KR101350789B1 - 유리잔류염소 농도 측정에 기초한 전력량 제어가 이루어지는 혐기성 소화액의 전기분해 정화처리 방법 - Google Patents

유리잔류염소 농도 측정에 기초한 전력량 제어가 이루어지는 혐기성 소화액의 전기분해 정화처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는, 전기분해를 위한 양(+)전극(11)과 음(-)전극(12)이 원수에 잠겨 있는 전기분해 처리조(10)와, 상기 양(+)전극(11)과 음(-)전극(12)에 직류 전기를 공급하는 직류공급기(31)와, 상기 직류공급기(31)로의 전력공급을 제어하는 전력공급제어기(30)를 구비한 전기분해 정화설비를 이용한 폐수의 전기분해 정화처리 방법으로서, 상기 전기분해 처리조(10)에서의 전기분해에 의한 정화처리를 마치고 배출되는 처리수에 대해 유리잔류염소 측정기(40)를 이용하여 유리잔류염소의 농도를 측정하고, 측정된 유리잔류염소의 농도에 반비례하여 전력공급제어기(30)를 이용하여 직류공급기(31)로 공급되는 전력량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 폐수의 전기분해 정화처리 방법이 제공된다.
이러한 본 발명에 의하면, 폐수를 전기분해방법에 의해 정화처리함에 있어서, 불필요한 전력소모가 발생되지 않게 되어 전기분해에 의한 정화처리에 소요되는 비용을 절감할 수 있게 되며, 더 나아가 전기분해에 의한 정화처리 과정으로 인하여 후속 공정에 악영향을 주는 것을 방지할 수 있다.

Description

유리잔류염소 농도 측정에 기초한 전력량 제어가 이루어지는 혐기성 소화액의 전기분해 정화처리 방법{Electric energy reduction method by measuring residual chlorine in electrochemical treatment system for salty waste water}
본 발명은 고농도 염분을 함유한 폐수를 전기분해에 의해 정화처리하는 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 전기분해를 이용하여 폐수를 정화처리함에 있어서, 전기분해 처리과정을 거친 처리수에 대해 유리잔류염소 농도를 측정하여 그에 맞추어서 전기분해를 위해 공급하게 되는 전력량을 조절함으로써, 과도한 전력 공급을 방지하여 불필요한 전력소모로 인한 비용 낭비를 방지함과 동시에, 유리잔류염소의 축적으로 인한 악영향을 예방할 수 있도록 하는 페수의 전기분해 정화처리 방법에 관한 것이다.
음식폐기물과 같이 염분농도가 높은 혐기성 소화액은, 일반적으로 유기물질의 농도 10,000mg/L 이상, 총질소 농도 2,000mg/L 이상 및 총인 농도 200mg/L 이상의 수치를 가지고 있으며, 이러한 유기물질 총질소 및 총인뿐만 아니라 부유물질 등의 여러 가지 오염물질의 농도가 매우 높다. 음식물의 중량이 전체 폐기물의 중량에 대해 10% 이상으로 포함된 음식폐기물 소화액의 경우에는 퇴비화가 법적으로 금지되어 있어 처리에 많은 어려움을 가지고 있으며, 특히 혐기성 소화액의 알칼리도는 다른 오염폐수에 비해 높기 때문에, 생물학적으로 유지될 수 있는 적정 pH를 유지하기가 어려울 뿐만 아니라, 약품 응집침전 처리효율도 감소된다. 따라서 혐기성 소화액을 안전하게 정화처리하는데는 상당한 어려움이 있다.
음식폐기물과 같은 높은 염분농도를 가지는 혐기성 소화액의 정화처리방법으로 전기분해를 사용할 수 있다. 아래에서 선행특허문헌으로 기재한 국내 등록특허 제10-492471호에는 고농도 질소함유 폐수를 전기분해에 의해 처리하는 방법이 개시되어 있다. 종래의 전기분해에 의한 폐수의 정화처리방법에서는, 폐수의 원수가 담겨 있는 반응조에 양(+)전극 단자와 음(-)전극 단자를 위치시키고 전력을 공급함으로써, 양(+)전극에서는 염소이온을 염소가스(Cl2)로 변환시키고, 음(-)전극에서는 차아염소산(HOCl)과 차아염소 이온(OCl-)을 발생시켜 이를 암모니아성 질소와 반응하도록 함으로써 암모니아를 제거하게 된다.
