KR100425773B1

KR100425773B1 - 하수처리장의 방류수 전해소독설비

Info

Publication number: KR100425773B1
Application number: KR10-2002-0036086A
Authority: KR
Inventors: 이강평; 김영준; 김병화
Original assignee: (주) 테크로스
Priority date: 2002-06-26
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2004-04-01
Also published as: KR20040001029A

Abstract

본 발명은 복합적 기능을 갖춘 전기분해 장치로서, 하수처리장의 방류수 전해소독설비에 관한 것이다.

본 발명에 따른 방류수 전해소독설비에 있어서 방류조(10)는 일반적으로 대략 장방형(長方形) 탱크형태를 취하며 방류수가 유입되는 유입구(11)와 유출되는 유출구(12)가 서로 대향(對向)하여 설치되어 방류수가 수평방향의 흐름을 갖고, 상기 유입구(11)와 유출구(12)가 형성되는 부분의 방류조(10) 깊이는 유출구와 유입구 사이의 중앙 부분에 비하여 깊게 형성하며, 방류수 유입구(11)의 전방에 유입되는 방류수를 두 흐름으로 나누어 유입시키는 "Y"형태의 분류벽(分流壁, 13)이 형성되고, 분류된 공간내에 전극판을 설치하여 전극부(20)를 형성한다. 상기 분류벽(13)은 유입되는 방류수에 와류(渦流)를 형성시켜 방류수가 전극판에 보다 잘 접촉할 수 있게 하는 것이다.

Description

하수처리장의 방류수 전해소독설비{Electrolytic sterilizing Arrangements of the Waste Water Disposal Treatment}

물의 사용량이 증가되고, 대기·수질 오염이 날로 심화되면서 오폐수의 처리 및 물의 재이용의 필요성이 증대되고 있다.

이러한 수처리 및 물의 재이용화에서는 박테리아, 바이러스 등을 제거하기 위한 소독 및 물에 존재하는 부유물질의 제거가 중요한 요소로 되고 있으며, 국내에서도 관련법규가 강화될 것으로 입법 시행이 예정되어 있다.

즉 하수도법 시행규칙 중 개정령(환경부령 제113호)에 의한 방류수 수질기준은 아래의 [별표1]과 같다.

[별표1] 방류수 수질기준(제6조 제1항 관련)(㎎/ℓ)

구분	BOD(㎎/ℓ)	COD(㎎/ℓ)	SS(㎎/ℓ)	T-N(㎎/ℓ)	T-P(㎎/ℓ)	대장균수(개/㎖)
특정지역	10 이하	40 이하	10 이하	20 이하	2 이하	3,000 이하
기타지역	20 이하	40 이하	20 이하	60 이하	8 이하	3,000 이하

대장균 수는 모든지역에 대하여 2003년 1월 1일부터 적용하고 수질환경보전법 시행규칙 별표 5 의 규정에 의한 청정지역이나 수도법 제5조 규정에 의한 상수원 보호지역 및 그 경계구역으로부터 상류로 유하거리 10㎞이내 지역 또는 수도법 제3조 제15호 규정에 의한 취수시설로부터 상류로 유하거리 15㎞ 이내 지역은 방류수질 기준으로 대장균 수가 1,000개/㎖이하로 강화하여 적용된다.

이같이 하수처리장에서 발생된 방류수의 살균 필요성이 법으로 강제되어 있다. 종래의 방류수 살균 기술로는 염소소독, UV소독, 오존소독, 전기분해를 이용한 소독 등이 개발·적용되어왔다.

상기 염소소독법은 물의 소독법으로 가장 널리 이용되고 있는데, 잔류성이 높아서 효율적인 것으로 알려져 있다. 그러나염소소독법은 공정 과정에서 THM, chloramine과 같은 강독성 부산물이 생성되며, 밀도가 낮은 oil, grease 또는 콜로이드성 물질이 물에 포함되어 있는 경우에는 소독효과가 크지 않은 단점이 있다.

