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문제 정의
- Da Silva and Jardim, 2006). 또한 오존은 매우 짧은 생존 기간을 가지고 있어 보건적 위해성이 낮기 때문에 오염 현장에서 직접적인 적용이 매우 높은 방법으로 본 연구는 오염된 하천수에 직접적인 적용가능성을 보이기 위해 실시되었다.
- 또한 정부에서 하천오염원 관리에 지속적으로 투자한 결과 BOD 의 개선에는 어느 정도 성공했으나, 아직도 COD・TOC 등 유기오염물 특히 난분해성 유기오염물질의 개선을 위한 노력이 더 필요한 실정이다(환경부, 2010). 본 연구에서는 경기도 북부 지역의 한 하천을 대상으로 그 수질을 개선하기 위한 적절한 처리 방법으로 부유고형물.색도.
- 이러한 강우 특성의 변화가 없는 한, 국내 소규모 하천은 국지적으로 주변 오염원에 따라 수질악화 위험이 상존한다. 본 연구에서는 이런 배경에서 국지적으로 다양한 오염원이 분포하는 소하천, 특히 난분해성 물질 및 색도 증가 물질 배출로 인해 수질이 크게 변화되는 경우를 염두에 두고 그 사례의 하나로 특정 지역의 소하천의 하천수질을 분석하고, 이를 개선하기 위한 방안으로 오존산화처리를 적용해 보았다.
제안 방법
- 색도.난분해성물질 제거를 위한 공법을 신속한 처리를 통해 오염물질을 제거하는 물리 화학적 처리 공정에 초점을 두어 검토하였다. 본 연구대상인 하천수의 경우 강우특성에 따라 오염도가 크게 변화하기 때문에 물리화학적 처리 방법만으로 처리 공정을 구성하여 오염이 심한 시기에 주로 운영을 하여 처리 효율을 높이는 것이 경제적일 수 있다.
- 999%의 순수한 액체산소를 원료 가스로 하여 무성방전을 통해 오존을 최대 200 g/hr까지 생산할 수 있다. 냉각방식으로는 수냉식을 이용하여 8%이상의 고농도오존을 발생 시 키 도록 하였으며 , 오존접 촉기내 로 공급되 는 오존은 순환되는 처리수와 파이프에서 혼합되어 오존접촉 조로 유입되도록 하였다. 오존접촉기에서 배출되는 배 오존 가스는 배오존 파괴기에서 파괴되어 배출되도록 하였으며, 이 과정에서 열이 발생되므로 냉각기를 설치하여 약 19°C 로 유지하였다.
- 이런 맥락에서 본 연구에서는 모래여과와 오존산화공정을 수처리 방법으로 선정하여 대상하천인 신천의 실제 하천수를 처리하였다. 먼저 BOD 및 COD 기여도가 높은 SS(부유 고형물)를 모래 여과를 통해 제거하여 오염도를 저감한 후 색도와 난분해성물질 제거를 위해 오존산화 처리를 수행하여 그 결과에 따라 직접 하천수 처리의 실공정 적용 가능성을 검토하였다.
- 투입된 오존량과 용존오존농도를 정량하기 위하여 예비실험을 수행하였다. 본 연구에서 사용된 오존발생장치 및 오존접촉 장치 조건에서 기체 오존 발생량과 용 존 오존 농도를 분석하였다. 오존 발생기에서 생성되는 가스상 오존의 농도 (wt %)는 오존모니터링 분석기(Model H1, In USA, Inc.
- 본 연구에서는 26 일간 연속해서 하천수를 처리하였고, 유입 하천수 및 처리수의 BOD・CODc「・SS .색도를 분석하였다.
- BOD・COD・SS. 색도에국한해서 분석하였다. 이 정보 이외에 T-N, T-P, 중금속 성분 등에 대한 분석 및 처리 정도의 분석이 필요하다.
- 본 연구에서 사용된 오존발생장치 및 오존접촉 장치 조건에서 기체 오존 발생량과 용 존 오존 농도를 분석하였다. 오존 발생기에서 생성되는 가스상 오존의 농도 (wt %)는 오존모니터링 분석기(Model H1, In USA, Inc.)를이용해 결정하였으며 순산소의 유입속도와 생성된 오존 가스 농도에 의해 생성된 가스상 오존발생량(g血)을 결정하였다. 또한 용존오존발생량의 측정은 기존 연구들에서 제시된 식과 오존이 주입된 용액의 홉광도를 근거로 산출되었다 (Da Silva et al.
