[논문]정수처리 공정에서 모델 물질들을 이용한 천연유기물질 처리능 및 소독부산물 생성능 평가

손희종; 정종문; 최진택; 손형식; 장성호

doi:10.5322/jesi.2013.22.9.1153

정수처리 공정에서 모델 물질들을 이용한 천연유기물질 처리능 및 소독부산물 생성능 평가
Evaluation of Natural Organic Matter Treatability and Disinfection By-Products Formation Potential using Model Compounds 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.22 no.9, 2013년, pp.1153 - 1160

손희종 (부산광역시 상수도사업본부 수질연구소) , 정종문 (부산광역시 상수도사업본부 수질연구소) , 최진택 (부산광역시 상수도사업본부 수질연구소) , 손형식 (부산대학교 미생물학과) , 장성호 (부산대학교 바이오환경에너지학과)

Abstract ▼ AI-Helper

While a range of natural organic matter (NOM) types can generate high levels of disinfection by-products (DBPs) after chlorination, there is little understanding of which specific compounds act as precursors. Use of eight model compounds allows linking of explicit properties to treatability and DBP formation potential (DBPFP). The removal of model compounds by various treatment processes and their haloacetic acid formation potential (HAAFP) before and after treatment were recorded. The model compounds comprised a range of hydrophobic (HPO) and hydrophilic (HPI) neutral and anionic compounds. On the treatment processes, an ozone oxidation process was moderate for control of model compounds, while the HPO-neutral compound was most treatable with activated carbon process. Biodegradation was successful in removing amino acids, while coagulation and ion exchange process had little effect on neutral molecules. Although compared with the HPO compounds the HPI compounds had low HAAFP the ozone oxidation and biodegradation were capable of increasing their HAAFP. In situations where neutral or HPI molecules have high DBPFP additional treatments may be required to remove recalcitrant NOM and control DBPs.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

