정수처리 효율 향상을 위한 강화 생물활성탄 공정의 적용

손희종(Heejong Son),정은영(Eun-Young Jung),염훈식(Hoon-Sik Yoom),김상구(Sang-Goo Kim),맹승규(Sung Kyu Maeng) 대한환경공학회 2020 대한환경공학회지 Vol.42 No.6

목적 : 본 연구에서는 기존 BAC (biological activated carbon) 공정과 인과 과산화수소를 투입하는 강화 BAC 공정에서의 부착 생물막의 특성과 BDOC (biodegradable dissolved organic carbon) 제거능을 낙동강 하류에 위치한 pilot-plant에서 동일한 운전조건으로 비교하였다. 낙동강 하류에 위치한 대규모 정수장들의 노후화된 O₃/BAC 공정의 운전효율 증대를 위한 적용가능성을 평가하였다. 방법 : 낙동강 하류에 위치한 정수장의 O₃/BAC 공정에서 2년 사용한 활성탄을 채집하여 사용하였다. 실험기간 동안 후오존은 1 mg・O₃/mg・DOC로 고정하여 투입하였다. BAC 공정 시스템은 내경 20 cm, 높이 250 cm의 아크릴컬럼 4개를 사용하였다. 공탑체류시간은 20분으로 고정하여 운전하였으며, 역세척은 주 1회 실시하였다. 4개의 BAC 컬럼들은 기존 BAC (control-BAC), 과산화수소를 투입한 강화 BAC (H₂O₂+BAC), 인을 투입한 강화 BAC(PO₄-P+BAC) 및 인과 과산화수소를 함께 투입한 강화 BAC (PO₄-P+H₂O₂+BAC)이다. PO₄-P를 투입한 강화 BAC 의 경우 유입수에 0.010 mg/L의 농도로 PO₄-P를 추가로 보충하였으며, H₂O₂를 투입한 BAC에서는 H₂O₂를 유입수에 1 mg/L의 농도로 투입하였다. 결과 및 토의 : 손상된 생물막의 회복능을 평가한 결과, H₂O₂+BAC에서는 control-BAC와 비교하여 생체량 회복율에 차이가 없었으나 PO₄-P+BAC에서는 생체량이 빠르게 회복되었다. 유기물 제거능이 정상상태 도달한 이후의 부착 생물막의 생체량과 활성도를 평가한 결과, PO₄-P+BAC에서는 control-BAC에 비해 전 여층에서 생체량과 활성도가 각각 20~86% 및 7~14% 정도 증가하였으며, H₂O₂+BAC에서는 활성도만 3~11% 정도 증대되었다. PO₄-P+H₂O₂+BAC에서는 생체량 및 활성도가 각각 27~87% 및 8~20% 정도 높게 나타났다. H₂O₂+BAC에서는 control-BAC에 비하여 BDOC 제거율이 20% 정도 높게 나타났으며, PO₄-P+BAC에서는 BDOC 제거율이 100% 이상 증대되었다. Control-BAC 유출수 중의 탈리된 총 세균수(total cell counts, TCC)는 평균 41.7×10<SUP>6</SUP> cells/mL이었으며, H₂O₂+BAC에서는 control-BAC와 비교하여 TCC가 49% 정도 감소하였고, PO₄-P+BAC와 PO₄-P+H₂O₂+BAC에서는 각각 67% 및 85% 정도 감소하여 강화 BAC 공정의 생물막이 control-BAC에 비하여 더 안정적으로 평가되었다. 결론 : 생물학적 처리공정의 일종인 BAC 공정에서 부착 생물막의 생체량과 활성도는 오염물질 제거능을 결정하는 중요 인자들 중 하나이다. PO₄-P와 H₂O₂를 투입한 강화 BAC 공정은 부착 생물막의 생체량과 활성도 증진에 매우 효과적이었다. H₂O₂에 비하여 PO₄-P를 투입한 강화 BAC 공정이 생물막의 생체량, BDOC 제거율 및 생물막의 안정도 측면에서 더욱 효과적인 것으로 나타났다. PO₄-P만 투입한 경우에 비해 PO₄-P와 H₂O₂를 함께 투입한 강화 BAC에서는 소폭으로 추가적인 효율 상승이 나타났다 Objectives : In this study, we compared the properties of the attached biofilm with the ability to remove biodegradable dissolved organic carbon (BDOC) in the conventional BAC (biologically activated carbon) process and the enhanced BAC process with phosphorus and hydrogen peroxide added. The enhanced BAC process was designed to increase the operational efficiency of the old O₃/BAC process by evaluating the applicability of large-scale water treatment facilities located downstream of the Nakdong River. Methods : The granular activated carbon which was used for 2 years in the O₃/BAC process in the water treatment plant located downstream of the Nakdong River was used in this experiment. During the experiment period, the ozone dosage was fixed at 1 mg・O₃/mg・DOC. Four acrylic columns with an inner diameter of 20 cm and a height of 250 cm were prepared. Empty bed contact time (EBCT) was fixed at 20 minutes and backwash was performed once a week. The four BAC columns are conventional BAC (control-BAC), enhanced BAC with hydrogen peroxide (H₂O₂+BAC), enhanced BAC with phosphorus (PO₄-P+BAC), and enhanced BAC with phosphorus and hydrogen peroxide together (PO₄-P+H₂O₂+BAC). In the case of enhanced BAC with PO₄-P added, PO₄-P was added with a concentration of 0.010 mg/L in the influent, and in BAC with H₂O₂, H₂O₂ was added with a concentration of 1 mg/L to the influent. Results and Discussion : As a result of evaluating the recovery ability of the damaged biofilm, there was no difference in the biomass recovery rate in the H₂O₂+BAC compared to the control-BAC, but the biomass was rapidly recovered in the PO₄-P+BAC. Considered the biomass and activity of the attached biofilm after the ability to remove organic substances reached a steady state, the biomass and activity in the entire filter layer of the PO₄-P+BAC increased by 20 to 86% and 7 to 14%, respectively, compared to the control-BAC. In the H₂O₂+BAC, only the activity increased by 3~11% and In the PO₄-P+H₂O₂+BAC, biomass and activity were high, about 27 to 87% and 8 to 20%, respectively. In the H₂O₂+BAC, the BDOC removal rate was higher than the control-BAC by 20%, and in the PO₄-P+BAC, the BDOC removal rate increased by more than 100%. Detached total cell counts (TCC) in the control-BAC effluent was 41.7×106 cells/mL on average, and in the H₂O₂+BAC, TCC was reduced by 49% compared to control-BAC and decreased by 67% and 85% in the PO₄-P+BAC and the PO₄-P+H₂O₂+BAC effluent. It means the biofilm of the enhanced BAC process was evaluated more stably than control-BAC. Conclusions : The biomass and the activity of the attached biofilm in the BAC process, are one of the important factors that determine the ability to remove contaminants. The enhanced BAC process combined PO₄-P with H₂O₂ was very effective in enhancing the biomass and the activity of the attached biofilm. The PO₄-P added enhanced BAC was more effective in terms of biomass, BDOC removal rate, and biofilm stability than the H₂O₂ added enhanced BAC. The enhanced BAC combined PO₄-P with H₂O₂ showed a slight increase additional efficiency compared to the PO₄-P added BAC.

