캐비테이션

캐비테이션(cavitation) 현상에 의한 수산화라디칼 생성은 1960년대부터 활발히 연구되어온 초음파캐비테이션(ultrasonic cavitation)연구를 통해 널리 알려졌다. 물에 초음파를 조사함으로써 발생되는 캐비테이션 현상은 초음파 에너지가 투입됨에 따라 희박(rarefaction)영역이 발생되어 결국 수중에 캐비티(cavities)가 형성되고 이 캐비티가 붕괴하면서 국지적으로 고온, 고압이 발생되는 현상을 뜻한다. 이 때 발생되는 국부적인 고온 고압의 조건이 물분자를 깨뜨려 수산화라디칼을 만들고, 결과적으로 과산화수소도 생성되는 것으로 보고되었다. 이에 비해 1990년대 이후로 연구가 늘어나고 있는 수력학적 캐비테이션(hydrodynamic cavitation) 현상은 음파대신 오리피스 전후에 발생되는 압력차에 의해 형성되는 캐비티의 붕괴에 따른 것으로 그 원리는 크게 상이하다. 2가지 상이한 캐비테이션에 대한 차이점과 공통점에 대한 간단한 요약으로 참고문헌내용을 참고할 수 있다.

참고문헌

남궁규철, 수력학적 공동현상의 원리와 수처리에의 응용, 대한토목학회지 55(10) (2007).

 

H2O2의 화학적 구조

물분자인 H2O의 구조는 잘 알려져 있듯이 가운데 산소원자가 그 양쪽에 수소원자가 위치하며, 산소쪽으로 수소가 가까이 붙어서 세 원자 사이의 각도가 약 105도를 이루고 있다. 이와 유사하게 H2O2는 가운데에 산소원자 2개가 위치하고 그 측면에 수소 2개가 각각 붙어 있는 구조를 갖는다. 하지만 그 구조는 물분자와 상당히 다르며 다음 그림과 같다.

결합의 세기는, O-O 의 경우 51 ± 1 kcal/mole, H-O의 경우 90 ± 2 kcal/mole 로 알려져 있다. 즉 산소와 산소 결합이 산소와 수소 결합보다 약하다는 것을 나타낸다.

참고문헌

www.h2o2.com – technical library

 

 

활성슬러지(activated sludge)의 유래

오늘날 가장 널리 사용되고 있는 하수처리방법인 ‘활성슬러지 공정(activated sludge process)’은 대부분의 과학적 발견이 그러하듯 100여년 전 우연히 발견된 것이다. 1912년 영국 맨체스터대학의 Gilbert Fowler 박사는 맨체스터사(Manchester Corporation)의 화학기술 컨설턴트로 일하면서 맨체스터의 동료들인 Edward Ardern과 William Lockett에게 기초적인 폭기 실험과 침전 실험을 제안하였고, 1914년까지 일련의 실험을 통해  Ardern과 Lockett은 하수(sewage)에 공기를 불어 넣을 때 양털모양의 부유입자(suspended solids)가 생성됨을 알게 되었고, 이 입자들을 시스템내에 유지하면(침전 시킨 후 이를 농도를 유지하면서 계속 사용하면) 하수 속 유기물질을 제거하는데 필요한 시간을 몇 일에서 몇 시간으로 단축할 수 있음을 발견하였다.

초기에 부유입자, 즉 침전에 의해 다시 모아 사용할 수 있는 슬러지를 ‘활성화(activated)’ 되었다고 불렀고, 이것이 ‘활성슬러지 공정’이라는 이름의 유래이다.

참고문헌

Rittmann and McCarty, Environmental Biotechnology, McGraw-Hill (2002).

