KR101972820B1 - 수소농도 제어가 가능한 휘발성유기화합물 처리시스템 - Google Patents

수소농도 제어가 가능한 휘발성유기화합물 처리시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 휘발성유기화합물의 전해처리시 폭발의 위험을 제거하면서도 처리 효율을 향상할 수 있는 휘발성유기화합물 처리시스템에 관한 것으로서, 처리수가 유출입되고 전극부를 구비하는 전해조(1100), 상기 전해조로부터 발생되는 수소에 의하여 발열반응을 통해 기상의 휘발성유기화합물을 제거하는 처리장치(1200) 및 상기 전해조의 계면 상측의 내외부 공간을 연통하도록 외기유입부(1210)와 외기유출부(1220)를 구비하고 전해 반응에서 발생된 수소의 일부를 외부로 유출하여 수소의 농도를 저감하도록 하는 외기유로를 포함하는 수소농도 제어가 가능한 휘발성유기화합물 처리시스템을 제공한다.

Description

수소농도 제어가 가능한 휘발성유기화합물 처리시스템{VOCs REMOVING SYSTEM CAPABLE OF CONTROLING HYDROGEN CONCENTRATION}
본 발명은 휘발성유기화합물의 제거 처리와 관련된 것으로서, 보다 구체적으로는 다양한 환경에서 발생되는 휘발성유기화합물의 전해처리과정에서 폭발의 위험을 제거하면서도 처리 효율을 향상할 수 있는 수소농도 제어가 가능한 휘발성유기화합물 처리시스템에 관한 것이다.
통상적으로, 페인트공장, 석유화학공장, 인쇄공장, 자동차 도장공장 및 폐수처리장 등에서는 악취를 풍기는 물질과 유해오염물질 등이 다량으로 형성되어 생활 환경으로 유입된다.
이러한 악취가스 및 유해물질을 제거하기 위해서, 종래에는 개방형 실내저장조나 발효숙성조 등에서 산성수를 분무하고 악취가스 및 유해가스에 함유된 암모니아나 아민류 등의 알칼리성 가스와 중성 산화성가스를 중화 및 산화반응시키는 방법을 사용하기도 하였다. 그러나, 이런 악취가스 및 유해가스에는 산성수에 의해 제거되지 않는 유화수소 및 메르캅탄류 등의 산성가스와 중성 환원성 가스 및 휘발성유기화합물이 항상 함유되어 있어서, 이런 산성가스와 중성 환원성 가스 및 VOC에 의해 작업자의 작업여건이 열악해지고 환경을 오염시킨다는 문제점이 있었다.
휘발성유기화합물의 대표적인 물질로는 벤젠, 톨루엔, 프로판, 부탄, 헥산 등이 있다. 이러한 휘발성유기화합물은 인간 활동에 의해 배출되며 유기용제 사용 및 제조 등을 포함하는 도장 공업이 가장 큰 오염원으로 알려져 있다. 이런 휘발성 유기화합물은 일반적으로 0.02Psi 이상의 증기압을 갖거나 끓는점 100℃ 미만인 탄화 수소화합물을 총칭하는 대기오염 관련물질로서, 질소 산화물과 광화학 반응에 의해 광학스모그 형성, 오존발생, 악취 원인물질 등을 형성하는 물질로 정의되고 있다. 이런 휘발성 유기화합물을 비롯한 유해물질의 배출을 규제하기 위해, 대한민국에서는 대기환경보전법에 규제 규정을 신설하여 배출억제 및 방지시설의 설치에 관한 규정을 제정하였다. 그러나, 이런 휘발성유기화합물을 근본적으로 제거하는 기술이 현재까지는 미비한 상태이다.
현재 석유화학단지, 정유, 섬유, 페인트 및 제지시설 등 각각의 산업시설에서 VOCs가 함유되어 있는 폐수가 발생되고 있고, 폐수 내 용존 된 VOCs의 경우 전기분해 등의 처리를 통해 제거가 가능하나, 흡수탑, 응축시설 및 분리시설을 설치하고, 수소처리시설을 따로 구비하여야 하는 단점이 있으며, 개방면으로 배출되는 VOCs의 경우 처리가 불가능하다.
한국공개특허 제10-2008-0070505호는 종래기술의 복합 악취처리 장치를 개시하고 있으며, 도 1은 이에 대한 구성도이다.
이를 구체적으로 살펴보면, 악취성분이 함유된 악취가스가 일측으로부터 유입되어 타측으로 유출되고, 전기분해수가 유입·살수되며 전기분해수의 잔존수가 유출되는 전기분해수살수부(2)와, 전기분해수가 생성되고 생성된 전기분해수가 상기 전기분해살수부(2)로 유출되며 전기분해수살수부의 하부로부터의 잔존수가 유입되는 전기분해수제조부(4)를 포함하는 1차 처리부(10) 및 미생물이 부착된 담체가 충진되어 있고 전기분해수살수부에서 유출된 악취가스가 유입되어 담체를 통과한 후 유출되며 미생물의 생장과 조절을 위한 영양소 수용액이 유입·살수되며 영양소 수용액 잔존수가 유출되는 바이오필터부(3)와 영양소탱크(8)를 포함하는 2차 처리부(20)로 구성되어 있다.
