KR102179427B1 - 분자파괴장치 및 융합 탈이온을 적용한 농축수 패키지의 무방류 처리 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 농축수의 재이용 처리가 가능한 폐수 무방류(ZLD, Zero Liquid Discharge) 처리 시스템에 있어서, 폐수의 탈이온 처리를 위한 이온 교환막을 구비하여 역극전기투석법으로 폐수로부터 오염물질을 분리하는 제1 탈이온 장치와, 상기 제1 탈이온 장치의 성능저하 인자를 제거하고 폐수의 부분 탈이온을 수행하여 상기 제1 탈이온 장치에 유입되는 폐수의 전처리를 수행하는 제1 전처리 장치로 구성된 원수 처리부; 상기 원수 처리부로부터 배출되는 농축수를 유입받아 순환식 고도산화처리로 농축수의 이온결합 물질과 공유결합 물질을 해리하는 분자파괴장치와, 제2 전처리 장치 및 제2 탈이온 장치로 구성된 농축수 처리부; 및 상기 원수 처리부와 상기 농축수 처리부로부터 배출된 정화수를 유입받아 2차적 정화처리를 수행하는 제3 탈이온 장치 및 재방류를 위한 후처리 장치로 구성된 통합 처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 농축수 패키지의 무방류 처리 시스템에 관한 것으로서, 폐수처리 시설과 구분되어 폐수처리 시설을 거치지 않은 원수를 유입받아 융합 탈이온 기술을 적용하여 폐수 원수와 재이용 처리 공정에서 발생된 농축수를 처리할 수 있는 분자파괴장치 및 융합 탈이온을 적용한 폐수 무방류 처리 시스템에 관한 것이다.
오염물질을 배출하는 시설을 환경법에서는 배출시설이라고 부른다. 배출시설이 설치된 공장에서는 반드시 오염물질을 처리할 수 있는 방지시설을 설치하여야 하며, 해당지역의 배출기준에 맞게 오염물질의 농도를 낮추어 배출하도록 되어 있다. 방지시설을 거쳐 오염물을 제거한 뒤 최종 처리하여 보내는 처리수를 방류수라고 하며 대부분 인근 하천이나 강, 해역 등에 배출하는데 방류수를 전혀 외부로 배출하지 않고 공장 안에서 재순환하거나 재활용할 수 있는 시스템을 무방류 시스템(ZLD)이라고 한다.
종래에는 무방류 시스템에 유입되는 유입수는 폐수처리시설을 거친 방류수가 대상이 되었다. 공장으로부터 나온 원수는 폐수의 성상과 종류가 다양하며, 이러한 고농축수를 바로 무방류 조건에 맞도록 처리하는 설비는 현재 제공되지 않고 있다. 오염수는 성상과 종류에 따라 각 처리과정마다 다양한 부산물이 형성되므로, 하나의 통합적 처리 설비로 다양한 오염수를 일괄적으로 정화하는 시스템을 구현하는 것은 결코 쉽지 않다.
일 예시로, 염소(Cl)를 사용한 상수 처리는 다른 산화제를 사용하는 것보다 경제적이고 살균력에서 매우 우수한 산화법이라고 할 수 있지만, 1974년에 염소를 사용한 상수 처리과정에서 트리할로메탄(Trihalomethanes, THMs)이라는 발암물질이 생성된다는 것을 발견한 이후에 염소의 사용을 지양하고 오존을 사용하게 되었다. 오존(Ozone, O₃)은 산화력이 염소에 비해 뛰어나고, THM에 대한 분해 능력이 있으며, 용존산소를 증가시키는 효과가 있는 장점을 가졌으나, 유기물과 선택적으로 반응하기 때문에 반응하지 못한 유기물이 잔존하고, 성상에 따라서는 오염물질을 이산화탄소로 완전히 분해시키지 못하고, 알데히드(Aldehyde)나 브로메이트(Bromate, BrO3)와 같은 부산물을 생성하는 단점이 있었다.
그래서, 염소나 오존처리와 같은 화학 산화법의 단점을 극복하고 대안으로 나온 기술이 AOP(Advanced Oxidation Process, 고도산화처리방법)공정이다. 이 공정은 인위적으로 OH 라디칼(OH radical)을 생성시켜 오염물질을 분해 및 제거하고, 세균의 살균 및 바이러스의 불활성화를 하는데, OH 라디칼은 산화력이 다른 산화제에 비해 월등히 뛰어나고 비선택적으로 반응하기 때문에 유기염소화합물과 같은 난분해성 물질도 매우 신속히 분해하는 장점이 있다.
하지만 기존의 AOP 공정은 폐수의 종류에 따라 제한적으로 적용 가능한 점, 고농도에 적용이 불가한 점, 이온결합 물질과 공유결합 물질을 동시에 해리하지 못한다는 한계가 있었다.
