TECHNICAL UV
U V
ETC
하수처리장 UV살균
1. 자외선살균의 필요성
(1) 국 내 여 건
우리나라는 하수처리장의 여과공정이 충분하지 못하여, 방류수내의 오염물질이나 유해세균이 상대적으로 많은 편에 속한다. 정부당국에서도 이의 심각성을
인식하여 관련법규를 제정하였고 2003년부터 대규모의 예산을 책정하여 하수처리장신설과 이의 살균처리에 노력하고 있다. 그러나 자외선살균장치가 터무
니없이 고가로 형성되어 있고, 보편성이 없는 특수한 램프만을 적용하여 외국업체나 특정업체의 독점적 시장이 되어가고 있는 실정이다.
[전형적인 하수처리장 유입수의 병균 및 지표세균의 농도]
Organism | Number/100ml | |
Minimum | Maximum | |
Total Coliforms | 1,000,000 | ㅡ |
Fecal Coliforms | 340,000 | 49,000,000 |
Fecal Streptococci | 64,000 | 4,500,000 |
Virus | 0.5 | 10,000 |
(2) 자외선살균의 장점
대부분의 상ㆍ하수도에는 염소 사용하여 소독을 하고 있다. 그러나 염소를 사용할 경우는 미량이나마 발암물질인 THM(Trihalometane)이 생성되고,하류
생태에 나쁜 영향을 미치는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 없애기 위하여 세계각국에서는 자외선을 이용하여 살균을 하기 시작하고 있고, 자외선 살균은
장치가 간단하고,부산물이 없을 뿐 아니라,잔류하지 않아 생태계에 미치는 영향이 전혀없고,과다사용하여도 전혀 문제가 없는 장점이 있다. 다만, 자외선은
투과율이 중요한 변수이므로, 유입수의 SS가 30㎎/ℓ 이하가 되도록 여과등의 장치가 선결되어 자외선투과율이 60%이상이 되도록하여야 한다.
[재래식 하수처리공정에서의 미생물 제거율 Organism]
Organism | 1차 처리 후 제거율(%) | 2차 처리 후 제거율(%) |
Total Coliforms | < 10 | 90~99 |
Fecal Coliforms | 35 | |
| Shigella sp | 15 | 91~99 |
| Salminella sp | 96~99 | |
| Escherichia coli | 90~99 | |
Virus | < 10 | 76~99 |
| Entamoeba histolytica | 10~50 | 10 |
[가정오수의 처리정도에 따른 대장균 군수의 변화]
| 수 질 | BOD (mg/ml) | TSS (mg/ml) | Total N (mg/ml) | Total Coliforms (#/100ml) | Fecal Coliforms (#/100ml) |
| 원 수 | 200 | 200 | 35 | 10의7승~10의8승 | 10의8승~10의7승 |
| 1차 처리 수 | 130 | 100 | 30 | ||
| 2차 처리 수 | 20 | 20 | 20 | 10의5승~10의6승 | 10의4승~10의5승 |
| 2차 처리 후 여과 수 | 12 | 5 | 18 | 10의4승~10의5승 | 10의3승~10의5승 |
| 질산화 수 | 7 | 10 | 10의4승~10의5승 | 10의3승~10의5승 | |
| 질산화 후 여과 수 | 5 | 5 | 10의4승~10의5승 | 10의3승~10의5승 |
[살균방식별 장단점 비교]
| 항 목 | 자외선 소독설비 | 오존 소독설비 | 염소 소독설비 |
| 원 리 | 자외선이 수류 내의 미생물에 조사되어 미생물의 DNA구조를 파괴시켜 살균. | 오존화 된 공기를 산기관 또는 인젝터를 통해 접촉조에 수입하여 살균. | 압축된 액체염소(99.8% CI2)를 액화가스 실린더로 주입. |
장 점 | 인체에 위해성이 없다 지속적인 살균기 가능. 살균효과가 큼 반응시간이 매우 짧고, 설치 및 운전이 용이 유지비가 가장 저렴하다. | 생물학적으로 난분해성유기물을 분해성 물질로 전환시킬수 있다. | 살균효과가 크다 염소 구입이 용이하고 가격이 저렴하다 박테리아에 대해 효과적이다. |
