KR101155931B1 - 혐기조가 필요없는 축전탈이온화 방식을 이용한 하.폐수 처리장치 및 이를 이용한 하.폐수 처리공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축전 탈이온화 방식을 이용한 하, 폐수를 처리 장치 및 공법으로, 이를 더욱 상세히 설명하면 폭기조, 막분리조만을 구성하여 질산이온, 인산이온 등 질소, 인이 처리수에 용존된 상태에서 CDI 반응조를 통과시킴으로서 최종적으로 질소, 인을 처리하도록 하는 것으로 별도의 혐기조 없이 하.폐수의 질소, 인을 제거함으로서 공정의 간소화에 기해 운전효율을 증대시킬 수 있으며, 각조의 폭기.교반. 액이송을 선택적으로 일거에 또는 동시에 수행할 수 있는 장치를 구성함으로서 별도의 액이송 펌프, 교반기, 산기장치가 필요없어 에너지를 절감할 수 있는 장치 및 이를 이용한 하.폐수 처리공법에 관한 것이다.

Description

혐기조가 필요없는 축전탈이온화 방식을 이용한 하.폐수 처리장치 및 이를 이용한 하.폐수 처리공법{WASTE WATER TREATING SYSTEM USING CAPACITIVE DEIONIZATION}

본 발명은 SBR 반응조, 막분리조만을 구성하여 질산, 인산 등 질소, 인이 처리수에 용존된 상태에서 CDI 반응조를 통과시킴으로서 최종적으로 질소, 인을 처리하도록 하는 것으로 별도의 혐기조 없이 전기화학적으로 하.폐수의 질소, 인을 제거함으로서 공정의 간소화에 기해 운전효율을 증대시킬 수 있으며, 각조의 폭기.교반. 액이송을 선택적으로 일거에 또는 동시에 수행할 수 있는 장치를 구성함으로서 별도의 액이송 펌프, 교반기, 산기장치가 필요없어 에너지를 절감할 수 있는 장치 및 이를 이용한 하.폐수 처리공법에 관한 것이다.

최근 인구의 증가 및 도시의 집중화, 산업의 급속한 발전으로 인하여 환경오염이 급속히 진행되어 수질환경의 훼손이 심각한 문제로 대두되고 있다. 더욱이 하천, 호소 등으로 질소, 인 등의 영양염류가 유입되어 부영양화를 유발시킴으로써 어폐류의 폐사로 인한 수중 생태계의 파괴, 수자원 활용가치의 하락, 상수처리 비용의 상승 등의 문제점이 발생되고 있다.

또한, 상기 영양염류 중 질소는 하, 폐수 내에서 주로 유기 질소와 암모니아성 질소의 형태로 존재하며 이러한 형태의 질소는 수중에 방출된 후 아질산성 질소의 형태를 거쳐 질산성 질소로 전환되는데, 이 과정에서 용존 산소가 소모되어 수질을 저하시키게 되는 문제가 발생한다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 물리적, 화학적 또는 생물학적인 단위 공정에 의해 유기물을 비롯하여 질소 및 인을 동시에 처리하기 위한 장치들이 개발되어 왔다.

대표적인 것으로는 종래의 연속회분식 반응장치(Sequencing batch reactor; SBR)는 도 1에서 보는 바와 같이 SBR반응조가 1주기 내에서 시간대를 달리하여 유입조, 호기조, 혐기조, 침전조로 운용됨으로써 유입원수 중에 포함된 질소와 인을 제거하도록 한 것으로서, 단일 반응조에서 호기, 혐기상태가 반복적으로 나타나기 때문에 탈인 미생물에 의한 인의 과잉섭취로 인하여 인의 제거효율을 향상시킬 수 있는 것이다. 질소제거를 위한 이 공정의 응용에서 주의해야 할 점은 포기시간의 조절을 통하여 탈질반응에 필요한 유기물이 반응조 안에 충분히 존재할 수 있도록 하는 것이다. 한편, 혐기반응시에 나타나는 pH의 증가분은 호기상태의 질산화 반응시에 유입원수의 알카리도 부족으로 인하여 pH가 저하되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 연속회분식 반응장치의 장점은 설치면적이 작고 공정이 단순하며, 순간적으로 높은 유량이나 오염물질 부하에 강하고, 반송슬러지 운송이 필요 없으므로 시설비 및 운전비가 저렴하며, 단일반응조에서 호기/혐기 상태가 교대되어 사상균 성장에 의한 벌킹이 없고, 질소와 인의 처리효율을 높일 수 있으며 슬러지의 발생량이 적다는 것이다.

이러한 연속회분식 반응장치(공정)의 기계장치나 공정의 일부를 변경하여 만들어진 여러 종류의 SBR 변법들이 적용되고 있는데, 대표적인 것으로는 SAM TM SBR, KIDEA, ICEAS, Aqua-MSBR, Aqua-SBR, Omniflo-SBR, 선회와류식-SBR, PSBR 등이 있다. 상기 SAM TM SBR은 도 1에 도시된 것과 같이 반응조를 혐기조와 SBR조로 구분하여 SBR조의 혐기반응 기능을 없애고, 대신에 SBR조 전단에 위치한 혐기조에서만 혐기반응이 일어나도록 한 장치이다. 혐기조로부터 SBR조까지 하수의 연속 유입은 펌프에 의해 이루어지나, SBR조로부터 혐기조로의 연속 반송은 Surge Chamber를 통해 무동력으로 이루어지도록 한 것으로서, 펌프를 이용하여 유입하수 및 반송수 전량을 혐기조로부터 SBR조까지 연속 주입시키도록 구성되어 있어 동력비가 높은 단점이 있다. 또한 이러한 연속회분식반응장치는 도 1에서 보는 바와 같이 펌프와 별도로 교반기가 구성되어야 하고, 또 이와 별도로 산기장치가 SBR조에 구비되어야 하는 바, 각각 별도의 펌프, 교반기 및 산기장치를 구성해야하므로 장치구성에 있어 비용 및 시간이 소요되는 문제가 있고, 이러한 각각의 장치를 제어하여 폭기.교반 및 액이송을 제어해야 하는 운전상의 번거로움이 있으며 각각의 기계를 별도로 운전함에 의해 폭기에너지 등 에너지 소모가 많은 문제가 있다. 또한, 이러한 문제는 막분리조에 있어서도 별도의 산기장치, 펌프를 설치하여야 하므로 상기에서 언급한 동일한 문제가 상존하는 것이다. 또한, 도 1에서 보는 바와 같이 SBR 반응조와 별도로 혐기조를 설치함에 의해 호기환경에서 생성되는 질산이온에 대해 혐기조로 내부반송에 의해 탈질반응을 유도케 하여 하.폐수 중의 질소를 제거하여야 하는 번거로움이 있다.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 SBR 반응조와 별도로 혐기조를 설치할 필요없이 처리수에 용존된 질산 등 이온을 분리함으로서 질소, 인을 처리할 수 있으며, 폭기.교반.액이송이 선택적으로 일거에 이루어질 수 있는 장치를 각각 구성함으로서 시설경제면에서 유리하고, 운전효율에 있어서도 유리하며, 에너지경제면에서도 우수한 하.폐수 처리장치 및 이를 이용한 하.폐수 처리공법을 제공하고자 함이다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제에 의한 혐기조가 필요없는 축전탈이온화방식을 이용한 하.폐수 처리 장치는 하.폐수의 원수가 유입되는 SBR 반응조; 상기 SBR 반응조로부터 처리되는 처리수 내의 고형물질을 분리막에 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;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 특징으로 상기 막분리조에는 폭기.교반.액이송 장치가 구성되며, 상기 폭기.교반.액이송 장치는, 모터와, 상기 모터와 연동 회전하는 회전축과, 상기 회전축의 끝단부에 장착되는 에어팬과, 상기 에어팬과 유격을 형성하며 상기 회전축에 장착되고 상기 에어팬보다 직경이 큰 워터팬과, 내부 수용공간에 모터가 수용되며 상기 워터팬 및 에어팬이 노출되도록 형성되는 케이싱과, 상기 케이싱의 외주연에서 복수의 연결부에 의해 연결되며 관형상의 워터가이드관및 상기 워터가이드관의 내부에는 상기 에어팬을 내부에 수용하며 상기 워터가이드관의 내주연과 복수의 지지대에 의해 고정되는 에어가이드관으로 구성되는 가이드부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편 본 발명에서는 혐기조가 필요없는 축전탈이온화방식을 이용한 하.폐수 처리 장치를 이용한 하.폐수 처리공법에 대해서도 제시하고 있는 바, 본 발명의 하.폐수 처리공법은 (a) 원수를 SBR 반응조로 유입시키는 단계와; (b) SBR 반응조와 막분리조를 폭기.교반.액이송 장치를 이용하여 액이송과 동시에 호기 또는 혐기환경으로 운전하는 단계와; (c) 막분리조에 의해 고액분리를 수행하는 단계와; (d) 막분리조로부터 고액분리된 처리수에 있어 이온상태의 질산, 인산을 CDI 반응조를 이용하여 처리하고, 여액을 방류하는 단계;로 이루어짐을 특징으로 한다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 혐기조가 필요없는 축전탈이온화방식을 이용한 하.폐수 처리 장치 및 이를 이용한 하.폐수 처리공법은 혐기조를 별도로 구성하지 않고 SBR 반응조에 의해 처리수에 있어 질소, 인 등을 이온상태로 존재케 하고, 이렇게 질소, 인 등이 이온상태로 용존된 처리수를 막분리조에 의한 고형물질 처리후 축전 탈이온화 방식에 의해 이온상태로 존재하는 질소, 인 등을 제거함으로서 공정을 단축시켜 운전효율을 증대시킬 수 있는 장점을 갖는다.

