KR100357289B1 - 동결농축법을 이용한 악성폐수처리장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수온이 빙점이하로 하강함에 따라 순수한 물입자로 이루어진 얼음결정이 생성되며 수중에 함유된 오염물이 얼음결정 주위로 분리농축되는 자연현상을 이용하여 악성폐수를 경제적으로 처리하기 위한 것이다.

이를 실현하기 위하여 본 발명의 동결농축장치는 동일공간에서 보다 넓은 동결표면을 제공하여 얼음 결정의 핵생성을 용이하게 하고, 얼음결정의 완속성장이 가능하도록 결정화조와 결정성장조를 공간적으로 분리하여 온도조건을 조절함과 동시에 계면의 난류도를 증가시켜 열 및 물질전달효율을 높임으로서 오염물질의 높은 분리농축 효율을 얻을 수 있게 하고, 유입폐수, 중력 또는 압축공기를 이용하여 농축오염물과 얼음결정을 효과적으로 분리시키고, 융해조에 열교환기를 설치하여 얼음결정의 융해에너지를 재순환시킴으로서 경제적이며, 효율적인 오염물의 분리농축을 가능하게 한다. 또한 폐수의 부유물농도에 따라 여과 또는 원심분리를 이용한 전처리를 행하고 본 동결농축장치를 이용하여 1차 처리한 후 방류수의 요구수질에 따라 본 동결농축장치를 직렬로 연결하거나 생물학적 처리 공정을 후속공정으로 활용함으로서 산업폐수, 침출수, 축산폐수 등의 악성산업폐수를 효과적으로 처리가능토록 하는 방법에 관한 것이다.

Description

동결농축법을 이용한 악성폐수처리장치 및 방법{Method and Apparatus of Freeze Concentration for Wastewater Treatment}

본 발명은 폐수의 수온이 빙점이하로 하강하였을 때 순수한 물분자로 이루어진 얼음결정이 생성되는 자연현상을 이용하여 생물학적 처리가 어려운 고농도 악성폐수 혹은 액상폐기물을 동결방법에 의해 분리농축을 용이하게 하는 장치 및 이를 이용한 악성폐수처리 공정에 관한 것이다.

일반적으로 오폐수는 처리능에 대한 안정성과 경제적인 이유로 활성슬러지공법 또는 혐기성소화 등의 여러 가지 생물학적인 방법에 의해 처리되고 있으며, 폐수에 함유된 성분들의 특성에 의해 생물학적인 처리만으로 방류수 수질을 기대하기 어렵거나 처리장의 특수상황 등을 고려하여 생물학적 처리와 응집침전, 화학적 산화, 흡착 등의 물리화학적 방법을 병용하기도 한다. 그러나, 일부 산업폐수, 축산폐수, 매립지 침출수 등과 같이 폐수에 함유된 주성분이 난분해성이거나 독성이 강하며, 고농도인 경우 상기한 물리화학적인 방법이 병용된 생물학적 방법에 의한 처리에는 한계가 있다. 이와 같은 경우 국내에서는 아직까지 별다른 기술적 대안이 마련되지 못하고 대부분 엄청난 양의 청수로 희석하여 생물학적 처리를 시도하거나 소각, 습식산화, 증발법 등의 고온의 열을 이용하는 방법 등과 같은 기술에 의해 처리 및 처분이 시도되고 있다. 그러나, 열을 이용하는 방법은 부식 등으로 처리장치의 수명이 길지 않으며, 물의 큰 증발잠열 등으로 시설비 및 운영비가 상대적으로 클 뿐만 아니라 처리과정에서 인체에 유해한 다이옥신이나 휘발성 유기화합물(VOCs, volatile organic compounds)이 방출되기 때문에 폐수처리 자체가 새로운 2차 오염문제의 발생원이 되기도 한다. 또한, 상기의 방법에 의한 폐수처리에는 엄청난 비용이 소요되기 때문에 많은 산업체의 대외 경쟁력을 약화시키며, 대상폐수의 처리주체가 관이나 공공단체인 경우에 있어서도 어려운 재정난을 더욱 심화시키는 직접적인 원인이 되고 있다.

