KR101533649B1 - 미세전해 반응을 이용한 폐수처리방법 및 그 미세전해물질 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미세전해 반응을 이용한 폐수처리방법 및 그 미세전해물질에 관한 것으로, 보다 상세하게는 철과 탄소 및 환원금속을 소결한 다공성 미세전해물질(M)을 형성하되, 상기 미세전해물질(M)이 투입된 전해반응조(20)에 산성 조건의 폐수를 유입하여, 외부 전력을 공급하지 않은 상태에서 미세전해물질(M)에 포함된 철과 탄소가 전극 역할을 하는 미세전해(Micro-Electrolysis) 반응을 유도하고, 이와 함께 미세전해 반응시 생성되는 2가철과 과산화수소의 펜톤산화(Fenton Oxidation)를 유도함으로써, 결과적으로 OH 라디칼(OH Radical) 등 강력한 산화제의 생성을 극대화하여 유기물의 분해효율을 향상함과 아울러 환원금속의 반응으로 질소의 제거효율을 향상하며, 다른 한편으론 운전 및 유지관리를 용이하게 함으로써, 궁극적으로는 폐수처리효율을 증진할 수 있도록 한 '미세전해 반응을 이용한 폐수처리방법 및 그 미세전해물질'에 관한 것이다.

Description

미세전해 반응을 이용한 폐수처리방법 및 그 미세전해물질{WASTEWATER TREATMENT METHOD USING MICRO-ELECTROLYSIS REACTION AND ITS MICRO-ELECTROLYSIS MATTER}

본 발명은 철과 탄소 및 환원금속을 소결한 다공성 미세전해물질을 형성하되, 상기 미세전해물질이 투입된 전해반응조에 산성 조건의 폐수를 유입하여, 외부 전력을 공급하지 않은 상태에서 미세전해물질에 포함된 철과 탄소가 전극 역할을 하는 미세전해(Micro-Electrolysis) 반응을 유도하고, 이와 함께 미세전해 반응시 생성되는 2가철과 과산화수소의 펜톤산화(Fenton Oxidation)를 유도함으로써, 결과적으로 OH 라디칼(OH Radical) 등 강력한 산화제의 생성을 극대화하여 유기물의 분해효율을 향상함과 아울러 환원금속의 반응으로 질소의 제거효율을 향상하는 한편 운전 및 유지관리를 용이하게 함으로써, 궁극적으로는 폐수처리효율을 증진할 수 있는 '미세전해 반응을 이용한 폐수처리방법 및 그 미세전해물질'에 관한 것이다.

현대 고도의 기술발전에 힘입어 수처리 분야에서도 다양한 폐수처리방법이 제안되어 사용되고 있는데, 그 중 전기화학기술(Electrochemical Technology)에 의한 폐수처리방법과, 펜톤산화공정(Fenton's Oxidation Process)에 의한 폐수처리방법의 개략적인 구성 및 그 문제점을 하기에서 살펴본다.

먼저, 통상의 전기화학기술(Electrochemical Technology)에 해당하는 전기분해에 의한 폐수처리방법을 살펴보면, 폐수에 투입된 양극과 음극의 전극에 외부 전원을 인가하여 산화/환원 반응을 일으키고, 이 산화/환원 반응에 의해 생성된 OH 라디칼(OH Radical)과 같은 강력한 산화제에 의해 직간접적으로 오염물질이 분해되도록 한 것으로, 주로 COD 성분 및 색도 제거 공정에 이용되었으며, 질소 성분의 제거에는 그 효율이 매우 낮은 단점이 있다.

