KR101112566B1 - 다층행렬식(Ｍａｔｒｉｘ) 구조의 전극을 구비한 전해장치를 이용하는 2단계 전해방식에 의한 유기슬러지의 가용화 및 탈수시스템 - Google Patents

다층행렬식(Ｍａｔｒｉｘ) 구조의 전극을 구비한 전해장치를 이용하는 2단계 전해방식에 의한 유기슬러지의 가용화 및 탈수시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하ㆍ폐수의 생물학적 처리과정에서 발생하는 유기슬러지를 다층행렬(Matrix) 구조의 전극을 갖는 전해장치를 이용하여 2단계 전해방식에 의한 유기슬러지의 가용화 및 탈수시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 구체적인 해결 수단으로는 하ㆍ폐수를 유입시켜 생물학적으로 처리하는 생물반응조(1)와, 생물반응 후의 부유물혼합수를 유입시켜 고ㆍ액 분리하고 처리수를 유출(방류)시키는 침전조(2)와, 침전조(2)에서 처리수로부터 분리된 슬러지를 유입시켜 전해부상에 의해 농축시키는 1차전해조(3) 및 1차전해조의 농축슬러지만을 유입시켜 전해 가용화하는 2차전해조(4) 및 전해 가용화슬러지를 탈수하는 탈수기(5)로 이루어지며, 상기 1차전해조(3)에는 평판형(plate)의 단위 양,음극이 교대로 배치된 구조를 갖는 전극(3-1)이 설치되고, 상기 2차전해조(4)에는 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극(4-1)이 설치되어 있는 다층행렬식 구조의 전극을 갖는 전해장치를 이용한 2단계 전해방식으로 이루어진다.
본 발명에 따른 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극을 이용한 2단계 전해방식에 의한 유기슬러지의 가용화 및 탈수시스템은 종래기술의 평판형(plate)의 전극이 설치된 1단계 전해방식의 전해가용화조로 구성된 장치에서 반류수의 과도한 전해에 의해 생물 반응조에 악영향을 미치는 문제점을 개선하면서 2단계 전해방식 즉, 1차전해조의 전해부상에 의한 슬러지농축과 2차전해조의 전해가용화의 2단계 전해방식을 채용함으로써 종래기술의 단일의 전해가용화조로 구성된 장치에 비하여 약 2배 이상의 에너지 저감효과를 나타내고 있을 뿐 아니라, 2단계 전해방식에 의한 가용화 슬러지를 탈수함으로써 탈수케익의 함수율을 종래기술에 비하여 2 ~ 3% 감소시키는 개선된 효과를 달성한다.

Description

다층행렬식(Ｍａｔｒｉｘ) 구조의 전극을 구비한 전해장치를 이용하는 2단계 전해방식에 의한 유기슬러지의 가용화 및 탈수시스템{System for Dewatering and Reducing quantity of Organic sludge by Two step Electrolysis with Matrix type electrode}
본 발명은 하ㆍ폐수의 생물학적 처리과정에서 발생하는 유기슬러지를 2단계 전해방식에 의한 유기슬러지의 가용화 및 탈수시스템에 관한 것이다.
경제성장에 따른 도시화 및 산업화로 인하여 각종 생활하수 및 산업폐수의 증가로 자연환경 파괴 및 환경오염에 대한 문제점이 크게 발생하게 되었고, 이에 대응하여 환경오염 및 생활환경의 개선을 위한 하ㆍ폐수처리시설 등의 환경기초시설에 대한 수요가 급증하게 되었다.
생활하수 및 각종 산업폐수 등 하ㆍ폐수처리를 위한 방법으로는 현재까지 생물학적 처리방법이 가장 일반적으로 알려져 있으며, 경제성이 있는 것으로 입증된 관계로 대부분의 하ㆍ폐수처리시설에 생물학적 처리방법을 도입하여 운영하고 있다. 생물학적 처리방법은 오염물질을 미생물의 대사작용을 통해 무기화 및 미생물의 증식에 의해 분해 및 제거하게 되며, 이러한 분해 및 제거과정에서 계외로 배출해야될 잉여미생물 즉, 잉여슬러지가 필연적으로 발생하게 되고, 잉여슬러지의 발생은 그 처리문제가 또 다른 환경오염의 원인이 되고 있다.
