KR100490310B1

KR100490310B1 - 철-전기분해를 이용한 하수처리방법

Info

Publication number: KR100490310B1
Application number: KR1020040104743A
Authority: KR
Inventors: 김영규; 이병노; 조덕희; 이주성
Original assignee: 주식회사 가경코스모; 주식회사 대진환경산업; 엔비넷 주식회사
Priority date: 2004-12-13
Filing date: 2004-12-13
Publication date: 2005-05-18

Abstract

본 발명은 철-전기분해를 이용한 하수처리방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 기존의 철-전기분해장치가 장착된 오폐수처리 방법에서 혐기조를 제거하여, 탈인 및 탈질 효율을 높인 철-전기분해를 이용한 하수처리방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른, 철-전기분해를 이용한 하수처리 방법은 혐기조가 필요없어, 하수처리장의 개보수 및 신설시 공사비용을 저감할 수 있으며, 철전기분해조를 별도로 설치하여 전기에 대한 위험성을 배제할 수 있다.

Description

철-전기분해를 이용한 하수처리방법{Method for Treating Wastewater Using Iron Electrolysis}

지금까지 알려진 전기분해를 이용하여 폐수를 처리하는 방법은 대부분 SS, n-헥산, 색도, 전질소 등이 포함된 악성폐수에 전류를 인가하여, 폐수 중에 포함된 오염물질 자체를 전기분해하여 처리하는 방법들이었다 (대한민국 특허공고 0231331, 대한민국 특허공고 0148315, 대한민국 특허공개 2004-0035634). 그러나 상기와 같은 전기분해를 이용한 폐수처리 방법은 자체가 전기분해 가능한 오염물질에만 적용될 수 있으며, 축산폐수나 가정용 오수에 포함된 인, 질소 및 유기물들을 제거할 수 없는 단점이 있었다.

인과 질소의 제거를 위한 생물학적 처리공정은 최적공정관리가 매우 복잡하고, 활성 미생물에 의한 영양염류 제거율이 신뢰도가 매우 낮아 제거효율을 높이기 위하여, 오 폐수에 화학약품을 투입하는 화학적 처리방법을 병행하여 사용하고 있으나, 비용이 많이 들고, 잉여슬러지의 처리량이 증가되며, 화학약품을 계속 투입할 경우 미생물의 활성도가 저하하게 된다.

이에 반해 폐수처리 시의 전기분해의 전극으로 철을 이용하면 전극에서 생성되는 철이온이 폐수 중의 인, 질소 및 유기물들과 반응하여 불용성 염을 형성시키고, 침전된 불용성 염을 제거함으로서 효과적으로 폐수를 처리할 수 있는 장점이 있다.

철의 전기분해를 이용한 오폐수의 처리방법(대한민국 특허등록 0142894)은 오폐수 처리조 내에 설치된 봉형태의 철전극에 전류를 인가하여 철전극으로 부터 2가 철이온(Fe²⁺)을 생성시키고, 석출된 Fe²⁺은 전류의 흐름 방향에 따라 양극에서 음극의 철판표면으로 이동하는 과정에서 철의 전기분해조의 용존산소와 반응하여 2가 철이온의 일부분은 3가 철로 전환되며, 전해반응에 의해 발생된 철이온은 Fe²⁺, Fe³⁺, Fe(OH)₂ ⁺, 및 Fe(OH)²⁺ 등과 같은 형태로 존재하며 용액내의 부유물질 및 용해성 유·무기물과 반응하여 불용성 침전물을 형성하여 처리조 바닥으로 침전되게 된다. 철의 전기분해에 의해 석출된 철산화물에 의해 처리조 내의 호기성박테리아의 증식을 활성화시켜 유기물질의 산화, 분해 능력이 증가되어 오폐수 내의 유기물질이 효과적으로 제거되게 된다.

철 전기분해를 이용한 폐수처리조 내부의 질소는 철의 전기분해에 의해 석출된 철산화물에 의해 폭기조 내의 질산화 박테리아의 증식이 활발해 지고, 오폐수 중 암모니아성 질소가 호기성 미생물의 호흡과정에 의해 질산염으로 질산화되고, 최종 침전지에서는 철염이 혼합된 활성슬러지와 질산염이 함유된 폐수를 폭기조로부터 무산소조로 반송시켜 무산소조에서 탈질미생물에 의해 질산염이 질소가스로 환원되어 질소산화물을 제거하게 된다.