이러한 방식은 악취의 제거에 있어서 어느 정도 제거의 기능을 가지고 있기는 하나 휘발성유기화합물의 처리에는 근본적인 해결방법이 되지 못할 뿐만 아니라 다음과 같은 문제를 안고 있다.
휘발성유기화합물이 포함된 기체나 액체는 폭발성을 가지기 때문에 이의 제거 과정이나 처리과정에서 전기분해공정을 포함하게 되면 이 과정에서 발생한 수소 때문에 정전기와 같은 약한 자극에 의하여서도 쉽게 폭발되어 장비를 손상시키거나 심각한 경우 인명사고의 우려를 내포하게 되는 것이다.
즉, 종래기술의 경우 전기분해공정을 결합하여 악취나 휘발성유기화합물을 제거하고 후처리 과정에서 그 부하를 저감시키고자 하고 있으나 휘발성유기화합물의 축적 및 폭발의 위험에 대해서는 인식하고 있지 못하여 이에 대한 대책도 전무한 실정이다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 휘발성유기화합물의 처리 과정에서 전해장치의 결합시 증대되는 폭발의 위험을 방지하고 안전하면서도 휘발성유기화합물의 제거효율을 보장할 수 있도록 하는 수소농도 제어가 가능한 휘발성유기화합물 처리시스템을 제공하는 데 목적이 있다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은 처리수가 유출입되고 전극부를 구비하는 전해조(1100), 상기 전해조로부터 발생되는 수소에 의하여 발열반응을 통해 기상의 휘발성유기화합물을 제거하는 처리장치(1200) 및 상기 전해조의 계면 상측의 내외부 공간을 연통하도록 외기유입부(1210)와 외기유출부(1220)를 구비하고 전해 반응에서 발생된 수소의 일부를 외부로 유출하여 수소의 농도를 저감하도록 하는 외기유로를 포함하는 휘발성유기화합물 처리시스템을 제공한다.
또한, 상기 전해조 내부의 수소 농도를 측정하는 수소센서(2010), 상기 전해조 내부의 휘발성유기화합물 농도를 측정하는 휘발성유기화합물센서(2020) 및 상기 외기유로에서 내부의 수소를 강제 배출하도록 하는 팬부(1230)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 수소센서에서 측정된 측정농도와 설정농도를 비교하여 외기유로의 작동여부를 판단하는 비교부(2110)와, 비교부의 판단결과에 따라 외기유로의 개폐를 제어하는 외기유로 제어부(2130)와, 팬부의 작동을 제어하는 팬 제어부(2140)를 구비하는 수소제어부(2000)를 포함할 수 있다.
한편, 상기 수소제어부는 휘발성유기화합물센서로부터의 농도 감지값을 통하여 정상상태여부를 판단하는 정상상태판단부(2120)를 더 구비할 수 있다.
바람직하게는 상기 외기유입부와 외기유출부를 개폐하여 외기유로를 개방 및 차단하도록 하는 유입밸브(1211)와 유출밸브(1221)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따라, 처리수의 전해처리과정에서 발생되는 수소를 이용하여 휘발성유기화합물을 제거하되 이에 따라 발생된 수소의 농도 증가에 따른 폭발 위험성을 제거하여 안전하면서도 안정적인 처리성능을 보장할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 처리수의 전기분해에서 발생된 수소로 자가발열 과정을 통하여 기상의 휘발성유기화합물의 제거하기 때문에 시설의 부담이 저감되고 경제성이 향상되는 장점이 있다.
도 1은 종래기술의 복합 악취처리 장치을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 수소농도 제어가 가능한 휘발성유기화합물 처리시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 수소농도 제어가 가능한 휘발성유기화합물 처리시스템에서 제어부의 작동을 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수소농도 제어가 가능한 휘발성유기화합물 처리시스템의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 수소농도 제어가 가능한 휘발성유기화합물 처리시스템의 작동을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 통합처리부를 구비한 일련의 하수처리시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 7a 내지 7c는 본 발명의 하수처리공정에서 처리계통의 부하에 따른 선택적 작동을 설명하기 위한 블록도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 수소농도 제어가 가능한 휘발성유기화합물 처리시스템을 더욱 상세하게 설명한다.
