4.4 오존산화시설

 1) 오존산화의 적용범위

  오존처리는 유기물, 색도, 악취의 제거 및 살균 등에 광범위한 효과가 있다.  오존의 살균력은 이산화염소나 염소에 비하여 수십배 강하기 때문에 더 효과적이며 수중에 암모니아가 존재하는 경우 염소는 암모니아 반응하여 클로라민을 생성하므로 살균효과를 저하시키지만 오존의 경우는 이와같은 문제가 없다.  그러나 유기물 제거에는 오존의 산화특성(무기물까지 산화하기는 힘들다)상 한계가 있으며, 다량의 오존을 필요로 하므로 처리비용도 높아진다.  오존산화처리에 의한 용존성 유기물의 제거는 유입수의 특성, pH , 오존가스의 접촉방법, 오존농도, 접촉시간 등에 따라 달라진다.  일반적으로 접촉시간 10～30분정도의 반응조가 이용되고 오존은 반응조의 하부에서 유입된다.  유입되는 오존농도는 10～30mg/l정도이다.

2) 오존의 특징

  오존은 산소의 동소체로 분자식 O₃의 특이한 냄새를 갖는 미청색 가스로 공기보다 1.72배 무겁다.  고기중에 0.01～0.1mg/l 있을 경우 냄새가 느껴지며, 용해도는 헨리의 법칙을 따르나 기체중의 오존은 분압이 낮아 일반적으로 용해도는 수 mg/l에 지나지 않는다.  오존의 투입시 용액중의 오존농도는 다음식에 의하여 구할 수 있다.

C =

C : 용액중의 오존농도(mg/l)  T : 수온(℃)  Y : 기체중의 오존농도(mg/l)

  대기중에서의 오존은 상온일때는 비교적 안전하나 용액중의 용존 오존은 불안정하며 O₃→O₂+O와 같이 분해되며 산소로 전환하여 발생기 산소를 발생한다.  이때 발생하는 산소는 화합력이 강하여 염소보다 강한 산화력을 가진다.  여러가지의 산화제중에서 오존이 용존성 유기물의 산화제러 가장 유리한 이유는 강력한 산화력, 수중에서 비교적 자가분해가 빠르기 때문에 과잉첨가에 의한 이차적인 문제점이 발생하지 않는 점. 발생장치와 전원이 있으면 공기를 이용하여 손쇱게 오존을 얻을 수 있어 약품저장이 불필요한점,  잔류량의 장동측정이 가능하여 자동제어가 용이한 점 등이다.  그러나 오존 1kg당 17～20kwh의 전력이 소비된다 는 단점도 있다.  오존과 유기물 반응의 주요한 특징은 불포화 이중결합인 환상화합물을 절단시키는 반응이다.  오존은 CHO-, NH₂-, OH-, SH-, CN-과 같은 관능기도 쉽게 산화기키므로 시안이나 페놀류의 분해에도 이용된다.  그러나 유기물을 탄산가스나 물로 완전하게 분해하는 것은 불가능하다.

  3) 오존산화시설의 구성

  오존은 불안정한 물질이고 기체상태에서 공기-오존 혼합기체의 오존농다가 30%를 넘으면 폭발이 일어나기 쉬워 염소와 같이 액체상태 또는 고압력상태로 저장하는 것이 불가능하다.  따라서 현장에서 제조하여 사용한다.  오존처리공정은 원료공기 정제공정, 오존발생공정, 오존반응공정의 세단계로 나누어진다.

  가) 원료공기 정제공정

  현재 주로 이용되는 오존발생방법은 유리 등의 유전체를 끼운 한쌍의 저극간에 원료공기를 통과시켜 5～18Kv의 전압을 가하느 무성방전법이다.  따라서 오존발생효율을 높이기 위해 오존발생기에 유입하는 공기는 무진의 건조공기어야 한다.  원료공기는 필터에 의해 제진한후에 제습효과를 높이기 위해 냉각장치에서 5℃정도까지 냉각한 다음에 제습용 흡착제를 충전하 제습장치에 의해 원료공기의 이슬점온도가 -50℃이하가 되도록 제습한다.

나) 오존발생공정

  오존발생방법은 여러 자기가 있으나 겅업적으로 널리 실용화되어 있는 것은 무성방전법이다.  이방법은 <그림 3.55>에  나타낸 것과 같이 유리 혹은 세라믹과 같은 유전체를 끼워 넣은 전극산에 공기, 산소 또는 산소농도를 높인 공기를 흘려본내면서 5～18kv의 교류 고전압을 가하여 오존화 공기를 발생시키는 방법이다.  소비되는 전력의 상당 부분이 열로 전환되므로 발생장치를 냉각하기 위하여 열교환기가 필요하다.  오존발생장치는 에너지효율이 나쁘고 공기를 원료로 할 경우 원료중 산소가 오존으로 전환되는 것은 1%이하이다.  오존생성에 필요한 적력과 오존화 공기중의 오존농도와의 곤계를 보면, 관거에 비하여 오존생성에 필요한 잔력이 줄어들고 있으며, 산소를 이용할 경우에는 공기를 이용하는 것보다 두배이상의 오존농도를 얻을수 있다.

