활성탄 흡착지 운영에 관한 연구

	연구총괄		구의아리수정수센터소장		이달영
	연구책임자		정수과장		서 한 호
	책임연구원		지방공업연구사		김성재
	연구원		지방공업연구사		경 규 선
			지방공업주사		박근희
			지방시설관리주사		홍병의

요  약  문

Ⅰ. 연구제목

활성탄 흡착지 운영에 관한 연구

Ⅱ. 연구기간

2015. 5 ~ 2016. 11

Ⅲ. 연구목적

구의아리수정수센터는 2015년 5월 고도정수처리시설의 준공으로 표준정수처리공정의 후공정으로 고도산화처리(Advanced Oxidation Process, O3 + H2O2)시설과 입상활성탄 흡착처리 시설을 갖추게 되었다. 도입된 고도정수처리공정의 효율적 운영을 위해서는 구의아리수정수센터의 원수여건과 시설조건에 적합한 최적화된 운영이 필요하게 되었다.

고도정수처리공정의 최적화 운영을 위해서 2015년도에는 고도산화공정의 운영기준 설정에 관한 연구를 추진하였고, 2016년도에는 입상활성탄 흡착지의 운영기준에 대한 연구를 추진하였다.

Ⅳ. 연구내용

1. 활성탄 흡착지 운영기간 경과에 따른 입상활성탄 성능분석

○ 요오드 흡착력, MB탈색력 등 활성탄 물성분석

○ 총유기탄소(TOC) 제거효율 분석

○ 소독부산물(THMs, HAAs) 분석

○ 맛·냄새물질(2-MIB, Geosmin) 제거효율 분석

2. 현장운영 및 실험을 통한 활성탄 흡착지 운영기준 설정

○ 역세척 팽창률 측정기준 설정

○ 활성탄지 층고관리

○ 공기세척효과 분석

○ 활성탄 흡착지 운영지표 선정

○ 활성탄 흡착지 운영기준 설정

3. 활성탄 흡착지 운영시 유의사항

Ⅴ. 연구결과

1. 활성탄지 운영기간 경과에 따른 입상활성탄 성능분석

○ 약 1년 사용 후의 MB탈색력은 223 mL/g에서 1계열은 120 mL/g과 2계열은  110 mL/g으로 각각 46%와 51% 감소하였다.

○ 요오드흡착력의 경우에는 1,079 mg/g에서 1계열은 751 mg/g과 2계열은 673 mL/g으로 각각 30%와 38% 감소하였다.

○ 초기 TOC제거율은 80% 이상 이었고, 사용기간 6개월 경과까지 50%정도로 감소폭이 컸다. 6개월 이후 사용기간에 따른 감소폭은 둔화 되었으며,  1년 경과후에는 30~40% 제거율이 감소되었다.

○ THMs의 경우 활성탄 흡착지 공정 도입초기에는 정수에서는 불검출 이었으나, 운영기간 약 5개월 경과 후에는 활성탄흡착공정 도입전의 농도 수준으로 증가하였다.

○ HAAs의 경우는 THMs와 다르게 활성탄 흡착공정 도입 후에는 정수에서 낮고 안정적으로 유지되는 것을 확인 할 수 있었다.

○ 맛냄새 물질인 Geosmin는 활성탄흡착공정 도입 후부터 현재까지 정수에서 불검출로 분석되었으나, 2MIB의 경우 저수온 시기인 2016년 3월에 운영기간이 약 16개월 경과한 1계열의 활성탄 흡착지의 유출수에서 2ng/L(오존접촉지 유출수의 2MIB 농도는 4ng/L)로 분석되었다.

2. 현장운영 및 실험을 통한 활성탄 흡착지 운영 기준 설정

○ 활성탄 흡착지의 운영지속시간이 12일 이상으로 경과됨에 따라 유출수의 TOC, 저온일반세균은 변화는 경향성이 없었지만,  탁도 및 입자수의 경우에는 지속적으로 증가하는 특성이 있어 활성탄 흡착지 운영기준을 설정하는 지표로 선정하였다.

○ 활성탄 흡착지의 역세척 팽창률 측정시, 세척시간 10분 이전에서는 팽창률이 계속 증가하는 특성이 있으므로 물 단독세척단계 10분경과 후에 팽창률을 측정하는 활성탄 흡착지의 역세척 팽창률 측정기준을 설정 하였다.

○ 활성탄지 세척 팽창률을 25~35%로 약 2년 이상 하면서 진행한 정기적인  탄층고 조사결과에 의하면 활성탄의 유실은 거의 없는 것으로 판단되었으며, 탄층고 관리를 위해 분기별로 간접측정방법으로 높이조사를 하고 반기별로 대표지(7, 11지)에 대해 실측하는 것이 효율적이라 판단되었다.

○ 입자수를 운영지표로 하는 활성탄 운영기준 설정 실험결과로 다음과 같은 결론을 도출 하였다.

송수 입자수가 높을 경우(40개/mL이상)에는 세척주기를 160시간, 역세척 팽창률은 35%, 역세척 시간 30분 전후 및 시동방수시간은 90분전후로 운영하고 송수입자수가 낮을때에는 세척주기를 190시간, 역세척 팽창률은 25%, 역세척 시간 20분 전후 및 시동방수시간은 60분전후로 운영하는 것이 효율적 이었다.

3. 활성탄 흡착지 운영시 유의사항

○ 유지관리 등에 의한 활성탄 흡착지의 운휴 후에 재운영시에는 지내에서 암모니아성질소 등 염소소모성물질 등이 증가가 되어 후염소 제어의 어려움이 있으므로 충분한 반복 세척후에 운영하는 것이 필요했다. 유지관리를 위한 3일 운휴의 경우 2회 세척완료 후에 운영시에 후염소 제어를 안정적으로 운영 할 수 있었다.

○ 정수지 수위에 따라 활성탄지 세척유량이 영향을 받게 되므로 적정팽창률 유지를 위해서는 목표세척유량을 피드백한 세척유량 제어가 필요했다.

○ 원수의 BOD와 수온이 높을 경우 활성탄 흡착지내 미생물량이 과도하게 증가되어 유출수내 누출미생물 및 입자수가 증가되는 것으로 판단되며, 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.

Ⅵ. 향후 계획 및 활용방안

본 연구는 짧은 기간의 실험에 의해 도출된 운영기준으로서 앞으로 보완해 나가야 될 점이 많다. 여러 조건에서의 반복실험을 통하여 많은 데이터를 확보하고, 수질조건별로 분석할 필요가 있으며, 향후 지속적으로 추진해야할 과제이다.

본연구과제의 결과는 향후 자체 고도정수처리 운영매뉴얼 작성 및 운영자의 교육자료 등으로 활용할 예정이다.

