KR101046942B1 - 전기분해를 이용한 수처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기분해를 이용한 수처리 방법에 관한 것으로, 그 목적은 전기분해를 이용하여 폐수 처리시 필요한 전해질을 폐수 중에서 회수 후 재 순환시켜 저렴하게 고농도의 전해질 상태를 안정적으로 공급하여 전극의 수명을 연장토록 하고, 폐수원수 중 일부를 분기 후 전기분해하여 폐수내 오염물질을 제거하고, 전기분해시 생성된 차아염소산나트륨을 원폐수에 공급하여 산화방식으로 유기물 및 질소성분을 제거토록 하여 다중 방식으로 처리함으로써 장치의 크기를 소형화하는 전해 처리방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 구성은 유기물질 및 질소 성분을 포함한 원폐수를 분기시켜 일부를 전기분해조에서 유기물질 및 질소를 제거함과 동시에 산화제인 차아염소산나륨을 발생시키고, 이를 처리수조에서 원폐수와 혼합하여 원폐수 내 유기물질 및 질소를 제거시키고, 전기분해조에 사용되는 NaCl은 처리수조를 지난 혼합폐수를 NaCl회수설비에서 회수하여 재사용하는 염소순환식으로 전해 처리하는 방법을 특징으로 하는 전기분해를 이용한 수처리 방법을 그 기술적 사상의 특징으로 한다.

전기분해, 수처리, 질소 처리, 전극, NaCl 회수설비, EDR, 전기투석

Description

전기분해를 이용한 수처리 방법{Electrochemical Method for Water Treatment}

본 발명은 전기분해를 이용한 수처리 방법에 관한 것으로, 자세하게는 폐수를 전기분해에 의해 생성된 차염소산나트륨을 사용하여 처리하되, 전기분해시 필요한 전해질의 효율적인 사용을 위해 NaCl 회수설비를 사용하고, 전기분해 장치의 규모를 줄이기 위해 바이패스(bypass)된 원폐수를 전기분해하여 산화제를 발생시켜 다시 원폐수로 투입하여 처리하는 폐수의 염소순환식 전해 수처리방법에 관한 것이다.

일반 생활하수나 산업폐수, 발전소 폐수 중의 유기물, 질소 등 영양 염류, 난분해성 물질은 자연 수중으로 유입될 경우 수중 오염부하가 높아지고 수계의 부영양화를 촉진하여 조류를 발생시키며, 이로 인하여 산소부족과 독성물질 배출 등의 영향으로 물고기가 폐사하고 생태계가 파괴되는 주원인이 된다.

이에 각 산업공정에서 배출되는 배출수 중 오염물질의 관리 농도가 점점 강 화 되어 아래 표와 같이 배출 기준이 변경되어 2013년 이후로는 모든 폐수 배출 시설에서 BOD, COD, T-N 이 각각 10, 40, 20mg/L 이하로 강력히 규제된다.

	2007. 12. 31. 까지	2011. 1. 1.부터 2012.12.31.까지	2013. 1. 1. 이후
생물화학적산소요구량 (BOD, mg/L)	30(30) 이하	20(30) 이하	10(10) 이하
화학적산소요구량 (COD, mg/L)	40(40) 이하	40(40) 이하	40(40) 이하
총 질소 (T-N, mg/L)	60(60) 이하	40(60) 이하	20(20) 이하

상기표에서 "( )"는 농공단지의 경우의 폐수종말처리시설의 방류수 수질기준

이하 폐수내 포함된 오염물질의 처리방법에 대해 살펴본다.

폐수내 유기물, 질소 물질을 처리하는 기존 처리 방법 중 대표적인 미생물 처리에 의한 방법은 미생물이 온도, 환경 등에 의한 영향을 받기 때문에 기존 처리장치에서는 여름 겨울 등에 처리효율이 떨어지며 폐수 오염 농도가 고농도로 갈수록 필요 부지가 늘어나므로 비교적 저농도의 경우에 사용 된다. 또한 폐수내 난분해성 물질이나 독성 물질이 포함 되어 있을 경우 사실상 생물학적 처리법으로는 처리할 수가 없다.

생물처리법의 단점을 보완하고 적용하기 어려운 독성 및 난분해성 폐수 처리를 위하여 여러 가지 방법이 연구되고 있다. 예를 들자면 염소가스를 투입하는 방법, 차아염소산나트륨을 투입하는 방법 그리고 기존 특허에도 많이 설명되고 있는 전기분해를 이용한 처리법이 그 중 하나이다.

먼저 염소가스를 투입하는 방법은 폐수에 염소 가스를 투입하여 반응시켜 처리하는 단순한 방법 중 하나이다. 장치 구성 역시 염소가스 탱크와 반응 탱크의 간단한 공정을 갖는 방법으로 초기 투자비가 적은 편이다.