재생횟수 증가에 따른 활성탄의 세공구조 변화가 천연유기물질 흡착에 미치는 영향: 세공크기와 천연유기물질 분자량

손희종(Heejong Son),최상기(Sangki Choi),안병렬(Byungryul An),이혜진(Hyejin Lee),염훈식(Hoon-Sik Yoom) 대한환경공학회 2021 대한환경공학회지 Vol.43 No.7

목적: 입상활성탄의 재생횟수 증가가 천연유기물질(natural organic matter, NOM) 흡착능에 미치는 영향을 평가하여 한계 재생횟수 선정 및 재생탄의 효율적인 사용 방안을 모색하고자 하였다. 방법: 신탄(virgin)과 낙동강 하류의 정수장에서 2년 사용 후 열재생된 1차 재생탄(1st-Re), 2차 재생탄(2nd-Re), 3차 재생탄(3rd-Re) 및 5차 재생탄(5th-Re)에 대한 물리・화학적 특성을 평가하였다. 신탄과 1차∼5차 재생탄들의 NOM 흡착능을 평가하기 위하여 실험실 규모의 흡착 컬럼을 이용한 연속 흡착실험을 수행하였다. 유입수와 각각의 컬럼처리수 중의 NOM 농도를 LC-OCD로 분석하여 각 NOM 분획(humic substances (HS), building blocks (BB), low molecular weights organics (LMWs))들의 흡착능을 평가하였다. 결과 및 토의: 열재생에 의한 활성탄 세공 구조의 변화에 기인하여 직경 2 nm 이하의 미세세공 용적은 감소한 반면, 2 nm 이상의 중간세공 용적이 증가하였다. 신탄에서 2 nm 이하의 미세세공 구성비율은 60% 정도였으나 재생횟수가 증가할수록 점진적으로 감소하여 5차 재생탄의 2 nm 이하의 미세세공 구성비율은 23%까지 감소하였다. 반면, 2 nm 이상의 중간세공 구성비율은 신탄의 40%에서 5차 재생탄의 77%까지 재생횟수에 비례하여 증가하였다. 신탄에 비하여 재생탄들에서 DOC 흡착능은 높았으며, 재생횟수가 증가할수록 DOC 흡착능이 증진되었다. 신탄과 재생탄들에 대한 NOM 분획별 흡착능 평가결과에서 HS와 같은 고분자 NOM의 흡착능은 재생횟수가 증가할수록 1.5배∼1.7배 정도 증진되었으며, 저분자 물질인 BB와 LMWs는 재생횟수가 증가할수록 신탄 기준 78% 및 48%까지 흡착능이 감소하였다. NOM 분획들에 대한 흡착능(qe) 회복율을 신탄 기준 70%로 설정하여 한계 재생횟수를 평가한 결과, 3차 이상의 재생탄들에서는 저분자 NOM에 대한 흡착능이 크게 감소하여 신탄 기준 70%의 성능을 유지하는 재생횟수는 2차까지로 평가되었다. 재생횟수를 3차 이상으로 수행하면서 저분자 NOM (LMWs)에 대한 안정적인 흡착능을 확보하는 방안은 신탄과 3차 이상의 재생탄을 혼합하여 사용하는 방식이 타당할 것으로 판단되며, 신탄에서 유발될 수 있는 고분자 NOM (HS)에 대한 낮은 흡착능도 보완이 가능한 것으로 평가되었다. 결론: 열재생에 의한 활성탄 세공 구조의 변화에 기인하여 신탄에 비해 재생탄들에서 DOC 흡착능 높았으며, 재생횟수가 증가할수록 DOC 흡착능이 증진되었으며, 재생에 의해 중간세공의 용적이 증가하여 고분자 NOM (HS)의 흡착능이 월등히 증진되는 것으로 나타났다. 반면, 재생에 의해 미세세공은 감소하여 재생횟수 3회 이상에서는 저분자 NOM (LMWs)에 대한 흡착능이 신탄 대비 70% 이하로 감소하여 한계 재생횟수는 2차까지로 평가되었다. 3차 이상의 재생탄들과 신탄을 혼합하여 사용할 경우, 저분자 NOM (LMWs)에 대한 안정적인 흡착능을 확보하면서 신탄에서 유발될 수 있는 고분자 NOM (HS)에 대한 낮은 흡착능도 보완이 가능한 것으로 평가되었다. Objectives : The purpose of this study was to evaluate the effect of increasing the number of regeneration of granular activated carbon (GAC) on the adsorption capacity of natural organic matter (NOM), and to suggest the technical process options associated the limit number of regeneration and the efficient use of regenerated GAC. Methods : The physicochemical properties of virgin and thermally regenerated GAC were analyzed. To evaluate the NOM adsorption capacity of virgin- and regenerated-GAC, five laboratory-scale columns packed with virgin- and regenerated-GAC were used for treating effluent from pilot-scale drinking water treatment facility. The NOM concentration in the influent and the effluent treated by each column was analyzed by LC-OCD (liquid chromatography-organic carbon detector) to evaluate the adsorption capacity of each NOM fractions (humic substances (HS), building blocks (BB), low molecular weight organics (LMWs)). Results and Discussion : Due to the change in the pore structure of GAC by thermal regeneration, the volume of micropores (< 2 nm) decreased, while the volume of mesopores (> 2 nm) increased. The volume ratio of micropore in virgin-GAC was about 60%, but it gradually decreased as the number of regenerations increased, resulting that the volume ratio of micropore in the 5th-regenerated (5th-Re) GAC decreased to 23%. On the other hand, the volume ratio of mesopore increased in proportion to the number of regenerations from 40% of the virgin GAC to 77% of the 5th-Re-GAC. The DOC adsorption capacities of the regenerated GACs were higher than that of virgin GAC, and the DOC adsorption capacity increased as the number of regenerations increased. As a result of comparing the adsorption capacity of virgin- and regenerated-GAC by NOM fractions, the adsorption capacity of high molecular weight NOM, such as HS, increased by 1.5 to 1.7 times as the number of regenerations increased. In contrast, the adsorption capacity of low molecular weight NOM, such as BB and LMWs, decreased by 78% and 48% as the number of regeneration increased. The limit number of regeneration was evaluated based on that the adsorption capacity (qe) of each NOM fractions keep over than 70% relative to its virgin GAC. As a result, the adsorption capacity for low molecular weight NOM was greatly reduced in GAC regenerated over than 3rd time, so that the 2nd-Re-GAC was valid to keep 70% removal of whole NOM fractions. Low adsorption of low molecular weight NOM (BB and LMWs) by 3rd-Re-GAC could be complemented by using together with virgin-GAC, and low adsorption of high molecular NOMs (HS) could be compensated as well. Conclusions : Due to the change in the pore structure of GAC by thermal regeneration, the DOC adsorption capacity was higher in regenerated GAC than its virgin-GAC, and the adsorption capacity of DOC and high molecular weight NOM (HS) was enhanced as the number of regenerations increased. On the other hand, the pore volume of micropore was reduced by regenerations, and in more than 3rd times regenerations, the adsorption capacity of low molecular weight NOMs (BB and LMWs) was reduced by less than 70% compared to its virgin GAC, so that 2nd-Re-GAC was suggested for suitable GAC. When using a mixture of virgin- and 3rd-Re-GAC, low adsorption of low molecular weight NOM (BB and LMWs) by 3rd-Re-GAC could be complemented by using together with virgin-GAC, and low adsorption of high molecular NOMs (HS) could be compensated as well.

