KR100565731B1

KR100565731B1 - 악성폐수 처리장치 및 그 처리방법

Info

Publication number: KR100565731B1
Application number: KR1020040059002A
Authority: KR
Inventors: 기 빅터
Original assignee: 기 빅터
Priority date: 2004-07-28
Filing date: 2004-07-28
Publication date: 2006-03-29
Also published as: KR20060010342A

Abstract

본 발명은 수중의 폐수를 정화하는 악성폐수 처리장치 및 그 처리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 그물망형상의 양극판과 음극판이 서로 교대로 설치된 전극판부로 형성된 반응조와 반응조에 Fe²⁺이온을 첨가시켜 반응조에서 피처리수를 전기분해와 화학반응을 이용하여 수중의 질산성, 아질산성 질소, 암모니아성 질소, 유기성 질소, 난분해성 COD, 부유물질, 색도 등을 제거하고, 살균작용까지 가능케한 악성폐수 처리장치 및 그 처리방법에 관한 것이다.

악성폐수, 처리수, 펜톤산화, Fe, 부유물질

Description

악성폐수 처리장치 및 그 처리방법{Acidic waste water treatent apparatus and its treatent method}

도 1은 본 발명에 따른 악성폐수 처리장치를 도시한 요부분해 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 악성폐수 처리장치를 도시한 측단면도.

도 3은 본 발명에 따른 전극판부를 도시한 사시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 성명 *

1 : 반응조 2 : 피처리수유입구

3 : 피처리수처리부 4 : 전극판부

41 : 양극판 42 : 음극판

5 : 처리수체류부 6 : 격막

7 : 처리수배출관 8 : 처리수방류밸브

9 : 체인 10 : 스크렙퍼

11 : 스컴집수조

일반적으로 폐수를 정화하는 기술은 그 동안 많이 발전되어 왔고, 그 방법도 생물학적, 화학적, 물리적인 방법 등이 다양하게 발전되어 왔다. 이러한 다양한 폐수 를 정화하는 방법 중 그 동안 가장 널리 사용되어온 폐수 정화방법은 생물학적 처리 방법이다.

이러한, 생물학적 처리 방법은 오랜 기간에 걸쳐 검증된 방법으로 성능과 경제성이 입증된 방법이나, 생물학적 방법으로는 처리하지 못하는 폐수 또한 주변에 너무나 많고, 그 예로는 유독성 공장폐수, 매립지 침출수, 축산폐수등이 대표적인 예일 것이다.

이와 같은 폐수들은 오염물 농도가 너무 높거나, 미생물을 죽이는 독성 물질이 포함되어 있기에, 생물학적 처리가 불가능하거나 완전하지 못하는 문제점이 있 었다.

이러한, 폐수를 정화한다는 개념은 수중으로부터 유기물(COD나 BOD)제거, 현탁 부유물질제거(SS), 질소, 인등 영양염류 제거, 색도 제거, 살균 등을 목적으로 하며, 이들 모든 항목이 모두 처리되어야 비로서 달성되는 것이다.

이때, 수중의 질소는 크게 유기성질소, 암모니아성 질소, 질산성 질소, 아질산성 질소로 대별된다. 지금까지 수중의 질소 제거는 미생물에 의한 제거에 의존해왔다. 미생물에 의한 질소제거는 오랫동안 검증된 방법이긴 하지만 반응속도가 느려서 부지를 많이 차지하고, 독극물 등에 의해 미생물이 사멸되는 경우 처리가 불가능하고 복구가 느리며, 특히 고농도 산업폐수에는 적용이 어려운 문제점이 있었다.

이러한 단점을 보완하기 위해 여러 가지 물리적 처리, 화학적 처리, 혹은 전기 화학적 방법이 최근 개발되었다. 물리적인 방법으로는 역삼투막에 의한 분리, 이온교환 수지에 의한 분리, 농축 증발 등에 의한 분리방법이 있고, 화학적 처리방법은 미국특허번호 6,030,520에 제시한 질산성 질소를 아질산성 질소로 환원시킨 후, 술팜산이나 요소 등의 아미드 산과 반응시켜 질소 가스로 전환 제거하는 방법이 있으며, 전기 화학적 처리 방법으로는 국제 특허 국내 특허번호 특허2002-0089520호, 특허2003-00202821호 등이 있었다.

