음용수 처리에서 오존 전처리와 생물활성탄 공정에 의한

용존 유기물질 제거 특성에 관한 연구

이상훈, 문순식, 신종철, 최광근

박대원*, 심상준*, 이진원

광운대학교 화학공학과, 한국과학기술연구원*

The Characteristic of Removal Dissolved Organic Matter

by Ozonation-Biological Activated Carbon Process

in Drinking Water Treatment Facility

Sang-Hun Lee, Sun-Sik Mun, Jong-Chul Sin, Kwang-Keun Choi

Dae-won Park*, Sang-Joon Sim*, Jin-Won Lee

Dept. of Chemical Engineering, Kwangwoon University

Korea Institute of Science and Technology, Seoul, Korea*

서론

기존의 정수 처리공정은 혼화/응집, 침전, 여과 및 소독의 과정으로 구성되어 있으며, 기존의 정수 시설만으로는, 최근의 다양화 및 복잡화된 상수원에 함유되어 있는 용존 유기물질(dissolved organic matter: DOM)을 효율적으로 처리하지 못하고 있으며 또한 정수처리 과정 중 미생물의 살균을 위하여 염소소독을 실시하고 있다. 이 경우 상수원에 존재하는 용존 유기물질과의 반응으로 780가지 이상의 다양한 종류의 염소소독 부산물이 생성될 수 있다. 이들 대부분이 할로겐 화합물로서 장기간 노출될 경우 암을 일으키거나 환경호르몬으로 작용할 가능성이 있는 것으로 알려져 있으며, 이러한 자연유기물질의 효과적인 제거공정의 개발이 시급한 실정이다. 따라서 이들 용존 자연유기물질의 효과적인 처리방법의 하나로 오존 전처리와 생물학적 처리를 연계시킨 공정이 매우 유용하고 효율이 높다고 알려져 있다.[4,6]

오존 처리 공정을 전처리 공정으로 사용할 경우, 난분해성 자연유기물질과 같이 생물학적 분해 속도가 느린 화합물을 저분자 화합물로 전환시킴으로서  미량 유기오염물질의 산화시키며 부차적으로 수중의 용존산소를 증가시켜 생물학적 처리공정 내 미생물의 활성을 높일 수 있다. 난분해성의 장쇄 자연유기물질은 오존 전처리를 통해 단쇄 화합물로 분해되고 후단에 위치하는 생물학적 처리조에서 단쇄 화합물을 제거하는 것이 본 공정의 기본 개념이다.

본 연구에서는 용존 유기물을 제거하기 위하여 최근 고도처리 기법으로 도입되고 있는 오존과 활성탄 공정을 이용한 처리를 팔당호에 적용하여 처리가능성을 타진하였다.

실험

본 연구는 오존과 BAC(biological activated carbon) 공정을 결합한 pilot plant의 실험을 하남시에 위치한 광암 정수장 현장에서 수행하였으며, 오존 전처리수를 이용한 생물활성탄 필터 장치를 통하여 팔당호 상수원수에 적합한 BAC 공정 개발을 위한 실험을 진행하였다. 일정기간(약 4주) 동안 입상활성탄(granular activated carbon : GAC)에 미생물 부착을 위한 순응기간을 갖은 후, 생물활성탄으로의 전환 후에 모든 실험을 진행하였다. 직경 10 cm, 높이 265 cm의 3개의 BAC column을 설치하였으며, 충진시킨 활성탄은 국내산의 mesh size 4-8인 야자계(coconut) 입상 활성탄를 이용하였다. 유입수를 원수로 사용했기 때문에 부유고형물질로 인한 column 내의 막힘 현상에 의해 처리용량이 일부 감소하는 현상을 보였으며, 따라서 주기적인 역세척에 의해 부유고형물질에 의한 처리용량 감소 및 효율 저하의 문제를 개선하였다. 수질분석에는 DOC(dissolved organic carbon), DO(dissolved oxygen), Turbidity 등을 분석하였으며, 상수원수에 존재하는 용존 유기물질(dissolved organic matter)의 양을 측정하기 위하여 TOC(total organic carbon) analyzer (PHARMA-TOC, Analytikjena, German)를 이용하여 NPOC (non purgeable organic carbon) 방법으로 DOC를 분석하였고,  DO는 용존산소량으로 수질측정에서 중요한 요소 중의 하나이며, YSI (MODEL-58)의 DO meter를 이용하여 측정하였다.

결과 및 토론

Column 유입수를 원수로 이용하여 EBCT(empty bed contact time) 차이에 의한 처리 경향은 Fig. 1과 같다. 유입수의 평균 DOC 2.53 mg/L을 나타내었으며, 원수 수질이 크게 악화되었을 경우, 6.29 mg/L까지 DOC가 측정되었다. 또한 유입수의 평균 NH3-N의 경우 0.069 mg/L, 수온은 실험기간 동안 8□에서 24.5 □를 나타내었다.