LC-OCD-OND를 이용한 정수처리용 GAC 흡착공정에서 용존유기물질 제거특성 평가

손희종(Heejong Son),염훈식(Hoon-Sik Yoom),서창동(Chang-Dong Seo),김상구(Sang-Goo Kim),김용순(Yong-Soon Kim) 대한환경공학회 2020 대한환경공학회지 Vol.42 No.5

목적 : 본 연구에서는 입상활성탄(granular activated carbon, GAC) 흡착공정에서 활성탄의 다양한 특성에 따른 NOM 분획별 흡착 및 파과 특성을 평가하기 위하여 liquid chromatograph-organic carbon detector-organic nitrogen detector (LC-OCD-OND)를 이용하였으며, NOM 분획별(biopolymers (BP), humic substances (HS), building blocks (BB), low molecular weight (LMW) 유기물질) 파과 특성을 평가하여 활성탄의 특성이 NOM 흡착에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 방법 : 본 연구에서는 석탄계, 야자계 및 목탄계 재질 활성탄들을 충진한 실험실 규모의 GAC 흡착컬럼을 이용하여 NOM 분획별(BP, HS, BB 및 LMW-O)로 파과 특성, 흡착용량 및 분배계수를 평가하였다. 실험실 규모의 GAC 흡착컬럼은 공탑체류시간 10분으로 고정하여 운전하였다. 활성탄 재질별 공극 특성은 automated gas sorption analyzer (Autosorb iQ3, Quantachrome, USA)를 이용 평가하였으며, 유입수와 유출수 중의 NOM 분획들의 농도는 크기 배제 크로마토그래피인 LC-OCD-OND (Model 8, DOC-Labor, Germany)를 이용하여 분석하였다. 결과 및 토의 : 실험실 규모의 GAC 흡착컬럼에서 다양한 재질의 GAC에 대해 NOM 흡착능을 평가하였다. 운전기간에 따른 개별 NOM 분획의 흡착 거동을 연구하기 위해, LC-OCD-OND을 이용하여 BP, HS, BB 및 LMW-O 로 분별하고, NOM 분획들을 정량화하였다. 고분자인 BP는 GAC에는 흡착되지 않았으며, 대조적으로, HS, BB 및 LMW-O는 초기에 양호하게 제거되었으나 운전기간 증가에 따라 유출수 중의 농도는 pseudo steady-state에 도달할 때까지 점진적으로 증가하였다. GAC 흡착에서 BP의 불량한 제거는 큰 분자량인 BP가 GAC pore를 blocking하여 세공으로 접근이 차단된 결과일 수 있다. 그러나 HS, BB 및 LMW-O의 경우, 분자 크기가 감소함에 따라 GAC 내부 세공으로의 접근이 용이해져 이들 NOM 분획의 흡착능이 분자량에 비례하여 증가한 것을 분배계수를 통하여 확인할 수 있었다. 또한, GAC 흡착공정에서 높은 NOM 제거 효율을 달성하려면 활성탄이 가지는 세공의 비표면적, 세공용적 및 세공의 폭이 커야 할 뿐만 아니라 pHzpc도 중성 pH 부근 이상으로 높아야 NOM 흡착능이 높게 나타났다. 결론 : GAC 흡착공정에서 높은 NOM 제거 효율을 달성하려면 활성탄이 가지는 세공의 비표면적, 세공용적 및 세공의 폭이 커야 할 뿐만 아니라 pHzpc도 중성 pH 부근 이상으로 높아야 했다. 또한, NOM 분획들에서는 BP가 GAC에 흡착되지 않은 반면, 나머지 NOM 분획의 흡착능은 NOM 분획들의 분자량이 감소함에 따라 증가하였다. LMW-O가 가장 많이 흡착되었고, 다음으로 BB, HS, BP 순으로 나타났다. BP와 HS는 국내・외 정수장에 많이 도입되어 있는 membrane의 오염에 있어서 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 GAC 공정의 흡착 메카니즘으로는 BP가 제거되지 않았음을 보여주었다. 또한, HS는 운전 초기에는 흡착 제거되었으나 운전 기간이 증가할수록 다른 NOM 분획들에 비해 급격히 흡착 용량이 감소하였다. 따라서 GAC 흡착공정은 membrane의 오염물질 제거를 위한 효과적인 전처리 기술이 될 것으로 기대되지는 않는다. DBPs 전구물질의 관점에서 보면 이전 연구결과에서 고분자 휴믹물질과 저분자 비휴믹 분획들에서의 DBPs 생성수율(μmol DBP/μmol C)이 유사하다는 것을 보여주었다. 따라서 GAC 흡착공정은 더 높은 비율의 저분자 NOM을 함유하는 물에서 DBP 전구물질 제어에 더 효과적임을 시사한다. Objectives : In this study, we used liquid chromatograph-organic carbon detector-organic nitrogen detector (LC-OCD-OND) to evaluate adsorption and breakthrough characteristics of NOM fractions (biopolymers (BP), humic substances (HS), building blocks (BB) and low molecular weight organic substances (LMW-O)) according to the various characteristics of the different materials of granular activated carbons (GACs). Methods : Breakthrough characteristics, adsorption capacity and partition coefficients were evaluated by NOM fractions (BP, HS, BB, and LMW-O) using a lab-scale GAC adsorption column filled with coal-, coconut- and wood-based GAC. The GAC column test was operated with 10 minutes empty bed contact time (EBCT). The pore characteristics of each GAC were evaluated using an automated gas sorption analyzer (Autosorb iQ3, Quantachrome, USA) and the concentrations of NOM fractions in the influent and effluent were analyzed using chromatography LC-OCD-OND (Model 8, DOC-Labor, Germany). Results and Discussion : NOM adsorption capacity was evaluated for different materials of laboratory scale GAC adsorption column test. To study the adsorption behavior of individual NOM fractions according to the operation time, NOM was fractionated into BP, HS, BB and LMW-O by LC-OCD-OND, and the individual NOM fractions were quantified. Higher MW like BP was not adsorbed to GAC, in contrast, HS, BB, and LMW-O were well removed during the initial operation period, the concentrations in the effluent gradually increased as increase the operation period until reaching to the pseudo steady-state. Poor removal of BP in GAC adsorption may be a result of blocking the pores with large MW BP and hinder the access to the pores. However, in the case of HS, BB, and LMW-O, as the molecular size decreased, these organic matters easily access to the pores inside of GAC. It was confirmed through the partition coefficient that the adsorption capacity of these NOM fractions increased in proportion to the MW. In addition, in order to achieve a high NOM removal efficiency in the GAC adsorption process, not only the specific surface area, pore volume, and pore width of the GAC must be large, but also the pHzpc must be higher than the neutral pH level. Conclusions : In order to achieve a high NOM removal efficiency in the GAC adsorption process, not only the specific surface area, pore volume, and pore width of the GAC must be large, but also the pHzpc must be higher than the neutral pH level. In addition, in the NOM fractions, BP were not adsorbed to GAC, while the adsorption capacity of the remaining NOM fractions increased as the MW of the NOM fractions decreased. LMW-O was the most adsorbed, followed by BB, HS and BP. BP and HS play an important role in the membrane fouling that are introduced a lot into domestic and foreign water treatment plants. This study showed that the BP was not removed by the adsorption mechanism of the GAC process. In addition, HS was adsorbed and removed at the beginning of the operation, but the adsorption capacity of HS decreased rapidly as the operation period increased compared to other NOM fractions. Therefore, the GAC adsorption process is not expected to be an effective pre-treatment technology for reducing membrane foulants. Previous studies showed that the yields of DBPs (μmol・DBP/μmol・C) in the high MW humic and low MW non-humic fractions are similar. Therefore, it is suggested that the GAC adsorption process is more effective for DBP precursor control in water containing a larger percentage of LMW NOM.

