Water distribution system (WDS) is exposed to various water quality incidents during its operation. This study utilized Quantitative Microbial Risk Assessment (QMRA) to analyze the risk associated with potential virus intrusion in WDSs. Additionally, the study determined the location and operation of rechlorination facilities to minimize potential risk. In addition, water quality resilience was calculated to confirm that the chlorine concentration maintains within the target range (0.1-1.0 mg/L) during normal operation. Hydraulic analysis was performed using EPANET, while EPANET-MSX was linked to simulate the reactions between viruses and chlorine. The proposed methodology was applied to the Bellingham network in the United States, where rechlorination facilities capable of injecting chlorine concentrations ranging from 0.5 mg/L to 1.0 mg/L were considered. Results indicated that without rechlorination facilities, the Average risk was 0.0154. However, installing rechlorination facilities and injecting chlorine at a concentration of 1.0 mg/L could reduce the Average risk to 39.1%. It was observed that excessive chlorine injection through rechlorination facilities reduced water quality resilience. Consequently, a rechlorination facility with a concentration of 0.5 mg/L was selected, resulting in a reduction of approximately 20% in average risk. This study provides insights for designing rechlorination facilities to enhance preparedness against potential virus ingress in the future.
Recently, users' complaints on drinking water quality are increasing according to emerging interest in the drinking water service issues such as pipe aging and various water quality accidents. In the case of drinking water quality complaints, not only the water pollution but also the inconvenience on the chlorine residual for disinfection are included, thus various efforts, such as rechlorination treatment, are being attempted in order to keep the chlorine concentration supplied evenly. In this research, for a more accurate water quality simulation of water distribution network, the water quality reaction coefficients were estimated, and an optimization method of chlorination/ rechlorination scheduling was proposed consideirng satisfaction of water quality standards and chlorine residual equalization. The proposed method was applied to a large-scale real water network, and various chlorination schemes were comparatively analyzed through the grid search algorithm and optimized based on the suitability and uniformity of supplied chlorine residual concentration.
Kim, Do-Hwan;Lee, Doo-Jin;Kim, Kyoung-Pil;Bae, Chul-Ho;Joo, Hye-Eun
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.32
no.10
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pp.916-927
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2010
In general water treatment process, the disinfection process by chlorine is used to prevent water borne disease and microbial regrowth in water distribution system. Because chlorines were reacted with organic matter, carcinogens such as disinfection by-products (DBPs) were produced in drinking water. Therefore, a suitable injection of chlorine is need to decrease DBPs. Rechlorination in water pipelines or reservoirs are recently increased to secure the residual chlorine in the end of water pipelines. EPANET 2.0 developed by the U.S. Environmental Protection Agency (EPA) is used to compute the optimal chlorine injection in water treatment plant and to predict the dosage of rechlorination into water distribution system. The bulk decay constant ($k_{bulk}$) was drawn by bottle test and the wall decay constant ($k_{wall}$) was derived from using systermatic analysis method for water quality modeling in target region. In order to predict water quality based on hydraulic analysis model, residual chlorine concentration was forecasted in water distribution system. The formation of DBPs such as trihalomethanes (THMs) was verified with chlorine dosage in lab-scale test. The bulk decay constant ($k_{bulk}$) was rapidly decreased with increasing temperature in the early time. In the case of 25 degrees celsius, the bulk decay constant ($k_{bulk}$) decreased over half after 25 hours later. In this study, there were able to calculate about optimal rechlorine dosage and select on profitable sites in the network map.
Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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2018.05a
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pp.18-18
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2018
상수관망 시스템(Water Distribution System, WDS)은 이용자에게 양질의 상수도를 공급하기 위해 구축된 사회기반시설물로써, 정수된 물이 사용처에 도달하기까지 송수과정에서 발생 가능한 수질저하를 고려해야 한다. 일반적으로 정수장에서 염소처리를 한 후, 도달시간을 고려한 시스템 내 잔류 염소농도를 유지함으로써 수질저하를 예방한다. 여기서 상수도 내 잔류 염소농도는 미생물 번식 및 관내 부식물 등 다양한 생물 화학적 오염을 효과적으로 예방하는 반면, 과다할 경우 이용자의 음용성을 저해할 수 있어 시스템 전반에 걸쳐 염소농도의 적절한 관리가 요구된다. 특히, 상수관망에서는 공급경로 및 공급량에 따라 각 수요처의 도달 염소농도가 다르게 분포할 수 있으므로, 시설운영자는 균등하고 적절한 염소농도를 유지하기 위해 추가적인 염소 재투입시설을 설치하여 함께 관리하고 있다. 이 때, 염소투입 시설의 운영계획은 EPANET과 같은 상수관망 해석모형의 수질모의를 바탕으로 수립된다. 그러나 일반적으로 수질모의는 수리해석과는 달리 긴 시간이 소요되는 단점이 존재한다. 본 연구에서는 이러한 단점을 개선하기 위해, 특정 네트워크의 수질모의 결과를 학습시킨 인공신경망(ANN) 모형을 구축하고 이를 이용하여 상수관망 수질모의 계산시간을 단축하고자 하였다. 여기서 ANN모형의 학습은 EPANET을 통해 미리 선정된 다양한 염소 투입지점의 염소 투입농도와 용수 공급량 자료, 그리고 주요 관측지점에서 측정된 염소농도자료를 이용하였다. 학습된 ANN모형을 EPANET 수질모의 결과와 비교 및 검증을 실시한 결과, 사전에 소요된 학습시간을 제외하면 수질모의 소요시간 측면에서 큰 개선효과를 보였으며, 대표지점에서의 수질모의 결과가 유사하였다. 추가적으로, 본 연구에서는 학습된 ANN모형과 최적화 알고리즘인 GA(Genitic Algorithm)를 연계하여 상수관망에서의 염소 재투입 스케줄링을 최적화하는 프로그램을 개발함으로써, 안전하고 경제적인 상수관망의 수질운영에 기여하고자 하였다.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2009.05a
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pp.259-260
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2009
Many concrete structures have suffered from carbonation or chloride ion diffusion induced reinforcement corrosion, and a number of studies have been done on these topics. Many studies were mostly confined to the single deterioration of carbonation or chloride ion, although the environment actually presents a combined condition. This paper tried to develop the approach to compute re-diffusion of de-sorbed chloride due to carbonation of concrete. This is a key for successful combined deterioration model of carbonation and chloride. It is thought that this paper can contribute to express mathematically chloride enrichment and re-diffusion of chloride at front of carbonation.
Song, Ha-Won;Jung, Min-Sun;Ann, Ki Yong;Lee, Chang-Hong
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.29
no.1A
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pp.75-84
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2009
The present study assesses the chloride threshold level for corrosion of steel in concrete by examining the properties of four different binders used for blended concrete in terms of chloride binding, buffering of cement matrix to a pH fall and the corrosion behaviour. As binders, ordinary Portland cement (OPC), 30% pulverised fuel ash (PFA), 60% ground granulated blast furnace slag (GGBS) and 10% silica fume (SF) were used in a concrete mix. Testing for chloride binding was carried out using the water extraction method, the buffering of cement matrix was assessed by measuring the resistance to an artificial acidification of nitric acid, and the corrosion rate of steel in mortar with chlorides in cast was measured at 28 days using an anodic polarisation technique. Results show that the chloride binding capacity was much affected by $C_{3}A$ content and physical adsorption, and its order was 60% GGBS>30% PFA>OPC>10% SF. The buffering of cement matrix to a pH fall was varied with binder type and given values of the pH. From the result of corrosion test, it was found that the chloride threshold ranged 1.03, 0.65, 0.45 and 0.98% by weight of cement for OPC, 30% PFA, 60% GGBS and 10% SF respectively, assuming that corrosion starts at the corrosion rate of $0.1-0.2{\mu}A/cm^{2}$. The mole ratio of [$Cl^{-}$]:[$H^{+}$], as a new presentation of the chloride threshold, indicated the value of 0.008-0.009, irrespective of binder, which would be indicative of the inhibitive characteristic of binder.