또한 본 발명의 혐기조가 필요없는 축전탈이온화방식을 이용한 하.폐수 처리 장치 및 이를 이용한 하.폐수 처리공법은 별도의 교반기, 액이송 펌프, 산화장치가 필요없이 이를 동시에 또는 선택적으로 수행할 수 있는 일장치에 의해 운전시킴으로서 시설의 설치 및 에너지 면에서 경제적인 장점이 있다.

도 1은 종래의 연속회분식 반응장치(Sequencing batch reactor; SBR)를 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 혐기조가 필요없는 축전탈이온화방식을 이용한 하.폐수 처리 장치를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 혐기조가 필요없는 축전탈이온화방식을 이용한 하.폐수 처리 장치에 있어 호기환경에 따른 작용을 설명하는 도면.
도 4는 본 발명의 혐기조가 필요없는 축전탈이온화방식을 이용한 하.폐수 처리 장치에 있어 혐기환경에 따른 작용을 설명하는 도면.
도 5는 본 발명의 일 구성인 CDI 반응조의 작용을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 일 구성인 폭기.교반.액이송 장치의 기본 예를 나타내는 절개사시도.
도 7은 본 발명의 일 구성인 폭기.교반.액이송 장치의 측단면도.
도 8은 본 발명의 일 구성인 폭기.교반.액이송 장치의 실시 예를 나타내는 절개사시도.
도 9는 본 발명의 일 구성인 폭기.교반.액이송 장치의 일 실시 예를 나타낸도면.
도 10은 본 발명의 폭기.교반.액이송 장치가 구비된 연속회분식 반응장치를 이용한 하.폐수 처리공법을 설명하기 위한 순서도.

이하 본 발명의 실시예들을 첨부되는 도면을 통해 보다 상세히 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 혐기조가 필요없는 축전탈이온화방식을 이용한 하.폐수 처리 장치를 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명의 혐기조가 필요없는 축전탈이온화방식을 이용한 하.폐수 처리 장치에 있어 호기환경에 따른 작용을 설명하는 도면이고, 도 4는 본 발명의 혐기조가 필요없는 축전탈이온화방식을 이용한 하.폐수 처리 장치에 있어 혐기환경에 따른 작용을 설명하는 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 구성인 CDI 반응조의 작용을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 구성인 폭기.교반.액이송 장치의 기본 예를 나타내는 절개사시도이고, 도 7은 본 발명의 일 구성인 폭기.교반.액이송 장치의 측단면도이고, 도 8은 본 발명의 일 구성인 폭기.교반.액이송 장치의 실시 예를 나타내는 절개사시도이고, 도 9는 본 발명의 일 구성인 폭기.교반.액이송 장치의 일 실시 예를 나타낸 도면이고, 도 10은 본 발명의 폭기.교반.액이송 장치가 구비된 연속회분식 반응장치를 이용한 하.폐수 처리공법을 설명하기 위한 순서도이다.

본 발명에 따른 혐기조가 필요없는 축전탈이온화방식을 이용한 하.폐수 처리 장치는 유입 원수 중에 존재하는 유기물과 질소 및 인을 효율적으로 제거하기 위한 하.폐수 처리장치에 관한 것으로서, 도 2에 도시된 바와 같이 유입 원수가 수용되는 SBR(Sequencing Bach Reactor : 연속회분식)반응조(200) 및 상기 SBR 반응조(200)로부터 유입되는 처리수를 수용하여 고액분리 공정을 수행하는 막분리조(Membrane Bio Reactor)(300) 및 상기 막분리조(300)로부터 유입되는 처리수 중에 용존상태로 존재하는 질소, 인 등을 제거하여 방류하는 CDI 반응조(400)로 구성되어 기존의 SBR 반응조에 있어 전단에 구성되는 혐기조(무산소조) 없이도 질소, 인 등을 이온상태로 처리할 수 있도록 함으로서 공정의 단순화를 이뤄 경제적인 하.폐수 처리장치이다.

또한 본 발명에서는 상기 SBR 반응조(200) 및 상기 막분리조(300)에서 폭기.교반.액이송 장치(100)의 작동으로 액이송과 동시에 폭기여부에 따라 즉, 호기 또는 혐기환경이 조성되도록 한다.

이때, 본 발명에 따르면, 상기 SBR 반응조(200) 및 상기 막분리조(300) 간에 MLSS(mixed liquor suspended solid)의 순환이 시간상 일련되게 이루어질 수 있도록 각 조 간에 순환수단이 구성되는 바, 상기 순환수단은 유입(액이송)수단으로 폭기.교반.액이송 장치(100)가 그 기능을 하며, 내부 반송수단으로 반송수단(500)이 구성된다.

상기 SBR 반응조(200)는 호기시간대에서 폭기.교반.액이송 장치(100)의 폭기작용에 기해 막분리조(300)와 연통되어 처리수가 순환됨으로써 호기 공정을 수행한다. 반대로, 혐기시간대에서는 상기 폭기.교반.액이송 장치(100)의 교반작용에 기해 막분리조(300)와 연통되어 처리수가 순환됨으로써 혐기공정을 수행하게 되는 바, 이렇게 혐기조건 및 호기조건에 따라 인접하는 2개의 조가 동시에 혐기조건 및 호기조건을 수행하도록 함으로서 그 반응처리시간을 단축시킬 수 있게 되는 것이다.

