스마트계측기[blog]

THM 전구물질 및 소독부산물, 색도, 암모니아성 질소, 음이온 계면활성제

 THM 전구물질 및 소독부산물

​1974년 Rook와 Bellar에 의해 THM(Triholomethane)은 음용수에서 확인되고 이들은 염소소독과 연관성이 깊다고 발표되었는데, 수돗물중에 발생하는 THM은자연에 존재하는 유기착색성분인 휴민질(Humin)이나 그것과 유사한 유기물인 전구물질(Precursor)과 전염소처리나 소독을 위해 투입하는 염소와의 반응으로생성된다.
THM의 4가지 화합물(Cholorform, Bromodichloromethane, dibromochloromethane, Bromoform) 중에서 클로로포름(CHCl3)이 일반적으로 가장 큰 비중을차지하고, 이들 화합물을 합하여 총트리할로메탄(Total Trihalomethane, TTHM)이라고 정의하며 발암성 물질인 것으로 확인되었다.
완속여과방식에서는 미생물군에 의해 형성된 생물여과막에 의해 일부 유기화합물을 산화 또는 분해하나, 휴민질 등의 안정한 천연색도성분에 대해서는 그다지효과가 높지 않기 때문에 THM 전구물질의 제거도 그다지 효과적이지 않다.

또한 원수 수질오염이 심화되면 급속여과방식을 적용한 표준정수처리공정에서는 전염소처리 등을 적용하기는 하지만 THM 전구물질의 억제효과의 폭이 그다지크지 않다. 이러한 경우에는 활성탄 처리나 오존처리 방법이 효과적인 것으로 알려져 있다.

색도

원수 중의 황색 성분은 부식질에 기인하는 것이 많으나, 철, 망간에 기인하는 것과 산업폐수의 혼입에 기인하기도 한다.

부식질로부터 유래하는 색도는 휴민산(Humic acid), 펄빅산(Fulvic acid)으로 구분되지만, 일반적으로 휴민산은 강산에서 불용성이고 분자량이 크므로 pH를낮게 하여 응집/침전하면 제거가 쉽게 된다. 반면, 펄빅산에 기인한 색도는 휴민산보다 분자량이 훨씬 적고 산과 염기에 대해 용해성이므로 표준정수처리공정으로처리하기 어려우므로 활성탄처리 또는 오존처리가 효과적인 것으로 알려져 있다.

암모니아성 질소

단백질 등의 질소를 포함한 유기물을 생물이 이용, 분해하여 배출되는 화합물의 대표적인 것이 암모니아성 질소이다.

일반적으로 원수에 함유된 농도에서는 건강상의 영향을 미치지 않으나, 저수지 등에서 부영양화가 진행될 경우 조류와 같은 미생물 번식의 원인이 된다.

​수온이 낮은 겨울철에 암모니아성 질소를 산화하는 질산화 미생물의 활성도가 크게 감소하기 때문에, 일반적으로 암모니아성 질소의 농도가 높게 나타난다.
정수처리에 있어서는 유기물, 철, 망간 등의 산화와 함께 암모니아성 질소처리를 목적으로 전염소처리가 행하여져 왔으나, 휴민산류 등의 용해성 유기물질과염소가 반응하여 THM 생성에 큰 영향을 미친다.

암모니아성 질소농도가 낮은 경우에는, 완속여과공정과 같은 호기성 미생물에 의한 산화법이 신뢰성이 높다.

반면, 일정농도 이상에서는 생물처리가 효과적이지만 겨울철 수온이 낮을 때는 효과가 감소하여 적용에 어려움이 있다.

음이온 계면활성제

음이온 계면활성제는 가정하수, 산업폐수 등의 혼입에 의해 유래되며, 일반적으로 수도 원수에서는 주로 발포에 의한 장애를 일으킨다.
경성합성세제(Alkylbenzene sulfonate, ABS)는 일시 사용되었으나, 생물 분해성이 나쁘기 때문에 생물분해성이 좋은 연성합성세제(Linear Alkyl benzenesulfonate, LAS)로 바뀌어 사용되고 있다.  그러나 도시에서 인구증가와 합성세제 사용량의 증가로 유입 부하가 높아져 LAS가 분해되지 않고 잔류하게 되며, 특히 생물 분해속도가 낮은 겨울에 고농도로 유입되어 문제를 일으키고 있다.

고도정수처리공정

​먹는물의 목표수질 달성을 위해 표준정수처리기술로는 불가능한 여러 가지 오염물질들을 처리하기 위한 대표적인 고도정수처리공정으로는 오존처리, 활성탄처리, 막분리, 생물학적 전처리 등을 들 수 있으며, 이 밖에도 해수담수화, 전기투석법 등이 있다.

이러한 고도정수처리 공정들은 표준정수처리공정에 단독적으로 추가되거나 그 효과를 향상시키기 위하여 조합된 형태로 구성될 수 있다.

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오존처리 공정

19세기말 오존 살균력이 발견된 후, 독일에서 정수장에 파일럿(pilot) 플랜트를 설치하여 박테리아에 대한 살균효과를 검증한 바 있으며, 따라서 초기에는 살균제로서 도입되었다. 부수적으로 맛, 냄새 물질, 색도, 철 및 망간 등의 제거도 가능한 것으로 밝혀지면서 그 사용범위가 확대되어 왔다.

1970년대 THM이 발견된 이후부터, 오존 공정은 최근까지 상수원수의 오염심화와 오염물질의 다양화 추세, 먹는물 수질기준의 강화, 염소처리에 의한 소독부산물(DBPs) 발생 등의 복합적인 수질문제에 대응하여 조류제어 및 소독부산물을 제어할 목적으로 고도정수처리에 도입되고 있다.

크립토스포리디움에 의한 수질사고 이후, 소독제로서 오존에 대한 관심이 증가하였으며, 더욱이 오존은 살균효과가 우수하고 염소 소독과는 달리 THMs 등의 화합물을 생성시키지 않는 장점이 있다. 게다가, 강력한 산화력에 의해 페놀, ABS 등의 난분해성 유기물질의 분해․제거가 가능하고 THM 전구물질이나, 맛․냄새 등의

제거에도 매우 효과적이다. 또한, 유기물질의 성상을 변화시킨 후, 활성탄에 흡착시켜 제거하는 전처리 방법으로도 활용할 수 있어 소독부산물의 제어를 위한 생물활성탄(BAC)에 대한 전처리시설로서 적용되고 있다.

따라서 프랑스를 비롯한 유럽지역은 물론 미국을 포함한 북미지역에 오존처리공정이 급속도로 확산되었다.
반면, 오존처리 기술이 정수처리기술 분야에서는 조금 낯선 실정이고, 도입에 따른 과도한 소요비용, 현장생산에 따른 기술적인 문제점들이 있다.

또한, 오존의 강한 산화력에 의한 브로메이트(bromate, BrO3-), 클로레이트(chlorate, ClO3-), 알데하이드(aldehydes)와 같은 소독부산물들이 생성될 수 있으며, 이들에 대한 위해성 검증과 대책이 과제로 남아 있다.

출처 : 2004년 환경부 "고도정수처리 정책방향에 관한연구" 발췌

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오존처리 공정

19세기말 오존 살균력이 발견된 후, 독일에서 정수장에 파일럿(pilot) 플랜트를 설치하여 박테리아에 대한 살균효과를 검증한 바 있으며, 따라서 초기에는 살균제로서 도입되었다. 부수적으로 맛, 냄새 물질, 색도, 철 및 망간 등의 제거도 가능한 것으로 밝혀지면서 그 사용범위가 확대되어 왔다.

1970년대 THM이 발견된 이후부터, 오존 공정은 최근까지 상수원수의 오염심화와 오염물질의 다양화 추세, 먹는물 수질기준의 강화, 염소처리에 의한 소독부산물(DBPs) 발생 등의 복합적인 수질문제에 대응하여 조류제어 및 소독부산물을 제어할 목적으로 고도정수처리에 도입되고 있다.

크립토스포리디움에 의한 수질사고 이후, 소독제로서 오존에 대한 관심이 증가하였으며, 더욱이 오존은 살균효과가 우수하고 염소 소독과는 달리 THMs 등의 화합물을 생성시키지 않는 장점이 있다. 게다가, 강력한 산화력에 의해 페놀, ABS 등의 난분해성 유기물질의 분해․제거가 가능하고 THM 전구물질이나, 맛․냄새 등의

제거에도 매우 효과적이다. 또한, 유기물질의 성상을 변화시킨 후, 활성탄에 흡착시켜 제거하는 전처리 방법으로도 활용할 수 있어 소독부산물의 제어를 위한 생물활성탄(BAC)에 대한 전처리시설로서 적용되고 있다.

따라서 프랑스를 비롯한 유럽지역은 물론 미국을 포함한 북미지역에 오존처리공정이 급속도로 확산되었다.
반면, 오존처리 기술이 정수처리기술 분야에서는 조금 낯선 실정이고, 도입에 따른 과도한 소요비용, 현장생산에 따른 기술적인 문제점들이 있다.

