전세계적으로 환경에 대한 관심이 높아지면서 산업용 폐수의 처리와 관련한 각종 표준들은 시간이 흐를수록 그 규제정도가 계속 강화되고 있다.
새로운 법규의 제정이나 산업 생산물들의 변화 등으로 인해 엄청난 정화능력을 보유한 정화플랜트를 구축해야 하는 상황에 처해있으며 엄격한 배출제한 규정을 준수하고 배출수의 수질도 재활용이 가능한 수준으로 유지해야 한다. 또한 이를 위해서는 불가피하게 별도의 처리공간을 마련해야 한다는 점도 산업체들에게는 큰 부담으로 작용한다.
이러한 과정속에서 현재 기업들에게는 산소(O2)와 탄산(CO2)가 가장 효과적인 대안으로 부각되고 있다. 산소를 사용하면 기존 플랜트의 처리능력과 효율을 눈에 띄게 향상시킬 수 있어 막대한 신규 설비투자 없이도 향후 다가올 위험에 대비할 수 있기 때문이다.
또한 기존 플랜트들이 설비증설이나 교체시 효율성 증진을 위해 일반적으로 채택하는 ‘다층필터(packed bed filter)’나 ‘생물학적 막 시스템(biological membrane system)’ 등의 생물학적 필터들도 고순도 산소와 함께 사용될 때 비로소 최대의 효과를 발휘한다.
특히 탄산(CO2)의 경우 오존(O3)처럼 폐수 내부의 구성물들과 반응해 제거하기 어려운 오염물질을 생산해지 않기 때문에 알칼리성 폐수의 중화에 상당한 이점을 지니고 있다.
오존도 폐수의 살균작용과 산화작용에서 상당한 역할을 담당하고 있다.
결국 이러한 연구는 현대 기술에 산업용가스가 접목될 때 비로소 모든 잠재적 능력을 이끌어낼 수 있음을 다시 한번 증명하는 계기가 될 것으로 판단된다.
수처리와 산소의 역할
고순도 산소는 질소 밸러스트(ballast) 없이 대기중의 산소를 응축한 것이다. 이러한 특징은 산소가 다양한 공정에서 최상의 잠재적 능력을 보유할 수 있도록 만든다.
먼저 산소는 적은 에너지로도 물에 즉시 용해되기 때문에 처리량이 큰 폭으로 상승한다고 해도 이에 쉽게 대응할 수 있는 유연성을 지니고 있다.
또한 단지 4%의 공기를 투입하는 것만으로 고순도 산소를 생산할 수 있어 상대적으로 저비용으로 장비의 구축이 가능하고 연무(煙霧)의 생성이나 악취를 풍기는 부산물의 발생도 줄일 수 있다. 여기에 필터를 사용함으로서 나타나는 수압(水壓)의 변화에 의한 기능장애 발생률도 낮으며 특히 원치않은 부유물을 처리하기 위해 복잡한 공정을 거칠 필요도 없다.
예컨대 활성화 저주지 내부에서 질소 과포화 현상이 나타나면 가스를 제거하기 위한 별도의 정화단계가 추가로 필요하다.
고순도 산소의 공급으로 얻을 수 있는 이같은 경제적 효용성들은 오직 적절한 산소공급장치의 설치를 통해서만 현실에서 적용할 수 있다.
실험결과에 따르면 특수제작된 산소처리기(산화장치)와 주입기 그리고 구멍을 뚫은 배관<그림-1>을 함께 사용할 때 가장 효과가 높은 것으로 조사됐다. 물론 시스템의 선택이나 시스템들의 연동은 각각의 구체적인 상황에 따라 달리 적용될 수 있으며 비용, 전력사용 여부, 탱크, 폐수 집적시설의 모양 등이 중요한 매개변수의 하나이다.
산소주입시스템의 적용
산소 주입시스템을 실제 폐수정화공정에 적용함으로서 얻어낼 수 있는 현실적인 효용성은 너무나도 많다. 가장 일반적인 효과는 악취제거로 오수처리장에서 발생하는 악취는 산소가 부족하다는 것을 의미하기 때문에 산소주입을 통해 즉시 악취를 제거할 수 있다. 실제로 지난 1981년 개발된 고순도 산소시스템은 별도의 부가적인 공정 없이도 악취를 거의 완벽하게 제거하고 있으며 과거 20년간 큰 문제없이 성공적으로 사용된바 있다.