구체적으로, 질소 성분의 경우 산화/환원 반응에 의해 생성된 OH 라디칼에 의해 산화 반응은 잘 일어나지만, 질소의 존재 형태만 변할 뿐 제거 효율은 매우 낮았는데, 그 이유는 질소의 환원속도가 매우 느리기 때문인바, 환원반응은 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 아연(Zn), 크롬(Cr), 철(Fe), 카드뮴(Cd), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 납(Pb)과 같이 질소를 환원시킬 수 있는 환원금속 표면에서 발생하므로 환원금속의 표면적이 클수록 환원반응의 속도가 빨라지는데 반하여, 종래 전기분해에 의한 폐수처리방법에 있어서 질소 성분의 제거효율을 높이기 위해 전극의 재질을 환원금속으로 한다거나 그 환원금속의 표면적을 늘리기 위하여 전극의 극판 수를 늘리기에는 현실적으로 많은 어려움이 있기 때문이다.

또한, 전기분해에 의한 폐수처리방법의 경우, 외부 전력을 지속적으로 공급하여야 할 뿐만 아니라, 다른 한편으론 운전을 지속할수록 전극에 부착물이 생성되어 저항이 증가하므로, 에너지 효율이 낮은 문제점도 있다.

이하, 펜톤산화공정(Fenton's Oxidation Process)에 의한 폐수처리방법을 살펴보면, 통상 펜톤산화 반응은 pH 3~5의 산성 조건에서 2가철(Fe(Ⅱ))과 과산화수소(H₂O₂)를 투입함으로써, 상기 2가철(Fe(Ⅱ))과 과산화수소(H₂O₂)의 산화/환원 반응에 의하여 생성된 OH 라디칼(OH Radical) 등 강력한 산화제로 COD 성분 및 색도를 제거하는 것이다.

그러나, 상기 펜톤산화의 경우 촉매 기능을 갖는 2가철(Fe(Ⅱ))이 과산화수소(H₂O₂)에 의하여 3가철(Fe(Ⅲ))로 산화하면서 OH 라디칼을 생성시키는 것이므로, 일부 3가철(Fe(Ⅲ))의 환원을 감안하더라도 2가철(Fe(Ⅱ)) 및 과산화수소(H₂O₂)의 지속적인 공급을 필요로 하여 그 운전 및 유지관리에 어려움이 있고, 특히 난분해성 COD 성분이 많은 폐수의 처리를 위해서는 더 많은 산화제의 생성이 필요하므로, 결과적으로 2가철(Fe(Ⅱ)) 및 과산화수소(H₂O₂)의 투입에 따라 공정비용이 증가하는 문제점이 있다.

또한, 상기 펜톤산화 반응을 이용한 폐수처리방법의 경우, OH 라디칼(OH Radical)에 의한 직접산화 이외에 전기응집이나 전기응결에 의한 오염물질의 제거를 기대할 수 없으므로, 오염물질을 분해하는 경로가 한정되어 주로 COD 성분 및 색도 제거에 국한되어 이용되는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하여 기존의 전기화학적 폐수처리 및 펜톤산화에 의한 폐수처리의 장점만을 이용하는 것으로, 외부 전력을 공급하지 않고 폐수를 전기분해하여 에너지 효율이 높고, 펜톤산화 반응을 이용하여 오염물질을 제거함에 있어 2가철 및 과산화수소를 공급할 필요가 없어 그 운전 및 유지관리가 용이하며, 다른 한편으론 OH 라디칼에 의한 직접산화 및 오존 등에 의한 간접산화와 전기응집 및 전기응결과 같은 다양한 경로를 통하여 난분해성 COD 성분 및 색도를 제거할 뿐만 아니라, 다양한 환원금속의 반응으로 질소 성분의 제거효율을 증진하는 등, 폐수처리효율을 극대화하는 데 본 발명의 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 미세전해 반응을 이용한 폐수처리방법 및 그 미세전해물질의 구성은, 폐수를 산성으로 조정하는 pH조정공정과, 철과 탄소 및 환원금속이 포함된 다공성 소결체인 미세전해물질이 채워진 전해반응조에 상기 산성 조건의 폐수를 유입하여 미세전해물질에 포함된 철과 탄소가 전극 역할을 하는 미세전해(Micro-Electrolysis) 반응을 유도하여 외부 전력의 공급 없이 폐수를 전기분해 함과 동시에 미세전해 반응시 미세전해물질에 의하여 생성되는 2가철 및 과산화수소의 펜톤산화(Fenton Oxidation) 반응을 유도하여 극대화된 OH 라디칼의 산화력에 의해 오염물질이 분해되도록 하는 한편 미세전해물질에 포함된 환원금속의 반응으로 질소를 제거하는 미세전해공정과, 상기 미세전해 반응 및 펜톤산화 반응에 의하여 오염물질이 분해된 폐수에서 슬러지를 응집하고 폐수를 중화시키는 응집반응공정을 포함한 '미세전해 반응을 이용한 폐수처리방법'을 특징으로 한다.