목  차

1. 서론	8

1.1. 연구목적	8

1.2. 연구내용 및 범위	8

2. 이론적 배경	10

2.1. 활성탄의 물리적 특성 및 흡착원리	10

2.2. 활성탄의 원료 및 제조	14

2.2. 활성탄의 품질 및 규격	15

3. 입상활성탄지 현황	16

4. 연구방법	17

4.1. 활성탄 흡착지 운영기간 경과에 따른 입상활성탄 물성변화	17

4.2. 현장운영 및 실험을 통한 활성탄 흡착지 운영기준 실험	18

5. 연구결과	19

5.1. 활성탄 흡착지 운영기간 경과에 따른 입상활성탄 물성변화	19

5.1.1 입상활성탄 물성 변화	19

5.1.2. 수질제어인자	20

5.2. 활성탄 흡착지 운영 기준 설정	22

5.2.1 운영기준 설정을 위한 운영지표 선정	22

5.2.2 활성탄 흡착지 운영기준설정 실험	24

5.2.3 활성탄 흡착지 운영시 유의사항	31

5.2.4 송수입자수 증가원인	33

6. 결론	35

참고문헌	37

표 목 차

표 1. 입상활성탄의 산업규격(KSM 1421)	15

표 2. 분말활성탄과 입상활성탄의 수처리제 규격(환경부)	15

표 3. 활성탄지 설계 현황	17

표 4. 운영기간 경과에 따른 1계열 11지의 입상활성탄 성능분석 결과	19

표 5. 운영기간 경과에 따른 2계열 7지의 입상활성탄 성능분석 결과	19

표 6. 활성탄 흡착지 운영 기준표	31

표 7. 팽창률 25%시 세척유량	31

표 8. 팽창률 35%시 세척유량	31

표 9. 활성탄흡착지 휴지시 활성탄지 유출수 수질 (2016.9)	32

그 림 목 차

그림 1. 오존의 직접반응 및 자기분해에 의한 간접반응	12

그림 2. 활성탄 재질별 SEM사진	14

그림 3. 활성탄지 구조	17

그림 4. 2계열 활성탄지 TOC제거율	20

그림 5. 정수의 THMs 분석 결과	20

그림 6. 정수의 HAAs 분석 결과	21

그림 7. 정수의 맛냄새물질 분석 결과	21

그림 8. 여과수와 송수 입자수 분석 결과	22

그림 9. 흡착지속시간에 따른 활성탄지 유출수의 총세균	22

그림 10. 흡착지속시간에 따른 활성탄지 유출수의 저온일반세균	22

그림 11. 흡착지속시간에 따른 활성탄지 유출수의 입자수	23

그림 12. 흡착지속시간에 따른 활성탄지 유출수의 탁도	23

그림 13. 흡착지속시간에 따른 활성탄지 유출수의 TOC	24

그림 14. 세척시간에 따른 팽창률 변화	25

그림 15. 활성탄지 층고 측정결과	25

그림 16. 공기세척 유무에 따른 세척배출수 탁도	26

그림 17. 공기세척 유무에 따른 세척배출수 저온일반세균	26

그림 18. 공기세척 유무에 따른 시동방수탁도	27

그림 19. 팽창률 25% 세척시 세척배출수 탁도	28

그림 20. 팽창률 25% 세척시 시동방수 탁도	28

그림 21. 팽창률 25, 40% 세척시 세척배출수 탁도	28

그림 22. 팽창률 25, 40% 세척시 세척배출수 탁도	28

그림 23. 팽창률 20, 25, 35% 세척시 세척배출수 탁도	29

그림 24. 팽창률 20, 25, 35% 세척시 시동방수 탁도	29

그림 25. 팽창률 35% 세척시 세척 탁도(운영시간:167시간)	29

그림 26. 팽창률 35% 세척시 시동방수 탁도(운영시간:167시간)	30

그림 27. 팽창률 증가시 송수 탁도 증가한 경우의 예	30

그림 28. 펌프 39.5/39.5Hz운영시 정수지 수위에 따른 세척유량 변화	33

그림 29. 원수의 유기물 지표변화	33

그림 30. 원수의 BOD, 수온 및 송수입자수와의 관계	34

1. 서론

1.1. 연구목적

세계는 지금 기후변화에 따른 자연재해를 겪고 있고, 우리나라 또한 예외가 아니다. 강수량이 부족하여 댐 저수율이 낮아짐에 따라 방류량이 적어져 정체수역이 증가할 수밖에 없으며, 갈수기 현상인 조류의 증식이 장기화되고 있다. 이에 따라 빈번한 유기물질의 증가, 냄새물질의 다량 발생 등 정수처리에 많은 영향을 주고 있다.

서울시는 이러한 수질변화에 대응코자 2015년 7월부터 고도정수처리공정을 거친 아리수를 서울시 전역에 공급하고 있다. 오존산화공정과 활성탄흡착공정으로 이루어진 고도정수처리시설을 통해 유기물 저감, 맛․냄새물질의 제거, 특정유해물질의 제거, 공급과정에서의 염소소모량 저감 등 일반적인 정수처리과정에서 한계성을 가지고 있는 수질을 획기적으로 개선하였다.

그러나, 서울시는 고도정수처리시설 운영기술에 있어서 아직 초기단계로 시설 도입전 수년간의 실증플랜트의 운영결과와 서울시 최초 고도정수처리시설이 도입된 영등포아리수정수센터의 초기 운영결과를 통해 마련한 고도정수처리 운영 매뉴얼을 개정해 나아가고 있다. 각 정수센터의 시설 또한 다양한 방식으로 이루어져 있어 정수센터별로 시설의 운영 기준을 마련할 필요가 있다.

구의아리수정수센터는 2015년 5월 고도정수처리시설의 준공으로 표준정수처리공정의 후공정으로 고도산화처리(Advanced Oxidation Process, O3 + H2O2)와 입상활성탄 흡착처리 시설을 갖추게 되었다. 도입된 고도정수처리공정의 효율적 운영을 위해서는 구의아리수정수센터의 원수 및 시설여건에 적합한 최적화된 운영이 필요하게 되었다.

위와 같이, 고도정수처리공정의 최적화된 운영을 위해서 2015년에는 고도산화공정에 대한 운영기준 설정에 관한 연구를 추진하였고, 2016년에는 입상활성탄 흡착지의 운영기준에 대한 연구를 추진하였다.

1.2. 연구내용 및 범위

구의아리수정수센터의 시설 및 수질여건에 따른 최적운영조건을 도출하여 고도정수처리시설을 보다 효율적으로 운영하기 위하여 아래와 같은 내용의 연구를 추진하였다.

1.2.1 활성탄지 운영기간 경과에 따른 입상활성탄 성능분석

․ 요오드 흡착력, MB탈색력 등 활성탄 물성분석

․ 총유기탄소(TOC) 제거효율 변화

․ 소독부산물(THMs, HAAs) 제거효율 변화

․ 맛·냄새물질(2-MIB, Geosmin) 제거효율 변화

1.2.2 현장운영결과 및 실험을 통한 활성탄 흡착지 운영 기준 설정

․ 역세척 팽창률 측정기준 설정

․ 활성탄지 층고관리

․ 공기세척효과 분석

․ 활성탄 흡착지 운영지표 선정

․ 활성탄 흡착지 운영기준 설정

1.2.2 활성탄 흡착지 운영시 유의사항

․ 활성탄 흡착지 운휴시 암모니아성질소 등 염소소모성 물질 급격한 증가

․ 정수지 수위에 따른 역세척시 세척유량 변화

2. 이론적 배경

정수처리에 있어서 활성탄의 이용은 암모니아 제거를 위해 전염소처리 후 과량의 염소를 제거하기 위해 최초 도입하게 되었다. 생활수준의 향상과 산업화에 따라 상수원의 오염은 날로 심각해져 가고 정부의 지속적인 수질보존 대책에도 불구하고 상수원의 수질은 크게 개선되지 않고 있다. 특히 미량유기오염물질에 의한 상수원의 오염은 기존의 처리공정으로 처리가 어려워 문제를 더욱 심각하게 하고 있다. 활성탄에 의한 유기물제거에 대한 많은 연구들이 수행되어져 왔고, 활성탄 흡착능력은 매우 우수하여 미국 환경청(EPA)은 활성탄 흡착을 합성유기물 제거가 가장효율적인 방법이라고 정의하고 있다. 현재에는 활성탄의 단순흡착기능 이외에 표면에 부착되는 미생물에 의한 생물학적 처리를 동시에 이용하는 생물활성탄 여과도 이용되고 있다.

2.1. 활성탄의 물리적 특징 및 흡착원리

2.1.1 활성탄의 물리적 특징

활성탄은 크게 분말활성탄과 입상활성탄으로 구분되어 지는데, 분말활성탄은 직경 1~20nm 정도의 세공이 대부분이며 입상활성탄은 10nm이하의 미세 세공이 대부분이다. 입상활성탄 중에서 야자계 입상활성탄은 직경이 3nm 이하인 것이 많다. 따라서 내부표면적은 큰 반면 전세공 용적당 직경은 작다. 한편 석탄계 활성탄은 3nm 정도의 세공을 가지며, 폭이 넓은 것도 있으며 내부표면적은 작지만 전세공용적 및 직경은 3~20nm 정도로 약간 크다.

요오드 흡착력이 큰활성탄은 미세공이 크게 발달한 것으로 예상 할 수 있다. 입상활성탄은 0.1 ~ 수 um크기인 미세공이 존재해 피흡착물질이 입자안으로 확산될 수 있는 통로가 된다. 활성탄에는 많은 공극이 있는데, 그중 micropore가 표면적의 약 95% 이상을 차지하며 대부분이 이곳에서 흡착되게 된다. 나머지는 Macropore와 표면으로 미생물은 주로 이곳에서 서식한다. 활성탄은 미생물이 서식하기 좋은 조건을 유지시켜 줄 수 있는 공간을 제공하는데, 다른 여재에 비해 활성탄에는 표면에 분화구 같이 생긴 Macropore가 이런 역할을 담당한다. Macropore는 활성탄 역세척시 발생하는 전단력에 대해 미생물을 보호해줄 뿐만 아니라, 실제로 미생물이 유기물과 접촉할 수 있는 기회를 많이 만들어 줄 수 있는 곳이다.