생물활성탄 공정에서 과산화수소와 인산염 투입이 바이오폴리머 생성 및 손실 수두 변화에 미치는 영향

손희종(Heejong Son),정은영(Eun-Young Jung),김희영(Hee-Young Kim),김상구(Sang-Goo Kim) 대한환경공학회 2020 대한환경공학회지 Vol.42 No.12

목적:인산염과 과산화수소 투입 유무에 따른 생물활성탄(biological activated carbon, BAC) 공정 유출수 중의 biopolymers 농도 및 BAC 공정 여층의 손실 수두 변화를 평가하여 보다 효율적인 BAC 공정의 운전 방안을 제시하고자 하였다. 방법: BAC 공정 시스템은 내경 20 cm, 높이 250 cm의 아크릴 컬럼 4개를 사용하여 공탑 체류시간은 20분, 역세척은 주 1회 실시하였다. 실험기간 동안 후오존은 1 mg·O₃/mg·DOC로 고정하여 투입하였다. 4개의 BAC 컬럼들은 기존 BAC (control-BAC), 인을 투입한 강화 BAC (PO₄-P+BAC), 과산화수소를 투입한 강화 BAC (H₂O₂+BAC) 및 인과 과산화수소를 함께 투입한 강화 BAC (PO₄-P+H₂O₂+BAC)이다. PO₄-P를 투입한 강화 BAC의 경우 유입수에 0.010 mg/L의 농도로 PO4-P를 추가로 보충하였으며, H₂O₂를 투입한 BAC에서는 H₂O₂를 유입수에 1 mg/L의 농도로 투입하였다. 결과 및 토의: 수온의 변화에 따른 control-BAC에서의 평균 손실 수두는 4.4 cm (25~28℃)~7.7 cm (8~12℃)였으며, PO₄-P+BAC, H₂O₂+BAC 및 PO₄-P+H₂O₂+BAC에서는 각각 3.9 cm~5.8 cm, 2.5 cm~3.5 cm 및 2.6 cm~3.5 cm로 나타났다. 인과 과산화수소의 투입으로 손실수두가 저감되었다. 수온이 낮은 시기에 control-BAC에서는 biopolymers (BP) 성분의 유출농도가 유입농도보다 높게 나타나 생물막에서 다량의 EPS (extracellular polymeric substances)가 생성되어 유출되는 것으로 나타났다. Control-BAC에 비하여 PO₄-P+BAC, H₂O₂+BAC 및 PO₄-P+H₂O₂+BAC에서는 수온 8~12℃ 기간에 BP의 잔존비(Cout/Cin)가 36~57% 정도 낮았다. BP 잔존비의 경우, 수온이 낮을수록 높게 나타났고, 수온이 상승할수록 점진적으로 감소하였다. 이러한 결과는 control-BAC와 강화 BAC 공정들에서의 손실 수두 변화결과와 매우 유사하였고, BP 농도 잔존비와 손실 수두는 매우 높은 상관관계(r²=0.82~0.87)를 나타내었다. 운전기간 동안의 생물막 안정도 평가를 위해 BAC 처리수 중의 평균 총 박테리아 개체수(total cell counts, TCC)를 조사한 결과, control-BAC, PO₄-P+BAC, H₂O₂+BAC 및 PO₄-P+H₂O₂+BAC 공정에서 각각 46.8×10<SUP>6</SUP> cells, 30.3×10<SUP>6</SUP> cells, 21.8×10<SUP>6</SUP> cells 및 18.8×10<SUP>6</SUP> cells로 나타나 control-BAC에 비해 강화 BAC 공정들 유출수에서 35~60% 정도 낮게 나타났다. 또한, TCC 중에서 활성 박테리아 개체수(live cell count, LCC) 비(LCC/TCC)의 경우도 control-BAC의 0.53에 비해 강화 BAC 공정들에서는 0.84~0.89 범위로 나타나 강화 BAC 공정들의 부착 생물막의 안정도가 높은 것으로 조사되었다. 결론: 운전기간 동안 기존 BAC (control-BAC) 공정에 비하여 인과 과산화수소를 투입한 강화 BAC 공정들에서 손실 수두 저감효과가 뚜렷하게 나타났다. 특히, 인을 투입한 경우보다 과산화수소를 투입한 경우에 손실 수두 저감효과가 높았다. 저수온기에 강화 BAC 공정들에 비하여 control-BAC에서의 급격한 손실 수두 증가는 생물막에서의 다량의 EPS 생성으로 인한 결과이며, 인이나 과산화수소 투입으로 부착 생물막의 안정도(stability) 향상 및 EPS 생성량을 저감시켜 손실 수두를 감소시킬 수 있었다. Objectives : The purpose of this study was to suggest a more efficient operation condition for the BAC (biological activated carbon) process by evaluating the change in the concentration of biopolymers in the effluent of the BAC process and the head loss of the BAC filter layer according to phosphate (PO₄-P) and hydrogen peroxide (H₂O₂) input. Methods : During the experiment period (Feb. to Aug. 2020), the O₃ dosage was fixed at 1 mg·O₃/mg·DOC. Four columns with an inner diameter of 20 cm and a height of 250 cm were prepared. Empty bed contact time (EBCT) was fixed at 20 minutes and backwash was performed once a week. The four BAC columns are conventional BAC (control-BAC), enhanced BAC with hydrogen peroxide (H₂O₂+BAC), enhanced BAC with