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[Global Issue Technology] 에어 스트리핑 기술(Air Stripping Technology)
2019년 05월 07일 (화) 09:43:32 워터저널 webmaster@waterjournal.co.kr

 Global Issue Technology   에어 스트리핑 기술(Air Stripping Technology)


에어 스트리핑 기술, 음용수 처리 산업서 주목받아 

(Air Stripping Technology)                                                                    

QED 환경시스템사의 에어 스트리핑 기술, 지하수 정화·지표수 정수처리에 효과적
VOC·DBP 제거 및 용존 CO2 제거 통한 pH 조정에 탁월…중·소 정수장에 적합


미국의 QED 환경시스템사(www.qedenv.com)는 최근 오염된 지하수 및 폐수에서 VOC(휘발성 유기화합물)를 제거하는 데 이상적인 ‘E-Z 트레이 에어 스트리퍼(Tray Air Stripper)’ 기술을 발표했다. E-Z Tray의 독창적인 설계로 유지 보수가 쉬운 프로세스 유닛에서 매우 높은 제거 효율을 얻을 수 있다. QED 환경시스템(QED Environmental Systems)은 테스트아메리카(TestAmerica)의 자회사이면서 지하수 샘플링, 정화, 수원 확보, 관리를 위한 공기 펌핑 시설계의 선두주자이다.

식수는 다른 용도로 사용하는 물과 비교했을 때 상대적으로 깨끗한 경향이 있지만 때로는 오염물질을 함유하기도 한다. 오염된 물이나 하·폐수 등을 정화하기 위해 기체를 공급하여 질소, 탄소가스 등을 제거하는 수처리 기술인 에어 스트리핑(탈기법, air stripping)이 이제는 음용수 처리 산업에서 주목을 받고 있다.

   
▲ QED 환경시스템사의 에어 스트리핑 기술이 지하수 정화 및 지표수 정수처리에 효과적인 것으로 입증되어 다양한 음용수 처리 시설에서 사용되고 있다.

주로 지하수 정화에 사용되는 에어 스트리핑(air stripping)이 VOC 및 DBP(소독부산물)의 제거 및 용존 CO2 제거를 통한 pH(수소이온농도) 조정에 매우 효과적인 것으로 입증되었다. 효율성, 단순성, 그리고 처리에 있어서 갤런(gal)당 비용이 저렴하고 완성된 수질기준을 달성하는 데 도움을 줌으로써 음용수 처리에 대한 인기가 높아지고 있다.

식수원은 사람이 섭취할 수 있을 만큼 깨끗한 것으로 간주되었기 때문에 상수원보호구역으로 지정되었다. 물론, 이것은 이러한 수원이 정수처리를 하지 않고 사용할 만큼 충분히 깨끗하다는 것을 의미하는 것은 아니다. 실제로, 물이 소비자에게 도달하기 전에 적절하게 처리하기 위해 미국 전역에 엄격한 기준이 적용된다. 식수의 가장 중요한 정수처리 목표가 생물학적 위험이므로 식수는 반드시 소독되어야 한다.

QED Environmental Systems, a leading manufacturer of innovative environmental products, announces the E-Z Tray Air Stripper, a sliding tray, stainless steel air stripper ideal for removing volatile organic compounds (VOCs) from contaminated groundwater and waste streams. E-Z Tray’s exclusive design results in very high removal efficiencies in an easier-to-maintain process unit. QED Environmental Systems, a TestAmerica company and the worldwide leader of air-powered pumping systems in groundwater sampling,

Drinking water tends to be relatively clean compared with water for other uses, but it sometimes contains contaminants. However, air stripping, a water treatment technology primarily used for groundwater remediation, is now gaining traction within the drinking water treatment industry.

Air stripping has been proven to be highly effective for the removal of Volatile Organic Compounds (VOCs) and disinfectant by-products (DBPs), as well as for pH adjustment through removal of dissolved CO2. It is gaining in popularity for the treatment of drinking water thanks to its efficiency, simplicity, and low cost per gallon in treatment, as well as its efficacy in helping to achieve finished water quality standards.

Drinking water sources have been designated as such because they have been deemed clean enough for human consumption. Of course, this does not mean that these water sources are clean enough for consumption without treatment; indeed, strict standards are in place across the US to ensure proper treatment of water before it reaches consumers. The most important treatment targets for drinking water are biohazards, and so drinking water must be disinfected.

중요한 관심사(Important concerns)

 음용수 기준에 의해 다루어지는 또 다른 중요한 우려사항은 VOC, 염소소독 시 유기물질의 산화에 의해 남겨진 발암성 THM(트리할로메탄)과 같은 DBP 및 물 pH이다. 이러한 우려로 인해 종종 정부 규정, 특히 중·소규모의 처리 시설에서는 기준을 위반하게 된다.

