제 출 문

환경부장관 귀하

본 보고서를 “무전극 UV에 의한 방류수 살균 소독시스템 개발에 관한 연구”

(총 연구기간 : 2003년 6월 30일～ 2004년 5월 31일)의 최종보고서로 제출합니다.

2004 년 7 월 29 일

주관연구기관명 : (주) 에이치이에스

연구책임자 : 이 규 현

연 구 원 : 이 기 환

〃 : 김 윤 식

〃 : 문 원 용

위탁기관명 : 경희 대학교

위탁연구책임자 : 이 용 택

연 구 원 : 신 동 호

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요 약 문

Ⅰ. 제 목

무전극 UV에 의한 방류수 살균 소독시스템 개발

(The Development of Disinfection System for Waste-water by

Electrode-less UV)

Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성

1. 연구개발의 필요성

환경부에서는 하수처리시설의 방류수 수질기준에 대장균군수 항목을 신설,

2003. 1. 1 부터 시행됨에 따라 병원성 미생물의 상수원 유입을 근원적으로 차

단하기로 하였다. 병원성 미생물을 살균하는 방법에는 염소, 클로라민, 이산화

염소등 약품에 의한 방법과 오존법, UV 살균법등 살균장비를 이용하는 방법이

있다. 현재 하수 방류수의 소독기술은 염소에 의한 소독이 주류를 이루고 있으

나, 염소 소독시에는 처리수에 함유되어 있는 잔류염소로 인하여 생성되는 트

리할로메탄(THM)의 생성 및 취급상의 안전문제, 방류 수역의 생태계에 미치는

영향등으로 인하여 사용상 재검토가 필요(93.1 감사원 감사결과)하다.

UV를 도입한 선진 외국에서는 UV 램프의 수명 연장, UV 강도의 향상, 시

스템의 효율화 및 운전비용 절감을 위한 연구개발이 진행되고 있다.

그 일환으로 Microwave를 이용한 무전극 UV 램프 시스템은 기존의 UV 램

프의 전극 대신에 Microwave로 램프속의 수은과 같은 활성물질을 활성화시키

고, 254nm의 살균 UV 파장만을 통과시키는 관을 사용하여 일반 UV램프의 초

기 기동 시에 생성되는 Ozone의 발생을 억제하고, UV를 발생시키는 기술로 미

국의 Primarc사, Fusion사 및 일본의 도시바 등이 개발하고 있는 기술이다.

이 Microwave를 이용한 UV발생은 기존의 UV램프에 비해 UV 발생효율이

10배 향상시킬 수 있으며 에너지효율은 30%, 램프의 수명은 약 5-7배 향상된

다.

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Microwave UV 램프는 방전시 발생되는 열에 의해 UV 발생량이 영향을 받

음으로 방열을 위해 시스템에서 냉각이 요구되며, 살균을 위한 UV 접촉거리,

시간 및 전처리 공정등의 시스템 설계인자를 연구개발이 요구된다.

2. 연구개발 목적

하수방류수의 살균소독 시스템을 개발하기 위하여 무전극 램프의 개발, 무전극

램프를 여기하기 위한 마이크로웨이브 시스템 및 인버터의 개발, 하수방류수 살균

을 위한 무전극 모듈 및 시스템 개발과 시스템 설계를 위한 설계 Method와 Data

확보를 목표로 연구개발을 진행한다.

■ 무전극 UV Lamp 개발 : UV 강도 80 -100 W/cm, 수명 50,000 Hr, Ozoneless

■ Microwave에 의한 무전극 UV 발생 시스템 개발 : UV 강도 100 - 500W.

■ 하수 방류수 UV 살균 소독 시스템 개발 : 에너지 절감 25%, 유지관리 비용 20% 절감

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위

1. 무전극 UV Lamp 개발

Microwave 및 인버터에 의해 발광되는 UV 램프는 253.7nm의 UV-C 파장

만을 내도록 제조.

램프 활성물질 : Mercury, Mercury+, Gallium, Indium, Iron

램프의 크기 : 발광길이 20 cm, 40cm 2종

램프 재질 : 석영관(초기 기동시 Ozone 발생이 없는 재질 사용)

램프의 UV 출력 : 80 - 100 W/cm

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2. Microwave 및 인버터에 의한 UV 발생기술

가. Microwave 발생장치는 일반 전자레인지에 사용되고 있는 마그네트론 시

스템을 이용하여, 무전극 UV 램프에 Microwave를 조사할 수 있는 시스템

을 설계.

나. 인버터에 의한 고압전류로 무전극 UV 램프 여기기술 개발

다. UV 램프의 냉각 시스템 설계

Microwave에 의해 발광하는 UV 램프 시스템은 램프의 표면온도에 의해

발생되는 UV 강도가 크게 좌우된다(일반적으로 60℃ 이하). 따라서 램프의 표면온도를 일정하게 유지하는 것이 매우 중요한 설계인자이다. Microwave

는 물에 흡수됨으로 수냉식 냉각방법은 사용할 수 없으며 공기 냉각 시스템

을 설계.

라. UV 살균 시스템 설계

UV광에 의해 세균을 살균은 UV에 의해 세균의 DNA가 파괴되어 살균하

는 메카니즘임으로, UV 램프에서의 피조물까지의 거리, 조사시간, 균의 종

류 및 UV강도등을 최적화 설계

3. 방류수 살균 소독 시스템 개발

가. 하수처리 방류수의 수질조건에 따라 UV 살균 소독 효율이 크게 좌우됨

으로 국내 하수처리 방류수의 수질상태를 Data Base화.

하수 방류수의 수질조건 및 Guide Line

수질 항목 : Percent Transmittance(%), Suspended Solid(TSS),

Particle Size Distribution, Organic Compound,

Inorganic Compound, Type of Microorganism.

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Guide Line : UV Intensity( mW/㎠) 3 - 12

Contact Time(Sec) 6 - 40

Dose(mW-sec/㎠) 20 - 140

나. 무전극 UV 살균 시스템 설계 Data 확보

하수 방류수 유량에 따른 UV Channel, UV bank 설계 Data 확보

처리 유량에 따른 살균효율을 고려한 bank 당 UV lamp의 수, 크기, 램프

형태, 배열방법 설계 Data확보

다. Lamp의 Cleaning Method Data 확보

Ⅳ. 연구개발 결과

1. 무전극 UV 램프 개발

- Microwave 및 인버터에 의한 UV 램프는 253.7nm의 UV-C 파장만을 내

도록 제조.

램프 활성물질 : Mercury, Indium을 혼합 사용한 활성물질 사용.

램프의 크기 : 발광길이 20 cm, 40cm

램프 재질 : 석영관(초기 기동 시 Ozone 발생이 없는 재질 사용)

램프의 UV 출력 : 70 - 90 W/cm

1차년도에 Microwave를 사용한 UV 램프의 개발을 완료하였으나 램프의

표면온도제어 마이크로웨이브의 도입상의 문제 및 장치의 소형화를 위해, 2

차년도에 인버터에 의한 여기 방식으로 수정 개발.

2차년도에 인버터에 의한 무전극 램프의 여기에 성공, 고출력 인버터( 5개

의 램프를 동시 여기)는 추후 개발 진행.

2. Microwave 및 인버터에 의한 UV 발생기술

가. Microwave 발생장치는 일반 전자레인지에 사용되고 있는 마그네트론 시

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스템을 이용, 무전극 UV 램프에 도파관을 삽입시켜 Mcrowave를 조사할

수 있는 시스템을 개발(산업재산권 출원 준비 중)설계.

나. 인버터에 의한 고압전류로 무전극 UV 램프 여기기술 개발(산업재산권 출원

준비 중)

다. UV 램프의 냉각 시스템 설계

Microwave에 의해 발광하는 UV 램프 시스템은 램프의 표면온도에 의해

발생 UV 강도가 크게 좌우됨으로 표면온도를 60℃ 이하로 유지하도록 활성문질 및 공기 냉각 시스템 개발.

인버터식 여기에서는 발열에 의한 문제점을 해소하기 위해 인버터 냉각시

스템 개발

라. UV 살균 시스템 설계

UV광에 의해 세균을 살균은 UV에 의해 세균의 DNA가 파괴되어 살균하

는 메카니즘임으로, UV 램프에서의 피조물까지의 거리, 조사시간, 균의 종

류 및 UV강도등을 최적화 설계.

3. 하수 방류수 살균소독 실험

가. 하수방류수 살균소독 실험을 위하여 경기도 소재 경희대학교내 하수처

리장의 방류수를 원수로 하여 대장균군을 중심으로 UV 램프에 의한 살균

실험.

테스트 장비 크기 : 1650(L) * 600(W) * 700(H) cm

모듈의 크기 : 70(L) * 40(W) * 60(H) cm, 부피는 120L

사용 램프 : 1.5(ID) * 30(L) cm, 수은 전극용 16W 램프.

총 9개(각각 on-off 스위치)

순환펌프 : 최대 양수 량 90 LPM

(실험에서의 유속변화 1.0, 1.5, 2.0, 2.4 m3/hr)

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실험에 사용한 UV 램프의 기술사양

램프 종류UV강도

(W)여기방식

크기

(DxL)mm활성물질

램프 수

(개)비 고

무전극 20 인버터 1.5x30 수은 9

전극 16 전극 1.5x30 수은 9

나. 실험 결과

120L 실험조 용량에 배치실험 결과는 램프 1개의 252 μm/cm2 UV 강도를

기준으로 3개의 램프 가동시 1 분내에 대장균 98% 살균.

유량 1m3/hr의 유속 기준, 램프 9개 가동시 5분내 98% 살균효율.

4. Pilot Plant 실험

무전극 UV 발생 시스템 설계는 기존의 하수 방류수의 살균, 소독에 대한 자

료의 분석과 무전극 UV 시스템의 실험실 연구결과를 토대로 Pilot Plant 설계

를 실시하였다.

가. 하수방류수 설계 조건

- 유입수 수질 : 최대 탁도 30 ppm, 최대 BOD5 30 ppm

- 방류수 요구수질 : 100 ml당 200 MPN

나. 무전극 UV 시스템 설계 조건

설계 인자 단 위 설계 Factor

UV 강도 mW-s/cm2 3 - 12

접촉 시간 Sec 6 - 40

UV Dose mW-s/cm2 20 - 140

하수의 UV 투과도 % 60 - 70

하수 유속 cm/min 5 - 35

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Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획

1. 당해연도 활용계획

본 연구개발 결과는 무전극 UV 램프를 이용한 하수 방류수 살균소독 시스템

으로 기존의 전극형 UV램프 모듈에 비해, UV 강도, 램프의 수, 살균효율은 우

수한 것으로 평가되었으며, 실제 하수 방류수 방류수로에 직접 설치 운전 한

Pilot Plant 운전 결과 무전극 UV램프 모듈의 형식 및 제어 시스템을 수정 보

완이 요구된다.