보다 전문적인 관점에서 살펴보면 첫째 산소는 처리해야하는 오수(汚水)의 량이 수처리 장비의 능력을 넘어서 설비의 과부하 상태를 초래할 때 가장 효과적인 대안으로 떠오르고 있다.
일례로 최근 맥클랜버그(Mecklenburg)에 위치한 한 감자 가공공장이 생산능력을 확충하면서 산소공급시스템을 적용해 많은 효과를 보고 있다. 최초 이 회사는 SBR(Sequencing Batch Reactor)을 추가 설치하는 등 폐수처리 장비를 확충했음에도 불구하고 원하는 정도의 처리효율을 얻는데 실패했다. 그러나 2대의 SBR 중 한 대에 산소공급시스템을 설치한 후 배출농도 제한 규정을 준수하는 만족할만한 정화효과가 나타난 것이다.
독일의 한 낙농공장에서도 처리능력에 맞춰 주문제작한 통기장치(aerator)가 일시적인 산소부족현상으로 인해 기본 처리량의 최고 280%에 이르는 과부하가 발생했지만 이 또한 부분적인 산소처리시스템을 통해 해결했다.
이처럼 현재의 기술은 수처리에 필요한 산소 요구량이 상당한 수준에 이른다 하더라도 부분적인 산소발생시스템을 설치하는 것만으로 안전하게 위의 조건을 충족시킬 수 있는 수준에 이르렀다.
둘째로 질화(nitrification) 및 탈질화(denitrification) 작용에 있어서도 산소는 핵심적인 역할을 수행한다. 2001년 현재 유럽지역에서는 법률에 따라 3단계에 걸친 정화공정을 통해 질소혼합물을 제거해야만 하는데 이를 위해 최근 질화작용에 산소를 활용함으로서 그리고 생물학적 농도를 높임으로서 처리효율을 주목할만한 수준으로 향상시킨 제품이 개발됐다.
이 방식은 전처리와 후처리 공정 중간에 통기시스템(aeration system)만을 설치했던 지금까지의 공정과 달리 전처리 및 탈질화→산소매트(O2 Mat)를 활용한 질화→후처리 순으로 공정이 이루어진다. 실험결과 산소는 기존 통기 시스템의 보조적 역할을 수행하기도 하지만 아예 이를 대체할 수도 있는 것으로 나타났다.
세계최대의 산업용 폐수처리 플랜트인 독일의 BASF플랜트 역시 질화공정에 고순도 산소를 사용하고 있다.
산소주입을 통해 얻을 수 있는 효과중 세번째는 질소의 과포화 및 과다한 부유물질 생성을 방지할 수 있다는 점이다. 수처리 장이나 탱크의 깊이가 깊을 경우 그리고 소위 deep shaft시스템의 경우 통기장치로 인해 종종 액화된 질소의 농도가 고도화된다. 이렇게 과포화된 질소는 산소와 달리 미생물에 의해 분해되지 않으며 정화를 위해서는 모래톱 등을 활용한 별도의 공정을 거쳐야만 한다. 대다수 수처리장의 표면에 떠다니는 부유물들은 바로 이같은 추가적인 정화과정에서 처리능력 이상의 배출물질이 발생하면서 나타나는 것이다.
이때 탱크내부에 압축공기 대신 산소를 지속적으로 또는 주기적으로 공급하게 되면 질소과포화 지수가 감소하고 최종 정화공정에서도 별다른 문제가 발생하지 않는다.
실험에 따르면 3백PE의 파일럿 플랜트에서 수중깊이가 10미터일 경우 최종 정화단계에서 약 150%의 질소 과포화가 나타나는 것으로 밝혀졌다.
모래 정화 필터와 산소
네번째로는 산소 통기필터를 사용해 손쉽게 정화가 가능하다는 점이다. 일반적으로 폐수에 포함된 부유물질을 제거해야 하거나 낮은 오염물질 배출율이 요구될 때에는 생물학적 여과장치를 사용한다. 특히 작고 경제적인 시스템으로 모래를 이용한 2단계 필터(그림-2)가 자주 채용되며 생물학적 저토(底土)나 필터의 매개체로서 규소를 사용한다.