동결농축법은 크게 얼음의 결정석출, 분리세정 및 융해의 공정을 거쳐 얼음과 농축액으로 오염물을 분리시키는 공정이다. 즉, 폐수를 그 빙점이하로 냉각하면 순수한 물입자로 이루어진 얼음결정이 석출하고 폐수중의 오염물은 결정성장계면에서 배제되어 농축된다. 이때의 결정표면에 부착된 농축액을 분리세정하고 얼음을녹이면 깨끗한 처리수를 얻을 수 있다. 동결농축법은 증발, 소각 등과 같은 열적처리법과 비교하였을 때 필요한 열량이 상대적으로 적고 장치의 열역학적 효율이 높기 때문에 경제성이 큰 것으로 평가되고 있다. 또한, 저온에서 운전되기 때문에 부식문제가 없어 내구성이 뛰어나고, 첨가하여야 할 화확물질이 필요하지 않으며, 오염물질의 종류와 무관하게 높은 정도의 분리효율을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 경제적 타당성을 확보하기 위해서는 외부에서 시스템으로의 유입되는 열을 차단하고, 에너지를 최대한 재순환 할 수 있는 시스템의 열교환기가 제공되어야 하는 것으로 알려지고 있다. 또한, 느린 얼음결정의 핵생성 속도와 고속동결조건에서 오염물의 분리효율이 감소한는 점이 단점으로 지적되고 있다. 과거에는 동결농축법이 주로 해수의 담수화를 위하여 연구되어 왔으나, 최근에는 과일쥬스의 농축 등과 같은 식품가공산업에 더욱 폭넓게 응용되고 있다. 그러나, 폐수처리분야에 있어서 동결농축법의 응용기술은 그 활용가능성에 비해 아직까지 전례가 드문 실정이다.

본 발명은 수온이 빙점이하로 하강함에 따라 순수한 물입자로 이루어진 얼음결정이 생성되며 수중에 함유된 오염물이 얼음결정 주위로 농축되는 자연현상을 이용하여 악성폐수의 경제적인 처리를 하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 동일공간에서 보다 넓은 동결표면을 제공하여 얼음 결정의 핵생성을 용이하게 하고, 완속결정성장이 가능하도록 온도조건을 조절함과 동시에 난류도를 크게하여 열및 물질전달효율을 높임으로서 오염물질의 높은 분리효율을 제공하고, 농축오염물과 얼음결정을 효과적으로 분리시키고, 얼음결정의 융해에너지를 최대한 재순환시킴으로서 경제적이며, 효율적인 악성폐수의 처리를 가능케하는 동결농축 장치 및 이를 이용한 폐수처리방법을 제공하는 데 있다.

도면은 본 발명품인 동결농축법을 이용한 악성폐수처리장치의 흐름도 및 주요부분의 단면도이다

제 1도는 본 발명의 악성폐수처리를 위한 동결농축장치의 개략도

제 2도는 본 발명의 결정화조 단면도(A-A단면)

제 3도는 본 발명의 완속 결정성장조의 단면도(B-B단면)

제 4도는 본 발명의 동결농축법을 이용한 악성폐수처리 공정도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 결정화조, 2 : 결정성장조, 3 : 분리조, 4 : 융해조, 5 : 융해조의 열교환기, 6 : 덮개판, 7 : 상부동력원, 8 : 펌프, 9 : 냉매압축기, 10 : 보조응축용 팬, 11 : 동배관, 12 : 유입폐수, 13 : 처리수, 14 : 청정수, 15 : 농축액

1-1 : 바닥판, 1-2 : 케이스동결면, 1-3 : 제 1 동결벽, 1-4 : 케이스, 1-5 : 플랜지, 1-6 : 냉매의 증발용 동관, 1-7 : 압축공기용 노즐, 1-8 : 농축액 배출용 밸브, 1-9 : 자동온도감지기, 1-10, 1-11 : 원통형 절삭기 지지대, 1-12 : 절삭기, 1-13 : 방향익

