KR101005508B1 - 전기처리기와 초음파반응기를 겸비한 하ㆍ폐수 처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 슬러지 감량 및 바이오가스 증산이 가능토록 한 초음파 반응기의 전단부에 전기처리기를 전처리의 개념으로 설치 한 것이다. 전단부에 설치된 전기처리기는 고압의 전기장을 생성하여 슬러지가 통과하였을 때 슬러지 내의 플럭을 파괴시키며 이후 슬러지가 초음파장치로 들어가 초음파처리 될 경우 기존의 초음파 전처리 공정보다 슬러지 감량효과와 바이오가스 증산효과의 상승을 도모 할 수 있다.

Description

전기처리기와 초음파반응기를 겸비한 하ㆍ폐수 처리장치{A waste water disposal plant having electricity processor and ultrasonic reactor}

본 발명은 전기처리기와 초음파반응기를 동시에 적용하여 슬러지의 감량화를 달성하기 위한 하ㆍ폐수처리장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 전기처리기와 초음파반응기를 이용하여 슬러지내의 미생물을 파괴하여 종래기술에 비하여 유효 탄소원을 40%이상 증가시키고, 소화조 내에서 소화효율을 증가시켜 슬러지를 종래 기술 대비 30%이상 감량화 시키고, 바이오가스의 발생량을 30%이상 증가시킬 수 있는 전기처리기와 초음파반응기를 동시에 겸비한 하ㆍ폐수 처리장치에 관한 것이다.

우리나라에서는 2004년 현재 240여개의 하수처리장으로부터 연간 230 만톤의 슬러지가 발생하고 있으며, 이중 70%가 해양투기, 그리고 그 나머지는 소각, 재활용, 그리고 매립에 의해 처리되고 있다. 그러나 런던협약 '96 의정서의 발효를 앞두고 폐기물의 해양배출규제가 대폭 강화됨에 따라 하수슬러지의 육상처리 대책마련이 시급한 상황이다.

슬러지 감량화는 슬러지를 효과적으로 자원화 할 수 있는 방안 중 하나로 전처리 공정을 이용하여 생분해도를 증가시킨 슬러지는 혐기성 소화 공정으로 처리함으로써 슬러지 감량화를 도모하고 더불어 바이오가스 생산량을 증가시킬 수 있다.

일반적으로 하수처리시설에서 발생하는 슬러지는 유기물을 이용하여 성장한 미생물의 세포로 구성되어 있으며, 세포의 특성상 쉽게 분해되지 않고, 소화조에서의 감량화율 또한 낮아 처리에 많은 문제점을 가지고 있다.

따라서, 소화조 효율을 향상시켜 슬러지 발생량을 최소화하고 바이오가스 발생량을 극대화하기 위한 전처리공정이 필요하다. 최근에는 물리화학적 및 생물학적 개량제를 첨가하여 하수슬러지의 개량 및 탈수 특성에 관한 연구가 이루어져 왔다. 하수슬러지 개량법에는 슬러지 탈수법, 열처리법, 동결법, 전기적 개량법, 슬러지 농축법, 유기 및 무기물질 첨가법 등이 있으며, 오존과 초음파를 이용한 처리법들도 있으나, 이러한 방법들은 물리화학적 개량제를 첨가함으로써 오히려 슬러지량을 증가시키거나 2차 오염을 발생시키는 문제점들이 있다.

초음파 처리를 통한 전처리 방법은 초음파 진동자의 표면에서 초음파를 방출시 생기는 공동화 현상을 이용한다. 초음파를 적용하면 초음파가 갖고 있는 특성인 공동화(cavitation) 현상에 의하여 기포의 내파 현상인 공동화 기포의 생성과 붕괴가 일어나며, 붕괴되는 공동화 기포 내부의 온도와 압력은 약 5000K와 수백기압까지 상승하게 되어 이때 발생되는 고압의 jet-stream과 국부적인 고온이 슬러지 입자구조에 물리화학적인 변화를 일으키게 된다.

슬러지는 물과 고형물로 이루어져 있기 때문에 초음파 분해에 의해 플록이 해체되고 미생물 등의 세포가 분해되어 세포액이 용출되며, 이로 인하여 유효 탄소원을 증가 시킬 수 있다. 초음파처리 시스템은 기존의 물리화학적인 개량방법에 비하여 경제적이며, 슬러지 발생량을 줄일 수 있는 효과적인 처리 공정으로서 그 개발이 시도되고 있으나, 통상적으로 초음파 발생장치는 에너지의 소모가 많고, 시설유지비가 높으므로, 통상의 하수처리시설에 초음파를 이용하는 방법만 추가하는 것은 경제적 측면에서 바람직하지 않다.