또한, 오존의 강한 산화력에 의한 브로메이트(bromate, BrO3-), 클로레이트(chlorate, ClO3-), 알데하이드(aldehydes)와 같은 소독부산물들이 생성될 수 있으며, 이들에 대한 위해성 검증과 대책이 과제로 남아 있다.

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오존처리기작

오존은 수용액에서 불안정하여 비교적 단시간에 분해되며, 20℃에서 반감기가 30분 미만이다.

오존의 분해속도는 오존의 농도, 불순물의 존재여부, 압력 및 pH 등의 영향을 크게 받으며, pH가 높을수록 분해속도는 빨라진다.

오존 분해속도가 pH의 영향을 받는 것은 수산화기(OH-)에 의하여 오존이 스스로 분해할 수 있는 특성을 가지고 있기 때문이다.
오존은 수중에서 가수 분해되어 하이드로퍼옥시 라디칼(hydroperoxy radical, HO2-․)를 생성하고 다시 중간생성물인 수퍼옥사이드 라디칼(superoxide radical,O2-․)과 오존아이드 라디칼(ozonide radical, O3-․)을 거쳐 수산화기 라디칼(hydroxy radical,OH․)을 생성하게 된다.이러한 연쇄반응을 통해 생산되는 수산화기 라디칼(OH․)에 의해 강력한 산화반응이 진행되며 그 과정은 간단히 다음과 같다.

              O3 + H2O → HO3+ + OH-
              HO3+ + OH- → 2HO2․
              HO2․ + O3 → OH․ + 2O2
              HO․ + O3 → HO2․ + O2

오존은 염소보다 강력한 산화력을 가지고 있어 소독을 목적으로 사용할 경우에는, 라디칼이나 과산화물에 의한 세포조직 내의 생화학적 반응효소에 독성을 주고염색체에 이상을 초래하며 세포막을 파괴시킴으로써 살균효과가 있는 것으로 알려져 있다. 다음은 오존에 의한 살균력을 염소소독과 상대적으로 비교한 결과이다.

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한편, 오존과 유기물의 반응기작은 간단히 오존과 유기물이 결합하여 오존화합물을 형성시킨 후, 알데히드(Aldehyde)와 단순 유기물류로 분해하는 것으로 설명된다. 오존은 전자친화력이 매우 크기 때문에 다양한 종류의 유기물과 유기금속 관능기의 불포화 지방족 및 방향족 화합물에 작용하여 저분자 물질로 변화시킨다.

오존은 백금과 은을 제외한 모든 금속, 미생물 및 유기물질 등을 산화시킬 수 있는 능력이 있으며, 오존이 유기물과 반응할 때는 결합력이 약한 곳을 공격하게 되는데 주로 불포화 이중결합, 방향족 고리, 금속이온 등을 분리하여 제거하게 된다.
반면, 오존은 강한 산화력에도 불구하고 맛․냄새 유발물질인 geosmine, 2-MIB와 THMFP과 같은 포화탄화수소, 농약 등의 대다수 유기물질과 반응이 느리거나어떤 유기물과는 전혀 반응하지 않는 경우도 있다.

오존처리 효과

- 살균 및 조류억제
오존은 불소 다음으로 강력한 산화제로서 염소에 비하여 몇 가지의 장점을 가지고 있다.

오존은 염소와 같이 유기물과 결합하여 THMs 등을 형성시키지 않으며 맛과 냄새의 원인이 되는 페놀 등의 유기물을 산화시킨다.

또한 산화력이 높은 관계로 병원성 미생물의 살균력이 염소보다 훨씬 효과적이다.

그러나 오존의 반감기가 약 30분 미만으로 매우 불안정한 가스이기 때문에 현장에서 생산하여야 하며, 잔류성이 없어 먹는물의 배․급수 계통에서 미생물에 의한2차 오염의 위험이 있다.

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-철․망간 제거
철은 수중에서 맛과 냄새를 유발시키고 또한 색을 띠게 된다.

급․배수 관망에서 철박테리아의 서식으로 관이 폐쇄될 수도 있고, 물이 붉게 보이는 적수현상의 원인이 되기도 한다.

망간은 쓴 맛을 내며 박테리아에 의해 관내 유량 감소의 원인물질로 알려져 있다. 보통 철, 망간은 수중에서 Fe(HCO3)2, Mn(HCO3)2 또는 착염상, 콜로이드상,규산/암모니아 등과 공존하는 형태로 존재한다. 오존은 이러한 철, 망간을 산화시키는 능력을 가지고 있다.

그러나 과잉의 오존 주입으로 생성된 MnO4-에 의해 색도 유발가능성이 있으며, 오존 주입으로 MnO4-가 발생되면 오존접촉조 후반부에 이를 다시 환원시켜색도를 제거하는 단위공정이 요구된다.

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- 시안(CN-) 제거
시안은 광산, 화학공장 및 도금공장에서 방류되는 폐수 등에 함유되어 원수를 오염시키게 되는데, 포기와 미생물 분해에 의해 제거될 수 있다.

오존에 의해서는 가수분해 되어 무해하게 된다.

​-맛, 냄새제거
잔류 오존농도가 0.5 mg/L라고 가정할 때, 대부분의 맛, 냄새물질을 산화/분해하는데 필요한 접촉시간은 10분 정도로 알려져 있다.

따라서 오존은 맛, 냄새 유발물질을 제거하는데 매우 효과적이지만, 맛, 냄새를 유발하는 물질들에 대한 오존처리의 효과는 주입농도, 대상 유기화합물의 분자구조, pH, 온도, 유기물 농도, 방해 물질 등의 다양한 원인에 영향을 받는다.

​-응집보조 역할
응집/침전 공정에서 오존 전처리를 병행하면 응집 상승효과를 얻게 되고, 이로 인해 응집효율을 증가시켜 약품주입량의 절감이라는 경제적인 이점도 함께 얻게된다. 또한, 오존은 강력한 산화력에 의하여 원수 중에 유입한 용존유기물 및 무기물의 성상을 변화시켜 미세플록(microfloc)을 생성하기 때문에 응집 및 침전의효율을 향상시킬 수 있다.

- 유기물의 생분해도 증진
유기물이 오존의 산화작용에 의하여 일부는 무기화되지만, 대부분이 저분자 형태로 변화하게 되어 생물분해성(bio-degradability)이 향상된다.따라서 후속되는 생물활성탄이나 생물막 공정의 전처리 공정으로도 활용가치가 높다.

출처 : 2004년 환경부 "고도정수처리 정책방향에 관한연구" 발췌

활성탄처리 공정

활성탄 처리는 활성탄 표면에 형성된 미세한 공극을 통하여 이루어지는 흡착현상을 이용하여 유기물을 제거하는 공정이다.

18C말 목탄의 흡착능력이 발견되고 보고됨으로써 공업적으로 적용하기 시작하였으며, 1, 2차 세계대전 이후 활성탄을 이용한 방독면을 생산하면서 그 응용분야가본격적으로 확대되기 시작하였다.
흡착은 일반적으로 액체와 고체 또는 기체와 고체 사이에서 액체나 기체 내에 존재하는 유기물질이나 휘발성물질의 분자가 어떠한 힘에 의하여 고체표면으로 이동하여 축적되는 현상이다. 여기서 고체 표면에 흡착되어 축적되는 분자를 피흡착제 또는 흡착질(adsorbate)이라 하고, 흡착시키는 고체를 흡착제(adsorbent)라고한다. 활성탄의 표면구조는 페놀성 수산기, 카르복실기, γ-락톤기, 락톤기, 카르보닐기, 무수 카르본산 등이 포함된 복잡한 구조를 이루고 있다.

이러한 기능기들과 피흡착질과의 각종 화학적 결합이 이루어져 흡착현상이 발현된다.

활성탄의 세공구조는 활성탄을 제조하는 과정 중 활성공정에 따라 달라지는데, 아래의 도표와 같이 세공의 크기로 활성탄을 구분하는 방법이 1955년 Dubinin에의하여 제시되었으나, 현재는 1972년에 국제적(IUPAC)으로 결정된 세공의 구분에 따르고 있다.

다음의 그림은 활성탄의 구조와 표면을 보여주는 것이다.

여기서, Macro-pore는 매우 큰 유효경을 가지며 이 세공은 모세관 응축현상에 의하여 세공이 막히지 않는다.

이 세공은 흡착질 분자를 외부에서 입자내로 신속하게 운송하는 역할을 하는 것으로서, 도입(Admission), 확산(Diffusion), 또는 운송공(Transport-pore)의역할을 한다. Meso-pore(Transitional-pore)는 모세관 응축현상(흡착질의 액화)이 발생하는 세공이며, micro-pore는 가장 작은 반경을 가지는 세공으로 활성탄의 총 비표면적 중 95% 이상을 차지하는 것으로 알려져 있다.

따라서 micro-pore는 흡착현상이 가장 두드러지게 발생하는 곳이며 대부분의 흡착질은 모두 이 범위에 있기 때문에 흡착용량의 결정 또한 여기서 이루어진다.