또한 인의 경우는 폭기조에 투입된 양극의 철봉표면에서 생성된 2가 철이온이 수용액에서 전류의 흐름에 따라 양극에서 음극의 철봉표면으로 이동하는 과정에서 폭기조 내 용존산소와 반응하여 3가 철로 환원되고, 이때, 반응조 내 철이온은 용존 산소와 반응하여 주로 입자상의 철산화물을 형성하여 오폐수 중의 인산염이 철산화물의 표면에 흡착되어 제거되게 된다.

그러나, 상기와 같은 종래의 철 전기분해를 이용한 오폐수처리공정에서는 철 전극이 폭기조 내에 존재하여, 처리조 내부에서 발생하는 스컴 등이 전극에 부착되어 안정적인 전기분해가 이루어지지 못하며, 철전극으로 사용되는 철봉이 전기분해로 소모되고 난 후에 교환하는 것이 번거로웠다.

이를 해결하고자 본 발명자들은 혐기조, 무산소조, 호기조로 구성된 오폐수 처리 장치에 철의 전기분해조를 별도로 설치하여 호기조에서 유입된 오폐수를 이용하여 철을 전기분해하는 시스템을 개발하였으나(대한민국 특허출원 2004-86525호), 상기 시스템은 오폐수가 혐기조로 유입되면 혐기조 내의 미생물이 유기물에서 인을 용출시키는데 에너지원을 사용하여, 정작 무산소조에서 탈질을 위한 에너지원이 부족하여 탈질 효율이 떨어지는 단점이 있었다.

일반적으로 하수의 인 제거는 혐기성 반응조에서 미생물 내의 인을 세포 밖으로 과잉 방출케 한 후 호기조에서는 유기물질 산화과정에서 생성된 에너지를 이용하여 미생물 내로 인을 과잉 흡수케 하여 폐슬러지의 형태로 인을 제거시키는 방법과 혐기성 반응조에서 미생물에 의해 인이 과잉방출된 혼합액을 미생물과 분리한후 분리된 상등액에 석회 또는 금속염을 첨가하여 제거하는 방법 등이 있으며, 질소제거는 하수 및 오수의 유입수중 암모니아성 질소가 호기조의 미생물 호흡과정에 의해 질산염으로 질산화되고, 질산화된 질산염을 무산소조로 반송시켜 질산염을 질소가스로 환원시켜 질소를 제거하는 기존 방법이 있다.

이에, 본 발명자들은 기존의 철의 전기분해조가 설치된 오폐수 처리 시스템에서, 혐기조를 제거하고, 무산소조, 호기조 및 별도의 분리된 철 전기분해조로 구성된 공정을 수행함으로, 인제거 효율을 높일 수 있다는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 처리될 하수가 혐기조를 거치지 않고 무산소조를 거쳐 호기조로 유입된 유입수를 철 전기전해조로 이송하여 전기분해한 후 호기조로 재공급하는 것을 특징으로 하는 하수처리방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 혐기조 없이 무산소조와 호기조를 포함하는 하수처리 시스템을 이용한 하수처리방법에 있어서, 무산소조에서 처리대상 하수의 탈질을 수행하고, 상기 무산소조에서 처리된 처리수를 호기조로 유입시켜 탈인 및 유기물 제거를 수행하되, 전기분해된 철이온을 공급하기 위하여 상기 호기조로 유입된 유입수를 철 전기전해조를 거쳐 순환시키는 것을 특징으로 하는 철 전기분해를 이용한 하수처리방법을 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 철 전기전해조는 철판이 브라켓에 조립되어 있고 상기 브라켓은 베이스에 삽입되어 있는 구조로, 상기 베이스는 하부에 에어탱크가 부착되어 있고 상부에는 에어뱅크로부터 공급되는 공기를 분산시키는 디스트리뷰터가 붙어 있어 철판하부를 고정시키면서 철판에 공기를 분산하여 산기시킬 수 있는 구조의 철-전기분해모듈이 장착되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 호기조의 처리수는 상기 무산소조로 내부반송시키거나 2차 침전지로 이송시킨 후 무산소조로 외부반송시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 철 전기분해를 이용한 하수처리방법은 기존의 하수처리용 생물반응조에 철 전기분해조를 부가하여 설치하는 방식으로 기존 운영하수처리장이나 신설하수처리장에 별도의 기초설비공사 없이 간단하게 설치할 수 있으며, 혐기조를 설치할 필요없어 보다 경제적인 설치가 가능하다.