그러나 이와 같은 방식은 염소 가스 자체의 독성으로 현장에서 염소가스를 취급하는데 매우 유의해야 하며 염소 가스 자체가 고가의 물질이라 처리비용이 상당히 비싼 방법이라는 단점이 있다.

또한 폐수에 염소 가스 대신 10wt%의 고농도 차염소산나트륨이나 0.8~1wt%의 저농도 차염소산나트륨을 투입하는 방법으로 현장에서 고농도 또는 저농도 차염소산나트륨을 직접 만들어 투입하는 방식과 약품으로 사서 투입하는 방법이다. 고농도 차염인 10wt% 차염은 격막을 이용하여 만든 염소가스를 NaOH와 반응시켜 생산하여 벌크(bulk)로 공급하거나, 현장에서 제조장치를 직접 설치하여 투입하는 온-사이트(on-site) 방식이 있다. 그러나 이와 같은 방식은 고농도 차염을 만들기 위해 필요한 격막과 투입되는 전력량이 상당히 높은 비용이 필요하며, 이때 전해질도 고농도를 필요로 하여 생산비용이 올라간다는 단점이 있다.

또한 0.8~1wt%의 저농도 차염은 대부분 현장에서 제조하여 투입하는 방식을 사용하는데 고농도 차염생산과는 달리 격막 없이 무격막으로 제조하여 생산비용이 저렴한 편이다. 그러나 이와 같은 방식은 저농도 차염을 현장에서 만들어 투입할 경우, 질소 농도에 따라 투입되는 외부 폐수량(저농도 차염수)이 증가하여 최종적으로 발생되는 폐수량이 증가하게 된다. 이는 처리 장치의 규모를 필요 이상으로 증가시키며 최종적으로 수처리비용을 증가시킨다는 단점이 있다.

또 다른 전기분해를 이용한 방법으로 폐수를 직접 전기분해 장치에 통과시켜 처리하는 방법이 있는데 폐수 내 유기물, 질소 성분 농도와 처리 효율에 따라 전기분해 장치 규모가 설계되고 폐수 내 전해물질이 부족한 경우 Cl 성분을 투입한다. 이 방법은 폐수에 전기분해 장치를 단일로 설치하여 장치에 폐수를 통과시키며 전기를 공급하여 유기물 및 질소성분을 분해시켜 처리하는 부수적인 장치가 필요 없는 간단한 구조이다.

그러나 폐수량이 많거나, 폐수 오염 부하가 높을 경우 전기분해 장치의 규모가 증가해야 하는데 전기분해 장치에 사용되는 전극은 비교적 고가이며, 장치의 규모가 일정이상 커지게 되면 이에 필요한 전기를 공급 하는 것에도 상당한 규모가 되어 장치를 설치하기 힘든 경우도 있다. 또한 폐수내 일정 전해물질이 포함되지 않았을 경우 전극의 수명이 줄어들고 처리 효율도 감소하게 되어 추가 약품 비용도 커지게 된다는 단점이 있다.

또한 도 3에 개략적으로 도시된 대한민국 특허 제 10-0687095호(질소 화합물의 역전전기투석-전기화학적 폐수처리공정)를 보면 그 구성이 기존 EDR + 전기분해 공정으로 이루어져 있음을 알 수 있는데, 이는 단순히 폐수중 질소를 농축하여 전 기분해 처리하는 것을 목적으로 하고 있다. 이 방법은 저농도의 질소계 폐수를 EDR을 이용하여 고농도로 농축하여 희석수는 재사용하고, 농축수는 전기분해에 의해 처리하는 방식을 채택한 것으로 EDR 농축법을 사용한 것 이외에는 일반적인 전기분해방법과 장단점이 거의 유사하다고 할 수 있다.

또 다른 기존 처리 방법중 도 4에 도시된 특허 제10-0670629호(복수탈염설비 재생폐수의 유기물질 및 질소를 제거하기위한 전기분해처리장치 및 처리방법)에서 내부 반송을 통해 처리효율을 증가시키는 공정이 있는데, 이는 폐수에 전해질을 투입하여 직접분해 한 후단에 반응탱크를 두고 폭기시켜는 단계와 이 반응탱크에서 일부를 전해질 투입 단계로 반송시켜 체류시간만 증가시키는 공정으로 일반적인 전기분해 공정과 별다른 차이점이 없다. 또한 전해질 공급을 바닷물이나 소금물을 10~30% 중량%로 주입하는데 이는 폐수 총량을 늘리는 결과를 가져와 최종적으로 장치가 커지게 되는 단점이 된다.