먹는 물은 지하수나 지표수 공급원에서 나올 수 있으며, 이러한 각 등급의 물은 정수처리에 대한 그들만의 어려움을 제시한다. 게다가 캘리포니아와 텍사스에서는 거의 가뭄에 가까운 10년 동안의 상황이 물 재사용 실행을 주도했다.

고도로 처리된 하·폐수는 현재 음용수 일부 공급원을 보충하고 재충전하는 데 사용된다. 이 물을 지하수 공급원을 재충전하는 데 사용하면 표면 물에 더 가까운 전구체(前驅體) 유기 수준을 가지므로 두 가지 유형의 하이브리드 중 하나인 치료 필요성을 갖게 된다.

   
▲ 미국 와이오밍주 샤이엔(Cheyenne, Wyoming)의 새로운 지하수 처리시설 내에 설치된‘E-Z 트레이 에어 스트라이퍼’

지하수는 지표수보다 처리가 덜 필요한 경향이 있지만, 매립지 또는 제조 현장의 화학물질과 같은 인근 공급원에서 발생하는 오염물질(특히 VOCs)이 지면을 통해 지하수로 유출되어 처리가 증가할 수 있다. 일부 지하수는 높은 수준의 용해된 CO2를 포함할 수 있으며, 이는 산도를 증가시킨다. 이 산성 때문에 물이 배관(Pipe)의 보호 코팅을 침식시키고 구리(Cu)와 납(Pb) 위반이 증가할 수 있다.

반면에, 지표수와 재사용 물은 종종 조류나 다른 생물 고체와 같은 전구체 오염에 더 취약하다. 모든 식수와 마찬가지로, 지표수와 재사용되는 물은 소독이 필요하다. 염소는 저렴하기 때문에 가장 일반적인 소독기법이다. 그러나 염소는 잠재적으로 유해한 소독부산물(DBP)을 생성하므로 추가적인 처리가 필요할 수 있다.

오염이 심한 지역의 지하수 정화에 효과적인 것으로 입증된 수처리 기술인 에어 스트리핑(air stripping)은 휘발성 유기화합물(VOCs) 문제, 용해된 CO2로 인한 산성도 및 DBP 문제를 해결하기 위해 음용수 처리 업계에서 주목을 끌고 있다.

Other important concerns addressed by drinking water standards are the presence of Volatile Organic Compounds (VOCs), disinfectant by-products (DBPs) such as the carcinogenic trihalomethanes (THMs) left behind by the oxidation of organic materials during chlorine disinfection, and water pH. These concerns often result in violations of standards put forth by governmental regulations, particularly in small and medium-sized treatment plants.

Drinking water may come from either ground water or surface water sources, and each of these classes of water present their own challenges for treatment. In addition, a decade of near drought conditions in California and Texas have driven the implementation of water re-use approaches.

Highly treated wastewater is now used to supplement and recharge some source waters for drinking use. If this water is used to recharge a groundwater source, it will have precursor organic levels closer to a surface water, leading to treatment needs that are somewhat of a hybrid of both types.

Groundwater tends to require less treatment than surface water; however, contamination (of VOCs in particular) from nearby sources like landfills or chemicals from manufacturing sites may leach through the ground into groundwater, thereby requiring increased treatment. Some groundwater may contain high levels of dissolved CO2, which causes increased acidity. This acidity can cause water to erode away protective coatings on pipes and increase copper and lead violations.

Surface water and reused water, on the other hand, are often more susceptible to precursor contamination like algae and other bio-solids. Like all drinking water, surface water and reused water require disinfection. Chlorination is the most common disinfection technique because it is inexpensive; however, chlorination can create potentially harmful DBPs that then require further treatment.

Air stripping, a water treatment technology proven to be effective for groundwater remediation in highly contaminated sites, is gaining traction within the drinking water treatment industry to address issues of VOCs, acidity due to dissolved CO2, and DBPs.

에어 스트리퍼 기술(Air stripper technology)

 기본적으로 에어 스트리핑(air stripping)은 깨끗한 공기를 오염된 물과 접촉시켜 물에서 오염 물질을 제거하거나 걷어내 VOC 및 기타 오염물질이 물에서 대기로 이동하게 한다. 에어 스트리퍼(air stripper)에는 타워(tower), 적층 트레이(stacked tray), 슬라이딩 트레이(sliding tray) 등 세 가지 유형이 있다.

