KR20000021897A - 오존분해속도 측정장치 및 그를 이용한 수처리 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수처리 기술에 관한 것으로, 특히 오존분해속도 측정장치 및 그를 이용한 수처리 시스템에 관한 것이며, 오존분해속도의 실시간·연속 측정이 가능한 오존분해속도 측정장치 및 그를 이용하여 자동제어가 가능한 수처리 시스템을 제공하고자 한다. 본 발명은 발색시약이 오존과 일정 비율로 반응하여 탈색되어 오존농도와 잔류 발색시약의 농도가 반비례하는 원리를 이용하여 잔류오존을 측정하였다. 인디고 시약(indigo trisulfonate)의 경우, 오존과 몰 대 몰로 반응하여 푸른색이 탈색되어 잔류 인디고 시약 농도를 분석함으로서 잔류 오존농도를 측정할 수 있다. 발색시약의 농도를 측정하기 위해서는 흡광도 분석 장치를 이용하였다.
Description
본 발명은 수처리 기술에 관한 것으로, 특히 오존분해속도 측정장치 및 그를 이용한 수처리 시스템에 관한 것이다.
오존(O3)의 산화력을 이용한 정수기술은 난분해성 물질과 같은 오염물질의 제거에 우수한 효과가 있는 기술로 알려져 있다. 또한, 수중의 유기물질들에 대한 제거효과가 탁월하며 생분해성 증가에 따른 생물처리능의 증대와 오존산화의 중간 생성물인 OH 라디칼에 의한 효율성 증진 효과를 기대할 수 있다.
수처리에 적용될 경우 오존(O3)은 오존만이 가질 수 있는 물리적·화학적 성질로 인해 공정 설치 및 운용, 산화력 면에서 염소 등의 다른 산화제에 비해 다양한 장점들을 가지게 된다.
기본적으로 오존은 비교적 높은 산화력(전위차=2.07V)을 가지므로 농약류 및 수중의 독성 유기물질을 산화하고 이-취미 물질 제거에 비교적 큰 효과를 가진다. 용존오존은 짧은 반감기를 가지므로 잔류성이 없어서 잔류염소와 같은 맛-냄새를 유발하지 않고 염소의 반응부산물인 THM(Tri-Halo-Methane)과 다른 유기염화 부산물들의 생성을 억제하는 효과가 크다. 또한, 수중의 유기물질들에 대해 제거효과가 탁월하며, 오존산화시 분자량이 큰 유기물질에 대해서 저분자화가 유도되어 생분해성이 증가하므로 생물활성탄(Biological Activated Carbon, BAC) 등을 이용한 생물학적 처리와 병용할 경우 그 처리효과가 극대화될 수 있다는 장점이 있다. 이외에도 오존은 철, 망간 같은 무기물도 효율적으로 산화-침전을 통해 제거할 수 있으며, 자연수에서 분해되어 중간 생성 물질로 오존 자체보다 산화력이 강한 OH 라디칼을 생성할 수 있는데, 이를 통해 처리 대상물질의 특성에 따라 효율적으로 응용할 수 있는 다양한 특성을 지니며 다른 산화제와 겸용하여 효율성을 더 증진시킬 수 있는 장점이 있다.
이러한 장점으로 인하여 최근에 구미 선진국에서는 보다 깨끗하고 안전한 수돗물을 만들기 위해서 오존산화 공정을 정수처리 공정에 많이 적용하고 있으며, 그 사용이 널리 확산되고 있는 상황에 있다. 국내에서도 근래 여러 차례의 상수원 오염 사건과 이로 인한 국민들의 수돗물 불신 등으로 인해서 오존산화 공정을 정수처리에 이용하려는 움직임이 활발하게 전개되고 있으며. 이로서 오존산화처리 공정 관련 적용·운영기술의 확보가 시급하게 대두되고 있다.
일반적으로 오존산화 처리공정을 실제 정수처리에 적용하기 위해서는 지역적·기후적으로 다양한 수질 특성에 적합한 적용을 위해서 사전 평가작업이나 실제 플랜트(plant)와 유사한 파일럿 플랜트(pilot plant)를 통한 테스트(test)를 수행해야 하는데, 이를 수행하기 위해서는 상당한 시간과 비용이 소모되게 된다. 그러므로, 원수별 적용성 평가를 위해 소모되는 시간적·경제적 낭비를 최소화하고 필요시에는 사전 기술적용 평가단계 없이 바로 시공해도 적중율면에서 만족할 수 있는 오존산화처리 공정 시스템이 필요하게 되었다.