피흡착물질의 분자량이 작을 경우에는 내부표면적이 큰 미세공이 발달한 활성탄이 흡착량이 많다. Humic 물질과 같이 분자량이 크면, 입자의 세공내에서 확산계수가 작아 피흡착물질이 침입할 수 없기 때문에 흡착속도가 작고 흡착량이 감소하게 된다. 이러한 제거대상물질에 따라 세공분포가 처리능력에 커다란 영향을 줄 수 있다. 또한 흡착이외에도 입경을 고려해야 하는데, 입경분포가 작으며 고정층 방식의 경우 압력손실이 크기 때문에 활성탄의 입경은 통수속도 및 손실수두를 고려하여 적정한 크기의 활성탄을 이용하여야 한다. 유동층 방식의 경우에는 고정층 방식에 비해 압력손실이 작기 때문에 입경이 작은 활성탄을 사용할 수 있으나, 유동화시에는 활성탄층의 팽창이 크게 된다.

2.1.2 활성탄의 흡착원리

정수처리를 위한 활성탄 흡착공정에 있어서 용존 유기물질들은 확산을 통해 활성탄 내부세공으로 이동한 후 세공표면에 흡착된다. 흡착현상은 크게 물리적 흡착과 화학적 흡착으로 구분된다. 물리적 흡착(Physical Adsorption)은 일반적으로 흡착력이 약하고 가역적이며 피흡착물질의 화학적 특성이 변화하지 않는다. 화학적 흡착(Chemical Adsorption)은 흡착제(활성탄)의 피흡착 물질(오염물질)간에 전자의 이동이 일어나며 화학적 결합과 유사하다. 화학적 흡착은 가역 또는 비가역 반응일 수 있고 탈착이 일어날 경우 피흡착물질의 화학적 특성변화를 수반할 수도 있다. 활성탄 흡착 공정의 효율적인 설계와 운전을 위해서는 처리하고자 하는 원수수질과 활성탄에 대한 평가가 필수적이다. 제거하고자하는 오염물질(피흡착물질)이 활성탄에 흡착되는 양은 오염물질 및 활성탄의 종류에 따라 크게 다르다. 전술한 활성탄의 물리화학적 특성 외에도 피흡착물질의 용해도 및 극성(Polarity), 수소이온농도(pH), 이온화율, 피흡착물질 종류의 수 및 분자크기, 농도 등도 흡착능에 큰 영향을 준다. 원수로부터 제거될 물질이 활성탄에 흡착되는 양은 통상 실험적으로 결정되어지며 데이터는 등온 흡착평형식(Isotherm model)에 의해 표시된다. 이러한 평형모델은 이론적 또는 경험적 근거에 의해 유도되며 단일 물질과 복수물질의 경우로 나누어진다. 일정온도에 있어서, 활성탄과 피처리수를 접촉시켜, 평형상태에 도달할 때의 용액농도와 그때 활성탄에 흡착한 유기물량의 관계를 Plot한 것을 등온흡착선이라고 한다. 흡착량과 평형온도와의 사이에는 간단한 직선관계로 표시되는 것으로부터 지수관계식에 근사한 것 등, 흡착등온선의 형태에 따라 몇 개의 종류로 분류할 수 있다. 그 중에서 대표적인 것으로서, Freundlich형, Langmuir형, Henry형 등을 들 수 있다. 특히 Freundlich의 흡착등온식으로 나타낼 수 있는 것이 많다. 또 이들의 흡착등온식 사이에는 상호 관련이 있으며, 예를 들어 Langmuir식에서 나타나는 평형관계에 관해서보면 저농도 영역에서는 Henry형의 직선관계에 근사하고, 중간의 액농도 범위가 Freundlich 식에 근사할 수 있는 것도 그 예(例)이다. 다성분계의 평형관계를 log-log Graph에 Plot하면 꺾인 점을 갖고, 두 직선을 연결한 흡착등온선이 얻어질 수 있고, 이와 같은 경우에는 하나의 흡착등온식에서 전체농도 범위의 평형관계를 표시하는 것이 곤란하게 된다.

피흡착물질이 활성탄에 흡착되는 속도는 흡착공정 설계에 있어서 흡착능 못지않게 중요하다. 일반적으로 다공성 흡착제에 의한 피흡착물질의 제거속도는 물질확산(mass transfer)속도에 의해 결정된다. 피흡착물질이 활성탄입자의 세공내부까지 확산해 가는 경로는 크게 막확산(Film Transport)과 세공내 확산(Intraparticle Transport)으로 분류되고 세공내 확산은 세공확산(Pore Diffusion)과 세공표면확산(Surface Diffusion)으로 나눌 수 있다. 활성탄 흡착공정에서는 고체상(활성탄)및 액상(물)간에 몇 가지의 단계를 거쳐서 물질 확산이 일어난다. 물질확산의 경로를 요약해 보면 다음과 같다.

그림 1. 활성탄내에서의 피흡착물질의 이동

① Bulk Transport : 피흡착물질의 Bulk Solution으로부터 활성탄 외부표면의 경계면까지의 확산

② Film Transport : 피흡착물질의 활성탄 입자 표면의 Boundary Layer내에서의 확산

③ 활성탄 세공 내부에서의 흡착되지 않은 상태로의 확산 (Pore Diffusion)

④ 피흡착물질의 용존상태에서 흡착상태로의 전환 (Phase Conversation)

⑤ 흡착된 상태로 세공 표면상의 확산 (Surface Diffusion)

이러한 이동단계들은 연속적으로 진행되며, 가장 느린 단계에 의해 전체 제거 효율이 결정된다. 정수처리에서는 주로 막확산(Film Transport)이나 세공확산(Pore Transport)이 전체 제거효율을 지배하며, 초기에는 막확산이 제한요소이나 세공내 흡착질이 축적된 후에는 세공확산이 제한요소가 된다. 여러 오염물질 사이의 흡착경쟁, 평형, 물질확산의 상호 연관성을 이해하는 것은 효율적인 활성탄 흡착탑 설계 및 운전을 위하여 중요하다. 활성탄 흡착공정의 수처리 분야의 응용에 있어서는 대부분 다수의 오염물질의 흡착되는 시스템을 구성한다. 이러한 시스템에 있어서 어떤 물질의 흡착은 또다른 물질의 흡착을 위한 흡착부위를 감소시킨다. 따라서 최종흡착 평형점은 모든 피흡착물질들이 동시에 흡착경쟁을 한다고 가정할 경우 피흡착물질간의 상대적 흡착 선호도, 평형농도 및 상대적 분자크기 등에 의해 결정된다.

최종 평형점 결정의 또 다른 중요한 측면은 피흡착물질의 활성탄 입자외부 및 내부의 확산속도이다. 특히 비가역적 흡착반응의 경우에는 더욱 중요하게 된다. 하향류 활성탄 흡착탑 상부로부터 하부까지 흡착포화가 이루어지는 과정에 있어서 피흡착물질의 흡착능과 물질확산 속도가 크게 다를 수 있으므로 흡착경쟁의 양상도 영향을 받게 된다. 흡착능이 상대적으로 작고 확산속도가 느린 피흡착 물질은 흡착탑 운전초기에 고정상(Fixed-bed)의 깊은 지점에서 흡착경쟁 없이 제거되나, 흡착능이 보다 크고 확산속도가 빠른 피흡착 물질은 상의 상부에서 제거되기 시작한다. 상층부가 포화되면 흡착속도가 빠른 흡착대가 하부로 이동하게 됨에 따라 흡착능이 상대적으로 큰 물질들은 이미 흡착되어 있는 흡착능이 보다 작은 물질들을 치환 흡착하게 되어 물질에 따른 흡․탈착이 연속적으로 일어난다. 하향류 고정상 흡착탑의 경우 처리될 물은 “상(Bed)"의 상부로부터 하부로 통과하게 되고 ”상“의 상층부로부터 오염물질의 흡착이 시작되며 흡착량이 증가됨에 따라 흡착대(Adsorption Zone)는 아래로 이동한다. 따라서 상하부의 집수장치로 유출되는 처리수의 오염물질 농도가 점차 증가하며 시간-오염물질 농도 곡선은 S자 형태를 가지는 경우가 많다. 이러한 곡선을 파과곡선(Breakthrough Curve)이라 하며 Pilot실험에서 얻는 파과곡선은 흡착탑 설계에 중요한 정보를 제공한다. 상수 원수에서와 같이 여러 가지 오염물질이 복합적으로 함유되어 있는 경우에는 각 물질의 흡착능, 확산속도, 흡착경쟁등에 기인하여 기 흡착되었던 물질이 탈착된 후 유출됨으로써 유출농도가 유입농도보다 높게 나타나는 경우도 있다. 고정상 흡착탑에서는 과대 손실수두 발생이나 미생물 번식을 제어하기 위해 역세척이 필요하다. 역세척 이후에는 흡착대의 교란(입도 분포 성층화)이 일어나고 역세척 후에 유출수의 오염물질 농도가 탈착에 의해 높게 나타나는 경우도 발생한다. 여과층의 두께가 작고 짧은 체류시간(∼9분)으로 인해 오염물질의 조기 파과가 예상된다. 맛·냄새 제거를 위한 입상활성탄흡착공정은 4∼5년 정도까지 재생 없이 운전된 예가 있으나, 독성물질(toxic compounds)제거를 위해서는 제거목표물질에 따라 크게 다르겠으나 주기적인 재생(1∼2개월부터 최대 1년 이내)이 필요한 것으로 보고되고 있다.

