고도정수처리 공정에서의 생분해 가능한 유기물질 제거특성 평가

Abstract

정수공정에서 완전히 제거되지 않고 잔존하는 유기물질들은 급?배수관망 내에서 잔류염소의 손실을 초래하며 (LeChevallier et al., 1988), 잔류염소와 반응하여 염소 소독부산물들을 생성시키고 또한 미생물이 분해하여 성장할 수 있는 생물학적으로 분해 가능한 유기물질(biodegradable organic matter : BOM)이 함유된 경우 상수관망 내에서 병원균이나 미생물, 무척추동물(macroinvertebrate)들의 증식을 야기하여 관망내에서의 2차오염을 유발한다 (Geldreich, 1996; Levy et al., 1986; LeChevallier et al., 1987; LeChevallier et al., 1991; Huck, 1990, Van der Kooij et al., 1982). 이러한 BOM들은 종속영양 박테리아가 새로운 세포성 물질을 생산하는 데 필요한 에너지와 탄소원을 제공하게 된다. 이렇게 형성된 종속영양 박테리아는 관망내에 생물막을 형성하여 지속적으로 성장하게 되며, 생물막은 관망내 수질을 저하시키며, 관의 부식을 가속시키는 등 다양한 수질악화 요인으로 작용하고 있다 (Videla, 1996). 현재, 이들은 잔류염소 유지 차원에서 억제되고는 있지만, 과다한 염소주입은 소독부산물에 의한 건강에 대한 위험을 증대시키고 특히, 산화력이 강한 유리염소는 관의 벽면이나 잔류 입자상에 부착한 세균에 대한 소독효과가 낮은 것으로 알려져 있다. 이러한 점에서, 낮은 잔류염소 농도하에서도 세균의 증식을 막고, 또한 생물학적으로 안정된 수도수의 공급이 중요하다는 인식이 높아지고 있다. 최근의 연구에 의하면 생분해 가능한 화합물들은 저분자 및 고분자 화합물들을 함께 포함하며, 평균적으로 휴믹물질의 75%가 생물학적으로 분해 가능한 유기물로 구성되며, 생물학적으로 분해 가능한 물질들의 30%가 100,000 Dalton 보다 큰 분자량을 가진다 (Kaplan and Bott, 1983; Amon and Benner, 1996; Volk et al., 1997). 그리고 최근에는 BOM 및 소독부산물과 이들 전구물질 제거에 효과가 있는 정수 시스템 내의 생물분해공정에 대해 중요성과 관심이 증가되고 있는 실정이다 (Rittmann et al., 2002; Chaiket et al., 2002; Okabe et al., 2002; Liu et al., 2001). 지금까지 국내에 도입된 정수공정 중에서 생분해능 향상에 초점을 맞춘 공정은 생물활성탄(biological activated carbon : BAC) 처리공정과 오존처리를 조합시킨 오존?생물활성탄 처리공정이 있으며 이들에 관한 실험결과가 국내?외에 많이 보고되고 있다 (Hozalski et al., 1995; Malley et al., 1993; Glaze and Wallace, 1984; Maloney et al., 1985; Speitel et al., 1989). 수중에 존재하는 유기물 중 BOM은 AOC(assimilable organic carbon)와 BDOC(biodegradable dissolved organic carbon)로 측정할 수 있다 (Huck, 1990; Van der Kooij et al., 1982). AOC는 박테리아의 재성장 잠재성을 측정하는 것이며 (Huck, 1990), BDOC는 정수공정동안 잠재적으로 생물학적으로 산화되될 수 있는 유기탄소를 측정하는 것 (Huck, 1990)으로 외국에서는 일반적으로 음용수는 소독공정이 없는 경우 AOC 농도가 10～20 ㎍ acetate-C/L 이하, BDOC의 경우에는 200 ㎍/L 이하일 경우 생물학적으로 안정하다고 보고하고 있으며 (Easton, 1993), 소독공정이 부가되는 경우 50～100 ㎍ acetate-C/L 이하이면 생물학적으로 안정하다고 보고하고 있으나 (LeChevallier et al., 1992; LeChevallier et al., 1993), 정수공정에서 오존이나 염소처리에 의해 AOC 증가와 같은 수도수중에 함유된 BOM의 위험성에 입각한 많은 연구결과도 보고되어 있다 (Huck et al., 1991). 국내에서도 소독부산물의 생성 억제 및 세균의 이차 증식 억제의 양면으로부터 적정한 잔류염소농도를 결정하는 데 덧붙여 수도수 중에 함유된 AOC 및 BDOC와 같은 BOM의 파악은 불가결하다. 그렇지만 국내에서는 수도수 중에서 세균학적인 위험성 관리의 중요성에 대해 지금까지 충분히 인식하지 않았고 원수 중의 AOC와 BDOC의 함유량이나 정수생산 과정에서의 이들의 거동 등 BOM을 지표로 한 정수 시스템의 평가는 거의 실행되지 않고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 낙동강 하류지역인 매리에서 취수되는 원수의 연중 BOM 함유량을 조사하였으며, 또한 매리 원수를 사용하여 고도정수공정으로 구성되어진 pilot-plant의 정수공정별로 RDOC(refractory dissolved organic carbon), BDOC 및 AOC 농도변화를 평가하였으며, BOM의 거동을 겉보기 분자량 분포(apparent molecular weight distribution : AMWD)별 및 친수성(hydrophilic)/소수성(hydrophobic) 물질로 분류하여 조사하였다. 또한, 활성탄 처리공정중 초기의 입상활성탄(granular activated carbon : GAC) 단계에서 BAC 단계로 전환되는 시점의 BOM에 대한 제거능 및 생물학적 분해능의 변화도 함께 조사하였다.

