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실 규모 완속 모래여과 공정의 정수처리 효율 평가: 하절기와 동절기 비교
Abstract
Objectives
The objective of this study is to evaluate the feasibility of sustainable operation in a conventional full-scale slow sand filter process.
Methods
A slow sand filtration process was operated in small scale water treatment plants for valley water. The water quality such as particle matter, dissolved organic matter, the number of bacteria, and disinfection by-product (DBP) were monitored at four designated points once a week and was compared during summer (July-August) and winter season (December-January).
Results and Discussion
Although the number of particle matter in summer was higher than in winter by 39% (2.91×104 /mL), particle matter in slow sand filter process was removed by 99% regardless of season (temperature). The removal efficiency of dissolved organic carbon (DOC) and UV254 was higher in summer than in winter by 15% and 21%, respectively. In addition, concerning the organic fraction, higher molecular weight led to higher removal efficiency in the following sequence: BP (biopolymer, MW: 20,000 g/mol) > HS(humic substances, MW : 1,000~20,000 g/mol) > BB(building blocks, MW : 300~500 g/mol) > LMWs(low molecular weights, MW : 350 g/mol. The concentration of trihalomethanes (THMs) and haloacetic acids (HAAs), indicator of DBP, were detected at 12.2 and 9.4 μg/L in summer and 8.1 and 6.3 μg/L in winter, respectively, which would be considered very low concentration related to the drinking water regulation of 100 μg/L. Finally, the active bacteria was removed up to 93 and 92% in summer and winter, respectively.
Conclusion
The feasibility of a slow filtration process was evaluated to compare particle and dissolved matter in summer and winter operation. Despite a 39% increase in particle matter in summer, the removal efficiency was maintained at 98% in summer and winter. Due to the increased activation of biofilm in summer, the removal of DOC and UV254 was higher in summer than winter by 15 and 21%, respectively. The significant low concentration of THMs and HAAs, regardless of season, would be negligible. In addition, achieving over 92% removal of activated bacteria secured the biological safety. These stable operations ensure that slow filtration process is effective in controlling of water quality.
Key words: Slow Sand Filtration, Particle Matter, Dissolved Organic Matter, Water Temperature, Removal Efficiency
요약
목적
본 연구에서는 재래식 정수처리 공정으로 알려져 있는 완속 모래여과 공정의 지속적 운영 가능성 평가를 위하여 실제 정수장의 완속 모래여과지를 대상으로 오염물질 제거능을 평가하였다.
방법
계곡수를 상수원수로 이용하는 완속 모래여과지를 운영하는 소규모 정수장을 대상으로 유입수의 수질이 극명히 상반되는 하절기(7-8월, 8회)와 동절기(12-1월, 8회) 동안 입자성 물질, 용존성 유기물질, 박테리아 개체수 및 소독부산물에 대한 제거효율을 평가하였다.
결과 및 토의
하절기의 입자상 물질의 개수는 2.91×104 개/mL로 동절기 보다 39% 정도 많은 양을 나타내었으나, 완속 모래여과지에서의 제거율은 계절에 관계없이 평균 99% 정도로 유사하였다. DOC와 UV254를 이용한 용존 유기오염물질 제거율은 동절기 보다 하절기에 각각 15%와 21% 정도 높게 나타났다. 유기물질 구성성분별 제거율은 BP (biopolymer, MW: 20,000 g/mol 이상) > HS (humic substances, MW : 1,000~20,000 g/mol) > BB (building blocks, MW : 300~500 g/mol) > LMWs (low molecular weights, MW : 350 g/mol 이하) 순으로 분자량이 클수록 높은 제거율을 나타내었다. 소독부산물의 생성농도는 THMs의 경우, 하･동절기에 각각 평균 12.2 μg/L와 9.4 μg/L 였고, HAAs는 각각 8.1 μg/L와 6.3 μg/L로 나타나 하절기가 동절기에 비해 높았으나, 먹는물 수질기준의 THMs와 HAAs 기준인 100 μg/L에 비해 현저히 낮았다. 원수 대비 완속 모래여과 처리수의 활성 박테리아 평균 제거율은 하·동절기에 93%와 92%로 안정적인 제거율을 나타내었다.
