KR101854072B1 - 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛 및 이를 포함하는 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 장치 - Google Patents

폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛 및 이를 포함하는 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛은, 폐수 - 상기 폐수는, 암모니아성 질소(ammonia nitrogen), 인산염(phosphate) 및 전해질을 포함함 - 가 통과하는 폐수통과공간이 제공되도록 서로 이격되어 배치되는 금속 애노드(Metal anode)와 공기 캐소드(Air cathode); 및 상기 금속 애노드와 상기 공기 캐소드를 상기 폐수통과공간의 외측에서 물리적으로 연결하고 소정의 저항을 구비하는 도선부;를 포함하며, 이로 인해, 폐수 처리와 동시에 전력을 생산할 수 있다.

Description

폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛 및 이를 포함하는 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 장치{Electro-coagualation unit for wastewater treatment and electricity generation, and apparatus including the same}
본 발명은 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛 및 이를 포함하는 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 장치에 관한 것이다.
폐수에 함유된 인과 질소를 제거하는 공법으로는 여러 가지의 생물학적 방법과 물리화학적 방법들이 있지만 모든 공법들이 제거 효율의 유지가 어려우면서도 많은 경비가 소요된다.
폐수에 존재하는 인과 질소를 스트루바이트와 그 동족체 형태로 제거하는 방법은 인과 질소를 효율적으로 동시에 제거할 수 있으며 생성된 스트루바이트는 우수한 지효성 비료(Slow-Release Fertilizer)로써 재이용 가치가 높은 장점이 있다.
지효성 비료란 식물에 독성이 없으며 한번 사용으로 오랫동안 산화하지 않고 지속적으로 효과를 내는 비료를 지칭한다.
해외에서 진행된 스트루바이트 결정화 연구는 S. Regy 등의 교반 반응장치에서의 스트루바이트 침전에 의한 회수(2001년), Ueno와 Fujii의 실규모 하수처리장에서 회수된 스트루바이트의 가동 및 판매에 대한 3년간의 경험(2001년), E.V. Munch 등의 폐기물을 금으로 바꾸는 폐수처리를 위한 스트루바이트 결정화 사업(2001년), S.A.Parsons 등의 하수 처리작업에서의 스트루바이트 회수를 위한 잠재성 평가(2001년), Trentelman의 미국특허 제4,389,317호, Tsunekawa 등의 일본특허 제 11-267665호 등이 있으며 인 그리고/또는 질소를 스트루바이트 형태로 제거하기 위한 여러 가지 방법을 시도했으나 대부분 pH의 상승을 위하여 알칼리제 투입이 필요함을 언급하고 있다.
또한, 국내의 스트루바이트 결정화 연구로는 한국공개특허 10-2002-0005521에 스트루바이트 침전용 응집원 및 알칼리 혼합조, 스트루바이트 결정반응, 침전조 등 모든 반응조를 하나의 장치로 패키지화하여 연속적인 스트루바이트 침전을 이용한 고농도 인을 함유하는 축산분뇨 또는 산업폐수의 질소폐수 처리장치가, 한국공개특허 10-2000-0019613에는 인산염과 마그네슘을 주입하고 pH를 10.7로 조절하여 스트루바이트를 형성시키고 한외여과막에서 여과하는 고농도 질소함유 하폐수의 정화법이, 한국공개특허 10-2004-0070408에는 고액분리조, 유기물 흡착조, 마그네슘을 주입하고 pH 8~12 상태에서 스트루바이트 결정을 생성하는 결정화 반응조, 결정화 저장조, 여과막으로 구성된 질소와 인 등을 함유한 폐수의 처리법이, 한국공개특허 10-2003-0076548에는 유동성 담체로 유기물을 제거하는 유기물 흡착단계, pH 조절제와 마그네슘을 주입하여 스트루바이트를 생성시키는 스트루바이트 결정화단계, 탈질화 단계로 구성된 고농도 영양염류 함유 폐수의 정화방법이, 한국공개특허 10-2003-0034299에 는 공기와 원수, Mg, PO4, 알칼리제를 공급하는 주입부, 질소 및 인의 스트루바이트 결정화부, 유체 원심력을 유도하는 프로펠러, 수압형 고액분리기, 응집핵으로 작용하는 스트루바이트 결정 유입부, 슬러지 호퍼, 유출수 및 에어 유출구로 구성된 질소와 인이 고농도로 함유된 폐수의 스트루바이트 결정화 장치가, 한국공개특허 10-2004-0028273에는 고형물을 분리하는 고액분리과정, 알칼리 조건에서 질소 및 인을 제거하는 스트루바이트 결정화 과정, 질산화 및 탈질 산화시키는 간헐폭기과정으로 구성된 고농도 질소/인 함유 폐수의 처리방법이, 한국공개특허 10-2006-0118291에는 처리대상 폐수, 마그네슘계 화합물, 인산계 화합물 및 알칼리제를 공급하는 유입부, 스트루바이트 결정화 반응조, 제1침전조, 칼슘 공급반응조, 제2침전조, 유출부로 구성된 폐수처리장치가, 한국공개특허 10-2006-0129452에는 알칼리제를 첨가하여 pH 7.4~8.5로 제어하는 pH 제어 시스템, 폐수로부터 인과 질소를 스트루바이트 펠렛으로 제거하기 위한 복수의 섹션들로 구성된 유동층 반응장치가, 한국공개특허 10-2006-0099009에는 pH 조정에 대한 언급이 없지만 유량조정조, 스트루바이트 결정화 반응조, 1차침전조, 응집조, 2차침전조로 구성된 질소제거효율을 향상시키는 스트루바이트 결정화 방법이 개시되어 있다.
