KR100598596B1 - Electrochemical wastewater treatment method for nitrogen removal and device thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수중 질소 제거용 전기화학적 수처리방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고효율의 전기화학적 방법을 이용하여 수중 여러 형태의 질소(NH3-N, NO2-N, NO3-N, Org-N)를 동시에 질소가스형태로 배출하고 또한 배출된 처리수는 중수로 재활용할 수 있는 경제적이고 환경친화적인 수처리방법 및 장치에 관한 것이다. The present invention relates to an electrochemical water treatment method and apparatus for removing nitrogen in water, and more particularly, various types of nitrogen in water (NH 3 -N, NO 2 -N, NO 3 -N, using a highly efficient electrochemical method). The present invention relates to an economical and environmentally friendly water treatment method and apparatus for simultaneously discharging Org-N) in the form of nitrogen gas and recycling the treated water to heavy water.
본 발명의 수처리방법 및 장치를 이용하면 기존의 전기분해 방법과 달리 수중 질소를 고농도로 농축시켜 처리함으로써 전류효율을 높일 수 있어 전력비용 등의 운전비용을 대폭 감소시킬 수 있다.Unlike the conventional electrolysis method, the water treatment method and apparatus of the present invention can increase current efficiency by concentrating and treating nitrogen in water at a high concentration, thereby significantly reducing operating costs such as power costs.
질소제거, 수처리, 전기화학, 산화전극, 환원전극, 이온교환수지 Nitrogen removal, water treatment, electrochemistry, anode, cathode, ion exchange resin
Description
도 1은 본 발명에 따른 수처리에 적합한 전기화학 반응기를 포함하는 전체 처리공정 구성도이고,1 is an overall treatment process diagram including an electrochemical reactor suitable for water treatment according to the present invention,
도 2는 본 발명에 따른 음극환원 전극 적용시의 질산성 질소의 처리효율을 나타낸 그래프이다.Figure 2 is a graph showing the treatment efficiency of nitrate nitrogen when applying a cathode reduction electrode according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1-1 : 양이온교환수지 1-2 : 음이온교환수지1-1: cation exchange resin 1-2: anion exchange resin
2-1 : 전기화학 반응기 2-2 : 전기전도도 센서2-1: electrochemical reactor 2-2: conductivity sensor
2-3 : 전해질 공급조2-3: electrolyte supply tank
3-1 : 잔류염소 환원조 3-2 : ORP 센서3-1: residual chlorine reduction tank 3-2: ORP sensor
3-3 : 환원제 공급조3-3: Reductant Supply Tank
[산업상 이용 분야][Industrial use]
본 발명은 기존의 전기분해 방법과 달리 수중의 질소를 고농도로 농축하여 고효율의 전기화학 처리를 수행함으로써 전류효율을 높여 전력비용을 감소시킬 수 있는 수중 질소 제거용 전기화학적 수처리방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an electrochemical water treatment method and apparatus for removing nitrogen from water, which can reduce power cost by increasing current efficiency by performing high-efficiency electrochemical treatment by concentrating nitrogen in water at a high concentration unlike conventional electrolysis methods. .
[종래 기술][Prior art]
수중의 질소는 크게 유기성 질소(Organic nitrogen), 암모니아성 질소(NH3-N), 아질산성 질소(NO2-N) 및 질산성 질소(NO3-N)로 이루어져 있다. 이들 질소가 수계로 유입되어 오염될 경우 수계의 부영양화가 촉진되어 조류가 발생되며, 이로 인하여 산소부족 및 독성물질 배출에 의해 물고기가 폐사하는 등 생태계가 파괴되므로, 이의 적절한 처리가 수질관리 측면에서 매우 중요하다. 또한 질산성 질소 성분을 다량 함유하고 있는 하천수가 상수원수로 사용될 경우, 유아 피부 창백증, 갑상선종 등의 건강장해를 초래할 수 있어 이에 대한 적적할 조치를 요한다.Nitrogen in water is largely composed of organic nitrogen (Organic nitrogen), ammonia nitrogen (NH 3 -N), nitrite nitrogen (NO 2 -N) and nitrate nitrogen (NO 3 -N). When these nitrogens are introduced into the water system and contaminated, the eutrophication of the water system is promoted and algae are generated, which causes the ecosystem to be destroyed, such as the death of fish due to lack of oxygen and the release of toxic substances. It is important. In addition, if the river water containing a large amount of nitrate nitrogen is used as a constant source water, it may cause health problems such as infant skin paleness and goiter, so appropriate measures are required.