결론
표준정수처리 공정인 완속 모래여과 공정의 지속적인 운영가능성을 평가하기 위해 입자성과 용존성 물질의 제거능을 평가하였다. 하･동절기 입자성 물질의 제거율은 모두 98% 이상이었으며, 하절기 입자성 물질의 부하가 증가하였음에도 안정적인 제거율을 나타내었다. 용존성 유기물질 제거효율은 완속 모래여과지 부착 생물막의 활성이 증대되는 하절기에 증가하여 동절기에 비하여 DOC와 UV254 제거율이 각각 15%와 21% 정도 더 높았다. 하･동절기의 THMs과 HAAs평균농도는 먹는물 수질 기준에 비해 현저히 낮기 때문에 고려할 필요가 없으며, 활성 박테리아 제거율도 하·동절기 각각 93%와 92%로 나타나 생물학적 안전성 확보 측면에서도 긍정적으로 평가되었다. 따라서, 안정적인 완속 모래여과 공정을 통해 수질 관리에 효과적임을 알 수 있다.
주제어: 완속 모래여과, 입자성 물질, 용존성 유기물질, 수온, 제거효율
1. 서 론
완속 모래여과 공정은 적은 에너지, 수처리 약품 소비, 간단한 운영조작 및 낮은 유지보수 비용으로 비교적 높은 수준의 음용수를 생산하기 때문에 현재까지 전 세계적으로 널리 운영되고 있다[ 1]. 완속 모래여과 공정의 원리는 유입수가 모래입자 사이로 흐르면서 유입수 중에 존재하는 입자성 물질, 유기물 및 미생물이 모래층 내에서 물리화학적 및 생물학적으로 제거되는 것이며[ 2], 완속 모래여과 공정의 우수한 수처리 효율은 대부분 모래여과지 상부 표면의 생물막 층(Schmutzdecke)에 기인한 것으로 보고되고 있다[ 3, 4]. 생물막 층의 형성은 유기물질 부하량이 높은 여과지 상단의 모래입자에 유기물질이 부착됨과 동시에 미생물이 성장하면서 여과지 표면으로의 지속적인 영양분 공급으로 부착 미생물의 지속적인 증식을 초래하여 점액질의 생물막 층을 형성한다. 물리적 여과와 흡착 기작에 의해 더 많은 양의 영양물질이 생물막 층에 갇히게 되어 생물막 층 내에 서식하는 미생물에게 지속적으로 풍부한 영양분이 공급되며, 이러한 연쇄작용은 지속적인 생체량 축적으로 이어져 생물막 층을 더욱 성숙시켜 점진적으로 처리수 수질을 향상시킨다[ 5, 6]. 성숙한 생물막 층은 탁도, 박테리아, 바이러스, 원생동물 포낭과 같은 대부분의 병원성 미생물 및 유･무기성 오염물질의 농도 저감에 효과적[ 7- 11] 이기 때문에 배･급수관망에서 염소 소독을 제외하고 미생물 재성장능을 최소화할 수 있는 정수처리 공정으로 평가된다[ 12]. 완속 모래여과 공정은 양호한 수질의 상수원 확보, 넓은 부지면적 및 느린 여과속도로 인한 적은 생산량 등의 단점[ 10]으로 인해 적용에 있어 많은 제약을 받지만 낮은 유지보수 비용과 운영의 간편성으로 상수원수 수질이 양호한 국내의 여러 소규모 정수장에서 현재까지 운영되고 있다[ 13]. 그러나 이들 정수장의 완속 모래여과지들 대부분은 노후되어 시설 개량이나 대체 공정을 모색 중이지만[ 13] 완속 모래여과 공정의 많은 장점들을 고려할 경우에 대체 가능한 공정 선정에 있어서 많은 어려움이 있다. 전 세계적인 기후변화 추세로 인해 조류(algae)의 대번성[ 14] 및 가뭄과 폭우로 인한 상수원 수질에 많은 변화를 겪는 현시점에서 고전적인 수처리 공정으로 알려져 있는 완속 모래여과 공정의 지속적인 운영이 적합한지에 대한 검토가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 실제 소규모 정수장의 완속 모래여과 공정을 대상으로 유입수의 수질이 극명히 상반되는 하절기와 동절기 두 기간 동안 여러 수질인자들에 대한 정수처리 효율을 평가하여 지속적인 운영의 적정성 여부를 평가하는 기초자료로 활용하고자 하였다.