따라서 본 연구결과를 상업적으로 활용하기 위해서는 당해연도에는 연구개발

결과에 도출된 다음과 같은 문제점을 보완하고, 가격 경쟁력을 확보한 후 상업

화를 진행할 계획이다.

항 목 문제점 해결 방안 비 고

무전극 램프

제작

무전극 램프의

제작회사가 국내에서의

생산을 중지 하고, 중국

등 제 3국으로 생산

기반 이전.

중국 현지 생산업체

또는 국내업체와의

협력업체를 찾아

생산협의 및 가격인하

유도

천진소재

업체와

협의 중

고출력

인버터 개발

기존의 인버터는 70W급

무전극 램프를 3개 이상

사용 불가능.

무전극 램프를 5개 이상

사용할 수 있는 인버터

개발 및 모듈화.

국내

삼정전기(주)

협의 중

무전극 UV

모듈 개발

기존의 하수처리장에

되고 있는 전극형

UV모듈과 동일하게

용량별 모듈화 필요

하수처리장의 규모에

적합하도록 모듈형태의

다양화로 기존 및 신규

처리장에 적용 가능토록

설계.

가격 경쟁력

확보

처리장 규모별,

건설가격 산출로 경쟁력

학보

모듈화 설계 후 제작

가격 및 운전 비용

산출로 상업화 가격

경쟁력 확보

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2. 활용방법

무전극 UV에 의한 하수 방류수 살균소독 시스템 개발의 연구 결과는 크게 3

가지로 구분하여 활용할 수 있다. 즉 무전극 UV 램프, 인버터 방식의 무전극

램프, 고출력 무전극 UV램프 모듈로 구분할 수 있다.

가. 무전극 UV 램프

기존의 전극형 UV 램프가 가지고 있는 단점인 저출력, 램프의 수명, 램프의

크기 등을 무전극 램프의 개발로 단점을 보완 할 수 있어 장치의 크기를 소형

화 할 수 있으며, 운전비용을 절감할 수 있다.

나. 인버터방식의 무전극 램프

마이크로웨이브 조사형 무전극 램프는 마이크로웨이브의 조사에 따른 마이

크로웨이브의 손실 및 사용범위의 한계를 가지고 있다. 마이크로웨이브를 이

용한 조사방법에서는 물과 같은 액체에는 액체가 마이크로웨이브를 흡수하기

때문에 직접 사용할 수 없으며, 간접적으로 램프에 조사하는 단점을 가지고

있으며 마이크로웨이브에 의한 램프의 표면온도 상승은 램프의 출력을 저하시

키는 단점을 가지고 있다.

인버터를 이용한 무전극 램프의 기동은 마이크로웨이브가 가지고 있는 단점

을 모두 보완할 수 있는 장점과 장치의 제어를 간편하게 할 수 있어 램프의

수명 및 가격경쟁력을 확보할 수 있다.

다. 고출력 무전극 UV 램프모듈

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 크

기가 크게 감소되고, 여기방식도 인버터 식임으로 제어도 간편하다.

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3. 사업화 계획

가. 본 연구 개발 결과의 사업화를 위하여

(1) 무전극 램프의 경쟁성 확보를 위하여 중국 소재 램프 제조업체와 협력으로 램프 제작

(2) 고출력 인버터(무전극 램프 5개를 동시 여기)를 차년도까지 개발 완료.

(3) 무전극 램프의 크기에 의한 램프 모듈의 표준화 설계로 하수처리장 용량별로 모듈화를 1차년도에 완료.

나. 경제성 평가 및 실적확보

살균소독 설비의 실증실험을 위하여 기존의 하수처리장에 설치되어 있는 전극형 UV 살균설비와 비교 실험 실시로 경제성 평가 및 실적확보

다. 상업화 생산

(1) 상업화를 위한 제조설비 및 제조 협력업체 확보 및 공공기관 입찰 참여.

(2) 기술력 인증을 위한 산업재산권 출원 및 신기술 인증 추진

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ABSTRACT

A research project in this study had investigated the disinfection system of

swage treatment used electrode-less UV lamp.

The disinfection system of swage had commercially used chlorine, UV and

ozone technology, UV radiation has become an established disinfection

technology. Presently, there are more than 2,000 installations in the United

States designed to disinfect primary, secondary and filtered tertiary

effluents. This reliable, cost-competitive technology is suitable for the

inactivation of pathogenic protozoa, bacteria and viruses in water and

wastewater.

For development of commercially available ultraviolet light (UV)

technologies for disinfection of wastewater using electrode-less UV lamp,

the studies has followed three compatible courses. The first has been to

develop of electrode-less UV lamp improved efficiency, reliability, and cost

into conventional UV systems. The second has been to understand the

wastewater quality parameters which impact upon the UV disinfectability of

various effluents, and to develop unique UV systems which address these

wastewater quality parameters when effluent quality restricts use of

electrode-less UV lamp modules.

The third has been to operation of 5 m3/d pilot plant to develop unique

electrode-less UV systems which had contained electrode-less UV lamp,

disinfection channel.

For the test results,

the intensity of electrode-less UV lamp was 50 -70W/cm for 30 cm L, 2

cm D. and the efficiency of disinfection was over 95% which has 2- 5 min.

contact time and flow rate of swage was 120 - 150 l/min.

Use of a unique reactor design which allows an open channel, gravity flow

configuration to and from the UV system, but at all flow rates provides a

fixed water layer geometry around the lamps within the reactor for better

control over dose delivery and avoidance of short circuiting of wastewater

through the reactor.

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TABLE of CONTENTS

Chart 1. Introduction Section 1. Object of Research Project

Section 2. Project Scopes

Chart 2. Technology Position in the World Section 1. Disinfection of Waste Water

Section 2. Disinfection Technology of Ultraviolet

Section 3. Technology of Electrode-less UV Lamp

Chart 3. Result and Discussion Section 1. Development of Elctodeless UV Lamp

Section 2. Design of Disinfection System for Waste Water

Section 3. Water Quality of Waste Water Treatment Plant

Section 4. Study of Disinfection System for Waste Water

Section 5. Pilot Plant Operation of Waste Water

Section 6. Design Manual

Chart 4. 연구개발 목표 달성도 및 대외기여도 Section 1. 1th Object of Research Project and Result

Section 2. 2nd Object of Research Project and Result

Section 3.

Chart 5. Plan of Application & Commercialization for

Research Result

Chart 6. Reference

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목 차

제 1장 서론 제 1절 연구개발의 최종목표

제 2절 연구개발 내용

제2장 국내외 기술개발 현황 제 1절 하수 방류수 살균소독 기술

제 2절 자외선 살균기술

제 3절 무전극 UV 램프기술

제3장 연구개발수행 내용 및 결과 제 1절 무전극 UV 램프의 개발

제 2절 하수 방류수 살균소독 시스템 설계

제 3절 하수처리장의 방류수 수질 현황

제 4절 하수 방류수의 살균소독 실험

제 5절 하수 방류수의 살균소독 Pilot Plant

제 6절 Design Manual

제4장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도 제 1절 1차년도 연구개발 목표 달성도

제 2절 2차년도 연구개발 목표 달성도

제 3절 연구결과 대외 기여도

제5장 연구개발결과의 활용계획

제6장 참고문헌

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제 1장 서론

환경부에서는 하수처리시설의 방류수 수질기준에 대장균군수 항목을 신설,

2003. 1. 1 부터 시행됨에 따라 병원성 미생물의 상수원 유입을 근원적으로 차

단하기로 하였다. 병원성 미생물을 살균하는 방법에는 염소, 클로라민, 이산화

염소등 약품에 의한 방법과 오존법, UV 살균법등 살균장비를 이용하는 방법이

있다. 현재 하수 방류수의 소독기술은 염소에 의한 소독이 주류를 이루고 있으

나, 염소 소독시에는 처리수에 함유되어 있는 잔류염소로 인하여 생성되는 트

리할로메탄(THM)의 생성 및 취급상의 안전문제, 방류 수역의 생태계에 미치는

영향 등으로 인하여 사용상 재검토가 필요(93.1 감사원 감사결과)하여 최근에는

자외선(Ultraviolet)에 의한 살균처리나 오존(Ozone)에 의한 처리기술이 각광받

고 있다. 특히, 하수처리 방류수의 UV 소독은 미국을 비롯한 전 세계적으로 사

용하고 있는 기술로 미국의 겨우 총 2,000개 이상의 하수처리장에서 UV를 이

용한 살균 소독이 사용되고 있다. 이러한 UV에 의한 살균의 원리는 자외선 에

너지를 이용해 미생물의 DNA 및 RNA를 파괴함으로서 미생물로 하여금 영원

히 신진대사 또는 증식할 수 없도록 불활성화 시키는 방법이다.

UV에 의한 미생물의 살균은 미생물의 DNA에 UV가 작용하여 DNA의 사슬

이 끊어지면서 살균되는 것으로, 미생물의 종류, 접촉시간, UV 강도 등이 중요

한 요인이다. 하수 중에 존재하는 대장균 군과 크립토스포리디움, 지아디아를

비롯한 미생물, 박테리아, 병원성 원생동물에 대한 살균효율에 대한 연구가 진

행되어 있지 않다.

이상과 같이 UV를 이용한 하수 방류수의 살균 소독은 국내에서는 도입 초기

단계에 있으며, 대부분이 외국기술에 의존하고 있는 실정이다.

그러나 UV를 도입한 선진 외국에서는 UV 램프의 수명 연장, UV 강도의 향

상, 시스템의 효율화 및 운전비용 절감을 위한 연구개발이 진행되고 있다,

그 일환으로 Microwave를 이용한 무전극 UV 램프 시스템은 기존의 UV 램프

의 전극 대신에 Microwave로 램프속의 수은과 같은 활성물질을 활성화시키

고, 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 발생효율이

10배 향상시킬 수 있으며 에너지효율은 30%, 램프의 수명은 약 5-7배 향상된

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다. Microwave UV 램프는 방전시 발생되는 열에 의해 UV 발생량이 영향을

받음으로 방열을 위해 시스템에서 냉각이 요구되며, 살균을 위한 UV 접촉거리,

시간 및 전처리 공정 등의 시스템 설계인자를 연구개발이 요구된다.