이와 같은 전기분해를 이용하여 정화처리하는 종래의 기술에서는, 상당한 양의 전력이 소모되는데 비하여 전력 소모의 절감에 대한 고려가 전혀 없었다. 즉, 이러한 전기분해를 이용한 정화처리설비를 운영함에 있어서, 종래에는 단순히 반응조에 유입되는 처리대상 원수의 량을 기준으로 하여 전력량의 공급을 조절하였을 뿐이며, 실제 전기분해의 효율을 고려한 전력량의 공급 조절은 전혀 이루어지지 아니하였다.
도 1에는 일정한 전력을 공급하는 종래 기술에서의 오염부하와 전력량의 차이를 보여주는 그래프도가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 것처럼, 일정한 전력을 지속적으로 공급하는 종래 기술의 경우, 오염부하는 도 1에서 실선으로 도시되어 있듯이 증감하고 있지만 전기분해를 위해 공급되는 전력량이 도 1에서 일점쇄선으로 도시된 것처럼 시간이 지나도 일정한 상태에서는 원문자 A로 표시된 영역처럼 전력량이 부족하여 오염부하를 충분히 전기분해하지 못하게 되는 원수의 미처리 상태가 발생하게 되며, 반대로 원문자 B로 표시된 영역처럼 원수는 전기분해에 의해 모두 정화처리되었음에도 불구하고 전력이 과도하게 공급되고 있는 과전력공급 상태가 발생하게 된다.
전기분해에 의해 원수를 정화처리함에 있어서는, 이러한 미처리 상태나 과전력공급 상태가 발생하는 것을 방지할 필요가 있으나, 지금까지의 종래 기술에서는 이러한 고려가 전혀 없었다.
대한민국 등록특허 제10-0492471호(2006. 06. 30. 공고)
본 발명은 위와 같이 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전기분해에 의해 폐수 특히, 높은 염분농도를 가지는 혐기성 소화액으로 이루어진 폐수를 전기분해방법에 의해 정화처리함에 있어서, 불필요한 전력소모가 발생되지 않도록 함으로써, 전기분해에 의한 정화처리에 소요되는 비용을 절감할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
더 나아가 전기분해에 의한 정화처리 과정으로 인하여 후속 공정에 악영향을 주는 것을 방지하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 전기분해를 위한 양(+)전극과 음(-)전극이 원수에 잠겨 있는 전기분해 처리조와, 상기 양(+)전극과 음(-)전극에 직류 전기를 공급하는 직류공급기와, 상기 직류공급기로의 전력공급을 제어하는 전력공급제어기를 구비한 전기분해 정화설비를 이용한 폐수의 전기분해 정화처리 방법으로서, 상기 전기분해 처리조에서의 전기분해에 의한 정화처리를 마치고 배출되는 처리수에 대해 유리잔류염소 측정기를 이용하여 유리잔류염소의 농도를 측정하고, 측정된 유리잔류염소의 농도에 반비례하여 전력공급제어기를 이용하여 직류공급기로 공급되는 전력량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 폐수의 전기분해 정화처리 방법이 제공된다.
이러한 본 발명에서는, 유리잔류염소의 농도를 복수개의 구간으로 구분하고, 각각의 구간에 대해 각각 상이한 전력량을 할당하여, 측정된 유리잔류염소의 농도가 해당하는 구간에 맞추어서 각 구간에 할당된 전력량을 직류공급기로 공급하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 전기분해 정화처리된 처리수에 대한 유리잔류염소의 농도를 모니터링하고, 이에 근거하여 유리잔류염소의 농도에 반비례하여 전기분해 정화설비에 공급되는 전력량을 감소시키는 제어를 수행하게 되므로, 불필요한 전력 소모를 최소화할 수 있으며, 오염부하가 증가할 경우에도 그에 맞추어 적절한 전력량을 공급할 수 있게 되므로, 원수의 미처리 상태가 발생하는 것을 방지할 수 있게 되는 효과가 발휘된다.
특히, 본 발명에서는 처리수에 유리잔류염소가 축적되는 것을 방지할 수 있으며, 따라서 전기분해 정화처리 공정에 후속한 처리 공정으로서 생물학적 처리공정이 진행될 때, 처리수에 축적된 유리잔류염소로 인하여 생물학적 독성과 악영향이 야기되는 것을 효과적으로 예방할 수 있게 되는 효과가 발휘된다.
이러한 본 발명은 높은 염분농도를 가지는 혐기성 소화액의 정화처리에 매우 효과적으로 사용할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 일정한 전력을 공급하는 종래 기술에서의 오염부하와 전력량의 차이를 보여주는 그래프도이다.
도 2는 전기분해 반응시간에 따른 용액 내의 오염물질 농도 및 차아염소산 농도의 변화를 보여주는 그래프도이다.
도 3은 본 발명이 적용되는 전기분해 정화설비에 대한 개략적인 구성도이다.
