KR101520877B1 - 니켈-규소-마그네슘-티타늄-철-알루미늄 합금 나노입자를 포함하는 하폐수 초고도 처리용 산화환원 촉매 및 이를 이용한 하폐수의 초고도 처리 장치 및 방법 - Google Patents
니켈-규소-마그네슘-티타늄-철-알루미늄 합금 나노입자를 포함하는 하폐수 초고도 처리용 산화환원 촉매 및 이를 이용한 하폐수의 초고도 처리 장치 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 니켈-규소-마그네슘-티타늄-철-알루미늄 합금 나노입자를 포함하는 하폐수 초고도 처리용 산화환원 촉매 및 이를 이용한 하폐수의 초고도 처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 니켈-규소-마그네슘-티타늄-철-알루미늄 합금 산화환원 촉매에서 공급되는 나노입자를 이용하여 인을 제거하고 회수된 나노입자는 수산화물로 변환하여 응집제로 재활용하는 하폐수 초고도 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 하폐수 초고도 처리 장치는 철을 이용한 초고도 처리시설에 비하여 효율이 높으며, 회수된 나노입자를 수산화물로 전환하여 응집제로 재사용하므로 하폐수의 처리효율이 매우 우수하여 고농도의 인을 가지는 하폐수의 처리 및 하폐수 고도처리에 유용하다.
본 발명에 따른 하폐수 초고도 처리 장치는 철을 이용한 초고도 처리시설에 비하여 효율이 높으며, 회수된 나노입자를 수산화물로 전환하여 응집제로 재사용하므로 하폐수의 처리효율이 매우 우수하여 고농도의 인을 가지는 하폐수의 처리 및 하폐수 고도처리에 유용하다.
Description
본 발명은 니켈-규소-마그네슘-티타늄-철-알루미늄 합금 나노입자를 포함하는 하폐수 초고도 처리용 산화환원 촉매 및 이를 이용한 하폐수의 초고도 처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 니켈-규소-마그네슘-티타늄-철-알루미늄 합금 산화환원 촉매에서 공급되는 나노입자를 이용하여 인을 제거하고 회수된 나노입자는 수산화물로 변환하여 응집제로 재활용하는 하폐수 초고도 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
하폐수에서 인은 생물학적 산소요구량(BOD)과 화학적 산소요구량(COD)을 상승시키는 오염물질이다. 이러한 인은 주로 동물의 분뇨와 공장 폐수에 많이 함유되어 있으며, 하천수질의 악화를 막기 위해 하폐수에서 인을 제거하는 많은 방법이 사용되고 있다.
인과 질소의 제거를 위한 생물학적 처리공정은 최적공정관리가 매우 복잡하며, 활성 미생물에 의한 영양염류 제거율이 신뢰도가 매우 낮으므로, 제거효율을 높이기 위하여, 오 폐수에 화학약품을 투입하는 화학적 처리방법을 병행하여 사용되고 있다, 하지만 비용이 많이 들고, 잉여슬러지의 처리량이 증가되며, 화학약품을 계속 투입할 경우 미생물의 활성도가 저하하게 된다. 따라서 전기분해를 이용하여 인을 처리하는 방법이 다수 개발되어 있다.
지금까지 알려진 전기분해를 이용하여 폐수를 처리하는 방법은 대부분 폐수에 전류를 인가하여, 폐수 중에 포함된 오염물질 자체를 전기분해하여 처리하는 방법들이다(대한민국 등록특허 10-0231331, 10-0148315, 10-0490307). 이러한 방법은 폐수 자체를 전기분해하여 처리하므로 추가적인 장치가 불필요하지만, 물에 직접 전기를 공급하여 전기분해를 수행하므로 대량의 전력이 필요하고, 처리효율도 낮다는 단점을 가진다.
철판을 이용하는 전기분해방법(대한민국 등록특허 10-0490307)은 기존의 직접 전기분해 방법을 보완하기 위하여 개발된 것으로, 철판을 전극으로 이용하여 전기를 공급하고, 이때 석출되는 철을 이용하여 물의 인을 제거하는 방법이다. 이 방법은 기존의 생물학적 인제거방법이나, 직접전기분해 방법에 비하여 효율적으로 인을 제거할 수 있지만, 석출된 철의 농도에 따라 색도가 나타날 수 있으며, 응집효과에 의한 인의 제거가 알루미늄보다 낮은 단점이 있다.
