KR101881463B1 - 축전식 탈염 및 전기산화를 이용한 수처리 장치 및 방법 - Google Patents

축전식 탈염 및 전기산화를 이용한 수처리 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수처리 장치 및 이를 이용한 수처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소정의 용적을 갖는 원수공급조, 상기 원수공급조의 원수를 각각 공급받는 병렬로 위치하는 2개 이상의 축전식 탈염장치, 상기 축전식 탈염장치로부터 탈착공정시 배출되는 농축수를 일시적으로 저장하는 농축수 저류조 및 상기 농축수 저류조의 농축수를 공급받는 전기분해산화장치를 포함하는 축전식 탈염장치와 전기분해산화장치를 포함하는 수처리장치 및 이를 이용한 수처리 방법에 관한 것이다.

Description

축전식 탈염 및 전기산화를 이용한 수처리 장치 및 방법{Apparatus and Method for Wastewater Treatment using Capacitive Deionization and Electrochemical oxidation}
본 발명은 수처리 장치 및 이를 이용한 수처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 물속에 포함되어 있는 용존 고형물을 제거하기 위한 축전식 탈염장치, 축전식 탈염장치로부터 배출되는 농축수를 이용하여 오염물질을 산화시킴과 함께 수소 가스를 회수하는 전기분해산화장치를 포함하는 축전식 탈염장치와 전기분해 산화장치를 포함하는 수처리 장치 및 이를 이용한 수처리 방법에 관한 것이다.
최근 국내에서는 하천수계 부영양화 억제를 위하여 하수처리장 방류수 수질기준을 대폭 강화하였으며, 물 부족에 따른 대체수자원 확보 차원에서 하수 재이용에 대한 관심이 고조되고 있다. 이에 따라 하수처리장마다 기존 생물학적 처리공정에 다양한 물리화학적 처리공정을 결합한 초고도 하수처리 혹은 하수 재이용 기술을 도입하려는 시도가 활발하다.
물 재이용은 재이용수 용도에 따라 요구수질이 다양하며, 수질항목으로는 총질소, 총인을 비롯해서 경도, 알칼리도, 총용존고형물(TDSs, Total Dissolved Soilds) 등이 포함되는데 이들 대부분은 수중에서 이온형태로 존재한다. 따라서 물 재이용을 위해 이러한 이온물질을 효과적으로 제거하는 탈염기술이 매우 중요하다.
물 재이용 기술은 용도에 따라 다양한 처리기술이 있는데, 일반적으로 분리막에 근간한 정밀여과 또는 역삼투가 주를 이루고 있다. 하지만 분리막을 사용할 경우 에너지 사용량이 크고 막 오염 저감을 위해 사용하는 약품이 2차 환경오염을 유발할 수 있다. 하지만 전기화학적 이온 제거기술인 축전식 탈염기술은 낮은 인가전압(1~2 V)에서 구동되므로 에너지 소비량이 상대적으로 낮고 전극 전위의 변화만으로 쉽게 이온을 흡탈착할 수 있어 운전이 간단하다는 이점이 있다.
이러한 축전식 탈염기술은 연속운전 시 안정적인 탈염성능을 내기 위해서 전극에 흡착된 이온을 탈착시켜 배출시키는 전극 재생과정이 매우 중요하며, 이 과정이 충분히 진행되지 않으면 연이은 이온 흡착과정 시 전극의 축전용량을 충분히 활용할 수 없어 탈염효율이 떨어지거나 전극 내 잔류 이온들이 초기 처리수와 함께 배출되어 처리수질을 악화시킬 수 있다.
또한 전극재생을 충분히 하기 위해 과량의 세정수를 공급할 경우 이에 상응하는 과량의 농축수가 발생하여, 이들 농축수를 별도처리하기 위한 비용이 증가하며, 적절히 처리되지 않은 농축수가 주처리공정으로 반송되면 전체 처리시설의 효율저하를 야기할 수 있다.
특히 농축수에 포함된 오염물 중 용존유기물과 질소화합물은 제거하기가 까다롭기 때문에 주처리시설에 준하는 복잡한 생물학적 처리공정 혹은 상당량의 약품이 투입되어야 하는 화학적 처리공정이 추가로 설치되어야 한다.
축전식 탈염기술을 하수재이용 분야에 적용하기 위해서는 상기와 같이 전극재생과정을 최적화하는 것이 매우 중요하다. 하지만 안타깝게도 종래의 축전식 탈염기술에는 소량의 세정수로 충분한 전극재생을 유도할 수 있는 효과적 방법이 제시된 바가 없고, 세정과정에서 발생한 농축수의 별도 처리방법도 뚜렷한 대안이 없어 상기 기술의 상용화에 큰 걸림돌이 되어 왔다.
한국공개특허공보 제2015-0017017호 한국등록특허공보 제10-1644275호 한국공개특허공보 제2002-0065821호
이에 본 발명에서는 단순히 원수를 세정수로 사용했던 종래의 축전식 탈염기술과 달리 이온흡착 중인 모듈에서 생산되는 소량의 초기 처리수를 전극재생 중인 모듈에 짧은시간 동안 고유량으로 공급함으로써 효과적으로 탈착이온을 배출시키고 아울러 잔류 이온에 의한 초기 처리수의 수질 악화문제도 동시에 해결하는 것을 목적으로 한다.
또한 전극재생 과정에서 불가피하게 발생하는 농축수는 전기전도도가 매우 높다는 점에 착안하여 특별히 고안된 전기분해 산화장치를 통해 제거가 어려운 용존유기물 및 질소화합물을 효과적으로 제거하고 동시에 여기서 유용한 부생가스인 수소와 산소를 회수함으로써 저에너지형 농축수 처리방법의 새로운 대안을 제시하는 것을 목적으로 한다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 수처리장치는 소정의 용적을 갖는 원수공급조(100); 상기 원수공급조(100)의 원수를 각각 공급받는 병렬로 위치하는 2개 이상의 축전식 탈염장치(200); 상기 축전식 탈염장치(200)으로부터 탈착공정시 배출되는 농축수를 일시적으로 저장하는 농축수 저류조(300); 및 상기 농축수 저류조(300)의 농축수를 공급받는 전기분해산화장치(400)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 수처리장치에서, 상기 축전식 탈염장치(200)는 2개 이상의 단위 축전식 탈염장치로 구성되고, 상기 원수공급조(100)와 상기 2개 이상의 단위 축전식 탈염장치(200) 입구를 연결하는 제1 관로(L1); 상기 2개 이상의 단위 축전식 탈염장치(200) 출구와 연결되는 제2 관로(L2)와 제4 관로(L4); 상기 제2 관로(L2)와 제4 관로(L4)를 연결하는 제3 관로(L3); 상기 제1 관로(L1)와 농축수 저류조(300) 입구를 연결하는 제5 관로(L5)와 제6 관로(L6); 상기 농축수 저류조(300) 출구와 상기 전기분해산화장치(400) 입구를 연결하는 제7 관로(L7); 및 상기 전기분해산화장치(400) 출구와 연결된 제8 관로(L8) 및 제9 관로(L9)를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 수처리장치에서, 상기 제1 관로(L1), 제2 관로(L2), 제4 관로(L4), 제5 관로(L5) 및 제6 관로(L6)에는 1개 이상의 밸브가 더 구비되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 수처리장치에서, 상기 전기분해산화장치(400)는, 소정 형상을 갖는 양극챔버(410); 상기 양극챔버(410)와 동일한 외형을 갖는 음극챔버(420); 및 상기 양극챔버(410)와 음극챔버(420) 사이에 위치하는 격막(430)을 포함하되, 상기 양극챔버(410), 격막(430) 및 음극챔버(420)는 밀폐구조로 결합되어 있는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 수처리장치에서, 상기 양극챔버(410)는, 양극챔버 커버(411), 양극챔버 제3 가스켓(412), 양극챔버 가이드 월(413), 양극챔버 제2 가스켓(414), 양극(415) 및 양극챔버 제1 가스켓(416)이 순차적으로 결합되되, 상기 양극챔버 제1 가스켓(416)이 격막(430)과 접하도록 위치하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 수처리장치에서, 상기 음극챔버(420)는, 음극챔버 커버(421), 음극챔버 제3 가스켓(422), 음극챔버 가이드 월(423), 음극챔버 제2 가스켓(424), 음극(425) 및 음극챔버 제1 가스켓(426)이 순차적으로 결합되되, 상기 음극챔버 제1 가스켓(426)이 격막(430)과 접하도록 위치하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 축전식 탈염장치와 전기분해산화장치를 포함하는 수처리장치를 이용한 수처리방법은, 일측의 축전식 탈염장치에 원수를 공급하여 오염물질을 흡착제거하여 처리수를 얻는 제1 흡착 단계; 일측의 축전식 탈염장치에 흡착된 오염물질을 탈착시켜 농축수를 배출하는 제1 탈착 단계; 타측의 축전식 탈염장치에 원수를 공급하여 오염물질을 흡착제거하여 처리수를 얻는 제2 흡착 단계; 및 타측의 축전식 탈염장치에 흡착된 오염물질을 탈착시켜 농축수를 배출하는 제2 탈착 단계를 포함하되, 상기 제1 흡착 단계와 제2 탈착 단계, 제2 흡착 단계와 제1 탈착 단계는 소정 기간 동시에 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 수처리방법에서는, 일측의 축전식 탈염장치로부터 얻어지는 상기 제1 흡착 단계의 초기 처리수가 상기 타측의 축전식 탈염장치에 공급되어 제2 탈착 단계가 수행되거나, 타측의 축전식 탈염장치로부터 얻어지는 상기 제2 흡착 단계의 초기 처리수가 상기 일측의 축전식 탈염장치에 공급되어 제1 탈착 단계가 수행될 수 있다.
