함영완 Journal 주영길 of Korean 오효근 Society 이병욱 of 김현기 Water 김덕구 and 홍승관 Wastewater 오존 (O3) 입상활성탄 (GAC) 공정을이용한맛 냄새유발물질과유기물질의제거특성평가 Evaluation of Removal Characteristics of Taste and Odor causing Compounds and Organic matters using Ozone/Granular Activated Carbon(O3/GAC) Process 함영완 1 주영길 1 오효근 2 이병욱 2 김현기 2 김덕구 3 홍승관 1 * Young Wan Ham 1 Young Gil Ju 1 Hyo Keun Oh 2 Byung Wook Lee 2 Hyun Ki Kim 2 Deok Goo Kim 3 Seung Kwan Hong 1 * 1 고려대학교건축사회환경공학부 2 용인시상하수도사업소정수과 3 ( 주 ) 도화엔지니어링상하수도부 (2012년 1월 20일접수 ; 2012년 4월 10일수정 ; 2012년 4월 12일채택 ) Abstract This study assessed the removal characteristics of taste and odor causing compounds (2-methylisoborneol and geosmin) and organic matters, using a pilot-scale ozone/granular activated carbon (O 3/GAC) process treating surface water of Pal-dang reservoir in the Han river over a 3-month period. Experiments were conducted to verify the removal efficiency of O3/GAC process which has two different empty bed contact time (EBCT) (O 3/GAC column 1 : 10 min and 2 : 15.1 min) with 10.86 min contact time of ozonation at 1.0 mg/l O3. Spiking test using geosmin and 2-MIB was also conducted systematically to mimic the conditions when the algae appears, specifically at the levels similar to the concentrations experienced (geosmin: 250 ng/l) in the winter of 2011. In single ozonation process, organic materials, disinfection by-products (DBPs) and their precursors were disassembled but not removed completely. Meanwhile, it was verified that organic matters, taste and odor causing compounds, and DBPs were well removed when sequentially passing through the GAC process. The pilot results also showed that GAC column with larger EBCT achieved higher removal efficiency. Specifically, in spiking tests, single O3 process showed approximately 89% removal efficiency of geosmin and 2-MIB. O3/GAC combined process demonstrated excellent removal of geosmin and 2-MIB, which are higher than 95%. Key words : Geosmin, Granular activated carbon (GAC), Organic matters, Ozonation, 2-Methylisoborneol (2-MIB) 1. 서론최근수도권을비롯한여러지역의수돗물에서조류번식에의한악취발생으로인해민원이발생하고있다. 팔당호의경우, 매년 20~30 일의빈도로맛 냄새로인한민원이발생하고있으며, 2011년의경우에는특이하게겨울철에도조류가발생하였다. 과거에는맛 냄새유발물질이주로여름철에발생하 였으나, 최근에는지구온난화에따른이상기후로인한기온상승과강수량부족등의원인이복합적으로작용하여동절기인 11월에도맛 냄새유발물질이발생하고있다. 맛 냄새를유발하는대표적인물질로는 2-MIB 와 geosmin 이있는데, 사람이수중의 geosmin과 2-MIB의맛 냄새를느낄수있는최소감지농도는 20 ng/l이하라고알려져있다 (Lloyd, 1998). *Corresponding author Tel: +82-2-929-3910, Fax: +82-2-928-7656, E-mail: skhong21@korea.ac.kr 237