그리고 본 발명은 상기 미세전해공정 후 미처리된 오염물질을 분해하기 위하여 전해반응조의 폐수를 산화반응조로 유입한 다음 과산화수소를 투입하여 펜톤산화 반응을 촉진하는 펜톤산화공정을 더 포함하는 구성과, 상기 응집반응공정에서 응집제를 투입하는 응집반응조와 소석회를 투입하는 중화조 및 폴리머를 투입하는 응집조를 순차적으로 구분하도록 한 구성과, 상기 응집반응공정 후 슬러지를 침전시키는 침전공정 및 침전된 슬러지를 탈수시켜 반출하는 탈수공정을 더 포함하는 구성의 '미세전해 반응을 이용한 폐수처리방법'에 부가적인 특징이 있다.

또한, 본 발명은 산성 조건의 폐수에서 전위차에 의한 산화/환원 반응이 일어나도록 철과 탄소 및 환원금속을 주성분으로 하여 소결된 다공성 미세전해물질을 형성한 구성에 발명의 다른 특징이 있고, 상기 미세전해물질은 철 65~85중량%와, 탄소 10~30중량%와, 환원금속 2~8중량%의 다공성 소결체로 구성한 미세전해물질에 부가적인 특징이 있다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 미세전기분해(Micro-Electrolysis)와 펜톤산화(Fenton Oxidation)의 복합적인 반응으로 OH 라디칼 등 강력한 산화제의 생성이 극대화되어 직접산화에 의한 오염물질의 제거효율이 향상될 뿐만 아니라, 오존 등에 의한 간접산화와 전기응집 및 전기응결 등 다양한 경로를 통하여 오염물질이 분해됨으로써, 난분해성 COD 성분 및 색도의 제거효율이 향상되고, 다른 한편으론 미세전해물질에 포함된 환원금속의 반응으로 질소 성분의 제거효율이 향상되는 등 폐수처리효율을 증진할 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 미세전해 및 펜톤산화 반응을 유도함에 있어 외부 전력의 공급을 필요치 않음과 아울러 2가철 및 과산화수소의 공급을 필요치 않으므로, 결과적으로 기존의 전기화학적 폐수처리와 펜톤산화에 의한 폐수처리의 장점만을 이용하고, 단점이었던 운전 및 유지관리를 용이하게 하며 에너지 효율을 향상하는 경제적 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 미세전해 반응을 이용한 폐수처리방법을 나타내는 순서도
도 2는 본 발명의 미세전해 반응을 이용한 폐수처리방법을 나타내는 공정도
도 3은 본 발명의 미세전해 반응을 이용한 폐수처리방법을 나타내는 모식도

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세전해 반응을 이용한 폐수처리방법 및 그 미세전해물질의 구성을 도 1 내지 도 3을 참고하여 살펴보되, 먼저 미세전해 반응을 이용한 폐수처리방법의 구성을 각 공정별로 구분하여 살펴본다.

1. pH 조정공정

pH조정공정(S100)은 이어지는 미세전해공정(S200)에서 안정적인 미세전해(Micro-Electrolysis) 반응이 일어나도록 하기 위하여 산성도를 조정하는 공정으로서, 폐수 원수를 pH 조정조(10)로 유입한 후 황산(H₂SO₄)을 투입하여 폐수의 산성도를 pH 2~3의 범위로 조정하되, 바람직하게는 pH 2.5를 유지할 수 있도록 조정한다. 이때, 이어지는 미세전해공정(S200)에서 pH 수치가 높아질 수 있으므로 이를 항시 체크하여 자동으로 황산의 주입량을 제어함이 바람직하다.

