서 론

최근 TOC(총유기탄소, Total Organic Carbon)는 소독부산물(DBPs)과의 연계로 먹는 물 생산시설에서 중요한 수질 분석 도구로 이용되고 있다. TOC만으로는 유해하지 않지만, 소독제와 반응하면 유해한 부산물이 발생될 수 있다. 그러나 먹는 물 분야에서 TOC의 관련성은 소독부산물 제한의 규제를 준수하거나 TOC 모니터링 요건을 충족하기 위한 것만은 아니다. TOC는 처리 공정을 최적화하고, 그와 관련된 비용을 절감하기 위한 중요한 매개변수이며, 상수원 및 공급 및 유통 시스템의 수질의 적합성 및 안전성을 나타내는 지표이다. TOC는 먹는 물 생산시설에 적용할 수 있어 규모의 크기 여하를 불문하고, 모든 먹는 물 유틸리티에서는 처리 과정에서 실험실 혹은 실시간으로 TOC를 측정할 수 있다.

본 론

1) 소독 부산물 규정
미국 환경청(US EPA, US Environmental Protection Agency)의 ‘먹는 물 안전법(Safe Drinking Water Act)’과 같은 규정은 미생물 병원균과 이러한 미생물을 파괴하는 데 사용되는 소독제의 부산물에 의해 야기되는 위험의 균형을 유지하고자 한다. 소독부산물인 DBPs는 먹는 물 생산시설의 원수에서 자연적으로 발생하는 NOM(유기물)의 상호작용과 소독 과정에서 형성된다. TOC는 세계적으로 수중에서 NOM의 양을 결정하는 데 사용되는 매개변수로 인식되고 있다. HAAs(할로아세트산)과 같은 소독부산물은 생산시설의 공급 시스템을 통해 물이 통과하고, 접촉 시간이 증가함에 따라 계속해서 형성된다. 클로로포름을 포함하는 또 다른 종류의 소독부산물인 T HMs(트라이할로메테인, Trihalomethanes)은 TOC나 자연 발생한 브롬화물, 염소 등의 상호작용으로 형성된다(그림 1).
EPA에 의해 소독부산물 전구체로 간주되는 TOC는 공급 시스템의 소독부산물 수준을 예측하기 위해 실험실이나 실시간으로 모니터링할 수 있다. 소독부산물 수치를 낮추기 위해서는 먹는 물 처리 과정에서 많은 양의 TOC를 제거해야 하며, 응고·GAC(입상활성탄) 필터·음이온 교환을 포함한 다양한 처리 과정에서 TOC를 제거한다.

2) 비용 절감 - 처리 최적화
오늘날 먹는 물 유틸리티 기업들은 점점 더 어려워지는 수질 요구사항을 충족시켜야 할 뿐만 아니라, 공장의 처리 과정에 드는 비용을 줄여야 한다는 중압감에 시달리고 있다. 많은 음용수 공장은 높은 품질의 물을 생산하고, 공정의 최적화를 위해 TOC 모니터링을 사용하는 동시에 다양한 처리 공정에서 상당한 비용을 절감한다.

3) 응 고
TOC를 제거하기 위해 사용되는 주요 처리 과정 중 하나는 응집이다. 응고 뒤에 일반적으로 응집과 침전이 따르며, 일반적인 처리 과정은 이 세 가지 전처리 기법의 조합을 말한다. 미국의 기존 처리 시설은 원수의 알칼리성 및 TOC 수준에 따라 TOC 제거율을 충족해야 한다. 일반적인 응고제는 황산알루미늄(흔히 명반이라고 칭함), 염화철, 황산철, 폴리 염화알루미늄(PACL)이다. 적절한 응고제와 그 용량을 선정하려면 최종 수질뿐만 아니라 pH, 알칼리성, 온도, 슬러지 생성 등 많은 요인을 고려해야 한다. 자(Jar) 테스트, 파일럿 테스트 또는 전면 최적화는 특정한 응고 방식의 효율성을 시험할 수 있지만, 성공 여부를 효과적으로 측정하려면 TOC 및 탁도 측정을 포함해야 한다.

4) 활성탄
활성탄은 나무, 이탄, 석탄, 코코넛 껍질과 같은 재료로 만들어진 가공 탄소의 한 형태다. 이 제품은 매우 다공성이 강하여 용해된 유기물, 맛 및 악취 유발 화합물, 일부 소독부산물 등을 흡착할 수 있는 매우 넓은 표면적을 지니고 있다. 활성탄은 먹는 물 생산시설에서 과립 또는 분말 형태로 가장 많이 사용된다.

5) PAC(분말활성탄)
PAC는 미세한 과립이 사용되는 분말 형태의 활성탄으로 계절적 또는 단기적 문제 해결을 위해 사용된다. 분말은 대량으로 사용할 수 있으며, 일반적으로 공정에 직접 추가된다. PAC의 주입구는 원수 유입구, 급속 혼화지 그리고 침전지인 경향이 있다. PAC는 응고-침전 단계 전에 물에 첨가되고, 그 슬러지와 함께 제거된다. PAC는 맛과 냄새 문제를 해결하거나 응고 보조제로 사용되어 덩어리가 형성될 수 있는 핵심을 제공한다. TOC를 제거하기 위해 PAC를 사용하는 경우에는 PAC가 TOC를 얼마나 제거하는지 파악하여 추가하는 양을 최적화하는 것이 중요하다.