과거에는 상기 생물학적 처리방법에서 발생하는 잉여슬러지는 탈수에 의해 부피를 감소시킨 후 탈수된 케익상의 슬러지를 소각 또는 매립하거나, 해양에 투기하는 방법 등에 의하여 처분하여 왔으나, 2003년 7월부터 직매립이 금지되었으며, 런던협약 '96 의정서 발효에 따라 2011년 2월부터는 해양배출이 전면 금지되었다.
특히, 정부에서는 2008년 5월 「하수슬러지관리 종합대책」을 발표하였으며, 2010년 7월 현재, 슬러지 최종처리시설 47개소가 건설 완료되었고, 추가로 55개소를 건설 추진 중에 있으나, 계획 중인 최종시설이 모두 완공되어도 발생물량 전체를 처리하기에는 용량이 부족하며, 최종처리시설의 건설비 및 운영비가 고가이고, 가동 시 CO2발생도 문제시되고 있으므로 현재, 슬러지 발생의 감량 및 재활용 문제가 시대적으로 요구되고 있는 실정이다.
하ㆍ폐수의 생물학적 처리 후 발생되는 슬러지의 전해처리와 관련하는 선행기술로 예를 들면, 국내 등록특허공보 등록번호 0457957호에는 전기분해장치로 유기슬러지를 감량화하는 방법을 개시하고 있고, 또 국내 등록특허공보 등록번호 10-0810598호에서는 전해 가용화조를 1단으로 하면서 전해 반류수가 기존 생물 반응조에 영향을 미치지 않게 하기 위하여 자동밸브를 이용하여 전해가용화조로 유입되는 전해 슬러지량을 조절하고, 생물 반응조의 미생물 농도에 따라 인가 전류량을 조절하는 방식에 의한 전기분해조가 포함된 유기슬러지 감량장치을 개시하고 있으며, 이들 선행기술은 슬러지 감량을 위하여 전기분해, 오존, 초음파, 열분해, 알카리 가수 등의 방법으로 슬러지를 가용화하여, 생물 반응조로 반송 미생물에 의해 재포식되어 유기물의 무기물로의 전환율을 높여주는 방법으로서 처리원리에서 동일한 원리를 채용하고 있다. 특히, 전기분해를 이용한 슬러지 감량법의 경우 상기 선행기술에서는 전해방식, 시설비 및 운영비 등에 대하여 특별하게 개선된 효과를 나타내지 못하고 있다.
또 유기슬러지 탈수와 관련하는 선행기술로 예를 들면, 국내 등록특허공보 등록번호 10-0599554호에는 고온호기소화조와 중온혐기소화조 및 전기분해조를 이용한 활성슬러지의 감량화방법에서 고온호기소화 및 중온혐기소화를 거친 반류수를 탈수 처리하는 기술을 개시하고 있고, 국내 공개특허공보 공개번호 10-2010-0057525호에는 오페수처리공정에서 발생하는 최종슬러지의 추가적인 탈수 이전에 효과적인 탈수를 위해 슬러지에 전기장을 적용하는 기술을 개시하고 있다.
본 발명은 상기 선행기술과는 구별되게 하ㆍ폐수의 생물학적 처리 후 발생되는 슬러지를 전해장치의 개선 및 전해방식의 개선을 통하여 유기슬러지를 전해 가용화하고, 탈수함으로써 에너지 소요량을 감소시킴과 동시에 탈수 슬러지의 발생량도 현저하게 감소시키는 에너지 저소비형 오ㆍ폐수 처리시스템에 따른 발명을 완성하게 되었다.
본 발명은 하ㆍ폐수의 생물학적 처리과정에서 발생하는 유기슬러지를 2단계 전해방식에 의해 가용화하고, 가용화 슬러지를 탈수하는 에너지 저소비형 유기슬러지의 가용화 및 탈수시스템의 제공에 그 목적이 있다.