많은 연구자들이 스트루바이트 형성을 위한 적정 pH는 8~10 정도이며 최적의 pH는 9.0~9.2 정도인 것으로 보고하고 있다.
하지만 현재까지 개발된 대부분의 스트루바이트 제조 기술은 pH를 상승시키기 위해 알칼리제를 사용하며, NaOH의 값을 감당하기 어려워 pH를 9 이상으로 올리지 못하며, 생성된 결정의 크기를 키우기 위해 유동층 반응조를 사용하고 공기를 불어 넣어서 고형물을 부유시켜야 한다.
또한 현재까지 개발된 대부분의 스트루바이트 제조 기술은 전력을 소모하면서 진행되는 기술이라는 효율적인 측면에서 많은 문제점을 내포하고 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 목적은, 폐수에 함유된 인과 질소를 효과적으로 제거하는 동시에 전력을 생산할 수 있는 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛 및 이를 포함하는 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛은, 폐수 - 상기 폐수는, 암모니아성 질소(ammonia nitrogen), 인산염(phosphate) 및 전해질을 포함함 - 가 통과하는 폐수통과공간이 제공되도록 서로 이격되어 배치되는 금속 애노드(Metal anode)와 공기 캐소드(Air cathode); 및 상기 금속 애노드와 상기 공기 캐소드를 상기 폐수통과공간의 외측에서 물리적으로 연결하고 소정의 저항을 구비하는 도선부;를 포함하며, 상기 금속 애노드 및 상기 공기 캐소드는, 각각 마그네슘 및 탄소천을 포함하고, 상기 마그네슘을 포함하는 금속 애노드는, 마그네슘 이온 및 상기 폐수의 물과 반응하여 제1 수산화이온이 생성되기 위한 제1 전자가 생성되도록, 산화되며, 상기 탄소천을 포함하는 공기 캐소드는, 상기 도선부를 통해 이동된 상기 마그네슘의 산화에 의해 생성된 제2 전자가 상기 폐수의 물과 공기 중의 산소와 반응하여 제2 수산화이온이 생성되도록 하고, 상기 제1 수산화이온 및 상기 제2 수산화이온은, 상기 마그네슘 이온, 상기 폐수에 포함된 암모니아성 질소 및 인산염의 반응에 의한 스트루바이트(MgHN4PO4·6H2O)가 결정화되도록 하여 상기 폐수의 처리가 가능하도록, 상기 스트루바이트의 결정화를 위한 pH 조건을 만족하도록 기여하며, 상기 제2 전자는, 상기 도선부를 통해 이동되는 과정에서 전력을 생산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛의 상기 제1 수산화이온 및 상기 제2 수산화이온은, 상기 폐수통과공간으로 유입되는 상기 폐수의 pH를 상승시켜, 상기 스트루바이트의 결정화를 위한 pH 조건을 만족시키기 위한 별도의 알칼리제의 투입이 필요 없도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛의 상기 전력 생산을 위한 상기 제2 전자의 상기 도선부를 통한 이동은, 상기 폐수에 포함된 상기 전해질에 의해 구현되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛은, 상기 폐수통과공간의 크기를 규정하고, 일측 및 타측 각각에 상기 금속 애노드 및 상기 공기 캐소드가 배치되는 폐수통과부; 및 상기 공기 캐소드의 일면 중 상기 폐수통과부를 향한 일면의 반대면에 배치되어 외부로부터 상기 공기 캐소드를 향해 상기 공기가 공급되도록 하는 공기공급부;를 더 포함하며, 상기 폐수통과부는, 상기 폐수가 유입되는 유입구와 상기 폐수가 유출되는 유출구를 구비하며, 상기 유입구는, 상기 유출구보다 상대적으로 하측에 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛의 상기 폐수통과부는, 상기 금속 애노드와 상기 공기 캐소드의 이격 거리를 규정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛은, 상기 폐수통과부와 상기 금속 애노드 사이에 배치되어, 상기 폐수통과부와 상기 금속 애노드 사이를 실링하는 제1 실링부; 및 상기 폐수통과부와 상기 공기 캐소드 사이에 배치되어, 상기 폐수통과부와 상기 공기 캐소드 사이를 실링하는 제2 실링부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛의 상기 공기공급부는, 소정의 내부공간을 구비하며, 상기 외부로부터 상기 내부공간으로 상기 공기가 공급되도록, 상기 내부공간과 상기 외부가 연통되는 복수의 공기통로를 구비하며, 상기 복수의 공기통로는, 상기 내부공간을 포위하도록 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 장치는, 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛;을 포함하며, 상기 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛은, 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 제1 전기 응집 유닛 및 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 제2 전기 응집 유닛을 포함하고, 상기 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 제1 전기 응집 유닛의 금속 애노드는, 상기 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 제2 전기 응집 유닛의 공기공급부와 접촉되며, 상기 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 제2 전기 응집 유닛의 공기공급부는, 상기 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 제1 전기 응집 유닛의 금속 애노드와 상기 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 제2 전기 응집 유닛의 공기 캐소드가 전기적으로 연결되도록, 도체로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛은, 상기 폐수통과공간의 크기를 규정하는 폐수통과부;를 더 포함하며, 상기 금속 애노드는, 상기 폐수통과공간이 제1 폐수통과공간과 제2 폐수통과공간으로 구획되도록 상기 폐수통과공간 내에 배치되고, 상기 공기 캐소드는, 상기 폐수통과부의 일측 및 타측에 각각 배치되는 제1 공기 캐소드 및 제2 공기 캐소드를 포함하며, 상기 제1 공기 캐소드 및 상기 제2 공기 캐소드는, 상기 폐수통과공간 내에 배치된 하나의 상기 금속 애노드를 공유하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛의 상기 금속 애노드는, 산화로 인한 교체가 가능하도록, 상기 폐수통과부에 착탈 가능하게 결합되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛은, 상기 제1 공기 캐소드의 일면 중 상기 제1 폐수통과공간을 향한 일면의 반대면에 배치되어 외부로부터 상기 제1 공기 캐소드를 향해 상기 공기가 공급되도록 하는 제1 공기공급부; 및 상기 제2 공기 캐소드의 일면 중 상기 제2 폐수통과공간을 향한 일면의 반대면에 배치되어 외부로부터 상기 제2 공기 캐소드를 향해 상기 공기가 공급되도록 하는 제2 공기공급부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 장치는, 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛;을 포함하며, 상기 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛은, 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 제1 전기 응집 유닛 및 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 제2 전기 응집 유닛을 포함하고, 상기 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 제1 전기 응집 유닛의 제1 공기 캐소드와 제2 공기 캐소드는, 제1 도선에 의해 서로 전기적으로 연결되며, 상기 제1 도선은, 상기 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 제2 전기 응집 유닛의 금속 애노드에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛 및 이를 포함하는 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 장치에 의하면, 폐수에 함유된 인과 질소를 효과적으로 제거할 수 있다.
