3.1 응집 단독 공정의 반응성 특성 및 한계
Fig. 1에 제시된 바와 같이, HA는 전체 응집제 주입 구간에서 FA에 비해 일관되게 높은 제거 효율을 나타냈다. HA의 경우, UV254 제거율은 25
mg/L에서 66.80%, DOC 제거율은 18.75 mg/L에서 43.85%로 가장 높았다. 반면, FA는 동일 조건에서 각각 48.39% 및 22.72%로
HA 대비 낮은 처리 성능을 보였다. 이러한 차이는 HA가 고분자량의 방향족 구조와 높은 소수성(hydrophobicity)을 지닌 반면, FA는
저분자량의 친수성(hydrophilic) 유기물로 구성되어 있어 응집제와의 상호작용이 제한적이었기 때문으로 해석된다(Matilainen et al., 2010). 특히, 동일한 SUVA 값 조건에서도 DOC 제거율에서 뚜렷한 차이를 보였다는 점은, NOM의 구조적 특성과 조성에 따라 응집 반응성이 크게 달라질
수 있음을 시사한다(Weishaar et al., 2003).
Fig. 1. Removal efficiency of humic acid (HA) and fulvic acid (FA) under various coagulant
doses in the coagulation-only process (C). (a) UV254 removal (%); (b) DOC removal
(%). All experiments were conducted under conditions with SUVA ≤ 2.0 L/mg⋅m.
응집제를 고농도(15–25 mg/L)로 투입한 조건에서는 두 시료 모두 일정 수준 이상의 제거 효율을 확보할 수 있었으나, 이러한 과량 투입은 실제
정수처리 공정에서의 적용성 측면에서 한계가 존재한다. 과도한 약품 사용은 운영비 증가와 함께, 슬러지 과다 발생으로 인한 후처리 및 폐기물 관리 부담을
초래할 수 있다(Edzwald, 2011; Matilainen et al., 2010). 따라서 SUVA가 낮은 수계에서는 응집 단독 공정만으로는 효과적인 NOM 제거가 어렵고, PAC 또는 IEX과 같은 고도처리 기술의 병행 적용이
필요하다.
비록 응집제 단독 공정의 효율은 낮게 관찰되었지만, 이는 오히려 응집제를 기준선(baseline)으로 설정해야 하는 필요성을 보여준다. 실제 정수처리
공정에서 응집은 가장 기본적이고 보편적으로 적용되는 1차 처리 단계이므로, 단독 효과가 충분하지 않더라도 후속 공정과의 연계성을 평가하기 위해 반드시
포함되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 응집제 농도를 변화시킨 조건을 기준선으로 삼아, 후속 공정과의 연계 효과를 정량적으로 비교⋅분석하였다.
3.2 PAC 공정의 처리 성능 및 기여도
Fig. 2a에서 확인할 수 있듯, FA는 낮은 방향족성에도 일부 방향족 유기물이 포함되어 있어 자외선 흡광에 기여하였다(Chin et al., 1994; Leenheer and Croué, 2003). 이러한 성분은 C 공정에서 충분히 제거되지 않았으나, C+P 공정에서는 PAC의 선택적 흡착에 의해 제거 효율이 크게 향상되었다. 실제로 응집제를
주입하지 않은 조건(0 mg/L)에서는 PAC 단독의 효과로 42.7%의 UV254 제거율을 보였으며, 응집제를 병행한 이후부터는 모든 조건에서 73.8–80.8%로
높은 효율이 유지되었다. 특히 6.25 mg/L 조건에서 가장 높은 제거율이 확인되어, 낮은 응집제 투입만으로도 PAC와의 상호작용을 통해 효과적
처리가 가능함을 보여주었다. 한편, C+P–IEX 공정은 평균 85.4%의 제거율을 기록하였으며, 12.5 mg/L 조건에서 91.0%로 최대치를
나타냈다. 이는 고농도 NOM 수계에 적용 가능한 수준으로 보고된 투입 범위(10–15 mg/L)와 일치하며(Letterman, 1999; U. S. EPA., 1999), 효율성과 경제성의 균형을 고려할 때 가장 적절한 조건으로 평가된다.