2-1 : 교반기, 2-2 : 자동온도감지기, 2-3 : 증발기 유입냉매관의 조절밸브, 2-4 : 단열재

3-1 : 스크루, 3-2 : 고정날개, 3-3 : 유입폐수의 유입구

4-1, 4-2 : 단열재

5-1, 5-2 : 융해조의 열교환기

6-1 : 베어링, 6-2 : 청수공급용 노즐, 6-3 : 압축공기 배출구, 6-4 : 원폐수의 유입밸브

7-1 : 중심축

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명품인 동결농축장치는 얼음결정의 핵을 용이하게 생성시키기 위한 결정화조(1)와 얼음결정핵을 충분한 크기로 성장시키기 위한 결정성장조(2), 농축액과 순수얼음결정의 분리조(3), 분리된 얼음결정의 융해와 유입폐수의 냉각을 위한 융해조(4), 융해조의 열교환기(5), 덮개판(6), 중심축을 회전시키기 위한 상부동력원(7), 폐수의 유입과 농축액의 배출을 위한 펌프(8) 그리고 냉매압축기(9) 및 보조응축용 팬(10) 및 동배관(11)으로 구성되었다. 본 발명의 폐수의 특성에 따른 침사지, 여과, 원심분리 등의 전처리 공정과 동결농축공정, 생물학적 처리 등의 후처리공정으로 구성되었다.

이를 첨부한 도면에 따라 상술하면 다음과 같다.

먼저 제1도는 본 발명품인 동결농축법을 이용한 악성폐수처리장치의 개략도를 나타내는 도면으로서 이에 도시한 바와 같이, 결정화조(1)는 바닥판(1-1)과 케이스동결면(1-2)과 결정화조 내부에 위치한 제 1 동결벽(1-3)으로 구성되었다. 케이스(1-4)와 바닥판(1-1)은 플랜지(1-5)로 연결되었으며, 안쪽의 제 1 동결벽(1-3)은 바닥판(1-1)에 용접되었다. 케이스동결면(1-2)의 외벽과 제 1 동결벽(1-4)의 내부에는 냉각을 위하여 냉매의 증발용 동관(1-6)을 설치하였으며, 바닥판(1-1)의 중심에는 상부의 동력원에 연결된 중심축(7-1)을 설치하였다. 동결면 사이에는 압축공기를 주입하기 위한 노즐(1-7)과 농축액을 배출하기 위한 밸브(1-8) 및 온도감지기(1-9)를 설치하였다. 중심축(7-1)은 상부덮개판(6) 및 바닥판(1-1)의 중심에 설치된 베어링(6-1)으로 지지하였다. 케이스동결면(1-2)과 제 1 동결벽(1-3)의 사이에는 제 2도에서 자세히 보여주는 바와 같이 중심축(7-1)에 고정된 원통형 절삭기 지지대(1-10, 1-11)를 각각 설치하였으며, 두 지지대에는 케이스동결면(1-2) 내벽과 제 1 동결벽(1-3)의 내외벽에 인접한 30∼45°경사의 절삭기(1-12)를 120°간격으로 설치하였다. 절삭기(1-12)의 사이에는 중심축(7-1)이 회전하는 동안 결정화조(1)에 상향류를 생성시키기 위한 30∼35。경사의 방향익(1-13)이 설치되었다. 케이스동결면(1-2)과 제 1 동결벽(1-3)사이의 간격은 6∼10cm였으며, 동결벽은 케이스(1-4)의 직경에 따라 제 1 및 제 2, 제 3 동결벽으로 확장할 수 있도록 하였다. 결정화조(1)의 상부로부터 공급된 폐수는 빙점이하로 냉각된 케이스동결면(1-2)의 내부와 제 1 동결벽(1-3)의 내벽 및 외벽표면에서 얼음결정이 생성된다. 생성된 얼음결정은 절삭기(1-11)에 의해 제거되어 부력과 방향익(1-13) 또는 바닥판(1-1)의 압축공기노즐(1-7)에서 주입된 압축공기에 의해 유발된 상향류에 의해 상부의 결정성장조(2)로 이송된다. 압축공기는 동결벽사이(1-3)에 상향류를 생성시킴과 동시에 동결면에 난류도를 증가시켜 열전달효율 및 오염물질의 분리효율을 증가시키는 역할을 한다. 농축된 오염물은 펌프(8)를 이용하여 배출구를 통하여 배출된다.

