KR100490307B1

KR100490307B1 - 오폐수처리용 철-전기분해장치 및 이를 이용한 오폐수처리시스템

Info

Publication number: KR100490307B1
Application number: KR1020040086525A
Authority: KR
Inventors: 김영규; 손종화; 장성환
Original assignee: 엔비넷 주식회사; 김영규
Priority date: 2004-10-28
Filing date: 2004-10-28
Publication date: 2005-05-18

Abstract

본 발명은 오폐수처리용 철-전기분해장치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 오폐수 내의 유기물, 인 및 질소를 효율적으로 제거할 수 있는 철-전기분해장치 및 상기 장치를 이용한 오폐수의 고도처리 시스템에 관한 것이다.

본 발명에 따른, 철-전기분해를 이용한 폐수의 고도처리 시스템은 기존의 시설에 부가하여 장착할 수 있어 적용이 용이하며, 전해조 내에 스컴이 형성을 방지하여, 전기적인 안정성 가지면서 폐수를 처리할 수 있다.

Description

오폐수처리용 철-전기분해장치 및 이를 이용한 오폐수처리 시스템{Ferrous Electroresolving Apparatus For Wastewater Treatment And Wastewater Treatment System Using thereof}

지금까지 알려진 전기분해를 이용하여 폐수를 처리하는 방법은 대부분 SS, n-헥산, 색도, 전질소 등이 포함된 악성폐수에 전류를 인가하여, 폐수 중에 포함된 오염물질 자체를 전기분해하여 처리하는 방법들이었다 (대한민국 특허공고 0231331, 대한민국 특허공고 0148315, 대한민국 특허공개 2004-0035634). 그러나 상기와 같은 전기분해를 이용한 폐수처리 방법은 자체가 전기분해 가능한 오염물질에만 적용될 수 있으며, 축산폐수나 가정용 오수에 포함된 인, 질소 및 유기물들을 제거할 수 없는 단점이 있었다.

인과 질소의 제거를 위한 생물학적 처리공정은 최적공정관리가 매우 복잡하고, 활성 미생물에 의한 영향염류 제거율이 신뢰도가 매우 낮아 제거효율을 높이기 위하여, 오 폐수에 화학약품을 투입하는 화학적 처리방법을 병행하여 사용하고 있으나, 비용이 많이 들고, 잉여슬러지의 처리량이 증가되며, 화학약품을 계속 투입할 경우 미생물의 활성도가 저하하게 된다.

이에 반해 폐수처리 시의 전기분해의 전극으로 철을 이용하면 전극에서 생성되는 철이온이 폐수 중의 인, 질소 및 유기물들과 반응하여 불용성 염을 형성시키고, 침전된 불용성 염을 제거함으로서 효과적으로 폐수를 처리할 수 있는 장점이 있다.

철의 전기분해를 이용한 오폐수의 처리방법(대한민국 특허등록 0142894)은 오폐수 처리조 내에 설치된 봉형태의 철전극에 전류를 인가하여 철전극으로 부터 2가 철이온(Fe²⁺)을 생성시키고, 석출된 Fe²⁺은 전류의 흐름 방향에 따라 양극에서 음극의 철판표면으로 이동하는 과정에서 철의 전기분해조의 용존산소와 반응하여 2가 철이온의 일부분은 3가 철로 전환되며, 전해반응에 의해 발생된 철이온은 Fe²⁺, Fe³⁺, Fe(OH)₂ ⁺, 및 Fe(OH)²⁺ 등과 같은 형태로 존재하며 용액내의 부유물질 및 용해성 유·무기물과 반응하여 불용성 침전물을 형성하여 처리조 바닥으로 침전되게 된다. 철의 전기분해에 의해 석출된 철산화물에 의해 처리조 내의 호기성박테리아의 증식을 활성화시켜 유기물질의 산화, 분해 능력이 증가되어 오폐수 내의 유기물질이 효과적으로 제거되게 된다.