산업발전으로 인하여 폐수 발생량은 해마다 꾸준히 증가하고 있는 실정이다. 이중에서도 비료, 도금, 화약, 염료, 전자 등의 산업에서 유발된 고농도의 질소함유 폐수가 호수, 저수지 및 하천 등으로 유입됨에 따라 수질이 악화되어 가고 있다. 특히 세계적인 무대로 도약하고 있는 반도체 및 전자 산업은 난분해성 질소함유 폐수를 다량 배출하고 있어 수질을 더욱 악화시키고 있는 주요 인자로 지목됨에 따라 이에 대한 효과적인 처리 방안이 필요하다. Due to industrial development, the amount of wastewater generated is steadily increasing year by year. Among these, water quality is deteriorating as high concentration of nitrogen-containing wastewater generated in industries such as fertilizers, plating, gunpowder, dyes and electronics flows into lakes, reservoirs and rivers. In particular, the semiconductor and electronics industry, which is leaping to the global stage, emits large amounts of difficult-decomposable nitrogen-containing wastewater, which is considered as a major factor worsening the water quality.
현재 수중 질소를 처리하는 대부분의 기술은 생물학적 처리에 기본을 두고 있으며, 생물독성 물질이 포함되어 있거나 영양원이 낮거나 생분해도가 낮은 난분해성 폐수에 대해서는 효과적이면서 경제적인 처리방법이 없어 이에 대한 기술개발이 절실하다. 상기 생물학적 처리공법에는 별도로 메탄올 등 탄소원을 투입해야하며 그 반응 시간이 길어 많은 공간부지가 소요되는 문제점이 있으며 또한 물의 온도, 용존산소량, 미생물농도 등의 인자에 의해 처리 효율이 크게 변하기 때문에 운전상 어려움이 많다.Currently, most technologies for treating nitrogen in water are based on biological treatment, and there is no effective and economical treatment method for hardly degradable wastewater containing biotoxic substances, low nutrients or low biodegradation. This is desperate. In the biological treatment method, a carbon source such as methanol must be added separately, and the reaction time is long, so that a lot of space is required. Also, the treatment efficiency is greatly changed by factors such as water temperature, dissolved oxygen amount, and microbial concentration, which makes it difficult to operate. There are many.
이와 같은 생물학적 처리공법의 단점을 보완하기 위하여, 여러 가지 방법이 연구되고 있는바, 그 중 하나가 전기화학적인 공법이다. 전기화학적인 공법은 오염물질의 생분해성과 관계없이 높은 제거율과 처리시간이 짧은 운전특성을 나타내어 난분해성 산업폐수 처리에 효과적인 방법으로 알려져 있다. 전기화학적 처리방법은 양극산화를 통하여 암모니아성 질소 및 유기성 질소를 처리함과 동시에 음극환원을 통하여 질산성 질소를 처리하는 방법이다. 암모니아성 질소(NH3) 및 질산성 질소(NO3)에 대한 전기화학적 산화환원 제거반응 메카니즘을 양극산화와 음극환원 반응으로 나누어 보면 다음과 같다.In order to make up for the shortcomings of such biological treatment methods, various methods have been studied, one of which is an electrochemical method. The electrochemical method is known to be an effective method for the treatment of hardly degradable industrial wastewater because of its high removal rate and short operating time regardless of the biodegradability of pollutants. Electrochemical treatment is a method of treating ammonia nitrogen and organic nitrogen through anodization and nitrate nitrogen through cathodic reduction. The electrochemical redox removal mechanisms for ammonia nitrogen (NH 3 ) and nitrate nitrogen (NO 3 ) are divided into anodic oxidation and cathodic reduction.