단위공정별 실험은 응집, 이온교환, 활성탄 흡착 및생물분해 실험으로 나누어 실험하였다.
2 mg/L 이하인 처리수를 실험에 사용하였다. 단위공정별 제거 실험에서 응집, 이온교환 및 활성탄 흡착 실험에 사용된 시료수의 경우 수중의 DOC 농도가 10 mg/L가 되도록 조제하였으며, 오존 및 생물분해 실험의 경우는 수중의 DOC 농도를 5 mg/L 조제하여 실험을 진행 하였다. Table 1에는 본 실험에 사용된 최종처리수의 성상을 나타내었으며, Table 2에는 실험에 사용된 8 종의 모델물질들에 대한 물리․화학적인 성상을 나타 내었다.
따라서 본 연구에서는 상수원수 중에 복잡한 형태로 존재하는 NOM들에 대해 정수처리 공정상에의 제거 특성 평가와 이들에서의 소독부산물 생성 특성을 평가하기 위해 4 부류(hydrophobic- and hydrophilic-neutral 및 hydrophobic- and hydrophilic-anionic)의 8종의 모델물질들을 선정하여 응집, 이온교환, 활성탄 흡착, 오존산화 및 생물분해 실험을 수행한 후 모델물질별 각각의 제거특성을 잔존 DOC 농도로 평가하였고, 소독부산물 생성능은 HAA 생성능으로 평가하였다.
따라서 본 연구에서는 상수원수 중에 복잡한 형태로 존재하는 NOM들에 대해 정수처리 공정상에의 제거 특성 평가와 이들에서의 소독부산물 생성 특성을 평가하기 위해 4 부류(hydrophobic- and hydrophilic-neutral 및 hydrophobic- and hydrophilic-anionic)의 8종의 모델물질들을 선정하여 응집, 이온교환, 활성탄 흡착, 오존산화 및 생물분해 실험을 수행한 후 모델물질별 각각의 제거특성을 잔존 DOC 농도로 평가하였고, 소독부산물 생성능은 HAA 생성능으로 평가하였다.
생물분해 실험은 2년간 실험실 규모의 정수처리용 biofilter로 운전된 anthracite 컬럼의 상층부에서 anthracite를 채집하여 초순수로 여러 번 세척한 후 pH를 7 부근 으로 조절하여 농축된 무기 영양염류를 주입(Goel 등, 1995; Son 등, 2004b)한 시료수 150 mL가 채워져 있는 300 mL 용량의 BOD병에 습중량 2 g씩 투입하여 shaking incubator에서 20℃, 100 rpm의 교반조건에서 8일간 생물분해 실험을 진행하였다.
생물여과 공정에서의 4종의 모델물질들의 제거 특성을 살펴보기 위하여 종속영양 성 박테리아들이 부 착되어 생물학적으로 활성을 가진 anthracite를 이용 하여 접촉시간에 따른 잔존 DOC 농도변화를 살펴본 것을 Fig. 4에 나타내었다. 아미노산류인 Glu-A와 Ser 의 경우는 접촉 초기부터 빠른 생분해율을 나타내었 으며, 접촉시간 4일 이후에 Glu-A 및 Ser가 각각 최대 75%와 88%의 생분해율을 나타내었다.
