정수처리를위한 고효율 오존전달 시스템 평가
Evaluation of High Efficiency Ozone Mass transfer System for Drinking water Treatment
이경혁,임재림,김성수,유명중,최영철*
Lee, Kyung-Hyuk, Lim, Jae-Lim, Kim, Seong-Su, Yu, Myeong-Jung, Choi, Young-Chul
1. 서론
기존의 수처리 공정에서 오존을 사용할 경우 발생된 오존 가스를 대상수에 최대한 용존 시키기 위하여 여러 가지 방법을 사용한다. 일반적으로 오존 가스의 접촉조 주입방식은 오존화 가스를 산기관, 인젝터, 터빈 믹서 등을 이용하여 오존 전달 효율을 높이는 방법이 적용되고 있다. 이는 고가의 오존 발생비용을 절감하기 위하여 발생된 오존의 이용을 극대화하기 위한 방법이다. 하지만 기존의 방식은 오존 전달 효율이 낮거나, 오존 전달 효율을 높이기 위하여 수두를 높게 유지하는 방법, 또한 기계적인 동력을 이용하는 방식이 적용되고 있다. 본 연구에서는 낮은 동력을 이용하여 짧은 시간 내에 오존 전달 효율을 극대화 할 수 있는 오존 전달 시스템을 개발하여 이를 평가 하였다.
2. 연구 방법 및 장치
본 연구에서 평가된 오존 전달 장치는 G사에서 제작된 시스템으로 처리유량 2m3/hr(일일 48톤) 규모로 설계되었다. 시스템의 구성은 오존 발생기에서 발생된 오존 가스와 유입펌프를 통하여 S정수장 여과수를 인젝터를 이용하여 1차 혼합시키고 G사에서 개발한 배관형 오존 전달시스템(체류시간 7초)을 거치게 되도록 제작하였다. 이렇게 혼합된 오존의 용존 농도를 측정하기위하여 전잘 시스템 후단에 배관을 설치하여 체류시간별로 용존 오존 및 처리 대상물질을 측정 할 수 있도록 하였다. 본 시스템에서는 오존 전달 시스템을 포함하여 접촉시간 110초까지의 시료를 측정 할 수 있도록 제작하였다.
본 시스템 평가를 위하여 시스템내의 체류시간별 잔류 오존 농도는 Indigo 법을 사용하였고, B.subtilis, E.coli의 분석은 기존 연구에서 사용된 방법(이경혁 등, 2004)을 따랐다. 그 밖에 pCBA(para-chlorobenzoic acid)의 분석은 HPLC를 이용하여 234nm에서 분석하였다.
한국수자원공사 수자원연구원 국제상하수도연구소, 042-860-0373(kh.lee@kowaco.or.kr)
*한국수자원공사 수도권지역본부, 031-260-8371(cycir6@empal.com)
Fig. 1. 고효율 오존 전달 시스템 Schematic Diagram
3. 결과 및 고찰
본 오존 전달시스템에서 오존 전달 효율을 평가하기 위하여 가스상의 오존 및 정수장 여과수를 연속적으로 주입하여 수중 용존오존 농도를 측정하였다. 오존 가스는 수중에 100% 전달 될 경우 각각 0.2 mg/L, 0.5 mg/L가 되도록 주입하였다. 연속 운전 후 체류시간별로 오존 처리수의 용존 오존 농도를 측정한 결과. Fig 1.과 같이 오존의 전달효율은 최초 시료 채취 지점인 오존 전달 시스템 후단(체류시간 7초)에서 100%에 가까운 효율을 나타내었다.
