본 연구는 무전극 UV램프를 이용한 방류수의 살균소독 장치 개발에 관한 것이다. 병원성 미생물을 살균하는 방법에는 염소, 클로라민, 이산화염소등 약품에 의한 방법과 오존법, UV 살균법등 살균장비를 이용하는 방법이 있다. 현재 하수 방류수의 소독기술은 염소에 의한 소독이 주류를 이루고 있으나, 염소 소독시에는 처리수에 함유되어 있는 잔류염소로 인하여 생성되는 트리할로메탄(THM)의 생성 및 취급상의 안전문제, 방류 수역의 생태계에 미치는 영향 등으로 인하여 사용상 재검토가 필요하여 최근에는 자외선(Ultraviolet)에 의한 살균처리나 오존(Ozone)에 의한 처리기술이 각광받고 있다.

UV에 의한 미생물의 살균은 미생물의 DNA에 UV가 작용하여 DNA의 사슬이 끊어지면서 살균되는 것으로, 미생물의 종류, 접촉시간, UV 강도 등이 중요한 요인이다. 하수 중에 존재하는 대장균 군과 크립토스포리디움, 지아디아를 비롯한 미생물, 박테리아, 병원성 원생동물에 대한 살균효율에 대한 연구가 진행되어 있지 않다.

이상과 같이 UV를 이용한 하수 방류수의 살균 소독은 국내에서는 도입 초기단계에 있으며, 대부분이 외국기술에 의존하고 있는 실정이다. 그러나 UV를 도입한 선진 외국에서는 UV 램프의 수명 연장, UV 강도의 향상, 시스템의 효율화 및 운전비용 절감을 위한 연구개발이 진행되고 있다.

그 일환으로 Microwave를 이용한 무전극 UV 램프 시스템은 기존의 UV 램프의 전극 대신에 Microwave로 램프속의 수은과 같은 활성물질을 활성화시키고, 254nm의 살균 UV 파장만을 통과시키는 관을 사용하여 일반 UV램프의 초기 기동시에 생성되는 Ozone의 발생을 억제하고, UV를 발생시키는 기술로 미국의 Primarc사, Fusion사 및 일본의 도시바 등이 개발하고 있는 기술이다.

이 Microwave를 이용한 UV발생은 기존의 UV램프에 비해 UV 발생효율을 10배 향상시킬 수 있으며 에너지효율은 30%, 램프의 수명은 약 5-7배 향상된다. 본 연구에서는 1차년도에 Microwave에 의해 발광하는 UV 램프 시스템은 램프의 표면온도에 의해 발생되는 UV강도가 크게 좌우되므로(일반적으로 60℃ 이하) 램프의 표면온도를 일정하게 유지하는 기술과, 램프개발, 시스템개발을 진행하였다.

1차년도에 Microwave를 사용한 UV 램프의 개발을 완료하였으나 램프의 표면온도제어 마이크로웨이브의 도입상의 문제 및 장치의 소형화를 위해, 2차년도에 인버터에 의한 여기 방식으로 수정 개발하였다. 인버터를 이용한 무전극 램프의 기동은 마이크로웨이브가 가지고 있는 단점을 모두 보완할 수 있는 장점과 장치의 소형화 및 제어를 간편하게 할 수 있어 램프의 수명 및 가격경쟁력을 확보할 수 있엇다.

기존의 하수처리 방류수 살균에 사용되는 전극형 UV 램프모듈은 70W급 UV강도를 내는 램프는 길이가 90cm, 직경 2.5cm의 램프로 모듈을 설계한다. 따라서 방류수의 수로규모도 커야하며, 요구 자외선조사량을 위해서는 램프의 수도 수십 개를 사용하여 모듈을 설계한다. 무전극 UV 램프는 70W 램프의 크기가 길이 40cm, 직경 2cm로 모듈의 크기가 크게 감소되고, 여기방식도 인버터 식임으로 제어도 간편하다.

 
인버터 형 무전극 UV 램프를 사용한 Pilot Plant Test에서 상대비교를 위하여 시중에서 판매되고 있는 유전극 램프를 사용하여 실험을 하였다 램프모듈의 설계는 70(L) × 40(W) × 60(H)cm로 모듈 당 램프는 3개를 장착되도록 설계하였다. 램프의 설치는 상하로 램프의 중심간 거리를 20cm, 좌우간 거리는 램프의 거리를 10cm로 설치하였다.

무전극 자외선램프의 온도변화에 따른 자외선 강도변화를 감소하기 위하여 마이크로웨이브 여기방식을 인버터형으로 교체하여 램프를 여기시킨 결과 마이크로웨이브 방식에서 램프의 온도가 200℃를 상회하는 현상에 의해 UV강도의 저하를 인버터를 사용함으로서 그림과 같이 최고 온도가 45℃를 넘지 않고 안정적으로 UV강도를 유지할 수 있었다.

 

[출처 = 한국환경산업기술원(www.keiti.re.kr)]