이들 각각에는 장점과 단점이 있지만 모두 높은 표면적을 통해 깨끗한 공기에 오염된 물을 노출시키는 동일한 기본 물질 전달 프로세스를 사용한다. 이 프로세스는 헨리의 법칙(Henry's Law)의 규제를 받는다. 용해된 오염물질의 헨리의 법칙 상수(H)는 오염물질이 물에서 대기로 얼마나 효과적으로 유도될지 예측하는 데 사용될 수 있다.

물론 일부 오염물질은 다른 물질보다 쉽게 제거할 수 있다. 예를 들어, 메탄(CH4) 및 CO2와 같은 용해된 가스는 쉽게 찢어지고 가벼운 탄화수소는 덜 흡수되며, MTBE(메틸 터트리부틸 에테르)와 암모니아는 상대적으로 제거하기가 어렵다.

   
▲ QED가 개발한 슬라이딩 트레이(sliding tray) 유형의 에어 스트리퍼(air stripper).

세 가지 유형의 에어 스트리퍼(air stripper) 중에서 ‘슬라이딩 트레이 설계 스트리퍼(sliding tray design stripper)’는 가장 큰 장점과 최저 비용을 갖는 경향이 있다. 이들은 오염이 적고 현장에서 간섭이 적으며 타워 스트리퍼(tower stripper)보다 넓은 유량 턴다운(flow turn-down)을 제공하며, 타워 또는 스태킹 트레이 설계(stacking tray design)보다 유지관리가 쉽고 설치 공간이 적다.

주요 단점은 타워 설계(tower design)보다 고압 송풍기가 필요하다는 것이다. 그러나 유지보수 및 자재와 같은 요소를 고려할 때 전체 운영비용이 크게 증가하지는 않는다. 모든 종류의 에어 스트리퍼(air stripper)는 음용수 오염 제거에 사용될 수 있다. 음용수에서 가장 명확한 적용은 염소 소독의 부산물인 THM(트리할로메탄)을 비롯한 VOC(휘발성 유기화합물) 제거에 있다.

Fundamentally, air stripping removes or ‘strips’ contaminants from water by contacting clean air with the contaminated water, causing the VOCs and other contaminants to move from the water into the air. There are three different major types of air strippers: towers, stacked trays, and sliding trays.

Each of these have benefits and drawbacks, but all utilize the same basic mass transfer process of exposing contaminated water to clean air across high surface areas. This process is governed by Henry’s Law. The Henry’s Law constant (H) of any dissolved contaminant can be used to predict how effectively that contaminant will be driven from the water into the air.

Some contaminants are of course easier to strip than others; for instance, dissolved gases such as methane and carbon dioxide strip easily, light hydrocarbons less so, and MTBE and ammonia are relatively difficult to strip.

Of the three different types of air strippers, sliding tray design strippers tend to have the greatest advantages and lowest costs. They are less prone to fouling, less intrusive at the site, provide a wider flow turn-down than tower strippers, and provide easier maintenance access and a smaller footprint than either towers or stacking tray designs.

The main drawback is that they require a higher pressure blower than tower designs; however, this does not significantly add to the overall cost of operation when factors such as maintenance and materials are also considered. All types of air strippers can be used for drinking water decontamination. The most clear-cut application in drinking water is in the removal of VOCs, including the THMs that are byproducts of chlorine disinfection.

캐치-22(Catch-22)

염소는 식수를 소독하는 데 가장 많이 사용되며, 기존의 규정은 최종 사용 시점에서 THM을 제한하고 ‘잔류 소독 기준’을 요구하거나 전체 시스템을 통해 사용 종료 지점까지 지속되는 데 충분한 소독제를 요구한다. ‘catch-22’는 전구체가 여전히 존재하는 경우 잔류 소독으로 최종 수처리 후에도 추가 DBP를 생성할 수 있다는 점이다.

결과적으로, 수처리 시설은 THM의 수준을 충분히 낮추어 잔류 소독으로 인해 생성된 잔류 물이 규제 한도를 초과하여 최종 합계를 밀어 내지 않도록 해야 한다. 에어 스트리퍼(air stripper)는 THM을 규제 범위를 훨씬 밑도는 곳까지 효율적이고 효과적으로 제거할 수 있으므로 배관(Pipe)을 통해 최종 사용 지점까지 물의 경로에서 소독으로 인해 발생하는 THM의 발생을 위한 충분한 ‘호흡 공간’을 확보할 수 있다.