Fig. 2. Removal efficiency of fulvic acid (FA) under different coagulant doses using
three treatment combinations: coagulation alone (C), coagulation with powdered activated
carbon (C+P), and coagulation with PAC followed by ion exchange (C+P–IEX). (a) UV254
removal (%); (b) DOC removal (%).
Fig. 2b의 DOC 제거 결과에서도 복합 공정의 성능 향상이 뚜렷하게 나타났다. C+P 공정은 50.7–63.4%의 제거율을 보였으며, 6.25 mg/L 조건에서
58.5%를 기록하여 저농도에서도 의미 있는 성능을 확보하였다. 반면, C+P–IEX 공정은 응집제를 주입하지 않은 조건에서도 UV254 73.7%,
DOC 53.1%의 제거율을 보여, PAC+IEX만으로도 일정 수준의 유기물 제거가 가능함을 확인하였다. 다만 2.5–6.25 mg/L의 낮은 투입
농도 구간에서는 DOC 제거율이 오히려 정체되거나 소폭 감소하였고, 이는 응집제가 PAC 및 수지의 흡착을 방해했을 가능성을 시사한다. 이후 응집제
농도가 증가함에 따라 효율은 다시 상승하여, 25 mg/L에서 DOC 제거율 58.2%로 최고치를 기록하였다. 이러한 경향은 PAC으로는 제거되지
않는 저분자⋅친수성 NOM을 수지가 선택적으로 보완함으로써 발현된 결과로 해석된다.
그러나 PAC+IEX 병행만으로는 응집제를 완전히 대체하기 어렵다. PAC은 지속적인 약품 투입과 교반이 필요할 뿐 아니라, 응집제의 보조제로 설계된
특성상 단독 적용 시 침강⋅제거가 불완전하여 탁도 상승과 추가 처리 공정이 요구될 수 있다. IEX 수지 또한 투입량이 많아질수록 재생⋅폐액 처리
부담이 커져 경제성이 떨어진다. 다만 적정량을 병행 적용할 경우, PAC으로 제거되지 않는 저분자⋅친수성 NOM에 선택적으로 작용해 처리 효율을 향상시킬
수 있다. 이러한 점에서 응집제는 여전히 공정의 기반 단계로서 중요한 역할을 하며, PAC과 IEX의 보조적 적용을 통해 효율성과 경제성을 동시에
충족할 수 있는 현실적 조합이 된다.
Fig. 3a의 결과에 따르면, C+P 공정은 전 응집제 농도 조건에서 UV254 제거율이 88.97% 이상으로 유지되었다. 이는 HA의 고분자 및 방향족 특성이
PAC의 흡착 메커니즘과 강하게 상호작용하기 때문이며, PAC의 미세 기공 구조가 HA의 분자 사슬과 결합하여 효과적인 흡착을 유도한 것으로 해석된다(Bolto and Gregory, 2007). 이러한 구조적 상호작용은 응집제 농도 전반에 걸쳐 고른 제거 효율 유지에 기여한 것으로 판단된다. C+P–IEX 공정의 UV254 제거율은 92.61–96.89%
범위로, 응집제 농도에 관계없이 전 구간에서 높은 수준의 제거 효율이 안정적으로 유지되었으며, 편차는 4.3%-p 이내로 제한적이었다. C+P 공정이
88.97–90.53%의 제거율을 보였고, C+P–IEX 공정은 이보다 약 2–6%-p 높은 효율을 나타냈다. 그러나 이러한 향상은 대부분 PAC에
의한 제거가 선행된 결과이며, IEX는 잔류 NOM에 대한 보완적 역할에 그친 것으로 해석된다. 따라서 UV254 기준에서는 C+P 공정만으로도 실질적인
처리 성능을 확보할 수 있으며, 공정 단순성과 경제성을 고려할 때 실무 적용 측면에서도 유리한 선택지가 될 수 있다.