2. 실험재료 및 방법
2.1. 실험재료
2.1.1. 모니터링 정수장
모니터링 대상 소규모 정수장은 경남 양산시에 있는 B 수원지를 상수원으로 이용하고 있는 B 정수장으로 설계 최대 생산 용량은 8,000 m3/일이지만 급수인구의 감소로 현재는 평균 2,000 m3/일 정도 생산하고 있다. B 수원지는 주변의 계곡수와 강우시 우수가 유입되어 상수원수를 구성한다.
B 정수장의 정수처리 공정은 침사지, 완속모래 여과지, 염소처리, 정수지로 구성되어져 있으며, 완속 모래여과지(길이: 41 m, 폭: 26 m, 깊이: 2.65 m, 층고: 1 m)는 총 4지로 구성되어져 있다. 여과지 내의 자갈층과 모래층 층고는 각각 20 cm와 80 cm이고, 하절기와 동절기의 평균 여과속도는 각각 0.6과 0.4 m/day였다. 연 1회 정도 여과지 마다 손실수두 발생으로 인한 생산량 저감을 방지하기 위해 생물막 층을 포함한 상층부 모래를 걷어내어 세정하는 작업을 수행하였다.
유입수와 처리수에 대한 수질 모니터링은 2021년 7월~8월(8회)과 2021년 12월~2022년 1월(8회)에 주 1회 실시하였다. 정수장 유입수(B 수원지 원수)는 착수정 유출수(S.P. 1)를 채수하였으며, 완속 모래여과 공정 유입수와 처리수는 모니터링 대상 여과지 유입수(S.P. 2)와 처리수(S.P. 3)를 채수하였다. 그리고 소독부산물 농도 분석을 위한 염소처리된 정수는 정수지 유출부(S.P. 4)에서 채수하였다. 모니터링 대상 완속 모래여과지는 유입 유량의 편차가 가장 작은 여과지를 선정하였다. 정수지의 체류시간은 하절기 10시간 정도, 동절기는 13~15시간의 범위였다. 하절기와 동절기의 평균 염소 투입농도는 각각 1.50±0.06 mg/L와 1.41±0.07 mg/L였다.
2.1.2. 유입 원수 성상
모니터링 기간 중의 착수정으로 유입되는 B 수원지 원수의 성상을 하절기와 동절기로 나누어 Table 1에 나타내었다. 하절기에는 총 입자성 물질(total particle) 개수와 용존성 유기물질(DOC)의 농도가 동절기에 비해 높았고, UV 254 (UV absorbance 254 nm) 흡광도도 동절기에 비해 하절기에 큰 폭으로 증가하여 난분해성 물질의 함량을 간접적으로 나타내는 지표인 SUVA (specific UV absorbance 254 nm) 값도 하절기가 높게 나타났다.
2.2. 실험방법
2.2.1. 입자성 물질 분석
수중에 잔존하는 입자상 물질의 분석에는 입도분석기(PSS·NICOMP, AccuSizer 780A, USA)를 사용하였으며, 시료수 1 mL를 주입하여 자동 희석모드로 분석하였다. 입자성 물질의 분석범위는 0.6~500 μm이다.
2.2.2. 용존성 유기물질 분석[15,16]
수중의 용존성 유기물질 농도 분석에는 LC-OCD (Model 8, DOC-Labor, Germany)를 이용하였다. LC-OCD는 수중에 혼재되어 있는 용존 유기물질을 biopolymers (BP), humic substances (HS), building blocks (BB), low molecular weight acids & neutrals (LMWs)로 정성･정량이 가능하며, 정량한계는 0.01 mg･C/L이다. BP는 분자량 20,000 g/mol 이상의 다당류, 단백질류 및 아미노당류로 구성되며, HS는 분자량 1,000~20,000 g/mol의 휴믹산과 펄빅산으로 구성된다. BB는 HS의 분해산물로 분자량 300~500 g/mol의 물질이며, LMWs는 분자량 350 g/mol 이하의 저분자 물질로 구성된다[ 15]. 본 연구의 DOC 농도는 BP, HS, BB 및 LMWs의 총합을 이용하였다. UV254 흡광도는 초순수로 잘 세척된 0.45 μm 멤브레인 필터(Nylon, Millipore, USA)로 여과한 여액을 UV/Visible spectrophotometer (Specord 250 plus, Jena, Germany)로 254 nm 파장에서 분석하였다. 또한, SUVA는 UV254 흡광도를 DOC 농도로 나눈 값에 100을 곱하여 환산하였다.
