KR100917146B1

KR100917146B1 - 하수 및 폐수 중에 질소와 인을 동시에 처리하는 전기분해장치 및 이를 이용한 하수 및 폐수처리방법

Info

Publication number: KR100917146B1
Application number: KR1020090010090A
Authority: KR
Inventors: 이병노; 황교현; 안승훈; 조상수
Original assignee: 주식회사 대진환경산업
Priority date: 2009-02-09
Filing date: 2009-02-09
Publication date: 2009-09-15

Abstract

본 발명은 하수 및 폐수 중에 질소와 인을 동시에 처리하는 전기분해장치 및 이를 이용한 하수 및 폐수처리방법에 관한 것으로, 그 목적은 음극으로 티타늄(Titanium)에 백금(Pt)를 코팅한 전극과 팔라듐(Pd)-구리(Cu)계 촉매를 이용하고, 양극으로 철 또는 알루미늄 봉(Rod)을 이용하여, 하·폐수처리 시스템 중 혐기상태 또는 무산소상태 내에서 활성오니 존재하에 직접 전기분해법을 이용하여 질산 및 아질산성 질소와 인을 동시에 제거할 수 있는 하수 및 폐수 중의 질소 와 인을 동시에 처리하는 전기분해장치 및 이를 이용한 하수 및 폐수처리방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 하수 및 폐수 처리용 전기분해장치에 있어서; 상기 전기분해장치는 분해조내에 전극모듈이 설치되되, 상기 전극모듈은 양극으로 금속철 또는 금속알루미늄 전극이 설치되고, 음극으로 백금(Pt)을 도포한 티타늄(Titanium)전극이 설치되며, 상기 음극과 양극 사이에 위치하도록 음극 주위에 Pd-Cu계 촉매판이 설치되도록 되어 있다.

전기분해, 질소, 인, 폐수처리, 촉매

Description

하수 및 폐수 중에 질소와 인을 동시에 처리하는 전기분해장치 및 이를 이용한 하수 및 폐수처리방법{Electroyzing apparatus for treating nitrogen and phosphorus simultaneously in sewage and waste water and, its treating method for sewage and waste water using it thereof}

본 발명은 하수 및 폐수 처리용 전기분해장치 및 이를 이용한 폐수처리방법에 관한 것으로, 하·폐수처리 시스템 중 혐기상태 또는 무산소상태 내에서 활성오니 존재하에 직접 전기분해법을 이용하여 음극에서 질산(NO^3-) 및 아질산(NO^2-)성 질소를 기체상 상태의 질소(N₂)로 환원하여 제거하고, 양극에서 인산철(FePO₄) 또는 인산알루미늄(AlPO₄)염으로 인을 침전시켜 질산 및 아질산성 질소와 인을 동시에 제거하는 하수 및 폐수 처리용 전기분해장치 및 이를 이용한 폐수처리방법에 관한 것이다.

최근 호수 및 저수지 등 폐쇄성 수역 뿐 아니라 육지인근해까지 부영양화로 인한 피해가 커지므로 이를 방지하기 위해 질소 및 인 함유 폐수의 규제가 강화 되 면서 질산성질소 및 인의 폐수처리의 다양한 방법이 제안되어 있다.

근래 질산성 질소 함유폐수의 처리방법으로 생물학적 처리방법으로는 혐기성 상태에서 탈 질소균에 의한 질산성 질소를 기체질소로 환원하여 질소를 제거하는 법이 있으나 탈 질소균은 pH 및 온도 등에 민감하여 그 반응속도에 영향을 주는 등 어려운 점이 있었다.

또한 화학적 방법으로 최근 많은 연구가 있어 여러 가지 방법이 제안되어 있다. 특히 음용수(수도물)또는 지하수 등에 함유되어 있는 미량의 질산 또는 아질산 이온을 Pd-Cu계 촉매를 이용 기체 수소로 환원하여 기체질소로 제거하는 방법이 제안되어 있으며(참고문헌 : 1. Journal of Molecular Catalysis A; Chemical, 264(2007)93∼102, 2. Journal of Molecular Catalysis B; Environmental 65(2006)31∼36, 3. Journal of Molecular Catalysis A; Chemical 250(2006)80∼86, 4. Applied Catalysis B : Environmental 24(2000) 265∼273),

촉매로 다공질 지지물질(GAMMA-알루미나, Ziolite, 활성탄, Pumice 등)에 팔라듐 및 구리 염의 수용액을 침적시켜 기체수소로 환원 사용하여 좋은 결과를 얻고 있다.

