KR101708702B1 - 전기 화학적 폐수 처리 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐수처리장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 적어도 하나의 음극과 양극을 가지며 오염물질들을 제거하는 전기응석유닛과, 산화제가 전기화학적으로 발생되는 적어도 하나의 음극과 양극을 가지며 오염물질들을 산화시키는 전기산화유닛을 포함하여 구성된다. 폐수의 종류에 기초하여, 본 발명의 장치는 상기 전기응석유닛과 전기산화유닛 사이에 전기부유선광기를 가질 수 있다. 또한, 본 발명의 장치는 잔여 산화제와 반응하여 이들을 제거하는 금속 이온유리 전극을 가진 산화제제거유닛을 가진다. 필요한 경우 효율성을 증가시키기 위하여, 상기 산화제 제거유닛으로부터 배출된 유출수의 일부분을 상기 전기응고유닛으로 재순환시킬 수 있다.

Description

전기 화학적 폐수 처리 장치 및 방법{Apparatus and method for electrochemical treatment of wastewater}

본 발명은 폐수 처리 분야에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 폐수의 전기화학적 정화를 위한 장치 및 공정에 관한 것이다.

소규모의 지역 사회나 소규모 기업 또는 다수의 사람들이 공공의 폐수처리 시스템을 이용하지 않거나 또는 다양한 이유로 이러한 시스템을 이용할 수 있는 경우들이 많이 있다. 예를 들면, 독립된 주거지, 선박와 해양 플랫폼, 작은 섬, 연구단지나 군사적 전초 기지, 외딴 농경지나 산업체 그리고 폐수의 원천 지점들이다.

이렇게 다양한 공동체들은 중수도 용수, 공장 폐수, 오수, 유성 폐수(oily water), 그리고 병원체, 유기 및 무기물질, 용해성 물질이나 비용해성 물질 등에 오염된 거대한 양의 폐수를 방출하고 있다.

그 중에서도 상당량 부분의 폐수가 선박으로부터 나온다. 즉, 엔진실 바닥에 고였던 폐수, 화장실의 오수, 그리고 사워실, 세탁실, 주방과 식자재실에서 나오는 오수가 그것이다.

해양에서의 폐수 방출 기준뿐 아니라 지역적 그리고 국제적인 지상에서의 폐수 방출에 관한 규정들이 점점 더 엄격해지고 있다. 특히, 인산염, 질산염, 분변계 대장균에 오염된 물이 중대한 문제가 될 수 있는 지역에 위치한 거주지역에서는 폐수 처리 규정이 점점 더 엄격해지고 있다.

국제적 해양 규정들과 이외 단속 기관들 또한 환경계에 부정적인 영향을 주는 인과 암모니아 성분을 함유한 영양소들 뿐만 아니라 기름, 분변계 대장균, 생물학적 산소요구량, 염소 등 과 같은 오염 물질에 대한 단속 기준들을 점차적으로 강화하고 있다. 사실상, 이미 많은 해양 지역에서 선박으로부터 나오는 폐수는 선처리 공정 없이는 방출할 수 없게 되어 있다.

선박내 화학 성분이 없는 물 처리 시스템의 필요성을 기술한 종래의 공지기술들이 있다. 예를 들면, US Pat. 6,923,901 과 US Pub. No. 20040099607 은 공기와 전기를 이용하여 기체 산소와 질소이온류를 발생시켜 선박의 밸러스트(ballast), 화장실, 그리고 세탁실 같은 곳에서 나오는 다양한 폐수들을 정화하는 방법을 개시하고 있다. 또한, 소금물을 이용하여 염전해법으로 염소를 생산하여 물을 살균하는 방법을 개시하고 있다.

공지의 문헌들은 특정한 배열에 의해 폐수를 정화하는 다양한 전기화학적 장치들의 조합을 보여준다. 예를 들면, US Pat. 7,354,509 은 공간의 제약과 오염물질의 특징을 실질적으로 고려한, 전기적 응석법, 순환 동력 자기적 물질여과 장치, 그리고 자외선 살균 및 최종 퇴적 과정 등 연속적인 단계들을 통한 폐수정화시스템을 개시하고 있다.

US Pat. No. 6,960,301 에서는 오존 전처리 공정에 따른 더 큰 입자들(particles)을 제거하기 위한 초기 여과망 장치, 입자들을 응석시키기 위한 전기 응석 장치, 그리고 이온 교환 장치를 이용한 암모늄 잔여물 제거를 위한 산화 및 연마 장치로 구성된 침출수와 폐수 복원 시스템을 개시하고 있다.

그러나, 화학첨가제, 생물학적 처리 과정이나 강산화 가스의 발생없이 복잡하고 다양한 종류의 폐수들을 동시에 다루는 것이 가능하고 전자동 점멸 기능을 갖춘 소형의 장치 기구와 방식이 요구되고 있다. 이러한 장치는 공간이 제한된 장소, 중앙 폐수 처리 시설을 이용할 수 없는 외진 곳, 폐수 처리 시스템을 수행시킬 수 없는 폐수 방출 지역, 그리고 의약품 잔여물과 같은 일반적인 처리과정으로 제거될수 없는 오염물질들을 함유하고 있는 폐수처리를 위해 사용될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 장치와 방법이 종래의 제한성과 단점들을 보완할 것이다.

간단히 사용할수 있고, 전기화학적 처리 장치를 기본으로 하여 오직 전기만을 요구하는 전기화학적 폐수 처리 기술(Wastewater Electrochemical Treatment Technology, WETT)과 주기적 저비용의 전극 교체는 개별적으로나 동시다발적으로 여러 다른 종류의 폐수를 효율적으로 다룰수 있다. 이 시스템의 중요한 특징은 다양성과 추가적인 외부의 화학 물질, 처리제(treatment agent)나 생물학적 처리과정을 요구하지 않는다는 것이다. WETT의 또 다른 중요한 점은 생물학적 처리과정이나 다른 많은 처리 공정들보다 빠른 처리 과정이다.

대부분의 폐수 처리 기술과 달리, 이 시스템은 잡식성의 특성을 가지고 있다. 즉, 여러가지 그리고 다양한 종류의 폐수를 재사용하거나 외부 환경으로 방출 할수 있게 만드는 처리 능력을 가지고 있다. 많은 폐수 처리 방법들은 단지 한가지 타입의 폐수만을 처리할수 있는 반면, 본 출원인의 기술은 가장 처리하기 쉬운 (일반적으로 큰 사이즈나 쉽게 재생되는) 오염물에서부터 가장 처리하기 어려운 (일반적으로 작은 사이즈, 또는 용해되거나 다루기 힘든) 오염물까지 대부분의 오염물질들을 체계적으로 제거할수 있도록 연속적인 처리 공정을 거치도록 설계되어 있다.

또한, 대부분의 폐수 처리 기술과는 달리, 본 발명은 비싸고 안전 취급과 보관이 요구되는(많은 외진 지역에서는 지원되기가 힘들거나 또는 정기적인 수송편의 접근로가 없는) 화학약품이나, (많은 외진 지역 공동체에서 훈련된 직원, 공간적 여유, 또는 이러한 시스템을 운영할 적절한 조건들이 부재로 쉽게 잘못 운영될수 있는) 생태학적 처리방법을 사용하지 않는다.

그러므로, 본 발명의 목적은 전기응석유닛(electro-coagulation unit, EC), 전기산화유닛(electro-oxidation unit, EO), 그리고 산화제제거유닛(oxidant removal unit, OR)로 구성된 폐수 처리 장치를 제공하는 것이다.

먼저, 전기응석유닛은 폐수의 오염물질들을 제거하는 기능을 가진 장치로, 폐수가 들어올 적어도 하나의 작은 주입구와 전원에 연결된 적어도 하나의 양극과 적어도 하나의 음극으로 구성되어 있다.

또한, 전기산화유닛은 폐수에 있는 오염물질들을 산화시키는 기능을 가진 장치로, 전기응석유닛에서 처리된 폐수가 들어올 적어도 하나의 작은 주입구와, 적어도 하나의 양극과 적어도 하나의 음극으로 구성되어 있고 그곳에서 산화제(oxidant)가 전기화학적으로 발생된다.

마지막으로 산화제제거유닛은 폐수로부터 산화제를 제거하는 기능을 가진 장치로, 전기산화유닛에서 나온 폐수가 들어올 적어도 하나의 주입구, 산화제 제거 공정 동안 폐수를 담아놓을 용기, 그리고 이 전체 장치를 거쳐 처리된 폐수를 내보내거나 처리된 폐수를 재처리하기 위한 루프형태의 밀폐형 순환로를 통하여 전기산화유닛으로 돌려보내는 적어도 하나의 배출구로 구성되어 있다.

추가적으로, 이 장치는 산화제제거유닛의 유닛을 통과한 이후, 추가적인 장치를 통하여 음용이 가능한 물로 만들수 있도록하는 역삼투압기 또는 증발-응결기 (evaporation-condensation unit)로 구성될수 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 폐수에서 산화제를 제거할수 있는 적어도 하나의 폐수 주입구를 가진 산화제 제거장치를 제공하는 것에 있다. 또한, 전원과 연결되어 있는 적어도 각각 하나의 양극과 음극을 가진 산화제제거유닛의 용기, 적어도 하나의 양극은 산화제 잔여물과 반응하여 금속산화물을 만드는 금속이온을 폐수에 방출하기 위해 사용된 양극금속(metal anode)과, 폐수로부터 금속 산화제를 분리하는 장치, 그리고 적어도 하나의 산화환원전위(oxido-reduction potential, ORP) 센서와 산화제 제거 정도를 결정하는 염소 센서로부터 입력을 받는 제어 장치와 처리된 폐수를 방출하는 배출구가 그것이다.