철의 전기분해를 이용한 오폐수의 처리방법(대한민국 등록특허 10-0142894)은 오폐수 처리조 내에 설치된 봉형태의 철전극에 전류를 인가하여 철전극으로 부터 2가 철이온(Fe2+)을 생성시키고, 석출된 Fe2+은 전류의 흐름 방향에 따라 양극에서 음극의 철표면으로 이동하는 과정에서 철의 전기분해조의 용존산소와 반응하여 2가 철이온의 일부분은 3가 철로 전환되며, 전해반응에 의해 발생된 철이온은 용액내의 부유물질 및 용해성 유무기물과 반응하여 불용성 침전물을 형성하여 처리조 바닥으로 침전되게 된다. 철의 전기분해에 의해 석출된 철산화물에 의해 처리조 내의 호기성박테리아의 증식을 활성화시켜 유기물질의 산화, 분해 능력이 증가되어 오폐수 내의 유기물질이 효과적으로 제거하게 되지만, 석출된 철의 농도에 따라 색도가 나타날 수 있으며, 철봉을 사용하므로 반응 표면적이 작아지게 되므로 효율이 떨아지는 단점을 가진다.
이에, 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 니켈-규소-마그네슘-티타늄-철-알루미늄 합금 나노입자를 포함하는 산화환원 촉매를 이용하여 인을 제거하고 회수된 나노입자는 수산화물로 변환하여 응집제로 재활용한 결과, 철을 사용하는 것보다 인 제거 및 COD감소 효율이 우수하다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 니켈-규소-마그네슘-티타늄-철-알루미늄 합금 나노입자를 포함하는 하폐수 초고도 처리용 산화환원 촉매 및 산화환원 촉매모듈을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 산화환원 촉매 또는 산화환원 촉매모듈을 사용하는 하폐수 초고도 처리 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 알루미늄 10~40wt%, 철 50~80wt%, 규소 0.01~2wt%, 니켈 0.01~2wt%, 티타늄 0.01~5wt% 및 마그네슘 0.01~1wt%의 조성을 가지는 니켈-규소-마그네슘-티타늄-철-알루미늄 합금 나노입자를 포함하는 하폐수 초고도 처리용 산화환원 촉매를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 촉매가 판상의 구조를 가지고, 상기 판상구조의 촉매판이 2~20장 배열되어 있는 하폐수 초고도 처리용 산화환원 촉매모듈을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 산화환원 촉매 또는 산화환원 촉매모듈을 구비하는 하폐수 초고도 처리 장치를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 하폐수 초고도 처리 장치를 이용한 하폐수 초고도 처리방법을 제공한다.
본 발명에 따른 하폐수 초고도 처리 장치는 철을 이용한 초고도 처리시설에 비하여 효율이 높으며, 회수된 나노입자를 수산화물로 전환하여 응집제로 재사용하므로 하폐수의 처리효율이 매우 우수하여 고농도의 인을 가지는 하폐수의 처리 및 하폐수 고도처리에 유용하다.
도 1은 본 발명에 의한 하폐수 초고도 처리용 산화환원 촉매모듈을 나노석출 산화환원장치에 설치한 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 산화환원 촉매모듈을 설치한 나노석출 산화환원장치의 상부 사진이다.
도 3은 본 발명에 의한 하폐수 초고도 처리 장치의 흐름도이다.
도 4는 철-알루미늄 합금의 나노입자를 이용한 하폐수 총인 초고도처리 시스템의 순서도이다.
도 5는 본 발명에 의한 하폐수 초고도 처리용 산화환원 촉매의 분자구조를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 산화환원 촉매모듈을 설치한 나노석출 산화환원장치의 상부 사진이다.
도 3은 본 발명에 의한 하폐수 초고도 처리 장치의 흐름도이다.
도 4는 철-알루미늄 합금의 나노입자를 이용한 하폐수 총인 초고도처리 시스템의 순서도이다.
도 5는 본 발명에 의한 하폐수 초고도 처리용 산화환원 촉매의 분자구조를 도시한 것이다.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본 발명에서는 니켈-규소-마그네슘-티타늄-철-알루미늄 합금으로 구성되는 산화환원 촉매를 사용한 하폐수 고도처리 장치가 기존의 철을 이용한 하폐수 처리 장치보다 인제거 효율이 더 우수하다는 것을 확인하고자 하였다.
