KR101222695B1

KR101222695B1 - 전기장 및 막분리를 이용한 수처리 장치

Info

Publication number: KR101222695B1
Application number: KR1020120094117A
Authority: KR
Inventors: 조영재; 조연배
Original assignee: (주)대진환경개발
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2012-08-28
Publication date: 2013-01-16

Abstract

본 발명은 수처리 장치에 관한 것이다. 그러한 수처리 장치는 생하수가 유입되어 대전되는 전기장 처리부와; 상기 전기장 처리부의 출측에 연결되어 대전된 생하수가 유입됨으로써 막분리가 이루어지는 막분리부를 포함하며, 상기 전기장 처리부는 생하수 및 공기 유입구가 연결되는 케이스와; 상기 케이스의 중간부에 수직방향으로 배치되어 전기장을 인가하는 방전극과; 그리고 상기 케이스의 내측에 배치되는 대전극을 포함한다.

Description

전기장 및 막분리를 이용한 수처리 장치{APPARATUS FOR TREATING SEWAGE USING ELECTRIC FIELD PRETREATMENT AND MEMBRANE}

본 발명은 전기장 및 막분리를 이용한 수처리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기장 처리공정 및 막분리 공정을 연계함으로써 생하수를 전기장에 의하여 전 처리를 한 후 막분리를 통하여 오염물을 여과함으로써 수처리를 효율적으로 진행할 수 있는 수처리 장치에 관한 것이다.

일반적으로 막분리 공정은 수처리 공정에서 재래식 공정을 대체하여 입자상 물질에서 용존성 염류까지 다양한 오염물질을 제거할 수 있다. 그중 정밀여과는 고분자 물질이나 바이러스, 콜로이드 등의 용질을 입자의 크기와 막의 세공의 크기 차이에 의해서 용매와 분리하는 공정이다.

정밀여과는 막 세공의 크기에 의해 선택적인 처리가 가능하고 기존의 수처리 공정에 비해 슬러지 발생과 응집제, 소독제 등의 약품 소모량을 줄일 수 있는 장점이 있다.

이러한 정밀여과의 일 예로서 대한민국 특허출원 제10-1998-31420호(명칭:섬유호스를 이용한 정밀여과 방법 및 그 장치)에는 정밀여과 장치가 제안된다.

상기 종래기술의 여과장치는 유연성을 갖는 섬유사를 정밀하게 직조하여 호스형태를 갖는 여과호스(300)를 구비하고, 이 여과호스(300)의 내부에 다수의 통공(401)이 형성된 튜브형 스페이서(400)를 삽입한 구조를 갖는다.

따라서, 오폐수가 이 여과호스를 통과하는 과정에서 함유된 오염물질이 여과될 수 있다.

그러나 이러한 정밀여과(Microfiltration) 공정의 가장 큰 문제점은 막 여과가 진행됨에 따라 발생하는 막 오염(Membrane fouling)에 의해 막 투과유속의 감소를 초래하는 것이다.

막 투과 유속의 감소는 막 오염에 의하여 발생하는데 막의 오염은 탁도를 유발하는 현탁 물질과 같은 입자성 물질의 축적, 유기물의 축적, 막 표면에서의 균의 증식, 막 표면이나 내부에서의 철, 망간 등의 산화에 의해서 일어난다.

따라서, 이러한 종래의 막분리를 이용한 수처리 장치는 오염물이 막에 축적되는 경우 수처리 효율이 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 과제는 오염물을 전기장에 의하여 전처리함으로써 후공정인 막분리 공정에서 오염물이 축적되는 것을 방지하여 효율적으로 수처리를 할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 과제는 전기장 처리부의 구조를 개선함으로써 전기장이 보다 조밀하게 형성될 수 있는 수처리 장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 생하수가 유입되어 대전되는 전기장 처리부와; 상기 전기장 처리부의 출측에 연결되어 대전된 생하수가 유입됨으로써 막분리가 이루어지는 막분리부를 포함하며,

상기 전기장 처리부는 생하수 및 공기 유입구가 연결되는 케이스와; 상기 케이스의 중간부에 수직방향으로 배치되어 전기장을 인가하는 방전극과; 그리고

상기 케이스의 내측에 배치되는 대전극을 포함하는 수처리 장치를 제공한다.