또한 본 발명의 수처리방법에서는, 상기 농축수를 전기분해산화장치에 공급하여 농축수에 포함되어 있는 오염물질을 산화시키는 한편, 수소가스를 포집하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 수처리방법에서는, 상기 흡착 단계의 흡착시간은 상기 탈착 단계의 탈착시간보다 상대적으로 긴 것이 바람직하다.
본 발명에서는 복수 개의 축전식 탈염장치를 이온흡착 및 처리수를 생산하는 그룹과 반대로 이온탈착 및 전극재생 그리고 농축수를 배출하는 그룹으로 구분하고 일정 시간마다 각 그룹이 흡착과 탈착의 역할을 교대로 수행하도록 구성하여 전체 탈염장치에서 일정한 유량의 처리수가 연속적으로 생산될 수 있게 하였다.
이 때 이온흡착 및 처리수를 생산 중인 축전식 탈염장치에서 나오는 소량의 초기 처리수를 이온탈착 및 전극재생 중인 축전식 탈염장치에 짧은시간 고유량으로 공급함으로써 밀집되어 있는 전극 사이사이에 탈착된 이온들을 효과적으로 배출시키고, 아울러 잔류 이온에 의한 초기 처리수의 수질 악화문제도 동시에 해결하였다.
또한 전극재생 과정에서 불가피하게 발생하는 농축수는 전기전도도가 매우 높다는 점에 착안하여 전해질의 전기전도도가 높을수록 오염물 제거성능이 높아지는 전기분해 산화장치를 농축수 처리에 활용함으로써 농축수에 포함된 처리가 까다로운 용존유기물 및 질소화합물을 효과적으로 제거할 수 있도록 하였다.
특히 본 발명의 전기분해 산화장치는 농축수 유로와 기체배출 유로를 구분하고 기체 배출이 원활하도록 가스켓과 가이드월을 구비하였으며 별도의 분리막으로 양극과 음극을 구분함으로써, 농축수의 오염물을 제거함과 동시에 산화/환원 과정에서 발생하는 유용가스인 수소를 분리 포집하여 에너지원으로 활용함으로써 농축수 처리에 필요한 총 에너지 사용량을 저감하는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수처리 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기분해산화장치의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기분해산화장치의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기분해산화장치에서 양극챔버의 분해 평면도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기분해산화장치에서 음극챔버의 분해 평면도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기분해산화장치의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 변형실시예에 따른 전기분해산화장치의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 변형실시예에 따른 전기분해산화장치의 분해 사시도이다.
도 9는 본 발명의 변형실시예에 따른 전기분해산화장치에서 양극챔버의 분해 평면도이다.
도 10은 본 발명의 변형실시예에 따른 전기분해산화장치에서 음극챔버의 분해 평면도이다.
도 11은 본 발명의 수처리장치를 사용하여 물을 정화하는 단계를 설명하는 개략도이다.
도 12는 축전식 탈염장치 흡착공정 유출수의 TDS 변화결과이다.
도 13은 축전식 탈염장치 농축수의 TDS와 하수방류수의 이온농도 결과이다.
도 14는 전기분해 산화장치의 유기물 및 암모니아 처리 결과이다.
본 출원에서 “포함한다”, “가지다” 또는 “구비하다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 축전식 탈염장치와 전기분해산화장치를 포함하는 수처리장치에 관하여 첨부한 도면을 참조하면서 설명하기로 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수처리 장치의 개략도이다. 본 발명의 수처리 장치는 소정의 용적을 갖는 원수공급조(100), 축전식 탈염장치(200), 농축수 저류조(300) 및 전기분해산화장치(400)를 포함하여 이루어진다.
보다 상세하게 설명하면, 원수공급조(100)는 원수로서 하수 또는 폐수를 일시적으로 저장한 후 공급펌프(P)를 사용하여 축전식 탈염장치로 공급한다.
상기의 축전식 탈염장치(200)는 병렬로 위치하는 2개의 단위 축전식 탈염장치(210, 220)로 구성되어, 원수공급조(100)로부터 공급되는 하수나 폐수에 포함되어 있는 이온성 오염물질을 흡착 제거한다. 이 때, 2개의 단위 축전식 탈염장치가 병렬로 구비되면, 일측의 축전식 탈염장치(210)는 원수를 공급받아 이온흡착 과정을 수행하면서 처리수를 생산하고, 타측의 축전식 탈염장치(220)에서는 이온탈착 과정을 수행하면서 농축수를 배출한다. 이후 사용자가 정한 소정의 흡착시간이 경과하면 앞서와 반대로 일측의 축전식 탈염장치(210)는 이온탈착 과정을 수행하면서 농축수를 배출하고, 타측의 축전식 탈염장치(220)는 이온흡착 과정을 수행하면서 처리수를 생산함으로써, 전체 축전식탈염장치는 연속적으로 처리수를 생산하게 된다.
여기서, 축전식 탈염장치(200)는 양전극과 음전극을 구비한 전극모듈, 그리고 이들 전극모듈에 전력을 공급하고 양전극과 음전극에 정전압을 인가하는 제어모듈을 포함하여 이루어져, 이온성 오염물질을 양전극과 음전극에 흡착하는 흡착공정, 흡착된 이온성 오염물질을 탈착시키는 탈착공정을 번갈아 수행하면서 물을 정화하는 장치로서, 이러한 축전식 탈염장치(200)는 수처리분야에 알려진 기술에 해당되므로 구체적인 구성과 설명은 생략하기로 한다.