본 실험에 사용된 8종의 모델물질인 glutamic acid, glycine, leucine, serine, mannose, xylose, tannic acid 및 resorcinol은 순도 99% 이상의 특급시약(Sigma- aldrich, USA)을 사용하였다. 시료수는 초순수(Millipore)에 300 m 3 /일 처리용량의 오존/활성탄 공정을 갖춘 고도 정수 처리용 pilot-plant의 최종 처리수를 활성탄 흡착공정 (F-400 신탄, Calgon, USA)에서 공탑체류시간 30분의 조건에서 재처리하여 처리수의 용존 유기탄소 (dissolved organic carbon, DOC) 농도가 0.2 mg/L 이하인 처리수를 실험에 사용하였다. 단위공정별 제거 실험에서 응집, 이온교환 및 활성탄 흡착 실험에 사용된 시료수의 경우 수중의 DOC 농도가 10 mg/L가 되도록 조제하였으며, 오존 및 생물분해 실험의 경우는 수중의 DOC 농도를 5 mg/L 조제하여 실험을 진행 하였다.
(Orica, Australia)를사용하였으며, 2 L 용량의 jar에서 24시간 동안 100 rpm으로 교반시켰다. 시료수의 pH는 7 부근으로 조절하여 실험하였으며, MIEX^Ⓡ투입농도는 최대 100 mL/L까지 투입하여 최대 제거율을 조사하였다.
염소 소독부산물 생성능 실험은 차아염소산 나트륨 용액을 3000 mg/L의 농도로 희석하여 각각의 모델 물질들이 함유된 300 mL BOD병에 20 mg․Cl/L의 농도로 주입한 후 pH를 6.8～7.2로 조절하여 20℃ 암소에서 7일간 염소와 반응시켰으며, 7일 후에 생성된 HAA 농도를 US EPA method 552.3 (2003)에 근거하여 GC/μECD (Agilent 6890N, U.S.A.)를 사용하여 분석하였다.
오존처리 실험은 시료수의 pH를 7 부근으로 조절한 후 10 L 용량의 오존 접촉조를 이용하여 20분 동안 2∼10 mg/L 농도로 오존을 투입하였으며, 오존 접촉후 Na2S2O3 (Junsei Chemical, Japan)를 사용하여 잔류오존을 제거하였다.
응집 실험은 2 L 용량의 jar를 사용하는 jar-tester (phipps & bird, USA)를 사용하였으며, 응집제는 낙동강 하류에 위치한 정수장에서 많이 사용하는 무기고분자 응집제인 PSO-M(Al2O3 7%, 서정화학)을 사용하였으며, 시료수의 pH를 7 부근으로 조절한 후 PSO-M 주입농도를 최대 100 mg/L까지 투입하여 최대 제거율을 조사하였다.
활성탄 흡착실험은 석탄계 신탄(F-400, Calgon, USA)을 직접 분쇄하여 실험에 사용하였으며, 300mL 용량의 BOD병에 pH가 7 부근으로 조절된 시료수 150 mL를 주입한 후 0.2∼25 g/L의 농도로 분말활 성탄을 투입하여 24시간 동안 shaking incubator에서 20℃, 100 rpm으로 교반시켰다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 8종의 모델물질인 glutamic acid, glycine, leucine, serine, mannose, xylose, tannic acid 및 resorcinol은 순도 99% 이상의 특급시약(Sigma- aldrich, USA)을 사용하였다. 시료수는 초순수(Millipore)에 300 m 3 /일 처리용량의 오존/활성탄 공정을 갖춘 고도 정수 처리용 pilot-plant의 최종 처리수를 활성탄 흡착공정 (F-400 신탄, Calgon, USA)에서 공탑체류시간 30분의 조건에서 재처리하여 처리수의 용존 유기탄소 (dissolved organic carbon, DOC) 농도가 0.