본 발명의 보다 구체적인 목적은 유기슬러지의 가용화가 보다 효율적으로 이루어지는 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극을 구비한 전해장치를 이용하여 2단계 전해방식에 의해 하ㆍ폐수의 생물학적 처리 후 발생되는 슬러지를 전해 가용화하여 잉여슬러지의 발생량을 보다 저감하면서 가용화슬러지를 탈수 처리함으로써 낮은 에너지 소모 및 전해 반류수의 생물반응조의 운영에 악영향을 미치는 요소들을 근본적으로 해결한 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극을 구비한 전해장치를 이용하는 2단계 전해방식에 의한 유기슬러지의 가용화 및 탈수시스템을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
본 발명에 따른 2단계 전해방식에 의한 유기슬러지의 가용화 및 탈수시스템의 주요수단은 1차전해조 및 2차전해조로 이루어진 슬러지 농축단계와 슬러지 가용화단계를 통한 2단계 전해방식으로 구성하여 반류수에 의해 생물 반응조에 악영향을 주지 않으면서 저에너지로 슬러지의 가용화 효율을 높여 잉여슬러지 발생량을 현저하게 감소시킴과 동시에 가용화 슬러지의 탈수에 의해 탈수케익의 함수율 감소도 종래기술에 비하여 개선되는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 따른 또 다른 특징은 2단계 전해방식의 유기슬러지 가용화 및 탈수시스템을 구성하는 2차전해조에 슬러지 가용화에 특히 효율적인 단위양극(Anode)과 단위음극(Cathode)이 종횡방향으로 서로 교호로 배치되면서 다층을 형성하는 다층행렬식(Matrix) 구조로 배치된 전극을 설치하여 유기슬러지를 가용화하는 것을 특징으로 한다.
일반적으로 유기슬러지는 전기분해에 의해 발생되는 차아염소산, 전위차에 의한 세포막손상 등의 작용에 의해 유기슬러지가 전해되면서 가용화되지만, 종래기술과 같은 1단계 전해조에서의 세포막이 파괴되는 미생물은 전해부상에 의해 상부로 부유하는 농축된 농축슬러지의 하단 일부에서만 이루어지므로 슬러지 가용화 효율이 매우 낮고, 이를 해결하기 위하여 과도하게 전해를 할 경우 생물반응조로 이송하는 반류수의 과산화에 의해 생성되는 산화성물질의 농도가 상승되어 생물 반응조의 생물학적 반응에 악영향을 미치는 문제점 있으며, 또 에너지 공급량에 비해 슬러지 감량이 상대적으로 적어 운전비용이 과다한 문제점이 있을 뿐 아니라 잉여슬러지 발생량의 증가로 인하여 슬러지처리(폐기)를 위한 비용 등 많은 문제점이 발생하고 있다.
본 발명에 따른 2단계 전해방식에 의한 유기슬러지의 가용화 및 탈수시스템(A)의 구체적인 해결 수단으로는 하ㆍ폐수를 유입시켜 생물학적으로 처리하는 생물반응조(1)와, 생물반응 후의 부유물 혼합수를 유입시켜, 고ㆍ액 분리하고 처리수를 유출(방류)시키는 침전조(2)와, 침전조(2)에서 처리수로부터 분리된 슬러지를 유입시켜 전해부상에 의해 농축시키는 1차전해조(3)와, 1차전해조의 농축슬러지만을 유입시켜 전해 가용화하는 2차전해조(4) 및 2차전해조에서 이송되는 가용화슬러지를 탈수하는 탈수기(5)로 이루어진다.
상기 본 발명에 따른 생물반응조(1)는 통상적으로 알려진 종래기술의 하ㆍ폐수를 생물학적으로 처리할 수 있는 생물반응조로 이루어지며, 혐기, 무산소 및 호기조건의 생물반응을 수행하는 A2O, SBR 생물반응조 등을 예로 들 수 있으나, 특별히 제한하는 것은 아니다.
