미생물 담체를 이용한 상수원수중의 NOM 제거

강 연석1,2, 명 복태1, 심 상준1, 김 우식2

한국과학기술연구원 청정기술연구센터1

경희대학교 화학공학과2

Biological media system for removing NOM

Youn-Seok Kang1,2, Bok-Tae Myung1, Sang-Jun Sim1, Woo-Sik Kim2

Clean Technology Research Center, Korea Institute of Science and Technology1

Department of Chemical Engineering, Kyunghee University2

서 론

최근에 적용되고 있는 정수처리 공정은 병원성 미생물의 불활성화를 위하여 소독과정을 필히 거치게 된다. 그러므로 염소와 같은 소독제로 소독을 실시하게 되는데 이때 상수원수중에 존재하는 천연유기물질(Natural organic matter ; NOM)과 소독제가 반응하여 소독부산물(Disinfection by-product ; DBP)을 생성하게 된다. 소독부산물로는 트리할로메탄(Trihalomethans ; THMs), 할로아세트산(Halo Acetic Acids ; HAAs), 할로아세트나이트릴(Halo Acetic Nitriles ; HANs), 할로케톤(Haloketons ; HKs)등이 있는데 이러한 소독부산물이 발암물질로 판명됨에 따라 미국환경청(USEPA)의 소독제/소독부산물규정(Disinfectant/Disinfection By-Product rule ; D/DBP rule)제정과 같은 선진국에서의 소독부산물의 대처방안에 대한 규제 및 연구가 활발히 진행되고 있다.

소독부산물의 대처방안으로는 소독부산물의 전구물질인 NOM 제거, 염소이외의 대체소독제 투입, 생성된 소독부산물의 직접적인 제거 등이 있는데 이중에서 전구물질인 NOM의 제거가 가장 효율적인 방법으로 제시되며, NOM 제거방법으로는 응집(coagulation), 활성탄에 의한 흡착(granular activated carbon adsorption), 막 여과(membrane filtration)등이 있는데 이중 활성탄 공정에서는 활성탄의 운용을 연장시키기 위하여 생물활성탄(biological activated carbon ; BAC)이라는 개념을 도입하여 NOM 성분 중 생물분해 가능한 부분을 미생물이 제거하며 흡착에만 의존한 유기물제거의 한계를 극복하는 방안으로 활용중이다.

본 연구에서는 BAC 처리의 생물분해능과 같이 NOM의 생분해성 부분을 제거하고자 로프형 미생물 담체를 침전조에 적용하는 공정으로 NOM 제거를 시도하여 기존 정수처리공정에의 응집-침전 과정만으로 제거되지 못하는 NOM부분의 추가적인 제거 효과를 기대하였고, NOM의 생분해도를 높이기 위하여 전처리 과정으로써 전 오존 처리를 도입하였다.

실험 방법

모든 실험은 경기도 K정수장에 설치된 pilot plant에서 이루어 졌다. Pilot plant는 일반적인 정수처리 공정을 모사한것으로 팔당원수를 오존으로 전 처리한 후 PACl(poly aluminum chloride)을 이용한 급속-완속-침전과정을 거쳐 모래여과를 통과시켜 최종처리수를 얻게된다. 미생물 담체 침전조는 약 8 □정도 부피의 아크릴 재질로 제작되었고, 미생물 담체는 로프형 고정상 접촉제 형태로 직경 40∼45 mm의 나이론 섬유질이며 이를 15 cm정도씩 잘라내어 사용하였다.