현재 음용수 처리에서 시급한 또 다른 문제는 미국 전역의 뉴스에서 발표되듯이 납(Pb)과 구리(Cu)의 기준이 초과한다는 것을 감안할 때, 물의 pH가 합리적인 한계 내에 있는지 확인하는 것이다. 물은 보통 너무 많은 CO2가 용해된 지하수로서 공격적일 수 있고, 따라서 배관에 보호 코팅이 용해되며, 배관 자체를 용해시켜, 납과 구리의 과도한 수준을 유도한다. 이에 과잉 CO2를 물 밖으로 제거함으로써 플랜트는 최종 사용 시점에서 효과적으로 pH를 증가시키고 납 및 구리 수준을 감소시킬 수 있다.

Chlorine is most frequently used to disinfect drinking water, and existing regulations both limit THMs at the point of end use and require a ‘residual disinfection level,’ or enough disinfectant to last through the entire system to the end point of use. The catch-22 is that residual disinfection can lead to the generation of additional DBPs even after final water treatment if precursor organics are still present.

As a result, water treatment facilities must reduce the level of THMs enough so that any generated by residual disinfection do not push the final total over the regulatory limit. Air strippers can efficiently and effectively remove THMs to far below regulatory limits, thereby leaving enough ‘breathing room’ for the generation of more THMs caused by disinfection during the water’s path through pipes to its end use point.

Another pressing issue in drinking water treatment currently, given nationwide news about lead and copper levels exceeding standards, is ensuring that the pH of water is within reasonable limits. Water, usually groundwater, with too much dissolved CO2 can be aggressive and therefore dissolve protective coatings on pipes and also dissolve the pipes themselves, leading to excess levels of lead and copper. By stripping the excess CO2 out of the water, plants can effectively increase pH and decrease levels of lead and copper at the point of end use.

‘E-Z 트레이 시스템’ 적용 사례
(E-Z Tray system application case)

QED의 슬라이딩 트레이 에어 스트리퍼(sliding tray air stripper)인 ‘E-Z 트레이 시스템(E-Z Tray system)’은 NSF 인터내셔널에서 ‘NSF/ANSI 표준 61 : 먹는물 시스템의 구성품 및 건강 효과(NSF/ANSI Standard 61 : Drinking Water System Components-Health Effects)’를 인증받았다. 에어 스트리퍼(air stripper)의 이러한 특수 설계는 위에서 언급한 문제를 저렴한 비용으로 해결하고 시설에 미치는 영향을 최소화하기 위해 다양한 음용수 처리 시설에 사용되었다.

이러한 사례 중 하나는 미국 육군군단, 오마하 지역 자금 지원 설계 및 와이오밍주 샤이엔(Cheyenne, Wyoming)의 새로운 지하수처리 시설 건설에 적용되었다. 1960년대 후반 옛 FE 워렌 아틀라스(Warren Atlas)에서 염소가 함유된 VOC에 오염된 중요한 지하수 공급원인 보리(Borie) 우물의 지하수를 처리하기 위해 설계되었다.

   
▲ [그림 1]‘ E-Z 트레이 에어 스트리퍼’의 역류 흐름

‘E-Z 트레이 시스템(E-Z Tray system)’의 응용사례를 보면, 1천gpm(gallon per minute)의 처리 용량을 갖춘 총 4개의 6레벨 트레이 QED E-Z 트레이를 사용하여 비검출보다 적은 TCE(테트라클로르에틸렌) 처리 목표에 도달할 수 있도록 했다. 샤이엔(Cheyenne) 처리시설을 위해 선택된 E-Z 트레이 유닛(E-Z Tray units)은 도시의 오염 부하량을 처리할 수 있는 충분한 용량을 가지고 있으며, 오염 수준에 변화가 생기면 여분의 용량이 필요하지만 시설 운영자는 지금까지 문제가 발생하지 않았다.

‘E-Z 트레이 에어 스트리퍼(E-Z Tray Air Stripper)’의 또 다른 성공한 구현은 시사버그, 위스콘신 라이트 및 워터 유틸리티(Cisarburg, Wisconsin Light and Water Utility) 수처리 플랜트에 설치되어 있다. 시더버그 워터 유틸리티(Cedarburg Water Utility)는 기존 생산 펌프 건물에 QED의 ‘E-Z 트레이 에어 스트리퍼(E-Z Tray Air Stripper)’를 설치했다. EZ 트레이 72.6은 600gpm의 유속을 처리하고 염화로 처리된 VOC를 함유한 지하수를 인근의 매립지로 처리한다. 에어 스트리퍼는 완전한 제거 목표를 충족시키고 있다.

