[논문]강변여과수 처리를 위한 포기-모래여과공정에서 망간제거 기작에 관한 연구

최승철; 김세환; 양해진; 임재림; 왕창근; 정관수

강변여과수 처리를 위한 포기-모래여과공정에서 망간제거 기작에 관한 연구
The study of manganese removal mechanism in aeration-sand filtration process for treating bank filtered water 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.24 no.3, 2010년, pp.341 - 349

최승철 (한국수자원공사) , 김세환 (한국수자원공사) , 양해진 (한국수자원공사) , 임재림 (한국수자원공사) , 왕창근 (충남대학교) , 정관수 (충남대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

It is well known that manganese is hard to oxidize under neutral pH condition in the atmosphere while iron can be easily oxidized to insoluble iron oxide. The purpose of this study is to identify removal mechanism of manganese in the D water treatment plant where is treating bank filtered water in aeration and rapid sand filtration. Average concentration of iron and manganese in bank filtered water were 5.9 mg/L and 3.6 mg/L in 2008, respectively. However, their concentration in rapid sand filtrate were only 0.11 mg/L and 0.03 mg/L, respectively. Most of the sand was coated with black colored manganese oxide except surface layer. According to EDX analysis of sand which was collected in different depth of sand filter, the content of i ron in the upper part sand was relatively higher than that in the lower part. while manganese content increased with a depth. The presence of iron and manganese oxidizing bacteria have been identified in sand of rapid sand filtration. It is supposed that these bacteria contributed some to remove iron and manganese in rapid sand filter. In conclusion, manganese has been simultaneously removed by physicochemical reaction and biological reaction. However, it is considered that the former reaction is dominant than the latter. That is, Mn(II) ion is rapidly adsorbed on ${\gamma}$-FeOOH which is intermediate iron oxidant and then adsorbed Mn(II) ion is oxidized to insoluble manganese oxide. In addition, manganese oxidation is accelerated by autocatalytic reaction of manganese oxide. The iron and manganese oxides deposited on the surface of the sand and then are aged with coating sand surface.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 망간의 경우 제거되기 어려운 것으로 알려졌음에도 불구하고 실제 강변여과수를 처리하는 정수장에서 중성 pH 조건임에도 불구하고 모래여과공정에서 망간이 효과적으로 제거되는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 공기포기-급속모래여과 공정으로 강변여과수의 철과 망간을 처리하고 있는 D정수장을 대상으로 철과 망간의 제거기작을 검토하여 향후 강변여과수 처리공정 선정 시 활용코자 하였다.
즉, 현재까지 포기-급속모래여과 공정에서 망간의 제거 메커니즘이 정확하게 알려지지 않았다. 따라서 본 장에서는 선행연구결과들을 토대로 포기-급속모래여과 공정에서의 철과 망간의 제거기작을 살펴보았다.

가설 설정

용존 철의 생물학적 산화 메커니즘은 1) 주로 Gallionella sp.와 같은 독립영양세균에 의한 enzyme 작용에 의한 intercellular oxidation 또는 2) 철 세균의 대사과정 중에 배츨된 폴리머의 촉매작용에 의한 extracellular oxidation 이다. Mouchet(1992)에 의하면 1)과 2)의 경우 모두 다소 수화된 철 산화 침전물, 주로 γ-FeOOH와 때때로 α-FeOOH가 생성되며, 이들 산화물은 Fe₂O₃·0.

