물재이용첨단기술 - epa.or.kr
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1
<<물물 재이용재이용 첨단기술첨단기술>>
2003. 3. 252003. 3. 25
광주과학기술원광주과학기술원 환경공학과환경공학과
물물 재이용재이용 기술센터기술센터 ((WRTC)WRTC)
센터장센터장: : 김김 인인 수수
물의물의 절약과절약과 효율적효율적 재이용재이용 방안방안 및및기술에기술에 관한관한 심포지움심포지움
수자원의수자원의 유한성유한성
용수수요의용수수요의 증가증가수자원의수자원의 부족부족
20012001년년 77억톤억톤 예비분예비분
20062006년년 44억톤억톤 부족부족
20112011년년 2020억톤억톤 부족부족
<<물부족물부족?>?>
2
<<용수재이용의용수재이용의 용도별용도별 개개념념>>
용수재이용용수재이용<원수>
우천 조정지수냉각배수, 빌딩배수
생활계 배수, 실험배수하수처리수
<용도>수세식화장실세정수
공조낸각용수세차용수살수용수소화용수
레크레이션용수
<용도>수세식화장실세정수
공조낸각용수청소용수
레크레이션용수소화용수
<용도>수세식화장실세정수
냉각수청소용수세정용수실험용수소화용수
<용도>지하살수
농업관계용하천유지용
개별또는공동주택
상업용 건물(호텔,레져,사무실)
공업용 하천유지및 농업용수
<“국내 용수재이용 특성과 물절약” (윤제용) 발췌>
하수처리장하수처리장 방류수의방류수의 10 % 10 % 재이용재이용
전국 하수처리장 배출량 : 2000년도기준
하루 평균 약 1.5천만톤 (연간 약 55억톤)
전국전국 하수처리장하수처리장 배출량배출량 : 2000: 2000년도기준년도기준
하루하루 평균평균 약약 1.51.5천만톤천만톤 ((연간연간 약약 5555억톤억톤))
연간 5억 5천만톤 용수 대체효과
<<하수처리수의하수처리수의 재이용재이용>>
풍부하고풍부하고 안정적인안정적인 유량유량
하수도하수도 보급시설의보급시설의 증가증가하수처리수하수처리수 재이용재이용
3
생물막
공정
����
토양 /대수층 활용
멤브레인
여과기술
고급산화기술
일본 : 도시/빌딩 하수 재이용 (Kubota/Pleidade공정)캐나다 : 도시하수 재이용 (ZenoGem 공정)
미국 : 캘리포니아 LA 카운티 (70만톤/일, 36%)아리조나 투슨 (34만톤/일, 50%)
이스라엘 : 텔아비브 (16.4만톤/일, 20%)호주 : 아델레이드 (7.7만톤/년, 70%)
미국 : 아리조나 유타시 (40만톤/일 고도수처리)싱가폴 : 2만톤/일 공업용수 재이용
프랑스 : 파리근교 정수장 나노막 처리시설(34만톤/일)캐나다 : 3천톤/일 공업용수 재이용
캐나다 : 폐수고도처리 (Solarchem Purifics)프랑스 : 폐수고도처리 (OTV)
<<국외의국외의 재이용재이용 기술기술>>
- 4년간의 준비기간 후에 1999년 처음 운전
- 볼리바 하수처리장에서 연간 4천만톤의 하수 배출
- 비용 : 송수관(AU$ 2천3백만), 공정설비(AU$ 3천4백만)
- 재이용수가격 : AU$ 120/천톤 (연간 AU$ 33만6천)
호주
아델레이드 시
- 1975년에 하수재이용사업 시작
- 고도하수처리공정(3차처리)과 SAT로 구성
- 처음 2년 반(1977-1979) 동안 총 2천만 톤 처리
- 현재 총 3억톤의 하수 중 6천만톤(20%)을 재이용수로 해안 대수층에 주입
- 농업관개용으로 사용
- 총 4개의 여과지 (총면적 290,000㎡)
이스라엘
단 지역
- 1989년부터 운영
- 2차 처리수와 3차 처리수를 지하대수층에 주입
- 총 4개의 여과지 (깊이: 3.05m, 면적: 57,000㎡)
- 최대처리용량 : 하루 342,000㎥
- 연간 100일 주입시 투산시 연간 하수배출량의 50% 정도 재이용 가능
- SAT 공정 후 염소소독하여 인근 골프장에 공급
미국 아리조나,
투산 시
- 1976년부터 Water Factory 21'과 연계운영
- 하수처리장에서 배출된 처리수를 water Factory 21'(고도처리)에서 다시 한번 처리한 뒤 지하심층수와 2:1로 혼합하고 염소처리하여 지하수에 주입
- 주입된 처리수의 50% 정도는 생활용수로 이용하고 나머지는 해수유입을 막는 용도로 이용
미국 캘리포니아,
오렌지 카운티
- 1962년부터 휘티어 재이용시설 운영
- 염소처리한 하수처리장 처리수와 하천수 또는 강우를 섞어서 지하대수층에 주입
- 생활용수로 사용
- 전체 하수배출량의 36%인 하루 70만톤을 재이용
