FMBO-S 흡착제의 인 및 비소 제거 특성과 파키스탄 Punjab 지역 비소 오염 지하수 현장 적용성 평가
Phosphorus and Arsenic Removal Characteristics of FMBO-S Adsorbent and Its Field Applicability to Arsenic-Contaminated Groundwater in Punjab, Pakistan
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Abstract
본 연구는 FMBO-S(starch-stabilized ferromanganese binary oxide)의 인 및 비소 제거 특성을 평가하고, 파키스탄 Punjab 지역 비소 오염 지하수에 대한 실제 원수 기반 적용 가능성을 검토하였다. 현장 수질조사에서는 117개 지점에서 954개 지하수 시료를 분석하였으며, 일부 시료에서 파키스탄 음용수질 기준인 50 μg/L 및 세계보건기구(World Health Organization, WHO) 권고값인 10 μg/L를 초과하는 비소 오염이 확인되었다. 또한 조사 지역에서는 미생물, 총용존고형물(TDS) 및 질산성질소 문제가 함께 나타나 실제 원수 조건을 고려한 처리기술 검토가 필요한 것으로 나타났다. FMBO-S는 철-망간 이원산화물(ferromanganese binary oxide, FMBO)에 비해 평균 기공직경과 mesopore 비율이 증가하였으며, 등온흡착 실험에서 Langmuir 최대흡착용량은 61.24 mg/g으로 나타났다. 지하수 원수를 이용한 연속흐름식 시험에서 FMBO-S의 단위 흡착제당 비소 제거량은 352–463 μg/g으로 나타났으며, 자철석 및 현무암보다 높은 제거량을 보였다. 비소 회분식 흡착 실험에서 FMBO-S의 흡착거동은 유사 2차 속도모델에 적합하였다. FMBO-S는 대량생산, 공존 이온 영향, 장기 파과성능 및 단위처리비용 검증 후 후속 적용 가능성을 확대할 수 있는 후보 흡착소재로 평가된다.
Trans Abstract
This study evaluated the phosphorus and arsenic removal characteristics of starch-stabilized ferromanganese binary oxide (FMBO-S) and examined its applicability to actual arsenic-contaminated groundwater in Punjab, Pakistan. In the field water-quality investigation, 954 groundwater samples were collected from 117 sites, and arsenic contamination exceeding both the Pakistani drinking-water standard of 50 μg/L and the World Health Organization (WHO) guideline value of 10 μg/L was identified in some samples. Microbial contamination, total dissolved solids (TDS), and nitrate nitrogen were also observed in the study area, indicating the need to evaluate treatment technologies under actual groundwater conditions. FMBO-S showed an increased average pore diameter and mesopore fraction compared with ferromanganese binary oxide (FMBO), and its Langmuir maximum adsorption capacity in the adsorption isotherm test was 61.24 mg/g. In the continuous-flow test using actual groundwater, FMBO-S showed arsenic removal of 352–463 μg/g per unit mass of adsorbent, which was higher than those of magnetite and basalt. In the arsenic batch test, the adsorption behavior of FMBO-S was well described by the pseudo-second-order kinetic model. Therefore, FMBO-S was evaluated as a candidate adsorbent whose follow-up applicability could be expanded after further verification of mass production, coexisting ion effects, long-term breakthrough performance, and unit treatment cost.