한국특허출원 제10-2002-0047747호, 제10-2004-0072211호, 제10-2003-0088976호, 제10-1998-0055680호 등에서 하수 슬러지 처리에 초음파를 이용하는 방법이 개시되어 있다. 그러나 이러한 초음파를 이용한 오, 폐수처리장치들은 종래의 물리, 화학적 처리방법과 병행하여 초음파를 이용하거나, 실험실 수준에서 초음파를 단독으로 이용하는 방법에 대하여 개시되어 있을 뿐 구체적인 슬러지처리 장치를 제시하고 있지 못하고 있다. 그리고 통상적으로 초음파 발생장치는 에너지의 소모가 많고, 시설유지비가 높으므로, 통상의 하수처리시설에 초음파를 이용하는 방법만 추가하는 것은 경제적 측면에서 바람직하지 않다.

이에 본 발명은 종래 기술에 비하여 슬러지 가용화 효율 40%이상, 소화효율 30%이상, 슬러지 부피 감소 30% 이상 증가시켜 경제성이 매우 높도록 하기 위한 것으로, 슬러지 감량 및 바이오 가스 증산이 가능하도록 초음파반응기의 전단부에 전처리 개념으로 전기처리기를 설치하여 고압의 전기장에 의해 슬러지 내의 플럭을 파괴하고, 이어서 초음파반응기에서 초음파로 처리함으로써 기존의 초음파 전처리 공정 보다 슬러지 감량효과와 바이오 가스 증산 효과를 크게 상승시킬 수 있는 하ㆍ폐수 처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 처리하고자 하는 하ㆍ폐수를 방류하는 제1차 및 제2차 침전지와 생물 반응조로 이루어진 수처리부와, 상기 제2차 침전지로부터 발생되는 잉여 및 반송 슬러지 이송부를 통하여 이송 후에 농축, 소화, 및 탈수처리하는 슬러지 농축조, 소화조 및 탈수기로 이루어진 슬러지 처리부로 구성되어 있는 하ㆍ폐수 처리장치에 있어서,

상기 슬러지 농축조와 소화조 사이에 하ㆍ폐수의 처리시 발생되는 슬러지를 감량시키기 위해 전기처리기와 초음파반응기가 동시에 설치되어 있되 상기 전지처리기는 상기 초음파반응기의 전단부에 설치되어 있으며, 전기장을 이용하여 상기 슬러지를 1처 처리하게 되고, 상기 초음파 반응기는 상기 전기처리기에서 1차 처리된 슬러지를 초음파에 의한 공동화 현상으로 2차 처리하게 되는 전기처리기와 초음파 반응기를 겸비한 하ㆍ폐수 처리장치인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 하ㆍ폐수 처리장치에서 상기 전기처리기는 이중 배관으로 이루어져 있되, + 전극으로 대전되는 내부 배관이 - 전극으로 대전되는 외부 배관의 내부에 설치되어 있으며, 상기 배관들이 고압컨버터와 보호장치로 이루어진 전자제어기에 연결되어 있으며, 상기 외부 배관의 서로 반대편의 일측에 각각 슬러지 투입구와 배출구가 형성되어서 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 하ㆍ폐수 처리장치에서 상기 초음파 반응기는 는 상기 전기처리기로부터 1차 처리된 슬러지가 유입되는 슬러지 투입구, 상기 1차 처리된 슬러지에 초음파를 방출하는 초음파 발진자, 방출된 초음파에 의해서 처리된 슬러지를 배출하는 슬러지 배출구, 상기 초음파 발진자가 오염되어 처리효율이 떨어지는 경우 이를 세척하기 위하여 고압으로 세척수를 투입하기 위한 세척수 투입구 및 상기 세척수를 배출하기 위한 세척수 배출구로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 사용된 전기처리기는 전기전자장을 이용하는 시스템으로서 시스템이 간단하고, 소비전력이 적다는 특징이 있다. 초음파처리 전에 전기처리를 통하여 에너지의 소비량을 최소화시키면서 슬러지의 처리효율을 30%이상 상승시킬 수 있다.

