KR20000066395A - 지하수원으로부터 질산성 질소 이온의 제거방법 - Google Patents

지하수원으로부터 질산성 질소 이온의 제거방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지하수원으로부터 질산성 질소 이온을 완전히 제거하여 안전하게 음용할 수 있는 상태의 식수원으로 처리하는 방법에 관한 것으로, 탈질 미생물 및 탄소원을 사용하여 지하수원을 처리하는 단계; 상기 단계를 거친 유출수를 1차 여과시켜 잔류 탄소원을 제거하는 단계; 상기 단계를 거친 유출수를 2차 여과시켜 잔류 현탁물질 및 미생물을 제거하는 단계; 및 상기 단계를 거친 유출수를 염소 소독(chlorination)하는 단계로 이루어진 본 발명의 지하수원의 처리방법에 따르면, 질산성 질소 이온이 95% 이상 제거되고, 탄소원 및 잔재 미생물이 모두 제거됨으로써 2차 오염 및 미생물 자체 병원균의 감염 가능성이 배제되어 안전하게 음용할 수 있는 식수원을 얻을 수 있다.

Description

지하수원으로부터 질산성 질소 이온의 제거방법{Method for nitrate removal in ground water}
본 발명은 지하수원으로부터 질산성 질소 이온을 완전히 제거함으로써 안전하게 음용할 수 있는 상태의 식수원을 수득하기 위한 것이다.
일반적으로 지하수원은 질소 이온으로 상당부분 오염되어 있다(R. F. Spalding and M. E. Exner, Occurrence of nitrate in groundwater - A review, J. Environ. Qual., 22, 392-402(1993)). 이러한 질산성 질소 이온에 오염된 물을 신생아가 음복할 경우 혈액 중의 산소가 부족하게 되어 치명적인 결과를 초래할 수 있어, 질산성 질소 이온의 규제치(전세계적인 규제치: 10 ppm 이하)는 법으로 정해져 있다. 그러나, 상수도망이 접근 할 수 없는 지역사회에서는 지하수원을 식수원으로 이용하는 것이 불가피하다.
현재까지 알려진 상수처리 공정에서 질산성 질소 이온의 처리방법은 다음과 같이 크게 두 가지로 나뉜다.
첫째, 역삼투(reverse osmosis)법으로서 지하수를 높은 압력(150-800 psi)의 펌프를 이용하여 특별히 제작된 막(membrane)을 통과시킴으로써 질산성 질소 이온을 분리하는 방법이다(A. Kapoor and T. Viraraghavan, Nitrate removal from drinking water-review, Journal of Environmental Engineering, 123 (4), 371-380(1997)). 그러나 이 방법에서 사용되는 막은 이온 선택적이지 않기 때문에 무해한 이온들까지 제거시켜 박막의 막힘(fouling)으로 인한 처리 효율이 저하되고, 높은 압력의 펌프를 작동시키기 위해 많은 에너지가 소비되며, 처리 장치가 비교적 고가일 뿐만 아니라 숙련된 기술자가 상주해야 한다는 단점이 있다. 또한, 지하수 중 약 75%만이 사용가능하고 나머지 25%의 지하수에서는 고농도 질산성 질소 이온으로 오염된 부산물이 재발생한다는 문제점이 있다.
둘째로, 이온 교환(ion exchange)법으로서 음이온 수지(resin)에 붙어 있는 염소 이온을 질산성 질소 이온으로 교환시켜 처리하는 방법이다(D. Clifford and X. Liu, Ion exchange for nitrate removal, Journal AWWA, 85, 135-143(1993)). 그러나 일반적으로 지하수 중에는 2가 이온인 SO4 2-가 많이 함유(8-10배)되어 있는데, 이 방법에서는 SO4 2-가 1가 이온인 질산성 질소 이온(NO3 -및 NO2 -)보다 쉽게 수지에 흡착되어 질산성 질소 이온의 처리효율을 저하시킨다는 문제점이 있으며, 또한 이러한 현상을 검색(monitoring)하기 위한 고가의 질산성 질소 이온 분석장치가 필요할 뿐만 아니라 포화된 수지를 교환하는 시점을 판별하기가 용이하지 않다는 단점이 있다. 또한 사용된 수지를 세척하는 과정에서 질산성 질소 이온으로 오염된 농축 부산물에 의해 재오염될 소지가 크고, 이에 따라 또 다른 별도의 수단이 강구되어야 한다는 번거로움이 있다.
