KR100953085B1 - Sewage water and waste water treating system using capacitive deionization - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 하, 폐수를 처리하는 공정에 있어서 탄소 전극 간의 전기적 특성을 이용하여 양전극에는 음이온이 흡착되고 음전극에는 양이온이 이동하여 서로 대전을 이루게 함으로써 수중에 포함되는 용존 무기이온을 효과적으로 제거할 수 있는 축전 탈이온화 방식을 이용한 하, 폐수 처리 시스템에 관한 것이다.In the present invention, in the process of treating wastewater, anion is adsorbed on the positive electrode and cations move on the negative electrode to charge each other by using electrical characteristics between the carbon electrodes, thereby effectively removing dissolved inorganic ions contained in the water. The present invention relates to a wastewater treatment system using an electricity storage deionization method.
우리나라의 경우 용수 부족현상이 심각하여 가용 수자원의 의존도를 줄여 나가면서 하, 폐수 처리수와 같은 방류수를 다양한 용도로 재이용 하고자하는 계획을 수립하여 추진중에 있다. 그리하여 하수 처리장, 폐수 처리장의 방류수를 원수로 한 재이용 공정 및 시스템에 대한 연구 및 적용사례가 매년 꾸준하게 증가하고 있으나 아직 미약한 실정이다.In Korea, the water shortage is serious and we are reducing and relying on the available water resources. We are planning to re-use wastewater such as wastewater treatment water for various purposes. As a result, the research and application cases of recycling process and system using effluent from sewage treatment plant and wastewater treatment plant are increasing every year, but the situation is still weak.
이러한 방류수를 용수로 재이용하기 위해서는 방류수 중의 부유성 고형물, 바이러스, 용존 고형물, 난분해성 물질, 냄새, 색도 등을 제거해야 한다.In order to reuse such effluent water, it is necessary to remove suspended solids, viruses, dissolved solids, hardly decomposable substances, odors, and colors in the effluents.
또한 수질 및 수생태계 보전에 관한 법률 시행규칙에 따르면 도시 폐수 및 하수, 분뇨, 공장 폐수 등을 처리하는 처리장의 방류수 수질을 규정하고 있는바, 각 처리장에서는 유입수로부터 오염물질을 제거하여 유출수의 수질을 적당한 기준에 맞도록 적절한 처리공법을 갖추게 된다.In addition, according to the Enforcement Rules of the Water Quality and Ecosystem Conservation Act, the effluent water quality of treatment plants treating urban wastewater, sewage, manure, and factory wastewater is regulated, and each treatment plant removes contaminants from the influent to remove the water quality of the effluent. Appropriate treatment methods will be in place to meet appropriate standards.
상기 처리공법에는 설계자의 의도에 따라서 단계적으로 여러 개의 공정들이 조합되어 하나의 처리공법을 구성하게 되는데, 그 공정에는 생물학적, 화학적, 물리적 처리공정 등이 있고 적용되는 원리와 방법이 서로 상이하다.In the treatment method, several processes are combined step by step according to the intention of the designer to form a treatment method, and the process includes biological, chemical, and physical treatment processes, and the applied principles and methods are different from each other.
그 중 생물학적 처리공정을 살펴보면, 종래 생물학적 처리공정을 통해서는 고농도 유기물 제거 및 총질소(TN)와 총인(TP)의 효과적인 제거가 어렵기 때문에 처리수질을 향상시키기 위해 분리막이 결합된 MBR(Membrane Bio Reactor)공정으로 그 기술개발 방향이 추진되고 있다.In the biological treatment process, it is difficult to remove high-concentration organic matter and effective removal of total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) through the conventional biological treatment process. The direction of technology development is being promoted with the reactor process.
상기 MBR 공정의 장점은 MLSS 농도를 높게 유지할 수 있어 유기물 처리효율이 증가되고, 마이크로 기공 크기의 분리막을 이용함으로써 처리수의 탁도 및 대장균과 같은 큰 입자성 물질의 제거가 용이하여 처리수질을 향상시키는 장점이 있다.The advantage of the MBR process is that it is possible to maintain a high MLSS concentration to increase the organic treatment efficiency, and by using a micro-pore size membrane to facilitate the removal of large particulate matter such as turbidity of the treated water and E. coli to improve the treated water quality There is an advantage.
그러나 반응조 내에서 MLSS 농도를 높게 유지함에 따라 반응용액의 총인(TP) 또한 급격히 증가된다는 문제점이 있다. 현재 국내 관련법규에 따르면 처리수의 총질소(TN) 및 총인(TP)농도에 대한 규제가 날로 강화되는 추세이기 때문에 상기 MBR 공정을 통해 처리되는 처리수 중 총인(TP) 성분을 효과적으로 제거할 수 있는 기술이 요구된다.However, there is a problem that the total phosphorus (TP) of the reaction solution is also rapidly increased as the MLSS concentration is maintained in the reactor. According to current laws, regulations on total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) concentrations of treated water are tightened day by day, so it is possible to effectively remove total phosphorus (TP) component from the treated water treated through the MBR process. Skill is required.
대표적으로 물리, 화학적 처리공정을 통해 종래 총인(TP)을 제거하기 위한 기술을 살펴보면, 활성탄, 제올라이트 등의 다공성 흡착제를 이용한 흡착공정법과 다양한 산화가의 산화철 또는 알루미늄 염을 이용한 응집 침전 공정 등이 알려져 있다. 그러나 상술한 두 공정 모두 흡착제의 제거 및 재생이 용이하지 않고 다량의 슬러지가 발생되며, 화학제를 사용함으로써 유지관리가 용이하지 못할 뿐더러 지속적인 흡착제 및 응집제 투여를 통한 소모성 화학제의 사용량이 많은 등 다양한 문제점이 있다.Representative techniques for removing total phosphorus (TP) through physical and chemical treatment processes are known, such as the adsorption process using porous adsorbents such as activated carbon and zeolite, and the coagulation precipitation process using iron oxides or aluminum salts of various oxides. have. However, in the above-mentioned two processes, the removal and regeneration of the adsorbent is not easy, and a large amount of sludge is generated, and the maintenance of the adsorbent is not easy, and the amount of consumable chemicals used through continuous administration of the adsorbent and flocculant is high. There is a problem.
