KR20020082250A

KR20020082250A - 과산화수소와 활성 촉매 반응에 의한 수처리 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20020082250A
Application number: KR1020010021253A
Authority: KR
Inventors: 백영석
Original assignee: 백영석
Priority date: 2001-04-19
Filing date: 2001-04-19
Publication date: 2002-10-31

Abstract

본 발명은 수조나 저수지, 연못 등에서 번식하는 조류 및 박테리아 등의 미생물을 사멸시키고, 유기물질을 산화시킴과 동시에 산소를 공급하여 수질을 향상시키기 위한 수처리 방법과 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 과산화수소수와 표면이 활성화된 활성탄을 촉매로 충진한 반응조(1)에서 촉매반응에 의해 과산화수소수의 분해 반응을 일으켜 발생한 반응기 산소와 활성산소가 수중의 미생물을 살균하고 유기물을 산화시켜 수질 오염을 방지하며 산화된 부유물질 등 이물질을 여과막으로 유입하여 제거하는 장치에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은, 과산화수소수 공급조(5)와 촉매 반응조(1)를 연결하여 과산화수소수가 활성 촉매에 의해 촉매 반응을 일으키는 단계, 반응에 의해 순수산소와 활성산소(O^2-)를 발생시키는 단계, 부유물질이 과다할 경우 반응에 의해 처리된 물을 여과막으로 유입하여 여과하고 이 물을 다시 과산화수소수의 희석수로 사용하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

본 발명에 의해 수중의 미생물을 효과적으로 살균하여 병원성 미생물과 조류의 발생을 억제하며, 수중에 산소농도를 충분히 유지하여 어류의 생존에 필요한 산소를 공급하며, 유기물질을 산화하여 수질을 개선하는 효과가 있다.

Description

과산화수소와 활성 촉매 반응에 의한 수처리 방법 및 장치{Disinfection and oxidation system by reaction of hydrogen peroxides and catalyst}

본 발명은 수중의 미생물을 살균하고 유기물을 산화시킴과 동시에 산소를 공급하는 방법과 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 과산화수소수가 표면이 활성화된 활성탄의 촉매반응에 의해 활성산소와 순산소가 발생하면, 수중의 용해성 유기물, 유해미생물 등을 산화분해하고, 조류등 미생물을 살균하는 방법과 장치로 수처리 방법에 관한 것이다.

수조나 저수지등 물이 정체되어 있는 경우 조류가 발생하고 어류의 배설물이나 먹이에 의해 유기물이 다량 발생하여 수중의 산소를 소비함에 따라 어류의 폐사를 유발하고 탁질이 높아져 심미적인 오염상태가 악화된다. 특히 양어장의 경우 가을철에 조류의 번식에 의한 부영양화 현상 발생으로 어류 폐사하여 막대한 재산상의 피해를 유발하고 있다. 또한 유원지, 골프장 등에 있는 소형 호수 혹은 연못에서는 조류 뿐만아니라 유기물이 과다하여 투명도가 낮아 심미적으로 열악한 환경을 갖고 있다. 기존에 조류와 미생물들 살균하고 공기를 공급하기 위한 방법으로 황산동등 화학약품 살포, 초음파 및 오존처리 방법, 에어레이터를 이용한 공기주입 방법 등이 사용되고 있으나, 각각의 단점으로 확실한 효과를 기대하기 어렵다. 화학약품은 황산동이 사용되지만 수중에 살포하기 때문에 조류에 접촉이 어려우며, 과다하게 사용될 경우 어류에 독성을 일으킬 수도 있다. 오존처리 방법은 먹는물등의 정수처리에 사용되며, 장치가 고가이며, 과다사용시 부작용이 발생하며, 전력소모등 유지비가 많이 소요되어 조류제거에 경제성이 없다. 또한 폭기와 산기관을 이용하여 공기를 주입하는 경우에는 공급된 공기의 산소전달률이 낮아 용존산소농도가 포화상태에 이르지 못하며, 조류등의 미생물 살균효과가 없으며, 폭기로 인해 침전물질이 부유상태가 되어 수중의 탁도유발물질에 의한 오염이 가중되는 문제점이 있다.

