KR20200061248A - 전기화학 응집법에 의한 인 및 유기물 제거장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기화학 응집법에 의한 인 및 유기물 제거장치에 관한 것으로서, 지지대에 의해 지지되면서 하부가 하향 구배져 하단부 중심에 슬러지 배출배관이 연결된 원통형 케이스; 상기 케이스 내부에서 양극의 철 전극판과 음극의 알루미늄 전극판이 교대로 배치되면서 일정간격을 두고 설치된 복수의 전극판 세트; 상기 케이스의 중심부에 설치된 폭기통; 상기 폭기통 내부에 설치된 수중교반기; 상기 폭기통의 상단부에 연결되어 폭기통 내부로 처리수를 유입하는 유입배관; 및 하단부 측면에 상기 케이스 내부 방향으로 산기관을 부착하여 상기 전극판 세트 사이마다 설치된 공기배관;을 포함하여 이루어지며, 철과 알루미늄 전극판의 교대배치에 의해 철 전극판을 사용하였을 때의 적색화 문제와 그로 인해 발생하는 가스사고의 위험을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

전기화학 응집법에 의한 인 및 유기물 제거장치{APPARATUS FOR ELIMINATING SOLUBLE PHOSPHOROUS AND ORGANICS FROM WASTEWATER USING ELECTROLYSIS}

본 발명은 전기화학 응집법에 의한 인 및 유기물 제거장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하단부가 하향 구배진 원통형의 케이스 내에 철과 알루미늄 전극판이 교대로 설치된 복수의 전극판 세트를 설치하여, 상기 케이스의 하단부 중심에 연결된 슬러지 배출배관에 의해 슬러지의 배출을 원활하게 하면서 상기 철 및 알루미늄 전극판에 의해 처리수의 적색화 문제와 가스로 인한 위험을 감소시킨 전기화학 응집법에 의한 인 및 유기물 제거장치에 관한 것이다.

종전까지는 인의 방류수 수질 기준이 없었기 때문에 고농도의 인함유 폐수 처리 기준외에는 별다른 규제가 없었다. 그러나, 최근 인의 방류수 수질 기준이 설정되었으며 이는 더욱 더 강화될 것이다. 고농도 인을 함유한 폐수의 처리에는 주로 화학제 첨가법이 사용되었으나 다량의 슬러지 발생 및 처리 비용의 상승 등으로 이후 생물학적 인 제거법이 사용되었다. 그러나, 생물학적 인 제거 방법은 제거 효율의 안정성에 문제가 있고 저농도 인의 제거는 사실상 불가능하므로 저농도 인을 완벽하게 처리할 수 있는 방법이 요구되고 있다.

폐수 중에 포함되어 있는 인을 제거하는 한가지 방법으로 폐수처리 장치 전해조의 양극과 음극에 철을 이용한 방법이 알려져 있다. 그러나, 이 방법은 전기 분해시 철 이온이 과잉 용출되어 폐수가 적색으로 되는 단점이 있다. 또한, 철 및 인 이온을 제거하기 위해서 양극과 음극에 알루미늄을 이용해서 전기분해하는 방법 역시 알려져 있다. 이 방법은 고가의 알루미늄을 이용하기 때문에 유지비가 높다는 결점이 있다. 더욱이, 알루미늄을 양극에 이용하는 경우는 양극 표면에 스케일이 부착되어 스케일의 부동태화가 일어나기 때문에, 장기간 계속해서 운전할 수 없다는 단점이 있다.

이에 이러한 선행 기술의 문제점을 해결하고자 양극에 철을, 음극에 알루미늄을 사용한 선행기술문헌의 특허문헌에 제시된 등록특허(제10-0170360호)가 있다. 상기 등록특허는 폐수가 적색으로 되는 등의 문제점이 해소되고, 인과 부유 물질이 효율적으로 제거되는 효과가 있다. 그러나 폐수와 같은 처리수를 처리하는 케이스의 바닥에 슬러지가 고르게 쌓여 이를 적절하게 배출시키는 것에 어려움이 있었다. 또한 상기 등록특허 이후 산업의 계속적인 발전에 따라 세계적으로 폐수의 양은 급격히 늘어나고 있으나, 오래 전의 등록특허의 기술만으로는 인 제거의 효율성에 한계가 있을 수 밖에 없었다.

한국등록특허 제10-0170360호

본 발명은 위와 같은 종래의 기술이 가지고 있는 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 인 및 유기물 제거의 효율성을 높이고 슬러지의 원활한 배출을 위해 하부가 하향 구배져 슬러지 배출배관이 연결된 원통형 케이스의 내부에 철 및 알루미늄 전극판이 교대로 설치된 복수의 전극판 세트와 공기배관을 각각 설치한 전기화학 응집법에 의한 인 및 유기물 제거장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또 폭기통을 통해 처리수를 케이스 내로 유입함으로써 상기 폭기통 내의 교반기가 처리수를 교반하여 인 제거율을 높일 수 있도록 한 전기화학 응집법에 의한 인 및 유기물 제거장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

또한 철 및 알루미늄 전극판의 사용에 의해 처리수의 적색화 문제를 해결하고 그로 인해 발생할 수 있는 가스사고의 위험을 감소시킨 전기화학 응집법에 의한 인 및 유기물 제거장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 지지대에 의해 지지되면서 하부가 하향 구배져 하단부 중심에 슬러지 배출배관이 연결된 원통형 케이스; 상기 케이스 내부에서 양극의 철 전극판과 음극의 알루미늄 전극판이 교대로 배치되면서 일정간격을 두고 설치된 복수의 전극판 세트; 상기 케이스의 중심부에 설치된 폭기통; 상기 폭기통 내부에 설치된 수중교반기; 상기 폭기통의 상단부에 연결되어 폭기통 내부로 처리수를 유입하는 유입배관; 및 하단부 측면에 상기 케이스 내부 방향으로 산기관을 부착하여 상기 전극판 세트 사이마다 설치된 공기배관;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하고 있다.

또 상기 철 전극판과 알루미늄 전극판은 판 면 전체에 걸쳐 일정간격을 두고 복수개의 관통공이 관통되어 있는 것이 바람직하다.

또 상기 철 전극판과 알루미늄 전극판의 상단부에는 보호용 손잡이가 연결되는 것이 바람직하다.

본 발명의 전기화학 응집법에 의한 인 및 유기물 제거장치에 의하면, 철과 알루미늄 전극판의 교대배치에 의해 철 전극판을 사용하였을 때의 적색화 문제와 그로 인해 발생하는 가스사고의 위험을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

또 하부가 하향 구배진 원통형의 케이스 하단부에 슬러지 배출배관을 설치함으로써 슬러지의 배출이 원활한 장점이 있고, 원통형의 케이스에 의해 매우 경제적으로 공간활용을 할 수 있는 효과가 있다.

또한 처리수를 폭기통 내로 유입하면서 교반기에 의해 교반되도록 함으로써 전극판과의 접촉면적은 높아져 인 제거효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한 전극판에 형성된 관통공에 의해 처리수와 접촉하는 표면적을 더 높여 인 제거효율을 더욱 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전기화학 응집법에 의한 인 및 유기물 제거장치의 사시도
도 2는 본 발명에 따른 전기화학 응집법에 의한 인 및 유기물 제거장치의 종단면도
도 3은 본 발명에 따른 전기화학 응집법에 의한 인 및 유기물 제거장치의 평면도
도 4는 본 발명에 따른 전기화학 응집법에 의한 인 및 유기물 제거장치의 전극판의 정단면도 및 측단면도
도 5는 전기응집 메커니즘을 보여주는 도면
도 6은 FNR 공정도
도 7은 전기응집 반응도
도 8은 전압에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전극판 간격;2 mm, 반응시간;22.39~24.05 sec)
도 9는 전압에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전극판 간격;2 mm, 반응시간;77.15~78.26sec)
도 10은 전압에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전극판 간격;2 mm, 반응시간;118.03~128.95sec)
도 11은 전압별 반응시간 따른 처리수 SS 농도 그래프(전극판 간격;2 mm)
도 12는 전압에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전극판 간격;3 mm, 반응시간;18.24~18.43 sec)
도 13은 전압에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전극판 간격;3 mm, 반응시간;73.72~90.06 sec)
도 14는 전압에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전극판 간격;3 mm, 반응시간;121.9~124.07 sec)
도 15는 전압에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전극판 간격;5 mm, 반응시간;17.16~19.04 sec)
도 16은 전압에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전극판 간격;5 mm, 반응시간;68.86~80.84 sec)
도 17은 전압에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전극판 간격;5 mm, 반응시간;103.64~121.03 sec)
도 18은 반응시간에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전극판 간격;2 mm, 전압;2.5~2.8 V)
도 19는 반응시간에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전극판 간격;2 mm, 전압;7.9~8.3 V)
도 20은 반응시간에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전극판 간격;2 mm, 전압;15.03~15.51 V)
도 21은 반응시간에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전극판 간격;2 mm, 전압;24.43~24.6 V)
도 22는 반응시간에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전극판 간격;3 mm, 전압;2.6~2.7 V)
도 23은 반응시간에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전극판 간격;3 mm, 전압;8.12~8.4 mg/L)
도 24는 반응시간에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전극판 간격;3 mm, 전압;15.1~15.4 V)
도 25는 반응시간에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전극판 간격;3 mm, 전압;24.46~25.61 V)
도 26은 반응시간에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전극판 간격;5 mm, 전압;2.6~3.1 V)
도 27은 반응시간에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전극판 간격;5 mm, 전압;8.04~8.28 V)
도 28은 반응시간에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전극판 간격;5 mm, 전압;15.1~15.78 V)
도 29는 반응시간에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전극판 간격;5 mm, 전압;24.39~26.22V)
도 30은 전극판 간격에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전압;2.65~3.1 V, 반응시간;18.43~22.94 sec, 68.86~90.06 sec)
도 31은 전극판 간격에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전압;2.5~2.6 V, 반응시간;18.43~22.94 sec, 68.86~90.06 sec)
도 32는 전극판 간격에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전압;7.9~8.4 V, 반응시간;17.16~22.76 sec, 73.79~77.15 sec)
도 33은 전극판 간격에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전압;8.12~8.3 V, 반응시간;118.03~123.12 sec)
도 34는 전극판 간격에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전압;15.03~15.78 V, 반응시간;17.39~24.05 sec, 75.05~78.49 sec)
도 35는 전극판 간격에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전압;15.22~15.51 V, 반응시간;13.64~124.88 sec)
도 36은 전극판 간격에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전압;24.58~26.22 V, 반응시간;17.16~22.39 sec, 73.72~80.84 sec)
도 37은 전극판 간격에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전압;24.39~24.46 V, 반응시간;105.05~128.95sec)
도 38은 pH에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전압;7.9~8.4 V, 15.06~16.2 V, 반응시간;63.84~87.59 sec)
도 39는 pH에 따른 처리수 T-N 농도와 제거효율 그래프(전압;7.9~8.4 V, 15.06~16.2 V, 반응시간;63.84~87.59 sec)
도 40은 MLSS 농도에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전압;15.22~15.7 V, 반응시간;116.28~137.18 sec)
도 41은 MLSS 농도에 따른 처리수 SS 농도와 제거효율 그래프(전압;15.22~15.7 V, 반응시간;116.28~137.18 sec)
도 42는 전기전도도 농도에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프 (전압;15.22~15.3 V, 반응시간;123.12~125.02 sec)
도 43은 전기전도도 농도에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프 (전압;15.22~15.3 V, 반응시간;123.12~125.02 sec)
도 44는 전극판 종류에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율 그래프(전압;15.22~15.5 V, 반응시간;119.32~124.07 sec)
도 45는 전극판 종류에 따른 처리수 T-N 농도와 제거효율 (전압;15.22~15.5 V, 반응시간;119.32~124.07 sec)