Journal of Korean Society of Water and Wastewater 오존 (O2) 입상활성탄 (GAC) 공정을이용한맛 냄새유발물질과유기물질의제거특성평가 맛 냄새유발물질은기존의응집 침전 여과공정을이용한표준정수처리방법으로는제거하기가매우어렵기때문에 (Bruce, 2002), 이러한문제의해결을위하여 2015년까지수도권 14개의광역정수장에고도처리시설이도입될예정이다. 이미낙동강과금강하류를중심으로한정수장들은과거 10년전부터오존및입상활성탄 (O 3 /GAC) 을이용한고도정수처리공정을운영해오고있으며, 최근에는한강을원수로하는정수장들의고도정수처리시설도입이다수추진되고있다. 대표적인고도처리방법으로는오존처리공정 (Ozonation process), 고도산화공정 (Advanced Oxidation Process, AOP), 입상활성탄 (Granular activated carbon, GAC) 공정, 생물활성탄 (Biological activated carbon, BAC) 공정, 분리막여과공정 (Membrane filtration) 등이있으며, 일반적으로이러한고도처리공정을기존의표준정수처리공정후단에설치하여적용하고있다. 국내에서 O 3 /GAC pilot-plant 를이용하여팔당수계원수의맛 냄새및유기물질에대한제거특성을연구한사례 ( 임재림, 2007) 를살펴보면, pilot-plant 의운영기간이증가할수록 O 3 /GAC 혼합공정이 GAC 단일공정에비해용존성유기탄소 (Dissolved organic carbon, DOC) 및맛 냄새유발물질에대한처리효율이우수한것으로보고되었다. 그러나활성탄접촉조의공탑체류시간 (Empty bed contact time, EBCT) 과맛 냄새물질의강제투입실험에서의농도가다양한조건에서실험되지는못하였다. 낙동강수계의원수를이용하여 GAC와 BAC(Biological activated carbon) 의처리특성을비교한연구결과 ( 최정우, 2000) 를살펴보면, O 3 /GAC pilot-plant의 EBCT를 4분에서 18분까지조절하여 TOC, UV254 흡광도, 그리고 THMs 등에대한최적의 EBCT조건을선정하였다. 또한, GAC 및 BAC의접촉조여재층의깊이를 20 cm~320 cm 범위의조건으로다양화하여 TOC, THMs, KMnO4 소비량, 탁도등을평가하고 GAC와 BAC 반응조의최적충진깊이를결 정하였다. 그러나, O 3 /GAC 공정의주제거대상물질중의하나인맛 냄새유발물질에대한 GAC와 BAC의제거특성연구는이뤄지지않았다. GAC를이용한다른연구들을살펴보면, 유입수의 DOC 농도가증가함에따라 GAC에의한 2-MIB제거효율이감소하는데, 이는용존성유기물질 (Disssolved organic matter, DOM) 이 2-MIB가 GAC에흡착되는것을방해하기때문이다. 또한, DOC농도가 2 mg/l 인경우 3개월정도시간이경과하게되면유기물질에대한파과가발생하는것으로관찰되었다 (Ahn, 2007). 2-MIB와 geosmin에비하여용존성유기물질의파과가빠르게일어나며, 용존성유기물질들이파과된후에도 2-MIB와 geosmin 에대한흡착은계속진행 (Ho, 2010) 된다는연구결과도있다. 이러한연구들을통하여맛 냄새유발물질과유기물질이활성탄흡착에있어서상호영향을주는인자로작용한다는사실을알수있다. 그외에도활성탄재질에따른맛 냄새유발물질의제거및파과특성비교실험 (Ho, 2010) 과활성탄의열재생에관한내용 (Rangel-Mendez, 2005) 등, 여러방면에서활성탄에대한연구가이루어졌다. 이와같이 O 3 /GAC에대해많은연구들이보고되었으나, 다양한농도조건에서 O 3 /GAC를이용한맛 냄새유발물질의제거특성평가가이루어지지않았고, 맛 냄새유발물질과유기물간의제거특성에대한상관성연구도부족한실정이다. 또한, 자연계유기물질은정수처리공정에서염소와반응하여소독부산물질을형성하고, 인체에유해한할로겐화물질을생성하기때문에 ( 손희종, 2004), 소독부산물질및그전구물질들에대한제거특성을복합적으로분석할필요가있다. O 3 /GAC 공정을효과적으로적용하기위해서는외국의선진처리기법을그대로도입하기보다는국내의수질특성이반영된각단위공정별제거특성및세부설계인자와운영인자에관한면밀한검토가요구된다. 즉, 제거대상오염물질들을효과적으로제거하기위해서적정오존주 238