한편 기존의 과산화수소와 황산철염을 첨가하여 강산화제인 OH라디칼이 오염물질을 산화시키는 고도산화방법이 폐수처리에 적용되고 있으나 이 방법은 철염의 주입에 따른 과다한 슬러지의 발생과 과산화수소와 철염의 미반응에 의한 과다한 과산화수소수 주입 및 철염의 투입에 따른 과다한 비용 소요로 가격 경쟁력이 낮아 실용화가 어려운 문제점을 안고 있다.

본 발명의 목적은 수중의 조류, 병원성 박테리아 등의 미생물 사멸과 유기물의 산화를 통해 수질을 개선함과 동시에 수중에 충부한 산소농도를 유지하기 위한 방법으로 안정화된 과산화수소수를 촉매로써 부식된 철, 활성탄 등 표면이 활성화된 촉매를 접촉시킴으로써 미세한 기포의 활성산소의 발생과 산화와 환원의 원리를 응용하여 화학적으로 확실한 반응을 유도할 수 있다. 기체인 일반적인 산소는 산소포화점까지 물에 용해되지만, 활성산소(유리산소)는 이온화된 산소이므로 일반적인 산소로써 수중에 고농도로 용해된다. 발생한 활성산소는 수중의 박테리아와 유기물과 접촉 반응하여 순수산소로 변화하므로 수중의 용존산소량을 높히게 된다. 이에 따라 수중의 용해성 유기물, 미생물등을 산화분해하여 조류 등의 발생을 억제하고 용존산소 농도를 충분히 유지하게 한다. 또한 환원성의 금속이온등은 수중에서 산화, 중화, 응집에 의해 침전하여 부유물질 농도를 감소시켜 물의 투명도를 향상시키는 효과를 얻게 된다.

한편 본 발명에 의한 장치는 2가지 방법이 있다.

첫째는 물을 과산화수소수와 미리 혼합한 후 활성촉매가 충진된 산소반응조로 유입시켜 수중의 조류등 오염물질이 과산화수소수애 의한 살균과 활성탄에 의한 흡착이 동시에 이루어지며, 잔류하는 과산화수소수는 활성촉매와 반응에 의해 활성산소를 발생시키는 방법을 발명하였다.

둘째는 과산화수소수와 활성탄의 반응으로 인한 활성산소, OH라디칼에 의해 처리된 물은 수중의 오염물질, 미생물등이 무기화되어 침전 혹은 부유상태로 수중에 잔류하여 탁도를 유발하므로 이러한 물질을 제거하기 위해 여과막(공극 0.5∼0.1㎛)을 이용하며, 여과막의 폐쇄를 방지하기 위해 역세척이 이루어지도록 하여 수명을 확보하도록 하는 방법이다.

또한 과산화수소수와 활성탄은 가격이 저렴하고 반응이 쉽게 이루어지도록 하는 것이 본 발명의 경제적인 수처리와 직결되는 문제이다.

제1도는 본 발명의 활성산소 발생도

제2도는 과산화수소수와 오염수의 혼합에 의한 활성산소 발생 공정도

제3도는 과산화수소수와 여과수의 혼합에 의한 활성산소 발생 공정도

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

1 : 활성 촉매

2 : 과산화수소수 저장조

3 : 여과기

4 : 담수호, 수조, 연못

5 : 여과수 저장 및 과산화수소 희석수

6 : 활성촉매 반응조

7 : 이송관

8 : 이송 펌프

9,10,11,14,18 : 유량 조절 밸브

12,15,17 : 압력 표시계

13,16,19,20 : 자동밸브(솔레노이드 밸브)

21 : 펌프

22,23 : 정량주입펌프

상기 목적을 달성하기 위해 2개의 조(5,6)를 연결관(7)으로 연결하는데 1개의 조(5)에는 과산화수소수를 보급하고 다른 1개의 조(6)에는 활성화된 활성탄과같은 활성 촉매를 충진(5)하여 과산화수소수(2,5)가 활성 촉매(1)와 접촉하도록 구성된다. 또한 도2에서와 같이 미리 여과장치(3)에 의해 여과된 물을 조(5)에 유입되도록 하여 과산화수소수(2)를 희석하거나, 도3에서와 같이 담수(4)된 물과 과산화수소수(2)를 펌프(21)로 이송하여 이송도중에 과산화수소수에 의해 조류등 미생물을 살균하고 잔류오염물질은 활성 촉매 충진조(5)에 충진된 활성탄에 흡착되도록 하고 미반응 과산화수소수는 흡착된 오염물질의 분해와 활성산소 발생 역할을 하게 된다.