상기에서 살펴본 종래 기술중 직접 전기분해를 이용하여 유기물 및 질소함유 폐수를 처리하는 방법은 폐수량이나 오염물 부하 변화시 즉, 공급폐수의 공급량 또는 오염물 함유량 증가시 추가적인 별도의 전해질(염소이온) 투입 및 전기분해장치의 규모 증설과 이에 따른 추가적인 전기공급량이 필요하고, 폐수내 일정 농도의 전해질(염소이온)이 포함되지 않을 경우에는 전기분해장치를 구성하는 전극 수명이 줄어들고 처리효율도 감소한다는 단점으로 인해 다양한 폐수 공급조건에 따른 대응 이 떨어진다는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 전기분해를 이용하여 폐수 처리시 필요한 전해질을 폐수 중에서 회수 후 재 순환시켜 저렴하게 고농도의 전해질 상태를 안정적으로 공급하여 전극의 수명을 연장토록 하고, 폐수원수 중 일부를 분기 후 전기분해하여 폐수내 오염물질을 제거하고, 전기분해시 생성된 차아염소산나트륨을 원폐수에 공급하여 산화방식으로 유기물 및 질소성분을 제거토록 하여 다중 방식으로 처리함으로써 장치의 크기를 소형화하고 전해질추가에 따른 손실을 방지하는 전해 처리방법을 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 유기물질 및 질소 성분을 포함한 원폐수를 분기시켜 일부를 전기분해조에서 유기물질 및 질소를 제거함과 동시에 산화제인 차아염소산나륨을 발생시키고, 이를 처리수조에서 원폐수와 혼합하여 원폐수 내 유기물질 및 질소를 제거시키고, 전기분해조에 사용되는 NaCl은 처리수조를 지난 혼합폐수를 NaCl회수설비에서 회수하여 재사용하는 염소순환식으로 전해 처리하는 방법을 특징으로 하는 전기분해를 이용한 수처리 방법을 제공함으로써 달성된다.

상기 염소순환식으로 전해 처리하는 방법은,

유기물질 및 질소 성분을 포함한 원폐수를 주공급라인과 분기공급라인으로 분기 공급하는 단계와;

주공급라인을 통해 유입된 원폐수와 분기공급라인을 거친 후 전기분해 처리되어 차아염소산나트륨을 함유한 폐수가 혼합된 혼합폐수로를 처리수조에서 유기물질 및 질소 성분을 제거하는 단계와;

NaCl회수설비에서 혼합폐수로부터 NaCl을 막접촉에 의해 회수시켜 분기공급라인을 통해 공급되는 원폐수쪽으로 NaCl을 공급하는 NaCl 회수 단계와;

NaCl 회수 단계에서 NaCl을 공급받은 분기공급라인의 원폐수가 농도(폐수 중 Nacl의 중량(wt)% 농도)가 낮은 저농도의 NaCl 함유 폐수일 경우 포화소금조에서 NaCl을 투입하여 고농도의 NaCl 함유 폐수로 만드는 NaCl 투입단계와;

고 농도(폐수 중 Nacl의 중량(wt)% 농도)의 NaCl 함유 폐수를 공급받은 전기분해조에서 전기분해하여 유기물질 및 질소 성분을 제거하고, 동시에 생성된 차아염소산나트륨을 원폐수에 투입하는 전기분해단계;의 처리단계를 거치면서 염소순환식으로 전해 처리하는 방법을 특징으로 한다.

상기 유기물질 및 질소 성분을 제거하는 단계와 NaCl회수단계 사이에 유기물질 및 질소 성분이 제거된 혼합폐수의 pH를 조정하는 중화단계와; 중화단계를 지난 혼합폐수 내 잔류 산화제인 OCl- 또는 HOCl를 탈염소 약품을 이용하여 제거하는 약품 처리 단계;를 더 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.

상기 저농도는 폐수중 NaCl의 중량(wt)% 농도가 3wt% 미만인 것을 특징으로 한다.

상기 고농도는 폐수중 NaCl의 중량(wt)% 농도가 3wt% 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 분기 공급하는 단계에서 주공급라인은 원폐수를 분기공급라인을 거친 후 전기분해 처리되어 차아염소산나트륨을 함유한 폐수와 혼합하여 유기물질 및 질소 성분을 제거하는 처리수조 쪽으로 공급하는 단계이고,

분기공급라인은 고 농도(wt%)의 NaCl 함유 폐수를 공급받아 전기분해하여 유기물질 및 질소 성분을 제거하고, 동시에 생성된 차아염소산나트륨을 생산하는 전기분해조 쪽으로 분기 공급하는 단계인 것을 특징으로 한다.

상기 pH를 조정하는 중화단계는 처리수조를 통하면서 유기물 및 질소가 제거된 폐수의 낮아진 pH를 pH조정조에서 조정하여 중성 내지 알카리성 pH로 조정하는 단계인 것을 특징으로 한다.

상기 주공급라인과 분기공급라인으로 분기 공급하는 단계에서 분기 비율은 처리하고자 하는 원폐수 중에 포함된 유기물질 및 질소 성분의 농도(wt%)에 따라 주공급라인과 분기라인의 공급비율을 선택적으로 나누는 것을 특징으로 한다.