종래에는 폐수 중 질산성질소를 제거하는 방법으로, 전기분해법에 의해 티타늄(Titanium)금속에 Pt(백금)을 도금한 것을 음극으로 사용하여 기체수소를 발생 시키고 그 주위에 활성탄 지지물에 Pd-Cu염의 수용액을 침적시키고 환원하여 촉매로 사용하는 일본 특개 2004-73926 와 같은 방법이 사용되고 있으나, 이 방법은 양 극의 역할이 없으며, 전기분해가 일어나는 동안 수산이온(OH^-)생성으로 폐수의 pH가 상승하여 질산성질소의 환원인 저해되는 현상이 발생된다. (이때, pH가 상승하면 질산성 질소가 산화되어 물에 용해도가 큰 암모니아(NH₃)가 생성된다.) 또한 슬러지가 많이 함유되어 있는 폐수에서는 그 슬러지가 촉매표면에 부착되어 촉매성능이 저하되므로 직접 폐수처리 장치내에서는 사용할 수가 없었다.

또한, 종래에는 인을 함유하는 폐수처리 방법으로. 주로 철이나 알루미늄의 용해성염을 넣어주고, 이로 인해 발생되는 철이온이나 알루미늄이온이 인산이온과 결합하여 침전되므로 슬러지와 함께 제거하는 방법이 사용되었다. 그러나 이 방법은 철 및 알루미늄염 용액을 추가하는 방법이 번거로울 뿐 아니라 슬러지 양의 증가로 바람직하지 않다.

최근에는 인을 제거하는 방법으로 특허등록 제 0425954 호 및, 특허등록 제 0490307 호 등과 같이, 전기분해법을 이용하여 양극에 금속철 또는 금속 알루미늄판을 사용하여 철 또는 알루미늄이온을 발생시켜 인을 제거하는 방법이 제안되어 있으나, 이러한 방법들은 같은 양의 전기에너지로 인을 제거하고 음극에너지를 버리므로, 매우 비효율적인 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 그 목적은 음극으로 티타늄(Titanium)에 백금(Pt)를 코팅한 전극과 팔라듐(Pd)-구리(Cu)계 촉매를 이용하고, 양극으로 철 또는 알루미늄 봉(Rod)을 이용하여, 하·폐수처리 시스템 중 혐기상태 또는 무산소상태 내에서 활성오니 존재하에 직접 전기분해법을 이용하여 질산 및 아질산성 질소와 인을 동시에 제거할 수 있는 하수 및 폐수 처리용 전기분해장치 및 이를 이용한 폐수처리방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 티타늄 판에 팔라듐-구리가 부착된 촉매판을 음극 양편 또는 일측편에 설치하여, 질산성 질소를 효율적으로 분해할 수 있는 하수 및 폐수 처리용 전기분해장치 및 이를 이용한 폐수처리방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 음극과 촉매판을 펀칭망 형상으로 형성하여, 활성슬러지의 유통을 원활하게 하고, 이를 통해 질산 및 아질산성 질소와 인의 제거효율을 향상시킬 수 있는 하수 및 폐수 처리용 전기분해장치 및 이를 이용한 폐수처리방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 질산팔라듐과 질산구리의 최적 혼합비율에 의해 촉매를 형성하여, 촉매존재하에서의 질산 및 아질산성 질소의 제거효율을 향상시킬 수 있는 하수 및 폐수 처리용 전기분해장치 및 이를 이용한 폐수처리방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 하수 및 폐수 처리용 전기분해장치에 있어서; 상기 전기분해장치 는 분해조내에 전극모듈이 설치되되, 상기 전극모듈은 양극으로 금속철 또는 금속알루미늄 전극이 설치되고, 음극으로 백금(Pt)을 도포한 티타늄(Titanium)전극이 설치되며, 상기 음극과 양극 사이에 위치하도록 음극 주위에 Pd-Cu계 촉매판이 설치되도록 되어 있다.

