여과속도 느릴수록 수온 높을수록 제거 효율 높아
침전지에서는 분말활성탄 흡착효과로, 여과지에서는 생물분해·흡착작용 통해
맛·냄새 유발물질 제거효율 향상시킬 수 있어…저수온 갈수기엔 적용 어려워

▲ 경규선(서울시 상수도사업본부 광암아리수정수센터)

여러 설문조사 결과를 보면 서울시 시민들이 수돗물을 불신하는 데에는 여러 가지가 있었다. 그 중 질적인 부분에서 냄새가 차지하는 비중이 컸다. 냄새의 원인은 염소 소독제 냄새와 취수원수에서 제대로 제거되지 않은 흙내, 곰팡이내, 풀내 등의 냄새가 그것이다.

염소의 경우 보통의 사람들이 염소냄새를 인지하지 못하는 정도인 0.1∼0.4 mg/L(「맛있는 물 가이드라인」기준)의 잔류염소 농도로 수돗물에 존재토록 하여 공급하고 있다. 취수원수 자체에서 맛·냄새가 심하게 나타나는 경우는 통상의 일반적인 정수처리 과정에서는 제거하기가 쉽지 않다.

이에 따라 분말활성탄을 수중에 투입하여 흡착·제거함으로써 맛·냄새를 없애고는 있으나, 갈수기 및 하절기 취수원수의 맛·냄새가 증가하는 시기에는 분말활성탄에 의한 흡착 제거효율과 운영적인 측면에서 한계가 나타나 제거효율이 떨어지게 된다.

서울시는 맛·냄새물질 뿐만 아니라 기타 미량 물질을 제거하여 보다 깨끗하고 맛있는 아리수(서울시 수돗물)를 공급하기 위해 전체 아리수정수센터에 고도정수처리시설을 도입하기로 계획하고 영등포아리수정수센터에서 우선적으로 공사 중에 있다. 향후 3∼5년 이후에는 지금보다도 깨끗하고 전혀 냄새가 없는 아리수를 음용할 수 있다.

그러나 고도정수처리시설을 완공하기까지의 기간동안 시설을 탓하며 개선 노력없이 방관할 수만은 없다. 분말활성탄의 흡착 제거효율 향상과 적정 투입량에 대한 정수센터별 운영 기준과 연구가 진행되어 왔으며, 여기서는 분말활성탄에 의한 효과가 나타나지 않는 여과지에서의 맛·냄새 제거효율을 향상하기 위한 운영방법을 제시하고자 한다.

▲ 서울시 광암아리수정수센터 전경.

1. 맛·냄새 유발물질 제거방법

■ 활성탄 흡착       흡착제로 사용하는 물질로는 실리카겔, 합성제올라이트, 활성탄 등이 있으며, 이 중 유기물에 대한 흡착이 우수하고, 가장 많이 쓰이는 것이 활성탄이다. 활성탄으로는 분말활성탄, 입상활성탄, 섬유상 활성탄 등으로 구분되어 있으며, 수처리에는 주로 분말활성탄과 입상활성탄을 사용하고 있다.
분말활성탄에 의한 처리는 1회 사용 후 버리는 방식으로 슬러지 발생량 증가로 처리비용이 높아진다. 맛·냄새 발생 빈도가 높거나 농도가 심할 경우에는 입상활성탄처리 설비의 도입을 검토할 필요가 있다.

입상활성탄 처리는 장기간 사용시에도 흡착효과가 계속 유지될 수 있으며 활성탄층내에서 미생물에 의한 유기물의 산화분해가 일어나 생물활성탄 효과도 기대할 수 있다. 입상활성탄 처리 전 공정으로 오존처리를 할 경우 제거효율이 단독 공정보다 향상될 수 있다.

■ 생물 분해작용     완속여과와 생물처리 방법을 통해 맛·냄새 유발 물질을 제거할 수 있다. 완속여과법은 비교적 양호한 원수에서 적절한 방법이며 생물 기능을 저해하지 않으면 수중의 현탁물질과 세균을 제거할 수 있다. 유입수를 세립 사층에 4∼5m/일 정도의 완만한 속도로 통과시켜 사층표면에 수중 현탁물질을 억류시킨다.

이 억류물은 수중의 유기물질과 영양염류가 부착 흡수되어 오니물질이 생성되고 다시 조류와 미소동물, 박테리아 등이 번식하여 축적되었던 현탁물과 생물군과 그의 분비물이 하나로 되어 여과막이라고 하는 생물피막이 형성된다. 이 여과막은 스크린 작용, 흡착 작용, 미생물 활동에 의한 분해작용이 진행되어 맛·냄새 유발 물질을 제거한다. 분말활성탄 처리 방식보다 제거효율이 높으나, 대규모 정수처리시설에는 사용하지 않고 있다.