또한, 고도정수처리 전체 공정내에서 단위공정인 오존산화처리 공정이 전처리공정(pre-treatment)으로 적용되는가 또는 후처리공정(post-treatment)으로 적용되는가에 따라서 서로 다른 처리목적을 가질 수가 있고 공정설계 및 운전 인자가 달라지게 된다. 그러므로 전·후처리공정 중 어디에 적용하는가에 따라서 공정설계와 제어를 위한 관련 물리적·화학적 인자의 적용 방식이 달라지게 되며 또 원수 특성 및 수질변화를 감안하여 능동 대처가 가능한 제어 인자들도 도출하여야 하므로 이 모든 사항들을 고려하여 오존산화처리 공정을 실용화하는 것은 파일럿 테스트(pilot test) 기간을 포함하여 상당한 기간을 요구한다. 따라서 향후 새로운 고도정수처리 시스템의 도입시 오존산화처리 공정의 적용에 요구되는 기간을 단축하고 보다 용이하고 경제적인 운전을 위하여 선경험적 지표 도출과 자동제어가 가능한 오존산화처리 공정 시스템의 연구·개발이 절실한 실정이다.
이와 같이 원수 특성 및 수질변화를 감안하여 능동 대처가 가능한 제어 인자로서 오존분해속도를 들 수 있다. 그러나, 아직까지 오존분해속도의 실시간·연속 측정을 실현하지 못하고 있어 자동제어가 가능한 오존산화처리 공정 시스템을 개발하는데 가장 큰 걸림돌이 되고 있다.
본 발명은 오존분해속도의 실시간·연속 측정이 가능한 오존분해속도 측정장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 상기 오존분해속도 측정장치를 이용하여 자동제어가 가능한 수처리 시스템을 제공하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오존분해속도 측정장치의 개략적 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 오존산화처리 공정 시스템의 예시도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 오존농축수 주입부 11 : 오존반응조
12 : 잔류오존 측정부 13 : 오존 발생기
14. 15 : 펌프 16 : 가시광 분광광도 검출기
17 : 기록계 18 : H2O2주입펌프
19 : 오존농축수 챔버
상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 오존분해속도 측정장치에 있어서, 오존농축수 제공수단; 상기 오존농축수 제공수단으로부터 오존농축수를 공급받아 시료수와 혼합하는 오존반응조; 상기 오존반응조로부터 연속적으로 시료수를 채취하여 발색시약을 연속적으로 소정 비율로 혼합하는 수단; 및 상기 발색시약과 혼합된 상기 시료수 내의 상기 발색시약의 잔류 농도 분석을 통해 잔류오존 농도를 연속적으로 측정하기 위한 흡광도 분석수단을 포함한다.
또한, 상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 수처리 시스템에 있어서, 오존산화처리 반응조; 상기 오존산화처리 반응조로 유입되는 유입수로부터 시료수를 채취하여 오존농축수와 혼합하는 오존반응조와, 상기 오존농축수와 혼합된 상기 시료수를 연속적으로 취하면서 발색시약을 연속적으로 소정 비율로 혼합하는 수단과, 상기 발색시약과 혼합된 상기 시료수 내의 상기 발색시약의 잔류 농도 분석을 통해 잔류오존 농도를 측정하기 위한 흡광도 분석수단을 구비하는 오존분해속도 측정수단; 상기 오존산화처리 반응조에 오존을 공급하기 위한 오존발생수단; 및 상기 오존분해속도 측정수단의 출력에 응답하여 상기 오존발생수단의 오존주입량을 제어하는 제어수단을 포함한다.
본 발명은 발색시약이 오존과 일정 비율로 반응하여 탈색되어 오존농도와 잔류 발색시약의 농도가 반비례하는 원리를 이용하여 잔류오존을 측정하였다. 인디고 시약(indigo trisulfonate)의 경우, 오존과 몰 대 몰로 반응하여 푸른색이 탈색되어 잔류 인디고 시약 농도를 분석함으로서 잔류 오존농도를 측정할 수 있다. 발색시약의 농도를 측정하기 위해서는 흡광도 분석 장치를 이용하였다.
오존산화처리 공정은 오존 가스만을 주입하는 경우도 있으나, 필요에 따라서는 과산화수소(H2O2)를 혼합주입하여 오존분해속도를 향상시키는 경우에도 적용할 수 있다. 이때 최적화된 오존과 과산화수소 주입량 산출은 물리적·화학적 인자를 고려한 다음의 수학식 1과 같은 간편화된 함수로 축약할 수 있다.
