KR101543551B1 - 전기분해를 이용한 하·폐수처리시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기분해공정을 이용한 하수 및 폐수의 고도처리시스템으로, 보다 상세하게는 무산소조, 호기조로 구성된 생물반응조에서 질산화 및 탈질작용에 의한 질소제거와 전기분해조에서 철 석출장치 내에 철을 용출시켜 인과 결합하여 인을 제거하고 응집제를 첨가하며 전기분해조를 추가 설치하는 전기분해를 이용한 하·폐수처리시스템에 관한 것이다.
따라서 전기분해를 이용한 하·폐수처리시스템은 종래 전기분해를 이용한 하수처리에서 제거되지 못한 잔류 오염물질을 응집제를 사용하여 제거하고, 전위차를 이용한 전기분해를 추가 설치하여 바이러스 및 병원성세균을 제거하여 수계로 배출하며 추가로 혐기조를 설치하여 인 제거 효율을 더 높일 수 있다.

Description

전기분해를 이용한 하·폐수처리시스템{Wastewater treatment system using electrolysis}

본 발명은 전기분해공정을 이용한 하수 및 폐수의 고도처리시스템으로, 보다 상세하게는 무산소조, 호기조로 구성된 생물반응조에서 질산화 및 탈질작용에 의한 질소제거와 전기분해조에서 철 석출장치 내에 철을 용출시켜 인과 결합하여 인을 제거하고 응집제를 첨가하며 전기분해조를 추가 설치하는 전기분해를 이용한 하·폐수처리시스템에 관한 것이다.

일반적으로 국내 하수처리시설은 표준활성슬러지 공법이나 상기 공법의 추가 또는 변형된 공법을 사용하고 있고 그에 따른 영양염류의 제거 효율은 20%이하로, 강화되고 있는 수질기준에 부합하기 위해 하·폐수고도처리공법의 도입이 불가피한 실정이다.

외국에서 적용되고 있는 A₂/O 공정, UCT 공정, VIP 공정 등은 국내의 합류식 하수배제 방식으로 인한 유기물질의 낮은 농도에 의하여 적용되지 못하고 있고, 국내의 생활오수 약 78%는 하수처리구역 내에서 발생하고 있으나, 하수관거 정비 미흡, 하수처리시설의 시설 용량 부족 등으로 실제 하수처리시설로 처리되는 오수량은 이보다 적을 것으로 추정되며, 소규모 지역에서 생산되는 생활폐수, 축산폐수, 대형 건물의 폐수, 중소 공단지역 또는 공장에서 발생되는 폐수는 처리시설의 미비, 혹은 부재로 인하여 수계(水系)로 바로 배출되고 있는 실정이다.

일반적으로 종래의 하·폐수의 처리방법은 더 상세하게 물리적 처리, 화학적 처리 및 생물학적 처리를 중심으로 시행되고 있으며, 물리적 처리는 하·폐수 중의 고형물을 중력에 의해 액체로부터 분리하거나 또는 기타의 물리적 방법으로 처리하는 공법으로 처리의 한계성이 있고, 화학적 처리는 화학 약품을 하·폐수에 첨가하여 중화 또는 ph조정, 산화 환원, 응집 침전, 흡착등의 처리공법으로 화학약품 비용 및 슬러지 발생량의 증가에 따른 처리비용이 매우 높으며, 상기의 물리·화학적 방법의 단점을 보완하기 위하여 생물학적 고도처리방법을 적용하고 있으나 생물학적 고도 처리방법인 경우 유입수 중의 유기물과 영양염류의 농도에 따라 처리 효율에 큰 영향을 받고 있으며, 이에 활성미생물에 의한 영양염류 제거율의 신뢰도가 낮은 형편이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 전기분해설비를 연구 및 설치하여 운영되고 있으며 상기 전기분해를 이용한 선행기술들로는 한국등록특허 10-1306980호는 생물반응공정을 포함하는 수처리 장치에 있어서, 호기조로 유입된 처리대상수에 철 이온을 공급하기 위해 상기 처리 대상수를 전기분해하는 전해수단을 구비하며, 상기 전해수단은 상기 호기조로 유입된 처리대상수가 경유하는 전해조와 상기 전해조에 설치되며 양극 및 음극 전극이 번갈아 배치되는 전극부와 상기 전극부로 전원을 공급하는 전원공급부를 구비하고 상기 전극의 강판을 열처리하며 3시간 동안 서냉하여 열처리한 것을 특징으로 하는 철 전기분해를 이용한 수처리 장치를 제공하고 있다.

