고도정수처리 공정에서의 염소 소독부산물 제거특성 평가

Abstract

상수원수나 음용수 중에 존재하는 천연유기물질(Natural Organic Matter : NOM)은 직접적으로 인체에 유해하다고 알려져 있지는 않지만, 이들의 반응성은 수처리와 수질특성에 영향을 미치며, 상수원수 중의 NOM의 존재는 수처리시 화학적 산화제인 염소 등과 반응하여 할로겐화된 소독부산물(Disinfection by-products : DBPs)을 생성 (Rook, 1977), 수처리시 입자들의 제거를 방해하는 입자들의 안정화를 유발하거나 (Amirtharajah and O'Melia, 1990) 급배수관망에서 종속영영성(Heterotrophic) 박테리아에 전자공여체를 제공하여 재성장을 유발하는 등 상수처리에 있어 많은 부작용을 일으키고 있다 (LeChevallier et al., 1996). 상수 원수에 존재하는 전형적인 NOM들은 humic acid와 fulvic acid 같은 소수성(humic substance)과 친수성(non-humic substance) 물질로 구성되어 있다 (Martin ey al., 1997). 또한, 이러한 NOM들은 다양한 크기의 유기분자로 구성되어 있으며, humic acid와 fulvic acid 같은 acid들은 분자량이 300～30,000의 polymer로 되어 있다 (Stumm and Morgan, 1981). 따라서 이런 NOM의 제거는 음용수 처리에 있어서 주요한 관심사 중의 하나이다. NOM의 많은 부분이 기존 정수처리 공정에 의해 제거 가능하지만 (Vahala et al., 1998), 정수처리 공정 중 제거되지 않고 남아있는 유기물질은 여러 가지 소독부산물들을 생성하는 것으로 규명되어 법적규제를 하고 있으며, 이런 규제들은 점점 강화되고 있는 실정이다. 미국환경청(USEPA)에서는 1994년 7월 소독/소독부산물법(D/DBP Rule)을 제정하여 단계별로 물질별 최대허용농도(MCL)를 정하였으며 (Arora et al., 1997), 1 단계에서는 총 THMs의 MCL을 80 ㎍/L로, 기준이 강화된 2 단계에서는 40 ㎍/L로 정하고 있다. 현재 국내에서는 1990년 1월 먹는 물 수질기준에 THMs가 100 ㎍/L를 초과하지 않도록 규정하고 있으며, HAAs의 경우 현재 규제항목은 아니지만 2000년 7월부터 Dichloroacetic acid(DCAA)와 Trichloroacetic acid(TCAA)의 두 물질이 감시항목으로 분류되어 있으며, 이 두 물질은 동물에게 발암가능한 물질로 알려져 있다 Bull and Kopfer, 1991). 일반적으로 NOM 물질에서 친수성과 소수성 물질의 분포변화나 분자량 분포변화는 실험실 규모의 단위공정별 실험결과는 많이 연구되어져 있지만 대규모의 pilot-plant나 실제 정수처리장을 대상으로 한 연구결과는 아직 미미한 실정이며, 또한, 이런 대규모 정수처리 공정에서의 NOM 물질의 분류에 따른 소독부산물 생성능을 조사한 연구는 더더욱 미미한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 고도정수처리 공정으로 구성되어진 300 m3/일 처리용량의 pilot-plant를 이용하여 낙동강 매리지역의 원수로 고도 정수처리 공정에서의 NOM의 변화를 각 공정별로 친수성/소수성 물질 변화, 분자량 분포 변화 및 소독부산물 생성능 변화를 조사하였으며, 공정별 NOM의 변화특성을 파악하고자 하였다.

In this research the movement and apparent molecular weight distribution of hydrophilic/hydrophobic organic matters in advanced water treatment process were investigated using the raw water of Maeri area, located in downstream of Nakdong river, and the variation of the disinfection by-product formation potential was also investigated. In the raw water used in experiments, the content of BDOC (biodegradable dissolved organic carbon) in dissolved organic carbon (DOC) was about 39%, and this value is far above a normal, Pre-ozone treatment showed an increase of 40% in the BDOC content, and this means that biodegradability was remarkably increased by ozone treatment. BDOC concentration in BAC treated water was 0.09 mg/L, which means 84% of BDOC removal rate compared with that in post-ozone treated water. The variation of chlorine disinfection by-product formation potential in each process unit of water treatment process was analyzed. TOXFP concentration in raw water was 449 μg/L, and the contents of THMFP and HAAFP among TOXFP were 24% and 23%, respectively. The removabilities of these materials in BAC process had an order of TOXFP 〉 HAAFP 〉 THMFP. BAC process was less effective for THMFP than others. The distributions of hydrophilic and hydrophobic organic matters were evaluated in each treatment process. Hydrophilic and hydrophobic organic matters in the raw water had a ratio of 50 : 50, and the ozone treatment decreased the content of hydrophobic matters. The BAC treatment made the ratio 85 : 15. These mean that the removal of hydrophilic matters is more difficult than that of hydrophobic materials in water treatment process. In addition the portions of humic and fulvic acid in hydrophobic matters were analyzed. Fulvic acid had a large portion among hydrophobic matters in the raw water, and the portion was 78%. Ozone treatment was more effective on the removal of fulvic acid than humic acid. After BAC treatment, the concentration of residual fulvic acid was higher than humic acid. Chlorine disinfection by-product formation potential for hydrophilic and hydrophobic matters was compared in each process unit. In the raw water TOXFP and THMFP formation for hydorphobic matter was higher, and HAAFP was highly formated for hydrophilic matter. After post-ozone or BAC treatment, chlorine disinfection by-product formation has high potential for hydrophilic matters. Comparing humic and fulvic acids, chlorine disinfection by-product formation potential was higher for humic acid than for fulvic acid in all processes. In the comparison of the reactivity with chlorine disinfection by-product per unit DOC, THMFP and DOXFP showed higher reactivity with hydrophobic matter than with hydrophilic matter in all processes, and HAAFP was highly reacitive with hydrophilic matter. Apparent molecular weight distributions of organic matters were investigated in each process step. The content of low molecular weight organic matters less than 1000 Da in DOC was high in all processes except raw water, but molecular weight organic matters more than 1000 Da was higher than molecular weight organic matters less than 1000 Da in the formation potential of chlorine disinfection by-product.