상기 NaCl 회수 단계는 혼합폐수의 NaCl을 회수후, 폐수중 NaCl 농도(wt%)가 낮아진 혼합폐수는 방류하는 단계인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 전기분해의 효율을 높이며 고가의 전극 수명을 늘리기 위한 전해질을 유입되는 저염분의 원폐수와 전기분해 처리된 고염분 폐수를 이용하여 NaCl 회수설비에서 Cl 이온을 회수후 전기분해장치에 재순환 공급함으로써 폐수중 3wt% 농도의 NaCl을 유지하기 위해 투입되는 NaCl 투입량을 저감시킬 수 있다는 장점과,

NaCl 회수설비에 의한 Cl 이온의 재순환공정으로 인해 지속적으로 폐수 중 Nacl의 중량(wt)% 농도가 3wt%이상의 고농도 NaCl 상태를 유지함으로 인한 전극 수명 연장한다는 장점과

원폐수 일부를 분기후 전기분해하여 오염물질을 제거하는 공정과 전기분해시 생성된 산화제인 차아염소산나트륨을 원폐수에 투입하여 산화방식에 의해 원폐수 내 오염물질을 처리하는 공정으로 다중 제거함으로써 원폐수 전부를 전기분해장치에 투입하는 기존의 전기분해방식에 비하여 전기분해장치를 소형화 할 수 있다는 장점과,

폐수를 일부 분기시키고 이를 전기분해하여 폐수처리하고 추가로 발생된 산화제를 원폐수와 혼합시켜 폐수 처리에 필요한 산화제량을 없거나 최소로 만드는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명이다.

이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 염소 순환 처리 공정을 보인 폐수 처리공정도인데,

도시된 바와 같이 본 발명 장치 구성은 원폐수를 주공급라인과 분기공급라인으로 분기후, 분기공급라인을 통해 공급된 원폐수를 전기분해하여 폐수처리함과 동시에 이때 발생된 차아염소산나트륨을 포함하는 유기물질 및 질소가 제거된 폐수를 원폐수와 혼합하여 차아염소산나트륨에 의해 유기물질과 질소 성분을 제거하는 처리수조와; 처리수조를 지난 혼합폐수를 중화하는 pH조정조와; pH조정조를 지난 혼합폐수 내 잔류 산화제인 OCl- 또는 HOCl를 탈염소 약품을 이용하여 제거하는 약품처리조와; NaCl 함유 혼합폐수를 분기공급라인으로 분기된 원폐수와 막접촉시켜 혼합폐수의 NaCl을 회수하여 분기공급라인으로 분기된 원폐수의 NaCl 농도(wt%)를 높이고, 폐수중 NaCl 농도(wt%)가 낮아진 혼합폐수는 방류시키는 NaCl회수설비와; NaCl회수설비를 거치면서 폐수중 NaCl 농도(wt%)가 높아진 분기공급라인의 폐수중 NaCl 농도(wt%)에 따라 저농도(wt%)일 경우 NaCl을 투입하여 고농도(wt%)의 NaCl 함유 폐수로 만드는 전해질 보충용 포화소금조와; 고농도(wt%)의 NaCl을 함유하는 분기공급라인의 폐수를 전기분해하여 유기물과 질소를 제거함과 동시에 차아염소산나트륨을 생성하여 처리수조에 공급하는 전기분해조;로 구성된다.

상기에서 고농도라 함은 3wt%이상의 폐수중 NaCl 농도를 말하는 것이고, 저농도는 폐수중 3 wt%미만의 NaCl 농도를 말한다.

상기 NaCl회수설비를 거친 혼합폐수와 분기공급라인의 폐수중 NaCl 농도(wt%)를 도 2에 도시된 본 발명의 한 실시예에 따른 농도 변환 과정을 보면 분기된 폐수의 NaCl 농도는 NaCl 회수설비를 거치게 되면 최초 0wt%에서 1.5~3wt%로 전환되고, 분기된 폐수와 막 접촉하여 NaCl이 회수되는 혼합폐수는 최초 3wt% 미만에서 1~1.5wt%로 전환된다. 물론 이와 같은 NaCl 농도(wt%)는 한 실시예에 따른 예시적인 표현으로, 만약 폐수 오염 부하에 따라 주공급라인과 분기공급라인으로 공급되는 원폐수의 비율이 변하면 이러한 비율 역시 변동되게 된다. 즉, 회수되는 NaCl농도(wt%)는 폐수의 오염 부하에 따라 장치를 설계하며 이에 따라 변경된다.

이하 본 발명을 구성하는 상기 각 구성요소를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

유기물 및 질소 성분을 포함한 원폐수가 유입하면서 일부는 처리수조로 가는 주공급라인과 NaCl회수설비로 가는 분기공급라인으로 나누어진다. 두 라인의 비율은 원폐수의 오염 부하에 따라 선택적으로 변한다.