본 연구에서는 하수방류수의 살균소독 시스템을 개발하기 위하여 무전극 램프의

개발, 무전극 램프를 여기하기 위한 마이크로웨이브 시스템 및 인버터의 개발, 하

수방류수 살균을 위한 무전극 모듈 및 시스템 개발과 시스템 설계를 위한 설계

Method와 Data 확보를 목표로 연구개발을 진행하며 연구개발의 최종목표와 개발

내용은 다음과 같다.

제 1절 연구개발 최종목표

무전극 UV 램프를 이용한 하수 방류수 살균 소독 시스템 개발

■ 무전극 UV Lamp 개발 : UV 강도 80 -100 W/cm, 수명 50,000 Hr, Ozoneless

■ Microwave에 의한 무전극 UV 발생 시스템 개발 : UV 강도 100 - 500W ■ 하수 방류수 UV 살균 소독 시스템 개발 : 에너지 절감 25%, 유지관리 비용 20% 절감

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제 2절 연구개발 내용

1. 무전극 UV Lamp 개발

Microwave에 의해 발광되는 UV 램프는 2,46MHz 주파수의 Microwave에

의해 253.7nm의 UV-C 파장만을 내도록 제조.

램프 활성물질 : Mercury, Mercury+, Gallium, Indium, Iron

램프의 크기 : 발광길이 20 cm, 40cm 2종

램프 재질 : 석영관(초기 기동시 Ozone 발생이 없는 재질 사용)

램프의 UV 출력 : 80 - 100 W/cm

2. Microwave에 의한 UV 발생기술

가. Microwave 발생장치는 일반 전자레인지에 사용되고 있는 마그네트론 시

스템을 이용하여, 무전극 UV 램프에 Microwave를 조사할 수 있는 시스템

을 설계한다.

마그네트론 : Power Rating : 700-800 Watts

Peak Anode Voltage : 4.1KV

Type : Compact 80mm

Antenna : Standard 30mm, H Configuration

나. Wave Guide 설계

마그네트론에서 발생된 Microwave를 UV 램프로 유도하여 석영관에 조

사 되도록 하는 관으로 Microwave의 반사파 차단, Wave의 공명 상쇄 등을

방지 할 수 있는 구조적 설계 Data를 확보한다.

다. UV 램프의 냉각 시스템 설계

Microwave에 의해 발광하는 UV 램프 시스템은 램프의 표면온도에 의해

발생되는 UV 강도가 크게 좌우된다(일반적으로 60℃ 이하). 따라서 램프의 표면온도를 일정하게 유지하는 것이 매우 중요한 설계인자이다. Microwave

는 물에 흡수됨으로 수냉식 냉각방법은 사용할 수 없으며 공기 냉각 시스템

을 설계한다.

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라. UV 살균 시스템 설계

UV광에 의해 세균을 살균은 UV에 의해 세균의 DNA가 파괴되어 살균하

는 메카니즘임으로, UV 램프에서의 피조물까지의 거리, 조사시간, 균의 종

류 및 UV강도 등을 최적화 설계한다.

3. 방류수 살균 소독 시스템 개발

가. 하수처리 방류수의 수질조건에 따라 UV 살균 소독 효율이 크게 좌우됨

으로 국내 하수처리 방류수의 수질상태를 DataBase화 한다.

하수 방류수의 수질조건 및 Guide Line

수질 항목 : Percent Transmittance(%), Suspended Solid(TSS),

Particle Size Distribution, Organic Compound,

Inorganic Compound, Type of Microorganism.

Guide Line : UV Intensity( mW/㎠) 3 - 12

Contact Time(Sec) 6 - 40

Dose(mW-sec/㎠) 20 - 140

나. 무전극 UV 살균 시스템 설계 Data 확보

하수 방류수 유량에 따른 UV Channel, UV bank 설계 Data 확보

처리 유량에 따른 살균효율을 고려한 bank 당 UV lamp의 수, 크기, 램프

형태, 배열방법 설계 Data 확보

다. Ballast 설계 Data 확보

Bank의 램프에 전기를 공급하는 분배기 설계 Data 확보

라. UV Reactor/ Channel Demension 설계 Data 확보

Water Level control Devices(weir Plate or Gate), Water Headloss, UV

Intensity, 램프간 거리, Bank간 거리, Channel의 형태 및 크기

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마. System Control Data 확보

Power Consumption, System Control Logic.

사. Lamp의 Cleaning Method Data 확보

UV 램프는 하수 방류수에 포함되어 있는 유기물질과 무기물질에 의해 램

프의 표면에 Fouling이 형성되어 UV 강도와 효율저하를 초래함으로 Fe,

Mg, Ca 등의 무기물질의 Scale방지, Algal와 같은 미생물의 성장억제, 유기

물질에 의한 Fouling방지 기술을 개발.

주요 사업내용 및 범위 제품의 목표, 사양, 성능 등

1 차 년 도

1. 문헌 및 특허조사2. 무전극 램프개발 - 불활성가스별 발열량, UV

강도, UV조사량 연구 - Microwave에 따른 램프특

성 연구3. 무전극 UV 발생시스템 설계 - UV 발생효율 향상4. UV 살균효율 실험 - UV조사량, UV강도, 접촉

시간에 따른 대상 미생물 살균효율 측정

Mercury, Mercury+, Gallium

Indium, Iron

램프 출력향상 : 80～100 W/cm

공냉식 냉각방법 설계, looped

heat pipe(LHP)검토

살균효율 : 90% 이상

2 차 년 도

1. 무전극 UV 시작품 제작 및 운 전 - 시작품 제작

- Method & Data 확보

2. Field Test에 따른 data 확보

3. 하수 방류수의 수질 Data

Base화

5m3/d 시제품 제작

하수처리장 수질 20곳

- 6 -

제 2장 국내외 기술개발 현황

제 1절 하수처리 방류수 살균소독 기술

1. 국내 하수처리 현황

국내 하수도 보급은‘02년 10월 현제 행정구역내 거주하는 주민등록인구를 기

준으로 공공하수종말처리시설, 폐수종말처리시설 및 마을 하수도를 통해 처리

되는 하수처리구역 내 하수처리인구로 나누어 산정한 하수도 보급률은 75.7%

이며, 전국에 가동 중인 184개 하수종말처리장의 시설용량은 20,245천 톤/일 이

다.(표 1)

표 1. 전국 하수처리장 현황

구 분 '91 '92 '93 '94 '95 '96 '97 '98 '99 '00 '01'02

총인구(천명) 43,268 44,569 45,077 45,512 45,974 46,426 46,878 47,174 47,543 47,977 48,289 48,518

처리인구(천명) 15,434 17,279 18,620 19,081 20,908 24,420 28,559 31,099 32,539 33,843 35,369 36,722

처리장(개) 22 26 43 57 71 79 93 114 150 172 184 201

보급률(%) 35.7 38.8 41.3 41.9 45.4 52.6 60.9 65.9 68.4 70.5 73.2 75.7

시설용량(천톤/일) 5,258 5,815 6,370 9,391 9,653 11,452 15,038 16,616 17,712 18,400 19,230 20,245

시 • 도별 하수도보급률은 최고 98.7%(서울), 최저 33.9%(전남)으로 인구 밀집

도가 높은 대도시 지역의 하수도 보급률이 높다.(그림 1)

- 7 -

6370

9391 9653

11452

15038

1661617712

1840019230

41.3 41.9

45.4

52.6

60.9

65.9

73.270.5

68.4

1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001

시설용량(천톤/일)

보급율(%)

그림 1. 전국 하수 보급률 및 처리용량 ( OECD 국가의 하수도 보급률은

최저 74.7(오스트리아) ～ 최고 97.4%(네덜란드) 수준)

2. 하수처리 방류수 살균 기술동향

하수종말처리장의 방류수 수질기준에 대장균군수가 신설되어 2003.1.1일부터

시행됨에 따라 소독시설의 설치를 준비하는 하수처리장이 증가하고 있다.

2001.12월 기준으로 가동 중인 183개소 하수처리장중 소독시설을 설치 • 가동

중인 처리장은 해운대 등 4개소로 아직은 미비하다. 중랑 등 18개소는 염소소

독시설이 설치되어 있으나 가동을 중단하고 있는 상태이다(표 2).

표 2. 가동 중인 하수처리장의 소독시설 현황

(단위 : 개소)

구 분 계 가동 중미 가동현황

소 계 가동중단 향후설치계획

계 183 4 179 18 161

염소소독 31 - 31 18 13

자외선소독 152 4 148 - 148

- 8 -

국 내 하 수 소 독 방 향

염 소 소 독 자 외 선 소 독

가동 및 중단 18향후 설치 13

가동 4향후 설치 148

국 내 하 수 소 독 방 향

염 소 소 독 자 외 선 소 독

가동 및 중단 18향후 설치 13

가동 4향후 설치 148

그림 2. 국내 하수처리장의 소독 현황

표 2에서와 같이 기존 하수처리장의 경우 염소계 소독시설을 도입하였으나

염소소독은 소독부산물인 THM(트리할로메탄)의 위해성, 수생생물에 대한 급성

및 만성의 독성을 나타내고 물고기의 종류, 수의 감소영향 염소소독의 불안전

성 때문에 염소소독시설이 설치된 처리장은 대부분 대규모 처리장으로써 시설

을 폐쇄하고 새로운 시설을 설치할 경우 시설 사장화가 우려된다.

또한 국내에는 염소소독이외의 소독방식에 대한 설치실적 및 운영기술 축적

부족 등으로 지자체에서 소독방법 선정의 선정에 많은 어려움을 겪고 있으며

소독방법은 처리장의 시설규모, 방류수역의 특성, 하수처리과정에서 대장균군수

제거효율 등을 감안하여 결정되어야 하나, 최근에 설치되는 소독시설은 자외선

소독(UV) 등을 선호하고 있어 처리장의 특성 등을 고려한 효율적인 소독방법

선정기준 마련이 시급한 실정이다.

03.1.1부터 하수처리장의 방류수 수질기준에 대장균군수에 대한 기준이 제

정 • 시행되어 소독시설 설치 시급하나 일부 하수처리장의 경우 방류수기준 항

목 중 신설되는 대장균군수 수질기준을 초과하고 있으며 소독시설 설치비를 전

액 지방비로 조달할 경우 지자체의 한정된 재정여건상 사업비 적기확보곤란으

로 사업추진 지연 예상되고 기존 하수처리장의 방류수 수질기준 강화로 고도처

리시설 설치 및 소독시설 설치에 상당한 지방비 부담 요구된다.

- 9 -

미국의 경우에는 오래전부터 하수처리장의 소독설비를 운영해오고 있으며

1976년 이후에는 염소소독으로 THMs 위해성이 밝혀진 이후 폐쇄성수역이나 수생생물 등

환경생태계 보호가 시급한 지역부터 자외선(UV) 소독으로 점차 변경하는 추

세이다.

