완속여과(Slow sand filtration)

완속여과(Slow sand filtration)
 개요

여과속도는 5～10 m/일 이하를 표준으로 하며, 여과층 표면에 생기는 생물막(biofilm)을 이용하여 미생물, 유기물질 및 입자성 물질을 제거한다.

여재는 급속모래 여과보다 작은 0.3 mm의 유효경을 가진 미세한 모래를 이용한다. 따라서 대부분의 제거 가능한 유기물과 부유물질들이 표면에서 제거되며,표면에 증식된 생물막층(Schmutzdecke)에서 원수중의 유기물질이 일부 제거된다.

생물막이 과다하게 형성되어 수두손실이 커지고 생산 유량이 감소하게 되면 여과층의 상부를 1～2 cm 정도를 제거한다.
완속여과에서는 부유물질과 세균은 대부분 제거되고 색도, 철, 망간 등도 일부가 제거된다. 완속여과에서 원수 중의 암모니아성 질소는 여과지 표면에서 서식하는질산화 미생물의 산화작용으로 질산성 질소로 산화되지만 온도가 5℃ 이하로 감소하는 겨울철에는 기대하기 어렵다.

완속여과는 느린 여과속도로 인해 넓은 부지면적을 요구하고, 원수 수질의 악화에 대한 적응성이 떨어진다.

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- 여과기작
완속여과에서 미생물이나 콜로이드와 같은 미세 입자들과 일부 용존유기물이 제거되는 기작은 다음과 같이 체걸름작용, 침전, 생물학적 작용 및 산화작용 등을들 수 있다.

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-체걸름(Straining)
완속여과에서도 생물막이 성장하여 안정화되기 전에는, 급속모래여과와 마찬가지로 입자가 여재의 공극에 의하여 걸러지게 되는 체걸름 현상이 발생한다.

이는 대부분 여층의 표면에서 일어나는데, 처음에는 모래의 공극보다 큰 입자가 여재 표층에 억류되지만, 여과가 진행되면서 작은 입자들이 퇴적하게 된다.
또한, 원수 중에는 유기물질과 미생물이 포함되어 있기 때문에, 이 퇴적층에서 미생물이 성장하여 생물막을 형성하게 된다. 미생물의 성장으로 인하여 표면의

생물막은 점성을 띠는 젤라틴 형태로 변하여 점착에 의한 걸름효과가 강화된다. 이 생물막층을 "Schmutzdecke"라고 하며, 미생물이 성장함에 따라 조밀하고

두꺼워져 일정 이상의 수두손실이 전개되면 그 층을 제거하여야 한다.

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-침전(Sedimentation)
모래의 표면을 통과한 미세한 입자들은 여재층 내의 공극사이를 천천히 흐르며, 공극 내에서의 침전작용과 모래여재 표면으로의 부착현상으로 여재층 내에 억류하게 된다.

 

*생물학적 작용(Biological activity)
생물학적 작용은 완속여과 특유의 기작으로 햇빛과 산소의 공급이 원활한 표층 수 cm 이내에서 미생물이 성장하고 모래표면에 부착하여 생물막을 형성한다.

이러한 생물막은 수중의 유기물과 세균을 제거하게 되며, 질산화 미생물이 성장할 경우에는 암모니아성 질소를 질산성 질소로 산화하는 역할도 수행하게 된다.

 

*산화작용(Oxidation)
산화작용은 높은 산소농도와 낮은 여과유속에 의하여 철과 망간이 산화되어 입자성 물질로 변화하여 제거된다.

또한, 일부에서는 여재층 표면에서 성장하는 철․망간 박테리아에 의해 산화되기도 한다.

 

 

소독 (Disinfection)

 

병원성 미생물에 의해 유발되는 질병을 수인성 질환(waterborne diseases)이라 한다. 이러한 전염병은 19세기 말이 되어서야 비로소 확인되었으며, 현재는소독공정이 공중보건과 특히, 정수처리공정들 중에서 가장 중요한 부분을 차지하는 공정이다. 소독은 수중의 병원성 미생물로부터 감염력을 상실시켜 소비자를병원성 미생물에 의한 질병으로 부터 보호하는 것을 의미한다.

과거 오래 동안 수인성 전염병 발생이 발표되기는 하였으나, 이들은 비교적 흔한 질병은 아니었다.
반면, 아시아 콜레라균(Vibrio Cholera), 대장균군(Eshcerichia Coli.), 캠필로박터 제쥬니(Campylobacter Jejuni), 옐리시아 엔테로콜리티카 (YersiniaEnterocolitica), 레지오넬라 뉴모필라(Leginella Pneumophilla), 지아디아 람블리아(Giardia Lamblia), 크립토스포리디움(Crytosporidium) 및 소장 내에 존재

하는 바이러스(Virus) 등은 과거 수년 동안 가장 많은 관심의 중심에 있었던 병원성 미생물들이다.
이러한 병원성 미생물을 불활성화 하기 위한 일반적인 의미에서의 소독은 가열처리, 태양광에 의한 소독, 약품소독 등이 포함되지만 정수처리공정의 소독공정에국한할 경우, 사용되는 대표적인 소독방법으로는 염소(chlorine), 이산화염소(chlorine dioxide), 오존(ozone), 클로라민(chlorimine), 자외선(UV) 등이 있다.