본 발명에서는, 니켈-규소-마그네슘-티타늄-철-알루미늄 합금으로 구성되는 산화환원 촉매에서 나노입자를 이용하여 인을 제거하고, 사용된 나노입자를 수산화물로 회수하여 응집제로 사용하여 하폐수 처리를 수행하였다. 그 결과 기존의 철을 이용한 하폐수 처리 장치에 비하여 인 제거 및 COD감소에 있어서 높은 효율을 가지고 있음을 확인하였다.
즉, 본 발명의 일 실시예에서는 화학적 산소요구량(COD)과 총인화합물의 양이 모두 철을 사용한 하폐수 처리 장치에 비하여 감소된 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명은 일 관점에서, 알루미늄 10~40wt%, 철 50~80wt%, 규소 0.01~2wt%, 니켈 0.01~2wt%, 티타늄 0.01~5wt% 및 마그네슘 0.01~1wt%의 조성을 가지는 니켈-규소-마그네슘-티타늄-철-알루미늄 합금 나노입자를 포함하는 하폐수 초고도 처리용 산화환원 촉매에 관한 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 촉매는 철과 알루미늄의 합금구조 사이로 니켈, 티타늄 및 마그네슘이 격자 형태로 주조된 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 촉매에서 알루미늄이 촉매 역할을 하는 주물질이지만, 알루미늄만으로는 강도가 약하므로 철, 니켈, 티타늄 및 마그네슘과 합금하여 사용하는 것이 바람직하다. 이때 주조시 철과 알루미늄의 합금구조 사이로 다른 미량금속(니켈, 티타늄 및 마그네슘)이 격자 형태로 균일하게 배치되게 하여 강도와 반응성이 촉매 전체에 균일하도록 한다. 이때 촉매의 분자구조는 규소(Si) 4면체 및 알루미늄(Al), 철(Fe), 니켈(Ni), 마그네슘(Mg)의 8면체의 4층이 규칙적으로 겹쳐 있게 된다. 이중 마그네슘(Mg) 8면체층의 양전하는 음이온인 인과 킬레이트 결합하는 플럭을 형성하고 양전하와 음전하의 연쇄결합으로 응집하여 중력에 의하여 침강하게 된다.
또한 상기 촉매는 알루미늄 10~40wt%, 철 50~80wt%, 규소0~2wt%, 니켈 0.01~2wt%, 티타늄 0.01~5wt% 및 마그네슘 0.01~1wt%의 조성을 가지는 것이 바람직하다. 알루미늄을 10wt%미만으로 함유하는 경우 반응성이 떨어지며, 40wt%이상으로 함유하는 경우 강도가 떨어져 취급하기 어렵다. 철이 50wt%미만인 경우 강도가 낮아져 취급하기 어려우며 80wt%이상인 경우 용출되는 철 나노입자에 의하여 처리수의 색도가 변할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 금속판은 알루미늄, 철, 규소, 니켈, 티타늄 및 마그네슘의 혼합물을 가열하여 주조한 뒤, 사각 판상 형태로 단조하여 제작되는 것을 특징으로 할 수 있다. 이때 주조온도는 각 금속의 녹는점을 모두 포함하는 700~1400℃인 것이 바람직하다. 700℃미만인 경우 일부 금속이 녹지 않아 균일한 조성을 가지는 합금을 제조하기 불가능하며, 1400℃이상인 경우 모든 금속의 녹는점보다 더 온도를 올리게 되므로 제작비용이 많이 소요된다. 또한 상기 금속판은 제조한 뒤 일정한 모양을 가지며, 강도를 높이기 위하여 단조처리를 하는데 이때 단조온도는 200~300℃인 것이 바람직하다. 200℃이하에는 충분한 열을 공급하지 못해 단조의 효과가 떨어지며 300℃이상에서는 금속판이 연화되어 역시 단조를 수행할 수 없다.
본 발명은 다른 관점에서, 상기 촉매가 판상의 구조를 가지고, 상기 판상구조의 촉매판(100)이 2~20장 배열되어 있는 하폐수 초고도 처리용 산화환원 촉매모듈에 관한 것이다.