UV소독은 자외선에 이한 살균방법으로 최근에 집중적으로 연구되고 있다. 그러나 UV소독은 잔류효과가 거의 없고, 시설비 및 유지비가 과도하며, 처리수의 유량변동에 대응하기가 상대적으로 어려운 것으로 알려져 있다. 또한 처리수 내에부유고형물(SS)나 색소성분이 있는 경우 처리효과가 매우 낮을 뿐만 아니라 미생물이 UV에 의해 손상된 DNA를 자가복구할수 있기 때문에, 현장에서 확실한 소독효과를 거둘 수 있다고 규명하기 어렵다.

오존 소독법은 강력한 산화력으로 큰 소독효과를 얻을 수 있는 방법이지만 오존의 용해성이 낮고 시설비 및 운전비가 많이 소요되며 수처리 과정에서 발생하는 오존의 유출을 방지하기 위한 (후)처리 시설이 필요하다. 또한 오존 소독법은 처리부산물의 안정성에 대한 명확한 검증이 이루어지지 않았다.

전기분해를 이용한 소독은 물을 전기분해하는 과정에서 첨가 혹은 생성된 각종 화학물질이 미생물이나 바이러스를 사멸시키는 기제로 활용되도록 하는 방식이다.

소독을 목적으로 하는 전기분해법은 첨가물(NaCl, Ag,Ca, Br, I), 첨가물을 공급하기 위한 각종 부대장치 등이 필요하고, 소독의 대상이 되는 물의 성상, 유량 변동에 따라 첨가물의 종류 및 그 첨가량이 달라지게 되며 따라서 매우 복잡한 소독법으로 알려져 있다.

본 발명은 하수처리장에서 방류되는 방류수의 소독처리를 전기분해에 의하여 달성하도록 하고, 전기분해장치(電氣分解裝置)를 기존의 방류조(放流槽)에 설치하여 보다 효율적이고 염가(廉價)의 방류수 소독처리수단을 제공하는데 그 특징이 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 제1실시예의 측단면도

도 2 는 제1실시예의 평면도

도 3 은 본 발명에 따른 제2실시예의 평면도

도 4 는 본 발명에 따른 제3실시예의 평면도

도 5 는 온도와 pH에 따른 HOCl과 OCl^-이온의 분포도

***도면의 주요부호에 대한 설명***

11, 31, 51 : 유입구 12, 32, 52 : 유출구

13 : 분류벽

10, 30, 50 : 방류조

20, 40, 60 : 전극부

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하수처리장 방류수 전해소독설비는 방류수가 유입되고 유출되는 유입구와 유출부가 설치된 방류조와 상기 방류조의 내부에 유체의 흐름과 대략 평행 또는 경사지게 배열된 복수개의 전극으로 이루어진 전극부로 구성된다.

본 발명에 따른 전해소독설비는 방류조의 형태에 따라 다르게 설치되는데, 도 1 은 본 발명에 따른 전해소독설비가 구비된 방류조의 제1실시예의 측단면도이고, 도 2 는 제1실시예의 평면도이다. 도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이 방류조(10)는 일반적으로 대략 장방형(長方形) 탱크형태를 취하며 방류수가 유입되는 유입구(11)와 유출되는 유출구(12)가 서로 대향(對向)하여 설치되어 방류수가 수평방향의 흐름을 갖고, 상기 유입구(11)와 유출구(12)가 형성되는 부분의 방류조(10) 깊이는 유출구와 유입구 사이의 중앙 부분에 비하여 깊게 형성하며, 방류수 유입구(11)의 전방에 유입되는 방류수를 두 흐름으로 나누어 유입시키는 "Y"형태의 분류벽(分流壁, 13)이 형성되고, 분류된 공간내에 각각 음극과 양극의 전극판을 설치하여 전극부(20)를 형성한다. 상기 분류벽(13)은 유입되는 방류수에 와류(渦流)를 형성시켜 방류수가 전극판에 보다 잘 접촉할 수 있게 하는 것이다.

도 3 은 깊이가 모든 곳에서 동일한 장방형 탱크로된 방류조(30)에 지그재그로 엇갈리게 배열하고 각 전극판을 경사지게 설치한 전극부(40)가 구비된 제2실시예를 평면도로 도시한 것이다.