여기서, 화학적 인자는 주로 원수 특성에 의하여 좌우되는데 pH, 경도(硬度), TOC(Total Organic Carbon), 유기물 오염양상, 브롬이온(br-), 철, 망간 같은 무기물 존재량 등 여러 가지 요소에 의해 좌우된다. 이러한 원수 중의 유·무기 인자들에 의해서 오존 주입시 오존이 소모되는 속도가 달라지게 되는데, 따라서 오존이 소모 또는 분해되는 속도는 원수의 오존산화처리시 중요한 지표로서 사용된다. 이렇게 오존의 주입량을 대표하는 화학적 인자로 오존분해속도 kc를 사용하는데, 본 발명에서 제안하는 측정장치로 이를 간단하게 측정할 수 있으며, 이렇게 측정한 결과를 가지고 kc를 해석해서 오존산화처리 공정의 자동제어에 필요한 인자로서 사용할 수 있다. 또한 이렇게 측정되어진 화학적 인자는 공정설계에도 고려되어야 하므로 다시 물리적 인자에도 영향을 가지게 된다. 물리적 인자들은 주로 반응조의 수리학적인 구조와 오존 주입시의 풍량, 유입수의 유량 등에 의해서 결정되는데 오존 주입시의 풍량을 제외하고는 대부분 고정적인 값들을 가지므로 화학적 인자의 변화에 대해서만 계속적으로 감지·제어하게 되면 오존산화처리 공정의 운전·제어는 용이하게 된다. 화학적 인자의 변화는 kc측정장치에 의해서 수시 측정이 가능하므로 이 kc측정장치와 연계된 컴퓨터 제어를 통해서 화학적 변환에 능동적으로 대처하는 시스템화된 제어가 가능하게 되고, 또 오존산화처리 시스템 시공 전에 축적된 kc인자들은 장래 수질변화에 따른 오존주입 인자를 결정할 수 있는 컴퓨터 시뮬래이션(computer simulation) 및 공정설계를 결정할 수 있는 기초자료로서 사용할 수도 있다.
이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 바람직한 실시예를 소개한다.
첨부된 도면 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오존분해속도 측정장치를 도시한 것으로, 이하 이를 참조하여 오존주입 및 분해속도 측정을 위한 구체적인 장치의 구성 및 작용을 살펴본다.
본 오존분해속도 측정장치에서는 오존분해속도의 측정을 위해서 폭기방식의 주입방법이 아닌 오존농축수(ozone concentrated water)를 제조해 대상수에 주입하는 방법을 사용하였으며, 따라서 0.5∼2㎎/L의 비교적 적은 주입오존량에 대해 정확한 분해속도를 측정할 수 있다.
본 장치는 크게 오존농축수 주입부(10), 오존반응조(11), 잔류오존 측정부(12)의 세 부분으로 구성되어져 있으며, 특히 잔류오존의 측정에 인디고 시약(indigo trisulfonate)이 오존과 몰 대 몰로 반응하여 탈색되어 오존농도와 잔류 인디고 시약 농도가 반비례하게 되는 원리를 이용하였다.
우선, 오존농축수 주입부(10)는 오존농축수 챔버(19) 내의 증류수에 오존이 포화되도록 계속 오존 발생기(13)로부터 오존을 공급받아 준비된 상태에서 일정량이 자동적으로 취해져서 오존반응조(11)의 대상시료수에 첨가·혼합되도록 한다. 오존농축수에는 약 20㎎/L 농도의 오존이 용존되어 있는 상태로 조정되었으며, 이것이 오존반응조(11) 내로 주입되어 목적하는 초기오존농도로 희석·주입될 수 있도록 장치를 구성하였다.
오존반응조(11)에는 1L 내외의 시료가 담겨져 있고 계속 교반될 수 있는 상태로 준비되어져 있어 오존농축수가 주입되면 바로 반응이 시작되도록 구성되었으며, 따라서 1㎎/L의 초기오존농도가 되게 하려면 오존농축수가 20배 희석되어지는 양만큼 오존농축수가 주입되도록 한다.
오존농축수가 주입된 시점부터 시작하여 일정량의 시료를 펌프(pump)(14)를 이용하여 연속적으로 채취하면서 동시에 연속적인 이 흐름 속에 일정한 비율의 인디고 시약 용액이 역시 펌프(15)를 통해 첨가되게 한 후 가시광 분광광도 검출기(16)를 연속적으로 통과하도록 하였다. 이때, 시료수와 인디고 시약 용액의 혼합 비율은 5:1 정도로 한다.
측정파장은 600㎚를 사용하였고 가시광 분광광도 검출기(16)에서 측정된 흡광도가 연속적으로 기록계(recorder)(17)에 기록되도록 한 후, 이 흡광도 신호곡선(raw signal curve)을 계산하여 잔류오존 농도를 계산하였다. 이렇게 그려진 신호곡선으로부터 일정 시간간격으로 각 높이에 상응하는 잔류오존 농도로 환산한 후 시간에 따른 오존농도 변화비 Ct/CO의 log값의 기울기로부터 오존분해속도 kc(min-1)을 산출하게 된다.
