KR100304989B1 - 인산이온함유 배수의 처리방법 - Google Patents
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Abstract
인산이온의 제거효율을 장기간 고효율로 유지시킬 수 있는 인산이온함유 배수의 처리방법을 제공한다.
철 및 알루미늄 중, 적어도 한쪽을 함유하는 전극을 사용해서 인산이온을 함유하는 배수(排水)중에 철이온 및 알루미늄이온 중의 적어도 한쪽을 전기화학적으로 용출시켜, 인산이온을 철 및 알루미늄 중, 적어도 한쪽과의 불용성염의 형태로 응집침전시키는 배수의 처리방법으로서, 배수처리장치에 배치되는 전해탱크에 유입되는 인의 농도에 대한 용출금속의 몰비가 1∼4가 되도록 전류를 제어한다.
Description
본 발명은 배수, 특히 가정배수 또는 집단주택의 배수 등의 인산이온을 함유하는 생활배수의 처리방법에 관한 것이다.
하천이나 호수의 부영양화의 원인의 하나에 인화합물의 존재가 있는 것은 주지의 사실이다.
또, 이 인화합물은 일반가정의 생활배수 중에 많이 존재하지만, 정화처리가 곤란한 것이며 유효한 대책이 취해지지 않은 것이 현실이다.
인화합물의 처리장치는 각종 제안되어 있으나, 가정배수에 대해서는 철의 전해용출법이 알려져 있다(일본국 특개평 3-89998호 공보 C02F 3/12).
이 기술은 배수 중의 인산이온을 철이온과 반응시켜 수불용성의 염, 예를 들면, FePO4나 Fe(OH)x(PO4)y로서 응집침전시켜서 제거하려고 하는 기술이며, 전해탱크중에 설치된 철제의 전극에 통전시켜서 배수 중에 철이온을 용출시키는 것이다.
그러나, 종래의 방법에서는 인산이온의 농도와 금속의 용출량의 관계에 대하여 고려되어 있지 않았기 때문에 인산이온의 제거효율이 안정되지 않고 안정된 배수의 정화가 얻어지지 않았다.
본 발명은 상기의 사정을 감안하여 인산이온의 제거효율을 장기간 고효율로 지속시킬 수 있는 인산이온함유배수의 처리방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 한 실시의 형태에 관한 배수처리장치를 나타내는 설명도
도 2는 도1에 있어서의 전해탱크를 나타내는 일부절단사시도
도 3은 전극유닛을 나타내는 설명도
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
1. 전해탱크
2. 유입구
3. 유출구
4. 처리실
5,6. 전극
7. 전원
8. 제어장치
9. 공기폭기장치
10. 간막이케이스
11. 손잡이
12. 전극유닛
13. 간막이봉
14. 단자
15. 리이드선
16. 커넥터
17. 산기관
18. 파이프
본 발명의 인산이온함유 배수의 처리방법은 철 및 알루미늄 중, 적어도 한쪽을 함유하는 전극을 사용해서 인산이온을 함유하는 배수 중에 철이온 및 알루미늄이온 중의 적어도 한쪽을 전기화학적으로 용출시켜 인산이온을 철 및 알루미늄 중, 적어도 한쪽과의 불용성염의 형태로 응집침전시키는 배수의 처리방법으로서, 배수처리장치에 설치되는 전해탱크에 유입되는 인의 농도에 대한 용출금속의 몰비가 1∼4가 되도록 전류를 제어하는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 인산이온함유 배수의 처리방법은 철 및 알루미늄 중, 적어도 한쪽을 함유하는 전극을 사용해서, 인산이온을 함유하는 배수중에 철이온 및 알루미늄이온 중의 적어도 한쪽을 전기화학적으로 용출시켜 인산이온을 철 및 알루미늄 중, 적어도 한쪽과의 불용성염의 형태로 응집침전시키는 배수의 처리방법으로서, 배수처리장치의 순환경로에 설치되는 전해탱크에 유입되는 인의 농도에 대한 용출금속의 몰비가 