즉, 상기 원폐수를 주공급라인과 분기공급라인으로 나누는 비율은 처리하고자 하는 원폐수 중에 포함된 유기물질 및 질소 성분의 농도(wt%)에 따라 주공급라인과 분기라인의 공급비율을 선택적으로 나눈다. 여기서 유기물 및 질소 성부 폐수의 오염물질의 농도범위와 그에 따른 공급비율은 유기물의 종류, 유기물과 질소 폐수의 농도의 비율, 각 오염물질에 대한 성상 등에 의해 그 범위와 비율을 달리할 수 있으며, 이는 본 발명의 처리하고자 하는 대상 폐수의 특성 및 성상에 따라 변하는 값으로 본 발명에서는 그 범위를 한정하지 않는다.

상기 처리수조는 전기분해조를 거친 폐수가 주공급라인의 원폐수와 혼합, 반응되는 곳으로 원폐수내의 유기물 및 질소 성분은 전기분해조에서 생성된 산화제인 차아염소산나륨에 의해 산화 되어 제거된다.

상기 pH조정조는 처리수조를 지난 폐수의 pH를 조정하는 곳이다. 전기분해조에서의 폐수내 질소 처리는 중성 내지 알카리성 pH에서 효율이 좋으며, NaOCl 등 산화제 발생시 pH가 증가된다. 이를 원폐수에 투입하는 처리수조 내의 화학 반응에 의하여 폐수 pH가 내려가게 된다. 따라서 후단의 NaCl회수장치에서 NaCl 회수시 pH도 같이 변하게 되므로 전기분해조에 공급되기 전에 내려간 pH를 다시 중성 내지 알카리성 pH로 조정하는 곳이다.

상기 약품처리조는 처리수조를 지난 폐수 내 잔류 산화제인 OCl- 또는 HOCl를 탈염소약품을 이용하여 제거하는 곳이다.
보충적으로 설명하자면, 본원발명에서 발생하는 산화제는 OCl- 또는 HOCl인데 이것이 처리수조를 지난 폐수 속에 잔류하고 있어 이를 제거해야 한다. 이러한 잔류 산화제를 제거하는 약품처리 단계에서는 잔류 산화제(OCl- or HOCl)를 환원시키는 탈염소 약품을 사용하는데, 이와 같은 탈염소 약품을 이용하는 것은 일반적인 단계이다. 일반적으로 탈염소 약품은 ascorbic acid, Iron metal, Sulfiter plus iodide mediator, Thiosulfate, Sodium metabisulfite 등이 이용되며, 특히 황산화물 형태가 광범위하게 적용되고 있다. 이러한 황산화물 형태의 탈염소계 약품은 자신은 산화되고 염소계 산화제를 염소이온(Cl-) 형태로 환원시켜 탈염소 시키는 약품으로 아황산수소나트륨(NaHSO3), 티오황산나트륨(Na2S2O3), 아황산나트륨(Na2SO3), 아황산칼슘(CaSO3) 등이 대표적이다.
이러한 잔류염소 성분의 제거를 위한 기술은 '출원번호 KR10-2007-7028685호, 밸러스트수 처리장치 및 처리방법'에 의해 차아염소산나트륨, 염소 등의 염소 살균제의 분해제로 티오황산나트륨, 아황산나트륨, 아황산수소나트륨을 공지하고 있으며, '출원번호 10-2006-0005604호, 도금폐수의 처리 시스템 및 방법'에서는 티오황산나트륨(Na2S2O3)에 의한 탈염소방법이 공지되어 있으며, '출원번호 KR 10-1993-0020275호, 폐수 중의 잔류염소 제거방법'에서는 잔류염소제거를 위해 아황산 또는 그의 염을 이용한 환원분해 방법을 공지하고 있는 등 여러 기술에서 잔류 산화제에 대한 약품처리 방법을 공지하고 있는 일반적인 기술이다.

상기 NaCl회수설비는 실시예로 EDR(전기투석) 장치를 이용할 수 있다. NaCl 회수설비로 유입된 분기공급라인을 통해 공급되는 원폐수는 처리수조를 통과한 혼합폐수와 교차하며 NaCl 회수설비의 원리 즉, 막접촉에 의한 투석 원리에 의해 혼합폐수 내의 Cl 이온이 분기공급라인으로 공급되는 원폐수 쪽으로 이동하게 된다. NaCl회수설비의 용량은 이동 하고자 하는 Cl 농도에 의해 조정되는데 투석되는 Cl 이온량이 많아질수록 NaCl 회수 설비의 용량이 커지게 되므로 공정의 효율과 설계 비용을 감안하여 결정한다. 이후 NaCl회수설비에서 NaCl 성분 일부가 회수된 혼합폐수는 배출되어 방류된다.

