기획세미나-활성탄품질의 안정화와 위기대응 수급전략-특집토론-2/활성탄전문교육,활성탄제조기술시급,선진국 50년 독점계약

[환경경영신문]

기획세미나-활성탄품질의 안정화와 위기대응 수급전략-특집토론-2

수요자 측면에서 양질의 활성탄 품질 확보

                           임영성(창원시상수도사업소 수질연구센터장)

활성탄 고품질과 저품질 반반 섞으면 합격

활성탄 전문교육 연 2회 이상 의무화 해야

정수장마다 원수 수질이 달라 우선 제거 대상 오염물질 선정이 중요하다. THMs, 냄새를 유발하는 지오스민과 2-MIB, TOC, 마이크로시스틴 등을 선정한 다음 제거 대상 오염물질 흡착에 적합한 야자계 또는 석탄계 활성탄을 선정한다.

품질이 우수한 활성탄을 확보하기 위해서는 활성탄 구매 시방서에 성분규격, 검수와 검사방법을 정수장 실정에 맞게 작성하여 엄격하게 관리하여야 한다.

양심불량한 업체는 정상적으로 생산한 고품질 제품과 저온에서 대충 탄화 활성화한 저급제품을 일정 비율로 섞어서 납품할 수 있으며, 정수장에서 저급탄을 구별하기 어렵고, 저급탄 납품이 수처리 효율을 저하시키고 있다. 예를 들면 요오드가 1,150㎎/g인 0.6㎥와 요오드가 650㎎/g인 0.4㎥를 균일하게 섞으면 요오드가 950㎎/g 으로 기준 규격을 만족시킬 수 있다.

회분은 수처리제 성분규격에 없는 항목이다. 회분은 재생탄이나 폐활성탄이 신탄보다 함량이 높다. 재생탄이나 폐활성탄 등 저급활성탄이 신탄으로 둔갑하여 납품되는 것을 방지하기 위해서 회분 함량 관리가 필요하다.

검수는 야자계는 통관절차에 사용되는 서류인 선하증권(B/L) 사본을 납품업체로부터 제출받아 원자재 수입 일자와 수량을 확인한다. 석탄계는 선하증권(B/L) 사본, 컨테이너 고유번호(예, CSNU7419339), 봉인번호(예, L065641), 수량(톤백수, 중량)을 사전에 납품업체로부터 제출 받는다. 부두에 하역된 컨테이너를 정수장으로 바로 입고시켜 컨테이너 번호, 봉인번호를 선하증권과 비교하여 확인하고 수량도 확인한다. 이렇게 하면 공장에서 활성탄 바꿔치기 또는 저급활성탄과 혼합 재포장을 예방할 수 있다.

검사는 정수장에 입고된 활성탄은 현장검사와 성분검사로 구분하여 실시한다. 검사용 시료 채취 방법은 시료 채취기로 톤백 전수 채취하며, 톤백 상중하 중 임의 채취한다. 시료 채취기는 스텐레스 파이프 직경 20mm, 길이 1m로 추곡수매검사용처럼 끝을 뽀족하게 자체 제작하여 사용하고 시료 채취량은 1회 40mL로 한다.

현장검사는 육안검사, 연소검사, 기포생성검사로 한다

정수장의 활성탄 담당자는 순환보직으로 전보가 잦아 3년 이상 근무하기 어렵다. 대부분 정수장 근무 경험이 없는 자로서 활성탄에 대한 전문지식과 이해가 부족하다. 그래서 새로 구매하는 활성탄이 양질의 활성탄인지를 알기 어렵다. 재생탄도 마찬가지다. 따라서 정수장의 활성탄 담당자는 매년 상반기, 하반기 인사이동에 맞춰 활성탄에 대한 특성, 구매·재생 방법, 활성탄지 운영방법, 교체 주기, 흡착능 등 제반사항에 대해 현장의무교육이 필요하다.