미국 캘리포니아,
로스엔젤레스 카운티
세부사항지역
<<국외의국외의 재이용재이용 사례사례>>
4
<<국내의국내의 재이용재이용 사례사례>>
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건물수
94년 96년 98년 2000년
(a)년도별 중수도 설치 건물수
0
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처리수량
(만톤/일)
94년 96년 98년 2000년
(b)처리수량 변화
(중수도) 잠실 롯데월드 등 110개소에 중수도가 설치되어 하루 62만여 톤의 물을 재이용
(하수처리수) 부산 해운대 신시가지 하수처리장에서는 하수처리수의 11.8%인4,173 ㎥를 하수처리장 및 소각처리장의 용수로 재사용
생물막 활용 기술
• 아쿠아테크 (BIOSUF공법)
•코오롱 건설(KIMAS 공법)
•광주과학기술원(SPAD공법)
전/후처리 및 모니터링 기술
• 오존/과산화수소수 이용 부분적 상용화
• 광주과학기술원 (독성탐지기술)
오염물질 여과기술
• 코오롱건설 (창원반송정수장)
• 새한 (캐나다 Zenon과 기술제휴)
• 한국정수공업 (불균질이온막)
토양/대수층 이용 기술
• 수자원공사/한국건설기술연구원
(강둑여과)
<<국내의국내의 기술개발기술개발 현황현황>>
원수원수, , 용도별용도별 공정의공정의 상이성상이성
대부분의대부분의 기술이기술이 소규모소규모 중수도중수도 개개념념
하수처리수하수처리수 재이용을재이용을위한위한 기술개발의기술개발의 필요필요
성성 대두대두
5
제제11회회 물물 재이용재이용 국제국제 심포지움심포지움
March 29, 2002 March 29, 2002
물 재이용 기술센터 (WRTC)
WRTC WRTC 현판식현판식
November 1, 2001November 1, 2001
경제적인 MBR 모듈개발
연구결과의 요약 :
GT-MBR을 운전하여 SRT에 따른 막오염 특성을 분석한 결과 SRT 15, 60일의 경우 5 LMH (ℓ/m2·h)의 안
정적인 flux를 보였다.
SRT를 무한대로 증가시킨 경우 물리적인 세척의 효과가 없어지고 지속적으로 flux가 감소하는 경향을 보였다.
실험에 소모된 동력비는 0.3kWh /m3 였다.
Activated sludge
(Biological)
Membrane
(Physical)
+
MBR
0
5
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0 20 40 60 80 100 120
Time (day
Flu
x (L
MH .
0
2000
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6000
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10000
12000
14000
ML
SS
(m
g/ .
Flux1 Flux2MLSS
Initial
period
Run-1
SRT 15
Run-2
SRT 60
Run-3
No wasting
Gravitational filtration
Transverse-flow filtration
GT-MBR (Gravitational transverse-flow Membrane bioreactor
No sludge waste
60days15daysNo sludge waste
SRT
•Seeding sludge
Return sludge from Gwangju wastewater plant
•Constant transmembrane pressure
30cm =0.0294 Bar
Run-3Run-2Run-1AcclimationItems
<<생물막생물막 활용기술활용기술11>>
6
AG-MBR (Attached Growth Membrane Bioreactor) 개발
공기 펌프
유입수 압력계
침지형 중공사막
처리수
유동상담체
흡인 펌프
공정의공정의 특징특징
-일반적인 MBR 공정과 달리 반응조 내부에 유동상 담체가 순환 MBR 공정의 막오염 메커니즘과 다른 막오염 특성을 보임
연구결과의 요약 :
• AG-MBR 시스템에서는 분리막의 막 오염 특성이 일반적인MBR 공정의 여과 특성에 큰 영향을 미치는 Biochemical effects (SCOD, EPS 등)보다는 유동상 담체에 의한 Physical effects (마찰력, 충돌빈도 등)에 영향을 더 많이 받는다.
