오존과 염소의 소독력에 대한 상대적 비교

오존처리 공정

19세기말 오존 살균력이 발견된 후, 독일에서 정수장에 파일럿(pilot) 플랜트를 설치하여 박테리아에 대한 살균효과를 검증한 바 있으며, 따라서 초기에는 살균제로서 도입되었다. 부수적으로 맛, 냄새 물질, 색도, 철 및 망간 등의 제거도 가능한 것으로 밝혀지면서 그 사용범위가 확대되어 왔다.

1970년대 THM이 발견된 이후부터, 오존 공정은 최근까지 상수원수의 오염심화와 오염물질의 다양화 추세, 먹는물 수질기준의 강화, 염소처리에 의한 소독부산물(DBPs) 발생 등의 복합적인 수질문제에 대응하여 조류제어 및 소독부산물을 제어할 목적으로 고도정수처리에 도입되고 있다.

크립토스포리디움에 의한 수질사고 이후, 소독제로서 오존에 대한 관심이 증가하였으며, 더욱이 오존은 살균효과가 우수하고 염소 소독과는 달리 THMs 등의 화합물을 생성시키지 않는 장점이 있다. 게다가, 강력한 산화력에 의해 페놀, ABS 등의 난분해성 유기물질의 분해․제거가 가능하고 THM 전구물질이나, 맛․냄새 등의

제거에도 매우 효과적이다. 또한, 유기물질의 성상을 변화시킨 후, 활성탄에 흡착시켜 제거하는 전처리 방법으로도 활용할 수 있어 소독부산물의 제어를 위한 생물활성탄(BAC)에 대한 전처리시설로서 적용되고 있다.

따라서 프랑스를 비롯한 유럽지역은 물론 미국을 포함한 북미지역에 오존처리공정이 급속도로 확산되었다.
반면, 오존처리 기술이 정수처리기술 분야에서는 조금 낯선 실정이고, 도입에 따른 과도한 소요비용, 현장생산에 따른 기술적인 문제점들이 있다.

또한, 오존의 강한 산화력에 의한 브로메이트(bromate, BrO3-), 클로레이트(chlorate, ClO3-), 알데하이드(aldehydes)와 같은 소독부산물들이 생성될 수 있으며, 이들에 대한 위해성 검증과 대책이 과제로 남아 있다.

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오존처리기작

오존은 수용액에서 불안정하여 비교적 단시간에 분해되며, 20℃에서 반감기가 30분 미만이다.

오존의 분해속도는 오존의 농도, 불순물의 존재여부, 압력 및 pH 등의 영향을 크게 받으며, pH가 높을수록 분해속도는 빨라진다.

오존 분해속도가 pH의 영향을 받는 것은 수산화기(OH-)에 의하여 오존이 스스로 분해할 수 있는 특성을 가지고 있기 때문이다.
오존은 수중에서 가수 분해되어 하이드로퍼옥시 라디칼(hydroperoxy radical, HO2-․)를 생성하고 다시 중간생성물인 수퍼옥사이드 라디칼(superoxide radical,O2-․)과 오존아이드 라디칼(ozonide radical, O3-․)을 거쳐 수산화기 라디칼(hydroxy radical,OH․)을 생성하게 된다.이러한 연쇄반응을 통해 생산되는 수산화기 라디칼(OH․)에 의해 강력한 산화반응이 진행되며 그 과정은 간단히 다음과 같다.

 

              O3 + H2O → HO3+ + OH-
              HO3+ + OH- → 2HO2․
              HO2․ + O3 → OH․ + 2O2
              HO․ + O3 → HO2․ + O2

 

오존은 염소보다 강력한 산화력을 가지고 있어 소독을 목적으로 사용할 경우에는, 라디칼이나 과산화물에 의한 세포조직 내의 생화학적 반응효소에 독성을 주고염색체에 이상을 초래하며 세포막을 파괴시킴으로써 살균효과가 있는 것으로 알려져 있다. 다음은 오존에 의한 살균력을 염소소독과 상대적으로 비교한 결과이다.

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한편, 오존과 유기물의 반응기작은 간단히 오존과 유기물이 결합하여 오존화합물을 형성시킨 후, 알데히드(Aldehyde)와 단순 유기물류로 분해하는 것으로 설명된다. 오존은 전자친화력이 매우 크기 때문에 다양한 종류의 유기물과 유기금속 관능기의 불포화 지방족 및 방향족 화합물에 작용하여 저분자 물질로 변화시킨다.