1. Oxidation on Anode (양극산화)Oxidation on Anode
2NH3 + 6OH- -> N2↑ + 6H2O + 6e- 2NH 3 + 6OH -- > N 2 ↑ + 6H 2 O + 6e -
2. Reduction on Cathode (음극환원) Reduction on Cathode
NO3 - + 2H2O + 3e- -> NO + 4OH- NO 3 - + 2H 2 O + 3e - -> NO + 4OH -
NO3 - + 4H+ + 3e- -> NO + 2H2O NO 3 - + 4H + + 3e - -> NO + 2H 2 O
2N + 2NO -> 2N2↑ + O2↑2N + 2NO-> 2N 2 ↑ + O 2 ↑
이러한 전기화학적 처리방법은 1990년대 이후 질소규제가 강화되면서 많은 개발이 이루어지고 있으나, 전류효율이 낮아 전력비용이 높고 설비의 안정성 문제로 인하여 아직까지 널리 상용화되지 못한 방법이며, 이에 대한 기술적 보완이 필요하다. 특히 질산성 질소의 경우 환원처리 효율이 암모니아성 질소의 산화처리 효율에 비하여 동일 전력 대비 5배 이상 낮기 때문에 주요 운전비용 상승 요인으로 지목되고 있다. 따라서 전기화학적 처리방법이 보편적인 난분해성 폐수처리 기술로 상용화되기 위해서는 질산성질소를 중심으로 전류효율을 증가시킬 수 있는 방법이 필요하다. Many of these electrochemical treatments have been developed since the 1990s because of the tightening of nitrogen regulation. However, due to the low current efficiency, high power costs and stability of the equipment have not been widely commercialized. Do. In particular, in the case of nitrate nitrogen, the reduction efficiency is more than five times lower than that of the same power as the oxidation efficiency of ammonia nitrogen, which is considered as a major driving cost increase factor. Therefore, in order for the electrochemical treatment method to be commercialized as a general hardly degradable wastewater treatment technology, a method capable of increasing the current efficiency based on nitrate nitrogen is needed.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적 은 전기화학 처리방법의 전류효율을 증가시킴으로써 질소처리를 위한 전력비용을 획기적으로 감소시킬 수 있는 수중 질소 제거용 전기화학적 수처리방법을 제공하는 것이다.The present invention has been invented to solve the above problems, an object of the present invention is to increase the current efficiency of the electrochemical treatment method of electrochemical water treatment method for the removal of nitrogen in water, which can significantly reduce the power cost for nitrogen treatment. To provide.
본 발명의 목적은 또한 상기 수중 질소 제거용 전기화학적 수처리방법을 구현하기 위한 수처리장치를 제공하는 것이다It is also an object of the present invention to provide a water treatment apparatus for implementing the electrochemical water treatment method for removing the nitrogen in water.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 In order to achieve the above object, the present invention
수중 질소 제거용 전기화학적 수처리방법에 있어서, In the electrochemical water treatment method for removing nitrogen in water,
(a) 질산(NO3 -) 또는 암모늄(NH4 +) 이온을 이온교환수지 처리하여 질소 농도를 원수 대비 10~100배 농축시키는 전처리 단계; (a) a pretreatment step of treating the nitric acid (NO 3 − ) or ammonium (NH 4 + ) ions with an ion exchange resin to concentrate nitrogen concentration 10 to 100 times compared to raw water;
(b) 농축된 고농도 질소를 전기화학적 산화반응 또는 환원반응에 의하여 제거하는 단계; 및 (b) removing the concentrated high concentration nitrogen by electrochemical oxidation or reduction; And
(c) 전기화학적 방법에 의하여 질소가 제거된 처리수를 이온교환수지의 재생수로 재활용하는 단계(c) recycling the nitrogen-treated treated water to the regenerated water of the ion exchange resin by an electrochemical method
를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 질소 제거용 전기화학적 수처리방법을 제공한다.It provides an electrochemical water treatment method for removing nitrogen in water comprising a.
본 발명은 또한,The present invention also provides
수중 질소 제거용 전기화학적 수처리장치에 있어서, In the electrochemical water treatment apparatus for removing nitrogen in water,
(a) 질산(NO3 -) 또는 암모늄(NH4 +) 이온을 이온교환수지 처리하여 질소 농도를 원수 대비 10~100배 농축시키는 이온교환수지 처리부; (a) an ion exchange resin treatment unit for treating nitric acid (NO 3 − ) or ammonium (NH 4 + ) ions with an ion exchange resin to concentrate nitrogen concentration from 10 to 100 times;
(b) 농축된 고농도 질소를 전기화학적 산화반응 또는 환원반응시켜 제거하는 전기화학적 처리부; 및 (b) an electrochemical treatment unit for removing the concentrated high concentration nitrogen by electrochemical oxidation or reduction; And
(c) 상기 전기화학적 처리부에서 질소가 제거된 이온교환수지 재생수에 환원제를 투입하여 잔류염소를 제거하는 잔류염소 환원부(c) Residual chlorine reduction unit for removing residual chlorine by injecting a reducing agent into the ion-exchange resin regeneration water from which the nitrogen is removed in the electrochemical treatment unit
를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 질소 제거용 전기화학적 수처리장치를 제공한다.It provides an electrochemical water treatment apparatus for removing nitrogen in water, comprising a.
