KR101093443B1 - 전기에너지 생성이 가능한 하수처리장치 및 이 하수처리장치의 전기에너지 생성 방법 - Google Patents

전기에너지 생성이 가능한 하수처리장치 및 이 하수처리장치의 전기에너지 생성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기에너지 생성이 가능한 하수처리장치 및 이 하수처리장치의 전기에너지 생성 방법에 관한 것으로서, 무산소조, 혐기조, 호기조로 구성되는 생물 반응조를 포함하는 하수처리장치에 있어서, 상기 혐기조 내에 침전되는 양극봉과; 상기 호기조 내에 침전되는 음극봉과; 상기 양극봉 및 음극봉을 전기적으로 연결하는 외부서킷 및; 상기 혐기조와 호기조를 구획하는 격벽으로서 선택적 수소이온교환막이 설치된 것을 특징으로 하며, 이러한 미생물 연료전지를 이용하여 하수처리와 함께 전기에너지를 생성함으로써, 하수처리와 함께 전기에너지의 생성으로 하수처리장치에 소요되는 전기의 자체조달이 가능해지는바, 설비운용비가 절감되는 효과가 제공된다.
하수처리, 혐기조, 호기조, 미생물 연료전지, 선택적 수소이온교환막, 전기

Description

전기에너지 생성이 가능한 하수처리장치 및 이 하수처리장치의 전기에너지 생성 방법{Sewage disposal device with generating electric power and method for generating electric power of that}
본 발명은 전기에너지 생성이 가능한 하수처리장치 및 이 하수처리장치의 전기에너지 생성 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존의 하수처리장치에서 하수처리와 더불어 전기에너지도 생산할 수 있도록 한 전기에너지 생산이 가능한 하수처리장치 및 이 하수처리장치의 전기에너지 생성 방법에 관한 것이다.
종래의 생물학적인 하수고도 처리공정은, 최근 생활하수, 산업폐수, 축산폐수 등 오염물의 증가와 활성슬러지법의 2차 처리시설의 한계로 인해 BOD, SS 이외에 질소, 인 등의 오염물질 제거가 효과적으로 이루어지지 못하고 있으며, 이로 인해 수질 오염이 심화되고 있는 실정이다.
이에 따라 질소, 인 등의 오염물질을 효과적으로 제거하기 위한 장치 및 방법들이 개발되고 있으며, 그 처리 방법에 따라 물리화학적인 방법 및 생물학적인 방법으로 구분된다.
물리화학적인 방법은, 화학약품을 첨가하고, 교반기 등을 사용하여 이를 혼합하는 방법으로 오염물질을 신속하고, 효과적으로 제거할 수 있으나, 지속적인 약품 투입과 슬러지 발생량의 증가 및 교반작동 등을 위한 처리비용이 증가되어 비경제적이다. 또한, 물리화학적인 방법은 오염물질의 제거를 위해 투입되는 약품의 양이 적을 경우, 오염물질의 제거효율이 저하될 수 있고, 투입되는 약품이 많을 경우 이 약품의 남용으로 인한 또 다른 오염의 요인이 있어 바람직하지 못한 문제점이 있다.
한편, 생물학적인 방법은 오염물질을 신속하게 제거할 수는 없지만, 공정의 안정성과 신뢰성 및 장기적인 안목에서 경제성 측면 및 또 다른 환경오염을 일으키지 않는다는 장점이 있으나, 아직까지는 더 많은 개선의 여지가 있는 것이 사실이다.
이러한 생물학적인 하수처리방법으로는 혐기, 무산소, 호기 등을 포함하며, A2/O, 간헐포기, SBR 공법이 대표적이다.
상기 A2/O 계열의 하수처리장치는 혐기(조) 상태, 무산소(조) 상태, 호기(조) 상태를 구분함에 있어 생물 반응조내에 내부격벽을 설치하여 공간적으로 상호 분리한다. 이러한 A2/O 계열의 하수처리장치는 대규모 하수처리에 매우 유용하고 부하변동에 비교적 강하며, 일정수준 이상의 안정적인 처리수질을 유지하는 장점이 있다.
도 1은 상술한 종래의 A2/O 계열 하수처리장치의 공정도로서, 이를 참조로 A2/O 계열 하수처리장치의 작동관계를 설명하면 다음과 같다.
일반적으로 A2/O 계열의 하수처리장치는 초기 침전조에서 침전 처리되어 부유 고형물질이 제거된 하수 및 오폐수 등의 유입수를 생물 반응조 내부로 유입하여 처리한다.
상기 생물 반응조는 격벽에 의해 내부가 분리되어 있으며, 각각은 무산소조(10), 혐기조(20), 호기조(30)로 구분된다. 또한 상기 생물 반응조를 거친 유입수는 침전조(40)에 저장되어 이물질이 침전된 후, 외부로 방출된다.
이때, 상기 침전조(40)에서 발생된 슬러지는 무산소조로 재유입되어 재처리 과정을 거친다.
또한, 질소 제거효율을 향상시키기 위하여 호기(조) 상태에서 암모니아성 질소를 질산성 질소로 전환시킨 후 내부반송펌프 또는 프로펠러타입의 수중 이송장치 등을 이용하여 무산소(조) 상태로의 내부반송이 이루어진다.
이와 같이, 무산소조(10), 혐기조(20), 호기조(30)로 구성된 생물 반응조에 1차 침전조를 통과한 유입수를 유입시켜 질소, 인 및 유기물질을 제거한다. 즉, 1차 침전 공정 이후 혐기(조)에서 인을 방출하고 무산소(조)에서는 호기(조)로부터 반송되는 내부 반송수 내의 질산염(NO3)을 탈질하며, 호기(조)에서 유기물 산화, 질산화, 인 등을 축적하는 순서로 미생물을 처리함으로써, 하수처리를 수행한다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 하수처리장치를 이용하여 하수처리와 함께 전기에너지를 생산할 수 있는 전기에너지 생산이 가능한 하수처리장치 및 이 하수처리장치의 전기에너지 생성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