또 상기 침전조(2) 역시 상기 생물반응조(1)로부터 유입되는 부유물 혼합수로부터 미생물을 고ㆍ액분리하여 생물학적 폐슬러지와 처리수를 얻을 수 있는 분리조이면 가능하며, 예를 들면, 종래기술에서 통상적으로 실시하고 있는 침지막 혹은 침전조 등으로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 2단계 전해방식에 의한 유기슬러지의 가용화 및 탈수시스템에서 1단계 전해는 침전조(2)에서 처리수로부터 분리된 슬러지를 1차전해조(3)에 유입시켜 전해부상에 의해 농축시키는 슬러지 농축단계로서, 1차전해조(3)는 전해농축조의 기능을 갖는 전해조로 구성되고, 1차전해조에는 평판형(plate)의 단위양(+)극 및 단위음(-)극이 교호로 배치된 전극(3-1)이 설치된다. 또 평판형(plate)의 단위양극 및 단위음극이 교호로 배치된 전극(3-1)을 이용하는 1차전해조는 하ㆍ폐수를 전해 처리하는 기술에서 일반적으로 이용하고 있는 전해조이면 바람직하고, 특별히 제한하는 것은 아니다.
상기 1차전해조(3)로 유입되는 슬러지는 전해부상에 의해 농축되고, 농축슬러지는 1차전해조의 상층부로부터 2차전해조(4)로 이송되는 것으로 이루어지며, 상기 농축슬러지의 하층부에 형성되는 반류수는 다시 생물반응조(1)로 이송시키는 것으로 이루어진다.
그리고 상기 본 발명에 따른 2단계 전해는 상기 1차전해조(3)에서 유입되는 농축슬러지를 2차전해조(4)에서 전해 가용화하는 슬러지 가용화단계이며, 2차전해조(4)는 전해 가용화조의 기능을 갖는 전해조로 구성되며, 1차전해조(3) 및 2차전해조(4)는 다 같이 개방형 또는 폐쇄형의 전해조로 이루어진다.
상기 2차전해조(4)에는 단위양극(Anode)과 단위음극(Cathode)이 종횡방향으로 서로 교호로 배치되면서 다층을 형성하는 다층행렬식(Matrix) 구조로 배치된 전극(4-1)(이하에서는 ‘다층행렬식(Matrix) 구조의 전극’으로 정의합니다)이 설치되어 있으며, 2차전해조(4)에서는 유입되는 농축슬러지가 다층행렬식(Matrix)으로 배열된 전극판 구조에 의해 미생물의 전하축적에 의한 미생물 세포막의 파괴가 양(+),음(-)전하의 교대 피로파괴에 의해 이루어지므로 종래기술의 평판형(plate)의 전극에 의한 전해방식에 비하여 가용화가 보다 효율적으로 이루어진다.
상기 본 발명에 따른 2단계 전해방식에 의한 유기슬러지의 가용화 및 탈수시스템에서의 탈수기(5)는 2차전해조(4)로부터 유입되는 가용화슬러지를 탈수시킴으로써 종래기술에서의 슬러지 탈수에 비하여 함수율을 2 ~ 3% 감소시킬 수 있으며, 탈수하는 과정에서는 탈수효율을 높이기 위하여 탈수보조제로 고분자응집제 및 무기응집제를 첨가하여 탈수하는 것이 바람직하며, 분리된 탈수여액은 다시 생물반응조로 순환시키고, 탈수기로부터 발생하는 탈수케익은 소각, 건조, 탄화, 고화 또는 부숙화 등과 같은 통상적인 처리방법에 의해 처리하는 것으로 이루어진다.
상기 본 발명에 따른 탈수기(5)는 원심력을 이용하여 슬러지 내의 수분을 제거하는 스크류방식(Screw Press) 또는 슬러지가 벨트와 벨트 사이에 놓여져 벨트가 롤러(Roller)들을 지나는 과정에서 벨트 사이의 슬러지를 압착하여 수분을 제거하는 벨트방식 등 통상의 탈수기를 사용하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 자이면 쉽게 선택할 수 있는 탈수기로서 특별히 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극을 이용한 2단계 전해방식에 의한 유기슬러지의 가용화 및 탈수시스템은 종래기술인 단일 평판형(plate)의 전극이 설치된 1단계 전해방식의 전해가용화조로 구성된 장치에서 반류수의 과도한 전해에 의해 생물 반응조에 악영향을 미치는 문제점을 개선하면서 2단계 전해방식 즉, 1차전해조의 전해부상에 의한 슬러지농축과 2차전해조의 전해가용화의 2단계 전해방식을 채용함으로써 종래기술의 1단계 전해방식의 전해가용화조로 구성된 장치에 비하여 약 2배 이상의 에너지 저감효과를 나타내고 있을 뿐 아니라 2차 전해조에 의한 가용화 슬러지를 탈수함으로써 탈수케익의 함수율을 종래기술에 비하여 2 ~ 3% 감소시키는 개선된 효과를 달성한다.
