국내 정수처리 공정의 경우, 고도정수처리 공정의 도입이 가속화되면서 그에 따라 정수장의 활성탄 수요량이 증가하는 추세이다. 활성탄 공정 도입이 증가하면서 활성탄 공정의 유지관리 기술개발에 많은 관심이 집중되고 있다. 입상 활성탄 (Granular activated carbon, GAC)의 내부 세공 표면에는 흡착제거된 오염물질이 지속적으로 축적되며, 역세척을 통한 관리를 실행하여도 처리목표물질 제거율이 현저히 저하되는 파과가 일어나므로 주기적인 재생 및 교체가 필요하다. 고비용 발생을 유발하는 기존 GAC 유지관리 방식을 해결하기 위해 본 논문에서는 GAC 처리 시설의 역세척 방식과 기존 In-situ chemical oxidation (ISCO)에 이용된 약품을 적용한 GAC 화학세정 기술을 연구했다. 본 연구를 위해 화학세정 최고 효율의 약품을 선정하고, 선정된 약품을 통한 최적화 및 대상 물질에 대한 적용 실험을 실시했으며, 실정수장 GAC를 대상으로 화학세정의 효율을 판단했다.
최적 약품을 선정하기 위해 Classical Fenton과 Hydrogen Peroxide, Potassium Permanganate와 Sodium Hypochlorite을 이용한 batch 실험을 실시했다. 인공적으로 Phenol과 Humic acid를 이용해 파과시킨 GAC를 대상으로 각 약품을 통한 화학세정 시킨 결과, Classical Fenton이 가장 좋은 효율을 나타냈다. 또한 NOM (Natural organic matter)을 통해 오염된 실정수장 GAC를 대상으로 실시한 실험 역시 Classical Fenton이 가장 좋은 효율을 나타냈다.
Batch 실험에서 가장 좋은 효율을 나타낸 Classical Fenton을 이용하여 화학세정의 효율 평가 및 최적화를 위해 Column 실험을 실시했다. Column 실험을 통해 조건별(대상 물질, 농도, 시간) 화학세정을 실시한 결과 대상 물질에 상관없이 화학세정 약품의 농도와 화학세정 시간이 중요한 요소로써 효율에 영향을 준다는 것을 알 수 있었다. 또한 Classical Fenton에 의한 화학세정은 정수처리 기준의 역세척 기준을 따르기 위해 10 min의 시간 동안 실시하려하기 때문에 10 min의 짧은 시간 동안 화학세정의 효과를 효율적으로 나타내기 위해서는 고농도의 Classical Fenton을 이용하는 것이 적합하다는 것을 확인했다.
대상 물질(Phenol, Humic acid)에 의해 파과된 GAC 실험 결과를 토대로 NOM에 의해 오염된 GAC에서도 고효율의 효과를 낼 수 있을지를 판단하기 위해 실정수장 GAC를 대상으로 Column 실험을 실시했다. 실험을 통해 유기물 특성 거동 평가와 Biomass 거동 평가를 진행했다.
유기물 특성 거동 평가에서는 DOC (Dissolved organic carbon)와 SUVA, LC-OCD (Liquid Chromatography-Organic Carbon detection), F-EEM (Fluorescence Excitation Emission Matrix) 분석을 이용했다. 유입수 및 처리수 대상 유기물 특성에서는 Classical Fenton으로 화학세정한 GAC의 흡착력이 70 % 이상 회복되었다. Classical Fenton을 통해 화학세정된 GAC는 물리적 처리 (역세척)를 한 GAC 보다 저분자의 지방족 물질 제거에도 뛰어났지만 특히 휴믹 물질 등의 고분자 물질의 제거가 상대적으로 더 뛰어났다. GAC 흡착 유기물 특성 분석을 통해서는 Classical Fenton을 이용한 화학세정이 GAC의 흡착 용존 유기물을 제거된다는 것을 확인했다. 또한 화학세정을 통해 저분자의 지방족 유기물의 제거가 고분자의 방향족 유기물보다 많이 일어났다. 그리고 Classical Fenton을 이용한 흡착 Biomass (Biopolymer, Protein-like)의 제거를 간접적으로 확인할 수 있었으며, EPS (Extracellular polymeric substances) 분석과 FE-SEM 분석을 통해 Biomass 제거 유무를 직접적으로 확인했다.
Biomass 거동 평가에서는 FCM (Flow Cytometry)을 이용한 Total cell count와 ATP (Adenosine Triphosphate)를 이용한 세포 활성도, EPS 측정을 진행했다. 유입수, 처리수 대상 분석에서는 Classical Fenton 화학세정한 GAC와 달리 물리적 처리를 거친 GAC와 실정수장 GAC를 통과한 처리수에서 GAC 내 흡착되어 있는 박테리아의 탈리 현상을 통해 세포 개체 수 및 활성도 증가를 확인했다. GAC 흡착 Biomass에서는 Classical Fenton을 이용한 화학세정을 통해 흡착 Biomass를 세포 개체 수 및 활성도, EPS 량을 통해 산화 및 탈리 제거되는 것을 확인했다.
Classical Fenton 화학세정의 수처리제 기준 평가를 요오드 흡착력과 메틸렌블루 탈색력으로 확인했다. 그 결과 Classical Fenton으로 화학세정한 GAC에서 신탄 대비 요오드 흡착력 및 메틸렌블루 탈색력에서 각각 87.8 %, 82.8 %의 고효율을 나타냈다. 이를 통해 NOM에 의해 오염된 GAC를 대상으로 Classical Fenton 화학세정이 실험실 규모의 실험에서 충분히 높은 효율을 가지며 그에 따른 기술 적용의 가능성을 확인할 수 있었다.