활성탄의 위기상황과 재생활성탄의 규격설정

                                                                         박진찬(한독카본 이사)

재생활성탄 적극적 권장으로 위기탈출

친환경적 활성탄 제조기술 개발이 당면과제

우리나라는 활성탄 100% 수입국가로 국내에서 1년간 활성탄 소비 규모는 약 11만톤 정도 된다. 신탄이 6만톤, 재생탄이 5만톤 가량이다. 이론 수율 최소치인 70%를 설정하고 3회까지 재생하여 사용하는 것으로 계산하면 매년 6만톤의 활성탄을 구매할 시 9만톤은 재생탄으로 쓸 수 있다. 그러나 현재는 4만톤 가량의 활성탄을 폐기하거나 재고로 쌓고 있다. 자원낭비를 방지하고 수입의존도를 줄이기 위해서 활성탄의 재활용을 장려하고 적극적으로 사용해야한다. 재생탄은 탄소중립에도 안성맞춤인 친환경적 자원으로 재생활성탄은 탄소배출량이 신탄 생산에 비해 10배 이상 적게 발생한다.

국내에서는 재사용활성탄을 통틀어서 지칭하지만 학술적으로는 의미가 좀 다르다. 학술적으로는 regeneration과 reactivation으로 구별되는데 regeneration은 활성화 당시에 품질을 복구하는 의미고 reactivation은 활성화 때보다 더 높은 품질의 활성탄으로 재-활성화 하는 것을 의미한다.

통상적으로는 regeneration을 재생이라고 하지만 원칙적으로는 reactivation도 재생활성탄이다. 재생 방법이나 공정조건에 따라 재생활성탄이라고 반드시 신탄에 비해 성능이 떨어진다고 할 수 없다.

국내에서 사용하는 범용활성탄은 일반적으로 야자계와 석탄계이다.

석탄계 활성탄은 본래의 셀룰로오스 구조에서 그라파이제이션이 더 진행되어 스팀부활법으로는 구멍을 뚫기 어렵고 뚫기 위해서는 장시간의 reaction time과 일반적으로 국내에서 운용하는 것보다 더 높은 1000도 이상의 온도 컨트롤이 필요하다. 장시간의 reaction으로 수율이 급속도로 저하하여 경제성도 맞지 않는다. 야자계는 셀룰로오스 구조를 유지하고 있기 때문에 스팀부활을 통해 성능개선이 가능하다. 하지만 칼륨 계열의 성분들이 활성탄에 흡착이 되면 이 성분들이 activation을 방해하는 요소가 되어 야자계라고 해도 활성화가 되지 않는다. 이러한 문제점을 고려하면 재생활성탄에 대해 좀 더 체계적인 연구가 필요하다.

석탄 화력발전이 중단되면서 석탄 처리를 위한 연구가 진행중이지만, 화학적 촉매를 활용한 화학적 활성화가 아니면 활성화가 어렵고 화학적 활성화는 단가와 공정의 위험성 등의 문제로 실용화가 어렵다. 커피 소비량이 많은 국내 특성을 활용해 커피찌꺼기로 활성탄을 만들거나 쌀겨와 같은 원재료도 상업화에 모두 실패하였다. 세계에서 5번째로 석유 정제를 많이 하는 국가이기에 부산물로 생겨나는 코크스나 석유계 잔사유 중 PFO로 활성탄을 생산하고자 했으나 실제로 성공하여 상업화한 사례는 아직 없다.

칠서정수장, 석동정수장, 명동정수장 등은 야자계 활성탄을 구매하고 재생활성탄도 사용한다. 하지만 정수장 내에서 흡착과정 중 나오는 칼륨 이온이 많아 재생이 잘 되지 않는다. 석탄계 활성탄을 사용하는 정수장은 일반적으로 재생활성탄을 사용하지 않고 있다. 탄소세가 시행되고 기업들은 탄소배출에 따른 세금을 지출하고 있다. 솔선수범이 되어야하는 정부주요기관부터 탄소중립에 동참해야하고 그 발걸음 중에 하나가 재생활성탄 사용이다.