일반적인 정수처리공정과 연계된 미생물 담체의 NOM제거 및 탁도 제거효과를 알아보기 위하여 미생물 담체 침전조는 pilot plant의 모두 세 지점에 설치하였는데, 첫 번째는 아무 전 처리도 거치지 않은 팔당원수를 바로 통과하도록 설치하였고(Media1), 두 번째는 팔당원수를 오존으로만 전 처리한 후 통과하도록 설치하였으며(Media2), 세 번째는 침전과정이 끝난 후 통과하도록 설치하였는데(Media3) 이때 모래여과는 거치지 않았다. 충분한 유기물의 분해를 위해 미생물 담체 침전조에서의 체류시간은 약 6시간정도로 하여 유량을 20∼22 □/min으로 조정하였고, 수온저하와 산소결핍으로 인한 미생물 활성 둔화를 방지하기 위해 인위적인 Heating을 시켜 20∼25 ℃정도의 수온을 유지함과 동시에 폭기를 시키며 실험하였다. 샘플링은 2∼3일 정도에 한번씩 실시하여 NOM의 간접적 지표로 사용되는 DOC(dissolved organic carbon)와 UV254및 탁도등을 분석하였다.

UV254 흡광도는 Ultraviolet-Visible Spectrophotometer(UV-2000, Shimadzu, Japan)를 사용하여 254 nm에서 측정하였으며, DOC는 TOC-Analyzer(Pharma TOC, Analytikjena, German)의 NPOC(Non-purgeable organic carbon) mode로 분석하였다. 위의 분석시료는 측정전에 0.45 □ Membrane filter로 여과하였다. 탁도는 HACH Company(Model-16800, U.S.A) 탁도계를 사용하여 측정하였고, 나머지 분석항목은 모두 '먹는물 수질 공정시험방법'에 따라서 분석하였다.

결과 및 토론

일반적인 처리 공정에서의 탁도변화와 각 공정별로 설치된 미생물 담체의 탁도 변화를 살펴보았는데 그 결과는 Fig. 1. 과 같다. 원수의 평균 탁도는 3.2 NTU 정도를 보이다가 오존 전처리를 지나면서 3.4 NTU 정도의 수치를 보였는데 이는 오존의 산화력으로 인하여 탁도유발요인이 가중되었기 때문인 것으로 사료된다. 침전과정에서는 응집 후 침전되지 않은 미세 floc의 작용으로 1.7 NTU 정도의 탁도를 보였고, 최종 모래여과를 통과하면서 수질기준치에 적합한 수준인 0.3 NTU 정도를 유지할 수 있었다(정수 수질 기준치 - 2001년 7월부터 0.5 NTU이하). Media 1, 2, 3에서는 각각 평균 1 NTU, 0.5 NTU, 0.3 NTU 정도의 탁도를 나타내었다. 미생물 담체 침전조는 말 그대로 침전조에 미생물 담체 역할을 병합해 놓은 것이므로 탁도제거 효과를 볼 수 있는데 Media 1 에서는 원수를 바로 처리한 것이므로 원수중의 커다란 입자성분만을 침전조에서 제거할 뿐 나머지는 그대로 유출되었기에 다소 높은 수치의 탁도를 나타낸 것으로 보인다.  Media 2 에서는 오존 전처리에 의한 산화력으로 고분자 유기물질을 저분자화 하거나 저분자 물질을 용존상으로 변화시킨 후 처리하게 되므로 오존의 작용으로 인한 SS(Suspended Solid)의 부하를 줄일 수 있게 되기에 좀더 나은 탁도 제거 효과를 보일 수 있던 것으로 사료되며, Media 3 은 모래여과를 거친 수질과 비슷한 결과를 보였는데 이는 침전조에서 제거 할 수 없는 미세 floc이 담체에 의하여 흡착 제거된 것으로 사료된다. 이 결과로 보아 탁도 처리 면에서는 미생물 담체 침전조 시스템이 일반적인 정수처리 공정 중 모래여과 기능을 대신 수행할 수 있는 장치임을 확인할 수 있었다.