Cooper, Decentralised Sanitation and Reuse, Concepts, Systems and Implementation Part I: 2. Historical aspects of wastewater treatment ,IWA Publishing (2001)

슬러지감량화 실증 결과 – 2016 대한환경공학회 발표

2016년 11월 16~18일에 경주 화백컨벤션센터(HICO)에서 대한환경공학회 학술대회가 열렸다. 이 학술대회에서 에스워터(주)의 대표이사는 1800톤/일 규모 SBR 공정 하수처리장의 슬러지 감량 실증 결과를 발표하였다. 평창에서 진행된 Full-scale 실증 플랜트 연구 결과 41.4%의 슬러지 감량을 얻을 수 있었으며, 경제성 면에서 현장에서 적용가능한 결과를 얻을 수 있었다. 이 실증 사업은 에스워터(주)와 평창군상하수도사업소간에 2016년 1월 협약을 체결하여 시작되었으며, 위탁운영사인 (주)티에스케이워터의 협력하에 수행되었다. 에스워터(주)는 2008년에 슬러지의 가용화에 관련된 특허를 출원한 이래 지식경제부 연구개발 사업, 농업진흥청 연구개발 사업, 그리고 환경부 에코공정기반연구사업 등을 통해 지속적으로 Scale-up을 하고, 현장에서 데이터를 꾸준히 쌓아온 결과, 2016년 평창에서 실규모 슬러지 감량의 결과를 얻는데 성공하였다. 2014년에 국내 하수처리장 운영예산 총 1조330억원 중 3천억원 이상이 하수찌꺼기(슬러지) 처리 비용에 쓰였고, 2016년 현재 이 보다 더 높은 처리 비용이 소요된다고 할 때, 금번 실규모 실증 결과는 향후 에스워터(주)의 슬러지 감량 사업이 갖는 큰 잠재력을 확인시켜준 것이라 할 수 있다.

GE Water의 새 주인?

GE Water는 산업용수 분야 솔루션 공급에서 세계 최강자로, 특히  분리막, 담수화플랜트, 수처리약품 등에서 강하다. 이에 비해 상하수도 등 공공부문 운영관리 분야에서는 Veolia, Suez 등 프랑스, 그리고 유럽의 다른 기업들이 선두 주자다.

GWI(global water intelligence)의 발행인인 Christopher Gasson은 GE Water의 새 주인으로 이들 운영부문 강자들은 큰 관심이 없을 것으로 예상한다. Pentair, Xylem, Evoqua, Culligan 등 기존에 이 분야에서 사업을 영위하는 곳들도 사업 중복이나 자본 부족 등으로 투자하기 어려울 것으로 본다. 그리고 중국 및 한국, 일본의 아시아 기업들도 사업적 전략이 맞지 않거나, 또는 관심이 적거나 자본이 없어 투자하기 어려울 것이라 본다. 결과적으로, 사모펀드와 중동 자본이 인수할 가능성을 제시하고 있다. 그리고 흥미롭게 IT나 통신분야 대기업의 진출 가능성도 열어 놓고 있다. IoT와 결합한 산업용수 관리의 가능성이 매우 크기 때문이란다.

어쨌거나 이러한 GE Water의 매각과 인수는 향후 세계 물산업의 산업 지형을 바꿔놓을 것임에 분명하다.

GE Water 매각 진행

 물산업 분야에서 세계적으로 가장 큰 제조업체의 하나, GE의 물산업 부문. 놀랍게도 GE그룹은 2017년 중반까지 이를 매각하기로 최근 결정하였다. GE 그룹은 2000년초반에 5조원 이상의 큰 투자를 통해 GE Water를 산업용수 분야 세계 1인자로 만들었다. 하지만, 최근 석유 및 가스 개발에 대규모 투자를 하면서 이 분야 집중을 위해 물산업 부문을 매각하기로 결정한 것이다. 

“On October 31, 2016, following the announcement of a proposed combination of GE’s Oil & Gas business with Baker Hughes, GE has confirmed it is exploring options for selling the Water & Process Technologies business. 

The plan to divest the water business is a strategic decision that provides an opportunity to reposition the business for growth and further invest for long-term success.

