KR200333663Y1 - A continuous electrical analytic oxidation reactor of waste water with high concentrated nitrogen compound - Google Patents
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Abstract
본 고안은 향후 강화되는 총질소 및 오염 총량 규제에 대처하기 위해 고농도 질소를 함유한 산업폐수 및 폐기물 매립장 침출수를 대상으로 유기물 및 총질소를 제어하기 위한 것으로,The present invention aims to control organic matter and total nitrogen for industrial wastewater containing high concentrations of nitrogen and landfill leachate to cope with tightening regulations on total nitrogen and pollution in the future.
본 장치의 구성은 폐수 유입부, 전해산화조, 내부반송부, 발생가스처리부, 유출부로 구성되어 있다.The apparatus is composed of a wastewater inlet, an electrolytic oxidation tank, an internal conveying unit, a generated gas treatment unit, and an outlet.
Description
본 고안은 폐수처리장치에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 고농도의 질소를 함유한 폐수를 처리할 수 있는 고농도 질소함유 폐수처리를 위한 연속식 전기분해장치에 관한 것이다.The present invention relates to a wastewater treatment apparatus, and more particularly, to a continuous electrolysis apparatus for the treatment of high concentration nitrogen-containing wastewater that can treat wastewater containing a high concentration of nitrogen.
고농도 질소를 함유한 폐수의 경우 대부분 고농도 유기물을 함유하고 있기 때문에 기존 처리방식은 본 고안에서 시험한 3종류의 폐수의 경우 다음과 같은 처리 방식을 채택하고 있다.Since most of the wastewater containing high concentration of nitrogen contains high concentration of organic matter, the existing treatment method adopts the following treatment method for the three kinds of wastewater tested in the present invention.
침출수의 경우에는 물리 화학처리, 생물처리, 그리고 여과한 후 방류하는 과정으로 처리하고, 안료제조에 사용된 폐수는 화학처리, 생물처리, 그리고 다시 화학처리한 후 방류하며, 축산폐수는 혐기성소화, 호기성 생물처리, 그리고 여과 후 방류하게 된다.In case of leachate, it is treated by physicochemical treatment, biotreatment, and filtration and discharge process. The wastewater used for pigment production is discharged after chemical treatment, biotreatment and chemical treatment again, and livestock wastewater is anaerobic digestion, After aerobic biotreatment and filtration, it is discharged.
이러한 공정들에 적용된 폐수의 특징은 고농도 유기물 및 질소를 함유한 폐수로 기존 공정으로는 향후 규제가 강화되는 총질소의 배출허용기준을 만족시키기에는 많은 어려움이 있으며, 주로 미생물에 의한 질산화 및 탈질에 의존할 수밖에 없다.The characteristics of the wastewater applied to these processes are wastewater containing high concentrations of organic matter and nitrogen, and it is difficult to meet the emission limit of total nitrogen, which is regulated in the future with existing processes, and mainly for nitrification and denitrification by microorganisms. There is no choice but to depend.
그러나 생물처리에 의해 질소성분을 제거할 경우 넓은 부지가 소요될 뿐만 아니라 종래의 생물 처리에 의한 질소 제거기술은 100㎎/l 이하의 저농도 기술에 적용되어 왔기 때문에 처리효율에 대한 확실한 보장을 할 수 없을 뿐만 아니라 원수중의 고농도 질소를 탈질하기 위해서는 상당량의 유기탄소원이 소모되므로 유지관리비 차원에서도 많은 문제가 대두될 수 있다.However, when nitrogen is removed by biological treatment, not only a large site is required but also the conventional nitrogen removal technique by biological treatment has been applied to low concentration technology of 100 mg / l or less, so it is impossible to guarantee the treatment efficiency. In addition, a large amount of organic carbon sources are consumed in order to denitrate high concentrations of nitrogen in raw water, which can cause many problems in terms of maintenance costs.
전기 화학적 방법에 의한 유기물의 분해원리를 이용한 종래의 기술은 철, 알루미늄, 구리, 백금전극 등 다양한 전극소재를 이용한 오폐수 처리기술이 소개되고 있다. 철이나 알루미늄과 같은 용해성 전극은 전해과정에서 용출되어 2가 또는 3가의 금속성 양이온이 물속에 남게 되는 데, 이 과정에서 물속의 미세한 부유물과 응집되어 침전을 유리하게 하는 응집제의 역할을 하기도 한다.The conventional technique using the decomposition principle of organic material by the electrochemical method is introduced wastewater treatment technology using various electrode materials such as iron, aluminum, copper, platinum electrode. Soluble electrodes, such as iron or aluminum, are eluted during electrolysis to leave divalent or trivalent metallic cations in the water, and in the process, they also coagulate with fine suspended matter in water and act as coagulants to favor precipitation.
전기분해 방법은 그 원리는 비교적 간단하지만 그동안 전력비의 과다로 생물학적 처리방법 만큼 활성화되지 못해 왔으나 유기물 특히 색소 등 난분해성 물질의 분해도 가능하기 때문에 염색폐수, 피혁폐수, 침출수 등 생물학적 처리가 어렵거나 생물학적 처리 후에도 잔류하는 색소나 유기물을 재처리하는 목적으로 많이 사용되어 왔다.Although the principle of electrolysis is relatively simple, it has not been activated as much as biological treatment method due to excessive power ratio, but it is difficult or biological treatment such as dyeing wastewater, leather wastewater, leachate because it can decompose organic materials, especially pigments It has been used a lot for the purpose of reprocessing pigment | dye and organic substance which remain afterwards.
산업 폐수의 배출기준이 총량 기준으로 규제됨에 따라 산업폐수의 처리에 대한 관심과 기업의 부담이 증대되고 있다. 또한 공단 지역의 유출수와 생활하수를 혼합하여 처리하는 하수처리장은 기존의 생물학적 처리 방법인 활성슬러지법만으로는 처리 효율의 저하 등과 같은 문제를 야기시키고 있다.As the emission standard of industrial wastewater is regulated by the total amount, the interest on the treatment of industrial wastewater and the burden on companies are increasing. In addition, the sewage treatment plant mixed with industrial runoff and sewage in the industrial area causes problems such as deterioration of treatment efficiency only with the activated sludge method, which is a conventional biological treatment method.