재생활성탄을 사용할 수 있도록 규격을 수정해야 한다. 정수장에서 적용하는 수처리제 활성탄 규격은 재생활성탄 활용에 타당하지 않다. 재생을 의뢰하면서 수율만 70%로 설정하고 흡착력인 요오드가는 초기와 똑같이 설정하는 것은 어불성설이다. 재생 시에는 흡착력이 90%로 저하된다는 것이 기본적인 활성탄 이론인데 가장 활성탄을 많이 사용하는 서울시에서 제시하는 신탄의 품질 기준인 요오드 흡착력은 1050mg/g이다. 1050mg/g의 흡착력을 가진 활성탄을 단순 재생하면 이론치가 945mg/g이다. 이는 수처리제 규격인 950mg/g에 미치지 못한다. 실제로는 흡착과정 중에 유기물이 아닌 금속물질이나 비금속들이 세공을 폐쇄하여 90%의 이론치에 도달하지 못할 가능성이 높다.

2011. 07월부터 2015. 03월까지 서울특별시 서울물연구원이 재생활용화와 비용에 대한 연구를 진행했고 2016년에 보고서를 작성하였다. 부산 덕산정수장에서 2018년 6월에 공고한 활성탄 재생설비 기술제안서에 따르면 재생주기 3년 기준 1차 재생탄 요오드가가 850mg/g 이상일 것으로 명시하였다. 그러나 다른 정수장에서는 입찰 시 반드시 수처리제 규격을 만족할 것을 강조한다. 정수장은 초기 설치 업체가 제시한 규격이 아니라, 품질과 종류가 다른 활성탄을 연구를 통해 제거율과 파과시간에 대한 데이터를 조사해야하고 이를 통해 재생활성탄 사용방법을 강구해야만 한다. 그리고 활성탄 제조기업들은 이에 합당한 정상적인 재생활성탄을 제조하기 위한 기술을 갖기 위한 노력을 해야한다.

현재 재생활성탄의 인식은 그리 좋지 않다. 대부분 재생탄은 저질활성탄으로 인식되고 있다. 이유는 품질명인데 재생활성탄의 경우 정해진 품질이 없다. 재생탄의 품질에 대한 규정이 없다보니 구매자는 판매자가 저질 활성탄을 판매할 것에 대한 두려움이 있고, 판매자는 굳이 고품질의 재생탄을 생산해야할 이유가 없으니 품질에 대한 문제가 생길 수밖에 없다. 따라서 재생활성탄, 더 나아가서는 활성탄에 대한 품질적 정의가 필요하다.

재생 시 활성탄 수율은 70~90%이고 결국 소모되거나 입자 크기가 작아진 활성탄은 결국 구매해서 보충해야 한다. 본질적인 해결을 위해서는 친환경적 활성탄 제조기술을 개발하고 국산화하기 위한 노력이 동반되어야 한다.

활성탄 시장의 위기극복은 곧 원재료 의존성 타파에서부터 시작된다. 재생활성탄의 적극적 권장이 필요하고 친환경적 활성탄 제조기술 개발은 한국을 활성탄 강국으로 만들 수 있는 초석이 되리라 본다.

입상활성탄 재생설비 국비지원 절대적

                                                            이승민회계사(윈텍 글로비스 경영실장)

중국 전략무기화로 활성탄 관리 수급 불안전

활성탄 교체주기 단축,재생시설 설치와 용량 증대

미국,일본 활성탄 50년 이상 독점계약 물량확보

활성탄 재생주기가 일정 기간(2년 이상) 경과할 경우 미량유해물질(과불화화합물 등) 제거효율이 급격하게 감소된다, 수입 활성탄 단가 상승, 목표 품질확보 난이 등 문제점 발생이 지속되고 있어 안정적인 활성탄 수급이 어려위지고 있다.

세계적으로 활성탄 수요가 급증하고 주요 생산국의 전략물자화 등으로 수급은 더욱 불안정해졌다.

국내의 정수장 활성탄은 중국에서 대부분 수입을 하나, 중국은 활성탄 생산시 환경문제 및 소재 무기화 전략으로 가격상승 및 수출물량을 대폭 감소시키고 있어 요소수 이상의  사태가 발생될 가능성이 크다.