이 플랜트들은 영구적으로는 물론 일시적으로도 사용이 가능하며 최초의 호기성(好氣性, 산소가 존재하는 조건하에서 생육하는) 처리단계에서 산소가 공급될 때 최적의 상태를 유지할 수 있다. 생물학적 필터의 장점으로는 가스발생이 적어 여과에 용이하고 악취 발생시키는 물질의 생성률이 낮고 예기치 않은 석회 침전물이 없다는 것 등을 들 수 있다.
모래필터를 거친 뒤 배출되는 폐수에 포함된 부유물의 량은 1리터당 10㎎에 불과한데 이는 냉각수 등 비교적 민감한 생산공정에서도 곧바로 재활용할 수 있는 수준이다.
구체적으로 모래필터는 10분 미만의 시간만으로도 고형(固形)물질의 제거와 탈수가 가능하다. 단시간에 99%이상의 MAHC(1환식 방향성 탄화수소)와 92%의 이상의 PAHC(다환식 방향성 탄화수소)를 제거해 배출수내의 MAHC와 PAHC의 함유량은 모두 3㎍/ℓ미만이다.
또한 모 폐지 재활용공장에서 모래필터를 사용해본 결과 2.7㎏ S/㎥ d의 황화물이 유입될 때 97%이상이 제거됐고 배출비율은 1㎎/ℓ에 지나지 않았다. 고형 부유물질의 제거율도 80%에서 최대 100%까지 달했으며 20㎎/ℓ만이 외부로 배출됐다.
생물학적 막 시스템과 산소
지금까지 정화의 마지막 단계인 폐수처리를 위해 사용해왔던 생물학적 막(membrane)시스템이 최근 들어 간편하고 신뢰성 있는 초정밀 여과 시스템으로 전환되고 있다. 이 새로운 시스템은 기존 방식에 비해 침전물의 량이 3～8배 가량 많아 그만큼 탁월한 효과를 보인다.
이에 발맞춰 생물학적 막 시스템도 고형 부유물질을 생성하지 않으며 목욕용으로 사용할 수 있을 정도로 위생적이라는 장점을 살려 보다 간소화되는 경향을 보이고 있다.
어쨌든 이미 언급한바와 같이 생물학적 막 시스템이 그 잠재능력을 최대한 발휘하기 위해서는 통기장치에 산소를 공급하거나 통기장치를 산소공급시스템으로 교체해야 한다. 그러나 폐수내의 침전물은 비정상적일 정도의 점성(粘性)을 가지고 있어 산소주입시스템이 통기장치내에서 기포를 발생시키는데 상당한 어려움을 초래한다.
이에 따라 점성이 높은 슬러지가 발생하는 상황에서는 이를 극복하기 위해 별도의 산소생성장치를 부착하는 것이 정화효과를 높이는데 보다 효율적이다.
<그림-3>은 산소생성장치의 역할과 이로 인한 수처리 구조의 변화를 잘 설명하고 있다.
결국 산소는 단순한 보조가스로 사용되더라도 배출가스에서 산소가 검출될 정도로 잔존력이 높아 2차, 3차 공정에 고순도산소를 주입할 필요가 없음은 물론 공정자체를 보다 손쉽게 처리할 수 있도록 도움을 준다.
탄산의 중화작용
알칼리성 폐수는 산소를 통한 정화공정 이전에 반드시 이를 중화하는 과정을 먼저 거쳐야만한다. 중화 없이는 산소의 정화작용 또한 아무런 효과를 보지 못하기 때문이다.
산업용가스인 탄산(CO2)이 바로 이러한 중화처리와 pH지수(potential of Hydrogen, 수소 이온 농도를 나타내는 지수) 조절에 가장 핵심적 역할을 수행하고 있다.
화학량적으로 비교할 때 탄산은 미네랄 산(酸)에 비해 월등히 낮은 소모량을 지니고 있으며 특히 중화작용이 일어나는 동안 탄산이 완전히 화학적으로 분해될 때는 더욱 그렇다. 이 때문에 탄산은 어떠한 중화제보다도 가격면에서 저렴하다.