상술한 문제점을 보완하기 위한 방법으로는 전기응집 또는 이온교환 수지법 및 이온교환막을 이용한 전기영동 등의 방법이 제시되고 있으나 이 또한 처리효율이 낮고 전기응집에 사용되는 불용성 철 또는 알루미늄 전극의 주기적 교체, 이온교환수지의 재생을 위한 과량의 산 또는 염기성 세정액 사용에 따라 2차 오염물이 발생될 소지가 있다.As a method for compensating the above-mentioned problems, methods such as electrocoagulation or ion exchange resin method and electrophoresis using an ion exchange membrane have been proposed, but this also has low processing efficiency and periodic replacement of insoluble iron or aluminum electrodes used for electrocoagulation. Secondary contaminants may be generated by the use of excess acid or basic cleaning solution for the regeneration of ion exchange resins.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 유기물 분해효율이 높고 입자성 오염물의 제거능력이 뛰어난 MBR 공정과 CDI 공정기술을 결합함으로써, MBR 공정의 처리수에 포함되는 다양한 이온성 물질을 제거하여 처리수질을 향상시킬 수 있는 축전 탈이온화 방식을 이용한 하, 폐수 처리 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.Therefore, the problem to be solved by the present invention is to combine the MBR process and CDI process technology with high organic decomposition efficiency and excellent ability to remove particulate contaminants, to remove various ionic substances contained in the treated water of the MBR process to improve the treated water quality It is an object of the present invention to provide a wastewater treatment system using an electricity storage deionization method that can be improved.
또한 종래 탈 이온 공정에 비해 오염이 적고 에너지 효율적이며 관리비용을 절감시킬 수 있는 축전 탈이온화 방식을 이용한 하, 폐수 처리 시스템을 제공함에 또 다른 목적이 있다.In addition, there is another object to provide a waste water treatment system using the de-ionization method, which is less pollution, energy-efficient than the conventional deionization process, and can reduce the management cost.
또한 CDI 공정에서 유기물에 의한 활성탄소 전극의 오염 현상을 최소화 또는 방지시킬 수 있는 축전 탈이온화 방식을 이용한 하, 폐수 처리 시스템을 제공함에 또 다른 목적이 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a wastewater treatment system using a capacitive deionization method capable of minimizing or preventing contamination of activated carbon electrodes by organic materials in a CDI process.
본 발명의 해결하고자 하는 과제에 의한 축전 탈이온화 방식을 이용한 하, 폐수 처리 시스템은 전혐기조 및 SBR 반응조가 구비되어 유입되는 하, 폐수의 유기물 내의 질소, 인을 제거하는 공정을 포함하는 하, 폐수 처리 시스템에 있어서, 상기 전혐기조 및 SBR 반응조로부터 처리되는 처리수 내의 고형물질을 분리막 세공에 의해 제거시키는 막분리조; 상기 막분리조와 연통하여 이온성분이 용존된 분리막 처리수의 이온성분을 흡착시키기 위해 다공성 활성탄소 전극 층으로 구성되는 축전 탈이온화 스택과 상기 축전 탈이온 스택에 전류를 인가하기 위한 전원유닛이 구비되는 CDI 반응조; 및 상기 CDI 반응조와 연통하고, 상기 축전 탈이온화 스택의 전극에 흡착된 유기물을 제거시키기 위한 산화제를 생성하여 이를 상기 CDI 반응조로 공급하는 산화제생성부;를 포함하여 구성된다.The wastewater treatment system using the electricity storage deionization method according to the problem to be solved of the present invention is a wastewater treatment system including a process for removing nitrogen and phosphorus in the organic matter of the wastewater, which is provided with a pre-aerobic tank and an SBR reaction tank. A treatment system comprising: a membrane separation tank for removing solid matter in treated water from the total anaerobic tank and the SBR reaction tank by separation membrane pores; In order to adsorb the ionic component of the membrane treated water in which the ionic component is dissolved in communication with the membrane separation tank, a storage deionization stack composed of a porous activated carbon electrode layer and a power supply unit for applying current to the storage deionization stack are provided. CDI reactor; And an oxidant generator for communicating with the CDI reactor and generating an oxidant for removing organic substances adsorbed to the electrodes of the electrical storage deionization stack, and supplying the oxidant to the CDI reactor.
이때 상기 CDI 반응조는 복수로 구성되어 서로 연통되고, 그 전단에 상기 산화제생성부로부터 개별적으로 산화제를 공급받을 수 있도록 각기 밸브가 구비되어 구성될 수 있다.In this case, the CDI reactor may be configured in plural and communicate with each other, and each valve may be provided to receive an oxidant from the oxidant generating unit individually at its front end.
상기 복수의 CDI 반응조는 병렬 또는 직렬 또는 병직렬 구조로 구성될 수 있다.The plurality of CDI reactors may be configured in a parallel or series or parallel series structure.
상기 복수의 CDI 반응조는 상기 막분리조로부터 처리된 처리수가 유입되는 전단에 각기 이온측정수단이 구비될 수 있다.The plurality of CDI reaction tanks may be provided with ion measuring means, respectively, at the front end of the treated water from the membrane separation tank.
상기 복수의 CDI 반응조는 유출수가 배출되는 후단에 각기 이온측정수단이 구비될 수 있다.The plurality of CDI reaction tanks may be provided with ion measuring means respectively at the rear end of the discharged water.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 이온측정수단과 연결되어 수집되는 데이터를 통해 각 CDI 반응조에서 배출되는 유출수의 이온 함유량을 파악하고, 기설정된 값에 따라 해당 CDI 반응조의 밸브를 제어하여 산화제를 공급 및 차단하는 제어부;를 더 포함하여 구성될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the ion content of the effluent discharged from each CDI reactor is determined through the data collected in connection with the ion measurement means, and the oxidant is supplied by controlling the valve of the corresponding CDI reactor according to a predetermined value. And a controller for blocking.
