열재생 시설이용 운전인자 변화 평가
활성탄 여과공정은 광범위하고 다양한 유기 오염물질들에 대해 우수한 흡착능을 가지는 활성탄을 이용하여 오염물질을 흡착·제거하는 기술로 국내·외에서 효과 및 적용 타당성이 입증되어 도입이 크게 증가하고 있다.
그러나 입상활성탄(GAC : Gra nular Activated Carbon) 또는 생물활성탄(BAC : Biological Ac tivated Carbon)공정은 운전시간이 지남에 따라 여과지내 충진된 활성탄의 흡착능력이 감소하여 재생 또는 교체가 필요한 것으로 알려져 있다.
따라서 본고에서는 부산 D정수장 고도정수처리시설인 생물활성탄공정에 사용된 재응축 입상활성탄을 열재생(thermal reactivation) 시설을 이용하여 운전인자 변화에 따른 재생탄의 물성치 변화를 여러 측면에서 해석·평가하고자 하였으며, 재생 실험을 통하여 재생탄의 흡착능 변화와 수율을 평가하여 나아가 수처리 효능 증대시키고 운전경비를 절감하는 최상의 재생탄을 도출할 수 있는 열재생시설 운영조건을 제시하는데 그 목적이 있다.
열재생 실험장치
본 실험에 사용된 고온 열재생 장치는 다단로(multiple hearth furnace, full-scale plant) 형식으로 제원은 Table 1.과 같다.
활성탄 분석 방법
본 실험에 사용한 석탄계 활성탄은 부산 D정수장에서 사용된 석탄계활성탄(Calgon사 F-400, 미국)으로 재응축 파쇄탄이며, 생물활성탄여과지에서 3년 3개월간 사용한 폐탄으로서 시료채수는 재생 운전조건의 변형때마다 일일 또는 정해진 시간 간격으로 유출구에서 직접 채취하였고, 재생수율 및 성능 회복치를 알아보기 위한 활성탄물성치 실험은 재생탄의 샘플을 채취하여, 요오드 흡착력, MB 탈색력, 충전밀도 및 세공용적을 KS 활성탄 시험방법(M-1802)에 준하여 분석했다.
실험 조건
로내 체류시간은 25분에서 1.5시간까지 적용하였으며, 스팀 주입량의 변화는 활성탄 투입량대비로 0.5~1.5kgH₂O/kgA.C.까지의 주입량을 변화시켜서 체류시간의 변화에 따라 흡착물질의 제거정도와 활성탄의 물성치 변화를 관찰하였으며, 로내 온도 변화는 다단로의 가스활성화 공정인 6단의 온도를 800℃~900℃까지 변화시켜서 재생의 정도를 관찰하였다.
입상활성탄 사용 경과에 따른
물성치 변화 고찰
Table 2.는 입상활성탄여과지 운영기간 경과에 따른 입상활성탄의 물성치 변화를 나타내고 있다. 입상활성탄의 흡착능력을 나타내는 요오드 흡착력과 MB(메틸렌블루) 탈색력은 운영기간 경과에 따라 점차 감소하여 40개월 경과시 신탄에 비해 각각 55%와 63.7%의 흡착력과 탈색력을 나타내었다.
온도와 체류시간 및
스팀 주입량의 변화에 따른
요오드 흡착력 변화
Fig. 1에서 볼 수 있듯이 체류시간 40분까지는 온도가 높을수록 요오드가의 회복이 높았으나, 900℃의 경우 체류시간 50분부터 급격한 감소를 나타내었으며, 체류시간이 가장 긴 90분에서는 가장 낮은 회복능을 보여 체류시간이 길어질수록 과부하에 의한 미세 기공의 파괴가 많이 이루어진 것으로 추정된다.
또한 주어진 실험 온도조건에서 850℃가 체류시간에 관계없이 가장 안정적인 회복을 나타내었으며, 이 온도조건에서 가장 높은 값의 체류시간은 35분대 였으며, 이때의 재생 수율은 90%이상이었다.
900℃에서도 35분대에 가장 높은 요오드가 회복치를 보였으나 재생 수율이 81%로 다소 낮게 나타났다.