GE Water & Process Technologies will operate business as usual through this process and will continue to meet its commitments to its valued customers and employees. GE is targeting to complete the sale of the Water business by mid-2017.”

(GE Water Homepage: www.gewater.com)

공지사항

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에스워터(주)의 제품 및 서비스

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슬러지 감량화 솔루션과 고도산화기술 전문기업인 에스워터(주)는 메뉴에 있는 제품을 공급해 드리며, 고객만족을 위해 불철주야 노력하고 있습니다.

또한 수처리 관련 분석업무, AOPs 공정 설계, 기존 공정 개선을 위한 컨설팅, 기존 설비의 보수 등 메뉴에 있는 서비스를 제공하고 있습니다.

자세한 내용은 메뉴를 참조해 주십시오.

감사합니다.

오존의 용해

 오존을 수처리나 습식 세정(wetscrubber) 등에 사용하기 위해서는 기체 오존을 물에 효과적으로 용해시키는 것이 핵심적인 일이다.오존은 상온, 상압에서 물에 대한 용해도가 작은 편이기 때문에 오존발생기에서 나오는 오존을 별도의 특별한 방법으로 물에 용해시킬 필요가 있다. 실제로 많은 수처리 조건에서, 오존발생기 가격에 견주어 오존을 물에 용해시키는 장치의 가격이 큰 차이를 보이지 않는 것은 이상한 일이 아니다. 사실 물에 용해되지 않은 기체 오존은 물속의 미생물이나 오염물질과 잘 반응하지 못하기 때문에, 많은 오존을 투입하는 것만큼이나 많은 오존을 용해시키는 것이 중요할 수밖에 없다.

오존을 물에 용해시키는 장치를 흔히 오존접촉기(ozone contactor)라 부른다. 보통 기체와 액체를 접촉하는 장치에는 6가지의 방식이 있다.

1) 스프레이탑(spray tower): 액체를 기체에 스프레이 분사

2) 충진탑(packed bed): 액체와 기체가 충진층의 충진재 표면에서 접촉

3) 다공판탑(bubble plate 또는 sieve plate tower) (위 1)과 2)의 중간)

4) 기계적 혼합장치(mechanical mixer)

5) 인젝터(injector)

6) 산기관(diffuser)

이러한 기/액 혼합 방식을 이용하는 오존접촉방법에는 여러 가지가 있지만, 크게 대별하면 산기관 방식처럼 기체 오존을 작은 구멍을 통해서 액체내에 전달하는 방법과 이젝터 방식처럼 오존 기체를 흐르는 액체속에 투입하면서 격렬히 혼합시켜 액체내에 전달하는 방법의 두 가지로 구분할 수 있다. 거의 모든 오존 접촉(contacting) 법은 이 둘 중의 하나로 분류된다. 산기관 방식은 에너지 투입량이 적어 결과적으로 동력비가 적게 소요되는 것이 특징이다. 이에 비해 혼합효율은 낮은 편이다. 반면, 인젝터 방식은 에너지 투입량이 상대적으로 많아 결과적으로 동력비가 더 소요된다. 하지만 혼합효율은 비교적 높은 편이다.

거의 모든 공학적 분야에서 설치비와 운전유지비는 서로 상충되기 때문에, 오존접촉 방식으로 어떤 것을 선택할지는 중요한 판단의 문제가 된다. 실제 상황에 최적화된 오존접촉방식을 찾는데는 여러 기술의 특징과 이에 대한 실제 응용 경험, 지식이 종합적으로 요구된다.

참고문헌:

Ozone and Chlorine Dioxide Technology for Disinfection of Drinking Water, Ed. by J. Katz, Noyes Data Corporation, 1980.

오존과 산소

오존분자와 산소분자는 산소원자 개수만 하나 차이난다. 그래서 유사한 측면도 있지만, 물리화학적 특성에서 다른 점이 꽤 많다.

