활성탄의 종류 및 특징 및 입상활성탄등

활성탄의 종류 및 특징 및 입상활성탄등 

기타, 입상활성탄등 

​통상의 정수처리로 먹는물 수질기준을 만족할 수 없을 경우 일반적인 정수처리에 추가하여 오존처리, 입상활성탄 처리, 생물 활성탄 처리, 고도산화처리(AOP)

등을 추가하여 합성 미량유기화합물을 제거하게 되는데, 중요한 점은 원수 수질의 특성을 정확히 파악하여 처리수의 목표수질을 대상으로 비교･평가한 다음 모형

실험을 거쳐 새로운 공정을 추가하여 설계 및 시공하게 된다. 그러므로 기존 정수처리공정 이외에 2차적으로 모래여과나 활성탄 흡착공정을 새로이 도입할 경우

병원성미생물에 대한 제거능을 추가적으로 확보하여 안전한 물을 생산할 수 있다.

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가. 일반 현황
입상활성탄은 다공질 구조의 탄소재료(직경 2∼50 nm)로 그 흡착능은 공극률, 비표면적, 세공용적, 세공분포 등에 따라 다르고, 흡착원리는 고체의 표면장력(면적

당 에너지)에 영향을 받는다. 입상활성탄 흡착설비는 흡착탑 또는 흡착지에 입상활성탄을 고정층이나 유동층으로 충전하고 여기에 처리할 물을 통과시켜 처리대상

물질인 오염물질을 흡착하여 제거하는데 흡착탑 내부의 미생물의 활동여부를 기준으로 입상활성탄(GAC)방식과 생물활성탄(BAC)흡착방식으로 나눌 수 있다.​

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입상활성탄 처리방법은 활성탄 내부세공(pore)에 오염물질이 이동하여 흡착, 축적됨으로써 오염물질을 제거하는 공정으로 처리대상물질의 농도가 파과되어 초기

농도에 가까운 농도를 보일 때에는 활성탄접촉조의 운전을 멈추고 곧바로 활성탄의 교체를 수행하여야 한다.

이러한 흡착지를 사용함에 따라 손실수두가 증대되고 미생물의 과다한 번식이 발생할 수 있으므로 정기적으로 7～10일에 1회 정도의 역세척이 필요하다.

입상활성탄의 맛･냄새제거 기작은 다음과 같다.
ⓐ 경쟁적 흡착(Competitive adsorption) : Geosmin, 2-MIB는 분자량이 매우 작은 물질로써 분자량 500이하의 저분자 자연유기물(NOM)과 흡착과정에서 직접

    적인 경쟁관계에 있으므로 원수유기 물의 특성을 파악할 필요가 있다.
ⓑ 세공막힘현상(Pore blockage) : 저분자 유기물 중에서도 분자량 600정도의 유기물들은 활성탄내 세공통로(Transitional-pore)를 막히게 하는 세공막힘을

    일으켜 처리효율과 관련이 있다.
ⓒ 탈착(Desorption) : 활성탄 세공내의 흡착과 탈착이 반복되어 활성탄 내부의 흡착 농도가 주위농도보다 매우 높아지는 경우 탈착될 수 있다.

    즉 유입수의 Geosmin, 2-MIB이 낮아졌는데도 입상활성탄 유출수의 Geosmin, 2-MIB이 일정기간 검출되는 경우도 있을 수 있다.
ⓓ 미생물에 의한 분해(Biodegradation) : 2-MIB와 Geosmin은 Alicyclic alcohols, Ketones류로 생물분해 가능한 물질이다.

    특히 한강원수는 입상활성탄의 미생물활성도가 높은 하절기에 Geosmin이 유입되므로 높은 처리효율을 기대할 수 있고 반대로 2-MIB의 경우 겨울철(입상

    활성탄의 미생물 활성도가 낮은 시기)부터 발생되므로 제거하기가 어렵다.

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활성탄 흡착능력은 활성탄의 종류와 피흡착 물질, 수온, pH 및 공존물질에 따라 다르고, 운전시간이 지남에 따라 흡착능은 점차 감소하여 포화상태에 도달되어

처리 목표달성이 어려워지는 시점에서 재생하거나 교체하여야 한다.

오존처리를 병행할 경우에도 생분해성 증가와 전체적인 오염물질제거율은 제한적이므로 원수수질, 통수조건, 제거대상물질의 농도, 처리효율 등을 종합적으로

판단하여 설계･시공한다.
특히 입상활성탄 흡착설비의 처리공정 배열은 원수수질, 처리목표수질 및 농도, 경제성 등 다양한 현장조건에 따라 다를 수 있으므로 적정한 처리공정의 배열을

선정하여 적용할 수 있다.​

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활성탄 흡착지 운전을 정지하였다가 재개할 때에 갑작스러운 수량의 유입은 유동층 계면을 교란하고 활성탄이 유출되는 위험이 있으므로 서서히 수량부하를  증가

시키는 것이 필요하고, 활성탄흡착지를 새로이 사용개시 하거나 재생탄을 다시 충전하여 사용개시 할 때에도 충분히 세척하여 분탄의 누출을 예방하여야  한다.

특히 신탄은 pH값이 높은 경우가 많으므로 활성탄 양의 100～300배 정도의 물로 세척해주거나, 이미 pH값을 중성상태로 세척해 놓은 활성탄을 구입하는 것도

좋다. 입상활성탄의 처리효율에 대한 설계값은 접촉시간 또는 공간속도, 선속도, 탄층 두께, 입경 등 상호관계로부터 결정되며, 공간속도를 우선 정한 뒤 그에 따른

각 정수장의 조건에 적합한 활성탄층 깊이를 결정한다.

