KR100948197B1 - 간헐반응 및 분리막과 전기분해장치를 이용한 질소 및 인 제거를 위한 고도 수처리 장치 및 이를 이용한 고도 수처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 간헐반응 및 분리막과 전기분해장치를 이용한 질소 및 인 제거를 위한 고도 수처리 장치 및 이를 이용한 고도 수처리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 MBR방식으로 하폐수 중의 유기물, 질소 및 인을 동시에 처리할 뿐만 아니라 전기분해장치에 의해 질산성 질소 및 아질산성 질소와 인의 제거효율을 향상시킬 수 있는 하수 및 폐수의 고도 처리장치 및 이를 이용한 고도 수처리방법에 관한 것이다.

본 발명의 고도 수처리 장치는 처리대상수 및 활성슬러지가 유입되며, 간헐 포기수단을 갖는 간헐반응조와, 간헐반응조의 혼합액 중의 질소와 인을 처리하는 전기분해장치와, 간헐반응조로부터 혼합액이 연속적으로 유입되며, 유입된 혼합액 중의 잔류 유기물질을 제거하고 물과 슬러지를 고액분리시키는 분리막을 통해 처리수를 배출하는 처리수배출수단 및 포기수단을 가지는 MBR반응조와, MBR반응조로부터 활성슬러지가 연속적으로 유입되며, 상기 활성슬러지의 용존산소를 저감시키기 위한 전이조와, 전이조의 활성슬러지를 상기 간헐반응조로 단속적으로 반송시켜 상기 전이조의 수위를 변화시키는 슬러지반송수단을 구비한다.

하수, 폐수, 수처리, 전기분해, MBR, 간헐, 포기, 질소, 인

Description

간헐반응 및 분리막과 전기분해장치를 이용한 질소 및 인 제거를 위한 고도 수처리 장치 및 이를 이용한 고도 수처리방법{Advanced treating apparatus for removing nitrogen and phosphorus using intermitted aeration, membrane, electrolysis apparatus, advanced method of water treatment using the same}

본 발명은 간헐반응 및 분리막과 전기분해장치를 이용한 질소 및 인 제거를 위한 고도 수처리 장치 및 이를 이용한 고도 수처리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 MBR방식으로 하폐수 중의 유기물, 질소 및 인을 동시에 처리할 뿐만 아니라 전기분해장치에 의해 질산성 질소 및 아질산성 질소와 인의 제거효율을 향상시킬 수 있는 하수 및 폐수의 고도 수처리장치 및 이를 이용한 고도 수처리방법에 관한 것이다.

MBR(Membrane Bio-Reactor)을 이용한 하폐수 고도처리장치는 기존의 하수처리법인 활성슬러지법과 비교해 볼 때 설치 소요면적이 작고 자동운전이 용이하다는 점, 또 침전조를 별도로 포함하지 않아 슬러지 벌킹 등의 문제를 원천적으로 해결할 수 있다는 점 등의 장점이 있어, 소규모 하수처리시설에 많이 활용되어 왔다.

특히, 막의 선택에 따라 처리수질을 필요로 하는 만큼 조절할 수 있기 때문에 최근의 물 재이용에 대한 정책적 배려와 발 맞추어 소규모 중수시설에서도 많이 이용하고 있는 추세이다.

MBR을 이용한 하폐수 고도처리장치는 잉여 슬러지의 발생량이 기존의 방식보다 훨씬 적고 이것이 MBR 시스템의 장점으로 받아들여지고 있는 점 때문에 인의 제거 측면에서는 불리한 것으로 알려져 있다. 따라서, 이러한 인 제거 측면에서의 약점을 보완하고 고도의 질소 및 인 동시 제거용 MBR 시스템이 요구되어 왔다.

분리막을 활성슬러지 포기조 내에 침지시켜 운영하는 MBR방식은 대개 전단에 혐기 또는 무산소조가 배치되고 후단에 멤브레인을 침지시킨 호기성반응조가 배치되게 되며, 대부분이 종래 하수고도처리 기술인 A2/O 와 유사한 공정을 기본공정으로 하여 멤브레인을 적용하고 있다. 이러한 공정은 2∼6Q 에 이르는 과도한 슬러지 반송에 따른 슬러지 내 용존산소로 인하여 유입수 중의 유기물이 손실되고 이로 인해 질소 및 인의 제거효율이 저하되는 큰 문제점을 지니고 있다.

