새 페이지 1

  For better Environment

1. 오존의 특징

  오존은 1785년 Van Marum에 의해 발견되었고, 1840년 숀베인이 그리스어인 Ozein(냄새나다)를 어원으로 하여 오존이라 명명하였다. 그 특징은 다음과 같다.
   오존은 불소에 이어 천연물질중 강한 산화력을 갖고 살균, 탈색, 탈취, 탈미, 철제거, 망간제거, 시안화합물제거, 페놀류의 제거, BOD, COD의 제거, 기타 유해유기물질의 무해화등 효과가 매우 뛰어나다.
   공기 또는 산소만 있으면 장소의 제약없이 수시로 생성이 용이하다.
   수중에서 단시간에 자기분해 하여 산소를 방출하여 과잉첨가에 의한 2차오염의 우려가 적다.
   오존발생량이 전력조정에 의해 자유롭게 컨트롤 되므로 관리의 자동화가 용이하다.
   액체의 형태에서는 흑청색이며, 고체의 형태에서는 흑색이다. 
   오존의 끓는 온도는 115℃ 이고 용해도는 192.5℃이다. 
   오존은 공기보다 1.5배가량 무거워 오존이 새어 나올 경우 낮은 곳으로 모이며 공기 속에 2ppm만 있어도 인간이 느낄 수 있는 독특한 냄새를 가지고 있다.　

2. 오존의 발생원리

  a. 오존의 발생원리

  오존의 발생은 주로 산소에 물리,화학적인 자극으로 에너지를 가해 오존으로 변화시키는 것인데 무성방전법, 전해법, 광화학 반응법, 방사선 조사법, 고주파 전계법등이 있으나 산업분야에서는 무선방전 방식이 효율, 안정성, 편리성등으로 인해 가장 널리 이용되고 있다.

  가. 무성 방전법
  전극 사이에 유리나 세라믹 같은 유전체를 끼우고 공기나 산소를 불어 넣은뒤 전극에 고압(6KV~15KV)을 가하면 방전 공간에서 다음반응에 의하여 오존이 발생된다.

O2 + e → 2O + e
O2 + e → O2 + +  2e
O2 + +  e → 2O
O + O2(+M) → O3 (+M)
O2 + O2 → O3 + O

여기서 M은 제3물질, 산소.공기의 경우 N2 등이다. 

  나. 전해법
  전기분해에 의해 오존을 생성시키는 소비전력은 56 ~ 71Kwh/kg-O3이어서 비효율적이나 질소산화물의 생성이 없고 고농도 오존을 얻을 수 있으며, 소형이다.

  다. 광화학 반응법
  이 방식은 성층권에서 오존을 생성하는 방식과 같은 것으로 산소에 파장 130 ~ 175mm의 자외선을 조사하면 기저상태의 산소원자와 여기상태의 산소원자로 해리하고 175 ~ 242mm의 자외선을 조사하면 오존이 발생한다.  저농도 오존 (10g/N㎥이하)만 생산할 수 있으며, 소비전력이 매우크고 습도에 민감해서 상대습도가 50%이면 오존 생성량이 40% 감소한다.

  라. 방사선 조사법
  원리는 광화학 반응과 동일하며 방사선원만 있으면 전력이 필요 없고 오존 제조비용도 싸다.  그러나 방사선 발생원의 관리가 어렵고 고농도 오존제조가 불가능하며 반응기 재질의 난점 등으로 실용화는 돼있지 않다.  실제로 전선공자의 X선 피복처리실 등에서 이와 같은 원리로 오존이 발생된다.

  마. 기타
  이외에도 고주파 전계법이나 화학법등이 있으나 실험실용도이며 상세한 연구는 없는 실정이다.

 

3. 오존 발생장치의 구성

  오존 발생 방식은 여러가지가 있지만 여기서는 산업용으로 널리 쓰이고 있는 무성방전법의 오존 발생장치를 예로 들기로 하겠다. 오존 발생기의 일반적인 구성은 다음과 같다.

  a. 원료가스 공급장치 (Air Preparation System)

  공기를 원료로 하는 오존발생장치의 특징은 효율적인 오존발생을 시키기 위하여 공기의 조건을 Drying(건조하고), Cleaning(깨끗하고), Cooling(차갑게) 하는데 이러한 준비단계를 거치는 과정을 원료가스 공급장치가 담당하고 있다.

  b.오존발생기 (Ozone generation)

  가. 오존 발생부
  외부탱크격인 Vessel 및 Ozone tube, Electrode, Fuse, 고전압 애자 등으로 구성되어 있다.

  나. 전극구조
  여기서는 일반적으로 산업용에 널리 쓰이는 무성방전법의 오존 발생장치만을 위주로 언급한다. 오존 발생장치의 전극구조는 여러종류가 있는데,  상업적 이용목적인 경우 주로 전극구조상 동축원통형인 구조가 많고, 평판형은 극히 소수이며, 연면 방전방식은 초소형에 적용한다.

