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미생물이야기 입상활성탄 처리에는 정수처리과정의 어느 단계에서 행하여지는 지에 따라 여러 가지 방법이 있다.
2013-08-13 12:08:49
이엠생명과학연구원

생물활성탄

 

1. 정의

 

(1) 활성탄에 대하여
종전의 급속여과를 중심으로 한 응집, 침전, 여과의 정수처리는 물리화학적 작용에 의한 오염물질 성분 제거가 주된 목적이다. 이것에 대하여 활성탄 처리설비는 용해성 유기물질, 트리할로메탄 전구물질, 맛·냄새물질, 농약성분 등의 미량유기물질을 제거할 목적으로 도입한 것이고, 종전의 정수처리와 조합되기도 하고, 유기물을 저분자화할 수 있도록 활성탄으로 제거성능을 높일 목적으로 전단에 오존처리를 조합하여 이용된다. 또한, 오존처리를 한 경우에는 반드시 반응 생성물의 제거를 목적으로 후단에 설치하는 것이다.

(2) 활성탄의 종류와 사용방법
활성탄의 종류에 대하여는 입경에 따라 크게 구분하면, 직경이 0.5∼2.0mm 정도의 입상활성탄을 槽에 채워 하향류 또는 상향류로 물을 통과시켜 처리를 하는 방법과 분말활성탄을 원수 단계에서 혼합시켜 후단에 응집침전, 여과시켜 제거하는 방법의 2가지 방법이 있지만, 여기에서는 입상활성탄에 대하여만 취급하는 것으로 한다. 이유로서는 분말활성탄의 사용이 냄새 발생 시에 일시적으로 사용하면 즉효성은 있지만, 생물활성탄으로서의 기능은 기대할 수 없기 때문이다.

 

(3) 생물활성탄이란
입상활성탄 처리에는 정수처리과정의 어느 단계에서 행하여지는 지에 따라 여러 가지 방법이 있다. 특히 염소처리의 전에 활성탄처리를 하면 암모니아성질소의 제거효과가 있고, 장기간에 걸쳐 활성탄을 계속해서 사용하는 것이 가능하나, 염소처리 뒤에 입상활성탄 처리를 하면 이 같은 효과는 없다. 이것은 염소처리 뒤에 입상활성탄 처리를 하면 염소 때문에 수질에 유용한 미생물이 죽어 버리지만, 염소처리 전에 활성탄처리를 하면 활성탄의 표면에 미생물이 붙어 활성탄의 흡착효과와 함께 미생물에 의한 처리효과가 추가되기 때문이다. 그 같은 활성탄을 생물활성탄(Biological Activated Carbon, BAC)이라고 하고 그 효과를 이용한 처리를 생물활성탄 처리라고 한다.
원수 중의 암모니아성질소 농도는 수온이 낮은 겨울철에 높고, 수온이 높은 여름철에는 낮아지지만, 생물활성탄 처리를 하는 경우에도 암모니아성질소 제거율은 수온이 낮으면 낮아진다. 이것은 암모니아성질소를 분해하는 세균의 활동이 수온이 낮은 시기에 나빠지기 때문이다. 수돗물의 실험에서는 수온이 18℃정도까지는 거의 완전하게 제거되지만 8℃이하가 되면 대부분 제거되지 않는다. 그러나 수온이 상승하면 다시 제거할 수 있다. 곰팡이 냄새물질도 염소처리 뒤에 입상활성탄 처리를 하면 짧은 기간밖에 제거할 수 없지만, 생물활성탄 처리를 하면 수년간에 걸쳐 제거효과를 얻을 수 있다.