2. 미세전해공정

미세전해공정(S200)은 철과 탄소 및 환원금속이 포함된 다공성 소결체인 미세전해물질(M)이 채워진 전해반응조(20)에 앞서 산성 조건으로 조정된 폐수를 유입하여, 미세전해물질(M)에 포함된 철과 탄소가 전극 역할을 하는 미세전해(Micro-Electrolysis) 반응을 유도함으로써 외부 전력의 공급 없이 폐수를 전기분해하고, 이와 동시에 미세전해 반응시 미세전해물질(M)에 의하여 생성되는 2가철(Fe(Ⅱ)) 및 과산화수소(H₂O₂)의 펜톤산화(Fenton Oxidation) 반응을 유도함으로써 OH 라디칼(OH Radical)의 산화력에 의해 오염물질이 분해되도록 하며, 다른 한편으론 미세전해물질(M)에 포함된 환원금속의 반응으로 질소를 제거하도록 한 공정이다.

이때, 미세전해물질(M)은 철 65~85중량%와, 탄소 10~30중량%와, 환원금속 2~8중량%를 1300℃~1800℃의 고온으로 소결하여 형성하되 폐수와의 접촉면적을 고려하여 다공성 구조로 형성함이 바람직하고, 상기 환원금속은 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 아연(Zn), 크롬(Cr), 철(Fe), 카드뮴(Cd), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 납(Pb) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함한다.

한편, 상기 전해반응조(20)는 산화/환원 반응을 원활하게 촉진하기 위하여 충분한 산소공급이 필요하기 때문에 미세 산기관(散氣管)을 통해 산소를 공급하도록 함이 바람직하다.

이와 같이 구성된 미세전해공정(S200)은, 미세전해(Micro-Electrolysis) 및 펜톤산화(Fenton Oxidation) 반응에 의하여 극대화된 OH 라디칼(OH Radical)의 강력한 산화력에 의해 오염물질을 분해함과 아울러 환원금속의 반응으로 질소 성분을 제거하는 것인바, 하기에서 각 반응의 구성 및 작용을 구분하여 상세히 살펴본다.

2-1. 미세전해반응

본 발명에서의 미세전해(Micro-Electrolysis) 반응은 기본적으로 전기화학기술(Electrochemical Technology)과 유사하지만 외부 전력의 공급 없이 표준환원전위가 다른 성분에 의해 산화/환원 반응이 일어난다.

구체적으로, 미세전해 반응을 위해 투입되는 미세전해물질(M)에 포함된 철(Fe)과 탄소(C)가 각각 양극(Anode)과 음극(Cathode)의 역할을 하여, 외부의 전기 공급이 없이 갈바닉 전지(Galvanic Cell)처럼 전자의 흐름이 발생하는 것으로, 양극(Anode)에서의 산화반응과 음극(Cathode)에서의 환원반응이 전위 차이에 의해 자연적으로 일어난다.

이때, 상기 양 전극의 산화반응(Oxidation)과 환원반응(Reduction)은 아래의 반응식과 같이 나타낼 수 있으며, 이와 같은 미세전해 반응은 산성 조건에서 산소가 충분할 때 그 반응이 원활하다.

① Anode (Oxidation)

2Fe - 4e^- → 2Fe^{2 +} ---------------------------- E⁰(Fe^{2 +}/Fe) = 0.44V

② Cathode (Reduction)

4H + 4e^- → 4[H] → 2H₂↑ (산성) ------------- E⁰(H⁺/H₂) = 0.00V

O₂ + 4H⁺ + 4e^- → 2H₂O (산성) ----------------- E⁰(O₂) = 1.23V

O₂ + 2H₂O + 4e^- → 4OH^- (중성 또는 알칼리) ---- E⁰(O₂/OH^-) = 0.40V

이와 같은 미세전해 반응에 의하면, 전기분해 과정중에 Cl₂, ClO₂, O₃, OH radical, HClO, H₂O₂, O₂, H₂, CO₂ 등과 같은 강력한 산화제가 발생하게 되는데, 이중 OH radical, O radical, HClO 등은 강력한 산화제로서 유기물을 쉽게 분해할 수 있다(직접산화).

