 통해 응집제를 투입한다[그림 1 참조].

수질변화에 따른 응집제 투입률 측정 및 자동 투입장치(CAS-T)를 실제 정수공정에 적용하기 위해서는 몇 부분의 안전장치가 필요했다. CAS-T 장치의 에러 및 고장 시 비상벨이 작동하도록 했으며, 비상벨은 24시간 감시하는 중앙운영실에 두었다.

또한 중앙제어시스템에서 응집제 결정 모드를 Jar-test를 이용한 운전자 매뉴얼 모드, 각종수질인자를 이용한 자동연산 설정 모드, CAS-T에 의한 자동운전 모드를 모두 사용할 수 있게 설계하여 자동운전 시 있을 수 있는 사고에 대비했다.

CAS-T 자동운전 모드에서 에러나 기타의 문제로 작동이 멈춰지면 정지되기 전 일정기간의 결과 값의 평균값이 운전자 매뉴얼 모드의 결정 값으로 넘어가서 운전자 매뉴얼 모드로 운전되도록 설계했다. 또한 CAS-T의 오작동 혹은 적정오차에 의한 응집제 주입률의 현저한 차이를 나타낼 때 작동이 멈춰지고 운전자 매뉴얼 모드로 변환되게 설계하여 만일의 사고에 대비했다.

▲ CAS-T를 이용한 응집제 주입량 제어시스템.

3. 결과 및 고찰
수질변화 시 CAS-T의 응집제 주입률을 얼마나 적절하게 변화하는지 알아보기 위해 계절별 수질특성에 따라 구분하여 살펴보았다. 팔당 상수원수의 특성상 여름철 집중호우 시를 제외하고 원수의 탁도 변화는 거의 없어 2007년 8월의 고탁도 유입 시 운영결과와 2006년 9월말에서 10월초 사이의 수소이온농도(pH)의 갑작스런 변화시 CAS-T의 응집제 주입률 변화를 중점적으로 고찰하였다.

그 이외의 기간에는 특이 할만한 점을 발견하지 못했다. TOC, DOC, UV254 등 좀 더 다양한 원수의 온라인 수질자료가 있으면 다양하게 비교할 수 있지만 주로 탁도에 의존해서 비교했다.
[그림 2]는 2006년 9월 26일경부터 10월 4일경까지 탁도, pH, 응집제 주입량을 나타내고 있다. 9월 중순까지 pH가 7.4 정도로 유지되다가 9월 23일부터 서서히 올라가기 시작해서 26일에는 급격하게 변했으며, 이 시기 탁도는 10NTU 이하의 저탁도로 안정화되고 있었다. 26일과 27일 사이 pH는 7.7에서 최고 8.5까지 급변했고, 탁도는 10NTU에서 8NTU로 하향 안정화되고 있었다.

그런데 CAS-T의 응집제 주입률은 12ppm에서 15ppm으로 높아지고 있었다. 10월초까지 탁도는 꾸준히 낮아지고 있었지만 pH는 8.2 이상을 유지하였고, CAS-T의 응집제 주입률도 pH의 경향과 비슷하게 나타났다. pH가 높을 때 조금 높게 나타나는 것 외에 탁도 변화가 일정한 시기의 CAS-T의 응집제 주입률 변화는 큰 특징이 없었다.

[그림 3]은 2007년 8월 5일에서 13일까지 최고 100NTU의 고탁도가 유입되었을 때를 나타낸 것이며, 5일 20시에 12.3NTU이던 원수 탁도가 6일 11시에 89NTU까지 급격하게 변했다. 이 시기 CAS-T의 응집제 주입률은 실시간으로 주입률을 변화시키면서 증가하고 있다.

[그림 2] 저탁도 유입시 CAS-T에 의한 응집제 주입률 변화

[그림 3] 고탁도 유입시 CAS-T에 의한 응집제 주입률 변화

그 결과 [그림 4]에서와 같이 2005년의 경우 9월의 평균탁도는 19.2NTU였으며, 응집제 투입률은 14.4ppm이였고, 10월에는 10.4NTU, 응집제는 13.8ppm이었으며, 11월에는 4.8NTU에 13.8ppm, 12월에는 4.2NTU에 14.3ppm이였다. 반면, 2006년 9월에는 평균 탁도가 12.7NTU이고 응집제 투입률은 12.6ppm, 10월에는 7.2NTU에 11.3ppm, 11월에는 9.6NTU에 11.3ppm, 12월에는 10.8NTU에 12.7ppm이였다.

Jar-test 방법을 이용한 2005년도는 탁도 대비 응집제 사용량은 상당한 차이가 있었으며, 전체적으로 사용량이 높았다. 이는 Jar-test 방법의 특성상 실시간 투입률을 찾아가지 못하여 나타나는 결과이며, 또한 탁도 변화가 거의 없을 때 운전자의 응집제 투입률 결정의 빈도도 낮아서 나타나는 현상이다.

반면, 2006년의 경우 CAS-T에 의한 응집제 주입시 사용량은 탁도 대비 차이가 현저히 낮아진다. 이는 저탁도 유입 시 간과되는 응집제 주입률의 변화를 CAS-T가 정확히 찾아가는 결과이다. 두 경우를 비교해보면 2005년과 2006년의 응집제 사용량은 2006년 같은 기간에 15%정도 절감되는 것으로 나타났다.

[그림 4] 2005년의 Jar-test 방법과 2006년의 CAS-T에 의한 응집제 투입시 사용량 비교

4. 결 론
저탁도가 안정적으로 유입되는 시기에 CAS-T에 의한 운전은 탁도 이외의 여러 인자에 영향을 받는데 이번 연구에서 pH의 변화에서만 살펴보았으나 향후 원수의 TOC 및 UV254 흡수물질 등에 따른 응집제 요구량의 변화도 살펴보아야 저탁도 시 CAS-T의 효율성을 평가할 수 있을 것으로 생각된다.

여름철 고탁도 유입 시 CAS-T의 응집제 주입률의 변화는 정확하게 실시간으로 변화하는 것을 볼 수 있었다. 고탁도 유입 시 CAS-T 자동운전은 Jar-test 방법으로 인한 높은 노동력을 해결할 수 있고, 응집제 투입량의 정확성을 기할 수 있으며, 수질특성에 맞는 최소량의 응집제로 안정적으로 공정을 운전할 수 있어 상당한 효율성이 있는 것으로 판단된다.

또한 짧은 시기의 비교이지만 저탁도시 응집제 사용량의 비교에서 15% 이상의 응집제가 CAS-T 자동운전에서 절감되는 것을 볼 수 있었으며, 고탁도 시에도 상당량의 응집제를 절감할 수 있을 것으로 생각된다.
[공동연구자= 김무인·김성태·윤기태·고영태(부천시 까치울정수장)]