오존은 백금과 은을 제외한 모든 금속, 미생물 및 유기물질 등을 산화시킬 수 있는 능력이 있으며, 오존이 유기물과 반응할 때는 결합력이 약한 곳을 공격하게 되는데 주로 불포화 이중결합, 방향족 고리, 금속이온 등을 분리하여 제거하게 된다.
반면, 오존은 강한 산화력에도 불구하고 맛․냄새 유발물질인 geosmine, 2-MIB와 THMFP과 같은 포화탄화수소, 농약 등의 대다수 유기물질과 반응이 느리거나어떤 유기물과는 전혀 반응하지 않는 경우도 있다.

오존처리 효과

- 살균 및 조류억제
오존은 불소 다음으로 강력한 산화제로서 염소에 비하여 몇 가지의 장점을 가지고 있다.

오존은 염소와 같이 유기물과 결합하여 THMs 등을 형성시키지 않으며 맛과 냄새의 원인이 되는 페놀 등의 유기물을 산화시킨다.

또한 산화력이 높은 관계로 병원성 미생물의 살균력이 염소보다 훨씬 효과적이다.

그러나 오존의 반감기가 약 30분 미만으로 매우 불안정한 가스이기 때문에 현장에서 생산하여야 하며, 잔류성이 없어 먹는물의 배․급수 계통에서 미생물에 의한2차 오염의 위험이 있다.

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-철․망간 제거
철은 수중에서 맛과 냄새를 유발시키고 또한 색을 띠게 된다.

급․배수 관망에서 철박테리아의 서식으로 관이 폐쇄될 수도 있고, 물이 붉게 보이는 적수현상의 원인이 되기도 한다.

망간은 쓴 맛을 내며 박테리아에 의해 관내 유량 감소의 원인물질로 알려져 있다. 보통 철, 망간은 수중에서 Fe(HCO3)2, Mn(HCO3)2 또는 착염상, 콜로이드상,규산/암모니아 등과 공존하는 형태로 존재한다. 오존은 이러한 철, 망간을 산화시키는 능력을 가지고 있다.

그러나 과잉의 오존 주입으로 생성된 MnO4-에 의해 색도 유발가능성이 있으며, 오존 주입으로 MnO4-가 발생되면 오존접촉조 후반부에 이를 다시 환원시켜색도를 제거하는 단위공정이 요구된다.

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- 시안(CN-) 제거
시안은 광산, 화학공장 및 도금공장에서 방류되는 폐수 등에 함유되어 원수를 오염시키게 되는데, 포기와 미생물 분해에 의해 제거될 수 있다.

오존에 의해서는 가수분해 되어 무해하게 된다.

​-맛, 냄새제거
잔류 오존농도가 0.5 mg/L라고 가정할 때, 대부분의 맛, 냄새물질을 산화/분해하는데 필요한 접촉시간은 10분 정도로 알려져 있다.

따라서 오존은 맛, 냄새 유발물질을 제거하는데 매우 효과적이지만, 맛, 냄새를 유발하는 물질들에 대한 오존처리의 효과는 주입농도, 대상 유기화합물의 분자구조, pH, 온도, 유기물 농도, 방해 물질 등의 다양한 원인에 영향을 받는다.

​-응집보조 역할
응집/침전 공정에서 오존 전처리를 병행하면 응집 상승효과를 얻게 되고, 이로 인해 응집효율을 증가시켜 약품주입량의 절감이라는 경제적인 이점도 함께 얻게된다. 또한, 오존은 강력한 산화력에 의하여 원수 중에 유입한 용존유기물 및 무기물의 성상을 변화시켜 미세플록(microfloc)을 생성하기 때문에 응집 및 침전의효율을 향상시킬 수 있다.

- 유기물의 생분해도 증진
유기물이 오존의 산화작용에 의하여 일부는 무기화되지만, 대부분이 저분자 형태로 변화하게 되어 생물분해성(bio-degradability)이 향상된다.따라서 후속되는 생물활성탄이나 생물막 공정의 전처리 공정으로도 활용가치가 높다.

 

출처 : 2004년 환경부 "고도정수처리 정책방향에 관한연구" 발췌