본 발명에 있어서 상기 촉매판(100)은 2~20장이 배열된 것을 특징으로 할 수 있다. 촉매판(100)은 한 장만 사용해도 인을 처리할 수 있지만, 효율을 높이기 위해서는 반응하는 표면적을 늘려야 한다. 하지만 촉매판(100)의 크기가 커질수록 취급이 불편하므로 여러개의 촉매판(100)을 배열하여 표면적을 늘리고 크기는 줄일 수 있다. 하지만 20개 이상의 촉매판(100)을 배열하는 경우 폭이 너무 늘어나 오히려 취급이 불편해질 수 있으므로 촉매판(100)의 배열수는 2~20개인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 촉매 모듈은 (a) 알루미늄 합금으로 제작되며, 2~20장이 배열된 촉매판(100); (b) 배열된 촉매판(100) 상측면에 결합되며, 상단부에는 반응조(200)에서 촉매모듈 분리시 사용가능한 손잡이(120)가 설치된 고정부(110); (c) 각각의 촉매판(100) 일측단에 결합되어 촉매판(100)에 전원을 공급하는 전원공급부(130); (d) 각 전극이 결합하여 합선되는 것을 방지하는 전극 간격재; (e) 각 촉매판(100) 사이에 위치하여 촉매판(100)이 휘어지거나, 접촉되는 것을 방지하는 접촉방지판; 및 (f) 촉매판(100)에 유기물질이 부착되는 것을 방지하는 세척장치를 추가로 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 고정부(110)는 배열된 촉매판(100) 상측면에 결합되며, 상단부에는 반응조(200)에서 촉매모듈 분리시 사용가능한 손잡이(120)가 설치된 것을 특징으로 할 수 있다. 일반적으로 반응조(200)에서 촉매모듈을 분리하는 경우 상측방향으로 분리하게 되므로 용이하게 촉매모듈을 분리하기 위하여 상측면에 손잡이(120)를 형성하는 것이 바람직하다. 또한 고정부(110)에는 상기 촉매판(100)이 분리 불가능하도록 고정되어 폐수의 흐름에 따라 각 촉매판(100)이 접촉되어 전기적 단락이 일어나는 것을 방지한다.
본 발명에 있어서, 상기 전원공급부(130)는 각각의 촉매판(100) 일측단에 결합되어 촉매판(100)에 전원을 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 전원공급부(130)는 촉매판(100)의 유기물 부착을 방지하기 위하여 일정한 시간 간격으로 양극을 전환해야하므로 직류전원장치인 것이 바람직하다. 교류를 사용하는 경우 직류로 전환해주는 컨버터를 사용할 수 있으며, 이 컨버터는 입수 가능한 어떠한 종류의 컨버터를 사용하여도 무방하다. 또한 각 전원공급부(130)에는 전원 간격제가 설치되어 전극이 합선되는 것을 방지한다.
본 발명에 있어서, 상기 전원공급부(130)는 1분~2시간의 간격으로 음극(-)과 양극(+)을 전기적으로 전환 가능한 것을 특징으로 할 수 있다. 한 방향으로 전원이 공급되는 경우 전하를 띄는 유기물이 촉매판(100)에 부착될 수 있다. 따라서 이를 방지하고 부착된 유기물을 제거하기 위하여 전원의 방향을 정기적으로 변환하는 것이 바람직하다. 또한 이런 변환은 촉매판(100)에서 발생하는 나노입자의 분포를 균일하게 하므로, 촉매판(100)의 수명을 늘릴 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 접촉방지판은 각 촉매판(100) 사이에 위치하여 촉매판(100)이 휘어지거나, 접촉되는 것을 방지하는 것을 특징으로 할 수 있다. 촉매판(100)에는 전원공급부(130)로부터 공급되는 전류가 항상 흐르고 있으며, 각 촉매판(100) 표면에서는 나노입자가 발생하고 있다. 이러한 촉매판(100)이 서로 접촉하는 경우 합선에 의하여 촉매판(100)이 손상될 수 있으며, 손상되지 않더라도 나노입자의 생성효율이 떨어질 수 있다. 따라서 각 촉매판(100)의 접촉을 방지하기 위하여 각 촉매판(100) 사이에 접촉방지판을 설치하는 것이 바람직하다. 이때 각 촉매판(100) 사이의 간격은 5~10mm인 것이 바람직하며, 5mm이하인 경우 촉매판(100) 사이의 오폐수 흐름이 원활하지 않고, 10mm이상인 경우 전력사용량이 증가하게 된다.
본 발명에 있어서, 상기 세척장치는 촉매판(100)에 유기물질이 부착되는 것을 방지하는 것을 특징으로 할 수 있다. 전하를 띄는 촉매판(100)에는 유기물질이 부착되기 쉬우므로 전류의 방향을 일정한 간격으로 반대로 바꾸게 된다. 하지만 이럼에도 불구하고 촉매판(100)에는 유기물이 부착될 수 있으며, 이를 세척하기 위하여 세척장치를 설치하는 것이 바람직하다. 상기 세척장치에 사용되는 액체는 외부에서 공급되는 물을 이용할 수 있지만, 촉매모듈이 위치하는 반응조에 공급되는 하폐수를 이용하여 세척할 수도 있다.