이때 상기 제어부는 각 CDI 반응조에서 배출되는 유출수의 이온 함유량을 수치화하여 표시하기 위한 디스플레이부 및 상기 이온측정수단으로부터 측정되는 이온 함유량이 기설정된 값보다 상대적으로 높을 경우 해당 CDI 반응조의 세정을 알 리는 알람수단이 구비될 수 있다.At this time, the control unit is a display unit for quantifying and displaying the ion content of the effluent discharged from each CDI reactor, and if the ion content measured from the ion measuring means is relatively higher than a predetermined value to inform the cleaning of the corresponding CDI reactor Alarm means may be provided.
한편 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 막분리조를 통해 고형물질이 분리된 분리막이 수용되며, 상기 산화제생성부와 연통되어 상기 분리막을 세정하기 위한 막세정조;를 더 포함하여 구성될 수 있다.On the other hand, according to an embodiment of the present invention, the separation membrane in which the solid material is separated through the membrane separation tank is accommodated, and the membrane cleaning tank for cleaning the separation membrane in communication with the oxidant generating portion; may be further configured to include.
이때 상기 막세정조는 그 전단에 산화제의 공급을 제어하는 밸브가 구비될 수 있다.At this time, the membrane cleaning tank may be provided with a valve for controlling the supply of the oxidant at the front end.
한편 본 발명의 일 구성인 상기 CDI 반응조는 축전 탈이온화 스택의 각 전극이 소정 간격을 두고 복수의 적층 구조로 구성되는 것일 수 있다.On the other hand, the CDI reaction tank of one configuration of the present invention may be one in which each electrode of the electrical storage deionization stack has a plurality of laminated structures at predetermined intervals.
또한 본 발명의 일 구성인 상기 산화제생성부는 전기화학적 산화방법에 의해 NaOCl 또는 CLO2 산화제를 생성하는 것일 수 있다.In addition, the oxidant generating unit of one configuration of the present invention may be to generate NaOCl or CLO2 oxidant by an electrochemical oxidation method.
이때 상기 산화제생성부는 상기 NaOCl 및 CLO2 산화제를 혼합하여 공급하기 위한 혼합수단을 더 포함할 수 있다.At this time, the oxidant generating unit may further include a mixing means for supplying the mixed NaOCl and CLO2 oxidant.
마지막으로 상술한 분리막의 세공은 0.1 내지 0.01㎛로 구성되는 것일 수 있다.Finally, the pore of the separator described above may be composed of 0.1 to 0.01 ㎛.
앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명 축전 탈이온화 방식을 이용한 하, 폐수 처리 시스템은 축전 탈이온화 기술을 응용함에 따라 지속적 이온의 용출로 인한 전극 수명의 단축 및 전극의 주기적인 교체가 필요하지 않고, 전기적 흡착을 위해 활성탄 전극에 1.2 ~ 2.0V 사이의 미량의 전압을 인가함에 따라 관리비용을 절감시키기 때문에 경제적인 장점을 갖는다.As described in detail above, the wastewater treatment system using the capacitive deionization method according to the present invention does not require shortening of electrode life due to continuous elution and periodic replacement of the electrode, by applying capacitive deionization technology. In order to reduce the management cost by applying a small voltage of 1.2 ~ 2.0V to the activated carbon electrode has an economic advantage.
또한 유기물의 분해 효율이 높고 입자성 오염물의 제거능력이 뛰어난 MBR 공정과 CDI 공정기술을 결합함으로써 종래 MBR 공정에서의 단점인 TP(총인)제거 능력을 보완하고, Nitrate와 Phosphate 이온뿐만 아니라 MBR 공정 처리수 중에 존재하는 Fluoride, Chloride, Sulfate 이온 등의 전하를 가지는 모든 이온성 물질을 제거할 수 있어 처리수질을 향상시키는 장점이 있다.In addition, by combining the MBR process and CDI process technology with high decomposition efficiency of organic matter and the ability to remove particulate contaminants, the TP (total phosphorus) removal ability, which is a disadvantage of the conventional MBR process, is complemented, and the NBR process as well as nitrate and phosphate ions are treated. All ionic materials having charges such as fluoride, chloride, and sulfate ions present in water can be removed, thereby improving the treated water quality.
그리고 산화제를 발생하는 산화제생성부가 막세정조 및 CDI 반응조와 연계되어 막세정 공정에 사용되는 산화제를 CDI 공정에도 적용함으로써 유기물에 의한 활성탄소 전극의 오염현상을 최소화할 수 있는 장점이 있다.In addition, the oxidant generating unit generating the oxidant has an advantage of minimizing the phenomenon of contamination of the activated carbon electrode by the organic material by applying the oxidant used in the film cleaning process to the CDI process in connection with the film cleaning tank and the CDI reaction tank.
뿐만 아니라 산화제생성부는 복수의 CDI 반응조와 연계되어 CDI 공정에서의 탈착 공정 중에도 활성탄 전극에 흡착되는 유기물을 효과적으로 제거할 수 있으며, 복수로 구성되는 CDI 반응조가 흡착과 탈착 공정을 교대로 반복 수행하여 연속적인 이온제거가 가능하고 후단에 설치되는 CDI 반응조는 전단의 CDI 반응조의 탈착공정에서 배출되는 이온 농축수를 다시 한번 재처리함으로써 CDI 공정에서 발생되는 고농도 이온농축수량을 효과적으로 감소 또는 최소화하는 장점이 있다.In addition, the oxidant generating unit can effectively remove the organic matter adsorbed on the activated carbon electrode even during the desorption process in the CDI process by being linked to the plurality of CDI reaction tanks. The CDI reactor, which is capable of removing ions and is installed at the rear stage, has the advantage of effectively reducing or minimizing the high concentration ion concentration produced in the CDI process by reprocessing the ion concentrate water discharged from the desorption process of the CDI reactor at the front end. .
