계장기술(PROCON)

기획특집 폐수처리장에서의 총유기탄소(TOC) 분석

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 50회 작성일 20-08-14 11:12

본문

개 요

물환경보전법 제2조에서 폐수는 ‘물에 액체성 또는 고체성의 수질오염물질이 섞여 있어 그대로는 사용할 수 없는 물’이라고 정의되어 있다. 다시 말해 이미 사용된 물로서 음식물 찌꺼기나 기름, 비누거품이나 화학물질 등 액체성 또는 고체성 폐기물이 혼합되어 그대로는 사용할 수 없는 물을 말한다. 미국에서는 제조 산업 등에서 발생하는 폐수를 처리할 때 미국 환경청(United States Environ mental Protection Agency, USEPA)의 수질환경법(Clean Water Act, CWA)에 따라 처리해야 한다.

또한, CWA에 따라 처리한 폐수를 방류하기 위해서는 EPA 또는 EPA에서 인증한 기관으로부터 국가 오염물질 배출 금지 시스템(National Pollutant Discharge Elimina tion System, NPDES)에 따른 허가를 득해야 한다. 허가서는 CWA에서 규정하고 있는 일일 최대 오염물 배출량(Daily pollutant discharge limits)을 준수하고 있다는 것을 증명했을 때 발행되며, 하루 최대 오염물 배출량은 각 지역 및 처리된 폐수가 방류되는 지류에 따라 다르게 규정되어 있다. 자세한 내용은 www.EPA.org에서 확인할 수 있다.

비용을 최대한 절감하기 위해서는 폐수처리 공정을 최적화해야 하는데, 이를 위해 총유기탄소(Total Organic Car bon, TOC)를 모니터링하여 수질을 확인함과 동시에, 처리 공정에서 소요되는 비용을 절감하고 있다.


‘물환경보전법’ 개정

2019년, 폐수 중의 유기물질 관리 지표를 전환하는 것을 주요 내용으로 하는 ‘물환경보전법 시행령 및 시행규칙’이 개정되어 2020년 시행되었다.

개정안에 따르면, 폐수 배출시설의 수질오염물질 배출허용기준과 공공 폐수처리 시설의 방류수 수질기준 항목이 기존의 화학적 산소요구량(COD)에서 총유기탄소량(T OC)으로 전환되었다. 이에 따라, 관련 규정을 준수하기 위해서도 총유기탄소를 필수적으로 측정하고 관리해야 하지만, 그 외에도 총유기탄소 분석을 이용하여 처리 공정 최적화에도 적용할 수 있다.
폐수처리 공정

폐수처리 공정은 국가법 및 해당 지역법에 의해 규제되고 있다. 제조 공정이나 폐수처리 공정으로 유입된 물이 적절하게 처리되지 않고 방류될 경우, 환경에 악영향을 끼치게 된다. 처리수 모니터링의 궁극적인 목적은 방류수가 규정에 만족하는 수준인지, 재이용수로서 사용할 수 있는지 확인하는 것이다. 이러한 처리 과정은 물리적 및 화학적 처리 과정을 포함하고 있다.

폐수처리의 첫 단계는 부유물(Suspended solids)을 물리적으로 제거하는 것이다. 다음으로 화학적인 처리를 통해 독성 화학물질 및 박테리아 등이 방류되는 것을 최소화한다. 만약 폐수처리 공정이 적절하게 제어되지 않으면 기업의 순이익(Bottom line)에 중대한 영향을 미치게 된다. 제대로 처리되지 않으면 그 물이 이동하는 배관이나 저장탱크 등에 손상을 입힐 수 있다. 폐수의 비효율적인 처리는 처리장 폐쇄(Shutdown)나 폐수 배출 경로(Waste stream) 변경, 또는 배출 경로에 대한 재처리 등을 야기시킨다. 이는 비용을 증가시키며, 바람직하지 않은 영향을 미치게 되는 것이다.


공정 최적화를 위해 총유기탄소를 측정하는 이유

최종 방류 포인트에서 유기물을 측정하는 것은 법규를 준수하기 위해서도 중요하지만, 최근에는 공정 제어와 최적화를 위한 효과적인 수단으로서 유입 폐수 및 폐수처리 전반에서 총유기탄소 측정이 대두되고 있다. 공공 폐수처리장에서 총유기탄소를 직접 모니터링하면 생물학적 처리 과정을 최적화하는 데 도움이 될 수 있으며, 이로 인해 공정 제어 능력이 향상된다.

산업용 및 재이용을 위한 폐수처리 시설에서 여과막을 사용하여 폐수를 처리할 때, TOC 분석기를 통해 유기물을 신속하게 검출할 수 있어 오염을 최소화하고, 처리 효율에 대한 평가를 도울 수 있다. 또 일부 폐수처리 시설에서는 멤브레인바이오리액터(MBR)라고 알려진 공정에서 생물학적 처리와 막여과를 결합하고 있다. 멤브레인바이오리액터의 유입수에서 총유기탄소를 직접 모니터링하는 것은 생물학적 처리를 최적화할 뿐만 아니라 유기적 오염으로부터 막을 보호하는 데 도움이 된다.