또한, 본 발명은 하수 및 폐수 처리용 전기분해장치를 이용한 폐수처리방법에 있어서; 하·폐수처리 시스템 중 혐기상태 또는 무산소상태 내에서 활성오니 존재하는 분해조내에 양극으로 금속철 또는 금속알루미늄을 설치하여 철 및 알루미늄 이온을 생성시켜 인을 제거하고, 음극으로는 백금(Pt)을 도포한 티타늄(Titanium)전극으로 수소기체를 발생시켜 질산성 질소를 동시에 제거하도록 되어 있다.

이와 같이 본 발명은 양극으로 금속철 또는 금속알루미늄을 설치하고, 음극으로는 백금(Pt)을 도포한 티타늄(Titanium)전극을 설치하며, 음극 주위에 Pd-Cu계 촉매판을 설치하여, 철 및 알루미늄 이온생성에 따른 인의 제거 및, 수소기체의 발생에 따른 질산성 질소의 제거가 동시에 이루어지도록 되어 있다.

또한, 본 발명은 하·폐수처리 시스템 중 혐기상태 또는 무산소상태 내에서 활성오니 존재하에서 직접 전기분해법을 가하도록 되어 있어, 시설비가 저렴하고, 기존 하·폐수 처리 시스템에 쉽게 적용할 수 있다.

또한, 본 발명은 음극에서의 수소기체 형성 및 Pd-Cu계 촉매에 의해 질산성 질소를 직접 접촉시켜 질소가스로 환원을 현저하게 촉진시키고, 질소가스의 생성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 음극과 촉매판을 펀칭망 형상으로 형성하여, 활성슬러지의 유통을 원활하게 하고, 이를 통해 질산 및 아질산성 질소와 인의 제거효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 티타늄 펀칭망에 Pd-Cu계 촉매를 부착시켜 촉매판을 형성하도록 되어 있어, 촉매판을 음극 주위에 근접되게 설치할 수 있으며, 이를 통해 음극으로부터의 수소생성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 양극으로 금속철 또는 금속 알루미늄 봉을 사용하므로, 활성슬러지의 유통을 원활하게 하고, 슬러지 부착으로 인한 양극의 효능 저하를 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 음극 주위에 촉매판을 설치하고, 촉매판에 이격되어 양극을 설치하며, 음극과 촉매판 사이 및, 촉매판과 양극 사이에 전기절연체를 설치하여, 전극모듈을 형성함으로써, 처리하는 하·폐수의 양에 따라 조절하여 설치가 가능하고, 혐기상태 또는 무산소상태에서 용이하게 설치할 수 있다.

또한, 본 발명은 종래의 다른 제거 방법과 대비할 경우 외부의 변화요소에 영향을 많이 받는 생물학적인 방법이 아니라 외부의 변화요소에도 영향을 받지않는 물리·화학적인 방법에 의해 질소와 인을 동시에 제거할 수 있는 새로운 기술수단으로, 산업상 매우 큰 파급효과를 구비하고 있다.

일반적인 전기분해방법에서는 전극(Electrode)으로 양극(Anode)과 음극(Cathode)으로 되어 있으며, 양극에서는 산화반응이 음극에서는 환원반응이 동시에 일어나 화학반응을 완결시키게 된다.

오폐수에 함유되어 있는 질소성분은 그 유입원이 여러 가지 있으나 주로 동물 또는 사람의 분뇨, 음식물중 담백질 폐기물 및 비료등에서 발생하는 암모니아성 질소이며, 이들 암모니아가 질소기체가 되는 과정을 화학반응식으로 나타내면 다음과 같다.

[반응식 1] : NH⁴⁺ + 2O₂ → NO^3- + H₂O (산화반응)

[반응식 2] : NO^3- + H₂ → NO^2- + H₂O (환원반응)

[반응식 3] : 2NO^2- + 4H₂ → N₂ + 4H₂O (환원반응)

상기 [반응식 1] 은 산화반응으로 일반적으로 미생물에 의해 일어나는 반응이다. [반응식 1] 은 호기조에서 활성오니에 의해 충분하게 이루어지며 이미 알려진 방법이다.

이미 알려진 이론에 의하면 문제가 되는 질산성 및 아질산성 이온(NO^3-, NO^2-)중 [반응식 2] 는 수소기체만으로도 비교적 반응이 잘 이루어지는 반응이다. 그러나 아질산이온(NO^2-)의 환원반응인 [반응식 3] 은 수소기체만으로는 반응이 일어나지 않으며 반드시 촉매가 필요로 한다.