도 1은 본 발명의 2단계 전해방식에 의한 유기슬러지의 가용화 및 탈수시스템에 따른 일실시예를 개략적으로 나타내는 전체적인 공정도.
도 2 및 도 3은 본 발명의 2단계 전해방식에 의한 유기슬러지의 가용화 및 탈수시스템의 1차전해조 및 2차전해조와 각각에 설치된 전극구조를 개략적으로 나타내는 사시도.
도 4 (a) 및 (b)는 본 발명의 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극을 제작하기 위한 전극구조체(c-1) 및 전극구조체(c-2)의 조립도.
도 5 및 도 6은 본 발명의 전극구조체(c-1)와 전극구조체(c-2)가 복수개 조립되어 제작되는 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극을 나타내는 구조도.
도 7은 미생물 세포막에 전하가 축적되는 메카니즘을 나타내는 도면.
도 8은 종래기술의 단일 평판형 전극과 본 발명의 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극에 의한 전기분해시 미생물 세포막의 전하 축적 메카니즘을 나타내는 비교도.
도 9는 종래기술의 단일 평판형 전극에 의한 전해시 미생물 세포막 파괴과정을 나타내는 도면.
도 10은 본 발명의 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극에 의한 전해시 미생물 세포막 파괴과정을 나타내는 도면.
도 11은 종래기술인 1단계 전해방식과 본 발명에 따른 2단계 전해방식의 에너지 소비량을 나타내는 비교도.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극을 구비한 전해장치를 이용하는 2단계 전해방식에 의한 유기슬러지의 가용화 및 탈수시스템에 대하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 2단계 전해방식에 의한 유기슬러지의 가용화 및 탈수시스템에 따른 일실시예를 개략적으로 나타내는 전체적인 공정도로서 도 1을 참조하면,
본 발명은 생활하수 및 각종 산업폐수 등 하ㆍ폐수를 생물반응조(1)로 유입시켜 혐기, 무산소 및 호기조건의 생물반응을 수행하는 A2O, SBR 공법 등 종래기술에 의해 생물학적으로 처리하여 침천조(2)로 이송하고, 침전조(2)에서 고ㆍ액분리에 의해 부유물 혼합수로부터 미생물을 분리하고, 처리수는 침전조(2)로부터 방류하며, 분리된 슬러지는 그 일부를 생물반응조(1)로 순환시킴과 동시에 1차전해조(1)로 이송한다.
상기 1차전해조(3)에서는 하부로부터 유입되는 슬러지를 전해부상에 의해 농축시켜 상층부로 부유하는 농축슬러지를 2차전해조(4)의 하부로 이송시킴과 동시에 1차전해조(3)의 반류수는 다시 생물반응조(1)로 순환시키는 것으로 이루어진다.
그리고 2차전해조(4) 하부로 유입된 농축슬러지는 본 발명에 따른 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극(4-1)에 의해 가용화가 이루어지고, 2차전해조(4)의 가용화 슬러지는 탈수기(5)로 이송하여 탈수시키며, 탈수된 탈수케익을 분리 배출하고, 탈수여액은 다시 생물반응조(1)로 순환시키는 것으로 이루어진다.
도 1은 1차전해조로부터 농축슬러지가 2차전해조(4)의 하부로 유입되는 일 실시예를 도시하고 있으나, 농축슬러지는 2차전해조(4)의 상부로도 유입될 수 있으며, 또 가용화조인 2차전해조(4)가 폐쇄형인 경우 가용화조의 슬러지 유입, 유출은 수평류 방식으로 구성된다.
