KR101054351B1 - 오폐수 처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 육상 또는 해상의 각종 오폐수 등을 처리하기 위한 수처리 장치에 관한 것으로서, 종래에 비하여 전극판의 내부식성이 우수하여 수명이 길고 살균효과가 탁월하며, 장치의 구조가 간단하여 선박 등에 설치할 경우 설치장소에 구애되지 않는 개선된 오폐수 처리장치에 관한 것이다.

본 발명에서는, 오폐수를 처리하기 위한 장치에 있어서, 피처리수를 싸이클론으로 원심분리하여 고형분을 제거하고 고형분이 제거된 피처리수를 저장하기 위한 하이드로 싸이클론 장치; 및 상기 하이드로 싸이클론 장치에서 1차 처리한 피처리수를 2차로 처리하여 피처리수 내에 포함된 미생물을 살균하기 위한 것으로서, 하우징 내부의 전극에 전기적으로 결합하는 p형 전극판 및 n형 전극판이 교대로 반복하여 상기 하우징 내에 배치되는 전기반응장치를 포함하여 구성되며, 상기 p형 전극판에는 p형 산화물 반도체 피막이 형성되고, 상기 n형 전극판에는 n형 산화물 반도체 피막이 형성되되, 상기 p형 산화물 반도체는 Cr⁺³이 TiO₂ 아나타제에 불순물로서 포함되고, 상기 n형 산화물 반도체는 W⁺⁶이 TiO₂ 아나타제에 불순물로서 포함되는 것을 특징으로 하는 오폐수 처리장치를 제공한다.

싸이클론, 오염수 저장탱크, 공급펌프, 생산수 저장탱크, 배출수 저장탱크, 전극, 전극판, 스테인레스, 산화물 반도체, 산화물 반도체, 크롬, 텅스텐, 이산화티타늄 아나타제

Description

오폐수 처리장치{wasted and polluted water treament device}

본 발명은 육상 또는 해상의 각종 오폐수 등을 처리하기 위한 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 종래에 비하여 수처리 효율이 우수하고 전극판의 내부식성이 뛰어나 전극판의 잦은 교체가 불필요하고 설치면적이 작아 선박이나 해상의 수처리 설비 등에 적용이 가능한 개선된 오폐수 처리장치에 관한 것이다.

최근 환경오염 그중에서도 특히, 수질 오염에 관한 문제는 전 세계적인 주요 관심사가 되었으며, 이에 따라 각국은 자국 영토 내의 각종 오폐수 및 인근 해안에서의 해양 오염수 처리에 관하여 지속적인 연구개발을 진행하고 있는 실정이다.

이러한 육상 또는 해상의 각종 오폐수를 처리하는 방법으로는 폭기조 및 미생물 담체를 이용하는 방식, 필터를 이용하는 방식, 원심력을 이용하는 방식, 자외선을 이용하는 방식, 열원을 이용하는 방식, 전기장 또는 자기장을 이용하는 방식 및 초음파를 이용하는 방식 등의 물리적 처리기술이 있고, 염소 등의 특정 살균 물질을 직접 투입하여 각종 미생물을 직접 제거하는 화학적 처리기술이 있다. 전기적 처리기술로는 전해조에 전극을 설치한 다음 이들 각각에 외부 전원을 인가하여 오폐수를 전기분해하는 방법이 주로 이용되고 있다.

전술한 방법 중에서 특히 해수의 처리에 있어서 가장 효율이 우수하고 많이 사용되고 있는 방법 중의 하나가 전기분해 방식이다. 그러나, 전기분해 방식의 경우 해수는 많은 양의 마그네슘과 칼슘을 함유하고 있으며, 이들은 전기 분해과정에서 음극판에 달라붙어 응고되면서 막을 형성하기 때문에 전기 분해의 효율이 저하될 개연성이 있으며, 심한 경우에는 극판 사이가 좁아지며 타버려 시설 자체의 가동이 중단될 수 있으며, 상단한 고가인 전극판을 자주 교체해야 하는 단점이 있다. 이를 위해 현재, 전처리 공정으로 약품을 투입하여 침강 분리후 여과 처리할 수 있는 방대한 시설을 운영하고, 전해조를 산으로 자주 세척하여 전극의 막을 제거하는 방안이 제시되고 있으나 전처리 시설 설비 및 산세척 설비가 방대하고 초기 투자 및 운전 유지 관리비가 과다하다는 점에서 여전히 문제점을 안고 있다.