또한, 한국등록특허 10-0490307호는 호기조에서 처리된 유입수를 철 전기전해조로 공급하는 유입수 공급부, 외부공기를 공급하는 에어공급부, 유입된 처리수를 전기분해하는 철 전기전해조, 철이온을 함유하는 처리수를 호기조로 재공급하는 호기조 공급부, 전기분해에 의해 발생하는 브라운가스를 배출시키는 가스 배출부를 포함하는 오폐수처리용 철-전기분해장치를 제공하고 있다.

상기 종래의 전기분해를 비롯한 기존 상용되고 있는 하·폐수 고도처리공정은 협소(狹小)한 장소에서의 설치가 어려우며, 폐수내 인 제거에만 중점을 두고 공정을 운용하고, 잔류오염물질의 배출을 피할 수 없으며 처리수내 바이러스 및 병원 세균의 살균작용이 적다는 문제점이 있다.

한국 등록특허 제10-1306980(2013.09.04.) 한국 등록특허 제10-0490307(2005.05.10.)

본 발명은 상기와 같은 종래의 일반적인 전기분해공정을 이용한 하·폐수처리시 잔류오염 물질의 제거와 적은 부지를 갖고 있는 소규모 지역 및 소규모 시설에 설치가 가능한 처리설비기술 확보 및 국내 강에서 특히 도심하천에서 발견되고 있는 슈퍼박테리아와 같은 병원성세균 및 바이러스의 문제를 해결할 수 있는 전기 분해공정을 이용한 하·폐수처리시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 문제점을 해결하고 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 전기분해를 이용한 하·폐수처리시스템은 무산소조(10), 전기분해조(20), 호기조(30) 및 침전조(50)로 구성되되, 상기 무산소조(10)는 상기 호기조(30)에서 질산화과정을 통해 생성된 질산성 질소를 함유하는 폐수를 내부반송 과정을 통해 공급받아 탈질 처리하되, 상기 탈질처리 과정에 의해 발생한 질소가스를 대기중으로 방출하고, 상기 전기분해조(20)는 전기분해를 이용하여 인을 용출하며, 상기 호기조(30)는 유입수내 암모니아가 산화되어 질산이 되는 질산화 과정과 상기 용출된 인이 제거되는 과정을 실시하고, 상기 침전조(50)는 슬러지반송 및 부유입자의 고액분리를 하며 상기 침전조(50) 초입에 응집제(40)를 투입하여 잔류 인 제거 및 미세부유입자(SS)를 응집시켜 제거하고 상기 응집제는 응집이 촉진되고 고염기도를 지속적으로 유지될 수 있도록 아세트산(CH₃COOH)이 첨가된다.

상기 전기분해조(20)는 양극의 철(Fe)전극 표면에서 생성된 2가 철 이온이 수용액에서 전류의 흐름에 따라 음극의 철 전극 표면으로 이동하면서 전기분해반응조내 용존산소와 반응하여 3가 철로 산화되고 인과 결합하여 인이 제거된다.

상기 응집제(40)의 혼합물 중에서 아세트산(CH₃COOH)은 수소 이온과 수산화 이온이 결합하여 중화 반응을 일으킬 때 수중의 미세입자들의 흡착력을 증대시킨다.

상기 응집제(40) 투입전 전위차를 이용한 전기분해조(25)를 설치하여 하폐수내 바이러스 및 박테리아를 제거한다.

