KR100626842B1 - 전기분해 및 생물학적 처리공법을 병합한 고농도 질소함유 폐수처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면 유입되는 질소함유 폐수의 수질변화에 따라 생물학적 분해공정 및 전기분해공정을 수행하며, 전기분해공정이 생물학적 분해공정의 전공정 또는 후공정으로 1회 이상 수행되는 것을 특징으로 하는 고농도 질소함유 폐수처리방법이 개시된다. 개시된 고농도 질소함유 폐수처리방법에 따르면, 유입되는 폐수의 수질 및 처리수의 수질 요구조건에 따라 처리공정을 조절하여 폐수 내 질소를 효율적으로 처리할 수 있고, 수질변화 등의 유입부하변동에 따른 추가설비 없이 안정적이며 양호한 처리수를 얻을 수 있다.

전기분해, 무산소, 호기, 탈기, 생물학적분해

Description

전기분해 및 생물학적 처리공법을 병합한 고농도 질소함유 폐수처리방법{Method of waste water treatment containing high concentration nitrogen combined electrolysis and biological process}

도 1은 본 발명에 의한 폐수처리방법에 이용되는 생물학적 처리조의 구성도,

도 2는 본 발명에 의한 폐수처리방법에 따른 바람직한 제1공정흐름도,

도 3은 본 발명에 의한 폐수처리방법에 따른 제2공정흐름도,

도 4는 본 발명에 의한 폐수처리방법에 따른 제3공정흐름도이다.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10,14...무산소조 12...호기조

16...탈기조 40,50...제1전기분해공정

42,52,60...생물학적 분해공정 44...침전조

46,62...제2전기분해공정

본 발명은 수질변화 등의 유입부하변동에 따른 추가설비 없이 안정적이며 양호한 처리수를 얻을 수 있는 전기분해 및 생물학적 처리공법을 병합한 고농도 질소 함유 폐수처리방법에 관한 것이다.

산업폐수, 침출수 등의 난분해성 폐수의 처리는 일반적으로 화학적 응집 처리 후 생물학적 처리를 행하는 방법이 대부분으로, 화학적 응집은 폐수 내의 질소를 제거하는데 어려움이 있고, 침출수 등의 유입수질 및 수량이 계절적, 연차적으로 변동하는 폐수에 능동적으로 대처하기 어렵다.

생물학적 질소 제거 방법으로 국외의 경우 MLE(Modified Ludzack-Ettinger) 공법, Bardenpho 공법, UCT(University of Cape Town) 공법, VIP 공법 등이 있다. 이들 공법은 무산소조와 호기조로 구성되어 호기조에서 질산화된 질산성 질소 함유 폐수를 무산소조에 반송하여 탈질함으로써 폐수내의 질소를 제거하는 방법이다.

국내에는 DNR 공법, PL 공법, HANTs 공법 등이 있다. 이들 방법 또한 무산소-호기공법의 변형으로, 반송라인 또는 각 반응조의 위치변경, 조합 등에 의한 방법차이외에 무산소조에서의 탈질공정, 호기조에서의 질산화공정 원리는 동일하다.

전체 반응조의 필요장비는 호기조에서 무산소조로 폐수를 내부반송하기 위한 반송펌프, 무산소조의 미생물 침전방지 및 혼합을 위한 교반기 및 호기조의 미생물에 필요한 산소를 공급하기 위한 산소공급 장치를 필요로 한다. 따라서 종래기술은 장치구성이 복잡하고 운전관리에 어려움이 있으며, 소요부지 등의 시설비와 유지관리비가 많이 드는 단점이 있다.

전기분해에 의한 폐수처리방법은 철, 알루미늄 등의 소모성 전극을 이용한 전기응집 방법과 불용성 전극을 이용한 전기분해 방법이 있다. 이들 전기화학적 처리방법은 모든 폐수처리에 일률적으로 적용하기 어렵고, 전해질이 풍부한 폐수에 적용이 용이하며, 하수 등의 전해질이 부족한 경우 전해질을 외부에서 보충해 주어야 하며, 음극판에 부착된 부착물은 전해효율의 저하를 방지하기 위해 수시로 탈착시켜야 한다.

기존의 음극에 부착된 부착물은 인력에 의한 수작업으로 강제 탈착시키거나, 염산 및 황산에 의한 부착물을 산화시키는 방법이 있다. 이러한 방식은 부착물 및 폐산 슬러지 등 부가적인 부산물의 재처리를 필요로 한다. 또한 고농도 질소함유 폐수에 전기분해 공정의 적용은 시설비 및 유지관리비의 소요가 크게 요구되어 단일공정보다 생물학적 처리 등의 타 처리공정과 병행할 필요가 있다.