먼저, 호기환경에 대해 설명하면 도 3에서 보는 바와 같이 상기 SBR 반응조(200)는 연속 또는 간헐적으로 유입되는 원수를 수용하게 되는데, 이는 유입 원수의 수량 및 SBR 반응조(200) 전단에 유량 조정조 설치 여부에 따라 결정될 수 있다.

상기 SBR 반응조(200)는 상기 막분리조(300)에 설치된 폭기.교반.액이송 장치(100)가 폭기작용을 함에 따라 호기환경으로 조성되는 바, 이는 상기 SBR 반응조(200)가 막분리조(300)와 폭기.교반.액이송 장치(100)와 반송수단(500)에 의해 연통되어 처리수 내에 포함되는 MLSS의 순환이 이루어지기 때문이다. 즉 상기 막분리조(300)의 하부에 설치되는 폭기.교반.액이송 장치(100)의 흡입관(53-2)에 밸브(V2)가 ON(OPEN)되어 상기 SBR 반응조(200)와 상기 막분리조(300)가 하부에서 연통하도록 하며, 상기 SBR반응조(200)와 상기 막분리조(300의 상부에는 상기 반송수단(500)으로 반송배관(510) 및 상기 반송배관(510)의 개폐가 가능하도록 하는 반송밸브(520)가 구성되어 상기 SBR 반응조(200)와 상기 막분리조(300)가 상부에서 연통하도록 한다. 이러한 상기 SBR 반응조(200)와 상기 막분리조(300)가 연통하여 반응액(처리수)이 순환하도록 함으로서 도 2 등에서 보는 바와 같이 폭기.교반.액이송 장치(100)가 상기 막분리조(300)에 구성되어 있어도 상기 SBR 반응조(200)와 상기 막분리조(300) 전체가 폭기가 되도록 하여 호기환경이 조성되도록 하는 것이다. 한편 도면에 도시된 바는 없으나 상기 반송배관(510)과 연결되며 수위 차에 의해 개폐가 조절되는 것으로서, 예를 들면, 수위를 측정하기 위한 수위측정센서(미도시)와 상기 수위측정센서로부터 수집되는 정보와 기설정된 정보를 통해 밸브의 개폐를 조작하는 제어모듈(미도시), 반송펌프 등을 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 반송배관(510)은 도 2에 도시된 바와 같이 배출되는 일측의 내경(D1)이 유입되는 타측의 내경(D2)보다 상대적으로 작도록 구성됨으로써 상기 막분리조(200)의 처리수 반송 시 슬러지의 교반에 도움을 줄 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 이는, 베르누이 정리에 의한 것으로 일측 내경(D1)의 단면적이 타측 내경(D2)보다 작도록 구성하여, 상기 일측 내경(D1)의 압력은 낮아지게 되고 반송되는 반송액의 유속은 상대적으로 빨라지게 된다. 이로써 유속이 빠른 반송액에 의해 상기 상기 SBR 반응조(200) 및 막분리조(300) 전체에 걸쳐 폭기작용은 물론 슬러지의 교반이 상기 폭기.교반.액이송 장치(100)와 더불어 이루어질 수 있게 되는 것이다.

이렇게 상기 SBR 반응조(200) 및 상기 막분리조(300)에 호기환경이 조성됨에 의해 질산화(NH3 → NO3)에 의해 질산이온이 처리수에 용존되도록 하며, 인산이온이 섭취되도록 한다.

상기 막분리조(300)에 대해서 설명하면 상기 막분리조(300)는 고액분리의 기능을 수행하며, 이를 위해 반응조 내에 분리막(Membrane)(310)이 구비되어 있다. 또한, 상기 막분리조(300)는 상기 분리막(310)으로부터 처리되는 여과 여액을 흡입하는 구성으로 도면에 도시된 바는 없으나 여액펌프가 구성되고, 상기 분리막(310)과 연결되어 상기 여액펌프를 통해 흡입된 여과 여액을 CDI 반응조(400)로 배출시키기 위한 연결관(도면번호 도시되지 않음)을 포함하여 구성된다.

상기 막분리조(300)의 기능은 상기 SBR 반응조(200)와 함께 호기 환경을 조성함으로서 상기에서 언급한 바와 같이 질소가 이온상태로 용존이 되도록 하며, 인산이온을 인제거 미생물에 의해 섭취하도록 함과 동시에 분리막(310)에 의해 처리수 내에 포함된 고형물질을 제거한다. 이때, 상기 막분리조(300)에서는 인산이온이 인 제거 미생물에 흡수되고 이렇게 인이 흡수된 미생물은 슬러지와 함께 외부로 배출토록 하는데 도 3에서 보는 바와 같이 슬러지배출라인(600)에 의해 외부로 배출하고, 일부는 외부순환에 의해 SBR 반응조(200)로 원수와 함께 유입되도록 한다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 막분리조(300)는 상기 분리막(310)의 막힘 현상을 방지하기 위해 상기 폭기.교반.액이송 장치(100)가 구성되는 바, 상기 폭기.교반.액이송 장치(100)에 의해 에어가 용존된 와류가 상기 분리막(310)의 하부에서부터 비산이 되도록 한다. 이와 같은 구조를 갖는 상기 막분리조(300)는 상기 SBR 반응조(200)의 호기 환경 운전에 따라 상기 SBR 반응조(200)와 순환하게 되는데, 상기 분리막(310)의 막힘 현상을 방지하기 위해 과도한 폭기가 발생하게 되고, 이로 인해 막분리조(300)의 DO농도는 포화상태에 가깝게 된다. 그러므로, 상기 SBR 반응조(200)가 호기 환경인 시점에 DO농도가 포화상태인 MLSS를 포함한 막분리조(300)의 반송수를 유입시키면 SBR 반응조(200)에 DO를 공급하는 효과를 갖게 되어 SBR 반응조(200)의 폭기에 필요한 공기량을 감소시킬 수 있게 되고 이에 따라 에너지 소비량을 절감하며 하.폐수 처리 공정에 소요되는 비용을 절감할 수 있게 된다.

한편 도 4에서 보는 바와 같이 상기 SBR 반응조(200)와 상기 막분리조(300)에서는 상기 폭기.교반.액이송 장치(100)에 기해 혐기환경이 조성될 수 있는 바, 이러한 혐기환경이 조성됨에 의해 유입 원수 내에 포함되는 유기물의 가수분해 및 제거, 인 제거 미생물에 의한 인 방출을 유도하게 되어 인산이온으로 용존이 되도록 한다. 또한 질산염의 탈질(NO3 → N2)의 공정을 수행하게 된다. 이러한 혐기 환경에 있어 본 발명에서는 폭기.교반.액이송 장치(100)의 작용으로 상기 SBR 반응조(200)에서 상기 막분리조(300)로 액이송을 함과 동시에 상기 SBR 반응조(200) 및 막분리조(300)는 양조 간의 원활한 슬러지 교반을 위해 교반작용을 하게 되는 바, 이러한 교반작용에 기해 유기물과 미생물의 접촉 기회를 상승시키기 위한 것이다.

이렇게 폭기.교반.액이송 장치(100)의 작동에 기해 호기환경에서는 질산이온이 처리수에 용존되며, 혐기환경에서는 인산이온이 처리수에 용존되도록 하는 바, 이렇게 질산이온 및 인산이온이 처리수에 용존된 상태에서 상기 막분리조(300)에 의해 고형물질이 제거되며, 이러한 처리수는 최종적으로 CDI 반응조(400)를 거침으로서 질산이온, 인산이온 등이 제거되어 별도의 혐기조가 없이도 질소, 인의 제거가 가능하도록 하는 것이다.