도 2는 본 발명에 따른 2단계 전해방식에 의한 유기슬러지의 가용화 및 탈수시스템의 1차전해조(3) 및 단일 평판형(plate) 전극(3-1)의 구조를 개략적으로 나타내는 사시도로서, 도 2를 참조하면,
1차전해조(3)에 설치되는 단일 평판형(plate) 전극(3-1)은 평판형(plate)의 단위양(+)극, 단위음(-)극이 교대로 배치된 구조를 갖는 전극으로 이루어지며, 본 발명에 따른 1차전해조(3)는 유입되는 슬러지를 1차적으로 전해부상으로 농축하며, 1차전해조는 전해부상효과를 최대화하기 위하여 단일 평판형(Plate) 전극(3-1)을 사용하며, 이 과정에서 60% 가량의 반류수는 거의 전해의 영향을 받지 않은 상태로 생물반응조(1)로 반류되며, 1차전해조(3)에서 농축된 농축슬러지만을 2차전해조(4)로 유입시켜 2차전해조(4)에서 전기분해에 의한 실질적으로 세포막 파괴 등을 통하여 슬러지 가용화가 이루어지도록 구성하고 있다.
도 3은 본 발명의 2단계 전해방식에 의한 유기슬러지의 가용화 및 탈수시스템에 따른 2차전해조와 본 발명의 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극을 개략적으로 나타내는 사시도로, 도 3을 참조하면,
본 발명에 따른 2차전해조(4)는 1차전해조(3)의 상부로부터 유입되는 농축슬러지만을 하부로 유입시켜 단위양극판(4-2)과 단위음극판(4-3)이 종횡방향으로 서로 교호로 배치되면서 다층을 형성하는 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극(4-1)에 의해 미생물의 전하축적에 의한 미생물 세포막의 파괴가 양(+)음(-)전하의 교대 피로파괴에 의하여 가용화되는 것이므로 단일 평판형(Plate) 전극보다 고효율의 가용화가 이루어지도록 하는 것이다.
도 4 (a) 및 (b)는 본 발명의 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극을 제작하기 위한 전극구조체(c-1) 및 전극구조체(c-2)의 조립도로서, 도 4 (a) 및 (b)를 참조하면,
전극구조체(c-1)와 전극구조체(c-2)는 본 발명의 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극(4-1)의 제작을 위한 중간부품으로서, 전극구조체(c-1)는 양(+)극공유단자(a)에 직사각형의 판상으로된 복수개의 단위양극판(4-2)이 일정간격을 두고 상하로 순차 결합된 양극구조체(a-1)와 음(-)극공유단자(b)에 직사각형의 판상으로된 복수개의 단위음극판(4-3)이 일정간격을 두고 상하로 순차 결합된 음극구조체(b-1)가 서로 교대로 삽입되는 형식으로 조립되어 음극과 양극이 위로부터 순차 교대로 배치되는 구조를 갖는 것으로 이루어지며, 또 전극구조체(c-2) 역시, 양(+)극공유단자(a)에 직사각형의 판상으로 된 복수개의 단위양극판(4-2)이 일정간격을 두고 상하로 순차 결합된 양극구조체(a-2)와 음(-)극공유단자(b)에 직사각형의 판상으로된 복수개의 단위음극판(4-3)이 일정간격을 두고 상하로 순차 결합된 음극구조체(b-2)가 서로 교대로 삽입되는 형식으로 조립되며, 상기 전극구조체(c-1)와는 반대로 양극과 음극이 위로부터 순차 교대로 배치되는 구조를 나타내고 있다.
그리고 도 5 및 도 6은 본 발명의 전극구조체(c-1)와 전극구조체(c-2)가 복수개 조립되어 제작되는 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극을 나타내는 구조도로서 도 4 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극(4-1)의 제작과정을 설명하면,
본 발명의 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극(4-1)은 전극구조체(c-1)와 전극구조체(c-2)를 교대로 반복되게 배열하면서 결합하되, 양(+)극공유단자(a) 및 음(-)극공유단자(b)와, 단위(+)(-)전극판(4-2, 4-3) 사이에 절연체(spacer)를 매개로 결합되게 하여 본 발명의 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극(4-1)을 제작하는 것으로 이루어진다.