상기 본발명의 제2실시예는 깊이가 동일한 장방형 탱크로된 방류조(30)내부에 방류수의 흐르는 방향에 경사지게 배열하여 복수조(複數組)의 전극판쌍이 설치되고, 다수의 전극판쌍은 내측 양측벽 지그재그로 엇갈리어 설치된다.

도 4 는 폭은 좁고 깊이가 있는 우물형 탱크로된 방류조(50)를 측단면도로 도시한 것인데, 상기 우물형 방류조(50)에 있어서 유입구(51)는 하부측에 형성되고 유출구(52)는 상부측에 형성된다.

우물형 방류조(50)에 있어서 전극부(60)는 하부측에서 상부측으로 양측 내벽면에 수평으로 복수의 전극쌍이 엇갈리면서 배열 설치된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 전해소독설비는 방류조의 형태에 따라 일조(一組) 또는 복수조(複數組)의 전극쌍이 다른 배열하여 전극부를 형성하고 각 전극쌍을 이루는 양극의 전극판과 음극의 전극판 사이 직선거리는 10㎜정도 이면 가능하나 바람직하게는 3㎜일 때 가장 효율적으로 오수를 전해소독 한다.

본 발명의 전극부를 구성하는 전극판은 양극판과 음극판으로 구성되는데, 상기 양극판은, 그 손실을 최소화하여 장기간 사용하기 위해, Ti판에 Pb, Rh, Sn, Ru, Nb, Ir, Ge, Ga등의 물질을 코팅(도금 또는 증착)한 불용성 전해판을 사용함이 바람직하며, 상기음극판은 기포를 많이 발생시키는 티탄늄(Titanium), 스테인레스강(Stainless Steel) 재질인 전해판을 사용함이 바람직하다.

특히 소독효과를 높이고 스케일 제거를 위해 양극 및 음극 전극판은 망상형으로 제작한다.

그리고, 상기 전해판의 일측(상층부)에 다수의 요철(凹凸)을 형성하여, 발생된 기포의 운동이 난류가 되도록 유도할 수있다.

상기 전해판에서는 전기분해 효과에 의해 미생물의 소독, 색도의 제거, COD 제거가 이루어진다.

전해에 의한 오수를 처리할 때 발생되는 오수의 전기분해반응을 살펴보면,

1) 물의 전기분해

물을 전기분해하면 양극과 음극의 반응은 다음과 같다.

Anode : H₂O + H₂O → H₃O⁺+ OH^-+ eCathode : 2H₂O + e → OH^-+ H₂O+ H⁺Total Reaction : H₂O→ H⁺+ OH^-

(1) (2) (3)

전해액이 산이면 음극에서 생성된 수산화 이온은 곧바로 중화 될 것이다. (2)식의 H⁺와 OH^-는 곧 수소분자와 산소분자로 되며 1페러데이(F)에 대하여 1분자의 물이 분해된다. 수용액을 전기분해하여 수소와 산소가 발생할 때에는 용액의 pH에 관계없이 물의 분해가 이루어진다.

2) 염소의 전기분해

전극반응에서 주요 생성물인 염소와 하이드록시 이온은 전극사이의 전해액에서 반응하여 하이포아염소산/하이포아염소산염을 형성하고 이것은 화학적으로 자동산화(불균화 반응)에 의해 염소산염으로 전환된다. 염소의 전기분해 과정은 아래와같다.

Anode : 2Cl^-→ Cl₂(dissolved) + 2e^-Cathode : 2H₂O + 2e^-→2OH^-+ H₂Between the electrodes : Cl₂+ H₂O → HOCl + Cl^-+ H⁺HOCl → OCl^-+ H⁺

(4) (5) (6) (7)

양극에서의 주요 생성물은 (4)식에서 나타난 바와 같이 염소이며, 낮은 온도에서 전기분해에 의해 용존상태의 염소를 형성하며 이것은 전해액이 알카리성에서도 가능하다. 따라서 양극주위는 산, 음극주위는 (5)식에 의해 알칼리를 형성하기 때문에 (6)식에서 하이포아염소산(HOCl)은 양극에서, 하이포아염소산염(OCl^-)은 음극에서 이루어진다.