결정성장조(2)는 제 1도에서와 같이 결정화조 상부에 위치하고 있으며 케이스(1-4)와 프로펠러형 교반기(2-1) 및 결정화조(1)에서와 같은 형태의 절삭기(1-11) 및 그 지지대(1-9)로 구성되었다. 케이스에는 냉매 증발용 동관(1-6)이 주위에 감겨져 있으며, 케이스 상단부에는 자동온도 감지기(2-2)를 설치하여 냉매의 유입밸브(2-3)를 조절함으로서 결정성장조의 온도를 조절할 수 있도록 고안되었다. 결정성장조(2) 중심에는 얼음결정이 충분한 크기로 성장하는 동안 혼합 및 열전달 효율을 증대시키도록 두 날의 프로펠러형 교반기(2-1)가 상부동력원(7)에 연결되어 회전하는 중심축(7-1)에 고정되었다(제 3도). 결정화조(1)에서 유입된 미립 얼음결정은 내용물의 온도가 빙점에 근접하게 조절된 결정성장조(2)에서 서서히 완속성장을 하게 된다. 얼음결정이 완속 성장을 하는 동안 오염물의 분리농축효율은 극대화되며, 충분한 크기로 성장한 얼음결정은 부착된 농축오염물과 같이 부력과 결정성장조 상단부의 중심축(7-1)에 설치된 스크루(3-1)에 의해 결정성장조(2)의 상부에 위치된 분리조(3)로 이송된다.

분리조(3)에는 결정성장조(2) 상단부에서부터 이어진 스크루(3-1)가 설치되었으며, 분리조(3)의 상부 끝에는 상승한 얼음결정에 회전력을 주어 융해조(4)로 배출시키기 위한 고정날개(3-2)를 설치하였다. 분리조(3)의 하단에서 1/3 높이의 위치에는 폐수의 유입을 위한 유입구(3-3)가 설치되었다. 얼음결정이 분리조(3)의 하부에서 점차 상승하는 동안 얼음결정의 표면에 부착한 농축오염물은 중력과 상부에서 유입한 폐수(12)에 의해 세척되어 대부분 하부의 결정성장조(2)로 제거되며, 분리조(3)의 하단에서 1/3 높이 이상의 위치에서는 덮개판(6)에 설치된 노즐(6-2)을 통하여 분사공급되는 청정수(14)에 의해 최종 세척되어 순수한 얼음결정이 생성된다. 얼음결정과 농축오염물의 분리 및 세척효율은 결정화조(1)와 결정성장조(2)를 통하여 유입되는 압축공기에 의해 극대화된다. 세척된 얼음결정은 고정날개(3-2)에 의해 분리조(3) 외부에 위치한 융해조(4)로 배출된다.

융해조(4)의 안쪽케이스와 분리조(3)사이에는 단열처리가 되었으며, 융해조(4) 안쪽케이스 내면에는 유입폐수의 냉각을 위한 열교환기(5-1)가 설치되었다. 융해조(4) 바깥쪽케이스 내면에는 압축기(9)를 통하여 온 뜨거운 냉매를 응축시키기 위한 열교환기(5-2)가 부착되었다. 융해조(4)에 유입된 얼음결정은 상기한 두 열교환기(5-1, 5-2)를 통하여 냉매의 응축열 및 유입폐수의 냉각열에 의해 융해되어 처리수(13)가 얻어진다. 최종 처리수(13)는 방류밸브를 통하여 배출된다.