상기 전위차를 이용한 전기분해조의 양극은 비스무스를 도핑한 이산화티탄(27)으로 설치되고 음극은 스테인리스강(29)을 설치된다.

상기 무산소조(10)는 2개의 무산소조1과 무산소조2를 설치하고 상기 하·폐수 처리시스템에 있어서 상기 무산소조(10) 전단계로 혐기조(5)를 설치하여 인 제거율을 높일 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 전기분해를 이용한 하·폐수처리시스템은 종래 전기분해를 이용한 하수처리에서 제거되지 못한 잔류 오염물질을 응집제를 사용하여 제거하고, 전위차를 이용한 전기분해를 추가 설치하여 바이러스 및 병원성세균을 제거하여 수계로 배출하며 추가로 혐기조를 설치하여 인 제거 효율을 더 높일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전기분해를 이용한 하·폐수처리시스템을 나타내는 공정예도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전기분해조를 추가 설치한 전기분해를 이용한 하·폐수처리시스템을 나타내는 공정예도이다.
도 3은 본 발명에 따른 추가 설치된 전기분해조의 기본 반응도이다.
도 4는 본 발명에 따른 혐기조를 추가 설치한 전기분해를 이용한 하·폐수처리시스템을 나타내는 공정예도이다.

본 발명의 명칭은 "전기분해를 이용한 하·폐수처리시스템"으로 통상의 기술자가 쉽게 알 수 있도록 구체적인 내용을 기재하고 충분히 유추 가능한 별도의 기재는 생략하며 필요 경우 실시예 및 도면을 기재한다. 또한 본 명세서 및 특허청구범위에서 정의된 용어들은 한정 해석하지 아니하며, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있고 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 발명의 일면에 있어서,

도 1은 본 발명에 따른 전기분해를 이용한 하·폐수처리시스템을 나타내는 공정예도이고 도 2는 본 발명에 따른 전기분해조(25)를 추가 설치한 전기분해를 이용한 하·폐수처리시스템을 나타내는 공정예도이며 도 3은 본 발명에 따른 추가설치된 전기분해조의 기본 반응도이고 도 4는 본 고안에 따른 혐기조(5)를 추가 설치한 전기분해를 이용한 하·폐수처리시스템을 나타내는 공정예도이다.

도 1에서 도시된 바와 같이 전기분해를 이용한 하·폐수처리시스템을 나타내는 공정예도로 상기 전기분해를 이용한 하·폐수처리시스템은 무산소조(10), 전기분해조(20), 호기조(30) 및 침전조(50)로 구성되되, 상기 무산소조(10)는 상기 호기조(30)에서 질산화과정을 통해 생성된 질산성질소를 함유하는 폐수를 내부반송 과정을 통해 공급받아 탈질처리하되, 상기 탈질처리 과정에 의해 발생한 질소가스를 대기중으로 방출하고, 상기 무산소조(10)는 2개의 무산소조1과 무산소조2를 설치하며 상기 전기분해조(20)는 전기분해를 이용하여 인을 용출하며, 상기 전기분해조(20)는 양극의 철(Fe)전극 표면에서 생성된 2가 철이온이 수용액에서 전류의 흐름에 따라 음극의 철전극 표면으로 이동하면서 전기분해조 내 용전산소와 반응하여 3가 철로 산화되고 인과 결합하여 인이 제거되고 상기 호기조(30)는 유입수내 암모니아가 산화되어 질산이 되는 질산화 과정과 상기 용출된 인이 제거되는 과정을 실시하며, 상기 침전조(50)는 슬러지반송 및 부유입자의 고액분리를 하며 상기 침전조(50) 초입에 응집제(40)를 투입하여 잔류 인 제거 및 미세부유입자(SS)를 응집시켜 제거하고, 상기 응집제(40)는 응집이 촉진되고 고염기도를 지속적으로 유지될 수 있도록 아세트산(CH₃COOH)이 첨가되고, 상기 아세트산(CH₃COOH)은 수소 이온과 수산화 이온이 결합하여 중화 반응을 일으킬 때 수중의 미세입자들의 흡착력을 증대시킨다.