다만, 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 쉽게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로 인해 본 발명의 보호범위가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
이하 설명에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자나 장치를 사이에 두고 연결되어 있는 경우를 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 기본적으로, 수체 내에 존재하는 휘발성유기화합물(VOCs: Volatile Organic Compounds)을 전해조를 통하여 처리하는 과정에서 발생하는 수소를 농도 및 처리장치의 작동상태에 따라 제어하도록 함으로써 안전성을 향상하고 휘발성유기화합물의 처리 효율을 극대화할 수 있는 휘발성유기화합물 처리시스템을 제공한다.
본 발명에서 설명될 개방면 휘발성유기화합물이란 후술될 전해조나 유량조정조, 가압부상 및 유수분리조의 계면으로부터 발생되는 기체 상태의 물질을 의미하는 것으로 정의하도록 한다. 이러한 개방면 휘발성유기화합물은 소정의 수조 공간 내부에서 축적되어 폭발의 가능성이 있으며 전해조와 함께 작동되는 경우 이 과정에서 발생하는 수소로 인하여 폭발위험성이 더욱 증대될 수 있는 문제가 있음은 상술한 바와 같다.
도 2는 본 발명에 따른 휘발성유기화합물 처리시스템의 구성도이다.
통합처리부(1000)는 액상의 처리수를 유입하고 전해조(1100)를 통한 전기분해의 결과물인 수소의 산화열을 이용하여 처리장치(1200)를 통해 기상의 휘발성유기화합물을 제거할 수 있다.
따라서, 통합처리부(1000)는 처리수유로를 통하여 전처리부 및 후처리부와 연통되는 전해조(1100)와, 상기 전해조(1100)로부터 수소 및 산소가 유입되어 발열반응을 통해 휘발성유기화합물을 제거하는 처리장치(1200)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서 전처리부 및 후처리부는 가압부상조, 유수분리조, 유량조정조, 생물반응조 등의 처리시설을 포함할 수 있으며 이와 관련된 실시예에 대해서는 후술하도록 한다.
전해조(1100)는 외부의 인가전력에 의하여 각각의 극성에 따라 수체를 전기분해하는 캐소드 및 애노드 전극을 포함하는 전극부(1120)를 포함하여 이루어지며, 상기 전극들은 다양한 물질 또는 물질의 조합으로 구성될 수 있다. 캐소드 전극의 구성을 위하여 탄소복합소재가 바람직할 수 있다. 이러한 전해조(1100)의 캐소드 전극 측에서 발생되는 수소는 소정의 유로를 통하여 처리장치(1200)로 유입되어 발열반응을 일으킬 수 있다.
처리장치(1200)는 일실시예로서 수소를 통한 자가발열이 가능한 촉매를 포함할 수 있으며 수소와 산화반응을 통하여 발생한 산화열은 기상의 휘발성유기화합물을 연소하도록 하는 것이다. 상기 촉매는 다양한 유형과 물성을 가지는 물질이 선택적으로 적용될 수 있다. 이러한 처리장치(1200)의 구성에 따라 종래의 전기분해장치 적용시 분리시설이나 수소처리시설의 구성에 대한 부담이 저감되는 이점이 있음을 것이다.
상기 실시예에서 처리장치(1200)의 수소산화촉매는 선택적으로 구성될 수 있는데, 팔라듐을 가지는 Ceramic Pellet, Porous Aluminum Pellet이나, 팔라듐 및 백금으로 구성되는 Stainless Steel 또는 백금과 산화알루미늄(Al2O3)을 포함하는 Metal Foam을 고려해볼 수 있다.
한편, 이렇게 발열반응이 발생하는 경우 자연대류가 일어나므로 추가적인 공기의 이송수단이 구비되지 않고도 안정적으로 연소작용이 발생할 수 있는 장점이 있으며, 폐열(h)은 추가적인 에너지원으로서 활용이 가능할 것이다.
상기와 같은 전해조(1100)의 전기분해 과정에서 발생하는 수소의 경우 휘발성유기화합물과 함께 전기적인 스파크나 정전기와 같은 자극에 의하여 폭발성을 증대시키게 되어 안전성에 심각한 문제를 일으킬 수 있음은 상기한 바와 같다. 특히, 본 발명과 같이 처리장치(1200)가 수소반응을 이용하여 작동되는 경우, 더욱 구체적으로는 수소반응을 이용한 촉매를 통하여 휘발성유기화합물을 산화하여 제거하는 경우에는 충분히 예열되어 산화반응이 안정적으로 이루어지는 상태(정상상태로 정의함)까지는 전해조(1100)의 작동에 따라 지속적으로 수소의 농도를 증가시키게 되고 통합처리부(1000)의 작동 개시시점에서 정상상태에 이를 때까지의 사이가 폭발 위험성이 가장 높은 것이다.
본 발명에서는 이러한 전해조(1100)에서 발생하는 수소의 농도를 특히 정상상태 전단계까지의 과정에서 적절하게 제어할 수 있도록 함으로써 안전성을 향상하도록 하는 것이다.
