생물활성탄(Biological Activated Carbon, BAC),분말활성탄(Powdered Activated Carbon, PAC)

생물활성탄(Biological Activated Carbon, BAC),분말활성탄(Powdered Activated Carbon, PAC)

활성탄 공정

고도정수처리공정에 이용되는 활성탄은 그 입자의 크기에 따라 분말활성탄(Powdered Activated Carbon, PAC)과 입상활성탄(Granular Activated Carbon)으로구분되며, 공정의 처리방식에 따라 상기의 두 가지와 함께 생물활성탄(Biological Activated Carbon,BAC)공정으로 분류할 수 있다.

생물활성탄 공정은 입상활성탄의 표면에서 성장하는 생물막을 이용하여 생분해성 유기화합물을 제거효율을 증가시키기 위한 것이다.

다음의 표는 입상활성탄과 분말활성탄의 물리적 특성을 비교한 것이다.

 

 

- 입상활성탄(Granular Activated Carbon, GAC)
일반적인 표준정수처리기술에는 주로 입자성 물질과 병원성 세균과 같은 미생물의 제거가 주목적이기 때문에, 냄새를 유발하거나 유기물질이 존재하는 원수를처리하는 데는 취약한 면을 가지고 있다. 따라서 이러한 물질을 제거할 수 있는 흡착공정은 고도처리공정에서 중요한 부분을 차지하고 있다.

입상활성탄을 이용한 흡착공정은 일반적으로 컬럼(Column)이나 모래여과지와 같은 여과지에 활성탄을 충전하여 사용한다.

입상활성탄 공정은 냄새 유발물질, 발암성 물질, 독성물질뿐만 아니라 수중에 존재하는 천연착색물질과 염소와 반응하여 소독부산물을 생성하는 자연유기물질(NOM) 등을 흡착 제거하는데 사용된다.
특히, 자연유기물질은 상당히 복잡한 화학적인 구조를 가지고 있다. 지금까지 알려진 바로는 휴믹산, 펄빅산, 친수성산과 탄화수소 등과 같은 물질로 구성된 복합체라는 정도이다. 입상활성탄은 이러한 유기물질을 흡착하는 능력이 매우 뛰어나며, 재생공정을 통하여 다시 사용할 수 있는 장점이 있다.

또한, 염소소독 과정에서에 THM이나 HAA(Holoacetic acid)와 같은 소독부산물의 농도가 기준을 초과하는 경우에도 입상활성탄 흡착공정을 도입한다.
입상활성탄 흡착지속시간은 유입원수 중 오염물질의 종류와 농도, 여과수량, 활성탄의 깊이에 따라 조금씩 다르지만 약 45～60일 사이에 파과(Breakthrough)가일어난다.

 

- 생물활성탄(Biological Activated Carbon, BAC)
입상활성탄(GAC) 내에서의 생물학적 활동도는 어느 정도 긍정적인 작용을 한다. 페놀, 이취․미 발생물질인 2-MIB와 geosmine, p-nitrophenol, salicylic acid,ammonia, trichlorobenzene bromate등과 같은 물질들은 흡착보다는 생물학적 산화에 의해 더 잘 제거될 수가 있기 때문이다.

따라서 입상활성탄은 미생물의 부착과 성장에 의한 대사활동을 가능하게 하는 담체(media) 역할을 수행할 수 있으며, 이를 이용한 고도처리공정이 생물활성탄(BAC) 공정이다. 입상활성탄이 갖는 넓은 비표면적은 바이오메스(Biomass)의 서식에 좋은 환경을 제공하는데, 주로 활성탄 표층의 호기성 조건에서 미량 유기물질의 산화와 내부에서 증식하는 혐기성 미생물에 의한 분해 작용이 생물활성탄의 주된 오염물질 제거 기작이 된다.
일반적으로 박테리아의 크기는 1～20 ㎛ 정도로 macro-pore에 부착되어 대사활동을 영위하게 되며, micro-pore에는 접근하지 못한다.

따라서 macro-pore가 박테리아의 주된 서식공간을 제공하고 여기에서 유기물과 영양염류의 생화학적 산화 및 분해가 활발하게 일어난다.

미생물의 분해활동에 의해 피흡착제에 의해 점유된 활성탄의 흡착 장소가 다시 흡착에 사용되게 되는데 이들 현상은 생물학적 재생(Bio-regeneration)이라 한다.
생물활성탄 공정의 경우는 원수 수질에 따라 다소 차이가 있지만 일반적으로 3년 이상 재생 없이 연속적으로 운전할 수 있어 재생 비용을 절감시킬 수 있다.

또한, 오존처리를 생물활성탄공정의 전처리공정으로 이용할 경우, 난분해성 유기물질이 생물학적으로 분해가 쉬운 상태로 변환되므로 생물활성탄의 처리효율을증대시킬 수 있다. 반면에, 생물활성탄에서 과도한 미생물의 성장에 따른 부정적인 영향이 있을 수 있는데, 혐기성 상태로 운전된다면 혐기성 분해에 의한 냄새가발생될 수 있다. 따라서 원수의 성상과 용존산소에 따라서 미생물의 성장을 조절할 필요가 있다.

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- 분말활성탄(Powdered Activated Carbon, PAC)
분말활성탄 공정은 일반적으로 수질사고나 이취․미가 발생하였을 경우에 응급적인 처리방법으로 주로 사용되는 것이 일반적이다.

표준정수처리공정에서 미량의 용존성 유기물을 제거할 목적으로 착수정 또는 응집/침전 공정의 전단계에서 건식 또는 슬러리(slurry) 형태로 투입하여 침전지에서침전, 제거된다. 제거하고자 하는 오염원의 종류에 따라 분말활성탄의 주입량은 달라지며, geosmin, 2-MIB와 같은 이취․미 물질을 제거하고자 할 때는 접촉시간이 가장 중요한 인자로서 작용한다.

보통 이취․미 물질을 제거하고자 할 때에는 일반적으로 10～30 mg/L 범위에서 주입하지만, THM과 같은 소독부산물의 전구물질을 제거하고자 할 때에는 30～100mg/L 까지 주입량을 증가시킨다. 분말활성탄은 20～30분 이상을 접촉시켜야 충분한 이취․미 제거효과를 기대할 수 있으며, 염소를 제거할 목적일 때는 10분정도가 유효한 것으로 알려져 있다.
입상활성탄(GAC)과 함께 THM 전구물질을 포함한 이취․미 제거에 효과가 탁월하지만, 입상활성탄 공정과는 달리 분말활성탄은 파괴되어 흡착기능이 저하된 활성탄을 재생할 수 없기 때문에 대량으로 투입되어야 한다는 단점이 있다.

또한, 분말활성탄이 과량 주입되었을 경우, 처리수의 흑수현상과 활성탄 입자의 유출이라는 문제를 발생시킬 수도 있다.
다음의 표는 입상활성탄, 생물활성탄 및 분말활성탄공정의 운전 특성 및 장․단점을 비교한 것이다.

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출처 : 2004년 환경부 "고도정수처리 정책방향에 관한연구" 발췌