이하, 본 발명에 따른 전기화학 응집법에 의한 인 및 유기물 제거장치의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 전기화학 응집법에 의한 인 및 유기물 제거장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 전기화학 응집법에 의한 인 및 유기물 제거장치의 종단면도를 도시한 것이며, 도 3은 본 발명에 따른 전기화학 응집법에 의한 인 및 유기물 제거장치의 평면도를 도시한 것이다.

도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 전기화학 응집법에 의한 인 및 유기물 제거장치는 원통형 케이스(1), 전극판 세트(2), 폭기통(3), 수중교반기(4), 공기배관(5), 상기 폭기통(3) 내에 설치되는 유입배관(6) 및 상기 원통형 케이스(1)의 하단부에 연결되는 슬러지 배출배관(7)을 기본 구성으로 하고 있다.

상기 원통형 케이스(1)는 지면 상에서 지지대(8)에 의해 지지되어 있고, 하부가 하향 구배져 하단부를 뾰족한 원추형으로 하되 뾰족한 부위를 평탄면으로 구성하여 그 평탄면의 중심에 슬러지를 배출시키는 슬러지 배출배관이(7)이 연결되어 있다.

상기 전극판 세트(2)는 원통형 케이스(1) 내부의 열십자 방향에 각각 수직으로 세워 배치된 전극 프레임(9) 내부에 양극의 철 전극판(10)과 음극의 알루미늄 전극판(11)이 교대로 삽입되어 설치되는 것으로 구성된다. 이러한 각각의 전극판(10)(11)은 안전을 위해 상단부에 보호캡(12)을 덮은 상태에서 상기 보호캡(12)의 상단부에 손잡이(13)를 달아 손쉽게 잡을 수 있도록 한다.

상기 폭기통(3)은 원통형 케이스(1) 내에서 서로 마주보는 4개의 전극판 세트(2)의 사이 공간, 즉 상기 원통형 케이스(1) 내의 중심부에 수직으로 세워지는 관 형태로 설치되며, 이러한 폭기통(3)의 상부에 페수 또는 하수와 같은 처리수를 폭기통(3) 내로 유입시키는 유입배관(6)이 설치된다. 또한 상기 폭기통(3)의 하단부 출구는 유입배관(6)으로부터 유입되는 처리수의 원활한 분산배출을 위해 나팔관관 같이 위보다 넓은 면적으로 구성하는 것이 바람직하다.

상기 수중교반기(4)는 폭기통(3) 내부의 중심부에 수직으로 세워 수중모터의 형태로 설치되며, 상기 유입배관(6)을 통해 폭기통(3) 내부로 유입되는 처리수를 상기 수중교반기(4)로 교반시켜 폭기통(3)의 하단부 출구를 통해 원통형 케이스(1) 내로 배출된다.

상기 공기배관(5)은 원통형 케이스(1) 내의 둘레에서 각 전극판 세트(2)의 사이마다 상기 원통형 케이스(1)의 상부 위에서 내부의 아래까지 길게 수직으로 세워 설치되며, 상기 원통형 케이스(1) 내부에 있는 공기배관(5)의 하단부 측면에는 중심부를 향해 서로 마주보는 원뿔 형태의 산기관(5a)이 적어도 하나 이상 연결된다.

따라서 상기 유입배관을 통해 폭기통(3) 내부로 유입되는 폐수 또는 하수와 같은 처리수는 수중교반기(4)에 의해 교반되어 배출되고, 배출되는 처리수는 상기 공기배관(5)의 산기관(5a)을 통해 원통형 케이스(1) 내부로 골고루 퍼지는 공기와 접촉하여 미생물에 의한 유기질의 분해가 왕성하게 실행된다. 즉 상기 폭기통(3)과 수중교반기(4) 및 공기배관(5)에 의해 처리수와 공기를 잘 접촉시켜 원활한 산소의 보급이 이루어지도록 하고, 처리수에 보급된 산소에 의해 상기 처리수 내 슬러지 중의 호기성균이 왕성하게 활동하여 충분하게 유기질의 분해가 실행되도록 한다.

한편 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 전극판 세트(2) 내부에 설치되는 철 전극판(10)과 알루미늄 전극판(11)의 판 면 전체에는 일정간격을 두고 복수개의 관통공(14)이 관통된다. 이러한 관통공(14)에 의해 철 전극판(10)과 알루미늄 전극판(11)의 표면적이 더 넓어져 처리수가 상기 철 전극판(10)과 알루미늄 전극판(11) 사이를 더욱 쉽게 접촉할 수 있도록 한다. 따라서 이와 같은 복수의 상기 관통공(14)에 의해 처리수의 전기응집반응을 높여 인 제거효율을 더욱 효율적으로 할 수 있게 된다.

이러한 본 발명의 인 및 유기물 제거장치는 전해조의 양극에 철을, 음극에 알루미늄을 이용하여 폐수를 전기 분해하고, 적절히 극성을 변환하여서 알루미늄을 양극으로 하여 알루미늄을 적극적으로 용출시키는 것을 특징으로 한다. 또는 본 발명의 제거장치에 있어서는 철과 알루미늄을 조합하여 사용하는데, 용출량이 많은 철을 사용하여 인을 제거하고, 알루미늄을 용출하여 잉여의 철 이온을 제거하기 때문에 처리수가 적색으로 변하는 일이 없는 동시에 운영비가 저렴하다.

이하, 본 발명의 제거장치에 의한 처리수의 처리과정에 대하여 다음과 같이 실시예 1을 통해 더욱 상세히 설명한다.

1. 기술의 원리

1.1 전기응집 원리

본 발명은 전해조로 사용되는 원통형 케이스(1) 내의 양극에 철 전극판(10)을, 음극에 알루미늄 전극판(11)을 사용하고 있다. 따라서 도 5의 전기응집반응을 참조하면, 반적으로 전기응집반응은 가용성 양극, 즉 알루미늄이나 철 등의 전극을 사용하여 양극에서는 전기분해 반응 중 Fe²⁺ 등의 금속이온이 산화되어 용출이 일어나고 음극에서는 물의 전기화학적 반응에 의해 OH^-가 형성된다. 이들이 금속수산화물을 형성하며 이 과정에서 형성된 금속수산화물은 수중에 존재하는 오염물질을 응집, 침전, 흡착, 부상시켜 제거한다. 일반적으로 전해법으로 생성된 금속수산화물보다 활성이 크고 처리효율이 우수하다. 또한 음극에서 발생한 수소방울이 오염물질을 환원시키며 이를 부상시켜 제거한다.

1.2 전기응집 반응에 의한 인 제거의 특성

전기응집반응에서 전극으로는 대부분 값이 싸고 취급이 용이하며 그 효율성이 입증된 가용성 전극인 알루미늄과 철을 사용한다. 각 전극을 이용했을 때 전기응집반응은 다음과 같다.

-메커니즘 Al

[Anode]

[Cathode]

-메커니즘 Fe

[Anode]

[Cathode]

양전극에서는 Fe 금속이 산화되어 Fe²⁺의 상태로 용출된다. 그 후 수중에 인산이온과 결합하여 화학적 제거가 일어나게 된다. 음전극에서는 물이 전해와 만나 반응하여 H⁺와 OH^-로 나누어지고 이로 인해 생성된 OH^-와 Fe이 결합하여 Fe(OH)₃를 생성한 후 인산이온을 응집제와 같이 흡착시켜 침전한 후 물리적으로 인 제거를 할 수 있게 된다.

본 발명의 인 및 유기물 제거장치는 전해조의 양극에 철을, 음극에 알루미늄을 이용하여 폐수를 전기응집한다. 이 제거장치에 있어서는 철과 알루미늄을 조합하여 사용하는데, 용출량이 많은 철을 사용하여 인을 제거하고, 알루미늄을 용출하여 잉여의 철 이온을 제거하기 때문에 적색화현상을 방지하는 동시에 운영비가 저렴하다.

본 발명은 전해조인 원통형 케이스의 양극에 철을, 음극에 알루미늄을 사용하고 있다. 따라서 양극에서 2가 철 이온이 용출된다. 철 이온의 일부는 폐수 중에서 산화되어 3가 철이온이 된다. 그리고 이 2가와 3가 철 이온이 폐수 중의 인산이온과 다음의 반응식과 같이 결합하게 된다.