즉, 본 발명은 종래의 하수처리장치에 미생물연료전지 방식을 적용하여 하수처리와 함께 전기에너지를 생산하여 하수처리장치에 소요되는 전기를 자체조달이 가능하도록 함으로써, 설비운용비를 절감할 수 있도록 한 전기에너지 생산이 가능한 하수처리장치 및 이 하수처리장치의 전기에너지 생성 방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기에너지 생성이 가능한 하수처리장치는, 무산소조, 혐기조, 호기조로 구성되는 생물 반응조를 포함하는 하수처리장치에 있어서, 상기 혐기조 내에 침전되는 양극봉과; 상기 호기조 내에 침전되는 음극봉과; 상기 양극봉 및 음극봉을 전기적으로 연결하는 외부서킷 및; 상기 혐기조와 호기조를 구획하는 격벽으로서 선택적 수소이온교환막이 설치된 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 하수처리장치의 전기에너지 생성 방법은, 무산소조, 혐기조, 호기조로 구성되는 생물 반응조를 포함하는 하수처리장치의 전기에너지 생 성 방법에 있어서, (a) 상기 혐기조 내에 침전되는 양극봉이 혐기조 내의 혐기성 미생물 반응에 따른 혐기조건에서 인과 금속이온을 방출하고, 수소이온을 발생시키는 단계; (b) 상기 혐기조에서 발생되는 수소이온이 상기 혐기조와 호기조를 구획하는 격벽으로서 설치된 선택적 수소이온교환막을 통과하여 호기조로 이동하는 단계; (c) 상기 양극봉에서 발생된 전자(e-)가 외부서킷을 통해 음극봉으로 이동하여 호기조로 공급되는 단계; (d) 상기 호기조로 이동한 수소이온과 전자가 상기 호기조로 공급되는 산소와 반응하여 물로 전환되는 과정에서 전기에너지가 생성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전기에너지 생성이 가능한 하수처리장치 및 이 하수처리장치의 전기에너지 생성 방법에 따르면, 하수처리장치에 미생물연료전지 방식을 적용하여 하수처리와 함께 전기에너지가 생산되어 하수처리장치에 소요되는 전기의 자체조달이 가능해짐으로써, 설비운용비가 절감되는 효과가 제공된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 전기에너지 생산이 가능한 하수처리장치의 공정을 개 략적으로 도시한 공정도이다.
참고로, 본 발명을 설명함에 있어서 종래에 있어서와 동일한 부분에 대해서는 동일부호를 부여하여 설명하기로 한다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기에너지 생산이 가능한 하수처리장치는, 초기 침전조에서 침전 처리되어 부유 고형물질이 제거된 하수 및 오폐수 등의 유입수를 생물 반응조 내부로 유입하여 처리되는데, 상기 생물 반응조는 격벽에 의해 내부가 분리되어 있으며, 각각은 무산소조(10), 혐기조(20), 호기조(30)로 구분된다. 또한 상기 생물 반응조를 거친 유입수는 침전조(40)에 저장되어 이물질이 침전된 후, 외부로 방출된다.
이때, 상기 혐기조(20)에는 양극봉(100)이 침전되어 있고, 호기조(30)에는 음극봉(110)이 침전되어 있으며, 상기 양극봉(100)과 음극봉(110)은 각각 외부서킷(120)에 의해 전기적으로 연결되어 있다.
또한, 상기 혐기조(20)와 호기조(30)를 구획하는 격벽으로는 선택적 수소이온교환막(PEM : Proton Exchange Membrane)(130)이 설치되어 있다.
상기 혐기조(20)에서는 혐기성 미생물 대사 작용 즉, 혐기조건에서 질소와 인이 제거되며, 호기조(30)에서는 산소가 공급되어 유기물 산화, 질산화, 인 등을 축적함으로써, 미생물을 처리하게 된다.
따라서, 상기 혐기조(20)에서는 혐기성 미생물이 존재하고, 호기조(30)에서는 산소가 존재하게 되는바, 이러한 원리를 이용하여 생물 반응조에 미생물 연료전지를 적용함으로써, 하수처리와 동시에 전기에너지를 생성하게 된다.
잘 알려진 바와 같이, 미생물 연료전지는, 미생물 또는 그의 일부를 사용하여 에너지 대사에서 발생하는 환원력을 전기에너지로 전환시키는 장치인바, 혐기성 미생물이 존재하는 혐기조(20)와, 산소가 존재하는 호기조(30)에 미생물 연료전지를 적용하게 되면 하수처리와 동시에 전기에너지의 생성이 가능하게 되는데, 이러한 전기에너지 생성 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 혐기조(20) 내에 침전되는 양극봉(100)은 혐기조(20) 내의 혐기성 미생물 반응에 따른 혐기조건에서 인과 금속이온을 방출하고, 동시에 수소이온을 발생시키게 된다.
이와 같이 발생된 수소이온은 혐기조(20)와 호기조(30)를 구획하는 격벽으로서 설치된 선택적 수소이온교환막(130)을 통과하여 호기조(30)로 이동하게 된다.
또한, 상기 양극봉(110)에서 발생된 전자(e-)가 외부서킷(120)을 통해 음극봉(110)으로 이동하여 호기조(30)로 공급된다.
이때, 상기 호기조(30) 내부로는 유기물 산화, 질산화, 인 등을 축적하는 순서로 미생물을 처리하기 위하여 산소가 공급되는바, 상기 호기조(30)로 이동한 수소이온과 전자는 산소와 반응하여 물로 전환되며, 이러한 물로의 전환과정에서 전기에너지가 생성된다.
따라서, 하수처리와 더불어 부가적으로 전기에너지를 동시에 생성할 수 있게 되며, 이와 같이 생성된 전기는 하수처리장치에 필요로 하는 각종 전력원으로 사용 될 수 있도록 하면 된다.
도 1은 종래 하수처리장치의 공정도
도 2는 본 발명에 따른 전기에너지 생산이 가능한 하수처리장치의 공정을 개략적으로 도시한 공정도.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
10 : 무산소조 20 : 혐기조
30 : 호기조 40 : 침전조
100 : 양극봉 110 : 음극봉
120 : 외부서킷 130 : 선택적 수소이온교환막