폐수처리장에 유입된 폐수는 먼저 총유기탄소의 양을 측정한다. 유기탄소를 측정함으로써 오염물질이 어느 시점에 유입되었는지 알 수 있다. 또한 어느 정도의 화학약품을 사용하고, 몇 번의 여과 처리를 할 것인지 결정할 수 있다. 그 후, 처리수에 대해 다시 한번 총유기탄소량을 측정하여 현재 사용하고 있는 화학약품의 양이 적절한지 결정할 수 있으며, 측정 결과를 모니터링하면서 화학약품의 사용량을 점차 줄여나가는 등 공정을 최적화할 수 있다.

EPA는 다음과 같은 다섯 가지 물질에 대해 반드시
조절하도록 하고 있다.
•산소를 소모하며 생존하는 물질(Oxygen demanding substances)
•병원균(Pathogens)
•영양분(Nutrients)
•무기 또는 합성 유기 화학물질(Inorganic and synthetic organic chemicals)
•열(Heat)

위의 요인들은 생태계를 파괴하며, 수질에 악영향을 미친다. 산소를 소모하며 생존하는 물질은 지금까지 측정에 5일이 소요되는 생물학적 산소요구량(Bio logical Oxygen Demand, BOD)이나, 2시간이 소요되는 화학적 산소요구량(Chemical Oxygen Demand, COD)을 통해 모니터링하였다. 그러나 TOC 분석기가 개발되고 많은 이점 때문에 EPA는 생물학적 산소요구량이나 화학적 산소요구량 대신 총유기탄소량을 이용하는 것을 인정하고 있다. 기존의 방법(BOD, COD)이 분석에 최소 2시간에서 최대 5일이 소요되는 데 반해, 총유기탄소량은 단 몇 분 만에 그 결과를 알 수 있다.

또한 EPA 40 CFR의 section 133.104–Sampling and Test Procedures에는 “일정 기간 동안 관찰하여 생물학적 산소요구량 : 화학적 산소요구량’ 혹은 ‘생물학적 산소요구량 : 총유기탄소량’의 상관관계를 입증한 경우, 생물학적 산소요구량의 측정 대신 총유기탄소량을 측정할 수 있다.”고 명시되어 있다. 폐수 배출 경로(Waste stream)의 구성을 결정할 때, 총유기탄소의 빠른 분석 시간은 매우 큰 이점이 된다.

수처리 공정에서 총유기탄소의 양을 측정함으로써 수처리 공정 운영 비용을 최소화하기 위한 조치를 취할 수 있다. 만약, 유입된 폐수에 대한 총유기탄소의 측정 결과값이 확인할 수 없는 오염물에 의해 증가하기 시작한다면, 그 결과값을 토대로 즉시 화학약품의 사용량을 결정하고 공정에 사용할 수 있다. 이렇게 실시간(Real-time)으로 처리 공정에 대한 변수를 확인하고 수정함으로써 규정 위반을 미연에 방지하고, 그에 따른 벌금 부과의 위험에서도 벗어날 수 있다.

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실제 적용

<그림 1>을 통해 수처리 공정 과정에서 아래와 같이
총유기탄소 분석이 필요한 각 포인트를 알 수 있다.
•포인트1. 유입된 폐수의 총유기탄소 분석
•포인트2. 화학적 처리를 위한 총유기탄소 분석
•포인트3. 방류수에 대한 총유기탄소 분석(관련 규정 준수 여부 확인)
•포인트4. 재이용수에 대한 총유기탄소 분석(관련 규정 준수 여부 확인)

만약, <그림 1>과 같은 수처리 공정을 총유기탄소 분석 없이 진행한다면 많은 비용이 소모되고, 관련 규정에 미치지 못하는 처리수를 방류하게 될 위험이 높아진다.

InnovOx 실험실용 TOC 분석기를 이용함으로써 수처리 공정이 관련 규정을 준수하여 운영되고 있는지 알 수 있으며, 화학약품의 사용량을 최적화할 수 있다. 화학약품의 사용량 최적화를 통해 폐수의 과잉처리(Over-treatment)나 재처리(Re-treatment)를 방지할 수 있다. 이러한 실시간 시스템으로 수처리 공정 비용을 더욱 최소화하고, 수익은 극대화할 수 있다.

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결 론

넓은 범위의 폐수 매트릭스를 TOC 분석기를 통해 정확하고 정밀하게 그리고 신속하게 분석할 수 있다. 이를 통하여 처리 전후의 수질을 정확하게 이해할 때 폐수처리 공정 효율을 최대화하고, 위험요소는 최소화할 수 있다. 또 가장 중요한 관련 규정 준수 여부를 알 수 있다.

그러므로 사용하기 편리하고 신뢰할 수 있는 검증된 T OC 분석기를 구비하는 것이 중요하다. 또한, 실시간 또는 실험실에서 사용할 수 있도록 동시에 제공되어야 분석값을 관리하기에 편리하다. 폐수처리 공정에 TOC 분석기를 도입함으로써 처리 공정 비용을 최소화하고, 규정 위반에 대한 위험을 경감할 수 있기 때문에 빠른 투자수익률(Return On Investment, R.O.I.)을 기대할 수 있다.


--참고문헌

1. EPA, CFR 40 Section 133.104 Sampling and Test Procedures, pg.548, 7-1-07 Edition.
2. Environmental Protection Agency. www.EPA.org (accessed March 2009)


sacho@younginst.com