이와 같이, 물리적 처리방법은 수중의 질소를 농축 분리하는 방법으로서 진정한 의미의 처리방법으로 볼 수 없다. 미국특허번호6,030,520에 의한 방법은 질산성 질소와 아질산성 질소만을 처리할 수 있고, 암모니아성질소와 유기질소는 처리 가 불가능한 문제점이 있었다.

또한, 국내 특허2002-0089520호, 특허2003-00202821호에서는 오수 등 소규모 저농도 질소 처리에 중점을 두고 개발되었으나, 반응 속도가 느려서 고농도 산업폐수에 적용하기 힘들고, COD와 부유물질(SS), 인 제거효과가 없거나 미미한 문제점이 있었다.

이러한, 난분해성 COD를 제거하기 위한 방법으로 가장 널리 쓰이는 방법이 펜톤산화이고, 이는 철금속 이온(Fe²⁺)과 과산화 수소(H₂O₂)를 폐수 중에 주입하여 산화력이 뛰어난 OH 기(基, radical)를 발생시켜 COD를 제거하는 화학적 방법이고, 이 방법은 COD 제거효율은 뛰어나지만 질소를 제거하지 못하는 한계가 있는 문제점이 있었다.

이를 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 반응속도가 빠르고, 모든 종류의 질소를 제거할 수 있고, 고농도 질소 처리도 가능함과 동시에 COD처리 효율이 높고, 부유물질과, 인, 색도 제거, 살균을 동시에 제공할 수 있는 악성폐수 처리장치 및 처리방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적인 수단으로,

피처리수가 유입되는 피처리수유입구와, 상기 피처리수유입구에서 공급된 피처리수가 일부 간접산화에 의해 부유물질들이 미세기포에 의해 수면으로 부상하는 피처리수체류부와 피처리수체류부에서 일부 간접 산화된 피처리수를 강력한 산화제 에 의해 직접산화와 환원이 이루어져 COD와 질소가 제거하는 전극판부과, 상기 전극판부를 통과한 처리수에서 미처리된 부유물질이 부상되도록 연속적으로 간접산화를 진행하는 처리수체류부와, 상기 처리수체류부에서 배출되는 처리수는 격막 밑을 지나 처리수배출관을 따라 방류하는 처리수방류밸브로 구성된 반응조와; 상기 반응조(1) 상부에 부상된 부유물질을 외부로 배출하는 체인과 스크렙퍼가 설치되어 이루어진다.

또한, 상기 전극판부는 양극판과 음극판을 교대로 설치하고, 전극판부의 형상을 표면적이 증대되도록 다수개의 구멍이 형성된 그물망형상으로 형성하며, 다수의 양극판과 음극판을 교대로 설치된 각 전극판이 한 장의 판으로 구성된 것이 아니고 여러장을 묶어서 하나의 전극판을 형성하게 하여 각각 3차원 공간을 형성시켜 각 전극의 표면적을 최대화하며, 상기 전극판부의 재질을 양극은 티타늄에 산화이리듐, 스트론튬, 혹은 산화이리듐과 스트론튬을 혼합 코팅하여 사용하며, 음극은 아연, 청동, 알루미늄, 철 및 그 합금을 혼합하여 사용하여 이루어진다,

그리고, 폐수 처리방법에 있어서, 처리수유입구에 공급되는 유입수에 Fe²⁺이온을 투입하여 전극판부에 의해 전기펜톤산화가 이루어지는 것이다.

이에, 첨부도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 악성폐수 처리장치를 도시한 요부분해 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 악성폐수 처리장치를 도시한 측단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 전극판부를 도시한 사시도이다.

본 발명은 전기분해와 화학반응을 같은 반응조에서 연속적으로 일어나게 하여 수중의 질소는 물론 COD. 부유물질, 색도, 인을 제거하는 폐수 처리장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 처리장치에 의한 질소제거 원리는 환원력이 뛰어난 금속을 이용하여 질산성질소를 아질산성질소나 암모니아성 질소로 환원시켜 일부는 직접 질소가스로 환원시키고 일부는 전기분해에 의해 생성된 차아 염소산(하이포아염소산:hypochlorous acid)과 화학반응시켜 제거하며, 유기성질소와 암모니아성질소는 차아염소산에 의해 직접산화 시키므로 모든 종류의 질소를 제거하는 것이다.