Fig. 3. Removal efficiency of humic acid (HA) under different coagulant doses using
three treatment combinations: coagulation alone (C), coagulation with powdered activated
carbon (C+P), and coagulation with PAC followed by ion exchange (C+P–IEX). (a) UV254
removal (%); (b) DOC removal (%).
Fig. 3b의 결과 C+P 공정은 42.4–55.2%의 DOC 제거율을 보였으며, 6.25 mg/L 조건에서 가장 높은 효율을 나타냈다. 이는 PAC이 HA의
고분자 및 방향족 구조에 선택적으로 작용함으로써 효과적인 흡착 제거가 가능했기 때문으로 해석된다. 반면, C+P–IEX 공정의 DOC 제거율은 40.8–47.7%
수준에 머물렀고, 12.5 mg/L 조건에서 최대값을 기록하였다.
HA는 고분자 구조와 상대적으로 낮은 전하 밀도로 인해 –COO- 및 –O-와 같은 음이온성 작용기의 유효 개수와 접근성이 제한적이다. 이에 따라 OH-형 강염기성 음이온교환수지와의 교환 부위가 FA에 비해 적어 제거 효율이 낮게 나타났다(Laforce et al., 2025). 또한 IEX 과정에서는 수지의 OH-가 유기 음이온과 교환되면서 처리수의 pH가 9–11 범위로 상승하는 현상이 실제로 관찰되었으며, 이는 IEX 공정 비교 시 중요한 고려 요소가 된다.
이러한 결과는 IEX가 DOC 제거에서 PAC의 한계를 일부 보완하였으나, HA와 같은 고분자 NOM에 대해서는 기여도가 제한적임을 시사한다. 따라서
HA 수계에서는 C+P 공정만으로도 충분한 제거 효율을 확보할 수 있으며, 공정 구성의 단순성과 경제성을 고려할 때 보다 실용적인 대안으로 제시될
수 있다.
Fig. 4는 PAC가 포함된 공정 조합의 평형 흡착량(qe, mg/g)을 비교한 결과로, 단위 흡착제당 NOM 제거 성능을 정량적으로 평가하였다. FA 수계에서는 C+P 및 C+P–IEX 공정 모두에서 qe 값이 전반적으로 낮게 나타났으며, 이는 FA가 주로 저분자 및 친수성 유기물로 구성되어 있어 PAC와의 비극성 상호작용이 제한되었기 때문으로 해석된다
(Bolto and Gregory, 2007). 대부분의 조건에서 qe는 6.25–12.5 mg/L 구간에서 정점에 도달한 후, 응집제 농도 증가에 따라 정체되거나 감소하는 경향을 보였다. 이는 과량의 응집제 주입이
FA 분자의 응집을 유도하여 PAC의 기공 접근성을 저해했을 가능성을 시사한다(Xie et al., 2012).
Fig. 4. Equilibrium adsorption capacity (qe, mg/g) of fulvic acid (FA) and humic acid (HA) under different coagulant doses in
the coagulation with PAC (C+P) and coagulation with PAC followed by ion exchange (C+P–IEX)
processes. Results are shown separately for FA and HA.
HA 수계에서는 C+P 공정이 전 응집제 농도 구간에서 가장 높은 흡착량을 나타냈으며, 특히 12.5 mg/L 조건에서 68.96 mg/g로 최대치를
기록하였다. 이는 HA가 고분자이면서 방향족 구조를 지녀 PAC와의 친화성이 높고, 미세 기공에 효과적으로 흡착되었기 때문으로 해석된다(Bolto and Gregory, 2007). 한편, C+P–IEX 공정은 일부 조건에서 UV254 제거율은 높았으나, qe 및 DOC 기준에서는 상대적으로 낮은 값을 나타냈다. 이는 IEX 수지가 NOM 제거에 기여했음에도 불구하고, 흡착량(qe) 계산이 PAC 투입량만을 기준으로 수행되었기 때문에, 수지의 기여가 지표에 반영되지 않은 것으로 판단된다. 이러한 결과는 PAC 기반 처리 공정의
설계 시, NOM의 특성과 공정 조건에 따라 흡착 효율이 달라질 수 있음을 시사한다.