기본원리는 2개의 수소원자와 2개의 산소원자로 구성된 과산화수소를 이용하는 것인데, 수소원자 1개가 물분자와 불안정하게 접속되어 있기 때문에 과산화수소수는 촉매에 의해 과산화수소의 2개의 분자로부터 물과 산소가 만들어진다. 반응 화학식은 다음과 같다.

2H₂O₂→ 2H₂O + O₂------------------- (1)

이 반응에 의해 산소(O₂)의 발생, OH라디칼(OH^-)의 생성, 활성이 높은 산소[O]의 생성을 동시 평행적으로 이루게 한다. 또한 처리수중에 발생하는 산소(O₂), OH라디칼(OH^-), 활성산소[O]의 양, 비율, 반응속도 등은 과산화수소수와 활성화된 철과 활성탄의 양적 비율, 사용된 과산화수소수의 농도, 처리수의 유기물 농도, 수온 등에 의해 결정된다. 일반적으로 산소(O₂), OH라디칼(OH^-), 활성산소[O]는 서로 다른 의미가 있는데 산소는 O₂를 말하며 비교적 안정된 활성이 낮은 상태로 존재한다. 반면 OH라디칼은 OH^-를 말하며 활성산소종인 프리라디칼(Free Radical)로 분류되는 화학종중에서도 특히 활성이 높은 종에 해당된다. 또한 처리수중에 발생하는 활성산소인 발생기의 산소 [O]를 의미한다. 기체인 산소는 물에 어느정도 용해되지만 물의 용존산소 포화점에는 한계가 있다. 그러나 활성산소는 산소이온의 상태로 물에 용해되므로 처리수중에 고농도로 용해된다. 여기에서 OH라디칼은 강력한 산화제로 알려져 있으며, 표 1과 같이 산화전위가 2번째로 큰 산화력을 갖는다.

한편 활성산소와 OH라디칼에 의해 산화된 유기물은 침전물이나 부유물질로 잔류하여 탁도를 높혀 심미적인 악영향을 주므로 여과장치로 유입 순환시켜 이물질을 제거하도록 하며, 이물질에 의한 여과막의 폐쇄를 억제하기 위해 역세척을 실시하도록 구성하였다. 또한 여과가 불필요한 경우 수중의 물과 과산화수소수를 조류 농도에 따라 일정비율로 혼합하여 이송관을 통해 반응조로 유입시키므르써 이송도중에 과산화수소수에 의해 조류가 사멸되도록 하였다. 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 표를 참고로 하여 자세하게 설명하면 다음과 같다.

[실시예 1]

표 2는 과산화수소수와 촉매 반응을 유발하는 물질에 대한 예로써 20㎝(폭)×40㎝(너비)×30㎝(높이) 용기에 조류가 번식한 하천수를 담수시키고 활성탄 촉매 24리터 충진한 반응조(6)에 과산화수소수 저장조(2)와 수조(4)의 밸브(9,10)을 조절하여 과산화수소수의 농도를 5%로 조정하여 연속 주입하여 수중의 용존산소농도와 탁도를 측정한 것이다. 본 발명에 의한 장치를 사용한 경우 지속적으로 산소포화농도가 유지되었으며, 탁도가 감소하였다. 한편 그대로 방치한 경우에는 무산소 상태가 되고 탁도가 감소하지 않아 본 발명의 효과를 알 수 있다.

[실시예 2]

실시예 1과 동일한 활성산소 발생장치에서 여과기(3)을 부착한 것이다. 표 3은 표 2에서와 같은 방법으로 본 발명에서 사용한 활성화된 촉매를 사용하여 조류와 일반세균, 생물학적산소요구량(BOD), 부유물질(SS)을 처리한 예이며, 조류농도를 나타내는 엽록소a와 일반 박테리아인 일반세균은 미생물 살균 효과, BOD는 유기물질 산화효과, SS는 부유물질 제거효과를 평가하기 위해 분석하였다. 이 실험에서는 20㎝(폭)×40㎝(너비)×30㎝(높이)의 수조에 조류가 번식한 하천수를 넣은후 온도를 20℃로 유지하도록 하고 여과기(3)을 통해 여과된 물을 저장조(5)에 유입하여 과산화수소수를 5%로 희석한 것을 활성 촉매와 접촉시켜 활성산소를 발생시키는 방법을 적용하였다.