또한 오존산화처리 공정시 처리효울을 향상시키기 위하여 과산화수소를 더 첨가하는 경우에는 H2O2주입펌프(18)를 통해 일정량의 과산화수소를 오존반응조(11) 내에 공급하여 실제 공정과 같은 조건으로 오존분해속도를 측정할 수 있다.
여기서, 오존 발생기(13) 및 H2O2주입펌프(18)는 오존산화처리 공정 제어 시스템에서 사용되는 것을 공유하여 사용할 수 있다. 즉, 오존분해속도 측정장치를 구성하기 위하여 별도의 오존 발생기(13) 및 H2O2주입펌프(18)를 필요로 하지 않는다.
첨부된 도면 도 2는 본 발명에 따른 오존산화처리 공정 제어 시스템을 예시한 것으로, 상기 도 1에 도시된 바와 같은 오존분해속도 측정장치를 적용하였다.
본 오존산화처리 공정 제어 시스템은 pH, 경도, TOC, 유기물 오염양상 등의 유입수 특성을 대표하는 화학적 인자로서의 오존분해속도 kc를 사용하며 이를 상기 도 1에 도시된 바와 같은 오존분해속도 측정장치(20)에서 연속적으로 감시하여 그 정보를 제어 컴퓨터(21)에 전달한다. 제어 컴퓨터(21)는 표집된 정보를 기초로 하여 최적의 O3및 H2O2주입량을 산출하며, 오존 발생기(22) 및 H2O2주입펌프(23)를 제어하여 오존산화처리 챔버(24)에서 최적화된 공정이 이루어질 수 있도록 한다.
이처럼 시스템화된 도구적 적용 기술을 통해서 지역적·기후적으로 다른 원수들에 대해서도 시공전 파일럿 테스트와 같은 적용성 평가를 위해 소모되는 시간적· 경제적 낭비를 최소화하고, 필요시에는 사전 기술적용 평가단계 없이 바로 시공해도 적중율면에서 만족할 수 있는 오존산화처리 공정 시스템 개발이 가능해진다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변환 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
전술한 본 발명은 오존산화처리 공정에서 오존의 주입량을 결정하는 대표적인 화학적 인자로서 오존분해속도 kc를 비교적 간단하게 측정할 수 있으며, 이러한 오존분해속도 측정장치를 오존산화처리 공정 시스템에 적용하여 최적화된 고도정수처리의 제어를 실현할 수 있다.
Claims (9)
- 오존분해속도 측정장치에 있어서,오존농축수 제공수단;상기 오존농축수 제공수단으로부터 오존농축수를 공급받아 시료수와 혼합하는 오존반응조;상기 오존반응조로부터 연속적으로 시료수를 채취하여 발색시약을 연속적으로 소정 비율로 혼합하는 수단; 및상기 발색시약과 혼합된 상기 시료수 내의 상기 발색시약의 잔류 농도 분석을 통해 잔류오존 농도를 연속적으로 측정하기 위한 흡광도 분석수단을 포함하는 오존분해속도 측정장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 오존반응조에 일정량의 과산화수소를 제공하기 위한 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 오존분해속도 측정장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 흡광도 분석수단에서 측정된 상기 잔류오존 농도를 연속적으로 기록하기 위한 기록수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오존분해속도 측정장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 발색시약이 인디고 시약인 것을 특징으로 하는 오존분해속도 측정장치.
- 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,상기 흡광도 분석수단이 가시광 분광광도 검출기인 것을 특징으로 하는 오존분해속도 측정장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 오존농축수 제공수단이,오존 발생기와,상기 오존 발생기로부터 주입된 오존을 증류수에 용해시키기 위한 오존농축수 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 오존분해속도 측정장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 시료수와 상기 인디고 시약의 혼합비가 실질적으로 5:1인 것을 특징으로 하는 오존분해속도 측정장치.
- 수처리 시스템에 있어서,오존산화처리 반응조;상기 오존산화처리 반응조로 유입되는 유입수로부터 시료수를 채취하여 오존농축수와 혼합하는 오존반응조와, 상기 오존농축수와 혼합된 상기 시료수를 연속적으로 취하면서 발색시약을 연속적으로 소정 비율로 혼합하는 수단과, 상기 발색시약과 혼합된 상기 시료수 내의 상기 발색시약의 잔류 농도 분석을 통해 잔류오존 농도를 측정하기 위한 흡광도 분석수단을 구비하는 오존분해속도 측정수단;상기 오존산화처리 반응조에 오존을 공급하기 위한 오존발생수단; 및상기 오존분해속도 측정수단의 출력에 응답하여 상기 오존발생수단의 오존주입량을 제어하는 제어수단을 포함하는 수처리 시스템.
- 제 8 항에 있어서,상기 오존산화처리 반응조에 과산화수소를 공급하기 위한 과산화수소 주입펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리 시스템.
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