오존처리 목적·제거대상물질·주입 제어방식·배오존 처리

왜 배우는가: 정수장 고도처리에서 오존처리는 맛·냄새, 색도, 유기물, 소독부산물 전구물질을 다루는 핵심 공정이다. 일반 정수처리로 제거되지 않는 물질을 처리하는 이유와 한계를 이해해야 목적, 제거대상, 주입 제어, 배오존 처리를 연결해 답할 수 있다. 1교시 용어 문제와 3교시 논술 문제에 반복해서 나온다.

출제 이력: 제138회 1교시 8번, 제136회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

오존처리는 일반 정수처리로 걸러지지 않는 맛·냄새·색도·유기물을 다루는 고도정수처리의 핵심 공정이다. 시험에서는 정의, 목적, 제거대상, 주입 제어, 배오존 처리를 한 흐름으로 묻는다. 답안 첫 줄에는 아래 정의 문장을 그대로 쓴다.

오존처리는 강한 산화력을 가진 오존(O₃)을 물에 주입하여 살균, 색도·냄새 물질 제거, 유기물 산화를 하는 고도정수처리 공정이다.

핵심 키워드

• 오존(O₃)
• 산화력
• 살균
• 색도·맛·냄새 제거
• 트리할로메탄 전구물질
• 잔류 오존
• 배오존
• 브롬산염

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 물속에 오존 가스를 넣어 세균을 죽이고 냄새와 색을 없애는 공정이다. 정식으로는 오존을 물에 주입해 직접산화와 간접산화로 물속 물질을 산화·분해하는 단위공정을 말한다. 오존은 산소 원자 3개로 된 기체 산화제로, 물과 반응하면서 불안정한 오존 라디칼을 만든다. 라디칼은 직접 산화제보다 반응 속도가 빨라 난분해성 유기물까지 분해한다.

직접산화는 오존 분자가 물질과 바로 반응하는 것이다. 철·망간을 산화해 불용성 침전물로 만들고, 이중결합을 가진 유기물과 맛·냄새 물질을 분해한다. 간접산화는 오존이 물에서 분해되며 생긴 라디칼이 물질을 산화하는 것이다. 이 과정에서 난분해성 물질의 분자 구조가 끊겨 후속 활성탄이나 생물처리에서 제거되기 쉬운 형태로 바뀐다.

오존처리의 장점은 염소소독에 비해 처리수에 맛과 냄새가 남지 않고 트리할로메탄 같은 화학물질을 남기지 않는 점이다. 단점은 오존의 지속 시간이 짧아 배관을 따라 이동하는 동안 잔류 효과가 거의 없다는 점과 설비 비용과 전력 사용량이 커서 경제성이 낮다는 점이다. 그래서 오존 뒤에는 보통 염소소독이나 생물활성탄 공정을 함께 둔다.

핵심 용어는 다음과 같이 쓴다. 오존 접촉조는 주입한 오존이 원수와 반응하는 탱크다. 잔류 오존은 반응 후 남아 있는 오존이며, 배출 전에 제거해야 한다. 배오존은 접촉조를 나간 오존 배가스다. 세 용어를 혼동하지 않도록 반응 공간, 반응 후 물속 잔여물, 기체 배출물로 구분해 답한다.

3. 등장 배경과 필요성

국내 주요 상수원인 낙동강과 금강의 수질이 나빠지면서 강 하류 지역의 원수는 3급수 이하로 떨어졌다. 일반 표준정수처리인 응집·침전·여과·소독은 입자와 병원성 미생물 제거에 강하지만 냄새 물질과 용존 유기물 제거에는 취약하다. 그래서 수질 악화가 누적된 원수에 대해서는 추가 처리가 필요해졌다.

1989년 이후 중금속, 트리할로메탄, 페놀, 벤젠 등 수돗물 유기물 오염사고가 잇따라 발생했다. 이 사고를 계기로 낙동강을 원수로 하는 정수장부터 고도정수시설을 우선 도입했다. 오존처리는 이때 도입된 대표 공정 가운데 하나다.