본 발명의 전기처리기와 초음파 반응기를 겸비한 하ㆍ폐수처리장치에 의하면, 슬러지 플록 구조를 파괴하고, 용해성 탄수화물과 유기성 기질을 방출하게 되며, 하수슬러지의 세포벽을 파괴시켜 세포내 기질을 용출시킴으로써 종래 기술에 비하여 가용화율을 40%이상 증대시켜 슬러지 부피 및 소화효율을 30%이상 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 의해 설계된 전기처리기 및 초음파 반응기를 적용한 하폐수 처리 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명에서 사용하는 전기처리기의 단면도이다.
도 3은 전기처리기에 의한 물 이온의 변화 특성을 나타낸 모식도이다.
도 4는 전기처리기에 의한 세포막의 파괴를 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명에 사용하는 초음파 반응기의 단면도이다.
도 6은 전기처리기 와 초음파 반응기를 이용한 파일럿 규모의 실험을 통한 TCOD/SCOD 결과 그래프이다.
도 7은 BMP실험을 통하여 초음파 단독 처리와 전기+초음파 복합처리의 경우 메탄 생산효율을 비교한 그래프이다.
도 8은 초음파 단독 처리와 전기+초음파 복합 처리의 경우 슬러지 부피의 감소효율을 나타낸 그래프이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 하ㆍ폐수 처리장치는, 유입되는 하ㆍ폐수를 방류하는 제1차 및 제2차 침전지와 생물 반응조로 이루어진 수처리부와, 상기 제2차 침전지로부터 발생되는 잉여 및 반송 슬러지 이송부를 통하여 이송 후에 농축, 소화, 및 탈수처리하는 슬러지 농축조, 소화조 및 탈수기로 이루어진 슬러지 처리부로 구성되어 있되 여기서, 상기 슬러지 농축조와 소화조 사이에 하ㆍ폐수의 처리시 발생되는 슬러지를 감량시키기 위해 전기처리기와 초음파 반응기를 동시에 설치한 것을 특징으로 한다.

상기 전기처리기는 상기 초음파 반응기의 전단부에 설치되어 있으며, 전기장을 이용하여 슬러지를 처리하게 되며, 상기 초음파 반응기는 상기 전기처리기에서 처리된 슬러지를 초음파처리하게 되고, 그 외에 추가로 상기 슬러지의 공급 및 반송시키기 위한 펌프와, 상기 초음파 반응기의 세척을 위한 세정수 펌프가 각각 설치되어 있다.

위와 같은 특징의 본 발명에 의하면, 슬러지는 전기처리기를 통과하면서 전기장에 의하여 1차 처리가 되고, 초음파 반응기로 유입된 후에 초음파에 의한 공동화현상으로 2차 처리되어 슬러지의 감량화가 이루어진다.

따라서, 본 발명은 전기처리기와 초음파 반응기를 통해서 충분히 파괴된 슬러지를 소화조로 공급할 수 있으며, 소화조 내의 미생물 기능을 활성화시킬 수 있고, 소화조의 운전성능을 향상시킬 수 있으므로 소화슬러지의 발생량 30%이상 감소와 바이오 가스의 30%이상 생산 증대에 지대한 효과를 볼 수 있다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 따른 전기처리기와 초음파 반응기를 동시에 겸비한 하ㆍ폐수 처리장치에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부 도면 중 도 1은 본 발명에 의해 설계된 전기처리기 및 초음파 반응기를 동시에 겸비한 하폐수 처리 장치의 구성도이다.

본 발명에 따른 하ㆍ폐수 처리장치(100)는, 유입되는 하ㆍ폐수를 방류하는 제1차 침전지(10), 제2차 침전지(20)와 생물 반응조(30)로 이루어진 수처리부와, 상기 제2차 침전지로부터 발생되는 잉여 및 반송 슬러지 이송부를 통하여 이송 후에 농축, 소화, 및 탈수처리하는 슬러지 농축조(40), 소화조(50) 및 탈수기(60)로 이루어진 슬러지 처리부로 구성되어 있되 여기서, 상기 슬러지 농축조(40)와 소화조(50) 사이에 하ㆍ폐수의 처리시 발생되는 슬러지를 감량시키기 위해 전기처리기(70)와 초음파 반응기(80)를 동시에 설치한 것을 특징으로 한다.