이 이온의 결합에 의해서 생성된 Fe₃(PO₄)₂와 FePO₄는 난용성이기 때문에 이 전기 분해에 의해 석출된다. 일반적으로 음극에서는 알루미늄이 석출되지 않기 때문에 음극 부근에서는 OH^-가 존재하여 다음의 반응식과 같은 반응에 의해 용해되어 알루미늄산 이온으로 될 수 있다.

또한, 음극 표면으로부터 수소 가스가 발생하기 때문에, 산화 피막에 의한 부동태가 발생되지 않는다. 철 이온을 제거하기 위해서는 몰비에서 Fe:Al=1:0.2∼1의 알루미늄이 필요하다. 예를 들면, 극성을 변환할 수 있는 전기응집 장치에서 알루미늄을 이용한 경우 이론 전기 화학 당량은 용출되는 알루미늄의 양의 20∼60 %가 용출되므로 철 이온을 제거하는 데 충분한 알루미늄산 이온을 얻게 된다. 극성을 변환할 수 있는 장치에서는 철판 : 알루미늄판의 사용비율이 10 : 2∼6이 된다.

이 알루미늄산 이온이 폐수 중에 존재하고 있으면, 철 이온과 알루미늄산 이온이 반응하여 양이온을 포함한 플록이 형성된다. 따라서 처리수 중에 포함된 잉여철 이온도 제거되어 적색화의 문제가 발생되지 않는다.

종래 연구에 따르면 전기응집 공정은 장비가 기존 공정들에 비해 간단하고 따로 부품없이 전기적으로만 제어되기 때문에 유지보수가 쉽고, 화학약품을 주입하지 않아 2차 오염이 없다. 또한 전기가 유용하지 않은 농촌지역에서 태양열을 이용하여 충분히 공정을 수행할 수 있어 용이하게 사용될 수 있는 것으로 보고하고 있다. 또한 COD, 색도, 부유물질, 탁도, 총 질소, 총 인을 일반 화학 응집제를 통한 처리와 효율을 비교한 결과 전해산화 및 전해부상 등 부수적 효과로 인해 효율이 더 우수한 것으로 제시하였다.

다음의 <표 1>은 일반적인 인제거 공정인 생물학적 인제거, 물리·화학적인 탈인법과 본공정에서 사용한 철석출장치와의 장점 및 단점을 비교한 것이다.

구분	장점	단점
전기응집	- 약품 투입 필요 없어 약품비용 저감 - 운전이 간단하며 설계 용이 - 공정의 자동화로 유입수 변화에 능동적인 대처 가능 - 단위부지면적당 처리 용량이 큼	- 전극소모에 따른 전극판 교체 필요
생물학적 인제거	- 응집처리보다 저렴 - 슬러지 발생량이 적음	- 운전조작의 어려움 - 처리효율의 한계 - 유입수 성상에 따른 제한 - 처리속도가 느림
물리·화학적 인제거	- 처리속도가 빠름 - 처리효율이 좋음	- 약품비용으로 인한 경제적 부담 증가 - 슬러지 발생량 많음

1.3 전기응집 영향 인자

1.3.1 전력

전력량은 전력과 시간의 곱으로 계산할 수 있다. 전력은 전압과 전류의 곱이므로, 전압이 V, 전류가 I, 사용시간이 t일 때 소비되는 전력량은 V·I·t이다. 전력량의 단위로는 전력의 단위인 와트(W) 또는 킬로와트(kW)에 사용한 시간(h)를 곱하여 와트시(Wh) 또는 킬로와트시(kWh)를 사용한다. 물리량을 표현할 대 시간의 단위로 초(sec)를 많이 사용하지만, 전력량의 경우 초 단위보다는 시간 단위로 사용하는 경우가 많아 와트초(Ws)보다 와트시(Wh)를 더 많이 사용한다. 전기응집 공정 시에 필요한 전력량에 따라 이 공정의 운영비용의 차이가 많이 나며 이에 따라 공정의 적용 가능여부 등이 결정되기 때문에 중요하다.

1.3.2 전극간격

전극간의 간격이 달라짐에 따라 전기저항이 달라져 응집효율에 차이를 가져오게 된다. 전극 간격에 따른 용액에서의 전기저항을 표현한 식은 다음과 같다.

Ω : Electric resistance (ohm)

L : Electrode distance (cm)

α : Electrode surface area (cm²)

k : Electric conductivity (S/cm)

위의 식과 같이 전극간의 간격은 전기저항과 비례관계에 있으며, 따라서 전극간의 거리가 가까울수록 부유물질 또는 미세조류와의 응집효율이 높은 것은 전극간의 거리 단축으로 인한 전기저항이 작아져 양극에서 용출되는 금속 이온과 빠르게 반응하여 금속 수산화물을 빠르게 형성하기 때문이다.

1.3.3 전류밀도

전류밀도는 전기응집에 의해 용출되는 금속 이온의 양과 밀접한 관련이 있으며, 아래의 식과 같이 전류밀도가 커짐에 따라 양이온 전극에서 용출 가능한 금속 이온의 양이 증가하게 되어 미세조류와 응집시키게 되는 금속 수산화물이 많아져 응집효율이 증가하게 된다.

여기서

: Mass of dissolved metal

: Current (A)

t : Time in seconds

M : Atomic mass of Aluminium

Z : Valency of Aluminium

F : Faraday's constant

그러나 전류밀도가 높아질수록 전기응집의 효율이 좋은 것은 아니므로 적절한 전류밀도를 유지해주어야 한다.

1.3.4 전극판의 종류

전극은 용액으로 양전하의 전류가 들어가는 양극이라고 하며 전류가 나가는 극을 음극이라고 한다. 전극판의 종류에 따라 양극과 음극이 나눠지는데 양극은 알루미늄, 철, 니켈, 구리, 아연, 카드뮴 등이 사용되며 이들 금속원자들은 용액 속에서 용해되어 금속수산화물을 형성하여 오염물질을 흡착과 동시에 발생하는 H₂, O₂ 등의 기체와 함께 상승하면서 고액분리가 일어나 오염물질을 제거한다. 알루미늄이나 철의 이온들은 응집반응을 하여 침전 또는 부상시킨다. 응집처리는 플록을 형성하여 슬러지가 많이 발생하여 고액분리가 잘 되지 않고 생물학적 처리에 있어 장애 요인이 되기도 하다. 철과 알루미늄을 양극으로 사용하여 유기물질을 제거시킨 실험결과 고분자 유기물질은 응집이 일어나며, 저분자 유기물질은 VOC나 CO₂로 전환된다고 보고되고 있다. 또한 Lime의 경우 인제거는 효과적이나 질소제거는 낮은 제거 효율로 부적절한 것으로 보고되고 있다.

1.3.5 반응시간

전기응집의 반응시간은 전류밀도와 같이 용출되는 금속이온의 양과 밀접한 관계가 있다. 반응시간이 증가할수록 통과 전류량이 증가하며 따라서 용출되는 금속이온의 양은 증가하게 된다. 따라서 전기응집반응에서 반응시간은 중요한 인자로 작용한다.

여기서

: Mass of dissolved metal

: Current (A)

t : Time in seconds

M : Atomic mass of Aluminium

Z : Valency of Aluminium

F : Faraday's constant

따라서 전류의 양, 반응시간이 증가할수록, 폐수의 유입속도가 감소할수록 용출되는 금속이온의 양이 증가하므로 전해응집의 효율이 좋아진다.

1.3.6 전기전도도

전기응집 시 전기전도도가 낮을 경우 수처리에서 양극표면에 산화피막이 형성되어 저항이 급상승하게 된다. 이로 인해 전력 소비량은 증가하고 알루미늄 용출이 방해되어 금속수산화물의 형성이 느리게 되어 처리효율을 떨어뜨린다. 이러한 현상을 방지하기 위하여 NaCl과 같은 전해질을 첨가하여 전기전도도를 높일 경우 전력소비량 절감과 처리효율 향상이 기대된다. 그러나 이미 충분한 전기전도도를 가진 원수라면 약품비용을 소모할 필요없이 원수 그대로 이용하는 것이 가장 바람직하며 따라서 이 경우에 이는 약품첨가로 인해 발생할 수 있는 2차 오염피해를 방지할 수 있다. 그러나 높은 농도의 전해질 중 Chloride는 오히려 전극의 부식을 촉진시키고 제거율을 떨어뜨리는 측면을 가지고 있기 때문에 이것 또한 고려하여 최적의 전기전도도를 도출해야한다.

1.3.7 pH

전기응집반응에서 pH는 금속수산화물의 용해도뿐만 아니라 전류효율에도 영향을 미친다. 따라서 전기응집반응에서 pH는 아주 중요한 인자로 작용한다. 일반적으로 알루미늄 전류 효율은 중성보다는 산성이나 염기성 상태에서 더 높게 나타난다. 전기응집의 경우 pH 완충능력이 있는데, 전기응집 후 유출수의 pH는 산성영역에서 증가하고 염기성영역에서 감소하는 경향이 있다.

이는 산성영역에서 CO₂가 과포화되어 수소이온을 유리시켜 pH를 산성화시키는 것이다. 또한 염기성영역에서는 수소생성 외에도 (+)전극 근처에서 Al(OH)₃의 형성이 수소이온을 방출시켜 pH를 감소시키게 된다. 이러한 전기응집의 pH 완충능력으로 인하여 처리수의 pH가 중성 부근에 있기 때문에 처리수의 pH 조절에 따른 약품 주입 등이 불필요하다.

1.4 FNR 공법

FNR(Ferrous Nutrient Removal)공법은 무산소조, 포기조로 구성된 생물반응조에서 질산화 및 탈질작용에 의한 질소제거와, 철석출장치 내에 철을 용출시켜 인과 결합하여 인을 제거하는 기술로써 유입수 중의 유기물과 영양염류 농도에 관계없이 영양염류를 제거할 수 있으며, 기존의 A2O공법에 비하여 혐기조가 없으므로 운전이 간단하며, 설비의 감소로 유지관리비 절감 및 공정의 자동화로 최적의 공정관리를 유지할 수 있는 장점이 있다. FNR 공정도는 다음의 도 6과 같다.