Introduction
파키스탄은 지하수와 지표수에 대한 의존도가 높고, 농촌 지역을 중심으로 안전한 음용수 공급과 수질오염 문제가 지속적으로 제기되어 왔다(Daud et al., 2017). 특히 Indus Plain을 포함한 Punjab 및 Sindh 지역에서는 자연기원 지질 조건, 관개활동, 높은 pH 조건 등이 복합적으로 작용하여 지하수 중 비소 농도가 증가할 수 있는 것으로 보고되었다(Pakistan Council of Research in Water Resources [PCRWR], 2023; Podgorski et al., 2017). PCRWR의 전국 비소 조사에서는 Punjab과 Sindh 지역의 총 45,920개 지하수원 중 약 13%가 세계보건기구(World Health Organization, WHO) 권고값인 10 μg/L를 초과하였고, 약 3%가 파키스탄 음용수질 기준인 50 μg/L를 초과하는 것으로 나타났다. 특히 Punjab 지역에서는 약 14%의 수원이 10 μg/L를 초과하고 약 2%가 50 μg/L를 초과하는 것으로 보고되었으며, Punjab 지역에서만 약 1,500만 명이 10 μg/L 이상의 비소 노출 위험에 놓일 수 있는 것으로 추정되었다(PCRWR, 2023). 또한 Podgorski et al. (2017)은 동부 Punjab 지역을 포함한 Indus Valley 일대에서 약 5,000만–6,000만 명이 50 μg/L 이상의 비소가 포함된 지하수를 이용할 가능성이 있다고 보고하였다. 비소는 장기 섭취 시 피부병변, 암, 심혈관계 질환 등과 관련되는 대표적인 무기오염물질이며, WHO는 먹는물 중 비소 권고값을 10 μg/L로 제시하고 있다(WHO, 2022). 따라서 Punjab 지역에서는 비소 오염 지하수의 실태를 현장 수질조사를 통해 확인하고, 실제 원수 조건에서 운전 가능한 비소 제거 흡착 소재와 소규모 음용수 처리공정을 검토할 필요가 있다(U.S. EPA, 2003).
인(P)과 비소(As)는 동일한 15족 원소이며, 수중에서 인산염과 비산염(As(V))은 음전하를 띠는 옥시음이온으로 존재할 수 있다. 두 음이온은 철 산화물 및 금속 산화물 표면에서 리간드 교환과 표면착물 형성에 관여하는 것으로 보고되어 왔다(Dixit and Hering, 2003; Raven et al., 1998). 이러한 화학적 유사성은 starch 안정화 철-망간 이원산화물(starchstabilized ferromanganese binary oxide, FMBO-S)과 같은 금속산화물 기반 흡착소재를 인산염 및 비산염 제거에 함께 검토할 수 있는 근거가 된다. 다만 인산염 흡착 결과가 비소 제거성능을 직접 입증하는 것은 아니며, 특히 As(III)는 중성 영역에서 As(V)와 다른 화학종으로 존재할 수 있으므로 별도의 비소 회분식 흡착 실험과 실제 원수 기반 연속흐름식 검증이 필요하다.
철-망간 이원산화물(ferromanganese binary oxide, FMBO)은 Fe 산화물의 As(V) 흡착 기능과 Mn 산화물의 As(III) 산화 기능을 동시에 기대할 수 있는 흡착소재로 보고되어 왔다(Xu et al., 2019; Zhang et al., 2007). 그러나 FMBO와 같은 금속산화물계 미세입자 흡착제는 입자 응집, 활성점 접근성 저하 및 고액분리의 어려움이 발생할 수 있으므로, 흡착소재의 구조적 안정성과 표면 접근성을 개선하기 위한 안정화 전략이 필요하다. 본 연구에서는 FMBO 제조 과정에 starch 안정화 기법을 적용하여 FMBO-S를 제조하였으며, starch 첨가를 통해 입자 응집 완화와 기공구조 개선 효과를 검토하였다. 따라서 FMBO-S의 적용성 평가는 단순한 비소 제거 효율 비교가 아니라, Fe-Mn oxide 기반 산화·흡착 기능과 starch 안정화에 따른 구조적 개선 효과를 함께 검토하는 과정으로 볼 수 있다.
본 연구의 목적은 FMBO-S 흡착제의 인 및 비소 제거 특성을 평가하고, 파키스탄 Punjab 지역 비소 오염 지하수에 대한 실제 원수 기반 적용 가능성을 검토하는 것이다. 이를 위해 Punjab 지역 지하수 수질조사 결과를 바탕으로 비소 처리 필요성을 정리하고, FMBO-S의 구조적 특성, 인산염 흡착성능, As(III)/As(V) 회분식 흡착 실험 결과 및 실제 지하수 원수 기반 연속흐름식 비소 제거성능을 단계적으로 평가하였다(Figure 1).
