원수수질조사는 조사된 현행 및 장래 강화가 예상되는 국내·외 먹는물 수질기준 항목중 활성탄 흡착에 의해 제거될 수 있는 유기오염물질을 중심으로 데이터를 분석 평가한다. 먹는물 수질기준은 세계 각국이 각각 고유의 법적 규제를 가지고 있으나 중요한 것은 각국이 규제 항목수나 농도를 크게 강화하고 있다는 사실이다.
특히, 미국(SDWA 1986 Amendments)을 포함한 선진국에서는 휘발성유기화합물질(Volatile Organic Chemicals ; VOCs), 합성유기화학물질(Synthetic Organic Chemicals ; SOCs), 살균부산물질(Disinfection Byproducts ; DBPs) 등의 미량 유기오염물질에 대한 규제가 특히 강화되고 있다. 유기오염물질의 분석과 측정지표는 크게 세가지 형태로 분류될 수 있다.
처리목표물질의 선정
현행법상 수질기준에 명시된 오염물질 항목에 대한 규제농도를 만족하는 수도수를 공급해야하므로 각 정수장에 따라 원수의 오염실태를 정확히 파악하고 문제가 되고 있거나 장래 문제가 될 가능성이 있는 오염물질(오염농도 변화추이 고려)의 제거를 목표로 하여 적절한 흡착공정 설계와 운전계획이 수립되어야 한다.
우리나라에서도 최근에 먹는물 수질기준의 규제항목이 추가된 바가 있듯이 (예 : 유기인계 농약 세분화, 휘발성 유기 오염물질 등) 새로운 규제 오염물질의 추가와 규제농도의 강화는 세계적 추세라고 할 수 있다. 여러 오염물질 항목 중 특히 유기인계 농약과 유기염소계 농약 성분, 휘발성 유기화학물질 그리고 다핵 방향족 탄화수소(PAH)계통의 물질들이 추가될 가능성이 높다.
활성탄 흡착공정으로 제거가능한 오염물질의 예는 다음과 같다.
·총체적 유기오염물질 지표(BOD, COD, TOC(DOC), TOX, UV254 Absorbance등)
·THMFP, THM
·세제(음이온계면활성제), 페놀류
·맛, 냄새(Geosmin, 2-MIB 등), 색도
·유기인계 농약(다이아wl논, 파라치온, 말라치온, 페니트로치온 외 다수)
·카바마이트계 농약(카바릴 외 다수)
·유기염소계 농약(엔드린, 2,4-D, BHC 외 다수)
·휘발성유기오염물질
(1,1,1-트리클로로메탄, 테트라클로로에틸렌, 트리클로로에틸렌 외 다수)
·다핵 방향족 탄화수소(PAH, 벤조피렌 외 다수)
·무기물(불소, 수은, 납 등 일부)
·NH3-N(BAC 적용시 가능, 낮은 수온 즉 겨울철에 제거효율 낮음)
기존의 활성탄 흡착 공정은 냄새, 맛, 색도 제거 등 심미적 물질 제거를 위한 목적이 많았으며 유럽 등의 일부 정수장에서 채택되고 있는 생물입상활성탄(BAC)은 20여년전 주로 생분해 가능한 DOC(BDOC)와 암모니아를 저감하는데 1차 목표를 두고 설계되었다.
최근 수개년 동안 국제적으로 먹는물 수질기준 강화에 선도적 역할을 하고 있는 미국에서는 처리목표에 있어서 총체적 유기오염물질 지표 뿐 아니라 전술한 독성, 발암성 ,변이원성 등을 가지는 VOC, SOC 및 DBP에 속하는 개별물질에 대하여 우선적으로 고려해야 하는 것이 최근의 실정으로 입상활성탄 처리공정의 최적 설계 및 운영도 먹는물 수질기준 강화 방향에 의해 결정적인 영향을 받는다.