본 발명의 실시예에서는 철 석출장치에 의한 전기응집을 철뿐만 아니라 알루미늄을 전극판으로 이용하여 전기응집에 대한 실험을 진행하였다.

무산소조에서는 유기물을 이용하여 포기조에서 반송된 질산성 질소를 질소가스로 전환하는 공정이고 다음 반응식은 탈질과정을 나타낸 것이다.

혐기조에서 혐기성 미생물이 인 방출을 하기 위해 유기물을 이용하는데 이 공정같은 경우에는 혐기조를 전기응집공정이 대신하기에 혐기조에서의 유기물 사용이 없어 탈질 효율을 극대화하였다.

호기조에서는 호기성 미생물에 의해 유기물을 산화시켜 제거하고 생물학적 분해에 의해 NH₄-N을 NO₂-N와 NO₃-N으로 변환시키는 생물학적 질산화 반응이 일어나며 반응식은 다음과 같다.

전기응집공정은 인을 제거하기 위한 반응조로 철·알루미늄의 전기분해로 인해 용출된 철과 알루미늄으로 인과 결합시킨 후 인을 제거하는 공정이다. 기존 철 석출장치는 철만 전극판으로 이용하였을 경우 잉여 철로 인한 색도 때문에 문제점을 가졌는데 알루미늄을 음극에 설치함으로써 잉여철을 알루미늄이 제거하여 색도까지 제거하는 효과를 볼 수 있다.

2. 실험 방법

2.1 실험원수

본 발명의 실시예에서는 서울시 J하수처리장의 1차 포기조 슬러지를 원수로 선택하였다. 채수해온 원수마다 다음의 표 2와 같이 당일 성상분석을 했으며 각각 실험 변수에 맞게 원수를 이용하여 제조하여 실험을 진행하였다.

구분	농도
MLSS (mg/L)	1166.67~6357.5
CODMn (mg/L)	96.67~1760
CODCr (mg/L)	382.83~4537.88
T-P (mg/L)	11.36~44.46
T-N (mg/L)	41~141.06
PO4-P (mg/L)	0.075~4.419
T-Fe (mg/L)
T-Al (mg/L)
Conductivity(μs/cm)	632.8~916.3
pH	6.29~6.82
Temp. (℃)	9.1~11.3
SVI (mg/L)	96~340

2.2 실험장치

2.2.1 전기응집장치

본 발명의 실시예에서는 전체 FNR 공정 중에 전기응집 반응을 부분적으로 하여 실험 진행하다. 도 6은 공정 전체 공정도이며 무산소조, 포기조, 전기응집 반응조, 침전지로 구성되어 있다.

본 발명의 실시예에서는 전류 공급 장치와 도 7과 같은 전기응집 반응조로 구성하였다. 전류 공급 장치는 DC power supply는 SAM HWA A100 모델이며 전극판을 양극(Biopolar)모드로 연결하여 실험하였다. 전기응집 반응조는 plexiglass로 제작하였고 규격은 폭 5 cm, 길이 15 cm, 높이는 각각 10 cm, 11 cm로 하였다. 전기응집 반응조의 높이 차를 두어 처리수가 한쪽으로 유출할 수 있게 제작하였다. 반응조의 하부에는 약간의 공간을 두어 magnetic stirrer에 의해 교반이 되도록 하였다. 원수는 Cole-Parmer Instrument 사의 system model No. 7553-75를 이용하여 반응조로 유입되고 처리수는 반응한 후 침전조에서 30분간 침전시켜 상징수를 분석하였다.

2.2.2 전극판

전극판의 설계는 다음 표 3과 같으며 너비 4.8cm, 두께 0.3cm, 길이 8.5, 10cm로 총 면적은 40.8cm² 이다.

전극판과의 일정한 간격을 유지하기 위해 전류의 영향이 끼치지 않는 테프론재질을 사용하여 지지대와 1 mm 간격의 와셔를 설계하여 알루미늄, 철로 각 제작된 전극판의 간격을 유지시켜 본 실험을 진행하였다.

구분	너비 (cm)	두께 (cm)	길이 (cm)	면적 (cm2)
전극판	4.8	0.3	8.5/10	40.8

2.3 실험방법

전기화학 반응 시 양극에서 용해된 금속이온이 가수분해되어 금속 수산화물을 생성하게 되는데 이러한 금속수산화물은 화학적으로 만들어진 금속수산화물보다 활성이 강하고 응집력, 흡착력, 침강성의 특성이 있다. 앞서 언급한 대로 전기응집의 영향인자는 pH, 전극판의 재질, 반응시간, 전기전도도, 전압 등 포기조 슬러지 중 인을 제거하기 위해 전기응집 반응을 통한 최적의 조건을 도출하였다. 각 조건에 따라 원수를 조정하였으며 반응 후 30분동안 침전시켜 상등액을 분석하여 비교하였고 Fe와 Al은 처리수를 바로 샘플링하여 측정하였다. 각 조건에 따른 실험방법은 다음과 같다.

2.3.1 전압에 따른 처리효율 비교

DC power supply를 이용하여 대략적인 전압을 맞춘 후 CHEKman TK-202 전압·전류 측정기를 이용하여 정확한 전압과 전류를 측정하였다. 전압은 2, 8, 15, 25V로 변수를 두어 실험하였으며 경제성을 고려하여 25V 이상의 전압을 변수로 두지 않았다.

2.3.2 반응시간에 따른 처리효율 비교

반응시간은 용출되는 금속이온의 양과 상관관계가 있기에 매우 중요한 인자 중 하나로써 원수가 전극판에 닿아 전기응집 반응이 일어날 때부터 유출되는 시간까지를 반응시간이라 하였다. Cole-Parmer Instrument 사의 system model No. 7553-75 펌프를 이용해 유량을 조절하고 유출수를 1 L 메스실린더에 샘플링하여 1 L까지 도달되는 시간을 측정하여 반응시간을 계산해주었다.

2.3.3 전극판 간격에 따른 처리효율 비교

전극판 간격에 따른 인의 처리효율을 알아보고자 전극판 간격을 변화시켜 실험하였으며 전극의 간격은 1mm 두께인 테플론 와셔를 이용하여 2, 3, 5mm까지 조정하였다. 양 끝단은 테플론 지지대에 의해 빈 공간이 생겨 그곳은 전기테이프로 막아 전극의 간격에 따른 처리효율을 정밀하게 볼 수 있었다.

2.3.4 pH에 따른 처리효율 비교

pH에 따른 처리효율을 알아보기 위해 pH 5, 7, 8.5로 변수를 두어 실험하였다. 산성으로 pH 조정하기 위해 1 N H₂SO₄를 주입하였고 염기성으로 pH 조정하기 위해 1N NaOH를 주입하였다. 농도가 높은 시약을 사용할 경우 원수 슬러지가 분해되기 때문에 적절한 농도의 산·염기를 주입하였다.

2.3.5 MLSS 농도에 따른 처리효율 비교

계절이나 운전인자에 따른 영향으로 인하여 MLSS 농도가 달라질 수 있기에 MLSS 농도 변화에 따른 처리효율을 실험하였다. 원수를 이용하여 MLSS 농도를 조절하였으며 조절 후 시료분석을 하였다.

2.3.6 전기전도도에 따른 처리효율 비교

전기전도도는 전해질 1N NaCl을 사용하여 전기전도도 값을 조정하였다. 그러나 전해질로 인한 염소이온의 농도는 오히려 판의 부식을 야기하기 때문에 너무 높은 전기전도도를 변수로 두지 않았다.

2.3.7 전극 종류에 따른 처리효율 비교

철, 알루미늄 전극을 이용하여 철과 알루미늄을 5:5로 한 것, 모두를 철로 한 것, 모두를 알루미늄으로 한 것으로 총 3가지로 변화를 두어 실험하였다.

2.4 분석방법

원수는 당일 분석실험을 진행하고 원수 전체를 혼합하여 분석한다. 실험값은 연속식으로 전기응집 실험을 진행한 후 30분 동안 침전시킨 다음 상등액을 분석한다. 유입수와 유출수의 성상변화를 조사하기 위해 SS, COD_Mn, COD_Cr, T-P, T-N, PO₄-P, pH, 온도, SVI을 측정한다. 철 및 알루미늄의 용출을 보기 위해 철, 알루미늄 분석을 추가하였다. 다음의 표 4에는 본 연구에서 사용한 분석항목 및 방법을 나타내었다.

항목	분석방법
SS (mg/L)	수질오염공정시험법 (부유물질)
CODMn (mg/L)	수질오염공정시험법 (적정법-산성 과망간산칼륨법)
CODCr (mg/L)	Standard method
T-P (mg/L)	수질오염공정시험법 (총인-자외선/가시선 분광법)
T-N (mg/L)	수질오염공정시험법 (총 질소-자외선/가시선 분광법-산화법)
PO4-P (mg/L)	수질오염공정시험법 (인산염인-자외선/가시선 분광법 -아스코빈산환원법)
T-Fe	유도결합플라스마/질량분석법
T-Al	유도결합플라스마/질량분석법
Conductivity ( s/cm)	Orion Star™ A214 pH/ISE Benchtop Multiparameter Meter. Thermo Orion
pH	Orion Star™ A214 pH/ISE Benchtop Multiparameter Meter. Thermo Orion
Temp. (℃)	Orion Star™ A214 pH/ISE Benchtop Multiparameter Meter. Thermo Orion
SVI (mL/g)

3. 실험 결과

3.1 전압에 따른 T-P 제거

전압에 따른 T-P 제거를 보기 위해 전극판 간격을 2mm로 조정하고 전압을 2.5, 8, 15, 25V로 변수를 두어 실험하였다. 원수와 전극판이 닿는 순간부터 처리수가 유출될 시점까지 걸리는 시간을 반응시간으로 두어 전압을 변수로 두어 반응시간도 다르게 진행하였다. 아래 표 5는 반응시간별 전압에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율을 볼 수 있다. 도 8을 보면 전극판 간격은 2mm, 반응시간은 약 23sec로 한 결과 전압이 증가할수록 T-P 제거 효율이 대체로 증가하는 것을 볼 수 있다. 전압 24.6V, 반응시간 22.39sec일 때 T-P 농도가 2.07mg/L, 96.5%의 제거효율로 전압 2.8V, 반응시간 22.94sec일 때 T-P 농도 2.6mg/L, 95.6%의 제거율과 비교하였을 때 전압이 높을수록 제거가 잘되는 것을 볼 수 있었다.

