KR101273445B1 - 축전식 탈염기술을 이용한 에너지저감형 물 재생 기술 - Google Patents

축전식 탈염기술을 이용한 에너지저감형 물 재생 기술 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하폐수 내 유기물 및 질소, 인의 처리와 용존 염류를 제거하기 위한 물 재생 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 호기성 막분리 활성슬러지조(MBR) 단일 공정을 통해 유기물산화와 질산화를 유도한 후 낮은 전위로 탈염이 가능한 CDI 처리조를 통해 용존염류를 제거함으로써 에너지 소비를 획기적으로 줄일 수 있는 물 재생 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 물 재생 시스템은 하폐수 처리 유입부로부터 유기물 분해를 위한 호기성 막분리 활성슬러지조, 상기 막분리 활성슬러지조의 후단에 영양염류 및 용존염류를 흡착 제거하기 위한 CDI 처리조 및 전원공급장치를 포함한다.

Description

축전식 탈염기술을 이용한 에너지저감형 물 재생 기술{Smart Energy-water reclamation system using capacative deionization}
본 발명은 하폐수 내 유기물 및 질소, 인의 처리와 용존 염류를 제거하기 위한 물 재생 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 호기성 막분리 활성슬러지조(MBR) 단일 공정을 통해 유기물산화와 부분 질산화를 유도한 후 낮은 전위로 탈염이 가능한 CDI 처리조를 통해 용존염류를 제거함으로써 에너지 소비를 획기적으로 줄일 수 있는 물 재생 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 하수처리시설은 호기적인 산화공정을 중심으로 폭기 공정에 많은 동력이 소요되며, 막대한 양의 슬러지가 발생됨으로써 하수처리장 운영비용의 대부분이 전력 및 슬러지 처리 비용으로 지출되는 등의 대표적인 에너지 다소비 시설로 인식되고 있다.
한편, 최근 분리막을 이용한 하수처리기술이 보급되면서 0.1㎛ 내외의 공칭공경을 갖는 정밀여과막 또는 한외여과막을 이용해 완벽한 고액분리를 실현함으로써, 처리수질의 향상과 부지절감, 자동제어에 따른 운영비의 절감 등의 긍정적인 효과를 가져온 바 있다. 그러나 분리막의 세정을 위해 막대한 양의 공기를 지속적으로 주입함에 따라 기존 활성슬러지 계통에 비해 동력비 소요가 증가하는 등 에너지 소비측면에서 볼 때 경제성이 떨어지는 문제점이 있다.
이에 막분리 활성슬러지조(MBR)의 도입에 있어 동력소요를 최소화하기 위한 공기세정방식을 개선하는 기술이나 수자원의 부족으로 인한 대체 수자원으로서 하수처리수의 재이용에 관심이 고조되고 있다. 특히, 하수처리수의 경우에는 막대한 수량을 연중 일정하게 확보가능하며, 고도처리로 인해 수질이 양호하고 도시인근에 위치에 있어 수요처와의 연계가 용이하다는 점에서 빗물이용과 함께 대표적인 미래 수자원으로 대두되고 있다. 현재까지 하수처리수는 농업용수, 하천유지용수, 청소용수 등의 용도로 활용되어 왔으나, 하수처리수에 분리막 공정을 도입할 경우 공업용수, 비음용 생활용수로의 이용이 가능하다.
하수처리수를 공업용수로 재이용하기 위해서는 용존염류의 제거가 필수적인데, 이온교환수지를 이용하는 방법과 역삼투막 혹은 전기투석법 등이 활용되고 있다. 하지만, 이온교환수지를 이용할 경우에 수질 재생하는 과정에서 다량의 산이나 염기성 물질이 사용되고, 다량의 폐액이 발생하는 단점이 있다. 역삼투막을 이용할 경우 완벽하게 용존성 이온을 제거할 수 있는 안정적인 기술이나, 가압에 필요한 동력소요가 많고, 막파울링으로 인한 처리효율 감소로 회수율이 70%수준에 그치며, 오염된 막의 세정과 주기적인 교체가 필요하여 운전이 복잡한 단점이 있다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해소하고자 창안된 것으로, 에너지 소요가 많은 호기성 공정을 최소화하고, 전통적인 생물학적 질산화 탈질을 이용한 질소제거방식에서 벗어나 호기성 생물반응과 축전식 탈염기술을 접목하여 에너지 소요를 최소화할 수 있는 물 재생 시스템을 제공하는 데 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 에너지저감형 물 재생 장치는 하폐수 처리 유입부로부터 유기물 분해를 위한 호기성 막분리 활성슬러지조, 상기 막분리 활성슬러지조의 후단에 영양염류 및 용존염류를 흡착 제거하기 위한 CDI 처리조 및 전원공급장치를 포함하여 에너지 소모를 최소화하여 하폐수로부터 물을 재생할 수 있다.