본 발명의 발명자들은 수중 질소제거의 효율을 향상시키기 위한 전기화학적 방안을 모색하든 중, 이온교환수지를 사용하여 수중 암모늄 형태의 질소와 질산 형태의 질소를 처리하여 고농도 질소를 만든 다음 전기화학적 산화반응 또는 환원반응에 의하여 질소를 제거하고, 질소가 제거된 처리수를 이온교환수지의 재생수로 재활용함으로써, 수중 질소 제거를 위한 전기화학방법 사용시 소모되는 전류의 효율을 높일 수 있었으며, 또한 이온교환수지를 통하여 처리되어 배출된 처리수는 중수로 재활용 할 수 있다는 사실을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.The inventors of the present invention, whether to find an electrochemical method for improving the efficiency of nitrogen removal in water, using a ion exchange resin to treat nitrogen in the ammonium form and nitric acid in the water to make a high concentration of nitrogen and then electrochemical oxidation reaction Alternatively, by removing nitrogen by the reduction reaction and recycling the nitrogen-removed treated water to regenerated water of the ion exchange resin, the efficiency of the current consumed when using the electrochemical method for removing nitrogen from the water was increased. Through treatment and discharged through the treatment water found that can be recycled to heavy water to complete the present invention.
본 발명의 수처리방법은 첫째, (a) 질산(NO3 -) 또는 암모늄(NH4 +) 이온을 이온교환수지 처리하여 질소 농도를 원수 대비 10~100배 농축시키는 전처리 단계; 둘째, (b) 농축된 고농도 질소를 전기화학적 산화반응 또는 환원반응에 의하여 제거하는 단계; 및 (c) 전기화학적 방법에 의하여 질소가 제거된 처리수를 이온교환수지의 재생수로 재활용하는 단계로 진행되는 것이 특징이다. 이때 처리수의 질소농도는 TN 10mg/L 이하로 조절가능하며, 상기 적용되는 이온교환수지는 암모늄 이온과 질산 이온에 대하여 이온교환 효율이 99% 이상이 바람직하다. 상기 방법을 통하여 배출된 처리수는 중수로 재활용이 가능하므로 본 발명은 환경친화적인 수처리방법이라는 점도 본 발명의 또 다른 특징이라 할 수 있다.First, the water treatment method of the present invention comprises: (a) a pretreatment step of concentrating nitrogen concentration 10 to 100 times compared to raw water by treating an ion exchange resin with nitric acid (NO 3 − ) or ammonium (NH 4 + ) ions; Secondly, (b) removing the concentrated high concentration nitrogen by electrochemical oxidation or reduction; And (c) recycling the treated water from which nitrogen has been removed by the electrochemical method into regenerated water of the ion exchange resin. In this case, the nitrogen concentration of the treated water can be adjusted to 10 mg / L or less of TN, and the ion exchange resin to be applied has an ion exchange efficiency of 99% or more with respect to ammonium ions and nitrate ions. Since the treated water discharged through the above method can be recycled to heavy water, the present invention is another feature of the present invention that it is an environmentally friendly water treatment method.
수중의 질산(NO3 -) 및 암모늄(NH4 +) 이온을 이온교환수지 충진탑을 통과시키면 원수 대비 질소의 농도가 10~100배 이상 농축되어 전기전도도가 최소 50mS/cm 이상 상승하게 되므로 농축된 질소를 제거하기 위하여 전기화학 반응기 통과시 소비전력을 낮출 수 있다는 점이 본 발명의 핵심이다. 또한 상기 이온교환수지 충진탑을 통과시키는 점 이외에 부수하여 이차적으로 전기화학 반응기 내에서 질산성 질소 환원 처리시 일반적으로 암모니아성 질소 처리효율에 비하여 동일한 전류공급 조건에서 효율이 5배 이상 낮아지는 현상을 개선하기 위하여 음극물질을 질산 환원에 전류효율이 높은 전극으로 교체하여 2~3배 이상의 소비전력 효율 향상을 이룬 점 또한 본 발명의 핵심이라 할 수 있다. 이렇게 처리된 농축수에 전기화학 반응기를 거친 후 별도의 환원제를 투입하여 잔류염소를 제거하고, 이온교환수지 재생수로 재 활용함으로써 질소방류를 원천적으로 차단시킬 수 있어 본 발명의 기술적 완성도를 한층 더 높일 수 있었다.In water nitrate (NO 3 -) and ammonium (NH 4 +) is passed through an ion exchange resin packed column ion concentration of nitrogen than the raw water is concentrated to more than 10 to 100 times the concentration, so that the electric conductivity is increased at least 50mS / cm or more The key point of the present invention is that the power consumption can be reduced when passing through the electrochemical reactor to remove the nitrogen. In addition to passing through the ion exchange resin packed column, secondary nitrate reduction in the electrochemical reactor is generally 5 times lower than the ammonia nitrogen treatment efficiency under the same current supply conditions. In order to improve the improvement of power consumption efficiency of more than 2 to 3 times by replacing the negative electrode material with a high current efficiency electrode for nitric acid reduction can also be said to be the core of the present invention. After passing through an electrochemical reactor to the treated water thus added, a separate reducing agent is added to remove residual chlorine, and recycled as an ion exchange resin regeneration water to block nitrogen discharge at the source, thereby further enhancing the technical completion of the present invention. Could.