상기 전기분해조(20)의 철 석출장치에 장착된 철판 표면에 DC/DC Converter에 의한 전류를 통하게 하여 철이 석출되게 하는 전기화학적 산화법으로 철 전극을 사용하였을 때의 금속 수산화물 생성 메커니즘은 다음과 같다.

Fe → Fe^{2 +} + 2^e-

Fe^{2 +} → Fe^{3 +} + 3e^-

4OH^- → 2H₂O + O₂ +4e^-

(Anode)

H₂O → H⁺ + OH^-

Fe^{3 +} +PO₄ ^{3 -} → FePO₄ ↓

FE^{3 +} + 3H₂O → Fe(OH)₃ ↓ + 3H⁺

(Cathode)

생성된 철염과 반응조 내 인은 철산화물에 흡착 제거되고 생물할적 인 제거에 비하여 빠른 인 처리속도 및 인의 농도에 관계없이 처리가 가능하다.

실험예 : 인 제거 효율

KH₂PO₄의 투여량을 39.2 ~ 19.5 mg/l 조절하고 4번에는 철 전극판을 사용하지 않았다. 철을 이용한 전기분해조에서의 인 제거율이 높고 인 부하량이 높을수록 철 농도도 높아지는 것으로 나타내었다.

		1번	2번	3번	4번
인 부하량	mg/l	39.2	30.1	19.5	19.5
PO4-P	Effluent	3.2	3.0	2.6	16.5
	R.E.(%)	84.6	85.2	89.2	23.9
철 농도	mg/l	55.1	60.9	78.3	없음
HRT/SRT	hr/day	8/6	8/6	8/6	8/6

상기 전기분해조(20)의 양극은 알루미늄재질로 대체 가능하다.

또한 상기 아세트산이 첨가된 응집제(40)를 제조하는 방법에 있어서,

(a) 수산화알루미늄(Al(OH)₃) 30~70중량부, 염산(HCl) 10~40 중량부 및 아세트산(CH₃COOH)을 2~32 중량부의 비율로 하여 1차 혼합물을 얻는 단계

(b) 단계 (a) 과정에서 얻어진 1차 혼합물, 돌로마이트(dolomite), 석회석(limestone), 및 활성 규사(quartz sand) 분말을 1:0.5~2:0.1~2:00.5~2의 중량비로 혼합하는 단계

(c) 단계 (a), 단계 (b) 과정에서 얻어진 혼합된 혼합물을 10~300kgf/㎠의 압력 하에서 50~60℃의 온도로 가열하는 단계

(d) 단계 (c) 과정에서 가열된 혼합물에 수산화알루미늄(AlOH₃) 100 중량부에 대하여 산화나트륨(Na₂O)의 농도가 10~40%인 가성소다(NaOH) 5~25 중량부의 비율로 주입하여 혼합하는 단계

(e) 단계 (d) 과정에서 혼합된 혼합물을 일정 시간 동안 교반시키는 단계

(f) 단계 (e) 과정에서 교반된 혼합물을 120~200℃의 온도 조건하에서 3.5~12시간 동안 반응시키는 단계

(g) 단계 (f) 과정에서 반응물을 30~40℃의 온도로 냉각시키는 단계

이때 아세트산의 함량이 상기 설정한 범위 이하일 경우에는 오염성 물질인 금속 및 불용성인 화합물, 인 및 질소 등과의 흡착 기능이 저하되고, 설정범위 이상일 경우에는 생성된 플럭이 굳어지고 발생 슬러지의 양이 많아지는 단점이 있어 바람직하지 못하다. 상기 방법에 의해 응집제를 제조한다.