This research, on the basis of the concentration of annual BOM content of Maeri raw water of Nakdong River and by using pilot plant which is a advanced water treatment process, shows how the BOM upon water treatment is removed as to be classified into RDOC, BDOC, AOC and hydrophilic/hydrophobic organic matter. DOC concentration of the Maeri raw water was 2.5～4.5 mg/L, BDOC and AOC were 0.4～1.87 mg/L and 180～950 ㎍/L acetate-C during experimental period, respectively. In the experiment for evaluation of BDOC and AOC increase according to the degree of consistency of pre-ozone introduced, it was noted that the AOC had a greater generation than BDOC, of which generation rate marked 8～65% and 19～104% each, with 0.4～1.2 mg/L of pre-ozone concentration. On each water treatment process, it was found that AOC increase rate was 56%, 12% by pre and post ozonation. After coagulation-sedimentation-sand filtration, average rate of removal was RODC 37%, BDOC 35%, and after BAC process RDOC reduced 58% and BDOC reduce 79%. It was revealed that possibility of BDOC portion which flew out through distribution system was 21%. In case of pre-ozonation AOC-NOX reduced but AOC and post-ozonation. After BAC treatment process, AOC-P17 and AOC-NOX concentration was similar. However in case of AOC-NOX which was made more by post-ozonation, it was easy to remove BAC process. Also, It was possible that 27% of AOC flew out through distribution system. The results said that on each apparent molecular weight distribution, the ratio of under 10,000 Dalton and over 10,000 Dalton organic matter in the water was 50:50. It also said that using pre-ozonation, 1,000～10,000 Da and under 1,000 Da organic matter ratio was increased, after coagulation-sedimentation-sand filtration process under 10,000 Da matter ratio increased 90% and after BAC process, under 1,000 Da BDOC matter removed 82% than post-ozonation. It meant that BAC process showed high ability of removal of BOM under 1,000 Da. Also, in case of BDOC which flew out BAC process, under 1,000 Da matter held 76%. This result revealed 1,000 Da BOM could affect regeneration of microorganism in water supply and drain distribution system. The result of assess trait of BDOC matter on each water treatment process hydrophilic matter held 65% and hydrophobic matter held 35% in raw water, after pre-ozonation hydrophilic portion was increased 54%, so hydrophilic/hydrophobic ratio was 76%, 24% each. And hydrophilic matter increased 12% by post-ozonation than filtration. After BAC process, 82% of hydrophilic matter and 33% of hydrophobic matter removed and it revealed BAC process has high ability of removal of hydrophilic BOM. In case of BDOC which flew out after BAC process, hydrophilic matter held 81% and it meant hydrophilic BOM could affect regeneration of microorganism in water supply and drain distribution system.