성능/효과

8종의 모델물질들에 대해 생물분해 처리 후의 HAAFP_7days /DOC를 조사한 결과, 오존처리에서와 같이 몇몇 모델물질들에서의 현저한 상승은 없었으나 Tan-A를 제외한 나머지 7종의 모델물질들에서의 HAAFP_7days/DOC가 증가하였다. Fig.
3에 나타내었다. HPI 계열 물질들(Ser과 Glu-A)은 HPO 계열의 물질들(Tan-A와 Res)에 비해서 오존처리에 의해 비교적 빨리 무기화 (mineralization)되는 경향을 나타내었으며, 20분 동안 20 mg/L의 오존투입에 의해 친수성 계열인 Ser과Glu-A는 완전 무기화되었으며, 소수성 계열인 Tan-A 와 Res의 경우는 각각 94% 및 88% 정도 제거되었다.
PSO-M 응집제를 이용한 응집 공정의 경우 2%∼7% 정도의 제거율을 나타내었으며, MIEXⓇ 이온교환수지를 이용한 이온교환 공정에는 2%∼9%의 제거율을 나타내어 두 공정에서의 제거율 에는 큰 차이가 없었다.
5에 나타낸 생물분해 및 오존산화 이외의 응집, 이온교환 및 활성탄 흡착과 같은 물질 자체의 구조적 변화를 유발하지 않는 비 반응성(non-reactive) 공정들에서의 HAAFP_7days /DOC의 경우는 수중에 잔존 하는 DOC 농도의 감소에 비례하여 HAAFP 농도도 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 불완전한 오존처리(총 오존 투입농도 10 mg/L)는 Tan-A를 제외하고는 단위 DOC 당 HAA 생성능_7일 (HAAFP_7days /DOC) 을 오히려 증가시키는 것으로 나타났다. 특히, Glu-A 의 경우는 오존처리 전 HAAFP 7days /DOC가 1 μg/mg에서 오존 처리 후에는 25 μg/mg으로 25배 정도 증가하 였다.
따라서 모델물질들을 이용하여 활성탄 흡착에 영향을 미치는 NOM 자체의 물리․화학적 특성들 중에서 hydrophobicity가 가장 큰 영향을 미치는 인자였으며, 다음으로 각각의 물질들의 분자량 크기와 전하(charge) 값인 것으로 나타났다.
Owen 등 (2000)은 수중의 NOM을 활성탄 흡착공정으로 제거시 소수성(HPO)을 띄며 고분자 물질일수록 친수성 (HPI) 저분자 물질들에 비해 활성탄에 우선적으로 흡착․제거되는 것으로 보고하였다. 또한, Fig. 2에는 나타내지 않았으나 동일한 화학적인 특성을 가지는 그룹들(아미노산(amino acid)류 4종 또는 탄수화물 (carbohydrate)류 2종)의 흡착 특성의 경우 물질의 분자량이 클수록 활성탄 흡착에 유리한 것으로 나타났다. 그러나 Tan-A와 Res의 경우 오히려 분자량이 작은 Res가 활성탄에 흡착이 용이한 것으로 나타나고 있으며, 이는 Fig.
또한, Fig. 4에는 나타내지 않았으나 탄수화물류인 mannose와 xylose의 경우는 각각 최대 52% 및 56% 정도의 생물분해되어 동일한 친수성 계열인 4종의 아미노산류들과 비교하여 매우 저조한 생분해율을 나타내었다. 비록 mannose와 xylose의 분자량이 각각 180g/mol과 150 g/mol로 4종의 아미노산류들의 75∼147g/mol에 비해 분자량이 크지만 Glu-A와 xylose의 분자량의 경우 150 정도로 거의 동일하며, 또한 친수성인 mannose와 xylose의 경우 소수성 계열인 Res와 Tan-A에 비해서는 10% 정도 상승된 생분해율을 보였다.
모델물질 자체에서의 HAAFP 7days / DOC의 경우 소수성 계열인 tannic acid (Tan-A) 및 resorcinol (Res)에서 각각 156 μg/mg 및 13 μg/mg으로 나타나 다른 6종의 친수성 물질들의 0.1∼2 μg/mg 에 비해 매우 높은 반응성을 보였다.
반면, HPI계열인 serine (Ser)과 glutamic acid (Glu-A)의 경우는 1 g/L 정도의 분말활성탄 처리에 의해서는 각각 4%와 42% 정도의 제거율을 나타내었고, 10∼25 g/L의 농도로 분말활성탄 처리를 하여야만 각각 62% 및 75% 정도의 최대 제거율을 얻을 수 있었다.
비록 mannose와 xylose의 분자량이 각각 180g/mol과 150 g/mol로 4종의 아미노산류들의 75∼147g/mol에 비해 분자량이 크지만 Glu-A와 xylose의 분자량의 경우 150 정도로 거의 동일하며, 또한 친수성인 mannose와 xylose의 경우 소수성 계열인 Res와 Tan-A에 비해서는 10% 정도 상승된 생분해율을 보였다.
반면 응집과 이온교환 공정에 의해서는 일부 소수성 및 친수성 물질은 제거가 가능하였으나 hydrophobic- 및 hydrophilicneutral 물질들은 매우 낮은 제거능을 나타내었다. 소수성 물질들과 비교해보면 친수성 물질들이 매우 낮은 HAA 생성능을 나타내었으나, 오존산화 및 생물분해 공정을 거친 후에는 HAA 생성능이 3∼25배 정도 상승하였다. 이는 추가적인 처리를 통해 잔존하는 친수성 물질들을 제거 및 HAA 생성능 제어가 필요하다는 것을 의미한다.
그렇기에 8종의 모델물질을 선정하여 몇몇 단위 공정들에서의 이들에 대한 거동 평가와 함께 8종의 모델물질들을 제거하는 구동력에 대해 간단히 평가해 본 것을 Table 3에 나타내었다. 응집과 이온교환 공정은 정전기적 (electrostatic)인 힘이 주 구동력으로 작용하는 것으로 나타났으며, 활성탄 흡착공정의 경우는 소수성을 강하게 띄는 물질일수록 제거율이 높았고, 다음으로 분자량 크기와 정전기적(electrostatic)인 힘이 관여한다. 생물활성탄과 같은 생물학적인 처리공정에서는 화학 적인 구조 차이가 생분해율을 결정하는 가장 큰 인자 이며, 다음으로 분자량 크기와 소수도(hydrophobicity) 의 차이에서 비롯된다.