이들 중 현재 먹는물을 소독하는데 가장 널리 사용되는 소독제는 염소이다.

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염소를 주입할 경우 살균 이외의 철·망간의 산화, 이·취미 제어 등의 효과를 볼 수 있으나, 표준정수처리공정에서 상대적으로 제거정도가 낮은 페놀과 결합하여불쾌한 악취를 발생시킬 수도 있고, 착색성분과 같은 유기물과 반응하여 트리할로메탄(THMs), 할로초산(HAAs)등과 같은 소독부산물(disinfection byproducts,DBPs)을 생성하는 등의 2차적인 유해성이 수반될 수 있다는 문제점이 있다.
이산화염소는 아염소산나트륨(NaClO2)과 염소가스(Cl2)를 접촉시켜 발생시키는 가스로 박테리아나 바이러스에 대한 살균력이 우수하고 THMs와 같은 소독부산물이 발생하지 않는 장점 때문에 많이 사용되어져 왔다.

그러나 이산화염소를 액화하여 사용할 경우, 폭발의 위험성이 매우 높고, 제조공정 중에 아염소산이온(chlorite, ClO2-)과 염소산이온(chlorate, ClO3-)이 발생하게 된다. 이들은 소독효율이 크게 떨어지고 인체에 유해한 것으로 알려져 있어 국내에서는 이산화염소의 사용량이 지속적으로 감소하였다.
클로라민은 암모니아성 질소와 염소가스를 접촉시켜 생성되는 결합잔류염소이며, 결합된 염소이온의 수에 따라 monochloramine(NH2Cl),dichloramine(NHCl2),nitrogen trichloride(NCl3)로 구분된다.

이들은 잔류성이 뛰어나 급․배수 관망에서 요구되는 2차 소독제로 주로 사용되지만, 염소나 이산화염소에 비해 살균력은 떨어지는 문제점이 있다.

이 밖에도 최근 들어, 크립토스포리디움이나 지아디아와 같은 원생동물에 의한 오염사례가 보고되면서 오존과 자외선과 같은 강력한 산화력을 가진 소독제가 사용되기도 한다.

자외선은 맛과 냄새를 유발하는 물질이 생성되지 않고, 염소계 소독제에 내성이 강한 미생물에 매우 효과적이며 소독부산물(DBPs)이 발생하지 않는다.

그러나 현장에서 발생시켜야 하며, 잔류성이 없어 후속되는 소독공정을 요구한다는 문제점이 있다. 또한, 투여량을 결정하기가 어려울 뿐만 아니라 유지 관리상의어려움이 있다. 오존은 수산기(OH)로부터 발생되는 자유 라디칼(radical)에 의한 강한 산화력을 이용한 소독제로, 염소 소독보다 살균력이 강한 장점이 있다.

그러나 오존의 잔류성은 그리 길지 않으며, 원수 중에 브롬이온 등이 존재할 경우, 브로메이트(bromate, BrO3-)와 같은 소독부산물을 생성하는 문제점이 있다.
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참고
o 미생물의 불활성화 기작(Inactivation mechanism)
염소는 세포막은 물론 DNA에 영향을 끼칠 만큼 치명적인 영향을 주는 산화제이다. 염소는 박테리아의 세포호흡, 이동(transport), 그리고 DNA의 활동에 불리하게작용을 하는 것으로 알려져 있다. 또한, Escherichia Coli, Candida Parapsilosis, Mycobacterium Fortuitum 등 박테리아에게는 산소이용을 직접적으로 감소

시키고, 특히 염소가 세포막에 손상을 주어 세포막으로부터 세포액을 누출 시킨다.

결국 병원성 미생물들의 DNA 합성정도를 낮추는 역할을 수행하는 것으로 알려져 있다. 또한, 염소가 이들 박테리아를 불활성화하는 속도가 매우 빠르기 때문에번식(또는 복제)은 일어나기 어렵다고 보았다. 따라서 염소에 불활성의 주요한 기작은 세포조직등의 변화와 손상(Lesion) 등이 지배적으로 작용한다.
오존과 자외선은 우선적으로 미생물의 세포벽을 손상시켜, 세포의 선택적인 투수성을 방해하게 된다. 따라서 세포 내의 원형질의 특성 변화를 초래하여 용해되거나, 단백질 등을 응고시킴으로서, 미생물을 사멸시키는 것으로 알려져 있다.

또한, 세포 내의 유전정보 물질인 DNA나 RNA에 손상을 입힘으로서, 효소를 불활성화 시키고 세포의 복제능력을 불가능하게 하여 미생물을 살균하는 것으로 알려져 있다.

 

​출처 : 2004년 환경부 "고도정수처리 정책방향에 관한연구" 발췌

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