2.2. 활성탄의 원료 및 제조

정수처리용 활성탄은 나무, 갈탄(lignite), 역청탄(bituminous coal, subbituminous coal),무연탄(anthracite),야자껍질(주로 국산제품)로 만들며, 같은 원료로 만들어진 활성탄이라도 가열 온도나 활성화(activation)방법, 제조공정 등에 의하여 물리적 특성이 크게 다르게 나타난다. 그 중에서도 가장 크게 영향을 받는 부분이 활성탄 공극 분포이다. 활성탄 공극의 구조는 원료의 특성에 따라서 다르며, 그림과 같이 나무를 원료로하는 경우에는 공극은 서로 평행하게 배열되고 공극의 분포가 석탄계와

그림2 활성탄 재질별 SEM사진

비교하여 상대적으로 고르게 나타난다. 일반적으로 활성탄의 제조는 탄화와 활성화 과정을 거쳐 생산되어 진다. 탄소질 원료를 약 500℃ 정도로 가열하면 탈수, 탈산 등의 분해가 일어나서 산소결합이 끊어지며 산소가 물, 일산화탄소, 이산화탄소 등의 형태로 방출되고 휘발분은 거의 제거되는 공정으로 고정탄소가 많이  남게 된다(탄화과정). 활성화공정은 800∼1100℃의 온도범위에서 일어나는 탄소의 산화반응으로 탄화물의 표면을 침식시켜 탄화물의 미세공 구조를 발달시키는 공정이다. 석탄계 활성탄의 경우 석탄을 파쇄하여 활성화하는 방식(direct activated)과 석탄을 분말형태로 만든 후 바인더와 혼합하여 구공탄 (briquette)으로 만든 후 입경(mesh size)에 따라 선별하여 활성화하는 성형탄이 있다. 이 제조방식은 미분탄이 적고, 강도가 강하며 석탄 내부까지 활성화가 용이하다. 또한 원료물질의 적절한 배합으로 사용 목적에 적합한 공극형태와 분포를 갖도록 조절할 수 있다.

2.3. 활성탄의 품질 및 규격

입상활성탄 규격은 KSM 1421에 규정되어 있으며, 정수처리공정에서 사용하는 분말활성탄과 입상활성탄의 수처리제 규격은 먹는물 관리법 제29조제1항 및 제30조제1항의 규정에 의하여 환경부 고시로 규정(표.2참조)되어 있다.

표 1. 입상활성탄의 산업규격(KSM 1421)

표 2. 분말활성탄과 입상활성탄의 수처리제 규격(환경부)

입자성물질의 제거에 의해서 발생되는 수두손실 때문에 흡착지의 운영시 선택할 수 있는 입상활성탄의 입경은 제한을 받는다. 입경이 작은 활성탄일수록 초기 수두손실도 크고, 운전중 발생되는 수두손실 또한 크다. 따라서, 에너지 비용과 허용 가능한 수두 손실이 활성탄의 입경을 선택하는데 중요한 변수이다. 흡착지를 활성탄 여과지 형태로 설계하는 경우 활성탄의 입경이 작으면 작을수록 입자성물질 제거에 유리하다. 그러나, 활성탄 입경이 너무 작으면 입자성물질이 입자간의 공극내에 축적되어 과다한 수두가 발생하고 실제 생산량에 커다란 영향을 미치게 된다. 또한, 입경이 너무 작으면 역세수의 속도가 충분하지 못해 효율적인 역세척을 하는데도 많은 어려움을 수반하게 된다. 상용화된 입상활성탄은 균등계수가 상대적으로 높은 1.9정도이며 균등계수가 높으면 역세척에 의하여 쉽게 성층화를 이루며 역세척시 높은 팽창률을 갖는 약 1.3정도 되는 낮은 균등계수의 활성탄을 사용하는 경우에는 흡착지내의 깊은 곳에서 탁질제거 효과가 높고 또한 생산량도 크다. 균등계수가 낮은 경우에는 입상활성탄의 혼화정도가 균등계수가 높은 경우보다 심하기 때문에 흡착질로 포화된 활성탄이 흡착지의 하단부로 이동하여 탈착이 심하게 발생하면 활성탄의 교체 주기가 짧아진다. 주로 사용하는 입상활성탄 입경은 8×20, 8×30, 12×40mesh범위이며 입경에 따라 흡착효율은 다를 수 있으나,일반적인 입경 범위에서 흡착효율이 우수한 활성탄의 경우 또는 적정 접촉시간(EBCT)을 확보할 경우 입경에 따른 흡착 영향은 미미하다. 오히려 입도조건(유효경 및 균등계수)에 따라 수리적 조건 즉, 지 손실수두(clean bed headloss)및 손실수두 상승(build-up), 역세척 조건들이 크게 영향을 받는다. 일반적으로 사용하는 입상활성탄의 크기는 미국 표준 12×40mesh(1.68×0.42mm)이다. 활성탄 흡착지로 사용하는 경우에는 입자성물질에 의한 수두손실이 거의 없기 때문에 역세척이 불필요하거나 최소화할 수 있다. 층고가 75cm보다 작고, 깊은 깊이에서 탁질제거가 불필요한 경우12×40mesh를 사용할 수 있다. 만약에 깊은 층고에서 입자성물질을 제거하여야 하는 경우 운전시간을 연장하기 위하여 8×30mesh가 일반적이다. 필요한 경우 주문시 입경의 크기와 균등계수를 별도로 결정할 수도 있다. 여과속도,층고 등에 따른 처리효율은 물론 여과속도에 따른 소요부지, 공사비, 운영비(전력비)를 고려하여 경제적인 공정으로 설계한다.

3. 활성탄 흡착지 현황

활성탄지 유입수는 제1정수장 및 제2정수장 여과지 유출수가  각각의 계열별 용해주관에서 오존주입후 오존접촉조를 거쳐 활성탄 흡착공정으로 보내진다. 활성탄지는 계열별 6개지로 총 12개지로 구성되어 있다. 활성탄지 1계열(9지부터 16지)은 2014년 10월16일에 운영을 시작하였으며, 2계열(1지부터 8지)은 2015년 4월14일부터 운영을 시작하였다. 구의아리수정수센터의 시설용량은 표준정수처리공정 1, 2 정수장이 각각 250,000m3/일 이며, 오존공정과 활성탄공정은 450,000m3/일 이다.

활성탄지의 유출유량제어방식은 수위제어 방식으로 목표 운영수위를 유지하기 위해 유출밸브를 제어한다. 역세척은 물+공기 세척방식으로 설계되어 있으며, 초기 운영 6개월 까지는 분탄생성을 방지하기 위해 물역세척만 진행하였다. 활성탄지 준공후 초기 운영은 시운전팀이 제시한 흡착지속시간 190시간, 역세척 팽창률은 25%, 역세척시간 25분, 시동방수시간 90분 등으로 운영하였다.

서울물연구원에서 발간한 고도정수처리시설 운영관리 매뉴얼에서는 고도정수처리시설에 대한 적정 운영기준에 대해서 제시하고 있지만, 구의아리수정수센터의 시설 및 수질여건에 따른 최적운영조건을 도출하여 고도정수처리시설을 보다 효율적으로 운영하기 위하여 2015년 고도산화공정 운영기준 설정연구과 함께 2015년~2016년 활성탄 흡착지지 운영기준에 관한연구를 아래와 같은 방법으로 추진하였다.