또한, 분리막을 이용한 다른 문제점은 여과 시간이 경과함에 따라 막표면에 케이크 층이 축적되어 투과수량이 급격히 감소하는 것이다. 분리막의 투과율을 감소시키는 원인은 막 부근에 용질의 농도가 증가하여 삼투압이 커짐에 따라 투과율이 감소하는 농도분극 현상과, 막표면 혹은 내부에 용질이 흡착 또는 침적되어 투과율이 감소하는 막오염(Fouling) 현상이 있다.

농도분극 현상은 분리막 자체의 성질에는 영향을 주지 않으며 막표면의 수리학적인 상태에 좌우된다. 그러나 막오염은 막표면에 물질들이 축적 또는 흡착되므로 분리막의 성질에 변화를 일으켜 투과율을 감소시킨다. 농도 분극 현상은 막표면에서의 투과 유효 압력을 감소시키지만 영구적으로 막의 재질 및 투과율을 변화시키는 것은 아니며 막모듈의 형태를 다양하게 개발하여 유체역학적인 측면을 고려하 여 농도분극 현상을 최소화할 수 있는 방안이 연구 중이다.

그러나 막의 오염은 유입수의 특성에 따라 막표면에 오염물질이 강하게 결합, 축적되면 막의 투과율을 영구히 감소시킬 수도 있으며 분리막의 성질 또한 변하게 하여 고액분리기능이 정지될 수 있다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, MBR반응조에서 분리막의 오염에 의해 분리막의 고액분리기능이 정지되더라도 계속적으로 처리수를 배출할 수 있는 고도 수처리 장치를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 전기분해장치를 이용하여 질소와 인을 동시에 처리하여 전체적인 질소 및 인 제거 효율을 향상시킬 수 있는 고도 수처리 장치를 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고도 수처리 장치는 처리대상수 및 활성슬러지가 유입되며, 간헐 포기수단을 갖는 간헐반응조와; 상기 간헐반응조의 혼합액 중의 질소와 인을 처리하는 전기분해장치와; 상기 간헐반응조로부터 혼합액이 연속적으로 유입되며, 유입된 혼합액 중의 잔류 유기물질을 제거하고 물과 슬러지를 고액분리시키는 분리막을 통해 처리수를 배출하는 처리수배출수단 및 포기수단을 가지는 MBR반응조와; 상기 MBR반응조로부터 활성슬러지가 연속적으로 유입되며, 상기 활성슬러지의 용존산소를 저감시키기 위한 전이조와; 상기 전이조의 활성슬러지를 상기 간헐반응조로 단속적으로 반송시켜 상기 전이조의 수위를 변화시키는 슬러지반송수단;을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 분리막의 오염 시 물과 슬러지를 고액분리시켜 처리수를 배출하는 처리수보조배출수단;을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 전이조는 상기 MBR반응조의 후단에 설치되고, 상기 처리수보조배출수단은 상기 MBR반응조 및 상기 전이조의 상부에 설치되는 다수의 경사판을 갖는 경사판침전유니트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 전기분해장치는 상기 간헐반응조에 유입된 처리대상수의 일부가 순환되는 전기분해조와, 상기 전기분해조의 내부에 설치된 전극모듈을 구비하고, 상기 전극모듈은 양극에서 발생되는 철 및 알루미늄 이온과 인산이온의 결합에 의해 인산철 또는 인산알루미늄 염으로 인을 침전시키고, 음극에서 발생되는 수소기체 및 촉매에 의해 질산성 질소 및 아질산성 질소를 기체 상태의 질소로 환원시켜 질소와 인을 동시에 제거하도록 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 전극모듈은 양극으로 철 또는 알루미늄 전극이 설치되고, 음극으로 백금을 도포한 티타늄 전극이 설치되며, 상기 음극과 양극 사이에 위치하도록 음극 주위에 Pd-Cu계 촉매판이 설치된 것을 특징으로 한다.