1∼4가 되도록 전류를 제어하는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 인산이온함유 배수의 처리방법은 철 또는 알루미늄을 함유하는 전극을 사용해서 인산이온을 함유하는 배수 중에 철이온 또는 알루미늄이온을 전기화학적으로 용출시켜 인산이온을 철 또는 알루미늄과의 불용성염의 형태로 응집침전시키는 배수의 처리방법으로서, 배수처리장치에 설치되는 전해탱크에 유입되는 인의 농도에 대한 용출금속의 몰비를 1∼4로 하기 위해, 상기한 전극이 철을 함유하는 경우, 용출농도가 1∼60mg/ℓ, 또는 상기한 전극이 알루미늄을 함유하는 경우, 용출농도가 0.5∼30mg/ℓ가 되도록 전류를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 인산이온함유 배수의 처리방법은 철 또는 알루미늄을 함유하는 전극을 사용해서 인산이온을 함유하는 배수 중에 철이온 또는 알루미늄이온을 전기화학적으로 용출시켜 인산이온을 철 또는 알루미늄과의 불용성염의 형태로 응집침전시키는 배수의 처리방법으로서, 배수처리장치의 순환경로에 설치되는 전해탱크에 유입되는 인의 농도에 대한 용출금속의 몰비를 1∼4로 하기 위해, 상기한 전극이 철을 함유하는 경우, 용출농도가 1.5∼40mg/ℓ, 또는 상기한 전극이 알루미늄을 함유하는경우, 용출농도가 1∼20mg/ℓ가 되도록 전류를 제어하는 것을 특징으로 한다.
(실시예)
다음에, 첨부도면을 기초로 하여, 본 발명의 인산이온함유 배수의 처리방법을 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시의 형태에 관한 배수처리장치를 나타내는 설명도, 도 2는 도 1에 있어서의 전해탱크를 나타내는 일부절단사시도, 도 3은 전극유닛을 나타내는 설명도이다.
본 발명은 예를들면, 합병정화조 등의 배수처리장치에 사용된다.
이러한 배수처리장치는 도 1에 나타내는 바와 같이, 제1혐기여과상탱크(A)와, 제2혐기여과상탱크(B)와, 생물여과탱크(C)와, 처리수탱크(D)와, 소독탱크(E)로 이루어지고, 상기한 제1혐기여과상탱크(A)에 유입한 배수를 각 탱크에서 처리한 후, 소독탱크(E)로부터 배출시키도록 되어 있다.
그리고, 전해탱크(1)가 상기한 처리수탱크(D)로부터 에어펌프(F)에 의해 양수된 처리수를 제1혐기여과상탱크(A)로 복귀시키는 순환경로(L)가 설치되어 있다.
상기한 전해탱크(1)은 도 1∼3에 나타내는 바와 같이 배수의 유입구(2)와 유출구(3)를 갖는 배수처리실(4)과, 그 처리실(4)내의 배수중에 적어도 일부가 침지되도록 배치되어 있는 전극(5),(6)과, 그 전극 (5),(6)에 통전시키기 위한 전원(7)과, 전극(5),(6)의 극성을 소정의 시간마다 전환하기 위한 극성반전회로 및 전극(5),(6)에 통전시키는 전류를 제어하기 위한 전류 제어회로를 갖는 제어장치(8)와, 상기한 배수처리실(4)내의 배수중에 공기를 공급하는 공기폭기장치(9)를 구비하고있다.
상기한 전극(5),(6)은 철, 철합금, 알루미늄, 알루미늄합금, 또는 철-알루미늄합금등의 철이온 및 알루미늄이온 중, 적어도 한쪽의 발생원으로부터 제작할 수 있다.
상기한 전극(5),(6)은 도 2∼도 3에 나타내는 바와 같이, 간막이케이스(10)내에 손잡이(11)를 끼워서 소정의 간격만큼 떨어져서 수납되는 전극유닛(12)으로서 전해탱크(1)내에, 예를들면 간막이봉(13)에 의해 4조로해서 조립된다.
또 그 전극(5),(6)에는 단자(14)가 나사조임 또는 납땜등에 의해 고착되어 있고, 그 단자(14)로부터 빼내진 리이드선(15)이 커넥터(16)에 접속되어 있다.