phosphate (PO₄-P+BAC), and enhanced BAC with phosphate and hydrogen peroxide together (PO₄-P+H₂O₂+BAC). In the case of enhanced BAC with PO₄-P added, PO₄-P was added with a concentration of 0.010 mg/L in the influent, and in BAC with H₂O₂, H₂O₂ was added with a concentration of 1 mg/L to the influent. Results and Discussion : According to the change of water temperature, the average head loss in control-BAC was 4.4 (25~28℃)~7.7 cm (8~12℃). In addition, PO₄-P+BAC, H₂O₂+BAC and PO₄-P+H₂O₂+BAC were 3.9~5.8 cm, 2.5~3.5 cm, and 2.6~3.5 cm, respectively. The head loss was reduced by the input of PO₄-P and H₂O₂. During the low water temperature period, in control-BAC, the effluent biopolymers (BP) concentration was higher than the influent concentration, indicating that a large amount of EPS (extracellular polymeric substances) was produced and released from the attached biofilm. In PO₄-P+BAC, H₂O₂+BAC and PO₄-P+H₂O₂+BAC processes, the BP concentration ratio (Cout/Cin) was about 36~57% lower than that of the control-BAC during the low water temperature period. The BP concentration ratio was high when the water temperature (8~12℃) was low, and the BP concentration ratio gradually decreased as the water temperature increased. These results were very similar to those of the head loss change in the control-BAC process and the enhanced BAC process, and the BP concentration ratio and the head loss showed a very high correlation (r²=0.82~0.87). To evaluate the stability of the biofilm during the operation period, the total cell counts (TCC) in BAC treated waters were investigated. In control-BAC, PO₄-P+BAC, H₂O₂+BAC and PO₄-P+H₂O₂+BAC process, the average TCC was 46.8×10<SUP>6</SUP> cells, 30.3×10<SUP>6</SUP> cells, 21.8×10<SUP>6</SUP> cells, and 18.8×10<SUP>6</SUP> cells, respectively. Compared to the control-BAC, it was found to be 35~60% lower in the enhanced BAC processes. In addition, live cell count (LCC) ratio (LCC/TCC) was 0.84~0.89 in the enhanced BAC processes compared to 0.53 in the control-BAC. These results indicate that the biofilm stability of the enhanced BAC processes is higher than that of control-BAC. Conclusions : During the experiment, compared to the conventional BAC process, the enhanced BAC processes in which PO₄-P and H₂O₂ were added showed a clear effect of reducing the head loss. In particular, the effect of reducing the head loss was higher when H₂O₂ was added than when PO₄-P was added. A rapid head loss increase occurred in the conventional BAC process compared to the enhanced BAC processes in the low water temperature season is the result of the production of large amounts of EPS in the attached biofilm. The input of PO₄-P or H₂O₂ reduces the head loss by improving the stability of the attached biofilm and reducing EPS production.