본 발명은 또 다른 관점에서, 상기 산화환원 촉매 또는 산화환원 촉매모듈을 구비하는 하폐수 초고도 처리 장치에 관한 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 초고도 처리 장치는 (i) 공급된 하폐수를 인용출액이 분리된 슬러지 및 나노입자 수산화물과 혼합하고, 질소성분을 제거하여 플럭형성조로 공급하는 무산소조; (ii) 상기 무산소조에서 공급된 하폐수에 나노물질과 혼합된 처리수 및 인용출액을 혼합하여 플럭을 형성하고, 호기조로 공급하는 플럭형성조; (iii) 상기 플럭형성조에서 공급된 하폐수에서 인을 제거하고 최종침전조로 공급하는 호기조; (iv) 상기 호기조에서 공급된 하폐수를 처리수, 반송슬러지 및 폐기슬러지로 분리하는 최종 침전조; (v) 상기 최종 침전조에서 분리된 반송슬러지에서 인용출액을 분리하고, 나머지를 무산소조로 공급하는 인용출조; (vi) 상기 (iv) 단계의 처리수와 (v) 단계의 인용출액을 상기 산화환원 촉매 또는 상기 산화환원 촉매모듈과 접촉시켜, 플럭형성조로 공급하는 나노석출 산화환원장치; (vii) 상기 (iv) 단계의 폐기슬러지를 농축하여 혐기성 소화조로 공급하는 농축조; (viii) 상기 농축조에서 공급되는 폐기슬러지를 혐기성미생물을 이용하여 처리하고, 인 분리조로 공급하는 혐기소화조; 및 (ix) 상기 혐기소화조에서 공급되는 폐기슬러지에서 나노입자를 회수하여 상기 무산소조로 공급하는 분리조를 추가로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 있어서 상기 무산소조는 공급된 하폐수를 응집제인 나노입자 수산화물와 혼합하고, 질소성분을 제거하여 플럭형성조로 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다. 무산소조는 산소와 산소가 결합된 분자를 제거하는 장치로 대부분은 하폐수안의 질소성분을 제거하기 위하여 사용된다. 본 발명에서는 이 무산소조에 나노입자 수산화물을 응집제로 투입하여 오염물과 인의 침강을 가속화시킨다.
본 발명에서, 용어 플럭은 주입된 약품과 오염물질이 결합하여 덩어리진 것을 의미하며, 이 발명에서는 주로 나노물질과 슬러지 또는 인이 결합하여 생성된다.
본 발명에 있어서, 상기 플럭형성조는 무산소조에서 공급된 하폐수에 나노물질과 혼합된 처리수 및 인용출액을 혼합하여 플럭을 형성하고, 호기조로 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다. 기존의 하폐수 처리 장치에서는 호기조에서 인을 주로 제거하였지만 본 발명에서는 산화환원장치에서 공급되는 나노입자를 이용하여 인을 1차로 제거한 뒤, 호기조에 공급하여 인을 추가적으로 제거하여 인의 제거효율을 높이고 있다.
본 발명에 있어서, 상기 인용출조는 최종 침전조에서 분리된 반송슬러지에서 인용출액을 분리하고, 나머지를 무산소조로 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다. 최종 침전조에서 배출되는 반송슬러지에는 미생물과 나노입자, 인성분을 포함하고 있다. 따라서 나노입자와 미생물을 포함한 슬러지는 분리하여 무산소조로 공급하여 미생물과 나노입자의 농도를 유지하며, 인성분은 용출되어 산화환원장치로 공급된다.
본 발명에 있어서, 상기 나노석출 산화환원장치는 (iv) 단계의 처리수와 (v) 단계의 인용출액을 상기 촉매와 접촉시켜, 플럭형성조로 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다. 나노석출 산화환원장치에서는 인을 포함하는 인용출액과 처리수를 산화환원 촉매 또는 산화환원 촉매모듈에 공급하며, 이때 사용되는 산화환원촉매 또는 산화환원 촉매모듈은 상기에서 살펴본 바와 동일하다. 이때 촉매판(100)에는 전원공급부에 의하여 전기가 공급되므로 철(Fe), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 규소(Si), 니켈(Ni), 마그네슘(Mg) 나노입자가 용출되며, 니켈- 인산-마그네슘-인산-알루미늄-인산-티타늄-인산-철-인산-규소-인산 니켈(Ni-PO4-Mg-PO4-Al-PO4-Ti-PO4-Fe- PO4-Si-PO4 Ni)의 구조로 결합하는 킬레이트를 형성하여 인을 제거할 수 있다.