2.2.3. 소독부산물 분석[17]
염소 소독부산물은 trihalomethanes (THMs)과 haloacetic acids (HAAs) 두 종을 분석하였다. THMs 분석은 headspace 전처리 장치가 부착된 GC-μECD (7890A, Agilent, USA)를 사용하여 구성종 4종을 분석하였다. HAAs는 US EPA Method 552.2에 준하여 전처리한 후 GC-μECD (7890A, Agilent, USA)를 사용하여 분석하였으며, dichloroacetic acid (DCAA), trichloroacetic acid (TCAA) 및 dibromoacetic acid (DBAA) 3종의 합으로 HAAs 농도를 나타내었다.
2.2.4. 활성 박테리아 세포수 분석[18]
원수와 처리수 중의 활성 박테리아 세포수(live cell counts, LCC)는 flow cytometer (CytoFLEX, Beckman Coulter, USA)를 사용하여 분석하였다. 시료 300 μL에 SYBR 염색약(SYBRⓇ Gold nucleic acid gel stain, Invitrogen, USA) 10 μL와 50 μg/mL 농도로 조제한 PI 염색약(propidium iodide, Invitrogen, USA) 10 μL를 첨가하여 잘 혼합하고 10분간 정치반응 후에 flow cytometer로 측정하였다. SYBR 시약은 활성 세포의 두 가닥 DNA 사이에 염색되어 형광 발색되며, PI 시약은 비활성 세포의 핵에 염색되어 활성/비활성 세포가 명확히 구분된다.
2.2.5. 생물막 층 특성 분석
완속 모래여과지 생물막 층(schmutzdecke)의 특성 평가를 위해 하절기(8월)와 동절기(1월)에 모니터링 대상 완속 모래 여과지 상부 표면의 생물막 층을 채집하였다.
생물막 층의 형태학적 특성 평가를 위해 전자 주사현미경(scanning electron microscopy, SEM)과 형광 광학현미경(Zeiss, AXIO Imager Z2, Germany)을 이용하였다. 형광 현미경 관찰을 위해 Live/Dead Bac Light InvitrogenTM 염색 키트(Thermo Fisher Scientific, USA)로 염색[ 6]하여 300배의 배율로 관찰하였다. 생물막 층의 박테리아 생체량(biomass) 측정은 채집된 생물막 층 시료를 42 KHz에서 2분간 초음파 처리[ 19]하여 얻은 현탁액을 2.2.4절에 기술한 전처리법을 이용하여 활성 박테리아 세포수(LCC)로 평가하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 입자성 물질 제거능 평가
하･동절기에 완속 모래여과지 유입수에 함유된 입자성 물질 개수와 입자크기 분포비율을 평가한 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 완속 모래여과지로 유입되는 입자성 물질의 개수는 하절기와 동절기에서 각각 2.91×10 4 개/mL와 1.81×10 4 개/mL로 하절기에 입자성 물질 개수가 동절비에 비해 39% 정도 더 많았다. 또한, 두 계절 모두 크기가 2 μm 미만인 입자성 물질의 구성 비율이 68% 정도로 매우 높게 나타났다. 하절기에는 잦은 강우로 인해 흙이나 토사가 함유된 계곡수가 수원지로 유입되는 경우가 빈번하여 동절기에 비해 입자성 물질의 개수가 증가한 것으로 평가되었다. 입자크기가 비교적 큰 입자성 물질은 수원지와 침사지에서 침강되어 제거되기 때문에 2 μm 미만의 크기가 작은 입자들이 높은 비율로 잔존하였다. 하･동절기에 완속 모래여과지에서의 입자성 물질에 대한 제거율을 평가한 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 총 입자성 물질(total)에 대한 평균 제거율은 하절기(99.3%)와 동절기(98.7%)가 거의 유사하였다. 또한, 입자크기 2 μm 미만의 입자성 물질(2 μm>)에 대한 평균 제거율도 하절기와 동절기에 각각 99.4%와 98.8%로 나타나 총 입자성 물질에 대한 제거율과 거의 유사하였다. 하･동절기에 완속 모래여과 공정에서 입자성 물질의 입자크기에 따른 제거율에 차이를 나타내지 않은 이유로는 여과지 표면의 생물막 층에서의 물리적 여과작용 뿐만 아니라 생물막 표면에서의 입자성 물질 흡착작용의 기여도도 높기 때문으로 판단된다.