도 4는 본 발명에서 유리잔류염소 농도 측정값에 따라 전력량을 제어하는 사례논리 단계의 일예를 보여주는 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따라 전기분해 정화처리하였을 때 오염부하와 전력량 간의 관계를 보여주는 그래프도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
본 발명에서 의도하고 있는 정화처리 대상 폐수는 음식폐기물과 같이 염분농도가 높은 혐기성 소화액으로서, 이러한 혐기성 소화액을 전기분해에 의해 정화처리함에 있어서는, 혐기성 소화액에 포함되어 있는 염분을 전기분해 처리에 필요한 전해질 중 하나인 염소이온의 제공원으로 이용하게 된다. 질소 및 인 처리가 우수한 코팅전극(예를 들면, Ti/RuO2 코팅전극, Ti/IrO2 코팅전극, Ti/Pt 코팅전극 등)을 이용하여 혐기성 소화액을 전기분해하게 되면, 혐기성 소화액에 포함되어 있는 염분을 통해서 전해질로서 염소이온이 사용되는데, 양(+)전극에서는 염소이온이 염소가스(Cl2)로 변환되고 용액 속에는 차아염소산(HOCl)과 차아염소 이온(OCl-)이 용해되어 존재하게 된다. 이러한 차아염소산과 차아염소 이온을 "유리잔류염소"라고 부른다.
구체적으로 혐기성 소화액을 전기분해하게 되면, 양전극에서는 아래의 화학식 1의 반응이 일어나게 되고, 혐기성 소화액에서는 화학식 2의 반응이 일어나게 되어 차아염소산이 용액속에 생성된다.
[화학식 1]
Cl- → Cl2 + 2e-
[화학식 2]
Cl2 + H2O → HOCl + H+ + Cl-
용액속의 차아염소산은 아래의 화학식 3 내지 화학식 6으로 표시된 반응에 의해 암모니아성 질소와 반응하면서 암모니아성 질소를 제거하게 되고, 그 과정에서 염소이온으로 변환된다.
[화학식 3]
HOCl + (2/3)NH3 → (1/3)N2 + H2O + H+ + Cl-
[화학식 4]
HOCl + (2/3)NH4 + → (1/3)N2 + H2O +(5/3)H+ + Cl-
[화학식 5]
HOCl + (1/4)NH4 + → (1/4)NO3 - + (1/4)H2O + (3/2)H+ + Cl-
[화학식 6]
HOCl + (1/2)OCl- → (1/2)ClO3 - + H+ + Cl-
차아염소산은 유기물질 처리에 필요한 산화제 및 암모니아성 질소를 산화시키는 기능을 수행한다. 그러나 본 발명자의 심층적인 연구에 의하면, 전기분해가 진행되어 유기물질 및 암모니아성 질소의 처리가 완료되면 용액속에는 더 이상 암모니아성 질소가 존재하지 않게 되는데, 이 경우에는 위 화학식 3 내지 화학식 6의 과정은 더 이상 일어나지 않으면서도 전기분해를 위한 불필요한 전력만 계속 소모되는 상태가 되며, 전기분해 과정에서 발생하는 차아염소산과 차아염소 이온은 더 이상 그 기능을 수행하지 못하고 수용액 내에 잔류하여 축적된다. 그에 따라 용액에서는 차아염소산 및 차아염소산 이온을 포함하는 유리잔류염소의 농도가 높아지게 되는데, 혐기성 소화액의 후 처리 공정으로서 생물학적 처리공정이 진행되는 경우, 높은 농도의 유리잔류염소는 생물학적 처리공정에 악영향을 줄 수 있다.
도 2에는 전기분해 반응시간(가로축)에 따른 용액 내의 오염물질 농도 및 차아염소산 농도의 변화(세로축)를 보여주는 그래프도가 도시되어 있는데, 용액 내에 암모니아성 질소가 존재하는 경우에는 위의 화학식 3 내지 화학식 6의 과정이 진행되면서 오염물질의 농도가 반응시간이 지남에 따라 감소되지만, 암모니아성 질소가 처리되어 용액속에 암모니아성 질소가 남아 있지 않게 되면 결국 위 화학식 3 내지 화학식 6의 과정은 더 이상 일어나지 않은 채 화학식 2의 과정만이 진행되면서 용액 내에 차아염소산이 축적되면서 유리잔류염소의 농도가 급격히 증가하게 되는 것이다. 이렇게 고농도로 존재하는 유리잔류염소는, 후속 공정으로서 생물학적 처리공정을 수행할 때 독성을 끼치게 되는 것이다.