상기 음극은 펀칭망 형태의 티타늄판에 백금이 전기도금방법에 의해 코팅되고, 상기 양극은 금속 철 또는 알루미늄 봉으로 이루어지며, 상기 촉매판은 펀칭망의 티타늄판에 Pd-Cu계 촉매가 부착되고,상기 음극과 촉매판 사이 및 상기 촉매판과 양극 사이에 전기절연체가 설치된 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 MBR반응조에서 분리막의 오염에 의해 분리막의 고액분리기능이 정지되더라도 경사판침전유니트에 의해 고액분리기능을 계속적으로 수행하여 처리수를 배출할 수 있는 장점을 가진다.

또한, 간헐 반응조의 포기 및 비포기 시간을 조절할 수 있어 시간적 반응 개념의 SBR방식의 장점을 갖는다.

그리고 전기분해장치에 의해 질산성 질소 및 아질산성 질소와 인의 제거가 추가적으로 수행되므로 전체 수처리 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다. 이러한 전기분해장치에 의한 질소 및 인의 제거는 외부의 변화요소에도 영향을 받지않는 물리 및 화학적인 방법에 의해 수행되므로 질소 및 인의 제거 효율을 일정하게 유지할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고도 수처리 장치에 대해 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고도 수처리 장치의 구성을 나타낸 블록도이고, 도 2는 도 1에서 요부를 간략하게 나타낸 구성도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실 시 예에 따른 고도 수처리 장치는 크게 간헐반응조(110)와, 전기분해조(10)를 포함하는 전기분해장치와, MBR반응조(120)와, 전이조(130)와, 슬러지반송수단을 구비한다.

처리대상수인 하수 및 폐수는 공지의 전처리 장치 즉 스크린, 침사조, 1차침전조, 유량조정조 등을 거쳐 유입수라인(105)을 통해 간헐반응조(110)로 유입된다. 도시된 예에서는 유량조정조(101)를 거쳐 드럼스크린(102)을 통해 협잡물이 제거된 후 간헐반응조(110)로 유입된다. 이와 함께 전이조(130)로부터 활성슬러지가 반송되어 간헐반응조(110)로 유입된다. 처리대상수와 활성슬러지가 혼합된 혼합액은 간 헐반응조(110)에서 포기 유무에 따라 호기 조건 또는 무산소 조건으로 전환되어 질산화 반응과 탈질 반응이 수행된다.

간헐반응조(110)에는 포기 또는 비포기 조건을 조성하기 위한 간헐포기 수단이 구비된다. 간헐포기수단으로 간헐 반응조(110) 내로 공기를 주입하기 위한 송풍기(111)가 설치되고, 간헐 반응조 하부에는 송풍기(111)와 연결된 산기관(113)이 설치된다. 그리고 송풍기(111)로부터 산기관(113)으로 공기의 공급을 일정시간 간격으로 변경하기 위한 솔레노이드밸브, 전동밸브 또는 타이머 등의 공기공급제어장치(미도시)를 포함한다. 공기공급제어장치는 송풍기(111)와 산기관(113)을 연결하는 배관상에 설치될 수 있다.

간헐반응조(110)로 유입된 반송 슬러지에 의해 처리대상수 중에 함유된 질소와 인이 제거된다. 예를 들면 포기시, 즉 호기조건에서는 미생물에 의한 인의 과잉섭취와 암모니아성 질소가 질산성 질소로 전환되는 산화가 일어나며, 비포기 조건에서는 탈질소화에 관련된 미생물에 의해 질산성 질소가 질소가스로 환원되면서 질소를 제거하게 된다. 이와 같은 방법에 의하여 호기조건과 무산소조건을 교대로 반복시키므로써 인의 과잉섭취와 질산화, 탈질소화를 유도하여 질소와 인을 효과적으로 제거할 수 있게 된다.

간헐반응조(110)에서는 포기시간 10∼20분, 비포기시간 10∼30분 내에서 일정주기로 단속적 간헐포기를 실시하거나, 유입되는 처리대상수의 BOD농도 등에 따라 포기 및 비포기 시간의 조절은 가능하다.

본 발명은 간헐반응조(110)의 혼합액을 일부 순환시켜 전기분해에 의해 질소 및 인을 제거할 수 있는 전기분해장치가 설치된다.

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, 음식물 중 단백질 폐기물 및 비료등에서 발생하는 암모니아성 질소이며, 이들 암모니아가 질소기체가 되는 과정을 화학반응식으로 나타내면 다음과 같다.