철 전기분해를 이용한 폐수처리조 내부의 질소는 철의 전기분해에 의해 석출된 철산화물에 의해 폭기조 내의 질산화 박테리아의 증식이 활발해 지고, 오폐수 중 암모니아성 질소가 호기성 미생물의 호흡과정에 의해 질산염으로 질산화되고, 최종 침전지에서는 철염이 혼합된 활성슬러지와 질산염이 함유된 폐수를 폭기조로부터 무산소조로 반송시켜 무산소조에서 탈질미생물에 의해 질산염이 질소가스로 환원되어 질소산화물을 제거하게 된다.

또한 인의 경우는 폭기조에 투입된 양극의 철봉표면에서 생성된 2가 철이온이 수용액에서 전류의 흐름에 따라 양극에서 음극의 철봉표면으로 이동하는 과정에서 폭기조 내 용존산소와 반응하여 3가 철로 환원되고, 이때, 반응조 내 철이온은 용존 산소와 반응하여 주로 입자상의 철산화물을 형성하여 오폐수 중의 인산염이 철산화물의 표면에 흡착되어 제거되게 된다.

그러나, 상기와 같은 종래의 철 전기분해를 이용한 오폐수처리공정에서는 철 전극이 폭기조 내에 존재하여, 처리조 내부에서 발생하는 스컴 등이 전극에 부착되어 안정적인 전기분해가 이루어지지 못하며, 철전극으로 사용되는 철봉이 전기분해로 소모되고 난 후에 교환하는 것이 번거로왔다.

이에, 본 발명자들은 기존의 오폐수 처리조에 철의 전기분해조를 별도로 설치하고, 처리조 외부에서 철을 전기분해하고, 전기분해조 하부에 산기관을 설치하여 철의 분해 및 부식을 촉진하도록 하는 것이 스컴 형성의 문제점을 해결하고, 전기적인 안정성을 확보할 수 있다는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 오폐수 내의 유기물, 인 및 질소를 효과적으로 제거할 수 있는 오폐수처리용 철-전기분해장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 철-전기분해장치가 장착된 철-전기분해를 이용한 오폐수의 고도처리 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 상기 전기분해장치를 사용하는 것을 특징으로 하는 오폐수 처리방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 호기조에서 처리된 유입수를 철 전기전해조(21)로 공급하는 유입수 공급부(22), 외부공기를 철 전기전해조(21)로 공급하는 에어공급부(23), 유입된 처리수에서 철-전기분해모듈(30)을 이용하여 철을 전기분해하는 철 전기전해조(21), 철 전기전해조에서 전기분해된 철이온을 함유하는 처리수를 호기조로 재공급하는 호기조 공급부(26), 철전기전해조 모듈(30)에서 전기분해에 의해 발생하는 브라운가스를 배출시키는 가스배출부(24, 25)를 포함하는 오폐수처리용 철-전기분해장치를 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 철-전기분해모듈(30)은 철판(51)이 브라켓(52)에 조립되어 있고 상기 브라켓(52)은 베이스(53)에 삽입되어 있는 구조로, 상기 베이스(53)는 하부에 에어탱크(60)가 부착되어 있고 상부에는 에어탱크(60)로부터 공급되는 공기를 분산시키는 디스트리뷰터(61)가 붙어 있어 철판(51)하부를 고정시키면서 철판에 공기를 분산하여 산기시킬 수 있는 구조인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 또한, 혐기조, 무산소조, 호기조, 전기분해장치로 구성되는 오폐수처리장치에 있어서, 상기 전기분해장치가 호기조에서 처리된의 유입수를 철 전기전해조(21)로 공급하는 유입수 공급부(22), 외부공기를 철 전기전해조(21)로 공급하는 에어공급부(23), 유입된 처리수에서 철-전기분해모듈(30)을 이용하여 철을 전기분해하는 철 전기전해조(21), 철 전기전해조에서 전기분해된 철이온을 함유하는 처리수를 호기조로 재공급하는 호기조 공급부(26), 철전기전해조 모듈(30)에서 전기분해에 의해 발생하는 브라운가스를 배출시키는 가스배출부(24, 25)를 포함하는 것을 특징으로 하는 철-전기분해를 이용한 오폐수의 고도처리 시스템을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 전기분해장치를 사용하는 것을 특징으로 하는 오폐수의 처리 방법을 제공한다.