3.2. 용존성 유기물질 제거능 평가
하･동절기에 완속 모래여과지 유입수에 함유된 용존성 유기물질에 대한 평균 제거율 평가결과를 Fig. 4에 나타내었다. DOC, UV 254 및 SUVA의 평균 제거율을 살펴보면 평균 제거율은 각각 하절기에 43%, 59% 및 50%와 동절기에 28%, 38% 및 48% 정도로 나타나 동절기에 비해 생물막 층의 박테리아 활성이 증가하는 하절기에 평균 제거율들이 높게 나타났다[ 20]. 실험실 규모 완속 모래여과지를 이용하여 여과지 표층의 생물막 층이 성숙한 단계에 도달한 이후에 인위적으로 수온변화에 따른 DOC 제거율 변화를 평가한 연구결과[ 11]에 따르면 수온이 5℃일 경우에 평균 10%의 DOC 제거율을 나타낸 반면 수온이 25℃인 경우에는 평균 DOC 제거율은 42%로 상승하여 완속 모래여과 공정에서 수온 변화는 유기물질 제거율에 매우 큰 영향을 미치는 것으로 보고하고 있다. 또한, Fig. 4에서 하･동절기 모두 DOC 제거율에 비하여 UV 254의 제거율이 높게 나타나고 있다. UV 254는 용존성 유기물질 중에서 방향족 또는 공액 이중결합 분자구조를 가지는 유기물질로 구성되기에 생물분해에 비교적 강한 내성을 가진다. 따라서 DOC에 비하여 UV 254 제거율이 높다는 의미는 점액질의 생물막 층에서 생물 분해 뿐만 아니라 생물흡착(biosorption)도 DOM 제거에 주요 기작으로 작용하고 있음을 의미한다. 하･동절기 모두 DOC에 비해 UV 254 제거율이 높게 나타나고 있고, 제거율의 변화폭이 유사하여 하･동절기의 SUVA 제거율에는 큰 변화가 없었다. 하･동절기에 완속 모래여과지 유입수에 함유된 DOC 구성 성분들의 평균 제거율 변화를 Fig. 5에 나타내었다. 하･동절기 모두 용존 유기물질(DOC) 구성성분들의 분자량이 클수록 높은 제거율을 나타내었다. BP(분자량 : 20,000 g/mol 이상)는 하･동절기의 평균 제거율이 각각 92%와 80%로 나타나 DOC 구성성분들 중에서 가장 높은 제거율을 나타내었다. BP는 생체 고분자물질로 구성되어져 있어 생물분해가 용이하며[ 16, 21], 또한 응집공정에서 플록의 크기를 조대화시키는 응집 보조제 역할을 수행하여 응집 공정에서 아주 용이하게 제거[ 17]되므로 완속 모래여과지 표면의 활성 생물막 층에서도 용이하게 생물흡착되어 높은 평균 제거율을 나타낸 것으로 평가되었다. HS(분자량 : 1,000~20,000 g/mol)는 하･동절기에 평균적으로 각각 46%와 25% 정도 제거되었다. 이전의 연구결과에 의하면 비교적 난분해성인 HS의 20% 정도가 생물분해가 가능한 것으로 보고되었고[ 21], 또한 소수성 고분자 물질의 구성비율이 높은 HS는 생물막 층에 흡착･제거되는 분율도 높을 것으로 판단된다. Table 1에서 볼 수 있듯이 하･동절기 HS의 평균 유입농도는 각각 0.87 mg/L와 0.68 mg/L로 나타나 유입수 DOC 농도의 50% 이상을 차지하고 있어 후염소 처리에 의한 소독부산물 생성 22,23) 과 같은 수질적인 측면에서는 HS의 제거가 매우 중요하다. BB(분자량 : 300~500 g/mol)와 LMWs(분자량 : 350 g/mol 이하)의 하･동절기의 평균 제거율은 BB의 경우, 각각 32%와 27%, LMWs의 경우는 각각 20%와 12%로 나타나 이들 저분자 유기물질 군에서의 제거율이 고분자 유기물질군(BP와 HS)에 비해 비교적 낮게 나타났다. 