[반응식 1] : NH^{4 +} + 2O₂ → NO₃ ^- + H₂O (산화반응)

[반응식 2] : NO₃ ^- + H₂ → NO₂ ^- + H₂O (환원반응)

[반응식 3] : 2NO₂ ^- + 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(NO₃ ^-, NO₂ ^-)중 [반응식 2]는 수소기체만으로도 비교적 반응이 잘 이루어지는 반응이다. 그러나 아질산이온(NO₂ ^-)의 환원반응인 [반응식 3]은 수소기체만으로는 반응이 일어나지 않으며 반드시 촉매가 필요로 한다.

본 발명에 적용된 전기분해장치는 간헐반응조(110)의 혼합액의 일부가 순환되는 전기분해조(10)와, 전기분해조(10)의 내부에 설치된 전극모듈을 구비한다. 간헐반응조(110)의 내부에는 전기분해조(10)로 혼합액을 순환시키기 위한 순환펌프(109)가 설치되고, 순환펌프(109)는 순환관(107)(108)에 의해 전기분해조(10)와 연결된다.

도 3 내지 도 6을 참조하면, 전극모듈(60)의 양극(20)으로 철 또는 알루미늄이 설치되어, 양극에서 생성되는 철 및 알루미늄 이온과 인산이온(PO₄ ^3-)의 결합에 의해 인산철(FePO₄) 또는 인산알루미늄(AlPO₄)염으로 인이 침전되고, 상기 전극모듈(60)의 음극(30)으로 백금(Pt)을 도포한 티타늄(Titanium)전극 및, Pd-Cu계 촉매판(40)이 설치되어 발생되는 수소기체 및 Pd-Cu계 촉매에 의해 질산(NO₃ ^-)성 질소 및 아질산(NO₂ ^-)성 질소를 기체상 상태의 질소(N₂)로 환원시켜, 전기 분해조(10) 내에서 질산 및 아질산성 질소와 인이 동시에 제거된다.

음극(30)에서의 수소발생 및 Pd-Cu계 촉매에 따른 질산성 질소의 질소가스 환원반응 및, 양극(20)에서 발생되는 철 또는 알루미늄 이온에 의한 난용성 인산염의 형성이 동시에 진행되도록 하여, 질산 및 아질산성 질소와 인을 동시에 제거하는 것이다.

상기 음극(Cathode)(30)은 도 3에 도시된 바와 같이, 펀칭망(Punching net)상태의 티타늄(Titanium,31)판에 백금(Pt,32)이 전기도금방법에 의해 코팅(도금)되 어 있다. 상기 양극(Anode)(20)은 도 4에 도시된 바와 같이, 금속 철 또는 알루미늄 봉(Rod)으로 이루어져 있다.

상기 촉매판(40)은 도 5에 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)₂) 및 질산구리(Cu(NO₃)₂)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, 3:7로 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 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 연 결되어 하나의 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 전기절연체(50)가 설치되어 서로 닿지 않도록 또한, 서로 전류를 차단하여 음극(30)과 촉매판(40) 및 양극(20)이 하나의 전극모듈(set,60)를 이루게 된다. 또한, 상기 전극과 촉매판의 조(Set)의 수 즉, 전극모듈(60)의 음극, 촉매판, 양극으로 순차적 배열되는 조(Set)의 수는 처리하는 하수 및 폐수의 양에 따라 다수개가 조절되어 설치된다.

상기와 같이 구성된 전기분해장치는 혐기상태 또는 무산소상태 내에서 활성슬러지가 존재하는 전기분해조 내에 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 호기성 조건에서 충분한 산소에 의해 산화되어 존재하는 인산이온(PO₄ ^3-)이 서로 결합되어 난용성 인산염을 형성하게 된다.

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, 양극에서의 인 제거반응은 다음과 같다.

하수 및 폐수처리 중 호기성조에서 충분한 산소에 의해 산화된 인은 인산이온(PO43-)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] : Fe^{3 +} + PO₄ ^{3 -} → FePO₄(s)

[반응식 8] : Al3^{3 +} + 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] : Fe^{3 +} + 3OH^- → Fe(OH)₃(s)

[반응식 10] : Al^{3 +} + 3OH^- → Al(OH)₃(s)

상기에서와 같이 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.