상기 호기성 막분리 활성슬러지조(MBR;membrane bio-reactor)는 하폐수 내 유기물을 분해하고, 입자성 물질을 제거하는 역할을 하는 것으로, 0.01~0.5㎛ 범위의 공칭공경을 갖는 침지식 미세여과막(MF), 한외여과막(UF) 또는 나노여과막(NF)을 침지하고, 분리막 후단에 막 파울링 제어를 위한 공기 공급장치를 포함한다.
호기성 MBR 반응조에서는 분리막 세정을 위한 공기공급 이외의 추가적인 용존산소 공급이 없는 상태에서 유기물의 산화와 가능한 범위내에서의 질산화를 유도하고, 분리막을 통해 고액분리하여 처리수를 생산한다. 이때, 공기의 공급은 연속적 혹은 간헐적으로 주입하여 질산화 및 탈질을 동시에 유도하도록 변형이 가능하다. 호기성 MBR조에서 생성된 잉여슬러지는 폐기하거나, 필요시 슬러지가용화조를 두어 용존 유기물화 한 후 반응조에 재투입시킴으로써 슬러지 감량을 꾀할 수 있다.
이때, 상기 호기성 막분리 활성슬러지조에서 발생한 잉여 슬러지를 혐기성 미생물에 의한 산발효 및 메탄발효를 유도함으로써 바이오가스를 생산하는 혐기소화조 및 상기 혐기소화조로부터 생성된 바이오 가스를 저장하는 가스 저장소 및 발생된 바이오 가스를 가지고 전기를 생성하는 발전기를 더 포함한다.
상기 호기성 MBR 반응조를 거치면서 유기물과 입자성 물질이 제거된 상태로 유입되는 하폐수내 부분적으로 질산화된 질소 이온과 인산염 인 및 용존 염류를 제거하기 위해 후단에 CDI(Capacitive deionization) 처리조를 구비한다.
CDI 처리조에서는 전기적 흡착반응을 통해 이온성 물질을 제거하는데, 전극에 1~2V의 미량의 전위를 인가하면 전극표면에서 형성되는 전기 이중층에서 전기적인 인력에 의해 이온들을 흡착하게 되며, 축전용량의 향상을 위하여 비표면적이 높고 전기 전도도가 우수한 활성탄소분말, 활성탄소섬유, 탄소나노튜브 등 탄소계 물질을 전극 활물질로 사용할 수 있다. 또한, 상기 CDI 처리조에서 흡착반응 후, 전극 변위를 제로 볼트 혹은 반대 전위로 전환하여 흡착된 이온을 탈착시켜 전극을 재생하게 되며, 이때 이온 흡착시 저장된 에너지를 회수하여 전원공급장치의 충전부에 축전할 수 있으며, 흡착-탈착의 주기 및 전환은 자동화된 CDI 제어장치를 통해 수행된다.
본 발명에서 CDI 처리조는 서로 이격되며 교번하여 적층 배치된 적어도 하나의 음전극 및 양전극을 구비하여 이온 물질을 흡착할 수 있는 축전 탈이온화 스택을 포함한다.
본 발명에서 전원공급장치는 태양광 집진부, 집진된 태양광을 전기에너지로 변환하기 위한 발전부 및 충전부로 이루어진 태양전지를 포함하며, 이는 CDI 처리조에 소요되는 동력을 자체 생산할 수 있게 한다. CDI 처리조에서의 인가전위는 1~2V로 매우 낮은 수준이기 때문에 탈착시 에너지 회수 또는 태양전지로부터 에너지를 자가 공급할 수 있어 시스템 상 에너지 소모를 최소화할 수 있다.
본 발명은 다른 일 양태로 하폐수 처리 유입부로부터 호기조, 침전조, 막분리조로 이루어진 분리막반응조, 상기 분리막반응조 후단에 영양염류 및 용존염류를 흡착 제거를 위한 CDI 처리조 및 전원공급장치를 포함하는 하폐수로부터 물을 재생하는 물재생 장치를 제공한다.