또 첨부한 도 1에서는 병렬로 위치하는 2개의 단위 축전식 탈염장치(210, 220)가 배치되는 것으로 도시하고 있으나, 단위 축전식 탈염장치가 3개, 4개 등 2개 이상으로 구비될 수 있고, 게다가 이러한 2개 이상의 단위 축전식 탈염장치를 하나의 그룹으로 갖는 2개 이상의 축전식 탈염장치를 구비할 수도 있다.
농축수 저류조(300)는 축전식 탈염장치(200)의 탈착 단계시 배출되는 농축수를 일시 저장한 후, 전기분해산화장치(400)로 농축수를 공급하기 위한 구성으로 소정의 크기를 갖는다.
전기분해산화장치(400)는 농축수 저류조(300)의 농축수를 공급받아, 농축수에 포함되어 있는 오염물질을 산화시키는 한편, 유용한 가스인 수소와 산소를 발생시키며, 이러한 전기분해산화장치(400)에 관해서는 후술하기로 한다.
계속해서, 원수공급조(100), 제1 축전식 탈염장치(210), 제2 축전식 탈염장치(220), 농축수 저류조(300) 및 전기산화조(400)를 연결하는 제1 관로(L1) 내지 제11 관로(L11)와 원수, 농축수, 처리수의 흐름을 개폐하기 위한 제1 밸브(V1) 내지 제5 밸브(V5)가 더 구비된다.
구체적으로, 상기 제1 관로(L1) 내지 제11 관로(L11)는, 일측은 원수공급조(100)의 출구와 연결되는 한편, 병렬로 배치된 제1 축전식 탈염장치(210)와 제2 축전식 탈염장치(220)의 입구와 연결되는 타측이 2개로 분기된 제1 관로(L1), 제1 축전식 탈염장치(210)와 제2 축전식 탈염장치(220)의 출구와 각각 연결되는 제2 관로(L2)와 제4 관로(L4), 상기 제2 관로(L2)와 제4 관로(L4)를 연결하는 제3 관로(L3), 제1 관로(L1)와 농축수 저류조(300) 입구를 연결하는 제5 관로(L5)와 제6 관로(L6), 농축수 저류조(300) 출구와 전기분해산화장치(400) 입구를 연결하는 제7 관로(L7) 그리고, 전기분해산화장치(400) 출구와 연결된 제8 관로(L8) 내지 제11 관로(L11)를 포함한다.
여기서, 상기 제8 관로(L8) 내지 제11 관로(L11)는, 전기분해산화장치(400)에서 배출되는 처리수, 농축수, 수소가스 및 산소가스 포집을 위한 관로들이다.
그리고 제1 축전식 탈염장치(210)와 제2 축전식 탈염장치(220)를 각각 연결하는 제1 관로(L1)에는 제1-1 밸브(V1-1)와 제1-2 밸브(V1-2)가 각각 구비되고, 제2 관로(L2), 제4 관로(L4), 제5 관로(L5) 및 제6 관로(L6)에는 제2 밸브(V2), 제3 밸브(V3), 제4 밸브(V4) 및 제5 밸브(V5)가 구비된다. 물론 필요에 따라 밸브를 추가적으로 더 구비할 수 있음은 자명하다.
전술한 전기분해산화장치(400)에 관해, 도 2 내지 도 10을 참조하면서 설명한다.
먼저 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기분해산화장치의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기분해산화장치의 분해 사시도이다. 도 2 및 3에 도시한 바와 같이, 전기분해산화장치(400)는 외형이 대략 사각형인 양극챔버(410), 음극챔버(420) 그리고 이들 양극챔버(410)와 음극챔버(420) 사이에 위치하는 격막(430)을 포함하여 이루어지며, 농축수를 공급하여 처리수를 얻고, 또 발생한 가스를 용이하게 회수할 수 있도록 양극챔버(410), 격막(430) 및 음극챔버(420)는 밀폐구조로 결합되어 있다.
양극챔버(410)는 격막(430)을 중심으로 하여 양극챔버 제1 가스켓(416), 양극(415), 양극챔버 제2 가스켓(414), 양극챔버 가이드 월(413), 양극챔버 제3 가스켓(412) 및 양극챔버 커버(411)가 순차적으로 결합되어 있다. 음극챔버(420)는, 양극챔버(410)와 동일하게 격막(430)을 중심으로 하여 음극챔버 제1 가스켓(426), 음극(425), 음극챔버 제2 가스켓(424), 음극챔버 가이드 월(423), 음극챔버 제3 가스켓(422) 및 음극챔버 커버(421)가 순차적으로 결합된다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기분해산화장치에서 양극챔버의 분해 평면도이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기분해산화장치에서 음극챔버의 분해 평면도이다. 전술한 바와 같이, 양극챔버(410)와 음극챔버(420)는 격막(430)을 사이에 두고 서로 대칭되는 구조이다. 따라서 도 4인 양극챔버(410)에 관해서만 구체적으로 설명하기로 한다.
양극챔버(410)의 가장 외곽에 위치하는 양극챔버 커버(411)는, 양극챔버 내부로 농축수를 공급하기 위한 양극챔버 농축수유입구(411-1), 처리수를 외부로 배출하기 위한 양극챔버 처리수 배출구(411-2) 그리고 양극챔버(410)에서 발생한 기체, 보다 상세하게는 산소가스(O2)를 외부로 배출 포집하기 위한 양극챔버 기체 배출구(411-3)가 구비되어 있다. 양극챔버 농축수유입구(411-1)는 가장 하부에 위치하고, 다음으로 양극챔버 처리수 배출구(411-2), 가장 상부에 양극챔버 기체 배출구(411-3)가 구비되어 있다.
양극챔버 제3 가스켓(412)은 양극챔버 커버(411) 내측에 위치한다. 양극챔버 제3 가스켓(412)은 농축수를 양극챔버 가이드 월(413)로 유도하기 위한 양극챔버 농축수유입구(412-1)가 가장 아래에 위치하고, 처리수를 양극챔버 커버(411)로 유도하기 위한 양극챔버 제3 가스켓 개구면(412-2)이 양극챔버 농축수유입구(412-1)와 이격된 상태로 위치하고 있다. 또 기체를 양극챔버 커버(411)로 유도하기 위한 양극챔버 기체 배출구(412-3)는 가장 상부에 위치한다. 여기서, 양극챔버 제3 가스켓 개구면(412-2)은 소정의 형상, 일예로 사각형일 수 있다.
양극챔버 가이드 월(413)은 양극챔버 제3 가스켓(412) 내측에 위치한다. 양극챔버 가이드 월(413)은 농축수를 양극챔버 제2 가스켓(414)으로 유도하기 위한 양극챔버 농축수유입구(413-1)가 가장 아래에 위치하고, 처리수를 양극챔버 제3 가스켓(412)으로 유도하기 위한 양극챔버 가이드 월 개구면(413-2)은 양극챔버 농축수유입구(413-1)와 이격된 상태로 위치한다. 여기서, 양극챔버 가이드 월 개구면(413-2)은 상기 양극챔버 제3 가스켓 개구면(412-2), 그리고 후술할 양극챔버 제2 가스켓 개구면(414-2)의 면적보다 작고, 또 양극챔버 가이드 월 개구면(413-2)의 중심점은 양극챔버 제3 가스켓 개구면(412-2)이나 양극챔버 제2 가스켓 개구면(414-2)의 중심점보다 낮은 곳에 위치하고 있다. 이는 양극챔버 제2 가스켓(414)으로부터의 처리수가 양극챔버 가이드 월(413)의 개구되어 있지 않은 면을 따라 하향 이동한 후, 양극챔버 가이드 월 개구면(413-2)을 관통하고, 다시 양극챔버 제3 가스켓 개구면(412-2)의 아래에서부터 상승하도록 유로를 형성함으로써, 후술할 전기분해반응으로 생성된 산화물질과 오염물질이 충분히 반응하여 오염물질의 제거효율을 극대화하고 나아가 양극면에서 발생한 산소가스가 정체되지 않고 상부로 쉽게 이동할 수 있도록 하기 위함이다.