Analytical framework for evaluating FMBO-S applicability based on water-quality investigation, adsorption tests, continuous-flow verification.
연구 방법
본 연구는 파키스탄 Punjab 지역 지하수 처리기술 적용 연구 과정에서 확보한 현장 수질조사 자료, 실제 지하수 원수 기반 연속흐름식 시험 결과 및 FMBO-S 관련 실험자료를 바탕으로 수행하였다. 현장 시료 채취는 Forman Christian College University (FCCU) 연구진이 수행하였으며, 연속 흐름식 시험은 FCCU 실험실에서 수행하였다. FMBO-S 제조 및 특성분석과 인산염 흡착 특성은 단국대학교 연구진의 실험 결과를 바탕으로 정리하였다. 연구는 현장 수질조사, FMBO-S 제조 및 특성분석, 인산염 회분식 흡착실험, 비소회분식 흡착 실험, 실제 지하수 원수 기반 연속흐름식 시험 및 후속 적용성 평가의 순서로 구성하였다.
1. 현장 수질 조사
Punjab 지역 지하수의 오염 특성을 확인하기 위하여 총 117개 지점에서 954개 지하수 시료를 채취하였다. 시료는 수원 유형에 따라 hand pump, motor pump, tubewell 및 기타 수원으로 구분하였으며, 비소종인 As(III)와 As(V), 주요 무기이온, 총유기탄소(total organic carbon, TOC), 총대장균군, Escherichia coli (E. coli), 질산 및 아질산을 포함한 24개 수질항목을 조사하였다.
전체 조사자료 중 수온, pH, TOC, 탁도 및 총비소 자료가 함께 확보된 25개 시료의 평균 수질성상을 Table 1에 제시하였다. 또한 지역별 비소 오염 특성을 비교하기 위하여 Sarhali Kalan, Kot Maiga, Kalyan, Janua 및 Badarpur를 주요 조사지역으로 선정하였으며, 각 지역의 위치를 Figure 2에 나타내었다. Sarhali Kalan, Kot Maiga, Kalyan 및 Badarpur는 Kasur District에 위치하며, Janua는 Sheikhupura District에 위치한다.
Average water quality characteristics of selected field groundwater samples in Punjab, Pakistan (n = 25)
Location of selected groundwater investigation areas in Punjab, Pakistan.
본 연구에서는 현장 수질조사 결과 중 비소 농도와 분포, 수원 유형, pH, TOC 및 공존 수질조건을 중심으로 FMBO-S의 실제 지하수 원수 적용성을 검토하였다.
2. FMBO-S 흡착제 제조 및 특성분석
본 연구에서는 FeCl₃·6H₂O, MnSO₄·5H₂O 및 KMnO₄를 사용하여 FMBO를 제조하였다. 동일한 Fe-Mn 전구체 조건에서 starch 용액을 첨가하여 FMBO-S를 제조하였으며, 제조 과정은 전구체 혼합, pH 조정, 교반, 침전, 세척, 건조 및 체거름의 순서로 수행하였다.
starch 안정화에 따른 구조적 변화를 확인하기 위하여 FMBO와 FMBO-S의 표면형상, 원소분포, 기공구조 및 표면 작용기를 비교하였다. 제조조건, 특성분석 항목 및 인산염 회분식 등온흡착 실험조건은 Table 2에 정리하였다.
