수질정화 시스템을 이용한 빗물의 음용수화에 관한 연구
김성태*, 김태영*, 김도현*, 이원근*, 노선균**, 조성용†
*,†전남대학교, 환경에너지공학과
**호남대학교 소방행정학과
A Study on Drinking Water from Rainwater Using Water Purification System
Sung-Tae Kim
*, Tae-Young Kim
*, Do-Hyun Kim
*, Won-Keun Lee
*, Seon-Gyun Rho
**, Sung-Yong Cho
†*,†
Department of Environment and Energy Engineering, Chonnam National University, Gwangju, Korea
**Department of Fire Service Administration, Honam University, Gwangju, Korea (Received : Nov. 20, 2017, Revised : Dec. 15, 2017, Accepted : Dec. 22, 2017)
Abstract : Rainwater used for drinking purposes was tested in a water purification system. Most parameters were within the standard water quality. Microorganisms were detected when the rainwater was not treated with ultraviolet (UV-C) light. However, analysis of rainwater after UV-C sterilisation showed no trace of microorganisms. The suspended matters in the rainwater were removed by the sand layer. Organic compounds and heavy metals were adsorbed by bamboo activated carbon and chitosan bead. The rainwater using water purification system appear to provide drinking water of relatively good quality compared with surface water and groundwater.
Keyword : Adsorption, Bamboo, Chitosan, Rainwater, Sand, UV-C
1. 서 론
2)
안전한 식수는 인간의 삶과 건강을 위한 필수 조건이 며, 유엔(UN)에 의하면 물은 인간이 다른 권리를 누 리기 위한 전제조건이자 기본적인 인권이라 선언하였 다. Population Action International (PAI) 국제 비정부단체에서 발표한 보고서에 의하면 세계는 2050 년까지 적어도 세계인구의 4명중 한 명은 만성적으로 청정수 부족에 시달리는 국가에서 살게 될 것이라고 예 상하였다[1]. 지구상에 존재하는 담수의 0.26%만이 인간이 사용할 수 있는 물 자원으로 지구온난화에 따른 물 자원 고갈과 지역별 물 자원의 편차 그리고 오염도의
†Corresponding Author 성 명 : 조 성 용
소 속 : 전남대학교 환경에너지공학과 주 소 : 광주 북구 용봉로 77 전남대학교 전 화 : 062-530-1862
E-mail : sycho@jnu.ac.kr
심화가 발생하고 있다. 이에 따른 수리권 확보 및 수리 권의 무기화를 위한 분쟁 확대 가능성도 있으며, 물 자 원에 대한 독점적 지역사업의 기회 가능성도 있다 [2-5].
빗물이용은 우리나라를 포함한 사회의 지속가능한 발 전을 원하는 모든 세계인의 관심사가 되고 있으며, 선진 외국의 추세는 부족한 수자원을 해결하고 환경 저부하 형 사회를 만들기 위하여 단순히 빗물 모으기 차원을 넘 어서 빗물을 수확한다는 개념으로 진행하고 있다[6,7].
우리나라의 연강수량은 약 1,308 mm이며, 계절별 강수량은 여름철이 723 mm로 연강수량의 약 55%를 차지하고, 가을철(260 mm), 봄철(237 mm), 겨울철 (89 mm) 순으로 겨울철에는 강수량이 매우 적어서 연강수량의 7% 정도이다[8]. 물 부족에 따른 「물의 재이용 촉진 및 지원에 관한 법률」을 제정해 일정 규모 이상의 건물에 ‘빗물이용시설’을 설치하도록 하고, 오수·
하수처리수 및 폐수처리수를 재이용할 수 있도록 규정 하고 있다.
지표면 위에 내린 빗물은 지표면의 습윤 상태, 저류, 증발산 그리고 토양으로의 침투 등의 물리적 과정을 거
쳐 유출되며, 강우량 중에 유출로 이어지지 않는 부분을 손실량으로 나타내는데, 일반적으로 불투수성 지표면의 초기 습윤 손실을 0.3~0.7 mm, 지표면 저류 손실은 0.5~2.0 mm로 보고 있다[9].