또 다른 본 발명의 목적은, 이산화탄소(CO₂), 수소이온농도(pH), 염소, ORP (Oxido-reduction potential)의 측정치 중 하나 또는 다수개의 측정치의 함수에 따라서 폐수처리 시스템에서의 산화반응을 제어하는 장치를 제공하고, 상기 산화반응을 제어하는 장치는, 폐수의 오염물질의 산화시키도록 설치된 산화실(oxidation chamber);처리의 레벨 및/또는 진도를 제어하기 위하여, 상기 산화실과 유동적인 통신을 하며 이산화탄소(CO₂), 염소, ORP 의 양에 비례하는 입력신호를 산화실 제어기로 전달하는 하나 또는 다수개의 이산화탄소(CO₂), pH, 염소, ORP 센서; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 산화반응을 제어하는 장치이다.

또 다른 본 발명의 목적은, 전기응석유닛에서 전기적으로 응석된 폐수속 오염물질들과, 전기산화유닛에서 전기적으로 산화된 폐수속 오염물질들과, 산화 잔여물과 반응하며 산화제제거유닛에서 폐수로부터 분리되어 나올 수 있는 금속산화물을 생산하는 전극으로부터 유리된 금속이온들과, 방출하는 처리 폐수를 포함하여 구성되는 폐수 처리 공정을 제공하는 것이다. 어떤 경우에는, 공지된 산화 잔여물들이 전기산화유닛으로부터 방출될 때, 상기 산화제제거유닛의 금속이온유리전극(metal ion liberating electrode)은 산화제 분해를 위한 자외선 방사원(a source of ultraviolet radiation)에 의해 대체될 수 있다.

본 발명은 여러면으로 폐수를 산화 공정에 폐수를 넣고 산화제 제거공정에 산화된 폐수를 넣음으로써 폐수를 처리하는 방법을 제공한다. 산화된 폐수를 산화제 제거공정에 넣는 방법은 금속이온이 산화제들과 반응하여 금속 산화물을 생산하게 되도록, 적어도 하나의 전기적 소거용 전극으로부터 금속 이온을 폐수속에 방출시키는 전원과 연결된 전극사이로 폐수를 보내는 방법이다.

본 발명은 여러면으로 산화제를 함유하고 있는 폐수를 처리하는 방법을 제공한다. 이것은 폐수를 산화제 제거 공정에 넣어서 재순환로에 있는 폐수를 전원이 연결된 전극들 사이를 지나가게 하고, 산화환원전위와/나 염소 센서를 사용하여 폐수속의 산화제 레벨를 측정하고, 마침내 산화제 용량의 기능으로써 폐수를 폐수속에 방출한다.

또한, 본 발명은 산화실에서의 산화반응을 제어하는 방법을 제시한다. 이 방법은 산화실에서 오염물질을 산화하고, 한개나 그이상의 처리 지표들을 측정하며, 처리 지표들의 기능으로써 산화반응을 조정하므로써 산화반응을 제어한다. 여기서 처리 지표란 산화환원전위(ORP), 유리 염소(free chlorine), pH, 그리고 이산화탄소와 같은 처리공정을 보여주는 지표를 말한다.

본 발명은 산화제제거유닛과 임의의 다른 상류(upstream) 전기화학 기기 사이에 고리(loop)를 구성하여 금속산화물을 함유한 산화제제거유닛의 폐수가 상류 위치로 이동함으로써 자연유기물이나 다른 물질의 응석와 흡착을 향상시키고, 더나아가 이 시스템의 효율을 향상시키는 장치를 제공한다.

첨부 도면들을 참조하여 기술된 발명의 상세한 설명을 통하여 본 발명을 보다 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1 는 WETT 과정을 나타낸 도면으로서, 전기응석법(electro-coagulation), 전기부유선광법(electro-flotation), 전기적산화(electro-oxidation)와 산화환원법(oxidant reduction), 사용된 중요 온라인 센서, 그리고 산화철(iron oxide)의 재활용 기능 등이 포함된다.
도 2 는 유리 염소의 변화량을 보여주는 그래프로서, 30mA 에서 작동하는 실험실 규모의 산화제 감소기기(Oxidant Reduction Unit, OR)를 통하여 처리되는 시간에 따라 제거되는 유리 염소양의 변화를 나타낸다.
도 3 은 상기 산화제 감소기기의 처리 시간에 따른 클로라민(chloramine)의 변화량을 보여주는 그래프이다. 이 그래프는 15mA 에서 작동하는 실험실 규모의 산화제 감소기기(Oxidant Reduction Unit, OR)를 통하여 처리되는 시간에 따라 제거되는 클로라민양의 변화를 나타낸다.
도 4a 는 폐수(Blackwater, BW)와 중수도 용수(Greywater, GW)를 처리하는 WETT 기를 나타내는 도면이다. 도 4b 는 유수(oil water) 성분이 함유된 오폐수를 처리하는 WETT 기의 도면이다.
도 5 는 시간변화에 따른 COD, CO₂, 그리고 pH 센서의 실험결과를 보여주는 그래프이다. 이 그래프는 산화처리공정과 각각의 실험값 사이의 상관관계를 강조하여 나타내기 위함이다.
도 6 은 상기 OR 처리 시간에 따른 용액(solution) 안에서의 ORP(산화환원전위)와 유리염소의 변화를 보여주는 그래프이다. ORP 값이 700mV에 이를때 작동되는 유리 염소 센서를 이용하여 측정한 값이다.
도 7 은 금속산화 Fe(OH)₃ (수산화3가철)의 증가에 따른 BW 와 GW 내의 총 현탁물질(total suspended solids, TSS)값과 교반시험(jar test)에서 측정된 색감(color)을 나타내는 그래프이다.
도 8 은 오폐수의 흐름 회로와 제어 회로를 보여주는 WETT 장치를 나타내는 도면이다.

도 1 은 WETT 과정에서의 다양한 전기화학적 처리 기기들, 사용될수 있는 주요 온라인 센서, 그리고 산화철을 전기화학 처리 이전으로 보내어 재활용하는 공정(밑줄로 나타냄)을 도시하고 있다. 도 1 에서는 벌크 고체(bulk solid)들과 처리가 필요한 폐수에 있는 오일(oil)의 농도에 따라 요구될 수 있는 고형물질들이나 오일을 제거하는 선처리기 공정은 보여주지 않는다. 바 스크린(bar screen), 거친 필터(coarse filter), 그리고 코오레서(coalescer)와 같이 잘 알려진 장비들은 이 작업 단계에서 사용될수 있다. 분쇄기와 같은 선처리기 장치는 고형물질의 크기를 줄이는데에도 사용될수 있다.

폐수 정화 공정과 연관된 WETT 의 구성 장치들은 다음과 같다. (도 1 참조) 일 실시예로서, 이 과정은 네 개의 연속된 전기화학기기들로 구성되어 있다.

1. 전기응석(Electro-coagulation) (EC)

2. 전기부유선광기(Electro-flotation) (EF)

3. 전해산화(Electrolytic Oxidation) (EO)

4. 산화제 제거(Oxidant Removal) (OR)

상술한 기기들중 전기응석과 같은 몇몇 기기들은 이미 공지된 기술이다. 반면, 산화제 제거와 같은 기기들은 신규한 기술이다. 본 발명은 화학물질이나 생물학적 처리공정의 사용없이 다양한 폐수류들을 처리할 수 있도록 하기 위한 상술한 기기들의 배열, 작동, 그리고 제어에 중점을 두고 있으며, 본 발명의 여러가지 개선된 구성은 WETT 를 유일하고 종래에 없는 공정과 장치로 만들것이다.

폐수는 본 발명에 따른 전기화학적 처리방식으로 잇점을 수득할 수 있는 유입수(influent stream)와 유출수(effluent stream), 또는 액체(liquid) 모두를 포함하는 의미라고 할 수 있다. 또한, 전기응석에서 생성된 가스 기포가 부유하는 오염물질을 발생시킬 때, 상기 전기응석이 상기 전기부유선광기의 기능까지 포함하는 것으로 해석되어야 한다고 이해될 수 있을 것이다.

나아가, 현존하는 기술에서는 특정한 한가지 폐수류만을 다룰수 있는 방식이거나, 분리된 장비를 이용한 특정한 폐수류의 혼합물만을 다룰 수 있는 방식만을 제시하지만, 본 발명에서 소개되고 있는 특별한 배열과 작동 방식은 선박에서 방출되는 주요 세 가지 폐수들(오폐수, 증수도 용수, 유수)을 동시에 처리할 수 있는 방식이다.

이하에서, 도 1 에 도시된 WETT 공정에 있는 각 부분을 보다 더 상세하게 설명하기로 한다.

전기응석 (EC)

본 발명은 폐수에 함유되어 있는 현탁고형물질, 콜로이드(colloid), 금속이온, 오일과 유탁액(emulsion)을 불안정하게 만들어 응석시키기 위하여 전기응석 공정을 이용한다.