또한, 폐수를 처리하는 과정에서 전력을 생산할 수 있으며, 나아가 폐수로부터 일부 자원 물질의 회수도 가능할 수 있다.
또한, 특정 구성요소의 교체가 간단한 방법에 의해 구현되도록 하여, 편의성을 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛에 의해 전력이 생산되는 원리 및 폐수가 처리되는 원리를 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛에 제공되는 금속 애노드와 공기 캐소드에 의한 산화 반응 또는 환원 반응을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛에 의해 전력이 생산되고 폐수가 처리되는 동시에 스트루바이트를 회수할 수 있다는 설명하기 위한 처리 계통도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛을 설명하기 위한 개략 분해사시도.
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 장치를 설명하기 위한 개략 사시도 및 사진.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 장치를 설명하기 위한 개략 사시도.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 장치에 제공되는 금속 애노드의 착탈 원리를 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 장치를 설명하기 위한 개략 내부구성도.
도 9a 및 도 9b는 각각 본 발명에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 장치에 의해 인공 폐수를 처리한 경우, 생성된 침전물에 대한 XRD 분석 데이터 및 전류에 대한 전압 분포 곡선을 도시한 도면.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛에 의해 전력이 생산되는 원리 및 폐수가 처리되는 원리를 설명하기 위한 도면이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛에 제공되는 금속 애노드와 공기 캐소드에 의한 산화 반응 또는 환원 반응을 설명하기 위한 도면이다.
또한, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛에 의해 전력이 생산되고 폐수가 처리되는 동시에 스트루바이트를 회수할 수 있다는 설명하기 위한 처리 계통도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛(100, 이하 '전기 응집 유닛'이라 함)은, 금속 애노드(A, Metal anode)와 공기 캐소드(C, Air cathode)의 산화 또는 환원 반응에 의해 전력을 생산하는 동시에 폐수에 함유된 인과 질소를 제거할 수 있다.
구체적으로, 상기 전기 응집 유닛(100)은 폐수(W)가 통과하는 폐수통과공간(S)이 제공되도록 서로 이격되어 배치되는 금속 애노드(A)와 공기 캐소드(C), 상기 금속 애노드(A)와 상기 공기 캐소드(C)를 상기 폐수통과공간(S)의 외측에서 물리적으로 연결하고 소정의 저항을 구비하는 도선부(102)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 폐수통과공간(S)을 통과하는 상기 폐수(W)는 암모니아성 질소(ammonia nitrogen), 인산염(phosphate) 및 전해질을 포함할 수 있으며, 상기 폐수통과공간(S)을 통과하는 과정에서 특정 기작에 의해 스트루바이트(struvite)가 결정화됨으로써 상기 폐수(W)에 함유된 인 및 질소가 제거될 수 있다.
구체적으로, 상기 금속 애노드(A) 및 상기 공기 캐소드(C)는, 각각 마그네슘(Mg) 및 탄소천(carbon cloth)을 포함할 수 있으며, 상기 금속 애노드(A)에서는 산화 반응과 환원 반응이 일어나게 되고, 상기 공기 캐소드(C)에서는 환원 반응이 일어나게 된다.
이 과정에서, 생성되는 전자에 의해 전력이 생산되는 동시에 수산화이온이 다량 생성되게 되어 폐수의 pH는 상승하게 되며, 이로 인해 스트루바이트의 결정화를 위한 pH 조건이 만족하게 된다.
상기와 같은 과정을 도면을 기초로 하여 상세히 설명한다.
우선, 도 2를 참조하면, 마그네슘을 포함하는 금속 애노드(A)에서는 다음의 제1 반응식과 제2 반응식과 같은 산화 반응 및 제3 반응식과 같은 환원 반응이 일어나게 되며, 탄소천을 포함하는 공기 캐소드(C)는 다음의 제4 반응식과 같은 환원 반응이 일어나게 된다.
○ 제1 반응식(금속 애노드에서의 산화 반응) : 2Mg → 2Mg2 + + 4e-
○ 제2 반응식(금속 애노드에서의 산화 반응) : Mg → Mg2 + + 2e-
○ 제3 반응식(금속 애노드에서의 환원 반응) : 2H2O + 2e- → H2 + 2OH-
○ 제4 반응식(공기 캐소드에서의 환원 반응) : O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-
여기서, 상기 제1 반응식에 의한 산화 반응과 상기 제2 반응식에 의한 산화 반응은 마그네슘에 의한 동일한 산화 반응이나, 전력 생산의 측면과 폐수 처리의 측면을 구분하여 설명하기 위해 편의상 구분하였음을 밝혀둔다.