(a) 활성탄지 평면도              (b) 활성탄지 1개지 단면도

그림3. 활성탄지 구조

표 3. 활성탄지 설계 현황

구 분	설계사항
유량제어방식	정속여과(정수위제어)
역세척방식	(공기세척) + (물+공기세척) + (물세척)
여과속도	238.6m/일
여층두께	250㎝
규격	5.5mW × 12.0mL × 2Bed = 132 ㎡
총면적	2,112㎡
역세척펌프	29.7㎥/분 × 3대
송풍기	39.6㎥/분 × 3대

4. 연구방법

4.1. 활성탄 흡착지 운영기간 경과에 따른 입상활성탄 물성변화

활성탄 흡착공정에서 일정기간이 경과되면 액상중의 용질농도와 활성탄인 고체 흡착제 간에는 용질농도의 평형상태가 도달된다. 이때가 최대 흡착량이 되며, 이런 것의 변수는 세공구조, 내부의 표면적, 표면화학 등의 흡착제 특성, 분자의 화학적 성질, 분자크기, 친수성, 극성 등의 흡착질 특성들이다.

활성탄흡착능이 감소가 되면 처리효율이 감소가 되어 활성탄 재생이나 교체를 하여야 한다. 구의정수센터의 원수수질 여건에 따른 활성탄 재생 및 교체시기에 대해 예측 및 결정을  위한 사용기간에 따른 흡착성능분석을 계열당 한 개지를 대표지(7지,11지)로 선정하여 조사하였다.

분석항목으로는 MB탈색력, 요오드흡착력, 경도, 회분, 입도분포 등 활성탄품질조사와 TOC, 맛냄새물질 제거율 등 수질인자 이다.

4.2. 현장운영 및 실험을 통한 활성탄흡착지 운영기준 설정 실험

활성탄흡착지에 대한 운영기준을 설정하기 위한 지표 선정 실험을 진행 하였다. 활성탄지 유출수에 대한 총세균, 저온일반세균, 탁도, 입자수, 총유기탄소(TOC)을 흡착지속시간에 따라 분석하였다.

활성탄흡착지 운영기간 6개월후 공기세척유무에 따른 활성탄지 세척효과에 대한 실험을 진행 하였다.

수질여건에 따른 세척주기, 세척시간, 세척유량 및 시동방수시간 등을 적정하게 설정하기 위해 세척시 배출수 탁도와 시동방수 탁도를 분석하였다. 또한, 수온별 적정 세척유량을 분석하기 위한 팽창률에 대한 측정방법을 도출 하였다.

위의 실험을 통하여 운영지표에 따른 활성탄지 운영기준을 설정하였다.

5. 연구결과

5.1 활성탄 흡착지 운영기간 경과에 따른 입상활성탄 물성변화

5.1.1 입상활성탄 물성변화

입상활성탄 9지부터 16지는 1계열로 분리되며 2014년 10월16일부터 운영하였으며, 1지부터 8지는 2계열로 분리되며 2015년 4월 14일부터 운영을 시작하였다.

운영기간 경과에 따른 입상활성탄의 성능분석 결과는 아래 표와 같다. 약 1년 사용 후의 MB탈색력은 223mL/g에서 1계열의 경우 120mL/g 과 2계열의 경우    110mL/g으로 각각 46%와 51% 감소하였다. 요오드흡착력의 경우에는 1,079mg/g에서 1계열의 경우 751mg/g 과 2계열의 경우 673mL/g으로 각각 30%

표 4. 운영기간 경과에 따른 1계열 11지의 입상활성탄 성능분석 결과

번호	분석항목	수처리제기준	구매규격	신탄	11지(1계열)
					12개월사용	19개월사용
1	MB탈색력	150mL/g이상	180mL/g이상	223	120	120
2	요오드흡착력	950㎎/g이상	1000㎎/g이상	1079	751	636
3	경도	-	95%이상	95.6	97.1	96.9
4	회분	-	8%이하	7.5	7.7	7.6
5	유효경	-	0.6-1.0㎜	0.66	0.60	0.66
6	균등계수	-	1.9이하	1.5	1.8	1.68

표 5. 운영기간 경과에 따른 2계열 7지의 입상활성탄 성능분석 결과

번호	분석항목	수처리제기준	구매규격	신탄	7지(2계열)
					6개월 사용	13개월사용
1	MB탈색력	150mL/g이상	180mL/g이상	223	130	110
2	요오드흡착력	950㎎/g이상	1000㎎/g이상	1079	793	673
3	경도	-	95%이상	95.6	97.1	97
4	회분	-	8%이하	7.5	7.7	7.3
5	유효경	-	0.6-1.0㎜	0.66	0.60	0.70
6	균등계수	-	1.9이하	1.5	1.7	1.53

와 38% 감소하였다. 1계열의 경우 사용기간에 비해 2계열 보다 활성탄 흡착능의 성능 저하가 작은 이유는 2015년 1, 2월(사용기간 3~4개월)의 활성탄지의 부하율이 설계유량의 76%정도로 낮았기 때문이라 판단된다. MB탈색력의 경우 위의 표결과로 볼 때 12개월까지 급격히 감소하고 이후에는 감소폭이 거의 없는 것으로 판단된다. 요오드흡착력의 경우에는 사용기간 19개월까지 지속적으로 감소하는 특성이 있었다. 유효경 분석결과는 현재의 역세척 조건에서는 활성탄의 분탄이 발생되는 것은 없는 것으로 판단된다. 경도와 회분(무기물축적 정도예측인자)의 변화는 크지 않았다.

5.1.2 수질제어 인자

활성탄흡착공정 도입시 활성탄지내에서의 TOC제거율을 분석하였다. TOC제거율은 오존처리수의 TOC와 2계열 활성탄지 통합 유출수의 TOC로부터 산정 하였다.  초기 TOC제거율은 80% 이상 이었고, 사용기간 6개월 경과까지 50%정도로 감소폭이 컸다. 6개월 이후 사용기간에 따른 감소폭은 둔화 되었으며,  1년 경과후에는 30~40% 제거율을 유지하고 있다.

그림4. 2계열 활성탄지 TOC제거율

그림5. 정수의 THMs 분석 결과

일반적으로 정수의 THMs는 수온이 낮으면 농도가 감소하고 높으면 생성량이 증가하는 특성이 있다. 활성탄흡착공정 도입전에는 수온이 낮은 겨울철에 최저 0.006mg/L이었으며, 수온이 높은 여름철에는 0.018mg/L 였다. 활성탄흡착지 공정 도입직후의 정수에서는 불검출 되었으며, 사용기간 약 5개월 경과 후에는 활성탄흡착공정 도입전 농도로 증가하였다. 고수온 시기에는 최대 0.03mg/L이상 증가 하였다. 일반적으로 THMs는 활성탄흡착공정에서 파과가 가장 빠른 물질로 알려져 있다.

그림6. 정수의 HAAs 분석 결과

HAAs의 경우는 위의 THMs와 다르게 활성탄흡착공정 도입후 정수에서 낮고 안정적으로 유지되는 것을 확인 할 수 있었다.

맛냄새 물질인 Geosmin는 활성탄흡착공정 도입후 정수에서 불검출로 분석되었으나, 2MIB의 경우 저수온 시기인 2016년 3월에 운영기간이 약 16개월 경과한 1계열의 활성탄 유출수에서 2ng/L로 분석되었다. 이때 오존접촉지 유출수의 2MIB 농도는 4ng/L 였다. 향후 저수온 시기에 원수에서 2MIB 농도가 높게 유입할 때 활성탄 흡착효율 감소로 정수 2-MIB가 증가할 것으로 예상된다.

그림7. 정수의 맛냄새물질 분석 결과

활성탄흡착지 초기 통수시 송수의 탁도 및 입자수 증가 현상이 있었다. 특히, 유량변동이 큰 경우에 그 현상이 컸다. 아래 그림은 활성탄 운영초기부터 여과수입자수와 송수 입자수의 실시간 분석 결과를 보여주고 있다. 2계열 활성탄지 운영초기에는 여과수 입자수가 10개/mL 이하로 유입하였지만, 정수에서는 60~70개/mL로  증가하였다. 이는 운영초기 신탄내에 포함된 분탄 등이 활성탄흡착지에서 누출된 것으로 판단되었다. 운영기간 1개월 후에는 초기보다 안정화 되었고,   이후 여과수 입자수 증감시기에 송수입자수도 같은 경향성으로 증감 하였다.

그림8. 여과수와 송수 입자수 분석 결과

5.2 활성탄흡착지 운영기준 설정

5.2.1 운영기준 설정을 위한 운영지표 선정

활성탄흡착공정은 구의아리수정수센터에서 처음 도입한 공정으로 활성탄지 운영지속시간, 세척속도, 공기세척 유무, 시동방수시간에 대한 운영기준을 설정하여 운영할 필요가 있다. 그래서, 흡착지속시간 경과에 따른 활성탄지 유출수의 총세균, 저온일반세균, 탁도, 입자수, 총유기탄소(TOC)에 대한 측정을 흡착지속시간에 따라 분석하였다. 아래 그림들은 14년 10월에 통수한 1계열 14지에 대하여 2015년 4월20일부터 5월5일까지 운영할 때 유출수의 수질을 분석한 결과이다.