첨부 도면 중 도 2는 본 발명의 하ㆍ폐수 처리장치에 적용할 수 있는 전기처리기(70)의 단면도를 나타낸 것이다. 상기 전기처리기(70)는 이중 배관으로 이루어져 있으며, 내부 배관(71)은 +전극으로, 외부 배관(72)은 -전극으로 대전되어 있고, 이들 배관과 연결되어 있는 전자제어기(73)는 고압컨버터와 보호장치로 구성되어 있다.

본 발명에서 사용하는 상기 전기처리기(70)는 (+) 전극에 전기장을 인가할 수 있으며, (+) 전극의 전기장에 액체가 통과하면 액체의 최 외곽에 있는 전자들이 영향을 받게 된다. 액체의 최 외곽에 있는 전자의 움직임은 액체의 특성을 결정하며, 액체에 제타 전위 보다 큰 에너지를 인가하면, 액체의 전자들의 운동을 변환시키거나 왜곡시켜 특성을 바꿀 수 있다. 사슬(바구니)형태의 물 분자에 전기장을 인가하여, 수소 결합을 와해시키고, 결국 물 분자를 작은 나노크기 및 단위로 나뉘게 만든다.

예컨대, 도 2에서, 전기처리기(70)의 일측에 설치되어 있는 슬러지 투입구(74)를 통해서 화살표 방향으로 유입되는 처리하고자 하는 슬러지는 전기처리기(70)의 내부에서 발생되는 전기장의 영향으로 제타포텐셜이 변하게 되고, 액체의 특성이 바뀌게 되어 수소결합이 와해되어 물 분자가 도 3에서와 같이 분리되게 된다. 그리고 도 4와 같이 세포막은 Lipid(인지질) 이중막으로 이루어져 있는데 전기장은 인지질을 정렬시킴으로서 정렬하는 부분과 파괴되는 부분이 발생하게 된다. 이럴 경우 세포 안으로 물, 이완과 같은 외부물질이 주입되게 되고 이로 인하여 슬러지에 함유된 미생물의 세포막이 파괴되어 유기물을 쉽게 유출시키는 현상을 가져오며, 이로 인하여 슬러지 처리 효율성을 30%이상 향상시킬 수 있게 된다.

상기와 같이 전기처리기(70)에서 처리된 슬러지는 투입구(74)의 반대편 일측에 설치된 슬러지 배출구(75)를 통해서 화살표방향으로 배출되어진다.

상기 전기처리기(70)로부터 배출된 슬러지는 도 1과 도 5에서와 같이 초음파 반응기(80)를 통과하게 된다. 즉, 전기처리기(70)로부터 처리된 슬러지는 초음파 반응기(80)의 슬러지 투입구(81)를 통해서 반응기 내부로 유입된 후에 화살표 방향으로 이동하면서 초음파 발진자(82)로부터 방출된 초음파에 의해서 처리된 후에 슬러지 배출구(83)를 통해서 배출된다. 미설명 부호 84와 85는 세척수 투입구와 세척수 배출구이다.

즉, 상기 초음파 반응기(80) 내에서는 초음파가 갖고 있는 특성인 공동화(cavitation) 현상에 의하여 기포의 내파 현상인 공동화 기포의 생성과 붕괴가 일어나며, 붕괴되는 공동화 기포 내부의 온도와 압력은 약 5000K와 수백기압까지 상승하게 되어 이때 발생되는 고압의 jet-stream과 국부적인 고온이 슬러지 입자구조에 물리화학적인 변화를 일으키게 된다. 슬러지는 물과 고형물로 이루어져 있기 때문에 초음파 분해에 의해 물리ㆍ화학적인 변화를 일으켜 플록이 해체되고, 미생물 등의 세포가 분해되어 세포액이 용출되며, 이로 인하여 슬러지의 처리를 쉽게 하는 작용을 극대화 한다.

본 발명에 의하면, 슬러지에 의하여 초음파 발진자(82)가 오염되어 처리효율이 떨어질 경우를 대비하여 세척수 펌프(도면에 도시하지 않음)에 의해 세척수 투입구(84)를 통해서 공급되는 고압의 세척수가 주기적으로 초음파 발진자(82)를 세척하게 되며, 초음파 처리된 슬러지의 일부는 반송펌프(도면에 도시하지 않음)를 통하여 반송되어 다시 초음파 반응기(80)로 들어가 다시 초음파처리를 거치게 함으로써 슬러지의 처리효율을 높일 수 있는 구조로 되어있다.

