부상처리 기술을 이용한 유기물의 효율적 제거

 

최근 수질정화기술로서 기포지름이 50㎛ 이하인 마이크로 버블(MB: Micro-Bubble)을 이용하는 방법이 관심을 모으고 있다.
마이크로 버블은 통상적인 폭기법에 비해 기체의 용해효율이 높으며 대전작용, 물리적 흡착효과 등의 특징을 가지고 있다. 이 글은 저농도의 유기물을 포함한 하수 2차 처리수에 마이크로 버블처리를 적용하여 수질정화특성에 대해 검토한 글이다.

수년 전, 환경기술연구소 이용운 회장과 한 연구소에서 마이크로 버블 처리를 실시한 처리수에 대해 활성탄처리를 실시하여 활성탄 처리효율을 높일 수 있도록 시도한 적이 있다.  
그때, 마이크로 버블처리에 의해 처리수의 TOC 농도는 저하되었으며, 마이크로 버블의 물리흡착을 통해 분리 가능한 유기물의 크기에는 한계가 있다는 사실을 밝혀냈다.

즉, 마이크로 버블 처리를 실시하면 활성탄 처리의 제거율, 활성탄 흡착량을 향상시킬 수 있다는 것이 증면되었다. 활성탄에 부착되는 부유물질 또는 활성탄의 세공을 막는 큰 유기물을 분리함으로써 활성탄 내부세공을 유효하게 이용할 수 있게 되었기 때문이라고 생각된다. 또 용액을 산성화하면 활성탄 흡착량을 증가시킬 수 있었다.
이를 아래에 기술한다.

1. 머리말

화학물질은 용도와 종류가 다양한데 현재 공업적으로 생산되고 있는 것 만해도 수 만종에 이르는 것으로 알려져 있다.
이러한 화학물질은 일상생활을 하는데 없어서는 안 될 물질이다. 또한 한편으로 화학물질이 환경 속으로 계속 확산되고 있어 사회적 문제가 되고 있다. 권위있는 기관에서 낸, '화학물질과 환경'이라는 자료를 보면, 환경조사를 실시한 이소프렌, 클로르데인, 클로로피클린 등 823종류의 화학물질 가운데 약 45%인 367종류가 환경 속에서 검출되었다고 한다.

하천, 호소와 해역 등의 환경수역은 용수원 또는 어업, 양식업 등 산업의 장으로서도 중요하다. 환경수역의 수질이 오염되면 경제적 손실뿐만 아니라 인간의 건강에도 악영향을 미칠 수 있다는 가능성이 제기되고 있다.
 
환경수역으로의 화학물질 유출원인으로는 제조 및 가공 시에 공장, 사업장으로부터의 방출을 생각해 볼 수 있다. 일반적으로 사업소에서 배출되는 유기물이 포함된 폐수는 응집침전처리나 생물학적 처리 등에 의해 제거·분해되고 있으나, 난응집성 화학물질이나 생물저해성을 가진 화학물질이 포함되면 통상적인 응집이나 생물처리로 제거·분해하는 것이 어렵다.
특히 몇 mg/L 이하의 저농도 폐수를 대상으로 하는 경우에는 유효한 처리법이 없는 경우가 많다.

이와 같은 저농도 유기물을 포함한 폐수를 처리하는 방법 가운데 하나로서 활성탄 흡착처리법을 들 수 있다. 활성탄 흡착은 분자량이 비교적 작은 유기물을 제거하는데 효과적인데 분자량이 큰 유기물이 공존하면 활성탄의 세공을 막아버려, 내부세공이 충분한 흡착능력을 가지고 있음에도 불구하고 저분자량의 유기물 흡착능력을 저하시킨다.

최근 수질정화기술로서 기포지름이 50㎛ 이하인 마이크로 버블(MB: Micro-Bubble)을 이용하는 방법이 관심을 모으고 있다. 마이크로 버블은 통상적인 폭기법에 비해 기체의 용해효율이 높으며 대전작용, 물리적 흡착작용 등의 특징을 가지고 있다.

이 분야 세계적인 권위자인 '오나리'에 의하면 양식지에 마이크로 버블 공기를 공급할 경우, 굴이나 가리비의 양식효율이 향상된다고 한다. 또 댐 저수지 바닥층의 빈산소층에 마이크로 버블 공기를 주입하면 바닥층의 무산소 수괴가 사라지고, 수질이나 금속염류의 용출을 개선된다고 보고한 바 있다.

미국의 Walker에 의하면 마이크로 버블화된 오존을 이용하면 염수 중의 BTEX(벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 크실렌)의 분해속도가 통상적인 오존기포의 경우에 비해 약 2배 향상된 것으로 보고하고 있다.

이 글에서는 저농도 유기물이 포함된 하수 2차 처리수를 처리하는데 마이크로 버블을 적용하는 수질정화특성에 대해 검토해 본 결과를 소개한다.
활성탄의 세공입구를 막을 수 있는 비교적 큰 분자량의 유기물을 마이크로 버블에 의해 부상분리하고, 활성탄 처리효율을 높이기 위한 시험을 실시했다.

2. 실험방법
2.1 시료와 활성탄

저농도 유기물이 포함된 폐수와 수력처리센터에서의 최종침전지 출구수를 시료수로 사용했다.

2.2 마이크로 버블의 발생장치

이 실험에서 사용한 마이크로 버블 발생장치(typeⅣ-WP150, (주)오라테크 제품)의 장치는 석션 호스, 기체흡입부(흡입량 조정니들) 가압용해탱크, Delivery  호스, 압력조절밸브, 토출 Ejector, 배기밸브로 구성했다.(석션 호스와 Delivery  호스의 내경은 15mm, 토출 Ejector는 25mm, 토출수량은 약 8L/min이다.) 
 