상기 CDI 반응조(400)는 친수성의 다공성 활성 탄소전극 층이 내부에 구성되는 축전 탈이온화 스택(410)을 포함한다.

상기 CDI 반응조(400)의 축전 탈이온화 스택(410)은 축전 탈이온화 방식(Capacitive deionization)을 이용한 것으로, 이하 도 5를 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.

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.

또한 다공성의 탄소전극을 스택(stack) 형태로 구성함으로써 수중에 포함되는 무기이온 상태의 염을 제거하는 기술이다. 이 방식은 이온교환, 역삼투, 전기투석 및 증발법에 비해 오염이 적다.

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.

우선, 상기 축전 탈이온화 스택(410)의 원리는 도 5에 도시된 바와 같이 수중에 포함되는 음이온 및 양이온이 축전 탈이온화 스택(410)을 구성하고 있는 친수성의 다공성 탄소 전극(411) 사이를 통과할 때, 다공성 탄소 전극(411)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.

예를 들면 두 탄소 전극(411) 사이의 정전기력에 의해 양전극(Anode)(411)에는 Cl^-와 같은 음이온이 흡착되고, 음전극(Cathode)(411)에는 Na⁺와 같은 양이온이 이동하여 서로 대전을 이루게 됨으로써 수중의 무기성 이온성분을 효과적으로 제거하게 된다. 특히 질산(NO₃^-) 및 인산(PO₄^3-)이온은 상기에서 언급한 바와 같이 전조에서 반응에 의해 용존된 상태로 탄소 전극(411) 사이를 통과하면서 양전극(Anode)(411)에 흡착이 되어 탄소 전극(411) 을 통과하는 처리수는 질산(NO₃^-) 및 인산(PO₄^3-)이온이 제거된 처리수가 통과하여 방류되는 것이므로 별도의 혐기조를 구성할 필요가 없는 것이며, 인산(PO₄^3-)이온의 경우도 상기 SBR반응조(200) 및 막분리조(300)를 혐기환경으로 운전하면서 인산(PO₄^3-)이온을 방출하도록 한 후 다시 호기환경을 조성하여 인제거 미생물에 의해 용존된 인산(PO₄^3-)이온을 섭취하도록 하여 슬러지와 같이 배출시킬 필요없이 상기 CDI 반응조(400)를 통과시킴으로서 인을 제거할 수 있도록 하는 것이다.

또한 상기 양전극(411)과 음전극(411)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.

이와 같이 상술한 축전 탈이온화 스택의 활성 탄소전극은 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.

여기에서 상기 CDI 반응조(400)는 상기 축전 탈이온화 스택(410) 내부를 구성하는 복수의 양전극(411) 및 음전극(411)에 직류 전원을 인가하는 전원유닛(420)이 더 포함됨은 당연하다.

이때, 상기 양전극(411) 및 음전극(411)은 활성탄, 흑연, 탄소 에어로젤 전극 및 탄소복합 전극 등의 탄소성 재질로 이루어지며 전원 인가에 따라 아래와 같은 전기 흡, 탈착 반응이 일어난다.

양극(anode) : X^{m +} -> X^{m +} Adsorption/Carbon Electrode

음극(cathode) : Y^{n -} -> Y^{n -} Adsorption/Carbon Electrode

X : Na⁺ , K⁺, Ca^{2 +}, MG^{2 +} (Metal ions) 등과 같은 양 이온류

Y : PO₄ ^{3 -}, Cl^-, SO₄ ^{2 -}, NO₃ ^- 등과 같은 음 이온류

m : 반응에 사용되는 양이온의 전자수

n : 반응에 사용되는 음이온의 전자수

한편 본 발명에서는 도 2에서 보는 바와 같이 상기 CDI 반응조(400) 전단부에 무격막전해셀(700)을 구성하는 것이 바람직하다. 이렇게 무격막전해셀(700)을 구성하는 것은 후단에 위치하는 CDI 반응조(400)를 통해 인의 흡착제거율을 높이기 위함이다. 일반적으로 하수의 경우 인은 두가지 형태로 즉 입자성 인(Non-Ortho-Phosphate)과 용해성 인(Ortho-Phosphate)으로 존재한다. 또한 하수 방류수의 일반적인 pH는 약 6.5 내지 7.5 사이이며, 일반적으로 수중에 존재하는 인은 pH가 올라가면 이온가가 H₃PO₄ - H₂PO₄ - HPO₄ ^{2 -} - PO₄ ^{3 -} 로 변한다. 따라서 중성영역에서는 대부분의 인이 1가와 2가 이온으로 곤존하는 형태로서 1가 이온의 존재비율이 2가 이온보다 더 높은 상태로 존재할 가능성이 높다. 한편 CDI 반응조(400)에 의한 흡착에 있어서는 1가 이온보다 2가 이온이 2가 이온보다는 3가 이온들이 보다 더 전기적으로 흡착되기 용이하다. 이에 따라 하수의 pH를 8 내지 8.5영역으로 만들어주게 되면 1가 이온으로 존재하는 인이 대부분 2가 이온으로 전환되고 CDI 반응조(400) 통한 인 흡착효율은 증대될 것이다. 이에 본 발명에서는 도 2에서 보는 바와 같이 상기 CDI 반응조(400) 전단부에 무격막전해셀(700)을 구비함으로서 하수를 무격막 전기분해에 의해 결국 CDI 반응조(400)로 유입되는 하수의 pH를 약 8 내지 8.5까지 올림으로서 하수에 존재하는 인의 이온가를 1가에서 2가로 보다 많이 전이시킬 수 있게 되는 것이다. 이러한 인의 이온가의 전이에 의해 CDI 반응조(400)를 통한 인의 흡착효율을 증대시킬 수 있게 되는 것이다.

한편 도면에 도시된 바는 없으나 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 CDI 반응조(400)와 연통되어 상기 축전 탈이온화 스택(410) 내부의 전극(411)에 흡착된 유기물을 제거시키기 위해 산화제생성부를 더 포함할 수 있다. 상기 산화제생성부는 전기화학적 산화방법에 의해 NaOCl 또는 CLO2 산화제를 생성하여 공급하거나, 혼합수단을 더 포함하여 NaOCl 및 CLO2 산화제를 혼합하고 혼합된 산화제를 상기 CDI 반응조(400)로 공급하게 된다. 따라서 상기 산화제발생부에서 공급되는 산화제를 통해 상기 CDI 반응조(400)의 축전 탈이온화 공정에서의 탈착 공정 중 활성탄 전극에 흡착된 유기물을 효과적 제거할 수 있게 된다.

한편 본 발명에 있어 액이송, 교반, 및 폭기를 선택적 또는 동시에 수행하도록 하는 폭기.교반.액이송 장치(100)는 도 6에 도시되어 있는 바와 같이 모터(10), 상기 모터(10)와 연동 회전하는 회전축(20)과, 상기 회전축(20)의 끝단부에 장착되는 에어팬(30)과, 상기 에어팬(30)과 유격을 형성하며 상기 회전축(20)에 장착되고 상기 에어팬(30)보다 직경이 큰 워터팬(40)과, 내부 수용공간에 모터가 수용되며 상기 워터팬(40) 및 에어팬(30)이 노출되도록 형성되는 케이싱(50)과, 상기 케이싱(50)의 외주연에서 복수의 연결부(61)에 의해 연결되며 관형상의 워터가이드관(62) 등으로 구성되는 가이드부(60)를 포함하는 것으로서 에어팬(30) 및 워터팬(40)이 함께 모터(10)에 의해 회전하도록 함으로서 에어팬(30) 및 이하에서 설명할 에어가이드관(64)에 기해 내부에서 에어와류가 형성되도록 하고, 워터팬(40) 및 워터가이드관(62)에 기해 외부에서 워터와류가 형성되도록 하여 별도의 유동 후 각각의 와류가 혼합되면서 워터에 에어가 용존이 되도록 하여 폭기영역을 확장시킬 수 있도록 하는 것으로 그 외에도 선택적으로 교반 또는 액이송을 할 수 있도록 하는 폭기.교반.액이송 장치에 관한 것이다.