NOM제거율을 나타내는 DOC와 UV254의 변화는 Fig. 2. 과 Fig. 3. 에 나타내었다. 실험 초기에는 NOM제거의 효과가 보이질 않다가 미생물의 안정화가 어느정도 끝난 20일 정도가 경과한 후부터 NOM제거의 효과가 나타났는데, 예외로 Media 1 의 경우에는 실험 기간내 DOC 및 UV값이 원수와 거의 비슷하였다. 이는 원수자체의 SS성분이 미생물 담체를 오염시켜 미생물의 활성을 저해함으로써 유기물의 감소가 안된 것으로 사료되며, 이것으로 판단하건데 이 공정에서는 별도의 다른 전처리 공정이 필요할 것으로 보인다. Media 2 에서는 20일 정도가 지난 후에 약 20%정도의 DOC 제거효과를 보였고, UV값 역시 약 40%정도의 감소를 보였다. 오존의 산화력으로 SS의 부하를 줄임과 동시에 유기물의 생분해도를 높히게 되므로 미생물 담체로 인한 처리효과를 보인 것으로 사료된다. Media 3 은 원수에서 침전조까지 약 32%정도의 DOC 제거를 보이고 그 후 미생물 담체에서는 약 15%의 추가적인 제거 효과를 나타내어 총 원수대비 47%의 DOC 제거율을 나타내었고, UV값은 침전조까지 약 62%의 감소를 보이고 미생물 담체를 거치면서 추가적으로 14%의 감소효과를 보여 총 원수대비 76%의 감소를 나타내었다. 침전처리를 거치기까지 오존접촉 및 응집과정을 지나기 때문에 기본적으로 NOM제거가 어느 정도 이루어지며 침전처리 후 제거되지 않은 용존성 유기물질은 추가적으로 미생물 담체에 의해서 제거한 것으로 보인다.

일반적인 정수처리 공정과 Media 3 만의 NOM 제거율을 Fig. 4. 와 Fig. 5. 에 서 비교하였다. 원수의 평균 DOC 농도는 2.2 mg/l였고, 오존 전처리 후에는 거의 비슷한 2.1 mg/l를 나타내었다. 응집-침전과정을 거치면서 DOC 농도는 1.5 mg/l로 감소하였지만 최종적으로 모래 여과를 거치면서는 1.4 mg/l의 농도로 거의 감소효과를 보지 못하였다. 반면에 Media 3 에서는 평균 1.1 mg/l의 농도를 유지하며 응집-침전과정을 거친 물에 추가적인 DOC 제거 효과를 나타내었다. 이것은 미생물의 활성에 의한 것으로 판단되며 이를 근거로 미생물 담체 침전조가 최종처리 과정인 모래여과를 대치할 수 있는 장치임이 확인되었다. 그러나 아직은 미생물 담체 침전조가 미생물의 탈리 현상과 같은 문제점이 남아 있기 때문에 향후 이에 대한 지속적인 보완책이 필요 할 것이다.

참고 문헌

1. Joseph G. Jacangelo, Jack DeMarco, Douglas M. Owen, and Stephen J. Randtke, "Selected processes for removing NOM : an overview", Jour. AWWA, Vol. 87,  pp 64-77, (1995)

2. Wataru Nishijima and Mitsumasa Okada, "Particle Separation as a Pretreatment of an Advanced Drinking Water Treatment Process by Ozonation and Biological Activated Carbon", Wat. Sci. Tech., Vol. 37, No. 10, pp 117-124, (1998)

3. James P. Nalley Jr., T. Taylor Eighmy, M. Robin Collins, Jennifer A. Royce, and Daniel F. Morgan, "The Performance and Microbiology of Ozone-Enhanced Biological Filtration", Jour. AWWA, Vol. 85,  pp 47-57, (1995)

Fig. 2. DOC removal of each media [media 1 - direct raw water, media 2 - after ozone contact, media 3 - after settlement]

Fig. 1. Change of turbidity for each process

Fig. 3. UV254 removal of each media [media 1 - direct raw water, media 2 - after ozone contact, media 3 - after settlement]

Fig. 4. Change of DOC for each process and media3