단 점 | 여과장치가 필요하다 잔류효과가 없다. | 저장 할 수 없다 초기 투자비 및 부속설비가 비싸고, 소독의 잔류효과가 없다 상수에 대해서는 염소처리의 반응이 필요하며 전력 비용이 과다하다. | 불쾌한 맛과 냄새가 나고 바이러스에 대해 효과도미미할 뿐더러 인체에 위해성이 높다 . 발암물질(THM)을 유발하고,폐수의 염화물함유량이 증가와 산의 생성으로 알칼리도가 낮은 폐수는 pH가 감소한다. 처리수의 고형물증가하고, 염소접촉조로부터 휘발성 유기물이 생성된다. |
2. 자외선살균장치의 설계
(1) 각 사(社)별 설계기준
현재까지 살균력이 가장 큰 UV-C(200~280nm)를 85%~90%까지 발생시키는 저압 수은 아크램프(Low Pressure Mercury Slimline Lamp)가 널리 소독
시스템에 이용되어 왔다. 일반적인 램프의 구조는 램프속에 채워진 수은 증기가 진공상태 또는 아르곤 상태의 최적압력에서 최대의 살균력을 나타내는
253.7nm를 효과적으로 방출시키도록 되어 있다. 또한, 전자를 방출할 때 수은증기압이 낮을수록 253.7nm의 파장에서 수은 공명도가 더욱 강해지도록 하여
UV-C를 90%까지 출력시킬 수 있다는원리로 제작되고 있다. 저압램프(통상 100W~300W)는 긴 실린더 형으로 램프의 길이 및 두께는 제작사에 따라 달리
제작 생산되고 있으며 램프길이가 길수록 경제적이다. 최근 하·폐수 처리장의 소독을 위하여 기존의 저압 램프를 대체시키기 위한 중압램프(1.8kW~3.0kW)와
고압램프가 개발되었는데, 그 기본원리는 저압램프와 동일한 수은증기 전자방출에 의해 소독에 필요한 자외선을 출력시킨다.
항 목 | A | B | C |
설계인자 - 처리유량 (m3/day) - 투과율 (%) - 방류기준 (MPN/ml) - 수로내유속 (m/sec) - 체류시간 (sec) - 강도 (uWsec/cm2) - 조사량 (uWsec/cm2) | 130,000 65% 1,000MPN/100ml 0.8 3.16 12,198 38,546 | 130,000 60% 1,000MPN/100ml 0.636 4 7,320 29,280 | 130,000 65% 1,000MPN/100ml 1.34 1.9 12,250 23,275 |
램프사양 - 램프종류 - 소비동력 (watt) - 램프출력(watt) - 램프수명(hr) - 체류시간 (sec) - 램프온도 (℃) - 램프비용 (원) | 고출력 저압 500 150 12,000~15,000 80~100 450,000 | 고출력 저압 500 125 12,000~15,000 110 450,000 | 고출력 저압 250 76 8,760 180~200 300,000 |
안정기 | 1등용 | 2등용 | 2등용 |
자외선 설비 구성 - 수로 - 뱅크 (수로당) - 모듈 (뱅크당) - 램프 수 (모듈당) - 총 램프 수 | 2 2 7 6 168 | 2 2 6 12 288 | 3 2 8 8 384 |
수로크기 - 길이 (m) - 폭 (m) -깊이 (m) | 9.5 1.1 1.4 | 9.5 1.5 1.3 | 9 1.3 1.5 |
| 세척 시스템 | Wiping Scraper에 의한 기계적 자동세척(Scraper 내부에 스테인리스제의 철망구비하여 슬리브 외부의 녹조류 완전제거 가능) | Wiping Ring (재질 : 테프론)에 의한 기계적 자동세척 | 기계 및 화학적 자동세척 별도의 화학약품이 필요함(Lime-A-Way) |
| 전자식 안정기 | 수중형으로 램프 끝단에 연결(수냉식) 수명 : 15년 | 판넬속에 취부된 구조 (공냉식) 수명 : 5년 | 뱅크 후레임에 부착된 구조(공냉식) 수명 : 5년 |
| 수위조절장치 | 웨어케이트 | 전통웨어에 의한 자동조절(하부로 열리는 구조) | 웨어게이트 |
| 유량에 대한 대응성 | 뱅크 타입으로 유량에 뱅크를 on/off제어가 가능하다.(UV-C 출력제어 가능) | ||
(2) 공정별 설계기준
가. 수로 (Channel)
자외선 소독시설에서는 UV 램프 모듈이 설치되는 소독수로를 함께 설계해야 한다. 용량이 작은 하수처리장에 서는 스테인레스 스틸 재질의 패키지 타입으로
제작하여 사용할 수도 있으나 용량이 큰 하수처리장에서는 철근콘크리트 구조물의 수로에 소독장비를 장착하여 운영한다.