또한 본 발명은 생하수가 유입되어 대전되는 전기장 처리부와; 상기 전기장 처리부의 출측에 연결되어 대전된 생하수가 유입됨으로써 막분리가 이루어지는 막분리부를 포함하며;

상기 전기장 처리부는 생하수 및 공기 유입구가 연결되는 케이스와; 상기 케이스의 내측에 다단으로 배치되어 생하수 및 공기를 상향류로 형성하여 순차적으로 상승시키고 체류공간을 형성하는 차단부재와; 상기 케이스의 일측에 배치되어 체류공간에 포집된 공기를 외부로 배출시키는 배출관과; 상기 케이스의 중간부에 수직방향으로 배치되어 전기장을 인가하는 방전극과; 그리고 상기 케이스의 내측에 배치되는 대전극을 포함하는 수처리 장치를 제공한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 수처리 장치는 다음과 같은 장점이 있다.

첫째, 생하수를 전기장 처리부에 의하여 전처리한 후, 후처리 공정인 막분리부에 공급하여 여과시킴으로써 오염물질이 보다 효율적으로 여과될 수 있다.

둘째, 전기장 처리부의 내측에 다단의 차단부재를 상하로 배치함으로써 생하수가 이 다단의 차단부재를 순차적으로 통과하도록 하여 생하수의 흐름을 지연시킴으로써 생하수에 전기장이 충분한 시간 동안 인가될 수 있도록 하여 수처리 효율을 높일 수 있다.

셋째, 수직방향으로 배치되는 방전극과, 수평방향으로 배치되는 다단의 차단부재 사이에서도 방전이 발생함으로써 전기장의 영역이 보다 넓게 형성되어 생하수의 하전 효율이 향상될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전기장 및 막분리 공정을 이용한 수처리 장치의 구조를 보여주는 측면도이다.
도 2는 도 1의 "A-A" 선 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 차단부재의 다른 실시예로서, 케이스의 내부에서 다단으로 배치된 차단부재를 보여주는 측면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 방전극이 차단판을 통과하는 상태를 보여주는 평면도이다.

이하, 본 발명에 따른 전기장 및 막분리 공정을 이용한 수처리 장치를 상세하게 설명한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명이 제안하는 수처리 장치(1)는 생하수가 유입되어 대전되는 전기장 처리부(5)와; 상기 전기장 처리부(5)의 출측에 연결되어 대전된 생하수가 유입됨으로써 막분리에 의하여 처리되는 막분리부(7)와; 상기 전기장 처리부(5) 및 막분리부(7)에 연결되어 제어하는 제어부(15)를 포함한다.

이러한 구조를 갖는 수처리 장치에 있어서, 상기 전기장 처리부(5)는 생하수에 전기를 인가함으로써 생하수가 대전되도록 하여 후처리 공정인 막분리부(7)로 공급하게 된다.

이러한 전기장 처리부(5)는 생하수 및 공기 유입구가 연결되는 케이스(8)와; 상기 케이스(8)의 중간부에 수직방향으로 배치되어 전기장을 인가하는 방전극(13)과; 상기 케이스(8)의 내측에 배치되는 대전극(11)과; 상기 방전극(13)과 대전극(11)에 전원을 인가하는 전원부(19)와; 상기 전기장 처리부(5)를 제어하는 제어부(15)를 포함한다.

상기 케이스(8)는 빈 공간이 형성된 통체 형상을 갖음으로써 내부에 생하수가 유입/저장될 수 있다.

이러한 케이스(8)는 하부에 생하수 유입구(10)가 연결되고, 상부에는 처리된 생하수가 배출되는 배출구(17)가 연결된다.

따라서, 생하수 탱크(3)에서 펌프(9)의 구동에 의하여 펌핑된 생하수는 상기 유입구(10)를 통하여 케이스(8)의 내부로 유입되고, 전기장 처리된 후 배출구(17)를 통하여 외부로 배출될 수 있다.

상기 방전극(13) 및 대전극(11)은 케이스(8)의 내부에서 서로 대향된 상태에서 일정 거리 떨어져 배치됨으로써, 전기장을 형성하여 생하수를 하전시킨다.

이러한 방전극(13)은 케이스(8)의 내상부에서 하부 방향으로 수직적으로 배치된다.