빗물은 조경용수, 청소용수, 화장실용수, 농업용수, 공업용수, 교육용수, 살수용수, 연못유지용수, 수생식물 관리용수, 잡용수의 10가지 용도로 구분할 수 있으며, 전반적으로 한 가지 용도로 이용하는 경우가 많지만, 여 러 가지 용도로 이용하는 경우도 있다.
본 연구에서는 빗물의 음용수화를 위해 내린 빗물과 받은 빗물의 수질 특성을 비교 분석하였다. 빗물내의 유 기화합물을 제거하기 위해 담양에서 재배된 대나무를 이용하여 대나무 활성탄을 제조하였으며, 빗물내의 중 금속을 흡착시키기 위해 졸-겔법을 이용하여 다공성 키 토산 비드를 제조하였다. 또한 빗물내의 병원성 미생물 을 사멸시키기 위해 UV-C (Philips co., Poland)을 이용하여 빗물의 수질정화 특성을 연구하여 빗물의 음 용수화 가능성에 대해 고찰하였다.
2. 실험재료 및 방법 2.1 흡착제
빗물내의 유기화합물을 제거하기 위해 담양산 대나무 를 30 wt% KOH 용액에 약 3일간 침지시킨 후 질소 분위기하에서 5℃/min으로 450℃까지 승온 후 30 분 간 탄화시켰으며, 800 ℃까지 승온 후 2시간 동안 활성 화하여 대나무 활성탄을 제조하였다. 빗물내의 중금속 을 제거하기 위해 3 wt% 키토산을 2 wt% 초산 수용 액에 용해시키 후 2 N NaOH 수용액에 적하시켜 상전 이법을 이용하여 다공성 키토산 비드를 제조하였다. 대 나무 활성탄과 키토산 비드의 물리적 특성 고찰을 위해 BET (Autosorb-1, USA), 그리고 SEM (JSM- 7500, Janpan) 등을 이용하여 분석하였다.
2.2 실험 및 방법
받은 빗물은 대기오염과 옥상 노면의 불순물 영향을 고려하여 비가 내린지 약 10 분경과 후 홈통을 이용하 여 옥상에 내린 빗물을 저장조에 약 0.6 톤 모은 후 22 일간 방치하여 빗물을 오염시켰다. 빗물의 음용수화 실 험을 위해 Fig. 1과 같은 빗물정화용 시스템을 제작하 였다. Fig. 1에서 a 컬럼 내부에는 오염된 빗물 중의 부유물질 등을 제거하기 위해 전남 진도 해수욕장에서 채취한 모래를 잘 세척한 후 40 mesh 통과한 모래를 충전하였다. 컬럼 입구 직경은 15 mm, 출구직경은 44 mm, 길이 200 mm 인 원통형 컬럼을 사용하였다. 오 염된 빗물 중의 유기화합물을 제거하기 위해 본 연구에 서 제조된 대나무 활성탄을 b 컬럼에 충전하였으며, 중 금속을 제거하기 위해 키토산 비드를 c 컬럼에 충전하였 다. 또한 일반미생물과 대장균 등 유해성 미생물을 제거 하기 위해 내경이 19 mm인 석영관에 6w UV-C 램프 (Philips co., Poland)를 삽입하였고 이를 직경이 36 mm인 관형 반응기에 넣어 연속 흐름형 반응조 d를 제 작하였으며, 반응기의 길이는 200 mm이었다.
Fig. 1. Rainwater purification system. (a: sand, b; bamboo activated carbon, c; chitosan bead, d: UV-C)
3. 결과 및 고찰 3.1 흡착제의 물리적 특성
활성탄의 활성화 방법으로는 스팀과 화학약품처리법 등이[10] 있으나 본 연구에서는 비교적 간단한 KOH를 이용한 약품 활성화법을 사용하였다. 30 wt% KOH로 활성화된 대나무 활성탄의 물리적 특성을 고찰하기 위 해 미국 Quantachrom사의 Autosorb-1을 이용하여 대나무 활성탄의 비표면적, 세공부피 및 평균 세공크기 등을 분석하여 Table 1에 정리하여 나타내었다.