상기 전기응석은 처리될 폐수속에 담겨진(일반적으로 알루미늄이나 철로 이루어진) 한 개나 그 이상의 쌍으로 이루어진 금속 전극들에 전압을 공급한다. 상기 양극(들)은 소거되면서(sacrificial) 응석 효과를 가진 금속 이온들을 방출한다. 동시에, 수소가스거품들이 음극(들)에서 발생되고, 그 거품들은 기하학적 구조와 상기 폐수의 흐름 방향에 따라 응석된 오염물질들(자유 금속이온을 포함한)을 처리될 상기 액체(liquid)의 표면으로 흘려 보낸다. 당업자에게 공지된 전극의 극성반전(polarity reversal)은 음극(들)의 표면에 생성되는 침전물 형성을 방지함으로써 전극의 수명을 연장시키고 전기응석기 내의 전기적인 손실을 최소화한다.

본 발명의 바람직한 실시예의 전기응석유닛은 수직방향의 알루미늄 평형 전극 평판을 사용하지만, 오염물질의 응석을 가능하게 할 수 있는 전극의 어떠한 다른 배열도 사용할 수 있다. 페수는 바닥으로부터 전기응석유닛의 유닛(unit) 안으로 주입되어 전극판 사이로 끌어올려진다. 이때, 응석된 금속이온들이 방출되고 거품이 생성된다. 상기 전극판들은 플로큘레이션(floculation, 응집 또는 침전) 탱크에 위치하거나, 전극판들의 유지보수를 용이하게 하기 위해 그것으로부터 분리되어 있기도 한다. 음극에서의 가스거품 방출에 의한 난기류(turbulence)는 응석된 입자들을 침전을 일으키고, 상류(upstream) 흐름과 결합한 플록(flocs)에 붙어있는 거품들의 결합은 침전된 오염물질들을 액체(liquid) 표면에 거품(froth)을 형성하도록 한다. 이 거품(froth)은 흡입기에 의해서 또는 스키머 블레이드(skimmer blade)와 같은 다른 거품(froth) 제거 방식에 의해 지속적으로 제거된다. 그리고 탈수가 필요할 경우, 농축된 거품은 폐기처분되고, 거품을 탈수시켜 나온 액체는 폐수처리 공정의 앞부분으로 보내지거나 상기 EC, 상기 EF, 상기 EO, 또는 상기 OR 을 포함한 어느 한 개별적 기기로 보내진다. 상기 공정은 일괄방식(batch mode)으로 용이하게 처리될 수 있는 것으로서, 전류밀도들 및 이용되는 특정 표면 영역들은 이 기술분야에서 통상적인 것이며, 작동방식(operation mode)은 연속적으로 이루어진다. 수개월마다 전극 조립체의 교체가 요구되며, 그렇게 하는 것이 바람직하다. 상기 모든 전기화학적 유닛들은 소비전력을 절약하거나 처리효율을 놓이기 위하여 펄스 전류(pulsed current)를 이용한다.

전기부유선광기 (Electro-flotation, EF)

본 발명은 이 공정을 세척단계(polishing stage)로 이용하는데, 이때 상기 EC 공정에서 제거되지 않았던 떠다니는 플록들을 닦아낸다. 비록 도 1 에서 EC와 EF가 분리된 칸으로 그려져 있으나, EF는 EC기와 통합될 수 있다. EF기의 목적은 EC 처리 이후 폐수에 남아있는 플록을 뜰수 있게 만드는 마이크론(micron) 가스거품을 제공하는 것이다. 수소와 산소 거품들은 전류가 흐르는 비소거(non-sacrificial) 전극을 사용하여 전기화학적으로 생성된다. 이 경우, 양극은 이리듐(iridium) 산화물(oxide)로 코팅된 티타늄 그물망(titanium mesh)을 사용하는 반면, 음극에서는 티타늄 그물망이 사용된다. 단, EF의 요구사항들을 만족시키고 역극성을 가능케하는 한, 양쪽 양극과 음극에 티타늄으로 코팅된 백금(platinum)과 같은 다른 타입의 전극 물질들도 사용될 수 있다. 더우기, 소거용 양극(sacrificial anode)이 응석제를 방출하는 동안, 다른 EF 유닛들은 그 음극에서 마이크로-버블(micro-bubble)을 방출하게 할 수 있다.

상기 작동 방식은 연속적인 방식(continuous mode)이다. EC/EF 처리 이후, 대부분의 부유 물질들(suspended solids), 금속이온들, 프리오일(free oil)이나 유화유(emulsified oil)는, 화학적 산소요구량(Chemical Oxygen Demand, COD)로 표현되는 용해성 물질(dissolved solid)의 상당 부분과 함께 제거된다. 또한, 전극의 극성 반전은 이기기에서 음극 표면의 침전물 형성을 막는데 사용될 수도 있다.

전해산화기(Electrolytic Oxidation) (EO)

본 발명은 이 공정에서 COD로 이루어진 남아있는 용해성 물질을 산화시킨다. 전해성(또는 전기화학적) 산화는 전기화학적 공정으로, 전류가 들어오는 전극 쌍을 사용한다. 이것은 양극 표면 및/또는 규모가 있는 벌크고체(bulk solid)에 산화물질을 만든다. 유기 분자들(orgnic molecules)의 완전한 산화는 이산화탄소 가스의 유리(liberation)를 가져온다. 이때, 이 공정은 때때로 전기화학적 연소로 여겨지기도 한다. 무기물 분자는 또한 이 공정을 통하여 산화된다. 이산화탄소 가스와 더불어, (음극에서 발생한) 수소 가스와, 양극에서 발생하는 산소와 같은 작은 양의 다른 가스들은 EO 처리 공정중에 연속적으로 생성되어 방출된다. 음극은 EO 유닛에서 수소가스 생성이 되지 않는 물질로 만들어진다. 이것은 이산화탄소의 레벨의 결정을 용이하게 하고 전기산화유닛에서 수소 방출의 필요를 없앨 수 있기 때문이다.

상기 EO 공정은 실리콘, 티탄늄이나 다른 기질(substrate)을 코팅하는 붕소 도핑된 다이아몬드(Boron Doped Diamond, BDD)로 구성된 전극을 이용한다. 이것들은 스테인레스 스틸(stainless steel)이나 플라스틱 원자로 본체로 감쌀수 있다. EO 전극들은 또한 박막화학증착(chemical-vapour deposition)과 같은 기술을 사용하여 순수 BDD 평판으로 만들어질 수 있다.

양쪽 양극들과 음극들이 BDD 전극들일 경우, 음극의 침전물 형성을 막는 극성반전이 가능하다. 비록 비슷한 용량을 가지고 또한 사용될 수 있는 몇 가지 다른 타입의 전극들이 있지만, BDD 전극들은 양극 표면 근처에 히드록실라디칼 (hydroxyl radicals)을 발생시킬 만한 높은 용량을 가지고 있다. 히드록실라디칼들은 염소나 오존과 같이 잘 알려진 대부분의 산화제 보다도 강력한 성질을 가지고 있다.

이와 같이, 처리될 폐수속에 소금(또는 바닷물)이 있을때, BDD 전극들은 벌크고체(bulk solid)에 있는 산화화합물(oxidative compounds)의 중요한 지표를 만들어 준다. 특히, 용액(solution)의 pH (수소이온농도)에 따라서, 차아염소산(hypochlorous acid)과 균형을 이루어 생성된 하이포아염소산나트륨(sodium hypochlorite)은 히드록실라디칼과 같이 결합하여 용해성 오염물질을 산화시키고, 박테리아 같은 병원균을 비활성화시키며, 히드록실라디칼을 사용해야만 도달할 수 있는 산화의 비율(rate)과 양을 증가시킨다.

히드록실라디칼이 수명이 짧고, 대량유출(bulk flow)이 들어오기보다는 양극의 가까이에서 남아있기 때문에, 이 공정은 전형적으로 일괄적인 재순환 방식(batch recirculation mode)으로 작동되어 진다. 오염농도가 높을 경우, 상기 공정은 한정된 전류값을 갖는다. 그러나, 오염의 농도가 감소하여 특정 레벨 아래로 떨어지게 되면, 히드록실라디칼에 의한 산화작용은 물질전달(mass transfer)을 제한한다. 즉, COD를 낮은 레벨로 낮추기 위해, EO 반응기를 많이 통과하는 것이 필요하다. 그러나, 소금물이나 바닷물의 전기분해(electrolysis)를 통하여 얻은 하이포아염소산나트륨(sodium hypochlorite)와 같은 다른 산화제가 용액(solution)속에 있을 경우, EO 공정을 연속 방식으로 작동하기 위해 충분한 산화가 대량유출 지점에서 일어날 수도 있다. 그러므로, 작동 상태와 필요한 COD 감소 정도에 따라, EO 공정에서 연속 방식 작동 역시 가능하다. 처리과정에서 필요한 표면적과 전력 소모를 최소화할수 있도록 EO 공정을 설계하는 것이 좋다.