상기 포화소금조는 NaCl회수설비를 지난 NaCl 농도(wt%)가 높아진 폐수의 NaCl 농도가 고농도(wt%)에 미달할 경우 전기분해 효율이 높도록 NaCl을 투입하여 전해질인 NaCl의 농도를 고농도(3wt%이상)로 만드는 장치이다. 즉, 전기분해 반응에 있어 전극의 수명을 늘리고 전류 효율을 높게 유지하기 위하여 전해질인 NaCl 농도를 3wt% 이상으로 조정하는 것이 좋다. 따라서 NaCl 회수 설비에서 투석된 폐수 내 NaCl 농도가 3wt%에 미치지 못할 경우 NaCl을 투입하는 장치이다.

상기 전기분해조는 Ru, Ir, Pt 등의 귀금속류가 코팅된 DSA 전극(본 출원인의 선등록 특허 10-0407710에 따라 제작됨)을 양극으로 하고 양극과 동일한 DSA 또는 Ti 등의 코팅되지 않은 금속을 재료로 한 음극이 사용된다. 정류기를 통하여 양극과 음극에 +, - 전류가 공급되고 여러 가지 전기분해 반응에 의하여 분기공급라인을 통해 공급되는 폐수 내의 유기물질 및 질소 성분이 제거 된다. 유기물과 질소 제거시 초과 공급된 전류는 폐수 내에 NaOCl 등의 여러 가지 산화제를 발생 시키게 되고 다음 공정에서 산화제로 사용하게 된다.

상기와 같이 구성된 장치 구성에 의한 본 발명의 전해처리방법을 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 기본 수처리방법은 유기물질 및 질소 성분을 포함한 원폐수를 분기시켜 일부를 전기분해조에서 유기물질 및 질소를 제거함과 동시에 산화제인 차아염소산나륨을 발생시키고, 이를 처리수조에서 원폐수와 혼합하여 원폐수 내 유기물질 및 질소를 제거시키고, 전기분해조에 사용되는 NaCl은 처리수조를 지난 혼합폐수를 NaCl회수설비에서 회수하여 재사용하는 염소순환식으로 전해 처리하는 방법이다.

구체적으로 염소순환식으로 전해 처리하는 방법은 아래와 같이,

유기물질 및 질소 성분을 포함한 원폐수를 주공급라인과 분기공급라인으로 분기 공급하는 단계와;

주공급라인을 통해 유입된 원폐수와 분기공급라인을 거친 후 전기분해 처리되어 차아염소산나트륨을 함유한 폐수와 혼합된 혼합폐수로부터 유기물질 및 질소 성분을 제거하는 단계와;

유기물질 및 질소 성분이 제거된 혼합폐수의 pH를 조정하는 중화단계와;

중화단계를 지난 혼합폐수 내 잔류 산화제인 OCl- 또는 HOCl를 탈염소 약품으로 제거하는 약품 처리 단계와;

약품 처리단계를 거친 혼합폐수로부터 NaCl을 막접촉에 의해 회수시켜 분기공급라인을 통해 공급되는 원폐수쪽으로 NaCl을 공급하는 NaCl 회수 단계와;

NaCl 회수 단계에서 NaCl을 공급받은 분기공급라인의 원폐수 중 NaCl 농도(wt%)가 낮을 경우 NaCl을 투입하여 고농도의 NaCl 함유 폐수로 만드는 NaCl 투입단계와;

고농도(wt%)의 NaCl 함유 폐수를 공급받아 전기분해하여 유기물질 및 질소 성분을 제거하고, 동시에 생성된 차아염소산나트륨을 원폐수에 투입하는 전기분해단계;로 이루어진다.

상기 분기 공급하는 단계에서 주공급라인은 원폐수를 분기공급라인을 거친 후 전기분해 처리되어 차아염소산나트륨을 함유한 폐수와 혼합하여 유기물질 및 질소 성분을 제거하는 처리수조 쪽으로 공급하는 단계이고, 분기공급라인은 고농도(wt%)의 NaCl 함유 폐수를 공급받아 전기분해하여 유기물질 및 질소 성분을 제거하고, 동시에 생성된 차아염소산나트륨을 생산하는 전기분해조 쪽으로 분기 공급하는 단계이다.

상기 유기물 및 질소제거단계에서 주공급라인은 처리수조와 연결되어 처리수조로 유입된 원폐수와 분기공급라인을 거친후 전기분해되어 오염물이 제거된 차아염소산나트륨을 함유한 폐수와 혼합하여 유기물 및 질소를 제거하는 단계이다.

상기 중화단계에서 pH 조정은 처리수조를 통해 유기물 및 질소가 제거된 폐수의 낮아진 pH를 pH조정조에서 pH를 조정하여 중성 내지 알카리성 pH로 조정하는 단계이다.

상기 약품 처리단계에서 약품은 처리수조에서 넘어온 잔류 산화제인 OCl- 또는 HOCl를 제거하는 탈염소 약품을 말한다.