본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 1차로 싸이클론 장치를 거친 오염수를 2차로 p형과 n형의 산화물 반도체가 코팅된 전극판을 거치도록 함으로써 수처리 효율을 획기적으로 높임과 동시에 전극판의 내부식성을 현저히 향상시켜 전극판의 교체에 따르는 비용을 절감할 수 있도록 개선된 오폐수 처리장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 오폐수를 처리하기 위한 장치에 있어서, 피처리수를 싸이클론으로 원심분리하여 고형분을 제거하고 고형분이 제거된 피처리수를 저장하기 위한 하이드로 싸이클론 장치; 및 상기 하이드로 싸이클론 장치에서 1차 처리한 피처리수를 2차로 처리하여 피처리수 내에 포함된 미생물을 살균하기 위한 것으로서, 하우징 내부의 전극에 전기적으로 결합하는 p형 전극판 및 n형 전극판이 교대로 반복하여 상기 하우징 내에 배치되는 전기반응장치를 포함하여 구성되며, 상기 p형 전극판에는 p형 산화물 반도체 피막이 형성되고, 상기 n형 전극판에는 n형 산화물 반도체 피막이 형성되되, 상기 p형 산화물 반도체는 Cr⁺³이 TiO₂ 아나타제에 불순물로서 포함되고, 상기 n형 산화물 반도체는 W⁺⁶이 TiO₂ 아나타제에 불순물로서 포함되는 것을 특징으로 하는 오폐수 처리장치에 관하여 개시한다.

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여기서, 상기 하이드로 싸이클론 장치는 외부로부터 유입되는 피처리수인 오폐수를 저장하기 위한 오염수 저장탱크, 상기 오염수 저장탱크에 배관 연결되는 것으로서 오염수를 원심분리하기 위한 싸이클론, 상기 오염수 저장탱크와 싸이클론 간의 배관에 연결 설치되어 오염수를 싸이클론에 압송하기 위한 펌프, 상기 싸이클론의 하방에 연결되는 것으로서 싸이클론에서 분리된 고형분을 저장하기 위한 배출수 저장탱크 및 상기 싸이클론의 상부에 연결되는 것으로서 고형분이 제거된 피처리수를 저장하기 위한 생산수 저장탱크를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 전극판은 스테인레스 재질인 것이 바람직하다.

본 발명의 오폐수 처리장치에 의하면, 오염수인 피처리수가 1차적으로 하이드로 싸이클론 장치를 거치면서 고형분 성분이 제거되고 2차로 전기반응기를 거쳐 미생물이 살균되므로 수처리 효율이 매우 뛰어나다.

특히, 2차 수처리 장치인 전기반응장치 내에 교대로 설치되는 전극판에 각각 p형 산화물 반도체와 n형 산화물 반도체 피막을 형성함으로써 내부식성이 크게 강화되고 전극판에 불순물이 응집되는 현상이 줄어들어 전극판의 수명이 길어지고 교체주기가 길어지는 효과가 있다. 따라서, 고가의 전극판 교체 및 관리에 따른 인력 및 비용의 절감을 가져올 수 있다.

더구나, 본 발명의 오폐수 처리장치는 그 구성이 비교적 간단하여 설치면적을 최소화할 수 있으면서도 수처리 효율이 우수하여 선박 등의 해상 설비에 적용하기에 적합하다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구성과 그 작동원리를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 오폐수 수처리 장치의 전체적인 구성도이다. 본 발명의 수처리 장치는 크게 하이드로 싸이클론 장치(100)와 전기반응장치(200)로 이루어진다. 하이드로 싸이클론 장치(100)는 피처리수인 오폐수를 1차로 걸러주는 역할을 하며, 전기반응장치(200)는 하이드로 싸이클론 장치(100)에서 1차로 처리된 피처리수를 2차로 전기분해 처리를 하여 미생물 등을 살균하는 장치이다.