2. 생물활성탄의 특징

(1) 생물활성탄의 형성
모든 상수원수는 다양한 종류의 미생물들을 함유하고 있다. 상수원수의 미생물들은 정수처리 과정을 거치면서 제거되기는 하나 비록 전염소처리를 하더라도 완벽하게 사멸되지 않는다. 대개의 경우 활성탄 여과지는 대기 중에 노출되어 있으므로 미생물들은 활성탄 여과지 내로 유입한다. 입상활성탄의 세공은 직경에 따라 Macro pore, Transitional pore, Micro pore로 구분되는데 유입된 미생물들은 대개 크기가 10,000?이상이므로 활성탄 표면에 나있는 Macro pore에 안착하게 된다.
Macro pore는 미생물들을 여러 가지 물리적인 힘으로부터 보호하는 역할을 하게 되므로 미생물들은 점차 원수중의 유기물질 및 활성탄에 흡착되었던 유기물질들을 먹이로 하며 번식하게 된다. 즉, BAC는 자연적으로 GAC에 미생물이 서식하면서 4∼8주 후 미생물의 활동이 평형상태에 이르면서 형성되는 것으로 활성탄 고유의 흡착기능과 생물활동의 효과를 공유하게 된다.

 

(2) 미생물서식에 의한 효과

(가) 원수 중의 유기물질
생분해되기 쉬운 유기물질이 액상 중에서 혹은 흡착 후에 분해작용에 의하여 흡착의 수명이 길어지는 경우와 난분해성 유기물질의 일부는 흡착되어 생분해되는 경우 등 유기물질 처리에 있어서 유리한 효과가 있다.

(나) 생분해의 과정에서 생성되는 유기물질
일부의 생성물질에는 THMFP를 포함하고 있기 때문에 생성물질이 흡착성에 의한 컬럼의 유출수가 변화하여 THMFP의 수치가 높아질 우려가 있다. 또한, 미생물의 대사물질이 미생물의 활성을 방해하는 요인으로 작용하는 경우 활성탄의 존재가 생물에 대하여 안전한 증식을 도와줄 수 있다.

 

(다) 원수 중의 암모니아성질소
생분해성의 유기물질이 제거되어 산화력이 유지되는 경우에는 질산화가 진행된다. 더욱이 그 후 흡착된 유기물질을 이용하게 되면 탈질도 이루어질 가능성이 있다.

(라) 그 밖의 미량성분의 변화
활성탄 층에서 수중의 용존망간, 철 등이 층내의 산화·환원상태의 변화에 의하여 탄층에서 석출되는 현상이 나타난다. 보통 흡착 등으로 철, 망간 등에 대한 제거효과가 기대되는 동시에 생물이 공존하는 경우에는 그 증식에 의하여 층내의 적은 범위에서 산화환원상태가 변화하기 때문에 석출된 금속으로부터 용출의 가능성이 있다.

 

(마) 증식 미생물의 변화
층내에 증식된 미생물의 상태와 량 등은 아직 불명확한 점이 많다. 어떤 종류의 박테리아가 서식하며, 원생동물은 어떤 종류가 발생되는 지에 대하여는 연구가 진행 중에 있다. 서식 미생물이 컬럼에서 유출될 경우, 흡착 컬럼의 연속된 처리과정으로서 사용하고 있는 여과 등의 공정에서 제거하는 방법밖에 없다. 이후 이러한 문제를 해결하기 위해 공정에 대한 처리기술을 개발하여야 한다.

(3) 생물활성탄의 장·단점

(가) 장점
생물활성탄의 최대 장점은 유기물질의 제거를 흡착에만 의존하는 GAC에 비하여 흡착과 생물분해라는 두 가지 제거기구에 의존한다는 점이다. 즉, BAC의 흡착능은 GAC와 거의 동일하다고 보는데 이것은 BAC에서 미생물이 크기의 제약상 Macro pore에서만 서식하므로 활성탄 표면적의 99% 이상을 점유하는 Transitional pore와 Micro pore가 건재하기 때문이다. 이것은 즉, 생물난분해성 물질에 대한 BAC 흡착능은 GAC와 건의 동일한데 생물분해 가능한 물질은 생물분해하여 제거하므로 모든 흡착능력을 생물난분해성 물질의 흡착에 할애할 수 있으므로 재생 Cycle이 GAC보다 훨씬 길어지게 됨을 의미한다. 실제로 BAC Pilot Plant를 운영하고 있는 유럽 및 일본 각지의 정수장은 한결같이 3∼5년 동안 활성탄을 재생하지 않고 있음을 보고하고 있다. 이것은 활성탄 여과지 내에서 미생물의 활동을 철저히 억제하고 있는 일본 지바현의 가시와이 정수장이 30∼45일마다 활성탄을 재생하고 있는 것과 좋은 대조를 이루고 있다. 활성탄 여과지에서 활성탄 재생주기가 길어진다는 것은 여과경비의 직접적인 절감을 가져오게 된다.
비용절감 외에 또 하나의 생물활성탄 공정의 장점은 오존주입과 생물활성탄을 거친 처리수는 염소요구량이 적고 안정되어 있어 소량의 염소 또는 이산화염소의 주입으로 충분한 잔류소독 효과를 거둘 수 있다는 것이다. 게다가 생물활성탄 유출수 중에는 미생물이 분해할 수 있는 유기물질은 거의 다 분해제거 되었으므로 배수관망 내의 미생물이 활용할 수 있는 유기물질이 없어 결과적으로 배수관망 내 미생물의 번식을 억제하는 효과도 기대할 수 있다.