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, 극간 거리는 5~15㎜ 로 하며, 극간 거리가 커지면 전압이 높아지므로 바람직하지 않다. 또한, 처리액의 온도는 5~20℃로, 5℃이하에서는 전기분해효율이 저하된다. 또한, 상기 전기분해조 내는 슬러지로 인해 방해받지 않고, 전기분해시 분극현상을 방지하도록 교반해주는 것이 바람직하며, 교반은 250rpm 이상이 적당하다.

그리고 상술한 바와 달리 전기분해장치는 별도의 전기분해조 없이 전극모듈 (60)자체가 간헐반응조(110)에 침지된 형태로 구성될 수 있다. 이 경우 간헐반응조(110)는 FRP와 같은 비전도체 소재로 형성되는 것이 바람직하다.

다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 간헐반응조(110)의 후단에 설치된 MBR반응조(120)에는 간헐반응조(110)에 설치된 순환펌프(115)에 의해 혼합액이 연속적으로 유입된다. MBR반응조(120)는 유입된 혼합액 중의 잔류 유기물질을 제거하고 물과 슬러지를 고액분리시키는 분리막(121)을 통해 처리수를 배출하는 처리수배출수단 및 포기수단을 가진다.

처리수배출수단으로 처리수를 흡입력에 의해 흡입하는 흡입펌프(125)와, 상기 흡입펌프(125)와 분리막(121)을 연결하여 흡입펌프(125)의 흡입력을 상기 분리막에 전달하는 흡입라인(123)으로 이루어진다. 그리고 MBR반응조(120)를 호기 조건으로 운영하기 위한 포기수단으로 송풍기(127)와, 송풍기(127)와 연결되어 분리막(121)의 하방에 설치된 산기관(129)으로 이루어진다. 상기 포기수단에 의해 MBR반응조(120)는 호기조건으로 운영되어 질산화 반응이 수행되고, 산기관(129)에서 발생된 공기방울이 분리막(121)에 부딪히는 전단력에 의해 분리막(121)에 부착되어 있는 슬러지를 분리막(121)으로부터 탈락시키는 기능을 수행한다.

상기 분리막(121)은 침지형 평막인 것이 바람직하다. 또한, 상기 MBR반응조(120)에는 분리막(121)의 표면을 세정시켜 분리막(121)이 원활하게 운영될 수 있도록 분리막 세정기(미도시)가 더 구비될 수 있다. 일 예로, 분리막 세정기는 분리막 세정을 위해 세정액이 저장되는 세정액 저장조와, 상기 세정액 저장조에 저장된 세정액을 흡입력에 의해 상기 분리막에 공급하여 표면에 부착된 슬러지를 제거하기 위한 흡입펌프와, 상기 흡입펌프의 흡입력에 의해 상기 세정액 저장조에서 상기 분리막으로 상기 세정액을 전달하기 위한 세정액 이송라인과, 상기 세정액 이송라인 상에 구비되어 상기 분리막을 통과하는 물에 의해 발생되는 차압을 감지하는 차압계로 구성된다. 이때, 상기 세정액은 약품세정을 위해서는 차아염소산나트륨 또는 구연산을 물에 혼합하여 일정농도로 희석하여 사용하고, 물리적 세정을 위해서는 처리수를 사용할 수 있다.

MBR반응조(120)의 활성 슬러지, 즉 혼합액 부유물(MLSS, mixed liquor suspended solid)은 미생물의 농도가 10,000∼20,000㎎/ℓ로 유지되도록 함이 바람직하다. 상기 MBR반응조(120)의 상부에 설치된 유출구(122)를 통해 MBR반응조(120)의 활성 슬러지가 전이조(130)로 연속적으로 유입된다. 전이조(130)는 MBR반응조(120)의 후단에 나란하게 설치된다. 전이조(130)는 유입된 활성슬러지의 용존산소량이 저감될 수 있도록 탈기시간을 제공하고 활성슬러지의 성상을 균일하게 만들어 주기 위해 내부에 수류 교반기(131)가 설치된다.