6) GAC(입상활성탄)
GAC는 PAC와 비교하였을 때, 입자의 크기가 상대적으로 커서 외부 표면적이 작아진다. GAC는 일반적으로 모래나 무연탄 대신 필터에 사용되며, 수질 문제에 대한 장기적인 해결책이다. GAC의 흡착 효율은 시간의 경과에 따라 감소하기 때문에, 결국 교체하거나 재활성화를 해야 한다. GAC 필터가 원수의 오염물질을 효과적으로 제거하고, 원하는 수질을 유지하는지 확인하기 위해 T OC 분석과 같은 수질 감시가 종종 시행된다. GAC를 사용하여 용해된 유기물을 제거하는 경우, TOC 분석 결과 추이를 활용하여 활성탄을 교체하거나 재생해야 하는 시기를 결정할 수 있다.

7) 이온 교환
이온 교환은 특수한 수지를 이용해 흡착을 통해 물의 오염물질을 제거한다. 이온 교환은 일반적으로 무기물 제거에 사용되었으나, 최근에는 부식산(Humic Acid) 등 유기물 제거에 특화된 음이온 수지가 개발되고 있다. 물이 수지를 통과하면 오염물질과 수지 표면에 저장된 이온을 교환한다. 이온 교환 수지는 가장 일반적으로 소금 용액(염화나트륨)으로 재생한다.
공정을 최적화할 수 있는 처리 방법이나 최적화를 테스트하는 데 사용되는 기법에 관계없이 적절한 분석 장비를 사용하여 성공을 평가하는 것이 중요하다. 그림 2에서 일반적인 먹는 물 처리 공정에서 TOC 분석을 활용할 수 있는 여러 지점을 알 수 있다.

8) 프로세스 강화 - 소독 기술
물속에 철분이나 망간 함량이 높을 때는 더 많은 소독제를 사용해야 한다. TOC 또한 소독제를 요구하는 물질이다. 따라서 처리 과정에서 TOC가 덜 제거될수록 소독제가 더 많이 필요하며, 비용 또한 증가한다. 실제로 소독 공정은 TOC와 같은 자연 산화제 수요 물질과 경쟁하기 때문에 바이러스 비활성화를 관리하면서 TOC 수준을 고려해야 한다.
많은 공장들이 높은 소독부산물이 형성되는 것을 피하기 위해 염소에서 클로라민으로 전환하고 있다. 이러한 전환은 THMs 및 HAAs의 감소를 달성할 수는 있지만, 유틸리티는 다시 아직 규제되지 않은 다른 소독부산물을 형성할 수 있다. 클로라민은 요오드산과 니트로사민과 같이 많은 비할로겐화 소독 부산물을 형성하는 것으로 알려져 있다. 요오드산은 가장 독성이 높고 DNA를 손상시키는 소독부산물 중 하나로 확인되며, NDMA(N-니트로소디메틸아민)과 같은 니트로사민은 THM에 비해 발암성이 몇 배 더 높은 것으로 알려져 있다.
TOC는 여전히 클로라민 처리 과정에서 중요한 역할을 한다. 만약 바이러스 불활성화 요건에 도달하기 쉬운 염소 첨가물에 암모니아를 첨가하였을 때, 물속 TOC 수치가 일정하지 않으면 질화 문제가 발생할 수 있다. TO C는 염소가 많이 필요한 물질이기 때문에 적절한 염소 대 암모니아 비율에 영향을 미칠 수 있으며, 물에 암모니아가 과다하게 존재하면 질산화 작용이 발생할 수 있다.

9) 공공 자원 보호 - 먹는 물 공급 및 유통 시스템 보안 모니터링
EPA는 먹는 물 생산시설이 의도적이거나 의도하지 않은 공급, 유통 시스템의 오염을 감지할 수 있는 능력을 향상시킬 수 있도록 돕기 위해 ‘물 안전성 계획 : 오염 경보 시스템 구축 계획 임시 지침(Water Security Initiative : Interim Guidance on Planning for Contamination Warning System Deployment)을 발표했다. EPA의 임시 지침 문서에서 오염물질 검출에 있어 가장 중요한 세 가지 매개변수로 TOC, 염소 및 전도성을 규정하였다. 공공 자원으로서의 먹는 물을 보호하기 위해 공정 운영자는 먹는 물 공급 및 유통 시스템의 TOC 변화를 모니터링할 수 있는 도구가 필요하다.

10) 다양성 측정 - 지표수에 대한 환경 변화
(먹는 물의 원수 내의) TOC의 주요 원인으로는 녹조, 침전물, 물 속의 미세입자 등 자연 발생된 식물성 인자가 부패한 것이다. 원수의 TOC 함량은 지역에 따라 차이가 있다.

결 론

TOC는 공정 최적화를 위한 도구로 매우 다양한 응용 분야에 적용되고 있으며, 먹는 물 생산시설이 소독부산물 규정을 준수할 수 있도록 돕는 도구로서도 널리 알려져 있다. 그뿐만 아니라 다양한 공정 과정들을 최적화함으로써 소요되는 비용을 절감할 수 있다. 이러한 두 가지 용도 외에도 TOC는 원수 또는 먹는 물 공급 및 유통 시스템 수질을 모니터링하고, 소독제의 사용 전략을 극대화하는 데 유용하다.

이 중요한 도구의 효용성을 극대화하기 위해서는 사용이 쉽고, 신뢰할 수 있는 결과를 도출해내야 하며, 검증된 기술을 갖춘 TOC 분석기를 사용해야 한다. TOC 분석기를 사용하여 실시간으로 TOC 모니터링하거나 간단하게 시료를 채취하여 실험실에서 TOC를 분석함으로써 적절하게 TOC를 제거하고, 소독부산물 제어 및 비용 절감을 실현할 수 있다.

<참 고>
1. Water Security Initiative: Interim Guidance on Planning for Contamination Warning System Deployment, EPA817-R-07-002
2. Environmental Protection Agency. www.EPA.gov

TOC@younginst.com