폐수처리시설을 거치지 않은 원수를 정제하여 무방류 시스템으로 재차 설비에 유입시킬 수 있는 시스템은 농축수의 처리가 주요한 기술이슈로 지목된다. 종래의 대표적인 원수 처리 방법으로는, 분리막 수처리 공정이 있다. 분리막 수처리 공정은 설치 또는 운전 비용이 저렴한 장점이 있으나, 원수의 처리 과정에서 필연적으로 배출되는 고동도의 농축수로 인한 막오염의 해결이 어렵다. 농축수 처리 과정에서 막오염으로 인하여 처리효율이 저하되고 오히려 비용이 상승되는 문제로 실제 보급이 더딘 실정이다. 한편, 다른 폐수 처리 방법으로 전기투석 공정이 주목받고 있다. 전기투석 공정은 이온교환막과 전기투석조의 양단에서 공급되는 전압에 의해 형성된 전기장을 구동력으로 이온성 물질을 분리한다. 그러나 이러한 전기투석공정도 크게는 막분리 공정의 일종으로 분류된다. 따라서, 통상적인 막분리 공정에서와 마찬가지로 유기물 및 침전을 유발하는 무기이온 물질에 의한 농도분극 현상과 막오염이 발생되고 이에 따라 플럭스가 감소하여 효율적인 운용이 어렵다. 관련, 종래기술로 한국등록특허 제10-1815298호가 있다.
전술한 문제들로 인하여, 공장에서 배출된 원수는 여러번의 정화처리 과정이 필요하며, 농축수의 처리 과정을 무방류 시스템으로 통합하는 것은 쉽지 않은 기술이슈로 지목된다. 이에, 본 출원인은 재이용 처리 공정에서 필연적으로 발생된 고농도의 농축수를 추가적인 별도의 처리 시설을 통하지 않고, 재이용 시스템에 적용된 융합 탈이온 장치에 의해 무방류 통합처리가 가능하도록 기술을 고안하게 되었다.
본 발명은 폐수의 성상과 종류에 관계없이, 공장에서 바로 배출되는 원수를 제공받아 별도의 폐수처리시설을 거치지 않고 재이용이 가능하도록 처리하며, 처리 과정에서 장치들의 성능저하와 스케일 문제를 개선하여 유지 및 보수가 용이한 폐수 무방류 처리 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명은 농축수의 무방류 처리를 위한 분자파괴장치가 연계된 융합 탈이온 기술로 농축수의 성상과 종류에 관계없이, 고농도의 폐수를 대상으로 무방류 처리가 가능한 폐수 무방류 처리 시스템을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 농축수의 재이용 처리가 가능한 폐수 무방류(ZLD, Zero Liquid Discharge) 처리 시스템에 있어서, 폐수의 탈이온 처리를 위한 이온 교환막을 구비하여 역극전기투석법으로 폐수로부터 오염물질을 분리하는 제1 탈이온 장치와, 상기 제1 탈이온 장치의 성능저하 인자를 제거하고 폐수의 부분 탈이온을 수행하여 상기 제1 탈이온 장치에 유입되는 폐수의 전처리를 수행하는 제1 전처리 장치로 구성된 원수 처리부; 상기 원수 처리부로부터 배출되는 농축수를 유입받아 순환식 고도산화처리로 농축수의 이온결합 물질과 공유결합 물질을 해리하는 분자파괴장치와, 제2 전처리 장치 및 제2 탈이온 장치로 구성된 농축수 처리부; 및 상기 원수 처리부와 상기 농축수 처리부로부터 배출된 정화수를 유입받아 2차적 정화처리를 수행하는 제3 탈이온 장치 및 재이용를 위한 후처리 장치로 구성된 통합 처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 제1 전처리 장치는, 폐수의 전처리를 위한 촉매 여과재를 구비하여, 폐수 내에 존재하는 하기 탈이온 장치의 성능저하 인자를 제거하는 제1 여과 장치와, 폐수의 부분 탈염을 수행하기 위한 여과 미디어를 구비하여, 스케일 형성의 주요인자인 양이온을 제거한 폐수를 상기 탈이온 장치로 유입시키는 제2 여과 장치를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 여과 장치는, 이산화망간(MnO2)이 코팅된 입상 비드가 촉매 여과재로 기능하고, 상기 촉매 여과재는 철, 망간, 황화수소, 비소, 아연, 구리, 납, 라??, 우라늄 방사성 핵종 외 중금속의 제거가 가능하다.
바람직하게, 상기 제2 여과 장치는, 고체과립형 세라믹 비드가 담지되어 상기 여과 미디어로 기능하고, 상기 여과 미디어는 핵 생성 보조 결정화 과정(NAC)으로 스케일의 형성을 방지하고, Ca2 + 또는 Mg2 +를 촉매과정을 통해 무해한 결정으로 변환하여 상기 탈이온 장치의 성능 저하 인자를 제거할 수 있다.
바람직하게, 상기 후처리 장치는, 페록시하이트(FeOOH)가 코팅된 입상 활성탄을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 탈이온 장치는, 상기 이온 교환막이 내장된 스택을 복수개 포함하여, 순차적으로 탈염 스테이지를 구성할 수 있다.
바람직하게, 상기 스택은, 전압이 인가되는 한 쌍의 전극이 양 측에 배치되고, 상기 전극의 사이에 상기 이온교환막이 다수개 배치되어 양이온과 음이온을 선택적으로 투과시키며, 상기 전극은, 티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 백금(Pt)의 소재로 제공될 수 있다.
바람직하게, 상기 분자파괴장치는, 상기 원수 처리부 또는 상기 통합 처리부로부터 배출된 농축수가 투입되는 폐수조; 상기 폐수조의 농축수에 오존을 발생시키는 오존산화 반응장치; 상기 오존산화 반응장치의 처리 후 배출되는 관로에 마련되는 관로형 초음파 처리장치; 상기 관로형 초음파 처리장치에 연결되고, 전자-정공쌍의 형성으로 라디칼을 형성하여 오염물질을 분해하는 자외선 산화반응장치; 및 상기 자외선 산화반응장치로 인해 형성된 라디칼이 불용성 전극 표면에 흡착되어 발생되는 직접 양극산화와, 전해반응에 의해 생성되는 산화제에 의해 분해되는 간접산화에 의한 폐수처리를 진행하는 전기분해장치를 포함하고, 상기 전기분해장치에서 처리된 폐수가 재차 상기 폐수조로 투입되어 순환적인 고도산화처리를 수행할 수 있다.