본 발명은 하수 및 폐수 처리용 전기분해장치에 있어서; 상기 전기분해장치는 분해조내에 전극모듈이 설치되되, 상기 전극모듈은 양극으로 금속철 또는 금속알루미늄 전극이 설치되고, 음극으로 백금(Pt)을 도포한 티타늄(Titanium)전극이 설치되며, 상기 음극과 양극 사이에 위치하도록 음극 주위에 Pd-Cu계 촉매판이 설치되도록 하여, 음극에서의 수소발생 및 Pd-Cu계 촉매에 따른 질산성 질소의 질소가스 환원반응 및, 양극에서 발생되는 철 또는 알루미늄 이온에 의한 난용성 인산염의 형성이 동시에 진행되도록 하여, 질산 및 아질산성 질소와 인을 동시에 제거하도록 되어 있다.

이하 본 발명을 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명에 따른 음극 구성을 보인 예시도를, 도 2 는 본 발명에 따른 양극 구성을 보인 예시도를, 도 3 은 본 발명에 따른 촉매판의 구성을 보인 예시도를, 도 4 는 본 발명에 따른 구성을 보인 예시도를, 도 5 는 실시예에 따른 구성을 보인 예시도를 도시한 것으로,

본 발명은 하수 및 폐수 처리용 전기분해장치를 이용한 폐수처리방법에 있어서; 하·폐수처리 시스템 중 혐기상태 또는 무산소상태 내에서 활성오니 존재하는 분해조(10)내에 양극(20)으로 금속철 또는 금속알루미늄을 설치하여 철 및 알루미늄 이온을 생성시켜 인을 제거하고, 음극(30)으로는 백금(Pt)을 도포한 티타늄(Titanium)전극으로 수소기체를 발생시켜 Pd-Cu계 촉매판(40)의 촉매하에서 질산성 질소를 제거하도록 되어 있다.

상기 음극(Cathode)(30)은 도 1 에 도시된 바와 같이, 펀칭망(Punching net)상태의 티타늄(Titanium,31)판에 백금(Pt,32)이 전기도금방법에 의해 코팅(도금)되어 있다.

상기 양극(Anode)(20)은 도 2 에 도시된 바와 같이, 금속 철 또는 알루미늄 봉(Rod)으로 이루어져 있다.

상기 촉매판(40)은 도 3 에 도시된 바와 같이, 펀칭망(Punching net)의 티타늄(41)판에 Pd-Cu계 촉매(42)가 부착되도록 되어 있다. 즉, 상기 촉매판(40)은 Pd-Cu계 촉매(Pd-Cu Bimetallic catalysis)(42)로 펀칭망(Punching net)상태의 티타늄(Titanium)(41)판에 다음과 같은 방법으로 제작한다.

촉매로는 질산팔라듐(Pd(NO₃)₃) 및 질산구리(CuNO₃)를 일정 중량비율로 물에 용해시켜 수용액 상태로 만들고, 이것을 표면처리된 금속 티타늄(Titanium) 펀칭망(Punching net)에 부착시킨 다음, 수소기체(5% H₂)로 500∼600℃에서 환원 처리한다.

상기 팔라듐-구리(Pd-Cu)계 촉매의 조성비는 9:1, 8:2, 7:3, 2:1, 5:5, 3:7 로 하며 티타늄(Titanium)판에 도금처리 등과 같은 방법에 의해 직접용융 부착된다.

또한, 상기 촉매판(40)은 경우에 따라 위의 촉매의 염들을 부착하고 환원 처리하는 조작을 수회 반복하여 형성할 수 있다.

상기와 같은 촉매판(40)은 음극(30) 주위에 설치되어 팔라듐-구리(Pd-Cu)계 촉매를 사용하여 아질산성 질소를 질소 기체로 환원하여 제거하는데 도움을 준다.

또한, 상기 음극(30) 및 촉매판(40)은 모두 활성슬러지의 유통을 원활하게 하기 위해 도 1 및 도 3 에 도시된 바와 같이 티타늄(Titanium) 펀칭망(Punching net) 형상으로 이루어져 있다.