미국의 하수 소독 현황

0

20

40

60

80

100

120

1984 1986 1990 1992 1994 1996 1998 2000

염소소독 자외선 소독 오존소독

그림 3. 미국의 하수처리장 소독 현황

- 10 -

표 3. 미국 하수처리장의 소독 현황

년도 자외선소독 오존소독 염소계소독

1984 0.0% 0.0% 100.0%

1985 0.2% 0.1% 99.8%

1986 0.5% 0.0% 99.5%

1987 1.1% 0.0% 98.9%

1988 1.9% 0.0% 98.1%

1989 2.7% 0.1% 97.2%

1990 3.7% 0.1% 96.2%

1991 4.4% 0.1% 95.5%

1992 4.6% 0.1% 95.3%

1993 5.3% 0.1% 94.5%

1994 6.1% 0.1% 93.8%

1995 6.3% 0.1% 93.6%

1996 7.3% 0.1% 92.6%

1997 8.2% 0.1% 91.6%

1998 9.5% 0.1% 90.3%

1999 10.7% 0.1% 89.2%

2000 11.4% 0.1% 88.5%

자료) 미국 USEPA data(www.epa.gov) on disinfection of wastewater plant effluent

일본의 경우 기존시설은 염소계 소독 방식인 차아염소산나트륨이나 고형염소

의 사용이 전국 하수처리장의 약 97%를 차지하고 있으나, 최근에는 염소대체 소

독기술에 대한 개발이 이루어지고 있으며, 소독시설별 특징은 다음과 같다.

일본의 하수 소독 현황

염소소독 자외선 소독 오존소독

그림 4. 일본 하수처리장의 소독 현황

- 11 -

표 4. 하수처리 소독 기술별 특징

구 분염 소 소 독

자외선소독 오존소독 비 고차아염용액 고형염소

적응처리장 규모 대ㆍ중 소 소ㆍ중 대ㆍ중

설비의 신뢰성 양호 양호 양호 양호

운전제어방법 주입율 곤란 램프 본수 투입전력

시스템 구성 약간 단순 단순 단순 복잡

위험약품 수송 대 중 불필요 불필요

현장의 안전관리 중요 중 소 중

살균성능 양호 양호 양호 양호

Virus 활성억제성 약 약 유 양호

어류의 독성 유 유 무 고려 불필요

유해한 부생성물 유 유 무 고려 불필요

잔류 소독효과 유 유 무 무

필요 접촉시간 길다 길다 짧다 중

암모니아와의 반응 유 유 무중성에서는

무

색도 제거효과 약 약 무 유

pH 의존성 유 유 무중성에서는

무

부식성 유 유 무 강

자료) 최근 소독기술의 평가에 관한 보고서(1997.7 일본하수도 사업단)

- 12 -

하수처리 방류수에 배출되는 대장균의 수는 외국의 경우 다음 그림과 같다.

그림에서와 같이 하수처리장에 유입되는 원수에 포함된 대장균과 1차 처리, 2

차 처리 및 3차 처리 등 처리공정을 거침에 따라 대장균수는 감소하지만 최종

적으로는 살균공정을 거쳐 방류하도록 설계되어 있다.

그림 5. 하수처리장의 처리공정별 대장균 수의 변화

3. 국내 하수처리 방류수 살균 정책

가. 소독시설 설치사업 추진방향

(1) 소독시설 설치대상

(가) 현재 운영 중이거나 신 • 증설중인 하수처리장 중에서 시설 전반에 대

한 운영 실태를 정밀 분석한 결과 처리수의 대장균군수가 신설되는 법적

방류수질기준을 준수하기가 어려운 시설.

(나) 상수원의 수질에 큰 영향을 미치는 다음지역의 하수처리장은 처리수의

대장균군수가 1,000개/㎖이상인 경우에는 소독시설 설치사업 추진

① 수질환경보전법시행규칙 별표 5의 규정에 의한 청정지역

② 수도법 제5조의 규정에 의한 상수원보호구역 및 그 경계구역으로부터

상류로 유하거리 10km이내 지역

- 13 -

③ 수도법 제3조제15호의 규정에 의한 취수시설로부터 상류로 유하거리

15km이내 지역

(다) 상수원의 수질에 미치는 영향이 비교적 적은 기타지역의 하수처리장은

처리수의 대장균군수가 3,000개/㎖이상인 경우에는 소독시설 설치사업 추진

(2) 소독방법 선정기준

소독방법은 방류수역의 이수특성, 경제성, 효율성을 종합적으로 검토하여

적정한 소독방법을 선정.

(가) 소독방법은 염소계 소독, UV소독(자외선소독), 오존소독(O3)등에 대하

여 경제성, 효율성 등을 종합적으로 검토하여 선정.

(나) 특히, 염소계 소독방법을 선정할 경우에는 THM문제를 해소할 수 있는

탈염소설비 등 대책을 강구.

(다) 오존소독방법을 선정할 경우에는 잔여오존 해소대책 및 경제성 비교에

신중을 기하여야 한다.

(라) UV소독(자외선소독)을 선정할 경우에는 처리장의 시설용량을 감안하

여 접촉방식과 비접촉방식 중 시설비 및 유지관리비가 적게 소요되는 방

식을 채택하여야 한다.

(3) 소독시설 설치사업비 지원방향

소독시설의 설치에 따른 지자체에 재정부담 경감을 위하여 하수처리장 지

방 잉여금에서 소독시설 설치사업비 지원

(가) ‘02년도에 방류수질기준을 초과할 것으로 예상되는 59개소에 대한 사업

비 654억원(잉여금 213억원)을 지원.

(나) 나머지 처리장에 대해서는 대장균군수 제거효율 등을 분석하여 소독시

설이 필요한 경우에는 ‘03년도 지방 잉여금에서 지원.

나. 소독시설 설계 시 주요 고려사항

(1) 기존처리장에 소독시설 설치사업계획 수립할 경우에는 처리장의 대장균

군수에 대한 처리실태분석을 반드시 실시한 후 이를 근거로 소독시설 설치

여부를 결정하여야 한다.

(가) 순수생활하수만 유입 처리하는 하수처리장의 경우에는 생물학적 처리

과정에서 미생물에 의한 대장균군수 제거효과가 높은 경우가 있으므로 처

리수의 대장균군수가 방류수 수질기준을 준수할 수 있을 경우에는 소독시

- 14 -

설을 설치하지 않아도 된다.

(나) 특히, 채택된 하수처리공법이 멸균효과가 높은 미생물(특수미생물 등)

을 사용하여 별도의 소독공정이 없어도 처리수의 대장균군수가 방류수 수

질기준이하로 배출되는 경우에는 소독공정을 설치하지 않아도 된다.

※ 광주읍 하수처리장(‘01.4/4) : 유입수 650,000개/㎖, 처리수 400개/㎖ 미국(뉴욕주)의 경우 전체 605개 처리장중 약36%가 소독시설을 설치하지

않고 있는 현황을 보면 표와 같다

표 5. 미국(뉴욕주)의 하수처리장 소독방법별 현황(‘99년)

구 분 처리장수(개소) 구성비(%)

합 계 605 100.0

염소계 소독 339 56.0

자외선 소독 49 8.0

오 존 소독 - -

소독하지 않음 217 36.0

자료) 미국 E.P.A(Descriptive Data of Municipal Wastewater Treatment Plants in New York state.

December 1999)

(2) 기존처리장에 염소소독시설이 일부 또는 전부가 설치되어 있는 경우에는

기존시설물을 최대한 활용하여 중복투자가 발생되지 않도록 소독시설 설치

계획을 수립하여야 한다.

(가) 염소소독시설을 폐쇄하고 새로운 소독시설을 도입할 경우에는 사업비

용의 중복투자가 우려되므로 기존 처리방법과 호환성이 있는 처리방법이

우선적으로 도입되도록 검토하여야 한다.

① 기존의 염소소독시설을 염소계 처리방법으로 보완할 경우에는 기존 시

설물을 최대한 활용할 수 있을 것으로 판단되므로 다른 처리방법과 경제

성, 효율성 등을 반드시 비교 • 평가한 후 적정한 처리방법이 채택되도록

조치

② 일본의 경우 전체 1,349개소 하수처리장의 소독방법별 현황을 보면 표

6과 같다

- 15 -

표 6. 일본의 하수처리장 소독방법별 현황(‘98년)

구분 처리장수(개소) 구성비 (%)

합계 1,349 100.0

염소

소독

계 1,304 96.7

차아염소산 나트륨 864 64.1

고형염소 286 21.2

액체염소 46 3.4

기타 108 8.0

자외선 소독 29 2.1

오존 소독 16 1.2

자료) 일본하수도통계자료(2000,건설성)

(3) 소독시설의 처리방법을 선정할 경우에는 시설비뿐만 아니라 유지관리의

효율성에 대해서도 충분히 검토하여 적정한 처리방법이 선정되도록 조치하

여야 한다.

(가) 소독방법은 처리시설 규모별로 처리효율에 미치는 영향이 클 수 있으

므로 대상사업 처리장의 시설용량을 감안하여 적정한 처리방법이 채택되도

록 조치하여야 한다.

- 동일한 소독방법의 경우에도 시설규모(대 • 중 • 소)에 따라 시설비, 유지

관리비 및 처리효율과 유지관리상에 상당한 영향을 줄 수 있으므로 이에

대한 타당성을 면밀히 분석한 후 처리방법을 선정

※ 특히, 합류식의 경우 시설용량대비 초기강우시 유입량(약4~5배)을 감안하여 전체 소독설비의 규모가 과대하지 않도록 우기시 하수량을 충분히

고려하여 검토 추진

(나) 소독방법은 하수처리수의 방류수역의 이수상황에 따라 경제적이고 효

율적인 적정한 처리방법이 채택되도록 조치하여야 한다.

- 처리수가 상수원으로 방류되는 경우, 상수원이외 하천으로 방류되는 경

우, 연안지역으로 방류되는 경우 등에 따라 소독방법의 선정에 상당한

영향을 미칠 수 있으므로 이를 면밀히 검토

(다) 염소계 소독방법을 선정할 경우에는 잔류염소로 인한 2차 오염문제를

해소하기 위한 대책을 반드시 강구하여야 한다.

- 염소계 소독방법 중 THM이 발생되는 방법과 발생되지 않는 소독 방법

에 대한 경제성, 효율성 등을 면밀히 비교 • 분석하여 적정한 소독방법

을 선정

- 16 -

- 염소계 소독방법을 채택한 경우에는 소독처리 한 다음 처리수에 함유된

잔류염소가 방류수역에 미치는 영향을 검토한 후 필요할 경우에는 탈염

소시설을 설치

(라) UV소독(자외선소독) 방법을 선정할 경우에는 유량, 체류시간 및 자외

선 강도를 고려하여야 한다.