따라서, 국내외에 설치된 대부분의 폐수처리 시설은 초기 시설된 설비로 운전함에 따라 유입수질이 변화한 경우 자체 처리시설로 능동적으로 대처하기 어렵고, 추가 설비 또는 공법 변경 등의 개선설비를 행하여 처리수질 조건을 만족시키는 실정이지만, 그에 따른 추가적인 시설비 때문에 비경제적인 방식으로 운전되고 있다.

상기 종래기술의 문제점을 극복하기 위하여, 본 발명자는 유입되는 질소함유 폐수의 수질변화에 따라 생물학적 분해공정 및 전기분해공정을 수행하며, 상기 전기분해공정이 생물학적 분해공정의 전공정 또는 후공정으로 1회 이상 수행하게 함으로써 본 발명을 완성하였다.

이에, 본 발명의 목적은 유입되는 폐수의 수질 및 처리수의 수질 변화에 따른 요구조건에 따라 처리공정을 조절하여 폐수 내 질소를 효율적으로 처리할 수 있 고, 수질변화 등의 유입부하변동에 따른 추가설비가 필요없어 경제적이며 안정적인 양호한 처리수를 얻을 수 있는 전기분해 및 생물학적 처리공법을 병합한 고농도 질소함유 폐수처리방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 유입되는 질소함유 폐수의 수질변화에 따라 생물학적 분해공정 및 전기분해공정을 수행하며, 상기 전기분해공정이 생물학적 분해공정의 전공정 또는 후공정으로 1회 이상 수행되는 것을 특징으로 하는 전기분해 및 생물학적 처리공법을 병합한 고농도 질소함유 폐수처리방법을 제공한다.

여기서, 폐수 내 난분해성 유기물을 분해성 유기물로 변환시키는 제1전기분해공정; 상기 분해성 유기물과 질소를 제거하는 생물학적 분해공정; 및 상기 생물학적 분해된 폐수 내 잔류하는 난분해성 유기물을 제거하는 제2전기분해공정을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 생물학적 분해공정은 탈질반응으로 폐수내 질산성 질소가 제거되는 무산소공정; 상기 무산소공정 처리된 폐수의 암모니아성 질소를 질산성 질소로 변환시키고 탄소성 유기물질을 미생물에 의해 분해하는 호기성공정; 상기 호기성공정 처리된 폐수의 잔류 질소를 제거하는 무산소공정; 및 상기 무산소공정에서 생성된 질소가스를 대기중으로 방출시키는 탈기공정을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 전기분해공정은 양극과 음극을 변환시킬 수 있는 직류전원공급 정류기를 이용하여 직류를 공급하는 것이 바람직하다.

상기의 공정을 통하여, 양극과 음극의 전극변환은 음극판에 부착된 스케일의 두께 및 동일 전류를 공급할 때 나타나는 전압의 차이에 따라 전극을 변환시킬 수 있다. 음극판에 부착된 스케일은 유입폐수 수질에 따라 차이가 있으나, 1-3mm 이상의 스케일이 생성할 경우 공급되는 전극을 변환시켜 부착물을 탈착시킬 수 있으며, 음극판의 부착물에 대한 스케일 두께 측정이 어려울 경우 동일 공급한 전류에 대해 전기저항의 발생에 따라 나타나는 전압 차이 즉, 초기 나타나는 전압에 대해 10%이상으로 낮게 나타날 경우 양극과 음극을 변환시켜 음극판에 부착된 스케일을 제거하면서 전기저항을 낮게 운전하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 전기분해공정은 티타늄에 이산화이리듐, 루디늄 및 백금으로 이루어진 군에서 선택된 금속의 산화물 피막을 도포한 판형 또는 망형의 불용성 전극을 이용하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구 범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이에 따라, 도 1은 본 발명에 의한 폐수처리방법에 이용되는 생물학적 처리조의 구성도, 도 2는 본 발명에 의한 폐수처리방법에 따른 바람직한 제1공정흐름도, 도 3은 본 발명에 의한 폐수처리방법에 따른 제2공정흐름도, 도 4는 본 발명에 의한 폐수처리방법에 따른 제3공정흐름도이다.

먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 폐수처리방법에 이용되는 생물학적 처리조의 구성도에서, 고농도 질소함유 폐수가 무산소조(10)에 유입되어, 상기 폐수 내의 질산성 질소가 제거되는 탈질반응이 일어난다.