상기와 같이 구성되는 음극(30)과 촉매판(40) 및 양극(20)은 서로 일체로 연결되어 전극모듈(60)을 형성한다.

즉, 상기 전극모듈(60)은 Pd-Cu계 촉매판(40)이 음극(Cathode)(30)의 양측 또는 일측에 5㎜ 간격 이내로 설치되고(음극에서 발생하는 환원성 수소기체와 촉매는 가까울수록 좋다), 촉매판(40) 주위에 양극(10) 역시 5㎜ 이내 거리에 설치되며, 음극과 촉매판 및 양극간의 거리는 2㎜ ∼ 5㎜를 구비하는 것이 바람직하다.

이때, 음극(30)과 촉매판(40) 및 양극(20) 사이 위와 아래에는 PVC 등의 전 기절연체(50)가 설치되어 서로 닿지 않도록 또한, 서로 전류를 차단하여 음극(30)과 촉매판(40) 및 양극(20)이 전극모듈(60)을 이루게 된다.

또한, 상기 전극모듈의 전극과 촉매판의 조(Set)의 수 즉, 전극모듈(60)의 음극, 촉매판, 양극으로 순차적 배열되는 조(Set)의 수는 처리하는 하·폐수의 양에 따라 다수개가 조절되어 설치된다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 하·폐수처리 시스템 중 혐기상태 또는 무산소상태 내에서 활성오니가 존재하는 분해조내에 전극모듈을 설치하여 전류를 통하게 되면, 전기분해에 의해 음극(30)으로부터 발생하는 수소기체를 이용하여 위의 [반응식 2] 와 [반응식 3]이 완결되어 질소를 기체상태(N₂)로 환원 제거하게 되며, 양극으로부터 발생되는 철 또는 알루미늄 이온과 하수 및 폐수처리 중 호기성조에서 충분한 산소에 의해 산화되어 존재하는 인산이온(PO₄ ^3-)이 서로 결합되어 난용성 인산염을 형성하게 된다.

이하, 본 발명에 따른 음극에서의 수소발생 메카니즘은 다음 반응식과 같다.

[반응식 4] :

상기 [반응식 4]에서 정반응은 극히 적게 일어난다.(H⁺농도는 표준조건에서 1×10^-7임.) 그러나 생성된 H⁺은 음극의 Pt 촉매 하에서 다음 [반응식 5]와 같이 수소기체를 형성한다.

[반응식 5] :

이렇게 수소기체가 생성되면 [반응식 4]는 르샤틀리에 원리(Le chatellier's principle)에 의해 정반응 쪽으로 계속 일어나므로 음극에서는 연속적으로 수소기체가 발생하게 된다.

상기에서와 같이 음극에서 일어나는 수소발생 메카니즘과 Pd-Cu계 촉매에 의해 질산성 질소를 질소가스로 환원하는 반응은 다음 반응식 6 과 같다.

[반응식 6] :

또한, 본 발명에 따른 양극에서의 인 제거반응은 다음과 같다.

하수 및 폐수처리 중 호기성조에서 충분한 산소에 의해 산화된 인은 인산이온(PO₄ ^3-)으로 존재하게 되며, 이러한 인산이온은 전기분해할 때 양극(20)에서 발생하는 철 또는 알루미늄 이온과 결합하여 난용성 인산염이 형성된다. 이 과정에서의 화학반응식은 다음 [반응식 7] 및 [반응식 8]과 같다.

[반응식 7] : Fe³⁺ + PO₄ ^3- → FePO₄(s)

[반응식 8] : Al³⁺ + PO₄ ^3- → AlPO₄(s)

또한, 여분의 철 및 알루미늄 이온은 음극(30)의 수소발생으로 인해 생성되는 수산이온(OH^-)과 반응하여 아래의 [반응식 9] 및 [반응식 10]과 같은 화학반응식으로 침전을 형성한다.