본 발명은 전이조(130)의 활성슬러지를 간헐반응조(110)로 단속적으로 반송시켜 전이조(130)의 수위를 변화시키는 슬러지반송수단을 구비한다. 슬러지반송수단으로 전이조(130)와 간헐반응조(110)를 연결하는 슬러지반송라인(135)과, 상기 슬러지반송라인(135)으로 활성슬러지를 이송시키는 디켄터로 이루어진다. 디켄터는 통상적인 슬러지 배출장치를 이용한다. 일 예로 디켄터는 전이조(130) 내부에 설치되는 흡입파이프(133)와, 흡입파이프(133)에 흡입력을 전달하는 펌프(137)로 이루 어진다. 도시되지 않았지만 흡입파이프(133)는 승강수단에 의해 상하로 이동하여 슬러지를 흡입위치를 조절할 수 있다. 그리고 반송되지 않은 잉여슬러지는 반송라인(135)으로부터 분기된 잉여슬러지 라인(139)을 통해 외부로 배출된다.

MBR반응조(120)로부터 연속적으로 유입된 활성슬러지는 유출구(122)의 높이까지 수면이 상승하게 되면 슬러지반송수단에 의해 슬러지가 간헐반응조로 반송된다. 이때 슬러지의 배출은 전이조(130) 최고 수위의 약 70 내지 80%정도의 수위까지 배출되고, 슬러지 배출은 중단된다. 그리고 다시 전이조(130)의 수위가 최고 수위로 상승하게 되면 슬러지가 배출된다. 이러한 슬러지반송수단에 의해 전이조(130)의 수위는 변하게 된다. 따라서 전이조(130)의 체적이 변동되므로 전이조(130)에서의 체류시간을 증대시킬 수 있다.

한편, 본 발명은 MBR반응조(120)에 설치된 분리막(121)이 오염되어 분리막(121)의 고액분리기능이 정지되더라도 물과 슬러지를 고액분리시켜 처리수를 배출할 수 있는 처리수보조배출수단을 더 구비할 수 있다.

상기 처리수보조배출수단은 MBR반응조(120)와 전이조(130)의 상부에 설치된 경사판 침전유니트(150)와, 경사판 침전유니트(150)보다 더 높은 위치에 형성된 배수구와 연결된 배수라인(157)으로 구비된다. 경사판 침전유니트(150)는 MBR반응조(120)의 좌측벽과 전이조(130)의 우측벽 사이에 설치되며 상하로 이격되어 형성된 한쌍의 지지판(151)과, 상기 지지판(151) 사이에 일정 간격으로 배치되어 경사지게 설치된 다수의 경사판(153)들로 이루어진다.

분리막의 오염으로 인한 분리막(121)의 고액분리 기능 정지시 MBR반응 조(120)의 혼합액은 상부 방향으로 상승되면서 상향류를 형성하게 된다. 그리고 수위가 상승하여 MBR반응조(120)의 유출구(122)를 통해 전이조(130)로 유입된다. 그리고 전이조(130)의 수위가 상승하여 MBR반응조의 유출구(122)까지 도달하게 되면 MBR반응조(120)와 전이조(130)의 수위가 동시에 상승하게 되고, 이때 경사판(153)의 하단에서 상부방향으로 상승되면서 상향류를 형성하게 된다. 이 경우 경사판(153)에 응집된 슬러지나 플록이 부딪히면서 경사판(153)을 따라 중력에 의해 MBR반응조(120)와 전이조(130) 바닥으로 침전되고, 슬러지가 제거된 처리수는 경사판(153)의 상부측으로 상승된 후에 배수구를 통해 배수라인(157)으로 배출된다. 이 경우에도 슬러지반송수단은 계속 운전된다.

상술한 본 발명의 고도 수처리 장치의 간헐반응조(110)가 포기 조건이고, 간헐반응조(110)의 HRT(Hydraulic Retention Time) 5시간, MBR반응조(120)의 HRT 3.8시간, 전이조(130)의 HRT 1시간으로 총 HRT 10.3시간으로 처리하였을 경우 배출되는 처리수의 농도는 하기 표1과 같다.

항목	유입수	처리수
		SRT=63.4	SRT=32.1
BOD(mg/L)	150	1.01	1.03
TSS(mg/L)	110	0.9	0.9
T-N(mg/L)	32	12.45	12.1
T-P(mg/L)	3.5	0.43	0.39

그리고 간헐반응조(110)가 비포기 조건이고, 간헐반응조(110)의 HRT(Hydraulic Retention Time) 4.5시간, MBR반응조(120)의 HRT 3.8시간, 전이조(130)의 HRT 2시간으로 총 HRT 10.3시간으로 처리하였을 경우 배출되는 처리수의 농도는 하기 표2와 같다.