도 2는 본 발명의 하이드로 싸이클론 장치의 구성도이다. 상기 하이드로 싸이클론 장치(100)는 기본적으로 오염수 저장탱크(110), 펌프(120), 싸이클론(130), 배출수 저장탱크(140) 및 생산수 저장탱크(150)로 구성된다. 상기 오염수 저장탱크(110)는 외부로부터 유입된 오폐수 등의 피처리수를 저장하는 것이며, 여기에 저장되는 오폐수는 펌프(120)에 의하여 하이드로 싸이클론(130)에 공급된다. 상기 하이드로 싸이클론(130)은 원심분리기의 일종으로서 내부에 필터가 마련되며, 오염수에 포함되어 있는 고형분과 일반 전염성 세균을 분리해주는 역할을 한다. 즉, 상기 하이드로 싸이클론(130)은 고속으로 회전하는 원심분리기의 기능을 이용하여 오폐수 중 비중이 1보다 큰 고형물과 비중이 1보다 작은 세균 등의 미생물을 함유하는 액체로 분리하는 역할을 한다. 상기 싸이클론(130)에서 분리된 고형분 등을 포함하는 슬러지액은 배출수 저장탱크(140)에 저장되고 비중이 작은 미생물 등을 포함하는 피처리수는 생산수 저장탱크(150)에 저장된다. 이 생산수 저장탱크 (150)에 저장되는 피처리수에는 대장균, 전염성 세균 등 각종 유해 미생물이 포함되어 있으므로 전기반응장치(200)에서 2차 처리과정을 거치게 된다.

도 3은 본 발명의 전기반응장치의 외관 사시도이고, 도 4는 도 3의 전기반응장치의 횡단면도이며, 도 5는 도 3의 전기반응장치의 종단면도이다. 도시한 바와 같이, 본 발명의 전기반응장치(200)는 하단의 하우징(210) 내부에 전극(211a,211b) 및 이에 전기적으로 연결되는 다수의 전극판(212,214)으로 구성되며, 상기 전극에 전류 및 전압을 인가하기 위한 컨트롤 박스(240)가 상단에 마련된다. 도 3에 도시한 것처럼 상기 전극(211a,211b)은 전류 및 전압 조절장치에 전기적으로 연결되어 전류 및 전압을 인가받으며, 상기 전류 및 전압 조절장치(230)는 타이머와 온-오프 스위치가 마련되는 컨트롤 박스(240)에 전기적으로 연결된다. 상기 하우징(210) 내부에는 전극판(212,214)이 세로로 다수 개 배치되어 있는데, 상기 전극판(212,214)은 p형 산화물 반도체 피막이 형성된 p형 전극판(212)과 n형 산화물 반도체 피막이 형성된 n형 전극판(214)을 서로 교대로 반복하여 배치하는 방식으로 구성한다. 미설명 부호 221,222는 각각 피처리수 인입구 및 배출구를 나타낸다. 즉, 싸이클론 장치(100)에서 1차 처리되어 생산수 저장탱크(150)에 저장된 피처리수는 상기 피처리수 인입구(221)를 통하여 전기반응장치(200)에 공급되고, 전기반응장치(200)에서 2차로 전기반응처리된 피처리수는 상기 피처리수 배출구(222)를 통하여 배출된다.

p형 전극판(212)은 스테인레스(SUS) 재질의 금속판의 외면에 p형 산화물 반도체를 코팅 등을 하여 반도체 피막을 형성한 것이며, n형 전극판(214)은 스테인레스 금속판의 외면에 n형 산화물 반도체를 코팅 등을 하여 반도체 피막을 형성한 것 이다. p형 산화물 반도체로는 Cr⁺³ 이 TiO₂ 아나타제(anatase)에 불순물로서 포함된 것을 사용하는 것이 바람직하며, n형 산화물 반도체로는 W⁺⁶이 TiO₂ 아나타제에 불순물로서 포함된 것을 사용하는 것이 바람직하다.

각 산화물 반도체 피막재료를 형성하기 위하여 불순물로서 포함되는 상기 Cr⁺³은 0.1~0.5 mol%가 되도록 하는 것이 바람직하며, W⁺⁶은 0.01~0.05 mol% 로 하는 것이 바람직하다.