본 발명의 철 전기분해조는 혐기조/무산소조/호기조를 포함하는 기존의 오폐수처리용 생물반응조에 부가하여 설치하는 방식으로 기존 운영하수처리장이나 신설하수처리장에 별도의 기초설비공사 없이 간단하게 설치가 가능하다.

본 발명에 따른 철 전기분해장치를 이용한 오페수 고도처리 시스템의 공정도를 도 1에 나타내었으며, 상기 시스템은 혐기조, 무산소조, 호기조, 전기분해장치로 구성된다.

본 발명은 기존 하수처리장에 특별한 변경이 없이 별도의 철의 전기분해조를 설치하여 석출이 잘 될 수 있는 철판을 투입 전기분해를 유도하여 철판에서 발생하는 철 이온을 이용하여 하수 및 오수에 포함되어 있는 인산염, 질소 및 유기물의 제거효율을 극대화시킨 것이다.

본 발명에 있어서, 철의 전기분해에 의한 인 제거는 전기분해에 의해 발생한 철 이온과 유입수 중의 용해성 인산염을 반응시켜 불용성 침전물 형태로 만들어 제거하는 원리이며, 질소의 제거는 전해조에서 인산염과 반응하지 않고 남은 철 이온이 다시 반응조로 반송되어 호기조에 유입되면 호기조 내의 질산화박테리아의 증식이 촉진되어 질산화율의 향상을 가져와 무산소조에서 탈질효율이 높아지게 된다.

본 발명에 있어서, 유기물의 제거는 석출된 철산화물에 의해 폭기조내 호기성 박테리아의 증식을 촉진시켜 유기물질의 산화, 분해능력을 증가시켜 최종침전지에서 침전시켜 제거하게 된다.

본 발명에서는 철의 전기분해를 촉진하기 위하여, 전기분해조 하부에서 에어공급 펌프를 통해 공기를 공급하는 산기관을 설치하였다. 상기 산기관은 에어공급 펌프로부터 유입된 공기를 저장하는 에어탱크와 에어탱크 내부의 에어를 전기분해조로 분산시키는 에어 디스트리뷰터로 구성된다.

상기 산기관은 에어공급펌프로부터 공급되는 공기 중의 산소가 혼합액속에서 좀 더 잘 용해되도록 하고, 철전기분해조의 처리수의 혼합을 용이하게 하며, 철의 분해 및 부식을 촉진하게 된다.

본 발명에 따른 전기분해장치는 호기조에서 처리된 유입수를 철 전기전해조(21)로 공급하는 (a)유입수 공급부(22), 외부공기를 철 전기전해조(21)로 공급하는 (b)에어공급부(23), 유입된 처리수에서 철전기분해모듈을 이용하여 철을 전기분해하는 (c)철 전기전해조(21), 철 전기전해조에서 전기분해된 철이온을 함유하는 처리수를 호기조로 재공급하는 (d)호기조 공급부(26), 철전기전해조 모듈(30)에서 전기분해에 의해 발생하는 브라운가스를 배출시키는 (e)가스배출부(24, 25)의 5 가지 부분으로 구성된다 (도 2).

상기 철전기전해조(21)의 측면은 전해조의 배출량을 산출하는 유량계(26), 전해조 내부의 온도를 측정하고 조절하는 온도계(27), 전해조의 레벨을 감시하는 레벨(28), 전해조 내부의 산화환원전위를 측정하는 ORP센서(29)를 포함하고 있으며, 상기 가스배출부는 철의 전기분해시 발생하는 브라운가스를 제거하는 장치로서 가스배기 펌프(24) 및 배기통(25)으로 구성된다.