Table 1에 나타낸 바와 같이 대나무 활성탄의 비표면 적은 1,092 m2/g, 세공부피는 0.26 cc/g, 평균 세공 크기는 0.95 nm 이었다.
졸-겔법으로 제조된 키토산 비드의 물리적 특성을 고 찰하기 위해 비표면적 분석기로 분석하였으며, 그 결과 를 Table 1에 나타내었다. 다공성 키토산 비드의 비표 면적은 350 m2/g, 세공부피는 0.81 cc/g, 평균 세공 크기는 4.28 nm 이었으며, 비드의 평균 직경은 약 0.2 cm 이었다. Fig. 2에 제조된 대나무 활성탄과 키 토산 비드의 SEM 사진을 나타내었다. 대나무 활성탄은 세공구조가 판상형인 야자각 활성탄과 달리 벌집모양의 세공이 잘 발달되어 있으며, 키토산 비드는 3차원적 망 상 구조의 세공이 잘 형성되어 있었다.
Properties Chitosan bead Bamboo AC BET surface area (m2/g) 350 1,092 Average pore radius (Å) 42.83 9.45
Tota pore volume (cc/g) 0.81 0.26 Table 1. Physical properties of the chitosan bead and
bamboo activated carbon.
(a) (b)
Fig. 2. SEM photography of (a) bamboo activated carbon and (b) Chitosan bead (x 1,000).
3.2 빗물의 특성
시료채취 당일 기상현황은 평균기온이 22.9 ℃, 최 고기온은 24.4 ℃, 최저기온은 21.4 ℃, 평균운량은 9.0이었으며, 강수량은 19.4 mm이었다. 대기오염의 영향을 고려하여 비가 내린지 약 10 분경과 후 내린 빗 물에서는 암모니아성 질소와 질산성 질소가 각각 0.21 mg/L와 0.1 mg/L가 검출되었으며, 또한 경도와 과망 간산칼슘소비량은 각각 17 mg/L와 4 mg/L 이었으며 탁도는 0.1 NTU 이었으며, 수소이온농도는 5.8로 검 출된 시료는 모두 음용수 수질기준 이내였다. 음용수의 수질검사는 Table 2에 나타낸 바와 같이 47개 항목이 다. 받은 빗물 역시 대기오염의 영향과 옥상의 노면의 불순물의 영향을 고려하여 비가 내린지 약 10 분경과 후 홈통을 이용하여 빗물을 받았다. 받은 빗물에서는 내 린 빗물과는 달리 일반세균이 8 cfu/mL로 검출되었다.
이는 옥상노면이나 물받이 홈통에 오염되어 있던 미생 물 때문으로 사료되지만 음용수 수질기준인 100 cfu/mL 이하이었다. 암모니아성질소와 질산성질소가 각각 0.27 mg/L와 0.2 mg/L가 검출되었지만 음용수 수질기준 이내였으며, 또한 경도와 과망간산칼슘소비량 은 각각 38 mg/L와 1.44 mg/L으로 검출되었지만 모 두 음용수 수질기준 이내였다. 탁도는 1.5 NTU로 음 용수 수질기준인 1 NTU를 초과하였다. 수소이온농도 는 6.7로 음용수 수질기준을 만족하였다. 내린 빗물에 서는 검출되지 않았던 구리와 아연이 받은 빗물에서는 각각 0.022 mg/L와 0.043 mg/L가 검출되었는데 이 는 빗물 홈통에서 구리와 아연이 빗물에 용해되었기 때 문으로 사료된다. 그러나 받은 빗물 내의 구리 및 아연 의 농도는 모두 음용수 수질 기준 이내였다. 빗물의 특 성분석은 외부 전문기관에 의뢰하여 분석하였으며, Table 2 내린 빗물과 받은 빗물의 특성을 정리하여 나 타내었다.
받은 빗물의 저장기간에 따른 전기전도도와 pH의 변화를 고찰한 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 전기전도 도의 SI 단위는 S/m (siemens per meter)로 25 °C를 기 준으로 한다. 받은 빗물의 22일 동안 전기전도도 값은 최저 21.8에서 최고 24.1 ㎲/㎝으로 깊은 산의 약수 (1.0 ㎲/㎝) 보다는 크고 깨끗한 수돗물 (50 ㎲/㎝) 보다 는 낮은 중간치의 전기전도도를 나타내었다.