모듈은 여러 개의 램프를 하나의 단위로 묶은 것 이며 뱅크는 수개의 모듈이 합쳐져서 구성된다. 램프와 모듈, 뱅크의 규격은 설계시 제품의 특성을 충분히
파악하여 결정하여야 하고 소독수로는 다음사항을 고려하여 설계하여야 한다.
① 설계유량은 1일 최대 유량으로 하고 합류식의 경우에는 우천시의 설계유량을 고려한다.
② 수로의 치수는 설계 안전인자를 고려하여 UV 램프 모듈이 밀집하여 배치될 수 있고 적은 소요부지를 요하도록 설계한다.
③ 수로 유입부에는 스크린을 설치하여 작은 부유물이나 조류 덩어리가 램프와 모듈사이에 걸리는 것을 방지하며, 유출부에는 수위조절장치 를 둔다.
④ 수로에는 격자모양의 뚜껑을 덮어 유지관리를 용이하게 한다.
| 형 태 | 수로형 | 관로형 |
| 추가장비 | 추가장비 필요없음. | 시스템 수두가 적당하지 않으면 원수가 자외선 시스템을 통과시키기 위해 펌프가 추가적으로 필요하다. |
| 석영관 및 씰 | 석영관 혹은 씰에 파열되더라도 시스템 전체에 미치는 영향이 적다 | 석영관 혹은 씰이 파열되면 자외선 소독 시스템이 범람하여 소독이 이루어지지 않는다. |
| 시스템 유지관리 | 램프와 석영관에 오류가 생기더라도 소독 시스템은 보수를 위해 가동을 멈추지 않아도 된다. | 램프와 석영 슬리브에 오류가 생기면 전체 소독시스템은 보수를 위해 가동을 멈추어야하므로 100% 대체 시스템이 필요하다. |
| 성능 | 이물질이 시스템 밖으로 유출되어 완벽한 세척 작용으로 자외선 소독 효율이 일정하다. | 이물질이 배플과 자외선 소독조 내 세척 시스템 내에 잔류하여 수두 손실이 높아지므로 자외선 소독 효율이 떨어진다. |
| 모듈성 | 모듈성이 우수하다. | Open Channel에 비해 모듈성이 부족하다. |
| 전력량 | 고출력 저압램프를 사용하므로 전력비가 적게 소요된다. | 중압 램프를 사용하므로 전력비가 많이 소요된다. |
나. 설계유량
합류식 지역의 하수처리장에서는 우천시 발생되는 유량을 일차침전지 및 우회 수로를 통해 소독시켜 방류시켜야 한다.
그러나 통상 우천시의 유량은 청천시 하수량의 3배에 달하므로 이를 모두 자외선으로 소독하는 것은 경제적으로 낭비가 된다. 또한 우회된 하수는 일차처리만
을 거친 것이므로 탁도가 높아 이차처리수와 혼합하여 UV 소독을 하면 오히려 소독효과가 저하되어 비효율적이다.