이때, 상기 호기성 막분리 활성슬러지조에서 발생한 잉여 슬러지는 세포벽을 분해하여 용존화 한 후 하폐수 처리 유입부로 재투입시킬 수 있는 슬러지가용화조를 더 포함하여 슬러지 발생량을 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 전원공급장치는 태양광 집진부, 집진된 태양광을 전기에너지로 변환하기 위한 발전부 및 충전부로 이루어진 태양전지를 포함하며, CDI 처리조에서 전기를 회수하여 충전하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 유기물을 분해 및 질소 이온과 인산염 인 및 용존 염류의 제거율이 우수하면서, 기존 MBR 공정에서의 질산화 유도 목적 호기조에 비하여 공기공급량을 현저히 줄일 수 있으며, 이에 동력비가 절감됨과 동시에 전원의 자체 공급이 가능하여 외부에서 공급되는 전원을 최소화함으로써 에너지 효율을 극대화할 수 있는 하폐수로부터 물을 재생할 수 있는 에너지저감형 물재생 장치를 공급할 수 있다.
도 1 내지 도 6은 본 발명에 따른 물 재생 장치의 일 구현예를 나타낸 것이다.
도 7은 CDI 처리시 유량에 따른 오염물질별 제거효율의 변화를 나타낸 것이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 에너지저감형 물 재생 장치를 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 에너지저감형 물 재생 장치는 에너지 자립형 물 재생기술을 구현할 수 있는 것으로, 도 1에서 보이는 바와 같이, 하폐수 내 포함되어 있는 유기물의 분해를 위하여 호기 조건으로 운전되는 침지식 정밀여과막 또는 한외여과막이 설치된 호기성 막분리 활성슬러지조(MBR) 장치 및 이의 제어장치(11); 상기 막분리 활성슬러지조(11) 유출수로부터 암모니아성 질소, 질산성 질소 및 인산염 인등의 영양염류와 칼슘, 마그네슘, 황산, 염소이온 등 용존염류를 전기이중층의 원리로 가역적 흡착을 유도하는 CDI 처리조 및 이의 제어 장치(12); 전원공급장치(14) 및 처리수조(16)를 포함한다.
본 발명의 다른 구현예로, 도 2에서 보이는 바와 같이, 도 1의 시스템에 CDI 처리조(12)에 소요되는 동력을 자체 생산하도록 하는 태양광 집광판이 설치되어 있는 태양전지(13);로부터 생산된 전기에너지로부터 공급받고, 필요시 외부로부터 전기에너지를 공급받을 수 있도록 구성된 전원공급장치(14)와 연계하여 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예로 도 3에서 보이는 바와 같은 호기성 MBR반응조(11)로부터 인발된 잉여슬러지를 소화시켜 바이오가스를 생산하는 혐기소화조(15), 바이오가스저장소(17) 및 발전기(18)를 더 포함할 수 있다.
호기성 MBR 반응조(11)에서 발생한 잉여슬러지를 혐기소화시켜 메탄 등 바이오가스를 생산하고 슬러지를 감량시키는 혐기소화조(15)와 상기 혐기소화조(15)로 부터 생성된 바이오 가스를 저장하는 가스 저장소(17) 및 발생된 바이오 가스를 가지고 전기를 생성하는 발전기(18)를 더 포함하여 에너지를 생산할 수 있다.
이때, CDI처리조(12)에 소요되는 동력을 제공하는 전원공급장치(14)는 소요동력을 자체 생산하도록 하는 태양광 집광판이 설치된 태양전지(13)와 바이오가스저장소(17)로부터 발전기(18)를 거쳐 생산된 전기에너지로부터 CDI처리조(12)로 운전에 소요되는 에너지를 공급받고, 필요시 외부로부터 전기에너지를 추가 공급받도록 연계하여 구성함으로써, 에너지 효율을 극대화 할 수 있다.
본 발명에서 CDI 처리조(12)는 호기성 막분리 활성슬러지조(11)의 후단에 설치되며, 서로 이격되며 교번하여 적층 배치된 적어도 하나의 음전극 및 양전극을 구비하여 이온 물질을 흡착할 수 있는 축전 탈이온화 스택을 포함하는 것으로서, 축전 탈 이온화 방식(Capacitive deionization)을 이용한 것이다. 상기 축전 탈 이온화 방식은 종래의 흡착, 이온교환기구에 전기적인 구동력이 부가된 기술로 탄소체의 높은 전기 전도도와 흡착 용량을 이용하고 단순 전위 역전에 의한 탈착 및 전극 흡착제의 재생이 용이한 특징을 갖는다. 또한, 다공성의 탄소전극을 스택(stack) 형태로 구성함으로써 수중에 포함되는 이온 상태의 염을 제거하는 기술로서 이온교환, 역삼투, 전기투석 및 증발법에 비해 오염이 적으며 에너지 소요가 훨씬 낮은 장점이 있다.