함영완 주영길 오효근 이병욱 김현기 김덕구 홍승관 입농도설정과활성탄접촉조의적정 EBCT 산정과같은설계인자를고려한연구가진행될필요가있다는것이다. 본연구에서는팔당호를취수원으로하는용인정수장에서모래여과지를거친원수를 O 3 /GAC pilot-plant를이용하여맛 냄새유발물질및유기물질의제거특성을파악하였다. GAC 흡착지의 EBCT 차이에따른오염원별제거효율의차이를평가하였고, 조류발생시생성되는맛 냄새유발물질의제거특성을연구하기위해서 2-MIB와 geosmin 의농도를실제수도권정수장에유입된최대농도범위를고려하여 2-MIB 41 84 ng/l, geosmin 48 270 ng/l의범위로농도를설정하여강제투입실험 (Spiking-test) 을실시함으로써보다경제적이고효율적인운전을통한맛 냄새유발물질의제거효율을평가하고자하였다. 2. 연구방법 2.1 실험개요및원수의성상본연구는용인정수장의모래여과수를원수로하여 O 3 /GAC 공정을이용한 pilot-plant 고도정수처리공정으로설계하였으며, 활성탄공정의여재충진량의차이를두어 EBCT에따른제거효율을비교할수있도록하였다. pilot-plant 실험은 2011년 7월에시작하여조류가발생하는하절기와장마기간을포함한약 4개월간실시되었으며, 실험기간중원수및각단위공정별처리수의농도를분석하였다. 또한, 조류발생에의해생성되는맛 냄새유발물질인 geosmin 과 2-MIB의제거율을확인하기위한강제투입실험을실시하여, 2-MIB와 geosmin 의농도변화에따른후오존 활성탄 (O 3 /GAC) 공정의성능을평가하였다. 실험기간중 pilot-plant 에유입된원수의성상은 Table 1. 에나타난대로 ph는 6.53 ~7.87, 탁도는 0.024~0.370 NTU, 알칼리도는 15.90 ~56.29 mg/l의범위로유입되었으며, 표준정수처리 공정의모래여과공정을거친물을원수로하였기에, ph 탁도 알칼리도의항목에서수질기준을초과하는경우는없었다. Table 1. Pilot-plant 유입원수의성상 온도 [ ] ph 탁도 [NTU] alkalinity [mg/l as C aco 3] 최대 27.0 7.87 0.370 56.29 최소 20.8 6.53 0.024 15.90 평균 23.7 7.13 0.057 35.09 2.2 실험장치및운전조건 Pilot-plant 의처리공정은 Fig. 1과같이총 2계열로구성되어있으며, 각계열은후오존 (O 3 ), 입상활성탄 (GAC) 처리공정으로구성되어있고, 각계열별활성탄의충진량을다르게하여 EBCT에따른처리효율을비교할수있도록하였다. Fig 1. Pilot-plant 공정도 Pilot-plant에유입되는원수는용인정수장의모래여과지에설치된수중펌프에의해원수저류조로이송되어후오존접촉조를거친후 GAC 1 계열과 GAC 2 계열로분배되었다. GAC 반응조 1과 2에동일한수량이분배되도록 GAC 흡착조상부에분배조를설치하였으며, 각공정별사양은 Table 2와같다. 239
Journal of Korean Society of Water and Wastewater 오존 (O2) 입상활성탄 (GAC) 공정을이용한맛 냄새유발물질과유기물질의제거특성평가 Table 2. Pilot-plant 사양 공정 규격 [mm] 원수저류조 Ø 1,500 1,700 H 1조 후오존접촉조 Ø 310 6,000 H 1조 후오존저류조 W 1,100 L 1,000 H 1,000 1조 활성탄여과조 Ø 400 5,500 H 2조 활성탄접촉조 W 1,000 L 1,000 H 1,200 1조 Pilot-plant 의운전조건을 Table 3에나타내었다. 오존처리공정의용량은시료채취에따른손실분을고려하여활성탄공정의유량보다 6% 많은 64 m3/day 로운전하였고, 활성탄공정은설계유량인 60m3/day 으로운전하였으며, GAC 1 계열과 2 계열에각각 30m3/day 씩유입량이동일하게되도록운전하였다. Table 3. Pilot-plant 운전조건 단위공정항목운전조건 오존접촉공정 활성탄공정 시설용량 60 m 3 / day 직경 0.31 m 조높이 6.0 m 오존주입농도 1 mg / L 오존접촉시간 10.86 min 시설용량 30 m 3 /day 직경 0.4 m 조높이 5.5 m 여과지면적 0.126 m2 GAC 1 계열 GAC 2 계열 탄층부피 0.315 m 3 0.208 m 3 탄층높이 2.5 m 1.7 m EBCT 15.1 min 10 min 선속도 (LV) 9.9 m /hr 역세척방식 물 + 공기 역세속도 역세시간 공기물 Rinse 공기물 + 공기물 Rinse Drain 0.12 m/min (15 L/min) 0.24 m/min (30 L/min) 0.48 m/min (60 L/min) 1 min 3 min 10 min 1 min 오존은 1.0 ± 0.2 mg/l의농도로주입되도록설정하였는데이는오존농도 1mg/L 이상에서 TOC 제거율의차이가크지않았고, 미반응오존생성으로인한처리비증가를고려하여오존농도를결정하였다. 