항목	유입수	처리수
		SRT=65.7	SRT=33.1
BOD(mg/L)	150	1.03	1.04
TSS(mg/L)	110	1.08	1.0
T-N(mg/L)	32	12.88	12.47
T-P(mg/L)	3.5	0.43	0.39

그리고 상술한 수처리 장치를 이용한 수처리방법은 일예로 처리대상수 및 반송된 활성슬러지를 간헐 포기수단을 갖는 간헐반응조에 유입시켜 호기 조건 또는 무산소 조건에서 질산화 반응 및 탈질반응을 수행하는 제 1단계와; 상기 간헐반응조로 유입된 처리대상수 및 반송된 활성슬러지가 혼합된 혼합액이 일부를 전기분해장치로 순환시켜 전기분해에 의해 질소와 인을 동시에 제거하는 제 2단계와; 상기 간헐반응조로부터 유출되는 혼합액을 MBR반응조로 연속적으로 유입시켜 상기 혼합액 중의 잔류 유기물질을 제거하고 물과 슬러지를 고액분리시키는 제 3단계와; 상기 MBR반응조로부터 유출되는 활성슬러지를 전이조로 연속적으로 유입시켜 상기 활성슬러지의 용존산소를 저감시키는 제 4단계와; 상기 전이조의 활성슬러지를 슬러지반송수단에 의해 상기 간헐반응조로 단속적으로 반송시키는 제 5단계로 이루어진다.
이하, 본 발명에 적용된 전기분해장치의 효과를 살펴보기 위해 전기분해장치를 이용하여 실험을 하였다.

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(실험예)

음극(Cathode)의 양측에 5㎜ 간격 유지하도록 Pd-Cu계 촉매판을 각각 설치하고, 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 철봉을 사용하였다.

또한, 촉매로는 질산팔라듐(Pd(NO₃)₂) 및 질산구리(Cu(NO₃)₂)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 전기분해조를 제작하였다. 또한 전기분해조 내부의 반응속도를 높이기 위하여 도 7 에 도시된 바와 같이 Daihan Scintific(HT50DX) 교반기(80)를 사용하여 250rpm으로 교반시켰다. 전기분해를 하기 위한 정류기(90)는 SM Techno사의 모델SDP50-3D를 사용하였으며, 전류밀도 150A/㎡하였다.

상기와 같이 이루어진 전기분해조 내에 질산성질소(NO₃ ^--N) 50㎎/L와 인산염인(PO₄ ^{3 -}-P) 5㎎/L 시료를 투입하여 운전기간 동안 질산성질소(NO₃ ^--N)농도와 인산염인(PO₄ ^{3 -}-P)농도변화를 측정하였으며, 그 결과는 도 8 내지 도 11과 같다.

도 8 은 Pd와 Cu비 9 : 1로써 질산성질소(NO₃ ^--N) 50㎎/L와 인산염인(PO₄ ^{3 -}-P) 5㎎/L 시료를 조제하여 운전기간 동안 질산성질소 농도와 인산염인 농도변화를 측정하여 나타낸 그래프로, 반응 10시간 후의 처리수 중의 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 9는 Pd와 Cu비 8 : 2로써 질산성질소 50㎎/L와 인산염인 5㎎/L 시료를 조제하여 운전기간 동안 질산성질소 농도와 인산염인 농도변화를 측정하여 나타낸 그래프로, 반응 10시간 후의 처리수 중의 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 10은 Pd와 Cu비 7 : 3로써 질산성질소 50㎎/L와 인산염인 5㎎/L 시료를 조제하여 운전기간 동안 질산성질소 농도와 인산염인 농도변화를 측정하여 나타낸 그래프로, 반응 10시간 후의 처리수 중의 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 11은 Pd와 Cu비 3 : 7로써 질산성질소 50㎎/L와 인산염인 5㎎/L 시료를 조제하여 운전기간 동안 질산성질소 농도와 인산염인 농도변화를 측정하여 나타낸 그래프로, 반응 10시간 후의 처리수 중의 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.