  유도체인 통 형태의 유리관 내면에 금속전극이 밀착하고, 유리관 외측에 13mm떨어져 또하나의 금속전극이 설치되어 있다. 오존 발생기는 세계적으로 95% 이상 이 방식을 채택하여 사용하고 있다.

동축 원통형 오존 발생기

  동축원통형과 같은 전극구성이지만, 그림과 같이 전극과 유리, 세라믹등의 유도체가 평판식으로 되어 있다. 전극 가운데 유도체에 밀착하고 있는 전극이 보통 고전압 전극이기 때문에 마주보고 있는 금속전극이 접지전극으로 되어 있다.

평판형 오존 발생기

  유도체의 양측에 양전극과 밀착하던지 아니면 고전압전극이 유도체 내부에 형성되어 있고, 접지전극이 선상 구성이 되어 있는 점이 다른 두 방식과 다른 점이다.

연면형 오존 발생기

  다. 냉각장치
  오존발생기 본체에서 코로나 방전 시 열이 많이 발생하게 되는데 이를 냉각시키기 위한 냉각장치가 필요하다. 주로 water cooler, Cooling tower 혹은 Chiller를 사용하여 냉각시킨다.

  c. 접촉장치(Ozone Contact system)

  오존은 물에 대한 용해도가 비교적 낮은 기체이므로 수처리에 적용하는 경우 산기 반응 장치로 기상의 이온을 액상으로 높은 효율로 이동시켜야 한다.

  가. 오존의 농도와 용해도
  오존의 물에 대한 용해도는 산소보다 수배 ~ 수십 배 크지만 온도와 압력에 좌우되며 실제로 상업용 오존 발생장치의 운전 시 오존 발생농도는 공기사용 시 1 ~ 2%  로서 오존의 용해도는 상온 상압에서 1 ~ 12mg/L 정도이며 접촉시스템의 압력이 크고 온도가 낮을 수록 용해도는 커진다.

  나. 접촉장치의 종류 
　

터빈 교반식
작동원리

수조 저부에 오존화 된 공기가 배관을 통해 분사될 때 터빈 회전력에 의해 물을 회전시켜 오존화된 공기를 물과 섞이게 하여 접촉시킨다.
장  점

적당한 수조의 높이에 동력을 이용하여 산기시키므로 전오존 접촉조 같은 수질상태가 안좋은 경우에 좋다.  유지보수문제로 최근에는 잘 사용하지 않는다.
단  점

  동력이 과다하게 소비되며 터빈 구동부가 물속에 잠수된 상태로 유지되므로 유지관리 보수가 어렵다
　

레디얼 방식
작동원리

수조 저부에 오존화 된 공기가 배관을 통해 분사될 때 펌프의 토출 압력으로 분사되는 물의 수압에 의해 물이 와류를 만들면서 오존가스를 흡입시키면서 접촉시킨다.
장  점

적당한 수조의 높이에 외부의 펌프수압을 이용하므로 전오존 접촉조와 같은 수질상태가 안좋은 경우에 좋다.  고장 및 보수가 적고 용이하다.
단  점

펌프 동력이 소모된다.
　

디퓨져 방식
작동원리

수조 저부의 오존화된 공기가 배관을 통해 디스크판의 작은 기공을 통해 오존공기를 미세화시켜 접촉시키는 방법
장  점

동력의 소요없이 가스를 높은 효율로 산기시킬 수 있다.  유지관리가 매우 편리하다.  하자가 거의 없다. 현재 가장 널리 보급되어 있다.
단  점

수조의 수두가 5m이상 유지되어야 효율이 유지된다. 
　

인젝터 방식
작동원리

인젝터를 이용하여 펌프 압력에 의해 오존화된 가스를 진공상태의 인젝터 내부로 흡수시켜 물과 같이 산기시키는 방법
장  점

수두에 영향이 적으므로 수두가 낮은 접촉지에 쉽게 적용이 가능하다.
단  점

동력이 필요하고 인젝터의 정확한 선정이 필요하며 타방식에 비해 효율이 낮다.

　

  d. 제어장치(Ozone control system)

  가. 오존 주입량 제어방식
항  목 처리수량 제어 용존 오존농도 제어 배오존농도 제어
제어방법

실험에 의해 오존 주입률을 설정하고 처리수량을 계측하여 오존주입량을 제어한다.

용존 오존 농도를 설정하고 접촉지 출구의 용존 오존을 계측하여 오존 주입량을 제어한다.