바람직하게, 상기 전기분해장치는,양극과 음극의 극성이 상호 변환될 수 있다.
본 발명에 따르면, 원수의 처리에 있어서 전처리, EDR의 탈이온 처리, 후처리의 설비를 시스템으로 구성하여 처리공정에서 필연적으로 발생되는 농축수 패키지를 재이용이 가능하도록 처리할 수 있다.
또한, 본 발명은 여과 처리 기기로 막 또는 필터의 방식이 아닌 여과재를 사용하고, EDR 장비 또한 스택을 복수개의 스테이지로 구성하여 첫 번째 스테이지의 스택에서 충분한 버퍼 기능을 수행하여, 농축수의 처리 과정중 발생되는 농도분극 현상과 막오염의 문제가 최소화되고 유지 및 보수가 용이한 이점을 갖는다.
또한, 본 발명은 무방류 처리를 위한 처리 기기의 구성으로 1차적인 여과, 2차적인 부분 탈이온화로 EDR의 성능저하 인자를 사전에 제거하며, 이후 EDR 탈이온화를 거침으로써, 물리-화학-전기적 여과의 기술요소가 조합된 융합 탈이온 시스템을 구성한다. 본 발명은 융합 탈이온의 요소기술 조합으로 폐수의 처리 성능을 현저히 향상시키고, 플럭스 감소 및 스케일 제거가 고려되어 장기적으로 ZLD 재이용 처리가 가능한 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 폐수 무방류 처리 시스템의 구성도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전처리 장치, 탈이온장치 및 후처리 장치의 구성도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 탈이온 장치의 구성 개요도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 분자파괴장치의 구성 개요도이다.
도 5는 도 4의 실시예에 따른 분자파괴장치의 실제 모습을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 농축수 처리 실험 결과와 농축수로부터 배출된 고형화된 슬러지를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전처리 장치, 탈이온장치 및 후처리 장치의 구성도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 탈이온 장치의 구성 개요도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 분자파괴장치의 구성 개요도이다.
도 5는 도 4의 실시예에 따른 분자파괴장치의 실제 모습을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 농축수 처리 실험 결과와 농축수로부터 배출된 고형화된 슬러지를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 폐수 무방류 처리 시스템의 구성도를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 폐수 무방류 처리 시스템은 크게 원수 처리부(100), 농축수 처리부(300) 및 통합처리부(500)로 구성될 수 있다. 도 1의 플로우를 참조하면, 원수 처리부(100)에서 발생되는 농축수와 통합처리부(500)에서 발생되는 농축수는 모두 농축수 처리부(300)로 유입되며, 농축수 처리부(300)에서 농축수를 일괄 처리하여 부산물을 Cake Disposal 형태로 배출하고, 1차적으로 여과된 여과수 및 농축수가 처리된 여과수가 통합처리부(500)로 유입되어 방류수를 전혀 외부로 배출하지 않고 공장 안에서 재순환하거나 재활용 가능한 무방류 공정이 구현됨을 이해할 수 있다.
원수 처리부(100)는 제1 여과 장치(11), 제2 여과 장치(13) 및 제1 탈이온 장치(30)로 구성될 수 있다. 이하의 명세서에서는 탈이온 장치(30)와 전처리 장치(10)에 제1, 2, 3의 서수를 부여한다. 제1, 2, 3 탈이온 장치(30)와 제1, 2 전처리 장치(10)는 동일한 장치가 원수 처리부(100) 또는 농축수 처리부(300) 또는 통합 처리부(500)에서 중복적으로 배치될 경우를 부정하지 않는 것으로, 동일한 탈이온 장치(30)와 전처리 장치(10)가 원수 처리부(100)와 농축수 처리부(300) 또는 통합 처리부(500)에 각각 사용될 수 있음을 의미한다. 동일한 장비가 중복 원용될 수 있는바, 제1, 2, 3 탈이온 장치(30)와 제1, 2 전처리 장치(10)의 도면번호는 동일하게 서술된다.
원수 처리부(100)는 공장의 원수를 유입받으며, 이는 종래 원수가 일차적으로 폐수처리시설로 유입되어 처리된 방류수를 대상으로 하지 않아도 됨에 주목한다. 원수 처리부(100)는 제1 전처리 장치(10) 및 제1 탈이온 장치(30)의 장비로 구성된다.
농축수 처리부(300)는 분자 파괴 장치(60), 제1 여과 장치(11) 및 제2 여과 장치(13)를 포함하는 제2 전처리 장치(10) 및 탈이온 장치(30)로 구성될 수 있다. 농축수 처리부(300)에는 고농도의 폐수처리를 위한 분자 파괴 장치(60)가 추가로 구성될 수 있다.
