고탁도 원수 정수처리

왜 배우는가: 고탁도 원수는 장마철마다 반복되는 정수장 운전의 가장 큰 위험 요인이다. 응집·침전·여과 공정의 처리 능력을 넘으면 탁질누출이 발생해 수돗물 안전성이 떨어지므로, 원인과 처리 원리를 함께 알아야 한다. 시험에서는 발생 원인, 사전 대책, 공정별 처리 방안을 묶어 묻는 경우가 많다.

출제 이력: 제134회 4교시 5번, 제110회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

고탁도 원수 정수처리는 강우 유출로 원수 탁도가 급상승할 때 응집·침전·여과 공정의 운전 조건을 조정하여 탁도를 기준 이하로 제거하는 처리이다.

핵심 키워드

• 원수 탁도
• 탁질누출(Break Through)
• 응집제 주입률
• 응집·침전 공정
• 여과지 역세척
• 사전 대책(수원 관리)
• 장마철 강우 유출

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 비가 많이 와서 강이 흙탕물처럼 변한 상태의 물을 깨끗하게 만드는 방법이다. 장마철에는 토사가 한꺼번에 강으로 흘러들어 원수의 탁도가 평소보다 수십 배 높아질 수 있다.

정식 정의는 다음과 같다. 고탁도 원수란 강우 시 지표 유출수와 토사 유입으로 탁도가 일시적으로 크게 높아진 원수를 말한다. 탁도는 물속의 부유물질(SS)과 콜로이드 입자가 빛을 산란시키는 정도를 나타내는 지표다. 탁도는 입자성 물질의 양과 함께 크기와 성질에 따라 값이 달라진다.

이 원수를 처리하려면 먼저 응집(Coagulation)으로 미세한 콜로이드 입자를 서로 뭉치게 해야 한다. 그다음 플록 형성(Flocculation)으로 뭉친 입자를 눈에 보이는 플록으로 키운다. 마지막으로 침전(Sedimentation)과 여과(Filtration)로 플록을 제거한다. 세 단계 중 하나라도 처리 용량을 넘으면 탁질이 여과지를 통과하게 된다.

핵심 용어 풀이는 다음과 같다.

• 응집: 콜로이드 입자의 전하를 중화하여 입자끼리 결합하게 하는 단계다.
• 플록 형성: 응집된 미세 입자를 완속 교반으로 키워 침강 가능한 크기로 만드는 단계다.
• 탁질누출: 여과지에서 제거되지 못한 탁질이 여과수로 빠져나가는 현상이다.

3. 등장 배경과 필요성

고탁도 문제는 강우 유출과 토사 유입이 늘면서 생긴다. 유역의 나지, 공사장, 농경지에서 흙이 씻겨 내려가면 원수 탁도가 급상승한다. 원수의 탁도는 정수장 슬러지 발생량에도 직접 영향을 준다. 슬러지 발생량은 원수의 SS에 비례하고, SS는 대체로 원수 탁도에 비례한다.

장마철 고탁도 문제는 정수장 설계 용량을 순간적으로 초과하는 부하 문제이기도 하다. 평소 설계된 응집제 주입률과 침전 체류 시간으로는 처리가 어렵다. 이 때문에 응집제 주입량 조정, 원수 취수량 조절, 침전지 운영 변경 같은 운전 대응이 필요하다.

또한 고탁도 원수는 소독 공정에도 영향을 준다. 탁질이 많으면 입자 안에 숨은 미생물이 소독제와 접촉하지 못해 소독 효과가 떨어질 수 있다. 따라서 고탁도 대책은 여과 공정뿒만 아니라 전체 처리 안전성을 지키는 일이다. 사전 대책으로 수원 관리와 취수 조절을 함께 세우는 이유가 여기에 있다.

4. 구성요소·원리·절차

고탁도 원수 정수처리는 응집·침전·여과 공정이 기본 골격이다. 원수의 탁질(콜로이드·부유물)을 응집(Coagulation)으로 뭉쳐 큰 플록을 만들고, 침전과 여과로 분리하는 원리다. 장마철에는 유입 탁질 부하가 급증하므로 각 공정의 용량과 약품 주입을 함께 조정해야 한다.

고탁도 처리의 핵심은 응집제 주입량을 원수 탁도에 맞춰 즉시 바꾸는 것이다.

표는 각 설비가 탁도 제거 단계에서 맡는 역할을 구분한 것이다. 고탁도 조건에서는 침전지 부하와 여과지 탁질 부하가 동시에 커지므로 두 설비를 함께 점검해야 한다.

고탁도 원수의 처리 원리는 다음과 같다. 응집제(황산알루미늄, 폴리염화알루미늄, 염화제이철 등)가 음전하 콜로이드의 전기적 안정을 깨뜨린다. 이후 교반으로 미세 플록이 결합해 침강성이 좋은 플록이 된다. 응집제 주입량은 pH와 알칼리도에 따라 달라지므로 pH 조정을 병행한다.

고탁도 처리 절차는 다음과 같다.

• 원수 탁도·pH·수온을 측정하고 유입 유량을 확인한다.
• 탁도 구간별로 응집제 주입률을 정한다(jar test 결과 반영).
• 급속혼화지에서 약품을 원수에 빠르게 분산한다.
• 완속응집지에서 플록을 충분히 키운다.
• 침전지에서 플록을 침강 분리하고 슬러지를 배출한다.
• 여과지에서 잔류 탁질을 제거하고 탁도를 감시한다.
• 여과지 역세척 시기를 탁도와 손실수두 기준으로 정한다.

역세척은 여과지 손실수두가 설정값을 넘거나 여과수 탁도가 처리 기준을 넘을 때 실시한다. 장마철에는 역세 빈도가 늘어나므로 역세 용수와 슬러지 처리 능력을 함께 확보해야 한다.

플록 형성 과정의 구동력은 속도경사(G)로 나타낸다.

$G=\sqrt{\frac{P}{\mu V}}$

여기서 G는 속도경사(1/s), P는 교반 동력(W), \mu는 물의 점성계수(Pa·s), V는 반응조 체적(㎥)이다. 급속혼화에서는 큰 G가, 완속응집에서는 작은 G가 필요하다. 예를 들어 P=500\,\mathrm{W}, \mu=1.0\times10^{-3}\,\mathrm{Pa\cdot s}, V=50\,\mathrm{m^3}이면 G=\sqrt{500/(1.0\times10^{-3}\times50)}=\sqrt{10000}=100\,\mathrm{s^{-1}}이다. 결과는 급속혼화 범위의 값으로 상식 범위 안이다.

5. 관련 법령·기준·표준

고탁도 원수 처리는 먹는물 수질기준과 정수처리 설계·운영 기준을 함께 따른다. 아래 표는 답안에 인용할 핵심 기준값과 적용 조건이다.

표의 값은 기준 이름과 적용 조건을 함께 적는다. 여과수 탁도 목표는 정수장 운영 기준이며 법정 수질기준과 구분한다.

법정 기준과 운영 목표는 목적이 다르다. 법정 기준은 수돗물 공급 최종 수질을 규정하고, 운영 목표는 정수장 공정 관리를 위한 값이다. 답안에서는 두 값을 구분해 쓴다.

약품 주입과 슬러지 처리는 「먹는물관리법」과 「수도법」 체계를 따른다. 정수장 설계는 환경부 수도시설 설계 기준을 적용한다. 조항 번호는 확실한 경우에만 쓴다.