이와 같은 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예

인천 K 하수종말처리장에 도 1과 같이 전기처리와 초음파 반응기를 파일럿 규모로 설치하여 6개월간 실험을 하였다. 실험결과 TCOD 및 SCOD 값은 도 6과 같았다. 총 유기물농도(COD)는 슬러지 처리 전(원수), 전기처리, 초음파 처리 그리고 전기+초음파 복합처리의 경우 동일하게 나타났다(왼쪽 그림). 그러나, 바이오 가스 생산에 이용되는 용존성 유기물질 농도(SCOD)의 경우 원슬러지의 농도에 비하여 전기 처리 후 약 30%이상, 초음파 처리의 경우 80%이상, 전기+초음파 복합처리의 경우 160%이상 증가하였다. 초음파 단독 처리와 전기+초음파 복합처리를 비교할 경우 전기+초음파 복합 처리의 경우가 초음파 단독 처리의 경우보다 43%이상의 용존성유기물질(SCOD)의 농도 증가를 가져왔다.

도 7은 BMP실험을 통하여 초음파 단독 처리와 전기+초음파 복합처리의 경우 메탄 생산효율을 비교하였다. 전기+초음파 복합처리의 경우 초음파 단독 처리의 경우보다 메탄 생산량이 30%이상 증가하였다.

도 8은 초음파 단독 처리와 전기+초음파 복합 처리의 경우 슬러지 감량화가 전기+초음파 복합 처리의 경우 초음파 단독 처리의 경우에 비하여 약 30%이상의 슬러지 부피가 감소되었다.

100 ---- 하ㆍ폐수처리장치
10 ---- 1차 침전지
20 ---- 2차 침전지
30 ---- 생물 반응조
40 ---- 슬러지 농축조
50 ---- 소화조
60 ---- 탈수기
70 ---- 전기처리기
80 ---- 초음파 반응기
71 ---- 내부 배관
72 ---- 외부 배관
73 ---- 전기제어기
74 ---- 슬러지 투입구
75 ---- 슬러지 배출구
80 ---- 초음파 반응기
81 ---- 슬러지 투입구
82 ---- 초음파 발진기
83 ---- 슬러지 배출구
84 ---- 세척수 투입구
85 ---- 세척수 배출구

Claims (3)

1. 처리하고자 하는 하ㆍ폐수를 방류하는 제1차 및 제2차 침전지와 생물 반응조로 이루어진 수처리부와, 상기 제2차 침전지로부터 발생되는 잉여 및 반송 슬러지를 이송부를 통하여 이송 후에 농축, 소화, 및 탈수처리하는 슬러지 농축조, 소화조 및 탈수기로 이루어진 슬러지 처리부로 구성되어 있고, 상기 슬러지 농축조와 소화조 사이에 전기장을 이용하여 상기 슬러지를 1처 처리하는 전기처리기(70)와 상기 전기처리기(70)에서 1차 처리된 슬러지를 초음파에 의한 공동화 현상으로 2차 처리하는 초음파 반응기(80)가 설치되어 있는 하ㆍ폐수 처리장치에 있어서,
   상기 전기처리기(70)는 이중 배관으로 이루어져 있으며, + 전극으로 대전되는 내부 배관(71)이 - 전극으로 대전되는 외부 배관(72)의 내부에 설치되어 있으며, 상기 배관들이 고압컨버터와 보호장치로 이루어진 전자제어기(73)에 연결되어 있으며, 상기 외부 배관의 서로 반대편의 일측에 각각 슬러지 투입구와 배출구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기처리기와 초음파 반응기를 겸비한 하ㆍ폐수 처리장치.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서, 상기 초음파 반응기(80)는 상기 전기처리기(70)로부터 1차 처리된 슬러지가 유입되는 슬러지 투입구(81), 상기 1차 처리된 슬러지에 초음파를 방출하는 초음파 발진자(82), 방출된 초음파에 의해서 처리된 슬러지를 배출하는 슬러지 배출구(83), 상기 초음파 발진자(82)가 오염되어 처리효율이 떨어지는 경우 이를 세척하기 위한 고압으로 세척수를 투입하기 위한 세척수 투입구(84) 및 상기 세척수를 배출하기 위한 세척수 배출구(85)로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기처리기와 초음파 반응기를 겸비한 하ㆍ폐수 처리장치.

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