Experimental conditions for FMBO-S synthesis, characterization, and phosphate adsorption tests
제조된 흡착제는 주사전자현미경-에너지분산형 X선 분광법(scanning electron microscopy–energy-dispersive X-ray spectroscopy, SEM–EDX), Brunauer–Emmett–Teller (BET) 비표면적 분석, 푸리에 변환 적외선 분광법(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR) 및 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)을 통해 평가하였다. SEMEDX는 표면형상과 구성 원소 분포를 확인하기 위해 사용하였고, BET 분석은 비표면적, 평균 기공직경 및 mesopore 비율을 확인하기 위해 사용하였다. FTIR 및 XPS는 표면작용기와 표면 화학상태를 확인하기 위해 사용하였다. 본 연구에서는 평균 기공직경, mesopore 비율 및 비표면적을 인산염 및 비소와 같은 옥시음이온의 표면 접근성과 확산 특성을 해석하기 위한 주요 지표로 사용하였다.
3. 인산염 회분식 흡착실험
FMBO와 FMBO-S의 인산염 흡착성능을 평가하기 위하여 회분식 등온흡착 실험을 수행하였다. 초기 인산염 농도는 저부하 영역부터 포화에 접근하는 고부하 영역까지의 평형자료를 확보하고, 등온흡착 모델의 매개변수와 최대흡착 용량을 산정하기 위하여 5–120 mg/L as PO₄³⁻ 범위로 설정하였다. 흡착제 주입량은 FMBO와 FMBO-S의 평형흡착 특성을 동일한 고액비 조건에서 비교하기 위하여 30 mL의 인산염 용액에 50 mg의 흡착제를 투입한 1.7 g/L로 설정하였다. 모든 초기농도 조건에서 고액비를 일정하게 유지하여 FMBO와 FMBO-S의 평형흡착 특성을 직접 비교하였으며, 실험은 25 ± 1 °C 및 200 rpm 조건에서 수행하였다.
흡착평형 자료는 Langmuir 및 Freundlich 등온흡착 모델에 적용하였다. Langmuir 모델은 단분자층 흡착을 가정하여 최대흡착용량을 산정하는 데 사용하였고, Freundlich 모델은 흡착제 표면의 불균질성과 농도 의존적 흡착 특성을 해석하는 데 사용하였다. 본 연구에서는 두 모델의 적합 결과를 이용하여 FMBO와 FMBO-S의 인산염 흡착 특성을 비교하였다. 인산염 흡착실험 결과는 FMBO-S의 인산염 흡착 특성과 금속산화물 기반 옥시음이온 흡착 거동을 평가하기 위한 자료로 활용하였다.
4. 비소 회분식 흡착실험
FMBO-S의 비소 제거성능을 확인하기 위하여 비소 회분식 흡착실험을 수행하였다. 인(P)과 비소(As)는 동일한 15족 원소이며, 인산염과 비산염(As(V))은 철 산화물 및 금속 산화물 표면에서 리간드 교환과 표면착물 형성을 통해 흡착될 수 있다(Dixit and Hering, 2003; Raven et al., 1998). 이러한 화학적 유사성을 바탕으로, 현지 지하수의 주요 수질조건을 참고하여 제조한 합성원수에서 As(III)와 As(V)를 구분하여 실험하였다. 시간에 따른 비소 농도 변화를 측정하여 비소 종별 흡착속도 특성을 평가하였다.
흡착속도 자료는 유사 2차 속도모델(pseudo-second-order kinetic model)에 적용하여 해석하였다. 유사 2차 속도모델은 흡착제 표면 활성점과 흡착질 사이의 상호작용이 흡착속도에 영향을 미치는 경우에 적용될 수 있으며, 본 연구에서는 FMBO-S의 비소 흡착거동을 설명하기 위한 모델로 사용하였다.
5. 실제 지하수 원수 기반 연속흐름식 시험
실제 지하수 원수 기반 연속흐름식 시험은 FCCU 실험실에 설치한 실험실 규모의 비소 처리장치에서 수행하였다. 시험 원수는 Punjab 지역 현장에서 채수한 실제 지하수를 FCCU 실험실로 운반한 후 원수탱크에 저장하여 사용하였다. 시험 원수의 총비소 농도는 운전기간 중 180–210 μg/L 범위였다. 평균 pH와 TOC는 각각 8.7 및 1,264 μg/L였다. 장치 구성은 Figure 3에 제시하였으며, 주요 운전조건은 Table 3에 정리하였다.