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
2.8	22.94	2.6	90.52	2
8.3	22.76	2.88	90.9
15.2	24.05	2.45	96.59
24.6	22.39	2.07	96.57

아래의 표 6은 전극판 간격 2mm, 반응시간을 약 77sec으로 하여 전압을 달리 한 처리수 T-P 농도 및 제거효율이다. 도 9를 보면 앞선 실험과 같게 전압 증가에 따라 T-P 제거 효율은 증가하였다. 전극판 간격 2mm, 전압 24.58V, 반응시간 77.52sec로 했을 때, 처리수의 T-P 농도는 1.13mg/L, T-P 제거효율은 95.66%로 전극판을 2mm으로 하였을 경우 가장 낮은 농도 결과값을 보였다. 전극판의 간격을 2mm로 할 경우 최적의 조건은 약 77sec을 반응시간으로 두고 전압은 25V을 두는 것이라고 볼 수 있다.

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
2.8	78.26	3.12	88.03	2
8.3	77.15	2.45	90.6
15.2	77.89	1.75	93.28
24.6	77.52	1.13	95.66

아래의 표 7은 전극판 간격 2mm, 반응시간 약 123sec로 하여 전압에 따른 처리수 T-P 농도와 제거율을 볼 수 있다. 도 10을 보면 24.43V에서 가장 효율이 좋지만 앞선 조건과 비교했을 때 오히려 반응시간이 길수록 T-P 제거효율이 좋지 않은 것을 볼 수 있다. 이는 전극판 간격이 2mm이고 반응시간이 약 120sec로 길기 때문에 응집되기 최적의 조건이지만 전압이 증가할수록 오히려 전기응집으로 생성된 입자의 불안정을 초래하여 SS 농도가 높아 T-P농도에 영향을 주었을 것이라 판단된다. 도 11의 그래프를 보면 반응시간을 길게 하였을 때 SS 농도가 더 높은 것을 볼 수 있다. 전극판 간격을 2mm로 둘 경우 반응시간을 너무 길게 한다면 오히려 효율이 떨어진다는 것을 알 수 있다.

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
2.5	123.58	3.07	88.22	2
8.3	118.03	3.19	87.76
15.51	124.88	3.28	87.41
24.43	128.95	2.42	90.71

아래의 표 8은 전극판 간격이 3mm, 반응시간을 약 18sec로 하여 전압을 달리 한 후 처리수 T-P 농도 및 제거효율을 나타낸 것이다. 도 12를 보면 전압이 증가할수록 제거효율이 증가하는 것을 볼 수 있으며 전극판 간격이 3mm일 때 전압 15.1V일 때 처리수 T-P 농도는 2.99mg/L로 반응시간을 약 18sec로 두었을 때 전압이 높을수록 제거가 잘되었다.

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
2.65	18.43	3.38	87.03	3
8.3	18.43	3.01	88.45
15.1	18.24	2.99	88.53

아래의 표 9는 전극판 간격 3mm, 반응시간은 약 75sec로 하여 실험한 후 처리수 T-P 농도와 T-P 제거효율이다. 도 13을 보면 전압 2.7, 8.4, 15.4, 25.61V로 하여 진행한 결과 처리수 T-P 농도는 3.52, 2.18, 2.36, 2.04mg/L로 대체적으로 전압이 높을수록 처리수 속 T-P 농도는 감소하였다. 도 13을 보면 전압이 증가할수록 T-P 제거효율도 증가하였으며 25.61V일 때 제거효율이 92.17%로 가장 제거가 잘되었다.

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
2.7	90.06	3.52	86.49	3
8.4	74.48	2.18	91.63
15.4	75.05	2.36	90.94
25.61	73.72	2.04	92.17

아래의 표 10은 전극판 간격을 3mm로 하고 반응시간을 약 122sec로 둔 결과 처리수 속 T-P 농도와 T-P 제거효율을 나타낸 것이다. 도 14를 보면 전극판 간격을 2mm로 했을 경우엔 반응시간을 120sec대로 했을 경우 오히려 효율이 낮아진 것을 볼 수 있었는데 3mm로 한 경우엔 반응시간이 120sec 부근이어도 전압이 증가할수록 T-P 제거효율은 높아지는 것을 볼 수 있다. 또한 3mm, 122sec, 24.46V일 경우 T-P 농도는 1.01mg/L, 제거효율은 96.12%로 3mm로 조정하였을 때 가장 제거가 잘되었다. 전극판 간격을 3mm할 때 최적조건은 120sec, 전압 25V인 것을 알 수 있다.

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
2.6	124.07	3	88.49	3
8.12	123.12	2.59	90.06
15.22	121.98	1.37	94.74
24.46	121.6	1.01	96.12

아래의 표 11을 보면 전극판 간격을 5mm로 두고 반응시간을 약 18sec로 하여 전압에 따른 처리수 T-P 농도와 T-P 제거효율을 볼 수 있다. 도 15를 보면 조건 중에 T-P가 가장 제거가 안 될 것이라 예상한 실험이었는데 예상에 맞게 가장 낮은 효율은 보였다. 전압 26.22V로 고압으로 실험하였지만 처리수 중 T-P 농도는 6.53mg/L으로 전극판 간격을 5mm로 조정할 경우에는 더 긴 반응시간과 더 높은 전압으로 처리해야할 것으로 판단하였다.

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
3.05	19.04	7.59	87.17	5
8.04	17.16	8.44	85.73
15.1	17.39	8.11	86.29
26.22	17.16	6.53	88.96

아래의 표 12는 전극판 간격을 5 mm로 하고 반응시간을 약 75 sec로 하여 전압 별로 실험한 결과 처리수의 T-P 농도와 T-P 제거효율을 나타내었다. 도 16을 보면 전압증가에 따라 처리수 T-P 농도가 감소하는 것을 볼 수 있다. 앞선 표 11과 비교하였을 때 반응시간을 증가하니 처리수 T-P 농도가 대폭감소하는 것을 볼 수 있었다.

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
3.1	68.86	4.53	92.34	5
8.28	73.79	5.17	91.26
15.78	78.49	3.19	94.61
25.83	80.84	4.03	93.19

아래의 표 13은 전극판 간격 5mm에 반응시간을 약 120sec로 하여 전압별 처리수 T-P 농도와 T-P 제거효율을 나타낸 표이다. 도 17을 보면 전압 증가에 따라 처리수의 T-P 농도가 감소하고 전압을 15.5V으로 했을 때와 24.39V으로 했을 때의 처리수 T-P 농도는 거의 차이가 없었으며 5mm로 했을 경우 전압 15.5V, 반응시간 103.64sec일 때 가장 좋은 제거 효율을 보였고 처리수 T-P 농도는 2.02mg/L이다.

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
2.6	115.62	5.61	90.52	5
8.23	121.03	5.38	90.9
15.5	103.64	2.02	96.58
24.39	105.05	2.03	96.57

5.2 반응시간에 따른 T-P 제거

반응시간이 길수록 전극판에서 용출되는 금속이온이 증가하기 때문에 반응시간이 길수록 T-P 제거효율이 증가할 것이라 예상되며 너무 긴 반응시간의 경우엔 전기응집 반응조 크기가 커져 초기투자비용이 증가하기 때문에 반응시간은 전기응집에 있어 중요한 요인이다. 아래의 표 14는 전극판 간격을 2mm로 하고 전압을 약 2.7V로 하여 반응시간에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율을 나타낸 것이다. 도 18을 보면 2V와 같은 낮은 전압인 경우에는 반응시간이 증가할수록 처리수의 T-P 농도가 감소하지 않고 반응시간에 영향을 받지 않는 것을 볼 수 있다. 오히려 반응시간이 123.58sec일 때보다 반응시간이 22.94sec일 때 더 높은 제거효율과 낮은 처리수 T-P 농도를 보였다.

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
2.8	22.94	2.6	95.6	2
2.7	78.26	3.12	88.03
2.5	123.58	3.07	88.22

아래의 표 15는 전극판 간격 2mm, 전압 약 8V로 하고 반응시간을 달리 한 결과값을 나타낸 것이다. 아래의 표 16은 전극판 간격 2mm, 전압 약 15V로 하고 반응시간에 대한 처리수의 T-P 농도와 제거효율을 나타낸 것이고, 표 17도 전극판 간격 2mm, 전압 약 25 V로하고 반응시간을 달리 한 결과값이다. 도 19, 도 20, 도 21을 보면 반응시간에 따른 처리수 T-P농도 경향을 보면 반응시간 120sec 보다 반응시간 70sec 일 때 처리수 T-P 농도가 더 낮다. 전압 7.9V, 반응시간 77.15sec의 경우 처리수의 T-P 농도는 2.45mg/L이고 전압 8.3V, 반응시간 118.03sec일 경우는 보다 높은 3.19mg/L이다. 또한 전압을 증가시켰을 경우에도 오히려 반응시간이 길 경우에 더 낮은 효율을 보였다. 전압 24.43V, 반응시간 77.52sec으로 할 경우 처리수 T-P 농도는 1.13mg/L로 가장 낮은 농도를 보였으며, 반응시간 또한 가장 긴 시간이 아닌 70sec대였다. 전극판의 간격을 2mm로 할 경우 효과적으로 T-P를 제거하기 위해서는 반응시간을 무작정 길게 하는 것보다 반응시간은 적당히 하고 전압을 높게 하여야 한다고 판단된다.