이하 본 발명의 실시예들을 첨부되는 도면을 통해 보다 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명 축전 탈이온화 방식을 이용한 하, 폐수 처리 시스템을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 축전 탈이온화 방식을 이용한 하, 폐수 처리 시스템의 구성을 나타내는 도면이며, 도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 축전 탈이온화 방식을 이용한 하, 폐수 처리 시스템의 구성을 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 축전 탈이온화 방식을 이용한 하, 폐수 처리 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.1 is a view for explaining the wastewater treatment system using the power storage deionization method of the present invention, Figure 2 shows the configuration of the wastewater treatment system using a power storage deionization method according to a first embodiment of the present invention 3 is a view showing the configuration of the wastewater treatment system using the power storage deionization method according to the second embodiment of the present invention, Figure 4 is a power storage deionization method according to a third embodiment of the present invention It is a figure which shows the structure of the used waste water treatment system.
또한, 도 5는 본 발명의 일 구성인 축전 탈이온화 스택의 제 1 실시예를 나타내는 측단면도이고, 도 6은 본 발명의 일 구성인 축전 탈이온화 스택의 제 2 실시예를 나타내는 측단면도이고, 도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 실험예를 설명하기 위한 도면이다.5 is a side cross-sectional view showing a first embodiment of a power storage deionization stack of one configuration of the present invention, and FIG. 6 is a side cross-sectional view showing a second embodiment of a power storage deionization stack of one configuration of the present invention. 7 is a view for explaining an experimental example according to a first embodiment of the present invention.
본 발명 축전 탈이온화 방식을 이용한 하, 폐수 처리 시스템에 따르면 하, 하, 폐수를 처리하는 공정에 있어서, 유기물 내의 질소, 인 등이 전혐기조(10) 및 연속 회분식 활성슬러지 반응조(이하 'SBR 반응조' 라고 칭함)(20)를 통해 제거된다.According to the waste water treatment system using the electricity storage deionization method according to the present invention, in the process of treating waste water, waste water, nitrogen, phosphorus, etc. in the organic matter, the total
제거된 처리수는 막분리조(30)를 통과하면서 처리수 내의 고형물질이 제거되고, 활성 탄소전극 간의 전기적 특성을 이용하여 양전극에는 음이온이 흡착되고 음전극에는 양이온이 이동하여 서로 대전을 이루게 함으로써 수중에 포함되는 용존 무기이온을 효과적으로 제거하게 된다.The removed treated water passes through the
우선, 본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이 유입되는 하, 폐수가 전혐기조(10)를 거쳐 상기 전혐기조(10)와 연통되는 SBR 반응조(20)로 이동하는데, 이때 상기 전혐기조(10)와 SBR 반응조(20) 사이에는 액이송 교반장치(미도시)를 구비하 여 반응조의 내부액을 교반함과 상기 SBR 반응조(20)에서 처리되는 처리수를 다시 상기 전혐기조(10)에 반송하는 과정을 반복적으로 진행하는 것이 바람직하다.First, the present invention flows into the
그 결과 상기 SBR 반응조(10)는 시간이 경과됨에 따라 혐기, 호기 공정을 반복하게 되고 하, 폐수에 포함되는 유기물 내의 질소, 인 등을 효과적으로 제거하여 배출하게 된다.As a result, the
한편, 상술한 상기 SBR 반응조(20)에서 유기물이 약 98%(BOD 기준) 이상 제거되고, 상기 SBR 반응조(20)의 후단에 연통되는 상기 막분리조(30)에서는 활성탄소 전극의 이온흡착 성능에 영향을 미치는 고형물질(SS)을 0.1 ~ 0.01㎛의 분리막 (31)세공을 통해 거의 완벽하게 제거된다.On the other hand, the organic matter is removed from the
여기에서 상기 막분리조(30)는 MBR(Membrane Bio Reactor) 공법을 이용한 것으로 상기 MBR 공법을 간략히 설명하면, 분리막의 세공크기(수㎜~수십㎛)와 막 표면 전하에 따라 하, 폐수 중에 존재하는 유기, 무기 오염물질 및 미생물 등의 처리 대상물질을 거의 완벽하게 분리, 제거할 수 있는 고도의 분리 공정으로 종래의 활성 슬러지 공법보다 다양한 장점을 갖는다.Here, the
다시 상기 막분리조(30)를 통과한 처리수는 이후 상기 막분리조(30)와 연통되는 CDI 반응조(40)에서 용존 무기이온이 제거된다. 상기 CDI 반응조(40)는 친수성의 다공성 활성 탄소전극 층이 내부에 구성되는 축전 탈이온화 스택(41)을 포함한다.The treated water passing through the
상기 CDI 반응조(40)의 축전 탈이온화 스택(41)은 축전 탈이온화 방식(Capacitive deionization)을 이용한 것으로, 이하 도 5 내지 도 6을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.The
상기 축전 탈이온화 방식은 종래의 흡착, 이온교환 기구에 전기적인 구동력이 부가된 기술로서 탄소체의 높은 전기 전도도와 흡착 용량을 이용하고 단순 전위 역전에 의한 탈착 및 전극 흡착제의 재생이 용이한 특징이 있다.The capacitive deionization method is a technique in which an electric driving force is added to a conventional adsorption and ion exchange mechanism, which utilizes high electrical conductivity and adsorption capacity of a carbon body, and is characterized by easy desorption and regeneration of an electrode adsorbent by simple potential reversal. have.
또한 다공성의 탄소전극을 스택(stack) 형태로 구성함으로써 수중에 포함되는 무기이온 상태의 염을 제거하는 기술이다. 이 방식은 이온교환, 역삼투, 전기투석 및 증발법에 비해 오염이 적다.In addition, by forming a porous carbon electrode in the form of a stack (stack) is a technology for removing the salt of the inorganic ion contained in the water. This method is less contaminated than ion exchange, reverse osmosis, electrodialysis and evaporation.
뿐만 아니라, 일반적으로 알려진 상기 역삼투 방식에 의한 기수(Brack Water)의 탈염 공정에 소모되는 에너지가 약 2.3KWh/㎥인데 반해 축전 탈이온화 방식에 의한 기수의 탈염 공정에서는 약 0.05 ~ 0.1KWh/㎥ 정도의 에너지를 소모하는 것으로 알려진 바, 상기 축전 탈이온화 방식은 에너지 효율적이며 소요비용이 절감되는 경제적인 기술이라 할 수 있다.In addition, the energy consumed in the desalination process of brackish water by the reverse osmosis method is generally about 2.3KWh / ㎥, whereas in the desalination process of brackish water by the deionization method, about 0.05 to 0.1KWh / ㎥ As it is known to consume a degree of energy, the power storage deionization method is an economical technology that is energy-efficient and costs are reduced.