Table 2. characteristics of rainwater.
순번 검사항목 수질기준 내린
빗물 받은 빗물
1 일반세균 100 cfu/ml 0 8
2 총대장균군 불검출 불검출 불검출
3 분원성대장균군 불검출 불검출 불검출
4 대장균 불검출 불검출 불검출
5 납 0.01 mg/L 불검출 불검출
6 불소 1.5 mg/L 불검출 불검출
7 비소 0.01 mg/L 불검출 불검출
8 세레늄 0.01 mg/L 불검출 불검출
9 수은 0.001 mg/L 불검출 불검출
10 시안 0.01 mg/L 불검출 불검출
11 크롬 0.05 mg/L 불검출 불검출
12 암모니아성질소 0.5 mg/L 0.21 0.27
13 질산성질소 10 mg/L 0.1 0.2
14 카드뮴 0.005 mg/L 불검출 불검출
15 보론 1.0 mg/L 불검출 불검출
16 페놀 0.005 mg/L 불검출 불검출
17 디아이지논 0.02 mg/L 불검출 불검출
18 파라티온 0.06 mg/L 불검출 불검출
19 페니트로티온 0.04 mg/L 불검출 불검출
20 카바릴 0.07 mg/L 불검출 불검출
21 1.1.1-트리클로로에탄 0.1 mg/L 불검출 불검출
22 테트라클로로에텔렌 0.01 mg/L 불검출 불검출
23 트리클로로에텔렌 0.03 mg/L 불검출 불검출
24 디클로로메탄 0.02 mg/L 불검출 불검출
25 벤젠 0.01 mg/L 불검출 불검출
26 톨루엔 0.7 mg/L 불검출 불검출
27 에틸벤젠 0.3 mg/L 불검출 불검출
28 크실렌 0.5 mg/L 불검출 불검출
29 1.1-디클로로에텔렌 0.03 mg/L 불검출 불검출
30 사염화탄소 0.002 mg/L 불검출 불검출
31 1.2-디브로모-3-크로로프로판 0.003 mg/L 불검출 불검출
32 1,4-다이옥신 0.05 mg/L 불검출 불검출
33 경도 1,000 mg/L 17 38
34 과망간산칼슘소비량 10 mg/L 4 1.4
35 냄새 무취 불검출 없음
36 맛 무미 불검출 없음
37 동 1 mg/L 불검출 0.022
38 색도 5 불검출 2
39 세제 0.5 mg/L 불검출 불검출
40 수소이온농도 5.8-8.5 5.8 6.7
41 아연 3 mg/L 불검출 0.043
42 염소이온 250 mg/L 불검출 불검출
43 철 0.3 mg/L 불검출 불검출
44 망간 0.3 mg/L 불검출 불검출
45 탁도 1 NTU 0.1 1.56
46 황산이온 200 mg/L 불검출 불검출
47 알루미늄 0.2 mg/L 불검출 불검출
받은 빗물의 22일 동안 pH 값은 초기 받은 빗물에서 최고인 5.99이었으며, 최저 pH는 5.23으로 거의 일정 하였다. 빗물의 저장기간에 따른 미생물 증식현상을 고 찰하기 위해 120 L 용기에 빗물을 약 100 L을 채운 후 13 일간 실험을 행하였다.
day
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
Conductivity(mS)
0 5 10 15 20 25 30 35
day
12 345 678 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
pH
0 1 2 3 4 5 6 7
Fig. 3. Variation of conductivity and pH of rainwater in terms of time.
실험 기간의 평균기온은 28.9 oC이었다. 시간에 따 른 일반미생물 증식을 Fig. 4에 나타내었다. 그림에서 보는바와 같이 빗물 원수에서 일반미생물이 8 cfu/ml 이었는데 2일이 지난 후 2,600 cfu/ml로 급격히 증가 한 후 완만하게 일반미생물이 계속 증식함을 확인할 수 있었다.