상기 제1 반응식에 의한 산화 반응에 의해 생성된 전자(4e-, 이하 '제2 전자'라 함)는 상기 금속 애노드(A)와 상기 공기 캐소드(C)를 연결하는 도선부(102)를 따라 이동하게 되며, 이로 인해 전력이 생산되게 된다.
이때, 상기 제2 전자의 흐름을 위해 전해질이 필요하게 되는데, 본 발명에서는 종래에서 사용한 별도의 고농도의 염화나트륨(NaCl)을 이용하는 것이 아니라, 폐수 내에 함유된 전해질 그 자체를 이용하게 된다.
일반적으로 축산폐수와 같은 유기성 폐수와 하수처리 공정의 반류수에는 500 ppm 이상의 암모니아성 질소와 100 ppm을 상회하는 인이 포함되어 있으며, 비교적 고농도의 전해질이 포함되어 있으므로, 본 발명에서는 전력 생산을 위해 별도의 전해질을 사용하지 않고, 폐수 내의 전해질을 사용하여 효율성을 극대화할 수 있다.
금속 애노드(A)로부터 공기 캐소드(C)로 도선부(102)를 따라 이동된 제2 전자는 상기 제4 반응식에 의한 환원 반응에 사용되어 수산화이온(4OH-, 이하 '제2 수산화이온'이라 함)을 생성하는데 기여하게 된다.
한편, 제2 반응식에 의한 산화 반응에 의해 생성된 전자(2e-, 이하 '제1 전자'라 함)는 제3 반응식에 의한 환원 반응에 사용되어 수산화이온(2OH-, 이하 '제1 수산화이온'이라 함)을 생성하는데 기여하게 된다.
여기서, 상기 제3 반응식에 의한 반응에 의해 생성되는 제1 수산화이온과 상기 제4 반응식에 의한 반응에 의해 생성되는 제2 수산화이온은, 상기 제1 반응식과 상기 제2 반응식에 의한 반응에 의해 생성되는 마그네슘 이온과 폐수에 포함된 암모니아성 질소 및 인산염이 반응하여 스트루바이트(MgHN4PO4·6H2O)가 결정화되도록 하여 상기 폐수의 처리가 가능하도록, 상기 스트루바이트의 결정화를 위한 pH 조건을 만족하도록 기여하게 되며, 이하에서 구체적으로 설명한다.
폐수에 함유된 질소와 인을 제거하기 위한 스트루바이트(MgHN4PO4·6H2O)는 다음과 같은 제5 반응식에 의해 생성될 수 있으며, 생성된 스트루바이트는 완효성 비료 (slow-release fertilizer)로서 식물에 독성을 나타내지 않고, 한 번 사용으로 장기간 산화하지 않고 지속적 효과를 나타내는 비료로서 사용될 수 있다.
○ 제5 반응식 : Mg2 + + NH4+ + HPO4 2 - + OH- + 5H2O → MgNH4PO4·6H2O
폐수에 함유된 질소와 인을 제거하기 위한 스트루바이트의 생성을 위해서는, 수산화 이온이 필요하게 되며, 다시 말해, 알칼리 조건으로 pH가 8 내지 9 정도가 되어야 한다.
그러나, 폐수통과공간으로 유입되는 폐수의 pH 는 그보다 낮은 수치인 것이 것이 일반적이므로 스트루바이트의 결정화를 위한 pH 조건을 만족시키기 위해 pH 를 상승시킬 수 있는 구성이 필요하게 된다.
이러한 이유로, 종래에는 알칼리제인 수산화나트륨(NaOH)을 처리가 필요한 폐수에 별도로 투입하였으나, 이러한 방법은 폐수 처리의 비용을 증가시키는 등의 문제를 야기시키게 되었다.
본 발명에서는 상기와 같은 문제가 전혀 발생되지 않으며, 다시 말해서, 별도의 알칼리제의 투입 없이도 상기 제3 반응식에 의한 반응에 의해 생성되는 제1 수산화이온과 상기 제4 반응식에 의한 반응에 의해 생성되는 제2 수산화이온에 의해 스트루바이트의 결정화를 위한 pH 의 최적 조건을 만족시킬 수 있게 된다.
즉, 본 발명에서는 마그네슘을 포함하는 금속 애노드(A) 및 탄소천을 포함하는 공기 캐소드(C)를 이용하여 폐수가 폐수통과공간(S)에 체류하는 시간 동안 pH 를 상승시킬 수 있게 되어 자연스럽게 스트루바이트의 결정화가 진행되도록 할 수 있는 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛에 의해 전력이 생산되고 폐수가 처리되는 동시에 스트루바이트를 회수할 수 있는 예시적인 처리 계통도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛을 설명하기 위한 개략 분해사시도이며, 도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 장치를 설명하기 위한 개략 사시도 및 사진이다.
이하에서는, 본 발명에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛(200, 이하 '전기 응집 유닛'이라 함) 및 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 장치(20, 이하 '전기 응집 장치'라고 함)에 대해 설명하되, 도 1 내지 도 3을 참조로 설명한 전력 생산 원리 및 폐수 처리 원리에 대한 설명은 생략하기로 한다.