(나)단점
생물활성탄 공정의 특성인 생물분해 기능은 장점인 동시에 단점이기도 하다. 첫째로 생물활성탄이 미생물군을 형성하여 안정적인 기능을 발휘하기까지 약4∼8주의 기간이 필요하며 온도, pH, 유입물질의 종류 등 미생물의 활동에 영향을 미칠 수 있는 주위환경 인자가 변할 경우 다시 4∼8주의 안정화 기간이 소요된다. 따라서, 생물활성탄 실증플랜트 운영은 적어도 12개월 이상의 기간이 소요되며 2년 이상의 운영이 권고되고 있으며 본 시설설계에 들어가기 전에 최적 설계조건 및 운영조건을 파악하기 위한 장기간의 조사·검토가 요구된다. 둘째로 전처리 공정이 다양해지므로 유지관리에 고도의 숙련된 운영요원이 필요하다. 셋째로 생물활성탄 유출수 중에는 활성탄 표면에서 탈리된 미생물들과 미생물들의 활동의 결과로 생성된 미량의 분비물들이 포함되어 나온다. 결과적으로 생물활성탄 유출수에는 비교적 적으나 일정한 양의 유기물질이 항상 포함되어 있다. 그러나 유출수 내의 유기물질의 농도가 균일하게 낮은 상태이므로 파과(Breakthrough)를 감지하는데는 어려움이 없으며 유출수내의 미생물들도 소량의 염소, 이산화염소 등의 소독제로 쉽게 살균할 수 있다.

 

3. 생물활성탄 처리공정

(1) 처리대상물질
원수수질 설정값이
- 트리할로메탄생성능 : 70μg/L → 오존처리 + 생물활성탄 처리
- 냄새물질(2-MIB) : 20ng/L → 생물활성탄 처리
- 암모니아성질소 : 0.2mg/L → 생물활성탄 처리
- 색도 : 8도 → 생물활성탄 처리
- 음이온계면활성제 : 0.4 mg/L → 생물활성탄 처리
인 경우 트리할로메탄생성능의 저감화가 우선되고, 오존처리와 활성탄처리의 조합되어 있는 처리공정 -Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ가 적절하다. 여기에다 설치공간, 수위의 높낮음, 원수의 탁도변화, 경제성 등을 검토하여 처리공정 Ⅰ∼Ⅳ 중에서 최적의 처리공정을 선정한다.

 

(2) 처리공정의 효과

(가) 처리공정 Ⅰ
이 방식은 응집침전, 모래여과로 탁도 성분을 제거한 후 오존처리, 활성탄처리를 함으로써 오존흡수효율, 활성탄처리 효과가 가장 높다. 또한, 이 방식은 맛·냄새물질, 색도, 음이온계면활성제를 대부분 제거 가능하며, 농약 등의 미량유기물질에 대한 제거효과도 높다. THMFP는 약 60% 제거가 가능하며 활성탄의 종류를 적절하게 선택하면 오래 동안 사용할 수 있다. 암모니아성질소는 여름철에 낮은 농도라면 80% 정도 제거할 수 있으며, 겨울철은 40% 정도가 제거된다. 또한 망간에 대한 제거도 가능하다.