특히 피혁 폐수는 그 성상이 다양하고 배출되는 폐수량도 일정하지 않으며, 고농도의 질소농도와 계면활성제 및 중금속류 등과 같은 성분을 포함하고 있어 부영양화, 하수처리장의 처리 효율 저하 및 생태계의 파괴 등과 같은 심각한 수질오염을 유발시키고 있다.In particular, leather wastewater has various characteristics, and the amount of wastewater discharged is not constant, and contains high concentrations of nitrogen, components such as surfactants and heavy metals, and thus serious water pollution such as eutrophication, deterioration of treatment efficiency of sewage treatment plant and destruction of ecosystem. Is causing.
일반적인 피혁폐수의 처리공정에는 유기물을 줄이기 위해 명반 및 고분자 물질을 이용한 응집침전법이 전처리에 이용되고 있으며, 최근에는 바닷물 중에 존재하는 Mg2-이온을 이용한 알칼리성 산업 폐수 응집처리법이 연구되고 있다.In the general treatment process of leather wastewater, agglomeration sedimentation method using alum and polymer material is used for pretreatment to reduce organic matters, and recently, an alkaline industrial wastewater agglomeration method using Mg 2- ions present in seawater has been studied.
최근 무기성 또는 유기성전해질을 함유한 폐수에 전기에너지를 가하여 폐수 중의 여러 가지 오염 물질을 동시에 제거하는 전해산화에 의한 폐수처리가 주목을 받고 있다. 전해처리 방법은 전극과 용액의 계면에서 직접적인 전자전달이 행해지는 전극 반응과 전극 반응생성물이 폐수 중의 성분과 반응하는 2차 반응으로 구분할 수 있으며, 이를 이용한 전기 투석, 응집, 부상 원리, 유기물의 직간접ㆍ산화와 중금속의 회수 등에 이용되고 있다.Recently, attention has been paid to wastewater treatment by electrolytic oxidation, which simultaneously removes various pollutants in the wastewater by applying electrical energy to the wastewater containing an inorganic or organic electrolyte. The electrolytic treatment method can be divided into the electrode reaction in which electron transfer is directly performed at the interface between the electrode and the solution, and the secondary reaction in which the electrode reaction product reacts with the components in the wastewater. ㆍ Used for oxidation and recovery of heavy metals.
전기 화학적으로 폐수 중의 오염물질을 처리하는 방법은 전기분해(Electrolysis)와 전기응집(electro- coagulation) 또는 전기부상(elecro-flotation)으로 구분된다.Electrochemical treatment of contaminants in wastewater is divided into electrolysis, electro-coagulation or elecro-flotation.
전기응집은 전극판에서 이온이 용출되어 폐수중의 오염물과 응집·흡착하여 수소와 염소가스에 의해 부상되거나 때로는 침전되어 물과 분리된다.Electro-agglomeration is carried out by ion elution from electrode plate and coagulates and adsorbs with contaminants in waste water.
전기분해는 양극에서 직접 오염물을 산화시켜 제거하는 직접산화법과 중간 생성물에 의해 오염물을 제거하는 간접 산화법이 있다.Electrolysis includes direct oxidation to oxidize and remove contaminants directly from the anode and indirect oxidation to remove contaminants by intermediate products.
전기분해에 의한 폐수처리는 장치의 크기에 비해 처리능력이 좋으며, 반응의 제어가 용이한 특징이 있다.Wastewater treatment by electrolysis has a good treatment capacity compared to the size of the device, it is characterized by easy control of the reaction.
본 고안의 목적은 난분해성 물질은 물론, 축산폐수 등에서 다량 배출되는 질소와 인등 영양염류의 처리가 가능하도록 전기분해 원리를 이용한 것으로 전기분해 장치의 결선 및 운전이 용이하도록 설계된 폐수처리용 연속식 전기분해장치를 제공하는 데 있다.The purpose of the present invention is the continuous electricity for wastewater treatment, which is designed to facilitate the connection and operation of the electrolysis device, by using the electrolysis principle to treat nitrogen and phosphorus nutrients, which are discharged largely from livestock wastewater as well as hardly degradable materials. To provide a cracking device.
또한 본 고안의 다른 목적은 향후 강화되는 총질소 및 오염 총량 규제에 대처하기 위해 고농도 질소를 함유한 산업폐수 및 폐기물 매립장 침출수를 대상으로 유기물 및 총질소를 제어하기 위해 고안된 폐수처리용 연속식 전기분해장치를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide continuous electrolysis for wastewater treatment designed to control organic matter and total nitrogen for industrial wastewater containing high concentrations of nitrogen and landfill leachate to cope with the tightening regulations on total nitrogen and pollution in the future. To provide a device.
아울러 본 고안의 또 다른 목적은 색도제거가 용이하여 각종 환경처리시설에서 배출허용기준 범위이내로 처리하면서도 처리수중의 색도 문제로 각종 민원이 발생하는 문제도 해결할 수 있도록 한 폐수처리용 연속식 전기분해장치를 제공하는 데 있다.In addition, another object of the present invention is a continuous electrolysis device for wastewater treatment, which is easy to remove the chromaticity, so that various environmental treatment facilities can be treated within the range of emission allowance, while solving various problems caused by the chromaticity of the treated water. To provide.