Laboratory-scale continuous-flow arsenic treatment system. Source: Modified from Dockko et al. (2025).
Operating conditions and influent characteristics for the continuous-flow to remove arsenic by using actual groundwater
연속흐름식 시험에서는 처리수 비소 농도 변화, 운전기간, 처리수량, 총 비소 흡착량 및 단위 흡착제당 비소 제거량을 주요 평가 지표로 사용하였다. 비교 흡착제로는 자철석(iron magnetite, IM), 현무암(basalt) 및 상용 입상수산화철(granular ferric hydroxide, GFH)을 포함하였다. GFH는 현장 파일럿에 적용된 상용 흡착제로서, FMBO-S의 연속흐름식 비소 제거성능을 해석하기 위한 비교군으로 사용하였다.
결과 및 토의
Punjab 지역 수질 조사 결과에 따른 비소 처리 필요성
Figure 2에 제시한 주요 조사지역의 비소 오염 특성을 Table 4에 정리하였다. 평균 비소 농도는 Sarhali Kalan 55.1 μg/L, Kot Maiga 98.7 μg/L, Kalyan 330.7 μg/L, Janua 287.2 μg/L 및 Badarpur 205.5 μg/L로, 조사된 5개 지역 모두 파키스탄 음용수질 기준인 50 μg/L를 초과하였다.
Groundwater arsenic contamination in selected investigation areas in Punjab, Pakistan
비소 농도는 지역별로 차이를 보였으며, 이는 Punjab 지역의 비소 오염 지하수 처리를 위해 현장별 원수 조건을 반영한 흡착소재 검토가 필요함을 의미한다. 특히 실제 지하수는 pH, TOC, 총용존고형물(total dissolved solids, TDS) 및 공존 이온 조건이 다양하므로 흡착제의 성능은 회분식 실험뿐 아니라 실제 지하수 원수를 이용한 연속흐름식 조건에서도 평가되어야 한다.
또한 비소 외 복합 수질오염 가능성을 검토하기 위하여 총대장균군, Escherichia coli (E. coli), 질산 및 아질산을 조사하였다. 이 중 미생물학적 수질평가는 FCCU 음수대 시료 38개를 대상으로 별도로 수행하였다. 총대장균군은 최확수(most probable number, MPN) 기준으로 4–1,000 MPN/100 mL였으며, 평균은 200 MPN/100 mL로 나타났다. 전체 시료의 97%가 총대장균군 수질기준을 초과한 반면, E. coli는 검출되지 않아 해당 시료군에 대한 미생물학적 관리 필요성이 확인되었다.
2. FMBO-S의 구조적 특성과 흡착 특성
FMBO-S는 FMBO에 비해 평균 기공직경이 14.89 Å에서 25.16 Å로 증가하였으며, mesopore 비율도 16%에서 56%로 증가하였다(Table 5). 등온흡착 자료는 두 흡착제 모두 Freundlich 모델에 가장 잘 적합하였으며(Figure 4), 이는 서로 다른 흡착에너지를 갖는 활성점이 존재하는 불균질한 표면에서 농도 의존적 흡착이 이루어졌음을 시사한다. Freundlich 모델은 유한한 최대흡착용량(qmax)을 직접 제시하지 않으므로, FMBO와 FMBO-S의 흡착용량을 동일한 기준으로 비교하기 위한 보조지표로 Langmuir 모델에서 추정한 qmax를 함께 검토하였다. Langmuir qmax는 FMBO와 FMBO-S에서 각각 28.57 및 61.24 mg/g이었다. 따라서 Freundlich 모델은 흡착거동과 표면 불균질성을 해석하는 데 사용하였으며, Langmuir qmax는 두 흡착제의 최대흡착용량을 비교하기 위한 보조지표로 활용하였다.