상기 모터(10)는 공지의 기술로서 그 설명을 생략하며, 도면에 도시된 바는 없으나 외부의 제어부의 제어에 의해 그 작동이 제어될 수 있다. 상기 모터(10)는 케이싱(50)의 내부에 구성되는 것이며, 상기 케이싱(50)의 끝단에는 관형상의 에어수집부(51)가 구성되고, 상기 에어수집부(51)에는 에어흡입관(52)이 구성되는 바, 상기 에어흡입관(52)은 도 3 등에서 보는 바와 같이 상기 에어수집부(51) 외부에서 그 끝단부가 수면 상부로 노출이 되는 직관(52-1)과 상기 에어수집부(51) 내부에서 외측 즉 워터팬(40) 방향으로 형성되는 곡관(52-2)으로 구성된다. 상기 곡관(52-2)의 끝단은 상기 에어수집부(51) 외부로 노출이 되지 않도록 하는 것이 바람직한 바, 이는 상기 곡관(52-2)으로부터 토출되는 에어가 상기 에어수집부(51) 내부에 수집되어 워터와 혼합이 되지 않도록 하기 위함이다. 상기 에어흡입관(52)의 작동은 상기 워터팬(40) 및 에어팬(30)의 회전에 기해 상기 에어수집부(51) 내부에는 부압이 형성되며, 이러한 부압은 상기 에어흡입관(52)이 수면외부와 연통하여 에어를 흡입하게 되며, 이러한 에어는 상기 에어수집부(51)에 수집이 되고, 에어팬(30)의 회전에 의해 상기 에어가이드관(64)을 통해 외측으로 와류가 형성되도록 하는 것이다. 이러한 작용을 위해 상기 에어수집부(51)는 그 끝단방향 즉 워터팬(40)이 구성된 방향으로 직경이 커지는 형상으로 구성됨이 바람직한데 이는 에어흡입관(52)에 의해 흡입된 에어가 상기 에어수집부(51)의 형상에 기해 워터팬(40) 및 에어팬(30) 방향으로 확산이 되도록 하는 것이며 이러한 확산이 결국 에어팬(30) 및 에어가이드관(64)의 상호 작용에 기해 에어와류 형성이 보다 용이하도록 하는 것이다.

상기 에어수집부(51) 외측에는 상기 회전축(20)과 연동하는 워터팬(40)이 구성되는 바, 상기 워터팬(40)은 상기에서 언급한 바와 같이 회전에 기해 상기 에어수집부(51) 내부에 부압이 형성되게 하는 것은 물론 이하에서 설명할 유도홀(65)로부터 장치외부 워터를 흡입하여 워터가이드관(62)을 통해 워터와류(W)가 형성되도록 하는 것이다.

상기 에어팬(30)은 상기 워터팬(40)과 일정 유격을 형성하며 상기 회전축(20)에 연동하도록 구성되는 것으로 상기 에어수집부(51)에 수집된 에어를 상기 에어가이드관(64)을 통해 에어와류를 형성하도록 하는 것이다. 상기 에어팬(30)은 상기 워터팬(40)보다 작은 직경으로 구성하는 것이 타당하다.

상기 워터팬(40)과 상기 에어팬(30)의 상호작용을 설명하면 큰 직경으로 구성되는 워터팬(40)은 외측으로 유도홀(65)로부터 워터를 흡입하고, 내측으로 에어수집부(51)로부터 에어를 흡입하며, 이렇게 워터팬(40)에 기해 내측으로 유도된 에어는 작은 직경의 에어팬(30)의 회전에 기해 에어가이드관(64)의 내부에서 에어와류가 형성되도록 하는 것이며, 외측으로 유도된 워터는 워터가이드관(62)과 에어가이드관(64) 사이에서 워터와류가 형성되도록 하는 바, 이를 위해서는 도 7에서 보는 바와 같이 에어가이드관(64)이 상기 워터팬(40)과 이격거리를 좁게 구성하여 워터팬(40)에 의해 내측으로 유도된 에어를 바로 에어가이드관(64)에서 에어팬(30)의 작동에 기해 와류로 유도할 수 있도록 하는 것이 타당하다.

상기 가이드부(60)는 장치외부의 워터를 흡입하고, 에어와류와 워터와류가 혼합되지 않으면서 일정 유동거리를 확보하도록 하는 가이드역할을 하는 것이다. 이러한 작용을 하는 상기 가이드부(60)는 상기 케이싱(50)과 연결되는 연결부(61), 워터가이드관(62), 지지대(63), 에어가이드관(64) 및 유도홀(65)로 구성된다.

상기 연결부(61)는 바형상으로 상기 케이싱(50)의 외주연에서 상향경사구배를 형성하면서 워터가이드관(62)의 끝단과 연결되는 것으로 이러한 연결부(61)의 형상에 기해 상기 연결부(61) 간에는 워터가이드관(62) 방향으로 상향경사구배가 형성되는 유도홀(65)이 구성된다. 이러한 유도홀(65)의 형상에 기해 워터팬(40)의 작동에 기해 유도홀(65) 외부에서 장치외부 워터가 유입되기 용이하게 되는 것이다.

또한 도 8에서 보는 바와 같이 상기 유도홀(65)에 연통하는 액이송부(53)가 구성될 수 있는 바, 상기 액이송부(53)는 상기 유도홀(65)과 연통하면서 상기 유도홀(65)이 형성되는 인접하는 연결부(61), 각각의 연결부(61)의 일단이 연결된 케이싱(50)의 외주연, 및 각각의 연결부(61)가 연결된 워터가이드관(62)의 끝단에서 각각의 면이 형성되는 흡입챔버(53-1)와, 상기 흡입챔버(53-1)와 연통하며 도 2에서 보는 바와 같이 SBR반응조(200)에 연통하는 흡입관(53-2)으로 구성된다. 이렇게 구성됨에 의해 워터팬(40) 및 에어팬(20)의 회전에 기해 상기 흡입챔버(53-1)에는 부압이 형성되고, 이러한 부압에 의해 흡입관(53-2)을 통해 SBR반응조(200)로부터 워터(반응액)이 유입되어 워터팬(40) 및 에어팬(20)에 의해 폭기 또는 교반이 이루어지도록 하는 것이다. 이와 같은 구성에 기해 도 2에서 보는 바와 같이 SBR반응조(200)로부터의 워터(반응액)는 상기 액이송부(53)의 작용에 의해 막분리조(300)로 유입되는 것이다. 이렇게 인접하는 조 간에 액이 유입되고 이렇게 유입된 액은 상기에서 언급한 반송수단(500)에 의해 반송이 되어 각각의 조간에 순환이 이루어지는 것이다. 즉 이러한 순환에 기해 막분리조(300)에서 폭기된 반응액은 SBR반응조(200)로 유입되게 되는 것인 바, 결국 양조에 걸쳐 폭기가 이루어지도록 구성되는 것이다.