이와 같은 모든 종류의 질소를 제거하기 위한 환원제용 금속은 많은 금속 중 예를 들면 마그네슘, 망간, 아연, 크롬, 철, 카드미움, 주석, 알루미늄, 납 등의 금속이 질산성 질소를 환원시킬 수 있는 금속으로 알려져 왔고, 질산성 질소가 이들 금속에 의해 환원된 후 어떤 성분으로 바뀌느냐는 반응온도와 ph 그리고 환원제로 사용된 금속의 종류에 따라 결정되는 것이다.(Durrant,J.P;Drrant,B.lntroduction to Advanced lnorganic Chemistry, 2nd ed.;Wiley & Son: New York, 1970;p703)

이들 금속에 의한 환원 후의 성분은 대개 NO2. N2O, NO, N2, NH3등으로 나타나는 것으로, 이와 같은 경우의 화학반응식1은 아래와 같이 나타낼 수 있다.

[화학반응식1]

음극반응

NO₃ ^-+ 2e^-+ H₂O → NO₂ ^-+ 2OH^-

2NO₂ ^-+ 6e^- + 4H₂O → N2 + 8OH^-

양극반응

2OH^-→ H₂O + 1/2O₂+ 2e^-

6OH^-→ 3H₂O + 3/2O₂+ 6e^-

음극에서 상기와 같이 아질산성 질소(NO₂ ^-)가 직접 전기분해에 의해서 질소가스(N₂)로 환원되기도 하지만 일부는 암모니아성 질소로 환원되는 것으로, 이때의 화학반응식2는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

[화학반응식2]

NO₂ ^-+ 6e^-+ 5H₂O → NH₃ + 7OH^-

이와 같은, 화학 반응에 의해 생성된 암모니아는 파괴점 연소 주입법으로 알려져 있는 방법으로 제거가 가능한 것이고, 단지 염소는 소금(NaCl)을 반응조에 주입해 주므로서, 전기분해조에서 생성시킬 수 있는 것으로, 이때의 화학반응식 3은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

[화학반응식3]

Cl^-+ H₂O → ClO^-+ 2H⁺+ 2e

2NH₄ ⁺+ 3ClO^-→ N2 + 6e^-+ 3Cl^-+ 2H⁺+ 3H₂O

일반적으로, 악성폐수인 처리수에는 상당량의 염소이온(Cl^-)이 포함되어있기 때문에 많은 경우 따로 소금을 추가로 투입 할 필요가 없는 것이다.

또한, 지금까지 전기분해방식으로 고농도 질소폐수를 처리할 수 없었던 또 다른 이유는 금속에 의한 질산의 환원속도가 느리기 때문이다.

이러한, 질산의 환원은 환원금속의 표면에서 발생하기 때문에 극판의 표면적에 비례하는 것으로, 표면적이 넓을수록 반응속도가 빨라지는데, 표면적을 넓게 하려면 극판의 숫자가 지나치게 많아져 경제성이 없게 되는 문제점을 해결하기 위해 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 처리장치에서는 극판의 표면적을 극대화하기 위하여, 금속을 그물망처럼 확장시켜 다수의 확장된 판을 겹겹이 겹쳐 하나의 극판을 이루도록 3차원 공간을 만들어 사용한 것이다.

이와 같이, 상기 극판을 그물망형상으로 형성함으로서, 표면적이 많은 극판을 사용하여 반응속도를 빠르게 하고, 필요 극판 숫자를 줄이며, 반응조의 크기도 대폭 줄일 수 있는 장점이 있는 것이다..

이때, 전기분해조는 음극판과 양극판이 교대로 설치되는 양극의(bipolar) 전기분해조 형태로 운영되는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 처리장치에 의한 COD제거 원리는, 전기분해 과정 중에 여러 가지 강력한 산화제가 발생하게 되는데 예를 든다면 Cl₂, ClO₂, O₃, OH기, HClO, H₂O₂, O₂, H₂, CO₂이 발생하는 것이다.

이때, 상기 산화제 중 OH기, O기, HClO는 강력한 산화제로서 유기물을 쉽게 분해할 수 있는 것이다.