- 자외선 램프수와 램프종류의 선정은 유출수 성상을 UV투과율 현장실

험으로 결정한다.

(마) 특히, 단순소독이 필요한 처리장의 경우에는 특별한 경우를 제외하고는 오

존소독방법 채택을 하지 않아야 한다.

- 오존소독방법은 다른 소독방법에 비하여 일반적으로 초기시설투자비 및 유지관

리비가 많이 소요되고 중 • 대규모 처리장의 경우에는 유지관리가 어려운

점을 감안하여 채택에 신중을 기하여야 한다.

(4) 소독방법 선정 시 업체로부터 제출받은 시설비 및 유지관리비 산정자

료의 신뢰성 확보를 위하여 설계 시 사업비 적용 자료는 소독방법 선정 시

제출한 자료를 반드시 적용하여야 한다.

- 소독방법 선정을 위한 소독방법 비교시 적용한 사업비 산출자료와 설계 시

적용한 사업비자료가 서로 상이하여 소독방법선정의 신뢰성이 떨어지는

문제점 보완 필요

- 17 -

제 2절. 자외선 살균기술

자외선이란 태양광선중 가시광선의 가장 짧은 파장인 보라색 안쪽으로 더 파

장이 짧아 눈에 보이지 않는 광선을 의미한다. 자외선은 파장이 짧아 투과력은

약하지만 강력한 에너지를 가지고 있어 화학반응을 촉진하고 유기물을 산화시

키며 미생물들에게는 살균작용을 일으킨다. 양지에 계속 세워둔 자동차가 변색

되고 이불을 일광 소독하는 것도 이러한 자외선의 특성이 작용하여 가능한 일

이다.

1. 자외선의 분류

자외선은 그 특성에 따라 다시 UV-A, UV-B, UV-C, 진공자외선으로 나누

어진다.

그림 6. 빛의 파장별 특성

UV-A Light (315nm - 400nm)

Black Light 라고도 하며 실내에서 선탠 (Sun Tan)을 하거나 푸른 조명을 할

때 사용된다.

UV-B Light (280nm - 315nm)

Dorno선이라고 부르며 비타민D를 형성하거나 피부에 홍반현상을 일으킨다.

UV-C Light (200nm - 280nm)

Germicidal(살균)선이라 하여 살균 작용이외에 산소를 오존으로 바꾸기도 한다.

- 18 -

254nm - 살균전용파장, 오존파괴작용

진공자외선

파장이 짧아 투과력이 극히 약하며 우주공간에서 존재하는 자외선이다.

185nm - 오존생성파장 (TOC 제거용)

2. 자외선의 살균원리

자외선이 DNA에 조사되면 DNA의 염기 중 티민의 분자구조가 집중적으로

파괴된다.

자외선을 흡수한 티민은 이웃한 티민이나 시토신과 눌러 붙게 된다(그림4).

이와 같이 티민이 중합되면 DNA의 복제가 제대로 이루어질 수 없기 때문에

생명체로서의 기능이 정지되는 것이다.

세균들마다 자외선에 대한 민감성이 차이가 나는 것은 DNA속에 포함된 티

민의 양이 다르기 때문이다. 이외에도 자외선은 세포막을 이루는 인지질과 단

백질을 산화시켜 세균들의 생명활동이 연장되지 못하도록 한다.

그림 7. 자외선에 의한 DNA 파괴 모형도

자외선은 생물체의 DNA를 파괴하여 그 생물의 세포를 사멸시킬 수 있는 물리

- 19 -

화학적 에너지를 가지고 있다.

DNA(Deoxiribo Nucleic Acid : 디옥시리보핵산)는 생물체의 형상과 생명기

능, 생화학적 특징 등 모든 유전정보를 담고 있는 설계도라고 할 수 있다. 사람

의 몸은 약 수십조 개의 세포들로 이루어져 있으며 사람을 구성하는 각각의 세

포들은 모두다 그 사람의 몸 전체를 형성할 수 있는 유전정보를 이 DNA를 통

해 간직하고 있다. 지구에 존재하는 생물들은 RNA(Ribo Nucleic Acid)를 사

용하는 극히 일부의 미생물을 제외하고는 모두 DNA를 유전정보 전달의 수단

으로 사용하고 있다. 생물의 세포는 DNA의 정보에 의해 단백질을 합성하고 효

소를 만들며 필요한 무기물, 유기물을 불러와 세포의 형태를 구축하고 생명현

상을 이어가게 된다.

DNA는 인산에 아데닌, 티민, 시토신, 구아닌 등 네가지의 염기가 붙어있는

뉴클레오티드가 이중나선구조로 붙어있는 형태이다(그림8). 염기들은 결합할 때

아데닌은 반드시 티민과, 시토신은 반드시 구아닌과 붙어 연결됩니다. 평상시

세포들은 히스톤이란 단백질을 이용하여 이 기다란 DNA를 돌돌말아 염색체의

형태로 핵 속에 간직하게 된다.

그림 8. DNA 염기 배열구조

최근에는 짧은 파장대의 자외선이 미생물의 사멸에 미치는 영향에 대하여 심도

있게 연구되고 있는데, 이는 265nm 전후의 긴 파장대를 가지는 자외선에 비해

훨씬 높은 에너지를 가진 짧은 파장대의 자외선이 미생물 세포막에 외상을 주

어 미생물 세포막으로 하여금 삼투압을 조절할 수 없도록 하여 사멸시키는 점

을 이용한 것이다. 넓은 파장대의 자외선을 방출하는 중압 자외선램프의 경우

위와 같은 두 가지 효과를 동시에 가지므로 매우 효율적으로 미생물을 제거할

수 있다.

- 20 -

그림 9. 자외선 파장별 대장균 살균 효율

- 21 -

제 3절. 무전극 UV 램프 기술

1. 무전극 램프

자외선램프에는 크게 저압, 중압, 고압 램프가 있고 저압은 다시 저압, 저압-

고출력, 저압 아말감 램프로 나눌 수 있다. 이들 램프는 특성과 성능이 각기 다

르다.

가. 저압 램프

저압 램프는 가장 일반적인 형식으로서 오랜 동안 자외선램프로 사용되어왔

다. 저압 램프는 두개의 텅스텐 필라멘트와 그 두 필라멘트 사이의 진공공간을

구성하는 석영관으로 이루어져 있다. 석영관 내의 진공압은 10torr(0.013bar) 이

하의 저압으로 약 60mg의 수은을 함유하고 있다. 이러한 저압 램프는 253.7nm

파장대의 단일 광선을 방출한다. 일반적으로 널리 쓰이는 형광등 또한 저압 램

프의 하나로서 단지 진공관 내부 표면에 형광물질을 발라 자외선의 방출은 차

단하고 가시광선만을 외부로 방출시킨다는 점이 자외선램프와 다른 점이다. 저

압 램프의 출력은 온도에 의해 매우 큰 영향을 받으며 차거나 뜨거운 수온에서

는 최대 출력이 나오는 데에 400초 이상이 소요된다. 최적의 운전온도는 15℃ 내외이며 이 온도보다 낮거나 높아지면 램프의 출력이 급격하게 떨어진다. 또

한 자주 램프를 점멸하는 것도 저압램프의 수명에 결정적인 영향을 미치게 된

다. 저압 램프가 고장을 일으키는 가장 큰 원인은 필라멘트가 쉽게 부스러짐으

로써 생기는 고장이다.

저압 램프의 효율은 대략 25~30%(입력 대 출력 비)이나, 온도에 따라 크게

달라진다. 램프의 수명은 일반적으로 8,000시간 정도이며 이러한 저압 램프의

장점은 대량생산에 따른 저비용으로 교체가 용이하다는 것이다.

나. 저압-고출력 램프

저압-고출력 램프는 일반적인 특성이 저압 램프와 거의 동일하나 소모 전력

과 출력전력이 저압에 비해 약 2배 정도 높은 것이 특징이다. 따라서 동일한

용량을 처리함에 있어 램프의 소요 개수가 약 반 정도만 필요하게 되어 설비의

- 22 -

크기를 줄일 수 있다는 점이 장점이다.

다. 저압-아말감 램프

비교적 최근에 개발된 램프 형식으로서 석영관 내부에 약 120mg의 수은을

함유하고 있다. 저압 램프에 비해 길이가 길다. 또한 저압 램프에 비해 수온의

영향을 덜 받으며 램프의 소모전력 및 출력이 3배 이상이다. 램프가 최대 출력

을 내는 시간은 수온에 따라 매우 달라지나 일반적으로 800초 이상 소요된다.

아말감 램프 또한 저압 램프와 마찬가지로 단일 파장의 자외선을 방출한다.

소모 전력은 램프 한 개 당 200~300w이고 약 35%의 효율을 나타낸다. 램프의

수명은10,000시간 정도이나 램프의 점멸 횟수에 따라 매우 짧아질 수 있으며

일반적으로는 필라멘트가 끊어지거나 수은 산화물이 램프의 양 끝에 축적, 열

이 효과적으로 분산되지 못하게 되어 그 수명을 제대로 발휘하지 못하는 경향

이 크다. 이러한 문제점은 저압-아말감 램프가 갖고 있는 가장 큰 문제점이라

고 알려져 있다.옆의 그래프는 북부 유럽에 설치된 저압-아말감 램프를 적용한

대규모 살균설비에서 나타난 높은 고장률을 보여주고 있다.

라. 중압 램프

중압 램프는 저압 램프와 달리 단일 파장(monochromatic)이 아닌 매우 넓은

영역의 파장(polychromatic)을 방출하는 데 그 영역은 200nm의 UVC영역에서

700nm의 가시광선 영역에 이른다. 그러나 일반적인 중압 램프와 달리 살균을

위해 사용하는 중압램프는 기존 중압램프의 출력은 유지하면서 그 영역을 살균

력이 강한 UVC영역에 집중시킨 것이 특징이다. 실제로 저압 램프가 방출하는

253.7nm의 자외선 파장대보다 약 20%정도 자외선 살균 효과가 높은 265nm의

자외선 파장대를 가장 집중적으로 방출하여 같은 양의 자외선 출력에 대해 그

살균 효율이 훨씬 높은 것이 특징이다.

중압 램프는 석영관 내의 진공압이 1000torr(1.3bar)에 이르며 3.5kW 램프의

경우 약 300mg의 수은을 함유하고 있다. 또한 수중의 병원성 미생물들은 종류

별로 각각의 자외선 흡수율이 파장대에 따라 달라지는데 (예) MS-2 Coliphage

는 210nm에서 가장 자외선 흡수율이 높다) 이러한 미생물들의 효율적인 살균

을 감안한다면 넓은 파장대의 중압램프는 실제로 훨씬 높은 살균효율을 가진다

- 23 -

고 볼 수 있다.