- 4는 산소유량을 5, 15, 20, 25 L/min로 변화시킬 때 용 존 오존 농도의 변화를 관측한 것이다. 오존 투입 시작 후 4분 경과 시 용존오존농도를 측정한 후 매 4분마다 시료를 채취하여 용존오존농도의 시간에 따른 추이를 조사하였다. 실험조건에서 용존오존의 양은 산소유량의 변화와 밀접한 관계를 갖고 있음을 알 수 있으며, 산소유량의 증가로 용 존 오존 농도가 증가함을 알 수 있다.
- 2 m, 모래 여과 재층의 높이는 50 cm로 하였으며, 역세에 의해 모래에 누적 부착된 고형물을 제거토록 하였고, 여과속도는 약 120 m/day로 하였다. 오존접촉조에서 오존산화 처리된 물은 모래 여과조의 역세수를 확보하기 위한 저장조(1 mx1 mx1 m) 를 통과한 후 일부는 모래 역세에 사용되고 일부는 다시 오존 처리 조로 유입되도록 하였으며, 일부는 하천으로 최종 방류시켰다. 사용된 오존발생장치(에스워터(주), 한국)는 오존 발생을 위해 99.
- 냉각기 그리고 역세수 확보조로 구성되었다. 이 시설을 하천으로부터 약 20 m 높이에 설치하였으며, 3마력 펌프 (PA-2280-T, 한일펌프, Korea) 와 10마력 펌프 (IPVH-1033, 한일펌프, Korea)를 이용하여 하천수를 본 장치에 유입하였다. 유입수의 부유물질 제거를 위해 모래 여과조를 통과시킨 후에 200 L/min 의 유속으로 오존접촉조(1 mxl mx2 m)에 유입시켰다.
- 이 자료에 기초하여 BOD, COD, SS 및 색도의 제거 경향 및 제거 효율을 평가하기 위한 본 실험에서는 산소공급 유량을 20 L/min로 고정하여 진행하였다. 이 조건에서 오존 발생기의 오존발생량은 약 50 g/hr, 발생되는 오존 농도는 약 6.
- 0 근처에서 변화하므로 공정의 단순성을 위해 별도의 pH 조정 없이 적용이 가능한 오존처리를 하는 것으로 구성하였다(강준원 등, 2002). 이런 맥락에서 본 연구에서는 모래여과와 오존산화공정을 수처리 방법으로 선정하여 대상하천인 신천의 실제 하천수를 처리하였다. 먼저 BOD 및 COD 기여도가 높은 SS(부유 고형물)를 모래 여과를 통해 제거하여 오염도를 저감한 후 색도와 난분해성물질 제거를 위해 오존산화 처리를 수행하여 그 결과에 따라 직접 하천수 처리의 실공정 적용 가능성을 검토하였다.
- 예상된다. 이를 알아보기 위해 산소공급유량을 변화시키면서 물속에 용존된 오존 농도의 관계를 조사하였다. Fig.
- 4 m.직경 1.2 m, 모래 여과 재층의 높이는 50 cm로 하였으며, 역세에 의해 모래에 누적 부착된 고형물을 제거토록 하였고, 여과속도는 약 120 m/day로 하였다. 오존접촉조에서 오존산화 처리된 물은 모래 여과조의 역세수를 확보하기 위한 저장조(1 mx1 mx1 m) 를 통과한 후 일부는 모래 역세에 사용되고 일부는 다시 오존 처리 조로 유입되도록 하였으며, 일부는 하천으로 최종 방류시켰다.
- 부유물질 (SS) 을 수질오염 공정시험 기준(환경부, 2000)에 의해 분석하였다. 투입된 오존량과 용존오존농도를 정량하기 위하여 예비실험을 수행하였다. 본 연구에서 사용된 오존발생장치 및 오존접촉 장치 조건에서 기체 오존 발생량과 용 존 오존 농도를 분석하였다.
