생물활성탄(BAC)

왜 배우는가: 생물활성탄(BAC)은 입상활성탄 공정의 활성탄 교체 비용을 줄이고 배급수계 미생물 재증식 원인 물질을 제거하는 고도정수처리의 핵심 공정이다. 활성탄 흡착과 생물분해를 함께 이용하는 원리를 이해해야 원리와 장·단점을 묻는 논술형 문제에 답할 수 있으며, 1교시 용어 문제로도 자주 출제된다.

출제 이력: 제130회 1교시 11번, 제116회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 생물활성탄(BAC)은 입상활성탄 표면에 생분해 미생물을 증식시켜 흡착과 생물분해로 용존 유기물을 제거하는 고도정수처리 공정이다.

핵심 키워드

• 생물활성탄(BAC)
• 입상활성탄(GAC)
• 부착미생물
• 생분해성 유기물
• 오존처리
• AOC·BDOC
• 재생주기 연장
• 공상접촉시간(EBCT)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 활성탄 여과지를 오래 쓰면 탄 표면에 미생물이 자라고, 이 미생물이 물속 유기물을 먹어 치운다. 탄의 흡착력이 떨어진 뒤에도 제거가 계속되는 공정이 생물활성탄이다.

정식 정의는 다음과 같다. 생물활성탄 공정은 입상활성탄 입자 표면에 부착미생물이 안정적으로 증식하도록 운전하여, 활성탄의 물리적 흡착과 미생물의 생분해를 동시에 이용해 용존성 유기물을 제거하는 공정이다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다.

부착미생물은 활성탄 기공과 표면에 붙어 군집을 이루는 미생물이다. 장기간 운전하면 군집이 안정화되어 생분해성 유기물을 지속적으로 분해한다.

생분해성 유기물은 미생물이 에너지원이나 탄소원으로 이용할 수 있는 유기물이다. 일반적으로 흡착으로 잘 잡히지 않는 저분자·친수성 물질이 여기에 해당한다.

흡착과 생분해의 결합은 생물활성탄의 핵심이다. 흡착된 유기물이 미생물에 의해 분해되면 탄의 미세기공이 다시 비워져 흡착 능력이 회복된다.

생물활성탄은 입상활성탄 여과지의 운전 기간이 길어진 상태와 같다고 볼 수 있다. 다만 설계에서는 생물막 형성을 의도적으로 유도하고, 전단에 오존처리를 두어 난분해성 유기물을 생분해 가능한 형태로 바꾸는 경우가 많다.

3. 등장 배경과 필요성

1970년대 유럽에서 활성탄이 파과에 도달한 뒤에도 유기물 제거능이 유지되는 현상이 관찰되었다. 연구자들은 활성탄 층에 자연적으로 미생물 군집이 형성되어 있음을 확인했고, 이것이 생물활성탄 공정의 출발점이 되었다. 이후 유럽과 북미를 중심으로 연구가 집중되었다.

필요성은 경제성과 수질 안전성 두 측면에서 나온다. 입상활성탄의 교체 또는 재생 주기는 원수의 용존 유기물 부하에 따라 다르지만 보통 6개월~12개월 정도로 알려져 있다. 교체와 재생은 비용이 크므로 정수처리 비용을 높인다. 생물활성탄은 흡착탄 표면의 생분해로 기공을 재생하므로 재생 주기를 늘릴 수 있다.

또한 배급수계에서 미생물 재증식을 일으키는 AOC(Assimilable Organic Carbon)와 BDOC(Biodegradable Dissolved Organic Carbon) 성분을 제거하여 생물학적으로 안전한 물을 얻는 데 중요하다. 정수장에서 오존 처리 후 생성되는 생분해성 부산물을 제거해야 할 필요성도 함께 커졌다.

4. 구성요소·원리·절차

생물활성탄(BAC)은 입상활성탄(GAC) 여과지에 부착 미생물막이 자라 흡착과 생물학적 분해가 함께 일어나는 공정이다. 구성은 전단 오존처리, 입상활성탄 여과지, 역세척 설비로 이루어진다. 오존은 난분해성 유기물을 생분해성 물질로 저분자화하고, 활성탄층의 미생물이 이를 분해한다.

흡착은 활성탄 세공 표면에 유기물이 결집하는 현상이고, 생분해는 세공 속에 정착한 미생물이 흡착된 유기물을 분해하는 현상이다. 두 작용이 동시에 일어나므로 활성탄의 흡착능이 소진된 뒤에도 용존유기물이 계속 제거된다. 분해로 세공이 비워지면 흡착 자리가 다시 생겨 재생 주기가 길어진다. 반면 수온이 낮으면 미생물 활성이 떨어져 제거율이 감소한다.

생물활성탄은 흡착과 생분해가 동시에 작용하여 활성탄 재생 주기를 연장하는 공정이다

운전 절차는 다음과 같다.

• 원수를 응집·침전·여과 등 전처리한 뒤 필요 시 전단 오존을 주입한다.
• 오존 처리수를 입상활성탄 여과지에 하향류 또는 상향류로 통과시킨다.
• 미생물이 활성탄 표면에 부착·증식하여 생물막이 형성될 때까지 순응 기간을 둔다.
• 정기적으로 탁도와 용존유기탄소(DOC) 농도를 측정하여 제거율을 확인한다.
• 손실수두가 한계에 도달하면 역세척으로 탈리된 생물막과 탁질을 배출한다.
• 처리목표물질의 파과가 확인되면 활성탄 교체 또는 재생을 실시한다.

공상접촉시간은 다음 식으로 구한다.

$EBCT = \frac{V_{bed}}{Q}$

여기서 V_{bed}는 활성탄층 부피(㎥), Q는 통과 유량(㎥/h)이다. 생물활성탄의 EBCT는 15~25분 범위로 운전되는 사례가 많다.

생물활성탄의 여과속도는 일반 입상활성탄과 같은 10~15m/h를 기준으로 한다.

5. 관련 법령·기준·표준

생물활성탄은 수도법과 「먹는물 수질기준 및 검사 등에 관한 규칙」의 수질기준을 만족하도록 설계·운영된다. 정수장 고도처리 설비 설치 기준은 환경부 고시 「수도시설의 설계기준」과 상수도 설계기준(KDS)에 따른다. 아래 표는 본문 근거에 나온 운전 기준값을 정리한 것이다.

6. 유형과 비교

생물활성탄(BAC)은 활성탄 여과지에 부착미생물을 정착시켜 흡착과 생물분해를 함께 쓰는 공정이다. 활성탄의 운영 방식과 전단 공정에 따라 여러 유형으로 나뉜다. 먼저 활성탄 형태와 운전 방식을 비교한다.

위 표에서 분말활성탄은 접촉 여과 방식이라 비산과 취급 문제가 있다. 입상활성탄은 흡착능이 소진되면 재생이나 교체가 필요하다. 생물활성탄은 이 두 방식의 중간에 놓이며, 흡착능이 떨어진 뒤에도 생분해로 유기물을 계속 제거한다.