▲ 광암아리수정수센터의 침전지(사진)는 맥동식 침전지로서 수류 흐름은 상향류식으로 슬러지 블랑켓층을 이용하여 응집·침전을 시키는 방식이다. 슬러지의 체류시간이 길고 고밀도의 슬러지가 입자상 물질과 접촉하면서 응집하여 분말활성탄 투입시 조류, 입자상 물질, 분말활성탄 등이 혼합된 플럭을 형성한다.

생물처리는 미생물 활동에 의해 원수 중의 유기물을 제거하는 등 원수의 수질을 개선하는 방법이다. 주로 암모니아성 질소 제거를 목적으로 도입하는 경우가 많지만 일반세균 및 망간 저감화와 pH값의 안정화에도 유효하며 맛·냄새 대책의 냄새물질 제거에 있어서도 효과가 있다고 인정되고 있다.

가능한 많은 면적을 확보할 수 있는 각종 충진재를 처리조 내에 설치하고 그 표면에 미생물을 번식시켜 원수를 순환 또는 유입 접촉시켜 처리하는 장치로 플랜트화하여 이용하고 있다. 접촉방법에 의해 침적여상방식, 회전원판방식, 생물접촉여과방식 등으로 나눌 수 있다.
 

2. 분말활성탄에 따른 침전지에서의 제거효율

광암아리수정수센터의 침전지는 맥동식 침전지로서 수류 흐름은 상향류식으로 슬러지 블랑켓층을 이용하여 응집·침전을 시키는 방식이다. 슬러지의 체류시간이 길고 고밀도의 슬러지가 입자상 물질과 접촉하면서 응집하여 분말활성탄 투입시 조류, 입자상 물질, 분말활성탄 등이 혼합된 플럭을 형성한다. 맛·냄새의 유발물질의 제거효율은 [표 1]과 같다.

횡류식 침전지의 경우는 분말활성탄 투입을 하지 않고도 응집·침전 공정에서 약간의 제거율이 나타나지만, 맥동식 침전지의 경우는 2-MIB의 경우 취수원수 보다 오히려 증가하고 Geosmin은 거의 제거되지 않는 것으로 나타났다. 분말활성탄 5mg/L 투입 시는 2-MIB의 증가가 줄어들었으며 Geosmin는 46.6%가 제거되었다.

3. 맛·냄새 유발물질 제거 위한 여과지 운영

 ① 분말활성탄에 의한 여과지 운영상의 문제점 파악

 맛·냄새물질을 제거하기 위해 분말활성탄 투입량을 증가시킬 경우 공정운영상 고려해야 할 사항이 바로 여과지의 부하증가이다. 단층 모래여과지로 탁질 물질이 많이 유입될 경우 손실수두가 증가하게 되어 여과지속시간을 길게 할 수가 없다. 분말활성탄의 경우도 마찬가지로 여과지 표면에 쌓이게 되고 심할 경우 누출되기도 한다. 이를 방지하기 위해 역세척을 자주 하게 되고 여과보조제를 병행하여 사용하기도 한다.

온라인 입자수 측정기를 통해 분석한 결과 pH가 높을수록 입자수가 증가하는 현상을 알 수 있었다([그림 1] 참조). pH가 높을수록 응집제의 알루미늄 성분이 (-)이온 상태로 유리됨으로써 플록간의 응집력이 약화되어 모래입자 또는 플록입자 사이를 통과하는 약한 수류 흐름에 의한 전단력에도 플록입자가 분리되어 누출되는 것으로 판단했다.

▲ pH와 입자수의 관계
▲ pH와 탁도의 관계

분말활성탄의 사층내부 및 표층에 쌓여 있는 상태에서 pH가 급격히 상승하게 되는 경우에는 누출현상을 제어할 장치가 없게 된다. 한 예로, [그림 2]는 2008년 7월 16일 광암아리수정수센터에서 맛·냄새물질의 제거를 위해 분말활성탄 5mg/L을 투입하던 중 취수원수의 pH가 7.3에서 8.2까지 급격히 증가했다가 감소했을 당시 4시간 후 침전지 pH변화가 완만하게 나타나고, 모든 지별 여과지에서의 탁도 상승이 있은 다음 취수원수 기준으로 5∼5.5시간에 통합여과수 탁도에 영향을 미쳐 0.06NTU에서 0.10NTU까지 상승했다.