도 1은 본 고안에 따른 전기분해장치를 포함한 폐수처리 과정을 설명하기 위한 공정도이고,1 is a process chart for explaining a wastewater treatment process including an electrolysis device according to the present invention,
도 2는 본 고안에 따른 전기분해장치를 도시한 평면도이고,2 is a plan view showing an electrolysis device according to the present invention,
도 3은 본 고안에 따른 전기분해장치를 도시한 측면도이고,Figure 3 is a side view showing an electrolysis device according to the present invention,
도 4는 본 고안에 따른 전기분해장치의 전극 모듈을 도시한 분리 사시도이고,Figure 4 is an exploded perspective view showing an electrode module of the electrolysis device according to the present invention,
도 5는 본 고안에 따른 전기분해장치의 전기결선을 도시한 전기결선도이다.5 is an electrical connection diagram showing the electrical connection of the electrolysis device according to the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
1 : 전해조 9 : 양극판1: electrolytic cell 9: positive electrode plate
11 : 음극판 13 : 전극간격유지판11: negative electrode plate 13: electrode interval holding plate
15 : 양극연결단자 17 : 음극연결단자15: positive connection terminal 17: negative connection terminal
19 : 양극연결바 21 : 음극연결바19: positive connection bar 21: negative connection bar
23a,23b : 수직지지대 25 : 횡지지대23a, 23b: vertical support 25: lateral support
25 : 유압장치25: hydraulic device
상기한 목적들을 달성하기 위하여 본 고안의 전기분해장치는 틀에 그물로 된 전극망이 고정 지지되고, 자체의 양측 가장자리에는 양극연결단자가 돌출되어 형성되며, 상기 양극연결단자를 관통하는 양극연결바에 의해 상호 연결되는 다수개의 양극판; 틀에 그물로 된 전극망이 고정 지지되고, 양측 가장자리에는 음극연결단자가 돌출되어 형성되며, 상기 음극연결단자를 관통하는 음극연결바에 의해 상호 연결되는 다수개의 음극판; 상기 양극판과 음극판 사이에 설치되고, 중심부에 가로 살과 세로 살이 격자 형태로 교차 형성되는 다수개의 전극간격유지판; 상기 다수개의 양극판, 다수개의 음극판, 및 다수개의 전극간격유지판을 유압에 의한 압착으로 일체로 전해조를 형성하기 위해서 양측에 설치되는 수직지지대; 상기 두 수직지지대를 가로질러 설치되고, 상기 양극연결바 및 음극연결바가 설치되는 횡지지대; 및 상기 수직지지대 중 어느 일측에 설치되고, 전해조를 구성하게 되는 다수개의 모듈을 밀게 되는 밀대를 포함한 유압장치로 구성된다.In order to achieve the above objects, the electrolytic apparatus of the present invention is fixedly supported by an electrode network made of a net in a frame, and both ends of the anode are formed with protruding anode connecting terminals, and the anode connecting bars penetrating the anode connecting terminals A plurality of bipolar plates interconnected by; A plurality of negative electrode plates fixed to and supported by a net in a frame, and formed at both edges thereof with protruding negative connection terminals and interconnected by negative connection bars passing through the negative connection terminals; A plurality of electrode interval holding plates disposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate, the horizontal and vertical bars being formed in a lattice form at a center thereof; Vertical supports installed on both sides of the plurality of positive electrode plates, the plurality of negative electrode plates, and the plurality of electrode space keeping plates to form an electrolytic cell integrally by pressing by hydraulic pressure; A transverse support disposed across the two vertical supports, on which the positive and negative connection bars are installed; And it is installed on any one side of the vertical support, and consists of a hydraulic device including a push rod for pushing a plurality of modules that constitute the electrolytic cell.
이하 본 고안에 관련된 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 상세히 설명하려고 하며, 먼저 상세한 설명 이전에 본 고안에 이용된 자연법칙을 살펴본다.Hereinafter, a preferred embodiment related to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, the natural law used in the present invention will be described before the detailed description.
1) 물의 전기분해1) Electrolysis of Water
물의 전기분해는 양극과 음극에서 반응이 다음과 같다.The electrolysis of water is as follows at the anode and cathode.
양극 : H2O + H2O → H3O++ OH-+ eAnode: H 2 O → H 2 O + H 3 O + + OH - + e
음극 : 2H2O + e → OH-+ H2O + H+ Cathode: 2H 2 O + e → OH - + H 2 O + H +
총괄반응식 : H2O → H++ OH- General reaction scheme: H 2 O → H + + OH -
전해액이 산이면 음극에서 생성된 수산화 이온은 중화되며, 총괄반응식에서 H+와 OH-는 곧 수소분자와 산소분자로 되며 1패러데이(F)에 대하여 1분자의 물이 분해된다. 수용액을 전기분해하여 수소와 산소가 발생할 때에는 용액의 pH에 관계없이 물의 분해가 이루어진다.When the electrolyte is acid, hydroxide ions generated at the cathode are neutralized. In the general reaction formula, H + and OH - are soon hydrogen molecules and oxygen molecules, and one molecule of water is decomposed per Faraday (F). When hydrogen and oxygen are generated by electrolyzing an aqueous solution, water is decomposed regardless of the pH of the solution.
2) 염소의 전기분해2) Electrolysis of Chlorine
전극반응에서 주요 생성물인 염소와 수산화 이온은 전극사이의 전해액에서 반응하여 차아염소산 및 차아염소산 이온을 형성하고 이것은 화학적 자동산화(불균일 반응)에 의해 염소산염으로 전환된다. 염소의 전기 분해과정은 다음과 같다.In the electrode reaction, chlorine and hydroxide ions, the main products, react in the electrolyte between the electrodes to form hypochlorite and hypochlorite ions, which are converted to chlorate by chemical autooxidation (heterogeneous reaction). The electrolysis process of chlorine is as follows.