상수원수 중에 함유되어 있는 BB와 LMWs는 대략 20%와 40% 정도 생물분해가 가능한 것으로 알려져 있다[ 21]. 그러나 이들은 고분자 유기물질이 생물 분해되면서 생성되는 부산물이기도 하다[ 21]. 따라서 완속 모래 여과지의 전 여층을 거치면서 생물분해에 의한 저분자 유기물질의 생성과 제거가 동시에 수반되면서 이들의 제거율이 낮게 평가된 것으로 판단된다. 호소수를 상수원수로 사용하면서 오존/생물활성탄(고도 정수처리) 공정을 운영 중인 대규모 정수장을 대상으로 용존 유기물질 구성성분에 대해 유입수 농도(평균 DOC 농도 : 2.27 mg/L) 대비 유출수 농도(평균 DOC 농도 : 0.94 mg/L)로 1년간 평균 제거율을 평가한 결과에서 BP, HS, BB 및 LMWs는 각각 87%, 65%, 26% 및 52% 정도의 평균 제거율을 나타내는 것으로 보고하고 있다[ 24]. 유입 원수의 수질 성상과 생산량에는 비교적 차이가 있으나 본 연구에 사용된 완속 모래여과 공정과 비교해보면 LMWs를 제외하고는 정수처리 효율이 뒤지지 않는 것으로 평가되었다. LMWs는 미생물 재성장[ 24]과 관련이 있으나 완속 모래여과 처리 이후에 후염소 처리로 미생물 재성장에 대한 안전성 확보가 가능하다. 하･동절기에 완속 모래여과 공정 유입수와 처리수 중의 HS 평균 분자량(Mn)과 방향도(aromacity) 변화를 Fig. 6에 나타내었다. 유입수 중의 HS 특성을 살펴보면 하절기가 동절기에 비해 유입수에 잔존하는 HS의 평균 분자량이 크고, 방향도가 높은 것으로 나타났으며, HS 농도도 평균 22% 정도 높게 나타났다( Table 1). 하절기와 동절기의 이러한 HS 특성의 차이는 하절기의 잦은 강우의 영향으로 강우시 계곡 주위의 토사나 흙이 계곡으로 유입되면서 휴믹과 같은 부식질의 농도도 함께 증가된 것으로 평가되며, 이러한 결과는 하절기 유입수에 잔존하는 평균 입자성 물질 개수가 동절기에 비해 39% 정도 높게 나타난 결과( Fig. 2)와도 매우 높은 연관성을 가진다. 하･동절기시 처리수에 잔존하는 HS 특성 비교결과에서도 유입수의 경우와 마찬가지로 HS 특성에 많은 차이를 나타내었다. 하절기 처리수에 잔존하는 휴믹의 평균 분자량과 평균 방향도(aromacity)는 각각 463 g/mol과 3.38 L/mg·m인 반면 동절기의 경우는 각각 417 g/mol과 2.73 L/mg·m로 나타나 분자량 보다는 방향도에 큰 차이를 나타내었다. 또한, 하절기 처리수에 잔존하는 HS의 평균 분자량과 방향도는 동절기 유입수에 잔존하는 HS의 평균 분자량과 방향도 보다 높은 결과를 나타내었다. 이러한 결과는 후단에서 미생물학적 안전성 확보를 위해 투입되는 염소처리시 생성되는 소독부산물의 농도에 많은 영향을 미친다[ 22, 23].