시더버그(Cedarburg)는 TCE를 다른 공급원 위치에서 처리하기 위해 18년 동안 포장 탑형에 스트리퍼를 사용했지만 새로운 오염이 해결되어야 할 때 시설 운영자는 다른 타워에서 문제가 발생했으므로 대안을 연구하기 시작했다. 또한 해당 공장은 거주 지역과 인접해 있어 타워의 미학이 문제가 되었다. ‘E-Z 트레이 시스템’은 가격 경쟁력이 뛰어날 뿐만 아니라 유지보수가 간단하기 때문에 실내에서도 신중하게 보관할 수 있다.

마지막으로, QED는 처리된 재사용 하·폐수로 부분적으로 재충전된 지하수의 THM 감소를 위해 캘리포니아 산타 크루즈(Santa Cruz)시에 ‘E-Z 트레이 시스템(E-Z Tray system)’을 공급했다. 이 시스템은 2015년 후반에 설치되어 78∼98%의 일관된 THM 감소를 가져왔으며 시스템당 처리비용도 대체 방법보다 훨씬 낮은 것으로 나타났다.

 

QED’s sliding tray air stripper, the E-Z Tray, was the first self-contained air stripper to achieve certification from NSF International to NSF/ANSI Standard 61 : Drinking Water System Components - Health Effects. This particular design of air stripper has been employed in a variety of drinking water treatment facilities to address the issues described above at a low cost and with minimal impact to the facilities.

One such example is the U.S. Army Corps of Engineers, Omaha District-funded design and construction of a new groundwater treatment plant in Cheyenne, Wyoming. This plant was designed to treat groundwater from the city’s Borie well field, an important groundwater supply that was contaminated with a chlorinated VOC in the late 1960s at the former F E Warren Atlas

In this application, a total of four, 6-level tray QED E-Z Trays, each with a treatment capacity of 1,000 gpm, were used in the plant design to insure that the TCE treatment goal of less than non-detection could be reached. The E-Z Tray units chosen for the Cheyenne treatment facility have more than enough capacity to handle the city water’s contamination load, with capacity to spare should any changes to the water’s contamination levels occur, and the plant operators have encountered no issues so far.

Another successful implementation of the E-Z Tray air strippers is in place at the Cedarburg, Wisconsin Light and Water Utility water treatment plant. The Cedarburg Water Utility installed a QED E-Z Tray Air Stripper to their existing production pump building. The E-Z Tray 72.6 handles a flow rate of 600 gpm and treats groundwater containing a chlorinated VOC traced back to a nearby landfill. The air stripper is meeting the goal of complete removal.

Cedarburg had been using a packed tower air stripper for 18 years to treat TCE at a different supply well location, but when the new contamination needed to be addressed, the plant operators began researching alternatives, as they had encountered issues with the tower at the other location. In addition, the plant in question is adjacent to a residential neighborhood and so the aesthetics of a tower would have been an issue. The E-Z Tray system was not only competitively priced and offered simpler maintenance, it also could be discreetly housed indoors.

Finally, QED supplied an E-Z Tray system to the City of Santa Cruz, CA for THM reduction in groundwater that had been partially recharged with treated, reused wastewater. The system was installed in late 2015 and has resulted in consistent THM reductions of 78-98%, with the system’s treatment cost per gallon far lower than alternative methods.

   
▲ 미국 위스콘신주 세다버그에 설치된‘E-Z 트레이 에어 스트리퍼’.

결 론(Conclusion)

 에어 스트리핑(air stripping) 기술은 과거에 사용되어 왔던 지하수 정화뿐만 아니라 지하수 및 지표수의 식수 처리에도 효과적이다. 에어 스트리핑은 염소소독에서 THM(트리할로메탄)과 같은 DBP(소독부산물)와 과도하게 산성인 수원의 경우 CO2와 같은 용존가스를 포함한 VOC를 효과적으로 제거한다. 그렇게 함으로써 경쟁적 치료 옵션보다 처리비용이 절감되고 규정 기준 준수가 보장된다. 그러므로 중·소규모 정수장에서 이러한 오염원에 대한 이상적인 수처리 방법이다.

Air stripping technology has proven to be an effective process not just for groundwater remediation, as it has been used in the past, but also for the treatment of both groundwater and surface water sources of drinking water. Air stripping effectively removes VOCs, including DBPs such as THMs from chlorine disinfection, and dissolved gases like CO2 in the case of overly acidic water sources. In doing so, it reduces treatment costs over competing treatment options and ensures adherence to regulations. It is therefore an ideal treatment option for these sources of contamination in small and medium-sized drinking water treatment plants. 

[출처 = 필터레이션-프로덕츠(https://www.filtration-products.com/qeds-air-stripping-technology-filtration-separation/) / 2019년 4월 26일자]

[『워터저널』 2019년 5월호에 게재]

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