양극 : 2Cl-→ Cl2(용존성) + 2e- Anode: 2Cl - → Cl 2 (dissolved) + 2e -
음극 : 2H2O + 2e-→ 2OH-+ H2 Cathode: 2H 2 O + 2e - → 2OH - + H 2
전극상호 반응 : Cl2+ H2O → HOCl + Cl-+ H+ Electrode interaction: Cl 2 + H 2 O → HOCl + Cl - + H +
HOCl → OCl-+ H+ HOCl → OCl - + H +
양극에서 주요생성물은 염소이며, 낮은 온도에서 전기분해에 의해 용존상태의 염소를 형성하며, 이것은 전해액이 알카리성에서도 가능하다. 따라서 양극 주위에서는 산, 음극주위에서는 알카리를 형성하기 때문에 전극 상호 반응식에서와 같이 차아염소산(HOCl)은 양극에서, 차아염소산 이온(OCl-)은 음극에서 이루어진다. 온도와 pH에 따른 HOCl과 OCl-이온의 분포는 pH 7.5일 때 HOCl과 OCl-의 활성은 같고, pH 7.5 이상에서는 HOCl이, pH 7.5이하에서는 OCl-가 주 화학종으로 구성된다.The main product at the anode is chlorine, which forms dissolved chlorine by electrolysis at low temperatures, even if the electrolyte is alkaline. Therefore, since acid is formed around the anode and alkali around the cathode, hypochlorous acid (HOCl) is formed at the anode and hypochlorite ions (OCl − ) are formed at the cathode as in the electrode interaction equation. HOCl and OCl according to the temperature and pH-distribution of the ions are HOCl and OCl when pH 7.5 days same is active, in pH 7.5 or higher is HOCl, OCl the pH 7.5 or less - is configured as the primary species.
3) 유기물질의 전기분해3) Electrolysis of Organic Matter
전해액이 산성인 용액의 금속이온은 전기분해과정에서 안정상태에서 들뜬 상태로 산화되며 중간산물인 반응체가 생성된다.The metal ions of the solution in which the electrolyte is acidic are oxidized from the stable state to the excited state during the electrolysis process, and an intermediate product reactant is formed.
다음식은 양극에서 진행되며 많음 양의 유기물질이 산화되어 이산화탄소로 용액내에 확산된다.The following equation proceeds at the anode where a large amount of organic material is oxidized and diffused into the solution as carbon dioxide.
양극 : xMn+→ xM(n+1)++ xe- Anode: xM n + → xM (n + 1) + + xe -
xM(n+1)++ reacting agent → xMn++ yCO2 xM (n + 1) + + reacting agent → xM n + + yCO 2
유기물질의 전기분해는 양극에서 산화되지만 물의 전기분해에 의한 수산화이온이 전극표면에 흡착되어 유기물을 산화하는 직접산화와 염소의 전기분해에 의해 생성된 차아염소산 등의 중간산물에 의한 간접산화로 구분할 수 있다.The electrolysis of organic material is oxidized at the anode, but it can be divided into direct oxidation by hydration of water by electrolysis of water on electrode surface and indirect oxidation by intermediate products such as hypochlorous acid generated by electrolysis of chlorine. Can be.
직접산화의 경우 높은 전류밀도의 산성용액에서 잘 진행되고, 최종생성물은 이산화탄소, 물 혹은 수소이온으로 분해된다.Direct oxidation proceeds well in high current density acid solutions and the final product is decomposed into carbon dioxide, water or hydrogen ions.
4) 암모니아의 전기분해4) Electrolysis of Ammonia
전기분해에 의한 폐수 내 암모니아제거는 유기물질의 산화와 유사하게 직접적인 양극산화와 간접적인 양극산화의 동시 효과로 이루어진다.The removal of ammonia from wastewater by electrolysis consists of the simultaneous effects of direct anodization and indirect anodization, similar to the oxidation of organic materials.
(가) 직접 산화(A) direct oxidation
전기분해에 의한 암모니아의 산화는 다음 식으로 정의된다.The oxidation of ammonia by electrolysis is defined by the following equation.
NH3+ 3OH-→ 0.5N2+ 3H2O + 3e- NH 3 + 3OH - → 0.5N 2 + 3H 2 O + 3e -
즉, 암모니아의 제거는 양극에서 발생되며 페레덱 효율(Faradic efficiency)거의 100%에서 3가의 전자를 내면서 질소가스로 산화된다.That is, the removal of ammonia is generated at the anode and is oxidized to nitrogen gas with trivalent electrons at almost 100% of the Faradic efficiency.
(나) 간접산화(B) indirect oxidation
암모니아의 간접산화 정의는 간접반응으로 유리된 염소가 암모니아성 질소와 반응하여 최종생산물로 질소가스를 발생한다.Indirect oxidation definition of ammonia means that chlorine liberated by indirect reaction reacts with ammonia nitrogen to produce nitrogen gas as the end product.
2NH++ 3HOCl → N2+ 3H2O + 5H++ 3Cl- 2NH + + 3HOCl → N 2 + 3H 2 O + 5H + + 3Cl -
상기 식의 반응은 염소의 파과점 반응과 같은 pH 7.6에서 화학적 평형이 일어나며, 염소와 암모니아성 질소의 무게비와 pH에 영향을 받으며, pH가 낮은 경우 질소이외에도 클로라민(NH2Cl, NHCl2, NCl3)이 형성된다.The reaction of the formula takes place in chemical equilibrium at pH 7.6, such as break-through point, the reaction of chlorine, influenced by the weight ratio and the pH of the chlorine and ammonia nitrogen, when the pH is low in addition to the nitrogen chloramine (NH 2 Cl, NHCl 2, NCl 3 ) is formed.
암모니아성 질소가 차아염소산과 반응하여 제거되는 반응은 다음과 같이 표현된다.The reaction in which ammonia nitrogen is removed by reaction with hypochlorous acid is expressed as follows.
NH4 ++ HOCl → NH2Cl + 5H2O + H+ NH 4 + + HOCl → NH 2 Cl + 5H 2 O + H +
NH2Cl + HOCl → NHCl2+ H2ONH 2 Cl + HOCl → NHCl 2 + H 2 O
(2NH2Cl + HOCl → N2↑ + 3HCl + H2O) : 수중에 HOCl이 많을 경우(2NH 2 Cl + HOCl → N 2 ↑ + 3HCl + H 2 O): When there is a lot of HOCl in water
NHCl2+ H2O → NCl3+ H2ONHCl 2 + H 2 O → NCl 3 + H 2 O
각 반응은 염소의 파과점 반응과 같은 경향을 보이며 pH에 따라 상호 반응한다.Each reaction shows the same trend as the breakthrough reaction of chlorine and reacts with each other according to pH.