하수 유래 미량오염물질 현황과 관리 방안 고찰

최상기,이웅배,김영모,홍석원,손희종,이윤호,Choi, Sangki,Lee, Woongbae,Kim, Young-Mo,Hong, Seok-Won,Son, Heejong,Lee, Yunho 대한상하수도학회 2021 상하수도학회지 Vol.35 No.3

Due to the large-scale production and use of synthetic chemicals in industralized countries, various chemicals are found in the aquatic environment, which are often termed as micropollutants. Effluents of municipal wastewater treatment plants (WWTPs) have been identified as one of the major sources of these micropollutants. In this article, the current status of occurrence and removal of micropollutants in WWTPs and their management policies and options in domestic and foregin countries were critically reviewed. A large number of pharmaceuticals, personal care products, and industrial chemicals are found in WWTPs' influent, and are only partially removed by current biological wastewater treatment processes. As a result, some micropollutants are present in WWTPs' effluents, which can negatively affect receiving water quality or drinking water source. To better understand and assess the potential risk of micropollutants, a systematic monitoring framework including advanced analytical tools such as high resolution mass spectrometry and bioanalytical methods is needed. Some Western European countries are taking proactive approach to controlling the micropollutants by upgrading WWTP with enahnced effluent treatment processes. While this enahnced WWTP effluent treatment appears to be a viable option for controlling micropollutant, its implementation requires careful consideration of the technical, economical, political, and cultural issues of all stakeholders.

In vitro bioassay 기법을 활용한 실규모 하수처리장 공정별 생물독성 평가

최예균(Yegyun Choi),손희종(Heejong Son),정은영(Eun-Young Jung),서창동(Chang-Dong Seo),이유진(Yujin Lee),송복주(Bokjoo Song),이윤호(Yunho Lee) 대한환경공학회 2021 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2021 No.11

정수처리 공정에서 오존 및 UV/H₂O₂ 시스템 적용 시의 할로겐화 메틸파라벤류의 제거특성 파악

이우림(Woorim Lee),손희종(Heejong Son),이윤호(Yunho Lee) 대한환경공학회 2020 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2020 No.11

하수방류수 오존처리에서 과산화수소 주입이 미량오염물질 제거, 소독, 부산물 생성에 미치는 영향

이웅배(Woongbae Lee),이윤호(Yunho Lee),손희종(Heejong Son),조민(Min Cho) 대한환경공학회 2021 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2021 No.11

낙동강 하류의 정수처리 공정에서 Haloacetamides 생성 및 거동: 하절기와 동절기 비교

유정문(Jungmoon Ryu),설현주(Hyunjoo Seol),손희종(Heejong Son) 대한환경공학회 2022 대한환경공학회지 Vol.44 No.4