이러한 활성탄의 흡착능력은 활성탄의 종류와 흡착질에 따라 다르며, 원수의 수온, pH 또는 공존하는 물질들의 특성에 따라서도 차이가 난다.
정수처리공정에서 활성탄 흡착공정은 주로 상수 원수나 정수처리 공정에서 수중에 용존되어 있는 맛과 냄새의 원인물질을 제거할 뿐만 아니라, 미량 유기오염물및 THMs 전구물질의 제거에도 널리 이용된다.

정수처리공정에 이용되는 활성탄은 분말활성탄(Powder Activated carbon, PAC), 입상활성탄(Granular Activated Carbon,GAC) 및 섬유상 활성탄(ActivatedCarbon Fiber, ACF) 등이 있으며, 일반적으로 입상활성탄을 가장 많이 사용하고 있다.

*흡착 기작
활성탄의 표면이 소수성으로 무수한 세공을 지니고 있고 내부 표면적이 매우 커 수중의 각종 미량 오염물질이 활성탄을 통과하는 과정동안 흡착, 제거된다.

크기별로 분류한 3분계 세공계 내에서 흡착질의 흡착분배 경로는, 먼저 입자경이 큰 흡착질은 모두 macro-pore에서 걸리고 입자경이 비교적 작은 흡착질은meso-pore를 지나 micro-pore에서 흡착된다. 또한 용매는 micro-pore를 지나 활성탄의 가장 깊은 곳까지 이동된다.
이 때 흡착제와 피흡착제 사이의 상호정전기력(Electrical force)에 의해 수중의 비극성 화합물이 비극성인 흡착제에 소수성 결합(Hydrophobic bonding)을 하는물리적 과정과, 피흡착제가 흡착제의 표면에 선택적인 화학반응을 하면서 단층을 형성하는 화학적 과정을 통해 물로부터 오염물질이 분리되는 현상이다.

수중에 존재하는 오염물질이 다공성 활성탄에 흡착되어 제거되는 것은 대부분이 물리적인 흡착에 의하여 진행되는데, 이는 몇 단계를 거쳐서 일어나게 된다.

각 단계에서의 흡착질의 거동이 전체적인 흡착 속도에 영향을 미치게 된다. 각 단계에서의 특성을 살펴보면 다음과 같다.

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-용액속에서 흡착질의 이송(Bulk solution transport)
수중에 존재하는 흡착질은 물로 둘러싸여 있는 활성탄의 경계층으로 이동하게 된다. 입상활성탄 흡착지와 같이 흐름이 있는 형태 또는 급속혼화지, 완속혼화지와

같이 혼화가 일어나거나 부유성 상태로 있을 때 흡착질은 확산에 의하여 활성탄 표면으로 이송하게 된다.

이것을 액상확산계수로 표시하게 되는데 이는 흡착질의 분자량에 의존하게 되며, 분자량이 클수록 액상확산계수는 작아지게 된다.

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*전달의 외부저항(External 또는 Film resistance to transport)
두 개의 상이 접할 때 2중 경막이론(Two film theory)에 의해 경계면의 양측에서 농도구배에 의해 확산을 일으키는 추진력이 발생한다.

흡착질은 2중 경막을 분자확산에 의하여 전달되는데, 이를 일반적으로 “외부물질전달“ 또는 ”필름확산“이라고 한다.

이 단계에서 흡착질이 이송되는 거리는 입자가 함유된 유체의 유속에 의하여 결정된다. 따라서 유속이 빠를수록 2중 경막의 거리는 짧아진다.

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*내부 전달(Internal 또는 Pore transport)
2중 경막을 통과한 후에 흡착질은 흡착 가능한 장소(site)를 찾기 위하여 공극 안에서 전달되어야 한다.

내부에서의 물질전달은 공극 안에 있는 물을 통한 전달(Pore diffusion)과 흡착제의 표면을 따른 전달(Surface diffusion)이 있다.

일반적으로, 자연유기물질(NOM)과 같은 거대 분자들은 pore diffusion에 의하여 전달되고, 합성유기물질과 같이 분자량이 작은 것들은 surface diffusion에의하여 전달된다.

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* 흡착(adsorption)
흡착 가능한 장소로 이동한 흡착질은 활성탄의 표면 사이에서 흡착결합이 이루어진다. 물리적 흡착에서는 이 단계가 상당히 빠르기 때문에 앞에서 언급된 3단계

중에 하나가 용액속에 존재하는 흡착질의 실질적인 흡착, 제거를 결정하게 된다.

만약에 화학적 흡착(Chemical adsorption)일 경우에는, 흡착질과 활성탄의 화학반응에 의하여 흡착질의 성상 변화를 동반하게 되는데 이러한 경우에는 가장 느린기작이 총 제거속도를 결정하는 율속단계(ratelimiting step)로서 작용하게 된다.
한편, 유체가 고체표면에 접촉하고 있으면, 흡착에 의해 유체 내의 특정성분은 고체 표면에 모이고, 유체상 내부의 농도와 고체표면에서의 농도가 다른 상태가된다.  수중의 흡착질과 활성탄을 일정한 온도에서 장시간 접촉시키면 흡착질은 활성탄 표면에 농축되기 시작하여 더 이상 흡착이나 탈착도 일어나지 않는 평형한상태에 도달하게 된다. 이 때 수중에서의 흡착질 농도와 활성탄에 흡착된 흡착질의 농도사이에 일정한 관계가 성립되는데 이것을 흡착평형이라고 한다.

정수처리 공정에서 이러한 흡착등온관계는 주로 Freundlich식과 Langmuir식으로 표현된다.
일반적으로 단일 성분의 흡착능력은 흡착용량(평형흡착량)과 흡착 속도로서 평가할 수 있는데, 활성탄의 흡착능력은 활성탄의 종류 및 흡착물질에 따라 다르며원수의 수온, pH 또는 공존하는 물질에 따라 다르게 나타난다.

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Freundlich식은 원래 경험적인 실험식이지만 최근 불균일 표면에서의 흡착이론으로부터 얻어진 흡착열과 흡착량과의 관계에도 적용되는 것으로 알려져 있다.

   ※ q = 활성탄에 흡착된 흡착물질의 비 (g/g-AC)
       C = 활성탄 흡착후 평형농도 (g/cm^3) k, n = 상수

Langmuir식은 활성탄 표면과 흡착된 분자 사이에 작용하는 결합력이 약한 화학적 흡착에 의한 것으로 간주하고, 활성탄에 흡착되는 흡착질의 양과 가스 압력과의관계를 이론적으로 도출한 것이다.
흡착 결합력이 작용하는 것은 단분자층의 두께로 간주하고 그 이상 떨어진 곳에서는 흡착이 발생하지 않는다는 모델에 기초하여 유도된 식이다.

출처 : 2004년 환경부 "고도정수처리 정책방향에 관한연구" 발췌

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

역삼투막(Reverse Osmosis, RO),나노여과막(Nanofiltration Membrane),한외여과막(Ultrafiltration Membrane),정밀여과막(Microfiltration Membrane)

막여과 공정 

막(Membrane)은 19세기 중반에 발명된 초산셀룰로오스(Celluloid)를 시작으로 현재는 다양한 기능성 합성막을 생산하기에 이르렀다.
막분리 기술은 1950년대 이온교환막을 이용하여 해수의 탈염(desalting)에 적용된 이후, 막의 재료와 공정개발이 꾸준히 이루어져 현재는 정수처리공정은 물론광범위한 산업분야에서 응용되고 있다.
막여과 공정이란 선택적 투과성을 갖는 분리막을 선택, 이용하여 물리적으로 액상-액상, 고상-액상 및 고상-기상의 혼합물로부터 분리, 농축, 정제하여 제거하는공정을 말한다. 또한, 막여과 공정은 막소재의 물리․화학적 특성, 미세구조의 크기, 화학적 친화성, 이온성 등의 차이에 따라 유체의 상(Phase)변화를 수반하지않고 분리할 수 있는 효율적인 공정인 것이다.

막여과 공정은 사용하는 막의 종류에 따라 제거할 수 있는 오염물질의 크기나 성상의 구분이 명확하기 때문에 고도정수처리에 적용하여 목표하는 수질을 만족시킬수 있도록 선택, 적용할 수 있다.

막분리 공정에서 이러한 분리를 가능하게 하는 구동력(Driving force)은 막 양면에서의 농도차, 압력차 또는 전위차 등에 의한 것이다.
고도정수처리에 적용되는 막여과 공정은 제거되는 입자의 크기별로 역삼투(Reverse Osmosis, RO)법, 저압역삼투법 또는 나노여과(Nanofiltration, NF)법, 한외여과(Ultrafiltration, UF)법, 정밀여과(Microfiltration, MF)법 및 전기투석(Electrodialysis, ED)법 등으로 분류 할 수 있다.

이들 중 UF, NF, RO 막 등은 원수 중의 용해성 물질이 막표면 근처의 경계층에서 농축되는 농도분극현상(Concentration Polarization)을 일으키므로 용해성 물질의 농도가 막의 유속과 제거성능을 좌우한다. 막분리 공정에 의한 정수처리의 특징은 안전성이 우수하고 설치면적이 적으며, 원수의 수질조건에 구애 받지 않고막의 분리 공경(pore size)보다 큰 물질의 확실한 제거와 자동운전이 가능하다는 것이다.