우선, 상기 축전 탈이온화 스택(41)의 원리는 도 5에 도시된 바와 같이 수중에 포함되는 음이온 및 양이온이 축전 탈이온화 스택(41)을 구성하고 있는 친수성의 다공성 탄소 전극(400, 410) 층 사이를 통과할 때, 다공성 탄소 전극(400, 410)에 약 1.0 ~ 2.0 V의 미량의 전압을 인가함으로써 상기 수중에 포함되는 용존 무기이온과 탄소 전극 간의 전기적 특성을 이용하여 매질 속의 무기성 이온 성분을 흡착 제거한다.First, the principle of the
예를 들면 두 탄소 전극(400, 410) 사이의 정전기력에 의해 양전 극(Anode)(400)에는 Cl-와 같은 음이온이 흡착되고, 음전극(Cathode)(410)에는 Na+와 같은 양이온이 이동하여 서로 대전을 이루게됨으로써 수중의 무기성 이온성분을 효과적으로 제거하게 된다.For example, an anion such as Cl − is adsorbed to the
또한 상기 양전극(400)과 음전극(410)에 대전되어 흡착된 이온 성분들은 수중의 이온 성분을 제거하는 흡착 동작이 이루어진 후에는 전류 인가를 하지 않거나 역전류를 인가하여 전극에 흡착되어 있던 이온성분을 매질과 함께 배출하도록 한다.In addition, the ionic components charged and adsorbed on the
이와 같이 상술한 축전 탈이온화 스택의 활성 탄소전근은 종래 전기응집 공정에 사용되는 철 또는 알루미늄 전극과 달리 지속적 이온의 용출로 인한 전극 수명의 단축과 사용한 전극의 주기적인 교체가 필요하지 않고 전기적 흡착을 위해 활성탄 전극에 공급되는 전압이 1.2 ~ 2.0V 사이의 미량의 전원을 사용함에 따라 관리비용을 절감시키기 때문에 경제적인 장점을 갖는다.Thus, unlike the iron or aluminum electrode used in the electrocondensation process, the activated carbon transfer of the above-described capacitive deionization stack does not require shortening of the electrode life due to continuous elution and periodic replacement of the used electrode. In order to reduce the maintenance cost, the power supply to the activated carbon electrode is used in a small amount of 1.2 ~ 2.0V has an economic advantage.
한편 본 발명의 일 구성인 축전 탈이온화 스택의 다른 실시예에 따르면, 상기 축전 탈이온화 스택(41)은 그 내부의 전극(400, 410)이 도 6에 도시된 바와 같이 유체가 자유롭게 이동되도록 소정 간격을 두고 또는 소정 간격의 다공성 스페이서(420)에 의해 복수의 적층 구조로 구성될 수 있다.Meanwhile, according to another embodiment of the power storage deionization stack, which is one configuration of the present invention, the power
즉 상기 축전 탈이온화 스택(41)은 복수의 전극들이 상호 이격되게 배치하되, +전원이 인가되는 친수성으로 개질되는 복수의 양전극(400)과 이 복수의 양전극들 사이 사이에 배치되며 -전원이 인가되는 친수성으로 개질되는 음전극(410)들 로 구성된다.That is, the
이에 따라 상기 전극이 복수로 적층 구성되어 양전압과 음전압이 교대로 전극에 인가되면서 유입수 중의 양이온과 음이온이 더욱 효율적으로 전극표면에 흡, 탈착된다.As a result, a plurality of electrodes are stacked and positive and negative voltages are alternately applied to the electrodes, whereby positive and negative ions in the influent are more efficiently absorbed and desorbed on the electrode surface.
여기에서 상기 CDI 반응조(40)는 상기 축전 탈이온화 스택(41) 내부를 구성하는 복수의 양전극(400) 및 음전극(410)에 직류 전원을 인가하는 전원유닛(42)이 더 포함된다.Here, the
이때, 상기 양전극(400) 및 음전극(410)은 활성탄, 흑연, 탄소 에어로젤 전극 및 탄소복합 전극 등의 탄소성 재질로 이루어지며 전원 인가에 따라 아래와 같은 전기 흡, 탈착 반응이 일어난다.At this time, the
양극(anode) : Xm + -> Xm + Adsorption/Carbon ElectrodeAnode: X m + -> X m + Adsorption / Carbon Electrode
음극(cathode) : Yn - -> Yn - Adsorption/Carbon ElectrodeA negative electrode (cathode): Y n - - > Y n - Adsorption / Carbon Electrode
X : Na+ , K+, Ca2 +, MG2 + (Metal ions) 등과 같은 양 이온류 X: Cationic ions such as Na + , K + , Ca 2 + , MG 2 + (Metal ions)
Y : PO4 3 -, Cl-, SO4 2 -, NO3 - 등과 같은 음 이온류 Y: PO 4 3 -, Cl -, SO 4 2 -, NO 3 - anion acids such as
m : 반응에 사용되는 양이온의 전자수m: the number of electrons of the cation used for the reaction
n : 반응에 사용되는 음이온의 전자수n: the number of electrons of the anion used in the reaction
한편 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 CDI 반응조(40)와 연통되어 상기 축전 탈이온화 스택(41) 내부의 전극(400, 410)에 흡착된 유기물을 제거시키기 위해 산화제생성부(50)를 더 포함한다. Meanwhile, according to a preferred embodiment of the present invention, the
상기 산화제생성부(50)는 전기화학적 산화방법에 의해 NaOCl 또는 CLO2 산화제를 생성하여 공급하거나, 도 3에 도시된 바와 같이 혼합수단(70)을 더 포함하여 NaOCl 및 CLO2 산화제를 혼합하고 혼합된 산화제를 상기 CDI 반응조(40)로 공급하게 된다.The
따라서 상기 산화제발생부(50)에서 공급되는 산화제를 통해 상기 CDI 반응조(40)의 축전 탈이온화 공정에서의 탈착 공정 중 활성탄 전극에 흡착된 유기물을 효과적 제거할 수 있게 된다.Therefore, the organic material adsorbed to the activated carbon electrode can be effectively removed during the desorption process of the power storage deionization process of the
한편 도 7은 본 발명의 1 실시예에 따른 실험예를 설명하기 위한 도면으로, 축전 탈이온화 스택를 통과하는 통과수의 전기전도도의 변화가 도시된다.On the other hand, Figure 7 is a view for explaining an experimental example according to an embodiment of the present invention, it is shown the change in the electrical conductivity of the water passing through the power storage deionization stack.
