지표수 망간 제어를 위한 원수 생물여과

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9020(2023) 이 기사 인용

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지표수 시스템의 망간(Mn) 제어는 식수 산업, 특히 지속 가능성 프레임워크를 통해 해결해야 할 과제입니다. 지표수에서 망간을 제거하기 위한 현재 방법은 탄소를 포함하는 강력한 산화제를 사용하며 비용이 많이 들고 인간의 건강과 환경에 해로울 수 있습니다. 본 연구에서는 기존의 지표수 전처리 없이 호수 물에서 망간을 제거하기 위해 간단한 바이오필터 설계를 사용했습니다. 폭기된 유입수를 갖춘 바이오필터는 120μg/L 이상의 용해된 망간을 함유한 유입수를 받을 때 망간을 10μg/L 미만의 농도로 제거했습니다. 망간 제거는 철분 함량이 높거나 암모니아 제거가 불량해도 억제되지 않았으며, 이는 제거 메커니즘이 지하수 바이오필터와 다를 수 있음을 시사합니다. 실험적인 바이오필터는 또한 전체 규모의 기존 처리 공정보다 더 낮은 배출 망간 농도를 달성하는 동시에 더 높은 망간 농도를 수용했습니다. 이러한 생물학적 접근 방식은 지속 가능한 개발 목표를 달성하는 데 도움이 될 수 있습니다.

식수에 포함된 망간(Mn)은 일반적으로 물의 미관을 개선하기 위해 제거됩니다. 미립자 망간은 물을 변색시키고 기구와 세탁물을 얼룩지게 할 수 있기 때문입니다1. 그러나 높은 망간 농도가 어린이의 건강과 발달에 영향을 미칠 수 있다는 우려가 커지고 있습니다2,3,4,5. 망간이 유통 시스템에 축적되면 미적 문제와 건강 문제가 더욱 악화될 수 있습니다. 축적된 망간은 배수 시스템의 수력학적 또는 수질 변화로 인해 빠르게 이동하여 수돗물에서 망간 농도가 크게 증가하고 예측하기 어려울 수 있습니다6. 망간의 축적은 또한 납 방출을 증가시킬 수 있습니다7,8. 따라서 식수처리장에서는 망간 제거를 극대화해야 합니다.

캐나다 보건부는 20 µg Mn/L의 미적 목표를 권장하지만, 많은 유틸리티에서는 분배 시스템의 축적 영향을 방지하기 위해 더 낮은 농도를 목표로 합니다6,9. 지표수 처리장의 경우 이러한 목적은 일반적으로 강한 산화제(예: 이산화염소 또는 과망간산염)를 사용한 화학적 산화와 입자 불안정화 또는 유리 염소 및 산화망간 코팅 매체를 사용한 촉매 산화를 조합하여 달성됩니다6,10. 그러나 이러한 화학 물질 기반 기술은 유해한 부산물을 생성하고 화학 물질 수요, 투약에 필요한 장비 및 운영자 교육으로 인해 처리 비용을 증가시킬 수 있습니다11,12.

망간 처리에 대한 이러한 기존 접근 방식은 지속 가능하지 않으며 전문 장비, 교육 및 수처리 화학 물질에 대한 접근이 불가능한 지역에서는 실용적이지 않습니다. 이러한 사용은 "모든 사람을 위한 물과 위생의 가용성과 지속 가능한 관리 보장"을 목표로 하는 UN 지속가능발전목표 6(SDG6)과 충돌합니다13. 이러한 목표를 달성하려면 망간의 대체 처리 기술이 필요합니다. 이러한 기술은 망간을 20μg/L 미만의 농도로 제거하는 동시에 식수 처리가 환경에 미치는 영향을 줄일 수 있어야 합니다.

생물여과는 유입수 수질에 따라 화학물질 첨가가 거의 또는 전혀 필요하지 않은 망간 처리를 위한 지속 가능한 기술 대안입니다. 바이오필터는 산화제 잔류물(예: 염소)이 적거나 전혀 없는 상태로 작동되는 과립형 미디어 필터로, 자연 발생 미생물이 성장하고 미디어를 코팅하는 생물막을 형성할 수 있습니다14. 이러한 생물막은 다른 방법으로는 유지되지 않는 용해된 오염물질을 흡착 및 분해하여 필터의 제거 능력을 증가시킬 수 있습니다. 생물여과는 폭기 및 입상 여재 여과로만 구성된 많은 처리 시스템을 통해 지하수 처리에 광범위하게 사용됩니다15. 이 청정 기술을 사용하면 지표수 처리가 더욱 지속 가능해질 수 있지만, 망간에 대한 지표수 생물 여과를 고려한 연구는 널리 적용 가능한 설계 지침을 제공하지 못했습니다. 지하수 연구 결과는 유망하지만 대부분의 지하수에는 지표수에 비해 주로 용해된 오염물질이 포함되어 있고 유기 탄소 농도가 낮기 때문에 지표수 처리에 직접 적용할 수는 없습니다. 따라서 SDG6 달성을 돕기 위해서는 지표수 바이오필터에 대한 연구를 통해 망간 제거 능력과 설계 원리를 확립해야 합니다.

80%), proposing that either iron-oxide minerals covered adsorption sites for dissolved manganese on filter media or that dissolved iron competed with dissolved manganese for adsorption sites. The biofilters in this study had extremely high iron loadings, sometimes exceeding 100 kg Fe/m2 per filter run when influent iron concentrations were highest (Supplementary Fig. S6). These high iron loadings did not inhibit dissolved manganese removal, with most filters achieving > 80% manganese removal after the initial acclimation period. This is the opposite of what Bruins et al.15 observed across over 100 groundwater biofilters, which may indicate that the mechanisms of manganese removal across surface water biofilters differ from groundwater biofilters. However, the limited impact of iron loading may also be due to differences in hydraulics and water chemistry in this study. For example, biofilters in this study were backwashed weekly, regardless of head loss, which could allow for the buildup of iron-oxides capable of dissolved manganese adsorption that would have been removed from a full-scale filter15./p> 80% of dissolved manganese after the initial acclimation period. This excellent removal resulted in a typical average effluent dissolved manganese concentration well below the Canadian aesthetic objective of 20 µg/L (Fig. 3), even when filters were supplied manganese concentrations exceeding 120 µg/L. The manganese removal performance of the raw water biofilters surpassed the permanganate driven full-scale process at BLDWTP (Fig. 6), despite the unadjusted influent manganese concentrations dropping to below 50 µg/L after destratification. BLDWTP relies on further removal of manganese by chlorine applied after filtration to achieve treatment goals. These results suggest that a simple raw water biofiltration system could be a viable method for controlling dissolved manganese from surface waters similar to the present study. Such a system could be implemented in regions without access to conventional manganese treatment technologies with minimal chemical inputs./p> 8 mg/L) were critical in achieving low effluent dissolved manganese concentrations. Aeration also reduced the days in operation before manganese was effectively controlled./p>