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
8.3	22.76	2.88	95.13	2
7.9	77.15	2.45	90.6
8.3	118.03	3.19	87.76

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
15.2	24.05	2.45	95.86	2
15.03	77.89	1.75	93.28
15.51	124.88	3.28	87.41

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
24.6	22.39	2.07	96.5	2
24.58	77.52	1.13	95.66
24.43	128.95	2.42	90.71

아래의 표 18, 표 19, 표 20, 표 21은 전극판 간격을 3mm 조정한 후에 전압별 반응시간에 따른 처리수 T-P 농도와 제거효율을 나타낸 표이다. 전극판 간격을 2mm로 하였을 경우와 다르게 3mm는 반응시간이 증가할수록 대체적으로 T-P 효율이 증가하는 것을 볼 수 있다. 비교적 낮은 전압인 2, 8V일 때는 처리수의 T-P 농도가 반비례적으로 감소하진 않았지만, 15, 25V일 때는 반비례적으로 감소하는 것을 볼 수 있다. 전압이 약 15V일 경우 도 도 22, 도 23, 도 24, 도 25를 보면 반응시간에 따라 T-P 제거효율이 비례적으로 증가하는 것을 볼 수 있다. 전압이 15V일 경우 반응시간이 75.05sec일 때 처리수 T-P 농도는 2.36mg/L이고, 반응시간이 121.98sec일 경우 처리수 T-P 농도는 1.37mg/L이며, 전압이 25V의 경우 반응시간이 73.72sec 일 때 처리수 T-P 농도는 2.04mg/L이고, 반응시간이 121.6sec일 때 1.01mg/L로 반응시간이 증가할수록 T-P 제거효율이 증가하는 것을 볼 수 있다.

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
2.65	18.43	3.38	87.03	3
2.70	90.06	3.52	86.49
2.60	124.07	3.00	88.49

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
8.3	18.43	3.01	88.45	3
8.4	74.48	2.18	91.63
8.12	123.12	2.59	90.06

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
15.1	18.24	2.99	88.53	3
15.4	75.05	2.36	90.94
15.22	121.98	1.37	94.74

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
25.61	73.72	2.04	92.17	3
24.46	121.60	1.01	96.12

아래의 표 22, 표 23, 표 24, 표 25는 전극판 간격을 5mm했을 경우 전압별 반응시간에 따른 처리수 T-P 농도, T-P 제거효율을 나타낸 것이다. 도 26 내지 도 29를 보면 전극판 간격을 3mm로 할 경우와 비슷한 양상으로 비교적 낮은 전압인 2, 8V의 경우에는 반응시간이 길어질수록 T-P 제거효율이 좋아질 것이라는 예상과 달리 경향성이 없었다. 하지만 15V 경우에는 반응시간이 17.39, 78.49, 103.64sec으로 길어질수록 처리수 T-P 농도는 8.11, 3.19, 2.02mg/L로 감소하는 반비례적인 경향을 보였다. 전압이 25V의 경우 또한 반응시간이 17.16, 80.84, 105.05mg/L일 때 처리수 T-P 농도는 6.53, 4.03, 2.03mg/L로 반비례적인 결과를 나타냈다.

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
3.05	19.04	7.59	87.17	5
3.1	68.86	4.53	92.34
2.6	115.62	5.61	90.52

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
8.04	17.16	8.44	85.73	5
8.28	73.79	5.17	91.26
8.23	121.03	5.38	90.9

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
15.1	17.39	8.11	86.29	5
15.78	78.49	3.19	94.61
15.5	103.64	2.02	96.58

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
26.22	17.16	6.53	88.96	5
25.83	80.84	4.03	93.19
24.39	105.05	2.03	96.57

5.3 전극판 간격에 따른 T-P 제거

전극판 간격은 전압세기와 함께 T-P 제거효율을 결정하는 중요한 인자이다. 일정 전류세기에서 전극간격이 멀어지게 되면 전극 저항이 크게 되어 용존 오염물질을 분해하는데 부정적인 영향을 줄 수 있다. 하지만 너무 가까울 경우에는 전극판 사이 막힘 현상으로 인한 제거 효율 저하 및 생성된 플록을 오히려 불안정시켜 플럭이 깨지는 현상도 일어날 수 있다고 판단된다. 그리하여 다른 조건과 전극판 간격의 변화를 주어 최적의 조건을 도출하여야 한다. 아래 표 27, 표 28은 전압을 2V대, 반응시간은 약 20sec와 약 80sec으로 하여 전극판 간격을 달리하여 나타낸 표이다. 2V대로 낮은 전압, 반응시간이 비교적 짧은 20sec대, 70sec대를 보면 전극판 간격이 가까워질수록 처리수 T-P 농도가 감소하는 것을 볼 수 있다. 도 30을 보면 처리수 T-P 농도는 2mm일 때 가장 낮고 그 다음이 3mm, 5mm순이었다.

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
2.8	22.94	2.6	95.6	2
2.65	18.43	3.38	87.03	3
3.05	19.04	7.59	87.17	5

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
2.7	78.26	3.12	88.03	2
2.7	90.06	3.52	86.49	3
3.1	68.86	4.53	92.34	5

아래의 표 29를 보면 전압을 2V대로 하고 반응시간을 120sec대로 설정한 뒤 전극판 간격을 바꿔서 측정한 결과를 볼 수 있다. 도 31을 보면 전극판 간격이 2, 3mm일 때 5mm와 비교하였을 때 더 낮은 처리수 T-P 농도를 보였다. 처리수 T-P 농도를 보면 전극판 간격이 2, 3mm일 때 비슷한 농도를 나타냈고 효율 또한 거의 같다. 전압이 낮고 반응시간이 길 경우엔 2, 3mm의 처리효율은 비슷할 것이라 판단된다.

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
2.5	123.58	3.07	88.22	2
2.6	124.07	3	88.49	3
2.6	115.62	5.61	90.52	5

아래의 표 30과 표 31은 전압 8V대로 반응시간을 18sec대, 70sec대로 하여 실험한 결과 표이다. 도 32를 보면 전극판 간격을 5mm로 하였을 경우 처리수 T-P 농도가 가장 높았으며 반응시간을 18sec대로 하였을 때는 2mm 제거효율이 95.13%로 가장 높았지만 70sec대로 하였을 때는 3mm 제거효율이 91.63%로 가장 높은 것을 볼 수 있다.

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
8.3	22.76	2.88	95.13	2
8.3	18.43	3.01	88.45	3
8.04	17.16	8.44	85.73	5

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
7.9	77.15	2.45	90.6	2
8.4	74.48	2.18	91.63	3
8.28	73.79	5.17	91.26	5

아래의 표 32는 전압 8V대, 반응시간을 120sec대로 하고 전극판 간격을 변수로 두어 결과를 나타낸 표이다. 도 33을 보면 전극판 간격 2, 3, 5mm일 때 처리수 T-P 농도는 각각 3.19, 2.59, 5.38mg/L로 전극판 간격별 처리수 T-P 농도를 보면 2mm보다 3mm일 때 더 제거가 잘된 것을 볼 수 있다.

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
8.3	118.03	3.19	87.76	2
8.12	123.12	2.59	90.06	3
8.23	121.03	5.38	90.9	5

아래의 표 33과 표 34는 전압을 15V대, 반응시간을 20sec대로 하여 간격에 따라 실험한 결과표이다. 도 34를 보면 간격이 가까워질수록 처리수 T-P 농도는 감소한다. 전극판 간격이 5mm, 반응시간을 17.39sec로 하였을 경우와 78.49sec로 하였을 때랑 비교하면, 처리수 T-P 농도가 각각 8.11mg/L, 3.19mg/L로 2mm, 3mm일 때보다 확연한 제거효율 증가를 볼 수 있다. 5mm의 경우 2mm와 3mm보다 반응시간에 더 영향을 많이 받으며 아무리 높은 전압이라도 적절한 반응시간을 거쳐야 T-P 제거가 효율적으로 제거되는 것을 볼 수 있다.

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
15.2	24.05	2.45	95.86	2
15.1	18.24	2.99	88.53	3
15.1	17.39	8.11	86.29	5

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
15.03	77.89	1.75	93.28	2
15.4	75.05	2.36	90.94	3
15.78	78.49	3.19	94.61	5

아래의 표 35는 전압 15V에 반응시간을 120sec대로 하여 실험한 결과표이다. 도 35에서 처리수의 T-P 농도를 보면 2, 3, 5mm 각각 3.28, 1.37, 2.02mg/L로 3mm일 때 가장 낮은 농도였으며, 오히려 2mm보다 5mm에서 더 낮은 농도값을 보였다. 높은 전압에서 효과적인 T-P 제거를 위해 전극판 간격을 2mm로 하고 반응시간을 길게 한다면 오히려 5mm일 때보다 더 낮은 효율로 처리될 것을 판단할 수 있다.

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
15.51	124.88	3.28	87.41	2
15.22	121.98	1.37	94.74	3
15.5	103.64	2.02	96.58	5

아래의 표 36, 표 37, 표 38은 전압 25V대로 하고 반응시간 별로 전극판 간격을 달리하여 실험한 표이다. 도 36을 보면 앞서 전압을 15V대로 한 결과와 비슷한 양상으로 20sec, 70sec대 반응시간일 경우엔 2mm가 가장 낮은 처리수 T-P 농도를 나타내었지만, 도 37을 보면 120sec대 경우엔 5mm보다 높은 처리수 T-P 농도를 보였다. 전압 25.61V, 반응시간 73.72sec, 전극판 간격이 3mm일 때와 전압 24.39V, 반응시간 105.05sec, 전극판 간격이 5mm일 때와 거의 같은 처리수의 T-P 농도를 보였다. 경제성을 고려하여 전극판 간격을 5mm로 할 경우엔 그에 따른 반응시간을 길게 해주어야한다. 이와 마찬가지로 2mm일 때 전압 24.58V, 반응시간 77.52sec의 경우와 3mm일 때 24.46V, 반응시간 121.6sec으로 조정했을 경우 각각 처리수의 T-P 농도는 1.13, 1.01mg/L로 비슷한 처리 농도를 보였으며, 또한 전극판 간격을 넓게 한다면 동일한 제거효율을 얻기 위해 반응시간을 길게 해야 한다는 것을 볼 수 있다.