(나) 처리공정 Ⅱ
이 방식은 응집침전 후에 오존처리, 활성탄처리를 하는 것으로 맛·냄새물질, 색도, 음이온계면활성제에 대하여 대부분 제거가 가능하다. THMFP는 약 60% 제거가 가능하며 활성탄 종류를 적절하게 선택하면 오래 동안 사용할 수 있다. 암모니아성질소는 여름철에 낮은 농도라면 60% 정도 제거가 가능하며, 겨울철은 20% 정도 제거된다. 망간을 제거하기 위하여 모래여과 전에 염소를 주의하여 제거하는 것이 효과적이다.

 

(다) 처리공정 Ⅲ
이 방식은 모래여과 전에 응집침전이 생략되었으므로 고탁도의 원수가 유입하는 하천수나 호소수에는 부적합하다. 주로 지하수, 복류수를 대상으로 한 처리방식으로 THMFP, 맛·냄새물질, 색도, 음이온계면활성제의 제거에 효과적이다. 지하수를 원수로 할 경우에 철·망간을 많이 포함하는 경우에는 오존주입량이 너무 많으면 망간은 과망간산 이온으로 산화되어 처리수가 핑크빛(복숭아색)을 띠며, 철은 이산화철로 산화되는 일이 있으므로 오존을 과잉으로 주입하지 않도록 제어해야 한다. 다만, 활성탄을 통과시키면 망간은 제거된다.

 

(라) 처리공정 Ⅳ
이 방식은 응집침전이 생략되어 원수에 대하여 오존처리, 활성탄처리를 함으로써 고탁도의 원수가 유입하는 하천수와 호소수에는 부적합하다. 처리공정 Ⅲ과 마찬가지로 지하수, 복류수를 대상으로 한 처리방식이다. 오존처리, 활성탄처리 후에 모래여과가 있으므로 생물누출에 대한 대응이 용이하다. 다만, 원수에 오존을 주입하므로 오존주입량은 많아지고 활성탄에 대한 부하도 높아진다. 또한, 망간대책으로서 모래여과 전에 염소를 주입하여 제거하는 것이 효과적이다. 활성탄처리에서는 후단에 모래여과가 있으므로 상향류 방식이나 하향류 방식이 좋다.

 

(마) 처리공정 Ⅴ
이 방식은 이미 설치된 응집침전, 급속모래여과 후에 입상활성탄을 설치한 것으로 낮은 농도의 맛·냄새물질, 색도, 음이온계면활성제, 철, 망간의 제거가 주된 목적이다. 맛·냄새와 철, 망간 대책으로서 전염소 처리와 중간염소처리를 병행하여 사용하는 경우가 있으나 이 처리방식으로 변경한다면 THMFP 및 암모니아성질소의 제거가 가능하다. 맛·냄새물질의 값이 높을 때(2-MIB로서 50∼60mg/L 이상일 때), 활성탄처리만으로 제거할 수 없는 경우가 있으나 분말활성탄 주입을 병행하면 맛·냄새물질에 대하여 충분히 대응할 수 있다.

 

 

(바) 처리공정 Ⅵ
이 방식은 모래여과 전에 응집침전이 생략되어 있으므로 고탁도의 원수가 유입하는 하천수와 호소수에는 부적합하다. 주로 지하수, 복류수를 대상으로 한 처리방식이다. 낮은 농도의 맛·냄새물질, 색도, 음이온계면활성제의 제거를 목적으로 사용하는 것이 바람직하다. 지하수를 원수로 사용하는 경우에는 철, 망간을 많이 포함하는 경우가 있다. 이 경우 전염소처리를 하면 암모니아성질소와 THMFP를 제거하기 어렵다.

처리공정 Ⅰ:응집침전→모래여과→O3→활성탄→정수지
처리공정 Ⅱ:응집침전→O3→활성탄→모래여과→정수지
처리공정 Ⅲ:모래여과→O3→활성탄→정수지
처리공정 Ⅳ:O3→활성탄→모래여과→정수지
처리공정 Ⅴ:응집침전→모래여과→활성탄→정수지
처리공정 VI:모래여과→활성탄→정수지




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