무엇보다도 탁질이나 콜로이드성 입자의 제거는 물론 미량 유기화합물질 등의 수질기준 강화에 대비할 수 있다는 장점이 있다.

따라서 수돗물을 생산하는 정수장에서는 상수원의 오염물질이 다양화되고 기존의 표준정수처리공정으로는 충분한 대응성이 부족하여 막분리 공정을 이용한 정수처리의 적용성이 매우 크다.
그 밖에도 분리막은 형태에 따라 평막(Plate Type), 실 형태로 중앙이 빈 중공사막(Hollow-fiber Type) 및 관 형태의 관상막(Tubular Type)으로 분류된다.

막여과 설치방식에 따라서는 막을 케이스에 넣은 케이싱 수납형막과 막을 직접 수중에 침적시킨 침적형 막이 있다.
또한, 막여과 운전방식에 의해서는 공급수 전량을 여과하는 전량여과 방식 (Dead-end Flow)과 막면에 대하여 평형으로 물의 흐름을 만들어 입자들이 막의 표면에 퇴적하는 것을 억제하면서 여과하는 십자류 여과(Cross-flow)가 있다.

이러한 여러 가지 막의 형태 및 여과조건은 처리대상물질의 성상이나 막의 특성에 따라 다르나, 일반적으로 고도정수처리에 가장 많이 활용되는 방식은 케이싱수납형 중공사막을 이용한 전량여과/Cross-flow여과방식 이다.

막분리의 분류

-정밀여과막(Microfiltration Membrane)
정밀여과막(MF)은 현미경으로 볼 수 있는 정도의 세공(Pore)을 가진 분리막으로 체걸름 원리에 의해 입자 크기에 따라서 분리해 내는 분리막이다.

다른 분리막에 비해 높은 투과유량을 나타내며, 주로 입경 0.01 ㎛ 이상의 영역을 분리 대상으로 한다. 분리막의 분리 능력은 공경(pore size)으로 나타낸다.

정수처리시의 주된 제거 대상물질은 현탁물질, 콜로이드, 세균, 조류, 크립토스포리디움, 지아디아 등이다.
정밀여과막에서 여과 대상 물질의 형태는 입자나 균체이고 공경보다 작은 물질은 투과되기 때문에 농도분극현상은 발생되기 어려운 것으로 알려져 있다.

일반적으로 분리는 막표면에서 형성되는 케잌(Cake)에 의한 여과나 막 표면이나 막내부에서의 저지에 의한 여과로 해석할 수 있다.

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- 한외여과막(Ultrafiltration Membrane)
한외여과막(UF)은 주로 저분자와 고분자 물질을 분리하는 분리막으로 현미경으로 관찰해도 그 세공을 관찰할 수 없는 것이 정밀여과막(MF)과 다른 점이다.

한외여과막은 일반적으로 비대칭성(Asymmetric) 구조로 되어 있는데, 선택분리 기능을 가진 표면활성층(Active skin layer)과 이를 지지하는 다공성의 지지층으로 구성되어 있다. 분리 기능을 가지는 표면활성층의 세공 크기는 매우 작고 미세하므로 분리 능력을 ㎛ 단위로 표시하지 않고 분획분자량(Molecular weight ofcut-off, MWCO), 즉 분리해 낼 수 있는 분자량의 크기로 나타낸다.

UF 막은 표면의 치밀층(Skin layer)에서 분리가 이루어지고, 따라서 막표면 부근에서는 농도분극현상이 나타날 수도 있다.

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-나노여과막(Nanofiltration Membrane)
나노여과막(NF)은 1980년 초에 개발되어 다른 분리막에 비해 비교적 늦게 상용화된 막으로 주로 계면활성법에 의한 복합막이다.
역삼투막과 한외여과막의 중간적인 특성을 지니고 있고, 분리 원리는 주로 역삼투막과 같은 용액의 확산을 이용하는 것이다. 반면, 분획분자량은 RO 막과 UF 막의중간적 특성을 가지고 있다. 나노막(NF)이란 명칭은 해수의 담수화에 사용되는 RO 공정과 구분하기 위해서 명명되었다.

NF를 포함한 RO 공정은 3 가지 즉, 고압 RO(5.6～10.5 MPa, sea water desalination), 저압 RO(1.4～4.2 MPa, 부분적 desalination)와 NF(또는 Loose RO, 0.3～1.4 MPa, 부분적 desalination 또는 0～20% NaCl 배제)로 분류할 수 있다.
NF는 일부 염을 저지하며, 유기물에 대해서는 분자량이 200～500 정도의 분획분자량을 갖는다.

NF란 용어는 이러한 분자량(200～500)이 10Å의 가상 공극을 갖기 때문에 붙여진 명칭이다. 주로 2가 이온이나 저분자 물질을 분리대상으로 한다.

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-역삼투막(Reverse Osmosis, RO)
반투막에 의하여 고농도 용액과 저농도 용액이 격리되어 있을때, 저농도의 용매가 고농도 용액 쪽으로 이동하는 정삼투압 현상을 일으킨다.

이 때 고농도 용액쪽에 정삼투압보다 더 큰 압력을 작용하게 되면 삼투압 방향이 역으로 되어 고농도 용액에서 저농도 용액 쪽으로 용매가 반투막을 투과한다.

이러한 원리에 의하여 용액 중에 임의의 물질을 분리, 농축 및 분획하는 조작을 역삼투막법이라고 한다. 아래의 그림은 역삼투압의 원리를 보여주고 있다.

이러한 공정에 쓰이는 분리막을 RO라고 한다. RO의 구조는 비대칭이고, 세공은 명확하지 않다.

이온 상태의 물질까지도 분리할 수 있기 때문에 주로 해수의 담수화 공정 등에 이용된다.
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- 전기투석
수중에 특히 정수처리공정의 원수 내에 용해되어 있는 무기물들은 대부분 이온화되어 있다.

여기에 전극을 삽입하여 전류를 흐르게 하면 양이온은 음극으로 음이온은 양극으로 이동한다. 따라서 양이온 또는 음이온을 선택적으로 통과시키는 투과성 막을이용하면 이온성분과 물의 분리가 가능하다. 이러한 원리를 이용한 단위 조작인 전기투석법(Electrodialysis)은 해수로부터 소금을 생산하기 위해 비교적 오래전부터 사용되어 왔는데, 전기투석법과 역삼투법은 분리막 (membrane)을 사용한다는 점에서는 동일하다.

그러나 근본적인 차이점은 역삼투법의 경우, 구동력이 압력인 반면 전기투석법에서는 전기적인 힘이다.

따라서 역삼투공정에서는 수중의 모든 물질이 제거되는 반면 전기투석법에서는 전기적인 전하를 띤 물질, 주로 이온성분만 제거된다는 점이다.

즉 이러한 점이 전기투석법을 이용할 경우 전처리를 비교적 엄격히 하지 않아도 되는 장점이 된다.

출처 : 2004년 환경부 "고도정수처리 정책방향에 관한연구" 발췌

막분리공정의 효과, 막공정의 일반적 특성

막여과 공정 

 분리기작 

분리막의 분리기능에 있어 주된 기작은 분리․농축 및 분획이며 그 외에도 고정․흡착과 같은 기작들이 있다. 이러한 기능들에 관련된 인자로서는 세공경과 막표면의물리/화학적인 성질이 관련된다

- 분리․농축
막여과의 기본적인 특징은 상변화를 일으키지 않으며, 응집제 등의 화학약품을 첨가하지 않고도 고/액 분리나 액/액 분리 및 가스분리가 가능하다는 것이다.

MF나 UF 는 막의 세공경의 차에 의한 체걸름(Sieving) 작용을 이용한 것이고, RO 막 등은 막의 재질이나 구조와 용질의 친수성 및 확산성(Diffusion)의 차에 의한이동속도차를 이용한 것이다.

각각의 분리막에 의한 이런 분리 작용은 반드시 하나의 종류에 국한되지는 않고 복합적인 작용에 의해 분리가 발생하는 경우도 있다.

-분획
막분리 기작에서 분획은 용질 혹은 미립자를 분자량이나 크기에 대응해서 개별적으로 분리하는 것이다.

MF에서는 이런 분획 기능을 지표균에 의한 세균 여과법(예를 들면, 공칭공경 0.2 ㎛의 막의 검증에는 Pseudomonas diminutan IF014213을 사용)이나 균일 입경혹은 입경 분포를 이미 알고 있는 입자의 여과로 확인한다.

UF의 경우에는 분획분자량(MWCO)으로 분획 성능을 평가하는데, 이는 이상적인 용질의 UF 통과와 저지로 평가한다.

분획분자량은 분자량을 알고 있는 단백질이나 폴리에틸렌글리콜(PEG), 덱스트린의 막 제거 특성으로 결정된다.

그러나 같은 분획분자량을 갖는 UF라도 제거 특성이 막의 소재나 구조에 따라 달라진다.