산소와 오존은 상온에서 둘 다 기체로 존재한다. 그리고 둘 다 물에 비교적 잘 녹지 않는 특성이 있다. 반면, 산소는 상당히 안정한

분자인데 비해 오존은 상당히 불안정한 분자이며 산소는 무색, 무취인데 비해 오존은 고농도에서 매우 엷지만 청색을 띠며 낮은 농도에서도 비린내와 유사한 특유의 독특한 냄새를 갖고 있다.

오늘날 오존은 여러 용도의 사용을 위해 인위적으로 생산되지만, 사실 오존은 자연의 물질이다. 번개가 치면 고전압에 의해 공기중 산소분자들이 활성화되어 오존으로 전환된다. 공기 중에 산소가 21%나 되니 상당량 생긴다고 볼 수 있다. 그리고 오존은 성층권에 ‘오존층’을 형성하여 지구 생물권에 매우 중요한 방어막 역할도 수행한다. 태양에서 오는 광선 중 높은 에너지를 갖는 자외선 C, B 영역의 빛이 오존층에서 걸러지며 지상에 도달하는 이 영역의 빛은 매우 약하다. 결과적으로 많은 생물체가 자외선에 의해 표면이 크게 자극받지 않도록 해준다. 흔히 자외선이 많은 곳에서는 피부암에 대한 우려가 높은데, 실은 오존층이 미리 자외선을 차단해 주고 있어 지표면의 사람을 비롯한 많은 생명체가 이러한 걱정을 덜고 있는 셈이다. 오존 및 오존층의 존재에 우리는 감사해야 하는 것이다. 그리하여, 오존층 파괴를 야기하는 불화염화탄소류 등 특정 화학물질의 사용을 억제하는데 관심을 가져야 한다.

지구상에서 산소는 대기중에도, 물속에도, 토양중에도, 생물권에도 널리 고루 분포하는 특별한 원소다. 이런 원소는 거의 찾아보기 힘들다. 산소기체는 물에 대한 용해도가 매우 낮은 불용성 기체다. 만약 산소분자가 물에 매우 잘 녹는다면 현재의 지구 생물권은 엄청나게 다른 모습을 하고 있을 것이다. 대기 중의 산소가 물에 잘 녹지 않기 때문에 생명체가 바다에서 탄생해 육지로 나온 것으로 이해된다. 이렇게 불용성인 산소가 낮은 농도이지만 물에 존재하여 수생태계를 유지시킨다. 수중 산소가 고갈되면 물 속 생명체들은 살아갈 수 없다. 오존도 물에 비교적 잘 녹지 않지만 산소보다는 수배~10배 정도 높은 용해도를 보인다. 결과적으로 오존의 높은 반응성(살균력, 탈색력, 탈취력의 원천!)을 이용해서 수처리를 효과적으로 하기 위해서는 오존을 물속에 효과적으로 용존시키는 것이 매우 중요하게 된다.

슬러지 정보

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 슬러지(찌꺼기, sludge)는 하폐수처리장에서 발생되는 유기성 폐기물로, 매립이나 해양투기에 의해 최종 처분해 왔습니다. 런던협약 ’96의정서에 의해 전세계적으로 유기성 폐기물의 해양투기가 금지되면서, 이제는 육상에서 처리해야 하는 ‘골칫거리’로 생각되고 있습니다. 처리비용이 높아지면서 다양한 방법으로 이를 활용하거나 자원화, 에너지화 하는 방법이 제안되고 있습니다. 하지만, 많은 중소규모 처리장에서는 이러한 자원화, 에너지화 등은 경제적으로 거의 실용성이 없는 실정입니다. 단순히 감량만 달성하여 높은 처리비용의 부담에서 벗어날 수 있기를 바라는 것이 현실입니다.

 전세계적으로 도시화가 급속히 진행되면서, 유기성 폐기물인 ‘슬러지’의 안정적 처리는 공통된 공동체적 과제입니다. 여기서는 이러한 슬러지에 대한 기초적인 자료와 기술적 진보에 대한 내용을 체계적으로 정리하니, 많은 참조 바랍니다.