또한, 상기 직접산화 반응을 일으키는 OH radical, O radical, HClO 등은 생성즉시 유기물과 반응하여 유기물을 산화시키거나, 스스로 분해되어 O₂, Cl₂, ClO₂, H₂O₂, O₃ 등과 같은 산화제로 변하는데, 이들 산화제는 라디칼(radical)보다는 산화력이 약하지만 그에 비하여 반응이 순간적으로 일어나지는 않기 때문에 상대적으로 물속에 좀 더 오래 존재하면서 오염물질을 제거한다(간접산화).

따라서, 폐수에 포함된 대부분 오염물질은 라디칼(radical)에 의한 직접산화와 함께 산화제에 의한 간접산화에 의하여 COD 성분의 충분한 제거가 이루어진다.

2-2. 펜톤산화반응

본 발명에서의 펜톤산화(Micro-Electrolysis) 반응은, 종래 펜톤산화의 경우 2가철(Fe(Ⅱ)) 및 과산화수소(H₂O₂)를 외부로부터 공급받는 것과 달리 미세전해물질(M)의 전기분해에 의하여 생선된 2가철(Fe(Ⅱ))과 과산화수소(H₂O₂)의 산화/환원 반응이라는 점에 그 특징이 있다.

구체적으로, 본 발명에 따른 미세전해 반응에 의하면 미세전해물질(M)의 철(Fe) 성분에서 일어나는 양극반응에 의하여 2가철(Fe^{2 +})이 생성되고, 미세전해물질(M)의 탄소(C) 성분에서 일어나는 음극반응에 의하여 과산화수소(H₂O₂)가 생성되며, 이와 같이 생성된 2가철(Fe^{2 +})과 과산화수소(H₂O₂)는 산화/환원 반응을 일으키고 그 산화/환원 반응에 의하여 생성된 OH 라디칼의 강력한 산화력에 의하여 유기물이 분해되는 펜톤산화가 진행된다.

이때, 상기 양극반응 및 음극반응과 펜톤산화에 따른 유기물의 분해반응은 아래의 반응식과 같이 나타낼 수 있으며, 도 3은 그 모식도를 나타낸다.

① 양극반응

2Fe - 4e^- → 2Fe^{2 +}

2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e^-

② 음극반응

O₂ + 2H⁺ + 2e^- → H₂O₂

Fe^{3 +} + e^- → Fe^{2 +}

③ 펜톤산화에 의한 유기물의 분해반응

Fe^{2 +} + H₂O₂ + H⁺ → Fe^{3 +} + OH radical + H₂O

유기물 + OH radical → Intermediates + CO₂ + H₂O

이와 같은 본 발명에서의 펜톤산화 반응에 의하면, 종래의 펜톤산화와 달리 2가철(Fe(Ⅱ)) 및 과산화수소(H₂O₂)를 외부에서 투입해 줄 필요가 없고, 미세전해물질(M)로부터 자체적으로 2가철(Fe(Ⅱ)) 및 과산화수소(H₂O₂)가 생성이 되기 때문에 그 운전 및 유지관리가 용이하다.

또한, 본 발명은 난분해성 COD 성분이 많은 폐수를 처리함에 있어, 미세전해 반응과 더불어 펜톤산화 반응에서도 OH 라디칼이 생성되고, 다른 한편으론 미세전해물질이 전기분해되는 동안 지속적으로 OH 라디칼이 생성되므로, 결국 OH 라디칼의 생성을 극대화하여 난분해성 COD를 제거하는데 효과적이다.