본 발명에 따른 철 전기분해를 이용한 하수처리방법은 기존의 방법에서 혐기조 내부의 미생물이 하수에 포함된 유기물에서 인을 용출시키는 데에 탄소원 등을 사용하여 무산소조에서 탈질반응시의 에너지원이 부족했던 단점을 개선시킨 것으로, 하수가 곧 바로 무산소조로 유입되어 하수에 포함된 유기물질을 탈질에 활용하여 탈질효율을 향상시키고, 처리수 중의 인의 제거는 전기분해조와 호기조에서 수행하는 방법이다.

본 발명에 따른 철 전기분해를 이용한 하수처리 공정을 도 1에 나타내었으며, 상기 공정은 하수의 탈질을 수행하는 무산소조, 탈인 및 유기물제거를 수행하는 호기조 및 탈질, 탈인 및 유기물제거를 동시에 수행하는 전기분해장치로 구성된다.

본 발명은 기존 하수처리장에 특별한 변경이 없이 별도의 철의 전기분해조를 설치하여 석출이 잘 될 수 있는 철판을 투입 전기분해를 유도하여 철판에서 발생하는 철 이온을 이용하여 하수 및 오수에 포함되어 있는 인산염, 질소 및 유기물의 제거효율을 극대화시킨 것이다.

본 발명에 있어서, 철의 전기분해에 의한 인 제거는 전기분해에 의해 발생한 철 이온과 유입수 중의 용해성 인산염을 반응시켜 불용성 침전물 형태로 만들어 제거하는 원리이며, 질소의 제거는 전해조에서 인산염과 반응하지 않고 남은 철 이온이 다시 반응조로 반송되어 호기조에 유입되면 호기조 내의 질산화박테리아의 증식이 촉진되어 질산화율의 향상을 가져와 무산소조에서 탈질효율이 높아지게 된다.

본 발명에 있어서, 유기물의 제거는 석출된 철산화물에 의해 폭기조내 호기성 박테리아의 증식을 촉진시켜 유기물질의 산화, 분해능력을 증가시켜 최종침전지에서 침전시켜 제거하게 된다.

본 발명에서는 철의 전기분해를 촉진하기 위하여, 전기분해조 하부에서 에어공급 펌프를 통해 공기를 공급하는 산기관을 설치하였다. 상기 산기관은 에어공급 펌프로부터 유입된 공기를 저장하는 에어탱크와 에어탱크 내부의 에어를 전기분해조로 분산시키는 에어 디스트리뷰터로 구성된다.

상기 산기관은 에어공급펌프로부터 공급되는 공기 중의 산소가 혼합액속에서 좀 더 잘 용해되도록 하고, 철전기분해조의 처리수의 혼합을 용이하게 하며, 철의 분해 및 부식을 촉진하게 된다.

본 발명에서 사용한 전기분해장치는 무산소조에서 호기조로 유입된 유입수를 철 전기전해조(21)로 공급하는 (a)유입수 공급부(22), 외부공기를 철 전기전해조(21)로 공급하는 (b)에어공급부(23), 유입된 처리수에서 철전기분해모듈을 이용하여 철을 전기분해하는 (c)철 전기전해조(21), 철 전기전해조에서 전기분해된 철이온을 함유하는 처리수를 호기조로 재공급하는 (d)호기조 공급부(26), 철전기전해조 모듈(30)에서 전기분해에 의해 발생하는 브라운가스를 배출시키는 (e)가스배출부(24)의 5 가지 부분으로 구성된다 (도 2).

상기 전기분해모듈(30)은 호기조에서 유입된 처리수를 이용하여 철을 전기분해하는 장치이다.

도 3은 철-전기분해장치의 전해조 구조를 나타낸 것으로, 철 전해조 케이스(31)에 전기분해조 모듈(30)이 삽입되어 있으며, 호기조로부터 처리수가 배관을 통해 플랜지(33)로 유입된 처리수는 전기분해모듈(30)을 거쳐서 전기분해된 철이온을 함유한 상태로 다시 플랜지(32)를 거쳐 호기조로 유입된다. 이때 전해조 상단의 공기유입플랜지(34)는 전해조로 외부공기를 유입시키는 역할을 한다.

도 4에는 철-전기분해장치에 장착되는 전기분해모듈(30)을 나타내었으며, 전기분해모듈은 철판이 카트리지 타입으로 조립되어 있는 형태이다.

철판(41)은 브라켓(42)에 조립되어 있고 브라켓(42)은 베이스(43)에 삽입되어 있는 구조이다. 베이스(43)는 하부에 에어뱅크(50)가 부착되어있고 상부에는 에어탱크(50)로부터 공급되는 공기를 분산시키는 디스트리뷰터(51)가 붙어 있어 철판(41)하부를 고정시키면서 철판에 공기를 분산하여 산기시킬 수 있는 구조로 되어 있다. 상기 베이스(43)와 철판(41) 사이를 연결하는 볼트(47)에는 링(48)이 삽입되어 전극의 전도면적을 넓히는 역할을 한다.