양극챔버 제2 가스켓(414)은 양극챔버 가이드 월(413) 내측에 위치한다. 양극챔버 제2 가스켓(414)은, 농축수를 양극(415)으로 유도하기 위한 양극챔버 농축수유입구(414-1)와, 처리수 및 기체를 양극챔버 가이드 월(413)로 유도하기 위한 양극챔버 제2 가스켓 개구면(414-2)이 구비되어 있다. 여기서, 양극챔버 제2 가스켓 개구면(414-2)은 대략 오각형이며, 특히 상부는 폭이 점차적으로 작아지는 삼각형 모양의 축소부(414-3)가 구비되어 있어, 발생한 수소와 산소 기체를 모으거나 배출시키는 것이 용이한 구조이다. 그리고 양극챔버 제2 가스켓 개구면 상부 축소부(414-3)는 양극챔버 기체 배출구(411-3, 412-3, 413-3)와 동일축 선상에 위치하며, 보다 상세하게는 양극챔버 제2 가스켓 개구면 상부 축소부(143)를 형성하는 꼭짓점이 양극챔버 기체 배출구(411-3, 412-3, 413-3)의 개구부 최상부측과 동일한 축선상에 위치한다.
양극(415)은 양극챔버 제2 가스켓(414) 내측에 위치한다. 양극(415)은, 농축수를 양극챔버 제1 가스켓(416)으로 유도하기 위한 양극챔버 농축수유입구(415-1)와, 처리수 및 기체를 양극챔버 제2 가스켓(414)으로 유도하기 위한 양극 개구면(415-2) 그리고 양극 개구면 상부 축소부(415-3)가 구비되어 있다. 여기서, 양극 개구면(415-2)은 대략 오각형이며 상기 양극챔버 제2 가스켓 개구면(414-2), 그리고 후술할 양극챔버 제1 가스켓 개구면(416-2)의 면적보다 작고, 또 양극 개구면(415-2)의 중심점은 양극챔버 제2 가스켓 개구면(414-2)이나 양극챔버 제1 가스켓 개구면(416-2)의 중심점보다 높은 곳에 위치하고 있다. 이는 양극면의 하단으로 농축수를 유입하고 상단으로 처리수를 이송하기 위한 것으로, 전술한 오염물질의 제거효율을 극대화하고 또 양극면에서 발생한 산소가스가 정체되지 않고 상부로 쉽게 이동할 수 있도록 하기 위함이다. 또 양극 개구면 상부 축소부(415-3)는 양극챔버 제2 가스켓 개구면 축소부(414-3)와 동일축 선상에 위치하며, 전술한 양극챔버 제2 가스켓 개구면 축소부(414-3)와 마찬가지로 발생한 수소와 산소 기체를 모으거나 배출을 용이하게 유도하기 위함이다.
양극챔버 제1 가스켓(416)은 일측면은 양극(415)과 위치하고 타측면은 격막(430)이 위치하도록 배치한다. 이러한 양극챔버 제1 가스켓(416)에서는 농축수를 공급받아 물을 전기분해시키고 이때 생성되는 OH라디칼 등의 산화제로 농축수에 포함된 각종 오염물질을 산화분해시킨다. 또 일부 OH이온은 환원됨으로써 산소가스(O2)가 생성된다. 상기와 같은 반응이 일어나는 공간부를 제공할 수 있도록 양극챔버 제1 가스켓(416)에는 소정 형상, 일예로 양극챔버 제1 가스켓 개구면 하부 축소부(416-1)와, 양극챔버 제1 가스켓 개구면 상부 축소부(416-3)를 갖는 육각형의 양극챔버 제1 가스켓 개구면(416-2)이 형성되어 있다.
폭이 아래로 갈수록 점진적으로 작아지는 양극챔버 제1 가스켓 개구면 하부 축소부(416-1)는 유입된 농축수가 전극의 모든 면으로 고르게 흘러갈 수 있도록 하며, 원수 유입구(411-1, 412-1, 413-1, 414-1, 415-1)와 동일축 선상에 위치하며, 보다 상세하게는 양극챔버 제1 가스켓 개구면 하부 축소부(416-1)를 형성하는 꼭짓점이 농축수 유입구(411-1, 412-1, 413-1, 414-1, 415-1)의 개구부 최하부측과 동일한 축선상에 위치한다.
또 양극챔버 제1 가스켓 개구면 상부 축소부(416-3)는 양극 개구면 상부 축소부(415-3) 및 양극챔버 제2 가스켓 개구면 축소부(414-3)와 동일축 선상에 위치하며, 전술한 양극챔버 제2 가스켓 개구면 축소부(414-3) 그리고 양극 개구면 상부 축소부(415-3)와 마찬가지로 발생한 수소와 산소 기체를 모으거나 배출을 용이하게 유도하기 위함이다.
여기서, 격막(430)과 양극(415) 사이에 위치하는 양극챔버 제1 가스켓(416)은 두께가 1~10 mm인 것이 바람직하다. 1 mm 미만이면 전기분해시 발생한 산소나 수소 기체가 전극 사이에 정체되어 원활히 배출되지 못함에 따라 반응이 일어나는 전극표면적을 줄여 전기저항을 증가시킬 수 있으며, 농축수 내 존재하는 입자성 오염물질 등에 의해 전극과 격막 사이에 막힘현상이 발생할 우려가 있다. 반대로 10 mm를 초과하면 전극과의 거리가 너무 멀어 저항이 증가함으로써 전력손실이 커지고 결과적으로 에너지효율이 매우 나빠지므로, 두께는 상기 범위인 것이 바람직하다.
이러한 양극챔버 제1 가스켓 개구면 하부 축소부(416-1)로 농축수가 유입되면, 유입된 농축수는 상승하면서 전기분해 및 유기물의 산화가 진행된 후 처리수로서 양극 개구면(415-2)으로 이동한다.
계속해서, 양극챔버(410)와 음극챔버(420) 사이에는 격막(430)이 위치하며, 이는 수소와 산소를 분리하여 포집하기 위함이다. 여기서, 상기 격막(430)은 기체를 분리할 수 있는 기능을 가짐으로써 수소와 산소가 혼재시 발생할 폭발의 위험을 차단할 수 있어야 하며, 산소와 수소를 분리 포집할 수 있는 막이여야 한다. 특히 본 발명처럼 음극에서 발생한 수산화이온만 선택적으로 양극으로 투과시킴으로써 양극에서의 OH라디칼 생성을 촉진하고 결과적으로 오염물 분해효율을 증가시키기 위해서는 음이온교환막을 사용하는 것이 바람직하다. 음이온교환막은 양전하를 띨 수 있는 4급암모늄기 등을 사용하여 제조되는 공지 기술에 해당되므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
한편, 본 발명의 산화장치에서 농축수의 오염물 제거와 수소 생산 메커니즘을 구체적으로 설명하면, 음극에서는 아래 반응식 1과 같이 환원반응에 의해 수소가스(H2)와 수산화이온(OH-)이 생성된다.