2-3. 환원금속에 의한 질소의 제거 반응

본 발명에 있어서의 질소 제거 반응의 경우, 그 반응에 참여하는 미세전해물질(M)에 다량의 환원금속과 탄소 성분이 함유되어 있을 뿐만 아니라, 다공성 구조로서 폐수와 접촉하는 표면적이 크기 때문에 COD 성분 및 색도 제거는 물론이고 질소 성분의 제거효율이 매우 높다.

구체적으로, 본 발명의 미세전해물질에 포함된 환원금속은 환원력이 뛰어난 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 아연(Zn), 크롬(Cr), 철(Fe), 카드뮴(Cd), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 납(Pb) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는데, 이와 같은 환원금속에 의하여 질산성질소를 아질산성질소나 암모니아성질소로 환원시켜 일부는 직접 질소가스로 환원시키고 일부는 전기분해에 의해 생성된 차아염소산과 화학반응시켜 제거하며, 유기성질소와 암모니아성질소는 차아염소산에 의해 직접 산화시키므로 모든 종류의 질소를 제거할 수 있다.

한편, 질산성질소가 환원금속에 의해 환원된 후 어떤 성분으로 바뀌느냐는 반응온도와 pH 조건 그리고 환원금속의 종류에 따라 결정되는데, 이들 금속에 의한 환원 후의 성분은 대개 NO₂, N₂0, NO, N₂, NH₃등으로 나타난다. 이와 같은 경우의 화학반응식은 아래와 같이 나타낼 수 있다.

① NO₃ ^- + 2e^- + H₂O → NO₂ ^- + 2OH ----------- 음극반응

② 2NO₂ ^- + 6e^- + 4H₂O → N₂ + 8OH^- ---------- 음극반응

③ 2OH^- → H₂O + 1/2O₂ + 2e^- --------------- 양극반응

④ 6OH^- → 3H₂O + 3/2O₂ + 6e^- -------------- 양극반응

그리고, 음극에서 상기와 같이 아질산성질소가(NO₂ ^-)가 직접 전기분해에 의해서 질소가스(N₂)로 환원되기도 하지만 일부는 암모니아성 질소로 환원된다. 이때의 화학반응식은 다음과 같다.

⑤ NO₂ ^- + 6e^- + 5H₂O → NH₃ + 7OH^- ---------- 음극반응

이렇게 형성된 암모니아는 파괴점 염소주입법으로 알려져 있는 방법으로 제거가 가능하다. 단지 염소는 소금(NaCl)을 반응조에 주입해 줌으로써 전기분해조에서 생성시킬수 있지만, 일반적으로 폐수에는 상당량의 염소이온(Cl^-)이 포함되어 있기 때문에 많은 경우 소금을 추가로 투입할 필요가 없다. 이때의 반응식은 다음과 같다.

⑥ Cl^- + H₂O → ClO^- + 2H⁺ + 2e

⑦ 2NH₄ ⁺ + 3ClO^- → N₂ + 3Cl^- + 2H⁺ + 3H₂O

따라서, 종래 폐수처리의 경우에는 산화된 질소가 존재 형태만 변할 뿐 제거 효율이 매우 낮은 것과 달리, 본 발명의 경우에는 폐수와의 접촉면적을 최대화한 다공성의 미세전해물질(M)에 다량 포함된 다양한 환원금속에 의하여 모든 종류의 질소를 신속하게 환원시켜 제거할 수 있다.

3. 펜톤산화공정

펜톤산화공정(S300)은, 미세전해공정(S200)에서 미처리된 오염물질을 분해하기 위하여 전해반응조(20)의 폐수를 산화반응조(30)로 유입한 다음 과산화수소(H₂O₂)를 외부에서 투입하여 펜톤산화(Micro-Electrolysis) 반응을 촉진하는 부가적 공정으로서, 이 공정의 펜톤산화 반응시 2가철(Fe(Ⅱ))은 전해반응조에서 충분한 량이 유입되기 때문에 과산화수소(H₂O₂)만을 일정량 투입함으로써 강력한 COD 제거 효율을 갖는다.