본 발명의 전기분해모듈은 철판을 카트리지 형식으로 삽입하도록 되어 있으며, 철판이 전기분해로 소모되었을 때, 용이하게 탈착하여 새로운 철판으로 교체할 수 있다.

본 발명에서 철판의 재질은 여러가지 철 종류를 제한 없이 사용할 수 있으며, 하기 실시예에서는 SS 재질의 철판을 사용하였다. 본 발명에서 사용되는 철은 모듈에 장착할 수 있는 판상형태로 제형하여 사용하는 것이 바람직하며, 모듈의 철판 간격은 10~30mm인 것이 바람직하다.

전기분해모듈(30)의 전기공급방식은 1초 ~ 1시간 간격으로 (+) 단자와 (-)단자를 전기적으로 교환하는 방식으로 철판에 붙어있는 이물질을 제거할 수 있다.

본 발명에 있어서, 전해조의 운영은 컴퓨터에 의한 자동운영방식으로 온도, 레벨, 유량제어, 동력제어 및 산화량을 제어할 수 있는 통합관리방식의 HMI구조인 것이 바람직하다.

본 발명의 철-전기분해 장치는 오폐수처리에 사용되는 처리조의 어느 곳에든 설치할 수 있으나, 호기조 상부에 설치하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용되는 하수처리조는 무산소조 및 호기조를 포함하는 생물반응조라면 제한없이 사용할 수 있다.

본 발명에서 상기 호기조의 처리수는 잔여 인, 질소 및 유기질의 완벽한 처리를 위하여 상기 무산소조로 내부반송시키거나, 2차 침전지로 이송시킨 후 무산소조로 외부반송시킬 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 1: 반응조 및 운전조건

본 발명에서 사용한 처리시스템은 무산소조, 호기조로 구분된 본 발명의 생물반응조에 A2O 공정의 호기조에 철전기분해장치가 설치된 공정이다 (도 1). 슬러지는 장당하수처리장 잉여슬러지를 사용하였으며, 유입수의 종류는 하수이다. 반응조의 크기는 하기와 같다.

· 무산소조 : W1.6m×L1.5m×H1.75m, 4.2㎥

· 호기조 : W1.6m×L3.0m×H1.75m, 8.4㎥

· 전체용적 : 10.6㎥

· 철전기분해조 : W0.65m×L1.0m×H0.8m, 0.52㎥

철-전기분해의 고도처리 시스템의 하루 처리용량은 50톤으로 조정하고, 산소조, 호기조를 각각 2시간, 4시간으로 총 6시간의 체류시간을 유지하고, 처리수는 내부반송(호기조→무산소조) 100%와 외부반송(2차 침전지→무산소조) 50%로 운전하였다.

전기분해모듈에 장착되는 철판의 표면적은 3,000㎠이었으며, 모듈은 양극과 음극 1세트로 3개조를 구성하였으며, 철판에 인가하는 전압 및 전류는 각각 6V 및 20A로 유지하며 실험을 진행하였다.

실시예 2: 인 제거효율

유입수의 T-P(전체 인) 농도는 3.84㎎/L이 었으며, 실시예 1과 같은 방법으로 처리한 경우, 처리수의 T-P농도는 0.33㎎/L로 T-P 제거효율은 91.4%이었다. 철전기분해조에서 석출된 철염이 호기조 내부의 인산염과 흡착 반응하여 제거효율이 높게 유지되었고, 2차 침전조의 처리수가 무산소조로 반송되어 전기분해조 및 2차 침전조에서 반응하지 않은 철염이 반응조 내에서 다시 반응을 일으켜 반응조 전체 인산염이 낮게 유지된다는 것을 알 수 있었다.

실시예 3: 질소 제거 효율

유입수의 T-N(전체 질소)농도는 38.3㎎/L이었으며, 실시예 1과 같은 방법으로 처리한 경우, 처리수의 T-N농도는 9.04㎎/L로 T-N 제거효율은 76.4%이었다. 유입수의 평균C/N비는 2.26로 낮으면서도 T-N 제거효율은 높게 나온 것으로 보아,철 전기전해조에서 석출된 철과 부유물질이 응집되는 현상으로 인하여 부가적으로 질소가 제거되었다는 것을 알 수 있었다.