음극표면 :
Figure 112018015663037-pat00001
반응식 1
음극과 양극 사이에 격막, 특히 음이온만 선택적으로 투과하는 음이온교환막에 의해, 음극에서 발생한 수산화이온은 전해질 내에서 양극으로 이동하며, 양극에서는 아래 반응식 2와 같이 산화반응에 의해 산소(O2)가 생성된다.
양극표면 :
Figure 112018015663037-pat00002
반응식 2
이때, 양극에 포함된 금속산화물(MOX) 표면에는 오염물을 제거할 수 있는 강력한 산화제인 OH라디칼(OH
Figure 112018015663037-pat00003
)이 생성된다(반응식 3).
Figure 112018015663037-pat00004
반응식 3
여기서, 사용된 양극의 종류가 비활성전극(non-active electrode)일 경우에는 전극표면에 생성된 OH라디칼이 수중 유기물(R)을 완전 분해한다(반응식 4).
Figure 112018015663037-pat00005
반응식 4
또 만약 사용된 양극의 종류가 활성전극(active electrode)일 경우에는 금속산화물 자체가 직접 수중 유기물을 위해성이 적거나 없는 산화형태(RO)로 전환시킨다(반응식 5, 반응식 6).
Figure 112018015663037-pat00006
반응식 5
Figure 112018015663037-pat00007
반응식 6
한편, 수중에 염소이온(Cl-)이 공존할 때에는 유기물 및 질소 제거에 탁월한 차아염소산(HOCl)이 생성되고(반응식 7, 반응식 8), 차아염소산은 전극표면에 결합된 OH라디칼과 달리 물속에서 자유롭게 이동하여 오염물을 산화시키기 때문에, 농축수가 전극표면을 지나치더라도 양극챔버 제 2가스켓(414), 가이드 월(413), 제 3가스켓(412)을 통과하는 중에 처리효과가 지속될 수 있다.
Figure 112018015663037-pat00008
반응식 7
Figure 112018015663037-pat00009
반응식 8
도면부호, 411-4, 412-4, 413-4, 414-4, 415-4, 416-4, 421-4, 422-4, 423-4, 424-4, 425-4, 426-4 및 431은 각 요소들을 상호 결합하기 위한 볼트 체결구이다.
도 7은 본 발명의 변형실시예에 따른 전기분해산화장치의 사시도, 도 8은 본 발명의 변형실시예에 따른 전기분해산화장치의 분해 사시도, 도 9는 본 발명의 변형실시예에 따른 전기분해산화장치에서 양극챔버의 분해 평면도 그리고 도 10은 본 발명의 변형실시예에 따른 전기분해산화장치에서 음극챔버의 분해 평면도이다.
도 7 내지 10에 도시한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 외형이 사각형이고, 개구면이 육각형, 오각형, 삼각형인데 반해, 변형실시예에서는 외형이 원형이고, 또 개구면이 원형이나 활꼴만 상이할 뿐 나머지는 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이하에서는 도 11을 참조하면서 본 발명의 장치를 사용하여 하수 또는 폐수를 처리하는 과정을 설명하기로 한다. 본 발명의 수처리 방법은, 일측의 축전식 탈염장치에 원수를 공급하여 오염물질을 흡착제거하여 처리수를 생산하는 제1 흡착 단계, 일측의 축전식 탈염장치에 흡착된 오염물질을 탈착시켜 농축수를 배출하는 제1 탈착 단계, 타측의 축전식 탈염장치에 원수를 공급하여 오염물질을 흡착제거하여 처리수를 생산하는 제2 흡착 단계, 타측의 축전식 탈염장치에 흡착된 오염물질을 탈착시켜 농축수를 배출하는 제2 탈착 단계 그리고 축전식 탈염장치의 탈착과정에서 배출된 농축수를 전기분해산화장치에 공급하여 농축수에 포함되어 있는 오염물질을 산화시키는 한편, 반응과정에서 생성된 수소가스와 산소가스를 포집하는 단계를 포함한다.
상기 과정들을 좀 더 구체적으로 설명하면, 도 11(a)에 나타낸 바와 같이 제1-1 밸브(V1-1)와 제4 밸브(V4)를 열고 제1-2 밸브(V1-2), 제2 밸브(V2), 제3 밸브(V3) 및 제5 밸브(V5)를 닫게 되면, 원수공급조(100)의 원수가 제1-1 관로(L1-1)를 경유하여 제1 축전식 탈염장치(210)으로 공급되고, 여기서 원수에 포함되어 있는 이온성 오염물질이 흡착 제거된 처리수가 제2 관로(L2)를 통해 배출된다. 이 때, 초기 처리수는 제3 관로(L3)를 경유하여 이온탈착 및 전극재생을 진행 중인 제2 축전식 탈염장치(220)의 세정수로 활용되어 탈착된 이온을 탈염장치 밖으로 배출시키는 역할을 수행하며, 이후 농축수 형태로 배출되어 제1-2 관로(L1-2)와 제5 관로(L5)를 경유하여 농축수 저류조(300)에 집수된다.
제1 축전식 탈염장치(210)의 처리수를 소정 시간 제2 축전식 탈염장치(220)으로 공급한 이후에는, 도 11(b)에 나타낸 바와 같이, 제2 밸브(V2)를 열고, 제4 밸브(V4)를 닫음으로써, 제1 축전식 탈염장치(210)은 양질의 처리수를 연속적으로 생산하고, 제2 축전식 탈염장치(220)은 이온탈착 및 전극재생을 완료하여 일시 정지하게 된다. 이 때, 농축수 저류조(300)에 일정 수위 이상의 농축수가 모였을 경우에는 농축수가 제7 관로(L7)를 경유하여 전기분해산화장치(400)로 공급되고 여기서 농축수 내 용존유기물 및 질소화합물이 산화반응에 의해 제거되고 동시에 부생가스로 수소와 산소가 분리 배출된다.
다음으로 제1 축전식 탈염장치(210)이 소정 시간동안 연속적으로 이온을 흡착하여 전극재생이 필요한 단계가 되면, 도 11(c)에 나타낸 바와 같이, 제1-2 밸브(V1-2)와 제5 밸브(V5)를 열고 제1-1 밸브(V1-1), 제2 밸브(V2), 제3 밸브(V3) 및 제4 밸브(V4)를 닫음으로써, 원수공급조(100)의 원수가 제1-2 관로(L1-2)를 경유하여 전극재생이 완료된 제2 축전식 탈염장치(220)으로 공급되고, 여기서 원수에 포함되어 있는 이온성 오염물질이 흡착 제거된 처리수가 제4 관로(L4)를 통해 배출된다. 이 때, 초기 처리수는 제3 관로(L3)를 경유하여 이온탈착 및 전극재생을 진행 중인 제1 축전식 탈염장치(210)의 세정수로 활용되어 탈착된 이온을 탈염장치 밖으로 배출시키는 역할을 수행하며, 이 후 농축수 형태로 배출되어 제1-1 관로(L1-1)와 제6 관로(L6)를 경유하여 농축수 저류조(300)에 집수된다.
계속해서, 제2 축전식 탈염장치(220)의 처리수를 소정 시간 제1 축전식 탈염장치(210)으로 공급한 이후에는, 도 11(d)에 나타낸 바와 같이, 제3 밸브(V3)를 열고, 제5 밸브(V5)를 닫음으로써, 제2 축전식 탈염장치(220)은 양질의 처리수를 연속적으로 생산하고, 제1 축전식 탈염장치(210)은 이온탈착 및 전극재생을 완료하여 일시 정지하게 된다. 이 때, 농축수 저류조(300)에 일정 수위 이상의 농축수가 모였을 경우에는 농축수가 제7 관로(L7)를 경유하여 전기분해산화장치(400)로 공급되고, 여기서 농축수 내 용존유기물 및 질소화합물이 산화반응에 의해 제거되고 동시에 부생가스로 수소와 산소가 분리 배출된다.