상부의 동력원(7)은 감속기어에 의해 중심축(7-1)에 연결되었으며, 냉매압축기(9)는 결정화조(1)와 결정성장조(2)에 설치된 냉매증발용 동관(1-6)과 융해조(4)에 설치된 응축용 열교환기(5-1, 5-2) 및 보조응축용 팬(10)의 사이에 동배관(11)으로 연결되었다. 결정화조(1) 및 결정성장조(2)의 증발기 유입냉매관에는 각각 밸브(2-3)를 설치하여 두 조(1, 2)의 온도를 조절함으로서 결정생성속도 및 결정성장속도를 분리하여 조절할 수 있도록 하였다.

덮개판(6)은 융해조(4)케이스에 플랜지(1-5)로 연결되었으며 중심에는 상부동력원(7)에 연결된 중심축(7-1)을 지지하기 위한 베어링(6-1)이 설치되었으며, 얼음결정에 부착된 오염물을 세척하기 위한 청수공급용 노즐(6-2)이 설치되었다. 또한, 압축공기의 베출을 위한 공기배출구(6-3) 및 원폐수의 유입밸브(6-4)를 설치하였다.

제 4도는 본 발명의 동결농축장치를 이용한 악성폐수처리 공정도이다. 본 발명 실시예에 의하면 난분해성 또는 독성물질을 함유한 산업폐수, 침출수, 축산폐수 등의 악성폐수는 먼저 침사지를 거쳐 후속공정의 기계적인 문제를 유발시킬 수 있는 모래입자 등이 제거되어야 한다. 동결농축 공정의 오염물질 분리효율은 농축대상 오염물질의 농도뿐만 아니라 부유물 함량에 의해 영향을 받는다. 따라서 침사지를 거친 폐수는 부유물질(Suspended Solids) 오염농도가 500mg/L∼1000mg/L일 경우 방법 2 또는 3과 같이 여과 또는 원심분리 그리고 1000mg/L이상일 경우 부유물질을 제거하기 위하여 원심분리 공정에 의하여 전처리되어야 한다. 전처리된 폐수는 수온이 50℃이상의 고온일 경우 방법 4와 같이 후속 동결농축공정의 효율적 운전을 위하여 방냉이 필요하다. 폐수에서 분리하고자 하는 오염물의 초기 농도와 처리수의 수질기준에 따라 동결농축공정은 1단 혹은 2단 이상의 직렬공정이 사용될 수 있다. 분리하고자하는 폐수의 오염물 농도가 1000ppm이하로 낮은 경우 방법 5의 1단 동결농축공정만으로도 공정의 운전인자를 변화시키므로서 원하는 처리수를 얻을 수 있다. 폐수의 특성이 생물학적 처리가 불가능한 악성인 경우 최초의 동결농축장치는 후속공정의 효율개선을 위한 전처리공정으로 사용될 수 있다. 최초의 동결농축장치의 유출수는 수온이 빙점에 가깝기 때문에 방법 6과 같이 후속공정으로 동결농축장치가 사용될 경우 경제성이 높다. 그러나 방법 7과 같이 활성슬러지등의 여러 가지 생물학적 처리 공정도 후속처리공정으로 사용될 수 있다. 후속 동결농축공정으로부터 배출된 농축오염물은 최초의 동결농축조 전단으로 재순환되어유입 원폐수와 같이 최초의 동결농축조에서 처리되며 최초의 동결농축공정에서 배출된 농축오염물은 소각, 매립 등의 또 다른 방법에 의해 최종처분되어야 한다.

본 발명인 동결농축장치는 기술적, 경제적 이유로 기존의 재래식 생물학적 혹은 물리화학폐수처리법으로 처리가 불가능한 난분해성 혹은 독성물질을 함유한 산업폐수, 매립지 침출수, 축산폐수 등의 악성폐수를 수온이 빙점이하로 하강하였을 때 순수한 얼음결정으로 분리되는 자연현상을 이용하여 효과적으로 분리농축 가능하게 하며, 이를 이용한 동결농축공정은 악성폐수의 효율적, 경제적 처리를 가능케 한다.