상기 나노입자는 반송슬러지와 혼합되어 하폐수 초고도 처리장치의 내부를 순환하게 되므로 촉매판의 소모가 최소화 된다. 또한 일부 나노입자는 폐기 슬러지에 혼합되며, 산처리에 의하여 인 및 슬러지가 분리되고 염기처리에 의하여 나노입자 수산화물로 전환되어 응집제로 재활용되어 다시 무산소조로 공급된다.
본 발명에 있어서, 상기 분리조는 혐기소화조에서 공급되는 폐기슬러지에서 나노입자를 회수하여 상기 무산소조로 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다. 폐기슬러지에는 인과 결합된 나노입자가 존재한다. 따라서 이 폐기슬러지를 산처리하여 인및 유기물과 나노입자를 분리하고, 분리된 나노입자를 염기처리하여 나노입자 수산화물 형태로 회수하여 응집재로 무산소조에 공급한다. 이때 사용되는 산은 황산, 염기는 수산화나트륨인 것이 바람직하지만 이에 구애되는 것은 아니다.
본 발명은 또 다른 관점에서, 상기 하폐수 초고도 처리 장치를 이용한 하폐수 처리방법에 관한 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 하폐수 처리방법은 (a) 하폐수, 나노입자수산화물 및 슬러지를 무산소조에 공급하여 질소를 제거하는 단계; (b) 상기 (a) 단계 처리수에 나노물질과 혼합된 인용출액 및 처리수를 플럭형성조에 공급하여 플럭을 형성하는 단계; (c) 상기 플럭이 형성된 하폐수를 호기조로 공급하여 인을 제거하는 단계; (d) 상기 인이 제거된 하폐수를 반송슬러지, 폐기슬러지 및 처리수로 분리하는 단계; (e) 상기 분리된 반송슬러지는 인용출조에서 인용출수와 슬러지로 분리하여 슬러지는 무산소조로 공급하고 인용출수는 나노석출 산화환원장치로 공급하는 단계; (f) 상기 (d) 단계의 처리수중 일부와 (e) 단계의 인용출수에 제1항의 산화환원 촉매 또는 제5항의 산화환원 촉매모듈과 접촉시켜, 플럭형성조로 공급하는 단계; (g) 상기 (d) 단계의 폐기 슬러지를 혐기성 미생물을 이용하여 처리하는 단계; (h) 상기 혐기성 미생물로 처리된 폐기슬러지에 산을 공급하여 유기물과 인을 산화처리하여 분리하고, 나노입자를 수득하는 단계; (i) 상기 (h) 단계에서 분리된 나노입자를 염기로 처리하여 나노입자의 수산화물을 수득하는 단계; 및 (j)상기 수득된 나노입자 수산화물을 무산소조로 공급하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
[실시예]
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1: COD, 인 및 부유물질 제거 실험
실시예에서 사용한 처리시스템은 무산소조, 호기조로 구분된 A/O 공정에서 방류수를 나노석출 산화환원장치에 유입하여 알루미늄판(Al), 철(Fe), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 규소(Si), 마그네슘(Mg) 나노입자를 용출시켜 무산소조에 주입하여 인과 플럭을 형성하여 인을 제거하도록 하였다. 무산소조가 8.4㎥, 호기조가 8.4㎥ 로 구성되고 나노석출 산화환원장치는 0.5㎥으로 구성하였다. 1일 처리용량은 50㎥/d. 체류시간은 무산소조 3.9시간, 호기조는 3.9시간으로 총 7.8시간으로 운전하였다. 알루미늄(Al), 철(Fe), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 규소(Si) 및 마그네슘(Mg)으로 구성되는 합금판의 표면적은 4,800㎠이었으며, 전압은 6V, 전류는 10A를 유지하며 실험을 진행하였다.
또한 비교를 위하여 본 발명의 합금판 대신 철판을 사용하여 촉매를 제작한 뒤 동일한 실험을 진행하였으며, 대조군으로 촉매를 사용하지 않고 동일한 조건하에서 실험을 진행하였다.