산화제제거(Oxidant Removal) (OR)

이 공정은 상기 WETT 공정에서 마지막 단계이다. 이 공정은 EO 처리 과정 이후 남아있는 산화제 잔여물의 분해가 요구되는 경우, 그것을 처리하는 기능을 수행한다. 예를 들면, 선박에서 나오는 폐수에 의한 오염을 막는 국제해양기구(International Maritime Organization, IMO)와 협회(Convention)의 IMO/MARPOL 규정들은, 비록 이미 정화처리되었더라도 해양 선박이 염소산(chlorine oxidant) 잔여물이 0.5mg/L이상 포함된 처리된 폐수를 방출하는 것을 금지하고 있다. 만약 폐수류 중에 한가지라도 바닷물이 포함되어 있거나, 폐수의 전도성을 향상시키기 위하여 바닷물이 첨가되었다면, 그리고, 만일 산화를 위해 전해법(electrolytic process)이 사용되었다면 염소산(chlorine-based oxidant)이 생성될 것이고, 방출 가능한 COD의 레벨에 도달했을때 염소의 농도는 IMO/MARPOL 방출 기준을 일반적으로 초과할 것이다. 전체 염소값은 유리 염소(free chlorine)과 혼합 염소(combined chlorine)(일반적으로 클로라민류(chloramines))의 합이다. 그리고, 다른 접근방법들(approaches)과는 달리, 본 발명의 접근방법은 전해공정(예를 들면, 부롬형(bromine-based))에 의하거나, 화학물질이나 가스등을 첨가하여 생성된 다른 형태의 산화제들뿐만 아니라, 염소성 산화제들(chlorine-based oxidants)까지 분해할수 있다. 도 3 은 OR 유닛을 사용한 전형적인 유리염소와 클로라민의 감소에 대한 실험실규모의 결과값을 보여준다.

공지 기술술에는, 화학 환원제(reducing agent), 과립형 활성탄(granular activated carbon), 촉매제나 다른 그러한 소비재들을 사용한 탈염소 방식들이 잘 알려져 있다. 이러한 접근방법에는 많은 단점들이 있는데, 그것은 화학 결과물의 처리와 폐기시 요구되는 높은 비용과 주의 안전의 문제점, 그리고 외진 곳에 위치하는 지역체의 경우 정기적으로 이와같은 탈염소원(dechlorinating agent)를 구하는 것이 어렵다는 사실들이다.

대신에, WETT의 핵심 장치를 형성하는 전해 접근법(electrolytic approach)을 고수하면서, 본 출원인은 저렴하고 신속한 잔여 산화제를 제거하는 전해 접근법을 개발하였다.

OR 유닛의 작동은 주로 철(탄소강과 같은, carbon steel)로 만들어진 전류가 흐르는 평행 전극판들을 사용한다. 전극들은 스테인레스 스틸 반응기(reactor)로 감싸져 있다. 그리고, 필요한 만큼의 산화제가 제거될 때까지 처리될 액체들은 반응기(reactor)를 통하여 순환된다. 이와는 달리, 전극 스택(stack)은 오수탱크(holding tank)안에 놓여질 수도 있다. 이때, 오수탱크는 폐수를 담아서 뒤섞을수 있는 적절한 물질로 만들어져 있다. 비록 잔여 산화제 농도와 다른 입자들에 따라 연속적인 작동이 요구될수도 있지만, 일반적으로 작동은 일괄방식이다.

전극들에 흐르는 전류는 양극으로 부터 자유로운 Fe²⁺ 이온들에게 영향을 주는데, 이 이온들은 즉각적으로 잔여 산화제와 반응하여 수산화 3가 철(Fe(OH)₃), 즉 녹으로 알려진 중성 pH에서 용해되지 않는 침전물을 생성한다. 예와 같이, 산화 하이포아염소산나트륨(oxidant sodium hypochlorite) 자체는 해가 없는 나트륨(sodium)이나 염화(chloride) 이온으로 (NaCl이나 소금에 용해되어) 환원되지만, 산화 하이포아염소산나트륨은 Fe²⁺ 이온들을 Fe³⁺ 이온들로 산화시킨다. 산화제 제거 정도가 처리되는 시간 및 비율과 함수 관계가 있을때, 산화제 제거율은 주로 산화제의 농도나 물에서 자유로운 Fe²⁺의 농도에 의해 결정되고, Fe²⁺의 농도는 전류밀도와 함수관계에 있게 된다.

이와는 달리, 산화제 또한 다른 방법들으로도 제거될 수 있다. 즉, 과립형 활성탄(granular activated carbon), 이온 교환, 필터, 화학 환원촉매제(chemical reducing agent), 공기혼합장치(aeration device), 산화제 및 자외선의 열분해를 위한 가열 장치(heating device) 등과 같은 방법들이 있다. 예를 들면, 산화제 제거 장치의 다른 실시예에서, 자외선원은 염소(chlorine)와 EO 장치에서 발생된 다른 산화제들을 분해한다.

EC의 양극들과 마찬가지로, 전기방식용(sacrificial anode) OR 전극들의 크기는, 교체가 매 수개월마다 필요하도록 하거나 작동시 극성반전이 가능하도록 맞추는 것이 선호된다. 정화처리된 유출수(effluent)의 사용의 필요성에 따라, 작은 양의 잔여 산화제가 때때로 필요하기도 하다(예를 들면, 지방 자체 단체의 폐수처리시설에서 처리될 경우가 그렇다); 이 경우, OR 공정은 모든 잔여 산화제가 분해 되기 전에 끝난다.

처리된 유출수 속의 수산화3가 철(Fe(OH)₃) 입자들(이 있을 경우)의 제거 정도 또한 처리된 유출수의 사용의 필요성에 따라 결정된다. 식수에서 철 성분은 사람의 건강이나 환경 파괴의 위험보다는 (맛, 색이나 축적과 연관된) 심미적 목적을 위해서 통상적으로 제거된다. 철은 사실상 사람의 좋은 건강을 위해 꼭 필요한 성분이다. 그리고, 비록 일반적으로 철의 농도는 10ppm보다 적지만, 철이 식수에 함유되어 있을때 (우물과 같은) 물에 함유된 철의 농도는 40ppm 만큼 높게 나온다. 그러나, 심미적 이유로 인한 철의 권장 한계는 0,3 - 0.1 ppm이다. 해군 선박의 경우, 작은 양의 녹 입자들을 해양으로 방출할 때, 약간의 주의가 필요하다. 사실상, 많은 양의 유리(glass)와 금속 폐기물들은 해양에 떠다니는 것을 방지하기 위해 해양으로 버리지기 전에 정기적으로 선내에서 파쇄되어야만 한다. 더우기, 해양학자들은, 상당히 큰 규모의 실험들의 실시를 통하여 철 성분의 부족은 해양의 척박지대 형성을 야기시켜 해양에 철을 뿌려야할 수도 있다고 가정하고 있다.

수산화3가 철(Fe(OH)₃) 입자들의 제거가 필요한 이러한 경우, 수산화3가 철(Fe(OH)₃)의 농도, TSS 방출 기준, 그리고 다양한 다른 요인들에 따라 여러 접근방법들이 사용된다.

수산화3가 철(Fe(OH)₃)의 농도가 큰 경우, 수산화 3가 철(Fe(OH)₃) 입자들을 폐수로부터 분리하기 위해서 정화기(clarifier)가 사용될 수 있다. 상기 정화기는 그 적용(application)에 따라 일괄적 또는 연속적인 방식으로 작동한다. WETT 공정에서 일반적으로 요구되는 산화제 감소 레벨을 맞추기 위해, 어떤 경우들에서, 수산화3가 철(Fe(OH)₃)의 농도 및 입자의 크기 분포는 정화기 바닥의 농축된 슬러리(slurry)으로부터 제거될 수 있는 입자들의 침전물(settling)의 비율을 적당히 맞추기에 충분하다. 이때, 정화기는 원뿔모양의 정화기 바닥에 붙어있는 방출 파이프(exit pipe)의 벨브(valve)를 열어 일괄방식으로 작동한다. 이 기간 동안의 흐름은 안정적인 액체(liquid)속의 소용돌이(swirling)나 난기류(turbulence)를 최소화 시키기 위해 얇은 층(laminar)을 형성하도록 고안되어 있다.

수산화3가 철(Fe(OH)₃)의 농도가 높고 고체들(solids)의 고농축이 요구되는 상황하에서 적용시, 하이드로사이클론(hydrocyclone)과 같은 장비, 압착식 여과기(filter press), 또는 모래(rotary drum filter)가 이용될 수 있다. 이와는 달리, 수산화3가 철(Fe(OH)₃)의 농도가 낮을 때, 블랙 워시(blackwash) 필터나 다른 여과 장치들이 입자들을 제거하고, 깨끗한 시내(stream)와 고농도의 수산화 3가 철(Fe(OH)₃) 입자들을 포함한 슬러리(slurry)를 만드는데 사용될 수 있다. 수산화3가 철(Fe(OH)₃) 입자들을 포함한 슬러리(slurry)는 폐기되거나, 처리되지 않았거나 부분적으로 처리된 폐수의 흐름으로 돌아가기도 한다. 상기 처리된 폐수는 이하 설명된 것처럼 중요한 이점들을 제공한다.