이온교환된 질소는 재생과정을 통하여 고농도로 농축된다. 일반적으로 100m3/day 규모의 폐수에 함유된 T-N 100mg/L 수준의 질소는 재생과정을 통하여 1m3/day 용량에 T-N 10,000mg/L로 농축이 가능하다. 사용되는 재생수의 성분은 이온교환수지의 종류에 따라 다소 차이가 있지만 NaCl이 일반적이며 각각 양이온 교환 물질로 Na+와 음이온 교환 물질로 Cl-가 적용된다. 재생수에 농축된 질소는 전기화학 반응기를 거쳐 처리가 이루어지며, 농축과정에 의하여 재생수의 전기전도도는 농축 전과 비교하여 10~100배 이상 증가하기 때문에 동일한 전류밀도 조건에서 전압의 상승을 최소화할 수 있어 결국 소비전력을 줄일 수 있다. 평균적으로 일반 폐수의 전기전도도는 1~10mS/cm 범위이나 재생수는 50~200mS/cm로 매우 높아 수용액의 저항을 5~200 정도로 낮추어 전력비용을 감소시킬 수 있다. 상기의 전기화학 처리과정을 거쳐 질소가 제거된 재생수는 잔존하는 잔류염소를 환원제(Na2SO3 또는 NaHSO3)를 이용하여 염소이온으로 변환시킨 후 연속하여 재생수로 재활용함으로써 소량의 미처리된 질소라도 방류되지 않으며 재생수에 투입되는 NaCl도 10~20% 가량 줄일 수 있다.Ion-exchanged nitrogen is concentrated at high concentrations through regeneration. In general, the nitrogen of the TN 100mg / L containing a level of 100m 3 / day-scale waste water is concentrated to a TN 10,000mg / L in 1m 3 / day capacity is possible through the regeneration process. The composition of the recycled water used varies slightly depending on the type of ion exchange resin, but NaCl is generally used, and Na + and Cl − are used as cation exchange materials. Nitrogen concentrated in the regenerated water is treated through an electrochemical reactor, and the electrical conductivity of the regenerated water increases by 10 to 100 times compared with the concentration before the concentration, so the increase in voltage can be minimized under the same current density conditions. As a result, power consumption can be reduced. On average, the electrical conductivity of general wastewater is in the range of 1 ~ 10mS / cm, but the regeneration water is very high in 50 ~ 200mS / cm, which can reduce the power cost by lowering the resistance of aqueous solution to 5 ~ 200. Regenerated water from which nitrogen has been removed through the electrochemical treatment is converted into chlorine ions using residual reducing chlorine (Na 2 SO 3 or NaHSO 3 ) and then recycled into regenerated water. It is not discharged and can reduce NaCl to 10 ~ 20%.
잔존하는 잔류염소가 이온교환수지를 통과하게 되면 수지의 성능 및 수명을 저하시킬 수 있기 때문에 잔류염소는 염소이온으로 변화시켜야 재생수로 활용이 가능하다. 이때 환원제의 투입량을 정량적으로 조절하기 위하여 ORP 전극을 이용하여 100~300mV 수준으로 자동조절이 가능하게 시스템을 구성하였다. ORP 100~300mV 수준에서는 잔류염소가 염소이온으로 전량 변환될 수 있다.If residual chlorine passes through the ion exchange resin, the performance and lifespan of the resin can be degraded. Therefore, the residual chlorine must be converted into chlorine ions to be used as regeneration water. At this time, in order to quantitatively control the input amount of the reducing agent, the system was configured to enable automatic adjustment to the level of 100 ~ 300mV using ORP electrode. At the ORP 100-300mV level, residual chlorine can be converted to chlorine ions.