또한 탄산은 황산염이나 염화물에 의해 이온의 생성이 증가할 우려가 없음은 물론 황산염과 염화물의 화학적 반응에 의한 부식의 염려에서 자유롭다. 이로 인해 탄산이 상대적으로 적은 비용을 투자해서 뛰어난 중화효과를 기대할 수 있는 것이다.
<도표-1>은 미네랄 산과 탄산을 사용했을 때의 각각의 중화효과를 비교한 것으로 산에 비해 탄산의 중화곡선이 더욱 완만한 것을 볼 수 있다. 도표에서 알 수 있듯이 원하는 pH지수를 얻기 위해 탄산은 특정 범위의 용량을 사용하면 되는 반면 산은 그 폭이 매우 좁으며 사용량도 탄산에 비해 많아야 한다. 결국 탄산은 산에 비해 적정 사용량을 넘어설 가능성이 낮아 별도의 정밀한 조절장치를 사용할 필요도 없다.
오존의 살균 및 산화작용
폐수에 유기화합물이 포함되어 있어 생물-화학적 분해가 쉽지 않은 경우 또는 재활용을 위해 정화된 폐수내부에 생물학적인 활동이 최소화되어야 하는 경우에는 주로 오존(O3)을 처치한다. 오존은 불소를 제외한다면 현존하는 산화제중 가장 강력한 물질로 인체에 유해한 부산물을 생성하지 않으며 정화처리된 물의 이온량도 증가하지 않는다.
그러나 오존은 저장해 사용할 수 없기 때문에 항상 산소를 원재료로 하는 오존발생장치에 의해서만 생산된다.
산업용 용도로서의 오존은 일반적으로 오존 1㎏에 8～12kWh의 에너지를 투입해 10～14% 농도의 오존이 만들어진다. 산소만으로 고농도의 오존을 만들어낼 수 있다는 사실은 물속에서 오존을 용해하고 반응을 일으키기 위해 필요한 장비의 크기나 에너지의 총량이 줄어든다는 점에서 매우 유리하다.
구체적으로 오존은 호기성 생물학적 처리의 효율을 배가시켜 준다.
생물학적 분해가 어려운 물질들에 대한 오존의 역할에 초점을 맞추어 보면 오존처치공정은 대개 생물학적 처리가 진행된 이후에 본격적으로 시작된다. 이때 잔여물 및 생물학적 분해가 힘든 혼합물들은 오존이 투입됨으로서 이후 공정에서는 보다 쉽게 반응이 일어날 수 있도록 부분적으로 산화된다. 폐수의 비(非) 생물학적 분해성 정도는 COD(화학적 산소요구량)과 BOD(생물학적 산소요구량) 등으로 측정할 수 있는데 수치들이 낮을수록 생물학적 방식의 폐수 정화는 손쉽게 이루어진다.
한 펄프공장에서는 오존의 공급으로 COD와 BOD의 비율을 8에서 3으로 감소시켰으며 COD를 기준으로 한 전체 시스템의 정화율도 45%에서 최고 80%이상으로 2배 가까이 상승했다. 또한 섬유 산업체들은 폐수의 탈색을 위해 그리고 의약산업에서는 폐수내의 감염성 세균들의 살균 및 박멸에 오존을 사용하고 있다.
특히 경제적인 이유로 공정수(process water)를 재사용 할 때에는 종종 내부에 잔재된 유기물들의 생물학적 활동으로 공정수에서 악취가 나거나 점성물질로 변하기도 하는데 오존은 이온의 증가를 초래하지 않음으로 비교적 저렴한 비용으로 생물학적 활동을 억제할 수 있다.
오존은 또 냉각수에 있어서도 큰 효용성을 발휘하는데 실험결과 단 0.1～0.3g/㎥의 오존을 투입하는 것만으로 미세유기물 및 조류(藻類)의 발달 감소, 점성물질 생성 억제, 에너지 소비 감소, 전체 정화비용 감소, 이온 증가 억제 등의 효과가 나타난다. 다시 말해 오존은 기존 폐수처리 기술들이 최상의 능력을 나타낼 수 있도록 도움을 주는 최고의 조연인 것이다.