[반응식 9] : Fe³⁺ + 3OH^- → Fe(OH)₃(s)

[반응식 10] : Al³⁺ + 3OH^- → Al(OH)₃(s)

상기에서와 같은 본 발명에 따른 철 또는 알루미늄 봉으로 이루어진 양극(20)에서는 위의 [반응식 7] 내지 [반응식 10]과 같은 침전에 의해 인이 제거된다. 이때, 상기 [반응식 7]과 [반응식 9]는 같은 침전으로 공침되고, [반응식 8]과 [반응식 10]도 공침되며 침천물로 제거된다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 전극모듈이 설치된 분해조내로 하·폐수를 유입시키는 폐수유입단계; 상기 전극모듈에 전류를 공급하여 전기분해하는 전기분해단계; 상기 전기분해된 폐수를 방출하는 배출단계로 이루어지되,

상기 전극모듈의 양극으로 금속철 또는 금속알루미늄이 설치되어 생성되는 철 및 알루미늄 이온과 인산이온(PO₄ ^3-)의 결합에 의해 인산철(FePO₄) 또는 인산알루미늄(AlPO₄)염으로 인이 침전되고,

상기 전극모듈의 음극으로 백금(Pt)을 도포한 티타늄(Titanium)전극 및, Pd-Cu계 촉매판이 설치되어 발생되는 수소기체 및 Pd-Cu계 촉매에 의해 질산(NO^3-) 및 아질산(NO^2-)성 질소를 기체상 상태의 질소(N₂)로 환원시켜, 질산 및 아질산성 질소와 인을 동시에 제거하도록 되어 있다.

이때, 상기 전기분해조건으로 전류밀도는 100∼300A/㎡ 이며 최적 전류밀도는 100∼200A/㎡ 이다. 100A/㎡ 미만에서는 효율이 급격하게 저하되며 300A/㎡ 초과하게 되면 음극의 백금(Pt) 도포막이 손상되어 음극수명이 짧아진다. 또한, 극간거리는 5∼15㎜ 로 하며, 극간거리가 커지면 전압이 높아지므로 바람직하지 않다. 또한, 처리액의 온도는 5∼20℃로, 5℃이하에서는 전기분해효율이 저하된다.

또한, 상기 분해조내는 슬러지로 인해 방해받지 않고, 전기분해시 분극현상을 방지하도록 교반해주는 것이 바람직하며, 교반은 250rpm 이상이 적당하다.

이하 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예

음극(Cathode)의 양측에 5㎜ 간격 유지하도록 Pd-Cu계 촉매판을 각각 설치하 고, 상기 촉매판에 5㎜ 간격을 유지하도록 양극을 설치하며, 상기 음극과 촉매판 사이 및, 촉매판과 양극 사이에 전기절연체를 설치하여, 하나의 전극모듈을 형성하였다.

이때, 음극으로는 표면 처리된 티타늄(Titanium) 펀칭망(Punching net)에 백금(Pt)을 전기도금방법을 이용하여 코팅하였으며(상기 전기도금방법에 의한 코팅은 주지의 기술수단을 이용한 것이므로, 이에 대한 설명은 생략한다.), 양극으로는 알루미늄 봉을 사용하였다.

또한, 촉매로는 질산팔라듐(Pd(NO₃)₃) 및 질산구리(CuNO₃)를 각각(9:1, 8:2, 7:3, 3:7) 의 중량비율에 따라 물에 용해시켜 수용액 상태로 만들고, 이것을 표면처리된 금속 티타늄(Titanium)펀칭망(Punching net)에 부착시킨 후, 수소기체(5% H₂)로 500∼600℃ 에서 환원 처리하여 촉매판을 형성하였다.

또한, 아크릴을 이용하여 내경 290㎜ × 외경300㎜ × 높이200㎜의 반응조(501)를 제작하였다. 또한 반응조 내부의 반응속도를 높이기 위하여 도 5 에 도시된 바와 같이 Daihan Scintific(HT50DX) 교반기(80)를 사용하여 250rpm으로 교반시켰다. 전기분해를 하기위한 정류기(90)는 SM Techno사의 모델SDP50-3D를 사용하였으며, 전류는 전류밀도 150A/㎡하였다.

상기와 같이 이루어진 반응조내에 질산성질소(NO₃-N) 50㎎/L와 인산염인(PO₄ ^3--P) 5㎎/L 시료를 투입하여 운전기간동안 질산성질소(NO₃-N)농도와 인산염 인(PO₄ ^3--P)농도변화를 측정하였으며, 그 결과는 도 6 내지 도 9 와 같다.

