소독 분야의 새로운 트렌드: 과아세트산(PAA)
염소 소독 부산물 및 총 잔류 염소에 대한 규제가 점점 더 엄격해짐에 따라, 과아세트산(PAA)은 물 재생 소독제로서 관심과 사용이 증가하고 있습니다. 여기서 알아야 할 사항들을 소개합니다.
과아세트산(PAA)은 강한 산화 능력(1.81 eV)을 가진 유기산으로, 가금류 처리 및 음료 포장과 같은 산업용 산화제 및 소독제로 널리 사용됩니다. 이는 무색의 유기산으로, 아세트산, 아세틸 클로라이드 또는 아세트산 무수물과 과산화수소(H2O2)의 반응으로 제조되거나 아세트알데히드의 직접 산화로 제조됩니다. PAA는 물, 과산화수소, 아세트산과의 평형 혼합물로 존재합니다(그림 1). 이는 염소보다 강한 산화제이며 광범위한 항균 활성을 가지고 있습니다(Kitis, 2004).
현재, 물 재생 시설에서 PAA 사용의 대부분은 염소 소독 또는 자외선(UV) 방사에 대한 대체 소독 방법을 고려해야 할 필요성에 의해 주도됩니다. PAA 사용의 이유는 다음과 같습니다:
- 소독 부산물(DBPs) 또는 환경적 영향에 대한 우려
- 수질이 크게 변동하는 하수
- 색도가 높거나, 총 부유 물질(TSS)이 많거나, 산화제(염소 또는 오존) 수요가 높은 하수
- 접촉 시간이 제한된 장소
- 결합 하수 오버플로(CSO) 또는 소독제를 장기간 저장해야 하는 기타 응용 분야
- 낮은 자본 비용이 주요 고려 사항인 장소
- PAA로의 전환이 용이한 인프라를 가진 장소
- 공정 변경으로 인해 화학 약품 투여율이 증가한 장소
현재 화학 소독을 사용 중이라면, PAA 사용을 위해 시스템을 개조하는 데 드는 자본 비용은 상대적으로 낮습니다.
PAA 사용의 장점과 과제
PAA는 염소 소독이나 UV와 같은 일반적인 소독 기술에 비해 여러 가지 장점이 있습니다. PAA의 효능은 넓은 pH 범위에서 높으며, 질산염 농도가 높거나 암모니아 농도가 낮은 경우에도 영향을 받지 않습니다. 이는 2차 처리 중에 변동할 수 있습니다. PAA를 추가해도 하수 염소 농도가 증가하지 않습니다. 오염과 고온을 방지하는 조건에서 PAA는 최대 1년 동안 분해 없이 안정적으로 저장될 수 있어, CSO 및 기타 간헐적 응용 분야에 유리합니다. 많은 경우, PAA는 염소에 비해 수생 생물에 대한 독성이 낮고 일반적으로 더 낮은 투여량이 필요하기 때문에 소독제 중화를 제거할 수 있습니다. 현재 화학 소독을 사용 중이라면, PAA 사용을 위해 시스템을 개조하는 데 드는 자본 비용은 상대적으로 낮습니다.
그림 1. 과아세트산 평형 방정식
그림 2. 2017년 말 기준 PAA의 물 재생 소독제로서의 규제 승인 현황
일부 조건에서 PAA 사용에는 단점도 있습니다. 모든 PAA 제형에는 아세트산이 포함되어 있지만, 제조업체에 따라 그 양이 다릅니다. PAA 용액의 아세트산은 하수의 생화학적 산소 요구량(BOD)을 증가시킬 수 있으므로, 하수 BOD 제한이 있는 시설은 이를 고려해야 합니다. PAA의 비용은 차아염소산나트륨보다 높지만, 투여량 감소 및 중화 제거 가능성으로 인해 일부 비용이 상쇄됩니다. 마지막으로, EPA는 물 재생 시설에서 PAA를 1차 소독제로 사용하는 것을 승인했지만, 각 주 규제 기관은 PAA 사용을 별도로 승인해야 합니다. 그림 2는 2017년 말 기준 PAA를 1차 소독제로 승인했거나 승인 중인 주를 보여줍니다.
산업 현황
PAA는 2000년대 초반, 1990년대, 1980년대부터 각각 농업, 식품 및 음료, 의료 소독 산업에서 소독제로 사용되어 왔습니다. 그러나 미국에서 물 재생 시설에서 1차 소독제로 PAA가 처음 사용된 것은 2011년 가을이었습니다.
PAA 잔류 농도를 측정하는 표준 방법은 아직 존재하지 않지만, PAA 잔류 농도는 총 잔류 염소와 동일한 분석기/방법을 사용하여 측정할 수 있습니다. 그러나 방법 개발을 위한 노력이 진행 중이며, PAA 측정 기술(DPD 비색법)은 이미 널리 사용되고 있습니다. 온라인 PAA 잔류 농도 측정을 위해 전류 측정 프로브가 상용화되어 있지만, 하수 응용 분야에서의 현장 실증 데이터는 제한적입니다.
표 1. 2017년 말 기준 다양한 PAA 공급업체 제형
미국에서 PAA의 사용이 지난 몇 년 동안 확대됨에 따라, 물 재생 시장 전용 PAA 제형도 증가했습니다. 표 1은 현재 물 재생 시장에서 사용 중인 다양한 PAA 제형을 나열합니다. 2017년 말 기준, 북미 전역에 PAA가 전체 규모 소독제로 사용되는 20개 이상의 설치 사례가 있습니다. 북미의 전체 규모 설치 사례 중 일부는 그림 3에 나와 있습니다.