상기 워터가이드관(62)은 관 형상으로 끝단부가 직경이 커지는 형상으로 그 끝단에서 상기 연결부(61)와 연결된다. 이렇게 직경이 커지는 형상으로 구성되는 것은 넓은 영역에서 장치외부로부터 워터를 유도하기 위한 것이다. 상기 워터가이드관(62)은 상기 워터팬(40)으로부터 외측으로 유도된 워터와류를 상기 에어가이드관(64)과 사이에서 에어와류와 혼합되지 않은 상태에서 워터와류를 가이드 하는 것이며, 워터와류가 직진성을 유지하도록 하여 폭기영역을 확장시키도록 하는 것이다.

상기 에어가이드관(64)은 상기 워터가이드관(62)의 내부에서 그 내부에 에어팬(30)이 위치하도록 상기 워터가이드관(62)의 내주연과 복수의 지지대(63)에 의해 고정된다. 상기 에어가이드관(64)은 상기 워터팬(40)에 의해 내측에서 유도된 에어와류를 그 내부에 에어팬(30)의 회전에 의해 그 내부로 수용함으로서 워터와류와 에어와류가 혼합되지 않은 상태에서 직진성이 유지되도록 하는 것이다. 이렇게 에어가이드관(64)이 워터와류와 에어와류를 분리하도록 함에 의해 워터와류와 에어와류의 조기혼합에 의해 용존된 워터와류가 직진성이 저하되어 그만큼 폭기영역이 줄어드는 것을 방지하기 위한 것이다.

한편 본 발명에서는 도 7에서 보는 바와 같이 상기 워터가이드관(62) 및 상기 에어가이드관(64)의 내주연에 나선형의 가이드홈(66, 67)이 각각 형성되도록 함으로서 워터와류 및 에어와류의 형성 및 직진성을 향상시키도록 하는 것이 타당하다.

한편, 도면에 도시된 바는 없으나, 본 발명의 일 구성인 폭기.교반.액이송 장치(100)는 사용자가 하.폐수상태에 따라 교반 또는 폭기작용을 선택하여 폭기장치를 동작시키는 수동운전방식과 저장된 하.폐수의 BOD(Biochemical Oxygen Demand)수치, MLSS(Mixed Liquor Suspended Solids)수치 등을 측정하는 공지의 측정센서와 자동운전회로를 형성하도록 구성하여 상기 센서로부터 제어신호를 입력받아 자동적으로 교반 또는 폭기작용을 행하도록 하는 제어부가 구성될 수 있다. 이렇게 본 발명에 있어 폭기.교반.액이송 장치(100)를 이용하여 선택적으로 폭기 또는 교반을 할 수 있는 것은 도 2에 도시된 바와 같이 에어흡입관(52)에 제어부와 연동하는 개폐밸브(V1)를 구성함으로서 폭기 시에는 개폐밸브(V1)를 열어 에어흡입관(52)을 통해 에어를 흡입하여 용존된 워터와류가 형성되도록 하는 것이며, 교반 시에는 도 3에서 보는 바와 같이 개폐밸브(V1)를 닫아 워터와류만 형성되도록 하는 것이다.

한편 이러한 폭기.교반.액이송 장치(100)는 도 9에서 보는 바와 같이 다른 실시 예로서 워터팬(40a)을 제시한다. 상기 워터팬(40a)은 상기 회전축(20)에 고정되는 내부팬(42a)과 상기 내부팬(42a)의 끝단과 일체로 형성되는 구획관(43a)과 상기 구획관(42a)의 외주연에 돌출형성되는 외부팬(41a)으로 구성됨에 특징이 있는 바, 이렇게 내부팬(42a), 구획관(43a) 및 외부팬(41a)로 구성하는 것은 상기 구획관(43a)을 상기 에어가이드관(64)과 최대한 연접하도록 구성하여 내부팬(42a)에 의해 내측에서 유도된 에어와류를 상기 구획관(43a)에 의해 상기 에어가이드관(64)으로 유도토록 하고, 이렇게 유도된 에어와류가 상기 에어가이드관(64)의 내부에 에어팬(30)의 회전에 의해 그 내부로 수용함으로서 워터와류와 에어와류가 혼합되지 않은 상태에서 직진성이 더욱 확실히 유지되도록 하기 위함이다. 이를 위해서 바람직하게는 상기 구획관(43a)의 직경은 상기 에어가이드관(64)의 직경과 동일하게 구성하여야 하며, 상기 구획관(43a)의 길이는 상기 워터가이드관(62)의 내부에서 구성되는 상기 에어가이드관(64)의 형성 길이에 따라 조절되어야 하는 것이고, 상기에서 언급한 바와 같이 상기 구획관(43a)과 상기 에어가이드관(64)이 최대한 연접하도록 구성하여 형성된 에어와류가 직진성을 유지하도록 하여야 함이 바람직하다.

이하에서는 본 발명의 일 구성인 폭기.교반.액이송 장치(100)가 폭기작용을 하는 경우를 산정하여 설명한다. 상기 폭기.교반.액이송 장치(100)는 도면에 도시된 바는 없으나 전원스위치를 ON시키게 되면, 폭기.교반.액이송 장치(100)의 모터(10)가 회전하여 워터팬(40) 및 에어팬(30)이 회전하게 된다. 이렇게 회전을 하게 되면 유도홀(65)을 통해 장치외부의 워터가 유입되고, 이와 동시에 에어수집부(51) 내부에 부압이 형성되는 바, 이러한 부압은 에어흡입관(52)(개폐밸브(V2)가 열린상태)을 통해 수면외부로부터 에어를 유입하여 에어수집부(51)에 수집이 되도록 한다. 이렇게 유입된 장치외부의 워터와 에어수집부(51) 내부의 에어는 워터팬(40)의 회전에 의해 내측에서는 에어와류가 형성되며 외측에서는 워터와류가 형성된다. 이렇게 내측에 형성된 에어와류는 이와 근접하여 설치된 에어가이드관(64) 및 그 내부의 에어팬(30)의 작동에 기해 워터와류와 혼합되지 않은 상태에서 에어와류가 에어가이드관(64)을 타고 유동하게 된다. 이와 동시에 외측에서 형성되는 워터와류는 워터가이드관(62)과 에어가이드관(64) 사이에서 에어와류와 혼합되지 않은 상태에서 유동하게 되는 것이다. 이렇게 혼합되지 않은 에어와류와 워터와류는 에어가이드관(64)의 외측에서 상호 혼합되어 용존된 워터와류를 형성하게 되는 바, 이렇게 용존된 워터와류는 워터가이드관(62)을 타고 계속 유동하게 되며 이러한 용존된 와류는 어느 정도 직진성을 유지하며 진행하다 비산이 되며 비산되는 용존된 워터와류는 용존산소의 상승력 등에 의해 상방향으로 비산이 되면서 막분리조(300)(SBR반응조(200))에 균일하게 폭기가 이루어지도록 하는 것이다. 즉 용존된 워터와류가 직진성을 오래 유지하면서 유동하여야 그만큼 폭기영역이 넓어지는 것인데 상기 폭기.교반.액이송 장치(100)는 일정 부분 워터와류와 에어와류가 혼합되지 않으면서 유동하도록 함으로서 용존된 워터와류의 직진성을 길게 가져갈 수 있도록 하여 결국 전체 조에 걸쳐 폭기가 가능하도록 하는 것이다.