상기 NaCl 회수단계는 약품 처리단계를 거친 혼합폐수를 NaCl회수설비에 의해 분기공급라인을 통해 공급된 원폐수와 막접촉시켜 혼합폐수로부터 NaCl을 회수하여 원폐수 쪽으로 공급하는 단계이다.

상기 NaCl 투입단계는 NaCl 회수단계를 지난 폐수의 NaCl 농도가 고농도(3wt%이상)가 아닐 경우 포화소금조의 NaCl을 투입하여 고농도의 NaCl 함유 폐수로 만드는 단계이다. 이와 같이 고농도상태를 만들어 다음 단계인 전기분해단계에서의 전기분해 효율을 높이게 된다.

상기 전기분해단계는 전기분해조에서 고농도의 NaCl 함유 폐수를 공급받아 전기분해하여 유기물 및 질소를 제거하고, 초과로 생성된 산화제인 차아염소산나트륨을 주공급라인의 처리수조로 투입하는 단계이다.

상기와 같은 본 발명 구성에 따라 원폐수 중 유기물 및 질소를 제거하는 메커니즘을 보다 구체적인 살펴보면 다음과 같다.

전기분해에 의한 처리방법은 백금족의 금속을 티타늄 모재에 코팅 한 불용성 전극을 양극으로 하고 양극과 동일한 전극이나 코팅하지 않은 티타늄, 니켈 등의 금속판을 음극으로 하는 것을 한 유니트(unit)로 하여 양극, 음극에 전기를 공급하여 전기적인 방법에 의해 폐수 내 오염물질을 분해하는 기술이다.

전기분해시 물 속에 Cl^- 이온이 존재시에 아래와 같은 반응이 일어난다.

양극 2Cl → Cl₂ + 2e^-

음극 2H₂O + 2e^- → 2OH^- + H₂

Cl₂ + H₂O → HOCl + H⁺ +Cl^-

HOCl → OCl^- + H⁺

물속에 전도도 및 처리율을 높이기 위해 NaCl을 투입할 경우 아래와 같은 반응으로 차아염소산 나트륨이 생성된다.

NaCl + H₂O + 2e^- → NaOCl + H₂

NaOCl → Na⁺ + OCl^-

OCl^- + H₂O ↔ HOCl + OH^-

물속의 유기물의 경우 전기분해시 양극에서 생성된 활성물질에 의해 산화되어 이산화탄소로 산화-연소되어 분해되거나, 위 식의 음극반응에 의해 생성된 차염 소산나트륨 등의 산화제에 의해 분해된다.

R_(유기물) + reacting agent → xCO₂ + yH₂O + zH₂

암모니아성 질소성분은 물속의 염소와 반응하여 염소 파괴법(Break point chlorination)과 같은 반응으로 처리된다.

2NH⁺ + 3HOCl → N₂ + 3H₂O + 5H⁺ + 3Cl^-

2NH₃ + Cl^- → N₂ + 6HCl + 6e^-

질산성 질소나 아질산성 질소는 전기분해 장치 내 음극(-)에서 다음과 같은 반응에 따라 암모니아성으로 환원되거나 질소가스로 환원된다.

NO₃ ^- + 6H₂O + 8e^- ⇒ NH₃ + 9OH^-

NO₃ ^- + 4H⁺ + 8e^- ⇒ NH4⁺ + 3H₂O　

2NO₃ ^- + 6H₂O + 10e^- ⇒ N₂(g) + 12OH^-　

NO₂ ^- + 5H₂O + 6e^- ⇒　NH₃ + 7OH^-

2NO₂ ^- + 4H₂O + 6e^- ⇒ N₂(g) + 8OH^-

환원된 NH₃ 는 양극에서 질소가스로 산화 되거나 물속에 생성된 산화제에 의해 산화되어 질소가스로 대기중으로 배출된다.

질소계 성분 중 에탄올아민에 대한 전기분해 반응은 다음과 같다.

NH₂CH₂CH₂OH + H₂O ⇒ NH₃ + 2HCHO + 2H⁺ + 2e^-

HCHO + 4OH^- ⇒ CO₂ + 3H₂O + 4e^-

HCHO + 2OCl^- ⇒ CO₂ + 2Cl^- + H₂O

상기와 같은 구성 및 처리방법을 가진 본 발명에 따라 폐수를 처리하게 되면 방류되는 유기물 및 질소가 제거된 폐수 내 전해질 즉, NaCl의 농도를 NaCl 회수설비를 통해 다시 회수함으로써 전기분해에 사용되는 전해질 사용량을 줄이게 되어, 원폐수를 직접 전기분해시켜 산화제를 발생시키는 방법 사용시 소요되는 설계 금액 중 가장 큰 부분을 차지하는 전기분해조의 용량을 줄여 전체적인 설계비용을 줄이게 된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그 와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 염소 순환 처리 공정을 보인 전기분해 수처리 공정도이고,

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 NaCl 회수설비 내 NaCl 회수 흐름도이고,

도 3과 4는 기존 특허 내용 공정을 보인 개략도이다.