- 실시예 -

I. p형 산화물 반도체 피막 재료의 제조

반응물(Chemical reagent)

반응물	화학식량(F.W)	Assay(%)
Cr(NO3)2-6H2O	400.15	98
Ti(O-Bu)4	340.36	97
CTABr	364.46

위와 같은 시약을 가지고 이하의 반응공정을 통하여 0.1 Mol% Cr-TiO₂ p형 산화물 반도체 피막 재료를 획득하였다.

(1) 에탄올 50 ml에 0.0205g의 Cr(NO₃)₂를 넣은 후 용해시킨다.

(2) 17.62g(20 ml)의 Ti(O-Bu)₄를 50 ml 에탄올에 넣은 후 교반시킨다. 30 분 정도 교반 후 여기에 0.124g의 CTABr를 넣는다.

(3) 위 (2) 공정의 용액 안에 위 (1) 공정의 용액을 혼합한 후 30 분 정도 교반을 수행한다.

(4) 마지막으로 증류수 10 ml를 천천히 위 (3) 공정의 용액 안에 떨어뜨린 후 겔화공정(Gelation)을 수행한다.

(5) 위 (4) 공정의 겔화된 생성물을 150 ℃의 온도하에서 2일간 수열반응기에서 수열합성을 수행함으로써 Cr-doped TiO₂를 제조한다.

이렇게 하여 제조된 Cr-doped TiO₂를 스텐인레스 재질의 금속판에 코팅 등을 하여 피막을 형성한 것이 본 발명의 p형 전극판(212)이다.

전술한 공정에서 Cr이 0.2 mol%인 경우에는 Cr(NO₃)₂를 0.041g, 0.3 mol%인 경우에는 0.0615g, 0.4 mol%인 경우에는 0.082g, 0.5 mol%인 경우에는 0.1025g를 위 공정(1)에서 사용하면 된다.

II. n형 산화물 반도체 피막 재료의 제조

(1) n형 산화물 반도체로는 Ti_{1 - x}W_xO₂의 조성식으로 하여 물질을 합성하였다. 즉, 생선된 Ti_{1 - x}W_xO₂ 의 질량 1g을 기준으로 할 때 TiO₂ 0.9734g과 WO₃ 0.0265g을 혼합하여 Ti_{0 .99}W_{0 .01}O₂를 얻을 수 있다.

마찬가지로,

(2) TiO₂ 가 0.947g이고 WO₃ 가 0.053g 이면, 생성물의 조성식은 Ti_{0 .98}W_{0 .02}O₂이 된다.

(3) TiO₂ 가 0.9205g이고 WO₃ 가 0.0795g 이면, 생성물의 조성식은 Ti_{0 .97}W_{0 .03}O₂이 된다.

(4) TiO₂ 가 0.894g이고 WO₃ 가 0.106g 이면, 생성물의 조성식은 Ti_{0 .96}W_{0 .04}O₂이 된다.

(5) TiO₂ 가 0.8675g이고 WO₃ 가 0.1325g 이면, 생성물의 조성식은 Ti_0.95W_0.05O₂이 된다.

이러한 방법을 통하여 W⁺⁶이 0.01~0.05 mol%인 n형 산화물 반도체 피막 재료를 제조할 수 있었다. 이렇게 하여 제조된 WO₃-doped TiO₂를 스텐인레스 재질의 금속판에 코팅 등을 하여 피막을 형성한 것이 본 발명의 n형 전극판(214)이다.

이와 같이 형성된 p형 산화물 반도체 및 n형 산화물 반도체를 피막으로 형성한 전극판(212,214)에는 전류 및 전압 조절장치(230)로부터 전압이 인가되는데, 본 발명에서는 p형 전극판(212) 및 n형 전극판(214)을 각각 전극(211a,211b)에 연결하여 서로 교번하여 배치한다. 따라서, 유입된 피처리수가 전극판(212,214) 사이를 지날때 전극판(212,214)에서의 전기분해 작용에 의하여 피처리수에 포함된 미생물 등이 살균되는 것이다. 따라서, 하이드로 싸이클론 장치(100)에서 1차 처리한 대장균 등을 포함하는 피처리수는 본 전기반응장치(200)에서 완전히 살균처리된다.