상기와 같은 과정들은 유입 오염물 부하와 전극의 축전용량에 따라 사용자가 정한 소정 시간 간격으로 번갈아 가면서 계속적으로 반복되며, 각 밸브들은 별도의 제어장치를 통해 시간에 따라 자동 개폐할 수 있다.
종래의 축전식 탈염기술은 전극재생 시 주로 유입원수를 별도의 세정펌프를 이용하여 장치에 공급하여 탈착이온을 배출시키며, 이 때 유입수량 대비 처리수량(생산수 수량)의 비율을 의미하는 회수율을 일정수준 이상 유지하기 위해서 세정펌프 유량을 이온흡착 시 사용하는 유입수 공급펌프 유량보다 작게 운전한다. 하지만 세정수의 유량이 낮을 경우 후술할 실시예 1에서 볼 수 있듯이, 매우 좁은 간격으로 적층된 전극과 전극 사이를 세정수가 균일하게 지나가지 못하여 탈착이온을 충분히 배출시키지 못하며, 결과적으로 연이은 이온 흡착과정에서 생산되는 초기 처리수에 미쳐 빠져나가지 못한 잔존 이온들이 함께 배출되면서 처리수질을 악화시킬 우려가 있다.
하지만, 본 발명에서는 전체 축전식탈염장치 중 절반은 이온흡착 후 처리수를 생산하고, 나머지 절반은 이온탈착 후 전극재생을 하고, 이 과정을 번갈아 반복함으로써 연속적인 처리수 생산을 가능하게 한다.
특히, 1개의 유입수 공급펌프와 밸브의 시간별 자동개폐만으로 이온흡착 중인 축전식탈염장치의 초기 처리수를 이온탈착 중인 축전식탈염장치의 세정수로 활용하고, 이 때 세정수는 유입수를 공급할 때와 동일한 높은 유량으로 짧은 시간 내에 탈염장치에 주입함으로써 탈착이온을 보다 효율적으로 배출시키고 필요 펌프대수도 줄여서 전체 시스템을 단순화시킬 수 있다는 이점이 있다.
또한, 전극재생이 충분하지 않을 때 탈염장치 내 잔존이온이 연이은 이온 흡착과정에서 생산되는 초기 처리수로 빠져나가는 문제는 초기 처리수를 생산라인으로 그대로 배출하지 않고 전극재생을 위한 세정수로 활용함으로써 원천적으로 해결하였다.
게다가, 전극재생 과정에서 발생한 농축수에는 다량의 이온들이 포함되어 있어 전기전도도가 매우 높은데, 이러한 농축수를 전기분해 산화장치(400)로 공급할 경우 전해질의 높은 전도도로 인해 전기적 저항이 크게 줄어들며, 결과적으로 오염물의 산화효율이 높아지고 수소와 산소와 같은 부생가스 생성이 증가하는 이점이 있다. 특히 전기분해 산화장치는 OH라디칼이나 차아염소산과 같은 강력한 산화제가 지속적으로 생성되면서, 농축수 내 처리가 까다로운 용존성 유기물 및 질소화합물을 효과적으로 처리할 수 있게 된다.
한편, 농축조 저류조(300)의 농축수가 전기분해산화장치(400)로 공급되어 농축수의 용존성 유기물 및 질소화합물을 산화시키면서 유용가스인 수소와 산소를 분리 회수시키는 과정을 다시 도 2 내지 6을 참조하면서 상세히 설명하고자 한다. 우선 양극챔버(410)의 제일 외각에 위치하는 양극챔버 커버(411)의 아래 부분에 구비되어 있는 양극챔버 농축수유입구(411-1)로 농축수를 공급하는 한편, 음극챔버(420)의 음극챔버 커버(421) 아래 부분에 구비되어 있는 음극챔버 농축수유입구(421-1)로도 농축수를 공급한다.
상기와 같이 양극챔버(410)와 음극챔버(420)에 농축수를 공급하면서 양극(415)과 음극(425)에 각각 전원을 공급한다.
양극챔버 농축수유입구(411-1)로 공급한 농축수는 양극챔버 제3 가스켓(412)의 양극챔버 농축수유입구(412-1), 양극챔버 가이드 월(413)의 양극챔버 농축수유입구(413-1), 양극챔버 제2 가스켓(414)의 양극챔버 농축수유입구(414-1) 및 양극(150)의 양극챔버 농축수유입구(415-1)를 순차적으로 경유한 후 양극챔버 제1 가스켓 개구면 하부 축소부(416-1)로 유입되고, 이후 격막(430)을 따라 상승한다.
한편, 음극챔버(420)에서는 음극챔버 커버(421)의 음극챔버 농축유입구(421-1), 음극챔버 제3 가스켓(422)의 음극챔버 농축수유입구(422-1), 음극챔버 가이드 월(423)의 음극챔버 농축수유입구(423-1), 음극챔버 제2 가스켓(424)의 음극챔버 농축유입구(424-1) 및 음극(250)의 음극챔버 농축수유입구(425-1)를 순차적으로 경유한 후 음극챔버 제1 가스켓 개구면 하부 축소부(426-1)로 유입되고, 양극챔버(410)와 동일하게 격막(300)을 따라 상승한다.
이때, 양극(415)과 음극(425) 사이에 위치하는 양극챔버 제1 가스켓(416)과 음극챔버 제1 가스켓(426)에서는 물이 분해되어 수소이온과 수산화이온이 각각 생성된다. 또 양극챔버 제1 가스켓(416)과 음극챔버 제1 가스켓(426) 사이에는 음이온교환막으로 이루어진 격막(430)이 구비되어 있어, 음극챔버(420)에서 생성된 수산화이온은 양극챔버 제1 가스켓(416)으로 선택 이동한다.
따라서 양극챔버(410)에서는 산화성을 갖는 OH라디칼이 다량 생성되어 유기물이 산화되고, 또 수산화이온이 환원되어 산소가스가 발생한다. 반면 음극챔버(200)에서는 산화성 물질이 없어 유기물을 산화시킬 수는 없지만 수소 가스가 발생한다.
상기와 같은 반응을 거친 농축수의 흐름을 양극챔버(411)를 예를 들어 설명하면, 양극챔버 제1 가스켓 개구면 하부 축소부(416-1)로 유입된 농축수는 양극챔버 제1 가스켓 개구면(416-2)을 따라 상승하며, 산소는 양극챔버 제1 가스켓 개구면 상부 축소부(416-3), 양극 개구면 상부 축소부(415-3), 양극챔버 제2 가스켓 개구면 상부 축소부(414-3), 양극챔버 가이드 월(413)의 양극챔버 기체 배출구(413-3), 양극챔버 제3 가스켓(412)의 양극챔버 기체 배출구(412-3) 및 양극챔버 커버(411)의 양극챔버 기체 배출구(411-3)를 경유하여 외부로 배출된다. 또 처리수는 양극 개구면(415-2), 양극챔버 제2 가스켓 개구면(414-2), 양극챔버 가이드 월 개구면(413-2), 양극챔버 제3 가스켓 개구면(412-2) 및 양극챔버 처리수 배출구(411-2)를 따라 상향과 하향을 번갈아 가면서 이동한다.