한편 본 발명의 혐기조가 필요없는 축전탈이온화방식을 이용한 하.폐수 처리 장치를 이용한 하.폐수 처리방법은 도 10에서 보는 바와 같이 (a) 원수를 SBR 반응조로 유입시키는 단계와; (b) SBR 반응조와 막분리조를 폭기.교반.액이송 장치를 이용하여 액이송과 동시에 호기 또는 혐기환경으로 운전하는 단계와; (c) 막분리조에 의해 고액분리를 수행하는 단계와; (d) 막분리조로부터 고액분리된 처리수에 있어 이온상태의 질산, 인산을 CDI 반응조를 이용하여 처리하고, 여액을 방류하는 단계;로 이루어짐을 특징으로 한다.

먼저, 원수는 연속 또는 간헐적으로 상기 SBR 반응조(200)로 유입된다.

그 다음으로 상기 SBR 반응조(200) 및 막분리조(300)는 상기 폭기.교반.액이송 장치(100)의 작용에 기해 호기환경 또는 혐기환경이 조성되도록 한다. 즉 상기 SBR 반응조(200)를 막분리조(300)와 연통시키고 막분리조(300)에 구성된 폭기.교반.액이송 장치(100)를 작동시켜 막분리조(300)를 폭기시키면서 이렇게 폭기된 반응액을 순환시켜 상기 SBR 반응조(200) 및 막분리조(300) 전체가 호기환경이 조성되도록 하는 것이다.

이렇게 호기환경이 조성되면 처리수가 수용된 상기 SBR 반응조(200) 및 막분리조(300) 내에서 질산화(NH3 → NO3)가 이루어진다. 이렇게 질산이 용존된 처리수는 상기 막분리조(300)의 분리막(310)을 통과함으로서 처리수의 고형물질이 처리되는 것이다.

한편 상기 막분리조(300)에는 상기 분리막(310)의 막힘 현상을 방지하기 위해 폭기.교반.액이송 장치(100)를 통해 과도한 폭기를 발생시키게 된다. 이에 따라, 상기 막분리조 (300)내의 DO 농도는 포화상태에 가깝게 되며 상기 SBR 반응조(200)와의 순환과정에서 DO농도가 포화상태인 반송액이 상기 SBR 반응조(200)로 유입됨에 따라 SBR 반응조(200)로 용존 산소를 공급하게 되는 효과가 있다. 즉 SBR 반응조(200)의 폭기에 필요한 공기량을 감소시킬 수 있게 되어, 하.폐수 처리 공정에서 소모되는 운전에너지를 최소화할 수 있게 된다. 이러한 호기환경에서는 인 제거 미생물에 다량의 인이 흡수되고 이렇게 발생되는 미생물을 포함한 잉여 슬러지는 상기 슬러지 배출수단(600)에 의해 외부로 방출된다.

이렇게 호기환경이 조성됨에 따라 질산이 용존상태로 처리수에 존재하게 되며, 상기 분리막(310)에 의해 고형물질이 처리된 상태에서 상기 CDI 반응조(400)로 유입이 되는 바, 상기 CDI 반응조(400)에서는 처리수에 용존된 각종 무기이온을 흡착시켜 처리시킬 수 있으며, 특히 처리수 내에 존재하는 질산이온을 흡착함으로서 별도의 혐기조(무산소조)를 구성함 없이 하.폐수의 질소를 최종적으로 처리할 수 있게 되는 것이다.

한편 상기 SBR 반응조(200) 및 상기 막분리조(300)가 혐기 환경으로 운전될 때에는 이전 단계인 호기 환경의 운전을 중단한다. 즉, 막분리조(300)의 폭기.교반.액이송 장치(100)에 있어 도 4에서 보는 바와 같이 에어흡입관(52)의 개폐밸브(V1)를 닫아 에어흡입을 차단하여 단순 교반작용만을 수행하도록 하는 것이다.

상기 SBR 반응조(200) 및 막분리조(300)에서는 인 방출이 발생하도록 함으로서 처리수에 인산이온이 용존되도록 하는 것이다. 즉 인 제거 미생물의 VFAs의 흡수를 통한 인산이온이 처리수에 용존되도록 하는 것이다. 이렇게 혐기환경이 조성됨에 따라 인산이 용존상태로 처리수에 존재하게 되며, 상기 분리막(310)에 의해 고형물질이 처리된 상태에서 상기 CDI 반응조(400)로 유입이 되는 바, 상기 CDI 반응조(400)에서는 처리수에 용존된 각종 무기이온을 흡착시켜 처리시킬 수 있으며, 특히 처리수 내에 존재하는 인산이온을 흡착함으로서 하.폐수의 인을 최종적으로 처리할 수 있게 되는 것이다.

한편 본 발명에서는 막분리조(300)로부터 고액분리된 처리수에 있어 이온상태의 질산, 인산을 CDI 반응조(400)를 이용하여 처리함에 있어 CDI 반응조(400)를 이용해 이온상태의 질산, 인산을 흡착하여 처리수를 배출하는 단계와 CDI 반응조(400)에 흡착된 이온상태의 질산, 인산을 탈착하여 농축수를 배출하는 단계를 반복함으로서 하.폐수에 이온상태의 질산, 인산을 흡착하여 처리함과 동시에 이렇게 흡착된 질산, 인산을 CDI 반응조(400)로부터 탈착시켜 그 농축수를 외부로 배출하여 폐기토록 하는 것이다.

특히 본 발명에 있어서는 상기에서 언급한 바와 같이 CDI 반응조(400)를 이용하여 흡착 또는 탈착을 반복함에 있어서 탈착에 의한 농축수를 적절히 조절하기 위해 처리수 임계치 및 농축수 임계치를 도입하여 이를 기준으로 처리수 또는 농축수의 배출 또는 재유입이 조절되도록 한다. 이를 위해서 도면에 도시된 바는 없으나 CDI 반응조(400)에는 배출되는 처리수 또는 농축수의 전기전도도값을 측정하는 센서가 구비되어야 한다. 이를 이용하여 흡착과정에서는 CDI 반응조(400)를 통과하는 처리수의 전기전도도를 측정하여 처리수 임계치보다 낮은 경우 처리수를 배출하도록 하며, 처리수 임계치보다 높은 경우 재유입라인(800)을 통해 SBR반응조(300)로 재유입을 시켜 다시 CDI 반응조(400)를 통과시킴으로서 처리수에 존재하는 이온치를 규제하도록 하는 것이다. 이러한 과정은 도면에 도시된 바는 없으나 제어부의 제어에 의해 처리수 임계치와 처리수의 전기전도도값을 비교함으로서 바로 처리수를 배출할 것인지 아니면 재유입라인(800)의 개폐밸브(V3)를 제어함으로서 SBR반응조(300)로 재유입을 통해 CDI 반응조(400)로 흡착과정을 반복시킴으로서 처리수의 이온농도를 제어하도록 하는 것이다. 여기서 처리수 임계치라고 함은 기 입력된 처리수 전기전도도값을 말한다. 이러한 처리수 임계치는 시공여건, 장소, 처리수 용도 등에 따라 다양하게 선택될 수 있다.