원수의 수질 악화 및 미량유해물질(과불화화합물 등) 증가 등에 따라 고도정수 처리시설에 도입된 입상활성탄 교체 주기 단축 및 재생시설 설치, 재생용량 증대가 필요하다.

고도정수처리시설의 활성탄을 적기에 교체하지 못하면 처리효율이 저하되는데 대부분의 수도 사업자(지자체, 수공)가 재생시설이 미설치되어 있어 적기 교체에 어렵다.

활성탄 대부분은 수입(중국, 일본, 동남아 등)을 통해 사용하고 있으므로 해외 생산량 감소, 수입단가 증가 등의 문제로 인해 필요 물량 확보가 점차 어려워지고 있다.

활성탄의 원재료가 생산되는 원산지와 선진국들이 50년 이상 독점계약을 맺고 있어, 국내의 활성탄생산은 점점 더 어려운 상황에 직면해 있다.

이에 활성탄 재생공법을 시급히 도입하여 활성탄 재생공정 자체 관리를 통해 활성탄 흡착품질 유지 및 미량유해물질 적기 대응으로 수돗물에 대한 품질 및 신뢰도를 향상시켜야 한다.

활성탄 재생 및 교체 주기를 단축하여 고도처리 효율을 극대화하여 수질을 안정적으로 개선하고 신탄구입량 저감으로 전량 수입에 의존하던 활성탄 수입대체 효과 및 안정적인 수급 확보로 전략물자를 현명하게 대처 해야 한다,

생물활성탄(BAC)운영 2-MIB 제거가 지상 과제

                                                       정득모 서울시립대학교수/전 서울물연구원장

서울시 자체 재생과 민간 위탁재생 절반씩하자

재생주기 정수장마다 특성 살려 다르게 적용

재생탄 6개월 경과부터 TOC 제거 효율 감소

조류로 인한 대표적 맛냄새 물질인 Geosmin과 2-MIB 제거가 당초 지상 과제로서 고도정수처리 도입의 1차적 목적이 되었다. 샤워할 때 곰팡이 물비린내 냄새 등으로 인해 수돗물 민원이 증가하면서 수돗물에 대한 신뢰도가 추락하였다.

오존의 주기능은 유기물 분해 산화이고, 활성탄이 이를 흡착하여 제거하는 것이 고도정수처리의 주요 기작이다. Geosmon의 경우 2-MIB보다 오존에 의한 산화율도 높고 활성탄에 의한 흡착 제거도 용이하다. 그러나 2-MIB의 경우 겨울철 저수온 시는 제거율이 현저히 감소한다. 그러므로 동절기에는 2-MIB 제거를 위해 오존주입율을 증대시키거나 AOP로 운영하거나 또는 원수에 분말활성탄 추가 투입이 필요하다. 맛냄새 물질은 수온에 따라 제거율이 극명하게 차이 난다. 특히 10℃ 이하에서 2-MIB, Geosmin 제거율이 기하급수적으로 감소한다.

서울시 수질기준은 8ng/L 미만으로서 저수온 시기를 제외하고는 활성탄을 3년 동안 사용할 때까지 문제가 없었다. 여름철 수온 증가시에는 활성탄이 생물활성탄으로 전환되면서 생물학적 제거가 가능한 것으로 나타났다

TOC 수질기준인 1mg/L 유지하기 위해서는 신탄의 경우 1년 정도까지만 유효한 것으로 나타났다. 물론 원수 수질에 따라 다를 수 있지만 일반적으로 12개월이 지나면서 파과되기 시작하였다. 재생탄의 경우 6개월 경과부터 TOC 제거 효율이 현저히 감소하는 것으로 나타났다.

오존에 의한 TOC 제거율은 기대보다 낮게 나타났으며 활성탄에 의한 흡착이 주요 기작인 것으로 밝혀졌다. 1년 후에는 신탄이나 재생탄이나 별 차이가 없다.

활성탄의 의한 THM 파과 시기는 4개월 정도로서 상대적으로 짧았다. 소독부산물 기준만으로 볼 때 4개월 후에는 재생을 해야한다. 더구나 오존에 의한 THM 제거율도 상대적으로 적게 나타났다.