또한, 오존주입률은실제공정에서전력소 모량과도밀접한연관이있기때문에, C정수장의 pilot-test 결과를참고하여오존접촉조의용존오존농도가 1.0mg/L 로자동유지되도록운전하였으며오존접촉조의접촉시간은 10.86min 으로설정하였다. 활성탄접촉조의 EBCT는고도정수처리상수도시설기준수치범위인 5 15분을참고하여, GAC 1 흡착조의 EBCT를 15 min으로설정하였고, 상대적으로작은 EBCT 조건하에서의제거특성을파악하기위하여 GAC 2 흡착조의 EBCT를 10min 으로설정하였다. 선속도는 A/B계열모두동일한 9.9 m/hr으로설계되었으며, 실험에사용된입상활성탄은미국 Noritz사의활성탄 (Noritz GAC 1240) 을사용하였다. 활성탄흡착조내의미분탄제거및안정화를위하여 pilot-plant 설치후 12일간역세척을연속적으로시행하였고, 2011년 6월 29일부터 9월 23일까지약 4개월간의운영기간을통하여대상항목들에대한제거특성을평가및강제투입실험을진행하였다. 활성탄에대한주요사양은 Table 4의내용과같다. 활성탄공정의역세척은활성탄반응기의수위가가동초기값에비하여 1 m 이상증가하거나, 처리수의탁도가 0.1 NTU 이상이될때물 공기혼합방식에의하여자동으로실시되도록설정하였다. Table 4. 활성탄의성상 Item Properties unit Iodine number min. 1,020 - Molasses number(usa) min. 230 - Abrasion number (AWWA method) min. 75 - Particle size > 12 mesh (1.70 mm) max. 5 mass % Particle size > 12 mesh (0.425 mm) max. 4 mass % Moisture (as packed) max. 2 mass % Methylene blue adsorption 22 g / 100 g Total surface area (B.E.T.) 1,175 m2 / g Apparent density 480 kg / m3 Density backwashed and drained 420 kg / m3 Ball-pan hardness 97 - Uniformity coefficient 1.6 - Ash content 7 mass % Water soluble ash 0.1 mass % ph Alkaline - Dechlorination having value 2.5 cm 240
함영완 주영길 오효근 이병욱 김현기 김덕구 홍승관 2.3 항목별수질분석방법 Pilot-plant 실험을통하여원수및각공정별처리수의탁도, ph, 수온, 알칼리도는주6회측정하였고, geosmin, 2-MIB, DOC, TOC, UV 254, KMnO 4, SUVA, THMs, HAAs, THMs-FP, HAAs-FP 항목은주 1회측정하였다. 본실험의모든분석은먹는물수질공정시험법과 Standard method 시험법에따라이루어졌으며, 항목별수질분석방법및분석기기에대한세부사항은 Table 5에나타내었다. Table 5. 항목별분석방법및분석기기 분석항목 분석방법 분석기기 수온 직접측정법 수온측정기 ph 전위차법 ph-meter 탁도탁도계사용 HACH-2100AN Turbidimeter(HACH) 알칼리도 수질오염공정시험법 - TOC Ultraviolet and TOC DOC photocatalyst Analyzer(SHIMADZU) UV254 흡광도 Standard method DR 5000 Spectrophotometer (HACH) KMnO4 소비량 적정법 - THMs THMs-FP 퍼지트랩 GC-MS 분석법 Tekma 3000 P&T Agilent 5975c GC/MS Fig. 2는 2011년 11월과 12월중서울시 6곳의정수장으로유입되었던원수중맛 냄새유발물질의최대농도를나타내고있는데, 실험에서설정한농도조건 (2-MIB: 41 84 ng/l, geosmin: 48 270 ng/l) 이실제로유입된 geosmin 의최대농도조건과유사함을알수있다. Table 6. 