배오존 농도를 설정하고, 배출되는 배오존 농도를 계측하여 오존 주입량을 제어한다.
적용범위

1. 망간의 제거

2. 응집 및 침전효과 개선

3. 활성탄 여과의 전처리

 박테리아 혹은 바이러스 제거 하수처리장의 소독용으로 적합
제어특징

1. 가장 일반적으로 사용됨

2. 수질의 갑작스런 변화에 대하여는 대처능력이 없다.

3. 응답시간이 빠르다.

1. 수질변화에 대처할 수 있다.

2. 대체적으로 처리수량의 변동이 적은 경우 사용 가능

3. 측정이 형식에 따라 수중의 오염물질에 영향을 받아 정밀도가 떨어질 수 있다.

1. 수질변화에 대처할 수 있다.

2. 낮은 주입율의 범위에서도 제어가능

3. 배출오존을 측정하므로 감지기가 막힐 염려가 없다.

  나. 오존 생산량 제어방식

항  목

오존농도 제어

오존화 공기량 제어

제어방법

원료공기량 혹은 순산소 공급량을 일정하게 하고 오존발생기 방전전력을 제어하여 발생 오존 농도를 변화시켜 오존발생량 지표치에 대응시키는 제어 방식

오존 발생량 지표치에 대해 발생오존 농도가 일정하도록 원료 공기량 혹은 순산소 공급량과 발생기 방전전력을 각각 제어하는 방식이다.

제어특징

- 응답성이 빠르다. 제어범위가 좁다.

- 시스템이 간단하다.

- 소비전력의 저감이 적다.

- 응답성은 다소 늦으나 제어범위가 넓다.

-시스템이 복잡하다.

- 소비전력의 저감이 크다.

　

  e. 파괴장치(Ozon destructor system)

   오존이 접촉조에서 완전용해가 되기 어려우므로 반응이 되지 않은 오존이 배출될 수 밖에 없다.  미반응 오존은 국내의 경우 0.1mg/L이하로 처리하여 배출해야 한다고 산업안전보건법과 환경기준에 명시되어 있다.  미반응 오존 파괴장치는 주로 활성탄 흡착법, 열분해법, 촉매법, 약액세정법 등이 있으나 국내에서는 주로 열분해법, 활성탄흡착법, 촉매법 등이 많이 이용되고 있다.

　

4. 오존을 이용한 오폐수 처리

  a. 개  요

   오존은 3개의 산소원자가 4가지 형상의 공명구조로 결합된 형태로 존재하며 오존이 자기분해 할 때 생성되는 OH 라디칼은 강력한 산화력을 가지며 오염원 유기물질을 산화시키고, 중금속 등과 반응하여 무해한 화합물로 변화시키는 성질을 이용하여 수처리에 응용한다.  오존의 폐수처리 적용분야는 염색폐수의 탈색, 고분자 화합물의 저분자화, COD, BOD감소, CN, 페놀의 제거, 미생물 후처리 로서 고도처리 용으로 쓰이고 있다.

  오존의 폐수처리는 단독으로 처리시스템을 구성할 수 있는 특정한 경우를 제외하고는 대부분 폐수처리시스템의 일부분을 구성하는 보조 시스템이다. 따라서 적용하고자 하는 부분에 대하여  수차례의 실험과 자료검증을 통하여 오존 시스템을 선정하여야 최고의 효율로서 처리하고자 하는 목적을 이룰 수 있다.

  b. 오존의 폐수처리 적용

  가. 오존을 이용한 염색폐수의 탈색
   염색폐수는 염료의 종류와 염색방법, 여맥공정 또는 사용약제 등에 따라서 달라지는 특성이 있고, 획일적인 폐수처리 시스템을 선정하는 것은 어렵다.  그러나 폐수처리의 색소 기술을 고려할 때 처리대상 성분을 분류하면, 대략 착색성분, SS, 계면활성제, COD, BOD, pH 등이다.

  나. 오존을 이용한 CN 폐수처리
  오존을 이용하는 시안 화합물의 처리는 염소 산화법과 같이 pH의 조절이 중요하다. 그  이유는 오존의 자기분해 속도가 pH 8인 경우와 pH 11인 경우 엄청난 차이를 나타내므로 오존 시안처리는 pH 11이 가장 적당하다고 보고되고 있다.

  오존과 KCN의 반응식은 다음과 같다.