염소이온이 풍부한 폐수내의 암모니아의 간접산화에 의한 전반적인 반응은 다음과 같다.The overall reaction by indirect oxidation of ammonia in chlorine-rich wastewater is as follows.
2NH3+ 6Cl-→ N2+ 6HCl + 6e- 2NH 3 + 6Cl - → N 2 + 6HCl + 6e -
본 고안에 이용된 반응원리는 산화, 환원반응의 과정에서 발생되어지는 차아염소산, 염소, 차아염소산 이온 및 오존과 강력한 산화력를 지닌 수산기를 발생시켜 폐수중의 피산화제 성분과 접촉되어 다음과 같은 반응의 경로를 통해서 발생 및 처리과정이 수행되어진다.The reaction principle used in the present invention generates hypochlorous acid, chlorine, hypochlorite ions and ozone, which are generated during the oxidation and reduction reactions, and a hydroxyl group having strong oxidizing power, and comes into contact with the oxidizing agent in the wastewater. Generation and processing is carried out through the path.
그리고, 처리효율를 상승시키기 위해 NaCl를 투여함으로서 전해접촉 반응조에서 일어나는 전해반응은 다음과 같이 차아염소산를 생성시킨다.Then, the electrolytic reaction occurring in the electrolytic contact reactor by administering NaCl to increase the treatment efficiency produces hypochlorous acid as follows.
NaCl + H2O + 2e-→ NaOCl + H2↑ NaCl + H 2 O + 2e - → NaOCl + H 2 ↑
생성된 차아염소산은 전리도가 매우 크므로 전해반응조내에서 쉽게 전리되어 평행을 이룬다.The produced hypochlorous acid has a high degree of ionization and is easily ionized in parallel in the electrolytic reactor.
NaOCl → Na++ OCl- NaOCl → Na + + OCl -
OCl-+ H2O ↔ HOCl + OH- OCl - + H 2 O ↔ HOCl + OH -
이와 같은 발생물질들은 전해접촉조의 pH에 따라 조절되어진다. 또한 양극촉매전극에서 염소 및 활성화된 산소과 발생되어져 음극에서 생성된 NaOH와 반응하여 차아염소산이 생성되어지며, 활성산소와 전해접촉조내의 자유산소와 결합되어 오존 및 수산기를 발생시켜 폐수중에 함유된 유,무기화합물을 산화분해시키며 탈색 및 살균를 병행하며 산화분해반응은 다음과 같다.These generating materials are adjusted according to the pH of the electrolytic contact bath. In addition, hypochlorous acid is generated by reacting with chlorine and activated oxygen in the anode catalyst electrode and NaOH generated in the cathode. Oxidative decomposition of inorganic compounds, discoloration and sterilization. Oxidative decomposition reactions are as follows.
2Cl-→ Cl2↑ + 2e-, 4OH-→ O2+ 2H2O + 4e- 2Cl - → Cl 2 ↑ + 2e -, 4OH - → O 2 + 2H 2 O + 4e -
O2+ O*→ O3 O 2 + O * → O 3
이상과 같은 반응원리들을 토대로 하여 도 1에 도시한 바와 같은 공정이 가능하다.Based on the above reaction principles, the process as shown in FIG. 1 is possible.
즉, 유량조정조(1)를 거친 폐수를 전해조(3)에 투입하여 유기물 및 질소성분을 처리하고, 미처리된 성분의 완벽한 처리를 위하여 내부반송라인(5)을 통하여 다시 전해조(3)로 보낸다. 그리고 전해조(3)의 내부순환으로 생성된 산화제와 오염물의 접촉개선에 따라 처리효율이 증가한다. 이렇게 처리된 처리수는 방류구를 통하여 방류되고, 전해조에서 발생되는 가스는 발생가스처리부(7)를 통해 방출된다.That is, the wastewater passed through the flow adjusting tank 1 is introduced into the electrolyzer 3 to treat organic matter and nitrogen components, and is sent back to the electrolyzer 3 through the inner transfer line 5 for the complete treatment of untreated components. In addition, the treatment efficiency increases as the contact between the oxidant and the contaminants generated by the internal circulation of the electrolytic cell 3 is improved. The treated water thus discharged is discharged through the discharge port, and the gas generated in the electrolytic cell is discharged through the generated gas treatment unit 7.
그리고 도 2 및 도 3을 참조하여 본 고안에 따른 전기분해장치를 설명하면, 전해조(3)는 양극판(9)과 음극판(11)의 두 전극판을 적층한 모듈과, 전해조(3) 내의 버퍼에 교반기(stirrer)를 설치하여 폐수의 원활한 교반을 할 수 있도록 구성한다.2 and 3, the electrolytic cell 3 includes a module in which two electrode plates of a positive electrode plate 9 and a negative electrode plate 11 are stacked, and a buffer in the electrolytic cell 3. A stirrer is installed in the container so that the waste water can be smoothly stirred.
또한 적층 전극판에 무기물의 부착시 전극 모듈의 세척을 원활히 할 수 있도록 유압식으로 전극 모듈을 분해할 수 있게 설계되었다.In addition, it is designed to disassemble the electrode module hydraulically to facilitate the cleaning of the electrode module when the inorganic material attached to the laminated electrode plate.
아울러 불용성 전극이 수중에 위치하고 있어 가스상의 염소가스에 의한 부식이 없으며, 전해산화공정에서 생성된 염소가스의 재이용으로 처리효율이 향상된다.In addition, since the insoluble electrode is located in the water, there is no corrosion by gaseous chlorine gas, and the treatment efficiency is improved by reusing the chlorine gas generated in the electrolytic oxidation process.