표 1에서 보는 바와 같이 COD제거는 합금판이 91.7%, 철판이 90.0%, 대조군이 86.7%의 제거효율을, T-P 제거는 합금판이 94.1%, 철판이 90.8%, 대조군이 50.5%의 제거효율을 나타냈다. 부유물질 제거는 합금판이 96.1%, 철판이 94.0%, 대조군이 88.8%의 제거효율을 나타냈다
[표1 : 각 촉매별 화학적 산소요구량(COD), 인 및 부유물질 제거 실험]
실시예 2: 슬러지의 인용출 실험
슬러지의 인은 240분후에는 처음보다 3.5배인 351mg/L가 용출되었으나 철과 알루미늄은 거의 용출되지 않아 무산소조로 유입될 때 철과 알루미늄이 응집제로 사용될 수 있음을 알 수 있다.
[표2: 슬러지에서 인, 철 및 알루미늄의 용출 실험결과]
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
100 : 촉매판
110 : 고정부
120 : 손잡이
130 : 전원공급부
200 : 나노석출 산화환원장치
210 : 인용출액 유입구
220 : 인용출액 배출구
230 : 하단 배출구
110 : 고정부
120 : 손잡이
130 : 전원공급부
200 : 나노석출 산화환원장치
210 : 인용출액 유입구
220 : 인용출액 배출구
230 : 하단 배출구
Claims (14)
- 알루미늄 10~40wt%, 철 50~80wt%, 규소 0.01~2wt%, 니켈 0.01~2wt%, 티타늄 0.01~5wt% 및 마그네슘 0.01~1wt%의 조성을 가지는 니켈-규소-마그네슘-티타늄-철-알루미늄 합금 나노입자를 포함하는 하폐수 초고도 처리용 산화환원 촉매.
- 제1항에 있어서, 상기 촉매는 알루미늄, 철, 규소, 니켈, 티타늄 및 마그네슘의 혼합물을 가열하여 주조한 뒤, 단조하여 제작되는 것을 특징으로 하는 하폐수 초고도 처리용 산화환원 촉매.
- 제2항에 있어서, 상기 주조 및 단조는 각각 700~1400℃ 및 200~300℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 하폐수 초고도 처리용 산화환원 촉매.
- 제1항에 있어서, 상기 촉매는 철과 알루미늄의 합금구조 사이로 니켈, 티타늄 및 마그네슘이 격자 형태로 주조된 것을 특징으로 하는 하폐수 초고도 처리용 산화환원 촉매.
- 제1항의 촉매가 판상의 구조를 가지고, 상기 판상구조의 촉매판이 2~20장 배열되어 있는 초고도 처리용 산화환원 촉매모듈.
- 제5항에 있어서,
(a) 배열된 촉매판 상측면에 결합되며, 상단부에는 반응조에서 촉매 분리시 사용가능한 손잡이가 설치된 고정부;
(b) 각각의 촉매판 일측단에 결합되어 촉매판에 전원을 공급하는 전원공급부;
(c) 각 전극이 결합하여 합선되는 것을 방지하는 전극 간격재;
(d) 각 촉매판 사이에 위치하여 촉매판이 휘어지거나, 접촉되는 것을 방지하는 접촉방지판; 및
(e) 촉매판에 유기물질이 부착되는 것을 방지하는 세척장치;
를 추가로 구비하며, 하폐수 중의 인을 0.05-0.2mg/L이하로 제거하는 것을 특징으로 하는 하폐수 초고도 처리용 산화환원 촉매모듈.
- 제6항에 있어서, 상기 접촉방지판은 촉매판의 간격을 5~10mm로 유지시켜 주는 것을 특징으로 하는 하폐수 초고도 처리용 산화환원 촉매모듈.
- 제6항에 있어서, 상기 전원공급부는 1분~2시간의 간격으로 음극(-)과 양극(+)을 전기적으로 전환 가능한 것을 특징으로 하는 하폐수 초고도 처리용 산화환원 촉매모듈.
- 제1항의 산화환원 촉매 또는 제5항의 산화환원 촉매모듈을 구비하는 하폐수 초고도 처리 장치.