WETT 공정 설명

오폐수(blackwater, BW)와 중수도 용수(graywater, GW), 또는 유수(oily water, OW) 류(stream)들이 혼합된 경우, 도 4a 에 도시된 바와 같이 처리되는 폐수는 간단히 각각의 WETT 기기들을 거친다. 대부분의 폐수류들은 상기 공정을 작동할 정도의 충분한 전도성을 띄고 있다. 그리고, EO 공정중에 발생한 히드록실라디칼(hydroxyl radical)은 심지어 염소성 산화제(chlorine-based oxidant)의 도움없이도 충분히 용액(solution)속의 COD과 생물농약(biological agent)을 감소시킨다. 상기 염소성 산화제(chlorine-based oxidant)은 일반적으로 염류용액(saline solution)의 전기분해(electrolysis)를 바탕으로한 접근방법을 통하여 생성된다.

소금(바닷물이나 역삼투(reverse osmosis) 담수화(desalination) 공정으로 얻은 소금물)은 WETT 공정을 통해 처리되는 폐수의 전기 전도성(electrical conductivity)를 증가시키기 위한 요구에 따라 첨가될 수 있다. 염소성 산화제(chlorine-based oxidant)의 잉여분 발생을 방지하기위해, 이 소금의 첨가는 최소분량만을 사용해야 한다.

도 4a 에서 보여지는 상기 접근방법(approach)은 소금의 첨가나 첨가 없이도 하수(sewage) (GW, or BW+GW)에 대한 IMO/MARPOL의 방출 기준을 모두 만족시키는 유출수를 만들수 있다(표 1 참조). 이와 같이, 도 4a 에서 나타낸 상기 접근방법(approach)은 심지어 민감한 지역에서의 처리된 OW(표 2 참조)에 대한 국제 해양 방출 기준(International Maritime Discharge standards)을 모두 만족시키는 유출수의 생산을 가능하게 한다. 뿐만 아니라, 비록 현재 이러한 폐수류들의 동시 처리를 위한 대략적인 방출기준의 수정안이 없지만, 도 4b 에 도시된 바와 같이, BW+GW와 OW 류는 또한 하나의 최종적으로 처리된 유출수를 만들기 위해 처리될수 있다.

하수에 대한 국제 해양 방출 기준 (International Maritime Discharge standards for sewage)

TSS	< 35 mg/L
COD	< 125 mg/L
pH	6.0 - 8.5
Fecal Coliform	< 100 N/100mL
Free Cl2 residual	< 0.5 mg/L

유수에 대한 국제 해양 방출 기준 (International Maritime Discharge standards for oily water)

Oil & Grease

< 15 ppm in ocean < 5 ppm in sensitive area

육지에 대해서, 대부분의 선진국들은 연합적(combined) 또는 국지적(domestic) 하수처리 시스템, 우수거(storm sewer) 시스템, 또는 수로와 같은 방출 기준을 가지고 있다. 이러한 기준들은 국가, 주(state), 도(province), 그리고 지방 자치단체에 따라 다양하다. 그러므로, 방출 기준들이 매우 지방별 위치별로 달라서, 여기에서는 적용하지 않는다. 그럼에도 불구하고, 더 엄격한 육지에서의 방출기준은 IMP/MARPOL 규정들과 비슷하면서, 추가적으로 중금속(heavy metals), 인산염(phosphates), 질산염(nitrates), 페놀(phenols), 황화물(sulfides), 황산염(sulfates), THM, 그리고 온도 등과 같은 다른 계수(parameter)들도 규제하고 있다. 도 4a 에서 설명된 상기 WETT 접근방법 또한 더 엄격해진 육지에서의 폐수 방출기준을 만족시킬 수 있다.

선박에서 발생되는 오폐수(BW), 중수도 용수(GW), 그리고 유수(OW)와 매우 흡사한 세가지 종류의 폐수 견본들에 대해, EC, EF, 그리고 EO 를 이용하는 실험실 규모의 WETT 처리를 통해 얻어진 결과가 표 3 에 기재되어 있다. 또한, 이러한 세가지 폐수들의 혼합물의 결과도 나와 있다. 표 3 은 실험실 규모의 WETT 공정이 총 현탁고체물질(total suspended solids, TSS), COD, 그리고 오일(oil)의 높은 제거율과, 최종적으로 처리된 유출수의 계수들의 값이 IMO/MARPOL 방출 기준들을 만족시킴을 보여 준다. 이와 같이, EC, EF, EO 그리고 OR을 통한, 실제 선박에서 발생한 폐수(OW, GW, BW+GW)와 지역적으로 발생한 폐수(BW+GW)를 중간 시험 규모(pilot-scale)의 WETT 공정으로 처리하여 얻은 결과값들이 표 4 에 기재되어 있다. 상기 WETT 처리공정은 OW와 BW+GW의 모든 IMO/MARPOL 방출 기준들을 만족시킨다.

선박에서 발생하는 폐수를 모의 실험한 견본 폐수의 WETT 처리에 대한 TSS, COD와 오일(oil) 제거 결과값

Measurement	Sample point	GW	OW	BW+GW	BW+GW+OW
TSS (ppm)	Before EC After EC After EO	391 25 1	2942 114 71	807 30 0	1367 45 19
COD (ppm)	Before EC After EC After EO	1337 470 0	14685 300 54	1985 351 1	6670 402 0
OIL (ppm)	Before EC After EC After EO	- - -	6200 30 4	- - -	6550 106 12

실제 선박과 지역적으로 발생하는 폐수를 중간 시험 규모(pilot-scale)로 WETT 공정 처리한 후 제거된 TSS, COD, BOD, Oil, 유리(free) 염소와 총 Cl₂, 그리고 분변계대장균 결과값

Measurement	Sample point	GW	OW	BW+GW
TSS (ppm)	Before EC After EF After EO After OR	460 28.5 - 5	810 5.5 - -	750 17 - 20
COD (ppm)	Before EC After EF After EO After OR	2468 278 121 116	59100 511 - -	1476 143 7 0
BOD (ppm)	Before EC After EF After EO After OR	163 - - <25	- - - -	556 - - 0
OIL (ppm)	Before EC After EF After EO After OR	- - -	23,600 4.2 - 1.21	- - -
FCl2 (TCl2) (ppm)	Before EC After EF After EO After OR	0 50 100 0.2	0(0) 0(1) - 0(0)	0 0 35 0.1
분변계 대장균 (Fecal Coliforms) (CFU/100ml)	Before EC After EF After EO After OR	- - - 0	- - - -	2E+4 - - 0

상기 WETT 공정은 15ppm 이상의 오일(oil)성분을 함유한 OW 유입수(influent)를 처리할수 있고, 처리된 유출수는 15ppm 이하의 오일(oil) 함유량을 요구하는 방출 기준을 지킬수 있을 것이다.

상기 WETT 공정은 또한 35ppm 이상의 총 현탁물질(total suspended solids, TSS), 125ppm 이상의 COD, 25ppm 이상의 BOD, 그리고 100 CFU/100ml 이상의 분변계 대장균 (Fecal Coliform, F.C.)이 함유된 하수(sewage)나 중수도 용수(graywater)의 유입수를 처리할수 있다. 이때, 여기서 처리된 유출수는 MARPOL 방출 기준을 만족시킬 것이다.

비록 다른 구성성분(유수(oily water)와 중수도용수(graywater)와 같은)을 가진 폐수 처리를 가능하게 하는 분리판(dividing wall)이 도 4b 에 나타나 있지만, 장치의 비용 및 차지하는 공간(footprint)/벌키성(bulkiness)을 최소화하기 위해 몇몇 부수적 장비들을 공유하면서, 그것은 EC기들(EF, EO, 그리고 OR기들을 뿐만 아니라)을 다른 비슷한 기기들과 직렬 또는 병렬로 조합하여 놓을수 있을 것으로 이해될 수 있을 것이다.

WETT 공정 제어 (WETT Process Control)

본 공정 제어 기능은 이 발명에서 매우 중요한 부분이다. 위에 언급한 바와 같이, 상기 시스템은 유입수(influent) 유동률(flowrate)의 다양한 변화에 따른 오염물질의 추가적 부담분(loading)의 폭 넓은 변화를 받아들일수 있어야 한다.

예상될수 있는 다른 많은 접근방법들이 있고, 그 방식들중 몇 몇은 복잡하고 비싸다. WETT공정을 간단하도록 유지하기 위해서, 센서와 장비의 비용을 최소화하기 위해서, 그리고 많은 방출 계수(parameter)들에 대한 정화 처리 요구 기준을 성공적으로 만족시키기 위해서는, 각각의 중요 기기(principal unit) 작동들을 위해 이하의 접근방법들이 선택될 수 있다. 그러나, 다른 공정 제어 방법들도 각각 기기(unit)들의 작동 방식(mode)에 따라 사용될 수 있다:

EC: 가급적 일정한 유동률에서 일회 방식(once-through mode)으로 작동; 전류의 값을 일정하게 유지하거나, 유입구의 혼탁도(inlet turbidity)와/나 온라인 센서로 측정된 오일 성분(oil content)의 값에 따라 조절한다.

EF: 가급적 일정한 유동률에서 일회 방식(once-through mode)으로 작동. 그리고 전류의 값을 일정하게 유지하거나, 유입구의 혼탁도(inlet turbidity)와/나 온라인 센서로 결정된 오일 성분(oil content)의 값에 따라 조절한다.

EO: 가급적 일정한 유동률과 일정한 전류를 가지고 일괄적 재순환 방식으로 작동. 그리고, 이산화탄소(CO₂) 가스 농도, ORP, Cl₂, 및 pH의 온라인 센서들의 한가지나 여러가지의 지시값(reading)들을 합한 결과값들을 바탕으로 처리를 끝낸다.