이차적으로 전기화학 처리 반응기의 전류효율을 직접적으로 개선하기 위하여 특히 음극환원을 중심으로 신규의 음극물질을 적용하였다. 재생수에 농축된 질소의 성상은 크게 암모늄 형태와 질산 형태로 구분되며, 암모늄 형태의 질소는 양극산화 작용에 의해 제거되고 질산 형태의 질소는 음극환원 작용에 의해 제거된다. 본 발명에서는 양극으로 Ir, Pt, Sn계열의 금속산화물이 코팅된 DSA전극을 사용하여 전극의 용출 및 부식을 제어함과 동시에 암모니아성 질소를 질소가스 형태로 산화시켜 제거할 수 있었다. 또한 질산성 질소는 음극환원을 통하여 처리가 가능하나 일반적으로 음극으로 사용되는 Ni, Ti, Stainless, Graphite 등의 물질은 질산환원 효율이 매우 낮아 양극산화와 비교시 동일한 전류량 조건에서 5배 이상 처리효율이 낮다. 본 발명에서는 기존의 음극물질에서 탈피하여 Zn, Sn, Pb 또는 Fe를 음극물질로 활용하여 기존의 질소환원 처리효율을 최소 2~4배 정도 향상을 이루었다. 이는 상기 Zn, Sn, Pb 또는 Fe를 음극물질로 활용하면 수소과전압이 타 물질보다 높아 전기화학 처리 반응기에서 수소가스의 발생량이 적어 질산의 환원 처리 효율이 증대되기 때문이다.Secondly, in order to directly improve the current efficiency of the electrochemical treatment reactor, a new negative electrode material was applied, particularly with respect to the negative electrode reduction. Nitrogen in concentrated water is divided into ammonium and nitric acid. Ammonium nitrogen is removed by anodizing and nitric acid is removed by cathodic reduction. In the present invention, using the DSA electrode coated with Ir, Pt, Sn-based metal oxide as the anode, it was possible to control the dissolution and corrosion of the electrode and to oxidize and remove ammonia nitrogen in the form of nitrogen gas. In addition, nitrate nitrogen can be treated through cathodic reduction, but materials such as Ni, Ti, Stainless, Graphite, etc., which are generally used as a cathode, have very low nitrate reduction efficiency. Is low. In the present invention, by using the Zn, Sn, Pb or Fe as a negative electrode material from the existing negative electrode material to achieve a conventional nitrogen reduction treatment efficiency of at least 2 to 4 times. This is because when Zn, Sn, Pb, or Fe is used as a negative electrode material, the hydrogen overvoltage is higher than that of other materials, so that the amount of hydrogen gas generated in the electrochemical treatment reactor is less and the reduction treatment of nitric acid is increased.
상기 본 발명의 수처리방법을 구현하기 위한 본 발명의 수중 질소 제거용 전기화학적 수처리장치는 (a) 질산(NO3 -) 또는 암모늄(NH4 +)이온을 이온교환수지 처리하여 질소 농도를 원수 대비 10~100배 농축시키는 이온교환수지 처리부; (b) 농축된 고농도 질소를 전기화학적 산화반응 및 환원반응시켜 제거하는 전기화학적 처리부; 및 (c) 상기 전기화학적 처리부에서 질소가 제거된 이온교환수지 재생수에 환원제를 투입하여 잔류염소를 제거하는 잔류염소 환원부를 포함하는 구조로 된 것을 특징으로 한다.The electrochemical water treatment apparatus for removing nitrogen in water according to the present invention for implementing the water treatment method of the present invention is (a) treating the nitric acid (NO 3 − ) or ammonium (NH 4 + ) ion with an ion exchange resin to compare the nitrogen concentration to that of raw water 10 to 100 times concentrated ion exchange resin treatment unit; (b) an electrochemical treatment unit for removing the concentrated high concentration nitrogen by electrochemical oxidation and reduction; And (c) a residual chlorine reduction unit for removing residual chlorine by introducing a reducing agent into the ion-exchange resin regenerated water from which the nitrogen has been removed in the electrochemical treatment unit.