그러나, OH기, O기는 산화력이 강한 대신 수명이 짧고, 이들은 생성 즉시 유기물과 반응하여 유기물을 산화시키거나, 스스로 분해되어 O₂, Cl₂, O₃, ClO₂, H₂O₂으로 변하는 것이고, 산화제 Cl₂, ClO₂, O₃, HClO, H₂O₂는 OH기, O기 보다는 산화력이 약하나 수명이 길며, 대부분 폐수의 경우 이들에 의한 산화에 의해 충분히 COD제거가 이루어지는 것이다.

그러나, 난분해성 COD가 많은 폐수인 경우, 이들을 분해하기 위해서는 더 많은 양의 강력한 산화제를 필요로 할 수 있기 때문에, 이와 같은 경우에는 전기 펜톤(Electro-Fenton)산화를 유도하여 OH기를 지속적으로 전기분해조에서 생산 할 수 있도록 하므로서 COD제거 효과를 증가시켜 난분해성 COD를 제거하는 것이다.

위에서 언급한 기존의 펜톤산화는 H₂O₂와 Fe²⁺를 투입 반응시켜 OH 기를 생성시키는 반면, 본 발명에 따른 처리장치에서는 음극에서 발생하는 전기 분해 과정에서 발생하는 H₂O₂를 이용하여Fe²⁺를 투입하여 줌으로서, OH 기가 생성되도록 유도하는 것으로, 이때, 화학반응식4는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

H₂O - 2e → 0.5O₂ + 2H⁺(양극 반응)

O₂ + 2H⁺ + 2e → H₂O₂(음극 반응)

Fe²⁺ + H₂O₂ → Fe³⁺ + OH^- + [OH 기]

유기물 + [OH 기] → 중간 생성물(intermediate) + CO₂ + H₂O

일반적으로, 부유물질(SS) 및 인(P)제거는 필터나 응집. 침전 혹은 용존산소 부상분리방법(DAF : Dissolved Air Flotation)등의 방법에 의해 제거하는 것으로, 그 중 DAF는 부유성 미세한 입자를 효과적으로 잘 걸러내는 방법으로 잘 알려졌으며 널리 사용되고 있는 것이다.

상기 DAF 원리는 공기를 압력 탱크에 물과 함께 압축시켜 공기를 아주 작은 입자상태로 물 속에 용해시킨 후, 압력을 풀어 주면, 공기방울이 수면으로 부상하면서 물 속의 부유물질을 함께 부상시켜 분리해 내는 방법이고, 상기 DAF의 성능은 어떻게 공기를 물 속에 잘 용해되어 있는가에 의해 그 효과가 달라지는 것이다.

이와 같이, 본 발명에 따른 처리장치는 압력장치가 없어도 미세한 공기를 물 속에 용해시켜 공급하는 것으로, 양극에서는 미세한 산소(O₂)가 발생하고 음극에서 수소(H₂)가 발생하기 때문인 것이다.

이들은 물 속에 용해되어 있어서 자연적으로 성능 좋은 DAF 역할을 할 수 있는 것이다.

물론, 모든 종류의 전기 분해에서는 산소든 수소든 가스가 발생하지만 DAF로서의 성능을 발휘할 수 있도록 하는 것은 전기분해조의 설계를 그에 맞는 조건으로 설계해야 하며, 오염부하량에 따른 적절한 수 표면적이 제공되어야 하는 것이다.

도 1과 도2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 처리장치인 반응조(1)의 구성과 함께 그 작동 원리를 설명하면, 피 처리수가 피처리수유입구(2)로 유입되면, 피처리수체류부(3)에서 부유물질들은 미세기포에 의해 수면으로 부상하고, 유기물질 등이 상기 언급한 여러 가지 산화제에 의해 일부 간접 산화되는 것이다.

이와 같이, 피처리수체류부(3)을 거쳐 직접산화와 환원을 이루는 전극판부(4)는 그 재질을 양극판(41)은 티타늄에 산화이리듐 혹은 산화스트론튬, 혹은 이리듐과 스트론튬을 섞어 코팅하며, 음극판(42)은 아연, 청동, 알루미늄, 철 및 그 합금을 혼합하여 사용하고, 양극판(41)과 음극판(42)을 교대로 다수개 설치하여 상기 피처리수체류부(3)에서 공급되는 피처리수가 양극판(41)과 음극판(42)이 교대로 설치함으로서, 전극판부(4)를 통과하면서 강력한 산화제에 의해 직접산화와 환원이 이루어지며 COD와 질소가 제거되는 것이다.