OR: 일정한 유동률을 가지고 일괄적 재순환 방식 또는 연속 방식으로 작동. 전류를 일정하게 유지하거나, 산화 환원 전위(Oxidation Reduction Potential, ORP)와/나 Cl₂의 온라인 센서로부터의 지시값에 따라 조절한다. 그리고, 온라인 ORP 센서와/나 온라인 Cl₂ 센서, 또는 오직 온라인 ORP 센서로부터의 지시값에 따라 처리를 끝낸다.

상기 기기(unit) 작동들의 작동이나 제어를 위해 선택된 반회분 접근방법(semi-batch approach)은, 다수의 오수 탱크(holding tank)들이 공정의 여러 다른 부분에서 필요함을 의미한다. 이 작동과 제어 접근방법은 도 1 에 도시되어 있다. 도 1 에서는 공정 제어에서 사용되는 주요(principal) 온라인 센서들의 위치을 보여주고 있다. 그러나 각각의 처리 기기와 관련된 오수 탱크는 도시화되지 않았다.

상기 제어의 목적을 위해, 본 출원인은 이산화탄소(CO₂) 가스 센서를 EO 공정과 함께 사용하고 있다. 비싸고 대단히 복잡한 온라인 COD센서들이 EO 공정을 제어하기 위해 EO 처리중에 사용되는 다른 제어 접근방법과는 달리, 이산화탄소(CO₂) 가스 센서의 사용은 간단하고 매우 저렴하다. 이와는 달리, 유리 염소(free chlorine) 센서나 pH 센서는 EO기에서의 처리 진행 정도를 간접적으로 감지하는데 사용될수 있다.

실험실 규모와 중간 시험 규모(pilot-scale)에서, 특정 폐수 종류(type)들에 대해, pH 측정값과 함께 이산화탄소(CO₂) 방출 곡선(curve)의 모양은 일괄 EO 처리 동안에 일어나는 대부분의 반응들의 완료 시점을 분명하게 보여준다(도 5 참조).

또 다른 제어 접근방법은, OR 공정과정 중의 잔여 산화제의 높은 농도를 관찰하기 위한 온라인 ORP 탐침(probe)이다. 일단 ORP 신호(signal)가 특정값이하로 내려갈 경우, 종래의 염소 센서(높은 잔여 산화제 농도시는 사용될수 없는)는 OR 공정 과정을 정확하게 관찰하고 그것을 끝내야 할때를 알려주기 위해 온라인시킨다. 또한, 일단 ORP 레벨과 Cl₂ 농도사이에 정확한 상관관계가 만들어지면, 특정 용액(solution)에대해서는 오직 OR 공정을 제어하기 위해서만 ORP 탐침(probe)의 사용이 가능하다. 도 6은 OR 공정상에서의 전형적인 ORP의 측정(measurement)과 유리 염소 센서를 보여준다.

선박에서 발생한 복합적 폐수의 처리

(Treatment for combined ship-based wastewater)

특별한 경우, 즉 해양에서 운행되는 선박이나 플랫폼(platform)에서 발생된(또는 BW, GW, 그리고 OW와 비슷한 폐수류들의 특정 조합의) 폐수들의 경우, 다양한 폐수류들(streams)를 동시에 처리할수 있는 기본적인(original) 접근방법이 이하에서 설명될 것이다. 이때, 다양한 폐수류들의 동시 처리가 일반적이지 않다는 것을 유념해야 한다. 각 폐수류는 특정한 타입의 장비와 공정을 통한 처리가 일반적으로 요구된다. 그러나, 본 발명과 같은 접근방법을 기대하도록 하는 해양 방출 기준의 변천 과정을 바탕으로, 모든 폐수류를 다룰수 있는 통합된 잡식성의(omnivorous) 시스템이 대단히 필요하다고 할 수 있다.

도 4b 는 선박에서 발생된 세가지 주요 폐수류를 처리하는 접근방법을 보여준다. 즉, BW, GW, 그리고 OW이다. 이때, 모든 폐수류가 모든 WETT 기기 작동에서 처리되는 것은 아니라는 것을 유념해야 한다. 이와 같이, WETT 작동상 요구되는 최소 용액 전도성을 얻기 위해서 소금이나 바닷물은 오직 BW+GW 혼합물에만 첨가된다. 만약 BW가 소금물을 이용하여 중력에 의해 모아진다면 (gravity-collected) (담수를 가지고 진공으로 모아지는 것과 반대되는), 높은 염분이 함유된 폐수가 만들어 지고 소금의 첨가는 필요치 않을 것이다. (해양으로 나가는 선박의) OW 류(stream)는 높은 바닷물 비율을 함유하고 있어 소금의 첨가를 요구하지 않는다.

BW+GW류와 OW류는 병행하게 연결된 EC/EF 기기들에서 처리된다. 그러나, 상기 두 폐수류들은 만나지 않는다. 이러게 병행하는 EC/EF 기기들은 장비의 중복을 피하기 위하여, 상기 시스템의 구성 부분들중 일부를 공유한다. (예를 들면, 거품 제거기, 전원 공급기, 등)

EC/EF 처리는 일반적으로 OW 류에 함유된 대부분의 기름성부분을 제거하는데 충분하다. 즉, EO 처리로 가지 않는다. 이것은 EO 처리 시간과 장비의 크기를 최소화한다. 여기서 기억해야 할 점은 EO 처리는 WETT 공정중에서 가장 비싸고 에너지 소모가 많은 부분이라는 점이다. 더우기, OW류를 상기 EO로 부터 전환시키는 것은 이점이 있는데, 이것은 증가된 높은 소금성분이 지나치게 높은 농도를 가진 벌크 산화제(bulk oxidant)를 가져오기 때문이다. 이것은 벌크 산화제를 OR기에서 분해하는데는 상당한 수고가 필요하기 때문이다. 그러나, BW+GW 류는, 일반적으로 훨씬 더 낮은 소금 성분을 가진, 그리고 COD를 감소하기 위해 필요한, EO 처리로 들어간다.

EO기 공정 이후, BW+GW류는 EC/EF 처리된 OW류와 혼합된다. BW+GW 류에 있는 잔여 산화제는 OW류에 있는 잔여 COD의 일부분을 산화시켜, OR기에서 처리양을 감소시킨다. 결국, OR기는 BW+GW류와 EC/EF 처리된 OW류에 있는 잔여 산화제들가 감소시키는 처리를 한다. 표 5 는 도 4b 에서 도시된 공정을 이용하여 BW+GW류와 OW류들의 처리 결과를 보여준다.

실험실 규모의 OW와 BW+GW의 혼합물 WETT 처리 결과

처리 (Treatment)	유입 (Influent)	유츌 (Effluent Number)	유출시 화학적 산소요구량 Effluent COD (ppm)	유출시 FCl2 Effluent FCl2 (ppm)
EC+EF	OW	1	629	0
EC+EF+EO	BW+GW	2	44	770
Mixing	Effluent 1 + Effluent 2	3	256	114
OR	Effluent 3	4	217	0

최종적으로 WETT 공정은 OW와 하수(sewage)의 혼합물 유입수 및 15ppm 이상의 오일 성분, 35ppm 이상의 TSS, 125ppm 이상의 COD, 25 ppm 이상의 BOD, 그리고 100 CFU/100ml 이상의 F.C.가 함유된 유입수를 처리할수 있다. 그리고, 처리된 유출수는 15ppm 이하의 오일 성분, 35ppm 이하의 TSS, 125ppm 이하의 COD, 25ppm 이하의 BOD, 6과 8.5사이의 pH, 0.5ppm이하의 염소(Chlorine), 그리고 100 CFU/100ml이하의 F.C.를 가지게 될 것이다.

수산화3가철의 재활용 (Recycling Hydrated Iron Oxide Fe(OH) ₃ particles)

WETT 공정의 또다른 점은, 상기 WETT 기기들의 작동 효율성을 강화시키기 위해 OR기에서 나온 산화철을 재활용한다는 것이다. 산화철은 흡수제(absorbent)로써 잘 알려져 있을 뿐만아니라, 응고제(coagulant)로써도 잘 알려져 있고 백반(alum)이 사용되듯이 같은 방법으로 폐수 처리에 폭넓게 사용된다.

현탁물질과 오염물질들의 응고

(Coagulation of Suspended Solids and Contaminants)

EC기 처리에 앞서(도 1 참조) 산화철의 재활용/재순환은 오염물질의 응고(coagulation)와 침전(flocculation)을 돕고, EC기가 처리해야 하는 양의 부담을 감소시킨다. 이것은 전기 소모와 EC기에서의 잦은 알루미늄 판의 교체를 줄일 수 있어 매우 유익하다.

살균 부산물 전구물질의 흡수

(Absorption of Disinfection By-Product Precursors)

휴대 사용을 위한 폐수를 처리하는 동안 (환경이나 하수구 방출이외) 발생하는 살균 부산물(Disinfection By-Product, DBP)은 지난 수 십년동안 중요한 문제가 되어왔다. 그러나, 산화제의 제거와 물 위생시설의 부족의 결과는 인간의 건강을 더 크게 위협한다.