Structural characteristics of FMBO and FMBO-S
Phosphate adsorption isotherms and Freundlich model fits for FMBO and FMBO-S.
FMBO-S의 높은 인산염 흡착용량은 비표면적 증가보다는 starch 안정화에 따른 입자 응집 억제와 기공구조 변화에 기인한 것으로 해석된다. Starch 첨가 후 BET 비표면적은 감소한 반면, 평균 기공직경과 mesopore 비율은 증가하였다(Table 5). 이는 인산염이 흡착제 내부 활성점으로 이동할 수 있는 기공 경로와 활성점 접근성이 개선되었음을 시사한다. Mesopore는 인산염이 내부 활성점으로 이동하는 물질전달 경로로 작용할 수 있으며, 기공크기 분포와 활성점 접근성은 인산염 흡착속도와 흡착용량에 영향을 줄 수 있다(Kumar et al., 2019). Starch 안정화층은 입체적·정전기적 반발을 통해 Fe–Mn oxide 입자의 응집을 억제하여 접근 가능한 활성점을 유지하는 데 기여할 수 있다(Xu et al., 2019). 또한 FTIR 및 XPS 분석에서 인산염 흡착 후 Fe–OH 관련 작용기와 Fe 표면 화학상태의 변화가 확인되어, Fe 기반 활성점에서의 리간드 교환과 내권착물 형성이 인산염 흡착에 관여한 것으로 해석된다. 따라서 FMBO-S의 흡착용량 증가는 평균 기공직경 및 mesopore 비율 증가가 복합적으로 작용한 결과로 판단된다.
3. FMBO-S의 비소 회분식 흡착실험
비소 회분식 흡착 실험 결과, FMBO-S 조건에서 As(III)와 As(V) 농도는 시간에 따라 감소하였으며, 흡착속도 자료는 유사 2차 속도모델에 적합하였다. 특히 As(V) 조건에서 FMBO-S는 IM, Basalt 및 GFH와 비교하여 상대적으로 높은 비소 제거량을 나타냈다(Figure 5). FMBO-S의 비소 제거는 Fe–Mn oxide의 산화·흡착 기능과 관련된다. Mn 산화물은 As(III)의 산화에 관여할 수 있으며, Fe 산화물 표면은 생성된 As(V)의 흡착과 표면착물 형성에 기여할 수 있다(Xu et al., 2019; Zhang et al., 2007). 또한 As(V)가 철 산화물 표면에 흡착된다는 기존 연구와도 부합한다(Dixit and Hering, 2003; Raven et al., 1998).
Pseudo-second-order kinetic model fitting for As(V) adsorption onto (a) IM and Basalt, and (b) GFH and FMBO-S under batch conditions.
4. 실제 지하수 원수 기반 연속흐름식 비소 제거성능
Table 3의 운전조건에서 실제 지하수 원수를 이용한 연속 흐름식 시험을 수행한 결과, 흡착제에 따라 파과 거동이 달랐다(Figure 6). IM과 Basalt는 이른 시점에 처리수 비소 농도가 상승한 반면, GFH와 FMBO-S는 상대적으로 늦은 파과를 나타냈다.
Changes in arsenic concentration in influent and treated water during continuous-flow tests using IM, GFH, Basalt, and FMBO-S. The dashed line indicates the Pakistan drinking-water standard for arsenic, 50 μg/L.
FMBO-S 조건의 단위 흡착제당 비소 제거량은 352–463 μg/g으로 나타났다(Table 6). GFH 조건의 단위 제거량은 407 μg/g이었으며, FMBO-S(2)와 FMBO-S(3)는 각각 424 및 463 μg/g의 단위 제거량을 나타냈다. GFH와 FMBO-S의 비교는 운전기간과 처리수량의 차이를 고려하여 단위 흡착제 당 비소 제거량을 중심으로 해석하였다.
