망간 제거

왜 배우는가: 망간은 색도·침전·배관 막힘을 일으키는 대표적 무기물 오염물질이라 정수장 공정 설계와 운전에서 빠지지 않는다. 산화·여과·흡착 등 제거 방법이 여러 가지라 비교 문제로 자주 출제된다.

출제 이력: 제122회 4교시 2번, 제118회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

망간 제거는 원수 중 용존 상태의 망간(Mn²⁺)을 산화시켜 불용성 이산화망간(MnO₂)으로 바꾼 뒤 침전이나 여과로 분리하는 정수처리 과정이다.

용존 Mn²⁺을 산화하여 불용성 MnO₂로 만든 뒤 여과·침전으로 분리하는 공정

키워드

• 망간(Mn)
• 이산화망간(MnO₂) 접촉여과
• 염소 산화
• 과망간산칼륨(KMnO₄) 산화
• 이산화염소(ClO₂) 산화
• 오존 산화
• pH 조정
• 배출수 처리

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 물에 녹아 있어 눈에 보이지 않던 망간을 공기나 약품으로 산화시켜 흙탕 같은 덩어리로 만든 뒤 걸러내는 것이다. 망간이 물에 그대로 남으면 수돗물이 검게 변하고 세탁물에 얼룩이 생기며 배관 내부에 피막이 쌓인다.

정식으로는 망간이 수중에서 2가 이온(Mn²⁺)으로 용해되어 존재하는 상태를 말한다. 이 이온은 산화되어 3가·4가 산화물로 변하면 물에 잘 녹지 않아 입자로 분리될 수 있다. 정수처리에서는 이 불용성 산화물을 응집·침전이나 여과로 제거한다.

핵심 용어 풀이

• 산화(oxidation): 전자를 잃는 반응으로, 용존 망간을 불용성 형태로 바꾸는 작용이다.
• 접촉여과(contact filtration): 여과재 표면에 이산화망간 피막을 입혀 용존 망간을 흡착·산화하면서 제거하는 방식이다.
• 촉매 피막: 여과재 표면의 MnO₂ 층으로, 이후 망간 산화를 촉진한다.

3. 등장 배경과 필요성

망간은 지하수와 저수지 심층수에 많이 녹아 있다. 혐기 상태에서 용해도가 높아지므로 깊은 층에서 취수하는 원수일수록 농도가 높다. 음용수 수질기준에서 망간은 0.3 mg/L 이하로 관리되며, 이 값을 넘으면 색도와 금속성 맛이 문제가 된다.

망간은 철과 함께 존재하는 경우가 많다. 철 제거 설비를 설치해도 망간이 남으면 배수관에서 흑갈색 침전물이 떨어져 민원이 발생한다. 따라서 망간은 철과 별도 공정으로 관리해야 한다.

또 하나의 배경은 염소 소독과의 관계다. 염소는 망간을 산화시킬 수 있지만, 반응이 느리고 pH에 따라 효율이 달라진다. 또 염소와 유기물이 만나면 소독부산물이 생기므로, 망간 제거를 위한 산화제 선택은 소독부산물 관리와 함께 검토해야 한다.

이 때문에 정수장에서는 원수의 망간 농도, pH, 용존산소, 유기물 함량을 먼저 확인한 뒤 산화제와 여과 방식을 정한다.

4. 구성요소·원리·절차

망간 제거 공정은 원수 속 용존 망간(Mn²⁺)을 산화시켜 불용성 이산화망간(MnO₂) 입자로 만든 뒤, 응집·침전 또는 여과로 분리하는 구조다. 구성요소는 산화제 주입 설비, 반응(접촉) 공간, 고액 분리 설비(침전지 또는 여과지), 역세척 및 배출수 처리 설비로 나뉜다.

원리는 두 가지다. 첫째, 산화 반응이다. 과망간산 이온(MnO₄⁻)의 망간은 +7가로 산화력이 크며, 용해된 Mn²⁺를 불용성 Mn⁴⁺(MnO₂)로 산화시킨다. 둘째, 촉매 산화다. 여과지 모래 표면에 형성된 MnO₂ 코팅은 Mn²⁺를 흡착하고 표면에서 산화를 촉진한다. 이 방식은 염소 등 산화제를 함께 쓰면 코팅 재생이 쉬워진다. 반응 속도는 pH가 높을수록 빨라지고, 온도와 유기물 존재에도 영향을 받는다.

산화 반응의 대표식은 다음과 같다.

$2\,\mathrm{MnO_4^-} + 3\,\mathrm{Mn^{2+}} + 2\,\mathrm{H_2O} \rightarrow 5\,\mathrm{MnO_2}\downarrow + 4\,\mathrm{H^+}$

여기서 MnO₄⁻는 과망간산 이온(+7가), Mn²⁺는 용존 망간, MnO₂는 불용성 이산화망간이다. 식의 계수는 산화수 변화(Mn⁷⁺→Mn⁴⁺ 3전자, Mn²⁺→Mn⁴⁺ 2전자)로부터 맞춘다. 과망간산칼륨은 망간 1mg당 약 1.92mg을 소비하는 것으로 계산되며, 이는 위 식의 몰비에서 나온 값이다.

절차는 다음과 같다.

• 원수의 용존 망간 농도와 pH, 유기물 농도를 측정한다.
• 산화제 종류와 주입률을 정한다. 과망간산칼륨은 여과지 전 주입을 기본으로 한다.
• 반응 공간에서 산화와 MnO₂ 입자 성장을 위한 접촉 시간을 확보한다.
• 침전 또는 여과로 MnO₂ 입자를 분리한다.
• 여과지는 주기적으로 역세척하여 축적된 입자를 배출한다.
• 역세척수와 침전 슬러지는 배출수 처리시설로 보낸다.

도식은 공정 흐름이다.

5. 관련 법령·기준·표준

망간의 수질 기준은 먹는물 수질기준에서 정한다. 「먹는물관리법」에 따른 먹는물 수질기준의 망간 항목은 0.3 mg/L 이하이다. 이 값은 감각적 기준인 색도·맛과도 관계가 있어 정수 목표치로 쓰인다. 원수 측면에서는 수질환경기준과 연계하여 상수원수 등급을 정하고, 등급별 처리 방식을 선택한다.

기준 항목을 표로 정리하면 다음과 같다.

기준 체계는 소방·건설과 달리 상수도 분야의 먹는물 수질기준과 수질 배출 기준으로 나뉜다. 정수 과정에서 망간이 기준을 넘으면 산화·여과 공정을 강화하고, 배출수는 별도의 배출허용기준을 만족해야 한다.

6. 유형과 비교

망간 산화처리는 산화제 종류에 따라 반응 속도, 잔류 산화제, 부산물이 달라진다. 산화 후 여과 방식은 산화제 종류와 접촉시간을 기준으로 나눈다. 대표 산화제는 다음과 같이 비교한다.