Claims (2)

  1. 무산소조, 혐기조, 호기조로 구성되는 생물 반응조를 포함하는 하수처리장치에 있어서,
    상기 혐기조 내에 침전되는 양극봉과;
    상기 호기조 내에 침전되는 음극봉과;
    상기 양극봉 및 음극봉을 전기적으로 연결하는 외부서킷 및;
    상기 혐기조와 호기조를 구획하는 격벽으로서 선택적 수소이온교환막이 설치된 것을 특징으로 하는 전기에너지 생산이 가능한 하수처리장치.
  2. 무산소조, 혐기조, 호기조로 구성되는 생물 반응조를 포함하는 하수처리장치의 전기에너지 생성 방법에 있어서,
    (a) 상기 혐기조 내에 침전되는 양극봉이 혐기조 내의 혐기성 미생물 반응에 따른 혐기조건에서 인과 금속이온을 방출하고, 수소이온을 발생시키는 단계;
    (b) 상기 혐기조에서 발생되는 수소이온이 상기 혐기조와 호기조를 구획하는 격벽으로서 설치된 선택적 수소이온교환막을 통과하여 호기조로 이동하는 단계;
    (c) 상기 양극봉에서 발생된 전자(e-)가 외부서킷을 통해 음극봉으로 이동하여 호기조로 공급되는 단계;
    (d) 상기 호기조로 이동한 수소이온과 전자가 상기 호기조로 공급되는 산소 와 반응하여 물로 전환되는 과정에서 전기에너지가 생성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하수처리장치의 전기에너지 생성 방법.
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