대상 데이터
- 오존접촉조에서 오존산화 처리된 물은 모래 여과조의 역세수를 확보하기 위한 저장조(1 mx1 mx1 m) 를 통과한 후 일부는 모래 역세에 사용되고 일부는 다시 오존 처리 조로 유입되도록 하였으며, 일부는 하천으로 최종 방류시켰다. 사용된 오존발생장치(에스워터(주), 한국)는 오존 발생을 위해 99.999%의 순수한 액체산소를 원료 가스로 하여 무성방전을 통해 오존을 최대 200 g/hr까지 생산할 수 있다. 냉각방식으로는 수냉식을 이용하여 8%이상의 고농도오존을 발생 시 키 도록 하였으며 , 오존접 촉기내 로 공급되 는 오존은 순환되는 처리수와 파이프에서 혼합되어 오존접촉 조로 유입되도록 하였다.
- 실험이 행해진 곳은 경기도 북부 한탄강 유입 소하천의 하류부(Fig. 1)였다. 지류유입이 있기 전 한탄강의 수질은 상류에서는 상당히 양호한 수질을 유지하고 있고 하천 수질 환경 등급으로 볼 때 Ia 등급에 해당한다.
- , 2009). 용액의 흡광도는 UV/Visible spectrophotometer(HS-3300, 휴마스, 한국) 을 이용하여 254 nm에서 측정되었다.
이론/모형
- 색도.부유물질 (SS) 을 수질오염 공정시험 기준(환경부, 2000)에 의해 분석하였다. 투입된 오존량과 용존오존농도를 정량하기 위하여 예비실험을 수행하였다.
성능/효과
- 1%로 가장 높은 제거율을 나타내었다. BOD 제거율이 48.4%, 색도 제거율이 45.1%로 나타났고, COD 제거율은 37.2%로 다른 항목들에 비해 낮게 나타났다. 이러한 결과를 수질 인자들 사이의 관계를 고려하여 검토해 볼 수 있다.
- 흥미로운 것은 SS가 다른 항목들과 상관성이 별로 없이 변동하고 있는 것이다. SS와 COD간의 상관 계수는 -0.04, SS와 BOD간의 상관계수는 0.25, SS 와 색도간 상관계수는 0.17 로 매우 낮게 나타났다. 이는 SS 유발 물질에 토양이나 암석 기원 무기 성분 등이 상당히 포함되어 있기 때문인 것으로 이해된다.
- 즉 생산된 오존 자체반응에 의한 소멸은 가스상일 때 주로 발생되므로 용존상태로의 전환이 오존 처리에서 매우 중요한 운전요인이 된다. 결론적으로 오존 처리에서 오염물질의 직접적인 제거는 가스상 오존보다는 용존성 오존에 제한되며, 적절한 처리 조건을 결정하기 위해서는 가스상 오존농도에 의하기 보다는 용존성 오존 농도에 의해 결정되어야 한다는 것이다. 또한 용 존 오존 농도의 증가에 따라 하천수의 COD 및 BOD 그리고 색도의 제거효율은 증가되었다.
- 또한 용 존 오존 농도의 증가에 따라 하천수의 COD 및 BOD 그리고 색도의 제거효율은 증가되었다. 그러나 결과에 의하면 오존 산화에 의해 COD 물질이 BOD 물질로의 전환이 이루어지며, 이 과정에서 색도물질이 생성되는 것으로 보인다. 이는 대상 하천에 상당부분의 난분해성 물질이 포함된 것을 의미하며, 결과적으로 미생물을 이용한 처리 방법의 직접적 적용은 어려울 것이다.
- 6에서 보듯이 하천수의 COD 저감 경향은 원수의 COD 증감 경향과 거의 같으며, 특별히 화학적으로 쉽게 제거되는 경우는 없다. 그러므로 본 연구대상 하천수는 COD 성분이 무기물질 함량은 상당히 적고 거의 대부분 난분해성 유기물질일 것으로 추측된다.
- 4%로 물리화학적 처리만으로 비교적 양호한 처리 효율을 얻었다고 볼 수 있다. 네 가지분석 항목 중에서 SS 제거율이 60.1%로 가장 높은 제거율을 나타내었다. BOD 제거율이 48.
- 결론적으로 오존 처리에서 오염물질의 직접적인 제거는 가스상 오존보다는 용존성 오존에 제한되며, 적절한 처리 조건을 결정하기 위해서는 가스상 오존농도에 의하기 보다는 용존성 오존 농도에 의해 결정되어야 한다는 것이다. 또한 용 존 오존 농도의 증가에 따라 하천수의 COD 및 BOD 그리고 색도의 제거효율은 증가되었다. 그러나 결과에 의하면 오존 산화에 의해 COD 물질이 BOD 물질로의 전환이 이루어지며, 이 과정에서 색도물질이 생성되는 것으로 보인다.
