상수원수중 NOM의 활성탄 흡착특성

윤동현, 임준혁, 하기성, 이병선

부경대학교 화학공학부 화학공학전공

A Study on the Adsorption  of Natural Organic Matter by active carbons from Drinking Water

Dong- Hyun Youn, Jun-Heok Lim, Ki-Sung Ha and Byoung-Sun Lee

Department of Chemical Engineering, Division of Chemical Engineering,

Pukyong National University

서론

현재 우리 나라의 상수원수는 생활 폐수와 공장폐수, 그리고 농- 축산폐수로 오염이 심화되어 있다. 그중 상수원수에 함유된 NOM(Natural Organic Matter)은 정수처리공정중 소독과정에서 주입되는 염소와 반응하여 2차 오염물질인 D/DBPs(Disinfectant/Disinfection By-Products)이라는 발암물질을 생성하게 된다.[1]

이러한 NOM은 현재의 상수처리공정에서 응집-침전공정과 최근 도입되고 있는 활성탄 흡착공정에서 주로 제거가 이루어지고 있다. 현재 낙동강 하류지역 정수사업소의 응집-침전공정후에도 전체 NOM의  약 60%가 잔존하는 것으로 나타났다.[2] 따라서 잔존하는 NOM은 최근 고도정수 처리 공정으로 도입되고 있는 활성탄 흡착공정을 통해 제거할 수밖에 없는 실정이다.

본 연구는 낙동강 하천수 중에 함유된 NOM의 제거에 활성탄을 이용한 흡착공정을 이용하여 응집공정 후의 잔류 NOM을 제거하고자 하였다. NOM특성은 크게 3가지 항목으로 나누었다. 첫번째 TOC(total organic carbon), DOC(dissolved organic carbon)같은 기본 항목과 두 번째로 친-소수성특징에 따른 구분과 마지막으로  분자량별 분포 특성에 따라 구분하였다. 이와 같은 방법을 통하여 각각의 NOM특성에 따른 활성탄 흡착제거의 특성을 검토하였다.

실험

1. 시료

본 실험에 사용한 흡착제는 석탄으로 만든 Calgon사 입상활성탄 제품을 사용하였으며 물성치는 Table 1에 나타내었다.

Table 1. Properties of original granular activated carbon used in experiment

Raw material	Surface area(m2/g)	Pore volume(cc/g)	Statistical thickness(Å)
granular activated carbon	1278.8	0.45	3.5-5.0

분급된 활성탄을 증류수에 넣어 약 1시간 끓인 후 충분히 세척하고 105℃ 의 건조기에서 2-3일간 건조시킨 후 데시케이트 속에 보관하였다. 이후의 실험에 목적하는 양만큼 정량하여, 입자내의 기포를 제거시킬 목적으로 증류수를 가해 수 시간 정치시킨 후 사용하였다.

본 연구에 이용한 시험수로는 낙동강하류 메리 취수지 원수와 정수장에서 응집여과처리된 여과수를 취수하여 실험에 이용하였으며, 본 실험실에서 취수한 진공신속농축 장치를 사용하여 농축시켜 진탕 교반기를 이용하여 흡착 실험을 하였다.  실험에 사용된 원수와 여과수의 기초자료는 Table 2에 나타내었다.

Table 2. Quality of raw water and  filtered water

Water	pH	UV[ABS]	TOC[mg/L]	DOC[mg/L]
raw water	8.22	0.086	5.00	3.80
filtered water	7.72	0.039	4.82	3.35

원수와 여과수의 농축수는 4 ℃ 냉장실에서 보관하여 필요할 때마다 소량씩 편취하여 실험에 사용하였으며 여액은 냉장실에 보관하였다.

2. NOM의 특성별 분류

원수 및 여과수의 NOM특성은 각 시료수에 대하여 0.45 □ 막에 통과시켜 분류하였다. 각 시료수는 XAD-8 수지를 이용하여 Humic과 NonHumic으로 분류하였으며[3], 또한 분자량별 분류는 UF 분자량 분획장치를 이용하여 구분하였다. 시료수에 대한 유기물 제거효과는 DOC, THMFP의 농도를 분석하여 측정하였다.

결과 및 토론

1. 활성탄 흡착을 이용한 유기물제거

Fig. 1에는 과량의 활성탄 주입량(0.924(mg/g))에서 얻은 결과를 표시하였다. 활성탄 처리하기 전의 DOC양을 비교하면 원수는 27.82 (mg/L), 여과수는 20.65(mg/L)로 응집공정의 전과 후에 DOC 차이가 7.17(mg/L)로 약 26%의 제거율을 보여주고 있다.  반면, 활성탄 흡착의 경우에는 원수에 대하여 74%, 여과수에 대하여는 83.3%의 제거율을 보여주고 있어 용존 유기물의 제거에 활성탄 흡착공정이 효과적임을 알 수 있었다.  또한 원수보다는 응집공정을 통과한 여과수의 DOC 제거율이 높은 것을 알 수 있었다.