서울시는 6년을 교체기간으로 정하면서, 요오드 흡착능 기준을 500mg/g로 제시하였다. 재생탄의 품질기준은 750mg/g 이상으로 하고, 재생수율은 80% 이상이어야 한다.

수자원공사는 요오드가 600~550을 재생기준으로 하면서 500 이하일 경우는 신탄으로 교체한다. 재생탄 품질기준은 서울시와 동일하게 750 이상으로 하고, 재생수율도 80% 이상으로 정하고 있다.

부산시는 2~3년 주기로 자체 재생을 하고 있으며 6차 이상 재생을 하고 있다. 재생횟수가 증가하면서 회분 함량이 증가하고 요오드가는 1차 재생 후부터 많이 감소하는 추세이다.

THM 파과 기간도 재생횟수가 증가할수록 4개월에서 2개월로 감소함을 볼 수 있다. 재생횟수 선정을 위해 DOC 제거율을 지표로 활용하는데, 특이하게도 DOC 흡착능은 6차 재생을 하여도 신탄과 유사한 수준을 유지하고 있다.

미국 신시네티 정수장의 경우 재생주기를 6개월 정도로 짧게 적용하고 있다. 대개 자체 재생시설이 있을 때 재생을 자주 하는 경향이 있다. 네덜란드 암스테르담 정수장의 경우 재생을 4~5개월마다 빈번히 시행하고 있다.

독일은 재생주기가 1년6개월 정도이다. 일본 동경의 가나마치 정수장은 TOC제거 효율을 기준으로 4년마다 신탄으로 교체하고 있다. 폐활성탄은 원예, 시멘트 연료로 사용하고 있다. 연료 재활용은 우리도 주목해 볼 사항이다.

부산은 자체 재생시설을 갖추고 있어 재생하는 것을 기본으로 하고 있다. K-Water는 6년 주기로 신탄교체를 하고 있다. 울산은 1회 위탁 재생한 후 그 후에는 신탄으로 교체하는 것으로 정했다.

일본은 신탄 보충을 1~5개월 마다 실시하고 교체는 4~5년을 주기로 하고 있다. 미국은 정수장마다 맛냄새 제거 목적이냐, 소독부산물 제거냐에 따라 교체시기를 달리하고 있다. 3~5년 정도를 교체 주기로 하고 있으면서 매달 10~20cm 정도 신탄으로 보충하는 경우가 많다. 대개 자체 재생시설의 경우 6개월마다 재생주기를 정하고, 위탁 재생의 경우 1.5~4년 주기로 실시하고 있다. 네덜란드 경우 잔류오존 제거 목적으로 약 10년간 계속 사용하는 사례도 있다.

정수장마다 오존 주입농도가 다르고 활성탄조 체류시간이 다르기 때문에 활성탄 흡착능 또한 다르다. 접촉시간 즉 체류시간이 맛냄새 물질, TOC 제거율을 결정하는 주요 인자다. 그러므로 6개월마다 요오드가를 측정하고 이를 기준으로(500~600) 재생 내지 교체시기를 결정할 필요가 있다. 일률적으로 6년마다 교체하는 것보다는 정수장마다 특성을 살려 다르게 적용하는 것이 바람직하다.

한편 활성탄여과지 역세척을 통상 5~8일에 한번 정도 실시하는데, 역세척 주기를 단축하는 것이 흡착 성능 향상이나 활성탄의 물리적 특성인 경도 유효경 등을 개선하는 장점으로 나타났다.

서울시 같은 대형정수장의 경우 활성탄 국제가격 급변동에 대비하고 안정적인 수급을 위해서도 재생시설을 하나 정도 갖출 필요가 있다. 절반 정도는 자체 재생하고, 활성탄 업계 사정도 고려하여 나머지는 위탁재생시키는 것이 민관협업 차원에서도 바람직하다고 본다. 활성탄 재생을 5차 6차 시행한 후에 신탄으로 교체하는 것이 최적의 방안이다.

(환경경영신문 www.ionest 박남식전문기자,조철재부장)