우선, 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 응집 유닛(200)은, 마그네슘을 포함하는 금속 애노드(A), 탄소천을 포함하는 공기 캐소드(C), 상기 금속 애노드(A)와 상기 공기 캐소드(C)를 폐수통과공간(S)의 외측에서 물리적으로 연결하는 도선부(미도시), 상기 폐수통과공간(S)의 크기를 규정하는 폐수통과부(210) 및 상기 공기 캐소드(C)를 향해 공기가 공급되도록 하는 공기공급부(220)를 포함할 수 있다.
상기 금속 애노드(A) 및 상기 공기 캐소드(C)는 상기 폐수통과부(210)의 일측 및 타측 각각에 배치될 수 있으며, 상기 공급공급부(220)는 상기 공기 캐소드(C)의 일면 중 상기 폐수통과부(210)를 향한 일면의 반대면에 배치될 수 있다.
상기 폐수통과부(210)는 상기 금속 애노드(A)와 상기 공기 캐소드(C)의 이격 거리, 즉, 상기 폐수통과공간(S)의 폭을 규정할 수 있다.
상기 폐수통과부(210)는 상기 폐수통과공간(S)을 통과하는 폐수가 상기 폐수통과공간(S)으로 유입되기 위한 유입구(212) 및 상기 폐수통과공간(S)으로부터 외부로 유출되기 위한 유출구(214)를 구비할 수 있으며, 상기 유입구(212)는 상기 유출구(214)보다 상대적으로 하측에 배치될 수 있다.
이는 폐수가 상기 폐수통과공간(S) 내에 체류할 수 있는 시간을 확보하기 위한 것으로, 체류시간 확보를 통해, 도 1 내지 도 3을 참조로 설명한 일련의 반응을 위한 시간을 확보할 수 있게 된다.
상기 유입구(212) 및 상기 유출구(214)의 개수는 특별하게 정해지는 것은 아니며, 당업자의 의도에 맞게 다양하게 변경될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 응집 유닛(200)은, 상기 폐수통과부(210)와 상기 금속 애노드(A) 사이에 배치되어, 상기 폐수통과부(210)와 상기 금속 애노드(A) 사이를 실링하는 제1 실링부(230) 및 상기 폐수통과부(210)와 상기 공기 캐소드(C) 사이에 배치되어, 상기 폐수통과부(210)와 상기 공기 캐소드(C) 사이를 실링하는 제2 실링부(240)를 포함할 수 있다.
상기 공기공급부(220)는 소정의 내부공간을 구비하도록 중앙부가 관통된 사각 링형상으로 형성될 수 있으며, 외부로부터 상기 내부공간으로 상기 공기가 공급되도록, 상기 내부공간과 상기 외부가 연통되는 복수의 공기통로(222)를 구비할 수 있으며, 상기 복수의 공기통로(222)는 상기 내부공간을 포위하도록 형성될 수 있다.
상기 복수의 공기통로(222)를 통해 상기 내부공간으로 유입된 공기에 포함된 산소는 공기 캐소드(C)의 환원 반응에 사용되게 된다.
한편, 상기 공기공급부(220)는 도 4에 도시된 바와 같이 금속 애노드(A)의 일면 중 폐수통과부(210)를 향한 일면의 반대면에도 배치될 수 있으나, 이는 필수적인 사항이 아니며, 도 5a 및 도 5b를 참조로 설명할 전기 응집 장치(20)의 구현을 위한 선택적인 사항일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기 응집 유닛(200)은 지지판(250) 및 체결구(260)에 의해 하나의 유닛으로 구현될 수 있으며, 상기 지지판(250) 및 상기 체결구(260)는 다양한 형상 및 구조 등으로 변경될 수 있다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명에 따른 전기 응집 장치(20)는, 도 4를 참조로 설명한 전기 응집 유닛(200)이 복수개 연결되어 구현될 수 있다.
상기 전기 응집 유닛(200)은 제1 전기 응집 유닛(200a), 제2 전기 응집 유닛(200b) 내지 제N(N은 자연수) 전기 응집 유닛(200n)을 포함할 수 있으며, 각각의 전기 응집 유닛은 이웃하는 전기 응집 유닛과 공기공급부에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 전기적인 연결에 대한 구체적인 설명은 제1 전기 응집 유닛(200a) 및 제2 전기 응집 유닛(200b)을 예로 들어 하기로 한다.
상기 제1 전기 응집 유닛(200a)의 금속 애노드(A)는 제2 전기 응집 유닛(200b)의 공기캐소드(C)와 접촉된 상태인 공기공급부(220b)와 접촉될 수 있으며, 상기 공기공급부(220b)는 도체로 형성될 수 있다.
이로 인해, 제1 전기 응집 유닛(200a)의 금속 애노드(A)는 제2 전기 응집 유닛(200b)의 공기 캐소드(C)와 공기공급부(220b)를 매개로 하여 서로 전기적으로 연결될 수 있으며, 이러한 방식을 통해, 복수의 전기 응집 유닛(200a, 200b~200n)은 서로 순차적으로 전기적으로 연결될 수 있다.
여기서, 제N 전기 응집 유닛(200n)의 금속 캐소드(C)는 미도시된 도선부를 통해 제1 전기 응집 유닛(200a)의 공기 캐소드(C)와 연결되며, 상기 도선부를 통한 전자의 이동에 의해 전력이 생산되게 된다.
한편, 상기 전기 응집 장치(20)는 지지판(25) 및 체결구(26)에 의해 복수의 전기 응집 유닛(200)이 서로 연결될 수 있으며, 상기 지지판(25) 및 상기 체결구(26)는 다양한 형상 및 구조 등으로 변경될 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 장치를 설명하기 위한 개략 사시도이며, 도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 장치에 제공되는 금속 애노드의 착탈 원리를 설명하기 위한 도면이다.