Day
0 2 4 6 8 10 12 14
G. bacteria (cfu/ml)
0 1000 2000 3000 4000
Fig. 4. Variation of microorganism increase in rainwater in terms of time.
3.3 친환경 소재를 이용한 빗물의 정화
받은 빗물을 22 일간 빗물 저장조에서 방치시켜 빗물 을 오염시켰다. 오염된 빗물은 펌프를 이용하여 흡착조 로 이송하였으며, 흡착조는 모래필터를 거친 후 유기화 합물을 제거하기 위해 대나무 활성탄 충전탑과 중금속 을 흡착하기 위한 키토산 비드 충전탑 그리고 유해성 미 생물을 사멸하기 위해 연속 흐름형 UV-C 반응조 순으 로 통과시켰다. 친환경 소재를 이용하여 오염된 빗물을 정화한 후 수질 분석한 결과를 Table 3에 정리하여 나 타내었다. 오염된 빗물의 경우 Table 3에서 보는바와 같이 일반세균은 기준치인 100 cfu/ml를 초과한 2,600 cfu/ml 이었으며, 납 또한 기준치인 0.01 mg/L를 초과한 0.014 mg/L로 검출되었다. 탁도 역시
기준치인 1 NTU를 초과한 1.46 NTU로 검출되었다.
기준치 이내지만 검출된 수질 항목은 질산성질소가 0.7 mg/L, 디클로로메탄이 0.005 mg/L, 경도 6 mg/L, 과망간산칼륨소비량이4.8 mg/L, 구리가 0.388 mg/L, 아연이 0.066 mg/L, 망간이 0.005 mg/L 등 이었다.
Table 3. characteristics of rainwater using water purification system.
순번 검사항목 수질기준 처리전 처리후
1 일반세균 100 cfu/ml 2600 불검출
2 총대장균군 불검출 검출 불검출
3 분원성대장균군 불검출 불검출 불검출
4 대장균 불검출 불검출 불검출
5 납 0.01 mg/L 0.014 불검출
6 불소 1.5 mg/L 불검출 불검출
7 비소 0.01 mg/L 불검출 불검출
8 세레늄 0.01 mg/L 불검출 불검출
9 수은 0.001 mg/L 불검출 불검출
10 시안 0.01 mg/L 불검출 불검출
11 크롬 0.05 mg/L 불검출 불검출
12 암모니아성질소 0.5 mg/L 불검출 불검출
13 질산성질소 10 mg/L 0.7 0.4
14 카드뮴 0.005 mg/L 불검출 불검출
15 보론 1.0 mg/L 불검출 불검출
16 페놀 0.005 mg/L 불검출 불검출
17 디아이지논 0.02 mg/L 불검출 불검출
18 파라티온 0.06 mg/L 불검출 불검출
19 페니트로티온 0.04 mg/L 불검출 불검출
20 카바릴 0.07 mg/L 불검출 불검출
21 1.1.1-트리클로로에탄 0.1 mg/L 불검출 불검출
22 테트라클로로에텔렌 0.01 mg/L 불검출 불검출
23 트리클로로에텔렌 0.03 mg/L 불검출 불검출
24 디클로로메탄 0.02 mg/L 0.005 불검출
25 벤젠 0.01 mg/L 불검출 불검출
26 톨루엔 0.7 mg/L 불검출 불검출
27 에틸벤젠 0.3 mg/L 불검출 불검출
28 크실렌 0.5 mg/L 불검출 불검출
29 1.1-디클로로에텔렌 0.03 mg/L 불검출 불검출
30 사염화탄소 0.002 mg/L 불검출 불검출
31 1.2-디브로모-3-크로로프로판 0.003 mg/L 불검출 불검출
32 1,4-다이옥신 0.05 mg/L 불검출 불검출
33 경도 1,000 mg/L 6 5
34 과망간산칼슘소비량 10 mg/L 4.8 2.3
35 냄새 무취 없음 불검출
36 맛 무미 없음 불검출
37 동 1 mg/L 0.388 불검출
38 색도 5 불검출 불검출
39 세제 0.5 mg/L 불검출 불검출
40 수소이온농도 5.8-8.5 7.1 8.1
41 아연 3 mg/L 0.066 불검출
42 염소이온 250 mg/L 1.3 1.9
43 철 0.3 mg/L 불검출 불검출
44 망간 0.3 mg/L 0.005 불검출
45 탁도 1 NTU 1.46 0.46
46 황산이온 200 mg/L 4 2
47 알루미늄 0.2 mg/L 불검출 불검출
반면에 수질정화 시스템을 이용하여 정화된 빗물의 경우 일반세균과 분원성 대장균은 검출되지 않았으며, 수질 항목은 모두 기준치 이내였다. 특히 중금속의 경우
정화되지 않은 빗물에 비해 수질정화 시스템을 이용하 여 정화된 빗물의 경우 중금속은 모두 제거되었는데 이 는 수질정화 시스템내의 키토산 비드에 의해 중금속이 모두 흡착 제거되었기 때문이다.