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
24.6	22.39	2.07	95.6	2
26.22	17.16	6.53	88.96	5

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
24.58	77.52	1.13	88.03	2
25.61	73.72	2.04	92.17	3
25.83	80.84	4.03	93.19	5

전압(V)	반응시간(sec)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
24.43	128.95	2.42	88.22	2
24.46	121.6	1.01	96.12	3
24.39	105.05	2.03	96.57	5

5.4 pH에 따른 T-P 제거

pH는 금속수산화물의 용해도 및 전류효율에 큰 영향을 미치는 요인 중 하나로 전기응집 후에 초기 pH가 낮아도 처리수 pH는 다시 높아지기에 후처리가 필요없다. 아래의 표 39와 표 40은 전압 8V대, 15V대로 하고 반응시간을 70sec대로 하여 초기 pH를 달리 하여 나타낸 표이다. pH 6.82일 때 처리수 T-P 농도는 2.18mg/L, pH 4.92일 때는 2.44mg/L, pH 8.37일 때는 1.77mg/L로 염기성 조건일 때 가장 낮은 T-P 농도를 보였다. T-P 제거효율로 보았을 때 가장 효율이 좋은 것은 pH 4.92로 조정했을 때이다. 도 38을 보면 전압 15V대로 pH를 달리하여 실험한 결과 처리수 T-P 농도는 pH 4.92일 때 0.46 mg/L로 가장 낮았고 처리효율은 99.22%로 우수했다. 초기 pH가 산성영역이나 염기성 영역일 경우 중성일 때보다 처리수 T-P 농도가 낮았고, 특히 산성영역에서는 7.9V일 때 95.87%, 16.2V에서는 99.22%로 제거효율이 월등히 증가했다.

전압(V)	반응시간(sec)	pH	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
7.9	87.59	4.92	2.44	95.87	3
8.4	74.48	6.82	2.18	91.63
8.4	66.31	8.37	1.77	84.42

전압(V)	반응시간(sec)	pH	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
16.2	77.14	4.92	0.46	99.22	3
15.4	75.05	6.82	2.36	90.94
15.06	63.84	8.37	1.67	85.3

아래의 표 41과 표 42는 전압 8 V, 15 V대로 반응시간 70sec대로 실험한 결과표이다. 도 39를 보면 pH의 변화에 따른 처리수 T-N 농도를 보면 전압 8V대일 때 pH 6.82의 T-N 제거효율은 48.9%이고, pH 4.92일 때와 pH 8.37일 때 84.13, 84.51%로 제거효울이 대폭적으로 증가하였다. T-P 제거 경향과 같게 pH 6.82일 때보다 pH 4.92, pH 8.37일 때 더 효과적인 제거를 볼 수 있었다.

전압(V)	반응시간(sec)	pH	처리수의 T-N 농도 (mg/L)	T-N 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
7.9	87.59	4.92	15.41	84.13	3
8.4	74.48	6.82	20.95	48.9
8.4	66.31	8.37	17.395	84.51

전압(V)	반응시간(sec)	pH	처리수의 T-N 농도 (mg/L)	T-N 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
16.2	77.14	4.92	12.41	87.23	3
15.4	75.05	6.82	23.16	43.51
15.06	63.84	8.37	11.489	84.51

5.5 MLSS 농도에 따른 T-P 제거

MLSS 농도는 저농도일 경우 응집핵이 부족하여 오히려 제거효율이 낮을 수 있으며 고농도일 경우 응집핵은 많으나 전기응집 전극판의 청소주기간격이 짧아져 비용 증가를 초래할 수 있다. 아래의 표 43은 MLSS 농도에 따른 처리수 T-P 농도 및 제거효율을 나타낸 것이다. 도 40을 보면 MLSS 농도가 증가할수록 처리수 T-P 농도가 증가하는 것을 볼 수 있다. MLSS 농도가 1166.67, 2570, 6357.5mg/L일 때 처리수 T-P 농도는 1.37, 1.65, 3.56 mg/L로 MLSS 농도와 비례하여 증가하는 것을 볼 수 있다. 하지만 T-P 제거효율을 보면 MLSS 농도가 6375.5mg/L일 때 91.99%의 T-P 제거효율로 오히려 MLSS 농도 2570mg/L일 때보다 더 높은 제거효율을 보였는데 이것은 MLSS 농도가 높을수록 응집핵이 많아져 응집효율이 증가했다고 판단된다. 아래의 표 44는 MLSS 농도에 따른 처리수 SS 농도 및 제거효율을 비교한 표로 도 41을 보면 MLSS 농도가 높은 6357.5mg/L일 때 98.72%로 가장 높은 제거효율을 보였다. 하지만 아래의 표 45를 보면 처리수를 30분 침전시킨 뒤 SVI값을 측정하니 MLSS 농도가 높을수록 SVI값이 높아져 슬러지 발생량을 증가시키는 것을 볼 수 있다.

전압(V)	반응시간(sec)	MLSS (mg/L)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
15.22	124.07	1166.67	1.37	94.74	3
15.7	116.28	2570	1.65	85.48
15.56	137.18	6357.5	3.56	91.99

전압(V)	반응시간(sec)	MLSS (mg/L)	처리수의 SS 농도 (mg/L)	SS 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
15.22	124.07	1166.67	66.67	94.29	3
15.7	116.28	2570	165	93.58
15.56	137.18	6357.50	81.25	98.72

전압(V)	반응시간(sec)	SVI (ml/g)	전극판 간격(mm)
15.22	124.07	120	3
15.7	116.28	340
15.56	137.18	728

5.6 전기전도도에 따른 T-P 제거

원수 시료의 전기전도도는 663.7μs/cm로 충분한 전기전도도를 가지고 있지만, 전기전도도 증가는 알루미늄에 의한 산화피막를 방지할 수 있으며 전기화학적 탈질이 가능하여 질소제거 향상을 기대할 수 있다. 아래 표 46, 표 47은 전기전도도에 따른 처리수 T-P 농도와 T-P 제거효율과 처리수 T-N 농도와 T-N 제거효율을 볼 수 있다. 도 42를 보면 전기전도도가 663.7, 798.3, 916.3μs/cm일 때 처리수 T-P 농도가 1.37, 1.14, 1.32mg/L로 798.3μs/cm일 때 가장 낮은 T-P 농도를 보였다. 또한 도 43을 보면 전기전도도가 663.7, 798.3, 916.3μs/cm일 때 처리수 T-N 농도는 15.95, 8.85, 11.23mg/L로 처리수 T-P 농도 경향과 같이 798.3μs/cm일 때 가장 낮은 농도를 보였다. 전기전도도가 916.3μs/cm일 때 798.3μs/cm일 때보다 더 낮은 제거효율을 나타낸 것은 전해질 NaCl의 chloride의 지나친 농도 때문에 전해질 역할을 제대로 하지 못한 것으로 판단된다.

전압(V)	반응시간(sec)	전기전도도(μs/cm)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
15.22	124.07	663.7	1.37	94.74	3
15.3	125.02	798.3	1.14	98.08
15.3	123.12	916.3	1.32	88.42

전압(V)	반응시간(sec)	전기전도도(μs/cm)	처리수의 T-N 농도 (mg/L)	T-N 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
15.22	124.07	663.7	15.95	61.1	3
15.3	125.02	798.3	8.85	90.89
15.3	123.12	916.3	11.23	84.85

5.7 전극판 종류에 따른 T-P 제거

다음 표 48, 표 49는 전극판의 종류에 따른 처리수의 T-P 농도와 T-P 제거효율, 처리수의 T-N 농도와 T-N 제거효율을 나타낸 결과표이다. 도 44를 보면 전극판을 Fe와 Al을 1:1로 하여 실험했을 때 처리수 T-P 농도가 1.37mg/L로 가장 낮다는 것을 볼 수 있다. Al으로만 실험했을 때는 처리수 T-P농도가 1.78mg/L이고 Fe로만 실험했을 때 2.92mg/L로 제거효율이 가장 낮았다. 도 45를 보면 T-N 제거에는 Fe로만 실험했을 때 가장 제거효율이 높다는 것을 알 수 있다. 전극판을 Fe와 Al으로 1:1로 했을 때 T-N 제거효율은 61.1%이며 이에 반해 단독으로 Fe, Al로만 하였을 때는 97.28, 92.99%로 높은 제거효율을 보였다.

전압(V)	반응시간(sec)	전극판 종류	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
15.22	124.07	7 Fe : 7 Al	1.37	94.74	3
15.5	119.32	0 Fe : 14 Al	1.78	84.33
15.28	121.79	14 Fe : 0 Al	2.92	74.3

전압(V)	반응시간(sec)	전극판 종류	처리수의 T-N 농도 (mg/L)	T-N 제거효율(%)	전극판 간격(mm)
15.22	124.07	7 Fe : 7 Al	15.95	61.1	3
15.5	119.32	0 Fe : 14 Al	5.20	92.99
15.28	121.79	14 Fe : 0 Al	2.02	97.28

5.8 전력량에 따른 T-P 제거

전류와 금속 용출량은 비례관계를 가지지만 너무 많은 전류를 흘려주면 전기 에너지가 수중 온도 증가에 따라 전기에너지로 변환이 된다. 또한 전류밀도의 증가는 금속 수산화물이 많아지게 되어 에너지와 전극의 손실이 커지게 된다. 이러한 반복된 현상은 시스템의 유지관리에 있어서 전극교체주기가 짧아지고 운영비 또한 증가하며 단위 에너지당 처리효율이 감소하게 된다. 아래의 표 50, 표 51, 표 52는 2, 3, 5mm별 최적반응시간에 따른 전력량을 나타낸 표이다. 처리수 T-P 농도를 최대한 낮은 농도로 제거하려는 경우엔 표 50에서 전압 24.46V, 전류 0.584A, 전력량 0.31Wh으로 할 경우 1.01mg/L이며, 그와 비교하여 표 51>에서 전압 24.58V, 전류 0.578A, 전력량 0.48Wh으로 할 경우 1.13mg/L이다. 오히려 전극판 간격을 2mm로 조정하여 반응시간을 줄여 전력량을 1.52배를 적게 사용하면 더 낮은 처리수 T-P 농도로 처리할 수 있다, 또한 전극판 간격을 5mm로 조정하여 전력량 0.11Wh를 사용하여 처리수의 T-P 농도를 2.02 mg/L까지 제거할 수 있지만, 전극판 간격을 2mm로 하여 0.1Wh를 사용하여도 2.59mg/L까지밖에 제거가능하며, 전극판 간격을 3mm로 하여 0.16Wh를 사용하여도 2.45mg/L으로 제거가능하다. 처리수 목표 T-P 농도에 따라 전력량을 절약하여 전기응집 조건을 조정해야 한다고 판단된다.