Continuous-flow arsenic removal performance of adsorbents
연속흐름식 시험 원수의 총비소 농도는 운전기간 중 180–210 μg/L 범위였다. 이는 Table 1에 제시한 현장 지하수 시료의 평균 총비소 농도인 90.40 μg/L보다 높았으나, Punjab 지역 수질조사에서 확인된 총비소 농도 범위인 0–1,600 μg/L 내에 포함되었다. 따라서 시험 원수는 비소 농도 측면에서 Punjab 지역에서 관찰된 고농도 비소 오염 지하수 조건을 반영한 것으로 판단된다.
실제 지하수 원수를 사용한 연속흐름식 시험은 합성수 기반 회분식 실험과 달리 원수에 존재하는 유기물과 무기이온 등 다양한 수질성분의 영향을 함께 반영한다. 시험 원수의 평균 pH는 8.7로 약알칼리성 조건이었으며, TOC는 1.264 mg/L로 나타났다. 이러한 pH와 유기물 조건은 흡착제의 표면전하, 비소의 존재형태 및 활성점 접근성에 영향을 줄 수 있다. 또한 실제 지하수에 존재할 수 있는 인산염, 규산염 및 탄산염 등의 공존 음이온은 철–망간 산화물 표면의 흡착점에서 비소와 경쟁하여 제거성능을 저하시킬 수 있는 것으로 보고되어 있다(Meng et al., 2000; Roberts et al., 2004). 이러한 실제 원수 조건에서도 FMBO-S가 IM 및 Basalt보다 높은 단위 흡착제당 비소 제거량을 나타낸 것은 FMBO-S의 실제 지하수 적용 가능성을 뒷받침한다.
5. 최적가용기법(BAT) 관점에서의 FMBO-S 현장 적용성 및 후속 검증 항목
FMBO-S의 현장 적용 가능성은 경제협력개발기구(Organisation for Economic Co-operation and Development, OECD)가 제시한 BAT 평가요소를 참고하여 지역 수질문제와의 적합성, 실제 원수 처리성능, 기술적 적용가능성, 운영관리성 및 경제성을 중심으로 검토하였다(OECD, 2020, 2022). 인산염 및 비소 회분식 흡착실험과 실제 지하수 원수 기반 연속흐름식 시험 결과는 FMBO-S의 비소 제거용 후속 후보 흡착소재로서의 가능성을 뒷받침하였다. Figure 7에는 Punjab 지역 지하수 처리시설의 구성과 현장 설치 형태를 제시하였다.
Groundwater treatment facilities used for arsenic removal in Punjab, Pakistan: a pilot treatment unit consisting of a raw-water storage tank and adsorption columns (left), and a field-installed adsorption and filtration system (right). Source: Modified from Dockko et al. (2025).
적정기술 관점에서 FMBO-S는 Fe–Mn oxide의 산화·흡착 기능과 starch 안정화에 따른 입자 응집 억제 및 기공구조 개선을 결합한 소재이다. 이러한 특성은 현지 원수 특성에 따른 흡착소재 개선과 공정 최적화 가능성을 제공한다. 특히 Punjab 지역과 같이 비소 및 미생물 오염, 높은 TDS, 질산성 질소 등 복합 수질문제가 우려되는 지역에서는 단일 처리기술보다 현장 원수 특성에 맞춘 흡착소재와 다중장벽(multibarrier) 공정의 조합이 필요하다.
본 연구에서는 유기물, 탁도 및 비소의 복합 처리를 위하여 입상활성탄(granular activated carbon, GAC)과 침지형 정밀여과막(submerged microfiltration membrane, MF)을 결합한 전처리 단계 후단에 비소 흡착층을 연계한 실험실 규모의 다중장벽 공정을 구성하였다. 기존 공정에는 상용 철계 흡착제인 GFH가 적용되었으며, GAC와 MF 막은 유기물과 입자상 물질 및 탁도의 저감을, 후단 흡착층은 비소 제거를 목적으로 구성하였다. 이러한 공정 배열은 유기물과 입자상 물질의 부하를 전단에서 저감한 후 비소 흡착을 수행하는 단계적 처리방식이다. 본 연구에서 FMBO-S의 실제 지하수 원수 기반 비소 제거 가능성이 확인된 점을 고려하면, 후속 적용에서는 해당 비소 흡착층에 FMBO-S를 적용한 GAC–MF–FMBO-S 공정구성을 검토할 수 있다. 이를 위해서는 전처리 유무에 따른 FMBO-S의 파과거동, 장기 제거성능 및 운영관리성을 추가로 평가할 필요가 있다.