이와 같이 전통적인 상수처리 공정에서 이용되고 있는 방법(J. M. Montgomery, Water Treatment Principles and Design, Wiley, New York, (1985))만으로는 지하수 중에 다량 함유되어 있는 질산성 질소 이온을 제거할 수 없으므로 지하수로부터 이를 완전히 제거할 수 있는 공정의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
한편, 미생물을 이용하여 질산성 질소 이온을 제거하는 공정에서는 수처리 이후에도 미생물이 수중에 잔류하여 미생물 자체의 병원균이 감염될 우려가 있다. 따라서, 처리수를 식수원으로 이용하기 위한 상수처리 공정에 미생물을 이용하는 방법을 적용하는 것은 부적합하여 이 방법은 하수처리 분야에서만 중점적으로 이루어지고 있는 실정이다(대한민국 특허공개 제 90-11673 호 및 제 97-65445 호).
이에 본 발명자들은 상기 문제점들을 해결하고, 수중의 질산성 질소 이온을 완전히 제거시킬 수 있는 방법을 개발하기 위해 계속 연구를 진행하던 중, 미생물이 고착된 생물막(biofilter) 및 탄소원을 사용하여 수중의 질산성 질소 이온을 고효율로 제거한 다음, 두 단계의 여과 과정을 통하여 잔류 탄소원 및 미생물을 완전히 제거시킴으로써 2차 오염의 소지 및 미생물 자체 병원균의 감염 가능성이 배제된, 본 발명의 지하수원 처리 방법을 완성하였다.
본 발명의 목적은 지하수원 중에 함유된 질산성 질소 이온을 완전히 제거하는 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 수처리 공정의 한 예를 도시한 흐름도이고,
도 2는 본 발명의 생물막 반응조를 거친 유출수의 시간에 따른 질산성 질소 이온의 농도변화를 나타낸 그래프이다.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
1 : 생물막 반응조 2 : 1차 여과기
3 : 2차 여과기 4 : 염소소독 장치
5 : 펌프
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는, 탈질 미생물 및 탄소원을 사용하여 지하수원을 처리하는 단계; 상기 단계를 거친 유출수를 1차 여과시켜 잔류 탄소원을 제거하는 단계; 상기 단계를 거친 유출수를 2차 여과시켜 잔류 현탁물질 및 미생물을 제거하는 단계; 및 상기 단계를 거친 유출수를 염소 소독(chlorination)하는 단계로 이루어진, 지하수원으로부터 질산성 질소 이온을 제거하는 방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
지하수 원수는 취수공과 더불어 간단한 펌프 장치를 이용하여 지속적으로 취득할 수 있다. 취득한 지하수원을 생물막 반응조(biofilter)에 유입시켜 50 내지 60 분 동안 체류시킨 다음 유출시킨다. 반응조 내부에는 탈질 미생물이 부착할 수 있는 담체(pall ring)가 장착되어 있고, 이들은 반응조 내부 유효용적의 약 70 내지 80 %를 차지하는 것이 바람직하다. 상기 담체로는 주로 폴리프로필렌 계열의 플라스틱 담체를 사용한다.
탈질 미생물들은 상기 담체에 부착되어 성장하면서 하기 반응식 1과 같이 유입수 중의 질산성 질소 이온을 탄소원과 함께 질소가스(N2), 이산화탄소 및 물로 분해시킨다.