• 유동상 담체의 운동에 의해 형성된 마찰력은 분리막 표면의Biofilm 의 형성을 완화시키고 따라서 분리막의 여과 성능을향상 시킨다.
• 즉, 담체 충진율과 공기 유량을 크게 할 수록 분리막 표면의Biofilm의 형성이 완화되어 분리막 여과 성능이 향상 된다.
Perc
ent v
olum
e fre
quen
cy (%
)
Particle diameter( ㎛)
5 %D(v, 0.5) = 75.24㎛
10 %D(v, 0.5) = 63.15㎛
20 %D(v, 0.5) = 49.60㎛
(공기유량 = 5 LPM)
Perc
ent v
olum
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quen
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)
Particle diameter( ㎛)
5 %D(v, 0.5) = 75.24㎛
10 %D(v, 0.5) = 63.15㎛
20 %D(v, 0.5) = 49.60㎛
(공기유량 = 5 LPM)
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0 20 40 60 80 100
Time(hr)
TM
P(k
Pa)
5LPM, 5%
5LPM, 10%
5LPM, 20%
(scan size : 10㎛ )
(A) type (with iron net)(roughness( rms ) : 51nm)
(A) type (with iron net)(roughness( rms ) : 51nm)
(B) type (without iron net)(roughness( rms ) : 114nm)
(B) type (without iron net)(roughness( rms ) : 114nm)
Virgin membrane surface(roughness( rms ) : 153nm)Virgin membrane surface(roughness( rms ) : 153nm)
<<생물막생물막 활용기술활용기술22>>
<<생물막생물막 활용기술활용기술33>>HCAC-MBR (High Concentrate Activated Carbon-Membrane bioreactor) 개발
• 반응조 유효용적 : 5L
• Air flow : 5 ℓ/min
• 분말활성탄 80g/L
• Flux 3.0 ~ 0.5 m/day
• 흡인 주기 : 간헐흡인
(4/1,8/2,12/3,20/4,12/6)
<<Bench scale Bench scale 실험조건실험조건>>
연구결과의 요약 :
•초기 Flux 0.3m/day를 운전시작 후 42일간유지하였고, 초기 Flux 0.5m/day로 60일간운전한 막으로 여과저항을 측정한 결과 케잌층과겔층에 의한 저항(Rc+Rg)이 약 93%에서 주된여과저항으로 작용하였다.
• TOC는 71.5% 중 반응조 내에서 평균 19.1%, 막면 케잌층에서 평균 52.4%의 제거율을 나타내었고, E260은 총제거율 86.7% 중 반응조 내에서 평균 14%, 막면 케잌층에서 평균 72.7%의 제거율을 나타내었다.
•적정 간헐여과주기 실험에서 목표여과저항까지 도달하는데 “흡인12분/휴지6분”의 여과지속시간이 가장 길었으나 부적당하여 그 다음으로 가장 긴 지속시간을 보인 “흡인12분/휴지3분”이 적정 간헐여과주기로 나타났다.