여기서 탈질반응은 질산화에 의해 생성된 질산성 질소가 N_{2 ,} NO, NO_{2 ,} 가스 등으로 환원되어 대기중으로 방출된다. 이 반응은 질산화에 의해 인산염이나 황산염이온보다 질산성 질소이온이 고농도로 존재할 때 질산성 질소가 전자수용체로 작용하여 탈질반응이 일어난다.

생물학적인 탈질반응은 용존 산소 농도가 낮을 시 발생되는데 만일 용존산소 농도가 높으면 전자수용체로 질산성 질소보다는 에너지가 많이 발생되는 산소를 선호하기 때문에 탈질반응은 방해를 받게 된다.

탈질 단계의 반응 메카니즘은 다음과 같다.

2NO₂ ^_ + 6H → N₂↑ + 2H₂O + 2OH^_

2NO₃ ^_ + 10H → N₂↑ + 4H₂O + 2OH^_

다음으로, 탈질반응된 폐수를 호기조(12)에 유입시켜, 폐수 내의 암모니아성 질소를 질산성 질소로 변환시키고 탄소성 유기물질을 미생물에 의해 분해하는 질산화반응을 한다.

또한, 상기 질산화반응에서 암모니아성 질소가 아질산성 질소와 질산성 질소로 산화된다. 질산화반응의 산소 요구량은 질산염(nitrate)으로의 변화에 의하여 감소되고, 질소는 단순히 형태만 변하고 제거되지 않는다.

한편, 질산화 단계의 반응 메카니즘은 다음과 같다.

NH₃ ⁺ + 3/2 O₂ → NO₂ ^_ + H₂O + 2H⁺ + 에너지

NO₂ ^_ + 1/2 O₂ → NO₃ ^_ + 에너지

여기서 생성된 에너지는 탄산가스, 중탄산염, 탄산염과 같은 무기성 탄소로부터 질산화 세균의 세포합성에 이용된다. 질산화 세균의 성장속도와 세포증식량은 종속영양세균에 비해 느리다. 또한, 호기조에서 생성된 아질산성 질소와 질산성 질 소의 일부가 전처리인 상기 무산소조(10)로 유입되어 내부반송됨으로써, 상기 무산소조(10)에서 탈질반응을 수행할 수 있다.

다음으로, 질산화반응된 폐수를 다시 무산소조(14)에 유입하여, 질산화반응을 통하여 생성된 아질산성 질소와 질산성 질소가 N_{2 ,} NO, NO_{2 ,} 가스 등으로 환원되게 한다. 이렇게 환원된 N_{2 ,} NO, NO_{2 ,} 가스는 탈기조(16)에서 대기중으로 방출시킴으로써, 생물학적 처리 후단의 침전조에서 슬러지의 침전을 원활히 하고, 슬러지 부상을 방지한다.

한편, 본 발명의 폐수처리방법은 유입되는 질소함유 폐수의 수질변화에 따라 생물학적 분해공정 및 전기분해공정을 수행하며, 상기 전기분해공정이 생물학적 분해공정의 전공정 또는 후공정으로 1회 이상 수행되는 것을 특징으로 한다.

따라서, 유입수질에 따라 배관연결 및 밸브 개폐에 의해 처리공정을 수정병합하고, 유입수질의 부하변동에 맞는 전기분해와 생물학적 처리공정을 능동적으로 병합함으로써, 양호한 처리수질을 안정적으로 얻을 수 있다. 이를 적용하여, 하기에 유입수질 변화에 따른 대표적인 공정흐름도에 대해 상술하겠다.

먼저, 도 2는 본 발명에 의한 폐수처리방법에 따른 바람직한 제1공정흐름도이다. 도면을 참조하여, 제1전기분해공정(40)에서 유입되는 폐수를 전기분해하면 수산화이온, 하이포아염소산 및 발생기 산소 등이 생성되는데 이들 산화성 물질이 유기물질에 작용하여 산화작용을 일으킴으로써 유기물질이 제거된다.

또한, 폐수에 함유된 유기물질이 난분해성인지 아닌지는 통상 생물학적 산소 요구량(BOD)과 화학적 산소요구량(COD)의 비를 기준으로 판단한다. BOD/COD 가 0.3 - 0.5 이면 난분해성 유기물질의 함량이 높다고 판단되므로, 제1전기분해공정(40)을 통하여 난분해성 유기물을 분해성 유기물로 변화시킨 후, 생물학적 분해공정(42)에서 분해성 유기물과 질소를 제거한다.