따라서 이 경우 이차 처리수 만을 UV로 소독하고 우회 유량은 별도의 수로에서 비상 염소소독에 의해 소독을 하거나, 그대로 방류시키는 것이 불가피하다.
비상시의 염소소독은 설비비가 적은 차아염소 산소다 또는 클로르칼키 소독이 바람직하다
다. 구조물 배열
수로는 요구되는 램프 수의 배치형태에 의해 규격이 결정되고 자외선이 병원성 미생물을 소독할 수 있도록 체류시간을 충분히 가져야 한다.
저압램프의 경우는 처리 대상 수질에 따라 다르지만 4~14초로 광범위하고 중압램프의 경우에는 1초 내이로 하며 소독의 안전성 확보를 위하여 가급적 접촉시
간이 길수록 유리하다. 램프 배열에 의해 수로 깊이가 지나치게 깊어지지 않도록 주의해야 하고 유속이 커져서 손실 수두가 커지지 않도록 수리계산을 적절히
수행하여 플러그 흐름형 흐름을 유지하며 전체 영역에 걸쳐 자외선이 방사되어 소독될 수 있도록 UV설비에 적합한 구조를 가져야 한다.
수로의 규격은 UV설비 제작 회사에 따라 달라지게 되므로 설계전에 UV 제작설비업체에 문의하여 설계하여야 한다.
라. 전처리 및 수위조절
1차 처리수를 소독할 경우에는 수로 상단에 전처리 설비를 갖추면 조류와 작은 부유물이 램프 사이에 기어 램프가 손상되는 것을 줄이고 오염도를 최소화
시킬 수 있으며, 결국 자외선 소독의 효과를 증대시키게 된다. 그러나 통상적으로 이차처리수의 소독에는 전처리 설비를 하지 않는다. 또한 방류 수문을 설치
하여 수위를 항상 일정하게 유지해야 하고, 살균에 효율적인 단면적을 제공하여 최종유출수가 소독되지 않고서 방류되는 것 을 막을 수 있도록 한다.
또한 플러그 흐름형 흐름을 도모하기 위해 자외선 램프 전단부에 정류벽을 두는 것 이 좋다.
마. 유지관리
수로 전체 길이에 걸쳐 격자상의 그레이팅을 설치하면 유지보수 및 운영자의 안전을 도모하여, 외부 물질이 수로 내에 유입되어 소독에 영향을 미치지 않도록
한다. 이때 램프, 모듈 또는 기타 부수 장비의 유지관리를 위한 적당한 공간이 수로 주변에 마련되어야 한다.
(3)자외선장치
가. UV램프와 UV모듈
UV 모듈은 석영슬리브로 보호된 여러 개의 램프로 구성되는데, 램프가 수면 위로 노출되면 램프의 성능에 영향을 준다. 이는 램프 전극의 한 극이 물에 잠겨
있고 다른 한 전극이 대기에 노출되어 있는 상태가 되어 두전극이 다른 온도에서 운영되므로 램프수명이 짧아지게 된다.
또한 램프의 on/off 빈도를 증가시키면 램프 수명 단축의 원인이 된다. 자외선에 노출되는 금속은 스테인레스 스틸제이거나 테프론으로 코팅되어야 하고,
램프와 램프 보호용 석영 슬리브를 다룰 때에는 충격에 주의하여야 한다.
자외선 램프의 조립은 UV 램프, 석영슬리브, 전선 및 슬리브 끝을 봉하는 조작을 포함하며, 설비의 유지, 보수를 위해 램프 모듈을 운전되고 있는 상태에서
꺼낼 때는 반드시 전원공급기와 연결된 플러그를 분리시켜야 하나, 부득이한 경우 뱅크내에서 램프 모듈을 꺼낼 때 얼굴가리개를 착용하도록 한다.