- 본 연구 결과에 의하면 가스상 오존은 수중의 반응물질과 잘 반응하지 않는 반면, 용존 오존은 수중오염물질과 직접 반응하기 때문에 가스상 오존보다는 용존 오존의 효율적인 생산이 요구된다. 즉 생산된 오존 자체반응에 의한 소멸은 가스상일 때 주로 발생되므로 용존상태로의 전환이 오존 처리에서 매우 중요한 운전요인이 된다.
- 본 연구논문에서 제시한 대로 하천수를 직접 모래 여과 및 오존처리를 실제 현장에 적용할 경우 수질 개선 효과를 확인할 수 있었다. 이러한 공정을 실제 현장에 적용하기 위해서는 경제성 및 실제 국내 강우특성을 고려할 때, 수질의 조건에 따라 갈수기 등 일부 시기에 집중적으로 운전하는 방안이 현실적일 것으로 사료된다.
- 이러한 원인은 여러 요인에 의해 발생될수 있는데, 일차적으로 난분해성물질을 함유한 공장폐수 등의 유입이 많은 것 때문으로 이해된다. 색도 역시 COD 와 이론상 관계가 깊은데 상관성 분석을 한 결과 상관 계수가 0.45로 비교적 높지 않게 나타났다. 흥미로운 것은 SS가 다른 항목들과 상관성이 별로 없이 변동하고 있는 것이다.
- 실험 결과, BOD는 4.8~13.3 mg/L의 범위에서 변화하였고, 산술평균값은 8.3 mg/L였다. COD는 8.
- 오존 투입 시작 후 4분 경과 시 용존오존농도를 측정한 후 매 4분마다 시료를 채취하여 용존오존농도의 시간에 따른 추이를 조사하였다. 실험조건에서 용존오존의 양은 산소유량의 변화와 밀접한 관계를 갖고 있음을 알 수 있으며, 산소유량의 증가로 용 존 오존 농도가 증가함을 알 수 있다. 하지만 산소유량 증가에 따른 용존오존농도의 차이는 줄어드는 것으로 이해된다.
- 이는 대상 하천에 상당부분의 난분해성 물질이 포함된 것을 의미하며, 결과적으로 미생물을 이용한 처리 방법의 직접적 적용은 어려울 것이다. 약 2개월간 하천수의 오존 처리 모니터링 결과는 평균적으로 5급수 이하의 수질이 3급수 정도로 개선되는 효과를 보였으므로 생물학적 처리의 전처리 방법으로 적용가능성이 매우 높을 것으로 판단된다.
- 20 L/min로 고정하여 진행하였다. 이 조건에서 오존 발생기의 오존발생량은 약 50 g/hr, 발생되는 오존 농도는 약 6.8%였다.
후속연구
- 2) 본 연구에서는 원수를 하천에서 취수한 후 유량 조정조를 거치지 않고 곧바로 파일롯 장치에 유입시켜 실험을 함으로써 매일 매일 변화하는 수질의 원수를 중화시키지 못하고 그대로 처리하였으며, 결과적으로 처리효율에서 안정된 결과를 도출하지 못하였고 최적화하기 어려웠다.
- 3) 본 연구의 처리 대상 지점에서의 하천수 유량은 수문학적 특성에 따라 크게 변화하는데, 본 연구는 2개월 이내의 제한된 기간에 실험을 수행하였기 때문에 이에 대한 충분한 자료를 추가할 필요가 있다.
- 4) 본 연구를 통해 처리된 하천수의 유량 및 그 수질에 따라 실제 하류에서의 수질 개선 결과를 예측하면 처리 수의 수질 목표를 합리적으로 제시할 수 있을 것이다. 이를 위해 수질예측모형을 활용할 필요가 있다.
- 이러한 난분해성 물질은 오존산화에 의해 부분산화되면 생분해도 가증 가하게 된다. 따라서 오존산화에 의한 효율이 높지 않더라도 하천으로 되돌려질 때 쉽게 생물학적으로 분해될 수 있을 것으로 판단된다.
- 산소공급량에 따라 오존발생량 및 오존농도가 변화하므로 이에 따라 물속에 용존되는 오존농도의 값도 변화될 것으로 예상된다. 이를 알아보기 위해 산소공급유량을 변화시키면서 물속에 용존된 오존 농도의 관계를 조사하였다.
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