또 상기한 간막이케이스(10)에는 배수의 유입구(10a)와 유출구(10b)가 형성되어있음과 동시에 공기유입구(10c)가 형성되어 있다.
상기한 공기폭기장치(9)는 배수처리실(4)의 저면중앙에 설치되는 다공질의 산기관(17)또는 산기판과, 그 산기관(17)에 압축공기를 흡입하기 위한 도시하지 않은 에어펌프로 구성되어 있고, 상기한 산기관(17)과 에어펌프는 파이프(18)에 의해 접속되어 있다.
본 실시의 형태에서는 상기한 산기관(17)은 배수처리실(4)의 저면중앙에 설치되어 있으나 본 발명에 있어서는 특히, 이에 한정되는 것이 아니고, 배수를 교반하여 배수의 유출과 함께 배수 중의 인산이온과 전극으로부터 용출한 철이온(알루미늄이온)과의 반응생성물인 수불용성의 염을 유출시키기 쉬운 위치를 적절히 선정해서 설치할 수가 있다.
또 산기관을 처리실내의 배수중에서 상하방향으로 움직이므로서 배수의 대류를 생기기 쉽게 할 수도 있다.
또한 본 실시의 형태에서는 상기한 배수의 교반에 의해 철이온과 인산이온과의 반응성을 향상시킬 수 있다.
철(알루미늄)의 전해용출법에는 종래에 공지의 방법이 채용될 수 있고, 전극에의 통전은 연속적, 단속적, 또는 펄스적이라해도 된다.
그러나 통전량은 인산이나 다른 이온의 농도, 배수의 유량등에 의해 다르지만, 철이온 및 알루미늄이온 중, 적어도 한쪽의 배수 중의 농도/인농도의 몰비(이하「Fe/P」라 약칭한다)가 1.0∼4.0, 바람직하게는 1.5∼2.0 이 되도록 조절하면 된다.
즉, 배수중의 인은 인산이온으로서 존재하고, 그 인산이온과 철이온을 반응시켜 FePO4,또는 Fe(OH)x(PO4)y를 생성시켜 침강시키기 위해, 예를 들면, FePO4의 경우, Fe와 P의 몰비는 1로 충분하지만 반응효율을 고려하면 몰비가 1이상이 아니면 70∼80% 이상의 높은 인의 제거효율은 얻어지지 않는다.
한편, 몰비가 4이상이 되면 인제거율이 99%이상이 되고(즉, 효율은 한계에 달한다), 그 이상으로 몰비를 올려도 여분의 철이 유출측으로 방류되어 운전비용의 상승이나 환경오염으로도 연결될 우려가 있기 때문이다.
따라서, 본 실시의 형태에 있어서는 유입되는 인의 농도에 의해 Fe/P를 1∼4가 되도록 철전극에 통전시키는 전류를 제어장치로 제어하고, 페러데이(faraday)의 법칙에 의해 필요한 철이온의 용출량을 제어한다.
이것에 의해 인의 제거효율을 70∼80% 이상으로 안정해서 유지할 수가 있다.
여기서, 철의 용출량을 전류로 제어하는데 있어서, 그 전류치는 합병정화조에 유입되는 인의 양에 비례한다.
이 유입되는 인의 양은 생활배수 중, 1인당 1일 1.2g이며, 또 1인당 1일의 배수량은 200ℓ라고 말하고 있기 때문에 유입되는 인의 농도는 통계적으로 수치로서 표시된다.
이것으로부터 유입되는 인의 농도를 산출하면 6mg/ℓ가 된다. 그러나 실제는 좀더 낮고 약 5mg/ℓ이다.
이 철의 전해용출법에 의한 인의 제거기술은 유입되는 인의 양 또는 유입되는 인의 농도를 알고 있을 필요가 있고, 그 유입되는 인의 양 또는 유입되는 인의 농도의 결정에는 다음의 매개변수가 필요하다.
1. 합병정화조의 사용자수 또는 사용하는 합병정화조가 몇명용인지,
2. 유입되는 인의 농도의 측정
사용자수를 기초로 해서 전해탱크내를 통과하는 유량(사용자수×200ℓ×순환비)이 결정된다.