강제투입실험조건 항목 Geosmin 2 -MIB 표준용액농도 후오존주입농도표준용액주입시간채수시간 실험조건 2-MIB [ng/l] Geosmin [ng/l] 41 48 62 65 55 128 68 173 84 270 1.05 mg/l 1 시간 최초가동직후 최초약품투입 20 분후 40 분후 HAAs HAAs-FP Geosmin 2-MIB LLC- 기체크로마토그래피 SPME-GC/MS 법 Varian cp-3800 GC/ECD GC(7890A)/MS(5975C) (Agilent Technologies) 2.4 강제투입실험방법오존및활성탄공정의맛 냄새유발물질의제거효율평가를위하여원수저류조에 geosmin 과 2-MIB를투입하여일정농도가되도록원수와혼합한후, O 3 /GAC 공정의체류시간을고려하여최초가동직후와 20분, 40분후의원수, O 3 공정, O 3 /GAC 1 공정및 O 3 /GAC 2 공정의처리수를채수하였다. 채수한각공정별처리수의 geosmin 과 2-MIB의농도를측정하여그에따른처리효율을평가하였으며, Table 6과같이강제투입농도를변경하며총 5회 (1회/1 일 ) 에걸쳐서실험을수행하였다. Fig 2. 서울시정수장의맛 냄새유발물질최대유입농도 ( 자료출처 : 서울시상수도연구원, 2011년 11월 12월 ) 3. 결과및고찰 3.1 맛 냄새유발물질의제거특성분석 2-MIB와 geosmin 은인체에해롭지는않지만 (Dionigi, 1993), 수중에극히미량존재하더라도맛 냄새를유발하게되는심미적영향물질로써, 원수로사용되는지표수에서조류가발생되었을시주로생성된다. 기존의연구들에서 O 3 /GAC공정을 241
Journal of Korean Society of Water and Wastewater 오존 (O2) 입상활성탄 (GAC) 공정을이용한맛 냄새유발물질과유기물질의제거특성평가 이용한맛 냄새유발물질에대한제거특성에관한내용이다루어졌지만, 본연구에서는 2-MIB와 geosmin 의다양한농도별단위공정의제거효율을파악함으로써, 실제공정에서고농도의맛 냄새유발물질이유입되었을때 pilot-plant 의처리특성을파악하고자하였다. 본실험기간동안 pilot-plant 로유입된원수의 geosmin과 2-MIB 농도는사람이느낄수있는역치농도인 10ng/L 이하 (0~9 ng/l) 로관찰되었다. 이는 pilot-plant 가동기간이조류발생가능성이높은하절기임에도불구하고, 실험기간중계속적으로발생한집중호우와장마로인하여조류가발생하지않았기때문이다. 유입된 geosmin과 2-MIB는오존 활성탄공정에의해 2ng/L 이하로제거되었으나, 제거율을평가하기에는유입농도가매우낮았다. 따라서 2-MIB와 geosmin 의다양한농도조건에서제거효율을평가하기위해강제투입실험을수행하였다. 강제투입실험에서의각물질별농도는 2-MIB 41~84 ng/l, geosmin 48~270 ng/l의범위로설정하였다. Fig. 3(a) 와 Fig. 3(b) 에서 2-MIB 주입후 20분과 40분후의각단위공정의농도별제거효율을나타내었다. 2-MIB는 O 3 단일공정에서 85% 이상의제거효율을보였으며, 2-MIB의농도가증가할수록그제거율이다소낮아지는경향을보였다. O3 /GAC 1 공정과 O 3 /GAC 2 공정의제거효율을비교하면, 활성탄의 EBCT가큰 O 3 /GAC 1 공정의제거효율이 EBCT가작은 O 3 /GAC 2 공정에비하여다소낮은경향을보였으나, 전체적으로유사한것으로관찰되었다. Table 7에 2-MIB 유입농도별유출수의단위공정별처리농도를나타내었다. Table 7의결과를통해알수있듯이, O 3 단일공정에서고농도의 2-MIB가유입되어도 9ng/L 이하로제거되었고, O 3 /GAC 1 공정과 O 3 /GAC 2 공정을거치게되면거의모든양의 2-MIB 물질이 (2ng/L 이하 ) 효과적으로제거됨을확인할수있다. Table 7. 2-MIB 유입농도에따른단위공정별유출농도 분류 2-MIB [ng/l] 단위공정 유입농도 O 3 O 3 + GAC 1 O 3 + GAC2 3 0 0 41 40분후농도 2 0 0 5 0 0 62 40분후농도 5 0 0 5 1 2 55 40분후농도 3 1 0 7 1 2 68 40분후농도 6 2 2 9 2 2 84 40분후농도 7 2 2 Fig 3(a). 2-MIB 농도에따른단위공정별제거효율 (20분후채수 ) Fig 3(b). 2-MIB 농도에따른단위공정별제거효율 (40분후채수 ) 242
함영완 주영길 오효근 이병욱 김현기 김덕구 홍승관 Fig 3(c). geosmin 농도에따른단위공정별제거효율 (20분후채수 ) 으며, O 3 /GAC 1 공정과 O 3 /GAC 2 공정을거치게되면거의모든양의 geosmin 물질이 (1ng/L 이하 ) 효과적으로제거되었다. 본연구에서수행된강제투입실험을통하여, O 3 단일공정처리수의 geosmin 과 2-MIB의농도가 9ng/L 이하 (85% 제거효율 ) 로제거되었고, GAC 공정을거치면서대부분 2ng/L이하의농도로효과적으로제거되는경향을보였다. 