그림9. 흡착지속시간에 따른 활성탄지 유출수의 총세균

그림10. 흡착지속시간에 따른 활성탄지 유출수의 저온일반세균

활성탄지 통수 후  충분한 시간이 경과하였기 때문에 생물활성탄 작용이 있을 것이라 판단하고 총세균과 저온일반세균에 대하여 분석하였다. 일반적으로 미생물 성장곡선 형태의 결과가 나올 것이라 예측하였지만, 본 실험 결과는 그림과 같이 미생물 성장 개체수의 경향성은 나타나지 않았다. 또한, 저온일반세균의 경우 배양시간이 길고 분석된 개체수가 많아 희석에 의한 배양 등 현장 적용의 어려움과 수시로 변화는 원수수질 여건 등을 고려할 경우 운영지표로의 선정은 어려울 것이라 판단되었다.

입자수와 탁도의 경우는 운영지속시간 약 8~9일 이전에는 큰 변화가 없지만 8~9일 이후 지속적으로 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 운영지속 시간 경과에 따라 활성탄지내에서 성장된 미생물들이 대수성장단계, 감소성장단계 및 내생성장단계를 거친 미생물들이 활성탄과의 부착력이 약화되어 유출수내로 배출된 것으로 판단된다. 위와 같은 이유와 탁도 및 입자수의 경우 실시간으로 모니터링이 가능한 수질분석항목이므로 활성탄지 운영지표로 충분히 활용가능 할 것으로 판단되었다.

위의 실험을 진행하는 동안 원수의 TOC는 1.83~1.86mg/L 였으며, 오존처리후 할성탄지 유입수의 TOC는 1.09~1.11mg/L 였다. 운영지속시간 증가에 따른 생물활성탄작용에 의한 TOC제거 효율을 분석하기 위해  유출수의 TOC를 분석하였다.

그림11. 흡착지속시간에 따른 활성탄지 유출수의 입자수

그림12. 흡착지속시간에 따른 활성탄지 유출수의 탁도

그림과 같이 지속시간 증가에 다른 TOC제거효율의 상승 등은 확인할 수 없었다. 이와 같은 결과로 볼 때, TOC를 실시간 운영지표로 적용하기에는 어려움이 있다고 판단되었다.

그림13. 흡착지속시간에 따른 활성탄지 유출수의 TOC

활성탄흡착지 유출수의 TOC, 저온일반세균, 총세균의 측정값 기준에 의한  활성탄 흡착지의 운영은 위의 실험결과와 같이 현실적인 어려움이 있다. 송수 및 활성탄지 지별 유출수의 입자수를 실시간으로 측정 및 모니터링 가능 하므로 활성탄흡착지 운영지표로 활용하기에 유용할 것으로 판단하고 입자수를 활용한 운영기준 설정을 아래와 같이 진행하였다.

5.2.2 활성탄지 운영기준 설정 실험

활성탄흡착지는 여과지와 다르게 주요기능이 탁질의 제거기능이 아니므로 손실수두 발생 등은 거의 발생하지 않는다. 여과지의 경우에는 손실수두 증가에 따라 여과지속시간, 자연평형형인 경우 여과지 수위 및 수위제어형인 경우 유출밸브 개도율 기준 등으로 운영시간을 조정하여 정기적으로 세척한다. 활성탄지는 손실수두 증가가 거의 발생하지 않으므로 손실수두기준으로 운영할 경우 운영지속시간을 여과지보다 길게 운영할 수 있다. 하지만, 흡착지 운영지속시간을 너무 길게 운영할 경우 활성탄내 미생물의 과다번식에 의한 유출수에서의 미생물이 유출될 우려가 있다. 미생물이 유출될 경우 후염소모량 증가 및 배급수망에서의 After growth 현상에 의한 미생물 안정성 문제가 발생 할 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해서는 적정한 세척주기와 세척공정이 중요하다. 세척주기 및 세척공정에 대한 적정 운영기준을 설정하기 위해 다음실험을 진행 하였다.

역세척 팽창률 측정기준 설정

활성탄지 세척공정에서 세척효율에 가장 큰 영향을 주는 인자는 물역세척 단계의 팽창률이다. 하지만, 팽창률 측정시에 수온변화가 없는 같은 시기에 동일 세척유량에서도 여과지에서와 달리 팽창률 측정값이 달라지는 문제가 있었다. 그래서, 아래와 같이 수온 23.5℃, 세척유량 3,480m3/hr과 3,300m3/hr로 역세척시 팽창률을 시간변화에 따라 측정해 보았다.

그림14. 세척시간에 따른 팽창률 변화

결과는 그림과 같이 세척시간 10분까지는 지속적으로 팽창률이 증가하는 특성이 있었다. 이와 같은 이유는 충진 활성탄의 높이가 2.5m로 높기 때문이라고 판단되었다. 팽창률을 측정하기 위해서는 팽창률이 물단독세척 개시후 10분경과후 측정하는 것이 바람직할 것으로 보인다. 위의 실험 결과에 따라 운영기준 설정실험 시에는 세척시간 10분 경과후 팽창률을 측정하였다.

활성탄지 층고관리

활성탄지의 안정적 운영을 위해서는 일정주기로 역세척이 필요하다. 활성탄지 운영기간이 늘어날수록 세척횟수가 증가하고 이에 따른 활성탄 유출 여부를 모니터링하기 위해서 정기적인 활성탄 층고조사가 필요하다. 전체지에 대해 활성탄 층고를 정기적으로 직접측정하기 어려워서 활성탄지 상부턱에서 활성탄지 표면까지의 높이를 측정하는 간접측정방법으로 초기 3개월 동안 매월 측정하였다. 결과는

그림15. 활성탄지 층고 측정결과

그림과 같이 층고의 변화가 없어 현재는 분기간격으로 측정하고 있다. 그리고, 계열별 한 개지에 대해서는 반기별로 대표지(7, 11지)를 선정하여 실측하고 있다. 현재까지 세척회수 증가에 따른 활성탄의 유출현상은 없는 것으로 판단된다.

공기세척 효과

활성탄지 초기에는 분탄생성방지를 위하여 세척시 공기세척을 하지 않았으며, 일정 운영기간 경과 후부터 물+공기세척 2~3분을 적용하여 운영하였다. 1계열의 경우 2015년 4월부터, 2계열의 경우 2015년 8월부터 공기세척을 적용하였다. 아래그림은 공기세척 적용여부에 따른 세척배출수 탁도와 시동방수 탁도에 대한 분석 결과이다.

원수여건이 동일한시기에 흡착지속시간이 190hr정도로 동일한 2개의 흡착지를 대상으로 실험하였으며, 물 단독세척시 팽창률을 25%로 유지하면서 공기세척유무에 따른 세척배출수와 시동방수되는 퇴수에 대하여 수질을 분석 하였다. 결과는 그림과 같이 공기세척 적용후  물역세척시의 배출수탁도 및 세척배출수내 저온일반세균이 높은 것으로 판단했을 때 물단독세척 보다는 효과가 큰 것으로 판단된다. 또한 시동방수시 탁도가 0.1NTU이하로 더 빨리 안정화되고, 시동방수시간 90분 경과후 탁도도 낮고 안정적으로 유지되는 것을 확인 할 수 있었다.

그림16. 공기세척 유무에 따른 세척배출수 탁도

그림17. 공기세척 유무에 따른 세척배출수 저온일반세균

그림18. 공기세척 유무에 따른 시동방수탁도

효율적인 세척공정을 위해서는 공기세척을 상시 적용해야 할 것으로 판단되나, 과도한 세척시  분탄발생우려가 있으므로 신탄의 경우에는 가급적 공기세척을 피하고 일정기간 경과 후에는 상시 공기세척을 운영하는 것이 바람직 할 것으로 보인다.