구현
PAA 사용을 고려하는 유틸리티는 단계적 접근 방식을 따라야 합니다. 첫 번째 단계는 주 규제 기관과 PAA를 소독 대안으로 평가하려는 유틸리티의 의사를 상의하는 것입니다. 많은 경우, PAA는 공식적으로 승인된 물 재생 소독제가 아닐 수 있지만, 주 규제 기관은 사례별로 사용을 허용할 수 있습니다. 또한, 평가 중 수집된 필요한 데이터를 규제 기관이 최종적으로 승인하기 위해 원하는 데이터와 조정해야 합니다.
그림 3. 북미 물 재생 시설 PAA 설치 사례의 부분 지도
두 번째 단계는 염소 평가 시 수행하는 것과 유사한 벤치 테스트를 수행하는 것입니다. 소독되지 않은 하수 샘플을 수집하여 실험실에서 PAA 요구-감쇠 특성을 결정하고 소독 효능을 평가합니다. 이 데이터는 PAA를 다른 소독 기술과 비교하는 고수준 평가에 사용됩니다. 엔지니어링 컨설턴트와 대부분의 PAA 공급업체가 이 초기 테스트를 지원할 수 있습니다.
그림 4. 비교 소독 파일럿 파이프 반응기 및 샘플링
PAA가 선택되거나 최종 후보로 선정된 경우, 확장 테스트가 다음 논리적 단계입니다. 대규모 시설의 경우, 사이드스트림 파일럿 반응기(그림 4)를 사용하며(일반적으로 25 gpm 범위), 소규모 시설의 경우 기존 인프라에 따라 전체 규모 시험을 고려할 수 있습니다. 확장 테스트 중 수집된 데이터에는 연속 PAA 투여량 기록, 유입 및 유출 수질 특성 모니터링, PAA 잔류 농도 측정, 유입 및 유출 수 샘플의 박테리아 계수 등이 포함됩니다. 이 데이터는 다양한 모델링 기술을 사용하여 분석되어 설계를 위한 PAA 투여량 및 접촉 시간을 결정합니다. 테스트가 완료되면, 유틸리티는 규제 기관과 다시 만나 테스트, 결과 및 설계 방법론을 확인하고 전체 설계로 진행하기 전에 승인을 받아야 합니다.
그림 5. PAA 대량 저장 및 공급 시설의 예
여러 PAA 공급업체는 PAA 저장, 공급, 잔류 모니터링 및 제어 장비를 임대 옵션으로 제공합니다. 이를 통해 유틸리티는 장비를 임대하고(설치 포함 또는 제외), 장기(일반적으로 5년) 화학 약품 구매 계약을 체결할 수 있습니다. 이 옵션은 초기 자본 투자를 줄일 수 있어 매력적입니다. 그림 5는 PAA 공급업체 임대 장비를 특징으로 하는 대량 PAA 저장 및 공급 구역의 예입니다.
PAA 사용을 고려하는 유틸리티는 단계적 접근 방식을 따라야 합니다.
PAA를 하수 소독제로 사용하기 위한 추가 연구 및 발전/정교화가 산업에서 진행 중입니다. 2016년 Water Environment & Reuse Foundation(WE&RF)은 Evaluating Peracetic Acid as Disinfection Alternative in Wastewater Treatment Process 연구 프로젝트(LIFT14T16)를 시작했습니다. 이 연구에서 2017년부터 2018년까지 여러 출판물과 기사가 나오고 있습니다. 또한, Water Environment Federation(WEF)은 PAA 사용을 위한 가이드로 산업을 위한 책을 개발 중입니다. 이 출판물은 2018년에 완료될 예정입니다.
요약
PAA는 효과적인 물 재생 소독제로, 미국에서 더 확립된 기술들과 함께 관심과 시장 점유율을 얻고 있습니다. PAA 평가 또는 구현의 주요 측면은 각 시설이 고유하므로 벤치 및 파일럿 테스트를 포함합니다. 유틸리티는 새로운 기술을 구현할 때 주 규제 기관과 초기 및 지속적으로 소통해야 합니다.
참고 문헌
- Kitis, M. (2004). Disinfection of Wastewater with Peracetic Acid: A Review. Environment International, (30):47-55.
저자 소개
Sarah A. Stewart, PE,는 환경 엔지니어이자 CDM Smith의 휴스턴 사무소 소속입니다. Stewart는 하수 처리 시 PAA 소독 구현을 위한 프로젝트 관리자로 활동했습니다. 그녀는 지방 및 연방 부문에서 설계 및 설계-건설 프로젝트를 위한 리더십을 제공합니다.
Joshua E. Goldman, Ph.D., PE,는 환경 엔지니어이자 연구원으로 CDM Smith의 덴버 사무소 소속입니다. Goldman의 박사 연구는 역삼투 수처리 분야에서 특허를 받은 작업을 포함합니다. 그의 최근 연구는 하수 처리를 위한 최첨단 UV 및 PAA 시스템 파일럿에 초점을 맞추고 있습니다.
Brian A. Hilts, PE,는 환경 엔지니어로 CDM Smith의 래덤, NY 사무소 소속입니다. Hilts는 물 및 하수 처리 분야에서 많은 다학제 설계 프로젝트를 주도했으며, 건설 관리 및 프로젝트 시작 서비스도 제공했습니다. 그는 CDM Smith의 하수 소독 분야 실무 리더 중 한 명입니다.