원수를 유입수로 적용한 경우 EBCT가 10min인 column이 가장 좋은 DOC 제거율을 나타내었는데(Fig 1), 제거율은 최고 68.9 %, 최저 18.5 %까지 제거되었으며, 평균적으로 39.5 %의 제거율을 나타내었다. 일정기간 동안 순응을 한 상태임에도 불구하고, 안정적인 제거율을 나타내어 흡착능 이외에 미생물에 의해 유기물이 제거되는 것을 확인 할 수 있었다. 입상 활성탄의 주기능이 미세공에 의한 흡착에서 활성탄의 미세공에 미생물이 부착 생성됨에 따라 미생물에 의하여 유기물이 제거된 것으로 사료되며, 따라서 미생물의 생장환경에 따라 활성탄에 의한 용존 유기물질의 제거가 일정하지 않고 변화가 심한 것으로 분석된다.[5]

활성탄의 흡착능을 알아보기 위하여 회분흡착실험을 수행하였다.  Fig 2에서 살펴볼 수 있듯이 K=3.149, 1/n=1.0157로 상대적으로 미세세공이 잘 발달되어 있는 야자계 활성탄을 사용했음에도 불구하고, DOM(dissolved organic matter)과 같은 물질의 흡착이 잘 이루어지고 있지 않음을 알 수 있었다.[2] 유입수의 경우 자연수이므로 함유되어 있는 여러 가지 미량물질로 인하여 실제 실험에서는 흡착양상이 달라진 것으로 사료되며, 등온흡착실험 시 사용했던 원수의 수질이 극히 좋지 않았던 상태였기 때문에 흡착실험의 상관계수 값이 다소 낮게 나타난 것으로 분석된다. 또한 회분식으로 진행된 등온흡착실험은 흡착 반응이 발생하는 시간이 충분한 반면, 실제 semi-pilot scale의 연속식 실험에서 짧은 체류시간으로 인하여 흡착능이 다소 떨어지는 것으로 사료된다.[4]

EBCT 차이에 의한 용존 유기물질 제거율을 평균 제거율 만으로 살펴 볼 때, Fig 3에서 볼 수 있듯이 큰 차이는 없는 것으로 사료되며, 이것은 column 내에서 유입수의 체류시간이 10분 이하의 상당히 짧은 시간이므로 미생물에 의한 유기물 소모가 그다지 크지 않은 것으로 사료된다.[1,7]

활성탄의 흡착능이 현저히 감소된 상태에서 통수량이 증가함에 따라 용존 유기물질 제거율이 현저히 감소함을 Fig 4에서 살펴볼 수 있었다. 통수량이 약 300,000 L까지는 생물학적 제거능과 함께 흡착능으로 DOC의 누적 제거량이 빠르게 증가하였으나, 통수량 400,000 L에 이르러선 거의 흡착 파과점에 도달한 것으로 보이며, 이후의 완만한 누적 제거량으로 살펴볼 때 생물학적 제거능에 의한 처리가 주를 이루는 형태로 사료된다. 순응기간 이전부터 생물학적 제거능이 존재할 가능성이 충분하지만, 생물활성탄의 누적 제거량이 등온 흡착식으로부터 구한 누적 제거량을 초과하는 지점부터를 생물학적 제거량이 흡착능을 초과하여 생물학적 처리 효과를 나타내는 것으로 판단된다. 일반적으로 처리특성을 비교할 때, 유입수 농도에 대한 유출수의 농도비에 의해 처리효율을 비교하지만, 운전 기간 동안의 유입수의 성상이 매우 크게 변하였기 때문에 정량적인 비교가 어려웠다. 따라서 bed volume에 의해 단위시간당 처리능을 비교함으로서 정량적인 비교를 가능케 하였다.

참고문헌

1. 이병호, 유용준, □낙동강 혼합원수에 대한 오존과 활성탄을 이용한 pilot plant의 운전에서 조건에 따른 KMnO4 요구량의 제거에 대한 연구□, 대한토목학회, 20, 4-B (2000)

2. 김덕진, □고도정수처리공정에서 생물활성탄의  처리특성□, 대한토목공학회,  20, 1-B (2000)

3. Daniel, U., Huck, P. M., Booth, S. D. J and Coffy, B. M., "Biological filteration for BOM and particle removal : a critical review", AWWA,  89, 12 (1997)

4. Lori, A. Cipparone., Alicia, C. Diehi and Gerald, E. Speitel Jr., "Ozonation and BDOC removal : effect on water quality", AWWA, 89,  12, (1997)

5. Kenneth, H. Carlson and Gary, L. Amy., "Ozone and Biofiltration optimization", AWWA, 93, 1 (2001)

6. Taha, F. Marhaba., Doanh, Van and R, Lee. Lippintcott., "Changes in NOM Fractionation through Treatment", Ozone science & Engineering,  22, 3 (2000)

7. Kenneth, H. Carlson and Gary, L. Amy., □BOM removal during biofiltration", AWWA, 90, 12 (1998)