그리고 전술한 바와 같이, 음극챔버(420)에는 전해질이 다량으로 포함된 전해수를 공급하는 것이 유리하며, 특히 본 발명에서는 고농도의 농축수를 음극챔버(420)로 공급하기 때문에 수소 발생 등이 매우 유리하고, 필요에 따라서는 수산화나트륨, 수산화칼륨 용액을 단독 또는 혼합하여 공급할 수도 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
<실시예 1>
축전식 탈염장치의 전극재생 시 세정수 공급유량이 탈착이온의 배출 및 연이은 이온흡착 시 생산되는 처리수의 수질에 미치는 영향을 평가하였다. 실험은 실제 생활하수를 하루 1톤 처리하는 MBR(Membrane Bioreactor) 실험장치 후단에 축전식 탈염장치를 설치하고, MBR 처리수를 축전식 탈염장치의 유입원수로 공급하였다. 이 때 유입원수의 평균 총용존고형물(TDS) 농도는 600 mg/L 이었다.
축전식 탈염장치는 이온흡착 및 처리수 생산을 2분 동안 수행하고, 이후 이온탈착 및 전극재생을 2분 동안 수행하는 것을 반복하였다. 이 때 전극재생 시 사용한 세정수 양은 표 1에서 볼 수 있듯이 유입수 공급양의 20%인 200 mL로 동일하게 하고, 세정수 공급방식은 조건 1의 경우 120초 동안 100 mL/min의 유량으로 공급하고, 조건 2의 경우 60초 동안 200 mL/min의 유량으로 공급하고, 조건 3의 경우 30초 동안 400 mL/min의 유량으로 공급하였다.
구 분 흡착공정 탈착공정 회수율
(%)
공급유량
(mL/min)		 시간
(sec)		 처리수량
(mL)		 세정유량
(mL/min)		 시간
(sec)		 농축수량
(mL)
조건 1 400 120 800 100 120 200 80
조건 2 400 120 800 200 60 200 80
조건 3 400 120 800 400 30 200 80
상기 표 1과 같은 조건으로 운전한 결과, 도 12에 나타낸 바와 같이 동일한 양의 세정수를 사용하더라도 짧은 시간에 높은 유량으로 세정수를 공급할수록 연이은 흡착공정의 초기 처리수 내 용존고형물 농도가 현저히 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.
<실시예 2>
실시예 1의 실험 시, 축전식 탈염장치에서 배출되는 농축수와 인근 하수처리장의 방류수에 존재하는 다양한 이온들의 농도를 분석하여 도 13에 도시하였다. 하수처리장 방류수 내에는 염소(Cl) 72 mg/L, 나트륨(Na) 63 mg/L, 황산염(SO4) 40 mg/L 순으로 존재하였으며, 반대로 축전식 탈염장치 농축수에는 염소(Cl) 419 mg/L, 나트륨(Na) 300 mg/L, 칼슘(Ca) 132 mg/L, 황산염(SO4) 116 mg/L 순으로 존재하여, 농축수 내 이온 농도가 매우 높은 것을 확인하였다.
특히, 농축수 내 염소 농도는 하수방류수 대비 약 6배 가량 높은 것으로 나타나, 이들 농축수를 전기분해 산화장치로 공급할 경우 산화환원반응을 통해 염소이온이 강력한 산화제인 차아염소산으로 전환되기 때문에, 농축수 내 용존 유기물뿐만 아니라 처리가 까다로운 질소화합물도 효과적으로 제거가 가능하고, 추가적으로 높은 TDS로 인해 유용한 수소와 산소가스의 생성이 용이함을 예측할 수 있다.
<실시예 3>
본 발명에서의 전기분해 산화장치에 전기전도도가 매우 낮은 하수방류수를 공급하여 용존 유기물 및 질소화합물의 제거성능을 평가하였다.
전기분해 산화장치에 방류수를 주입하고 9.5V의 정전압을 인가한 후 시간에 따른 유기물 농도(COD, Chemical Oxygen Demand)와 암모니아(NH3-N) 농도를 분석한 결과, 도 14에서 볼 수 있듯이, 정전압을 인가한지 불과 30분 만에 초기 유기물 농도 중 60% 이상이 제거됨을 확인하였고, 또 암모니아의 경우 60분 만에 완전히 산화되었듯이, 본 발명에 적용된 전기분해 산화장치는 유기물과 암모니아 산화 능력이 탁월한 것을 알 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
100 : 원수공급조
200 : 축전식 탈염장치
210 : 제1 축전식 탈염장치
220 : 제2 축전식 탈염장치
300 : 농축수 저류조
400 : 전기분해산화장치
410, 410′ : 양극챔버
411, 411′: 양극챔버 커버
411-1, 411-1′ : 양극챔버 농축수유입구
411-2, 411-2′ : 양극챔버 처리수배출구
411-3, 411-3′ : 양극챔버 기체 배출구
411-4, 411-4′ : 볼트 체결구
412, 412′ : 양극챔버 제3 가스켓
412-1, 412-1′ : 양극챔버 농축수유입구
412-2, 412-2′ : 양극챔버 제3 가스켓 개구면
412-3, 412-3′ : 양극챔버 기체 배출구
412-4, 412-4′ : 볼트 체결구
413, 413′ : 양극챔버 가이드 월
413-1, 413-1′ : 양극챔버 농축수유입구
413-2, 413-2′ : 양극챔버 가이드 월 개구면
413-3, 413-3′ : 양극챔버 기체 배출구
413-4, 413-4′ : 볼트 체결구
414, 414′ : 양극챔버 제2 가스켓
414-1, 414-1′ : 양극챔버 농축수유입구
414-2, 414-2′ : 양극챔버 제2 가스켓 개구면
414-3, 414-3′ : 양극챔버 제2 가스켓 개구면 상부 축소부
414-4, 414-4′ : 볼트 체결구
415, 415′ : 양극
415-1, 415-1′ : 양극챔버 농축수유입구
415-2, 415-2′ : 양극 개구면
415-3, 415-3′ : 양극 개구면 상부 축소부
415-4, 415-4′ : 볼트 체결구
416, 416′ : 양극챔버 제1 가스켓
416-1, 416-1′ : 양극챔버 제1 가스켓 개구면 하부 축소부
416-2, 416-2′ : 양극챔버 제1 가스켓 개구면
416-3, 416-3′ : 양극챔버 제1 가스켓 개구면 상부 축소부
416-4, 416-4′ : 볼트 체결구
420, 420′ : 음극챔버
421, 421′ : 음극챔버 커버
421-1, 421-1′ : 음극챔버 농축수유입구
421-2, 421-2′ : 음극챔버 처리수 배출구
421-3, 421-3′ : 음극챔버 기체 배출구
421-4, 421-4′ : 볼트 체결구
422, 422′ : 음극챔버 제3 가스켓
422-1, 422-1′ : 음극챔버 농축수유입구
422-2, 422-2′ : 음극챔버 제3 가스켓 개구면
422-3, 422-3′ : 양극챔버 기체 배출구
422-4, 422-4′ : 볼트 체결구
423, 423′ : 음극챔버 가이드 월
423-1, 423-1′ : 음극챔버 농축수유입구
423-2, 423-2′ : 음극챔버 가이드 월 개구면
423-3, 423-3′ : 음극챔버 기체 배출구
423-4, 423-4′ : 볼트 체결구
424, 424′ : 음극챔버 제2 가스켓
424-1, 424-1′ : 음극챔버 농축수유입구
424-2, 424-2′ : 음극챔버 제2 가스켓 개구면
424-3, 424-3′ : 음극챔버 제2 가스켓 개구면 상부 축소부
424-4, 424-4′ : 볼트 체결구
425, 425′ : 음극
425-1, 425-1′ : 음극챔버 농축수유입구
425-2, 425-2′ : 음극 개구면
425-3, 425-3′ : 음극 개구면 상부 축소부
425-4, 425-4′ : 볼트 체결구
426, 426′ : 음극챔버 제1 가스켓