통합 처리부(500)는 탈이온 장치(30) 및 후처리 장치(50)로 구성될 수 있다. 통합 처리부(500)의 후처리 결과의 방류수는 처리수조에서 중수도 재이용이 가능하다. 이하, 원수 처리부(100), 농축수 처리부(300), 통합 처리부(500)에서 공통될 수 있는 탈이온 장치(30), 전처리 장치(10) 및 후처리 장치(50)에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전처리 장치(10), 탈이온 장치(30), 및 후처리 장치(50)의 구성도를 나타낸다. 본 실시예에 따른 처리 장치(10), 탈이온 장치(30), 및 후처리 장치(50)의 조합은 물리적 정화, 화학적 정화, 전기투석법에 의한 정화가 조합된 융합적 탈이온의 정화 처리를 수행할 수 있다. 다양한 성상과 종류의 폐수는 복합적인 유기물 및 무기물을 포함하여, 처리 설비에 따라 부산물의 종류도 다양하며, 처리 순서와 종류에 따라 정화 성능에 천차만별의 차이를 야기한다. 본 실시예에 따른 폐수 무방류 처리 시스템(1)의 융합 탈이온적 기술의 조합은 본 출원인의 다년간 노하우와 실험을 바탕으로, 어떠한 농축수를 처리하여도 방류수로의 정화가 가능한 처리 시스템을 구성한다.
전처리 장치(10)는 제1 여과 장치(11)와 제2 여과 장치(13)를 포함할 수 있다. 하기에서 후술할 탈이온 장치(30)는 역극전기투석법을 이용한 탈이온으로 폐수의 탈염을 수행하며, 이러한 탈이온 장치(30)는 1)이온교환막의 농도분극 현상과 막오염 문제로 수명, 기능, 및 경제성의 이슈가 사업화의 가능성을 결정짓고, 2)전극의 수명, 기능촉진 및 경제성이 고려된 제조기술이 택해져야 하며, 3)탈이온 장치(30)와 연계되는 공정의 설계 및 운전으로 주변 정화 처리기기의 종류와 순서가 적절하게 선택되어야 하고, 4)막오염을 제어하기 위한 기술이 적용되어야 한다.
본 실시예에 따른 탈이온 장치(30)는 EDR 장치일 수 있다. EDR 장비는 다수의 이온교환막(313)에 흡착성 물질들이 적층되며, 종류에 따라 스케일층을 형성하거나, 고분자 물질로 인한 겔층이 형성되어 성능이 저하된다. 이를 위한 EDR 장비의 개량 및 설계변경에는 기술적 한계가 존재하여, EDR 장비의 전처리 과정으로 EDR 장비의 충분한 성능과 상기의 지적한 4가지의 기술이슈를 해결할 수 있도록 구현하는 것이 중요하다. 본 실시예에 따른 전처리 장치(10)는 상기의 점을 고려하여 2개의 여과 장치를 구성한다.
제1 여과 장치(11)는 폐수의 전처리를 위한 촉매 여과재(110)를 구비하여, 폐수 내에 존재하는 하기 탈이온 장치(30)의 성능저하 인자를 제거할 수 있다. 제1 여과 장치(11)는 이산화망간(MnO2)이 코팅된 입상 비드가 촉매 여과재(110)로 기능하고, 촉매 여과재(110)는 철, 망간, 황화수소, 비소, 아연, 구리, 납, 라??, 우라늄 방사성 핵종 외 중금속의 제거가 가능할 수 있다.
본 실시예로 제1 여과 장치(11)는 MMR로 약칭될 수 있다. 본 실시예에 따른 제1 여과 장치(11)는 필터나 분리막 방식이 아님에 주목한다. 여과는 유체를 여과매체인 필터링 미디어에 통과시켜서 세공보다 큰 입자가 막위에 퇴적되게 함으로써 유체로부터 고체입자를 분리하는 방식이다. 반면, 막분리는 두 개의 상을 나누는 경계에 막이 위치하여 여러 종류의 화학물질의 투과를 제어하는 방식이다. 폐수처리에서는 고분자 분리막이 사용되며 두 상의 물질의 농도가 다를 때 비평형상태가 지속되고, 막을 통한 이동속도의 차이와 삼투압 등의 원리로 정화를 수행한다.
EDR의 전처리로 필터나 분리막 방식을 적용시 본 실시예에 따른 폐수 무방류 처리 시스템(1)은 배출되는 농축수로 인하여, 필터나 분리막에 막오염이 단기간에 발생하게 되므로 단기간마다 지속적으로 필터 또는 분리막을 교체해야 한다.
제1 여과 장치(11)는 기계적 여과로 이산화망간(MnO2)이 코팅된 입상 비드가 촉매 여과재(110)를 사용한다. 촉매 여과재(110)는 이산화망간(MnO2)이 5~15% 로 고농도 코팅되고 산화제 내열성이 매우 높으며, 2~5미크론 미세침전물의 여과가 가능하다. 바람직하게는 이산화망간(MnO2)이 10% 코팅된 입상 비드일 수 있다. 제1 여과 장치(11)는 화학적 재생이 불필요하고 교체주기가 약 7~10년이 될 수 있다. 제1 여과 장치(11)의 촉매 여과재(110)는 여과와 제거가 동시에 가능하고 매쉬 사이즈는 0.6~1.4mm의 범위에서 선택될 수 있다. 제1 여과 장치(11)의 촉매 여과재(110)는 pH의 범위는 6 내지 9, 망간, 황화수소, 비소, 우라늄, 라듐, 철, 구리의 제거가 가능하다. 촉매 여과재(110)의 밀도는 1000kg/m3에서 1300kg/m3가 될 수 있으며, 바람직하게는 1060kg/m3일 수 있다. 제1 여과 장치(11)는 중금속 제거 및 방사성 핵종 제거 특성이 우수하다.