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T i m e ( d a y )
T M
P
( k
P a
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0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
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F l
u x
(
m /
d a
y
TMP
Fl
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T i m e ( d a y )
T M
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(
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d a
y
TMP
Fl
0.5 m/day 0.3 m/day
7
하수처리 방류수 내 유기물(EfOM)분석 멤브레인 전처리공정: 유기물 제거향상
하수처리 방류수 내의 유기물의 특성을 분석함으로써,
최적 멤브레인 여과공정 설계 가능:하수처리수 내 유기물 분석
제주시하수처리장 , 구리시하수처리장 , 낙동강 + 하수처리장
하수처리 방류수 분석: 관련 분석방법 및 기기
소수성분리: XAD레진법
분자량: HPLC w/SEC 칼럼법
소독부산물: 용매추출법 ,GC
멤브레인 공정의 막오염 최소화를 위한
최적의 전처리공정 선택연구
화학적 응집제 이용
알럼 , 철염계 응집제를 전처리공정에 활용: 철염계 응집
제가 유기물제거에 효과적이었음
고분자 첨가제 이용 전처리
PEI(polyethyleneimine), PVA(polyvinylalcohol)을 이용
한 Polymer Additive전처리공정 개발
EfOM_structure
27.9132.89
39.2045.81
23.2330.97
48.46
21.9229.62
0
10
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Hydrophilic Transphilic Hydrophobic
fract
ion,
%
제주시 구리시 낙동강 수중보
DBPs Analys is
4.54
53.23
13.2621.10
30.91
42.75
0.00
10.00
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60.00
구리시 제주시 낙동강수중보
C (㎍
/ℓ)
HAAFP5 THMFP4
연구결과의 요약 :하수처리수 내 유기물 분석결과 , 처리장에 유기물성상에 차이
가 있었고 , 이에 따른 최적 멤브레인 선택 필요
제주시 경우 , 소수성 유기물 비율이 높고 소독부산물 생성능이높음
구리시의 경우 , 친수성 유기물 비율이 높고 , 소독부산물 생성능은 매우 낮음
연구결과의 요약 :전처리공정 연구결과 , 막오염을 줄이고 제거율향상 방안제시
특정 분자량의 친수성 폴리머사용할 경우 , 제거율향상과 막오염 감소효과를 거둘 수 있었음
현재 제주하수처리장에서 테스트되고 있는 MF전처리공정과비교분석 계획
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Time(hrs)
DOC
Remo
val,
%
J0/k=0.60 J0/k=1.29 J0/k=2.23
0.00
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0.25
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0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000RMW (Da)
Relat
ive Fr
action
(%)
pH 4 50 mg/LpH 7 50 mg/LpH 10 50 mg/LpH 4 25 mg/LpH 7 25 mg/LpH 10 25 mg/LRaw
<<여과기술여과기술11>>
<<여과기술여과기술22>>제주 하수처리장 소형 파일럿 실험
현재 해안 방류되고 있는 약 4 만톤/일의 하수처리 방류수를 멤
브레인 공정에 의하여 재활용하는 사업의 일환으로 약 10톤/일규모의 파일럿 멤브레인 실험 중
설치사양: MF전처리 , RO막 , tight UF막 장치
실험결과 요약: 유기물농도기준
RO (1.0ppm이하) : 음용수로서도 충분한 수질 확보
tight UF (2.0ppm 이하) : 공업 및 농업용수 활용가능
파일럿 멤브레인 장치 설치된제주시 하수처리장 (2002. 5 - )
최적막 선택 및 여과기술 효율향상 연구
최적막 선택기술:
막오염 최소화 목표
EfOM 제거율 향상
고플럭스 유지목표
세척 용이성 등