또한, 도 8은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 장치를 설명하기 위한 개략 내부구성도이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 장치(30, 이하 '전기 응집 장치'라고 함)는 복수의 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛(300, 이하 '전기 응집 유닛'이라 함)을 포함할 수 있다.
상기 전기 응집 유닛(300)은 제1 전기 응집 유닛(300a), 제2 전기 응집 유닛(300b) 내지 제N(N은 자연수) 전기 응집 유닛(300n)을 포함할 수 있으며, 각각은 모두 동일한 구성일 수 있으므로, 상기 제1 전기 응집 유닛(300a)을 대표로 설명한다.
상기 제1 전기 응집 유닛(300a)은 마그네슘을 포함하는 금속 애노드(A), 탄소천을 포함하는 공기 캐소드(C), 폐수통과공간(S)의 크기를 규정하는 폐수통과부(310)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 금속 애노드(A)는 상기 폐수통과공간(S)이 제1 폐수통과공간(S1)과 제2 폐수통과공간(S2)으로 구획되도록 상기 폐수통과공간(S) 내에 배치될 수 있으며, 상기 공기 캐소드(C)는 상기 폐수통과부(310)의 일측 및 타측에 각각 배치되는 제1 공기 캐소드(C1) 및 제2 공기 캐소드(C2)를 포함할 수 있다.
상기 제1 공기 캐소드(C1) 및 상기 제2 공기 캐소드(C2)는 상기 폐수통과공간(S) 내에 배치된 하나의 상기 금속 애노드(A)를 공유할 수 있으며, 상기 금속 애노드(A)는 산화로 인한 교체가 가능하도록, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 상기 폐수통과부(310)에 착탈 가능하게 결합될 수 있다.
상기 금속 애노드(A)의 교체 방식은 도시된 바와 같이 슬라이딩 방식일 수 있느나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
여기서, 상기 전기 응집 장치(30)는 지지판(35) 및 체결구(36)에 의해 복수의 전기 응집 유닛(300)이 서로 연결될 수 있는데, 상기 금속 애노드(A)가 폐수통과부(310)에 착탈 가능하게 결합될 수 있으므로, 상기 체결구(36)의 분리가 없어도 특정 금속 애노드(A)의 교체가 가능할 수 있다.
한편, 상기 제1 전기 응집 유닛(300a)은 상기 제1 공기 캐소드(C1)의 일면 중 상기 제1 폐수통과공간(S1)를 향한 일면의 반대면에 배치되어 외부로부터 상기 제1 공기 캐소드(C1)를 향해 상기 공기가 공급되도록 하는 제1 공기공급부(322) 및 상기 제2 공기 캐소드(C2)의 일면 중 상기 제2 폐수통과공간(S2)를 향한 일면의 반대면에 배치되어 외부로부터 상기 제2 공기 캐소드(C2)를 향해 상기 공기가 공급되도록 하는 제2 공기공급부(324)를 포함할 수 있다.
상기 제1 공기공급부(322) 및 상기 제2 공기공급부(324)는 각각 소정의 내부공간 및 상기 내부공간과 외부가 연통되는 공기통로를 구비할 수 있다.
상기와 같은 제1 전기 응집 유닛(300a)과 동일한 구성의 전기 응집 유닛이 복수개 연결되면, 하나의 전기 응집 장치(30)가 구현될 수 있다.
여기서, 제1 전기 응집 유닛(300a), 제2 전기 응집 유닛(300b) 내지 제N(N은 자연수) 전기 응집 유닛(300n)은 도선(372, 374)에 의해 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
구체적으로, 제1 전기 응집 유닛(300a)의 제1 공기 캐소드(C1)와 제2 공기 캐소드(C2)는 제1 도선(372)에 의해 서로 전기적으로 연결되며, 상기 제1 도선(372)은 제2 전기 응집 유닛(300b)의 금속 애노드(A)에 전기적으로 연결될 수 있다.
상기와 같은 방식을 통해, 복수의 전기 응집 유닛은 서로 순차적으로 전기적으로 연결될 수 있으며, 제N 전기 응집 유닛(300n)의 공기 캐소드(C1, C2)는 도선부(32)를 통해 제1 전기 응집 유닛(300a)의 금속 애노드(A)와 연결되며, 상기 도선부(32)를 통한 전자의 이동에 의해 전력이 생산되게 된다.
도 9a 및 도 9b는 각각 본 발명에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 장치에 의해 인공 폐수를 처리한 경우, 생성된 침전물에 대한 XRD 분석 데이터 및 전류에 대한 전압 분포 곡선을 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 장치에 의한 폐수 처리, 자원생산 및 전력생산 가능성을 조사하기 위해서 12개의 스택으로 이루어진 셀을 사용하여 실험을 수행하였다.
실험을 위해서, 초기 pH가 7이고 0.02 M의 NaCl, 1000 ppm의 암모니아성 질소 및 500ppm의 인이 포함된 인공 폐수를 900 mL/분의 속도로 주입하였으며, 유출수를 수집한 다음 ICP를 이용하여 인의 농도와 유출수의 pH를 모니터링하였다.
또한, 원심분리를 통해서 유출수로부터 침전물을 분리/건조한 후, XRD 분석을 통해서 스트루바이트의 생성 유무를 확인하였다.
더불어, 이러한 조건에서 생성 가능한 전력도 조사하였다. 도 9a 및 9b에는 각각 XRD 분석 데이터 및 전류에 대한 전압 분포 곡선을 도시하였다.
