정수장의 용존 자연유기물질 생분해도

향상에 관한 연구

이상훈, 김우진, 문순식, 최광근

이진원, 심상준*

광운대학교 화학공학과,한국과학기술연구원*

A Study on the Improvement of Biodegradability

of Dissolved Natural Organic Matters

In a Filtration Plant

Sang-Hun Lee, Woo-Jin Kim, Sun-Sik Mun, Kwang-Keun Choi

Jin-Won Lee, Sang-Joon Sim*

Dept. of Chemical Engineering, Kwangwoon Universty

Korea Institute of Science and Technology, Seoul, Korea*

서론

기존의 정수처리장은 최근의 다양화 및 복잡화되어 상수원에 존재하는 용존 자연유기물질 (natural organic matter: NOM)을 효율적으로 처리하지 못하고 있으며, 현재 우리나라는 정수처리 과정 중 미생물의 살균을 위하여 염소소독을 실시하고 있다. 이 경우 상수원에 존재하는 자연유기물질과의 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.

이론

오존 처리 공정을 전처리 공정으로 사용할 경우, 난분해성 자연유기물질과 같이 생물학적 분해 속도가 느린 화합물을 저분자 화합물로 전환시킴으로서 생물학적으로 처리가 곤란한 휴믹물질을 분해하고 미량 유기오염물질의 산화, 전구물질인 THMFP(trihalomethane formation potential)의 파괴 등의 효과를 가져올 수 있으며, 부차적으로 수중의 용존산소를 증가시켜 생물학적 처리공정내 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.

실험

본 연구는 오존과 BAC(biological activated carbon) 공정을 결합한 pilot plant의 실험을 하남시에 위치한 광암정수장 현장에서 수행하였으며, 오존 전처리수를 이용한 생물활성탄 필터 장치를 통하여 팔당호 상수원수에 적합한 BAC 공정 개발을 위한 실험을 진행하였다. 오존 전처리를 하지 않은 팔당호 상수원수를 0.083 L/min의 유량으로 생물활성탄 필터장치를 통과시키면서 미생물의 순응기간을 충분히 가진 후에, 오존 전처리 상수원수를 생물활성탄 필터에 통과하도록 하고 주기적으로 샘플을 채취하여 실험을 진행하였다. 생물활성탄 필터장치는 직경 10 cm, 높이 265 cm의 4개의 칼럼을 설치하였으며, 충진시킨 활성탄은 중국산의 갈탄계(lignite) 입상활성탄과 국내산의 야자계(coconut) 입상활성탄를 이용하였다. 생물활성탄 필터장치 하단에 모래를 10cm 가량 채우고 모래층 위에 lignite 계열과 coconut 계열의 활성탄을 각각 mesh size를 4-8과 8-12로 선택하여 170 cm 높이로 4개의 필터 칼럼을 충진한 후 실험을 시작하였다. 유입수의 수온은 상온으로 유지하였고 생물활성탄 필터장치에 의한 처리율을 주기적으로 측정하였다.

수질분석에는 DOC(dissolved organic carbon), COD, DO(dissolved oxygen)를 분석하였으며, 상수원수에 존재하는 자연유기물질(Natural organic matter)의 양을 측정하기 위하여 TOC(total organic carbon) analyzer (PHARMA-TOC)를 이용하여 DOC를 분석하였고, COD는 USEPA(united states environment protection agency)에 명시된 reactor digestion method를 이용하여 spectrophotometer (HACH-DR/2010)로 측정하였다. DO는 용존산소량으로 수질측정에서 가장 중요한 요소 중의 하나이며, YSI(MODEL-58)의 DO meter를 이용하여 측정하였다.

결과 및 토론

광암정수장 내에 설치한 생물활성탄 필터장치의 DOC 제거율을 보면 갈탄계 활성탄과 야자계 활성탄의 mesh size 8-12일 때 높은 DOC 제거율을 보이고 있음을 알 수 있으며, Mesh size 8-12일 때 갈탄계 활성탄이 63.5%, 야자계 활성탄은 57.5%의 제거율을 나타내었으며 이에 반하여 mesh size 4-8인 각각의 활성탄은 약 10-20% 정도 낮은 DOC 제거율을 나타내었지만 양호한 결과라 볼 수 있으며, 이는 전오존처리의 효과 뿐 아니라 여재의 특성상 미생물에 의한 유기물분해 뿐만 아니라 활성탄 흡착도 동시에 일어났기 때문인 것으로 사료된다.

COD는 수중의 피산화성 물질의 양을 일정한 산화조건으로 반응시킬 때 소비되는 산화제의 양을 측정하여 그 양을 산소당량으로 표시한 오염 지표인데, 피산화물이 산화되는 속도는 산화제의 종류, 피산화물의 농도, 반응온도 및 pH에 따라서 크게 달라진다. 수중의 유기오염도로 사용되는 대표적인 지표로서 COD를 측정한 결과, 원수의 COD는 평균 5.57 mg O2/L을 나타내었으며, 실험기간 중 최고 14 mg O2/L에서 최저 2 mg O2/L까지의 범위에서 COD의 변동을 보였다. 갈탄계의 mesh size 4-8인 활성탄이 64.1%의 처리율을 보여 가장 낮은 COD 처리율을 보이고 있고, 야자계 mesh size 8-12인 활성탄이 89.76% 처리율로 가장 높은 COD 제거율을 나타내었다. 각 활성탄에서 mesh size 8-12인 활성탄이 약 20% 정도의 좋은 처리율을 보이고 있다.

DO를 측정한 결과 원수의 평균 DO는 6.38 mg O2/L, 갈탄계 활성탄의 처리수는 mesh size 별로 4-8 일 때 3.65 mg O2/L, 8-12 일 때 4.29 mg O2/L 이었고, 야자계 활성탄의 경우 mesh size 4-8 일 때 3.62 mg O2/L, 8-12 일 때 4.28 mg O2/L 을 나타내었다. 원수의 경우 거의 일정한 DO를 보이고 있고, mesh size 4-8일 때 두가지 활성탄의 경우 DO가 모두 낮게 측정됨을 살펴볼 수 있다. 유기물이 미생물에 의해 분해됨에 따라 산소 농도가 낮아지는데, 두가지 활성탄에서 mesh size 4-8 인 활성탄의 DO의 농도가 더 낮은 것으로 보아 mesh size 4-8인 활성탄에서 미생물의 활성이 더 좋은 것으로 여겨진다. 또한 DO는 질산화에 중요한 역할을 하는 인자이기도 한데, 본 연구에서 유입수의 평균 DO는 6.38  mg O2/L로 질산화의 진행에는 별 문제가 없었으며, 유출수의 DO가 낮은 원인으로 잦은 막힘 현상 때문에 충분한 산소공급이 이루어지지 않은 것으로 사료된다.

Fig 1. 생물활성탄 필터장치 공정도       Fig 2. 원수와 야자계, 갈탄계 생물

활성탄 처리수의 DOC 제거율

Fig 3. 원수와 야자계, 갈탄계 생물        Fig 5. 원수와 야자계, 갈탄계 생물

활성탄 처리수의 COD 제거율	활성탄 처리수의 DO 측정

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