-격리
막분리 기작에서 격리(Isolation)라 하는 것은 다른 성질의 액체 혹은 물질이 막 사이에서 양자가 혼합되지 않게 분리상태에 있는 것을 말한다.

예를 들어 PP와 PE 등의 소수성 다공질막을 사용하면, 한편은 액상으로 다른 한편은 기상 혹은 다른 액상으로 양자가 혼합되지 않고 분리하는 특징을 가지고있다. 이런 특성을 이용하여 가스교환, 가스흡착, 액/액에서의 추출 등이 가능하다.

- 고정․흡착
UF와 MF에서는 막이 일종의 다공질인 큰 비표면적을 갖는다. 이런 큰 비표면적을 가진 막의 세공경 내표면에서 막의 분리 작용과 흡착을 동시에 행한다.

특히 전하를 띤 막에서는 막과 다른 전하 물질은 막 표면에 정전기적 결합이 생긴다. 한편, 같은 전하 물질은 정전기적 반발력이 생기므로 막 표면의 부착이 제어되어 막오염(fouling)이 방지되기도 한다.

막분리공정의 효과 

막 공정에 의한 분리 대상은 이온성 물질로부터 큰 미립자나 미생물이 있고, 각각의 제거대상에 대하여 적절한 막을 사용할 수 있다.
음용수 생산에 적용하기 위한 가장 큰 가능성을 갖는 5가지는 역삼투막(RO), 나노여과막(NF), 한외여과막(UF), 정밀여과막(UF) 및 전기투석(ED)이다.

막 공정은 원수 중의 고형물과 콜로이드성 입자들을 분리함으로써 청정한 처리수 혹은 투과수를 얻는다. 막의 공경이 작으면 작을수록 용질이나 더 작은 종까지제거될 수 있다. 역삼투막이나 전기투석법은 일차적으로 반염수(brackish water)를 탈염하기 위해 사용되었다.

나노막은 새로 개발된 막공정으로 THM 전구물질 제거나, 일반적으로 석회 연화(lime softening)에 의해 처리하는 지하수의 연수화를 위해 사용된다.

한외여과막은 산업분야에서 용액으로부터 유기분자를 분리하는데 광범위하게 사용되어 왔으며, 정밀여과막도 미세입자나 탁도를 제거하기 위하여 사용되어졌다. 막 공정은 탈염, 연화, THM 전구물질제거, 살균, 탁도제거, 특별한 유기물질 제거가 가능하다.
원생동물인 지아디아(Giardia)와 바이러스의 경우에도 나노막을 이용하여 분리, 제거가 가능하다.

다음의 표는 막공정의 일반적인 특성을 나타내었고, 그 아래의 표는 고도정수처리에 이용되는 막공정의 물리적인 특성과 운전압력 범위와, 다른 고도처리 단위공정과 결합된막여과 공정의 처리특성을 나타내었다.

출처 : 2004년 환경부 "고도정수처리 정책방향에 관한연구" 발췌

막여과 공정의 문제점

막분리공정의 효과

막여과 공정의 문제점

막여과 공정은 표준정수처리공정에 비하여 작은 부지면적에서도 적용한 막의 종류에 따라 미생물, 입자 및 콜로이드성 물질을 목표수질을 확실히 만족시킬 수있도록 제거할 수 있는 신뢰성이 매우 큰 공정이다. 반면, 막여과 공정을 고도정수처리에 도입하는데 있어서, 몇 가지 문제점들이 대두되고 있으며, 현재도 이에대한 해결을 위해 많은 연구와 검증이 이루어지고 있다.

막여과 공정은 색과 이취․미등을 유발하는 용존성 천연유기물(NOM)을 일부 제거하지만, 취약한 점이 있어 다른 표준정수처리공정과 조합되어야 한다.
그리고 막여과 시설은 표준정수처리시설에 비해 집약적이고 효율은 우수하지만, 원수성상의 급격한 변화나 수질악화에 대처할 수 있는 시간이 단축되기 때문에,돌발사태에 대비한 원수수질의 감시를 강화해야 하며, 시설의 건설 및 유지관리 비용이 많이 소요된다는 단점을 안고 있다.

막여과에 있어서, 막을 투과하는 유량 즉, 플럭스(flux)가 주요한 운영인자인데, 이는 막의 종류, 수온, 원수 수질 등에 크게 영향을 받기 때문에, 막여과 시설을대형화하는데 한계가 있다.
따라서 일본의 경우에는, 장기 운전시 평균적인 플럭스를 단위 막차​압(transmembrane pressure, TMP)이 98.1 kPa일 때, 0.5 m3/m2․일 이상으로 제시하기도한다. 또한, 막여과 공정의 가장 큰 관심은 막오염(fouling)으로 막의 수명이 길지 않고, 막을 재생하기 위한 추가적인 약품처리가 필요하며, 그 교환주기가 짧기때문에 경제적 부담이 큰 공정이라는 것이다.

막 오염은 제거하고자 하는 원수중의 오염물질이 막에 의해 저지됨에 따라 부착되는 층(cake)이 형성하고 막히는 현상으로서 막의 여과기능을 저하시키게 되며,이는 고도정수처리공정에 막여과공정을 도입하는 데 있어서, 가장 중요한 장애요인이기도 하다.

막오염은 막여과에 의한 여과속도, 유량(Flux)을 저하시키게 되는데, 이는 일반적으로 콜로이드 입자, 현탁입자 및 고분자의 용존성 유기물질들이 막에 흡착되어축적되기 때문인 것으로 알려져 있다. 특히, 한외여과막(UF)을 오염시키는 유기물질은 다당류, 방향족 화합물, 단백질 등이 포함 된다고 한다.

다음의 표는 막여과 공정에 따라 전형적으로 알려진 막오염 물질들을 나타내었다.

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

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용존공기부상(Dissolved Air Floation, DAF) 공정

부상분리(flotation)는 수중에 함유된 부유물질에 미세한 기포를 부착시켜 물과 공기가 접하고 있는 한계면까지 부상시켜 고액분리를 유도하는 것을 말한다.

이는 부유물질, 유분, 그리스, 섬유소 등과 같이 물보다 밀도가 작은 입자들을 물로부터 분리하여 슬러지를 분리, 농축하는데 이용된다.
용존공기부상법(DAF)는 1924년 제지공업에서 섬유질을 재생하는데 처음으로 사용되어진 것으로 알려져 있다. 높은 압력으로 수중에 공기를 과포화상태로 용해시켜 이를 처리하고자 하는 원수에 주입시키면, 수중에서 다시 감압되면 과포화 되었던 만큼의 공기가 미세한 기포를 형성시킨다.

이 기포를 플록과 결합시키고 부력에 의하여 플록을 수표면으로 빠르게 상승시켜 수중으로부터 분리하는 정수처리기술이다.

용존공기부상 공정은 유럽을 중심으로 표준정수처리공정에서 여과의 전처리 공정으로 기존의 침전공정을 대체할 수 있는 효과적인 대안으로서 적용되고 있다.

특히, 저탁도, 부식질(humic substance) 또는 자연 색도나 조류 등을 함유한 원수의 처리에 유용한 공정이다. 또한, 크립토스포리디움 및 지아디아, THM 전구물질, 청․녹조류 등의 제거를 위한 용존공기부상 공정도 관심의 대상이 되고 있다.
용존공기부상 공정은 다음의 그림과 같이 응집제 주입과 플록이 형성되는 전처리 공정, 플록이 가압수로부터 용출된 미세 기포와 만나 접촉하는 반응지역(reac-tion zone), 기포와 플록이 결합하여 형성된 플로트(float) 입자가 수면위로 부상하는 부상지역(flotation zone), 그리고 처리수의 일부를 순환시켜 공기와 함께가압시키는 공기주입 지역(air dosing zone) 등으로 구성된다.

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​용존공기부상 공정은 일정한 압력하에서 공기로 포화된 물을 분산시킬 때 발생된 기포와 플록들을 충돌시킴으로써 부력에 의해 입자들을 부상, 분리하는 공정이다. 용존공기부상 공정은 부상방법에 따라 용존공기부상법, 분산공기부상법, 진공부상법 및 전해부상법 등으로 분류할 수 있으며, 그 특징들은 다음과 같다.

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◦ 용존공기 부상법(dissolved air flotation) : 과포화 상태로 있는 기체와 액체의 혼합액을 대기 중에서 압력을 감소시켜서 기포를 발생하도록 하는 방법.
◦ 분산공기 부상법(dispersed air or cavitational air flotation) : 대기압하에서 프로펠러의 힘이나 다공판을 통해 공기를 불어넣어 기포를 발생시키는 방법.
◦ 진공 부상법(vacuum flotation) : 대기압에서 공기를 포화시켜서 감압된 밀폐조에서 공기의 용해도를 감소시켜 기포를 발생시키는 방법.
◦ 전해 부상법(electro flotation) : 물을 전기분해하여 생기는 미세한 수소나 산소 방울로 이루어진 기포를 이용하여 부상시키는 방법.

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(a) 부상분리 기작
용존공기부상(DAF) 공정은 공기방울과 침전하는 플록 사이의 상호 작용 즉, 공기방울에 의한 플록의 충돌과 포집 등의 원리로 설명할 수 있다.