상기 생물학적 분해공정(42)에서의 처리공정은 무산소-호기-무산소-탈기 공정을 수행하고, 탈질반응을 하는 무산소공정과 질산화공정 및 생물학적 분해를 하는 호기성 공정처리를 하며, 호기성 공정처리 후 질산화에 의해 생성된 질산성 질소가 N_{2 ,} NO, NO_{2 ,} 가스 등으로 환원되어 탈기공정에서 대기중으로 방출된다.

다음으로, 생물학적 분해공정(42)이 수행된 처리수를 침전조(44)로 이송하여 침전시킨 후 생성된 슬러지를 다시 생물학적 분해공정(42)에 반송시킨다. 또한, 침전처리된 처리수에 남아있는 유기물질과 질소 등을 다시 한번 제2전기분해공정(46)에서 전기분해하여 더욱 양호한 수질을 얻을 수 있다.

생물학적 분해공정(42)처리 후단의 상기 제2전기분해공정(46)에 따른 전기분해는 처리수질에 따라 배관개폐를 통해 가변적으로 처리수를 유입하여 처리할 수 있으며, 상기 제1전기분해공정(40) 또한 유입수질에 따라 생물학적 분해공정처리를 우선으로 행한 후 전기분해를 수행할 수 있다.

따라서, 도 3은 본 발명에 의한 폐수처리방법에 따른 제2공정흐름도로서, 전기분해공정(50)-생물학적 분해공정(52)을 수행한다. 이때, 폐수에 함유된 유기물질의 BOD/COD 가 0.2 이하이므로 생물학적 처리가 불가능하기 때문에, 전기분해공정 (50) 처리를 하여 난분해성 유기물을 분해성 유기물로 변환시킨 후, 생물학적 분해공정(52)을 함으로써, 유기물과 질소를 제거한다.

또한, 도 4는 본 발명에 의한 폐수처리방법에 따른 제3공정흐름도로서, 생물학적분해공정(60)-전기분해공정(62)을 수행한다. 이때, 폐수에 함유된 유기물질의 BOD/COD 가 0.8 이상이므로 생물학적 처리에 적당한 폐수이기 때문에, 생물학적분해공정(60)에서 유기물과 질소를 제거한 후, 전기분해공정(62)에서 처리수에 남아있는 유기물과 질소를 다시 한번 전기분해하여 양호한 수질을 얻을 수 있다.

한편, 생물학적 처리의 전후 단계에 가변적으로 적용되는 전기분해공정은, 양극과 음극을 변환시킬 수 있는 직류전원공급 정류기를 이용하여 직류를 공급하는 것을 특징으로 한다.

상기의 공정을 통하여, 양극과 음극의 전극변환은 음극판에 부착된 스케일의 두께 및 동일 전류를 공급할 때 나타나는 전압의 차이에 따라 전극을 변환시킬 수 있다. 음극판에 부착된 스케일은 유입폐수 수질에 따라 차이가 있으나, 1-3mm 이상의 스케일이 생성할 경우 공급되는 전극을 변환시켜 부착물을 탈착시킬 수 있으며, 음극판의 부착물에 대한 스케일 두께 측정이 어려울 경우 동일 공급한 전류에 대해 전기저항의 발생에 따라 나타나는 전압 차이 즉, 초기 나타나는 전압에 대해 10%이상으로 낮게 나타날 경우 양극과 음극을 변환시켜 음극판에 부착된 스케일을 제거하면서 전기저항을 낮게 운전하는 것이 바람직하다.

따라서, 상기 전기분해공정은, 기존의 전기분해 장치에서 해결해야 할 음극판에 부착된 부착물의 탈착을 수작업에 의한 인위적인 방식이나, 염산 및 황산에 의한 산화방식이 아닌 양극과 음극을 주기적 또는 인위적으로 변환시킨다. 즉, 음극을 양극으로 변화시킴으로써, 음극에 부착된 부착물을 양극에서 전기적인 전자용출에 의해 자연적으로 탈착시켜 침전 제거한다.

또한, 전해질이 부족한 폐수의 경우 전기분해는, 폐수 내의 전해질 부족에 따라 전기저항의 증가로 전해효율이 떨어지고, 전력비 상승을 초래한다. 따라서, 기존의 전기분해 방식은 소금(NaCl) 등의 전해질을 첨가하는 방식으로 전해질 부족을 해결하고 있으나, 전해질 첨가에 따라 첨가시설의 설치 및 전해질 소요비용 등의 추가 공사비가 요구된다.