처리성 실험
흡착능 결정 및 동온흡착평형모델
(Adsorption Capacity and Isotherm Model)
일정 온도에서 일정량의 시료(원수 또는 합성수)에 수개(최소 6)의 다른 양의 분말 또는 입상활성탄을 첨가한 다음 평형에 도달할 때까지 교반시킨 후 초기농도, 평형농도, 첨가된 활성탄 양을 기초로 하여 여러 평형농도에서의 흡착된 양을 계산한다.
초기농도를 변화시키면서 일정량의 활성탄을 주입하여 결정하는 방법도 있으나 결과의 차이는 실제 응용 측면에서 받아들여질 수 있을 정도이다. 단, 분말활성탄을 사용할 때에는 여과하여 활성탄을 제거한 후 평형농도를 측정하여야 하며 입상활성탄을 사용할 때에는 평형에 도달하는 시간이 길어지고 미생물 번식에 의한 생물학적 분해에도 유의해야 한다.
예) V(ml)의 시료(초기오염물질농도, Co(mg/l))에 활성탄 M(g)을 투입한 후 흡착평형에 도달한 후의 잔류농도(평형농도)가 Ce(mg/l)일 때 흡착능 qe는
원수중에 포함되어 있는 유기물의 흡착이 쉬운 물질인가 아닌가, 혹은 단위중량의 활성탄으로 어느 정도의 원수량이 처리가능한가를 예측하기 위하여, 활성탄의 평형흡착량을 알아두지 않으면 안된다. 일정온도에 있어서, 활성탄과 피처리수를 접촉시켜, 평형상태에 도달할 때의 용액농도와 그때 활성탄에 흡착한 유기물량의 관계를 plot한 것을 등온흡착선 이라고 한다. 흡착량과 평형온도와의 사이에는 간단한 직선관계로 표시되는 것으로부터 지수관계식에 근사한 것 등, 흡착등온선의 형태에 따라 몇 개의 종류로 분류할 수 있다. 그 중에서 대표적인 것으로 Freundlich형, Langmuir형, Henry형 등을 들 수 있다.
특히 Freundlich의 흡착등온식으로 나타낼 수 있는 것이 많다. 또 이들의 흡착등온식 사이에는 상호 관련이 있으며, 예를 들면 Langmuir 식에서 나타나는 평형관계에 관해서 보면 저농도 영역에서는 Henry 형의 직선관계에 근사하고, 중간의 액농도 범위가 Freundlich 식에 근사할 수 있는 것도 그 일례이다.
다성분계의 평형관계를 log-log Graph에 plot하면 꺽인점을 갖고, 두 직선을 연결한 형의 흡착등온선이 얻어질 수 있고, 이와 같은 경우에는 하나의 흡착등온식에서 전체농도범위의 평형관계를 표시하는 것이 곤란하게 된다.
예) Freundlich 모델
정수처리에 활성탄 흡착을 이용할 때의 흡착평형은 다음의 Freundlich의 식으로 표시되어질 수 있는 것이 가장 많다.
Freundlich식은 원래 경험적으로 구하여진 실험식이지만, 최근 불균일 표면에 있어서 흡착이론으로부터 얻어진 흡착량과 흡착열과의 관계에 이 식이 대응하는 것 등도 확실해졌다.
① 식의 양변에 대수를 취하면 ②가 된다. Freundlich형의 흡착평형이 알맞을 경우에는, log-log 그래프에 농도와 평형흡착량의 관계를 plot 하면, 직선이 얻어진다. C=1의 점에서 q로부터 k가, 또한 직선의 구배에서 식 ①의 상수 1/n이 구해진다. 1/n은 흡착지수라 불리어진다. 일반적으로 1/n이 0.1∼0.5이라면 흡착은 용이하고, 1/n이 2 이상의 물질은 난흡착성이라고 말할 수 있다.
[저작권자ⓒ 이미디어. 무단전재-재배포 금지]