3.3 IEX 공정의 처리 성능 및 기여도
Fig. 5a에서 FA 수계에서는 C 공정의 UV254 처리 성능이 전반적으로 낮아 효과적인 제거가 어려운 것으로 확인되었다. 이에 반해 C–IEX 공정은 모든
조건에서 UV254 제거율이 크게 향상되어 62.5–87.0%의 수준을 보였으며, 이는 IEX 수지가 FA의 주요 성분인 저분자 및 친수성 유기물에
대해 선택적으로 작용한 결과로 해석된다. C+P–IEX 공정은 전 응집제 농도 구간에서 높은 제거율을 안정적으로 유지하였고, 특히 12.5 mg/L
조건에서는 최대값(91.0%)을 기록하였다. 이는 PAC 및 응집으로 제거되지 않은 잔류 유기물에 대해 수지가 효과적으로 작용했음을 의미하며, IEX는
방향족성이 낮고 친수성이 높은 NOM에 선택성이 높아 복합 공정 내에서 핵심적인 제거 기작을 수행하는 것으로 평가된다(Bond et al., 2011; Xie et al., 2012).
Fig. 5. Removal efficiency of fulvic acid (FA) under different coagulant doses using
three treatment combinations: coagulation alone (C), coagulation followed by ion exchange
(C–IEX), and coagulation with PAC followed by ion exchange (C+P–IEX). (a) UV254 removal
(%); (b) DOC removal (%).
Fig. 5b의 DOC 제거 결과에서도 유사한 경향이 나타났다. C 공정은 전반적으로 낮은 제거율을 보인 반면, C–IEX 공정은 42.3–60.0%의 비교적
안정적인 성능을 보이며 IEX 수지의 선택적 작용이 DOC 제거에도 효과적임을 시사하였다. C+P–IEX 공정은 40.8–58.2%의 제거율 범위를
기록하며 세 공정 중 가장 높은 수준의 처리 성능을 확보하였다. 특히 저농도 응집제 조건에서도 효율이 안정적으로 유지되었는데, 이는 PAC가 제거하지
못한 친수성 및 저분자 NOM에 대해 IEX 수지가 선택적으로 작용한 결과로 해석된다. IEX 수지는 이러한 유기물에 대해 선택성이 높아, PAC
기반 공정의 한계를 보완함으로써, 복합 공정 내에서 상호 보완적 기능을 수행한 것으로 판단된다.
이러한 결과는 SUVA가 낮아 응집 효율이 저하되는 수계에서, IEX 수지를 포함한 복합 공정이 실질적인 NOM 제거 성능을 확보하는 데 기여할 수
있음을 시사한다.
Fig. 6a에서 C–IEX 공정은 전 응집제 농도 구간에서 83.0% 이상의 제거율을 기록하며 응집 단독 공정 대비 확연히 개선된 성능을 나타냈다. 이는 strong-base
anion-resin이 HA 내 일부 음이온성 유기물에 선택적으로 작용한 결과로 해석된다. C+P–IEX 공정은 전반적으로 92.6–97.9%의 매우
높은 제거율을 유지하였으며, 특히 2.5 mg/L 조건에서 최대값(97.9%)을 기록하였다. 이는 응집제 농도가 낮은 조건에서도 PAC와 IEX의
상호 보완적 작용이 효과적으로 발현되었음을 시사한다. 특히, 이러한 높은 제거율이 특정 농도에서만 일시적으로 나타난 것이 아니라, 전 응집제 농도
구간에서 안정적으로 유지되었다는 점에서 공정 전체의 신뢰성과 일관성이 더욱 주목된다. 이러한 결과는 PAC가 선제적으로 방향족 고분자 NOM을 제거하고,
IEX가 잔류 저분자 유기물에 대해 선택적으로 작용한 기작이 효율적으로 구현된 것으로 해석된다(Bolto and Gregory, 2007; Xie et al., 2012).