후속연구

일반적으로 고도 정수처리공정으로 알려진 오존과 생물활성탄(biological activated carbon) 공정은 염소 소독부산물 전구물질 들의 제거에 효과적인 것으로 알려져 있다(Noh 등, 2002; Son 등, 2009). 하지만 몇몇 모델물질들을 이용한 실험결과에서 볼 수 있듯이 HAA 생성능을 오히려 증가시키는 것으로 나타나고 있어 여기에 대한 보다 심층적인 연구와 검토가 필요한 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	염소 소독부산물 생성에 영향을 미치는 인자는 무엇인가?	염소 소독부산물 생성에 영향을 미치는 인자로는 수중에 존재하는 NOM의 종류 및 특성, Br - 농도, pH, 반응시간, 온도 및 염소 농도 등이다(Krasner, 1999). 수중의 NOM은 다양한 유기화합물의 혼합체로 존재하며, 크기, 화학적 조성과 구조 및 관능기들과 특성들은 NOM의 유래와 오래된 정도에 따라 많은 차이를 나타낸다(Chin 등, 1994).
	DBPs 생성능이 소수성 유기물질과 친수성 유기물질 중 어느 물질에서 높은지 의견이 상반되는 이유는?	Hwang 등의 연구결과(2002)에서는 소수성 유기물 질들에 비해 친수성 유기물질들에서 높은 DBPs 생성 능을 보고하고 있으나, Liang과 Singer의 연구결과 (2003)에서는 친수성 유기물질들에 비해 소수성 유기 물질들에서 DBPs 생성능이 높은 것으로 보고하고 있다. 이처럼 보고된 연구결과들이 상반되는 이유는 개개별 시료수 중에 함유된 NOM의 조성이 너무 복잡하며, 각각의 NOM들이 서로 혼합되어 존재하기 때문에 정수공정에서의 각각의 NOM 제거특성 또는 각각의 NOM의 특성에 따른 DBPs 생성 특성들을 파악하기란 매우 어렵다. 따라서 최근에는 수중에 존재하는 다양한 NOM과 유사한 특성을 지닌 여러 모델물질들을 이용하여 정수공정에서의 각각의 NOM 제거특성 또는 각각의 NOM의 특성에 따른 DBPs 생성 특성들에 대해 조사․연구하는 방법들이 제시되고 있다(Kim과 Reckhow, 2008; Reckhow 등, 2004).
	일반적으로 NOM에서 가장 높은 생성농도를 나타내는 DBPs 종들은?	일반적으로 소독제로는 생산단가 및 취급의 용이성 등을 고려하려 염소를 많이 사용하지만 염소는 수중의 천연유기물질(natural organic matter, NOM) 과 반응하여 다양한 소독부산물들(disinfection by-products, DBPs)을 생성시킨다. 일반적으로 NOM에서 가장 높은 생성농도를 나타내는 DBPs 종들로는 trihalomethanes (THMs)과 haloacetic acids (HAAs) 가 있다(Kristiana 등, 2012).

참고문헌 (9)

Chin, Yu-Ping., Aiken, George., O'Loughlin, Edward.. Molecular Weight, Polydispersity, and Spectroscopic Properties of Aquatic Humic Substances. Environmental science & technology, vol.28, no.11, 1853-1858.

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J. AWWA 87 90 1995
Environ. Sci. Technol. 33 3325 1999
Liang, L., Singer, P. C.. Factors Influencing the Formation and Relative Distribution of Haloacetic Acids and Trihalomethanes in Drinking Water. Environmental science & technology, vol.37, no.13, 2920-2928.

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Journal of Korean Society of Environmental Engineers 24 2075 2002

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Journal of Korean Society of Environmental Engineers 26 457 2004

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J. of KSWE 20 357 2004
J. Kor. Soc. Environ. Eng. 31 308 2009
Yang, X., Shang, C.. Chlorination Byproduct Formation in the Presence of Humic Acid, Model Nitrogenous Organic Compounds, Ammonia, and Bromide. Environmental science & technology, vol.38, no.19, 4995-5001.

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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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