따라서 경제적인 재생을 고려한다면 6단 온도가 850℃, 35분간 체류하는 것이 가장 효율적인 요오드가 회복 조건으로 볼 수 있었다. 스팀 주입비에 따른 요오드가 회복치의 변화곡선은 전 실험단계에서 거의 일정하였으며, 850℃에서 상대적으로 안정된 값을 나타내어, 열재생 과정에서 활성탄의 세공이 micro pore에서 meso pore로 변화되는 정도가 적은 것으로 판단되었다.
스팀주입량 0.75kg H₂O/kg A.C.의 경우가 다소 높은 효율을 보였으며, 또한 1.5kg H₂O/kg A.C. 도 높은 값을 나타내었으나, 수율과 경제적인 측면을 고려할시 0.75~1kg H₂O/kg A.C.가 적당한 것으로 판단되었다.
온도와 체류시간 및 스팀 주입량의 변화에 따른 MB탈색력 변화
체류시간에 따른 MB탈색력 변화는 체류시간이 40분 이전에는 MB탈색력의 회복치가 80이상을 나타내었으나, 50분부터 급격한 감소를 보였다.
또한 900℃에서의 값이 큰폭으로 감소하였으며, 대체적으로 850℃에서의 MB탈색력 회복치가 비교적 안정되게 나타났다. 이는 동일한 온도라 할지라도 로내의 체류시간이 길어지면 활성화 단계가 너무 숙성되어 과부활을 유도하여 활성탄의 기본 탄소골격 손상 또는 세공의 변화 및 표면 산화등에 기인하여 오히려 MB탈색력이 감소할 수 있다.
Fig. 2에 나타난 결과와 같이 로내의 온도에 상관없이 스팀주입량 1kg H₂O/kg A.C.까지는 MB 탈색력이 약간 상승하였으나, 1.25kg H₂O/kg A.C.에서 부터는 800℃와 900℃조건에서 급격한 하락을 보였으며, 850℃ 에서는 거의 일정한 값을 유지하였다.
이는 위에서 온도와 스팀주입량의 변화에 따른 요오드가 변화와 유사한 경향을 보였으며, 온도 900℃에서 상대적으로 MB탈색력이 증가하는 것은 활성화에 의해 스팀의 산화작용으로 micro pore의 함몰되어 meso pore로 전환 되었거나, 활성탄 표면산화에 의한 macro pore 발달에 기인되며 재생수율 감소로 이어진다고 판단된다.
따라서 요오드가와 MB탈색력의 회복치를 상호 비교하면, 체류시간 35분~40분, 로내 6단 온도 850℃, 스팀주입량 0.75~1kg H₂O/kg A.C.의 재생조건이 석탄계 재응축 활성탄의 재생수율 90%이상과 요오드가 대비 성능 회복치 250mg/g를 만족시키는 최적 재생조건으로 판단되었다.
재생 조건에 따른 충진밀도의 변화
Fig. 3을 살펴보면, 체류시간 변화와 온도의 증가에 따라 석탄계 재생탄의 충진밀도가 일정한 값 차이를 보이면서 감소하는 경향을 보이고 있다.
900℃에서 체류시간이 25분부터 800 ℃와 850℃ 조건에 비하여 낮은 충진밀도 값을 나타내었으며 또한 체류시간이 경과할수록 상대적으로 급격한 감소를 나타내었다. 이는 과부활로 인해 활성탄 기본골격 또는 세공의 변화가 있어 충진밀도가 낮아진 것으로 사료되었다.
앞의 절(4.1.2, 4.1.4)에서 요오드가와 MB탈색력이 가장 양호하다고 판단된 850℃에서는 거의 신탄 수준인 0.48을 유지하여 충진밀도에서도 850℃가 석탄계 활성탄의 재생조건으로 가장 양호하다고 판단되었다.
신탄과 재생탄의 물성치 변화
생물활성탄 공정에 2000년 4월에서 충진한 신탄과 2년 9개월 사용한 폐탄 및 열재생한 후 재생탄등의 물성치를 Table 3에 각각 나타내었다.
Table 4.3에서 활성탄의 성능회복을 나타내는 요오드가가 신탄을 기준으로 약 85% 가량 회복된 것을 알 수 있었고, 또한 MB탈색력과 회분 및 세공용적(pore volume)이 신탄에 비해 다소 증가한 것으로 나타났다. 일반적으로 열재생은 활성탄 기공에 흡착되어 있는 유기물질을 char로 변환시켜 활성화 단계에서 수성가스로 제거한다.