본 발명자는 이와 같이 전기분해처리의 완료시점에서 차아염소산이나 차아염소 이온 등의 유리잔류염소의 농도가 급속이 증가하는 특성을 이용하여 전기분해에 사용되는 전력량을 조절하는 방법을 개발하였다. 구체적으로, 본 발명에서는 폐수, 특히 높은 염분농도를 가지는 혐기성 소화액을 전기분해 정화설비에 의해 전기분해하여 정화처리하는 과정에서 유리잔류염소의 농도를 모니터링하고, 이에 근거하여 전기분해 정화설비에 공급되는 전력량을 증감시키는 제어를 수행하게 되는 것이다.
도 3에는 본 발명이 적용되는 전기분해 정화설비에 대한 개략적인 구성도가 도시되어 있다. 도면에 도시된 것처럼, 유량조정조(20)에 담겨 있던 처리대상 원수는 공급펌프(21)에 의해 전기분해 처리조(10)로 공급된다. 전기분해 처리조(10)에는 전기분해를 위한 양(+)전극(11)과 음(-)전극(12)이 원수에 잠겨 있다. 부재번호 31은 상기 양(+)전극(11)과 음(-)전극(12)에 직류 전기를 공급하는 직류공급기(DC supplier)(31)인데, 전력공급제어기(30)에 의해 상기 직류공급기(31)에 전력이 공급된다.
본 발명에서는 전기분해 처리조(10)에서 전기분해에 의한 정화처리를 마치고 배출관(41)을 통해서 배출되는 처리수로부터 유리잔류염소 농도를 측정하게 된다. 즉, 용액속에 존재하는 유리잔류염소의 농도를 측정할 수 있는 공지의 유리잔류염소 측정기(40)를 이용하여 배출관(41)으로부터 배출되는 처리수의 유리잔류염소의 농도를 측정하는 것이다.
유리잔류염소의 농도가 높다는 것은 결국 처리수 속에 차아염소산이나 차아염소 이온의 농도가 높다는 것이고, 이는 앞서 설명한 것처럼 전기분해 처리조(10)에 담겨 있는 용액에 포함되어 있던 암모니아성 질소의 처리가 완료되어 용액 내에 차아염소산이나 차아염소 이온이 축적되고 있다는 것을 의미한다. 따라서 이러한 경우에는 전기분해를 위한 전력공급 즉, 양(+)전극(11)과 음(-)전극(12)에 공급되는 전력량을 줄이게 된다.
이와 같이 전기분해 처리조(10)로부터 배출되는 처리수의 유리잔류염소 농도 측정값에 따라 전기분해를 위하여 전극에 공급되는 전력량을 증감시켜 제어함에 있어서는, 도 4에 예시된 사례논리 단계를 이용할 수 있다. 도 4에는 유리잔류염소 농도 측정값에 따라 전력량을 제어하는 사례논리 단계의 일예를 보여주는 흐름도가 도시되어 있는데, 전기분해 처리조(10)로부터 배출되는 처리수의 유리잔류염소의 농도를 시간에 따라 주기적으로 측정하고, 도 4에 예시된 것처럼, 측정된 유리잔류염소의 농도가 50mg/L 이하인 경우에는 직류공급기(31)를 통해서 양(+)전극(11)과 음(-)전극(12)에 공급되는 직류 전기가 150A로 되도록 하고, 측정된 유리잔류염소의 농도가 50mg/L 초과 100mg/L이하인 경우에는 직류공급기(31)를 통해서 양(+)전극(11)과 음(-)전극(12)에 공급되는 직류 전기가 100A로 되도록 하며, 측정된 유리잔류염소의 농도가 100mg/L 초과 150mg/L이하인 경우에는 직류공급기(31)를 통해서 양(+)전극(11)과 음(-)전극(12)에 공급되는 직류 전기가 50A로 되도록 하고, 150mg/L를 초과하는 유리잔류염소 농도 측정치가 나오면 전력공급을 완전히 차단하는 방식으로 전력량을 제거할 수 있는 것이다. 즉, 유리잔류염소 농도와 전극으로의 공급 전력량이 반비례의 관계를 가지도록 전력공급제어기(30)에 의해 전력량을 제어할 수 있는 것이다.
