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1. 개요
고도정수처리( 高 度 淨 水 處 理, advanced water treatment, advanced water purification)는, 표준 정수처리공정[1]에서는 완벽하게 제거하기 어려웠던 맛·냄새물질과 오염물질 등을 제거하는 정수 처리기술을 말한다. 대표적인 기술로는 오존처리, 입상활성탄처리, 고도산화처리 등이 있다.2. 배경
우리나라의 주요 상수원인
낙동강,
금강 등의 수질이 나빠지면서 강 하류지역의 수질이 3급수 이하로 되어 기존에 통용되던 일반적인 정수방법으로는 오염물질의 제거가 어려워지고, 1989년 이후
중금속,
THM, 페놀사건,
벤젠 등 각종 수돗물 유기물질 오염사고가 다발하면서 낙동강을 원수로 하는 정수장에서 우선적으로 고도정수시설을 도입하게 되었다.
3. 특징
고도정수처리 과정의 가장 큰 특징은 기존의 정수처리공정에 아래에서 기술할 공정을 추가하여 원래는 제거가 어려웠던 조류로 인해 발생하는 맛·냄새물질과 소독부산물 등 미량유기물질을 완벽하게 처리할 수 있어 이에 비해 더 깨끗하고 미네랄이 살아 있는 수돗물을 생산할 수 있다는 점이다.3.1. 일반 표준정수처리공정으로는 제거하기 어려운 물질
3.1.1. 휘발성 유기화합물
높은 증기압으로 대기 중에 쉽게 증발되는 성질을 가진 액체나 기체상의 유기화합물을 뜻한다. 물 속에서는 자연 발생하기도 하나,주로 공장 폐수 등 인위적 오염원으로부터 휘발성유기화합물의 유입으로 인한 수질오염이 발생한다.
물속의 휘발성유기화합물은 연료, 가솔린, 용매제, 세탁제, 제유제 및 살충제를 포함하는 상업 및 산업 용품과 가정용품으로부터 유입될 수 있으며, 휘발성유기화합물을 함유한 원료 및 유기용제 등이 누출 또는 폐기될 때 대기 중에 증발되거나 토양을 통해 물속으로 스며들게 된다. 물질에 따라 다르나, 이들은 대개의 경우 저농도에서 악취를 유발한다. 대표적인 물질로는 발암물질이라 알려진 벤젠, 사염화탄소, 페놀 등이 있다.
3.1.2. 냄새물질
남조류, 방선균이 서식할 경우, 2-MIB와 지오스민이 발생하여 물에서 곰팡이 냄새와 흙 냄새가 나게 된다. 최근 기후변화로 인해 하천, 호수에서 서식하는 녹조류가 증가하는 상황이기에, 정수처리 과정에서 냄새의 해결이 더욱 중요성이 부각되었다. 표준정수처리공정에서 지오스민으로 인한 냄새를 해결하는 방법으로는 전염소 처리과정의 강화가 있으나, 이 경우 소독 부산물이 생성될 가능성이 증가하는 문제가 발생한다.3.1.3. 소독 부산물
정수 공정에서 염소(Chlorine)는 원수 중의 병원성 미생물을 살균시키고 철과 망간과 같은 용존성 무기물질들을 산화시키는 역할을 하며, 일부 냄새물질을 제거하기 위해 사용되어왔다. 그러나, 염소는 정수중의 용존유기물질과 반응하여 발암물질인 THM을 발생시킨다. 또한, 산업화의 증가로 여러 종류의 유기화합물질이 수중에 존재하게 되고, 이들이 염소와 결합해 다양한 소독 부산물을 생성하게 되었다.3.1.4. 음이온 계면활성제
음이온 계면활성제(Anionic Surfactant)는 수중에 해리하여 생기는 음이온이 수용액의 표면에 흡착되어 표면장력을 저하시키는 성질을 갖는 물질이다. 세정력과 기포 생성력이 우수하여 비누, 샴푸, 세정제로 쓰인다. 이러한 음이온 계면활성제는 물 위에 거품을 만들어 공기 중 산소가 물 속으로 녹아 들어갈 수 없게 하고, 햇빛을 차단시켜 플랑크톤의 정상적인 번식을 방해하여 물을 오염시킨다.4. 종류
4.1. 오존처리
오존은 산소의 동위원소체로, 수처리 공정에 있어서 무기, 유기물질들의 산화, 원수의 소독 및 조류제거의 목적으로 사용된다.4.1.1. 오존의 살균효과
오존이 일으키는 살균효과의 작동 원리는 크게 세 가지로 나뉜다.첫째로, 오존이 세균의 세포막을 손상시킴으로써 세포막의 구조가 변형되어 침투성이 증가하거나 세포 내의 내용물이 누출되어 용해되는 것이다.
둘째로, 오존에 의해 핵산과 효소의 활동이 저하되는 것이다. 그 요인으로는 효소 자체의 파괴에 의한 경우와 막 환경의 변화에 의한 분자 상호작용의 변화로 활성구조가 없어지는 것이다.
셋째로, 염색체 DNA의 파괴가 있다.