실험 결과, 초기 농도 500 ppm이었던 인이 4시간 이내에 1 ppm 이하로 감소하였고, 유출수의 pH는 8.9이었으며, 최대전력은 2 W가 생산되었다.
또한, 폐수 주입속도가 900 mL/분이었으므로, 하루에 1.3 톤 정도의 폐수를 처리할 수 있을 것으로 판단된다.
한편, 도 9a를 참조하면, 회수된 산화물의 XRD 피크는 스트루바이트 고유의 주된 피크 (분홍색 점)와 같은 위치에서 피크를 형성함을 알 수 있다.
그러므로, 본 발명에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 장치는, 금속 애노드로부터 마그네슘 이온이 제공되고 폐수의 pH 가 스트루바이트의 결정을 위한 pH인 8.9로 상승하였으므로, 성공적으로 스트루바이트가 회수되었다는 것을 알 수 있다.
종합하면, 본 발명에 따른 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛 및 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 장치는, 안정적 운전 효율로 폐수를 처리함과 동시에, 별도의 외부 공급 에너지원이 없이도 자립적으로 운전이 가능할 정도로 전력을 생산하고, 더 나아가 폐수로부터 유용한 자원물질인 스트루바이트의 회수까지도 가능하게 할 수 있다.
상기에서는 본 발명에 따른 실시예를 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 명백한 것이며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속함을 밝혀둔다.
100, 200: 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛
20, 30: 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 장치
A: 금속 애노드
C: 공기 캐소드

Claims (12)

  1. 폐수 - 상기 폐수는, 암모니아성 질소(ammonia nitrogen), 인산염(phosphate) 및 전해질을 포함함 - 가 통과하는 폐수통과공간이 제공되도록 서로 이격되어 배치되는 금속 애노드(Metal anode)와 공기 캐소드(Air cathode);
    상기 금속 애노드와 상기 공기 캐소드를 상기 폐수통과공간의 외측에서 물리적으로 연결하고 소정의 저항을 구비하는 도선부; 및
    상기 폐수통과공간의 크기를 규정하고, 일측 및 타측 각각에 상기 금속 애노드 및 상기 공기 캐소드가 배치되는 폐수통과부;를 포함하며,
    상기 금속 애노드 및 상기 공기 캐소드는,
    각각 마그네슘 및 탄소천을 포함하고,
    상기 마그네슘을 포함하는 금속 애노드는,
    마그네슘 이온 및 상기 폐수의 물과 반응하여 제1 수산화이온이 생성되기 위한 제1 전자가 생성되도록, 산화되며,
    상기 탄소천을 포함하는 공기 캐소드는,
    상기 도선부를 통해 이동된 상기 마그네슘의 산화에 의해 생성된 제2 전자가 상기 폐수의 물과 공기 중의 산소와 반응하여 제2 수산화이온이 생성되도록 하고,
    상기 제1 수산화이온 및 상기 제2 수산화이온은,
    상기 마그네슘 이온, 상기 폐수에 포함된 암모니아성 질소 및 인산염의 반응에 의한 스트루바이트(MgHN4PO4·6H2O)가 결정화되도록 하여 상기 폐수의 처리가 가능하도록, 상기 스트루바이트의 결정화를 위한 상기 폐수통과부에 체류되는 상기 폐수의 pH 조건을 만족하도록 기여하며,
    상기 제2 전자는,
    상기 도선부를 통해 이동되는 과정에서 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는, 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 수산화이온 및 상기 제2 수산화이온은,
    상기 폐수통과공간으로 유입되는 상기 폐수의 pH를 상승시켜, 상기 스트루바이트의 결정화를 위한 pH 조건을 만족시키기 위한 별도의 알칼리제의 투입이 필요 없도록 하는 것을 특징으로 하는, 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전력 생산을 위한 상기 제2 전자의 상기 도선부를 통한 이동은,
    상기 폐수에 포함된 상기 전해질에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는, 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛.
  4. 폐수 - 상기 폐수는, 암모니아성 질소(ammonia nitrogen), 인산염(phosphate) 및 전해질을 포함함 - 가 통과하는 폐수통과공간이 제공되도록 서로 이격되어 배치되는 금속 애노드(Metal anode)와 공기 캐소드(Air cathode);
    상기 금속 애노드와 상기 공기 캐소드를 상기 폐수통과공간의 외측에서 물리적으로 연결하고 소정의 저항을 구비하는 도선부;
    상기 폐수통과공간의 크기를 규정하고, 일측 및 타측 각각에 상기 금속 애노드 및 상기 공기 캐소드가 배치되는 폐수통과부; 및
    상기 공기 캐소드의 일면 중 상기 폐수통과부를 향한 일면의 반대면에 배치되어 외부로부터 상기 공기 캐소드를 향해 상기 공기가 공급되도록 하는 공기공급부;를 포함하며,
    상기 금속 애노드 및 상기 공기 캐소드는,
    각각 마그네슘 및 탄소천을 포함하고,
    상기 마그네슘을 포함하는 금속 애노드는,
    마그네슘 이온 및 상기 폐수의 물과 반응하여 제1 수산화이온이 생성되기 위한 제1 전자가 생성되도록, 산화되며,
    상기 탄소천을 포함하는 공기 캐소드는,
    상기 도선부를 통해 이동된 상기 마그네슘의 산화에 의해 생성된 제2 전자가 상기 폐수의 물과 공기 중의 산소와 반응하여 제2 수산화이온이 생성되도록 하고,
    상기 제1 수산화이온 및 상기 제2 수산화이온은,
    상기 마그네슘 이온, 상기 폐수에 포함된 암모니아성 질소 및 인산염의 반응에 의한 스트루바이트(MgNH4PO4·6H2O)가 결정화되도록 하여 상기 폐수의 처리가 가능하도록, 상기 스트루바이트의 결정화를 위한 pH 조건을 만족하도록 기여하며,
    상기 제2 전자는,
    상기 도선부를 통해 이동되는 과정에서 전력을 생산하며,
    상기 폐수통과부는,
    상기 폐수가 유입되는 유입구와 상기 폐수가 유출되는 유출구를 구비하며,
    상기 유입구는,
    상기 유출구보다 상대적으로 하측에 배치되는 것을 특징으로 하는, 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 폐수통과부는,
    상기 금속 애노드와 상기 공기 캐소드의 이격 거리를 규정하는 것을 특징으로 하는, 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 폐수통과부와 상기 금속 애노드 사이에 배치되어, 상기 폐수통과부와 상기 금속 애노드 사이를 실링하는 제1 실링부; 및
    상기 폐수통과부와 상기 공기 캐소드 사이에 배치되어, 상기 폐수통과부와 상기 공기 캐소드 사이를 실링하는 제2 실링부;를 더 포함하는, 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 공기공급부는,
    소정의 내부공간을 구비하며, 상기 외부로부터 상기 내부공간으로 상기 공기가 공급되도록, 상기 내부공간과 상기 외부가 연통되는 복수의 공기통로를 구비하며,
    상기 복수의 공기통로는,
    상기 내부공간을 포위하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛.