3.3. 소독부산물 생성농도 평가
하･동절기에 정수지 유출부( Fig. 1의 S.P. 4)에서 채수･분석하여 THMs와 HAAs의 평균 생성농도를 평가한 결과를 Fig. 7에 나타내었다. THMs는 하･동절기에 평균 생성농도가 각각 12.2 μg/L와 9.4 μg/L였고, HAAs는 각각 8.1 μg/L와 6.3 μg/L로 동절기에 비하여 하절기에 THMs와 HAAs의 생성 농도가 높게 났다. 동절기의 THMs와 HAAs 생성농도는 하절기의 77%~78% 수준이었으며, 이는 하절기(1.50 mg/L)와 동절기(1.41 mg/L)의 유사한 염소 주입농도에서 동절기의 낮은 수온, 유기물질 농도 및 낮은 HS의 분자량, 방향도가 혼합적으로 영향을 미쳐 나타난 결과이다[ 22]. 급수 거리가 짧은 소규모 정수장의 특성상 염소 투입농도가 하･동절기 모두 1.5 mg/L로 비교적 낮기 때문에 먹는물 수질기준의 THMs와 HAAs 기준인 100 μg/L에 비해 매우 낮게 나타났다.
3.4. 박테리아 제거능 평가
하･동절기에 유입수에 잔존하는 활성 박테리아의 평균 세포수(live cell counts, LLC)와 완속 모래여과 공정에서의 활성 박테리아 평균 제거율(removal rate)을 Fig. 8에 나타내었다. 유입수 중의 활성 박테리아 평균 세포수는 동절기(7.4×10 5 cell/mL)가 하절기(9.4×10 5 cell/mL)의 79% 정도로 나타나 앞의 입자성 물질( Fig. 2)과 용존성 유기물질( Fig. 4) 경우와 마찬가지로 하절기 잦은 강우에 의한 토양 박테리아들의 유입과 동절기에 비해 상대적으로 높은 수온으로 인한 빠른 증식의 영향으로 평가되었다. 하·동절기에 완속 모래여과 공정에서의 활성 박테리아 평균 제거율은 하절기 93%, 동절기 92%로 나타나 표면의 생물막 층이 성숙한 이후에는 수온, 유입농도 변화와 같은 외부환경의 변화에도 불구하고 안정적인 제거효율을 나타내었으며, 완속 모래여과 공정에서의 박테리아 제거율은 90% 이상으로 보고되고 있다[ 25]. 완속 모래여과 공정에서 병원성 미생물에 대한 명확한 제거기작은 규명되지 않았으나 현재까지 알려진 바로는 대부분 여과지 표면의 생물막 층(Schmutzdecke)에서 병원성 미생물이 제거되며, 생물막 층의 부착 박테리아와의 기질 경쟁과 생물막 층에 서식하는 원생동물에 의한 포식 등에 기인한 것으로 보고되고 있다[ 6].
3.5. 생물막 특성 평가
하･동절기 완속 모래여과지 표면의 생물막 층을 채집하여 현미경으로 관찰한 것을 Fig. 9에 나타내었다. Fig. 9(a)와 Fig. 9(b)에는 전처리 염색과정 후 형광현미경으로 관찰한 하･동절기 생물막 층 내부와 모래입자 표면에서의 활성 박테리아(녹색) 군집을 나타내고 있다. 세포막이 손상된 비활성 박테리아는 적황색으로 염색되어 형광현미경으로 관찰되지만 두 시료에서는 몇몇 붉은 점을 제외하고는 거의 관찰되지 않아 생물막 층에 서식하는 박테리아의 대부분이 활성 상태로 존재하는 것으로 평가되었다. 또한, 전자 주사현미경(SEM)으로 관찰한 하절기( Fig. 9(c))와 동절기( Fig. 9(d)) 생물막 층을 보면 생물막 층 내부에 존재하는 박테리아의 대부분이 구균과 간균으로 평가되었다. 하･동절기 완속 모래여과지 표면의 생물막 층 박테리아 생체량(활성 박테리아 세포수(LCC)) 평가 결과를 Table 2에 나타내었다. 하･동절기의 생물막 층 박테리아 생체량은 큰 차이를 보이진 않았으나 하절기 보다 동절기에 더 높게 나타났다. 이러한 결과는 여과지 상부 모래 세정 후 생물막 층의 부재상태에서 여과지 운영을 시작하여 하･동절기 시료 채취 시점까지의 운영일수 차이에 의한 것으로 하절기 채취시점(8월)까지는 200일 정도, 동절기 채취시점(1월)까지는 330일 정도 운전되었다. 음용수를 생산하는 완속 모래여과지 생물막 층의 미생물 군집과 대사 기능에 대해 연구한 Chen 등의 연구결과[ 24]에서도 240일과 450일 운영된 완속 모래여과지를 비교한 결과, 240일(1.1×10 9 cells/g)에 비해 450일 운영한 여과지의 생물막 층 생체량(1.9×10 9 cells/g)이 1.7배 더 높은 것으로 보고하고 있으며, 이러한 결과는 운전기간의 증가(1.9배)와 매우 유사한 증가율을 의미한다. 본 연구결과에서는 200일 운영시점(하절기)에 비해 330일 운영시점(동절기)까지 운영기간은 1.65배 증가한 반면 생물막 층 생체량은 15% 정도 증가되어 Chen 등의 연구결과[ 26]와는 많은 차이를 나타내었다. 이러한 이유로는 하절기(강우기)에 비해 동절기(비강우기)의 유입수 중의 낮은 영양성 기질 농도( Table 1)와 낮은 수온으로 생물막 층 박테리아의 활성도 저하[ 11]에 따른 낮은 증식율 때문으로 판단된다.