제안 방법

2009년 3, 5, 8월에 급속모래여과지 역세 전에 여과지 깊이별로 채취한 여과사와 공정별로 채수한 시료에서 망간과 철산화세균을 분석하였다. Table 3은 공정별로 채수한 시료에서 철과 망간 산화세균을 분석한 결과로서 원수에 철산화세균과 망간산화세균이 모두 존재하였으며 조사 시기별로 철, 망간 산화세균의 비율에 차이가 있었으나 철산화세균이 망간산화세균에 비해 상대적으로 많이 검출되었음을 알 수 있다.
D정수장 급속모래여과지 깊이별로 채취한 여과사를 실온에서 데시케이터 안에서 수~10일간 건조시킨 다음 SEM-EDX분석을 실시하였다. 역세척 전 여과지 상부에는 육안으로도 관찰되는 황토색의 철 산화물 입자들이 퇴적되어 있었으며, Fig.
D정수장 철, 망간 제거와 관련된 생물학적 특성을 파악하기 위하여 2009년 3, 5, 8월에 급속모래여과지 역세 전에 여과지 깊이별(0-5, 5-15, 15-30, 30-50, 50-100, 100-150cm)로 채취한 여과사와 공정별로 채수한 시료(강변여과수, 포기수, 모래여과수, 활성탄수)에서 망간과 철산화세균을 분석하였다(김범수, 2006, Zakharova, 2007). 공정별로 채수된 시료는 멸균된 PBS 용액을 사용하여 10배 희석법에 따라 1000배까지 단계별로 희석하여 희석시료를 준비하였다.
D정수장 철, 망간 제거와 관련된 생물학적 특성을 파악하기 위하여 2009년 3, 5, 8월에 급속모래여과지 역세 전에 여과지 깊이별(0-5, 5-15, 15-30, 30-50, 50-100, 100-150cm)로 채취한 여과사와 공정별로 채수한 시료(강변여과수, 포기수, 모래여과수, 활성탄수)에서 망간과 철산화세균을 분석하였다(김범수, 2006, Zakharova, 2007). 공정별로 채수된 시료는 멸균된 PBS 용액을 사용하여 10배 희석법에 따라 1000배까지 단계별로 희석하여 희석시료를 준비하였다. 층별 여재는 각 여재를 충분히 혼합하고 약 10g을 분취하여 PBS 20 mL에 현탁 후 강하게 흔들어주었다(1시간, 850 oscillation/min).
문헌조사와 강변여과수를 처리하는 D 정수장을 대상으로 한 실험결과들을 토대로 포기-모래여과 공정에서 철과 망간의 제거 메커니즘을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
망간산화세균 시험은 시료 원액 및 단계별 희석시료 각 100㎕씩을 Table 1의 성분대로 조제하여 굳힌 평판 2매 이상에 넣고 도말하여 배지에 완전히 흡수시킨 후 25℃에서 4~5일간 배양하였다. 배양된 집락을 Leuco crystal violet 발색법으로 확인하여 푸른색으로 발색되는 집락을 계수하였다. 아울러 저온일반세균 시험은 시료 원액 및 단계별 희석시료 각 1 mL씩을 평판 2매 이상에 넣고 미리 멸균하여 45±0.
5g의 무게를 잰 후 1N염산과 1% 옥살산을 함유한 용매 50 mL에 넣어 여과사에 부착되어 있는 물질들을 용출시킨 후 ICP(Inductively Coupled Plasma)를 이용하여 분석하였다. 아울러 깊이별 여과사의 SEM(Scanning Electron Microscope)과 EDX(Eenergy Dispersive X-ray Spectrometry) 분석을 분석기관에 의뢰하여 조사하였다.
처리공정별 철과 망간의 제거특성은 정수장에서 제공한 2008년 분석자료를 활용하였으며, 2009년 3월에 공정별로 채취한 시료의 철과 망간농도는 분광광도계(DR 2500, HACH사)를 이용하여 분석하였다. 여과지 깊이별로 채취한 여과사에 부착된 철과 망간부착량은 실온에서 데시케이터 안에서 수~10일간 건조시킨 여과사 0.5g의 무게를 잰 후 1N염산과 1% 옥살산을 함유한 용매 50 mL에 넣어 여과사에 부착되어 있는 물질들을 용출시킨 후 ICP(Inductively Coupled Plasma)를 이용하여 분석하였다. 아울러 깊이별 여과사의 SEM(Scanning Electron Microscope)과 EDX(Eenergy Dispersive X-ray Spectrometry) 분석을 분석기관에 의뢰하여 조사하였다.
처리공정별 철과 망간의 제거특성은 정수장에서 제공한 2008년 분석자료를 활용하였으며, 2009년 3월에 공정별로 채취한 시료의 철과 망간농도는 분광광도계(DR 2500, HACH사)를 이용하여 분석하였다. 여과지 깊이별로 채취한 여과사에 부착된 철과 망간부착량은 실온에서 데시케이터 안에서 수~10일간 건조시킨 여과사 0.
철산화세균 시험은 시료 원액 및 단계별 희석시료 각 100㎕씩을 Table 1의 성분대로 조제하여 굳힌 평판 2매 이상에 넣고 도말하여 배지에 완전히 흡수시킨 후 25℃에서 5일~4주간 배양하여 노란색~오렌지색 혹은 황토색의 집락을 계수하였다. 망간산화세균 시험은 시료 원액 및 단계별 희석시료 각 100㎕씩을 Table 1의 성분대로 조제하여 굳힌 평판 2매 이상에 넣고 도말하여 배지에 완전히 흡수시킨 후 25℃에서 4~5일간 배양하였다.

