1. 기본 오존 지식
분자식 O3을 갖는 오존은 산소(O2)의 동소체입니다. 오존 분자는 세 개의 산소 원자로 구성되며, 그 중 하나는 단일 결합으로 다른 두 개와 연결됩니다. 오존은 살균, 탈색, 산화 및 탈취의 네 가지 주요 기능을 가진 강력한 산화제인 "녹색 화학 물질"로 환영받습니다. 또한 잔류물이 없고 2차 오염이 없는 등의 장점을 자랑하여 친환경적인 녹색 산업용 원료입니다.
오존은 산화환원 전위가 2.07mV로 매우 강한 산화력을 가지고 있습니다. 오존은 두 가지 방식으로 유기물을 산화합니다. 첫째, 오존 분자는 유기물을 직접 선택적으로 산화합니다. 즉, 직접 산화하지만 반응 속도는 상대적으로 느립니다. 둘째, 유기물 자체의 분해, 즉 간접산화에 의해 생성된 수산화라디칼(·OH)을 통해 비선택적으로 유기물을 빠르게 산화시킨다. 실제 수처리 반응에서 오존의 유기물 제거 효율은 직접 산화와 간접 산화의 중첩으로 이루어지며, 이 두 반응이 진행되는 정도는 서로 다른 반응 조건에 따라 달라집니다. 간접산화는 첨단산화기술이라고도 합니다.
2. 오존 준비
오존은 다양한 방법을 사용하여 제조될 수 있습니다. 수처리 분야에서는 고{1}}전압 무성 방전이 일반적으로 사용됩니다. 오존 생성의 원료는 주로 공기 또는 산소입니다. 공기를 가스 소스로 사용하는 경우 오존 함량은 약 1%에 불과한 반면, 산소를 사용하는 경우 오존 농도는 10%(질량 기준) 이상에 도달할 수 있습니다.
3. 첨단 오존산화 기술
단일 오존 산화 기술에는 상당한 한계가 있습니다. 단일 오존은 클로로포름과 같은 난분해성 유기 화합물을 산화할 수 없습니다. 단일 오존 산화는 유기물을 이산화탄소와 물로 완전히 분해할 수 없으며 높은 COD 제거 효율을 달성하기 어렵습니다. 심산화 기술이라고도 불리는 첨단 오존 산화 기술은 산화성이 높은 수산기(·OH)를 생성하는 것이 특징입니다. (수산기(·OH)의 산화환원 전위는 2.80V로 불소에 이어 두 번째입니다.) 고온, 고압, 전기, 소리, 빛 조사 및 촉매와 같은 반응 조건에서 크고 다루기 힘든 유기 분자를 저독성-또는 무독성-소분자로 산화시킵니다.
1) 광촉매 오존산화 기술
광촉매 오존 산화는 오존을 활용하여 유기물과 직접 반응하지 않습니다. 대신, 자외선 하에서 오존이 분해되어 생성된 활성 2차 산화제(·OH)를 활용하여 유기물을 산화시킵니다. 오존과 유기물 사이의 반응만으로는 선택적이며 유기물을 이산화탄소와 물로 완전히 분해할 수 없습니다. 오존의 산화 속도와 효율을 향상시키기 위해서는 오존 분해를 촉진하여 활성 ·OH를 생성하는 다른 조치를 취해야 합니다.
2) 균일촉매 오존산화 기술
균일 촉매 오존화에 사용되는 촉매는 일반적으로 Fe(II), Mn(II), Ni(II), Co(II), Cd(II), Cu(II), Ag(I), Cr(III) 및 Zn(II)과 같은 전이 금속입니다. 오존-촉매 이온을 폐수에 정확하게(미량-용량, ppb 수준) 추가하는 것은 전력 제어를 통해 달성되며, 폐수에서 난분해성 유기 오염물질을 제거하기 위해 수산기 라디칼을 생성하는 고급 산화 반응을 완료합니다.
3) 이종 촉매 오존 산화 기술
이 기술은 일반적으로 고체 산화제 캐리어(종종 알루미나 또는 합성 제올라이트로 구성됨)를 사용합니다. 촉매의 작용으로 오존은 분해되어 산화성이 높은 수산화 라디칼(·OH)을 생성하여 물 속의 유기 오염 물질을 분해합니다.
4. 실제 적용
도시폐수처리장은 10만톤/일을 처리하도록 설계되었으나 실제 처리능력은 9만톤/일이다. COD 배출 기준(40mg/L 이하)을 충족하기 위해 3개의 오존 발생기를 사용하는 균질 촉매 오존 산화 기술이 사용됩니다(각각 42kg/h 용량, 2개는 작동 중이고 1개는 대기 중임). 공정 흐름은 다음과 같습니다: 오존 발생기 → 오존 가스 생성 → 파이프라인을 통해 제트 펌프 입구로 이송 → 제트 주입을 통해 폐수에 용해 → 균일 촉매의 작용으로 ·OH 생성 → 오존 촉매 산화 탱크에서 산화 반응 완료.
1) COD 분해 및 탈색 성능
폐수 처리 능력: 90,000톤/일. 현재 40kg/h로 설정된 오존발생기 1대가 가동되고 있으며 실제 생산속도는 34kg/h(오존유량x오존농도)이다. 오존 투여량은 9.1mg/L입니다. 이를 통해 COD는 45에서 30 mg/L로, 색상은 40에서 5로 감소하여 "도시 폐수 처리장의 주요 수질 오염 물질 배출 표준"(DB33/2169-2018)을 준수합니다.
2) 소비전력
오존은 친환경적이고 환경 친화적인 특성으로 잘 알려져 있지만 생산과 관련된 높은 에너지 소비 및 운영 비용은 부인할 수 없습니다. 가스 공급원으로 공기를 사용할 경우 전력 소비량은 약 20kWh/kg 오존입니다. 산소를 가스 소스로 사용할 때 전력 소비량은 약 10kWh/kg 오존입니다. 실제 현장 운영을 기준으로 하면 전력 소비량은 여름에는 13kWh/kg 오존, 겨울에는 11kWh/kg 오존입니다. 여름에는 실외 온도가 높기 때문에 오존 발생기를 냉각하기 위해 냉각기가 필요하며, 겨울에는 판형 열교환기만 켜면 정상적인 작동이 가능합니다.