4. 결 론
표준 정수처리 공정인 완속 모래여과 공정의 지속적인 운영 가능성을 평가하기 위해 입자성과 용존성 물질의 제거능을 평가하였다. 하･동절기 입자성 물질의 제거율은 모두 98% 이상이었으며, 하절기 입자성 물질의 부하가 증가하였음에도 안정적인 제거율을 나타내었다. 용존성 유기물질 제거효율은 동절기에 비해 하절기가 높았으며, 두 계절 모두 안정적인 제거율을 나타내었다. 하･동절기의 THMs과 HAAs 평균농도는 먹는물 수질 기준에 비해 현저히 낮았으며 활성 박테리아 제거율도 하･동절기 각각 93%와 92%로 나타나 생물학적 안전성 확보 측면에서도 긍정적으로 평가되었다.
Notes
Declaration of Competing Interest
The authors declare that they have no known competing interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.
Fig. 1.
Schematic diagram of slow sand filtration process in B DWTP. 
Fig. 2.
Comparison of particle size distribution of influent water in summer (n=8) and winter (n=8) season. Numerical is composition rate. 
Fig. 3.
Comparison of particle removal rate in summer (n=8) and winter (n=8) season. 
Fig. 4.
Comparison of DOC, UV254 and SUVA removal rates in summer (n=8) and winter (n=8) season. 
Fig. 5.
Comparison of BP, HS, BB and LMWs removal rates in summer (n=8) and winter (n=8) season. 
Fig. 6.
Changes in average MW (Mn) and aromacity of HS before and after slow sand filtration in summer (n=8) and winter (n=8) season. 
Fig. 7.
Comparison of THMs and HAAs concentrations in summer (n=8) and winter (n=8) season. 
Fig. 8.
Comparison of live cell counts of influent water and removal rates in summer (n=8) and winter (n=8) season. 
Fig. 9.
Fluorescent microscopy (a, b) and scanning electron microscopy images (c, d) showing Schmutzdecke and the top sand layers in summer (a, c) and winter season (b, d). 
Table 1.
Characteristics of raw water quality in summer (n=8) and winter (n=8) season
|
Process |
Summer (Jul.~Aug.) |
Winter (Dec.~Jan.) |
|
Water temperature (℃) |
23.3±0.9 |
5.5±2.2 |
|
Turbidity (NTU) |
4.8±2.1 |
2.5±0.5 |
|
Total particles (#/mL) |
29112±8124 |
18125±6185 |
|
DOC (mg/L) |
1.66±0.12 |
1.29±0.09 |
|
Biopolymers (mg/L) |
0.14±0.03 |
0.07±0.02 |
|
Humic substances (mg/L) |
0.87±0.07 |
0.68±0.02 |
|
Building blocks (mg/L) |
0.23±0.01 |
0.25±0.02 |
|
Low molecular weights (mg/L) |
0.42±0.09 |
0.29±0.10 |
|
UV254 (cm-1) |
0.045±0.003 |
0.026±0.002 |
|
SUVA254 (L/m･mg) |
2.72±0.32 |
2.02±0.15 |
Table 2.
The variations of live cell counts (LCC) in Schmutzdecke with seasonal change
|
Summer (Aug.) |
Winter (Jan.) |
|
Live cell counts (cells/g) |
1.25±0.29×109
|
1.44±0.32×109
|
References
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