이러한 중압램프의 특성으로 인하여 중압램프 1개의 살균효율은 30여개의 저

압램프, 또는 10여개의 저압 아말감 램프와 맞먹는다. 따라서 저압 아말감 램프

10여개를 사용하는 시스템 보다 1개의 중압램프를 사용하였을 때 훨씬 낮은 램

프 교체비용 및 유지관리비, 그리고 훨씬 적은 부지가 소요된다.

또한 중압 램프는 모든 저압램프가 갖고 있는 온도에 따른 효율 변동의 문제가

전혀 없다. 즉 중압램프는 수온에 전혀 관계없이 사용이 가능하며 그 효율 또

한 거의 차이가 없다. 또 다른 저압램프의 큰 문제점 중의 하나인 필라멘트의

파손 문제 및 수은 산화물 침착에 의한 램프 수명 단축의 문제 또한 중압램프

에서는 전혀 문제가 되지 않는다. 중압램프는 문제점이 많은 필라멘트 대신

electrode를 사용, 위와 같은 문제점을 근원적으로 차단하고 있다(실제 저압 아

말감램프의 경우 램프 수명 전 10~20%정도의 고장이 일반적인 것으로 보고되

어 있다).

저압 및 중압의 수은을 사용한 램프의 파장특성은 다음 그림과 같다.

그림 10. 저압 및 중압의 수은을 사용한 램프의 파장특성

- 24 -

제 3장 연구개발 수행내용 및 결과

제 1절 무전극 램프개발

본 연구에서 사용하고자 하는 무전극 램프를 개발하기 위하여 램프 제작용 석

영관은 Ozone-less 석영관을 사용하여 제작하였다.

1. 램프 제작용 석영관

UV 램프를 제작하는 석영관의 재질에 따라 발생된 UV 파장을 선택적으로

투과시킴으로 살균에 필요한 254 nm(UV-C)의 파장만을 통과시킬 수 있는 석

영관을 선택하여 사용하였다.

- 최고 순도 : 99.99 % SIO2

- 연화점 : 1683℃ - 열팽창 계수 : 5×19-7cm/℃ - 빛 투과성 : 자외선 영역대 파장 및 적외선대 파장

- 전기 절연성이 높고, 내산성

2. 무전극 램프 활성물질

무전극 램프내의 활성물질은 1차년도의 연구결과로부터 Mercury, Indium과

알곤가스를 이용하여 254 nm의 UV-C 살균 램프를 제작하였다.

활성물질 : Mercury(95), Indium(5), 알곤가스

압력 : 저압형, 10 torr 이하로 제작

마이크로웨이브 조사방법 : 직접조사

요구 UV 강도 : 100 W/cm 이상

3. 램프 제조

램프 크기 : 18(ID) x 50 cm

램프 형태 :

그림 11. (주) HES에서 개발한 무전극 램프

- 25 -

4. 하수 방류수 소독 시스템 램프 개발

가. 활성물질

1차년도 실험 결과로부터 램프의 발광성, UV 강도 및 표면온도를 고려한 활

성물질은 Hg/Ind/Ar을 혼합한 램프가 가장 안정적임으로 Hg와 Ind의 혼합비

를 변화시킨 램프의 특성을 검토하였다.

Ar gas의 비는 일정하게 하고 Ind의 비율을 변화시켜 램프를 표 7과 같이

제작하였다.

표 7. 무전극 UV 램프의 HG 대 IND의 혼합비율

구 분 S A B C

Hg 100 95 90 80

Ind - 5 10 20

무전극 램프용 마이크로웨이브 발생장치는 700mm(L) x 250mm(H) x

450mm(W)의 크기로 스테인리스로 외부케이스를 제작하고, 외부에 마그네트론,

냉각 설비 및 제어장치를 설치하였다.

마그네트론에서 발생한 마이크로웨이브는 Wave guide를 이용하여 실험장치

내부로 유도하고 내부에는 장치 내에서 마이크로웨이브가 균일하게 조사되도록

구리판을 이용하여 도파선을 장치하였다.

그림 12. 무전극 램프용 마이크로웨이브 실험설비 외관

- 26 -

0

100

200

300

400

500

600

700

UV 강도(mW/Cm2)

0 5 10 20 30

측정 시간(Min)

S A B C

활성물질에 따른 UV 강도 변화

그림 13. 활성물질 변화에 따른 UV 강도 변화

발생된 무전극 램프의 UV 강도는 International light사의 Model IL 1400A

를 사용하여 측정하였다.

램프의 표면온도는 램프를 발광시킨 후 일정시간 간격으로 표면온도를 측정

하였으며, 장치의 내부온도 측정은 장치 내에 온도센서를 부착하여 시간에 따

른 온도변화를 측정하였다.

온도측정에 사용한 온도측정기는 표면온도는 적외선온도계인 MX4+U와

Thermocouple 형식인 Samwon Eng사의 SD-94를 사용하였다.

그림에서와 같이 Hg/Ind의 중량%를 변화시켜 제조한 램프의 UV 강도는 Ind

의 중량비율이 높아짐에 따라 저하되었으며 또한 램프의 온도도 증가되는 경향

을 나타내었다.

Hg/Ind의 비율이 95/5일때의 램프의 발광성 및 UV 강도가 측정시간에 따라

초기에는 급격하게 감소하지만 40분 이후부터는 감소의 폭이 적고 램프의 표면

온도도 200 -250℃로 안정화되었다.무전극 램프의 발생장치에 부착된 냉각 팬은 분당 1m3의 냉각공기를 장치내

로 송풍한다.

- 27 -

냉각 팬을 작동하면서 측정한 램프의 온도 변화는 그림 에 나타내었다.

측정시간 초기에는 램프의 온도가 상승하는 경향을 보이지만 200℃이상에서는 온도의 변화가 적은 것을 알 수 있다.

0

100

200

300

400

500

600

700

램프 온도(C)

0 5 10 20 30 50 100 150 200 250

운전 시간(Min)

S A

운전 시간에 따른 램프의 온도 변화

그림 14. 냉각에 의한 운전시간에 따른 램프의 온도 변화

나. 이중관형 무전극 램프

하수 방류수에 적용하기 위한 살균 Unit의 설계를 위하여 마이크로웨이브는 물

에 흡수됨으로 무전극 램프에 조사되는 마이크로웨이브가 물에 흡수되지 않도록

이중관형으로 램프를 제작하여 램프의 내부로 하수를 통과시키면서 발생된 UV로

하수를 살균하기 위하여 2중관형의 램프를 설계 제작하였다.

램프 크기 : 내부 관 18(ID) x 55 cm

외부 관 35(ID) x 45 cm

- 28 -

램프 형태 :

하수

활성물질

하수

활성물질

하수

활성물질

그림 15. HES에서 제작한 이중관형 무전극 램프

0

100

200

300

400

500

600

UV 강도(mW/cm2)

1 10 20 30 40 50 60 70 80 90

측정시간(Min)

단관형 이중관형

무전극 램프의 UV 강도 특성

그림 16. 단관형 및 이중관형 무전극 램프의 UV 강도

- 29 -

하수 방류수를 냉각 매체로 사용할 수 있도록 이중관형으로 제작한 무전극

램프의 발광 실험 결과는 다음과 같다.

램프의 내부로 냉각용 물을 통과 시키고 외부의 관에 활성물질 Hg/Ind/Ar을

충전하여 램프를 제작하였다.

발생 UV 강도는 단관형의 무전극 램프와 유사한 경향을 나타내지만 초기와

측정시간이 길어짐에 따라 강조의 변화폭이 단관형에 비해서는 변화의 폭이 크

다. 램프의 표면온도 변화 경향은 단관형과 비슷하지만 전체의 온도는 단관형

보다는 낮다. 그러나 이중관형의 램프에 마이크로웨이브를 조사하는 방법에 따

라 일정하게 발광이 되지 않아 마이크로웨이브의 도입방법에 관한 개선이 필요

하다.

050

100150200250300350400450500

표면 온도(C)

1 10 20 30 40 50 60 70 80 90

측정시간(Min)

단관형 이중관형

무전극 램프의 표면온도

그림 17. 단관형 및 이중관형 무전극 램프의 표면온도

다. 도파선 내장 무전극 램프 개발

하수 방류수 모듈용 무전극 램프의 경우 2중관형 무전극 램프는 내부에 하수

를 유입시킴으로서 램프의 표면온도 및 UV 발생 안정성측면에서는 많은 개선

을 이루었지만 실제로 살균모듈에 적용하기 위해서는 모듈의 구성 및 하수처리

량 등의 많은 문제점을 가지고 있다.

- 30 -

따라서 2차년도의 연구계획에서는 실제로 경제성 있는 모듈설계를 위하여 무

전극 램프의 형상의 변경이 불가피하다.

램프의 표면온도 및 UV 강도의 저하 없는 무전극 램프를 개발하기 위하여 도

파선을 램프 내에 내장시켜 마이크로파의 전달을 원활하게 하고 도파선과 활성

물질간의 접촉거리를 적게 함으로서 활성물질의 여기 및 UV 발생과정에서의

에너지 손실을 적게 함으로서 발열량을 감소시킬 수 있는 무전극 램프를 설계

제작하였다.

도파선 내장 무전극 램프의 형태는 2가지형태로 개발을 진행하였다. 그 중 하

나는 램프 내에 도파선을 1개 내장시킨 형태와 도파선을 2개 내장하여 하나는

마이크로웨이브 도파선용으로, 다른 하나는 잉여 마이크로웨이브를 외부로 방

출하도록 설계하였다.

마그네트론에서 발생된 마이크로웨이브는 그림에서와 같이 주 도파관을 통해

램프 내의 도파선에 전달하도록 램프모듈을 설계하였다.

마그네트론

도파선

무전극 UV 램프하수 방류수

마그네트론

도파선

무전극 UV 램프

마그네트론

도파선

무전극 UV 램프하수 방류수

그림 18. 도파선 내장형 무전극 램프의 모형도

- 31 -

그림 19. 도파선 내장형 무전극 램프

5. 인버터(Invert)식 무전극 UV 램프 개발

무전극 램프의 구동은 마그네트론에서 발생된 마이크로웨이브를 이용하여 램

프내의 활성물질을 여기 시켜 UV를 발생하게 된다. 마이크로웨이브를 이용한

기술은 여러 분야에서 활용되고 있으며, 미그네트론도 양산되고 있어 저렴하게

사용할 수 있는 장점이 있지만 램프를 여기 시키기 위한 도파선 설계, 마이크

로웨이브의 물 흡수에 의한 온도상승, 장치의 크기 등 아직은 많은 제약조건을

가지고 있다.