Claims (9)

1. 유기물질 및 질소 성분을 포함한 원폐수를 분기시켜 일부를 전기분해조에서 유기물질 및 질소를 제거함과 동시에 산화제인 차아염소산나륨을 발생시키고, 이를 처리수조에서 원폐수와 혼합하여 원폐수 내 유기물질 및 질소를 제거시키고, 전기분해조에 사용되는 NaCl은 처리수조를 지난 혼합폐수를 NaCl회수설비에서 회수하여 재사용하는 염소순환식으로 전해 처리하는 방법을 특징으로 하는 전기분해를 이용한 수처리 방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   염소순환식으로 전해 처리하는 방법은,

   유기물질 및 질소 성분을 포함한 원폐수를 주공급라인과 분기공급라인으로 분기 공급하는 단계와;

   주공급라인을 통해 유입된 원폐수와 분기공급라인을 거친 후 전기분해 처리되어 차아염소산나트륨을 함유한 폐수가 혼합된 혼합폐수를 처리수조에서 유기물질 및 질소 성분을 제거하는 단계와;

   NaCl회수설비에서 혼합폐수로부터 NaCl을 막접촉에 의해 회수시켜 분기공급라인을 통해 공급되는 원폐수쪽으로 NaCl을 공급하는 NaCl 회수 단계와;

   NaCl 회수 단계에서 NaCl을 공급받은 분기공급라인의 원폐수가 농도(폐수 중 Nacl의 중량(wt)% 농도)가 낮은 저농도의 NaCl 함유 폐수일 경우 포화소금조에서 NaCl을 투입하여 고농도의 NaCl 함유 폐수로 만드는 NaCl 투입단계와;

   고농도의 NaCl 함유 폐수를 공급받은 전기분해조에서 전기분해하여 유기물질 및 질소 성분을 제거하고, 동시에 생성된 차아염소산나트륨을 원폐수에 투입하는 전기분해단계;의 처리단계를 거치면서 염소순환식으로 전해 처리하는 방법을 특징으로 하는 전기분해를 이용한 수처리 방법.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 유기물질 및 질소 성분을 제거하는 단계와 NaCl회수단계 사이에 유기물질 및 질소 성분이 제거된 혼합폐수의 pH를 조정하는 중화단계와; 중화단계를 지난 혼합폐수 내 잔류 산화제인 OCl- 또는 HOCl를 탈염소약품을 이용하여 제거하는 약품 처리 단계;를 더 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 전기분해를 이용한 수처리 방법.
4. 청구항 2에 있어서,

   상기 저농도는 폐수중 NaCl의 중량(wt)% 농도가 3wt% 미만인 것을 특징으로 하는 전기분해를 이용한 수처리 방법.
5. 청구항 2에 있어서,

   상기 고농도는 폐수중 NaCl의 중량(wt)% 농도가 3wt% 이상인 것을 특징으로 하는 전기분해를 이용한 수처리 방법.
6. 청구항 2에 있어서,

   상기 분기 공급하는 단계에서 주공급라인은 원폐수를 분기공급라인을 거친 후 전기분해 처리되어 차아염소산나트륨을 함유한 폐수와 혼합하여 유기물질 및 질소 성분을 제거하는 처리수조 쪽으로 공급하는 단계이고,

   분기공급라인은 고농도(wt%)의 NaCl 함유 폐수를 공급받아 전기분해하여 유기물질 및 질소 성분을 제거하고, 동시에 생성된 차아염소산나트륨을 생산하는 전기분해조 쪽으로 분기 공급하는 단계인 것을 특징으로 하는 전기분해를 이용한 수처리 방법.
7. 청구항 3에 있어서,

   상기 pH를 조정하는 중화단계는 처리수조를 통하면서 유기물 및 질소가 제거된 폐수의 낮아진 pH를 pH조정조에서 조정하여 중성 내지 알카리성 pH로 조정하는 단계인 것을 특징으로 하는 전기분해를 이용한 수처리 방법.
8. 청구항 2에 있어서,

   상기 주공급라인과 분기공급라인으로 분기 공급하는 단계에서 분기 비율은 처리하고자 하는 원폐수 중에 포함된 유기물질 및 질소 성분의 농도(wt%)에 따라 주공급라인과 분기라인의 공급비율을 선택적으로 나누는 것을 특징으로 하는 전기분해를 이용한 수처리 방법.
9. 청구항 2에 있어서,

   상기 NaCl 회수 단계는 혼합폐수의 NaCl을 회수후, NaCl 농도가 낮아진 혼합폐수는 방류하는 단계인 것을 특징으로 하는 전기분해를 이용한 수처리 방법.

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