송수입자수를 지표로 하는 활성탄운영 기준

원수내 유기물 함량이 높으면 표준정수처리공정으로는 제거효율에 한계가 있다. 유기물 함량이 높은 원수가 표준정수처리공정의 처리를 거쳐 오존처리를 하게 되면 난분해성 유기물이 생분해성 유기물로 전환하게 되고 오존처리수내에는 AOC양은 증가하게 되어 활성탄지내에서 미생물량이 증가하게 된다는 것은 잘 알려져 있다. 활성탄지내의 미생물량이 많아지면 활성탄흡착 공정 운영시 누출 미생물량이 많아져 탁도상승, 후염소요구량 증가, After growth문제를 야기할 수 있다. 누출되는 미생물의 양을 최소화 하기 위해서는 활성탄지의 적정세척공정 유지가 필요하며 세척주기 또한 최적화 하여 운영할 필요가 있다. 누출되는 미생물이 많아지면 위의 세척배출수의 미생물량과 탁도의 관계처럼 유출수의 탁도 및 입자수가 증가 할 것으로 판단된다. 이와 같은 이유로, 탁도 보다 미생물감시에 보다 효과적인 입자수 자료를 기준으로 활성탄지 운영기준설정을 진행하였다.

송수 입자수 낮은시기

수온이 14.4℃인 15년 11월경에는 송수입자수가 10개/mL 이하로 안정적으로 유지되는 시기였다. 이때, 운영지속시간이 186~190시간인 활성탄흡착지를 선정하여 세척시 팽창률을 25%와 40%로 세척시 세척배출수의 탁도와 시동방수시의 탁도를 비교하였다.

팽창률 25%세척시 세척배출수 탁도는 20분 경과후 2NTU이하로 안정화 됐으며, 시동방수시간 60분 경과후에 방수탁도가 0.1NTU 이하로 낮고 안정적으로 유지 되었다. 팽창률 40%세척시에는 팽창률 25% 세척시와 비교시 배출수 탁도의

그림19. 팽창률 25% 세척시 세척배출수 탁도

그림20 팽창률 25% 세척시 시동방수 탁도

그림21. 팽창률 25, 40% 세척시 세척배출수 탁도

그림22. 팽창률 25, 40% 세척시 세척배출수 탁도

변화 경향성은 큰 차이가 없었다. 시동방수 탁도는 팽창률 40%시 최고탁도가 팽창률 20%시 탁도보다 낮았지만 40분이후에는 거의 동일한 경향성을 보여 주었다.

위의 결과로부터 송수입자수가 낮은 시기에는 흡착지속시간 190시간운영, 세척 팽창률 25%로 약 20분 세척 및 시동방수 60분 운영이 적정한 것으로 판단되었다.

송수 입자수 높은시기

수온이 26℃인 15년 8월경에는 송수입자수가 최고 80개/mL 이상으로 매우 높게

그림23. 팽창률 20, 25, 35% 세척시 세척배출수 탁도

그림24. 팽창률 20, 25, 35% 세척시 시동방수 탁도

분석되는 시기였다. 흡착지 운영지속시간 196~197시간인 흡착지를 대상으로 세척팽창률 20, 25, 35% 세척시 세척배출수의 탁도와 시동방수시의 탁도를 비교하였다.

결과는 그림과 같이 세척 팽창률 35%시 세척효과가 컸으며, 세척시간 30분후에는 세척배출수 탁도가 2NTU이하로 감소하고, 시동방수 60분이후 안정화 시동방수 탁도가 안정화 됐으나 0.1NTU 이상으로 높게 측정되었다. 그래서, 동시기에 흡착지속시간을 167시간 운영한 흡착지를 대상으로 세척팽창률 35% 세척시 세척배출수의 탁도와 시동방수시의 탁도를 비교하였다.

그림25. 팽창률 35% 세척시 세척 탁도(운영시간:167시간)

그림26. 팽창률 35% 세척시 시동방수 탁도(운영시간:167시간)

세척시간 30분후 배출수 탁도가 2NTU이하로 안정화 됐으며 시동방수 80분 이후 시동방수탁도가 0.1NTU 이하로 감소 하였다. 또한, 송수입자수가 높은 시기에는 세척배출수 초기탁도가 송수입자수탁도가 나을 때 보다 높은 값을 갖는 것을 확인 할 수 있었다.

그림27. 팽창률 증가시 송수 탁도 증가한 경우의 예

송수입자수가 높은 시기에는 흡착지속시간 160시간 운영 및 팽창률 35%로 약 30분 세척후 시동방수 90분 운영이 적정한 것으로 판단된다. 하지만, 팽창률을 높게 유지할 경우 아래그림과 같이 송수탁도가 증가할 우려가 있으므로 팽창률을 높게 유지시에는 송수탁도 및 입자수 변화에 대한 모니터링에 주의를 해야 할 것으로 보인다. 팽창률이 너무 높을 경우 분탄생성 및 누출에 의한 역효과 발생가능성이 있는 것으로 판단된다.

활성탄 흡착지 운영기준

위의 실험결과로부터 송수입자수를 지표로 활성탄지의 적정 운영기준을 다음 표와 같이 정리 하였다. 수온별 팽창률 25%와 35%유지를 위한 적정 세척유량은 아래 표와 같다.

표 6. 활성탄 흡착지 운영 기준표

구 분	송수 입자수 높을 때 (40개/mL 초과)	송수입자수 낮을 때 (40개/mL 이하)	비고
세척주기	160시간 전후	190시간 전후
역세척 팽창률	35%	25%
공기세척	실시	실시
역세척 시간	30분전후	20분전후	세척배출수 2NTU이하
시동방수시간	90분전후	60분전후	0.1NTU이하

표 7. 팽창률 25%시 세척유량

수온(℃)	3.6	5.6	8.2	10.0	14.0	19.7	23.5	26.0
세척유량 (㎥/hr)	1,800	1,900	2,150	2,300	2,550	3,000	3,200	3,400

표 8. 팽창률 35%시 세척유량

수온(℃)	3.6	7.6	8.4	12.6	20.2	26.0
세척유량 (㎥/hr)	2,150	2,300	2,350	2,750	3,250	3,700

위와 같은 운영기준은 현재까지의 운영기준으로 설정한 것이므로 향후 운영결과를 반영하여 지속적인 보완이 필요할 것으로 판단된다.

5.2.3 활성탄 흡착지 운영시 유의 사항

활성탄 흡착지 운영시 유지관리 및 단수공사 등의 이유로 1~2개지 또는 계열별 휴지가 필요한 경우가 있다. 또한 정수지 수위는 배수지 수위에 따라 생산량 조정을 위해 일정하지 않고 변하게 된다. 휴지 및 정수지 수위 등이 활성탄 흡착지 운영시에 미치는 영향 및 적정 운영방법을 현재까지 운영경험을 바탕으로 다음과 같이 유의사항을 정리하였다.

활성탄 흡착지 휴지시 운영

시운전초기 유량조정 등으로 활성탄 흡착지 휴지후 재가동시에 활성탄 흡착지 유출수의 염소 요구량이 급격히 증가하는 문제 발생하여 목표 송수잔류염소 유지에 어려움이 있었다. 이에 대한 원인을 분석하기 위하여 7개의 자-비이커에 입상활성탄 적당량과 여과수를 함께 넣어 시간변화에 따른 암모니아성질소, 질산성질소 농도 및 전기전도도를 분석하였다.

분석결과는 아래 표와 같았다. 4시간 이후부터 암모니아성질소와 질산성질소의 증가가 있었으며, 특히 암모니아성질소의 경우 3일 이후에는 0.3mg/L 이상 5일 이후에는 0.5mg/L 이상 증가하였다. 염소소모량이 증가한 이유는 활성탄지내 암모니아성질소 증가한 것 때문이라 분석 된다. 암모니아성질소가 증가한 이유는 질산성질소가 환원되어 암모니아성질소가 증가한 것으로 예측되었지만 시간경과에 따라 질산성질소도 증가하였기 때문에 이와 같은 설명으로는 해석하기가 힘들다. 전기전도도가 증가하는 것으로 판단컨대 환원성물질의 증가가 원인인 것으로 판단된다. 휴지후 재가동시 유출수내의 암모니아성질소가 높게 증가하기 때문에 후염소를 안정적으로 운영하기 위해서는 충분한 세척이 필요하다. 3일 휴지시 2번의 세척후 운영시에 후염소 요구량 증가 현상은 크지 않은 것을 확인하였다.

표 9. 활성탄흡착지 휴지시 활성탄지 유출수 수질 (2016.9)

경과시간	NH3-N(ppm)	NO3-N(ppm)	전도도(uS/cm)
0hr	0.000	1.7	170
4hr	0.086	2.9	179
1day	0.075	2.6	181
3day	0.352	2.3	188
5day	0.553	3.4	197
7day	0.533	2.8	204

활성탄 흡착지 운영시 휴지를 최소화하여 운영할 필요가 있으며, 가급적 운휴를 하지 않는 것이 후염소 처리를 안정적으로 운영할 수 있을 것이라 판단된다.   운휴후 재가동시에는 암모니아성질소가 포함된 물을 역세척으로 충분히 배출후 운영하기 위해 역세척을 2회 이상 한 후 운영 하여야 한다.