유입되는 인의 농도에 대해서는 사전에 인의 농도측정을 행해도 된다.
또 통계적인 값 6mg/ℓ를 사용해도 된다. 단, 인의 농도는 유입상태가 변화하면 인의 농도가 낮을 때에는 0.5mg/ℓ이며, 높을 때에는 최대 8mg/ℓ가 되는 경우도 있다.
따라서, 인의 제거량의 안정성을 중요시하면 유입되는 인의 농도를 높여 6.5∼7mg/ℓ로 설정해도 된다.
또한 본 발명에 있어서의 인산이온함유배수의 철(알루미늄)의 전해용출법에의한 처리는 전극으로부터 용출한 철이온(알루미늄이온)이 배수중의 인산이온과 반응해서 수불용성의 인산과 철(알루미늄)과의 염을 생성시키는 반응(반응A)을 이용하는 것이지만, 배수중에는 수산화물이온이 존재하고 있고, 용출한 철이온(알루미늄이온)은 수산화물이온과도 반응한다(반응B). 반응 B는 반응 A보다도 빠르기 때문에, 인산이온을 포착하기 위해서는 전류량을 많게 해서 철이온(알루미늄이온)의 용출량을 증가시킬 필요가 있다.
그러나 배수중에 칼슘이온 또는 마그네슘이온이 존재하면 이들 이온은 수산화물이온과 반응한다(반응D). 이 반응 D는 철이온(알루미늄이온)과 수산화물이온과의 반응 B에 우선하기 때문에 반응 B가 억제되고, 철이온(알루미늄이온)은 인산이온과의 반응 A에 유효하게 이용된다.
또, 칼슘이온 및 마그네슘이온도 인산이온과 반응해서 수불용성의 염을 형성하기 때문에 인산이온의 제거에 공헌한다.
이때문에 본발명에서는 칼슘이온 또는 마그네슘이온을 첨가하여 철이온(알루미늄이온)과 수산화물이온의 반응 B를 억제하고, 철이온(알루미늄이온)과 인산이온의 반응 A를 효율적으로 행할 수가 있다.
이것에 의해 통전량을 저감시킬 수가 있고 절전시킬 수가 있음과 동시에, 철이나 알루미늄의 용출량을 저감시킬 수가 있다.
본 발명의 배수의 처리장치는 상기한 바와 같이 일반가정배수에 특히 유리하게 이용할 수가 있다.
따라서, 단독으로 사용해도 되지만 다른 정화시스템, 예를들면 활성오니법, 막분리법, 혐기·호기순환법 등과 조합해서 가정용, 집합주택용의 총합배수정화시스템으로 할 수 있다.
또, 대규모처리시스템(배설물처리장)에도 이용할 수 있다.
다음에 본 발명을 실시예에 기초해서 설명하지만, 본 발명은 그러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
도 1에 나타내는 철의 전해용출배수처리장치에 있어서, 배수중에 침지되는 4쌍의 전극으로서는 고순도의 철판을 사용했다.
또 전극의 전해를 양쪽 극에서 행하도록 극성반전시간을 6시간으로 제어했다.
그리고 유입구로부터 인의 농도 3∼5mg/ℓ를 함유하는 생활배수를1200ℓ/일(日)로 유입시킴과 동시에, 처리장치내의 순환유량을 6000ℓ/일로 했다. 각 처리탱크에서 생물처리되어서 전해탱크에 유입될 때의 처리수 중의 인의 농도는 1∼3mg/ℓ가 된다.
이때, Fe/P를 2로 설정하면 철의 용출량은 다음의 식 (1)에 의해(1∼3/31)×2×55.847=3.6∼10.8mg/ℓ가 된다.
(인의 농도/인의 원자량)×(몰비)×(철의 원자량) (1)
따라서 철의 용출량이 3.6∼10.8mg/ℓ이고, 순환량이 6000ℓ/일이기 때문에 1일의 철의 용출량을 21.6∼64.8g 확보하기 위한 전해전류치는 다음의 식(2)에 의해(21.6∼64.8/55.847)×2×96500/(24×60×60)=0.86∼2.6A가 된다.