염소소독은 처리수에 잔류 효과를 남기는 장점이 있지만 원수 속 유기물과 반응해 트리할로메탄 같은 소독부산물을 만든다. 오존은 이 전구물질을 미리 산화해 소독부산물 생성을 줄인다. 또한 오존은 색도와 맛을 개선하고 철·망간을 산화해 제거한다.

오존에는 부작용도 있다. 원수에 브롬이온이 있으면 오존과 반응해 브롬산염이 생긴다. 브롬산염은 1993년 세계보건기구 음용수 지침에서 25μg/L 이하로 제한하며, 미국과 유럽연합은 10μg/L 이하로 관리한다. 따라서 오존처리를 도입할 때는 원수의 브롬이온 농도를 먼저 확인하고 주입량을 제어해야 한다.

이 배경 때문에 오존처리는 단순한 살균이 아니라 맛·냄새, 색도, 유기물 산화, 소독부산물 전구물질 저감을 함께 목표로 하는 공정으로 자리 잡았다.

4. 구성요소·원리·절차

오존처리 설비는 오존발생기, 오존접촉조(반응조), 배오존 처리장치, 오존 주입장치로 구성된다. 원료 공기 또는 산소를 건조·정제한 뒤 무성방전(무성방전식 오존발생기)으로 오존을 만들고, 이를 물에 주입하여 오존 산화와 직접 반응(분자상 오존)을 일으킨다. 물에서 오존은 OH 라디칼을 생성하는 라디칼 반응으로도 유기물을 분해한다.

오존 주입량은 원수의 오존 요구량(오존 소비량)과 목표 잔류 오존량의 합으로 정한다. 식은 다음과 같다.

$$ O_3\,주입량 = 오존\,요구량 + 잔류\,오존량 $$

여기서 오존 요구량은 원수 중 오존과 반응하는 물질의 양이고, 잔류 오존량은 접촉조 출구에서 남아야 할 오존 농도다. 접촉조 내 오존의 감소는 대략 1차 반응으로 볼 수 있으므로 오존 소비 속도는 $$ \frac{dC}{dt} = -kC $$ 로 나타낸다(C: 오존 농도 mg/L, t: 시간 min, k: 반응속도상수 1/min).

절차는 다음과 같다.

• 원수 수질(TOC, 브롬이온, 색도, 철·망간 등)을 분석하여 오존 요구량을 산정한다.
• 목표 오존 주입농도와 접촉시간을 정한다.
• 오존발생기 출력과 원료 가스 유량으로 발생량을 맞춘다.
• 접촉조 입구에서 주입된 오존을 물에 용해시킨다.
• 접촉조 출구의 잔류 오존을 측정해 주입량을 피드백 제어한다.
• 접촉조 배출 가스를 배오존 처리설비에서 분해한 뒤 대기로 배출한다.

오존 주입량은 오존 요구량과 잔류 오존량의 합으로 정한다

5. 관련 법령·기준·표준

오존처리 자체를 직접 규정한 법령 수치는 제한적이다. 정수 수질기준과 소독부산물 관리 기준이 설계와 운영의 기준이 된다. 먹는물 관리법에 따른 수질기준(먹는물 수질기준)과 소독부산물(트리할로메탄, 브롬산염 등) 관리 항목을 함께 본다. 고도정수처리 운전 조건은 기관과 원수에 따라 다르다.

브롬산염은 원수의 브롬이온이 오존과 반응하여 생성되므로, 해수 유입 원수에서는 오존 주입량을 낮추거나 전처리로 조정한다. 국내 기준이 없더라도 설계 단계에서 원수 브롬이온 농도를 확인해야 한다.

전오존과 후오존의 배치도 기준 구성에 영향을 준다. 전오존은 철·망간·유기물 산화에, 후오존은 활성탄 전 단계에서 생분해성 물질을 만들어 활성탄의 흡착 부담을 줄이는 목적에 쓰인다.

오존접촉시간 범위는 관련 기준과 원수 TOC, 목표 제거율에 맞춰 조정하는 값이다.

6. 유형과 비교

오존처리는 주입 방식, 접촉조 형식, 배오존 처리 방식에 따라 여러 유형으로 나뉜다. 정수장에서는 전오존과 후오존의 위치에 따라 목적과 설계 조건이 달라지므로 두 위치를 먼저 구분해 비교한다.