제2 여과 장치(13)는 제1 여과 장치(11)의 폐수 처리 후, 폐수의 부분 탈염을 수행하기 위한 여과 미디어(130)를 구비하여, 스케일 형성의 주요인자인 양이온을 제거한 폐수를 탈이온 장치(30)로 유입시킬 수 있다.
흔히 물속의 경도 성분, 즉 칼슘과 마그네슘 등이 다양한 음이온 성분들 탄산이온이나 황산 이온 등과 결합해 여과 장치들의 내부에 경질화 물질로 고착되는 것을 스케일(Scale)이라고 부른다.
제2 여과 장치(13)는 고체과립형 세라믹 비드가 담지되어 여과 미디어(130)로 기능하고, 여과 미디어(130)는 핵 생성 보조 결정화 과정(NAC)으로 스케일의 형성을 방지하고, Ca2 + 또는 Mg2 +를 촉매과정을 통해 무해한 결정으로 변환하여 탈이온 장치(30)의 성능 저하 인자를 제거할 수 있다.
제2 여과 장치(13)는 스케일 방지용 미디어를 여과 미디어(130)로 사용하여 제1 여과 장치(11)의 전처리 성능을 보강한다. 제2 여과 장치(13)는 SDI-M으로 약칭될 수 있다.
제2 여과 장치(13)의 여과 미디어(130)는 흰색, 불투명 구체 입자로 변형 세라믹 알갱이로 구성된다. 여과 미디어(130)의 세라믹 알갱이는 입자 크기가 0.55 ~ 0.75mm 이며, 약 800 kg/m3의 부피를 갖는다.
여과 미디어(130)의 핵 생성 보조 결정화 과정(NAC)은 폐수의 CO2가 제거되는 동안 용해 가능한 Ca(HCO3)2가 물속에서 용해 불능의 탄산칼슘(CaCO3)으로 전환된다. 제2 여과 장치(13)의 여과 과정에서 Ca(HCO3)2는 [화학식 1]의 반응으로 스케일 형성이 불가능한 상태가 된다.
[화학식 1]
CaCO3는 마이크로 크리스탈이며, CO2는 콜로이드 미립자로 변환된다. 제2 여과 장치(13)에 의하면, 미네랄인 Ca와 Mg가 촉매과정을 통해 무해한 결정으로 변환되어 스케일 방지와 동시에 유기오염이 예방될 수 있다. 또한, 제2 여과 장치(13)에 의하면, 나트륨 및 인산염의 투입 없이 전술한 정화를 수행하며, 재생이 필요 없는 장점을 갖는다. 제2 여과 장치(13)는 소독을 위한 화학제품이 필요없고 pH의 변화를 야기하지 않으며 유지보수가 필요없어 유지비용이 극히 낮다. 전술한 제1 여과 장치(11)와 제2 여과 장치(13)의 부분 탈이온화로 인해 EDR의 최적 성능이 발현될 수 있는 전처리를 수행한다.
탈이온 장치(30)는 제1 여과 장치(11)와 제2 여과 장치(13)를 통과한 폐수의 탈이온 처리를 위한 이온 교환막(313)을 구비하여, 역극전기투석법으로 폐수로부터 부산물을 추출하여 폐수의 재사용이 가능하도록 처리할 수 있다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 탈이온 장치(30)의 구성 개요도이다. 본 실시예에 따른 탈이온 장치(30)는 EDR로 약칭될 수 있다.
탈이온 장치(30)는 이온 교환막(313)이 내장된 스택(31)을 복수개 포함하여, 순차적으로 탈염 스테이지를 구성할 수 있다. 도 3을 참조하면, 탈이온 장치(30)의 스택(31)이 4개로 구성되어 4개의 탈염 스테이지가 순차적으로 구성된 시스템 개요를 볼 수 있다. 탈이온 장치(30)는 pH제어기(20), 나노 버블 발생기(41) 및 관로형 초음파(44)를 포함할 수 있다. pH제어기(20)는 산성 세라믹 미디아를 포함하여 불용성 염의 생성을 방지하고 pH를 조절할 수 있다. 나노 버블 발생기(41)와 관로형 초음파(44)는 EDR 장비의 막 막힘을 방지한다. 관로형 초음파(44)에서 발생된 초음파와, 나노 버블 발생기(41)에서 발생된 0.1㎛이하의 용존성 기포가 유입수에 혼합 전달된다. 이 과정에서, 기포가 폭발하면서 일으킨 충격파가 배관 내부 및 이온 교환막의 표면에서 전달되어, 오염물질이나 이온 물질을 박리 시켜 제거함으로써 전기투석공정 내에서의 유체 흐름을 원활히 사고 성능을 유지시키는데 도움을 줄 수 있다.
스택(31)은 전압이 인가되는 한 쌍의 전극(311)이 양 측에 배치되고, 전극(311)의 사이에 이온교환막(313)이 다수개 배치되어 양이온과 음이온을 선택적으로 투과시킨다. 전극(311)은 티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 백금(Pt)의 소재로 제공될 수 있다. 이온교환막(313)은 강산, 강염기계 균질막으로 제공될 수 있다.
복수개의 스택(31)이 구성하는 탈염 스테이지는, 복수개의 스택(31)이 인접한 전극(311)이 서로 다른 극성이 되도록 연속 다단으로 배치될 수 있다. 도 3을 참조하면, 도 3의 예시를 기준으로 첫 번째 스테이지의 제1 스택의 좌측이 (+)전극, 우측이 (-)전극이며, 두 번째 스테이지의 제2 스택은 좌측이 (+)전극으로 배열되어 인접한 2개의 스택(31)은 인접한 부분에서 서로 다른 극성이 되도록 직렬 배치됨을 이해할 수 있다.