이는본연구에서설정한 O 3 /GAC공정의설계조건이맛 냄새물질이고농도로유입되는경우에도효과적으로맛 냄새물질을제거할수있음을의미한다. Table 8. geosmin 유입농도에따른단위공정별유출농도분류 Geosmin [ng/l] 단위공정 유입농도 O 3 O 3 + GAC 1 O 3 + GAC2 0 0 0 48 40분후농도 0 0 0 3 1 1 65 40분후농도 2 1 1 2 0 0 128 40분후농도 0 0 0 3 0 0 173 40분후농도 2 0 0 Fig 3(d). geosmin 농도에따른단위공정별제거효율 (40분후채수 ) Fig. 3(c) 와 Fig. 3(d) 에서 geosmin 주입후, 20 분과 40분후의각단위공정에서의농도별제거효율을나타내었다. geosmin 의경우, O 3 단일공정에서 geosmin 의주입농도에관계없이평균 95% 정도의높은제거효율을나타내었으며, EBCT의차이와는관계없이 O 3 /GAC 1 공정과 O 3 /GAC 2 공정에서모두동일한제거효율을나타내는경향을보였다. Table 8에나타낸 geosmin 유입농도별유출수의단위공정별처리농도결과를통해이러한결과들을수치로써확인할수있다. Table 8의결과를통해서보면, O 3 단일공정에서고농도의 geosmin 이유입되어도 8ng/L 이하로제거됨을확인할수있 8 0 0 270 40분후농도 4 0 0 3.2 용존성유기물질의제거특성및맛 냄새유발물질과의상관성분석최근의연구결과에따르면, 조류내유기물질성분 (Algae organic matter, AOM) 이소독부산물 (Disinfection by-products, DBPs) 과맛 냄새물질 (MIB) 의생성에영향을미친다 (Li, 2012). AOM 내의유기물성분중 1mg의탄소가약 68.75 ng의 MIB물질을생성하는데, 실제공정에서도유기물과맛 냄새유발물질이가지는상관성에대한연구가필요하다. 서론부분에서언급한대로, O 3 /GAC 공정을이용하여팔당수계의원수중 DOC 및 UV 254 흡광도의제거특성에관한연구가있었으나, O 3 /GAC 243
Journal of Korean Society of Water and Wastewater 오존 (O2) 입상활성탄 (GAC) 공정을이용한맛 냄새유발물질과유기물질의제거특성평가 공정의유기물질에대한제거특성과및파과특성에대한연구만이이루어졌고, 맛 냄새유발물질과의상관관계에있어서도각물질의흡착및제거특성에관한연구만이이루어졌다. 따라서각단위공정별로유기물질의직접적인양을나타내는측정항목인 DOC, TOC를비롯하여, 난분해성유기물질의동향을파악할수있는 UV 254 흡광도와유기오염물질의양을측정할수있는지표인과망간산칼륨소비량, 수중에존재하는용존성유기물의특성을파악할수있는 SUVA 값과맛 냄새유발물질과의관계분석을통하여, 맛 냄새유발물질과다양한분석항목으로측정된유기물간의상관성을평가하였다. Fig. 4(a) 와 Fig. 4(b) 는 O 3 /GAC pilot-plant 운전기간동안원수와 O 3 /GAC 1 공정에서의 DOC 및 TOC의농도를나타낸결과이다. 공정가동기간중원수단계에서의용존성유기물질은 0.978~2.196 mg/l, 총유기탄소는 0.993 mg/l~1.688mg/l 의농도범위로유입되었고, TOC와 DOC가 O 3 /GAC 1 공정을거치면서수질기준이하의농도인 1mg/L 이하로제거됨을알수있다. 또한, pilot-plant의운영기간이길어짐에따라, 유기물질에대한제거효율도점차안정화되어처리수의농도가점차낮아지는모습을확인할수있다. Fig 4(a). 원수및 O 3/GAC 1 공정에서의 DOC 농도변화 Fig 4(b). 원수및 O 3/GAC 1 공정에서의 TOC 농도변화 Fig 5(a) 는 O3 단일공정에서의각항목별평균제거효율을나타내었으며, Fig 5(b) 와 Fig 5(c) 에서 O 3 /GAC 1 공정과 O 3 /GAC 2 공정에서의각항목별평균제거효율을나타내었다. Fig 5(a) 를보면, 오존단일공정에서는 TOC, DOC 및 UV 254 흡광도등유기물질항목들에대한제거율이크지않음을알수있다. 이는오존처리가유기물질의직접적인제거보다는분해기작이주로작용하여유기물의총량의변화에는큰영향을주지않은것으로판단되며, O 3 공정에서분해된유기물은흡착에의한제거기작이주로작용하는활성탄처리공정을거치면서약 60 80% 의효율로제거됨을 Fig 4(b) 와 Fig 4(c) 를통해알수있다. 각단위공정별 SUVA 값의변화를보면, O 3 단일공정에서 SUVA값이약 20% 정도감소하였는데, 이는수중유기물질들중상대적으로큰분자량을가지는유기물질들과소수성을띄는물질들이제거되었다는것 (Edzwald, 1999) 을의미한다. 또한, O 3 /GAC 1 공정에서의제거율이약 40% 정도로크게상승한경우를볼수있는데, 이는오존공정에서분해된유기물성분이활성탄공정을거치면서소수성을띄는대상유기물질들이제거되었음을알수있다. 244