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① 공상접촉시간(empty bed contact time, EBCT)
    입상활성탄의 충전량(m^3)을 처리수량(m^3/h)으로 나눈 값으로 공상접촉시간이 결정되면 탄층의 두께와 선속도의 관계가 결정되며 선속도를 크게 하려면

    입상활성탄의 층고를 두껍게 해야 하고, 공상접촉시간이 길수록 처리효과는 증가한다.
② 공간속도(Space velocity)
    입상활성탄층을 통과하는 1시간당 처리수량을 입상활성탄의 용적으로 나눈 값으로 공상접촉시간의 역수이다.

    즉 1시간에 통과하는 수량이 입상활성탄 용적(m^3)의 몇 배가 되느냐를 나타낸 통과수량(m^3/m^3･h)이다
③ 선속도(Linear velocity)
    처리수량을 흡착지의 면적으로 나눈 값으로 여과속도에 해당된다. 중력식 고정상인 경우에는 10~15m/h, 가압식인 경우 15~20 m/h, 유동상인 경우 10~15 m

     /h 정도이다. 입상활성탄 흡착공정의 앞 단계에서 염소처리를 실시한 경우에도 활성탄 지내에서 미생물이 번식하며 이를 먹이로 하여 미소동물이 증식하는

     경우가 있으므로 이러한 경우의 세척빈도는 손실수두에만 따라 세척하지 말고 미소동물의 생명주기(Life cycle) 등을 모두 고려하여 정하고, 이때 정수로 세척

     하더라도 단기간이기 때문에 생물활성탄의 처리효과에는 거의 영향을 주지 않는다.

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​나. 운영･유지관리
활성탄 흡착지 운전은 일반적인 모래 여과지의 운전과 유사하므로 이를 참조할 수 있으며, 다만 역세척시 여상팽창은 최소한으로 억제해야 하며, 활성탄의 비중이

작으므로 역세척수의 공급율도 낮추어야 한다. 흡착지 유출수는 주기적으로 검사하여 활성탄으로 흡착하고자 하는 오염물질의 누출여부를 확인하여야 하며, 냄새

물질, 트리할로메탄, 소독부산물, 음이온 계면활성제 등이 흡착대상물질로 인식되고 있다.
역세척속도는 사용하는 입상활성탄의 종류에 따라 다르며 동일 역세척속도에서 탄층팽창률은 수온의 영향을 받는데 일반적으로 탄층팽창률이 20~40 %(평균 25

%)정도가 되도록 역세척한다. 실 예로, 야자계 활성탄에서는 수온 20 ℃, 팽창률 40 %일 때의 역세척유속은 약 0.48 m3/m2･분으로 되며, 일반적으로 입경이 동일

한 경우에 모래여과지보다 느리다. 입상활성탄은 비교적 가벼우므로 역세척시 과도한 팽창이나 유실이 발생할 우려가 많으므로 역세척 수량의 공급에 주의하고

역세척시 과도한 교란은 오히려 효율저하의 원인이 된다.

물에 의한 역세척을 보조하는 공기세척은 입상활성탄 입자의 유실과 마모 및 잔류 기포에 의한 편류와 같은 문제가 있지만, 입상활성탄 입자 상호간의 전단력이

크기 때문에 물에 의한 역세척만으로는 세척이 불충분할 경우에 공기세척을 병용하는 방식이 더 효과적이다.
장래 수질기준이 엄격해질 것을 예상하여 보통의 여과층을 활성탄(GAC)여재로 교체하는 계획을 수립할 경우 가장 짧은 공탑접촉시간(EBCT) 10분인 활성탄

여과에 필요한 접촉시간을 확보하기 위하여 보통의 여과지를 신설 할 경우에도 활성탄여과에 대응할 수 있도록 깊게 하는게 좋은데, 240 m/d 여과속도에서 10분

의 공탑접촉시간을 확보하기 위해서는 최소한 1.7 m 여층두께가 필요하다.
이중여재 여과지에서 안트라사이트 여재를 GAC 여재로 바꾸면 여과지 구조물이나 여재 설계, 그리고 역세척 기법이 매우 중요해지는데 안트라사이트의 밀도가

GAC의 밀도 보다 더 크기 때문에 여재 크기가 비슷할 때 GAC의 역세척 속도가 더 낮다. 그러나 GAC 아래에 모래층이 존재할 경우에는 상승속도가 모래와 GAC가

유동화세척이 될 수 있도록 비중이나 균등계수 적정해야 한다.

이중여재 및 다중여재 여상에서는 떨어진 고형물을 여과지에서 제거하고 여재층을 재성층화하기 위해 유동화 헹굼(rinse)이 반드시 필요하나 단일여재의 경우

유동화를 위해 필요한 세척수 상승속도는 여재의 직경이 증가함에 따라 증가한다.
Kawamura, Najm, and Gramith(1997)는 역세척수 트라프의 측면벽에 단순한 도류벽을 설치함으로써 GAC 여재손실을 70 % 까지 줄일 수 있었다고 보고했다.
입상활성탄을 일정기간 사용하여 흡착력이 없어지면 재생을 하는데 재생효과는 신탄에 비하여 83∼97%의 흡착능 회복률을 보이고, 기존의 흡착시설에 추가하기

쉬울 뿐 아니라 경제성에서도 신탄가격의 10∼20 % 정도의 비용이 소요되는 등 여러가지 장점을 가지고 있다.​

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​출처 : 환경부 정수처리기준 해설서(2013) 내용 발췌