종래의 전해조는 반응기와 전극판 일체형으로 유지보수시 반응기 전체를 해체하여야 하나 본 고안에 따른 장치는 양극판(9)과 음극판(11) 그리고 전극간격유지판(13)이 각각 단일모듈로 형성되어 종래 전해조에 비해 유지보수시 유압을 후진시키면 각 모듈이 독립적으로 형성되어 유지보수가 용이하다.Conventional electrolyzer is to disassemble the whole reactor during maintenance as the reactor and the electrode plate integral type, but the device according to the present invention is the positive electrode plate 9, the negative electrode plate 11 and the electrode spacing plate 13 is formed as a single module, respectively When maintenance is reversed compared to the electrolyzer, each module is formed independently, making maintenance easier.
좀 더 상세히 설명하면, 도 4에 도시한 바와 같이 양극판(9)과 음극판(11)은 사각형의 틀에 그물로 된 전극망이 고정 지지된 구조이다.In more detail, as shown in FIG. 4, the positive electrode plate 9 and the negative electrode plate 11 have a structure in which an electrode network made of a net is fixedly supported in a rectangular frame.
그리고 양극판(9)과 음극판(11)의 양측 가장자리에는 각각 양극연결단자(15) 및 음극연결단자(17)가 돌출되어 형성된다. 이들 연결단자들은 양극판(9)과 음극판(11)의 형성 위치가 횡방향으로 상호 일치하지 않도록 다른 위치에 형성됨으로써 각각의 양극연결단자(15) 및 음극연결단자(17)를 관통하는 양극연결바(19) 및 음극연결바(21)를 통해 양극판(9)은 양극판(9)까지 음극판(11)은 음극판(11)끼리 연결된다.In addition, positive and negative electrode connecting terminals 15 and 17 are formed at both edges of the positive and negative electrode plates 9 and 11, respectively. These connection terminals are formed at different positions so that the formation positions of the positive electrode plate 9 and the negative electrode plate 11 do not coincide with each other in the transverse direction, so that the positive electrode connection bars 15 and the negative electrode connection terminal 17 penetrate the respective positive electrode connection terminals 15 and 17. The negative electrode plate 11 is connected to the negative electrode plate 11 by the positive electrode plate 9 through the negative electrode connecting bar 21 and the positive electrode plate 9.
그리고 양극연결바(19) 및 음극연결바(21)는 도체인 재질로 형성되어 각각의 전극판으로 전원(P)이 공급될 때 전류의 공급라인이 된다.In addition, the positive electrode connecting bar 19 and the negative electrode connecting bar 21 are formed of a conductive material, and become a supply line of current when power P is supplied to each electrode plate.
또한 종래 전해조는 각 전극판에 전원공급시 전극 개별로 전기결선을 하여야 하나 본 고안의 연속식 전기분해장치는 양극판(9)과 음극판(11)사이에 동판을 삽입하여 압착함으로 각각의 전극판에 볼트와 너트를 취부할 필요가 없다.In addition, the conventional electrolytic cell should be electrically connected individually to each electrode when power is supplied to each electrode plate, but the continuous electrolysis device of the present invention is inserted into each electrode plate by pressing a copper plate between the positive electrode plate 9 and the negative electrode plate 11 and pressing them. There is no need to install bolts and nuts.
양극판(9)과 음극판(11) 사이에는 전극간격유지판(13)이 설치되는 바, 중심부에 가로 살과 세로 살이 격자 형태로 교차하여 형성되어 폐수의 흐름이 원활하게 이루어진다. 이러한 전극간격유지판(13)은 부도체인 물질, 일례로 폴리 프로필렌으로 제작하여 전극판 간격을 유지함은 물론 전극판의 합선을 방지하게 된다. 또한 전극간격유지판(13)은 양극판(9)과 음극판(11)에 대면되는 두 측면에 폐수의 유출을 방지하기 위한 실(seal) 테두리가 형성된다.Between the positive electrode plate 9 and the negative electrode plate 11 is provided with an electrode gap retaining plate 13, the horizontal and vertical bars are formed in the center to cross the lattice in the form of a smooth flow of waste water. The electrode gap maintaining plate 13 is made of a non-conductive material, for example, polypropylene to maintain the gap between the electrode plates and to prevent short circuits of the electrode plates. In addition, the electrode interval maintaining plate 13 has a seal rim formed on two sides facing the positive electrode plate 9 and the negative electrode plate 11 to prevent the outflow of waste water.
그리고 본 고안에 따른 전기분해장치는 양극판(9), 음극판(11), 및 전극간격유지판(13)을 유압에 의한 압착으로 일체로 전해조(3)를 형성하기 위해서, 양측에 수직지지대(23a,23b)를 설치하고, 두 수직지지대(23a,23b)를 가로질러 설치된 횡지지대(25)에 상기 양극연결바(19) 및 음극연결바(21)를 설치한다. 그리고 우측 수직지지대(23b)에 유압장치(25)를 설치하고, 이 유압장치(25)의 밀대(27)로 전해조(3)를 구성하게 되는 다수개의 모듈을 가장 우측에서 밀게 된다.And the electrolysis device according to the present invention is to support the positive electrode plate (9), the negative electrode plate (11), and the electrode spacing plate (13) integrally to form an electrolytic cell (3) integrally by hydraulic pressure, vertical support (23a) on both sides , 23b is installed, and the positive connection bar 19 and the negative connection bar 21 are installed on the horizontal support 25 installed across the two vertical supports 23a and 23b. And the hydraulic apparatus 25 is installed in the right vertical support 23b, and the several module which comprises the electrolytic cell 3 by the push rod 27 of this hydraulic apparatus 25 is pushed in the rightmost.
각 모듈의 수밀은 각 모듈사이에 고무 패킹을 배치하여 누수를 예방하며 유지보수시 유압을 후진시키면 각각의 모듈이 독립적으로 분리가능함으로 각 전극의 손실상태를 육안으로 파악가능함과 동시에 유지보수도 간단하게 이루어진다.Watertightness of each module prevents water leakage by arranging rubber packing between each module. When maintenance reverses hydraulic pressure, each module can be separated independently, so the loss state of each electrode can be visually recognized and easy to maintain. It is done.