상기의 결과로부터 본 발명의 고도 수처리 장치는 질소 및 인의 제거효율을 상당히 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

이상, 본 발명은 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 등록청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고도 수처리 장치의 구성을 나타낸 블록도이고,

도 2는 도 1에서 요부를 간략하게 나타낸 구성도이고,

도 3은 도 1에 적용된 전기분해장치의 음극 구성을 보인 예시도이고,

도 4는 도 1에 적용된 전기분해장치의 양극 구성을 보인 예시도이고,

도 5는 도 1에 적용된 전기분해장치의 촉매판의 구성을 보인 예시도이고,

도 6은 도 1에 적용된 전기분해장치의 구성을 보인 예시도이고,

도 7은 실험예에 따른 구성을 보인 예시도이고,

도 8은 실험예에 따른 질소 및 인산염의 제거효율을 보인 그래프(Pd 와 Cu 비율 = 9 : 1)이고,

도 9는 실험예에 따른 질소 및 인산염의 제거효율을 보인 그래프(Pd 와 Cu 비율 = 8 : 2)이고,

도 10은 실험예에 따른 질소 및 인산염의 제거효율을 보인 그래프(Pd 와 Cu 비율 = 7 : 3)이고,

도 11은 실험예에 따른 질소 및 인산염의 제거효율을 보인 그래프(Pd 와 Cu 비율 = 3 : 7)이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 전기분해조 20: 양극

30: 음극 40: 촉매판

60: 전극모듈 110: 간헐반응조

120: MBR반응조 130: 전이조

Claims (6)

1. 처리대상수 및 활성슬러지가 유입되며, 간헐 포기수단을 갖는 간헐반응조와;

   상기 간헐반응조의 혼합액 중의 질소와 인을 처리하는 전기분해장치와;

   상기 간헐반응조로부터 혼합액이 연속적으로 유입되며, 유입된 혼합액 중의 잔류 유기물질을 제거하고 물과 슬러지를 고액분리시키는 분리막을 통해 처리수를 배출하는 처리수배출수단 및 포기수단을 가지는 MBR반응조와;

   상기 MBR반응조로부터 활성슬러지가 연속적으로 유입되며, 상기 활성슬러지의 용존산소를 저감시키기 위한 전이조와;

   상기 전이조의 활성슬러지를 상기 간헐반응조로 단속적으로 반송시켜 상기 전이조의 수위를 변화시키는 슬러지반송수단;을 구비하며,

   상기 전기분해장치는 상기 간헐반응조에 유입된 처리대상수의 일부가 순환되는 전기분해조와, 상기 전기분해조의 내부에 설치된 전극모듈을 구비하고,

   상기 전극모듈은 양극에서 발생되는 철 및 알루미늄 이온과 인산이온의 결합에 의해 인산철 또는 인산알루미늄 염으로 인을 침전시키고, 음극에서 발생되는 수소기체 및 촉매에 의해 질산성 질소 및 아질산성 질소를 기체 상태의 질소로 환원시켜 질소와 인을 동시에 제거하도록 형성된 것을 특징으로 하는 고도 수처리 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 분리막의 오염 시 물과 슬러지를 고액분리시켜 처리수를 배출하는 처리수보조배출수단;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고도 수처리 장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 전이조는 상기 MBR반응조의 후단에 설치되고,

   상기 처리수보조배출수단은 상기 MBR반응조 및 상기 전이조의 상부에 설치되는 다수의 경사판을 갖는 경사판침전유니트를 포함하는 것을 특징으로 하는 고도 수처리 장치.
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서, 상기 전극모듈은 양극으로 철 또는 알루미늄 전극이 설치되고, 음극으로 백금을 도포한 티타늄 전극이 설치되며, 상기 음극과 양극 사이에 위치하도록 음극 주위에 Pd-Cu계 촉매판이 설치된 것을 특징으로 하는 고도 수처리 장치.
6. 제 5항에 있어서, 상기 음극은 펀칭망 형태의 티타늄판에 백금이 전기도금방법에 의해 코팅되고, 상기 양극은 금속 철 또는 알루미늄 봉으로 이루어지며,

   상기 촉매판은 펀칭망의 티타늄판에 Pd-Cu계 촉매가 부착되고,

   상기 음극과 촉매판 사이 및 상기 촉매판과 양극 사이에 전기절연체가 설치 된 것을 특징으로 하는 고도 수처리 장치.

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