상기 전기분해모듈(30)은 호기조에서 유입된 처리수를 이용하여 철을 전기분해하는 장치이다.

도 3은 철-전기분해장치의 전해조 구조를 나타낸 것으로, 철 전해조 케이스(31)에 전기분해조 모듈(30)이 삽입되어 있으며, 호기조로부터 처리수가 배관을 통해 플랜지(33)로 유입되면 다공판(41)에 의해서 유입수의 흐름이 조절되게 된다. 이렇게 유입된 처리수는 전기분해모듈(30)을 거쳐서 전기분해된 철이온을 함유한 상태로 다시 플랜지(32)를 거쳐 호기조로 유입된다.

이때 전해조 상단의 공기유입플랜지(34)는 전해조로 외부공기를 유입시키는 역할을 하며, 전해조 상부의 커버(36, 37)는 브라운가스의 누출을 차단하는 역할을 한다.

도 4에는 철-전기분해장치에 장착되는 전기분해모듈(30)을 나타내었으며, 전기분해모듈은 철판이 카트리지 타입으로 조립되어 있는 형태이다.

철판(51)은 브라켓(52)에 조립되어 있고 브라켓(52)은 베이스(53)에 삽입되어 있는 구조이다. 베이스(53)는 하부에 에어탱크(60)가 부착되어있고 상부에는 에어탱크(60)로부터 공급되는 공기를 분산시키는 디스트리뷰터(61)가 붙어 있어 철판(51)하부를 고정시키면서 철판에 공기를 분산하여 산기시킬 수 있는 구조로 되어 있다. 상기 베이스(53)와 철판(1) 사이를 연결하는 볼트(57)에는 링(58)이 삽입되어 전극의 전도면적을 넓히는 역할을 한다.

본 발명의 전기분해모듈은 철판을 카트리지 형식으로 삽입하도록 되어 있으며, 철판이 전기분해로 소모되었을 때, 용이하게 탈착하여 새로운 철판으로 교체할 수 있다.

본 발명에서 철판의 재질은 여러가지 철 종류를 제한 없이 사용할 수 있으며, 하기 실시예에서는 SS 재질의 철판을 사용하였다. 본 발명에서 사용되는 철은 모듈에 장착할 수 있는 판상형태로 제형하여 사용하는 것이 바람직하며, 모듈의 철판 간격은 10~30mm인 것이 바람직하다.

전기분해모듈(30)의 전기공급방식은 1초 ~ 1시간 간격으로 (+) 단자와 (-)단자를 전기적으로 교환하는 방식으로 철판에 붙어있는 이물질을 제거할 수 있다.

본 발명에 있어서, 전해조의 운영은 컴퓨터에 의한 자동운영방식으로 온도, 레벨, 유량제어, 동력제어 및 산화량을 제어할 수 있는 통합관리방식의 HMI구조인 것이 바람직하다.

본 발명의 철-전기분해 장치는 오폐수처리에 사용되는 처리조의 어느 곳에든 설치할 수 있으나, 호기조 상부에 설치하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용되는 혐기조/무산소조/호기조를 포함하는 기존의 오폐수처리용 생물반응조는 기존의 오폐수 처리에 사용되는 생물반응조라면 제한 없이 사용할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예

- 실시예에서 사용한 처리시스템은 생물반응조가 혐기조, 무산소조, 호기조로 구분된 A2O 공정의 호기조에 철전기분해장치가 설치된 공정이며, 슬러지는 장당하수처리장 잉여슬러지를 사용하였으며 유입수의 종류는 하수이다. 반응조의 크기는 하기와 같다.