지방 자치 용수(water) 시스템의 살균 처리를 위해 지배적으로 사용되는 염소혼합물 때문에, 휴대용 용수(portable water)에서의 트리할로메탄(trihalomethanes, THMs)과 할로로아세틱산 (haloacetic acids, HAAs)의 허용 기준에 대한 규정들이 존재한다. 그리고, 그것들이 인간에게 잠재적 발암물질(carcinogenic)로 여겨지기 때문에 그 규정들은 또한 많은 비휴대용 용수 처리에 적용되기도 한다. 이러한 혼합물들은 폐수속이 들어있는 천연 유기농 물질들(natural organic matter. NOM)과 염소성 살균제의 상호작용에 의해 생성되는 것으로 알려져 있다. 여기서 폐수는 풀빅(fulvic)이나 휴믹(humic)성일 수 있다. 오존(ozone), 과산화염소(chlorine dioxide), 브롬(bromine) 등을 기본으로 하는 다른 산화제들의 사용으로 인해 생성되는 DBP을 위해서 비슷한 규정들이 있다.

DBP의 형성을 완전히 제거하는 만족스로운 접근방법은 발견되지 못해왔다. DBP의 형성을 줄이는 많은 방식들이 소독 처리 이전에 NOM을 제거하는 과정을 사용한다. 휴대용 용수 시스템(portable water system)에서의 NOM을 제거할 수 있는, 과립형 활성 탄소(granular activated carbon) 및 여러 다른 방법들이 알려져 있다. 특히, 다양한 타입의 산화철(iron oxides)에서 NOM의 흡수는 문헌에서 폭넓게 다루어져 왔다.

EO기(도 1 참조) 처리 이전의 산화철 재활용/재순환은, EC/EF 처리과정에서 제거되지 않고 용해되어 있는 NOM을 목표로 하는데 더 효과적일수 있다. 그러나, 정화(clarification)나 여과(filtration) 단계가 EO 공정 이전이나 공정중에 요구될 수 있다. DBP 형성 가능성의 감소와 EO에서 요구되는 감소된 처리공정은 이 선택기능에서 중요 이점들이다. 도 7 은 선박에서 발생된 BW+GW에 다양한 양의 수산화3가철(Fe(OH)₃)을 첨가할때의 나타나는 교반 시험(jar test) 결과값들을 보여준다. 이때, 교반 시험(jar test)이란, 폐수처리기술에서 익숙하게 사용되는 테스트들과 비슷하다. 용액 속 TSS의 큰 감소를 근거로, 수산화3가철(Fe(OH)₃)은 효과적 응고제로 볼 수 있다. 이와 같이, 색도액(solution color)에서의 큰 감소 변화를 볼 때, 수산화3가철(Fe(OH)₃) 분자들은 오염물질을 흡수하는데 있어서도 효과적이라 할 수 있다. 색도액은 종종 용해된 오염물질들 양과 비례하고, 응고에 의해서는 일반적으로 제거되지 않는다. 수산화3가철(Fe(OH)₃)이 특정 레벨 이상(이 경우 2,000 mg/L Fe(OH)₃)인 특정 타입의 BW+GW 폐수에서는 수산화3가철(Fe(OH)₃)을 더 첨가하는 것은 아무 이익이 없다고 볼 수 있다.

표 6 에서는, 수산화3가철(Fe(OH)₃)의 첨가 뿐 아니라, 알루미늄성 (aluminum-based) 응고제의 (알루미늄 판들을 가지고 EC에서 발생될 수 있는) 첨가에 대한, BW+GW의 교반실험 결과값을 보여준다. 21ppm Al³⁺와 1,000ppm Fe(OH)₃ 농도 하에, 두 응고제가 BW+GW와 합하여 질때, 17ppm의 TSS 값이 얻어진다. 이것은 오직 알루미늄성 응고제만을 사용했을때 보다 50% 낮게 알루미늄성 응고제가 소비됨(EC 에너지 소비에 있어 상응하는 감소와 함께)을 보여준다. 더우기, 수산화3가철을 단독으로 사용으로는 낮은 TSS 레벨에 도달할 수 없다고 볼수 있다. 이때, TSS는 휠씬 작은 양의 알루미늄성 응고제로 얻어질 수 있는 낮은 레벨이다.

다양한 농도의 Al³⁺와 Fe(OH)₃ 에 따른 BW+GW 용액속의 TSS와 Color의 실험결과 값

Al (ppm)	수산화3가철(Fe(OH)3) (ppm)
	0		333		1000
	TSS (ppm)	Color (a.u.)	TSS (ppm)	Color (a.u.)	TSS (ppm)	Color (a.u.)
0	213	1564	100	1015	44	512
21	51	515	35	457	17	235
42	20	267	17	241	8	140
63	9	148	9	149	5	102
84	7	124	6	119	3	92
105	9	132	7	121	N/A	N/A

도 8 은 유출(effluent) 전류의 흐름(실선 참조)과 제어 회로(control circuits)(점선 참조)를 포함하는 상기 WETT 장치의 바람직한 실시예를 보여주는 상세도이다. 일반적인 작동의 순환 과정에서는 폐수는 상기 장치들로 흘러들어가서, 선별기(selector)(12)를 통과한다. 이 선별기(12)는 작동기가 폐수의 종류를 알고 있다면 그것을 선택할수 있도록 한다. 구성성분이나 폐수의 원천(origin)을 알면, 미리 정의된 처리 규정에 맞추어 수행할 수 있게 한다. 또한, 이것은 제어기(controller)(24)나 많은 수의 제어기들을 통하여 자동적으로 이루어진다.

비록 해로운 영향을 줄수 있는 고체/액체 분리기(1)가 미리 결정된 크기의 미립자물질(particulate matter)이 이 시스템 안으로 들어가는 것을 막을지라도, 상기 폐수는 계속 진행한다. 상기 고체/액체 분리기(1)은 차단 스크린(screen)이 될수 있다. 폐수는 혼탁도(turbidity)나 오일(oil)을 감지할 수 있는 한 개 또는 그 이상의 센서들과 접촉하는데, 이것은 폐수 구성 및/또는 처리 방식 종류(type)의 특성화를 돕는다. 상기 폐수는 EC기의 유입구(inlet)(3)을 통하여 EC기(4)로 들어가서, 양극(5)와 음극(6)과 만난다. 이러한 전극들은 전기응석유닛(electro-coagulation)의 전극들로 기능하는 것을 공지되어 있다. 폐수(wastewater)(이하, 유출수 및 유입수를 포함하여 상기 시스템을 통해 흐르는 모든 폐수)가 EC기를 빠져나가, EF기 유입구(inlet)(8)을 통하여 EF기(9)로 들어간다. EF기(9)에서, 유출수(effluent)는 양극(105)와 음극(106)과 만난다. EF기(9)를 나간 후, 상기 유출수는 밸브(10)을 만난다. 펌프(11)을 거쳐 EO기(14)까지 EO기 유입구(13)을 통하여, 이 밸브(10)는 처리된 유출수나, 본 발명의 시스템에서 계속 처리될 유출수를 유출구(outlet)으로 이끌게 된다. EO기(14)는 산화실(oxidation chamber)(17)로 이루어져있는데, 이 산화실은 벨브(110)와, 양극(205) 및 음극(206)을 포함하고 있는 전극실(electrode chamber)(207)을 사용하여 폐루프회로(closed loop circuit)를 만들수 있다. 추가적으로, 이 폐루프는 유출수의 산화 레벨을 측정하기 위한 제어기(24)와 통신하는 pH 센서(20)으로 구성되어 있다. 상기 산화실은 가스유출구(gas outlet)(21)가지고 있는데, 이것은 EO기(14)내부의 압력 발생을 막기 위함이다. 가스유출구(21)을 통하여 EO기(14)를 나온 가스는 이산화탄소(CO₂) 센서와 접촉하게 되는데, 이 센서는 이산화탄소(CO₂)의 레벨을 수치화한다. 왜냐하면, 이 수치는 처리 완료를 알려줄수 있기 때문이다. 선택적으로, 이산화탄소(CO₂) 촉매제(catalyst)(23)가 제공될수 있는데, 이것은 화학적인 수단이나 효소를 사용하여 이산화탄소(CO₂)를 담금질(quenching)한다. 가스유출구(21)을 통하여 비워진 이산화탄소(CO₂)의 값의 변화를 근거로하여, 폐회로(closed circuit)에서의 산화가 일단 완료되면, 밸브(110)는 유출수가 EO기 유출구(18)을 통하여 나가고, OR기(30)으로 들어가도록 한다. OR기(30)은 밸브(210)의 작동으로 인해 폐쇄 루프 시스템(closed loop system)을 형성할 수 있다.

상기 "폐루프 시스템"에 있는 유출수는 상기 OR 전극실(307)에 들어가기전에, ORP 센서(25) 및 Cl₂ 센서(26)와 접촉한다. OR 처리가 일단 완료되면 (즉, 미리 결정된 산화제 레벨에 도달하면), 벨브(210)은 유출수를 고체/액체 분리기(28)로 이끈다. 이 분리기(28)는 금속산화물(metal oxides)를 처리된 유출수로부터 분리하여, OR 유출구(32)를 통하여 상기 시스템에서 내보낸다. 고체/액체 분리기(28)에서 회복된 금속산화물은 상기 시스템의 맨 윗부분, 즉, 도시된 바와 같이 고체/액체 분리기(1)의 폐수 보관 탱크 상류(upstream)나, 보이지 않은 EC기(4)의 상류에서 재활용된다. 또한, 펌프(11) 이전이나 이후, 금속산화물은 EO기(14)의 상류에서 재활용될수 있다. 모든 기기들, 센서들, 전극들, 벨브들과 펌프들은 제어기(24)들과 연결되어(점선 참조), 제어기(24)가 센서들로부터 입력을 받아 작동기기(actuator)들에게 지시를 보내게 된다. 모든 기기 작동들은 전원(7)으로부터 전원을 공급받는데, 전원은 하나의 전원일수도 있고 많은 개별적인 전원들일 수도 있다(도 8 참조).