그러나 활성탄의 사용기간과 유입 유기물질의 부하 및 성상에 따라 열재생의 운전조건이 달라질 수 있기 때문에 재생시에 기공 내에 형성되어 있는 char의 완전한 제거가 이루어지지 않아 일부 미세기공이 함몰되어 요오드가가 신탄에 비해 적게 나올 수가 있다.
또한 신탄에 가까운 요오드가로 회복시키려면 과부활이 불가피함으로 이에 따른 기존 활성탄을 구성하고 있는 탄소골격을 파괴시켜 경도와 충진밀도를 떨어뜨리는 결과를 초래할 수 있다. 이러한 활성탄 재생 전·후의 물성치 변화를 간접적으로 평가하기 위해 Fig. 4.10은 신탄과 재생탄의 세공분포를 나타내 보았다. Fig. 4.10에서 볼 수 있듯이 미세기공(20 이하) 부분이 줄어 들었으며, 중간기공(20∼500)과 거대기공(500 이상)은 다소 증가한 것으로 나타났다. 따라서 활성탄 비표면적은 미세기공의 파괴로 신탄보다 줄었지만, 세공용적은 미세기공이 중간기공으로의 전환 또는 거대기공을 발달로 오히려 늘어나는 현상을 확인 할 수 있었다.
이러한 세공구조를 가지는 활성탄이 수처리 효율에 미치는 영향은 재거대상의 물질의 크기에 따라 다르게 나타나겠지만, 낙동강 하류지역을 상수원으로 하는 정수장에 적용할 경우 총괄적인 DOC 제거효율은 신탄과 동일하거나 다소 좋은 것으로 사료된다.
연구결론
본 연구에서는 낙동강 상수 원수를 정수하기 위해 부산의 D정수장 BAC공정에서 3년 3개월 동안 사용된 석탄계 재응축 폐탄을 재생탄의 성상 및 품질 요구조건 등을 만족시킬 수 있는 최적의 재생운전 조건을 도출하기 위해 실증 플랜트를 이용하여 실험한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
첫째, 석탄계 재응축 활성탄 재생시 재생온도와 체류시간의 관계를 실험한 결과 요오드가 회복치 변화는 체류시간 35분, 로내 온도 850℃에서 가장 안정적인 결과를 보였다.
둘째, 재생의 최적 체류시간인 35분에서 로내 6단 온도와 스팀비를 변화시키면서 실험한 결과, 온도 850℃, 스팀주입비는 0.75kg H₂O/kg A.C.일 때 요오드가 회복치 변화가 안정적인 결과를 보였다.
셋째, 석탄계 활성탄의 재생탄 요오드가 회복치 변화는 주어진 최적 재생 조건인 온도 850℃, 스팀주입비 0.75~1kg H₂O/kg A.C.에서 체류시간에 무관하게 요오드가 회복치가 235~260mg/g 정도로 거의 일정하게 회복한 것으로 나타났다.
넷째, 최적 체류시간인 35분에서 로내 6단 온도와 스팀주입량을 변화시키면서 MB탈색력을 시험한 결과, 온도 850℃, 스팀주입비 1kg H₂O/kg A.C.때 MB탈색력 회복치는 80 mL/g이상 높은 값을 보였다.
다섯째, 로 내부의 체류시간에 따른 충진밀도 변화는 온도 850℃에서 체류시간에 따라 0.47~0.49cc/g 사이로 가장 안정적으로 나타났다.
여섯째, 재생탄을 충진한 BAC 공정에서 수질 주요항목인 KMnO4소비량, DOC, UV-254, THMFP를 실험한 결과, 재생 직후인 초기 운전기간 동안 후오존수대비 80%이상으로 신탄과 유사한 수질 제거효율을 보였다.
마지막으로, 석탄계 재응축 활성탄 재생시 재생수율(90%)과 성능 회복치(폐탄 요오드가 대비 230~260 mg/g)를 만족시킬 수 있는 최적 재생조건은 체류시간 35~40분, 로내 온도 850℃, 스팀주입량 0.75~1kg H2O/kg A.C.으로 도출되었다.
[저작권자ⓒ 이미디어. 무단전재-재배포 금지]
