정수장 오존설비

왜 배우는가: 정수장 오존설비는 맛·냄새물질과 색도 제거, 살균, 소독부산물 관리가 함께 얽힌 핵심 설비라 상하수도기술사 시험에서 용어형과 논술형으로 반복해 출제된다. 설비 구성과 운전조건, 브롬산염 같은 부작용을 함께 이해해야 답안이 완성된다.

출제 이력: 제131회 4교시 1번, 제130회 1교시 8번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

정수장 오존설비는 오존 가스를 생성하여 원수에 주입·접촉시켜 산화·살균·탈취·탈색을 수행하는 고도정수처리 설비이다.

• 오존발생기: 산소 또는 공기를 원료로 무성방전(코로나 방전)에 의해 오존을 생성하는 장치
• 오존접촉지: 오존 가스를 물에 용해시키고 일정 시간 반응시키는 설비
• 잔류오존: 접촉 후 물에 남은 오존으로 후속 공정과 배수 관리의 기준이 됨
• CT값: 소독 효과를 나타내는 잔류소독제 농도(C)와 접촉시간(T)의 곱
• 브롬산염: 브롬이온이 오존과 반응하여 생성되는 소독부산물
• 배오존 처리: 접촉지 상부로 빠져나간 오존 가스를 분해하여 대기 배출을 막는 설비
• 고도정수처리: 표준 정수처리로 제거되지 않는 물질을 처리하는 공정 체계

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 오존설비는 물속에 강한 산화제를 만들어 넣어 냄새와 색을 없애고 세균과 바이러스를 죽이는 설비다. 오존은 공기 중 산소로 만들며, 현장에서 바로 만들어 써야 하는 기체다.

정식으로 정의하면, 오존설비는 오존 생성 장치, 오존 주입 및 접촉 설비, 잔류 오존 제거 설비로 구성된 정수처리 시설이다. 고도정수시설은 농약, 유기화학물질, 냄새물질, 트리할로메탄 전구물질, 색도, 음이온계면활성제 등 통상의 정수방법으로 제거되지 않는 물질을 처리하는 목적으로 도입된 활성탄 및 오존 처리시설을 말한다.

핵심 원리는 산화 반응이다. 오존은 유기물의 이중결합을 공격하여 분해하고, 금속 이온을 산화시켜 침전 가능한 형태로 바꾼다. 또한 세포벽과 바이러스 외피를 손상시켜 살균 효과를 낸다.

오존의 장점은 잔류 오존이 기체 산소로 빠르게 분해되어 수용가에 도달하기 전에 대부분 사라진다는 점이다. 이는 잔류 염소가 물에 오래 남아 맛과 냄새를 유발하는 것과 대비된다.

오존은 독성이 강한 기체이므로 누출 방지와 배오존 처리가 안전 관리의 핵심이다.

3. 등장 배경과 필요성

우리나라 낙동강, 금강 등 주요 상수원의 수질이 나빠지면서 하류지역에서 맛·냄새물질, 유기물, 농약 등이 문제가 되었다. 표준 정수처리(응집·침전·여과·소독)는 입자성 물질과 병원성 미생물 제거에 중점을 두므로 용존성 유기물과 냄새물질에는 한계가 있다.

이에 따라 오존과 활성탄을 결합한 고도정수처리 기술이 도입되었다. 오존은 산화 능력이 커서 색도, 맛·냄새, 철·망간 산화와 살균을 동시에 수행할 수 있다.

또한 오존은 응집 효과를 높이고 활성탄 흡착 성능을 향상시키는 전처리 역할도 한다. 즉 오존설비는 단독 처리보다 후속 공정과 함께 작동하여 전체 정수 품질을 높이는 역할을 맡는다.

소독 측면에서도 오존은 염소보다 살균력이 강하고, 염소계 소독부산물인 트리할로메탄 생성을 줄이는 데 유리하다. 다만 브롬이온이 많은 원수에서는 브롬산염이 생성될 수 있어 원수 특성에 맞춘 운전이 필요하다.

결국 오존설비의 도입 배경은 다음 세 가지로 요약된다. 첫째, 통상 처리로 제거되지 않는 미량 유기물과 냄새물질 제거. 두째, 강력한 산화·살균 능력 확보. 셋째, 염소 소독부산물 저감.

이 배경은 상수도 수질 기준 강화와 함께 더욱 중요해졌다.

4. 구성요소·원리·절차

정수장 오존설비는 오존발생기, 원료가스 공급장치, 오존접촉조, 오존잔류 처리설비(배오존 처리) 네 부분으로 구성된다. 원료가스는 건조한 공기 또는 순산소를 쓰며, 무성방전(Silent Discharge) 방식으로 산소 분자를 오존으로 바꾼다.

오존 설비의 원리는 다음과 같다. 오존은 산화력이 강하여 세균·바이러스를 살균하고 색도, 맛·냄새물질, 철·망간을 산화한다. 오존은 물에 용해도가 낮아 접촉조에서 기액 접촉 효율을 높이는 것이 설계의 핵심이다. 잔류 오존은 자연 분해되어 산소가 되므로 염소 잔류형태와 달리 수용가에서 맛이 남지 않는다.

오존 처리 절차는 다음과 같다.

• 원료가스(공기 또는 산소)를 건조·정제하여 오존발생기에 공급한다.
• 오존발생기에서 무성방전으로 오존 가스를 생성한다.
• 오존 가스를 오존접촉조 하부에서 주입하여 여과수와 접촉시킨다.
• 오존접촉조에서 살균·산화·흡착 반응을 일으킨다.
• 접촉조 상부의 미반응 오존 가스를 배오존 처리설비에서 분해한 뒤 대기로 배출한다.
• 잔류 오존은 후속 공정(활성탄 처리)으로 넘어가 생물활성탄 여과에 영향을 준다.

오존 주입량과 접촉시간은 설계의 핵심 변수다. 오존 요구량은 원수 수질과 목적에 따라 달라지며, 오존 접촉시간(CT값)으로 살균 효과를 평가한다. 오존의 CT값 개념은 다음과 같다.

$CT = C \times T$

여기서 C는 잔류 오존 농도(mg/L), T는 접촉시간(min)이다.

5. 관련 법령·기준·표준

정수장 오존설비와 직접 관련된 기준은 다음과 같다. 소독 효과 기준(CT값)은 수질·수온·목적 미생물에 따라 달라진다. 오존 주입 조건은 고도정수처리 운전 기준으로 관리한다.

브롬산염(Bromate)은 원수의 브롬화 이온이 오존과 반응하여 생성되는 소독부산물이다. WHO는 1993년 음용수 지침에서 25μg/L 이하로 제한했고, 미국과 EU는 10μg/L 이하로 제한한다. 국내 음용수 수질기준에는 브롬산염 항목이 없으므로 설계 시 원수의 브롬화 이온 농도와 오존 주입량을 함께 검토한다.

국내 고도정수처리 관련 기준은 「수도법」과 「먹는물 수질기준 및 검사 등에 관한 규칙」에 따른다.

6. 유형과 비교

정수장 오존설비는 오존 발생 방식, 접촉조 형식, 배오존 처리 방식에 따라 구분한다. 발생 방식은 무성방전(Corona discharge)식과 유전체 장벽방전(Dielectric barrier discharge)식이 대표적이며, 접촉조는 기포식(수중 산기관)과 기계 교반식 등으로 나뉜다.