공기방울 입자는 약 10～120 ㎛ 범위로 생성되며, 이는 자체의 부력에 의하여 상승하게 되는데, 공기방울이 플록입자에 결합하는 즉, 기포-플록 입자(float)를 형성하는 물리적 작용은 다음의 3 가지 현상으로 볼 수 있다.

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◦ 플록입자와 공기방울의 충돌(collision)
◦ 플록에 의한 상승기포의 포집(interception)
◦ 플록 내부에서 공기방울의 흡수(absorption) 및 흡착(adsorption)
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이들 중 용존공기부상 공정에서 공기방울과 플록 사이의 결합은 주로 충돌과 포집에 의해 발생되는데, 이 과정은 공기방울의 핵형성(nucleation)과 공기방울로의입자침전(precipitation) 과정을 포함한다.
이러한 원리는 플록형성지에서 충돌에 의한 플록의 성장이나, 여과지에서 입자가 여재 표면에 포집되는 것과 유사하게, 물질전달에 의한 충돌이론으로 설명될 수있다. 즉, 입자 또는 플록과 공기방울 사이의 접근과 충돌을 촉진하는 구동력(driving force)은 브라운 확산(Brownian diffusion), 차단 또는 포착(interception),중력침강(gravity settling) 및 입자의 관성력(drag force) 등이다.
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단일 포집자 충돌이론
용존공기부상 공정의 접촉 반응지역(reacting zone)에서 연속적으로 상승하는 기포는 구름같이 생긴 층을 이루며, 이것은 개념적으로 여과층과 유사하다.
이에 Malley와 Edzwald(1991)은 상승하는 기포층과 입자들의 충돌을, 입자들이 공기방울 표면에 전달되는 것으로 간주하고, 다음과 같은 단일 포집자(single-collector) 충돌모델을 제시하였다. 이때 공기방울들은 접촉 반응지역에서 순간적으로 생성되는 것으로 가정하였는데, 이는 기압차가 크게 발생하는 용존공기부상 공정에서 타당한 것이다.
단일 포집자 충돌모델은 공기방울과 입자(플록)간의 충돌효율을 정의한 것으로, 공기방울 개체가 하나의 포집자(collector) 기능을 한다.
이는 간단히 입자와 공기방울의 접근속도에 대한 충돌속도로 나타낼 수 있으며, 총 충돌효율은 다음과 같은 요소들의 합으로 표현될 수 있다.

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총 충돌효율(ηT)을 나타내는 각 요소들 중, 브라운 확산효율(ηD)은 입자들의 불규칙한 분자운동(Brownian motion)에 의하여 공기방울과 충돌하여 부착하는 것을말한다. 포착효율(ηI)은 입자가 유체의 흐름에 따라 기포에 충분히 가까운 거리에서 충돌하여 부착 되는 것을 나타내고, 중력침강효율(ηG)은 중력에 의해 하강하고있는 입자나 플록이 기포와 충돌하여 부착되는 것을 말한다.

관성효율(ηD)은 유체의 흐름에 관계없이 입자 자신의 관성력에 의해 충돌하여 부착되는 것을 말하며, 용존공기부상 공정에서 생성되는 기포의 크기가 매우 작기때문에, 이는 거의 무시할 수 있다.

총 충돌효율(ηT)에 미치는 영향인자는 플록입자의 크기 및 비중, 기포의 직경, 수온, 물의 비중 및 동점성, 입자의 밀도 등이다.
입자나 플록의 직경이 1 ㎛ 이하의 범위에서는 확산효율(ηB)이 주된 영향인자가 된다. 그러나 그 이상 크기의 입자들은 포착효율(ηI)에 주로 영향을 받게 되며,침강효율과 관성효율의 영향은 상대적으로 미세하다.

원수 중의 불순물은 적절한 혼화/응집 공정을 통하여 일반적으로 100～1,000 ㎛ 정도의 플록으로 성장하기 때문에, 실제 용존공기부상 공정에서는 포집기작에의해 충돌이 조절됨을 알 수 있다. 또한, 밀도가 큰 플록일수록 중력의 영향이 커지지만, 부상공정의 효과는 포집이나 브라운 확산에 의하여 더욱 직접적인 영향을받는다.

한편, Kithener과 Gouchin(1981)은 부상할 수 있는 기포-플록의 결합체(float)의 형성기작을 1) 공기방울이 플록입자를 감싸는 과정, 2) 플록내부의 핵이 기포로성장하는 과정, 3) 기포와 플록이 충돌하여 부착되는 과정으로 설명하였다.

또한, 세 가지 기작이 모두 발생하지만, 용존공기부상을 이용한 고도정수처리공정에서는 충돌과 부착이 가장 주된 기작이라고 하였다.

출처 : 2004년 환경부 "고도정수처리 정책방향에 관한연구" 발췌

생물반응 기작, 생물막 처리공정, 침지여상법 벌집형(honeycomb-tube)방식

기타 정수처리공정 

- 생물막 처리공정

생물막 처리란 수중에 함유되어 있는 오염물질을 미생물의 신진대사 활동에 의해 산화/분해함으로써 고도정수처리의 단위공정 또는 전처리 공정으로 사용된다.

북미 지역에서는 미생물에 의한 질병의 전염가능성 때문에 적용되지 않고 있으나, 북미를 제외한 나머지 지역, 특히 서유럽, 일본 등지에서는 양질의 수돗물을공급하기 위해 적극적으로 실용화하기 위한 노력이 진행 중이다.
생물막 처리는 종래의 완속모래여과법의 생물처리 원리와 같은 것으로서 담체표면에 부착․성장하는 유기물 분해미생물이나 질산화 미생물 등의 호기성 미생물의대사작용에 의해 BOD 성분, 이취․미물질, 암모니아성 질소 등을 분해, 제거하기 위한 공정이다.

다양한 미생물 담체를 이용한 공정들이 이용되고 있는데, 생물의 부착면적을 크게 하기 위하여 벌집 모양의 플라스틱제 하니컴튜브(honeycomb tube) 방식, 구형혹은 파쇄형의 섬유나 광물 등의 생물 담체를 이용한 생물산화 방식, 회전하는 원판형의 담체에 미생물을 증식시켜 처리하는 회전원판법 등이 대표적이다.

특히, 표준정수처리에서는 암모니아성 질소를 제거하기 위하여 암모니아성 질소농도의 수십 배 이상의 염소를 투입하거나, 조류 및 세균의 증식억제, 철․망간제거를 위하여 전염소 처리를 수행한다. 그러나 이러한 전염소 처리는 유해한 유기할로겐화합물의 생성량이 증대하는 등의 문제점이 있기 때문에 원수의 암모니아성 질소농도가 높은 정수장에서는 주로 생물접촉산화법에 의한 암모니아성 질소제거 방법이 검토되어 왔다.

그러나 생물막 처리공정은 활성탄을 담체로 이용한 생물활성탄(BAC) 공정과 같은 효과를 얻을 수 있으며, 원수의 수질이 급격히 악화될 때의 전처리 공정으로도활용된다.

-생물반응 기작

​생물막 처리의 기작은 오염물질을 함유한 액상과 미생물이 부착․ 성장하여 막을 형성하는 고체상 생물막 사이에서의 물질전달로 이루어진다.

고체상 담체에 미생물이 부착되어 고정된 바이오메스(biomass)를 생물막(biofilm)이라 한다.
이 생물막의 형성과정은 여러 가지 유기물의 흡착, 미생물의 이동과 부착, 미생물의 증식에 따른 생물막의 성장 및 탈리와 같은 과정을 거치면서 생성된다.

생물막 표면에서는 끊임없이 미생물의 성장과 탈리가 일어나며, 오염물질의 제거는 몇 단계를 거쳐 이루어진다. 수중의 오염물질과 영양분은 생물막 표면으로이송하고 표면에 도달한 반응물질은 확산에 의해 생물막 내부로 침투하여 미생물의 생화학적 대사작용에 의해 산화/분해됨으로써 제거된다.

생물막에 의한 오염물질 제거는 미생물의 생물학적 특성인 반응속도 뿐만 아니라 생물막으로의 물질전달속도도 매우 중요한 역할을 수행한다.

생물막 처리공정은 호기성 미생물뿐만 아니라 혐기성 미생물의 활동도 오염물질 제거를 수행한다.

그러나 유기물의 농도가 낮은 상수원수에 대해서는 호기성 미생물의 활동이 대부분인 것으로 보인다. 즉, 원수중의 유기물은 생물막 내에서 성장하는 미생물에의하여 생명유지를 위한 에너지와 세포형성을 위한 탄소원으로 이용되어 제거되는 것이다.
생물막 내에서 미생물의 생화학적 반응은 물리화학적 반응에 비해 제어가 훨씬 까다롭고, 반응속도가 낮아 오염물질의 완전한 제거도 어려울 뿐만 아니라, 유해물질의 독성영향에 의해 처리효율이 저하될 수 있기 때문에 전처리 공정으로 많이 이용된다.수중의 오염물질들이 다양한 생물학적 반응에 의해 제거되는 기작은 다음과 같다.

