도시 폐수의 오존처리

1. 개요

□ 오존은 산화 전위가 2.07 볼트에 해당하는 아주 강력한 산화제로서,
   수중에 서는 오존 분자보다 더욱 강력한 산화제인 OH 라디칼(radical)과 같은 제 2 의 산화제를 형성한다.

□ 폐수처리에 있어서 오존의 강력한 반응성은 색도 제거, 살균, 유기 오염 성 분의 분해 (이것은 화학적 산소 요구량 COD로 표시됨), 그리고 처리수의 산소공급 등으로 이어진다.

□ 오존처리의 결과로서 높은 분자량의 비중은 감소하는 반면, 낮은 분자량의 유기산(carboxylic acid)과 함께 오존 반응 부산물로 알려진 알데히드 화합 물이 다소 증가하게 된다.

□ 이러한 부산물은 대부분 알데히드(포름 알데히드, 아세트 알데히드, glyoxal, methyglyoxal)과 카복실산(개미산, 식초산, glyoxylic, pyruvic,ketomalonic acids)로 이루어진다.

□ 오존처리에 의한 살균 과정에서 부산물에 의한 독성과 돌연변이 (mutagenicity) 발생가능성, 그리고 오존과 반응하는 조건에 따른 효율변화를 비교하였다.

2. 내용

□ 도시하수 처리수의 살균

처리수의 배출기준은 특정 국가 혹은 지역을 감안하여 결정될 뿐 아니라 배출되는 수역의 민감성 외에 농업용 혹은 재이용될 경우에도 강화된다.
미생물의 불활성화(inactivation) 메커니즘은 단백질의 응집(coagulation) - 2 - 과 핵산으로부터 핵산기저물질(nucleobases)의 산화과정을 포함한다.
살균 효율은 오존 투입량, 배출수 수질성상, 오존 소요량, 그리고 오존 시 스템의 전달 효율에 의하여 결정되나 특정한 배출수에 한정한다면 Ct 에 의해 살균효율이 정해진다.
여기에서 C는 수중에 잔류하는 오존농도 (mg/liter)를 말하고 t는 접촉시간(minute)을 뜻한다.

일반적으로 2차 처리수(미생물 처리과정을 거친 처리수)를 오존으로 처 리한다면 EU의 목욕물 기준,WHO의 농업용수 기준은 물론 비교되는 다 른 기준도 만족한다.
그러나 미국 캘리포니아 타이틀(Title) 22 기준과 같이 더 엄격한 기준을 지키기 위해서는 오존 처리 이전에 3차 처리단계 (예 를 들면 여과)가 필요하다.


□ 배출수 성분에 대한 오존효과

오존에 의한 화학적 산화에서 보통 오존 분자에 의한 산화가 주반응이지만 OH 라디칼에 의한 반응 속도가 훨씬 높다.
pH, 알카리도(Alkalinity) 그리고 유기물 농도 등이 라디칼의 개시제(Initiator), 촉진제(Promotor), 흡수제(Scavenger)로 작용하기 때문에
이러한 물질의 농도에 따라 두가 지 반응 메커니즘에서 주반응이 결정된다

오존에 의하여 50~90%의 음이온 또는 중성세제 성분이 제거되며, 질산화 가 상당히 진행된 2차 처리수에서
오존 산화에 의해 20% 전후의 암모니 아성 질소가 감소하는 반면, 질산성 질소는 약간 증가하나 그 수치는 1~2 mg/liter에 해당하는 것으로 보고 되어 있다.

표준 살균 범위의 오존 투입(보통 4~10 O3 mg/liter)에서 20~30%의 COD 가 감소하지만
20 mg/liter 정도로 오존 투입량을 증가시키면 30~50%의 COD가 감소한다.

□ 오존 산화에 의한 부산물

2차 처리수의 오존 산화에 따른 변화는 수중에 유기물 성상을 변동시켜 분자 크기가 적어지는 방향으로 이동하여 알데히드의 경우 Heptanal과 Nonanal의 농도가 증가되고
탄소수가 6~9 개인 짧은 chain의 포화 지방산의 농도도 증가하는 것으로 나타났다.

배출수 내 브롬화합물의 농도도(3 mg/liter 이하) 문제가 제기되었으나 암 모니아 (22~23 mg/liter)가 존재하면 암모니아와 브롬이 먼저 반응하여 Hypobromous Acid를 생성하므로 Bromate 혹은 Bromoform은 생성되 지 않는 것으로 보고되었다.