온도와 pH에 따른 HOCl과 OCl^-이온의 분포는 도 5 에 나타내었다. pH 7.5일 때 HOCl과 OCl의 활성은 같고, pH7.5이상에서는 HOCl이 pH 7.5 이하에서는 OCl^-이 주 화학종임을 알 수 있다.

음극에서 발생한 수산화 이온이 양극으로 이동하고 양극에서 발생된 염소가스는 대기중으로 방출되기 전 일부가 음극으로 이동하여 다음과 같이 화학평형을 이룬다.

2OH^-+ Cl₂→ClO + H₂O + Cl^-

(8)

전기분해 과정중에 하이포아염소산/하이포염소산염의 손실반응이 증가하면 공정내의 전기효율은 감소한다. 이런 손실반응은 음극 손실 혹은 환원손실과 양극손실 혹은 산화손실반응으로 구분되며, 최대로 얻을 수 있는 hypochlorite 는 산화·환원 반응에 의한 아래와 같은 손실반응으로 제한된다.

가. 음극 손실반응

하이포아염소산과 염소산염의 음극손실은 다음과 같이 음극에서 발생한다.

OCl^-+ H₂O + 2e^-→ Cl^-+ 2OH^-ClO₃+ 3H₂O + 6e^-→Cl^-+ 2OH^-

(9) (10)

이들 이온의 일반적으로 알려진 비율에 따르면 하이포아염소산염은 염소산염보다 쉽게 환원된다. 따라서 음극손실은 음극표면을 향한 하이포 아염소산염의 확산에 지배를 받는다. 그러나 중요한 변수로 작용하는 하이포아염소산염의 농도와 pH는 조정되지 않는다.

나. 양극손실반응

하이포아염소산의 양극손실반응은 다음과 같으며 1.5몰의 산소가 방출되고 염소이온과 염소산염의 형성을 동반한다. 또한 양극에서 물이 전기분해되어 1몰의 산소를 방출한다.

6HOCl + 3H₂O → 3/2O₂ + 2ClO₃ ^-+ 4Cl^-+ 12H⁺+ 6e^-2H₂O → O₂+ 4H⁺+ 4e^-

(11) (12)

하이포 아염소산염의 손실반응을 다음과 같이 표현하였으며 산소와 염소이온 및 염소산염의 형성은 동일하다.

6OCl^-+ 3H₂O → 3/2O₂+ 2ClO₃ ^-+4Cl^-+ 6H⁺+ 6e^-

(13)

전해액에서 손실반응은 다음과 같이 하이포아염소산과 하이포아염이 반응하여 1몰의 염소산염과 2몰의 염소이온이 발생한다.

Solution : 2HOCl + OCl^-→ClO₃ ^-+ 2Cl^-+ 2H⁺or : HOCl + 2OCl^-→ ClO₃ ^-+ 2Cl^-+ H⁺

(14) (15)

이 반응은 고온에서는 하이포 아염소산보다 염소산의 생성이 잘되므로 고온에서는 바람직하지 않고 40∼50℃의 온도에서 반응하는 것이 바람직한 것으로 평가되고 있다.

3) 유기물질의 전기분해

전해액이 산성인 용액의 금속이온은 전기분해 과정에서 안정 상태에서 들뜬 상태로 산화되며 중간산물인 반응체가 생성된다. (24)식은 양극에서 진행되며 많은 양의 유기물질이 산화되어 이산화탄소로 용액내에 확산된다.

xM^N+→ xM^(N+1)+ xe^-xM^(N+1)+ reacting agent → xM^N++ yCO₂

(16) (17)

유기물질의 전기분해는 양극에서 산화되지만 물의 전기분해에 의한 수산화 이온이 전극표면에 흡착되어 유기물을 산화하는 직접산화와 염소의 전기분해에 의해 생성된 하이포아염소산 등의 중간산물에 의한 간접산화로 구분할 수 있다.

가. 직접산화

직접산화에 의한 유기물질 제거는 우선, 전극표면(M[ ])에서 물의 전기분해에 의해 생성되는 수산화 이온이 양극에 흡착된다.