이와 같이 유리잔류염소의 농도를 복수개의 구간으로 구분하고, 각각의 구간에 대해 각각 상이한 전력량을 할당하여, 측정된 유리잔류염소의 농도가 해당하는 구간에 맞추어서 각 구간에 할당된 전력량을 직류공급기(31)로 공급함에 있어서, 도 4에 도시된 위와 같은 사례논리 단계는 예시적인 것이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 유리잔류염소의 농도를 위와 같이 50mg/L 이하 구간, 50mg/L 초과 100mg/L 이하 구간, 100mg/L 초과 150mg/L 이하 구간 및 150mg/L 초과 구간의 4개 구간으로 구분하는 것이 아니라, 더 많은 개수의 구간으로 세분화할 수도 있으며, 그에 따라 전극에 공급되는 전력량도 더욱 세분화함으로써 전력량 제어의 정교함을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한 유리잔류염소 농도의 측정이 주기적으로 이루어지도록 타이머 등으로 미리 측정시기를 설정해둘 수 있는데, 이 경우 타이머의 측정빈도를 증가시킴으로써 전력량 제어의 정교함을 향상시킬 수 있다.
한편, 유리잔류염소 측정기(40)는 유리잔류염소 농도 측정값을 전력공급제어기(30)로 전송함과 동시에 알람장치(도시되지 않음)에도 공급하여 관리자가 유리잔류염소 농도 측정값을 확인할 수 있도록 할 수도 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 전기분해 정화설비를 이용하여 폐수를 전기분해 정화처리하는 과정에서 유리잔류염소의 농도를 모니터링하고, 이에 근거하여 유리잔류염소의 농도에 반비례하여 전기분해 정화설비에 공급되는 전력량을 감소시키는 제어를 수행하게 되므로, 불필요한 전력 소모를 최소화할 수 있게 된다. 도 5에는 본 발명에 따라 전기분해 정화처리하였을 때 오염부하와 전력량 간의 관계를 보여주는 그래프도가 도시되어 있는데, 도 5에 도시된 것처럼 본 발명에 의하면 전기분해에 소모되는 전력량을 오염부하의 증감에 맞추어서 증감시킬 수 있게 되며, 따라서 도 1에 도시된 것과 같은 원수의 미처리 상태 또는 과전력공급 상태가 발생하는 것을 사전에 방지할 수 있게 된다.
특히, 본 발명에서는 이와 같이 유리잔류염소의 농도에 반비례하여 전기분해 정화설비에 공급되는 전력량을 감소시키는 제어를 수행함으로써, 처리수에 유리잔류염소가 축적되는 것을 방지할 수 있으며, 따라서 전기분해 정화처리 공정에 후속한 처리 공정으로서 생물학적 처리공정이 진행될 때, 처리수에 축적된 유리잔류염소로 인하여 생물학적 독성과 악영향이 야기되는 것을 효과적으로 예방할 수 있게 된다.
이러한 본 발명은 높은 염분농도를 가지는 혐기성 소화액의 정화처리에 매우 효과적이다.
10: 전기분해 처리조
11: 양전극
12: 음전극
20: 유량조정조
30: 전력공급제어기
31: 직류공급기
40: 유리잔류염소 측정기

Claims (2)

  1. 고농도 염분의 음식물폐기물로 이루어진 혐기성 소화액이 생물학적 처리공정으로 공급되기 전에 수행되는 혐기성 소화액의 전기분해 정화처리 방법으로서,
    혐기성 소화액의 전기분해를 위하여 양(+)전극(11)과 음(-)전극(12)이 원수에 잠겨 있는 전기분해 처리조(10)와, 상기 양(+)전극(11)과 음(-)전극(12)에 직류 전기를 공급하는 직류공급기(31)와, 상기 직류공급기(31)로의 전력공급을 제어하는 전력공급제어기(30)를 구비한 전기분해 정화설비를 이용하여 혐기성 소화액으로부터 암모니아를 제거하되;
    상기 전기분해 처리조(10)에서의 전기분해에 의한 정화처리를 마치고 배출관(41)을 통해서 배출되는 처리수에 대해 유리잔류염소 측정기(40)를 이용하여 유리잔류염소의 농도를 주기적으로 측정하고, 측정된 유리잔류염소의 농도에 반비례하여 전력공급제어기(30)를 이용하여 직류공급기(31)로 공급되는 전기분해를 위한 전력량을 감소시키되, 유리잔류염소의 농도를 복수개의 구간으로 구분하여, 유리잔류염소의 농도가 다른 구간보다 낮은 구간에 대해서는 다른 구간보다 더 높은 전력량이 되도록 각각의 구간에 대해 각각 상이한 전력량을 할당해 놓고;
    측정된 유리잔류염소의 농도가 해당하는 구간에 맞추어서 각 구간에 할당된 전력량을 직류공급기(31)로 공급함으로써, 혐기성 소화액의 전기분해에 소모되는 전력량을 오염부하의 증감에 맞추어서 변화시키는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화액의 전기분해 정화처리 방법.
  2. 삭제
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