도 6 은 Pd와 Cu비 9 : 1로써 질산성질소(NO₃-N) 50㎎/L와 인산염인(PO₄ ^3--P) 5㎎/L 시료를 조제하여 운전기간동안 질산성질소(NO₃-N)농도와 인산염인(PO₄ ^3--P)농도변화를 측정하여 나타낸 그래프로, 반응 10시간 후의 처리수중의 질산성 질소 농도는 26.2㎎/L, 인산염인 농도는 0.88㎎/L로서, 운전기간인 10hr 동안 질산성 질소의 농도 제거율 47.6%, 인산염인 제거율 82.4%가 제거됨을 알 수 있었다.

도 7 은 Pd와 Cu비 8 : 2로써 질산성질소(NO₃-N) 50㎎/L와 인산염인(PO₄ ^3--P) 5㎎/L 시료를 조제하여 운전기간동안 질산성질소(NO₃-N)농도와 인산염인(PO₄ ^3--P)농도변화를 측정하여 나타낸 그래프로, 반응 10시간 후의 처리수중의 질산성 질소 농도는 13.4㎎/L, 인산염인 농도는 0.86㎎/L로서, 운전기간인 10hr 동안 질산성 질소의 농도 제거율 73.2%, 인산염인 제거율 82.8%가 제거됨을 알 수 있었다.

도 8 은 Pd와 Cu비 7 : 3로써 질산성질소(NO₃-N) 50㎎/L와 인산염인(PO₄ ^3--P) 5㎎/L 시료를 조제하여 운전기간동안 질산성질소(NO₃-N)농도와 인산염인(PO₄ ^3--P)농도변화를 측정하여 나타낸 그래프로, 반응 10시간 후의 처리수중의 질산성 질소 농도는 18.2㎎/L, 인산염인 농도는 0.85㎎/L로서, 운전기간인 10hr 동안 질산성 질소의 농도 제거율 63.6%, 인산염인 제거율 83%가 제거됨을 알 수 있었다.

도 9 는 Pd와 Cu비 3 : 7로써 질산성질소(NO₃-N) 50㎎/L와 인산염인(PO₄ ^3--P) 5㎎/L 시료를 조제하여 운전기간동안 질산성질소(NO₃-N)농도와 인산염인(PO₄ ^3--P)농도변화를 측정하여 나타낸 그래프로, 반응 10시간 후의 처리수중의 질산성 질소 농도는 30.7㎎/L, 인산염인 농도는 0.89㎎/L로서, 운전기간인 10hr 동안 질산성 질소의 농도 제거율 38.6%, 인산염인 제거율 82.2%가 제거됨을 알 수 있었다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

도 1 은 본 발명에 따른 음극 구성을 보인 예시도

도 2 는 본 발명에 따른 양극 구성을 보인 예시도

도 3 은 본 발명에 따른 촉매판의 구성을 보인 예시도

도 4 는 본 발명에 따른 구성을 보인 예시도

도 5 는 실시예에 따른 구성을 보인 예시도

도 6 은 실시예에 따른 질소 및 인산염의 제거효율을 보인 예시도(Pd 와 Cu 비율 = 9 : 1)

도 7 은 실시예에 따른 질소 및 인산염의 제거효율을 보인 예시도(Pd 와 Cu 비율 = 8 : 2)

도 8 은 실시예에 따른 질소 및 인산염의 제거효율을 보인 예시도(Pd 와 Cu 비율 = 7 : 3)

도 9 는 실시예에 따른 질소 및 인산염의 제거효율을 보인 예시도(Pd 와 Cu 비율 = 3 : 7)

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(10) : 분해조 (20) : 양극

(30) : 음극 (31) : 티타늄

(32) : 백금(Pt) (40) : 촉매판

(41) : 티타늄 (42) : Pd-Cu 계 촉매

(50) : 전기절연체 (60) : 전극모듈

(70) : 하·폐수 (80) : 교반기

(90) : 정류기

Claims

하수 및 폐수 처리시스템 중 혐기상태 또는 무산소상태 내에서 활성오니가 존재하는 분해조내에 설치되는 하수 및 폐수 처리용 전기분해장치에 있어서;