4. 응집반응공정

응집반응공정(S400)은 앞선 미세전해 반응 및 펜톤산화 반응에 의하여 오염물질이 분해된 폐수에서 슬러지를 응집하고 폐수를 중화시키는 공정으로서, 보다 상세하게는 도 2에 도시된 바와 같이 응집제를 투입하는 응집반응조(41)와 소석회(CaOH₂)를 투입하는 중화조(42) 및 폴리머를 투입하는 응집조(43)가 순차적으로 구분되도록 함이 바람직하다.

이때, 상기 응집반응조(41)에 투입되는 응집제는 공지의 PAC 무기 응집제를 사용하고, 상기 중화조(42)에 투입된 소석회(CaOH₂)는 앞서 투입된 무기 응집제가 최적의 응집 반응을 일으킬 수 있도록 폐수의 pH 수치를 높여 중화하며, 응집조(43)에 투입되는 폴리머(Polymer)는 무기 응집제의 반응으로 생성된 고형물의 크기를 크게 하여 후술할 침전조(50)에서 자연 침강이 원활하게 될 수 있도록 하는 역할을 한다.

5. 침전공정 및 탈수공정

침전공정(S500)은 상기 응집반응공정(S400)에서 생성된 고형물인 슬러지를 침전조(50)에 침전시켜 고액을 분리하는 공정이고, 탈수공정(S550)은 침전조(50)에서 고액 분리된 슬러지를 탈수기(55)로 투입하여 수분을 제거한 후 반출하기 위한 공정으로서, 본 발명은 상기 탈수기(55)의 종류에 한정하지 않는다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세전해 반응을 이용한 폐수처리방법에 사용되는 미세전해물질(M)의 구성을 살펴본다.

본 발명에 따른 미세전해물질(M)은 산성 조건의 폐수에서 전위차에 의한 산화/환원 반응이 일어나도록 철(Fe)과 탄소(C) 및 환원금속을 주성분으로 하여 소결된 다공성 구성체로서, 구체적으로 철 65~85중량%와, 탄소 10~30중량%와, 환원금속 2~8중량%를 1300℃~1800℃의 고온으로 소결하되, 다공성 구조를 갖도록 형성함으로써 폐수의 유입시 그 접촉면적을 최대화한다.

이때, 상기 미세전해물질(M)에 포함된 환원금속은 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 아연(Zn), 크롬(Cr), 철(Fe), 카드뮴(Cd), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 납(Pb) 중 적어도 하나 이상을 포함하고, 상기 환원금속은 미세전해공정(S200)에서 질소를 신속하게 환원시켜 제거하는 촉매제 역할을 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세전해 반응을 이용한 폐수처리방법 및 그 미세전해물질의 작용을 살펴본다.

최초, pH조정공정(S100)에서 pH 조정조(10)로 유입된 폐수 원수에 황산(H₂SO₄)을 투입하여 폐수의 산성도를 pH 2~3의 범위로 조정하되 바람직하게는 pH 2.5로 조정하고, 상기 산성 조건으로 조정된 폐수는 미세전해물질(M)이 충진된 전해반응조(20)로 유입하여 미세전해공정(S200)을 수행한다.

구체적으로, 미세전해물질(M)과 접촉하는 산성 조건의 폐수는 외부 전력을 공급하지 않은 상태에서 미세전해물질(M)에 포함된 철과 탄소가 전극 역할을 하여 미세전해(Micro-Electrolysis) 반응을 유도되고, 이와 동시에 미세전해 반응시 생성되는 2가철과 과산화수소의 펜톤산화(Fenton Oxidation)가 유도되어, 결과적으로 OH 라디칼(OH Radical) 등 강력한 산화제의 생성을 극대화함으로써 유기물의 효과적인 분해가 가능하며, 다른 한편으론 미세전해물질(M)에 포함된 환원금속의 표면에서 질소가 신속하게 환원되어 제거된다.