상기 본 발명의 1차전해조에 설치되는 평판형(plate) 전극(3-1) 및 2차전해조에 설치되는 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극(4-1)을 구성하는 단위 양,음극판의 개수, 크기 등은 전해조의 처리용량에 따라 설계되는 것으로서 특별하게 한정되는 것은 아니며, 또 상기 평판형(plate) 전극(3-1) 및 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극에서 양극의 재질은 티타늄 모재에 백금(Pt), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 및 팔라듐(Pd)으로부터 선택되는 일 성분 또는 2 이상의 혼합성분을 코팅한 것으로 이루어지고, 음극의 재질은 티타늄 또는 스테인리스스틸 등으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
또 상기 도 3 내지 도 6에서는 본 발명의 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극(4-1)을 구성하는 단위양극판(4-2) 및 단위음극판(4-3)의 형상이 망형(Mesh)인 것에 대한 일실시예를 나타내고 있으나, 판형(Plate) 또는 타공형(Punched hole)의 단위양극판 및 단위음극판으로 이루어지는 것도 바람직하다.
도 7은 미생물 세포막에 전하가 축적되는 메카니즘을 나타내는 도면이고, 도 8은 종래기술의 단일 평판형 전극과 본 발명의 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극에 의한 전기분해시 미생물 세포막에 전하가 축적되는 메카니즘을 나타내는 비교도로서, 도 7 및 도 8에 대하여 설명하면,
도 7에 도시된 바와 같이, 전극에 전원을 인가하면, 양극(Anode)측의 미생물 외부에는 양(+)전하가, 음극(Cathode)측에는 음(-)전하가 대전되며, 미생물 세포막의 내부에는 그 반대의 전하가 축적되는 모습을 보여주고 있으며, 이러한 전하축적의 메카니즘에 의해 도 8에 도시된 바와 같이, 종래기술의 단일 평판형 전극에 의한 미생물 세포막의 전하축적은 단일형태로 대전이 되는 것으로 나타나고, 본 발명의 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극은 양(+)음(-)극이 교대로 반복하여 배치되는 구조에 의해 미생물 세포막에 전하축적이 교호로 나타나고 있으므로 본 발명은 종래기술의 평판형 전극과는 전하축적이 상이하게 나타나는 것임을 알 수 있다.
도 9 및 도 10은 종래기술의 단일 평판형 전극 및 본 발명의 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극에 의한 전해시 미생물 세포막 파괴과정을 나타내는 도면으로서 도 9 및 도 10에 대하여 설명하면,
도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 종래기술의 단일 평판형 전극에 의한 미생물 세포막의 파괴과정은 한 종류의 대전형태를 나타내므로 미생물 세포막의 압축작용만으로 세포막 파괴를 기대할 수 있으나, 본 발명의 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극은 양(+)음(-)극이 교대로 반복하여 배치되는 구조에 의해 미생물 세포막에 전하축적이 교호로 이루어지면서 미생물 세포막의 수축 및 팽창이 반복적으로 나타나고, 이러한 반복작용에 의한 피로파괴로 가용화가 가속화되는 것을 알 수 있으므로 본 발명의 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극이 종래기술의 단일 평판형 전극에 비하여 보다 효율적으로 세포막을 파괴할 수 있게 되어 고효율의 가용화가 이루어지는 것을 알 수 있다.
도 11은 종래기술인 1단계 전해방식과 본 발명에 따른 2단계 전해방식의 에너지 소비량을 나타내는 비교도로서 도 11에 대하여 설명하면,
상기 도 1 내지 도 3에서 도시하고 설명한 바와 같이, 본 발명의 1차전해조(3) 및 2차전해조(4)에 따른 2단계 전해방식은 1단계 전해에서 전해부상으로 유입 슬러지를 농축하며, 이 과정에서 60% 가량의 반류수는 거의 전해의 영향을 받지 않은 상태로 생물반응조(1)로 반류되며, 2단계 전해에서는 1단계에서 전해농축된 40% 가량의 농축슬러지만을 유입시켜 전해 가용화한다.