상기 축전 탈 이온화 스택은 원수에 포함된 음이온 및 양이온이 축전 탈 이온화 스택을 구성하고 있는 친수성의 다공성 탄소 전극 층 사이를 통과할 때, 다공성 탄소 전극에 약 1~2V의 미량의 전압을 인가함으로써 상기 수중에 포함되는 용존 무기이온과 탄소 전극 간의 전기적 특성을 이용하여 매질 속의 무기성 이온 성분을 전기적으로 흡착 제거한다.
본 발명의 다른 구현예로, 도 4에서 보이는 바와 같이, 하폐수 처리 유입부로부터 호기조(21), 침전조(22), 막분리조(23)로 이루어진 분리막반응조(20), 상기 분리막반응조(20) 후단에 영양염류 및 용존염류를 흡착 제거를 위한 CDI 처리조(24), 전원공급장치(25) 및 처리수조(30)를 포함하는 하폐수로부터 물을 재생하는 물재생 장치를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예로, 도 5에서 보이는 바와 같이, 도 4의 시스템에 CDI 처리조(24)에 소요되는 동력을 자체 생산하도록 하는 태양광 집광판이 설치되어 있는 태양전지(26);로부터 전기에너지를 공급받고 필요시 외부로부터 전기에너지를 공급받을 수 있도록 구성된 전원공급장치(25)와 연계하여 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예로 도 6에서 보이는 바와 같은 혐기소화조(27), 바이오가스저장소(28) 및 발전기(29)를 더 포함할 수 있다.
호기성 MBR 반응조(21)에서 발생한 잉여슬러지를 혐기소화시켜 메탄 등 바이오가스를 생산하고 슬러지를 감량시키는 혐기소화조(27)와 혐기소화조(27)로 부터 생성된 바이오 가스를 저장하는 가스 저장소(28) 및 발생된 바이오 가스를 가지고 전기를 생성하는 발전기(29)를 더 포함하여 에너지를 생산할 수 있다.
이때, CDI처리조(24)에 소요되는 동력을 제공하는 전원공급장치(25)는 소요동력을 자체 생산하도록 하는 태양광 집광판이 설치된 태양전지(26)와 바이오가스저장소(28)로부터 발전기(29)를 거쳐 생산된 전기에너지로부터 CDI처리조(24) 운전시 소요되는 에너지를 공급받고, 필요시 외부로부터 전기에너지를 추가 공급받도록 연계하여 구성함으로써, 에너지 효율을 극대화 할 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 상세하게 설명한다. 이 실시 예는 본 발명의 예시를 나타내는 것으로 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.
[실시예 1]
CDI 처리조는 전기적 흡착에 의해 이온을 제거하는 방식으로 이온의 종류와 농도, 공존이온에 따라 흡착에 따른 affinity가 달라질 수 있다. CDI 처리조를 통한 하수처리에 있어 가장 중요한 질소 및 인 이온의 흡착특성을 평가하기 위해 초순수에 하기 표 1과 같이 이온을 첨가하여 인공시료를 조제한 후 30mL/min의 유량으로 CDI 처리조를 통과시킨 후 이온농도의 변화를 측정하였다. CDI 셀은 지름 10cm의 단위셀을 이용하였으며, 인가 전위는 1.5V였다.
시료 1과 시료 2의 경우에는 PO4-P의 하수처리수 내에 존재하는 수준에서 PO4-P농도에 따른 흡착성능을 비교한 것이고, 시료 3의 경우에는 실제 하수처리수와 유사하게 질산성질소와 인이 동시에 존재할 때 질소와 인의 흡착 우위에 대한 평가를 위한 것으로, CDI 처리후 시료 1과 시료 2의 PO4-P 농도가 유사하여, 농도에 따른 전기적 흡착능의 차이는 없는 것으로 나타났으며, 2012년부터 강화되는 방류수수질기준상의 가장 강화된 기준인 TP 0.2mg/L이하를 달성가능한 수준의 우수한 흡착능을 나타낸 것을 확인할 수 있다.
시료 2와 시료 3의 결과를 비교하면, 시료 3의 경우 질산성 질소의 경우 CDI를 거친 후 0.3mg/L까지 제거되어 97.3%의 높은 제거효율을 나타낸 반면, PO4-P의 경우는 질산성 질소가 존재하지 않은 시료 2의 경우의 91.4%에 비해 낮은 94%의 제거율을 보여 질산성 질소가 공존할 경우 흡착능이 저하되는 것으로 나타났다.