한편 탈착과정에서는 CDI 반응조(400)를 통과하는 농축수의 전기전도도를 측정하여 농축수 임계치보다 높은 경우 농축수를 외부로 배출하여 폐기토록 하는 것이며, 농축수 임계치보다 낮은 경우 재유입라인(800)을 통해 SBR반응조(300)로 재유입을 시켜 다시 CDI 반응조(400)를 통과시킴으로서 농축수에 존재하는 이온치를 규제하도록 하는 것이다. 이러한 과정에서도 도면에 도시된 바는 없으나 제어부의 제어에 의해 농축수 임계치와 농축수의 전기전도도값을 비교함으로서 바로 농축수를 배출하여 처리할 것인지 아니면 재유입라인(800)의 개폐밸브(V3)를 제어함으로서 SBR반응조(300)로 재유입을 통해 CDI 반응조(400)로 탈착과정을 반복시킴으로서 농축수의 이온농도를 제어하도록 하는 것이다. 여기서 농축수 임계치라고 함은 기 입력된 농축수 전기전도도값을 말한다. 이러한 농축수 임계치도 시공여건, 장소, 처리수 용도 등에 따라 다양하게 선택될 수 있다. 이와 같이 탈착과정에서는 CDI 반응조(400)에 흡착된 이온을 탈착시키는 것이므로 흡착과정과 반대의 전류가 CDI 반응조(400)에 흐르도록 하는 것으로 전기적 반발력에 의해 흡착되었던 이온들이 급속히 탈착이 된다. 이때, 바람직하게는 전체 탈착과정에 120 sec.로 설정이 되어 있다면, 120sec의 초기 90 sec 동안은 펌프(도면에 도시되지 않음)가 작동하지 않고, 전극에 공급되는 전류만 반대로 공급되어 흡착된 이온의 탈착을 유도하고, 90 sec가 지난 후 30sec 동안에는 전극에서 충분히 탈착된 이온들을 펌프의 작동에 의해 외부로 배출시켜 폐기되도록 한다.

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.

100 : 폭기.교반.액이송 장치 200 : SBR 반응조
300 : 막분리조 400 : CDI 반응조

Claims (11)

1. 하.폐수의 원수가 유입되는 SBR 반응조;
   상기 SBR 반응조로부터 처리되는 처리수 내의 고형물질을 분리막에 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;
   상기 막분리조에 구비되며, 모터와, 상기 모터와 연동 회전하는 회전축과, 상기 회전축의 끝단부에 장착되는 에어팬과, 상기 에어팬과 유격을 형성하며 상기 회전축에 장착되고 상기 에어팬보다 직경이 큰 워터팬과, 내부 수용공간에 모터가 수용되며 상기 워터팬 및 에어팬이 노출되도록 형성되는 케이싱과, 상기 케이싱의 외주연에서 복수의 연결부에 의해 연결되며 관형상의 워터가이드관 및 상기 워터가이드관의 내부에는 상기 에어팬을 내부에 수용하며 상기 워터가이드관의 내주연과 복수의 지지대에 의해 고정되는 에어가이드관으로 구성되는 가이드부를 포함하는 폭기.교반.액이송 장치;로 구성됨을 특징으로 하되,
   상기 폭기.교반.액이송 장치에 있어,
   상기 케이싱이 끝단에는 관형상의 에어수집부가 구성되고, 상기 에어수집부에는 외부와 연통하며 상기 에어수집부 내부에서 외측으로 곡관을 형성하는 에어흡입관이 구성되고,
   상기 워터가이드관은 상기 워터팬 방향의 끝단부에 직경이 커지는 형상으로 구성되며, 이러한 워터가이드관의 끝단과 상기 케이싱을 연결하는 복수의 연결부는 각각 케이싱 방향으로 하향 경사구배를 형성하며, 각각의 연결부 간에는 유도홀이 구성되며,
   상기 유도홀과 연통하는 흡입챔버와, 상기 흡입챔버와 연통하며 상기 SBR반응조에 연통하는 흡입관을 형성하는 액이송부가 구성됨을 특징으로 하는 혐기조가 필요없는 축전탈이온화방식을 이용한 하.폐수 처리 장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서,
   상기 막분리조의 처리수를 상기 SBR 반응조로 내부반송 시키기 위한 반송수단이 포함되되,
   상기 반송수단은,
   상기 SBR 반응조와 막분리조 상부 측면에 설치되며 양 조가 개폐 가능하도록 연통되는 반송배관, 상기 반송배관과 연결되는 반송밸브로 구성되는 것을 특징으로 하는 혐기조가 필요없는 축전탈이온화방식을 이용한 하.폐수 처리 장치.
   
8. (a) 원수를 SBR 반응조로 유입시키는 단계와;
   (b) 모터와, 상기 모터와 연동 회전하는 회전축과, 상기 회전축의 끝단부에 장착되는 에어팬과, 상기 에어팬과 유격을 형성하며 상기 회전축에 장착되고 상기 에어팬보다 직경이 큰 워터팬과, 내부 수용공간에 모터가 수용되며 상기 워터팬 및 에어팬이 노출되도록 형성되는 케이싱과, 상기 케이싱의 외주연에서 복수의 연결부에 의해 연결되고 관형상으로 구성되되 상기 워터팬 방향의 끝단부에 직경이 커지는 형상으로 구성되며 상기 케이싱을 연결하는 복수의 연결부가 각각 케이싱 방향으로 하향의 경사구배를 갖도록 형성되고 각각의 연결부 간에는 유도홀이 구성되는 워터가이드관과, 상기 워터가이드관의 내부에는 상기 에어팬을 내부에 수용하며 상기 워터가이드관의 내주연과 복수의 지지대에 의해 고정되는 에어가이드관으로 구성되는 가이드부 및 상기 유도홀과 연통하는 흡입챔버와 상기 흡입챔버와 연통하며 상기 SBR 반응조에 연통하는 흡입관을 형성하는 액이송부를 포함하는 폭기.교반.액이송 장치를 이용하여 SBR 반응조와 막분리조를 액이송과 동시에 호기 또는 혐기환경으로 운전하는 단계와;
   (c) 막분리조에 의해 고액분리를 수행하는 단계와;
   (d) 막분리조로부터 고액분리된 처리수에 있어 이온상태의 질산, 인산을 CDI 반응조를 이용하여 처리하고, 여액을 방류하는 단계;로 이루어짐을 특징으로 하는 혐기조가 필요없는 축전탈이온화방식을 이용한 하.폐수 처리 장치를 이용한 하.폐수 처리방법.
   
9. 제 8항에 있어서,
   (d) 막분리조로부터 고액분리된 처리수에 있어 이온상태의 질산, 인산을 CDI 반응조를 이용하여 처리하고, 여액을 방류하는 단계에는 CDI 반응조를 이용해 이온상태의 질산, 인산을 흡착하여 처리수를 배출하는 단계와 CDI 반응조에 흡착된 이온상태의 질산, 인산을 탈착하여 농축수를 배출하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 혐기조가 필요없는 축전탈이온화방식을 이용한 하.폐수 처리 장치를 이용한 하.폐수 처리방법.
   
10. 제 9항에 있어서,
    CDI 반응조를 이용해 이온상태의 질산, 인산을 흡착하여 처리수를 배출하는 단계에는 CDI 반응조를 통과하는 처리수의 전기전도도를 측정하여 처리수 임계치보다 낮은 경우 처리수를 배출하고, 처리수 임계치보다 높은 경우 SBR반응조로 유입시키는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 혐기조가 필요없는 축전탈이온화방식을 이용한 하.폐수 처리 장치를 이용한 하.폐수 처리방법.
    
11. 제 9항에 있어서,
    CDI 반응조에 흡착된 이온상태의 질산, 인산을 탈착하여 농축수를 배출하는 단계에는 CDI 반응조를 통과하는 농축수의 전기전도도를 측정하여 농축수 임계치보다 낮은 경우 SBR반응조로 유입시키고, 농축수 임계치보다 높은 경우 농축수를 배출하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 혐기조가 필요없는 축전탈이온화방식을 이용한 하.폐수 처리 장치를 이용한 하.폐수 처리방법.

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