본 발명의 수중 질소 제거용 전기화학적 수처리장치를 도 1을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 (a) 이온교환수지 처리부는 양이온교환수지(1-1), 음이온교환수지(1-2)를 포함하는 구조이고, (b) 전기화학적 처리부는 전기화학 반응기(2-1), 전기전도도 센서(2-2)와 전해질 공급조(2-3)를 포함하는 구조이며, 또한 (c) 잔류염소 환원부는 잔류염소 환원조(3-1)와 ORP 센서(3-2)를 포함하는 구조이다.An electrochemical water treatment apparatus for removing nitrogen in water according to the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1. (A) the ion exchange resin treatment part of the present invention is a structure comprising a cation exchange resin (1-1), an anion exchange resin (1-2), (b) the electrochemical treatment part is an electrochemical reactor (2-1), (C) the residual chlorine reducing unit includes the residual chlorine reducing tank 3-1 and the ORP sensor 3-2. It is a structure.
도 1 도시에 의하여, 이온교환수지 처리부(양이온교환수지: 1-1, 음이온교환수지: 1-2)를 통하여 암모늄 형태와 질산 형태의 질소가 이온교환수지 내에 치환되고 처리수는 방류된다. 이온교환수지는 일정 용량에 다다르면 10~20% 농도 수준의 NaCl 등 재생수에 의하여 재생이 가능하며, 이때 재생수 내에 고농도로 질소가 함유된다. 함유되는 질소 농도는 농축배율에 의하여 결정되며, 일반적으로 100m3/day 규모의 폐수에 함유된 T-N 100mg/L수준의 질소는 재생과정을 통하여 1m3/day 용량에 T-N 10,000mg/L로 농축이 가능하다.As shown in FIG. 1, nitrogen in the ammonium form and the nitric acid form is substituted in the ion exchange resin through the ion exchange resin treatment unit (cationic exchange resin: 1-1, anion exchange resin: 1-2) and the treated water is discharged. When the ion exchange resin reaches a certain capacity, it can be regenerated by regeneration water such as NaCl at a concentration level of 10 to 20%, and nitrogen is contained in the regeneration water at a high concentration. Nitrogen concentration is contained is determined by the concentration ratio, typically a nitrogen 100m of the TN 100mg / L level of the waste water containing the 3 / day scale is concentrated to a 1m 3 / day dose for TN 10,000mg / L through the reproduction process It is possible.
재생수에 농축된 질소는 전기화학적 처리부를 이루는 전기화학 반응기(2-1)를 거쳐 처리가 이루어지며, 농축과정에 의하여 재생수의 전기전도도는 농축 전과 비교하여 10~100배 이상 증가하며, 일반 폐수의 전기전도도는 1~10mS/cm 범위이나 재생수는 50~200mS/cm로 매우 높아 수용액의 저항을 5~200 정도로 낮추어 전력비용을 감소시킬 수 있다. 전기전도도는 전기화학 반응기(2-1) 내에 전기전도도 센서(2-2)를 통하여 관찰되며, 전기화학 반응과정에서 전기전도도가 급격히 감소되는 것을 방지하기 위하여 별도의 전해질 공급조(2-3)와 연동하여 전기화학 반응에서 항상 일정한 전기전도도를 유지할 수 있도록 구성하였다. 또한 전기화학 반응기에서 전류효율을 직접적으로 높이기 위하여 음극물질을 Zn, Sn, Pb, Fe로 구성하였다. 구성은 단일계 또는 하이브리계 등이 가능하다. 도 2는 음극전극 재료로 Ti를 사용한 예와 본 발명에서와 같이, Zn, Sn, Pb, Fe를 사용한 예에 대하여 본 발명에 따른 수처리방법 및 장치를 이용하여 실험한 결과, 이온교환수지 충진탑을 통과한 후 질산성 질소의 잔류량을 도시한 그래프이다. 도 2에 나타난 바와 같이, 음극전극 재료로 Zn, Sn, Pb, Fe를 사용한 경우 질산성 질소의 량이 Ti과 비교하여 매우 적음을 알 수 있는데, 이는 음극전극 재료로 Zn, Sn, Pb, Fe를 사용하면 질산성 질소를 질소로 치환시켜주는 효율이 그만큼 높기 때문이다.Nitrogen concentrated in regenerated water is treated through an electrochemical reactor (2-1), which constitutes an electrochemical treatment unit, and the electrical conductivity of regenerated water increases by 10 to 100 times compared to before concentration by the concentration process. The conductivity is in the range of 1 ~ 10mS / cm, but the regeneration water is very high in 50 ~ 200mS / cm, which can reduce the power cost by lowering the resistance of the aqueous solution to 5 ~ 200. Electrical conductivity is observed through the electrical conductivity sensor 2-2 in the electrochemical reactor 2-1, and a separate electrolyte supply tank 2-3 for preventing the electrical conductivity from being rapidly reduced during the electrochemical reaction process. It is configured to maintain constant electrical conductivity at all times in electrochemical reaction in conjunction with. In addition, the cathode material is composed of Zn, Sn, Pb, Fe to directly increase the current efficiency in the electrochemical reactor. The configuration may be single or hybrid. 