​

-유기물
원수 중에는 유기물이 저농도로 존재하기 때문에 빈영양 종속영양세균으로 생분해 가능한 유기물을 탄소원으로 이용하고 무기 인산염과 질소원(NH4+, NO3-,NO2-)도 이용된다.

-질산화 반응
암모니아성 질소를 산화하여 아질산성 질소와 질산성 질소로 전환하는 과정에서 에너지를 얻고 CO2를 환원하여 증식하는 자가영양형 미생물(Nitrosomonas,

Nitrobacter)은 유기물을 분해하는 종속영양형 미생물에 비해 증식속도가 매우 느려 긴 체류시간을 요구한다. 질산화 과정은 다음식과 같이 표현된다.

            2NH4+   +   3O2 → 2NO2-   +   2H2O   +   4H+
            2NO2-   +   O2 → 2NO-

​

-탈질산화 반응
질산성 질소(NO3--N)가 산소가 없는 상태에서 생화학 반응에 의해서 질소가스(N2)로 환원되는 과정으로, 임의성(Facultative) 종속영양형 미생물(Aerobacter,

Bacillus, Flavobacterium, Macrococcuc, Pseudomonas)등에 의해 호기 혹은 혐기성 상태의 기본적 생화학반응을 거친다.

​- 조류
원수 중의 조류는 생물막에 일단 부착된 후, 생물막에 존재하는 원생동물 등과 같은 포식자에 의해 제거된다.

​- 냄새
냄새유발물질(Geosmine, 2-MIB, H2S 등)은 주로 이들을 유발하는 조류를 제거함으로써 제거될 수 있다.

- 철, 망간, 음이온계면활성제
철과 망간을 산화하는 박테리아에 의해 산화되며, 탄화수소를 분해하는 미생물의 활동에 의해 음이온계면활성제를 제거할 수 있다.

생물막 처리공정

생물막 처리공정은 미생물이 부착하여 성장할 수 있도록 비표면적이 큰 담체 또는 충진재를 충진하고 수중의 오염물질과 충분한 접촉을 유도하여야 한다.

플라스틱 계열, 입상 또는 회전하는 원판 등을 이용한 담체는 수중에서 항상 호기성 상태로 유지할 수 있도록 하며, 용존산소가 부족할 경우에는 강제적인 폭기를수행하기도 한다. 생물막 형성과정은 여러 가지 유기물의 흡착, 미생물의 이동과 부착, 미생물의 성장 및 탈리와 같은 과정을 거치면서 이루어지는데, 여기에원수를 접촉시켜 수중의 오염물질을 산화/분해하는 공정이 생물막공정이다.

생물접촉여과, 침지여상법, 회전원판법 및 유동상 생물반응조 등이 대표적인 생물막 공정이며, 각각의 특성은 다음과 같다.

​

- 생물접촉여과
입상의 충전재에 미생물을 부착․성장 시켜 원수를 접촉시킴으로써 오염물질을 생물학적으로 산화 및 제거하는 방법이다.

생물막은 2～3주 정도면 생성되며 암모니아성 질소, 용존 망간, 탁도, 색도, 조류, 이․취미 등의 제거에 상당한 효과를 보인다.또한 저수온기에도 비교적 높은 제거효율을 기대할 수 있다.

- 침지여상법 - 벌집형(honeycomb-tube)방식
침지여상법은 반응조에 합성수지 등을 이용하여 생물이 부착하기 쉽도록 만든 충전재를 수중에 침지시켜 그 표면에 생물막을 형성시키고 원수와 접촉함으로써수중의 오염물질을 제거하는 방식으로 암모니아성 질소, 이취․미 물질 등의 생물분해성 유기물, 조류 및 입자성 물질까지도 제거에 효과적이다.

이들 중 벌집형태의 튜브를 충전재로 사용하여 그 비표면적과 접촉효율을 증대시킨 것이 벌집형 튜브 생물공정으로 특히, 일본 등지에서 많이 사용되는 대표적인침지여상법이다.
하천수를 원수로 하는 경우, 겨울철 또는 수질악화에 의해 고농도 암모니아성 질소가 유입하게 되면 파괴점 염소주입을 실시하여 제거할 수 있으나, THM 등의부산물 발생가능성이 높아지게 된다.
한편, 고도정수처리공정에서는 THM 전구물질 저감을 위하여 활성탄 흡착공정을 적용하고 있으나, 수질이 악화될 경우에 짧은 파과시간 등으로 인하여 어려움을겪기도 한다. 따라서 일본, 유럽 등지에서는 이러한 문제점을 보완하기 위하여 침지형 생물여재를 이용한 침지여상법을 전처리공정으로서 널리 적용하고 있다.

- 회전원판법
폴리스틸렌이나 PVC 재질의 원판을 회전축에 직각으로 여러 개를 부착하고 회전체의 약 40%를 물에 담가서 기계적으로 일정한 속도를 유지하여 회전시킴으로써원판 표면에 부착된 미생물막에 의해 오염물질을 산화, 분해하는 방법이다. 이 공정은 하수처리에서도 널리 적용되었으나, 오염된 지표수의 상수원수에도 적용이가능하다.

​

-생물 유동상 반응조
생물유동상 반응조(biological fluidized bed reactor, BFBR)는 다공질의 여재, 모래, 입상활성탄, 안트라사이트 등의 충전재에 미생물막을 부착시키고 상수원수를 상향류식 또는 하향류식으로 통과시켜 접촉시킴으로써 오염물질을 미생물의 호기성 산화작용에 의해 처리하는 것이다.

- 생물막처리의 효과
고도처리공정을 적용할 경우, 생물막 처리는 일반적으로 전처리공정로 사용되며, 암모니아성 질소의 질산화, 곰팡이 냄새 및 조류의 제거에 매우 효과적이다.

고도정수처리에 사용되는 암모니아성 질소는 원수중의 유기물 농도가 매우 낮기 때문에 질산화 미생물의 성장이 유리하여 질산화반응이 활발히 진행되므로 아질산성 질소(NO2--N) 및 질산성질소(NO3--N)로 전환된다.
더욱이 생물막 처리공정은 조류와 곰팡이 냄새의 제거에도 유용하게 적용될 수 있다. 조류는 생물막 내에서 성장하는 원생동물(protozoa)에 의해 포식되어 제거되며 곰팡이 냄새의 원인물질(2-MIB, geosmine)은 세균과 효모균 등에 의해 분해되는 것으로 알려져 있다.
또한, 생물막 처리는 유기물제거, 질산화와 탈질소 과정을 통한 암모니아성 질소제거는 물론 생물학적으로 불안정한 물질을 제거함으로써 후속되는 표준정수처리공정이나 배출수 중의 세균량을 감소시키고, 살균시 염소요구량을 줄임으로써 THM, TOX, 이취․미 등을 저감하는 효과가 있다.생물막 처리의 장점 및 특성은 다음과 같다.

생물학적 처리 특성
- 정화에 관여하는 미생물의 다양성이 높다.
- 질산화 및 탈질 미생물이 잘 증식한다.
- 수량 및 수질의 변동에 강하다.
- 고액분리가 좋다.
- 동력비가 적게 소요된다.
- 슬러지 발생량이 적다.

출처 : 2004년 환경부 "고도정수처리 정책방향에 관한연구" 발췌

다단플래쉬(Multi-stage Flash Distillation, MSF)법, 다중효용(Multi-effect Distillation, MED)법,증기압축(Vapor Compression Distillation, VC)법,투화기화(Prevaporation)법

해수담수화 공정

담수화(desalination)란 바닷물에서 염분을 제거하여 먹는물을 생산하는 것으로, 염수 중에 용해되어 있는 염분을 제거하는 공정을 말한다.

초기의 해수담수화는 열을 이용하여 염수를 증발시키고 다시 이를 응축시켜 담수를 생산하던 것으로, 1560년 스페인 수병 700 명에게 물을 공급하기 위해 약 5.4m3/일의 담수를 생산했던 것이 최초의 담수화공정으로 알려져 있다.

19세기 중엽, 영국이 스웨즈 운하를 건설하면서 운항하는 선박에 필요한 물을 공급하기 위하여 담수화 시설을 도입하기도 하였다.

해수담수화 공정의 비약적인 발전은 제 2차 세계대전 당시, 사막에서 군인들에게 물을 공급하기 위한 장치를 개발하면서 부터이며, 미국에서는 1950년대에 Officeof Saline Water(OSW)와 Office of Water Research and Technology(OWRT)라는 기구를 창설하여 30년 동안 약 3억 달러를 투자하여 해수담수화를 연구하기시작하였다. 이후, 대규모의 증발법에 의한 담수화 공장은 1960년대 쿠웨이트의 4,000 m3/일 용량을 갖는 해수담수화 플랜트가 최초이며, 1970년대에 다단플래쉬증발법에 의한 담수화 플랜트가 주류를 이루어 왔다.

이 후 염분의 분리가 막을 통하여 이루어질 수 있다는 것이 알려지면서 이를 해수의 담수화에 이용하려는 노력이 시작되었으며 이것이 바로 역삼투방법이다.