또한, 대전극(11)은 케이스(8)의 내주면에서 직립한 상태로 원주방향을 따라 배치된다.

이와 같이, 방전극(13)을 중심으로 다수개의 대전극(11)이 배치된 상태에서, 상기 전원부로부터 전원이 인가되면 방전극(13)과 대전극(11)의 사이 공간에 전기장이 형성된다.

따라서, 생하수가 상향류 흐름을 따라 상승하는 과정에서, 이 전기장을 통과하게 되므로 전기장에 의하여 대전될 수 있다.

이때, 음전하로 하전된 입자는 안정하게 되나, 양전하가 표면에 붙은 입자는 입자의 음전하가 중화되어 입자끼리 중화하는 형상(Coagulation)이 나타난다.

따라서, 전기장 처리부(5)에서 전기적으로 중화된 입자가 막분리부(7)에서 막표면에 흡착되는 것이 방지됨으로써 막투과 효율이 향상될 수 있다.

한편, 상기 전기장 처리부의 다른 실시예로서, 하전효과를 높이기 위하여 차단부재(20,22,24)를 추가로 포함할 수도 있다.

즉, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 전기장 처리부(5)는 생하수 및 공기 유입구가 연결되는 케이스(8)와; 상기 케이스(8)의 내측에 다단으로 배치되어 생하수 및 공기를 상향류로 형성하여 순차적으로 상승시키고 체류공간(S1,S2,S3)을 형성하는 차단부재(20,22,24)와; 상기 케이스(8)의 일측에 배치되어 체류공간(S1,S2,S3)에 포집된 공기를 외부로 배출시키는 배출관(V1,V2,V3)과; 상기 케이스(8)의 중간부에 수직방향으로 배치되어 전기장을 인가하는 방전극(13)과; 상기 케이스(8)의 내측에 배치되는 대전극(11)과; 상기 방전극(13)과 대전극(11)에 전원을 인가하는 전원부(19)를 포함한다.

상기 차단부재(20,22,24)는 케이스(8)의 내부를 상하로 구획하며 다수의 패스홀(h1,h2,h3)이 형성되는 차단판(26,28,30)과; 상기 차단판(26,28,30)의 저면에 하방으로 돌출 형성되며 패스홀(h1,h2,h3)과 연통함으로써 오폐수 및 공기가 통과하는 다수개의 유체 이동관(P)을 포함한다.

상기 차단판(26,28,30)은 케이스(8)의 내측에 가로방향으로 배치되며, 테두리는 케이스(8)의 내주면에 용접 등에 의하여 일체로 장착될 수 있다.

또한, 이 차단판(26,28,30)에는 다수개의 패스홀(h1,h2,h3)이 형성되며, 이 패스홀(h1,h2,h3)에는 상기 유체 이동관(P)이 각각 연결되어 하부방향으로 돌출된다.

이러한 유체 이동관(P)은 상부는 차단판(26,28,30)의 저면에 연결되어 패스홀(h1,h2,h3)과 연통하며, 하부는 차단판(26,28,30)으로부터 일정 거리 하부로 연장된다.

따라서, 케이스(8)의 내부로 유입된 생하수의 수위가 점차 상승하여 차단판(26,28,30)의 저면에 도달하면, 공기에 의하여 체류공간(S1,S2,S3)이 형성되고, 이 체류공간(S1,S2,S3)은 점차 확장됨으로써 수위를 아래로 밀어내서 수위가 유체 이동관(P)의 하단선에 도달할 때까지 체류공간(S1,S2,S3)이 형성된다.

그리고, 체류공간(S1,S2,S3)에 포집된 기체는 상기 배출관(V1,V2,V3)의 밸브를 개방하는 경우, 외부로 배출될 수 있다.

체류공간(S1,S2,S3)의 기체가 외부로 배출되면, 그 공간을 채우기 위하여 케이스(8)의 상부공간에 저장된 생하수가 낙하하고, 또한 하부의 생하수가 상승하게 됨으로써 교반이 활발하게 진행될 수 있다.

따라서, 이와 같이 생하수 및 공기가 유체이동관(P)을 통하여 상부로 이동하는 과정에서 서로 교반이 이루어짐으로써 1차적인 수처리가 이루어질 수 있다.