다만 GAC–MF–FMBO-S 공정은 유기물, 탁도 및 비소 처리를 중심으로 구성되므로, 질산성질소와 TDS가 주요 문제인 원수에는 별도의 처리공정을 선택적으로 연계할 필요가 있다. 질산성질소가 높으나 TDS가 상대적으로 낮은 경우에는 질산이온 선택성 음이온교환 공정을 FMBO-S 흡착공정 후단에 배치할 수 있으며, 질산성질소와 TDS가 동시에 높은 경우에는 역삼투 또는 전기투석 공정을 선택적으로 연계할 수 있다. 소규모 농촌지역 지하수를 대상으로 역삼투, 전기투석 및 이온교환 공정의 질산성질소 제거 가능성이 보고된 바 있다(Schoeman, 2009). 미생물학적 안전성 확보를 위해서는 MF 막과 함께 자외선 소독을 적용하고, 처리수 저장 및 배급 과정에서 재오염 가능성이 있는 경우 염소소독을 최종 단계에 적용할 수 있다(WHO, 2017; WHO, 2024). 따라서 후속 현장 적용 시에는 현장별 수질특성에 따라 필요한 공정만 선택적으로 적용하는 모듈형 구성이 적절할 것으로 판단된다.
결론
본 연구는 FMBO-S 흡착제의 인 및 비소 제거 특성을 평가하고, 파키스탄 Punjab 지역 실제 지하수 원수 조건에서의 비소 제거 적용성을 검토하였다. Punjab 지역 현장 수질조사 결과, 일부 지하수 시료에서 파키스탄 음용수질 기준과 WHO 권고값을 초과하는 비소가 확인되었으며, 일부 시료군에서는 미생물 및 TDS 관련 수질문제도 나타났다. FMBO-S는 FMBO에 비해 평균 기공직경과 mesopore 비율이 증가하였고, 등온흡착 실험에서 높은 최대흡착용량을 나타냈다. 이 결과는 FMBO-S가 옥시음이온 흡착소재로 활용될 수 있는 구조적 특성을 갖는다는 점을 보여준다. 또한, 비소 회분식 흡착 실험에서 FMBO-S는 As(III)와 As(V) 조건에서 비소 농도 감소를 보였으며, 흡착거동은 유사 2차 속도 모델에 적합하였다. 실제 지하수 원수를 이용한 연속흐름식 시험에서 FMBO-S의 단위 흡착제당 비소 제거량은 352–463 μg/g으로 나타났으며, IM 및 Basalt보다 높은 제거량을 보였다. GFH와의 비교는 운전기간과 처리수량 차이를 고려하여 단위 제거량 중심으로 해석하였다.
종합적으로 FMBO-S는 인산염 흡착 특성, As(III)/As(V) 회분식 흡착실험 및 실제 지하수 원수 기반 연속흐름식 시험을 통해 비소 제거용 후속 후보 흡착소재로서의 가능성을 보였다.
Notes
사사
본 논문은 과학기술정보통신부가 시행한 지식재산활용과학기술지원사업 내 「SDGs를 위한 개도국 공동연구」 과제인 “파키스탄 Punjab 주 안전한 음용수 공급을 위한 지속 가능한 지하수 처리 기술 적용 사업” 및 환경부 통합환경관리특성화대학원사업(R-2025-00943)의 지원에 의해 수행되었습니다.