Claims (9)

1. 산업폐수, 매립지 침출수, 축산폐수 등을 포함하는 악성폐수의 처리에 있어서, 악성폐수의 미세한 얼음결정을 생성시키기 위한 결정화조(1); 결정화조 내부에서의 열전달을 높이고 처리용량을 증가시키기 위한 동결벽(1-3); 미세한 얼음결정을 완속성장시켜 오염물과 순수한 물의 분리를 가능케 하는 결정성장조(2); 결정화조와 결정성장조의 내부로 유입되는 냉매관에 냉매의 유입속도와 유량을 조절 가능케 하는 냉매유입밸브(2-3); 부력으로 상승한 얼음결정에 원심력을 가하여 상부로 이송 가능케 하는 스크류(3-1); 얼음에 부착한 오염물을 세척함과 동시에 난류도를 증가시키는 압축공기분사장치(7-1, 6-3); 및 분리된 얼음을 용해시키기 위한 용해조(4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 동결농축장치.
2. 제 1항에 있어서, 결정화조(1)는 내부에 6-10㎜ 간격으로 다수의 동결벽(1-3)을 설치하여 얼음결정생성표면을 극대화함으로서 처리용량을 증가시키고 절삭기(1-12) 사이에 30 - 35 °경사로 방향 바닥판(1-13)을 설치하고 압축공기(1-7)를 상향류로 분사하게 하여 계면의 난류도를 증가시키고 오염물질 분리효율 및 결정성장속도를 증가시킴과 동시에 절삭된 얼음결정의 신속한 상부이송을 가능케 함을 특징으로 하는 동결농축처리장치.
3. 제 1항에 있어서, 결정성장조(2)의 중심축(7-1)에 15 - 30°경사를 가지는 프로펠러형태의 교반기(2-1)를 부착하고, 동일한 중심축(7-1)에, 결정성장조 전체길이의 1/5 - 1/10 정도의 길이만큼 결정성장조 상부 하단에서부터 분리조 상부까지 스크류(3-1)를 설치함으로서, 스크류와 교반기에 의한 효율적인 열전달 효과와 상향류를 형성하여 성장한 얼음결정을 선택적으로 분리조(3)로 이송가능하게 하는 것을 특징으로 하는 동결농축처리장치.
4. 제 1항에 있어서 분리조(3) 하단으로부터 1/3 - 2/5 사이에 폐수 유입구(12)를 설치하여 폐수를 유입함으로서 상승하는 얼음결정에 부착된 농축오염물의 세정효과를 가지게 하는 것을 특징으로 하는 동결농축처리장치.
5. 제 1항에 있어서 용해조(4)의 바깥케이스 내면에 냉매의 응축용 열교환기를 설치하고 유입폐수의 냉각용열교환기(5-1, 5-2)를 안쪽케이스 내면에 설치함으로서 얼음결정의 융해열을 재 순환하도록 하는 것을 특징으로 하는 동결농축처리장치.
6. 결정화조(1)와 결정성장조(2)에 연결되어 있는 유입냉매관의 밸브(2-3)를 조절하여 냉매의 속도와 유량을 다르게 운전함으로서, 순수 얼음핵 형성의 극대화를 가능케 함과 동시에 빙점에 근접하게 조절된 결정성장조(2)에서 서서히 완속성장토록하여 오염물과 순수한 물의 분리가 이루어져 오염물의 농축율이 최대화되도록 유도하고, 성장한 얼음을 부착된 농축오염물의 부력차와 결정성장조 상단부의 중심축에 설치된 스크류의 상향류 회전력에 의해 결정성장조 상부에 위치한 분리조로 이송되면서 유입폐수의 유입되는 힘과 압축공기에 의해 오염물은 세척되고, 분리된 얼음은 용해조(4)로 운반되어 열교환이 이루어지므로 최종 유출수(13)를 얻을 수 있도록 함을 특징으로 하는 동결농축방법.
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