2.3 실험장치

이 실험에서 사용한 장치는 국립환경연구소에서 대여한 수조(세로 40cm×높이 45cm)에 시료수 130L를 채우고 물 바닥에 마이크로 버블 발생장치의 석션 호스, Delivery 호스를 배치했다.
마이크로 버블 발생장치를 기동하면 마이크로 버블이 거의 수조 안 전역으로 확대되었다. 마이크로 버블 발생장치를 기동한 후부터 5시간까지의 표층과 하층(물 바닥으로부터 약 15cm의 위치)의 시료수를 채취하여, 채수 중의 유기성 탄소(TOC: Total Organic Carbon)를 각각 측정했다.

채취한 시료수 10mL에 대해 1.2mol/L의 염산을 0.1mL 가해 pH를 2~3으로 조절했다. 여기에 질소가스를 7분간 통과시킨 후, TOC계(TOC-500, (주)시마즈 제작소 제품)로 분석했다. 마이크로 버블 처리에서 시료수의 초기 TOC 농도, pH의 영향을 검토하기 위해 초기 TOC 농도를 변화시킨 시료수, 혹은 염산으로 pH를 약 5.0까지 조정한 시료수를 이용하여 같은 시험을 실시해 채수 중의 TOC 농도를 각각 측정했다.
 
마이크로 버블 처리에 의해 분해되는 유기물의 크기를 파악하기 위해, 마이크로 버블 발생장치를 4시간 가동한 하층시료수, 그리고 보류입자지름이 0.6㎛인 유리섬유여과지 GA55(아드반테크 도요(주) 제품)로 여과시킨 하층시료수의 TOC 농도를 각각 측정했다.
(참고로 아래 설명하는 내용에서는 위의 여과시료수를 사용했다.)
 

2.4 유기물 처리시험

시료수에 대한 활성탄의 처리능력을 평가하기 위해, 처리수 속에서 활성탄의 유기물 흡착량을 구했다.
우선 시료수를 여과지 No.5C(아드반테크 도요(주) 제품)으로 여과하고, 부유물질(SS: Suspended Solids)을 제거했다. 부유물질을 제거한 시료수를 가지고 TOC 농도가 다른 수용액 100mL를 조제하여, 여기에 활성탄 1g을 첨가했다.

실온에서 사전에 확인된 흡착평형 도달시간까지 교반하면서 고체와 액체를 접촉시켰다. 흡착평형상태인 시료수를 여과지 No.5C로 여과한 후, TOC 농도를 측정하여 평형 시의 TOC(C*)를 구했다. 초기 TOC 농도C(0), 액량 V, 활성탄량 W로 다음 식을 이용한 평형흡착량 q를 구했다.

        V
q = ----- (C(0)-C*)   
        W

마이크로 버블로 처리한 시료수에 대한 활성탄의 처리능력을 검토하기 위해 시료수와 2.3의 방법으로 3시간 동안 마이크로 버블 처리한 수조 하층의 시료수 100mL를 각각 100mL 비커에 채우고, 활성탄 1g을 각각 첨가한 후 스터러로 교반하면서 1, 2, 3, 4, 5시간 후의 TOC 농도를 측정했다.

초기 TOC 농도 C(0), 5시간 후의 시료수 TOC 농도 C(5)로 다음과 같은 식을 이용해 유기물의 제거율을 구했다.
           
              1-C(5)
제거율 = ------------- ×100
               C(0)

3. 결과 및 고찰

표층에서는 시간이 경과하면서 TOC 농도가 높아졌으며, 하층에서는 약간 감소하는 경향을 나타났다.
이는 마이크로 버블의 물리적 흡착효과에 의해 시료수 속의 부유물질과 분자량이 큰 유기물이 부상분리되었기 때문인 것으로 생각된다. 또 표층에서 유기물량이 많아지면 유기물끼리 응집되어 플록이 생성되는 것으로 관찰되었다.
하층 TOC 농도가 약간만 감소되었음에도 불구하고 표층의 TOC 농도가 매우 높은 것은, 부상한 부유물질과 분자량이 큰 유기물이 표면근방의 매우 얇은 층에 분포하고 있기 때문으로 생각된다. 또 표층의 시료채취 시에 플록이 발생한 지점에서 주로 채수한 것도 원인인 것으로 생각된다. 
 
4. 결론

예측한데로 마이크로 버블 처리에 의해 TOC 농도는 낮아졌다. 마이크로 버블의 물리흡착에 의해 분리 가능한 유기물의 크기에는 한계가 있는 것으로 파악되었다.
즉, 마이크로 버블 처리를 통해 활성탄 처리의 제거율과 활성탄 흡착량을 높일 수 있다.
이는 활성탄에 부착된 부유물질 또는 활성탄의 세공을 막는 큰 유기물을 분리함으로써 활성탄 내부세공을 효율적으로 이용할 수 있었기 때문으로 생각된다.

용액을 산성화함으로써 활성탄 흡착량을 증가시킬 수 있었다.
하수를 재이용하기 위해 활성탄 처리나 막여과가 이루어지는데, 이번 결과를 통해 이러한 처리 전에 마이크로 버블 처리를 실시하면 효율적인 처리가 가능할 것으로 파악되었다. 

<박창근 (본지 대표 / UNEP Global 500)>