오존의 살균효과는 수중에 존재하는 미생물의 종류와 농도에 따라 차이가 발생한다. 특히 pH, 수온, 암모니아성 질소, 화학적 산소요구량(COD), 수중의 현탁물질등 처리대상 수의 물리/화학적 환경조건에 따라 커다란 차이가 있다. 그러나 오존은 염소에 비해 pH와 온도의 영향이 적어 영양형 세균을 용이하게 살균할 수 있으며, 일반적으로 호기성 세균이 혐기성 세균보다 오존에 예민하고, 포자형성세균의 경우에는 저항성이 비교적 강하게 나타난다.
4.1.2. 오존의 탈취효과
오존이 일으키는 탈취효과의 경우, 화학결합을 통해 나타난다.탄화수소계인 탄화수소, 알콜, 알데히드, 유기산의 경우는 오존에 의해 물과 이산화탄소로 분해된다.
황화합물계인 황화수소, 메칠메캅탄, 황화메칠, 이황화메칠의 경우는 이산화황과 물 등, 각 종류별로 다양하게 분해된다.
공소화합물인 트리메칠아민은 나이트로메테인, 이산화탄소, 오존, 물로 분해된다.
냄새물질에 대한 자세한 내용은 #참조.
4.2. 활성탄처리
활성탄이란 흡착과정을 통해 유기화합물을 액체 및 기체에서 제거하는 다공성 물질이다. 활성탄은 입상 활성탄, 분말활성탄, 펠렛 형태 활성탄이 있다.4.2.1. 분말활성탄
분말활성탄은 입경이 0.1mm 보다 작아 상수도에 주로 사용된다. 곰팡이 냄새 제거, 계면활성제, 농약 제거, 화학물질 유출사고 대비용으로 쓰이기도 한다. 정수처리 과정에서, 접촉시간과 접촉효율을 높이기 위해 분말활성탄을 원수에 주입하는데, 그 이후 제거 대상물질을 흡착한 분말활성탄은 응집침전, 모래 여과처리에 의해 현탁물질과 함께 제거된다.4.2.2. 입상활성탄
입상활성탄 처리는 고정층 방식과 유동층 방식이 있으며, 활성탄을 충전하는 흡착지의 면적은 보통 약 50~150㎡, 활성탄의 크기는 고정층 방식으로 응집 침전지 뒤에 설치할 경우 1.2㎜ 정도, 급속 모래 여과장치 뒤에 설치할 경우 0.55~0.8㎜이고, 유동층 방식에는 다소 작은 0.3~0.5㎜의 입자가 사용되고 있다.염소처리 한 처리수의 THM, 곰팡이냄새, 색도 등을 흡착 제거하기 위해서 입상 활성탄으로 처리하며, 흡착력을 최대한으로 높이기 위해 앞선 정수처리 과정에서 에서 현탁물질이나 일부 용해성 유기물을 제거한 다음 활성탄으로 처리하는 일이 많다.
4.3. 고도산화처리
고도산화처리공정(AOP, Advanced Oxidation Process)은 자외선, 오존, 과산화수소, 광촉매 등을 융합시켜 산화력이 강한 산화물인 수산화 라디칼(OH Radical) 등을 대량으로 생산시켜 병원성 미생물의 억제, 대장균 살균, 유기물질과 악취를 제거하는 공정이다.수산화리다칼을 발생시키는 방법에 따라 다양한 고도산화기술들이 존재하는데, 화학제 및 촉매를 활용하는 기술, 광화학적 방법을 활용하는 기술, 전기에너지를 활용하는 기술 등이 존재한다.
4.3.1. 펜톤산화 기술
펜톤산화 기술은 펜톤반응 (Fenton reaction)을 통해 수산화라디칼을 발생시키고 이를 수처리(주로 난분해성 유기폐수 처리)에 활용하는 기술을 말한다.Fenton 산화공법은 폐수 중에 함유된 COD 및 색도 성분 등 난분해성 유기물질을 용이하게 분해시킴으로서, 그 응용범위가 염색폐수 뿐만 아니라 축산폐수, 펄프제지공업 및 석유화학공업 폐수 등에 광범위하게 적용시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 Fenton 시약이라고 불리는 과산화수소와 철염을 사용하므로, 폐수 중에 난분해성물질을 제거하기 위하여 과량의 과산화수소와 철염을 사용함으로 인하여 소요 약품비용의 증가로 폐수처리 비용이 상승하게 된다.
난분해성 유기물을 분해시키고자 할 때에는, 일반적으로 고급산화법이 사용되고 있다. 고급 산화법에서 사용하고 있는 산화제로는 일반적으로 오존, 과산화수소, 과망간산칼륨, 염소, 차아염소산 나트륨, 이산화염소 등이 있다. 이 중에서 과산화수소는 현장에서 취급과 저장이 용이하며 다양한 유기물과의 반응성이 좋고 이차적인 오염물질을 생성시키지 않는 이점이 있다.