2 is an example of using Ti as the cathode electrode material and Zn, Sn, Pb, Fe as in the present invention, the experiment using the water treatment method and apparatus according to the present invention, the ion exchange resin packed column It is a graph showing the residual amount of nitrate nitrogen after passing through. As shown in FIG. 2, when Zn, Sn, Pb, and Fe were used as the cathode electrode material, the amount of nitrate nitrogen was found to be very small compared to Ti, which is represented by Zn, Sn, Pb, Fe as the cathode electrode material. If used, the efficiency of substituting nitrogen for nitrate nitrogen is high.
상기의 방법에 의하여 재생수 내에 농축된 질소가 처리되면 이 용액은 다시 이온교환의 재생수로 재활용이 가능하다. 이때 처리 용액에 함유되어 있는 잔류염소는 이온교환수지의 성능 및 수명을 감소시킬 수 있기 때문에 환원제(Na2SO3 또는 NaHSO3)를 투입하여 염소이온으로 변환시킨다. 따라서 처리 용액은 잔류염소 환원부를 이루는 잔류염소 환원조(3-1)로 이송되며, 투입되는 환원제는 환원제 공급조(3-3)에서 이송되어 환원조 내부에 장착된 ORP sensor(3-2)에 의하여 정량 조절된다. 그 조절범위는 100~300mV로 이 범위에서 잔류염소는 염소이온으로 전량 환원된다.When the concentrated nitrogen in the regeneration water is treated by the above method, the solution can be recycled back to the regeneration water of ion exchange. At this time, the residual chlorine contained in the treatment solution may reduce the performance and life of the ion exchange resin, so it is converted into chlorine ions by adding a reducing agent (Na 2 SO 3 or NaHSO 3 ). Therefore, the treatment solution is transferred to the residual chlorine reduction tank 3-1 forming the residual chlorine reduction unit, and the reducing agent introduced is transferred from the reducing agent supply tank 3-3 and mounted in the reduction tank ORP sensor 3-2. By quantitative control. The control range is 100-300mV, in which residual chlorine is reduced to chlorine ion.
이상 본 발명의 수중 질소 제거용 전기화학적 수처리방법 및 장치에 관하여 설명하였다. 본 발명 관련 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있으나 그러한 수정 및 변경 또한 본 발명의 사상에 모두 포함되는 것이다.The electrochemical water treatment method and apparatus for removing nitrogen in water of the present invention have been described above. Those skilled in the art may make various modifications and changes to the present invention without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the claims below, but such modifications and changes may also be made. It is all included.
이상 살펴본 바와 같이, 본 발명은 종래 공지의 수중 질소 제거용 전기화학 적 방법에 새로운 질소농축 공정과 음극물질을 적용함으로써, 종래의 방법에 비하여 전력비를 40-80% 이상 감소시킬 수 있고, 또한 이온교환수지를 통하여 처리된 배출수에 환원제를 첨가하여 염소를 염소이온으로 변환시켜 재활용이 가능하게 한 경제적이고 환경친화적인 수처리방법이다. 따라서 본 발명에 따른 방법은 질소가 문제시되는 모든 수처리 분야에 매우 유용하게 경제성 있는 기술로 이용될 수 있다. As described above, the present invention can reduce the power ratio by 40-80% or more compared to the conventional method by applying a new nitrogen concentration process and a cathode material to the conventionally known electrochemical method for removing nitrogen in water. It is an economical and environmentally friendly water treatment method that enables recycling by converting chlorine into chlorine ion by adding reducing agent to the discharged water treated through exchange resin. Therefore, the method according to the present invention can be used as a very economical technology very useful for all water treatment fields where nitrogen is a problem.
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