[실험예][Experimental Example]
본 실험예는 상술한 MBR 공정으로부터 처리되는 방류수가 상기 CDI 반응조로 유입되고 CDI 공정에 따라 처리되는 결과 즉, 상기 통과수에 대한 전기전도도의 변화와 음이온에 대한 분석 결과에 나타내는 실험예이다.This experimental example is an experimental example shown in the result of the discharged water treated from the above-described MBR process is introduced into the CDI reactor and treated according to the CDI process, that is, the change in the electrical conductivity with respect to the passage water and the analysis result for the anion.
먼저 본 실험예에 따르면, 상기 CDI 반응조로 유입되는 유입수는 SBR 반응조 및 막분리조에서 처리되는 처리수이며, 유입수의 BOD는 4.8ppm, 전기전도도는 530㎲/㎝, 유입수 pH는 7.34pH, CDI 반응조의 축전 탈이온화 스택 활성 탄소전극 면적은 100 ㎠, 유입수 공급 유량은 20ml/min, 흡착 시간 3min, 탈착 시간 2min, 전극 의 공급전류는 1.2V/1.5V 의 조건으로 실험된다.First, according to the present experimental example, the inflow water flowing into the CDI reactor is treated water treated in the SBR reactor and the membrane separation tank, the BOD of the influent is 4.8ppm, the electrical conductivity is 530㎲ / ㎝, the influent pH is 7.34pH, CDI The storage deionization stack activated carbon electrode area of the reactor was tested under the conditions of 100 cm 2, influent feed flow rate 20ml / min, adsorption time 3min, desorption time 2min, and electrode supply current 1.2V / 1.5V.
도 7에 도시되는 도면은 흡착 3 min, 탈착 2 min 공정으로 3회 반복 실험한 결과이며, 180s(3 min)의 흡착 시간 동안 전기전도도가 초기 530 ㎲/㎝에서 급격히 감소하여 44 s까지 약 54㎲/㎝ 까지 감소 후 활성 탄소전극 표면에서의 이온 흡착량이 포화되면서 상기 활성 탄소전극 표면에서의 이온흡착량이 감소하기 시작하고, 이에 따라 전기전도도 제거율이 서서히 감소하여 180 s(3 min)에서는 전기전도도가 약 104 ~ 154 ㎲/㎝까지 증가하였다.7 shows the results of three repeated experiments with adsorption 3 min and desorption 2 min processes, and the electrical conductivity rapidly decreased from the initial 530 ㎲ / cm during adsorption time of 180 s (3 min) to about 54 s. After the reduction to ㎲ / cm, the amount of ion adsorption on the surface of the activated carbon electrode was saturated, and thus the amount of ion adsorption on the surface of the activated carbon electrode began to decrease. Accordingly, the conductivity removal rate gradually decreased, and the electrical conductivity was reduced at 180 s (3 min). Increased to about 104-154 kV / cm.
그리고 180 sec (3 min) 후 바로 전류공급을 끊고 탈착을 300 s까지 2 min 동안 수행하여 용출액의 전기전도도는 흡착되었던 이온성분이 탈착되면서 용출액의 전기전도도가 급격히 상승하였다가 탈착이 거의 완료되며 전기전도도가 약 660 ㎲/㎝까지 떨어진다. 이 후 다시 활성 탄소전극에 전류를 공급하여 흡착공정을 수행하여 용출액의 전기전도도가 300s(5 min)후 다시 60 ㎲/㎝까지 감소하였으며, 800 s(8 min)까지 흡착을 진행 후 800 s(8 min) 이후에 다시 탈착을 반복한다.After 180 sec (3 min), the current supply was cut off and desorption was carried out for 2 min until 300 s. The electrical conductivity of the eluate was rapidly desorbed and the electrical conductivity of the eluent was desorbed. Conductivity drops to about 660 dl / cm. After that, the adsorption process was performed by supplying a current to the activated carbon electrode again, and the electrical conductivity of the eluate was decreased to 60 mW / cm again after 300 s (5 min), and 800 s ( 8 min) and then desorption again.
상술한 바와 같이 본 실험예의 결과에 따르면 전도도 제거율은 1.2 V와 1.6 V 모두 큰 차이는 없었으며, 미량의 전압공급 (1.2 ~ 1.6 V)하에서도 평균 67 ~72 %의 높은 염 제거율을 보이는 것으로 나타났다.As described above, according to the results of this experimental example, the conductivity removal rate was not significantly different between 1.2 V and 1.6 V, and the average salt removal rate was 67-72% even under a small amount of voltage supply (1.2 to 1.6 V). .