NO3 -+ 촉매(탄소원) + 탈질 미생물 → N2(가스) + CO2(가스) + H2O
이때 사용가능한 탈질 미생물로는, 당분야에 공지된 슈도모나스(Pseudomonas), 파라코커스(Paracoccus), 알칼리젠스(Alcaligenses) 등이 있고, 이들은 지역 토양으로부터 쉽게 수득할 수 있으며 여러 종을 혼합(mixed culture)하여 사용할 수도 있다. 상기 담체에 부착되지 못한 과다 미생물 및 부산물들은 반응기 밑으로 가라앉아서 배출구를 통해 외부로 배출되며, 또한 담체에 부착되어 과다 성장된 미생물은 2 내지 3 주마다 3 내지 5분 간격으로 20 내지 25 psi 압력하의 압축 공기를 이용하여 배출(2-3 g/L의 생체량(biomass)) 제거시키는 것이 바람직하다. 만약 과다 미생물의 제거과정을 수행하지 않을 경우, 반응기 중심부가 막혀 채널링(channeling) 현상이 야기될 수 있다.
본 발명에서는 질산성 질소 이온의 분해를 촉진시키고, 반응기내 미생물 농도를 적절하게(0.10 내지 0.25 g/ring) 유지시키기 위해 탄소원을 탈질 반응의 촉매로서 사용하는데, 이로는 아세트산(CH3COOH), 콘-시럽(corn-syrup)(주성분: 과당, C6H12O6), 에탄올(C2H5OH) 등과 같이 식용으로 사용되는 것을 선택 사용할 수 있으며, 특히 아세트산이 바람직하다(오재일 및 박종문, 탈질반응에서 상대적으로 안전한 생물량 배양, 토목공학회지-환경분과, (1999)). 일반적으로, 질산성 질소 이온 농도에 비례하여 탄소원을 최적 또는 다소 과량으로 공급하게 되면 질산성 질소 이온의 제거효율이 최대로 증가될 수 있으나, 이 때 반응 이후에도 처리수 중에 탄소원이 계속 잔류하게 되어 음용자에게 거부감을 주게 되는 문제점이 있다.
이에 본 발명에서는 상기 미생물 반응 단계 이후 1차 거친 여과 단계를 도입함으로써, 최대의 질산성 질소 제거 효율 유지하면서 잔류 탄소원 문제를 해결하는 방식을 도입하였다. 예를 들어, 아세트산을 탄소원으로 사용하는 경우 탄소원을 유입 질소 농도에 비례하도록 C : N=1.5 - 2.0 : 1의 비율로 공급하여 질산성 질소 이온의 처리효율을 95% 이상 유지하면서도, 반응하지 않은 잔류 탄소원은 1차 여과 단계에서 완벽히 해결할 수 있다.
본 발명의 1차 여과 단계에서는 상기 생물막 반응조의 1/3 내지 1/2 크기를 갖는 여과기(roughing filter)를 통하여 유입수를 20분 내지 30분 동안 처리시킨다. 상기 1차 여과기 내에는 미생물 반응 과정을 거친 처리수와 함께 배출되는 미생물들이 부착될 수 있는 담체들이 채워져 있고, 부착된 미생물의 성장에 필요한 산소가 계속적으로 공급된다. 이 때 유입수 중에 잔류하는 탄소원은 담체에 부착된 미생물의 성장을 위한 영양소원으로 소비됨으로써 완전히 제거된다. 즉, 본 발명의 1차 여과 단계에서는 잔류 탄소원이 최종적으로 제거되고 작은 세포나 생물막 부스러기 등이 추가적으로 제거될 수 있다.
이어서, 본 발명에서는 상기 1차 여과 처리되어 유출되는 처리수 중에 잔존하는 현탁물질(suspended solids, ss) 및 미생물을 제거하기 위해 2차 여과 단계인 모래 여과 필터(sand filter)를 통과시킴으로써 미생물 자체 병원균의 감염 가능성을 배제시킬 수 있다. 이 과정에서는 실제로 수중에 잔류하는 모든 고체(total dissolved solids)와 미생물이 제거되어 처리수의 탁도를 현저하게 저하시킬 수 있다(0.1 - 0.3 NTU(number of transfer unit)). 상기 2차 여과 시스템의 유지 관리는 2 내지 3 달에 한번씩 상단 일정 부분을 제거(scraping)하여 상층부에 모래가 막히는 현상을 방지하는 것 이외에 특별히 요구되지 않는다.