상기 전기분해장치는 분해조내에 전극모듈이 설치되되,

상기 전극모듈은 양극(Anode)으로 철 또는 알루미늄 봉(Rod)의 전극이 설치되고, 음극(Cathode)으로 펀칭망(Punching net) 상태의 티타늄(Titanium)판에 백금(Pt)이 코팅(도금)된 전극이 설치되며, 상기 음극과 양극 사이에 위치하도록 음극 주위에 펀칭망(Punching net)의 티타늄판에 팔라듐-구리(Pd-Cu)계 촉매가 부착된 Pd-Cu계 촉매판이 설치되어,

철 또는 알루미늄 이온과 인산이온(PO₄ ^3-)의 결합에 의해 인산철(FePO₄) 또는 인산알루미늄(AlPO₄)염으로 인이 침전되고, 수소기체 및 Pd-Cu계 촉매에 의해 질산(NO^3-) 및 아질산(NO^2-)성 질소가 기체상 상태의 질소(N₂)로 환원되어, 질산 및 아질산성 질소와 인이 동시에 제거되는 것을 특징으로 하는 하수 및 폐수 처리용 전기분해장치.
청구항 1 에 있어서;

상기 음극과 촉매판 사이 및, 촉매판과 양극 사이에는 전기절연체가 설치된 것을 특징으로 하는 하수 및 폐수 처리용 전기분해장치.
청구항 1 또는 청구항 2 에 있어서;

상기 음극과 촉매판 사이 및, 촉매판과 양극 사이 5㎜ 이하를 구비하는 것을 특징으로 하는 하수 및 폐수 처리용 전기분해장치.
삭제
삭제
청구항 1 에 있어서;

상기 팔라듐-구리(Pd-Cu)계 촉매는 9:1, 8:2, 7:3, 2:1, 5:5, 3:7 의 중량비로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 인 것을 특징으로 하는 하수 및 폐수 처리용 전기분해장치.
청구항 1 에 있어서;

상기 전극모듈은 음극, 촉매판, 양극 순차적 배열되어 하나의 조(Set)를 형 성하고,

상기 조(Set)는 처리되는 하수 및 폐수의 양에 따라 연속적으로 다수개 설치되는 것을 특징으로 하는 하수 및 폐수 처리용 전기분해장치.
하수 및 폐수 처리시스템 중 혐기상태 또는 무산소상태 내에서 활성오니가 존재하는 분해조내에 설치되는 하수 및 폐수 처리용 전기분해장치를 이용한 하수 및 폐수 처리방법에 있어서;

전극모듈이 설치된 분해조내로 하수 및 폐수를 유입시키는 하·폐수유입단계;

상기 전극모듈에 전류를 공급하여 전기분해하는 전기분해단계;

상기 전기분해된 하수 및 폐수를 방출하는 배출단계로 이루어지되,

상기 전극모듈의 양극으로 철 봉 또는 알루미늄 봉이 설치되어 생성되는 철 및 알루미늄 이온과 인산이온(PO₄ ^3-)의 결합에 의해 인산철(FePO₄) 또는 인산알루미늄(AlPO₄)염으로 인이 침전되고,

상기 전극모듈의 음극(Cathode)으로 펀칭망(Punching net) 상태의 티타늄(Titanium)판에 백금(Pt)이 전기도금방법에 의해 코팅(도금)된 티타늄 전극 및, 음극 주위에 펀칭망(Punching net)의 티타늄판에 팔라듐-구리(Pd-Cu)계 촉매가 부착된 Pd-Cu계 촉매판이 설치되어, 발생되는 수소기체 및 Pd-Cu계 촉매에 의해 질산(NO^3-) 및 아질산(NO^2-)성 질소를 기체상 상태의 질소(N₂)로 환원시켜,

분해조내에서 질산 및 아질산성 질소와 인이 동시에 제거되는 것을 특징으로 하는 하수 및 폐수 처리용 전기분해장치를 이용한 폐수처리방법.
청구항 8 에 있어서;

전기분해시 전류밀도는 100∼300A/㎡, 처리액의 온도 5∼20℃, 극간거리는 2∼15㎜ 를 구비하는 것을 특징으로 하는 하수 및 폐수 처리용 전기분해장치를 이용한 하수 및 폐수처리방법.
청구항 8 에 있어서;

상기 분해조내는 슬러지로 인해 방해받지 않고, 전기분해시 분극현상을 방지하도록 250rpm 이상으로 교반되는 것을 특징으로 하는 하수 및 폐수 처리용 전기분해장치를 이용한 하수 및 폐수처리방법.