또한, 이러한 차단판(26,28,30)이 케이스(8)의 내부에 다단으로 배치되어 있음으로, 생하수가 상승하면서 다단의 차단판(26,28,30)을 순차적으로 통과하게 되므로, 이 과정에서 생하수의 상승시간이 지연된다.

따라서, 케이스(8)를 통과하는 생하수는 방전극(13) 및 대전극(11)에 의하여 충분한 시간동안 전기장에 노출됨으로써 대전효율이 향상될 수 있다.

결국, 전기장 처리부(5)를 통과하는 생하수는 교반 및 전기장 인가 과정이 동시에 진행됨으로써 후처리 공정인 막분리 공정에서의 수처리가 원활하게 이루어질 수 있다.

한편, 상기 방전극(13)은 케이스(8)의 내상부에서 하부 방향으로 수직적으로 배치되며, 다단의 차단판(26,28,30)을 관통한다.

이때, 방전극(13)이 각 차단판(26,28,30)을 통과하는 구역에서는 차단판(26,28,30)에 관통홀(29)이 형성되고, 이 관통홀(29)의 내주면과 방전극(13)의 외주면 사이에 충분한 간격(G;도4)이 발생하도록 배치된다.

이와 같이, 방전극(13)을 중심으로 다수개의 대전극(11)이 배치된 상태에서, 상기 전원부(19)로부터 전원이 인가되면 방전극(13)과 대전극(11)의 사이 공간과, 방전극(13)과 관통홀(29) 사이에 전기장이 형성된다.

또한, 케이스(8)의 내부에는 차단부재(20,22,24)가 상부방향으로 다단으로 배치된 구조이므로 이 차단부재(20,22,24)의 인접위치에서도 전기장이 형성될 수 있다.

따라서, 케이스(8) 내부에는 차단부재(20,22,24)에 의하여 보다 조밀한 전기장이 형성될 수 있음으로, 생하수가 상향류 흐름을 따라 상승하는 과정에서, 이 전기장에 보다 효과적으로 노출됨으로써 대전될 수 있다.

한편, 상기 막분리부(7)는 전기장 처리부(5)에 연결되어 전하가 하전된 생하수를 금속막에 의하여 여과시킴으로써 수처리를 하게 된다.

이러한 막분리부(7)는 전처리된 생하수가 공급되어 저장되는 여과조(30)와; 상기 여과조(30)의 내부에 배치되어 생하수를 여과하는 여과체(32)를 포함한다.

상기 여과체(32)는 바람직하게는 금속막을 의미하며, 스테인리스 스틸 재질이이다. 이 여과체(32)는 서로 조직이 다른 여러겹의 시트(sheet)를 소결 열처리하여 접합시킨 구조를 갖는다.

따라서, 상기 여과조(30)에 공급된 생하수는 이러한 여과체(32)를 통과함으로써 함유된 이물질 등의 여과될 수 있다.

상기에서는 여과체로서 다수겹의 금속막을 예로 들었지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 필터와 같이 원수로부터 오염물질을 분리할 수 있는 여과체를 모두 포함한다.

한편, 이러한 구조를 갖는 수처리 장치에 있어서, 전기장으로 전처리를 한 후, 후공정으로서 막분리를 하는 경우, 그 효과를 다음과 같이 알아보았다.

1. 전기장 강도에 따른 막투과 유속의 영향

전기장 강도를 0-40kV/cm로 변화시킬 경우 막 투과유속에 미치는 영향을 아래 표1에 나타내었다.

	10분	20분	30분	40분	50분	60분	70분	80분	90분
원수	225	10	8	7	6	5	3	2	2
10kV/cm	275	50	25	20	18	12	9	5	3
40kV/cm	375	60	30	22	20	13	11	6	4

상기 표 1에서 볼 수 있듯이 전기장 처리한 경우가 하지 않은 경우보다 초기 막 투과유속은 높은 것으로 나타났다.

또한, 전기장 강도 10kV/cm에서 보다 40kV/cm로 증가시킬 경우 막 투과성능을 향상시키는 것으로 나타났다.

전기장 강도 10kV/cm와 40kV/cm의 막투과유속은 생하수의 막투과유속보다 초기운전 10분 동안 각각 1.2배와 1.6배, 운전 40분 동안 각각 1.7배와 2.7배 높은 막 투과성능을 나타내었다.