Figure 112011045569511-pat00001

[실시예 2]
실시예 2는 생물학적인 하수 고도처리수를 대상으로 CDI 처리에 의한 이온제거 성능을 평가하기 위하여 MBR-CDI연계 시스템을 구성한 것으로, MBR공정은 유입흐름제어형 MBR공정으로 0.1㎛의 공칭공경을 갖는 침지식 MF평막을 이용하였으며, 수리학적 체류시간을 6시간으로 운전하여 생물학적으로 유기물 및 질소, 인을 제거한 후 후단 CDI 처리조를 거쳐 잔존하는 질소, 인 이온의 추가적인 제거와 경도성분을 제거하였다. pH조절에 따른 흡착능 변화 여부를 평가하기 위하여 MBR유출수를 대상으로 Test 1의 경우 pH무조정(pH 6.8), Test 2와 Test 3은 pH를 각각 8, 10로 조정한 후 30ml/min의 유량으로 고정하여 CDI장치를 통과시키고 유출수의 이온농도변화를 측정하였다. 질산성 질소와 암모니아성 질소의 경우 모두 70%이상의 높은 제거율을 나타낸 반면 인산염 인의 제거성능은 60%수준으로 질소에 비해 흡착성능이 떨어지는 것으로 보이며, pH조절에 따른 처리효율의 변화는 미미하였다. 염소이온과 경도를 유발하는 칼슘 및 마그네슘의 경우도 높은 제거효율을 보여, MBR처리수를 CDI로 처리할 경우 보일러의 스케일을 유발하는 경도물질을 효과적으로 제거함으로써, 공업용수로의 재이용이 가능한 수질을 확보할 수 있다.
Figure 112011045569511-pat00002

[실시예 3]
실시예 3은 OO하수처리장의 처리수를 대상으로 CDI의 유입유량을 10mL/min에서 40mL/min까지 변경시키면서 이온제거능을 평가하였다. 또한 흡착된 이온의 탈착을 위하여 흡착시와는 반대의 전하를 인가하여 효율적인 탈착여부도 분석하였다. 탈착효율은 20mL/min으로 흡착실험을 반복수행한 CDI Cell을 이용하였다. 이온별로는 질산성 질소의 제거효율이 가장 높았으며, 30mL/min이하의 처리유량 조건하에서는 90% 수준의 높은 제거효율을 나타내었다. 인산염 인의 경우는 질소이온에 비해서는 다소 떨어졌으며 처리유량에 따라 제거효율이 타 이온에 비해 민감하게 좌우되는 것으로 나타났다. 또한 색도의 경우 처리유량이 10mL/min수준이 되어야만 50% 수준의 제거효율이 나타나 하수처리수내 색도물질의 제거와 인산염 인의 제거를 위해서는 흡착시간을 어느 수준 이상 확보해야 되는 것으로 확인하였다.
Figure 112011045569511-pat00003

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 장치도와 같이 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
11 : 호기성 막분리 활성슬러지조 12 : CDI 처리조
13 : 태양전지 14: 전원공급장치
15 : 혐기소화조 16 : 처리수조
17 : 바이오가스저장소 18 : 발전기
20 : 분리막반응조 21 : 호기조
22 : 침전조 23 : 막분리조
24 : CDI 처리조 25 : 전원공급장치
26 : 태양전지 27 : 혐기소화조
28 : 바이오가스저장소 29 : 발전기
30 : 처리수조

Claims (8)

  1. 하폐수 처리 유입부로부터 유기물 분해를 위한 호기성 막분리 활성슬러지조, 상기 막분리 활성슬러지조의 후단에 서로 이격되며 교번하여 적층 배치된 적어도 하나 이상의 음전극 및 양전극을 구비한 축전 탈이온화 스택 및 전위변환을 조절하는 축전식탈염(CDI) 제어장치를 포함하는 축전식탈염(CDI) 처리조, 및 상기 축전식탈염(CDI) 처리조에서 발생되는 전기를 회수하여 충전하는 충전부를 구비한 전원공급장치,를 포함하는 하폐수로부터 물을 재생하는 물재생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전원공급장치는 태양광 집진부, 집진된 태양광을 전기에너지로 변환하기 위한 발전부 및 충전부로 이루어진 태양전지를 포함하는 하폐수로부터 물을 재생하는 물재생 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 호기성 막분리 활성슬러지조에서 발생한 잉여 슬러지를 혐기 소화시키고 소화 탈리액을 유입부로 재투입시키는 혐기 소화조, 상기 혐기 소화조로부터 생성된 바이오 가스를 저장하는 가스 저장소 및 발생된 바이오 가스를 가지고 전기를 생성하는 발전기를 더 포함하는 하폐수로부터 물을 재생하는 물재생 장치.
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