실험예 : 응집 특성 시험

응집제 조성물을 광주광역시 S하수종말처리장에서 채취한 원수에 최종 농도 20mg/l로 처리하고, 상기 원수 및 처리수를 Jar-tester(응집 반응을 시험하는 기구)를 이용하여 250rpm의 속도로 약 1분간 급속 교반 및 약 30rpm에서 30분 동안 완속 교반한 후 30분간 정치(定置)하고, 정치가 끝난 원수 및 처리수를 채취하여 염기도, 탁도 및 pH를 측정하였다. 비교용으로는 시판되는 폴리염화알루미늄(PAC)를 사용하였다. 그 결과를 다음의 표 2에 나타내었다.

시험항목	처리 전(원수)	처리 후(본 발명)	치리 후(비교 예)	단위
염기도	40	52	43	%
탁도	1.254	0.802	0.957	NTU
pH	5.3	7.2	6.7	-

상기 응집제(40)는 수산화알루미늄(Al(OH)₃)은 알루미늄(Al)염 상태의 다른 화합물로 대체하여 사용할 수도 있다. 이러한 화합물로는 예를 들면 알루미늄 클로로 하이드레이트, 염화알루미늄, 폴리알루미늄 클로라이드 등을 들 수 있다.

또한, 본 발명의 상기 응집제(40)는 적정 조건하에서 성분을 적당량 혼합 반응시켜 수처리제 응집제를 제조함으로써 수처리에서 유기물의 제거 효과의 향상과 더불어 플럭의 크기를 향상시켜 응집속도를 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

나아가, 본 발명의 기존의 알루미늄계 및 철염계 무기응집제가 가지고 있는 단점인 단분자 및 저분자량 또는 저염기성의 제품들이 불안정하여 침전하는 문제점등을 개선함으로써 안정성을 가지면서 고염기도를 지속적으로 유지하여 효율이 우수한 수처리제 응집제를 제조할 수 있다.

도 2에서 도시된 바와 같이 상기응집제(40) 투입전 전위차를 이용한 전기분해조(25)를 설치하여 하·폐수내 바이러스 및 박테리아를 제거한다.

도 3에서 도시된 바와 같이 상기 전위차를 이용한 전기분해조(25)의 양극은 비스무스를 도핑한 이산화티탄(27)으로 설치되고 음극은 스테인리스강(29)으로 설치 된다.

따라서 상기 추가되는 전기분해조(25)에 의하여 생성된 히드록시 라디칼(hydroxy radical)은 폐수 속에 다양한 유기계 오염물질을 제거하며 히드록시 라디칼을 비롯한 산소계 물질은 폐수 속에 포함되어 있는 염소 음이온(Cl^-)과 반응해서 염소물질(reactive-chloride species)을 생성하여 물속에 존재하는 바이러스나 병원성 세균을 살균한다.

도 4에서 도시된 바와 같이 상기 하·폐수처리시스템에 있어서 상기 무산소조 전단계로 혐기조(5)를 설치하여 인 제거율을 높일 수 있다.

또한, 수자원의 고갈화와 수질의 저하가 지속되고 정부의 수질강화에 따라 막분리 장치를 이용한 고도처리기술을 추가 할 수 있으며 상기 막분리 장치의 설치에 관하여 상세하게는 상기 침전조를 설치하지 않고 정밀여과막 또는 한외여과막에 의해 슬러지와 처리수를 분리하거나 MF막을 직접 무산소조(10)나 호기조(30)에 침지하여 흡인·여과하는 방식을 사용할 수 있다.

상기 막분리설비는 분뇨가 포함된 생활하수에 대한 병원미생물 대책 및 질소·인 제거대책에 의한 고도화처리에서 사용될 수 있고, 더욱이 최근에는 독성적인 적조 뿐만 아니라 WHO(세계보건기구)의 음료수질 가이드 라인에 적시된 바와 같이 청산가리보다 더욱 강력한 독소인 마이크로시스틴이 생성되면서 질소·인에 유래하여 이상 증식하는 독성적인 남조류 문제를 해결할 수 있다.

상기 본 발명은 고도처리에 의한 하·폐수를 처리하여 수계로 바로 배출하거나 다른 한편으로 하수나 폐수를 화장실의 세척 용수나 작물 재배용으로 재활용할 수 있다.