  8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛;을 포함하며,
    상기 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛은,
    폐수 처리가 가능한 전력 생산형 제1 전기 응집 유닛 및 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 제2 전기 응집 유닛을 포함하고,
    상기 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 제1 전기 응집 유닛의 금속 애노드는,
    상기 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 제2 전기 응집 유닛의 공기공급부와 접촉되며,
    상기 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 제2 전기 응집 유닛의 공기공급부는,
    상기 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 제1 전기 응집 유닛의 금속 애노드와 상기 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 제2 전기 응집 유닛의 공기 캐소드가 전기적으로 연결되도록, 도체로 형성되는 것을 특징으로 하는, 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 장치.
  9. 폐수 - 상기 폐수는, 암모니아성 질소(ammonia nitrogen), 인산염(phosphate) 및 전해질을 포함함 - 가 통과하는 폐수통과공간이 제공되도록 서로 이격되어 배치되는 금속 애노드(Metal anode)와 공기 캐소드(Air cathode);
    상기 금속 애노드와 상기 공기 캐소드를 상기 폐수통과공간의 외측에서 물리적으로 연결하고 소정의 저항을 구비하는 도선부; 및
    상기 폐수통과공간의 크기를 규정하는 폐수통과부;를 포함하며,
    상기 금속 애노드 및 상기 공기 캐소드는,
    각각 마그네슘 및 탄소천을 포함하고,
    상기 마그네슘을 포함하는 금속 애노드는,
    마그네슘 이온 및 상기 폐수의 물과 반응하여 제1 수산화이온이 생성되기 위한 제1 전자가 생성되도록, 산화되며,
    상기 탄소천을 포함하는 공기 캐소드는,
    상기 도선부를 통해 이동된 상기 마그네슘의 산화에 의해 생성된 제2 전자가 상기 폐수의 물과 공기 중의 산소와 반응하여 제2 수산화이온이 생성되도록 하고,
    상기 제1 수산화이온 및 상기 제2 수산화이온은,
    상기 마그네슘 이온, 상기 폐수에 포함된 암모니아성 질소 및 인산염의 반응에 의한 스트루바이트(MgHN4PO46H2O)가 결정화되도록 하여 상기 폐수의 처리가 가능하도록, 상기 스트루바이트의 결정화를 위한 pH 조건을 만족하도록 기여하며,
    상기 제2 전자는,
    상기 도선부를 통해 이동되는 과정에서 전력을 생산하며,
    상기 금속 애노드는,
    상기 폐수통과공간이 제1 폐수통과공간과 제2 폐수통과공간으로 구획되도록 상기 폐수통과공간 내에 배치되고,
    상기 공기 캐소드는,
    상기 폐수통과부의 일측 및 타측에 각각 배치되는 제1 공기 캐소드 및 제2 공기 캐소드를 포함하며,
    상기 제1 공기 캐소드 및 상기 제2 공기 캐소드는,
    상기 폐수통과공간 내에 배치된 하나의 상기 금속 애노드를 공유하는 것을 특징으로 하는, 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 금속 애노드는,
    산화로 인한 교체가 가능하도록, 상기 폐수통과부에 착탈 가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는, 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 공기 캐소드의 일면 중 상기 제1 폐수통과공간을 향한 일면의 반대면에 배치되어 외부로부터 상기 제1 공기 캐소드를 향해 상기 공기가 공급되도록 하는 제1 공기공급부; 및
    상기 제2 공기 캐소드의 일면 중 상기 제2 폐수통과공간을 향한 일면의 반대면에 배치되어 외부로부터 상기 제2 공기 캐소드를 향해 상기 공기가 공급되도록 하는 제2 공기공급부;를 더 포함하는, 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛;을 포함하며,
    상기 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 유닛은,
    폐수 처리가 가능한 전력 생산형 제1 전기 응집 유닛 및 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 제2 전기 응집 유닛을 포함하고,
    상기 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 제1 전기 응집 유닛의 제1 공기 캐소드와 제2 공기 캐소드는, 제1 도선에 의해 서로 전기적으로 연결되며,
    상기 제1 도선은,
    상기 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 제2 전기 응집 유닛의 금속 애노드에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 폐수 처리가 가능한 전력 생산형 전기 응집 장치.
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