현대의 담수화기술은 해수 또는 반염수(brackish water, 기수)로부터 염분 및 기타 화학물질을 제거하는 것으로 그 의미가 확대되었다.
대표적인 염수의 담수화 방법으로는 증발법과 막여과법으로 구분할 수 있으며, 이들 중 증발법으로는 다단 플래쉬법(multiple stage flash distillation, MSF), 다중효용법(multiple effect, ME) 및 증기압축법(vapor compression, VC)이 있다.

또한, 막여과법에는 압력을 이용하는 역삼투법(reverse osmosis, RO)과 전기를 이용하는 전기투석법(electrodialysis, ED)이 있으며, 그 외에 냉동법(freezingprocess)과 이온교환수지(ion exchange) 등이 있다.
담수화방법을 상변화의 유무에 따라 분류할 수도 있는데, 액상에서 기상으로 상변화를 이용하면 증발법, 상변화가 없는 막여과법으로 분류할 수 있다.

또한, 필요한 에너지의 사용형태에 따라 열을 이용하는 방법, 압력을 이용하는 방법, 전기에너지를 이용하는 방법으로도 구분할 수 있다.다음의 도표는 해수담수화 방법을 분류한 것이다.

(1) 해수담수화 공정
① 증발법
증발법은 해수를 담수화 하는 가장 오래된 기술로, 1960년대부터 조작방법의 차이에 따라, 2～3개의 단을 갖는 다단플래쉬법, 높은 성능과 증발용량을 갖는 다중효용법 및 증기압축법 등으로 발전하면서 실용화되었다. 이들에 의한 본격적인 대규모 해수담수화 공장은 중동에서부터 시작되었으며, 해수 담수화 방법들 중60% 이상 으로 가장 널리 사용되는 방법이다.

증발법은 막여과법, 전기투석법 등과 비교하여 순도가 높은 담수를 얻는 것이 가능하나, 단위 생산수당 에너지 소비량이 높은 단점이 있다.

증발법에 의한 가장 경제적인 해수담수화 방법은 물의 끓는 온도를 낮추기 위해 기압을 감소시키는 것이다.

끓는점을 낮추는 기술은 증발공정에서 두 가지 이유로 매우 중요한데, 이것은 여러 온도에서 물을 끓게 하는 것과 스케일을 방지하기 위한 것이다.
대부분의 물질이 따뜻한 물에 잘 녹게 되는데 특히 해수에 존재하는 탄산칼슘이나 황산칼슘은 스케일을 일으키게 된다. 황산칼슘은 95℃ 이상이면 석출되기 시작하여 스케일을 형성하게 되는데, 이를 방지하기 위하여 해수의 끓는점을 낮추는 것이 매우 중요하다.

​-다단플래쉬(Multi-stage Flash Distillation, MSF)법
다단플래쉬 공정은 유입된 해수원수를 예열시키고, 온도와 압력이 낮아지는 여러 단의 방을 통과하면서 증발된다.

증발된 수증기는 열교환기를 통하여 응축되어 담수를 얻게 되며, 농축된 염수는 배출된다.

다단플래쉬 공정은 이러한 반복되는 증발-응축 과정을 통하여 해수를 담수화 시키는 공정으로, 약 4～40개의 단으로 구성된다.

- 다중효용(Multi-effect Distillation, MED)법
다중효용법은 증기에 의해 미리 가열된 증발관에 유입된 해수를 분사하여 증발시키고, 증발된 증류수는 다시 압력과 온도가 낮아진 다음 단의 증발관에 분사된다. 이러한 반복되는 증발-응축 과정을 통하여 해수를 담수화 시키는 공정으로, 보통 8～16 개의 증발관으로 구성되며, 다단플래쉬 공정에 비해 설치사례가 적은 편이다.

- 증기압축(Vapor Compression Distillation, VC)법
증기압축법은 우선 외부의 열원에 의해 발생된 증기를 증기압축기를 이용해 온도를 상승시킴으로써 해수의 증발에 필요한 열에너지를 제공한다.

유입된 해수는 압축된 증기관 위로 분사되고 증발-응축됨으로써 담수화 되고, 증발되지 않은 해수는 유입하는 해수와 혼합되어 다시 온도가 증가하게 되며, 이러한과정을 반복적으로 거치면서 담수를 생산하는 방법이다.

증기압축법은 대규모 공정으로는 사용하지 않으며, 일반적으로 20～2,000 m3/일의 소규모 담수화 공정에 사용된다.

​

- 투화기화(Prevaporation)법
투화기법은 같은 막을 사이에 두고 한쪽은 가열된 해수, 다른 한쪽은 냉각수를 두어 온도차에 의해서 막 표면으로 물이 증발되어 담수를 얻는 방법으로 1850년대에액체 혼합물의 분리를 위해 제안되었다. 이러한 투화기법의 기본원리는 증발법과 비슷하며 상용화된 시설에서는 막모듈을 사이에 두고 한쪽에는 가열된 해수를통과시키고, 다른 한쪽에는 냉각된 해수를 연속적으로 통과시키면 온도차에 의해 막을 중심으로 고온으로부터 수증기가 확산․투과되어 막의 표면으로부터 증발되고, 증발된 수증기는 냉각수에 의해 냉각․응축되어 담수를 얻는 방법이다.
투과기화법에 의한 해수 담수화는 운전관리가 용이하고, 막을 투과하기 때문에 순수한 물을 얻을 수 있으며, 전처리의 생략가능, 폐열 또는 태양열을 이용할 수있으므로 비용이 절감하는 등의 장점을 가지고 있다.

따라서 이 방법은 구조가 간단하고 저렴하기 때문에 해안 열대사막 지역에서는 에너지원으로 태양열을 이용한 투과기화법으로 담수를 생산하여 식물재배에 이용하기도 한다.

출처 : 2004년 환경부 "고도정수처리 정책방향에 관한연구" 발췌

전기투석(Electrodialysis, ED)법,역삼투(Reverse Osmosis, RO)법

 해수담수화 공정

-막여과법

자연에서 막(Membrane)은 염(Salts)을분리하는데 매우 중요한 역할을 하고 있으며, 이것은 우리 몸에서도 마찬가지로 삼투(Osmosis)와 투석(Dialysis)현상이함께 이루어지고 있다. 해수담수에 상업적으로 사용되는 막여과법은 전기투석법과 역삼투법이다. 이 두 가지 방법은 모두 막을 이용하나, 전기투석법은 선택성을가진 막의 화학적인 전위를 이용하여 염분을 제거하는 방법이고, 역삼투법은 압력을 이용하여 염분을 제거하는 차이점이 있다.

-전기투석(Electrodialysis, ED)법
수중에 용해되어 있는 무기물은 거의 대부분이 이온화되어 있다. 여기에 전극을 삽입하여 직류전류를 흐르게 하면 양이온은 음극으로 음이온은 양극으로 이동하게된다. 이 때 양이온 또는 음이온을 선택적으로 통과시키는 양이온 및 음이온 교환막을 이용하면, 이온성분과 물을 분리할 수가 있는데, 이런 단위조작을 전기투석(ED)이라고 한다. 즉, 이온의 선택투과성 막에 의해, 막의 한쪽은 염성분이 희박해지고, 다른 쪽은 염성분의 농도가 증가하게 되는데, 이러한 선택투과성의 막은주로 이온교환수지를 이용한다.
그러나 전기투석법에서는 전기적인 전하(charge)를 가진 물질(주로 이온성분)만 제거되기 때문에 비교적 전처리가 엄격하지 않아도 된다는 장점이 있다.

- 역삼투(Reverse Osmosis, RO)법
반투막(semipermeable membrane) 사이에 농도가 높은 용액과 낮은 용액이 존재할 때, 용매 즉, 물은 농도가 높은 용액으로 이동하여 용액의 농도가 평형을이루려고 하는데, 이를 삼투현상이라고 하며, 이때의 압력차를 삼투압이라고 한다.

만일 삼투압 이상의 높은 압력을 농도가 높은 용액에 가한다면, 물은 반대로 농도가 높은 용액에서 낮은 용액으로 이동하게 된다.

이러한 현상을 역삼투라 하며, 해수담수화를 위해 이용되고 있는 기술이다.
역삼투압은 상태변화를 동반하지 않기 때문에 에너지 비용이 저렴하고, 열에 의한 변성이나 재질의 부식을 방지할 수 있고, 장치 및 조작이 간단하기 때문에 1970년대 이후 소규모 및 대규모의 해수담수에 사용되어 왔다.

그러나 역삼투법에 사용되는 막은 물리․ 화학적인 강도가 약하고, 막오염이라는 문제점을 안고 있다.

다음의 그림은 전기투석법과 역삼투법의 원리를 보여주고 있다. 

출처 : 2004년 환경부 "고도정수처리 정책방향에 관한연구" 발췌

 

· 구 성 내 역

 

· WAK-pH  1pack ( 50회 )

 

· 적 용 분 야

 

· 각종 수처리 시설, 환경 시설, 실헙실 등

 

· 사 용 방 법

· 측 정 항 목 & 색대조표 확인