목적: 낙동강 하류에 위치한 정수장의 정수처리 공정별로 질소계 소독부산물인 haloacetamides 생성 특성과 거동을 하절기와 동절기로 나누어 평가하였다. 점진적으로 강화되는 소독부산물 기준에 대비하여 정수장 운영에 대한 기초자료로 활용하고자 하였다. 방법: 낙동강 하류에 위치한 대형 정수장(180,000 m³/일)을 대상으로 하절기(7~8월)와 동절기(12~1월)에 유입 원수부터 최종 정수까지 HAcAms 7종을 모니터링 하였다. 액액추출법을 이용하여 시료를 추출하였고, HAcAms 분석에는 GC-MS/MS를 이용하였다. 결과 및 토의: 하절기와 동절기에 정수장에서 전염소 처리에 의한 HAcAms 생성농도는 각각 9.4~27.2 ㎍/L 및 1.4~3.5 ㎍/L였으며, 하절기가 동절기에 비해 7.7배 정도 높았다. HAcAms/TOX 농도비가 동절기의 0.01~0.02에 비하여 하절기에는 0.09~0.14로 나타나 전염소 처리에 의해 생성된 소독부산물 중에서의 HAcAms 구성비율이 하절기에 급격히 증가하였다. 전염소 처리에 의해 하절기에는 DCAcAm, BCAcAm, TCAcAm, DBAcAm, BDCAcAm 5종이 생성되었으며, 동절기에는 DCAcAm, BCAcAm, DBAcAm, DBCAcAm, TBAcAm 5종이 생성되었다. 전염소 처리에 의해 생성된 HAcAms 중에서 di-HAcAm종들의 비율이 하절기와 동절기에 각각 91%와 66%를 차지하였으며, DCAcAm의 생성농도가 가장 높게 나타났다. 회분식 생물분해 실험에서 HAcAms종들의 생물분해가 용이한 것으로 평가되었으며, 실험실 규모 BAC 공정(수온 20℃, EBCT 10~30분)에서 di- 및 tri-HAcAms종들의 제거율은 각각 75~99% 및 85~100%로 나타났다. 하절기와 동절기에 정수장의 BAC 공정에서 HAcAms에 대한 제거율은 평균 81%와 54%였으며, 최종 처리수에서의 HAcAm 검출농도는 하절기 1.7~2.4 ㎍/L, 동절기 0.7 ~ 1.2 ㎍/L 범위로 하절기가 동절기에 비해 2배 정도 높게 나타났다. 결론: 하절기에는 전염소 처리에 의해 HAcAms 생성농도가 동절기에 비해 높았으나 BAC 공정에서 용이하게 제거되었다. 반면 동절기에는 전염소 처리에 의해 HAcAms 생성농도는 낮았으나 BAC 공정에서의 제거율이 54% 정도로 저조하였다. 정수장에서 HAcAms의 주요 제거공정과 제거기작은 BAC 공정의 생물분해였으며, 실험실 규모로 수행된 BAC 공정 모의실험에서 HAcAms 생성농도가 높은 하절기에는 EBCT를 30분 이상으로 증가시켜 운전하면 95% 이상의 제거율을 기대할 수 있었다. Objectives : The formation characteristics and fate of haloacetamides (HAcAms), nitrogenous disinfection by-products (DBPs), were evaluated for each process in a drinking water treatment plant (DWTP) located downstream of the Nakdong River in summer and winter. In preparation for the gradually strengthening rules for DBPs, it was intended to be used as basic data for operating DWTPs. Methods : Seven HAcAms were monitored from the raw water to the clean water in the summer (Jul.∼Aug.) and winter (Dec.∼Jan.) at a large DWTP (180,000 ㎥/day) located downstream of the Nakdong River. Liquid-liquid extraction (LLE) method was used for sample extraction and GC-MS/MS was used for HAcAms analysis. Results and Discussion : The concentrations of HAcAms formed by the pre-Cl₂ treatment in the DWTP in summer and winter were 9.4~27.2 ㎍/L and 1.4~3.5 ㎍/L, respectively, and were 7.7 times higher in summer than in winter. The HAcAms/TOX concentration ratio was 0.09~0.14 in summer compared to 0.01~0.02 in winter, and the HAcAms composition ratio among DBPs formed by the pre-chlorination increased rapidly in the summer. Five species of DCAcAm, BCAcAm, TCAcAm, DBAcAm, and BDCAcAm were formed in summer by the pre-chlorination, and five species of DCAcAm, BCAcAm, DBAcAm, DBCAcAm, and TBAcAm were formed in winter. The composition ratio of di-HAcAm species accounted for 91% and 66% in summer and winter, respectively, and the DCAcAm concentration was highest compared to other HAcAms species. In the batch biodegradation experiment, it was evaluated that the biodegradation of the HAcAms species was easy, and in the laboratory scale BAC process experiment (water temp. 20℃, EBCT 10~30 min.), di- and tri-HAcAms removal rate were 75~99% and 85~100%, respectively. In summer and winter, the removal rates of HAcAms in the BAC process of the DWTP were 81% and 54% on average, respectively. The HAcAm detection concentrations in the clean water ranged from 1.7 to 2.4 ㎍/L in summer and 0.7 to 1.2 ㎍/L in winter, which was twice as high in summer as was compared to winter. Conclusion : The formation concentration of HAcAms was higher than in winter by pre-chlorination, but it was easily removed in the BAC process in summer. However, in winter, the formation concentration of HAcAms was low by pre-chlorine treatment, but the removal rate in the BAC process was as low as 54%. The main removal process and mechanism of HAcAms in the DWTP were the BAC process and biodegradation. In a lab-scale BAC process simulation, a removal rate of more tthan 95% removal efficiency could be expected with the increase of EBCT to 30 minutes when HAcAms was highly formed in summer.