426-1, 426-1′ : 음극챔버 제1 가스켓 개구면 하부 축소부
426-2, 426-2′ : 음극챔버 제1 가스켓 개구면
426-3, 426-3′ : 음극챔버 제1 가스켓 개구면 상부 축소부
426-4, 426-4′ : 볼트 체결구
430, 430′ : 격막
431, 431′ : 볼트 체결구
L1 내지 L11 : 제1 관로 내지 제11 관로
V1 내지 V5 : 제1 밸브 내지 제5 밸브
P : 공급펌프

Claims (10)

  1. 소정의 용적을 갖는 원수공급조(100);
    상기 원수공급조(100)의 원수를 각각 공급받는 병렬로 위치하는 2개의 축전식 탈염장치(200);
    상기 축전식 탈염장치(200)로부터 탈착공정시 배출되는 농축수를 일시적으로 저장하는 농축수 저류조(300); 및
    상기 농축수 저류조(300)의 농축수를 공급받는 전기분해산화장치(400)를 포함하되,
    상기 원수공급조(100)와 상기 2개의 단위 축전식 탈염장치 입구를 연결하는 제1 관로(L1); 상기 2개의 단위 축전식 탈염장치 출구와 연결되는 제2 관로(L2)와 제4 관로(L4); 상기 제2 관로(L2)와 제4 관로(L4)를 연결하는 제3 관로(L3); 상기 제1 관로(L1)와 농축수 저류조(300) 입구를 연결하는 제5 관로(L5)와 제6 관로(L6); 상기 농축수 저류조(300) 출구와 상기 전기분해산화장치(400) 입구를 연결하는 제7 관로(L7); 상기 전기분해산화장치(400) 출구와 연결된 제8 관로(L8); 및 제9 관로(L9)를 포함하고,
    상기 전기분해산화장치(400)는, 소정 형상을 갖는 양극챔버(410); 상기 양극챔버(410)와 동일한 외형을 갖는 음극챔버(420); 및 상기 양극챔버(410)와 음극챔버(420) 사이에 위치하는 격막(430)을 포함하되, 상기 양극챔버(410), 격막(430) 및 음극챔버(420)는 밀폐구조로 결합되고, 상기 양극챔버(410)는, 양극챔버 커버(411), 양극챔버 제3 가스켓(412), 양극챔버 가이드 월(413), 양극챔버 제2 가스켓(414), 양극(415) 및 양극챔버 제1 가스켓(416)이 순차적으로 결합되어, 상기 양극챔버 제1 가스켓(416)이 격막(430)과 접하도록 위치하고,
    양극챔버 커버(411)는, 농축수를 양극챔버 제3 가스켓(412)으로 유도하기 위한 양극챔버 농축수유입구(411-1), 처리수를 외부로 배출하기 위한 양극챔버 처리수 배출구(411-2), 및 기체를 외부로 배출하기 위한 양극챔버 기체 배출구(411-3)가 구비되고,
    양극챔버 제3 가스켓(412)은, 농축수를 양극챔버 가이드 월(413)로 유도하기 위한 양극챔버 농축수유입구(412-1), 처리수를 양극챔버 커버(411)로 유도하기 위한 양극챔버 제3 가스켓 개구면(412-2) 및 기체를 양극챔버 커버(411)로 유도하기 위한 양극챔버 기체 배출구(412-3)가 구비되고,
    양극챔버 가이드 월(413)에는, 농축수를 양극챔버 제2 가스켓(414)으로 유도하기 위한 양극챔버 농축수유입구(413-1), 처리수를 양극챔버 제3 가스켓(412)으로 유도하기 위한 양극챔버 가이드 월 개구면(413-2) 및 기체를 양극챔버 제3 가스켓(412)으로 유도하기 위한 양극챔버 기체 배출구(413-3)가 구비되고,
    양극챔버 제2 가스켓(414)에는, 농축수를 양극(415)으로 유도하기 위한 양극챔버 농축수유입구(414-1)와, 처리수 및 기체를 양극챔버 가이드 월(413)로 유도하기 위한 양극챔버 제2 가스켓 개구면(414-2)이 구비되고,
    양극(415)에는, 농축수를 양극챔버 제1 가스켓(416)으로 유도하기 위한 양극챔버 농축수유입구(415-1)와, 처리수 및 기체를 양극챔버 제2 가스켓(414)으로 유도하기 위한 양극 개구면(415-2)이 구비되고,
    상기 양극챔버 제1 가스켓(416)에는, 유입된 농축수의 전기분해와 유기물의 산화반응 공간을 제공하는 양극챔버 제1 가스켓 개구면(416-2)이 구비된 것을 특징으로 하는 축전식 탈염장치와 전기분해산화장치를 포함하는 수처리장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 관로(L1), 제2 관로(L2), 제4 관로(L4), 제5 관로(L5) 및 제6 관로(L6)에는 1개 이상의 밸브가 더 구비된 것을 특징으로 하는 축전식 탈염장치와 전기분해산화장치를 포함하는 수처리장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 음극챔버(420)는, 음극챔버 커버(421), 음극챔버 제3 가스켓(422), 음극챔버 가이드 월(423), 음극챔버 제2 가스켓(424), 음극(425) 및 음극챔버 제1 가스켓(426)이 순차적으로 결합되되, 상기 음극챔버 제1 가스켓(426)이 격막(430)과 접하도록 위치하는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염장치와 전기분해산화장치를 포함하는 수처리장치.
  7. 제1항, 제3항 및 제6항 중 어느 한 항에 기재된 축전식 탈염장치와 전기분해산화장치를 포함하는 수처리장치를 이용하되,
    일측의 축전식 탈염장치에 원수를 공급하여 오염물질을 흡착제거하여 처리수를 얻는 제1 흡착 단계;
    일측의 축전식 탈염장치에 흡착된 오염물질을 탈착시켜 농축수를 배출하는 제1 탈착 단계;
    타측의 축전식 탈염장치에 원수를 공급하여 오염물질을 흡착제거하여 처리수를 얻는 제2 흡착 단계; 및
    타측의 축전식 탈염장치에 흡착된 오염물질을 탈착시켜 농축수를 배출하는 제2 탈착 단계를 포함하되,
    상기 제1 흡착 단계와 제2 탈착 단계, 제2 흡착 단계와 제1 탈착 단계는 소정 기간 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염장치와 전기분해산화장치를 포함하는 수처리장치를 이용한 수처리방법.
  8. 제7항에 있어서,
    일측의 축전식 탈염장치로부터 얻어지는 상기 제1 흡착 단계의 초기 처리수가 상기 타측의 축전식 탈염장치에 공급되어 제2 탈착 단계가 수행되거나,
    타측의 축전식 탈염장치로부터 얻어지는 상기 제2 흡착 단계의 초기 처리수가 상기 일측의 축전식 탈염장치에 공급되어 제1 탈착 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염장치와 전기분해산화장치를 포함하는 수처리장치를 이용한 수처리방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 탈착 단계에 의해 배출된 농축수를 전기분해산화장치에 공급하여 농축수에 포함되어 있는 오염물질을 산화시키는 한편, 수소가스를 포집하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축전식 탈염장치와 전기분해산화장치를 포함하는 수처리장치를 이용한 수처리방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 흡착 단계의 흡착시간은 상기 탈착 단계의 탈착시간보다 상대적으로 긴 것을 특징으로 하는 축전식 탈염장치와 전기분해산화장치를 포함하는 수처리장치를 이용한 수처리방법.
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