2. 친수성 유기물과 소수성 유기물의 제거 특성

Fig. 2에는 원수의 용존유기물을 친수성 유기물과 소수성 유기물로 구분하여 활성탄 공정에 의한 결과를 도시하였다. 본 실험에서 사용한 원수는 낙동강 매리취수장에서 취수한 것으로 원수 중에 친수성과 소수성 유기물의 비가 약 1:2.22 정도로 소수성 유기물이 많은 것으로 분석되었다. Fig. 2에서 볼 수 있듯이 활성탄 흡착에 의한 용존 유기물의 제거는 친수성 유기물의 경우보다는 소수성 유기물의 경우에 더 좋은 제거 효과를 볼 수 있었다.  친수성 유기물의 경우 활성탄 주입량 0.924 (mg/g)의 조건에서 제거 율이 53.1 % 이었고, 소수성 유기물의 경우에는 동일 조건에서 68.7 %로 15 %정도 높은 제거 율을 보여주었다.

한편 Fig. 3에서 여과수의 활성탄 처리에 따른 친, 소수성 유기물 제거효과는 앞의 원수와 같은 경향을 보여 주었다. 친수성 유기물의 경우 활성탄 주입량 0.924 (mg/g)의 조건에서 제거 율이 약 58 % 이었고, 소수성 유기물의 경우에는 동일 조건에서 약 78 %로 친수성유기물의 제거율보다 20 %정도 높은 제거율을 보여주었다.

3. 분자량 분포에 따른 유기물의 제거특성

Fig. 4에는 원수에 존재하는 용존 유기물을 활성탄 흡착으로 제거하기 전과 제거 후에 대하여 분자량 별로 나타낸 그림이다. 흡착과정에서 분자량별로 약간씩의 차이는 있으나 저분자부터 고분자까지 전반적으로 유기물의 제거가 이루어지고 있음을 볼 수 있었다.특히 분자량 1,000부터 3,000 사이의 경우에는 원수 중에 차지하고 있는 비율이 가장 높았으나 활성탄에 의하여 상당량이 제거됨을 알 수 있었다.

Fig. 5에는 여과수에 대한 결과를 Fig. 4와 같은 방법으로 표시하였다.  원수의 흡착과는 달리 여과수의 활성탄 흡착에서는 분자량 1,000 이상의 유기물이 대부분 제거되는 것을 볼 수 있었다.  분자량 1,000 이하의 저분자 유기물은 70 % 이상 제거되었다. 이는 여과수의 경우에 응집공정을 거치면서 활성탄 흡착에서 제거하기 어려운 유기물을 어느 정도 제거해 주기 때문인 것으로 보인다.  이 결과에서 제거되지 않고 남은 분자량 1,000이하의 유기물은  Jennifer의 선행연구 결과와 비교하여 보면 대부분 친수성 유기물일 것으로 판단된다.[4]

4. THM 전구체 제거특성

Fig. 6에는 활성탄 흡착을 이용한 원수와 여과수 중의 THM 전구체 제거 특성을 활성탄 주입량에 따라 표시하였다.  원수와 여과수의 초기 THMFP 농도를 비교하면 응집공정에서 약 55 % 정도의 THMFP가 제거되는 것으로 볼 수 있다.  활성탄 흡착을 통한 THMFP 제거를 Fig. 6에서 살펴보면 원수의 경우 처리 전 173(□g/L)에서 처리 후에는 26.6(□g/L)으로 84.6 %의 제거율을 보였고 여과수의 경우에는 처리 전 80.4(□g/L)에서 처리 후에는 12.6(□g/L)으로 84.3 %의 제거율을 보였다.

THMFP의 제거에 있어서는 원수와 여과수의 특성이 일치한다고 볼 수 있었다.  또한 응집공정을 통해서는 THMFP의 55 % 정도만이 제거되는 반면에 활성탄 흡착공정으로는 80 % 이상의 높은 제거효율을 보여주고 있었다.

결론

1.  활성탄 흡착은 원수 중의 용존 유기물에 대하여 74 %, 여과수에 대하여는 83.34 %의 제거율을 보여주고 있어 용존 유기물의 제거에 활성탄 흡착공정이 효과적임을 알 수 있었다.

2.  소수성 유기물의 제거율은 친수성 유기물의 제거율보다 20 %정도 높아 활성탄 흡착이 친수성 유기물보다는 소수성 유기물의 제거에 효율적이었다.

3.  원수중의 용존 유기물은 분자량에 따른 제거특성이 크게 나타나지 않았으나 여과수 에서는 분자량 1,000 이하의 저분자 친수성 유기물을 제외한 분자량 1,000 이상의 유기물이 대부분 제거되는 것을 볼 수 있었다.

4.  THMFP의 제거에 있어서 원수와 여과수는 동일한 제거 특성을 보여주었다.   또한 응집공정을 통해서는 THMFP의 55 % 정도만이 제거되는 반면에 활성탄 흡착공정으로는 80 % 이상의 높은 제거효율을 보여주고 있었다.

참고문헌

1. Harish, A., Lechevallier, M. W. and Dixon, K. L., "DBP occurrence survey" J. AWWA., 89(6), 61(1997).

2. 하 기성, 강 봉현, 이 동욱, 낙동강 물 정수에 관한 새로운 응집제 연구,     대한환경공학회지, 5, pp.205(1999).

3. Collin, M, and Steelink, C. Molecular Weight Distribution, Carboxy Acidity, and Humic Substances Content of Aquatic Organic Matter. Envir. Sci. and Technol., 20, pp.1028(1987).

4. Jennifer L. Jackson, and Seong-ho. Characterizing GAC breakthrough             of Natural Organic Matter in Molecular Size Fractions by Ulterafilteratio       -------  Environmental Engineers, 19(5), pp.661-670(1997).