2. 전기장 강도에 따른 수질분석

그리고, 전기장 강도를 0-40kV/cm로 변화시킨 경우의 수질분석 결과를 아래 표2에 나타내었다.

	SS(%)	탁도(%)	COD(%)
0	87	89	64
10kV/cm	93	90	64
40kV/cm	95	91	72

상기 표2에서 볼 수 있듯이, 전기장 강도가 증가할수록 SS, 탁도 그리고 CODCr 제거율이 증가하는 것으로 나타났다.

즉, 전기장 강도 40kV/cm에서 SS, 탁도 그리고 CODCr 제거율은 각각 95%, 91%, 72%였다.

3. 전기장 강도에 따른 수리학적 체류시간

전기장 처리시 수리학적 체류시간(HRT, Hydraulic retention

time)의 영향을 아래 표3에 나타내었다.

	10분	20분	30분	40분	50분	60분	70분	80분	90분
원수	240	5	3	2	2	2	1	1	1
HRT 33초	360	70	30	10	8	7	5	3	2
HRT 99초	430	90	45	15	10	8	6	4	3

상기 표3에 나타난 바와 같이, 실제 유입하수에 전기장 처리한 경우가 전기장 처리하지 않은 경우보다 더 높은 막투과유속을 나타냈으며 반응조 내에서 수리학적 체류시간을 33sec에서 99sec로 변화시킨 결과 수리학적 체류시간 99sec의 초기 막투과 유속이 33sec의 초기 막투과유속보다 높게 나타났다.

따라서 실제 하수처리에 전기장 처리 공정을 적용할 경우 반응기 내에서 충분한 접촉시간(수리학적 체류시간)을 가지는 것이 표면 전하량 감소로 인한 입자들의 응집을 촉진시켜 막 내부저항을 감소시키고 막 투과성능을 향상시킬 것으로 판단된다.

상기한 바와 같은 실험결과로 판단할 때, 전기장을 이용한 전처리 공정과 막분리 공정에 의하여 생하수를 처리한 경우 다음과 같은 결과를 얻었다.

즉, 생하수에 전기장 처리 공정을 적용할 경우 초기 누적투과량이 향상되고, 또한 반응기 내에서 충분한 접촉시간(HRT)을 가지는 것이 막 투과성능을 향상시키는 것으로 나타났다.

1: 수처리 장치
5: 전기장 처리부
7: 막분리부
11: 대전극
13: 방전극
20,22,24: 차단부재
26,28,30: 차단판

Claims

삭제
생하수가 유입되어 대전되는 전기장 처리부와;
상기 전기장 처리부의 출측에 연결되어 대전된 생하수가 유입됨으로써 막분리가 이루어지는 막분리부를 포함하며;
상기 전기장 처리부는 생하수 및 공기 유입구가 연결되는 케이스와;
상기 케이스의 내측에 다단으로 배치되어 생하수 및 공기를 상향류로 형성하여 순차적으로 상승시키고 체류공간을 형성하는 차단부재와;
상기 케이스의 일측에 배치되어 체류공간에 포집된 공기를 외부로 배출시키는 배출관과;
상기 케이스의 중간부에 수직방향으로 배치되어 전기장을 인가하는 방전극과; 그리고
상기 케이스의 내측에 배치되는 대전극을 포함하는 수처리 장치.
제 2항에 있어서,
상기 차단부재는 상기 케이스의 내부를 상하로 구획하며 다수의 패스홀이 형성되는 차단판과;
상기 차단판의 저면에 하방으로 돌출 형성되며 패스홀과 연통함으로써 오폐수 및 공기가 통과하는 다수개의 유체 이동관을 포함하는 수처리 장치.
제 3항에 있어서,
상기 방전극은 상기 차단판의 중간에 형성된 관통홀을 통과하며, 상기 방전극의 외주면과 관통홀의 내주면 사이에 간극이 형성됨으로써, 전원인가시 방전이 발생하여 원수가 대전되는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
제 2항에 있어서,
상기 막분리부는 상기 전기장 처리부로부터 공급된 생하수가 저장되는 여과조와; 상기 여과조의 내부에 배치되어 생하수를 여과하는 여과체를 포함하는 수처리 장치.