또한, 종래기술의 탈수공정에서는 잉여슬러지의 간극수 및 모간수만을 제거할 수 있었으나, 본 발명에 따른 유기슬러지의 가용화 및 탈수시스템에 의해서는 잉여슬러지의 가용화에 따라 가용화된 세포의 내부액도 제거할 수 있게 되어, 동일한 탈수기로 탈수 시 본 발명의 2차전해조에 의한 가용화공정를 거칠 경우 기존대비 탈수케익의 함수율이 2 ~ 3% 저감되는 탈수효율 개선의 효과를 볼 수 있다.
A : 본 발명에 따른 유기슬러지의 가용화 및 탈수시스템
1 : 생물반응조 2 : 침전조
5 : 탈수기 3 : 1차전해조
3-1 : 평판형 전극 4 : 2차전해조
4-1 : 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극 4-2 : 단위양극판
4-3 : 단위음극판 a : 양극공유단자
a-1 및 a-2 : 양극구조체 b : 음극공유단자
b-1 및 b-2 : 음극구조체 c-1 및 c-2 : 전극구조체

Claims (6)

  1. 하ㆍ폐수를 유입시켜 생물학적으로 처리하는 생물반응조(1)와, 생물반응 후의 부유물 혼합수를 유입시켜 고ㆍ액 분리하고 처리수를 유출(방류)시키는 침전조(2)와, 침전조(2)에서 처리수로부터 분리된 슬러지를 유입시켜 전해부상에 의해 농축시키는 1차전해조(3)와, 1차전해조의 농축슬러지만을 유입시켜 전해 가용화하는 2차전해조(4) 및 2차전해조의 가용화슬러지를 유입시켜 탈수하는 탈수기(5)로 이루어지며,
    상기 1차전해조(3)에는 평판형(plate)의 단위양극 및 단위음극이 교대로 배치된 구조를 갖는 전극(3-1)이 설치되고,
    상기 2차전해조(4)에는 단위양극판(4-2) 및 단위음극판(4-3)이 종횡방향으로 서로 교호로 배치되면서 다층을 형성하는 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극(4-1)이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 다층행렬식 구조의 전극을 구비한 전해장치를 이용하는 2단계 전해방식에 의한 유기슬러지의 가용화 및 탈수시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극(4-1)은 전극구조체(c-1)와 전극구조체(c-2)가 양(+)극공유단자(a) 및 음(-)극공유단자(b)와 단위 양,음극판 사이에 절연체(spacer)를 매개로 하여 교대로 반복되게 배열되면서 결합되어 이루어진 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극인 것을 특징으로 하는 다층행렬식 구조의 전극을 구비한 전해장치를 이용하는 2단계 전해방식에 의한 유기슬러지의 가용화 및 탈수시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 평판형(plate)의 단위양극 및 단위음극이 교대로 배치된 구조를 갖는 전극(3-1)의 재질이 양극은 티타늄 모재에 백금(Pt), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 및 팔라듐(Pd)으로부터 선택되는 일 성분 또는 2 이상의 혼합성분을 코팅한 것으로 이루어지고, 음극은 티타늄 또는 스테인리스스틸로 이루어진 것을 특징으로 하는 다층행렬식 구조의 전극을 구비한 전해장치를 이용하는 2단계 전해방식에 의한 유기슬러지의 가용화 및 탈수시스템.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극(4-1)의 재질이 양극은 티타늄 모재에 백금(Pt), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 및 팔라듐(Pd)으로부터 선택되는 일 성분 또는 2 이상의 혼합성분을 코팅한 것으로 이루어지고, 음극은 티타늄 또는 스테인리스스틸로 이루어진 것을 특징으로 하는 다층행렬식 구조의 전극을 구비한 전해장치를 이용하는 2단계 전해방식에 의한 유기슬러지의 가용화 및 탈수시스템.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 1차전해조(3) 및 2차전해조(4)는 개방형 또는 폐쇄형의 전해조인 것을 특징으로 하는 다층행렬식 구조의 전극을 구비한 전해장치를 이용하는 2단계 전해방식에 의한 유기슬러지의 가용화 및 탈수시스템.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 단위양극판(4-2) 및 단위음극판(4-3)은 판형(Plate), 망형(Mesh) 또는 타공형(Punched hole)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 다층행렬식 구조의 전극을 구비한 전해장치를 이용하는 2단계 전해방식에 의한 유기슬러지의 가용화 및 탈수시스템.
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