여과기술 효율향상:
수리학적 매개변수
막오염/제거 최적화
장기적 안정적 운영
Material MWCO (Daltons)
Contact angle
Zeta potential (mV) at pH 7.0
PWP (L/day-m2-kPa
PW (Desal) PES 10,000 73.9° -29.11 28.2
GM (Desal) Polyamide TFC 8,000 61.4° -45.69 4.34
ESNA (Hydronautics)
Polyamide TFC 250 62.6° -9.90 1.83
2.0
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4.0
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0 5 10 15 20 25 30
Time (h rs )
perm
eabi
lity(L
/da
y-m2
-kP
a)
J0 /k=0.60 J0 /k=1.29 J0 /k=2.23
운영조건에 따라 막오염 감소 전략 가능
최적막 선택 기초자료 제시 , 막오염 후에도 제시가능
(제주하수처리장 파일럿 실험에 적용)
8
<<여과기술여과기술33>>전기투석공정을 이용한 물 재이용 공정 국제공동연구: U. of Central Florida
이온교환막과 이온교환수지를 이용한 EDI공정을 이용한 고전도도 하수처리 재이용 공정개발:
고농도 이온분리능 이온교환막 공정 , 스텍개발
시간당 1 톤/일 용량가능 테스트
TDS 1000mg/L 유입수 처리 테스트
일차 처리후 고효율 이온분리 공정 , 관련 스텍개발
이온교환막과 이온교환수지 결합
전기투석공정 현장 실험 (거문도설치 , 24톤/일 용량)
미국내 하수고도처리 및 재이용 규제 , 가이드라인 조사
용수 재이용 분리막 공정 적용사례
재이용수에 대한 수질기준 조사
분리막 공정관련 재이용수 수질기준 조사
용수 재이용을 위한 분리막 공정: 효율 , 막오염 조건 조사
연구에 활용된 장치 및 장비
하수내 유기물질(EfOM) 분리 및 분석장비
하수처리 방류수 재이용 멤브레인 파일럿 장치
거문도 설치 파일럿 전기투석 장치
(24톤 /일 용량)
• SAT 공정효율은 불포화 대수층의 깊이와 무관
- 불포화대수층의 최상부에서 미생물의 활동 활발
- 포화대수층에서도 계속적인 유기물 제거
- 국내 토양에서의 SAT 적용 가능성
• 지역별 기후 및 지질 특성을 고려한 설계 필요
• 유역개념적 접근 : 수계의 수질특성 및 하수특성 등 고려
WWTP
Vadose Zone
Saturated Zone
Extraction Well
percolation basinsoil percolation barrier
국내 적용시 고려사항
<<토양토양//대수층대수층 이용기술이용기술11>>
9
<<토양토양//대수층대수층 이용기술이용기술22>>
BDOC 분율 분석
• 250 ml 플라스크 (반응기)
• 60 g 영산강 하상 토양
• 150 ml 하수처리수 주입
• 2 달 간 미생물 적응 (Acclimation)
• 7~30 일 BDOC Test
• 각 하수처리수에 대한 7-day BDOC
• BDOC 분율 : 화순>광주>함평>장성>대불>영암>도곡
• 최종 DOC 농도 : 도곡<영암<장성<화순<광주<대불<함평
• SAT 적용가능 하수처리수의 선정 :
BDOC 분율과 최종 DOC 에 대한 기준 필요
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
Gwangju Hwasoon Dogok Jangsung Daebull Youngam Hampyung
WWTP
DO
C (
mg/L
)
BDOC
NBDOC
40.7 %
46.4 %
19.3 %
35.1 %
24.0 %
20.1 %
40.9 %
하수처리수하수처리수 수질특성수질특성
지역별 토양특성 조사지역별 토양특성 조사
토양 특성토양 특성 유역 특성유역 특성 기후 특성기후 특성
최적부지 기준요소 도출최적부지 기준요소 도출
최적부지 선정 모형최적부지 선정 모형
SAT 최적부지 선정SAT 최적부지 선정
<<토양토양//대수층대수층 이용기술이용기술33>>최적부지최적부지 선정선정 모형모형
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• 1970년대 이래 난분해성 오염물 제거기술을 향상시키기 위하여 AOP에 관한
연구가 활발하게 진행 중 (UV/H2O2, Photo-Fenton, Fenton, TiO2/UV 등).
• AOP공정에서 발생하는 강력한 산화제인 OH 라디칼은 난분해성 오염물을
CO2와 H2O로 완전히 산화 시킬 수 있음.
• Biological treatment + AOP : 생물학적 난분해성 오염물의 경제적인 처리법.