다른 실시예에서, OR기는 방식용 전극들(sacrificial eletrodes)의 사용보다는 제공되는 자외선원에 의해 독점적으로 기능한다. 이러한 장치에서, 자외선원은 전극실(307)에서 대체된다. 만약 산화제 제거 능력(capability)이 전극들이 아닌 자외선원에의해 제공되어진다면, 자외선원이 유출수 도관안에 직접적으로 제공될 수 있듯이 OR기(30)는 OR 용기(vessel)(29)를 요구할 수 없었을 것이라 이해될 수 있다. 또한, 만일 자외선원이 방식용 전극들 대신 사용된다면, 고체/액체 분리기(28)는 필요하지 않고 금속산화물의 재활용도 필요하지 않다고 이해될 수 있다.

또 다른 실시예에서, EO기(14)와 같이, OR기(30)은 폐쇄루프시스템에서 제공될 수 있다. 이러한 실시예에서, 오염물질들은 상기 전극실(207)을 통과하면서 산화되지만, 전부가 사용되지는 않았거나 반응하지 않았던 산화제들은 직접적으로 폐루프 시스템에서 제거될 수 있다. 이 폐루프 시스템의 OR기는 기준 방식용 전극 타입이나 자외선을 이용한 산화제 제거 기술이라고 이해될 수 있다.

본 발명의 시스템은 당업자에 의하여 다양한 변경이 가능하며, 이러한 변경들은 본 발명의 요지를 벗어나지 못함이 자명할 것이다.

Claims (56)

1. 폐수처리장치에 있어서,
   중수도 용수(graywater) 및 오폐수(blackwater) 중 적어도 하나를 포함하는 폐수가 들어오는 적어도 하나의 주입구와, 전원에 연결된 적어도 하나의 양극과 적어도 하나의 음극으로 이루어지며, 상기 폐수의 오염물질들의 주요 부분(a first portion of contaminants)을 제거하는 전기응석유닛;
   상기 전기응석유닛에서 처리된 폐수가 들어오는 적어도 하나의 주입구와, 산화제가 전기화학적으로 생성되는, 붕소 도핑된 다이아몬드로 코팅된 적어도 하나의 양극 및 적어도 하나의 음극과, 상기 폐수를 방출하는 적어도 하나의 배출구로 이루어지며, 상기 폐수에 있는 오염물질들의 나머지 부분(a second portion of contaminants)을 산화시키는 전기산화유닛으로서, 상기 붕소 도핑된 다이아몬드로 코팅된 적어도 하나의 양극은 양극 표면상에 히드록실 라디칼(hydroxyl radical)들을 생성하도록 구성된 것인, 상기 전기산화유닛; 및
   상기 전기산화유닛에서 나온 폐수가 들어오는 적어도 하나의 주입구와, 산화제 제거공정이 이루어지는 동안에 상기 폐수를 담는 용기와, 처리된 폐수를 폐수처리장치로부터 방출하는 적어도 하나의 배출구로 이루어지며, 상기 폐수로부터 산화제를 제거하기 위해 잔여 산화제가 철 이온과 반응하도록 전류가 인가될 때 상기 철 이온을 유리(liberate)시키는 전극들을 포함하는 산화제 제거유닛;
   을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 폐수처리장치.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 산화제 제거유닛과 상류(upstream)의 전기화학 유닛 사이에 루프(loop)를 구성함으로써,
   상기 산화제 제거유닛으로부터의 금속산화물이 상기 상류의 전기화학 유닛으로 전달되는 것을 특징으로 하는 폐수처리장치.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   적어도 하나의 양극 및 적어도 하나의 음극이 상기 전원에 연결된 전기부유선광기를 더 포함하고,
   상기 전기부유선광기는 상기 전기응석유닛의 폐수의 잔여된 오염물질의 제거를 확실하게 수행하기 위하여, 상기 전기응석유닛의 하류(downstream)와 상기 전기산화유닛의 상류 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 폐수처리장치.
   
4. 삭제
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   이산화탄소, 산화환원전위(Oxido-reduction potential), 유속(flowrate), 압력, 온도, 염소(chlorine), 혼탁도, pH, 전도도(conductivity), 특정 이온 표면장력(surface tension), 전류, 및 전압 중 적어도 하나의 측정을 위한 하나 이상의 센서로부터 전달되는 입력 신호를 수신하는 제어기; 를 더 포함하고,
   상기 제어기는 각 입력신호의 함수를 이용하여 처리 파라미터(parameter)들을 제어하도록 프로그래밍되어 있는 것을 특징으로 하는 폐수처리장치.
   
6. 제 5 항에 있어서, 상기 전기응석유닛은,
   해당 전기응석유닛의 외부 구조를 공유하되 적어도 두 개의 독립적인 전기응석유닛 구역들로 구획하는 적어도 하나의 분리판(dividing wall)을 더 포함하고,
   상기 전기응석유닛 구역은 부분적으로 처리된 폐수를 다른 유닛들로 전달하도록 설치된 주입구와 배출구를 각각 가지는 것을 특징으로 하는 폐수처리장치.
   
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 제어기는,
   산화제의 레벨을 결정하기 위하여, 산화환원전위(Oxido-reduction potential) 센서 및 염소 센서 중 적어도 하나의 센서로부터의 입력신호를 수신받고,
   상기 염소 센서는 상기 산화환원전위(Oxido-reduction potential) 센서 신호가 기설정된 임계값에 도달할 때 작동하는 것을 특징으로 하는 폐수처리장치.
   
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   이산화탄소(CO₂)의 측정치의 함수를 이용하여 산화반응을 제어하는 장치를 더 포함하고,
   상기 산화반응을 제어하는 장치는,
   처리의 레벨 및 진도 중 적어도 하나를 제어하는 산화실 제어기에 이산화탄소(CO₂)의 양에 비례하는 입력신호를 전달하는 산화실과 유체 연통(fluid communication)하는 이산화탄소(CO₂) 센서를 구비한 것을 특징으로 하는 폐수처리장치.
   
9. 폐수처리공정에 있어서,
   폐수의 오염물질들을 전기응석유닛에서 전기응석하는 단계;
   상기 폐수의 오염물질들을 전기산화유닛의 붕소 도핑된 다이아몬드로 코팅된 양극들 중 적어도 하나에 의해 생성된 히드록실 라디칼(hydroxyl radical)들을 이용하여 전기산화시키는 단계;
   산화제 제거유닛에서, 잔여 산화제와 반응하되 상기 폐수로부터 분리되어질 수 있는 금속 산화물을 생성하는 전극으로부터 금속 이온들을 유리(liberate)시키는 단계;
   를 포함하고,
   모든 처리제(treatment agent)들은 중수도 용수(graywater) 및 오폐수(blackwater) 중 적어도 하나를 포함하는 폐수 속 제자리(in-situ)에서 생성되는 것을 특징으로 하는 폐수처리공정.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전기응석유닛 이후 또는 상기 전기산화유닛 이전에,
    전기부유선광기(electro-flotation unit) 또는 용해성 부유선광기(dissolved flotation unit)에 폐수를 통과시키는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수처리공정.
    
11. 삭제
12. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    유성 폐수(oily wastewater)는 유성 물질을 15 ppm 이상 함유하되,
    상기 처리된 폐수는 국제해양방출기준(International Maritime Discharge standards)인 15 ppm 미만의 유성 물질을 가지는 것을 특징으로 하는 폐수처리공정.
    
13. 삭제
14. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 금속산화물의 적어도 일부분을,
    상기 산화제 제거유닛으로부터 상기 전기응석유닛까지의 구간 또는,
    상기 산화제제거유닛으로부터 상기 산화제 제거유닛의 상류(upstream)에 위치한 유닛까지의 구간에서 재순환(re-circulating)시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수처리공정.
    
15. 삭제
16. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    수소이온농도(pH), 액체중의 염소량(chlorine content), 산화실(oxidation chamber)로부터 방출된 가스의 이산화탄소량 중 어느 하나 이상의 값을 측정한 결과를 폐수 정화(decontamination)의 수준으로 이용하는 것을 특징으로 하는 폐수처리공정.
    
17. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    각각의 유닛에서의 처리 시간을 조절함으로써 이후의 유닛으로 폐수 처리의 진도를 허용하는 것을 특징으로 하는 폐수처리공정.
    
18. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 전기산화시키는 단계는,
    폐수 처리의 진도를 나타내는 표시 항목(indicator)을 측정하는 단계; 및
    상기 표시 항목의 함수를 이용하여 산화 반응을 조절하는 단계;
    를 더 포함하며,
    상기 표시 항목은 이산화탄소(carbon dioxide)인 것을 특징으로 하는 폐수처리공정.
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