H₂O + M[ ] →M[OH^-] + H⁺+ e^-

(18)

전극표면에 흡수 병합된 수산화 이온에 의해 유기물질이 산화되며, 이 반응은 (19)식과 같으며 높은 전류밀도의 산성용액에서 잘 진행되며 다음과 같다.

R + M[OH^-] → M[ ] + RO + H⁺+ e^-

(19)

여기서 RO는 계속적으로 형성되는 수산화 이온에 의해 산화된 유기물질이며 수중에서 양극방전을 계속한다.

전기분해의 유기물질 제거 메카니즘은 다음과 같다. 우선 (20)식에 나타난 바와 같이 산화된 양극(MO_x)에 물의 전기분해에 의해 생성된 수산화 이온이 흡착되고 이미 발생된 산소와 반응하여 더 산화된 양극(MO_x+1)을 형성한다.

MO_x+ H₂O → MO_x[OH^-] + H⁺+ e^-MO_x[OH^-] → MO_x+1+ H⁺+ e^-

(20) (21)

유기물질(R)은 이 산화성 양극에 흡착된 수산화 이온과 반응하여 이산화탄소, 물 혹은 수소이온으로 분해된다.

R + MO_x[OH^-]₂→CO₂+ zH⁺+ ze^-+ MO_x

(22)

나. 간접산화

간접산화로 제거되는 유기물질의 전기화학반응은 전기분해 중 염소의 양극산화가 동시에 발생하며 하이포아염소산이 전극표면에 형성된다.

H₂O + M[ ] + Cl^-→ M[HOCl] + H⁺+ 2e^-

(23)

양극에서 생성된 하이포아염소산에 의해 유기물질이 산화되는 반응은 (24)식과 같다.

R + M[HOCl] → M[ ] + RO + H⁺+ Cl^-+ 2e^-

(24)

산소가 발생하는 반응의 중간단계로서 생성되는 발생기 산소는 강력한 산화력을 지니고 있어 폐수중에 함유한 유기물질인 아미노산이나 벤젠 유도체 등을 (25), (26) 식과 같이 산화, 분해할 수 있다.

NH₂CH₂COOH + [O] →NH₃+ HCHO + CO₂2[O] 6[O]C₆H₆--→C₆H₄(OH)₂→ C₆H₄O₂+ 2[H] --→C₄H₄O₄+ 2CO₂

(25) (26)

AnHine 의 전기분해 과정을 아래와 같이 나타내었다. 벤조퀴논(Benzoquinone)으로 산화되었다가 계속하여 Malelc, 이산화탄소로 산화되는데, 높은 산소과전압에서 산소발생보다 우선적으로 반응한다.

C₆H₇N + 2H₂O → C₆H₄O₂+ 3H⁺+ NH₄ ⁺+ 4e^-C₆H₄O₂+6H₂O → C₄H₄O₄+ 12H⁺+ 2CO₂ + 12e^-C₄H₄O₄+4H₂O → 12H₂O+ 4CO₂ + 12e^-

(27) (28) (29)

그리고 음극에서 발생하는 수소에 의하여 수중의 유기물질이 환원되기도 하며 산화형 색소등은 쉽게 환원되어 무색이 된다.

4) 암모니아의 전기분해

전기분해에 약한 폐수내의 암모니아성 질소의 제거는 유기물질 산화와 유사하게 직접적인 양극산화와 간접적인 양극산화의 동시효과로 이루어진다.

가. 직접산화

전기분해에 의한 암모니아성 질소의 산화는 (30)식과 같다고 제시하였다.

NH₃+ 3OH^-→0.5N₂+ 3H₂O + 3e^-

(30)

즉, 암모니아의 제거는 양극에서 발생하며 페러덱효율(Faradic efficiency) 거의 100%에서 3가의 전자를 내면서 질소가스로 산화한다.

OH^-의 몰농도에 따라 다음과 같이 암모니아 산화의 중간생성물로 아질산과질산이 생성된다고 보고하였다.

NH₃+ 7OH^-→NO₂ ^-+ 5H₂O + 6e^-NH₃+ 9OH^-→ NO₃ ^-+ 6H₂O + 8e^-

(31) (32)

나. 간접산화

간접반응으로 유리된 염소가 암모니아성 질소와 반응하여 최종생산물로 질소가스를 발생한다.