In respect of environmental hazard or human safety, the use of the chloride-based packaging materials like polyvinyl chloride (PVC) blister and film, Polyvinylidene chloride (PVDC) laminated film has been restricted with national regulations. In this study, I intended to develope the reagent solution for identifying the chloride-based packaging materials, so that it was made by mixing methanol ($CH_3OH$) saturated with sodium hydroxide (NaOH) and pyridine as solvent with same ratio. The efficacy of this reagent solution was verified by the analysis of chemical mechanism and experiments that showed the color change (brown) of the specimens. This analysis methode using reagent solution is so simple, convenient, inexpensive and immediate that I expect it will be useful in the field of packaging.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.5A
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pp.729-735
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2008
For well-constructed concrete, its service life is a long period and it has an enough durability performance. For cracked concrete, however, it is clear that cracks should be a preferential channel for the penetration of aggressive substance such as chloride ions accoding to author's previous researches. Even though crack width can be reduced due to the high reinforcement ratio, the question is to which extend these cracks may jeopardize the durability of cracked concrete. If the size of crack is small, surface treatment system can be considered as one of the best options to extend the service life of concrete structures exposed to marine environment simply in terms of cost effectiveness versus durability performance. Thus, it should be decided to undertake an experimental study to deal with the effect of different types of surface treatment system, which are expected to seal the concrete and the cracks to chloride-induced corrosion in particular. In this study, it is examined the effect of surfaced treated systems such as penetrant, coating, and their combination on chloride penetration through microcracks. Experimental results showed that penetrant can't cure cracks. However, coating and combined treatment can prohibit chloride penetration through cracks upto 0.06 mm, 0.08 mm, respectively.
Park, Jung-Jun;Koh, Kyoung-Taek;Kim, Do-Gyeum;Kim, Sung-Wook
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.8
no.2
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pp.239-246
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2004
To improve the durability of concrete structure, we usually consider the reduction of water-cement ratio, the increase of concrete cover depth and the use of mineral admixtures. The use of admixtures make concrete more durable and tighten against water in recent papers so it is needed to study more about the relationship between the admixtures and the chloride ion diffusion. Therefore we analyzed the correlation between chloride ion diffusion and physical properties such as compressive strength, void ratio, air permeability of the concrete, and tried to use them as fundamental data for analyzing chloride ion diffusion mechanism of the concrete mixed with mineral admixtures.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.12
no.5
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pp.133-142
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2008
This paper studies the early-aged chloride binding capacity of various blended concretes including OPC(ordinary Portland cement), PFA(pulversied fly ash), GGBFS(ground granulated blast furnace slag) and SF(silica fume) cement paste. Cement pastes with 0.4 of a free water/binder ratio were cast with chloride admixed in mixing water, which ranged from 0.1 to 3.0% by weight of cement and different replacement ratios for the PFA, GGBFS and SF were used. The content of chloride in each paste was measured using water extraction method after 7 days curing. It was found that the chloride binding capacity strongly depends on binder type, replacement ratio and total chloride content. An increase in total chloride results in a decrease in the chloride binding, because of the restriction of the binding capacity of cement matrix. For the pastes containing maximum level of PFA(30%) and GGBFS(60%) replacement in this study, the chloride binding capacity was lower than those of OPC paste, and an increase in SF resulted in decreased chloride binding, which are ascribed to a latent hydration of pozzolanic materials and a fall in the pH of the pore solution, respectively. The chloride binding capacity at 7 days shows that the order of the resistance to chloride-induced corrosion is 30%PFA > 10%SF > 60%GGBFS > OPC, when chlorides are internally intruded in concrete. In addition, it is found that the binding behaviour of all binders are well described by both the Langmuir and Freundlich isotherms.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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