이 문제를 해결하기 위하여 본 연구에서는 마그네트론 대신에 인버터에 의한

무전극 램프 시스템을 개발하여 1개의 인버터로 여러 개의 무전극 램프를 구동

할 수 있도록 인버터의 설계 및 시스템 설계를 개발하였다.

- 32 -

그림 20. (주) HES에서 개발 중인 인버터와 무전극 램프

- 33 -

그림 21. 인버터에 의한 무전극 램프의 발광(저 강도용)

인버터 방식에 의한 무전극 램프의 개발은 국내에서는 처음으로 시도하는 기술

로 개발초기 단계이지만 많은 가능성을 가지고 있다.

현 단계에서는 저 강도의 UV 램프에서는 성공적이지만 본 연구목표에 근접한

고 강도의 램프 시스템까지 개발을 진행 중에 있다.

Toshiba의 무 전극 시스템

점등원리 : 권선코일의 전자유도램프수명 : 50,000 Hr 램프강도 : 300 W(변환효율 30%)하수처리 시스템 : 3 Lamp/ Modul

Toshiba의 무 전극 시스템

점등원리 : 권선코일의 전자유도램프수명 : 50,000 Hr 램프강도 : 300 W(변환효율 30%)하수처리 시스템 : 3 Lamp/ Modul

HES의 무 전극 시스템

점등원리 : 직접 조사식 Microwave 또는 인버터식

램프수명 : 50,000 Hr 램프강도 : 300 W(변환효율 30%)하수처리 시스템 : ? Lamp/ Moduel

HES의 무 전극 시스템

점등원리 : 직접 조사식 Microwave 또는 인버터식

램프수명 : 50,000 Hr 램프강도 : 300 W(변환효율 30%)하수처리 시스템 : ? Lamp/ Moduel

Toshiba의 무 전극 시스템

점등원리 : 권선코일의 전자유도램프수명 : 50,000 Hr 램프강도 : 300 W(변환효율 30%)하수처리 시스템 : 3 Lamp/ Modul

Toshiba의 무 전극 시스템

점등원리 : 권선코일의 전자유도램프수명 : 50,000 Hr 램프강도 : 300 W(변환효율 30%)하수처리 시스템 : 3 Lamp/ Modul

HES의 무 전극 시스템

점등원리 : 직접 조사식 Microwave 또는 인버터식

램프수명 : 50,000 Hr 램프강도 : 300 W(변환효율 30%)하수처리 시스템 : ? Lamp/ Moduel

HES의 무 전극 시스템

점등원리 : 직접 조사식 Microwave 또는 인버터식

램프수명 : 50,000 Hr 램프강도 : 300 W(변환효율 30%)하수처리 시스템 : ? Lamp/ Moduel

- 34 -

가. 인버터(Inverter)

inverter는 상용 전원으로부터 공급된 교류(AC) 전압을 입력받아 이 전압을 정

류하여(맥류) 평활(DC)한 다음 직류성분을 다시 교류(AC)로 변환하는 장치이

고 그 구성은 아래 그림과 같이 구성되어 있다.

그림 22. 인버터 시스템의 개념도

상용전원(교류 50Hz 또는 60Hz)을 상용전원을 이용하여 전동기를 가변속하기

위해 임의 주파수의 교류 전원을 만들기 위한 System이 인버터 System 으로

위와 같이 구성되어 있다.

그림 23. 인버터 시스템의 구성도

- 35 -

나. 사용전원

①(고정주파수 고정전압)을 컨버터회로 ②로 맥동성분이 포함된 직류성분으로

만든 다음 다시 평활회로 ③를 거쳐 이 맥동성분을 제거하여 완전한 직류성분

으로 만든 다음 다시 인버터 부 ④에서 가변주파수 가변전압을 만들어 전동기

의 속도를 제어하는 System으로 구성되어 있다.

인버터 System의 각 부분 파형을 보면 입력전원 ①이 Converter 회로를 통과

하면 맥동선분이 포함된 직류②성분으로 바뀌고 이 성분은 평활회로③을 거치

면 완전한 직류성분이 된다.

이 직류성분은 다시 인버터회로④를 거쳐 임의 주파수 임의전압으로 만든 후

전동기로 출력 한다.

다. 전압을 변경하는 방법

Switch (Transistor)를 ON/OFF 하는 시간의 폭을 조절하여 전압을 가변한다.

이 방법을 PWM방식 (Pulse Width Modulation)이라 부른다. 아래 그림과 같이

Switch를 ON 하는 시간과 OFF 하는 시간의 비율을 1/2로 하면 평균전압도

따라서 1/2이 되고 ON 비율을 높이면 따라서 평균전압도 상승된다.

RMS값과 피크값을 비교하여 실질적인 Data를 기입한다.

라. INVERTER 적용 시 최적 시스템 구성 예

그림 24. 인버터 최적 시스템 구성 예

- 36 -

제 2절. 하수 방류수 살균소독 시스템 설계

1. 하수 방류수 소독

도시 하수를 살균하고 방류하지 않게 되면 하수 속의 수인성 전염병균들이 연

안 생물들을 오염시키고 다시 이 해산물들이 사람을 2차 감염시킬 수 있다.

UV 시스템은 이러한 하수를 살균 소독하고 하수속의 유기물을 산화시키는 두

가지 효과를 발휘한다. WEDECO의 LBA시리즈와 TAK시리즈는 탁도가 심한

하수에 적합하도록 전용 화학 클리닝 시스템이나 자외선 조사량에 따라 자동으

로 작동하는 와이핑 시스템을 장착하여 항상 일정한 자외선을 조사할 수 있도

록 설계되어 있다.

인간의 배설물에는 총 박테리아 수가 1012개/g 까지 그리고 하수에는 총대장균

군수가 107~108 MPN/100㎖ 있는 것으로 평가되고 있으며. 살균과정 없이 방류

를 하게 되면 수인성 질병을 유발하는 병원균이 주변 환경으로 노출되어 질병

을 더욱 더 빨리 전염하게 된다. 대표적 전염 경로로서는 오염된 물 또는 어패

류 섭취, 위락활동 시 오염수와 피부접촉을 통한 감염 등이 있다. 따라서 수인

성 질병은 경우에 따라서는 대책 없는 결과를 초래하기도 한다. 즉. 방류수의

살균을 통하여 우리가 이러한 오염 환경으로부터 보호될 수 있는 장벽을 쌓는

것이다.

- 37 -

2. 하수 방류수 살균 소독 시스템 설계

가. 자외선 설계

(1). 자외선 조사량 설정

자외선 조사량은 살균 대상이 되는 미생물이 흡수하는 자외선 에너지 총량을

의미한다. 각 미생물 종류에 따라 해당 미생물을 일정비율만큼 사멸시키는데

필요한 자외선 조사량이 달라지는데 그 미생물의 90%를 사멸시켜 10%만이 살

아남을 수 있을 만큼의 자외선 조사량을 D10 값으로 나타낸다. 하폐수 중에 일

반적으로 존재한 다고 알려진 각 미생물 종류에 따른 D10 값은 표 8과 같다.

표 8. 미생물 종류에 따른 D10 값

미생물 종 종별 D10 값 (mJ.cm-2

)

E. Coli 5.4

Streptococcus viridians 2.0

Legionella pneumophila 2.0

Staphylococcus aureus 2.6

Listeria Monocytogenes 3.4

Pseudomonas aeruginosa 5.5

Salmonella enteritidis 7.6

Bacillus subtilis (spores) 12.0

Polio virus 6.5

Saccharomyces carlsbergensis 10.0

Pichia anomola 35.0

Mucor mucedo 17.0

Penicillium digitatum 44.0

Aspergillus niger 130.0

즉, 예를 들어 E. Coli의 경우 90%를 사멸시키는 데에는 5.4mJ/cm2의 자외선조

사량이 필요하며, 99% 사멸을 위해서는 10.8mJ/cm2의 자외선 조사량이 필요하

다. 자외선 소독설비의 설계 시 자외선 조사량은 가장 중요한 인자 중 하나이

다. 자외선의 조사량은 최종방류수의 수질 및 요구되는 살균효율, 그리고 방류

수역의 미생물수에 대한 기준을 고려하여 결정하여야 한다. 자외선 조사량은

- 38 -

자외선의 강도와 그 자외선에 노출되는 시간에 의해 결정된다.

즉, 자외선 조사량 D는 아래와 같은 식으로 대변될 수 있다.

대장균 100% 살균에 필요한 자외선 조사량 예

· 대장균 (Escherichia coli) : 6,600㎼sec/㎠

· 이질 (Shigella flexneri-Dysentary) : 3,400㎼sec/㎠

· 파상풍 (Clostridium tetani) : 22,000㎼sec/㎠

· 콜레라 (Leptospira Canicola-Infectious Jaundice) : 6,000㎼sec/㎠

D (자외선 조사량) = I (자외선 평균강도) × t (노출시간)

본 연구에서는 위의 표에서와 같이 실제 일반적인 국내 하수처리장에의 자외선

살균설비의 적용 시 필요한 자외선 조사량은, 국내 하수처리장에서 자외선 살

균설비로 유입되는 처리수 내의 대장균수 가 약 1,000,000~100,000마리/ml이고

방류기준이 3,000마리/ml이라고 가정할 때, 대략 99.9%~99%를 사멸시킬 수 있

는 10.8mJ/cm-2~16.2mJ/cm-2의 자외선 조사량이 요구되나, 사멸된 미생물이

다시 회생할 수 있다는 점과 안전율을 고려하여 미국 EPA가 추천하는 25

mJ/cm-2 이상의 자외선 조사량을 기준으로 설계하였다.