본 발명의 전기반응장치(200) 내에 포함되는 전극판은 p형 및 n형 산화물 반도체의 막을 형성한 것으로서 종래 일반적인 금속판 전극보다 전자의 이동이 활발하여 전기분해 효율이 우수하며, 특히 해수 등에 의한 부식에 강하다는 장점이 있다. 따라서, 비교적 교가인 전극판의 잦은 교체에 따른 인력 및 보수비용을 대폭 절감할 수 있게 된다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 수처리 장치에 의한 피처리수의 처리 전·후의 상태를 보여주는 사진이다. 도시한 사진으로부터, 본 발명에 의한 수처리 장치를 사용하면 싸이클론 장치(100)에서 1차 처리된 피처리수에 함유된 대장균이 전기반응기의 2차 처리를 거치면서 완전히 멸균된 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 수처리 장치는 높은 수처리 효율 및 신뢰도를 유지하면서도 전극판의 교체 등으로 인한 유지관리비용을 절감할 수 있으므로 육상은 물론 해수의 수처리 설비에도 광범위하게 적용할 수 있다는 이점이 있다. 특히, 장치의 구성이 간단하면서 설치면적에 크게 구애되지 않으므로 선박의 밸러스트수나 오수 처

리 설비 등에 널리 적용할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 오폐수 수처리 장치의 전체적인 구성도.

도 2는 본 발명의 하이드로 싸이클론 장치의 구성도.

도 3은 본 발명의 전기반응장치의 외관 사시도.

도 4는 도 3의 전기반응장치의 횡단면도.

도 5는 도 3의 전기반응장치의 종단면도.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 수처리 장치에 의한 피처리수의 처리 전·후의 상태를 보여주는 사진.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 하이드로 싸이클론 장치 110: 오염수 저장탱크

120: 펌프 130: 싸이클론

140: 배출수 저장탱크 150: 생산수 저장탱크

200: 전기반응장치 210: 하우징

211a,211b: 전극 212: p형 전극판

214: n형 전극판 221: 피처리수 인입구

222: 피처리수 배출구

Claims (5)

1. 오폐수를 처리하기 위한 장치에 있어서,

   피처리수를 싸이클론으로 원심분리하여 고형분을 제거하고 고형분이 제거된 피처리수를 저장하기 위한 하이드로 싸이클론 장치; 및

   상기 하이드로 싸이클론 장치에서 1차 처리한 피처리수를 2차로 처리하여 피처리수 내에 포함된 미생물을 살균하기 위한 것으로서, 하우징 내부의 전극에 전기적으로 결합하는 p형 전극판 및 n형 전극판이 교대로 반복하여 상기 하우징 내에 배치되는 전기반응장치를 포함하여 구성되며, 상기 p형 전극판에는 p형 산화물 반도체 피막이 형성되고, 상기 n형 전극판에는 n형 산화물 반도체 피막이 형성되되,

   상기 p형 산화물 반도체는 Cr⁺³이 TiO₂ 아나타제에 불순물로서 포함되고, 상기 n형 산화물 반도체는 W⁺⁶이 TiO₂ 아나타제에 불순물로서 포함되는 것을 특징으로 하는 오폐수 처리장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 하이드로 싸이클론 장치는 외부로부터 유입되는 피처리수인 오폐수를 저장하기 위한 오염수 저장탱크, 상기 오염수 저장탱크에 배관 연결되는 것으로서 오염수를 원심분리하기 위한 싸이클론, 상기 오염수 저장탱크와 싸이클론 간의 배관에 연결 설치되어 오염수를 싸이클론에 압송하기 위한 펌프, 상기 싸이클론의 하방에 연결되는 것으로서 싸이클론에서 분리된 고형분을 저장하기 위한 배출수 저장탱크 및 상기 싸이클론의 상부에 연결되는 것으로서 고형분이 제거된 피처리수를 저장하기 위한 생산수 저장탱크를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 오폐수 처리장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 전극판은 스테인레스 재질인 것을 특징으로 하는 오폐수 처리장치.

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