오존 및 오존/UV공정과 생물학적 활성탄(BAC)공정을 이용한 고도정수처리기술 개발

임성린, 박종문

포항공과대학교 화학공학과, 환경공학부

Development of Advanced Water Treatment Technology using Ozone, Ozone/Ultraviolet and Biological Activated Carbon(BAC) Process

Seong Rin Lim and Jong Moon Park

Dept. of Chemical Engineering, School of Environmental Engineering, POSTECH, Pohang, Korea

서론

생활수준이 높아지면서 수돗물의 질에 대한 요구는 보다 고급화되는 반면 상수원을 오염시키는 요인은 증가하게 되어 종래의 정수방법에 의해서는 양질의 수돗물을 생산하기가 어렵게 되었다.

기존의 정수처리시설은 물리화학적인 처리방법을 기본으로한 응집침전, 여과, 염소처리로 구성되어 있으며, 이를 재래식 정수처리 기본 공정(CWTS : Conventional Water Treatment  System이라 한다. 이 CWTS는 청정한 원수의 처리를 목적으로 조합되어져 있으며, 주된 처리 대상 물질은 진흙등으로 부터 유래되는 점토성분의 무기성 현탁 미립자와 부유성 물질들이기 때문에  각종 난분해성 물질이나 중금속성분, 발암성 물질 및 농약, 비료성분과 같이 미량으로도 인체에 치명적인 결과를 낳을 수 있는 물질들을 제거하기 위해서는 기존의 재래식 정수처리만으로는 한계가 있다.

오존처리는 냄새물질이나 미량의 유기물질을 제거하거나, 응집제를 투여하였을 경우 분해된 유기물질들이 floc을 더 잘 형성하게 하여 응집을 도와주는 역할을 하며, 난분해성물질을 생분해가 가능한 물질로 성상을 변화시키고, 후처리에서 사용되는  생물학적 처리를 도와주는 역할을 한다. 염소처리를 대신하여 사용함으로써 THM(trihalomethane)의 형성을 방지하여 음용수 속의 발암성 물질을 제거시킬 수 있다.

생물학적 활성탄(BAC, biological activated carbon) 처리법은 활성탄의 흡착성질을 이용하여 수중의 용존 유해물질을 제거할 뿐만 아니라, 미생물을 활성탄에 부착시켜 용존 유기물질과 암모니아성 질소를 생물학적으로 분해 제거하거나 활성탄에 흡착된 유기물을 제거함으로써 포화된 활성탄을 생물학적으로 재생시키는 효과를 기대할 수 있다. 이러한 이유로 2-3년정도의 운전기간을 통한 생물학적 활성탄처리는 입상활성탄의 약 6개월정도의 짧은 수명으로 인한 재생 및 교체로 인한 경제적 손실을 줄일 수 있으며, 질소와 인으로 인하여 오염이 심각한 상수원을 처리하기에 적합한 공정이라고 볼 수 있다.

본 연구에서는 오염된 상수원으로 부터 양질의 음용수를 공급하기 위하여 오존처리공정과 오존/자외선(UV, ultraviolet)을 결합한 고급산화법(AOP, advanced oxidation process)을 도입하였으며, 활성탄에 의한 흡착과 활성탄에 부착된 미생물의 대사활동을 통하여 처리하는 생물학적활성탄(BAC, biological activated carbon)처리 공정을 이용하여, 오존 및 오존/UV공정의 산화능력을 비교하고, 활성탄의 종류에 따른 처리 능력을 비교하였다.

이론적 고찰

1. 오존에 의한 산화

수용액속에서 오존은 여러 가지 오염물질(M)과 두가지 경로로 반응을 일으킨다. 오존분자가 물속에 있는 물질과 바로 반응하는 직접적 반응과 물속에서 오존분자가 분해된 다음 생성된 라디칼이 다른 물질과 반응하여 산화시키는 간접적 반응으로 나누어진다.

Mox            direct reaction

O3

[OH]         M'ox            radical-type reaction

2. 오존/UV에 의한 산화

수용액상태에서는 다음과 같은 반응으로  hydrogen peroxide이 형성된다.

O3 + H2O          O2 + H2O2

이렇게 형성된  hydrogen peroxide는 광분해되거나 오존에 의해 다음과 같이 분해된다.

H2O2                      2OH*

-H+  +H+

HO2-                      HO2 + O3-

OH*

생성된 hydroxyl radical은 반응성이 오존 보다 강하므로 물속에 있는 유기물이나 금속이온을 쉽게 산화시킬 수 있다.

3. 생물학적 활성탄 처리

가. 활성탄에 의한 흡착

활성탄의 처리 능력은 제거하고자 하는 물질에 대한 breakthrough curve로 나타낼 수 있으며 점점 유입되는 물의 양이 증가함에 따라 유출농도가 증가하게 되고 어느 한계에 도달한 후 일정한 유출농도에서 유지되어 흡착에 의한 처리 효과는 무시된다. 그러므로 포화상태에 도달한 후에는 미생물에 의한 제거 효과만이 기대된다.

나. 생물학적 산화반응

(1) DOC의 산화반응

탄화수소의 일반적인 산화반응은 다음과 같다.

