최근 정화조 및 하수맨홀에서 배출되는 악취가 도심지역 감각공해 민원 이슈로 대두되고 있다. 하지만 이런 소규모 하수배제시설들은 다양한 형태로 광범위하게 산재되어 있으며 명확한 관리방안이 제시되지 않아 효과적인 악취 저감이 어려운 실정이다. 도심지 환경기초시설의 악취발생 원인은 유기성 퇴적물이 혐기부패 되면서 다양한 악취물질이 수중에서 생성되고, 기상조건에 따라 기상으로 확산된다. 이때 발생되는 주요 악취물질은 황화수소 및 메틸머캅탄과 같은 황계열 물질로서 최소감지농도가 낮아 주변지역에 광범위하게 영향을 미친다.
본 연구에서는 전기화학 산화반응을 이용하여 생활하수에 포함되어 있는 황계열 악취물질 제거평가와 이를 응용한 전기화학 산화장치의 현장 적용성 평가를 진행하였다. 전기화학 산화반응은 전해질에 담지된 전극사이에 직류전압을 인가 후 전극표면에서 생성되는 라디칼(radical) 또는 염소계 산화제에 의한 대상물질의 산화반응으로서, 일반적으로 높은 전류밀도 조건에서 차염소산을 생성하는 반응 등에 적용되어 왔다. 본 연구에서는 상대적으로 낮은 전류밀도 조건에서 전기화학 산화반응을 적용하여 생활하수에서 대기 중으로 확산되는 황계열 악취물질을 선택적으로 제거하기 위해 아래와 같은 평가를 진행하였다.
전기화학 산화반응을 이용한 생활하수의 악취물질 제거 기초평가는 유기성 퇴적물이 포함된 생활하수를 대상으로 인가전압 10 V, 전류밀도 50 A/㎡ 이하 조건에서 stainless steel (SS), Ti, Ti/IrOx 전극을 이용하였다. 이때 생활하수에서 발생되는 고농도 황화수소는 전기화학반응 시작 후 10분 이내에 99% 이상 제거됐다. 하지만 불용성 전극(Ti/IrOx)을 제외하고 일반금속전극(SS, Ti)에서는 금속이온이 쉽게 용출되고 산화피막이 형성되어 내구성 및 효율성에 문제가 발생하였다. 이에 불용성 전극의 선정과 평가를 중심으로 전기화학 산화장치의 적용 가능성을 검토하였다.
신규전극의 평가는 다양한 촉매원소(Ir, Ru, Ta, Sn)를 Ti 전극판에 코팅하고 기존 상용화된 불용성 전극 대비 경제성 및 내구성을 확보하기 위하여 진행하였다. 각 촉매코팅제의 산화제 발생효율 및 내구성을 고려하였을 때 Ir과 Ta가 혼합된 불용성 전극이 생활하수에 포함된 악취유발물질 제거에 효과적이었다. 최종적으로 제시한 신규전극의 촉매제 조성은 50 mmol/㎡ 에서 Ir과 Ta가 1:3 (molar ratio) 혼합된 조건으로써, 50 A/㎡ 이하의 낮은 전류밀도 조건에서 기존의 상용전극(Ir과 Ta가 70:30)과 비교하였을 때 산화제 발생효율 및 내구성에서 큰 차이가 없었다.
Ti/Ir-Ta 전극을 적용한 전기화학 산화장치의 생활하수 악취저감 효과를 평가하기 위하여 실험실 규모 반응기를 구성하였으며, 분뇨정화조 처리수와 생활하수를 대상으로 인가전압(10∼20 V), 유기오염물 농도(5∼20 g-COD/L) 등의 다양한 영향인자에 변화시키며 실험을 진행하였다. 결과적으로 전기화학 산화반응에 의해 생활하수의 황계열 악취물질이 빠른 속도로 제거되었으며, 황화수소 제거량 기준으로 투입된 에너지량을 계산한 결과 36.0 ∼ 42.2 Wh/mg-H2S/㎡ 수준으로써 상대적으로 적은 에너지 투입량으로 황계열 악취물질을 효과적으로 제거하였다. 수중 황화수소 발생량은 혐기부패를 유발하는 유기물 농도와 밀접한 상관관계가 있다. 유기성오염물질을 기준으로 투입된 에너지를 산출한 결과 30 Wh/kg-TCOD, 전류밀도는 3 A/㎡/kg-TCOD가 적정한 것으로 분석되었다.
실험실 규모에서 얻어진 투입에너지를 기준으로 실규모 정화조 및 하수관거 맨홀을 제작하고 평가를 진행하였다. 실규모 모형정화조는 14.4 ㎥ (100인조) 크기로, 유입되는 분뇨의 농도(2∼10 g-SS/L), 정화조 처리시간(HRT, 1∼2 day), 순환율(0.25∼1 회/hr) 등의 다양한 조건에서 평가를 진행하였다. 하수관거 맨홀은 1 ㎥ 크기의 하수맨홀을 제작하고, 유기성 고형물농도(5∼20 g-SS/L), 유량(1∼3 ㎥/hr)의 조건에서 평가를 진행하였다. 다양한 실규모 실험 결과, 전기화학 산화반응에 필요한 적정 에너지는 50 Wh/kg-TCOD, 전류밀도는 5 A/㎡/kg-TCOD 수준으로 실험실 평가 대비 1.5배의 소비전력과 전류밀도가 필요하였다. 이는 실험실 평가와 실규모 모형 평가시 대비되는 실험조건 중 회분식과 연속운전, 실험장치의 크기, 산화제의 확산속도 등 다양한 조건의 영향으로 판단된다.
실규모 모형평가에서 얻어진 적정 투입에너지와 전류밀도를 이용하여 실제 현장 정화조(700인조 규모, 35 ㎥/day) 및 하수관거 맨홀(72 ㎥/day)에 전기화학 산화장치를 적용하였다. 실제현장에서 발생하는 황화수소를 제거하기 위하여 6개월 이상의 장기운전 결과, 정화조는 평균 90% 이상, 하수관거 맨홀은 60∼80 % 이상의 높은 제거효율 보였다. 이때 하수관거 맨홀의 경우 현장 여건상 하수의 유량 및 유속, 낙차 등 다양한 변수가 있어 악취저감 효율이 정화조에 비해 상대적으로 낮았다.
결과적으로 전기화학 산화반응은 정화조, 하수관거 맨홀 등의 생활 악취 발생원에 적용하여 악취물질을 근원적으로 저감할 수 있는 기술로서, 전극 관리, 능동제어 등의 추가적인 연구 및 개선이 이루어지면 효과적인 생활악취 저감기술로 활용성이 높을 것으로 판단된다.