오존 투입량을 낮추면 AOX(Absorbable Organic Carbon)의 농도가 증가 하나, 초기 AOX 농도와 AOX 농도의 증가에는 상관관계를 찾을 수 없었고,
오존 투입량을 20 mg/liter 이상으로 늘리면 AOX 농도를 낮출 수 있 었다. 할로겐 화합물의 분석 척도로 AOX 단어를 사용함.


□ 독성과 돌연변이 효과

Paraskeva (1998)의 논문에 의하면 표준적인 살균조건에서 비교적 낮은 잔류 오존 농도 (0.2~1.0 mg/liter)로 유지할 때
잔류 오존이 측정 불가능 한 농도로 분해되는 시간은 20초에서 2분 사이라고 한다.

Fauris (1986)의 실험에 의하면 오존은 기존의 독성물질을 파괴할 수 있지 만 새로운 독성물질도 생성한다.
즉, 저농도의 오존을 투입하고 접촉시간 을 짧게 하면 (1 mg/liter, 10분) 독성의 증가가 관찰되었지만 투입량과 접 촉시간을 늘리면 (5 mg/liter, 30분), 독성이 감소되었다.
결과적으로 독성 결과는 처리장 위치조건과 계절적인 요건에 따라 달라지는 등, 배출수의 독성에 관련하여 오존은 독성을 증가 내지 감소시킬 수 있다.

오존 처리에 의한 배출수의 돌연변이 변화는 처리장 위치에 따라 다르나, Jolley (1982) 연구 결과에 따르면 돌연변이가 증가하기도 하고 감소하기 도 한다.
Collivignarelli (2000)의 관찰에 의하면 Ames 방법으로 낮은 오 존 농도 (2.5~3.0 mg/liter)에서 2차 처리수를 반응시키면 여름과 겨울에 서 낮은 수준의 돌연변이가 일어났으나
오존 처리를 하지 않은 쪽은 발견 되지 않았다. 그러나 Greene과 Stenstrom (1994)는 도시 하수를 물리 화 학적으로 처리하여 돌연변이의 변화를 찾아낼 수 없었다.
□ 오존 처리를 위한 접촉 조건

폐수의 특성 상 유량변동은 불가피하며 설계 유량은 평균 유량의 2~3 배 에 해당하므로, 오존 발생기는 최대 설계 유량을 처리할 수 있어야 한다
접촉시간은 오존 처리에 중요한 인자로 작용하는 데, 이로 인해 오존 프랜 트의 시설과 부대시설은 물론 접촉 탱크의 크기가 결정된다.
접촉시간을 감안하지 않고도 효율적인 살균결과를 얻었다는 연구가 있지만 대부분 미국 프랜트에서는 접촉시간을 10~15 분 사이로 하고 있다.

지난 10년간 오존 생산기술의 향상에서 공기 속에서 오존의 농도를 6% w/w, 산소 속에서는 20% w/w 까지 올릴 수 있었다.
가스 상태의 오존 농도가 높으면 반응이 빨라지므로 오존 접촉 시스템의 이상적인 설계를 위해서는 TOD(Overall transferred ozone dose)를 최대화시켜야 한다.

3. 결론

□ 20년간 오존에 의한 폐수처리가 주목을 받아왔는데 미래에는 처리수를 재 사용하기 위하여, 처리 효율 향상을 위한 목적으로 오존에 대한 관심이 증가 될 것 같다.

□ TOD는 미생물의 활동을 제한하는 의미 있는 인자로 TOD의 일부인 순간오 존요구량(Immediate Ozone demand)에 의해 미생물의 불활성도가 결정된 다.

□ 배출수의 COD, BOD5, Color, UV 흡수 등이 오존 처리에 의해 개선되는 데, DO 수준도 상승하게 된다.
    처리 과정에서 오존 부산물의 생성은 미미하고, 높은 분자량의 유기물을 낮은 분자량의 물질로 변환시키는 것으로 나타난다.


□ 독성, 돌연변이가 오존 처리 과정 중에 일부분 확인되었으나 변동이 심하므로 심도 있는 연구가 계속되어야 하겠다.


[출처] http://www.ndsl.kr/ndsl/search/detail/report/reportSearchResultDetail.do?cn=KAR2002009531