갈수기 pH가 높을 경우 맛·냄새 유발물질의 증가에 따라 분말활성탄을 투입하게 되는 경우 pH 강하제(황산 또는 CO2)가 없으면, 입자수가 증가하게 되고 경우에 따라서는 여과사층 내부에 침적되어 있거나 표층에 쌓여 있는 분말활성탄의 누출 현상이 나타나게 될 가능성이 크다.

 ② 맛·냄새 유발물질과 여과지 운영

 여과지 유입수내 유리잔류염소가 없도록 전염소처리를 하고 역세척 시 역세척수로 유리잔류염소가 거의 없는 통합여과수를 사용하며, 여과속도를 43m/일로 느리게 운영한 결과 [표 2]와 같이 전 공정수인 침전수를 기준으로 여과공정에서 2-MIB 56%, Geosmin 92.6%가 제거되었다.

 2-MIB는 여과공정에서 침전수 농도의 절반이상이 제거되는 것으로 나타났다. 2-MIB보다 분말활성탄에 의한 흡착력이 상대적으로 좋은 Geosmin의 경우 침전지에서 취수원수 대비 약 50% 가까이 제거가 되며, 여과지에서는 침전수 대비 90% 이상이 제거되었다. 타 정수센터와 달리 광암아리수정수센터의 경우 분말활성탄에 의한 흡착 제거 효율보다 여과공정에서의 제거효율이 높았다.

또한 기존의 43m/일의 여과속도에서 2계열의 8지 중 4지를 여과중지 상태로 하여 여과속도를 이론상 2배인 86m/일로 빠르게 했다. 여과속도 변경 전·후 각각의 2계열 여과지 두 개지(9지, 13지)의 여과수와 동일시간에 4계열의 25지, 32지의 여과수를 채수하여 2-MIB와 Geosmin을 측정했다.

[그림 3]과 [그림 4]에서 2-MIB는 34∼42% 증가를 보였으며, Geosmin은 131∼155%가 증가하였다. 여과지 제거 효율면에서는 2-MIB보다 Geosmin이 크고, 여과속도 변화에는 Geosmin의 농도 변화가 보다 민감하게 작용했으며, 결과적으로 느린 여과속도는 사층에서의 접촉시간을 길게 하여 여과사, 플럭 입자, 분말활성탄 등의 표면에 부착된 생물막에 의한 생물분해 작용 효과를 크게 했다.

단점으로는 [표 4]에서와 같이 수온 저하에 따라 반응성이 급격히 느려져 저수온 갈수기에는 여과공정에서의 효율을 기대하기 어렵고 하절기 취수원수 내에 남조류 개체수가 많아 Geosmin이 증가할 경우 적용이 가능하다.

4. 결론

첫째, 수온 26℃, pH 7.5, 여과속도 43m/일 아래에서 유입수와 역세척수 모두 잔류염소가 거의 없는 상태로 여과지를 운영할 경우 2-MIB 56%, Geosmin 92.6%가 제거되었다. 여과속도가 느릴수록, 수온이 높을수록 제거효율이 향상되었다.

둘째, 침전지에서는 분말활성탄에 의한 흡착 효과로, 여과지에서는 일부 생물분해 및 흡착 작용을 통하여 맛·냄새 유발물질의 제거효율을 향상시킬 수 있었으며, 저수온 갈수기에는 적용하기 어렵고 고수온 시 적용이 가능하다.

▲ 여과속도에 따른 2-MIB
▲ 여과속도에 따른 Geosmin

셋째, pH가 상승할 경우 여과지에서 누출 우려가 있음으로 분말활성탄 투입 전에 pH조정제를 투입하여 여과지에서의 누출을 방지해야 한다. 

[문의= 02-3146-5346]

[참고문헌]
1. 서울특별시 상수도연구소, 2005 수질조사분석보고서, ‘2005년 맛·냄새 유발물질 조사 및 분말활성탄 최적주입율 평갗, pp.192∼221
2. 서울특별시 상수도사업본부, "2006년도 수질개선 연구과제 Work Shop", pp.109∼132
3. 일본수도협회, 1996, ‘生物起因の異臭味水對策の指針’
4. 신종은, 장미정, 유명진, 2006.11., ‘정수처리공정에 따른 관재질별 biofilm 특성에 관한 연구’, 대한환경공학회 추계학술연구발표회 논문집, pp.363∼370