대상 데이터

공기포기는 분사낙하방식으로 포기탑 내에 설치된 노즐을 이용하여 강변여과수를 분사함으로써 공기와의 접촉면적을 최대화시키는 방법이다. 급속여과지의 여재는 유효경이 1.35mm(1~2mm)인 모래로서 층고가 2m이며, 설계여과속도는 120 m/일이나 실제로는 처리량에 따라 50~70 m/일로 운전되었다.

성능/효과

1) 강변여과수 내에 포함된 용존성 2가 철은 공기포기 과정에서 빠르게 산화되어 불용성 철산화물을 형성하며, 불용성 철산화물들은 급속모래여과지의 여재에 퇴적되어 제거된다. 용존성 2가 망간은 산화속도가 느려 공기포기 과정에서 산화되지 않으나 모래에 퇴적된 철산화물에 빠르게 흡착된 후 불용성 망간산화물로 산화되며, 생성된 망간산화물에도 2가 망간이 빠르게 흡착되어 망간산화물이 형성된다.
2) D 정수장 급속모래여과지에서 철과 망간산화세균이 검출되어 물리화학적 반응 이외에 생물학적인 반응에 의해서도 철과 망간이 제거됨을 알 수 있었다. 즉, D 정수장 급속 모래여과지에서는 물리·화학·생물학적 기작이 동시에 작용한 것으로 판단된다.
망간 산화세균들에는 Gallionella 속과 같이 철만을 산화하는 세균을 제외한 대부분의 철 산화세균이 포함된다. Leptothrix, Crenothrix, Hyphomicrobium, Siderocapsa, Siderocystis, Metallogenium 속들이 철과 망간을 독립적으로 산화시킬 수 있는 것으로 알려졌다. 철과 마찬가지로 Pseudomonas manganoxidans 등과 같이 망간만을 산화하는 종들도 있다.
2009년 3, 5, 8월에 급속모래여과지 역세 전에 여과지 깊이별로 채취한 여과사와 공정별로 채수한 시료에서 망간과 철산화세균을 분석하였다. Table 3은 공정별로 채수한 시료에서 철과 망간 산화세균을 분석한 결과로서 원수에 철산화세균과 망간산화세균이 모두 존재하였으며 조사 시기별로 철, 망간 산화세균의 비율에 차이가 있었으나 철산화세균이 망간산화세균에 비해 상대적으로 많이 검출되었음을 알 수 있다. 그러나 참고항목으로 분석한 종속영양세균(저온일반세균)수에 비하면 상당히 적은 수의 철과 망간 산화세균이 존재하였다.
결과적으로 철과 망간 산화세균이 여과지 내에 존재하는 것을 알 수 있었으나 Fig. 6에서 볼 수 있듯이 여과지 내 공존하는 종속영양세균과 비교해 볼 때 개체수가 25% 미만인 것으로 나타났다. 그러나 여과지 깊이가 깊어질수록 철과 망간 산화세균이 차지하는 비율이 증가하는 경향을 나타내었다.
결론적으로 Mn(Ⅱ)의 제거기작을 정리해보면 pH 7 이상의 조건에서는 산소에 의한 철의 산화과정 중에서 생성되는 것으로 알려진 γ-FeOOH에 Mn(Ⅱ)이 매우 빠르게 흡착되며, 흡착된 Mn(Ⅱ)은 물 속에서 산화하는 것보다 훨씬 빠른 속도로 γ-FeOOH의 표면에서 산화되어 망간산화물(MnO2 or MnOOH)을 생성한다.
앞서 언급된바와 같이 중성 pH 조건에서 철은 공기포기과정에서 물리화학적으로 제거가 가능하고, 아울러 생물학적인 방법으로도 처리가 가능함을 알 수 있다. 그러나 망간의 경우 제거되기 어려운 것으로 알려졌음에도 불구하고 실제 강변여과수를 처리하는 정수장에서 중성 pH 조건임에도 불구하고 모래여과공정에서 망간이 효과적으로 제거되는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 공기포기-급속모래여과 공정으로 강변여과수의 철과 망간을 처리하고 있는 D정수장을 대상으로 철과 망간의 제거기작을 검토하여 향후 강변여과수 처리공정 선정 시 활용코자 하였다.
철의 산화는 산소가 있는 조건에서 물속에서 반응하는 homogeneous한 반응과 이 반응에서 생성된 불용성 산화물과 반응하는 catalytic heterogeneous한 반응에 의해 일어나는 것으로 알려졌다. 즉, Takai 등(1973)는 α-FeOOH(goethite)와 γ-FeOOH(lepidocrocite)에 의해 철이 촉매산화되어 제거되며 후자 반응이 철 산화에 더 효과적이라는 것을 실험에 의해 밝혀냈다.
Table 2는 여과사에 부착되어 있는 물질들을 용출시킨 후 ICP(Inductively Coupled Plasma)를 이용하여 양이온성분들을 분석한 결과로서 예상했던 바와같이 여과사 표층(0~5 cm)보다는 중층(100~150 cm)에서의 망간 함유율은 더 높고, 반대로 철 함유율을 상대적으로 낮은 것으로 나타났다. 특이한 사항은 마그네슘이 다량 용출되었으며, 특히 함유율은 유사하나 표층에서 여과사 단위무게(g)당 약 54 mg의 마그네슘이 부착되어 있는 것으로 나타났다. 그러나 사용 전 모래를 용출실험한 결과 마그네슘이 거의 용출되지 않아 강변여과수에 포함된 높은 농도의 마그네슘이 부착된 것으로 추정된다.
특히, α-FeOOH 보다는 γ-FeOOH에 더 잘 흡착되는 것으로 나타났고, pH가 높은 영역에서는 실리카에도 흡착이 일어나는 것을 밝혔다.