마지막으로, 본 발명에서는 통상의 상수 처리 공정에서 사용되는 염소 소독 과정을 수행함으로써 안전한 상태의 식수원을 얻을 수 있다. 상기 염소 소독 과정을 통해서는 처리수내 잔존 가능성이 있는 미생물이 완전히 제거하고, 적당한 농도의 염소를 함유시킴으로써 처리수의 배달 과정이나 저장 과정에서 병원균의 2차 오염을 방지할 수 있다.
이하 본 발명을 하기 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
질산성 질소 이온이 다량 함유된 지하수원을 도 1에 도시된 반응공정에 따라 다음과 같이 25일 동안 처리하였다.
(단계 1)
50 mg/ℓ 농도의 질산성 질소 이온이 함유된 지하수를 총용량이 7.7ℓ(유효용량 4.58ℓ)인 생물막 반응조의 하단으로 지속적으로 공급시켰다(질산성 질소 이온: 2.74 kg/일). 이 때 반응조내 유효용량의 70%(v/v)에 해당되는 공간에는 토양에서 추출된 혼합미생물(주요 탈질 미생물: 파라코커스 데니트리피칸스-Paracoccus Denitrificans)이 부착된 링(ring) 모양의 플라스틱 담체(Koch Flexirings, 다공성 = 0.93, 표면적 = 340 m2/m3, 지름 = 1.3 cm, length = 1.3 cm)가 장착되어 있다. 여기에 아세트산을 C:N 비율이 2:1로 유지되도록 공급하면서(5.48 kg/일) 반응조내 유입수의 체류시간을 1 시간으로 하고, 반응조의 상단으로 처리수를 유출시켰다. 유출되는 처리수 중의 질산성 질소 이온 농도를 시간에 따라 측정하여 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2는 본 발명의 생물막 반응조를 거친 유출수의 시간에 따른 질산성 질소 이온의 농도 변화를 나타낸 그래프로서, 여기에서 보듯이 97% 이상의 처리 효율을 나타냄을 알 수 있다.
(단계 2)
상기 단계 1을 거친 처리수를 유효용량이 2.73ℓ인 1차 여과기의 하단에서 상단으로 공급하고 체류시간을 30분으로 하여 여과기의 상단으로 유출시켰다. 이 때 여과기 하단에는 산소공급 장치(산기석)가 설치되어 있고, 상기 단계 1의 생물막 반응조에 사용된 플라스틱 담체가 포함되어 있다. 본 과정을 거침으로써 수중의 잔류 탄소원은 99% 이상으로 제거되었다.
(단계 3)
상기 단계 2를 거친 처리수를 입경이 0.3-0.4 mm인 모래를 함유하는 여과기(slow sand filter)의 상단으로 공급하고 4 m/day의 여과속도로 여과기의 하단으로 유출시켰다. 수득된 유출수의 탁도는 0.1-0.2 NTU를 유지하였으며, 대장균(E. coli)유무를 W200(IDEXX사 제품)을 사용하여 측정한 결과 양성 반응이 나타나지 않았다.
(단계 4)
상기 단계 3을 거친 처리수에 NaOCl을 투입 처리하여 처리수내 잔류염소 농도가 0.2 mg/ℓ로 유지되도록 하였다.
이와 같이 본 발명에 따라 지하수원을 처리할 경우, 질산성 질소 이온이 97% 이상 제거되고, 잔류 탄소원 및 미생물이 모두 제거되어 2차 오염 및 미생물 자체 병원균의 감염 가능성이 배제됨으로써 안전하게 음용할 수 있는 상태의 식수원을 얻을 수 있다.

Claims (3)

  1. 탈질 미생물 및 탄소원을 사용하여 지하수원을 처리하는 단계; 상기 단계를 거친 유출수를 1차 여과시켜 잔류 탄소원을 제거하는 단계; 상기 단계를 거친 유출수를 2차 여과시켜 잔류 현탁물질 및 미생물을 제거하는 단계; 및 상기 단계를 거친 유출수를 염소 소독(chlorination)하는 단계로 이루어진, 지하수원으로부터 질산성 질소 이온을 제거하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 여과 단계에서, 여과기내에 미생물이 부착할 수 있는 담체가 포함되어 있고, 산소공급이 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소원이 아세트산(CH3COOH), 콘-시럽(corn-syrup) 및 에탄올(C2H5OH)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
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