- 제9항에 있어서,
(i) 공급된 하폐수를 인용출액이 분리된 슬러지 및 나노입자 수산화물과 혼합하고, 질소성분을 제거하여 플럭형성조로 공급하는 무산소조;
(ii) 상기 무산소조에서 공급된 하폐수에 나노물질과 혼합된 처리수 및 인용출액을 혼합하여 플럭을 형성하고, 호기조로 공급하는 플럭형성조;
(iii) 상기 플럭형성조에서 공급된 하폐수에서 인을 제거하고 최종침전조로 공급하는 호기조;
(iv) 상기 호기조에서 공급된 하폐수를 처리수, 반송슬러지 및 폐기슬러지로 분리하는 최종 침전조;
(v) 상기 최종 침전조에서 분리된 반송슬러지에서 인용출액을 분리하고, 나머지를 무산소조로 공급하는 인용출조;
(vi) 상기 (iv) 단계의 처리수와 (v) 단계의 인용출액을 제1항의 산화환원 촉매 또는 제5항의 산화환원 촉매모듈과 접촉시켜, 플럭형성조로 공급하는 나노석출 산화환원장치;
(vii) 상기 (iv) 단계의 폐기슬러지를 농축하여 혐기성 소화조로 공급하는 농축조;
(viii) 상기 농축조에서 공급되는 폐기슬러지를 혐기성미생물을 이용하여 처리하고, 인 분리조로 공급하는 혐기소화조; 및
(ix) 상기 혐기소화조에서 공급되는 폐기슬러지에서 나노입자를 회수하여 상기 무산소조로 공급하는 분리조;
를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 하폐수 초고도 처리 장치.
- 제10항에 있어서, (ix) 단계는 폐기슬러지를 산처리하여 인과 유기물을 산화시킨 다음, 염기처리하여 나노입자를 수산화물 형태로 회수하는 것을 특징으로 하는 하폐수 초고도 처리 장치.
- 제11항에 있어서, 상기 회수된 나노입자의 수산화물을 무산소조로 공급하는 수단을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 하폐수 초고도 처리장치.
- 제9항의 하폐수 초고도 처리 장치를 이용한 하폐수 초고도 처리방법.
- 제13항에 있어서,
(a) 하폐수, 나노입자수산화물 및 슬러지를 무산소조에 공급하여 질소를 제거하는 단계;
(b) 상기 (a) 단계 처리수에 나노물질과 혼합된 인용출액 및 처리수를 플럭형성조에 공급하여 플럭을 형성하는 단계;
(c) 상기 플럭이 형성된 하폐수를 호기조로 공급하여 인을 제거하는 단계;
(d) 상기 인이 제거된 하폐수를 반송슬러지, 폐기슬러지 및 처리수로 분리하는 단계;
(e) 상기 분리된 반송슬러지는 인용출조에서 인용출수와 슬러지로 분리하여 슬러지는 무산소조로 공급하고 인용출수는 나노석출 산화환원장치로 공급하는 단계;
(f) 상기 (d) 단계의 처리수중 일부와 (e) 단계의 인용출수에 제1항의 산화환원 촉매 또는 제5항의 산화환원 촉매모듈과 접촉시켜, 플럭형성조로 공급하는 단계;
(g) 상기 (d) 단계의 폐기 슬러지를 혐기성 미생물을 이용하여 처리하는 단계;
(h) 상기 혐기성 미생물로 처리된 폐기슬러지에 산을 공급하여 유기물과 인을 산화처리하여 분리하고, 나노입자를 수득하는 단계;
(i) 상기 (h) 단계에서 분리된 나노입자를 염기로 처리하여 나노입자의 수산화물을 수득하는 단계; 및
(j) 상기 수득된 나노입자 수산화물을 무산소조로 공급하는 단계;
를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 하폐수 초고도 처리방법.
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| KR1020140089031A KR101520877B1 (ko) | 2014-07-15 | 2014-07-15 | 니켈-규소-마그네슘-티타늄-철-알루미늄 합금 나노입자를 포함하는 하폐수 초고도 처리용 산화환원 촉매 및 이를 이용한 하폐수의 초고도 처리 장치 및 방법 |
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| KR (1) | KR101520877B1 (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101915781B1 (ko) * | 2018-02-19 | 2018-11-06 | (주)에이치앤텍 | 인을 제거하는 나노 철 합금 촉매 및 이를 이용한 하폐수의 초고도 처리 장치 |
| CN111517581A (zh) * | 2020-05-14 | 2020-08-11 | 逸辰环保科技(厦门)有限公司 | 一种化学镍废水处理系统及处理工艺 |
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2014
- 2014-07-15 KR KR1020140089031A patent/KR101520877B1/ko active IP Right Grant
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