Fig. 6. Removal efficiency of humic acid (HA) under different coagulant doses using
three treatment combinations: coagulation alone (C), coagulation followed by ion exchange
(C–IEX), and coagulation with PAC followed by ion exchange (C+P–IEX). (a) UV254 removal
(%); (b) DOC removal (%).
Fig. 6b의 DOC 제거율은 C–IEX 공정에서 57.5–63.9% 범위의 안정적인 성능을 보였으며, 이는 수지가 HA 내 일부 음이온성 NOM에 대해 선택적으로
작용했음을 시사한다. C+P–IEX 공정은 40.8–55.2%의 제거율을 나타냈고, 특히 저농도 응집제 조건에서도 효율이 유지되었다. 이는 PAC로는
제거되지 않는 저분자⋅친수성 NOM에 대해 수지가 효과적으로 보완적으로 작용한 결과로 해석된다.
결론적으로, HA 수계에서는 PAC와 IEX의 병행 적용을 통해 방향족 고분자와 저분자 및 극성 NOM을 모두 효과적으로 제거할 수 있었으며, 공정
간 상호 보완적 기작이 구현된 복합 공정이 가장 우수한 성능을 나타냈다. 따라서 SUVA가 낮아 응집 반응이 제한적인 환경에서는, 각 기술의 선택성과
작용 특성을 반영한 복합 공정 구성이 실질적인 NOM 제거 성능 향상에 유효한 전략이 될 수 있다.
3.4 낮은 SUVA 조건에서의 공정 반응성 고찰
낮은 SUVA 수계에서의 NOM 처리는 단일 공정만으로는 충분한 제거 성능 확보가 어렵다는 한계가 실험 결과 전반에서 확인되었다. 특히, FA와 HA라는
상이한 성상을 지닌 NOM을 대상으로 한 비교 결과, 공정 조합별 효율은 NOM의 분자 구조 및 특성에 크게 좌우되었다.
FA 수계에서는 저분자⋅음이온성 특성이 IEX의 선택성과 부합하여 C+P–IEX 공정이 UV254와 DOC 제거에서 가장 우수한 성능을 보였다. 반면,
HA 수계에서는 PAC의 흡착 친화성이 뚜렷하게 작용하여 C+P 공정만으로도 충분히 높은 제거 효율을 확보할 수 있었다. 이는 SUVA 지표만으로는
설명되지 않는 NOM 조성이 공정 반응성에 직접적으로 영향을 미친다는 점을 시사한다.
다만 본 연구에는 몇 가지 한계가 존재한다. C–IEX 및 C+P–IEX 공정에서는 OH-형 수지 사용으로 인해 처리수 pH가 9–11 범위로 상승하여 비교 결과 해석에 변동 요인이 될 수 있었다. 또한 HA와 FA 기반 인공 수계에서
실험이 수행되었으므로 실제 원수 내 무기물, 미량 오염물질, 공존 이온 등의 영향을 충분히 반영하지 못했다. 더불어 본 연구에서는 UV254와 DOC를
주요 지표로 설정하여 NOM 제거를 평가하였으며, 소독부산물(DBPs) 생성 특성은 간접적으로만 추정되었다.
따라서 향후 연구에서는 실제 수계 기반 실험, 공정 조건(pH 포함) 통제, 장기 운전, 그리고 DBPs 생성 특성 평가가 병행될 필요가 있다.