강화 생물여과를 위한 인산염과 과산화수소 투입이 생물활성탄 공정의 박테리아 군집과 제거효율에 미치는 영향

정은영(Eun-Young Jung),안병렬(Byungryul An),손희종(Heejong Son) 대한환경공학회 2021 대한환경공학회지 Vol.43 No.1

목적: 인산염(PO₄-P)과 과산화수소(H₂O₂)를 투입하는 강화 BAC 공정의 향상된 유기물질 제거능과 부착 박테리아 군집과의 연관성을 평가하고자 하였다. 방법: 낙동강 하류원수를 정수처리하는 파일럿 플랜트를 이용하여 내경 20 cm, 높이 250 cm의 아크릴 컬럼 4개를 사용하여 공탑 체류시간 20분으로 운전하였다. 4개의 BAC 컬럼들은 재래식 BAC (control-BAC), 인을 투입한 강화 BAC (PO₄-P+BAC), 과산화수소를 투입한 강화 BAC (HH₂O₂+BAC) 및 인과 과산화수소를 함께 투입한 강화 BAC (PO₄-P+H₂O₂+BAC)이다. PO₄-P를 투입한 강화 BAC들의 경우, BAC 유입수에 0.010 mg/L의 농도로 PO₄-P를 추가로 보충하였으며, H₂O₂를 투입한 강화 BAC들에서는 H₂O₂를 BAC 유입수에 1 mg/L의 농도로 투입하였다. 1년 6개월 운전 후에 각 BAC 컬럼의 상부에서 활성탄을 채취하여 16S rRNA 앰플리콘 시퀀싱 분석을 하였다. 결과 및 토의: 강화 BAC 공정에서 장기간 투입된 인산염(PO₄-P)은 부착 박테리아의 생체량의 증가에 기여하였고, 과산화수소(H₂O₂)는 부착 박테리아의 활성도 증진에 기여하였다. 재래식 BAC 공정과 강화 BAC 공정들의 부착 박테리아 군집에서는 Proteobacteria문의 우점율이 가장 높았으며, α- 및 β-Proteobacteria강의 우점율이 높게 나타났다. 박테리아 군집 내 다양한 속(genus)들의 구성비율을 바탕으로 한 박테리아 군집 유사도의 경우, 강화 BAC들은 서로 유사하게 나타났으며, 재래식 BAC 공정과는 명확하게 구분되었다. 특히, 광범위한 유기기질들에 대해 우수한 대사능을 가진 Bradyrhizobium속, Sphingomonas속, Methylobacterium속, Sphingobium속, Belnapia속, Burkholderia 속, Polaromonas속, Desulfuromonas속들이 강화 BAC 공정들에서 높은 비율로 우점하여 재래식 BAC 공정과는 많은 차이를 나타내었다. BDOC 제거능으로 평가된 처리수의 수질의 경우도 재래식 BAC 공정에서는 처리수 중의 BDOC 농도가 0.15 mg/L 부근으로 나타나 관망에서 잔류염소 농도가 감소하면 생물학적 안전성이 위협받을 가능성이 존재한 반면, 인산염(PO₄-P)과 과산화수소(H₂O₂)를 투입한 강화 BAC 공정 처리수에서는 평균 BDOC 농도가 0.15 mg/L 미만으로 관망에서의 생물학적 안전성에 문제가 없었다. 결론: 재래식 BAC 공정에 비해 강화 BAC 공정에서는 부착 박테리아의 생체량과 활성도뿐만 아니라 유기물 제거능이 뛰어난 박테리아 속(genus)들의 구성비율이 월등히 높아 처리수의 수질도 재래식 BAC 공정에 비해 생물학적으로 안전하였다. Objectives : The correlation between the organic material removal ability of the enhanced BAC process injected by the phosphate (PO₄-P) and/or hydrogen peroxide (H₂O₂) and attached bacterial community was evaluated. Methods : As pilot plant for the purification of raw water downstream of Nakdong river, 4 acrylic columns with an inner diameter of 20 cm and a height of 250 cm were operated at an empty bed contact time of 20 minutes. The four BAC columns are as followed; conventional BAC (control-BAC), enhanced BAC with phosphorus (PO₄-P+BAC), enhanced BAC with hydrogen peroxide (H₂O₂+BAC), and enhanced BAC with phosphorus and hydrogen peroxide (PO₄-P+H₂O₂+BAC). 0.01 mg/L of PO₄-P and 1 mg/L of H₂O₂ were added in influent in the enhanced BAC, respectively. After 18 months of operation, activated carbon was collected from the top of each BAC column and 16S rRNA amplicon sequence analysis was performed. Results and Discussion : The long-term addition of PO₄-P and H₂O₂ contributes the increase of biomass and activity of attached bacteria, respectively. In the attached bacterial community of conventional and enhanced process, Proteobacteria phylum is the most dominant specie and both α-Proteobacteria class and β-Proteobacteria class are also highly present. Each enhanced BAC exhibits very high bacterial community similarity based on the composition of various genera but it is completely different with conventional BAC. In particular, Bradyrhizobium, Sphingomonas, Methylobacterium, Sphingobium, Belnapia, Burkholderia, Polaromonas, and Desulfuromonas, which have excellent metabolism functions for a wide range of organic substrates, are highly dominated in the enhanced BAC process. The concentration of Biodegradable Dissolved Organic Carbon (BDOC) is obtained close to 0.15 mg/L for conventional BAC and less than 0.15 mg/L for enhanced BAC process, respectively. In general, the higher BDOC concentration can result in reducing biostability in water supply and distribution system when the residual chlorine concentration does not meet requirements. As result, less than 0.15 mg/L BDOC accomplished by PO₄-P and H₂O₂ enhances the biostability. Conclusions : Compared to the conventional BAC process, the biomass and activity of attached bacteria and the ratio of the organization composition of the bacteria insides (genus) are considerably higher in the enhanced BAC process. These results achieve higher water quality and improve biostability.