한편 하기 표 1은 CDI 공정을 통해 처리되는 처리수의 음이온에 대한 분석 결과로, CDI 처리 공정의 흡착단계에서 용출된 처리수의 음이온 성분 제거효과를 이온크로마토그래피(IC: ion chromatograph) 분석을 나타낸다. CDI 반응조로 유입되는 유입수의 Nitrite와 Phosphate 이온 성분 농도는 각각 49.9 ppm, 2.58 ppm 이 었으나, 1.2 V와 1.5 V의 전압 공급하에서 수행된 흡착단계에서 용출된 처리수의 Nitrite와 Phosphate 이온 성분 농도는 각각 약 11.604 ~ 12.79 ppm, 1.126 ~ 1.303 ppm으로 효과적으로 Nitrite와 Phosphate 이온성분이 제거되는 것을 알 수 있으며, 기타 Fluoride 등의 음이온도 이온 종류에 차이가 있으나 최소 50% 이상 효과적으로 제거되는 것으로 나타났다.On the other hand, Table 1 is an analysis result of the anion of the treated water treated through the CDI process, the ion chromatograph (IC) analysis of the effect of removing the anion component of the treated water eluted in the adsorption step of the CDI treatment process . The concentrations of Nitrite and Phosphate ions in the influent flowing into the CDI reactor were 49.9 ppm and 2.58 ppm, respectively, but the concentrations of Nitrite and Phosphate ions in the treated water eluted during the adsorption step performed under 1.2 V and 1.5 V It was found that Nitrite and Phosphate ions were effectively removed at about 11.604 ~ 12.79 ppm and 1.126 ~ 1.303 ppm, and other anions such as fluoride were also effectively removed at least 50%.
이와 같이 본 발명 축전 탈이온화 방식을 이용한 하, 폐수 처리 시스템에 따르면, 유기물의 분해 효율이 높고 입자성 오염물의 제거능력이 뛰어난 MBR 공정과 CDI 공정기술을 결합함으로써 종래 MBR 공정에서의 단점인 TP(총인) 제거 능력과 TP(총인) 제거를 위한 물리, 화학적 처리공정의 문제점들을 쉽게 해소할 수 있으며, Nitrate와 Phosphate 이온뿐만 아니라 MBR 공정 처리수 중에 존재하는 Fluoride, Chloride, Sulfate 이온 등의 전하를 가지는 모든 이온성 물질을 제거할 수 있어 처리수질을 재활용수 수질까지 높일 수 있게 된다.As described above, according to the wastewater treatment system using the electricity storage deionization method of the present invention, by combining the MBR process and the CDI process technology with high decomposition efficiency of organic matter and excellent ability to remove particulate contaminants, TP ( It can easily solve the problems of physical and chemical treatment process for total phosphorus removal and TP removal, and it has charges such as Fluoride, Chloride, Sulfate ion in MBR process water as well as Nitrate and Phosphate ions. All ionic substances can be removed, thus improving the treated water quality up to recycled water quality.
상술한 실험예는 MBR 공정으로부터 처리되는 방류수가 상기 CDI 반응조를 통해 처리되는 결과를 설명하기 위한 일 예로 본 발명이 상기 실험예에 한정되는 것은 아니다.The above-described experimental example is an example for explaining the result that the effluent treated from the MBR process is treated through the CDI reactor, and the present invention is not limited to the above-described experimental example.
한편, 도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 축전 탈이온화 방식을 이용한 하, 폐수 처리 시스템의 구성을 나타내는 도면으로, 도 3을 참조하면 상기 CDI 반응조(40)가 복수로 구성되어 서로 연통되어 있음을 알 수 있다.On the other hand, Figure 3 is a view showing the configuration of the wastewater treatment system using the power storage deionization method according to a second embodiment of the present invention, referring to Figure 3 the
구체적으로 상기 CDI 반응조(40)는 복수로 구성되어 서로 연통되는데, 바람직하게는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 CDI 반응조(40)가 병렬과 직렬이 혼합된 병직렬 구조로 구성된다.Specifically, the
이 밖에도 상기 CDI 반응조(40)는 병렬 또는 직렬 구조로 구성될 수 있음이 타당하다.In addition, it is reasonable that the
또한 복수의 CDI 반응조(40, 40') 전단에는 산화제생성부(50)로부터 개별적으로 산화제를 공급받을 수 있도록 각기 밸브(60)가 구비된다.In addition, a plurality of
상술한 바와 같이 상기 CDI 반응조(40)가 복수로 구성됨에 따라 흡착과 탈착 공정을 교대로 반복 수행하여 연속적인 이온제거가 가능함은 물론, 후단에 설치된 CDI 반응조(40')의 축전 탈이온화 스택(41')은 전단에 설치된 두 개의 CDI 반응조(40)의 축전 탈이온화 스택(41)의 탈착 공정에서 배출되는 이온 농축수를 재처리함으로써 CDI 공정에서 발생되는 고농도 이온농축수량을 효과적으로 감소 또는 최소화시킬 수 있게 된다.As described above, as the
본 실시예에서는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 산화제생성부(50)와 연통되는 막세정조(80)를 더 포함한다. 상기 막세정조(80)에는 고형물질이 분리된 분리막(31)이 수용되어 상기 산화제생성부(50)로부터 산화제를 공급받아 상기 분리막(31)의 세정 공정이 수행된다.In the present embodiment, as shown in Figure 3 further comprises a membrane cleaning tank (80) in communication with the oxidant generating unit (50). The
다시 말해, 상기 막세정조(80)는 상기 분리막(31)의 세정을 위한 공간으로 상기 막분리조(30)에서 고형물질이 분리된 분리막(31) 즉, 소정 기간 동안 사용되어 고형물질이 흡착되어 있는 분리막(31)을 상기 막세정조(80)로 이동시켜 상기 산화제생성부(50)의 산화제를 통해 상기 막세정조(80)에 수용되는 상기 분리막(31)의 세정 공정을 실시한다.In other words, the
이때 상기 막세정소(80) 역시 그 전단에 산화제생성부(50)로부터 공급되는 산화제의 양을 제어하기 위한 밸브(60)를 구비한다. 즉, 상기 밸브(60)는 상기 산화제의 양을 조절하거나 산화제의 공급을 차단한다.At this time, the
한편 본 발명의 제3실시예에 따르면 복수의 CDI 반응조(40)는 이온측정수단(100)을 구비하여 상기 CDI 반응조(40)로 유입되는 유입수 및 CDI 반응조(40)를 통해 처리되는 유출수 내의 용존 무기이온을 측정할 수 있게 된다.Meanwhile, according to the third embodiment of the present invention, the plurality of