(1일의 용출량/철의 원자량)×(그램당량)×(전하량)/(1일의 초수) (2)
이때문에 전류치를 0.86∼2.6A로 설정하기 위한 전극의 침수표면적은 전류밀도를 0.5mA/cm2로 하면 1720∼5200cm2가 된다.
따라서, 전극의 침수표면적을 1720∼5200cm2로 해서 Fe/P가 2로 되도록 전해전류치를 0.86∼2.6A로 제어했다.
그리고 전극의 전기분해에 의해 용출한 철이온은 인산이온과 반응해서 수불용성의 염이 생성된다.
생성된 염은 유입수와 함께 산기관으로부터 발생하는 공기(2ℓ/분)로 교반되고, 유출측으로 흘러나간다. 따라서, 수불용성의 염의 퇴적은 거의 없었다.
이어서, 유출구에서 채취한 배수를 구멍직경 0.45㎛의 필터로 여과시킨 여과액을 일본공업규격(JIS)K0102에 규격된 전인분석법(46.3)에 준거해서 조사한 결과, 인의 제거효율이 70∼80%이상인 것을 알았다.
다음에 본 발명의 다른 실시의 형태를 설명한다.
본 실시의 형태에 있어서는 인의 농도 0.5∼8mg/ℓ에 의해 Fe/P를 1∼4가 되도록 전극에 통전시키는 전류를 제어장치로 제어해서, 페러데이의 법칙에 의해 필요한 철 또는 알루미늄의 용출량을 제어한다.
이 용출량은 다음의 식 (3)에 의해 전극이 철을 함유하는 경우, 약 1∼60mg/ℓ(0.5/31×1×55.847∼8/31×4×55.847mg/ℓ)이다.
또 전극이 알루미늄을 함유하는 경우, 식(3)에 의해 약 0.5∼30mg/ℓ(0.5/31×1×27∼8/31×4×27mg/ℓ)가 된다.
(인의 농도/인의 원자량)×(몰비)×(철 또는 알루미늄원자량) (3)
한편, 배수를 본 실시형태에 있어서의 순환식의 처리장치로 생물처리하면, 생물처리에 의해 전해탱크에 유입되는 인의 농도는 1∼5mg/ℓ로 저하하기 때문에 용출량은 전술한 바와 같이 산출하면 전극이 철을 함유하는 경우, 약 1.5∼40mg/ℓ이며 전극이 알루미늄을 함유하는 경우, 약 1∼20mg/ℓ가 된다.
이것에 의해 인의 제거효율을 70∼80%이상으로 안정해서 유지할 수가 있다.
실시예 2
상기한 실시예 1과 마찬가지로 도 1에 나타내는 철의 전해용출배수처리장치에 있어서, 배수중에 침지되는 4쌍의 전극으로서는 고순도의 철판을 사용했다.
또 전극의 전해를 양쪽극에서 행하도록 극성반전시간을 6시간으로 제어했다.
그리고 유입구로부터 인의 농도 3∼5mg/ℓ를 함유하는 생활배수를 1200ℓ/일 로 유입시킴과 동시에 처리장치내의 순환유량을 6000ℓ/일로 했다. 각 처리탱크에서 생물처리되어서 전해탱크에 유입될 때의 처리수 중의 인의 농도는 1∼3mg/ℓ가된다.
이때, Fe/P를 1∼4로 설정하면 철의 용출량은 상기 식(3)에 의해 (1∼3/31)×(1∼4)×55.847=11.8∼21.6mg/ℓ가 된다.
따라서, 철의 용출량이 1.8∼21.6mg/ℓ이고 순환량이 6000ℓ/일이기 때문에 1일의 철 용출량을 10.8∼129.6g 확보하기 위한 전해전류치는 다음의 식(4)에 의해 (10.8∼64.8/55.847)×2×96500/(24×60×60)=0.43∼5.18A가 된다.
(1일의 용출량/철의 원자량)×(그램당량)×(전하량)/(1일의 초수) (4)
이때문에 전류치를 0.43∼5.18A로 설정하기 위한 전극의 침수표면적은 전류밀도를 0.5mA/cm2로 하면 860∼10360cm2가 된다.