· 혐 기 조 : W1.6m×L1.5m×H1.75m, 4.2㎥

· 무산소조 : W1.6m×L1.5m×H1.75m, 4.2㎥

· 호기조가 : W1.6m×L3.0m×H1.75m, 8.4㎥

· 전체용적 : 16.8㎥

· 철전기분해조 : W0.65m×L1.0m×H0.8m, 0.52㎥

- 본 발명에 따른 철-전기분해의 고도처리 시스템의 운전조건

철-전기분해의 고도처리 시스템의 하루 처리용량은 50톤으로 조정하고, 혐기조, 무산소조 및 호기조를 각각 2시간, 2시간 및 4시간으로 총 8시간의 체류시간을 유지하고, 처리수의 반송은 내부반송 100%와 외부반송 50%로 운전하였다.

전기분해모듈에 장착되는 철판의 표면적은 1,800㎠이었으며, 모듈은 양극과 음극 1세트로 3개조를 구성하였으며, 철판에 인가하는 전압 및 전류는 각각 6V 및 20A로 유지하며 실험을 진행하였다.

인 제거효율

유입수의 T-P(전체 인) 농도는 3.27㎎/L 유입되고, 처리수 T-P농도는 0.39㎎/L로 본 실시예에서 사용한 시설의 T-P 제거효율은 88.1%로 나타났으며 철전기분해조에서 석출된 철염이 혐기조에서 용출된 인산염과 흡착 반응하여 제거효율이 높게 유지되었고, 이때 2차 침전조에서 혐기조로 반송에 의해 전기분해조 및 2차 침전조에서 반응하지 않은 철염이 반응조 내에서 다시 반응을 일으켜 반응조 전체 인산염이 낮게 유지된다는 것을 알 수 있었다.

질소 제거 효율

유입수의 T-N(전체 질소)농도는 31.8㎎/L로 유입되고, 처리수 T-N는 9.12㎎/L로 T-N제거효율은 71.3%로 나타났으며, 평균C/N비가 2.26로 낮으면서도 T-N 제거효율은 높게 나온 것으로 보아 석출된 철에 부유물질이 응집되는 현상으로 인하여 부가적으로 질소가 제거되었다는 것을 알 수 있었다.

유기물 제거 효율

유입수의 BOD(생물학적 산소요구량)는 71.2㎎/L로 유입되고, 처리수 BOD는 5.21㎎/L로 안정하게 배출되었고, 본 시설의 BOD 저감효율은 92.7%로 나타났으며, 유입수의 COD(화학적 산소요구량)Mn 농도는 50.0㎎/L로 유입되고, 처리수 CODMn는 5.6㎎/L로 본 시설의 CODMn 감소효율은 88.8%로 나타났다.

유입수의 SS(Suspended Solid) 농도는 평균 81.9㎎/L로 유입되고, 처리수의 SS는 평균 5.38㎎/L로 본 실시예의 SS제거효율은 93.4%로 나타났으며, 이는 석출된 철이 부유물질의 침전과정에서 함께 흡착되어 슬러지의 침강성을 양호하게 유지하기 때문에 처리수의 유기물질 농도가 낮아진 것으로 나타났다.

본 실시예의 철-전기분해의 고도처리 시스템의 폐수 처리 효율을 표 1에 나타내었다.

철-전기분해를 이용한 폐수의 고도처리 시스템의 폐수 처리 효율

항 목	단 위	유 입 수	방 류 수	처리효율 (％)
BOD₅	㎎/l	71.2	5.21	92.7
COD_Mn	㎎/l	50.0	5.60	88.8
SS	㎎/l	81.9	5.38	93.4
T-N	㎎/l	31.8	9.12	71.3
T-P	㎎/l	3.27	0.39	88.1

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다.

본 발명은 오폐수 내의 유기물, 인 및 질소를 효과적으로 제거할 수 있는 오폐수처리용 철-전기분해장치를 제공하는 효과가 있으며, 상기 철-전기분해장치가 장착된 철-전기분해를 이용한 오폐수의 고도처리 시스템을 제공하는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 상기 전기분해장치를 사용하는 것을 특징으로 하는 오폐수 처리방법을 제공하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 혐기조, 무산소조, 호기조, 전기분해장치로 구성되는 철-전기분해를 이용한 폐수의 고도처리 시스템의 플로우시트이다.