CxHy + (x + 0.25y)O2            xCO2 + 0.5yH2O

용존유기물을 완전히 CO2와 물로 전환할 때 필요한 이론적인 산소요구량은 (x + 0.25y)임을 위의 반응식을 통하여 알수 있다. 만약, 불충분한 양의 산소가 물속에 들어있다면 유기물의 부분적인 산화가 이루어질 것이다.

(2) 질화반응(nitrification)

질화반응은 Nitrosomonas에 의한 nitrification과 Nitrobactor에 의한 nitrafication의 두단계로 이루어지며 반응식은 다음과 같다.

NH4+ + 1.5O2         NO2- + 2H+ + H2O   (nitrification)

NO2- + 0.5O2         NO3-                (nitrafication)

NH4+ + 2O2          NO3- + 2H+ + H2O   (overall nitrification)

위 반응은 1mg의 암모늄이온을 질산이온으로 전환시키는데 3.6mg의 산소가 필요하며, 아주 높은 용존 산소량을 요구하는 호기성 반응이다.

실험

영천댐과 형산강의 혼합수를 침사지와 고속응집침전지를 통하여 물리화학적으로 처리된 것을 Fig 1과 같이 처리하였다. 오존접촉조는 지름 16cm, 높이 4.5m에 세라믹 폭기관을 이용하여 오존과 처리수가 향류식으로 접촉하게 하였다. 오존주입농도는 2mg/L, 접촉시간은 5분, 물의 유량은 12.8L/min, 공기의 유량은 3.2L/min으로 하였다. 오존/UV접촉조는 지름 14.4cm, 높이 4.5m, UV의 전력량은 1.09W/L, 물의 유량은 9.84L/min, 공기의 2.45L/min이고 오존주입농도와 접촉시간은 오존접촉조와 같은 조건으로 운전하였다.

BAC칼럼은 높이 3.3m, 지름 16cm, 충진깊이 1.8m, 선속도 7.2m/hr로 하였다.  역세시 활성탄의 팽창율을 30%로 하였으며, 겨울철의 낮은 수온으로 미생물의 낮은 성장율을 고려하여 역세주기는 6-7일로 하였다. 분석항목으로는 DOC, BDOC, NH3-N, UV-254, HPC이다.

결과 및 고찰

고도정수처리 기술을 개발하기 위하여 POSCO원정수설비내에 pilot-scale로 오존/AOP공정과 생물학적활성탄(BAC)공정을 적용하였다. 본 실험에서는 DOC, NH3-N, UV-254, BDOC, HPC의 항목을 통하여 각 산화공정과 활성탄 성능의 비교, 그리고 새로운 충진법을 이용한 BAC 시스템 개발을 연구하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1) 오존접촉조와 AOP접촉조를 통한 산화공정에서 DOC와 NH3-N에 대한 변화는 미미하였으나, AOP에서 UV-254의 수치가 낮게 나오므로써 THM이 형성될 가능성이 오존보다 낮았다. BDOC/DOC의 분율이 AOP가 더 높게 형성되므로 유기물을 생분해 가능한 물질로 전환시키는 것에는 AOP가 오존보다 뛰어났다.

(2) DOC제거에 있어서 BAC1이 BAC2보다 제거 효과가 우수하므로 미생물에 의한 제거보다는 흡착에 의한 제거 효과가 우수하여 석탄계 활성탄이 유리하였으며, BDOC가 미생물에 의해 분해되기도 하지만 흡착에 의해서도 제거되었다.

(3) NH3-N의 제거는 흡착에 의해 이루어지는 것이 아니고, 생물학적인 공정에 의하여 제거 되는 것이므로 부착된 미생물의 수가 많은 목탄계가 우수했다.

(4) UV-254에 대한 breakthrough curve는 약 3주가 경과한 후 plaeteu에 도달하였으며 이 후로는 흡착이 포화상태에 도달하여 미생물에 의한 제거만이 기대된다.

(5) 활성탄 충진층에 있어서 미생물의 분포는 표면에 가까울수록 높은 용존산소량과 영양분으로 이용되는 오염물질이 풍부하여 증가하였다.

향후 계속되는 고도정수처리 실험에서는 오존을 이용한 전처리 공정을 도입하여 응집침전에 미치는 영향과 BAC공정에서의 계절에 따른 처리 효과 및 미생물의 변화 등이 수행되어야 할 것이다.

참고문헌

1. R.G.Rice and C.M.Robson, 'Biological activated carbon. Enhanced biological activity in GAC systems', Arbor Sci. Pub. Inc. 1982

2. R.G.Rice, et al, 'Uses of ozone in drinking water treatment', J. AWWA, 73:1:44, 1981

3. F.J.Beltran, et al., 'Oxidation of atrazine in water by UV radiation combined with hydrogen peroxide' Wat. Res. 27:6:1013, 1993

4. Bancroft. et al., 'Assessment of bacteral growth and total organic carbon removal on GAC contactors' App. Envi. Micro. 46:683, 1983

5. 황선진, □고도정수처리에 관한 활성탄 처리 기술 연구□, 한국상하수도공학회지, 12, 1990

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