상기와 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었지만, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술은 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

5 : 혐기조 29 : 스테인리스강
10 : 무산소조 30 : 호기조
20 : 1차 전기분해 40 : 응집제
25 : 2차 전기분해 50 : 침전조
27 : BiOx/TIO₂

Claims (7)

1. 하·폐수처리시스템에 있어서,
   상기 하·폐수처리시스템은 무산소조, 전기분해조, 호기조 및 침전조로 구성되되,
   상기 무산소조는 상기 호기조에서 질산화과정을 통해 생성된 질산성 질소를 함유하는 폐수를 내부반송 과정을 통해 공급받아 탈질처리 하고, 상기 탈질처리 과정에 의해 발행한 질소가스를 대기중으로 방출하며,
   상기 전기분해조는 전기분해를 이용하여 인을 용출하고,
   상기 호기조는 유입수내 암모니아가 산화되어 질산이 되는 질산화 과정과 상기 용출된 인이 제거되는 과정을 실시하며,
   상기 침전조는 슬러지반송 및 부유입자의 고액분리를 하고,
   상기 침전조 초입에 응집제를 투입하여 잔류 인 제거 및 미세부유입자(SS)를 응집시켜 제거하고 상기 응집제는 응집이 촉진되고 고염기도를 지속적으로 유지할수 있도록 아세트산(CH₃COOH)이 첨가되고, 상기 응집제는 수산화알루미늄(Al(OH)₃) 30~70중량부, 염산(HCl) 10~40 중량부 및 아세트산(CH₃COOH)을 2~32 중량부의 비율로 하여 1차 혼합물을 얻고, 상기 1차 혼합물, 돌로마이트(dolomite), 석회석(limestone), 및 활성 규사 분말을 1:0.5~2:0.1~2:0.5~2의 중량비로 혼합하여 10~300kgf/cm²의 압력 하에서 50~60℃로 가열한 후 수산화알루미늄(AlOH₃) 100중량부에 대하여 산화나트륨(Na₂O)의 농도가 10~40%인 가성소다(NaOH) 5~25 중량부의 비율로 주입하여 혼합한 다음 일정시간 교반하고 교반된 혼합물을 120~200℃의 온도 조건하에서 3.5~12시간 동안 반응 후 30~40℃에서 냉각시켜 제조되며, 상기 응집제의 혼합물 중에서 아세트산(CH₃COOH)은 수소 이온과 수산화 이온이 결합하여 중화 반응을 일으킬 때 수중의 미세입자들의 흡착력을 증대시키는 것을 특징으로 하는 전기분해를 이용한 하·폐수처리시스템.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 전기분해조는
   양극의 철(Fe)전극 표면에서 생성된 2가 철 이온이 수용액에서 전류의 흐름에 따라 음극의 철 전극 표면으로 이동하면서 전기분해반응조 내 용존산소와 반응 하여 3가 철로 산화되고 인과 결합하여 인이 제거되는 것을 특징으로 하는 전기분해를 이용한 하·폐수처리시스템.
3. 삭제
4. 제1 항에 있어서,
   상기 응집제 투입전 전위차를 이용한 전기분해조를 설치하여 하폐수내 바이러스 및 박테리아를 제거하는 것을 특징으로 하는 전기분해를 이용한 하·폐수처리시스템.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 전위차를 이용한 전기분해조의 양극은 비스무스를 도핑한 이산화티탄으로 설치되고 음극은 스테인리스강으로 설치되는 것을 특징으로 하는 전기분해를 이용한 하·폐수처리시스템.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 무산소조는 2개의 무산소조1과 무산소조2를 설치하는 것을 특징으로 하는 전기분해를 이용한 하·폐수처리시스템.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 하·폐수처리시스탬에 있어서 상기 무산소조 전단계로 혐기조를 설치하여 인 제거율을 높일 수 있는 것을 특징으로 전기분해를 이용한 하·폐수처리시스템.
   

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