생물활성탄(BAC)

왜 배우는가: 생물활성탄은 고도정수처리에서 DOC 제거와 소독부산물 생성 억제를 위한 핵심 수단이다. 실무에서는 활성탄 교체 비용을 줄이고 배급수계의 미생물 재증식을 막는 방법으로 쓰인다. 수험에서도 2교시 공정 비교 문항과 3교시 DOC 제거 설명 문항으로 반복하여 출제되었다.

출제 이력: 제114회 2교시 5번, 제113회 3교시 2번, 제101회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

생물활성탄(BAC)은 활성탄 표면에 증식한 부착미생물이 용존 유기물을 생분해하여 제거하는 고도정수처리 공정이다.

답안 첫 줄에는 위 정의를 쓰고, 공정의 두 기능인 흡착과 생분해를 한 문장으로 잇는다. 생물활성탄은 입상활성탄(GAC) 여과지의 흡착 기능에 미생물 분해 기능을 더한 공정이므로, 두 기능을 함께 설명해야 정의가 완결된다. 오존처리 뒤에 입상활성탄 여과지를 배치하는 고도정수처리 공정에서 주로 쓰인다. 분말활성탄(PAC)은 응집 공정 등에 주입하는 방식이어서 장기간 머무는 여과층을 이루지 않으므로 생물활성탄의 대상이 되지 않는다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 생물활성탄(BAC): 입상활성탄 여과지에서 흡착과 생분해가 함께 일어나는 고도정수 공정이다.
• 부착미생물: 활성탄 입자 표면과 기공에 군집을 이루어 유기물을 분해하는 미생물이다.
• 용존유기물(DOC): 물에 녹아 있는 유기탄소로, 소독부산물 생성의 전구물질이 된다.
• 생분해성 유기물: 미생물이 에너지원으로 이용하여 분해할 수 있는 유기물이다.
• 동화가능유기탄소(AOC): 배급수계에서 미생물 재증식의 영양원이 되는 저분자 유기물이다.
• 생분해성 용존유기탄소(BDOC): 미생물이 일정 기간 안에 분해할 수 있는 용존 유기탄소이다.
• 파과: 흡착층 출구의 농도가 허용 수준을 넘어 흡착 용량이 소진된 상태이다.

2. 개념 풀이

생물활성탄의 정식 정의는 활성탄 표면과 기공에 증식한 부착미생물이 활성탄에 흡착된 유기물과 물속의 생분해성 유기물을 분해하여 용존 유기물을 제거하는 공정이다. 활성탄 여과지는 운영 기간이 길어지면 흡착능이 소진되지만, 그 뒤에도 생분해성 유기물을 제거하는 능력이 남는다. 이 능력이 생물활성탄을 일반 흡착 공정과 구분하는 핵심이다.

원리는 두 단계로 나뉜다. 첫째, 활성탄의 발달한 기공이 용존 유기물을 표면에 포착한다. 둘째, 기공 안팎에 자리 잡은 부착미생물이 포착된 유기물을 분해하여 기공을 다시 비운다. 이 과정이 반복되므로 활성탄은 흡착제이면서 동시에 미생물이 정착하는 담체 역할을 한다. 흡착만 하는 공정은 기공이 채워지면 제거능이 급격히 떨어지지만, 생물활성탄은 기공이 재생되어 제거능이 장기간 유지된다.

생물활성탄은 흡착과 생분해가 함께 일어나, 흡착능이 소진된 뒤에도 유기물 제거가 이어지는 공정이다.

핵심 용어의 뜻은 다음과 같다.

• 생분해: 미생물이 효소 반응으로 유기물을 분해하여 이산화탄소, 물, 세포 물질로 바꾸는 작용이다.
• 파과: 흡착층을 통과한 물의 농도가 허용 수준을 넘는 시점으로, 흡착 용량이 거의 소진된 상태를 뜻한다.
• 난분해성 유기물: 미생물이 쉽게 분해하지 못하는 유기물로, 생물활성탄에서는 주로 흡착으로만 일부 제거된다.

생물활성탄으로 제거되는 대상은 모든 DOC가 아니다. 생분해성이 있는 유기물, 특히 미생물 재증식을 일으키는 AOC와 BDOC가 우선 대상이다. 따라서 DOC 제거율을 설명할 때는 생분해성 분획과 난분해성 분획을 나누어 서술해야 정확하다.

3. 등장 배경과 필요성

1970년대 유럽에서 활성탄 여과지가 파과에 이르렀는데도 오염물질 제거능이 유지되는 현상이 발견되었다. 연구 결과 활성탄을 장기간 사용하면 다양한 미생물이 자연적으로 군집을 형성하고, 이 미생물이 제거에 기여한다는 것이 밝혀졌다. 이것이 생물활성탄 공정의 출발점이 되었고, 이후 유럽을 중심으로 북미까지 연구가 확대되었다.

필요성은 두 가지 측면에서 나온다. 첫째, 응집·침전·여과·소독으로 이루어진 표준정수처리는 입자성 물질과 병원성 미생물의 제거가 주목적이므로, 냄새 유발물질과 용존 유기물을 처리하는 데는 취약하다. 둘째, 흡착만 하는 활성탄은 교체나 재생 비용이 커서 정수처리 비용을 증가시킨다.

비용 측면의 수치는 다음과 같다. 입상활성탄의 교체나 재생 주기는 유입 용존 유기물의 부하량에 따라 다르지만, 보통 6개월~12개월 정도로 알려져 있다. 교체와 재생은 모두 비용을 수반하므로 재생 주기 연장이 경제성 확보의 핵심 과제이다. 생물활성탄에서는 활성탄에 흡착된 유기물이 부착미생물에 의해 분해되어 포화된 미세기공이 재생된다. 이 재생 작용 때문에 활성탄의 교체·재생 주기를 연장할 수 있다.