일반적으로 하수 이차처리수 소독의 경우, 저압 램프는 12,000시간의 운전후에25mW/cm2~35mWch/cm2 의 조사량이 유지되고, 중압 램프의 경우에는
5,000시간 운전 후에 45mW초/cm2이사의 값이 조사될 수 있게 설계한다. 그러나 이는 일반적인 사양이므로 대장균의 다소에 따라 필요 UV 조사량이 결정
되어야 한다.
· UV 모듈이란 UV 반응조에 UV 램프를 2개, 4개, 6개 및 최대 20개까지 설치가 용이하도록 묶은 형태를 말하며, 이러한 모듈의 집합이 한 단위를 형성하게
되는데 이것을 통상 UV 뱅크라 칭한다.
나. 모듈지지대
수로내에 램프 모듈을 유수의 흐름에 안정되게 지지하고 부식에 견딜 수 있도록 스테인레스 스틸제로 제작된다.
다. 자외선검출시스템
UV 검출 센서는 장시간 사용해도 성능이 저하되지 않고 254nm에서 90% 이상을 측정할 수 있는 것으로 하고 공장에서 조정되어야 하며, 현장에서 조정이
되는 감지기의 사용은 바람직하지 않다. 검출기로는 UV 센서(UV sensor)와 UV 광도계(UV photometer)가 주로 사용된다.
UV 센서는 램프의 이상 상태를 측정하여 램프의 교체시기를 알려주며, UV 광도계는 UV 램프 세정시간 및 램프, 모듈의 이상 상태를 감지하여 설비의 이상
유무를 알 수 있게 한다.
라 전력분배장치 및 시스템제어장치
전력분배장치는 UV 램프에 전기를 공급할 수 있는 완전 조립형으로, 시스템 제어장치까지 접속단자, 전원공급 및 분배, 연결통신 선로로 구성된다.
시스템 제어장치까지 접속단자, 전원공급 및 분배, 연결통신 선로로 구성된다. 시스템 제어장치에는 자외선 램프의 운전상태가 나타나며, 각 부분의 비정상적
인 상태를 경보로 운영자에게 알려주는 방식이 사용된다. 또한 이 장치에 원격감시 시스템을 부착하여 원격지역(중앙제어실)에서 본 장비의 이상 유무를 확인
할 수 있도록 하는 것이 이상적이다.
마. 수위조절장치
한 개의 뱅크로 운영되는 처리장에서는 수위조절을 위해 전폭 웨어 등을 이용하며, 1개 이상의 뱅크 로 구성되는 중규모 이상의 소독처리 시스템에서는 일반
적으로 균형추에 의해 작동되는 자동수위조절장치, 초음파 수위조절센서의 신호에 대응하여 작동하는 모터구동형 자동수위 조절장치 등이 이용된다.
바. 세척시스템
세정방법은 처리용량에 따리 수동세척과 자동세척으로 구분된다. 소규모의 처리시스템에 사용되는 수동세척 방법은 간단히 세척 랙크에 자외선 모듈을 걸어
놓고 직접 손으로 세척하는 방법이며, 이보다 다소 큰 처리 시스템에 적용되는 바퀴 등이 달린 이동이 가능한 소형 세척탱크에 낱개의 모듈을 넣고 세척하는
방법이 있다. 그러나 수동세척은 소요시간이 길고 화학약품을 다루는데 위험성이 따르고, 중규모와 대규모 처리시스템에서는 오버헤드 크레인 등을 이용하여
전체 모듈 묶음을 들어내어 세척탱크에 넣고 세척한다. 소형 세척탱크 내에서의 세척효과를 높이기 위해 약산이 첨가된 물을 이용하여 세척한다.
자동세척은 최근에 개발된 방법으로 소독처리중에 동시에 세척이 가능한 자외선 장비에 내장된 세척 시스템을 말하며, 주로 대용량의 처리시스템에 적용되며,
세척주기는 현장 여건에 따라 세척주기를 입력하여 자동으로 수행하며 1년 정도에 한번씩 화학세정을 한다. 세척액은 인산이나 석회석용액이 주로 사용되며,
화학세제나 희석된 산성 용액이 사용되기도 한다.