함영완 주영길 오효근 이병욱 김현기 김덕구 홍승관 Fig 5(a). O 3 공정에서의각항목별제거효율 다는것을알수있다. 이는각단위공정별유기물질들과맛 냄새유발물질에대한제거율측면에서판단해보았을때, O 3 단일공정에서는유기물과맛 냄새물질간의작용한주요기작이달랐기때문에제거율측면에서상관성을보이지않는것으로판단된다. 반면, O 3 /GAC 공정에서는활성탄의흡착기작에의하여유기물질과맛 냄새물질이효과적으로제거되는결과를보였기때문에, 흡착에의한제거기작에있어서유사한상관성을보인다는것을알수있다. O 3 /GAC 반응조의 EBCT 에대한차이를살펴보면, 상대적으로활성탄접촉조의 EBCT 가큰 O 3 /GAC 1 계열이 O 3 /GAC 2 계열에비해모든항목에서소폭높은제거율을보였는데, 이는유기물질들이반응조내에머무르는시간이길수록활성탄의흡착에의해더많은양이제거되었음을의미한다. Fig 5(b). O 3/GAC 1 공정에서의각항목별제거효율 Fig 5(c). O 3/GAC 2 공정에서의각항목별제거효율 Fig 5에서 O 3 단일공정으로유기물을제거하기는어려우나, 2-MIB와 geosmin 에대한제거율은높았 3.3. O3/GAC 공정의소독부산물질제거특성평가활성탄공정을이용한맛 냄새유발물질및유기물에대한연구와더불어 O 3 /BAC 공정을이용한 THMs (Trihalomethanes) 에대한제거특성 ( 최정우, 2000) 과 HAAs(Haloaceticacids) 에대한제거특성 ( 손희종, 2008) 등정수처리공정중발생하는소독부산물제거에대한연구결과가지속적으로보고되고있다. 이러한연구들은 EBCT, 수온등여러인자들을고려하여소독부산물질의제거효율을평가하였지만, 실제 O 3 /GAC pilot-plant 를이용한각단위공정내에서의소독부산물질 (THMs 와 HAAs) 과그전구물질들 (THMs-FP, HAAs-FP) 에대한제거경향을복합적으로파악한연구는부족한실정이다. 따라서본연구에서는 O 3 단일공정과 O 3 /GAC 1 공정및 O 3 /GAC 2 공정에서의단위공정별소독부산물의제거특성을분석하였다. Fig 6(a) 는 O 3 단일공정에서의소독부산물의평균제거율을나타낸결과이다. THMs 와 THMs-FP 는오존단일공정에서의제거율이높지않음을알수 245
Journal of Korean Society of Water and Wastewater 오존 (O2) 입상활성탄 (GAC) 공정을이용한맛 냄새유발물질과유기물질의제거특성평가 있는데, 이는오존공정에서물질에대한직접적인제거보다는분해기작이우세하게작용하여나타난결과이다. HAAs와 HAAs-FP의경우, 오존공정을거치면서오히려그양이증가하는경향을보였다. 일반적으로오존에의해 HAAs 의농도는감소하지만, 본실험에서는전염소처리과정을포함한표준정수처리공정의모래여과처리수를원수로사용하였기때문에, 원수중염소가소량남아있게되어오존처리과정에있어서 HAAs 와 HAAs-FP 의증가에영향을미친것으로판단된다. 그러나 Fig. 6(b) 와 Fig. 6(c) 의결과에서알수있듯이, 오존공정에서분해된소독부산물질들이활성탄공정을거치면서효과적으로제거됨을확인할수있다. 또한, Fig 5(b) 와 Fig 5(c) 의결과를비교하여보면, 상대적으로활성탄의 EBCT가큰 O 3 /GAC 1 공정이 O 3 /GAC 2 공정에비하여모든소독부산물질항목에대한제거율이높음을알수있다. 이는활성탄의 EBCT가클수록소독부산물질이활성탄흡착조내에머무르는시간이길어짐으로써, 흡착에의한제거량이더많아짐을의미한다. Fig 6(b). O 3/GAC 1 공정에서의소독부산물질제거효율 Fig 6(c). O 3/GAC 2 공정에서의소독부산물질제거효율 4. 결론 Fig 6(a). O 3 공정에서의소독부산물질제거효율 팔당호를원수로사용하는용인정수장의오존 / 입상활성탄공정의처리특성에관한 pilot-plant 연구의결론은다음과같다. 1. 강제투입실험을통하여평가한맛 냄새유발물질의처리효율은유입농도와체류시간에관계없이오존단일공정에서 85% 이상의높은제거율을나타내었고, 오존 / 활성탄공정을거치면서 92% 이상의제거율로맛 냄새유발물질이제거되었다. 상대적으로 2-MIB에비하여 geosmin 에대한제거율이 246
함영완 주영길 오효근 이병욱 김현기 김덕구 홍승관 높았으며, geosmin 에대해서는활성탄의 EBCT의차이에관계없이 O 3 /GAC 1 공정과 O 3 /GAC 2 공정이동일한제거성능을나타내었다. 처리수의농도는 O 3 /GAC 공정에서두종류의맛 냄새유발물질모두 2ng/L 이하를나타내었는데, 이는겨울철에발생한특이농도이상의수준으로맛 냄새유발물질이유입되더라도본 pilot-plant 의 O 3 /GAC 공정을통해이들을효과적으로제거할수있음을의미한다. 2. 오존단일공정에있어서유기물질에는오존이주로분해기작으로작용하였고, 맛 냄새유발물질에는분해기작과제거기작이동시에작용하기때문에제거율에있어서상관성을보이지않았다. 