후속연구

즉, D 정수장 급속 모래여과지에서는 물리·화학·생물학적 기작이 동시에 작용한 것으로 판단된다. 그러나 D정수장의 경우 생물학적인 작용보다 물리․화학적 작용이 더 주요한 기작인 것으로 추측되나 정확한 메커니즘 규명을 위해서는 추가적인 실험을 통한 좀 더 면밀한 검토가 이루어져야 할 것이다.
본 연구에서는 강변여과수 처리 공정별 시료 및 여재에 존재하는 철과 망간 산화세균의 양을 분석한 것으로 산화세균과 철, 망간 농도와의 관련성 및 제거기작에 대해서는 확인할 수 없어 추후 이에 대한 연구를 추가로 진행할 예정이다. 다만 원수와 여과지에서 철과 망간 산화세균의 존재가 확인되었고 이들이 여과지에서 생물학적으로 철과 망간을 제거하는데 기여하고 있는 것으로 추정된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강변여과수 수질은 어떤 특징을 가지는가?	일반적으로 강변여과수 수질은 대수층의 토양이나 지질과 밀접한 관계가 있어 토양종류에 따라 각종 광물질이 소량 함유되어 있으며 토양 내 유기물의 분해로 발생하는 CO2가 높고, 실리카 성분이 하천수에 비해 높은 편이다. 반면에 강변여과수는 하천수에서 크게 문제가 되는 부영양화는 발생하지 않으나 환원상태의 철, 망간 등 2가 금속과 황화물이 증가하며, 오염된 지역의 경우 질산성질소의 농도가 높은 경우가 있다. 특히, 철과 망간의 농도는 하천수에 비해 수~수십 배 높은 것으로 알려져 있다. 한편 국내의 먹는물 수질 기준에서는 망간을 0.
	수화이산화망간에 의해 흡착된 망간은 무엇으로 변하는가?	즉, Mn2+를 포함한 pH 중성 원수에 염소를 필요량 첨가시켜 망간촉매인 수화이산화망간을 코팅시킨 여과사(망간모래)의 충전층를 통과시키면 Mn2+은 MnO2·nH2O의 표면에 빠르게 흡착제거 된다. 흡착된 Mn2+은 수중의 염소에 의한 흡착 시보다 천천히 산화되어 MnO2․nH2O가 되며, 이렇게 생성된 MnO2·nH2O역시 촉매능력을 갖고 다음 Mn2+의 염소산화를 촉진하는 것으로 알려졌다. 따라서 표준정수저리 공정을 가지 정수장에서 망간이 유입될 경우에는 전염소 또는 중염소 처리를 하여 급속모래여과지의 모래를 망간으로 코팅시켜 처리하고 있다.
	국내의 먹는물 수질 기준에서 망간은 얼마로 규제하는가?	특히, 철과 망간의 농도는 하천수에 비해 수~수십 배 높은 것으로 알려져 있다. 한편 국내의 먹는물 수질 기준에서는 망간을 0.3㎎/ℓ로 규제하고 있으나 2011년에는 0.05㎎/ℓ 이하로 강화되고, 철은 0.3㎎/ℓ 이하로 기준을 정하고 있기 때문에 강변여과수에 대한 적절한 수처리가 요구된다.

참고문헌 (14)

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원문보기 상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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