이 문제의 해결을 위해 전기분해 처리수를 전기분해조 유입부에 내부반송시킴으로써, 처리수에 남아있는 전해질을 보충시키기 때문에 첨가할 전해질을 줄임과 동시에 전기분해 반응조 내의 교반을 더욱 원활히 할 수 있어 전해처리효율을 상승시키는 부가적인 효과를 얻을 수 있다.

또한, 전기분해 장치내에 직류전원을 공급하는 전극판의 재질은 양극으로 티타늄(Ti)에 이산화이리듐(IrO₂), 루디늄(Ru) 및 백금 등을 장착시킨 판형 또는 망형의 불용성 전극을 사용하며, 음극판의 재질은 음극에 부착된 부착물의 탈착을 위해서 양극과 동일한 재질을 사용하고, 그 외의 경우 철, 스테인리스 스틸 등의 금속을 사용한다.

또한, 본 발명의 전기분해공정에 따른 전류밀도는 0.1 - 10 A/dm², 체류시간은 0.5 - 5 시간, 전극간격은 3 -50mm의 범위에서 실행되는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이 본 발명의 전기분해 및 생물학적 처리공법을 병합한 고농도 질소함유 폐수처리방법에 의하면, 유입되는 폐수의 수질 및 처리수의 수질이 계절적, 연차별로 변화하는 요구조건에 따라 초기 시설의 개선이나 변경 없이 처리공정을 병합하여 경제적이고, 능동적으로 안정적인 처리수질을 얻을 수 있으며, 수질변화가 심하고, 생물학적 분해공정이 어려운 폐수에 적용이 가능한 효과가 있다.

또한, 전기분해장치의 음극과 양극을 쉽게 변환할 수 있어 음극판의 부착물을 제거하는데 용이하고, 처리수에 남아있는 전해질을 재활용하기 위해 처리수를 전해조에 내부반송 함으로써, 전해질을 줄임과 동시에 전기분해 반응조 내의 교반을 더욱 원활히 할 수 있어 전해처리효율을 상승시키는 부가적인 효과를 얻을 수 있다.

Claims (5)

1. 유입되는 질소함유 폐수의 수질변화에 따라 생물학적 분해공정 및 전기분해공정을 수행하며, 상기 전기분해공정이 생물학적 분해공정의 전공정 또는 후공정으로 1회 이상 수행되며,

   상기 생물학적 분해공정은 탈질반응으로 폐수내 질산성 질소가 제거되는 무산소공정;

   상기 무산소공정 처리된 폐수의 암모니아성 질소를 질산성 질소로 변환시키고 탄소성 유기물질을 미생물에 의해 분해하는 호기성공정;

   상기 호기성공정 처리된 폐수의 잔류 질소를 제거하는 무산소공정; 및

   상기 무산소공정에서 생성된 질소가스를 대기중으로 방출시키는 탈기공정을 포함하고,

   상기 수질변화의 기준으로 상기 폐수의 생물학적 산소요구량(BOD)과 화학적 산소요구량(COD)의 비가 0.3 내지 0.5인 경우, 상기 제1전기분해공정이 상기 생물학적 분해공정의 전공정으로 수행되고, 상기 제2전기분해공정은 상기 생물학적 분해공정의 후공정으로 수행되며,

   상기 제1전기분해공정 및 제2전기분해공정은 음극판에 부착된 스케일의 두께가 1~3mm 일 경우와 일정한 전류에 대해 전압차이가 10%를 초과할 경우 양극과 음극을 변환시킬 수 있는 직류전원공급 정류기를 이용하여 직류를 공급하고,

   상기 제1전기분해공정 및 제2전기분해공정의 전기분해 처리수를 전기분해조 유입부로 내부반송시키는 것을 특징으로 하는 전기분해 및 생물학적 처리공법을 병합한 고농도 질소함유 폐수처리방법.
2. 제 1항에 있어서,

   폐수 내 난분해성 유기물을 분해성 유기물로 변환시키는 제1전기분해공정;

   상기 분해성 유기물과 질소를 제거하는 생물학적 분해공정; 및

   상기 생물학적 분해된 폐수 내 잔류하는 난분해성 유기물을 제거하는 제2전기분해공정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전기분해 및 생물학적 처리공법을 병합한 고농도 질소함유 폐수처리방법.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,

   상기 전기분해공정은 티타늄에 이산화이리듐, 루디늄 및 백금으로 이루어진 군에서 선택된 금속의 산화물 피막을 도포한 판형 또는 망형의 불용성 전극을 이용하는 것을 특징으로 하는 전기분해 및 생물학적 처리공법을 병합한 고농도 질소함유 폐수처리방법.

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