Fig. 2. 시스템 체류시간별 용존 오존 농도 변화
본 시스템에서 오존의 산화력을 평가 하기위하여 오존과 직접 반응하지 않으며 OH라디칼과 반응하는 물질인 pCBA를 강제 투여하여 제거 속도를 측정하였다.(Fig 3) 또한 측정 결과를 바탕으로 본 시스템에서 OH라디칼의 발생량을 간접적으로 평가할 수 있는 Rct([OH radical]/[O3] 비) 값을 계산하여 보았다, Rct값의 경우 본 시스템에서 약 8.6 x 10-9 정도로 계산되었으며, 이는 S정수장 여과수에서 일반적 주입방식에서 나타나는 Rct값과 유사한 것을 알 수 있었다. 따라서 본 시스템에서 오존의 산화효과는 일반 산기관 방식 등과 큰 차이가 없으며, 단지 오존의 전달 속도 및 효율을 증가 시키는 것을 알 수 있었다.
Fig 4. 에서는 본 시스템에서 오존의 CT별 B.subtilis Spore의 불활성화율을 평가하고 이를 기존 연구와 비교하여 나타내었다.
Fig. 3. 오존 주입농도별 PCBA제거 효율
Fig. 4.에 나타난 바와 같이 B. subtilis Spore의 경우 Spore의 구조로 인해 일정한 Lag 시간이 존재하는 것으로 알려져 있다. 본 시스템에서 B. subtilis Spore의 불활성화율을 평가한 결과 초기에는 일정한 Lag 시간을 갖다가 이후부터 불활성화가 나타나기 시작하였다. 오존 CT 2mg/L․min에서 약 1.3 Log의 불활성화율을 나타내었으며 이는 본 시스템에서 수리학적 체류시간 110초에 해당한다. 본 실험 결과를 기존 연구 결과와 비교하여보면 유사한 CT값을 나타내는 것을 알 수 있다.
Fig. 4. CT값에 따른 B. subtilis 불활성화율 비교
B. subtilis spore보다 오존에 대한 내성이 약한 E. coli에 대하여 본 시스템에서의 불활성화율을 평가하여 Fig. 5.에 나타내었다. E. coli의 경우 작은 CT값에도 높은 불활성화율을 나타내었다. 오존 CT값이 약 0.1 이하에서 2 Log이상의 불활성화율을 나타내었으며 이를 기존 연구결과(Cho 등, 2003)와 비교하였을 때 유사한 오존 CT값을 나타내고 있는 것을 알 수 있었다.
Fig. 5. CT값에 따른 대장균 불활성화율 비교
본 연구에 사용된 오존 전달 시스템은 기존 산기관 방식의 오존 주입방법과 비교하여 단시간 내에 오존 전달효율이 100%에 가까운 결과를 나타내었고, 오존의 산화효율을 평가하기위하여 오존 CT값을 기준으로 미생물의 불활성화율을 측정한 결과 기존 연구에서 제시된 미생물별 CT값(Hunt , 1999)과 본 시스템에서 CT값에 따른 불활성화율은 유사한 것으로 나타났다. 따라서 기존 오존 주입방식인 산기관 방식을 본 시스템으로 적용할 경우 빠른 시간 내에 용존 오존 농도를 높일 수 있으므로 접촉조의 용량을 줄 일 수 있다. 또한 산기관 방식에 비해 오존 전달 효율이 높으므로 오존 발생량을 줄여 운전비용을 절감 할 수 있을 것으로 예상된다. 추후 본 시스템의 동력비를 기존 산기관 방식과 비교하고 대용량에서의 적용성을 평가하는 연구가 보완 된다면 오존 공정 실공정 적용시 경제성 및 유지비용의 절감 효과가 있을 것으로 예상된다.
참고문헌
1. 이경혁, 채선하, 임재림, 최재헌, 안효원, 2004. 정수처리를 위한 Bacillus subtilis Spore의 자외선 소독 특성 평가. 대한환경공학회. 26(12), 1389-1394.
2. Cho, M., Chung, H., Yoon, J., 2003. Quantitave evaluation of the synergistic sequential inactivation of Bacillus subtilis spores with ozone followed by chlorine. Environ. Sci. Technol. 37(10), 2134-2138.
3. Hunt N.K, 1999. Inactivation of Escherichia coli with ozone: chemical and inactivation kinetics, Water Research, 33(11), 2633-2641