2NH₄ ⁺+ 3HOCl → N₂+ 3H₂O + 5H⁺+ 3Cl

(33)

(33)식의 반응은 염소의 파괴점 반응과 같은 pH 7.6에서 화학적 평형이 일어나며 염소와 암모니아성 질소의 무게비와 pH에 영향을 받으며 pH가 낮은 경우 질소 이외에도 클로라민(NH₂Cl, NHCl₂, NCl₃)이 형성된다.

암모니아성 질소가 하이포아염소산과 반응하여 제거되는 반응을 다음과 같이 표현하였다.

NH₄ ⁺+ HOCl → NH₂Cl + 5H₂O + H⁺NH₂Cl + HOCl → NHCl₂+ H₂ONHCl₂+H₂O →NCl₃+ H₂O

(34) (35) (36)

각 반응은 염소의 파괴점 반응과 같은 경향을 보이며 pH에 따라 산화반응한다. (35)식에서 생성된 모노클로라민은 수중에 하이포아염소산이 많이 있을 경우(37)식과 같이 곧바로 질소로 산화한다.

2NH₂Cl + HOCl → N₂↑+ 3HCl + H₂O

(37)

염소 이온이 풍부한 폐수내의 암모니아성 질소의 간접산화에 의한 전반적인 반응은 (38)식과 같다고 하였다.

2NH₃+ 6Cl^-→ N₂+ 6HCl + 6e^-

(38)

전극판에 직류전원을 통전시키면 상술한 바와 같이 각 전극판에서 반응이 일어나며 이에 따라 전극판 사이에 전위차가 발생되어 순간적으로 방류수를 살균하게 된다.

또한 하수처리장의 방류수에는 약200ppm 농도의 Cl성분이 있으므로 물을 전기분해할 때 발생하는 산소 및 수소와 결합하여 차아염소산(HOCl) 또는 차아염소이온(OCl^-)이 되어 잔류 살균작용 효과가 있다.

Cl₂+ H₂O → HOCl + HCl : HOCl ↔ OCl^-+ H⁺

여기서 HOCl 및 OCl^-는 Cl₂에 비해 약 70배의 살균력이 있다.

본발명의 하수처리장 방류수 전해소독설비는 상술한 바와 같이 기설치(旣設置)된 방류조에 설치하여 방류수를 살균하도록 하는 것이므로 최적 최소의 용적으로 설치가 가능하며, 미세한 전해가스를 방류수의 오탁(汚濁)정도에 따라 발생시켜 얻을 수 있기 때문에 제어가 용이하다.

또한 본 발명에 따른 전해소독설비는 전위차에 의한 직접살균뿐아니라 차아염소산에 의한 잔류살균에 의하여 뛰어난 살균효과를 얻을 수 있고, 무인자동화가능하므로 유지관리 용이하며, 설비의 구조가 단순하여 유지보수가 용이하고 탁월한 수명으로 경제적이며, 부가적인 효과로 BOD저하, COD 저하가 탁월하다.

Claims

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하수처리장의 방류수가 유입되고 유출되는 유입구와 유출부가 형성된 방류조에 있어서,

방류수의 유입구와 유출구가 동일 높이에 형성된 장방형(長方形) 방류조의 방류수 유입구 전방에 방류수를 두 개의 흐름으로 나누는 "Y"자 형태의 분류벽(分流壁)이 형성되어 각 분류된 공간내에 각각 복수조의 전극판이 지그재그로 엇갈리게 배열 설치되거나,

방류수의 유입구는 하부측에 형성되고 유출구는 상부측에 형성된 폭은 좁고 깊이가 깊은 심저형(深底形) 방류조의 내부에 길이방향으로 양측 내벽면에 수평으로 형성되고 복수조의 전극판이 상하로 엇갈리어 배열 설치되는 것으로,

방류조의 내부에 방류수의 흐름과 대략 평행 또는 경사지게 배열된 복수조의 전극판이 설치되어 방류수를 전해소독하는 하수처리장 방류수 전해소독설비.
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제 2 항에 있어서 전극판과 전극판 사이 직선거리는 3㎜인 하수처리장 방류수 전해소독설비.