이때, 상기 전극판부(4)는 처리수의 산화작용을 증대 시키기 위해 표면적이 넓은 판체 내부에 무수한 통공이 형성된 그물망형상으로 제작하는 것이 바람직 할 것이다.

상기 전극판부(4)를 통과한 처리수는 처리수체류부(5)에서 피처리수처리부(3)에서 미처리된 부유물질이 부상되게 연속적으로 간접산화가 진행되는 것이다.

상기 처리수체류부(5)를 통과한 처리수는 반응조 일측에 형성된 격막(6) 밑 을 지나 처리수배출관(7)을 따라 방류되는 것이다.

한편, 피처리수체류부(3)와, 처리수체류부(5)의 상부에는 시간이 경과함에 따라 부유물질인 스컴층이 두터워지고, 상기 반응조(1) 상부에 스컴층이 지나치게 두터워지면 처리수배출관(7) 일측에 형성된 처리수방류밸브(8)를 닫아 반응조(1) 내의 수위가 전극판부(4) 위로 올라가게 하여 처리수의 수위가 일정하게 되면, 체인(9)과 스크렙퍼(10)를 이용하여 반응조 외측에 설치된 스컴집수조(11)로 스컴을 배출하여 반응조(1) 외부로 스컴을 제거할 수 있도록 한 것이다.

이때, 상기 반응조(1)의 내부에서는 스컴이 배출되는 기간에도 지속적으로 처리수를 처리하여 처리수량을 증대시킬 수 있는 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 전기적, 화학적, 물리적 처리 방법을 하나의 반응조 내에서 구성하여, 고농도 질소처리의 경제적이고, 80~90% 난분해성 COD 처리효율을 제공하여 처리효과를 증대 시켰으며, 부유물질, 인, 색도는 물론 살균까지 완벽하게 처리할 수 있으므로, 지금까지 많은 장비와 넓은 부지를 차지하던 기존 장비를 대체 할 수 있을 뿐만 아니라, 특히 질소 농도가 높고 독성을 띄는 도금 폐수, 매립지 침출수, 축산폐수, 염색 폐수, 비료 제조 폐수, 정유 화학폐수, 제초제, 살충제 폐수 등을 처리하는데 탁월한 효과가 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구의 범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims

피처리수가 유입되는 피처리수유입구(2)와,

상기 피처리수유입구(2)에서 공급된 피처리수가 일부 간접산화로 인해 부유물질들이 미세기포에 의해 수면으로 부상하는 피처리수체류부(3)와

피처리수체류부(3)에서 일부 간접 산화된 피처리수를 강력한 산화제에 의해 직접산화와 환원이 이루어져 COD와 질소가 제거하는 전극판부(4)와.

상기 전극판부(4)를 통과한 처리수에서 미처리된 부유물질이 부상되도록 연속적으로 간접산화를 진행하는 처리수체류부(5)와

상기 처리수체류부(5)에서 배출되는 처리수는 격막(6) 밑을 지나 처리수배출관(7)을 따라 방류하는 처리수방류밸브(8)로 구성된 반응조(1)로 이루어진 것에 있어서,

상기 전극판부(4)는 형상을 표면적이 증대되도록 다수개의 구멍이 형성된 그물망형상으로 하며 다수의 양극판을 교대로 설치하되 각 전극판(41,42)이 한 장의 판으로만 구성된 것이 아니고 필요에 따라 한장 또는 여러장을 묶어서 하나의 전극을 형성하게 하여 각각 3차원 공간을 형성시켜 각 전극의 표면적을 최대화한 것을 특징으로 하는 악성폐수 처리장치.
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제 1항에 있어서, 상기 전극판부(4)의 재질을 양극판(41)은 티타늄에 산화이리듐 혹은 산화스트론튬, 혹은 이리듐과 스트론튬을 섞어 코팅하며, 음극판(42)은 아연, 청동, 철 및 그 합금을 혼합하여 사용한 것을 특징으로 하는 악성폐수 처리장치.
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