여기서, 첫 번째 스테이지의 제1 스택은 막오염의 버퍼 역할을 수행한다. 본 실시예에 따른 탈이온 장치(30)는 전처리 과정으로 대다수의 스케일 및 성능저하 인자가 제거되나 고농축수를 처리하는 막분리 방법의 특성상 단일 스택으로는 충분한 탈이온의 성능을 기대하기 어렵다. 전기투석과정에서 CaSO4, BaSO4, CaCO3, MgCO3 등 양이온과 음이온이 결합하여 앙금 형태의 부산물이 생성될 수 있으므로, 본 실시예에 따른 탈이온 장치(30)는 스택(31)을 시리즈인 연속 다단형(직렬)로 스테이지를 구성하여 제1 스택이 버퍼를 수행하고, 제2 내지 4 스택이 성능저하 없이 고농축수의 탈이온을 수행하도록 한다. 본 실시예에 따르면, 제1 스테이지에서 30~50%의 탈이온, 제2 스테이지에서 50~75%의 탈이온, 제3 스테이지에서 70~95%의 탈이온, 제4 스테이지에서 90~99%의 탈이온이 수행된다. 스택(31)의 개수는 폐수의 종류에 따라 달라질 수 있으나 최소 3개 이상 구성되는 것이 본원 발명이 의도한 성능을 야기할 수 있으며, 본 실시예와 같이 4개로 스택(31)을 구성하는 경우 거의 모든 폐수를 종류에 관계없이 90%이상의 탈염을 수행할 수 있다.
탈이온 장치(30)는 양극과 음극의 극성을 상호 변환시키는 제어가 수행될 수 있다. 탈이온 장치(30)는 전극(311)에 양극과 음극의 극성을 변환시킴에 따라 전극에서 전기분해 산물로 전극표면에 석출되는 물질들을 전극으로부터 떼어 낼 수 있다. 이는 전압 변화를 주어 전극의 별도 세척과정을 거칠 필요가 없어 공정을 중단하지 않고도 폐수의 처리가 가능하도록 한다.
후처리 장치(50)는 탈이온 장치(30)를 통과하여 탈염된 폐수를 후처리할 수 있다. 후처리 장치(50)는 페록시하이트(FeOOH)가 코팅된 입상 활성탄(51)을 포함할 수 있다. 후처리 장치(50)는 탈이온 장치(30)를 통과하여 탈염된 폐수의 pH를 조정할 수 있다.
후처리 장치(50)는 친환경여과재로 비소, 중금속, 방사성 핵종 등의 무기물질을 흡착하는 활성탄(51)이 포함된다. 활성탄(51)은 페록시하이트(FeOOH)가 코팅되어 부식물질, 타닌, 리그닌, 클로라민, 트리 할로 메탄, 페놀, 다양한 종류의 염료 및 무기물을 제거할 수 있다. 활성탄(51)은 입상과립으로 0.6~2.4mm의 입자 사이즈를 갖고, pH는 9.5일 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 분자파괴장치(60)의 구성 개요도이다.
도 4를 참조하면 분자 파괴 장치(60)는 폐수조(61), 오존 산화반응장치(63), 초음파 처리장치(610), 관로형 초음파장치(64), 관로형 영구자석(65), 자외선 산화반응장치(66) 및 전기분해장치(67)를 포함하여 구성될 수 있다.
폐수조(61)는 원수 처리부(100) 또는 통합 처리부(500)로부터 배출된 농축수를 투입받는다. 폐수조(61)의 내부 또는 일측에는 초음파 처리장치(610)가 설비될 수 있다.
초음파 처리장치(610)는 고농축수에 초음파 처리를 하여 수질을 균질화하고, 폐수 내 존재하는 슬러지가 폐수조 벽에 들러붙는 것을 방지하며, 폐수 내 존재하는 전자에너지를 공급하여 오염물질의 분해 효율을 높인다.
오존 산화반응장치(63)는 폐수조(61)의 농축수에 오존을 발생시킨다. 오존 산화반응장치(63)는 오염물질을 산화시키는 산화제인 OH 라디칼을 발생시키는 장치이다. 오존 산화반응장치(63)의 일 측에는 미세기포와 오존을 함께 발생시키는 주지의 장치가 추가될 수 있다. 오존 산화반응장치(63)는 직경이 5 ~ 50㎛인 미세기포 오존을 공급하여 폐수의 유해물질을 제거 또는 친수성 물질로 전환시킨다. 직경이 5~ 50㎛인 미세기포 오존은 재래식 오존공정(Bubble 직경 100~200㎛)에 비해 비표면적이 크고, 상승속도가 늦기 때문에 고도산화처리단계의 효율을 증가시키고, 오존의 이용효율을 향상시켜 일반 AOP 공정에 비해 오존 투입량을 절감할 수 있다. 또한, 상기 미세기포는 기포 계면에 표면장력이 작용하게 된다. 이 표면장력은 표면이 작게 형성되도록 작용하기 때문에 구형의 계면을 가지는 기포의 표면장력은 내부를 압축하는 힘으로 작용하게 된다. 이는 Young-Laplace 식의 이론상 직경이 작으면 작을수록 높게 형성된다. 상기한 힘으로 상기 미세기포가 소멸될 때 고온, 고압의 초음파와 프리라디칼을 발생하게 되면서 폐수 내의 유기물질을 분해시키고 바이러스를 살균하는 효과를 얻을 수 있다.