이때, 상기 전해반응조(20)의 산성도를 지속적으로 측정하여 pH 수치가 높아지면 황산을 추가 투입함으로써 최적의 미세전해 반응 조건을 유지한다.

그리고, 미세전해공정(S200)에서 처리되지 않고 잔류하는 오염물질은 과산화수소가 투입되는 산화반응조(30)로 유입하여 펜톤산화공정(S300)을 부가적으로 수행함으로써, 보다 완벽한 오염물질의 제거가 가능하다.

이후, 오염물질이 분해된 폐수는 무기 응집제가 투입되는 응집반응조(41)와 소석회가 투입되는 중화조(42) 및 폴리머가 투입되는 응집조(43)에 순차적으로 유입되는 응집반응공정(S400)을 거친 후, 침전공정(S500)의 침전조(50)에서 고액 분리된 정류수는 방류하고 슬러지는 탈수공정(S550)의 탈수기(55)를 거쳐 수분을 제거한 다음 외부로 반출한다.

따라서, 본 발명에 의하면 기존의 전기화학적 폐수처리 및 펜톤산화에 의한 폐수처리의 장점을 모두 갖는 반면, 종래 기술의 단점은 해소하여 외부 전력과 2가철 및 과산화수소의 공급이 필요 없어 그 운전 및 유지관리가 용이하며, 다른 한편으론 강력한 산화제인 OH 라디칼의 생성을 극대화함과 아울러 다양한 경로를 통하여 오염물질을 제거할 뿐만 아니라, 환원금속의 반응으로 질소 성분의 제거하는 등, 폐수처리효율을 대폭 증진할 수 있다.

10: pH 조정조 20: 전해반응조
30: 산화반응조 41: 응집반응조
42: 중화조 43: 응집조
50: 침전조 55: 탈수기
S100: pH조정공정 S200: 미세전해공정
S300: 펜톤산화공정 S400: 응집반응공정
S500: 침전공정 S550: 탈수공정
M: 미세전해물질

Claims (6)

1. 폐수에 황산을 투입하여 폐수의 산성도를 pH 2~3으로 조정함으로써, 후속 공정에서 안정적인 미세전해(Micro-Electrolysis) 반응이 일어날 수 있도록 하는 pH조정공정(S100)과;
   철 65~85중량%와, 탄소 10~30중량%와, 환원금속 2~8중량%를 1300℃~1800℃의 고온으로 소결한 다공성 소결체인 미세전해물질(M)이 채워진 전해반응조(20)에 상기 pH 2~3으로 조정된 폐수를 유입하고 산소를 공급함으로써, 미세전해물질(M)에 포함된 철과 탄소가 전극 역할을 하는 미세전해(Micro-Electrolysis) 반응을 유도하여 외부 전력의 공급 없이 폐수를 전기분해 함과 동시에 미세전해 반응시 미세전해물질(M)에 의하여 생성되는 2가철 및 과산화수소의 펜톤산화(Fenton Oxidation) 반응을 유도하여 OH 라디칼의 산화력에 의해 오염물질이 분해되도록 하는 한편 미세전해물질(M)에 포함된 환원금속의 반응으로 질소를 제거하는 미세전해공정(S200)과;
   상기 미세전해 반응 및 펜톤산화 반응에 의하여 오염물질이 분해된 폐수에서 슬러지를 응집하고 폐수를 중화시키는 응집반응공정(S400)과;
   상기 응집반응공정(S400) 후 슬러지를 침전시키는 침전공정(S500)과;
   침전된 슬러지를 탈수시켜 반출하는 탈수공정(S550)을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세전해 반응을 이용한 폐수처리방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 미세전해공정(S200) 후 미처리된 오염물질을 분해하기 위하여 전해반응조(20)의 폐수를 산화반응조(30)로 유입한 다음 과산화수소를 투입하여 펜톤산화 반응을 촉진하는 펜톤산화공정(S300)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세전해 반응을 이용한 폐수처리방법.
   
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