• (Refractory Pollutant) Pre-AOP Biological Treatment
• (Refractory Pollutant) Biological Treatment Post-AOP
(AOP : Advanced Oxidation Process)
<<고도산화법고도산화법11>>
<<고도산화법고도산화법22>>
Photolysis of H2O2(UV/H2O2)
P + hv
Photo-Fenton (UV/H2O2/Fe
3+)
Poxidized
+ P
+ O2
OH
intermediates
Ozonation
Peroxone
(Ozone/H2O2)
Biological Treatment
P
TiO2/UV
<P: Probe compound>
11
Waste water
독성모니터링
생물막활용기술
SAT 기술
여과기술
고도산화
처리시스템 개발
처리기술
독성 오염원성상파악
처처리리효효율율검검증증
독성 오염원농도 모니터링
독성도 평가(조류, 물벼룩, 물고기 등)
화학적 분석기술
환경인자의영향
pH, Hardness, DOM, 온도 등위해성 평가
<<독성모니터링독성모니터링 기술기술11>>
<<독성모니터링독성모니터링 기술기술22>>
표1. 물벼룩(C. dubia)을 이용한 구리(Cu)의 독성평가: 환경인자의 영향
표2. 물벼룩(D. magna)을 이용한 크롬(Cr)의 독성평가: 철 이온의 산화적 영향
25310
1807.5
70101214.5
20 (µg/L)0 (mg/L)69 (µg/L)2.5 (mg/L)
LC50부유입자LC50DOM
272.46110
20.21.741.49
6.011.320.78
1.86 (µg/L)1.0 (meq)2.7 (µg/L)7
LC50HardnessLC50pH
325
458
40
231
322
20
128
202
5
131
215
10
105LC50 (48-h)
128 (µg/L)LC50(24-h)
0
Fe(II) concentration (µM)
영향인자별영향인자별 오염원의오염원의 화학적화학적 변화변화 조사조사
12
<<독성모니터링독성모니터링 기술기술33>>
각 오염원의 기준독성 평가
<<요소기술요소기술 통합통합 연계연계 시스템시스템>>
Primary treatment <AOP 및 모니터링 기술개발><생물막 활용 기술 개발>
Quality & TracersControl Technology
용도에 따른재 이 용
Toxicity Monitoring
<여과기술개발>
하수
<SAT 기술 개발>
<방류수 처리 시스템 실용화 기술 개발>
방 류
13
<<정책적정책적 문제점문제점 및및 과제과제>>
--수도물수도물 가격의가격의 현실화현실화--
49.7115.7232.8하 수 도
72.8316.2434.2지방상수도
65.595.8146.3광역상수도
현실화율(B/A)
요금(B)원가(A)구 분
※ 지방 상·하수도는 지방공기업 결산기준
단위: 원/톤<1999년 기준>
<환경부, 중수도 이용확대를 위한 정책방안연구, 1999>
<<정책적정책적 문제점문제점 및및 과제과제>>
--용수재이용용수재이용 용도별용도별 기준기준 및및 규격규격 확립확립--
6-96-96-96-96-9pH
<1mg/L<1mg/L<1mg/L<1mg/L<1mg/L염소잔류량
<2NTU<2NTU<2NTU<2NTU<2NTU탁도
ND/100mL<100/100mL<200/100mL<200/100mLND/100mL대장균수
10mg/L<30mg/L<30mg/L<30mg/L<10mg/LBOD
2차 , 여과, 살균2차 , 살균2차 , 살균2차 , 살균2차 , 여과, 살균하수처리
C등급B등급A등급비식용작물
(제한지역 관계)식용작물
(무제한적용도)
재이용수 수질기준(시안)U.S. EPA
항목
농업용수 재이용
⊙하수처리장, 하천환경, 생태, 이용형태에 따라 A, B, C 등급으로 구분
A등급: 수질오염 심화 하천에 하수처리장 방류수를 재이용 (단순희석효과)
B등급: 오염도가 낮은 하천 등의 건천화 방지 및 하천기능 유지
C등급: 청정하천 및 경미한 오염정도의 하천 등의 건천화 방지, 하천기능 유지
14
<<정책적정책적 문제점문제점 및및 과제과제>>
◎--소독 및 살균
0.2이하0.5이하8이하T-P(mg/L)
5이하10이하20이하T-N(mg/L)
3이하6이하10이하BOD(mg/L)
6이하10이하25이하SS(mg/L)
5.0이상5.0이상5.0이상DO(mg/L)
6.5-8.56.5-8.56.5-8.5pH
C등급B등급A등급구분
하천유지용수 재이용 (시안)
⊙하수처리장, 하천환경, 생태, 이용형태에 따라 A, B, C 등급으로 구분
A등급: 수질오염 심화 하천에 하수처리장 방류수를 재이용 (단순희석효과)
B등급: 오염도가 낮은 하천 등의 건천화 방지 및 하천기능 유지
C등급: 청정하천 및 경미한 오염정도의 하천 등의 건천화 방지, 하천기능 유지