또한 도 5에 도시한 바와 같이, 각각의 양극모듈과 음극모듈은 병렬로 구성되어 1계열을 이루고, 다음 계열과의 연결을 직렬로 구성하여 직류전원공급의 전압과 전류를 자유로이 조정함으로서 전기효율을 극대화 할 수 있으며, 폐수처리 유입수의 성상의 변화에 따라 양극 및 음극수의 증가 필요할 시 각 양극모듈 및 음극모듈을 추가로 부착함에 따라 전해조(3) 자체의 수정이 필요없이 간단히 극수를 추가할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 5, each positive and negative electrode module is configured in parallel to form a series, and the connection with the next series is configured in series to freely adjust the voltage and current of the DC power supply to improve electrical efficiency. Increase the number of anodes and cathodes in accordance with the change in the inflow of wastewater treatment, if necessary, by attaching each anode and cathode modules additionally, the number of poles can be simply added without requiring modification of the electrolyzer (3) itself. have.
아울러 전극 사이의 결선방식은 병렬직렬이 교대로 연결되어 장치구성이 간단하고 전기효율이 높은 것은 물론, 폐수의 특성에 따라 전압 및 전류부하 조절이 가능하여 낮은 전류 밀도와 체류시간에서 처리효율 및 유지관리비가 종래 장치에 비해 월등히 높다.In addition, the connection method between the electrodes is connected in parallel series alternately, so the device configuration is simple and the electrical efficiency is high, and the voltage and current load can be adjusted according to the characteristics of the wastewater, thereby maintaining and maintaining the processing efficiency at low current density and residence time. Maintenance costs are much higher than conventional devices.
각 전극판의 전극망이 수중에 침적되어 있어 수명이 연장된다. 이것은 전해분해시 발생하는 염소가스가 수중보다 대기중에 노출했을 때 전극을 부식시키는 위험성이 더 큰데 전극망이 폐수의 내부에 침적되어 있는 상태이므로 부식이 잘 이루어지지 않게 되는 것이다.The electrode network of each electrode plate is deposited in water, and life is extended. This is because the chlorine gas generated during electrolytic decomposition has a greater risk of corroding the electrode when exposed to the air than in water. However, since the electrode network is deposited inside the wastewater, the corrosion is difficult to occur.
이상과 같이 구성되는 본 고안을 다음과 같은 실험을 통하여 그 성능을 확인하였다.The present invention configured as described above was confirmed through the following experiment.
[실시예]EXAMPLE
본 고안에서 제안하는 축산폐수의 전기분해 적용은 혐기성 소화조 처리수를 케이아이엠에이에스(이하 KIMAS라 칭함) 처리한 유출액을 대상으로 실험을 실시하였다.The electrolysis application of the livestock wastewater proposed in the present invention was carried out on the effluent treated with anaerobic digester treated water (hereinafter referred to as KIMAS).
축산폐수는 고농도 유기물, 부유물질 및 질소성분을 함유하고 있기 때문에 처리공정의 기본은 전처리개념으로 축산폐수 중에 함유된 협잡물을 제거한 후 혐기성소화를 실시한 후 후속공정으로 폐수를 유입시킨다.Since livestock wastewater contains high concentrations of organic matter, suspended solids and nitrogen components, the basic treatment process is pretreatment, which removes contaminants contained in livestock wastewater, and then carries out anaerobic digestion and then introduces wastewater into subsequent processes.
축산폐수 중에 함유된 유기질소 및 고농도 유기물 성분은 혐기성 소화과정을 거치면 유기물의 경우 80%이상 제거효율을 보이고 소화조 유출액의 총질소중 암모니아성 질소는 90% 이상을 차지한다. 소화액은 KIMAS에 의해 소화조에서 분리 후 후속공정으로 유입된다. 축산폐수의 전기분해 실험 대상 폐수에는 Cl-성분이 미랭존재하기 때문에 본 고안 제안공정에서는 인위적으로 2%NaCl을 투입하여 전기분해를 실시하였다.Organic nitrogen and high concentrations of organic compounds in livestock wastewater are more than 80% removed from organic matters through anaerobic digestion and 90% or more of ammonia nitrogen in the total nitrogen of digestive effluents. The digestive fluid is separated from the digester by KIMAS and then flows into the subsequent process. Electrolysis of Livestock Wastewater Since the Cl − component is not present in the wastewater, the proposed process of this invention was electrolyzed by artificially adding 2% NaCl.
본 고안의 특성은 전기분해 반응에서 생성되는 Cl2가스의 제어와 활용을 위해서 다음과 같은 특성을 가지고 있다. 첫째, 전해반응에서 생성되는 Cl2가스 등의 부산물의 작업환경에 대한 노출을 방지하기 위해 전해 반응조는 완전 밀폐형으로 제작 운전한다. 둘째, 전해 반응에 의해 생성되는 Cl2가스 등의 흡수에 의한 재활용이 가능하다. 셋째, 직·간접 산화의 효율 증대를 위한 전해 반응조 내부 순환이 실시된다.The characteristics of the present invention have the following characteristics for the control and utilization of Cl 2 gas generated in the electrolysis reaction. First, in order to prevent exposure of the by-products such as Cl 2 gas generated in the electrolytic reaction to the working environment, the electrolytic reactor is manufactured and operated in a completely sealed type. Second, it is possible to recycle by absorption of Cl 2 gas generated by the electrolytic reaction. Third, the internal circulation of the electrolysis reactor is performed to increase the efficiency of direct and indirect oxidation.