관로형 초음파장치(64)는 오존산화 반응장치(63)의 처리 후 배출되는 관로에 마련될 수 있다. 초음파 처리장치는 관로를 통과하는 폐수에 초음파 처리를 하여 전자를 가속하고, 다량의 라디칼을 생성하여 오염물질 분해의 효율을 높일 수 있다. 이를 위해 관로형 영구자석(65)이 폐수가 지나가는 관로에 설비될 수 있다. 관로형 영구자석(65)은 관로를 통과하는 폐수에 자기장을 제공하여 초음파에 의해 가속된 전자를 여러 각도로 휘어지는 움직임을 만들어 라디칼 생성 효율을 높일 수 있다.
자외선 산화반응장치(66)는 관로형 초음파 처리장치(64)에 연결되고, 전자-정공쌍의 형성으로 라디칼을 형성하여 오염물질을 분해할 수 있다. 자외선 산화반응장치(66)는 폐수에 자외선을 가하여 산화제인 OH 라디칼을 생성하는 장치이다. 자외선 산화반응장치(66)는 이산화티탄(TiO2)을 포함할 수 있다. 이산화티탄은 광촉매로서, 이산화티탄 입자에 UV가 조사되면 전자가 에너지를 받아 높은 에너지 준위로 올라가면서 전자-정공쌍이 형성된다. 형성된 전자-정공쌍은 각각 전자와 정공으로 분리되어 표면에 확산되고, 확산된 정공과 전자는 각각 라디칼을 형성하여 오염물질을 분해한다.
전기분해장치(67)는 자외선 산화반응장치(66)로 인해 형성된 라디칼이 불용성 전극 표면에 흡착되어 발생되는 직접 양극산화와, 전해반응에 의해 생성되는 산화제에 의해 분해되는 간접산화에 의한 폐수처리를 진행할 수 있다.
전기분해장치(67)는 내부에 일정간격으로 유지되어 연결된 다수의 전극판에 전원을 인가하여 유입되는 폐수중의 오염물질인 COD(Chemical Oxygen Demand, COD), 질소 화합물, 인계 화합물 등을 전기분해에 의해 분해할 수 있도록 한 전기분해에 의한 폐수처리장치이다. 상세하게는 오염물질의 분해는 불용성 전극 표면에 흡착된 수산화 라디칼과 오염물질 사이의 전자 전달에 의해 분해되는 직접 양극산화와 전해반응에 의해 생성될 수 있는 차아염소산, 오존, 과산화수소 또는 산화된 금속 이온과 같은 강한 산화제에 의해서 분해되는 간접산화에 의해 일어날 수 있다. 전기분해장치(67)를 사용시 이온결합 물질과 상대적으로 결합력이 강한 공유결합 물질까지 분해할 수 있는 효과가 있다.
전기분해장치(67)는 양극과 음극을 포함하고, 양극과 음극의 극성을 일정 주기로 상호 변환시키는 제어를 받을 수 있다. 전기분해장치(67)는 양극과 음극의 극성이 상호 변환되어, 양극과 음극에서 전기분해 산물로 전극표면에 석출되는 물질들을 전극으로부터 떼어 낼 수 있다. 전압 변화를 주어 전극의 별도 세척과정을 거칠 필요가 없어 공정을 단순화 할 수 있고, 공정을 중단하지 않고 폐수를 순환시켜 고도산화처리를 할 수 있다.
본 실시예에 따른 분자파괴장치(60)는 폐수조(61) - 오존산화 반응장치(63) - 관로형 초음파 장치(64) - 자외선 산화반응장치(66) - 전기분해장치(67) - 폐수조(61)의 순환식 사이클로 정화처리가 수행되며, 이에 따라 분자파괴장치(60)라는 단일 장비화가 가능하다. 도 5는 도 4의 실시예에 따른 분자파괴장치의 실제 모습을 나타낸다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 농축수 처리 실험 결과와 농축수로부터 배출된 고형화된 슬러지를 나타낸다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
1: 폐수 무방류 처리 시스템
10: 전처리 장치
11: 제1 여과 장치
110: 촉매 여과재
130: 여과 미디어
13: 제2 여과 장치
30: 탈이온 장치
31: 스택
311: 전극
313: 이온교환막
50: 후처리 장치
51: 입상 활성탄
20: pH 제어
41: 나노 버블 발생기
44: 관로형 초음파
100: 원수 처리부
300: 농축수 처리부
500: 통합 처리부
60: 분자파괴장치
61: 폐수조
610: 초음파 처리장치
63: 오존산화 반응장치
64: 관로형 초음파장치
65: 관로형 영구자석
66: 자외선 산화반응장치
67: 전기분해장치
70: 처리수조
10: 전처리 장치
11: 제1 여과 장치
110: 촉매 여과재
130: 여과 미디어
13: 제2 여과 장치
30: 탈이온 장치
31: 스택
311: 전극
313: 이온교환막
50: 후처리 장치
51: 입상 활성탄
20: pH 제어
41: 나노 버블 발생기
44: 관로형 초음파
100: 원수 처리부
300: 농축수 처리부
500: 통합 처리부
60: 분자파괴장치
61: 폐수조
610: 초음파 처리장치
63: 오존산화 반응장치
64: 관로형 초음파장치
65: 관로형 영구자석
66: 자외선 산화반응장치
67: 전기분해장치
70: 처리수조
Claims (9)
- 농축수의 재이용 처리가 가능한 폐수 무방류(ZLD, Zero Liquid Discharge) 처리 시스템에 있어서,
폐수의 탈이온 처리를 위한 이온 교환막을 구비하여 역극전기투석법으로 폐수로부터 오염물질을 분리하는 제1 탈이온 장치와, 상기 제1 탈이온 장치의 성능저하 인자를 제거하고 폐수의 부분 탈이온을 수행하여 상기 제1 탈이온 장치에 유입되는 폐수의 전처리를 수행하는 제1 전처리 장치로 구성된 원수 처리부;
상기 원수 처리부로부터 배출되는 농축수를 유입받아 순환식 고도산화처리로 농축수의 이온결합 물질과 공유결합 물질을 해리하는 분자파괴장치와, 제2 전처리 장치 및 제2 탈이온 장치로 구성된 농축수 처리부; 및