빗물의 음용수화에서 가장 문제가 되고 있는 일반미 생물 등 유해성 미생물을 제거하기 위해 회분식 및 연속 흐름형 UV-C 반응조에서 실험을 행하였다. 회분식 광 반응조의 경우 UV-C 39W (SM, S11391) 램프를 이 용하여 120 L의 용기에 100 L의 빗물을 넣은 후 시간 에 따른 일반미생물의 사멸에 관한 실험으로 초기 일반 미생물은 약 16,000 cfu/ml 이었는데 반응 1 분 후 일 반미생물은 약 150 cfu/ml으로 급격히 감소하였으며, 사멸율은 약 99.07%이었다. 광 반응 2분 후부터서는 일반미생물의 사멸율은 100% 이었다. 연속 흐름형 광 반응기에서 유속의 변화(40–80 ml/min)에 따른 일 반미생물의 사멸에 관한 실험을 행하였다. 초기 일반미 생물은 약 24,666 cfu/ml 이었으며, 연속 흐름형 광반 응기를 통과한 빗물 내의 일반미생물의 사멸율 모두 100% 이었다. UV-C영역은 살균선이라 불리며 220∼
280 nm의 파장을 가진다. UV-C 조사 시 미생물의 DNA나 RNA에 광반응에 따른 세포 손상을 일으켜 살 균효과를 나타낸다. 특히 253.7nm의 경우 미생물의 DNA에 가장 치명적인 효과를 주는 파장이라고 알려져 있다[11].유속에 따른 일반미생물 사멸에 관한 결과를 Table 4에 정리하여 나타내었다.
Table 4. Death of microorganism in tubular photo reactor in terms of flow rate.
유속 [ml/min]
초기 일반미생물
[cfu/ml]
광반응 후 일반미생물
[cfu/ml]
사멸율 [%]
40 24,666 불검출 100
60 24,666 불검출 100
80 24,666 불검출 100
4. 결론
본 연구에서는 친환경적 방법을 이용하여 빗물의 음 용수화에 관한 연구결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
1. 내린 빗물은 음용수 수질 기준치를 모두 만족시켰지 만, 건물 홈통에서 받은 빗물의 경우 일반세균과 중 금속이 검출되었으며, 탁도는 수질기준치를 초과하 2. 하절기 빗물을 장기간 보관 시 전기전도도와 pH는였다.
거의 변화가 없지만 일반세균은 시간에 따라 급격히 증가하였다.
3. 빗물내의 유기화합물과 중금속은 친환경 소재인 대 나무 활성탄과 키토산 비드를 이용하여 모두 제거할 수 있었으며, 일반미생물은 UV-C를 이용하여 100% 사멸시킬 수 있었다. 따라서 친환경 소재를 활용한 빗물의 음용수화 시스템으로 처리한 빗물은 음용수로 사용 가능함을 확인할 수 있었다.
감사의 글
본 연구는 광주녹색환경지원센터의 2016년도 연구 사업비 지원(16-04-20-22-15)과 중소기업청 2016년 도 창업성장기술개발사업 (S2432341)에 의해 이루어 졌으며 이에 감사드립니다.
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