이 반응에 의해 조류인 엽록소a와 일반세균은 100%, BOD는 88%, SS는 94%가 제거되었다.

본 발명에 의한 활성산소의 발생을 위한 바람직한 실시예에 대해 도면을 참고로 하여 자세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 과산화수소수와 활성촉매의 반응조의 도면이다. 도 1에서 과산화수소수는(5)는 활성탄과 표면이 활성화된 철이 충진된 활성촉매(1)로 연결되어 활성산소를 발생시키는 상태를 나타낸 것이다. 활성촉매 반응조(6)에는 활성탄(1)의 활성 촉매가 충진되어 있으며, 과산화수소수의 농도를 조절하기 위해 과산화수소수 충진조(2)와 수조(4)로부터 밸브(9,10)를 조작한다.희석된 과산화수소수는 활성탄과 반응하여 상부의 기공(2㎜)을 통해 활성산소가 방출된다.

도 3는 본 발명의 제 2 실시예에 다른 과산화수소수와 여과수를 혼합한 물이 활성촉매(1)로 유입하는 공정도이다. 수조(4)에 저수된 원수를 펌프(21)를 작동하여 여과장치인 정밀여과막(3)장치로 유입시키고 여과된 물은 여과수조(5)에 저장된다. 정밀여과막은α-셀룰로오즈 재질로써 다공질의 분말을 성형하여 고온에서 소성시켜 만든 것이다. 정밀여과막은 필터의 크기에 따라 수중의 부유물질을 마이크론(㎛) 단위까지 제거해 준다. 여과수조(5)의 물은 다시 과산화수소수 저장조(2)에서 정량 펌프(24)로 주입된 과산화수수소와 혼합되어 펌프(23)을 통하여 활성촉매(1)로 공급되어 활성산소가 발생한다. 또한 역세라인을 설치하여 여과장치(3)의 막힘을 방지하고 투과율을 높히기 위해 여과수와 과산화산소의 희석수가 저장된 수조(5)를 역세척수로 사용한다. 역세척수는 펌프(22)의 작동에 의해 여과기(3)로 유입되어 세척과 표면 살균이 이루어져 여과능력을 향상시키게 된다. 이때 역세척수량은 압력지시계(17)의 표시에 따라 유량조절밸브(18)을 작동하여 조절한다. 이러한 일련의 동작은 자동밸브(13,16,19,20)의 작동에 의해 이루어진다. 즉, 역세척시에는 역세척수 저장조(5)로 과산화수소수(2)와 활성촉매 반응조(1)로부터 물의 유입을 막기 위해 자동밸브(13,16,20)이 작동하여 밸브가 닫히게 되고 역세척 배수밸브(19)가 열리게 된다. 또한 그림 3은 수조(4)의 물과 과산화수소수(2)를 펌프(21)를 이용하여 활성촉매(1)로 유입시키는 장치로 유입되는 물의 양과 과산화수소수의 농도는 밸브(12,14)로 조절하도록 하였다.

전술한 기술 내용으로부터 자명하듯이, 본 발명의 과산화수소수(5)와 활성촉매인 활성탄(1)에 의한 활성산소, OH라디칼이 발생하여 표 2에서와 같이 용존산소농도가 포화상태를 유지하고 미생물과 탁도를 제거하며, 표 3에서 예시한 바와 같이 활성산소와 유기물, 미생물이 반응하여 유기물이 산화하고, 미생물이 사멸하며, 부유물질이 제거되어 수질 개선이 경제적이며, 효과적으로 이루어진다.

Claims

과산화수소수 공급조(5)에서 공급된 과산화수소수와 활성촉매 반응조(6)에 충진된 활성탄(1)의 반응에 의해 활성산소와 OH라디칼을 발생시키는 방법
과산화수소수(2)와 처리대상 물(4)을 혼합하여 활성산소 발생 장치(6)로 유입하므로써 활성장치내에서 여과와 산화, 산소발생이 동시에 일어나도록 하는 방법
1항의 반응을 유도하면서 여과장치(3)로 부유물질의 여과기능을 향상하면서 활성산소 발생 장치(6)가 결합된 장치