상기 원수 처리부와 상기 농축수 처리부로부터 배출된 정화수를 유입받아 2차적 정화처리를 수행하는 제3 탈이온 장치 및 재방류를 위한 후처리 장치로 구성된 통합 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 무방류 처리 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1 전처리 장치는,
폐수의 전처리를 위한 촉매 여과재를 구비하여, 폐수 내에 존재하는 하기 탈이온 장치의 성능저하 인자를 제거하는 제1 여과 장치와, 폐수의 부분 탈염을 수행하기 위한 여과 미디어를 구비하여, 스케일 형성의 주요인자인 양이온을 제거한 폐수를 상기 제1 탈이온 장치로 유입시키는 제2 여과 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 무방류 처리 시스템.
- 제 2 항에 있어서,
상기 제1 여과 장치는,
이산화망간(MnO2)이 코팅된 입상 비드가 촉매 여과재로 기능하고,
상기 촉매 여과재는 철, 망간, 황화수소, 비소, 아연, 구리, 납, 또는 라듐의 제거가 가능한 것을 특징으로 하는 폐수 무방류 처리 시스템.
- 제 2 항에 있어서,
상기 제2 여과 장치는,
고체과립형 세라믹 비드가 담지되어 상기 여과 미디어로 기능하고,
상기 여과 미디어는 핵 생성 보조 결정화 과정(NAC)으로 스케일의 형성을 방지하고, Ca2+ 또는 Mg2+를 촉매과정을 통해 무해한 결정으로 변환하여 상기 제2 탈이온 장치의 성능 저하 인자를 제거하는 것을 특징으로 하는 폐수 무방류 처리 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 후처리 장치는,
페록시하이트(FeOOH)가 코팅된 입상 활성탄을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 무방류 처리 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1 탈이온 장치는,
상기 이온 교환막이 내장된 스택을 복수개 포함하여, 순차적으로 탈염 스테이지를 구성하는 것을 특징으로 하는 폐수 무방류 처리 시스템.
- 제 6 항에 있어서,
상기 스택은,
전압이 인가되는 한 쌍의 전극이 양 측에 배치되고, 상기 전극의 사이에
상기 이온교환막이 다수개 배치되어 양이온과 음이온을 선택적으로 투과시키며,
상기 전극은,
티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 백금(Pt)의 소재로 제공되는 것을 특징으로 하는 폐수 무방류 처리 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 분자파괴장치는,
상기 원수 처리부 또는 상기 통합 처리부로부터 배출된 농축수가 투입되는 폐수조;
상기 폐수조의 농축수에 오존을 발생시키는 오존산화 반응장치;
상기 오존산화 반응장치의 처리 후 배출되는 관로에 마련되는 관로형 초음파 처리장치;
상기 관로형 초음파 처리장치에 연결되고, 전자-정공쌍의 형성으로 라디칼을 형성하여 오염물질을 분해하는 자외선 산화반응장치; 및
상기 자외선 산화반응장치로 인해 형성된 라디칼이 불용성 전극 표면에 흡착되어 발생되는 직접 양극산화와, 전해반응에 의해 생성되는 산화제에 의해 분해되는 간접산화에 의한 폐수처리를 진행하는 전기분해장치를 포함하고,
상기 전기분해장치에서 처리된 폐수가 재차 상기 폐수조로 투입되어 순환적인 고도산화처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 폐수 무방류 처리 시스템.
- 제 8 항에 있어서,
상기 전기분해장치는,
양극과 음극의 극성이 상호 변환되는 것을 특징으로 하는 폐수 무방류 처리 시스템.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200054644A KR102179427B1 (ko) | 2020-05-07 | 2020-05-07 | 분자파괴장치 및 융합 탈이온을 적용한 농축수 패키지의 무방류 처리 시스템 |
| PCT/KR2020/006449 WO2021225205A1 (ko) | 2020-05-07 | 2020-05-15 | 분자파괴장치 및 융합 탈이온을 적용한 농축수 패키지의 무방류 처리 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200054644A KR102179427B1 (ko) | 2020-05-07 | 2020-05-07 | 분자파괴장치 및 융합 탈이온을 적용한 농축수 패키지의 무방류 처리 시스템 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR102179427B1 true KR102179427B1 (ko) | 2020-11-17 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020200054644A KR102179427B1 (ko) | 2020-05-07 | 2020-05-07 | 분자파괴장치 및 융합 탈이온을 적용한 농축수 패키지의 무방류 처리 시스템 |
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| WO (1) | WO2021225205A1 (ko) |
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