KCN + O3   →  KCNO + O2  (1)
2KCNO + H2O + 5O3  →  2KHCO3 + N2 + 5O2  (2)

  반응식 (1)의 경우는 신속히 반응하나 반응식 (2)는 2차 반응으로 속도가 다소 늦어진다.
  CN과 O3의 반응관계식은

CN- + O3  →  OCN- + O2
OCN- + 2H+ + H2O  →  CO2 + NH4
NH4+  +  OCN-  →  NH2CONH2
NH2CONH2 + O3  →  N2 + CO2 + 2H2O

   오존과 CN반응이 원활히 이루어지기 위해서는 pH를 조정하고 오존 대 CN의 비율은 분자비가 1:3.5이고 중량비가 1:2.58이므로 기타 유기물을 감안하여 CN 1mg/L당 오존 3mg/L를 투여하는 것이 바람직하다.

  c. 오존의 반응

  오존은 카본이중결합화합물 즉, 불포화 화합물과 즉시 산화되어 초기 오조니드가 형성되며 바로 분해되어 양성이온과 케톤.알데히드 또는 카르본산이 생성되며 양성이온은 수중에서 불안정해서 물과 반응하여 케톤 또는 카르본산, 과산화수소를 생성한다.  오존은 에틸기 즉 CH 화합물의 경우 반응속도가 빨라지며 카르보닐기나, 염소화합물은 오존의 반응속도가 늦어진다.

  d. 오존의 오수처리 적용

  오수처리는 대부분 미생물 제거 즉 활성오니를 이용하는 장기폭기법이나 접촉산화법이 주류를 이루고 있는데 오존처리는 그 후처리로서 난분해성 BOD, COD 물질들을 미생물 분해가 가능한  BOD, COD 물질로 변화시켜 여과기 내부의 호기성 미생물의 번식으로 유기물 제거가 쉽고 여과기의 수명연장과 막힘을 방지시켜주는 고도처리 시스템이다.  국내에는 골프장을 중심으로 최초시설이 이루어 졌으며 콘도, 연수원, 연구소 등 청정지역에 위치한 오수배출시설에 오존처리시스템이 설치되어 200여곳에서 운영중이며 처리수질은 양호하다. 

  가. 오존을 이용한 오수처리장 흐름도

  나. 오존발생장치 용량설계

   일부의 실험 결과치와 플랜트 설치시 자료를 종합하면 오존처리로서 BOD농도처리에 따른 오존의 주입률은 서로 상이하나, 평균산술적인 값은 아래와 같다.
처리수 또는 오존처리전 BOD농도 BOD 5ppm이하 처리시 오존 투입량 BOD 10ppm이하 처리시 오존 투입량 BOD 20ppm이하 처리시 오존 투입량
20ppm 35 g-O3/㎥ 25 g-O3/㎥ 　
30ppm 40 g-O3/㎥ 30 g-O3/㎥ 15 g-O3/㎥
40ppm 50 g-O3/㎥ 40 g-O3/㎥ 25 g-O3/㎥
50ppm 60 g-O3/㎥ 50 g-O3/㎥ 30 g-O3/㎥
60ppm 75 g-O3/㎥ 65 g-O3/㎥ 35 g-O3/㎥
70ppm 90 g-O3/㎥ 80 g-O3/㎥ 40 g-O3/㎥
80ppm 100 g-O3/㎥ 90 g-O3/㎥ 50 g-O3/㎥

※ 최종 처리수는 샌드필터와 A/C 필터를 통과한 처리수 기준임.

5. 오존산화에 미치는 조작인자의 영향

 a. pH

  오존의 자기분해 속도는 폐수처리시 대부분의 경우 강알칼리 영역에서 분해속도가 빨라진다.  단, 상수나 용수는 pH 의 영향을 받지 않는다.

  b. 오존 주입률

  조작인자 중에서 가장 강하게 산화분해의 메카니즘에 성향을 주는 자다.  일반적인 오존주입율은 아래표와 같으나 흡수율 및 처리대상 수질에 따라 많은 차이가 있으므로 별도 실험에 의한 것이 가장 좋다.

<일반적인 오존 주입률>
처 리 대 상 수 오 존 주 입 률 (ppm)
음료수 살균시 1 ~ 2.5 ppm
하수처리유출수 살균시 8 ~ 10 ppm
공업용수처리수 3 ~ 10 ppm
페놀 처리시 페놀 200ppm에 오존 400ppm
시안 처리시 시안 100ppm에 오존 500ppm
폐수 유기물 처리시 40 ~ 80 ppm
폐수 탈색 처리시 20 ~ 60 ppm
용수 탈색 처리시 1.0 ~ 3.0 ppm

  c. 흡수율 및 수심

  흡수율은 수심과 산기장치, 접촉방법, 유기물의 영향, 수온등에 영향을 많이 받으며, 대개 수심 3m 이상이면 90% 이상의 흡수율을 유지한다.

  d. 접촉 시간

  오존발생기의 용량과 접촉구조물의 크기,  처리용량에 따라 차이가 있으나 살균을 목적으로 하는 경우는 약 10분 정도이며 폐수처리장에 적용할 때는 20~30분 정도이다.  경우에 따라서는 피산화성 물질의 분자구조가 매우 안정해 있거나 방해물질이 있을 때는 많은 양의 오존과의  접촉시간이 장시간 필요하다.