그러나 O 3 /GAC 공정에있어서는유기물질과맛 냄새유발물질모두오존에의한분해기작과활성탄에의한흡착기작이동시에작용하였기에, 두물질모두높은제거효율을보이는유사성을나타내었다. 3. 오존단일공정에서소독부산물의제거율이낮거나오히려그양이증가하는경향을보였다. 이는오존에서우세하게작용한분해기작에의한것이며, 분해되거나생성된소독부산물이 GAC공정을거치면서흡착에의해효과적으로제거되는결과를보였다. 또한, 활성탄의 EBCT 가클수록소독부산물에대한제거효율이다소높은결과를보였는데, 이는활성탄흡착조내소독부산물들이활성탄과흡착될기회가많아짐으로써나타난결과로판단된다. 감사의글본연구는환경부 차세대에코이노베이션기술개발사업 (GT-11-G-02-001-1)" 으로지원받은과제입니다. 참고문헌손희종, 유수전, 유평종, 정철우 (2008) BAC공정에서 EBCT 와수온에따른 HAA제거특성, 대한환경공학회지, 30(12), pp. 1255-1261 손희종, 정철우, 강임석 (2004) 상수원수중의천연유기물질특성과염소소독부산물생성의관계, 대한환경공학회지, 26(4), pp. 457-466 임재림, 이경혁, 김성수, 채선하 (2007) 한강수계고도정수처리공정에서의유기물과맛 냄새의제거특성, 대한상하수도학회지, 21(1), pp. 13-25 최정우, 현길수, 강용태 (2000) 정수수질개선을위한입상활성탄과생물활성탄의처리특성, 한국물환경학회지, 16(2), pp. 191-198 Bruce D., Westerhoff P., and Brawley-Chesworth A. (2002) Removal of 2-methylisoborneol and geosmin in surface water treatment plants in Arizona Journal of Water Supply, 51, pp. 183 197 Dionigi C.P., Lawlor T.E., McFarland J.E., Johnsen P.B. (1993) Evaluation of geosmin and 2-methylisoborneol on the histidine dependence of TA98 and TA100 Salmonella typhimurium tester strains. Water Research 27 pp. 1615 1618 Ahn H., Chae S, Kim S., Wang S., Summers R.S. (2007) Efficient taste and odour removal by water treatment plants around the Han River water supply system. Water Science & Technology 55 pp.103-109 Edzward J.K., Tobiason J.E., (1999) Enhanced coagulation: US requirements and a broader view, Water Sci. Technol., 40(9), pp. 63-70 Lei L, Gao N., Deng Y., Yao J., Zhang K. (2012) Characterization of intracellular & extra cellular algae organic matters (AOM) of microcystic aeruginosa and formation of AOM-associated disinfection byproducts and odor & taste compounds, Water Research doi:10.1016/j.watres.2011.12.026 Ho L., Newcombe G. (2010) Granular Activated Carbon Adsorption of 2-Methylisoborneol(MIB): Pilot-and Laboratory-Scale Evaluations. Journal of Environmental Engineering 965 Lloyd S.W., Lea J.M., Zimba P.V., Grimm C.C. (1998) Rapid analysis of geosmin and 2-methylisoborneol in water using solid phase micro extraction procedures Water Research 32 pp. 2140 2146 Rangel-Mendez J.R., Cannon F.S. (2005) Improved activated carbon by thermal treatment in methane and steam: Physicochemical influences on MIB sorption capacity. Carbon 43 pp. 467 479 247