(2) 자외선의 강도설정

자외선의 단위면적당 자외선 강도는 ㎼/㎠으로 산정할 수 있으며, 이때 노출시간

(sec)을 곱하여 자외선 량 ㎼·sec/㎠를 결정하게 된다. 이때 실제 살균강도를 측

정할 수 있는 253.7㎚의 파장은 전체 자외선출력의 90%이며, 자외선 출력의

측정은 자외선 Lamp 즉, 광원에서 "A"cm 떨어진 장소의 단위면적당 강도를

측정하여 나타내고 있다. 통상 하수처리수의 SS가 10-20mg/l일 경우 자외선

출력의 45-48% 수준이다. 만약 광원이 백열전구와 같이 하나의 점으로 표현된

다면 광원으로부터 반지름 "A"cm인 구를 형성하게 되고, 이 가상구의 내부 면

적(㎠)으로 자외선전체 출력을 나누면 가상구의 단위면적당 자외선 강도를 예측

할 수 있으며, 이 강도가 살균강도 설계의 근원이 된다. 그러나 자외선 Lamp는

선형 광원을 가지고 있으므로 가상 원통과 선형 광원의 끝점을 기준으로 한

반구를 가지게 된다. 그러나 선형 광원의 경우 바깥쪽 반구와 안쪽 반구에 미치

- 39 -

는 광선의 강도가 동일하지 못하기 때문에 안쪽 반구의 내면적에 도달하는 자외

선의 강도가 상대적으로 크게 되고 바깥쪽 반구는 끝점에서 방출되는 자외선에

의한 강도와 측면의 반사광만이 도달함으로 상대적으로 약한 자외선 밀도를 가

지게 된다. 통상의 자외선살균장치로 유입되는 대상수는 자외선이 조사되는 영역

에서만 자외선에 노출되며, 살균반응이 진행된다. 자외선의 강도가 가장 높은 위

치는 자외선 Lamp와 가장 인접하여 물이 흐르는 위치 즉, 석영관의 표면이라

할 수 있다.

본 연구에서는 국내 하수처리자의 방류수 수질기준을 고려하여 SS성분을

10-30mg/l을 기준으로 하고, 램프의 자외선 출력을 45%로 기준하여 시스템을

설계하였으며 램프간의 거리는 무전극 램프의 UV 강도를 고려하여 25-35cm로

램프의 배열을 설계하였다.

Intensity vs. UV Density

그림 25. UV 강도와 UV 밀도와의 관계

- 40 -

(3) 자외선 투과율

처리수의 자외선 투과율은 계속 변화하는데 이는 그 처리수 내에 용해되어 있

는 성분들이 자외선을 흡수해 버리고 부유고형물 또는 용존 고형물이 자외선을

흡수, 분산 그리고 차단해 버리기 때문이다. 이러한 자외선 투과율은 살균설비

의 성능에 큰 영향을 미치므로 살균설비의 설계 시 중요하게 고려되어야 할 인

자 중 하나이다. 자외선 소독설비의 정상적인 가동을 위해서는 부유고형물 농

도가 20mg/l이하로 유지되어야 한다. 이 외에도 여러 유기, 무기 화합물들과 색

도는 자외선의 투과율에 영향을 미친다.

자외선램프로부터 어떠한 미생물을 살균하기 위한 에너지 량은 액체의 자외선

투과율에 의해 좌우된다. 흡수 계수는 액체 속의 용해 고형물과 현탁물질의 양

과 타입에 의해 좌우된다. 일반적으로 철염과 유기물은 흡수 효과가 대단히 크

다.

반면에 알칼리염(보통 염과 같은)은 이러한 파장을 흡수하지 않는다. 살균 장치

의 효율은 물 혹은 액체의 투과율에 의해 결정되기 때문에 모든 공급 수의 현

탁물질의 제거를 위해 적어도 6Micron 정도의 필터를 사용해야 한다.

- 41 -

그림 26. UV 조사량에 따른 살균효율 및 전 처리 효과

표 9. Percent Transmission of 2537A for Water, Varlous Absorption

Coefilclents"

ABSORPTION

COEFFICIENT

TRANSMISSION ABSORPTION

COEFFICIENT

TRANSMISSION

At1" At3" At1" At3"

0.008

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.10

0.11

99%

95%

92%

90%

88%

87%

85%

82%

81%

80%

78%

95%

87%

80%

74%

68%

64%

59%

55%

50%

46%

44%

0.12

0.15

0.16

0.17

0.18

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.50

75%

72%

70%

68%

65%

60%

56%

54%

50%

40%

30%

40%

34%

29%

28%

25%

23%

16%

11%

8%

5%

2%

본 연구에서 설계한 하수 방류수 살균 소독시스템의 자외선에 관련한 설계기준

은 국내 하수처리 방류수의 수질을 고려하여 다음과 같이 결정하였다

- 42 -

표 10. 하수 방류수 시스템 설계용 자외선 설계 값

항 목 단 위 설계 값

자외선 조사량 mJ/cm2 25 - 30

자외선 강도 ㎼/㎠ 50 - 60

자외선 투과율 % 45 - 50

UV 램프간 거리 cm 25 - 35

나. 살균효율에 영향을 미치는 설계인자

물을 자외선으로 살균할 경우, 살균효과는 균의 종류, 수온, 물의 투과율, 램프의

자외선출력의 열화(劣化), 램프 표면의 오염도, 처리유량 등에 좌우된다.

(1) 균의 종류

대상으로 하는 균에 따라 처리유량은 다르다. 대장균을 대상으로 한 경우의

조사량을 1로 했을 때, 일반세균의 경우는 1/2∼1/4 정도가 된다. 또한 곰팡이류

에 대해서는 살균효과가 적기 때문에 가능한 한 여과 등의 다른 처리방법을 병용

한다.

국내 하수처리장의 법적기준을 고려하여 본 연구에서는 대장균 군만을 대상으로

살균 시스템을 설계하였다.

방류수 요구수질 : 대장균 수 100 ml당 200 MPN

※ 광주읍 하수처리장(‘01.4/4) : 유입수 650,000개/㎖, 처리수 400개/㎖

- 43 -

(2) 수온

살균램프는 수온의 영향을 받아서 살균선(파장 253.7㎚)출력의 저하를 일으킨

다. 이 관계는 살균램프 및 살균장치의 구조에 따라 상당히 다르다.

본 연구에서는 하수 방류수의 수온은 램프의 냉각 용수로 사용되기 때문에 국

내 하수처리장의 설계기준과 실측한 온도를 이용하였다.

구 분 최 저 최 대 평 균

온 도 15 30 21.7

(3) 램프의 살균선 출력의 열화

살균램프의 살균출력은 점등시간에 따라 서서히 감소하며 살균효과도 낮아진

다. 살균램프의 수명이란 점등 중에 살균출력의 감소를 고려한 값이며, 출력이

크게 감소한 상태로 사용하면 소기(所期)의 살균효과를 얻을 수 없으므로 새 램

프로 교환하는 것이 좋다.

본 연구에서의 램프 출력열화는 무전극 램프를 고려하여 30,000Hr를 기준으로

설계하였다.

(4) 램프 표면의 오염도

물에 접한 유리관 혹은 석영관의 표면에 오염물질이 부착되면 그 부분에 살균선이

흡수되어 살균효과가 저하되므로 정기적인 청소나 점검을 하도록 한다. 철분이

있는 우물물이나 탁도가 높은 흙탕물을 흘러 보낼 때는 특히 주의할 필요가 있

다

(5) 램프의 온도

표 11은 온도의 영향에 의한 출력 변화를 나타내고 있다. 즉 램프의 온도가

56.6℉(12℃)일 때 살균을 위한 출력 에너지의 효율은 단지 22%이다.도표에서 나타난 것과 마찬가지로 램프의 온도가 40℃일 때 100%의 효과가 나타난다. 따라서 물의 온도가 15℃일 때에는 15°-18°의 수치를 더하면 그때의 정확한 램프의 온도가 나온다.

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표 11. Relative Percent Output of 2537A Radiation at Various UV Lamp

Temperatures

TEMPERATUREOUTPUT

TEMPERATURE OUT

PUT℉ ℃ ℉ ℃

56.6

60.8

68.0

75.2

82.4

89.6

96.8

12

18

20

24

28

32

36

22%

30%

40%

53%

68%

85%

95%

104.0

111.2

118.4

125.6

132.8

140.0

147.2

40

44

48

52

56

60

64

100%

98%

93%

85%

75%

66%

58%

(6) 기타 설계 인자

유량, 초기투자비 및 유지관리비를 포함한 경제성, 처리효율, 램프 폐기로 인한

환경오염문제 등이 자외선 소독설비의 설계에 영향을 미치는 인자가 될 수 있

다. 이들 인자 중 경제성은 매우 중요한 인자로서 초기 투자비뿐만 아니라 과

다한 램프수로 인한 램프 교체비용 및 부속소모품(램프슬리브, 전력조절장치,

세척장치 등)비용을 반드시 고려하여야 한다.

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표 12. Ultraviolet Energy Levels at 2537 Angstrom Units WavelengthRequired for

99.9% Destruction of Various Microorganisms UV Energy in Microwatt－seconds per

Square Centimeter

BACTERIA Staphylococcus aureus ‥‥‥‥‥‥ 7000Agrobacterium tumefaciens ‥‥‥‥ 8500 Stroptococcus taecalis ‥‥‥‥‥ 10000Bacillus anthracis ‥‥‥‥‥‥‥‥ 8700 Streptococcus hemolyticus ‥‥‥ 5500Bacillus megaterium (Vegetative)‥‥ 2500 Streptococcus lactis ‥‥‥‥‥‥‥ 8800Bacillus megaterium (spores) ‥‥‥ 52000 Viridans streptococci ‥‥‥‥‥‥ 3800Bacillus subtilis (vegetative) ‥‥‥‥ 11000 Vibrio cholerae ‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 6500Bacillus subtilis (spores) ‥‥‥‥ 58000 MOLD SPORESClostridium Tetani ‥‥‥‥‥‥‥ 22000 Aspergillus flavus (yellowis green)‥ 99000Corynebacterium diphtheriae ‥‥‥ 6500 Aspergillus glaucus (Bluish green)‥ 88000Escherichia coli ‥‥‥‥‥‥‥‥ 7000 Aspergillus niger (black) ‥‥‥‥‥ 330000Logionella bozemanil ‥‥‥‥‥ 3500 Mucor ramosissimus (white gray)‥ 35200Logionella dumoffill ‥‥‥‥‥‥ 5500 Penicillum digitatum (olive) ‥‥‥‥ 88000Logionella gormanii ‥‥‥‥‥‥‥ 4900 Penicillum expensum (olive) ‥‥‥ 22000Logionella micdadei ‥‥‥‥‥‥‥ 3100 Penicillum roqueforti (green) ‥‥‥ 26400Logionella longbeachae ‥‥‥‥‥ 2300 Rhizopus nigricans (black) ‥‥‥‥ 220000Logionella pneumophila ‥‥‥‥‥ 3800 ALGAELeptospira interrogans ‥‥‥‥‥‥ 6000 Chlcreila vulgaris (algae) ‥‥‥‥ 22000(infectious Jaundice)Mycobacterium tuberculosis ‥‥‥‥ 10000 PROTOZOANeisseria catarrhalis ‥‥‥‥‥‥‥ 8500 Nematode eggs ‥‥‥‥‥‥‥‥ 92000Proteus vulgaris ‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 6600 Paramocium ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 2