또한, 유입수가 혐기조를 거치지 않고 곧바로 무산소조로 유입되어 무산소조에서 탈질을 위한 유기물이 충분했기 때문에 질소 제거효율이 높게 나타난 것이로 판단된다.

실시예 4: 유기물 제거 효율

유입수의 BOD(생물학적 산소요구량)는 99.2㎎/L이었으며, 실시예 1의 방법으로 처리한 결과, 처리수의 BOD는 5.53㎎/L로, BOD 저감효율은 94.47%이었다.

유입수의 COD(화학적 산소요구량)Mn 농도는 62.1㎎/L이었고, 실시예 1의 방법으로 처리한 처리수의 CODMn는 5.35㎎/L로 CODMn 감소효율은 91.4%이었다.

유입수의 SS(Suspended Solid) 농도는 평균 103.6㎎/L이었으며, 실시예 1의 방법으로 처리한, 처리수의 SS는 평균 5.26㎎/L로 SS제거효율은 94.9%이었다. 이는 석출된 철이 부유물질의 침전과정에서 함께 흡착되어 슬러지의 침강성을 양호하게 유지하기 때문에 처리수의 유기물질 농도가 낮아진 것으로 나타났다.

본 발명의 철-전기분해를 이용한 하수처리방법에 의한 하수의 처리 효율을 표 1에 나타내었다.

철-전기분해를 이용한 하수처리방법에 의한 하수 처리 효율

항 목	단 위	유 입 수	방 류 수	처리효율 (％)
BOD₅	㎎/l	99.2	5.53	94.4
COD_Mn	㎎/l	62.1	5.35	91.4
SS	㎎/l	103.6	5.26	94.9
T-N	㎎/l	38.3	9.04	76.4
T-P	㎎/l	3.84	0.33	91.4

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다.

본 발명은 처리될 하수가 혐기조를 거치지 않고 무산소조를 거쳐 호기조로 유입된 유입수를 철 전기전해조로 이송하여 처리하는 것을 특징으로 하는 하수처리방법을 제공하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 무산소조, 호기조, 전기분해장치를 이용한 하수처리 방법을 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명의 철-전기분해장치의 플로우시트이다.

도 3은 본 발명의 철-전기분해장치의 전해조의 구조를 나타낸 것으로, a)는 철-전기분해장치의 전해조의 평면도이며, b)는 철-전기분해장치의 전해조의 A-A 단면도, C)는 철-전기분해장치의 전해조의 B-B 단면도이다.

도 4는 본 발명의 철-전기분해장치의 전기분해모듈의 구조를 나타낸 것으로, a)는 전기분해모듈의 평면도이며, b)는 전기분해모듈의 A-A 단면도이고, c)는 전기분해모듈의 B-B 단면도이다.

(부호의 설명)

21- 철 전기전해조 22- 호기조 처리수 공급펌프

23- 에어 공급 펌프 24- 처리수 배출 플랜지

30- 전기분해모듈 31- 케이스

32- 플랜지 33- 플랜지

34- 공기 유입플랜지 35- 수평조절다리

41- 철판 42- 브라켓

43- 베이스 44- 베이스 손잡이

45- 전극연결단자 46- 전극연결단자

47- 볼트 48- 링

49- 커버 50- 에어 뱅크

51- 에어 디스트리뷰터 52-에어뱅크 커버

Claims

혐기조 없이 무산소조와 호기조를 포함하는 하수처리 시스템을 이용한 하수처리방법에 있어서, 무산소조에서 처리대상 하수의 탈질을 수행하고, 상기 무산소조에서 처리된 처리수를 호기조로 유입시켜 탈인 및 유기물 제거를 수행하되, 전기분해된 철이온을 공급하기 위하여 상기 호기조로 유입된 유입수를 철 전기전해조를 거쳐 순환시키는 것을 특징으로 하는 철 전기분해를 이용한 하수처리방법.
제1항에 있어서, 상기 철 전기전해조는 철판이 브라켓에 조립되어 있고 상기 브라켓은 베이스에 삽입되어 있는 구조로, 상기 베이스는 하부에 에어탱크가 부착되어 있고 상부에는 에어탱크로부터 공급되는 공기를 분산시키는 디스트리뷰터가 붙어 있어 철판하부를 고정시키면서 철판에 공기를 분산하여 산기시킬 수 있는 구조의 철-전기분해모듈이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 하수처리방법.
제1항에 있어서, 상기 호기조의 처리수는 상기 무산소조로 내부반송시키거나 2차 침전지로 이송시킨 후 무산소조로 외부반송시키는 것을 특징으로 하는 철 전기분해를 이용한 하수처리방법.