도 2는 본 발명의 철-전기분해장치의 플로우시트이다.

도 3은 본 발명의 철-전기분해장치의 전해조의 구조를 나타낸 것으로, a)는 철-전기분해장치의 전해조의 평면도이며, b)는 철-전기분해장치의 전해조의 A-A 단면도, C)는 철-전기분해장치의 전해조의 B-B 단면도이다.

도 4는 본 발명의 철-전기분해장치의 전기분해모듈의 구조를 나타낸 것으로, a)는 전기분해모듈의 평면도이며, b)는 전기분해모듈의 A-A 단면도이고, c)는 전기분해모듈의 B-B 단면도이다.

도 5는 본 발명의 전기분해모듈의 구조를 3D로 나타낸 것이다.

도 6은 본 발명의 전기분해모듈의 구조를 3D로 나타낸 것이다.

(부호의 설명)

21- 철 전기전해조 22- 호기조 처리수 공급펌프

23- 에어 공급 펌프 24- 가스배기 펌프

25- 배기통 26- 유량계

27- 온도계 28- 레벨

29- ORP 센서 30- 전기분해모듈

31- 케이스 32- 플랜지

33- 플랜지 34- 공기 유입플랜지

35- 브라운가스 배출 플랜지 36- 상부커버 a

37- 상부커버 b 30- 전기분해모듈

38- 지지대 39- 지지대

40- 수평조절 다리 41- 다공판

51- 철판 52- 브라켓

53- 베이스 54- 베이스 손잡이

55- 전극연결단자 56- 전극연결단자

57- 볼트 58- 링

59- 커버 60- 에어 탱크

61- 에어 디스트리뷰터

Claims

호기조에서 처리된의 유입수를 철 전기전해조(21)로 공급하는 유입수 공급부(22), 외부공기를 철 전기전해조(21)로 공급하는 에어공급부(23), 유입된 처리수에서 철-전기분해모듈(30)을 이용하여 철을 전기분해하는 철 전기전해조(21), 철 전기전해조에서 전기분해된 철이온을 함유하는 처리수를 호기조로 재공급하는 호기조 공급부(26), 철전기전해조 모듈(30)에서 전기분해에 의해 발생하는 브라운가스를 배출시키는 가스배출부(24, 25)를 포함하는 오폐수처리용 철-전기분해장치.
제1항에 있어서, 철-전기분해모듈(30)은 철판(51)이 브라켓(52)에 조립되어 있고 상기 브라켓(52)은 베이스(53)에 삽입되어 있는 구조로, 상기 베이스(53)는 하부에 에어탱크(60)가 부착되어 있고 상부에는 에어탱크(60)로부터 공급되는 공기를 분산시키는 디스트리뷰터(61)가 붙어 있어 철판(51)하부를 고정시키면서 철판에 공기를 분산하여 산기시킬 수 있는 구조인 것을 특징으로 하는 오폐수처리용 철-전기분해장치.
혐기조, 무산소조, 호기조, 전기분해장치로 구성되는 오폐수처리장치에 있어서, 상기 전기분해장치가 호기조에서 처리된의 유입수를 철 전기전해조(21)로 공급하는 유입수 공급부(22), 외부공기를 철 전기전해조(21)로 공급하는 에어공급부(23), 유입된 처리수에서 철-전기분해모듈(30)을 이용하여 철을 전기분해하는 철 전기전해조(21), 철 전기전해조에서 전기분해된 철이온을 함유하는 처리수를 호기조로 재공급하는 호기조 공급부(26), 철전기전해조 모듈(30)에서 전기분해에 의해 발생하는 브라운가스를 배출시키는 가스배출부(24, 25)를 포함하는 것을 특징으로 하는 철-전기분해를 이용한 오폐수의 고도처리 시스템.
제1항의 전기분해장치를 사용하는 것을 특징으로 하는 오폐수의 처리 방법.