본 실험 대상 폐수의 경우 3,000㎎/l정도의 염분을 함유하고 있어 전해질을 투입하지 않은 조건에서 전해산화를 실시한 결과 전해질을 투입한 반응조의 반응시간과 동일한 시간대에서는 총질소와 CODcr농도가 각각 52㎎/l와 470㎎/l를 나타내어 처리효율이 64.5%와 50.5%로 인위적으로 NaCl을 투입한 반응조에 비해 다소 저조한 처리효율을 나타내었으나 반응시간이 경과할수록 처리효율은 향상되는 것으로 나타났다. 전해질을 투입하지 않은 반응조를 8분간의 전해산화 결과 총질소와 CODcr농도가 각각 34㎎/l와 243㎎/l로 분석되어 77.3%와 74.4%의 처리효율을 나타내었다.The wastewater contained in this experiment contained about 3,000 mg / l of salt, and electrolytic oxidation was carried out under the condition of no electrolyte. As a result, total nitrogen and COD cr concentrations were 52 at the same time as the reaction time of the reactor. The treatment efficiency was 64.5% and 50.5%, indicating that the treatment efficiency was 64.5% and 50.5%, which was slightly lower than that of NaCl. However, the treatment efficiency improved as the reaction time elapsed. After 8 minutes of electrolytic oxidation, the total nitrogen and COD cr concentrations were analyzed to be 34 mg / l and 243 mg / l, respectively, and showed 77.3% and 74.4% treatment efficiency.
이상과 같이 전해질 투입 반응과 전해질 미투입 반응의 총질소 및 CODcr 처리수 농도를 고려할 때 전해질을 투입하지 않는 반응의 처리효율이 현행 폐기물관리법의 침출수 배출허용기준을 충분히 만족하기 때문에 전해질 투입에 따른 경제적 비용 문제 등을 감안하여 본 제안 공정에서는 전해질을 투입하지 않는 조건에서 연속식 전해 산화 실증 실험을 실시하였다.As mentioned above, considering the total nitrogen and CODcr treated water concentrations of the electrolyte input reaction and the non-electrolyte reaction, the efficiency of the reaction without the addition of the electrolyte satisfies the leachate discharge limit of the current waste management law. In consideration of the cost and the like, a continuous electrolytic oxidation demonstration was conducted in the proposed process under the condition that no electrolyte was added.
[실험예 1]Experimental Example 1
본 고안과 관련하여 회분식 전해 반응조에 의해 실험을 실시한 결과를 아래 표 1 및 그래프 1에 제시하였다. 표 1은 반응조건별 총질소 및 CODcr 운전 결과이고, 그래프 1은 전해산화 운전 결과에 따른 총질소 농도이며, 그래프 2는 전해산화 운전 결과에 따른 CODcr농도이다.In connection with the present invention, the results of experiments conducted in a batch electrolytic reactor are shown in Table 1 and Graph 1 below. Table 1 shows the total nitrogen and CODcr operation results for each reaction condition, graph 1 shows the total nitrogen concentration according to the electrolytic oxidation operation, and graph 2 shows the COD cr concentration according to the electrolytic oxidation operation.
[그래프 1][Graph 1]
[그래프 2][Graph 2]
[실험예 2]Experimental Example 2
본 고안과 관련하여 연속식 전해 반응조에 의해 실험을 실시한 결과를 아래 도표 및 그림에 제시하였다.In connection with the present invention, the results of the experiments performed by the continuous electrolytic reactor are shown in the following table and figure.
연속식 전해산화 공정의 반응조 형태는 회분식과 동일하며, 체류시간은 8분으로 고정하여 Air stripping 처리수를 화학처리한 침출수를 정량 펌프에 의해 연속적으로 공급하면서 총질소 및 CODcr농도를 조사하였다.The reactor type of the continuous electrolytic oxidation process was the same as the batch type, and the residence time was fixed at 8 minutes, and the total nitrogen and COD cr concentrations were investigated while continuously supplying the leachate treated with air stripping treated water by a metering pump.
표 2는 10일간 연속식 전해산화처리 실험 결과를 나타내고, 그래프 3 및 4는 10일간 연속처리 공정으로 운전한 전해산화 공정의 유입수 및 유출수의 CORcr 농도 , 총질소 농도 및 처리 효율을 나타내고 있다.Table 2 shows the results of 10 days of continuous electrolytic oxidation treatment, and Graphs 3 and 4 show the CORcr concentration, total nitrogen concentration, and treatment efficiency of the inflow and outflow water of the electrolytic oxidation process operated in the 10 day continuous treatment process.
[그래프 3][Graph 3]
[그래프 4][Graph 4]
위와 같은 표 2와 그래프 3 및 4로부터, 연속식으로 전해 산화를 실시한 결과 유입수의 성상이 변하여도 처리효율은 회분식과 유사하게 안정적으로 배출되는 것을 확인하였다.From Table 2 and graphs 3 and 4 above, as a result of the continuous electrolytic oxidation, it was confirmed that the treatment efficiency was stably discharged similarly to the batch type even when the properties of the influent were changed.
CODCr의 경우 940∼1,010㎎/l 유입수가 전해반응 후 210∼300㎎/l로 배출되어처리효율이 68.8∼77.7%로 평균 72.8%를 나타내어 회분식 처리효율인 74.4%와 유사한 결과를 나타내었다. 총질소의 경우도 150∼168㎎/l 농도의 유입수가 전해반응 후 33∼47㎎/l로 배출되어 처리효율이 70.1∼76.9%의 범위로 양호한 처리효율을 나타내었다.In the case of COD Cr , inflow water of 940-1,010mg / l was discharged to 210 ~ 300mg / l after electrolytic reaction, and the treatment efficiency was 68.8-77.7%, which was 72.8%, which is similar to the batch treatment efficiency of 74.4%. In the case of total nitrogen, influent water of 150-168 mg / l was discharged to 33-47 mg / l after the electrolytic reaction, and the treatment efficiency was in the range of 70.1-76.9%, showing good treatment efficiency.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 고안에 의하면, 난분해성 물질은 물론, 축산폐수 등에서 다량 배출되는 질소와 인등 영양염류의 처리가 가능하다.As described above, according to the present invention, as well as a hardly decomposable substance, it is possible to treat nutrients such as nitrogen and phosphorus discharged in large quantities from livestock wastewater.
또한 양극판과 음극판을 병렬로 연결하고, 각각의 양극모듈과 음극모듈을 직렬로 연결하여 결선 및 운전이 용이하다.In addition, the positive and negative plates are connected in parallel, and the positive and negative modules are connected in series to facilitate wiring and operation.
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