전압(V)	전류(A)	접촉시간 (sec)	전력량 (Wh)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)
2.6	0.568	78.26	0.03	3	88.49
8.12	0.576	77.15	0.1	2.59	90.06
15.22	0.576	77.89	0.19	1.37	94.74
24.46	0.584	77.52	0.31	1.01	96.12

전압(V)	전류(A)	접촉시간 (sec)	전력량 (Wh)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)
2.6	0.573	124.07	0.05	3.12	88.03
7.9	0.582	123.12	0.16	2.45	90.6
15.03	0.577	121.98	0.29	1.75	93.28
24.58	0.578	121.6	0.48	1.13	95.66

전압(V)	전류(A)	접촉시간 (sec)	전력량 (Wh)	처리수의 T-P 농도 (mg/L)	T-P 제거효율(%)
2.6	0.247	115.62	0.02	5.61	90.52
8.23	0.251	121.03	0.07	5.38	90.9
15.5	0.252	103.64	0.11	2.02	96.58
24.39	0.255	105.05	0.18	2.03	96.57

6. 결론

(1) 전극판 간격을 2mm, 반응시간을 70sec대로 하였을 경우. 전압이 2.8, 8.3, 15.2, 24.6V일 경우 제거효율은 88.03, 90.6, 93.28, 95.66%로 전압이 증가할수록 제거효율이 증가하는 것을 볼 수 있었다. 전극판 간격을 3mm, 반응시간을 120sec대로 하였을 경우 전압이 2.6, 8.12, 15.22, 24.46V일 경우 T-P 제거효율은 88.49, 90.06, 94.74, 96.12mg/L로 전압이 증가할수록 제거효율이 비례적으로 증가하는 것을 볼 수 있었다. 효과적인 T-P 제거를 하기 위해서는 전압을 증가시켜야한다.

(2) 반응시간은 용출되는 금속이온과 큰 영향을 주기 때문에 전기응집에 있어 중요한 요인이다. 전극판 간격이 3mm일 경우 전압이 15 V대일 때 T-P 제거효율은 반응시간 18.24, 75.05, 121.98sec에 따라 88.353, 90.94, 94.74%로 반응시간이 길어질수록 제거효율 또한 증가하는 것을 볼 수 있었다. 5mm의 경우도 마찬가지로 전압 25V대로 반응시간을 17.16, 80.84, 105.05sec으로 달리하였을 때 88.96, 93.19, 26.57%로 증가한다. 전극판 간격을 2mm로 조정할 경우는 전압을 15V대로 하였을 경우 반응시간 24.05, 77.89. 124.88sec에 따라 처리수 T-P 농도가 2.07, 1.13, 2.42로 오히려 반응시간이 가장 길 때 제거효율이 90.71%로 반응시간이 22, 70sec대보다 효율이 떨어진다. 전극판의 간격을 2mm할 경우에는 오히려 너무 긴 반응시간보다 적절한 반응시간으로 조정해 주어야한다고 판단된다.

(3) 전극판 간격이 2, 3, 5mm의 경우 전압을 8V대, 반응시간을 18sec하였을 경우 T-P 제거효율은 95.13, 88.45, 88.73로 전극판의 간격이 좁을수록 제거효율이 증가한다는 것을 볼 수 있습니다. 전압 15V, 반응시간이 120sec대일 경우 전극판 간격이 2, 3, 5mm에 따라 T-P 제거율은 87.41, 94.76, 96.58%로 이 경우엔 2mm일 때 제거효율이 낮아지는 것을 볼 수 있다. 전극판 간격을 2mm로 조정할 경우엔 반응시간이 너무 길 경우에는 전극판 간격을 5mm로 할 경우보다 효율이 저하되는 것을 볼 수 있다.

(4) 전압 15V대로 pH에 따라 실험한 결과 처리수 T-P 농도는 pH 4.92일 때 0.46mg/L로 가장 낮았고 처리효율은 99.22%로 우수했다. 초기 pH가 산성영역이나 염기성 영역일 경우 중성일 때보다 처리수 T-P 농도가 낮다. pH에 따른 T-N 제거 경향도 T-P와 마찬가지로 pH 4.92, 6.82, 8.37일 때 제거효율이 84.13, 48.9, 84.51%로 중성보다 산성, 염기성 영역에서 더 높은 제거율을 보였다.

(5) MLSS 농도가 1166.67, 2570, 6357.5mg/L로 증가할수록 처리수 T-P 농도가 1.37, 1.65, 3.56mg/L로 비례적으로 증가하는 것을 볼 수 있다. 하지만 T-P 제거효율을 보면 MLSS 농도가 6375.5mg/L일 때 91.99%의 T-P 제거효율로 오히려 MLSS 농도 2570mg/L일 때보다 더 높은 제거효율을 보였는데 이것은 MLSS 농도가 높을수록 응집핵이 많아져 응집효율이 증가했다고 판단된다. 처리수를 30분 침전시킨 뒤 SVI값을 측정하니 MLSS 농도가 높을수록 SVI값이 높아져 슬러지 발생량을 증가해 처리비용을 증가시킬 수 있다고 판단된다.

(6) 전기전도도가 663.7, 798.3, 916.3μs/cm일 때 처리수 T-P 농도가 1.37, 1.14, 1.32mg/L이고 처리수 T-N 농도는 15.95, 8.85, 11.23mg/L로 798.3μs/cm일 때 가장 낮은 처리수 T-P, T-N 농도를 보였다. 전기전도도가 가장 높은 916.3μs/cm일 때 798.3μs/cm일 때보다 낮은 제거효율을 나타낸 것은 전해질 NaCl의 chloride의 지나친 농도 때문에 전해질 역할을 제대로 하지 못한 것으로 예상한다.

(7) 전극판을 Fe와 Al을 1:1로 하여 실험했을 때 처리수 T-P 농도가 1.37mg/L로 가장 낮다는 것을 볼 수 있다. Al으로만 실험했을 때는 처리수 T-P농도가 1.78mg/L이고 Fe로만 실험했을 때 2.92mg/L로 제거효율이 가장 낮았다. 이와 다르게 T-N 제거에서는 Fe로만 실험했을 때 가장 제거효율이 높다는 것을 알 수 있다. 전극판을 Fe와 Al으로 1:1로 했을 때 T-N 제거효율은 61.1%이며 이에 반해 단독으로 Fe, Al로만 하였을 때는 97.28, 92.99%로 높은 제거효율을 보였다.

(8) 처리수 T-P 농도를 최대한 낮은 농도로 제거하려는 경우엔 전극판 간격 2mm, 전압 24.46V, 전류 0.584A, 전력량 0.31Wh으로 할 경우 1.01mg/L이며, 그와 비교하여 전극판 간격 3mm, 전압 24.58V, 전류 0.578A, 전력량 0.48Wh으로 할 경우 1.13mg/L이다. 오히려 전극판 간격 2mm로 조정하여 반응시간을 줄여 전력량을 1.52배 적게 사용하여 더 낮은 처리수 T-P 농도로 처리할 수 있다, 또한 전극판 간격을 5mm로 조정하여 전력량 0.11Wh를 사용하여 처리수의 T-P 농도를 2.02mg/L까지 제거할 수 있지만, 전극판 간격을 2mm로 하여 0.1Wh를 사용하여도 2.59mg/L까지밖에 제거가능하며, 전극판 간격을 3mm로 하여 0.16Wh를 사용하여도 2.45mg/L으로 제거가능하다. 처리수 목표 T-P 농도에 따라 전력량을 절약하여 전기응집 조건을 조정해야한다고 판단된다.

본 발명의 전기화학 응집법에 의한 인 및 유기물 제거장치에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

1 : 원통형 케이스 2 : 전극판 세트
3 : 폭기통 4 : 수중교반기
5 : 공기배관 5a : 산기관
6 : 유입배관 7 : 슬러지 배출배관
8 : 지지대 9 : 전극 프레임
10 : 철 전극판 11 : 알루미늄 전극판
12 : 보호캡 13 : 손잡이
14 : 관통공

Claims (3)

1. 지지대에 의해 지지되면서 하부가 하향 구배져 하단부 중심에 슬러지 배출배관이 연결된 원통형 케이스;
   상기 케이스 내부에서 양극의 철 전극판과 음극의 알루미늄 전극판이 교대로 배치되면서 일정간격을 두고 설치된 복수의 전극판 세트;
   상기 케이스의 중심부에 설치된 폭기통;
   상기 폭기통 내부에 설치된 수중교반기;
   상기 폭기통의 상단부에 연결되어 폭기통 내부로 처리수를 유입하는 유입배관; 및
   하단부 측면에 상기 케이스 내부 방향으로 산기관을 부착하여 상기 전극판 세트 사이마다 설치된 공기배관;
   을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기화학 응집법에 의한 인 및 유기물 제거장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 철 전극판과 알루미늄 전극판은 판 면 전체에 걸쳐 일정간격을 두고 복수개의 관통공이 관통되어 있는 것을 특징으로 하는 전기화학 응집법에 의한 인 및 유기물 제거장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 철 전극판과 알루미늄 전극판의 상단부에는 보호용 손잡이가 연결된 것을 특징으로 하는 전기화학 응집법에 의한 인 및 유기물 제거장치.

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