정수지 운영수위에 따른 활성탄지 세척유량 변경

활성탄 흡착지의 세척시 적정 팽창률을 유지하기 위해 수온별로 세척유량을 변경하여 운영하여야 한다. 수온별 세척유량을 유지하기 위해 역세척 펌프의 인버터의 Hz값을 변경한다. 하지만, 그림과 같이 동일한 펌프 인버터 회전수를 운영하여도 정수지 수위에 따라 세척수량이 바뀌게 된다. 동일 Hz에서도 정수지 수위에 따라 팽장율이 10% 이상 바뀌게 되는 문제점이 있어 비효율적인 운영이 불가피 하다. 이와 같은 문제를 개선하기 위해서 역세척단계에서 목표유량을 맞추기 위해 근무자가 인버터 Hz를 조정하여 운영하고 있다. 근무자의 운영편의를 위해 역세척시퀀스제어를 목표세척유량을 피드백하여 인버터 Hz를 제어하는 피드백제어 방식으로 개선하는 것을 검토 중에 있다. 여과지에서는 이와 같은 문제가 발생되지 않는 것으로 보아 입상활성탄의 비중이 안트라싸이트나 모래보다 낮기 때문이라 판단되었다.

그림28.펌프 39.5/39.5Hz운영시 정수지 수위에 따른 세척유량 변화, 수온7.6℃

5.2.4 송수입자수 증가원인

활성탄 흡착지의 초기통수시 송수탁도 및 입자수가 증가하는 경향이 있었다. 이는 활성탄지내 포함된 분탄이 세척시 충분히 배출되지 않고 유출수내로 유출되기 때문이라 판단되었다. 운영지속시간이 증가 할수록 송수의 탁도 및 입자수는 안정적으로 유지 되는 경향을 확인 할 수 있었다. 하지만, 특정시기에 그림 8과 같이 송수의 입자수가 증가하는 시기가 발생 하였다. 아래그림은 원수내 유기물 함량을 지표인 TOC, BOD, COD의 변화를 보여주고 있다. 원수내 유기물 지표의 측정주기가 약 2주로 일평균 송수입자수 자료와의 정확한 경향성을 파악하는 것은 어려움이 있지만, 원수의 BOD가 높은 경우에 송수입자수가 증가하고 BOD가 높으면서 수온이 증가하면 송수입자수 증가폭이 더 커지는 특성(16/6/10 ~ 16/6/24)이 있었다. 이는 원수내 생물학적으로 분해가 가능한 유기물(BOD) 및 수온증가 등 활성탄지내의 미생물 성장조건이 충족될 때 활성탄지내 미생물의 총량이 증가하고 유출수내 미생물농도 또한 높게 되어 송수입자수가 증가하는 것으로 예측된다. 이에 대한 추가적인 분석이 필요할 것으로 판단되며, 송수입자수 증가로 인해 발생 할 수 있는 문제(거품 발생 및 After growth) 등을 제거하기 위해서는 표준정수처리에서 충분한 유기물 제거가 선행되어야 할 것 같다. 이에 대한 연구는 지속적으로 추진할 필요가 있다고 판단된다.

그림 29.원수의 유기물 지표변화

그림 30.원수의 BOD, 수온 및 송수입자수와의 관계

6. 결론

본 연구는 활성탄 흡착지의 효율적 운영을 위하여 수질변화 및 시설조건에 맞는 최적화된 운영기준을 설정하기 위한 실험을 진행하였고 그 결과는 다음과 같다.

1. 활성탄지 운영기간 경과에 따른 입상활성탄 성능분석

○ 약 1년 사용 후의 MB탈색력은 223 mL/g에서 1계열은 120 mL/g과 2계열은  110 mL/g으로 각각 46%와 51% 감소하였다.

○ 요오드흡착력의 경우에는 1,079 mg/g에서 1계열은 751 mg/g 과 2계열은 673 mL/g으로 각각 30%와 38% 감소하였다.

○ 초기 TOC제거율은 80% 이상 이었고, 사용기간 6개월 경과까지 50%정도로 감소폭이 컸다. 6개월 이후 사용기간에 따른 감소폭은 둔화 되었으며,  1년 경과후에는 30~40% 제거율이 감소되었다.

○ THMs의 경우 활성탄 흡착지 공정 도입초기에는 정수에서는 불검출 이었으나, 운영기간 약 5개월 경과 후에는 활성탄흡착공정 도입전의 농도 수준으로 증가하였다.

○ HAAs의 경우는 THMs와 다르게 활성탄 흡착공정 도입 후에는 정수에서 낮고 안정적으로 유지되는 것을 확인 할 수 있었다.

○ 맛냄새 물질인 Geosmin는 활성탄흡착공정 도입 후부터 현재까지 정수에서 불검출로 분석되었으나, 2MIB의 경우 저수온 시기인 2016년 3월에 운영기간이 약 16개월 경과한 1계열의 활성탄 흡착지의 유출수에서 2ng/L(오존접촉지 유출수의 2MIB 농도는 4ng/L)로 분석되었다.

2. 현장운영 및 실험을 통한 활성탄 흡착지 운영 기준 설정

○ 활성탄 흡착지의 운영지속시간이 12일 이상으로 경과됨에 따라 유출수의 TOC, 저온일반세균은 변화는 경향성이 없었지만,  탁도 및 입자수의 경우에는 지속적으로 증가하는 특성이 있어 활성탄 흡착지 운영기준을 설정하는 지표로 선정하였다.

○ 활성탄 흡착지의 역세척 팽창률 측정시, 세척시간 10분 이전에서는 팽창률이 계속 증가하는 특성이 있으므로 물 단독세척단계 10분경과 후에 팽창률을 측정하는 활성탄 흡착지의 역세척 팽창률 측정기준을 설정 하였다.

○ 활성탄지 세척 팽창률을 25~35%로 약 2년 이상 하면서 진행한 정기적인  탄층고 조사결과에 의하면 활성탄의 유실은 거의 없는 것으로 판단되었으며, 탄층고 관리를 위해 분기별로 간접측정방법으로 높이조사를 하고 반기별로 대표지(7, 11지)에 대해 실측하는 것이 효율적이라 판단된다.

○ 입자수를 운영지표로 하는 활성탄 운영기준 설정 실험결과로 다음과 같은 결론을 도출 하였다.

송수 입자수가 높을 경우(40개/mL이상)에는 세척주기를 160시간, 역세척 팽창률은 35%, 역세척 시간 30분 전후 및 시동방수시간은 90분전후로 운영하고 송수입자수가 낮을 때에는 세척주기를 190시간, 역세척 팽창률은 25%, 역세척 시간 20분 전후 및 시동방수시간은 60분전후로 운영하는 것이 효율적 이었다.

3. 활성탄 흡착지 운영시 유의사항

○ 유지관리 등에 의한 활성탄 흡착지의 운휴 후에 재운영시에는 지내에서 암모니아성질소 등 염소소모성물질 등이 증가가 되어 후염소 제어의 어려움이 있으므로 충분한 반복 세척후에 운영하는 것이 필요했다. 유지관리를 위한 3일 운휴의 경우 2회 세척완료 후에 운영시에 후염소 제어를 안정적으로 운영 할 수 있었다.

○ 정수지 수위에 따라 활성탄지 세척유량이 영향을 받게 되므로 적정팽창률 유지를 위해서는 목표세척유량을 피드백한 세척유량 제어가 필요했다.

○ 원수의 BOD와 수온이 높을 경우 활성탄 흡착지내 미생물량이 과도하게 증가되어 유출수내 누출미생물 및 입자수가 증가되는 것으로 판단되며, 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.

본 연구는 짧은 기간의 실험에 의해 도출된 운영기준으로서 앞으로 보완해 나가야 될 점이 많다. 여러 조건에서의 반복실험을 통하여 많은 데이터를 확보하고, 수질조건별로 분석할 필요가 있으며, 향후 지속적으로 추진해야할 과제이다.

참고문헌

서울시 고도정수처리운영매뉴얼Ⅱ, 서울특별시 상수도연구원, 2016

운영관리매뉴얼, 울산광역시 회야정수장, 2008

채선하 외 3명, 입상활성탄 흡착지 운영에서 역세척 주기와 팽창률의 영향 평가, 상하수도학회지, Vol. 24, No. 6, p.753~762, 2010

상수도시설기준, 한국상하수도협회, 2010

이희대, 입상활성탄 흡착지 운영에서 역세척 주기와 팽창률의 영향평가, 공학석사학위논문, 충남대학교, 2011