4.4. 막여과 공정
막여과 공정이란, 혼합물을 막의 물리화학적 특성을 사용하여 분자상태의 물질을 분리시키는 여과방법이다.막은 이동하는 유체에 집중된 저항을 가하는데, 이 저항은 물질에 따라 다르게 적용되므로 이동속도에 차이가 발생하여 두 상의 분리가 발생한다.
막여과 공정은 그 과정에서 오염물질의 분리 시 물의 상변화를 수반하지 않으며 압력차를 구동력으로 하여 높은 분리특성을 얻을 수 있으므로 에너지를 절약할 수 있는 분리기술이다. 침지형 분리막과 외장형 분리막으로 나뉜다.
4.4.1. 침지형 분리막
침지형 분리막 공정(EG-MBR System/MBR(Membrance Bio Reactor))은 미생물의 침강성에 의존하는 기존 생물학적 공정의 단점을 개선하여 생물반응조에 중공사막을 침지하여 미생물과 처리수를 고액분리한다.높은 막충진율로 설치면적이 좁으며, 뛰어난 처리수질과 저렴한 설치비로 중수처리시설에 적합하다는 특징을 가지고 있다.
5. 현황
5.1. 해외서의 현황
5.1.1. 미국
환경보호청 주도로 최적처리기술(BAT)을 설정하여 원수의 수질에 대응하는 고도정수처리기술의 연구 개발이 적극적으로 시행되어 현장에 적용하고 있다.5.1.2. 일본
일본의 경우에는 수십년전부터 지방자치단체별로 오존처리 및 활성탄처리를 이용해서 고도정수처리 시설을 운영해 왔다.5.1.3. 유럽
과거 산업혁명으로 인해 수질 오염이 심각했던 유럽에서는 100년 전부터 맛이나 냄새문제를 해결하기 위해서 오존처리를 해왔고 근래에 오존과 생물할성탄 처리기법을 매우 발전시켜 현재 상당한 know-how를 보유하고 있다.5.2. 국내서의 현황
5.2.1. 한강수계
한강수계에 고도정수공정이 도입된 곳은 인천의 부평정수장과 원주 제 2정수장, 동두천정수장등으로 각 정수장의 설계 및 제원을 보면 다음과 같다. 인천의 부평정수장의 경우에는 현재 총 시설용량 500,0000 톤/일 중 130,000톤/일의 용량을 활성탄공정을 이용해서 운전하고 있는 실정이다. 원주 제 2정수장의 경우에는 총 95,000 톤/일을 생산하고 그중에서 85,000 톤/일은 생활용수로 10,000 톤/일은 공업용수로 사용하고 있다. 또한 동두천 정수장의 경우에는 유입원수의 암모니아성 질소의 농도가 매우 높은 편이어서 전염소 처리시설을 갖추고 있으며 이것은 겨울철에 BAC공정의 제거율 저하를 보완한 처리공정이라고 볼 수 있다.5.2.2. 낙동강수계
낙동강수계는 원수수질이 정수로 이용되고 있는 수계 중 가장 심각하며 가장 빨리 고도정수시설이 도입되었으며 국내에서 고도정수시설이 가장 발달해있는 곳이기도 하다. 1988년 부산 화명정수장에 오존공정을 도입했으며,부산 덕산정수장, 부산 화명정수장 ,부산 명장정수장, 마산 칠서정수장, 대구매곡, 두류정수장 등은 이미 고도정수시설을 도입하여 운전 중에 있으며 마산, 칠서정수장과 김해의 삼계정수장의 경우에는 처리용량은 각각 400,000톤/일와 105,000 톤/일이며 이들 정수장은 오존처리시설이 없이 활성탄공정으로만 운영되고 있다5.2.3. 금강수계
금강수계에서는 군산 제 2정수장과 공주 옥룡정수장에 고도정수처리시설이 도입되어있고 특히 군산 제 2정수장의 경우에는 암모니아성 질소가 문제가 되어 전염소처리와 분말 활성탄시설, 입상 활성탄시설을 도입하고 운영하는 중이다. 그리고 공주의 옥룡정수장에서는 후오존공정과 입상활성탄 공정을 도입하였다5.2.4. 영산강수계
영산강수계에서는 대불정수장이 49,000 m3/day의 용량을 오존처리시설이 없는 활성탄 처리시설로 현재 처리하고 있다. 원래는 영산강의 수질이 너무 심각하여 취수를 하지않았으나 2023년 광주 지역의 가뭄이 심각해져 긴급하게 식수로 사용한 전적이 있다.6. 전망
최근들어 기존의 정수처리 기술이 보급된 선진국에서도 산업화로 인한 기후변화와 환경오염이 점차 심해지면서 안전한 식수 확보가 어려워지고있는 현 시점에서 깨끗한 식수 확보를 위한 정수처리 기술의 중요성이 올라가고 있고, 이에 따라 고도정수처리 기술의 수요가 점점 상승하는것으로 보아 고도정수처리 기술의 전망은 뚜렷해보인다.
[1]
고도정수처리보다 정수 과정이 단순하다. 착수정, 약품저장 및 투입시설, 약품혼화, 응집(플록 형성), 침전, 급속여과 및 소독공정의 과정을 거친다.