따라서 전극의 침수표면적을 860∼10360cm2로 해서 Fe/P가 1∼4가 되도록 전해전류치를 0.43∼5.18A로 제어했다.
그리고 전극의 전기분해에 의해 용출한 철이온은 인산이온과 반응해서 수불용성의 염이 생성되었다.
생성된 염은 유입수와 함께 산기관으로부터 발생하는 공기(2ℓ/분)로 교반되고, 유출측으로 흘러나갔다.
따라서, 수불용성의 염의 퇴적은 거의 없었다.
이어서, 유출구에서 채취한 배수를 구멍직경 0.45㎛의 필터로 여과시킨 여과액을 일본공업규격(JIS)K0102에 규격된 전인분석법(46.3)에 준거해서 조사한 결과, 인의 제거효율이 70∼80%이상인 것을 알았다.
또한 이상의 실시형태에서는 배수처리장치의 순환경로에 설치되는 전해탱크에 대해 설명했으나 본 발명에 있어서는 이에 한정되는 것이 아니고, 예를들면, 회분식 배수처리장치의 회분탱크등의 소규모정화조에 설치한 것에 대해서도 행할 수가 있다.
이상, 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 고효율의 인의 제거성능을 장기간 지속시킬 수가 있다.
Claims (4)
- 철 및 알루미늄 중, 적어도 한쪽을 함유하는 전극을 사용해서 인산이온을 함유하는 배수 중에 철이온 및 알루미늄이온 중의 적어도 한쪽을 전기화학적으로 용출시켜, 인산이온을 철 및 알루미늄 중, 적어도 한쪽과의 불용성염의 형태로 응집침전시키는 배수의 처리방법으로서, 배수처리장치에 설치되는 전해탱크에 유입되는 인의 농도에 대한 용출금속의 몰비가 1∼4가 되도록 전류를 제어하는 인산이온함유 배수의 처리방법.
- 철 및 알루미늄 중, 적어도 한쪽을 함유하는 전극을 사용해서 인산이온을 함유하는 배수 중에 철이온 및 알루미늄이온 중의 적어도 한쪽을 전기화학적으로 용출시켜 인산이온을 철 및 알루미늄 중, 적어도 한쪽과의 불용성염의 형태로 응집침전시키는 배수의 처리방법으로서, 배수처리장치의 순환경로에 설치되는 전해탱크에 유입되는 인의 농도에 대한 용출금속의 몰비가 1∼4가 되도록 전류를 제어하는 인산이온함유 배수의 처리방법.
- 철 또는 알루미늄을 함유하는 전극을 사용해서 인산이온을 함유하는 배수 중에 철이온 또는 알루미늄이온을 전기화학적으로 용출시켜 인산이온을 철 또는 알루미늄과의 불용성염의 형태로 응집침전시키는 배수의 처리방법으로서, 배수처리장치에 설치되는 전해탱크에 유입되는 인의 농도에 대한 용출금속의 몰비를 1∼4로 하기 위해 상기한 전극이 철을 함유하는 경우, 용출농도가 1∼60mg/ℓ, 또는 상기한 전극이 알루미늄을 함유하는 경우, 용출농도가 0.5∼30mg/ℓ가 되도록 전류를 제어하는 인산이온함유 배수의 처리방법.
- 철 또는 알루미늄을 함유하는 전극을 사용해서 인산이온을 함유하는 배수 중에 철이온 또는 알루미늄이온을 전기화학적으로 용출시켜 인산이온을 철 또는 알루미늄과의 불용성염의 형태로 응집침전시키는 배수의 처리방법으로서, 배수처리장치의 순환경로에 설치되는 전해탱크에 유입되는 인의 농도에 대한 용출금속의 몰비를 1∼4로 하기 위해 상기한 전극이 철을 함유하는 경우, 용출농도가 1.5∼40mg/ℓ, 또는 상기한 전극이 알루미늄을 함유하는 경우, 용출농도가 1∼20mg/ℓ가 되도록 전류를 제어하는 인산이온함유 배수의 처리방법.
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