<그림 3.55> 오존발생 원리도

  다) 오존반응공정

  오존화 공기는 오존농도가 낮고 물에 대한 용해도도 작으므로 수중에 효율적으로 용해시켜 처리대상물질과 반응시킬 필요가 있다.  오존반응조는 각종 가스흡착탑 흡구용으로 이용되고 있는 장치를 이용ㅇ할 수 있으나 오존합유 기체를 하부에서 산기장치를 이용하여 수중으로 분산시키는 기포탑방식이 일반적으로 이용되고 있다.  폐수성상에 따라다르나 반응조 체류시간은 평균 10～30분정도이다.  배출오존은 순환시키고 일부는 무해처리하여 배출한다.  순환시킬 경우 먼저 유출측의 반응조에서 믈과 접촉시켜, 배출오존을 유입측으로 재손환 시키는 방식이 효율적이며 90%정도의 흡수효율이 얻어진다.  단, 순환용 설비비, 운전동력비의 흡수효율 개선에 의한 비용회수 가능성 이 검토되어야 한다.  오존반응탑에서 배출되는 미반응의 오존은 광화학 스모그의 원인이 되므로 반드시 처리하여야만 한다.  이 처리 방법으로는 활성탄 접촉법이 널리 이용되고 있다.  활성탄에 의한 미반응 오존의 분해는 다음식과 같이 활성탄과 오존의 직접반응관 활성탄 표면에서의 촉매적 접촉분해가 병행되어 일어나다.

  직접반응 : 2O₃+ 2C → 2CO+ O₂, 2O₃ + C → CO₂ + 2O₂

  접촉반응 : 2O₃ + C → 3O₂ + C

  4) 오존산화의 주요 처리특성

  가) 오존처리는 색도제거에 매우 효과적이다.  오존주입량과 체류시간이 증가함에 따라 색도의 제거율이 증가한 유입수에 있어서 색도가 10～15도일 경우 제거율 50% 유지를 위해서는 오존주입율 5mg/l 체류시간 10분이상이 필요하고 무색에 가깝게 색도를 제거하기 위해서는 오존주입 10mg/l정도가 필요하다  악취성분도 색도성분과 마찬가지로 제거가 용이하다.

  나) 수중의 COD1mg을 제거하는데는 보통 2～5mg이하의 오존을 필요로 하나, 오존을다량으로 첨가하여도 그 제거에 한계가 있다.  유기물 제거효율은 폐수성상에 따라 다르고, 현재까지 폐수의 고도처리에 적용된 사례나 연구가 별로 없지만 일본에서 행해진 연구결과에 따르면 유입 COD가 10～15mg/l일 경우 제거효율은 10～30%이고, COD lmg/l 제거를 위한 오존소비량은 2～5mg/l이었으며, 오존주입량 20～80mg/l, 체류시간 85분일 경우 COD제거효율은 매우 낮을 뿐아니라 COD 1mg/l를 제거하기 위해 오존 4～10mg이상이 요구되었고, 용해성 TOC제거율은 최대 14%로 COD제거율 보다 낮았다. 2차 처리수를 대상으로 한 경우에 COD 15mg/l정도의 유입수의 제거율은 20～30%이었고, TOC제거율은 높지 않았다.  이러한 실험결과를 통하여 오존산화에 의해 2차 처리수의 유기물이 고효율로 제거되는 것은 아니라고 할 수 있다.

  5) 오존 제어 방법

  오존처리 운전에 있어서는 원수의 수질, 수량에 대한 오존량을 오존반응조로 공급히고 처리효과를 높이는 것과 함께 운전경비를 감축하는 것이 중요하다.  오존반응조로의 오존공급 방법으로는 원수 수량에 대한 비례제어, 원수수질에 따른 피드포워드(Feed forward)제어, 처리수질에 대한 피드백(Feed back)제어, 배출오존농도에 대한 피드백 제어, 처리수중 잔류오존농도에 대한 피드백 제어, 주입가스중 오존농도아 배출오존농도에 대한 피드백 제어 등 있다.  처리수질을 측정하여 수량과 같이 오존주입량을 피드백 제어하는 방법이 이상적이지만 복잡한 단점이 있다.  미리 주입율을 정하여 수량에 비례적으로 주입하는 방법과 배출오존 농도를 측정하여 오존주입량을 제어하는 것이 가장 현실적이다.  다행히 오존은 고농도일 경우 강한 냄새가 발생하므로 누출했을 경우에 장기간 폭로 위험성은 작다.