도 4를 참조하면, 복수의 CDI 반응조(40)는 상기 막분리조(30)로부터 처리된 처리수가 유입되는 전단에 각기 이온측정수단(100)이 구비되어 각 CDI 반응조(40)로 유입되는 유입수 내의 용존 무기이온 함유량을 운영자에게 제공한다.Referring to FIG. 4, the plurality of
또한 상기 복수의 CDI 반응조(40)는 처리된 유출수가 배출되는 후단에 각기 이온측정수단(100)이 구비된다. 상기 이온측정수단(100)은 각 CDI 반응조(40)에서 처리되는 유출수 내의 용존 무기이온 함유량을 측정하고, 측정된 무기이온 함유량을 운영자에게 제공함으로써 상기 운영자는 각 CDI 반응조(40)의 축전 탈이온화 스택(41)의 효율 정도를 예상할 수 있게 된다.In addition, the plurality of
즉, 상기 탈이온화 스택(41)의 활성 탄소전극(400, 410)은 흡착과 탈착을 반복하는 과정에서 그 표면에서는 제거되지 않은 미세한 이온들로 인해 흡착량이 포화되면서 이온흡착량이 감소하게 되고, 이에 따라 상기 탈이온화 스택(41)의 흡, 탈착 효율을 점차 감소하게 된다.That is, in the process of repeating adsorption and desorption of the activated
상기 이온측정수단(100)은 상술한 문제점들을 보완하기 위해 운영자에게 상기 탈이온화 스택(41)의 활성 탄소전극(400, 410)의 세척 시기를 알려주기 위한 수단으로 이용되며, 운영자는 해당 CDI 반응조(40)의 전단에 구비되는 밸브(60)를 개방하여 축전 탈이온화 스택(41)의 활성탄소 전극(400, 410)을 산화제를 통해 세척하게 함으로써 탈이온화의 효율을 높일 수 있게 된다.The ion measuring means 100 is used as a means for informing the operator of the timing of cleaning the activated
한편, 본 실시예에서는 상술한 과정을 자동으로 처리할 수 있도록 제어부(90)를 포함할 수도 있다.Meanwhile, in the present embodiment, the
구체적으로, 상기 제어부(90)는 복수의 CDI 반응조(40)에 각기 구비되는 이온측정수단(100)과 연결되어 각 이온측정수단(100)으로부터 수집되는 데이터를 통해 각 CDI 반응조(40)에서 배출되는 유출수의 이온 함유량을 파악한다.Specifically, the
또한 상기 제어부(90)는 기설정된 값에 따라 해당 CDI 반응조(40)의 밸브를 제어하여 산화제를 공급 및 차단한다.In addition, the
여기에서 상기 기설정된 값은 활성탄소 전극(400, 410)의 세척을 요하는 시기에 해당되는 값으로, 유출수 내의 용존 무기이온 함유량을 수치화하여 이를 상기 기설정된 값과 비교하고, 상기 기설정된 값보다 상대적으로 높을 경우 활성탄소 전극(400, 410)의 효율이 저하된 것으로 판단하여 해당 CDI 반응조(40)의 밸브를 개방시켜 산화제를 통해 상기 활성탄소 전극(400, 410)을 세척시키게 된다.Herein, the predetermined value corresponds to a time that requires cleaning of the activated
뿐만 아니라 상기 제어부(90)는 각 CDI 반응조(40)로 유입되는 유입수 및 각 CDI 반응조(40)에서 배출되는 유출수의 무기이온 함유량의 수치를 표시하기 위한 디스플레이부가 구비된다. 또한 상기 이온측정수단(100)으로부터 측정되는 유출수 내의 용존 무기이온 함유량이 기설정된 값보다 상대적으로 높을 경우, 해당되는 CDI 반응조(40)의 세척을 알리기 위한 알람수단이 구비된다.In addition, the
이처럼 상기 이온측정수단(100)에 의해 각 CDI 반응조(40)에서 처리되는 유출수의 용존 무기이온의 성분을 파악하여 활성탄소 전극(400, 410)의 효율을 예상할 수 있고, 상기 제어부(90)의 제어에 의해서 각 CDI 반응조(40)에 구비되는 밸브(60)가 개방됨으로써 효율이 저하된 활성탄소 전극(400, 410)을 세척할 수 있게 된다.As described above, the ion measuring means 100 may grasp the components of the dissolved inorganic ions of the effluent treated in each
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the detailed description of the specification, but should be defined by the claims.
도 1은 본 발명 축전 탈이온화 방식을 이용한 하, 폐수 처리 시스템을 설명하기 위한 도면.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a view for explaining a wastewater treatment system using the present invention power storage deionization method.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 축전 탈이온화 방식을 이용한 하, 폐수 처리 시스템의 구성을 나타내는 도면.2 is a view showing the configuration of the wastewater treatment system using the electricity storage deionization method according to the first embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 축전 탈이온화 방식을 이용한 하, 폐수 처리 시스템의 구성을 나타내는 도면.3 is a view showing the configuration of the wastewater treatment system using the electricity storage deionization method according to the second embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 축전 탈이온화 방식을 이용한 하, 폐수 처리 시스템의 구성을 나타내는 도면.4 is a view showing the configuration of a wastewater treatment system using a power storage deionization method according to a third embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일 구성인 축전 탈이온화 스택의 제 1 실시예를 나타내는 측단면도.Fig. 5 is a side sectional view showing a first embodiment of a power storage deionization stack of one configuration of the present invention.
도 6은 본 발명의 일 구성인 축전 탈이온화 스택의 제 2 실시예를 나타내는 측단면도.6 is a side cross-sectional view showing a second embodiment of a power storage deionization stack of one configuration of the present invention.
도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 실험예를 설명하기 위한 도면.7 is a view for explaining an experimental example according to a first embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10 : 전혐기조 20 : SBR 반응조10: all anaerobic tank 20: SBR reactor
30 : 막분리조 31 : 분리막30
40 : CDI 반응조 41 : 축전 탈이온화 스택40: CDI reactor 41: storage deionization stack
42 : 전원유닛 50 : 산화제생성부42: power supply unit 50: oxidant generating unit
60 : 밸브 70 : 혼합수단60
80 : 막세정조 90 : 제어부80: film cleaning tank 90: control unit
100 : 이온측정수단100: ion measurement means
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