바람직하게는 상기 전해조(1100)는 일측의 외기유입부(1210)와 타측의 외기유출부(1220)를 구비하여 전해조(1100)의 내외부를 연통하는 외기유로를 구성할 수 있으며, 상기 외기유로의 유동 발생을 위한 팬부(1230)를 포함할 수 있다. 이러한 외기유로는 필요에 따라 개방 및 폐쇄되어 전해조(1100) 상측 공간에 존재하여 축적되는 수소의 농도를 제어할 수 있다. 상기 외기유입부(1210)와 외기유출부(1220)를 포함하는 외기유로는 전해조(1100) 내에 존재하는 처리수의 계면 상측에 배치될 수 있는데 제어부에 의하여 내부에 존재하는 수소를 외부로 배출하여 농도를 낮추는 기능을 수행하게 되는 것이다.
이하에서, 상기 외기유로를 제어하기 위한 구체적인 구성과 제어를 설명한다.
도 3은 본 발명의 휘발성유기화합물 처리시스템에서 제어부의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
전해조(1100) 측에는 수소 농도를 측정하기 위한 수소센서(2010)와, 휘발성유기화합물의 농도를 측정하기 위한 휘발성유기화합물센서(2020)가 구비될 수 있고, 수소제어부(2000)는 이들의 측정값을 통하여 전해조(1100) 내부의 상태, 더욱 정확하게는 전해조(1100)의 계면 상측의 공간에서의 농도 상태를 모니터링하고 이를 통하여 외기유로를 제어하게 된다.
이를 위하여 수소제어부(2000)는 수소센서(2010)를 통한 수소농도 감지값을 수신하고 측정농도가 설정농도 이상인지 여부를 비교하여 외기유로의 작동여부를 결정하는 비교부(2110)를 포함할 수 있다.
이렇게 비교부(2110)에서 측정된 측정농도가 설정농도 이상인 경우 외기유로를 작동하도록 하여 수소농도를 낮추도록 외기유로 제어부(2130)를 구비하며, 상기 외기유로의 제어는 외기유입부(1210) 및/또는 외기유출부(1220)의 개폐제어를 의미할 수 있다. 또한, 팬 제어부(2140)는 상기 외기유로의 유동의 작동여부 및 유동의 정도를 제어할 수 있다.
다만, 상기 처리장치(1200)가 정상상태에 이르는 경우 전해조(1100)에서 발생된 수소가 처리장치에서 지속적으로 산화하여 소진될 수 있으므로 작동 개시시점에서 정상상태까지의 안전성에 유의미할 수 있으며, 상기 외기유로 제어부(2130)는 작동 개시시점에서 설정된 시간까지 작동하거나 아래에서 설명될 정상상태판단부(2120)에서 정상상태에 이른 것으로 판단될 때까지만 작동하도록 할 수도 있을 것이다.
또한, 상기 수소제어부(2000)는 휘발성유기화합물센서(2020)에서 감지된 휘발성유기화합물의 농도를 통하여 정상상태 여부를 판단하는 정상상태판단부(2120)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이 전해조(1100) 및 처리장치(1200)의 작동개시시점으로부터 전해조(1100)에서는 처리수의 전해처리를 통하여 수소를 부산물로서 발생하고 처리장치(1200)는 수소를 공급받아 휘발성유기화합물을 산화 제거하게 되는데 작동 초기에는 수소의 산화가 충분히 이루어지지 않아 전해조(1100) 내부에서 수소의 농도가 지속적으로 증가하게 되는 것이다.
따라서, 본 발명에서 설명될 정상상태란 휘발성유기화합물이 더 증가하지 않고 처리장치(1200)에서 안정적으로 제거되는 상태 또는 감소하는 상태를 의미할 수 있으며, 이를 위하여 휘발성유기화합물로부터의 휘발성유기화합물 농도 감지값을 정상상태판단부(2120)에서 판단 인자로 사용할 수 있을 것이다. 또한, 수소센서(2010)를 통한 수소농도 감지값이 설정값 이하로 유지되는 경우도 정상상태로서 판단할 수도 있을 것이다.
도 4는 본 발명의 수소농도 제어가 가능한 휘발성유기화합물 처리시스템에서 전해조의 실시예를 설명하기 위한 구성도이다.
전해조(1100)는 대략 밀폐된 수조 형태로 이루어질 수 있고, 계면 아래에는 전극부(1120)를 구비할 수 있으며 일측과 타측에 각각 처리수의 유출입구가 구비되어 전단계 및 후단계의 처리시설들과 연통될 수 있을 것이다.
상기 전해조(1100)의 계면 상측에는 소정의 공간이 형성되고 상측으로 연통되는 처리장치(1200)로의 유로가 형성되어 수소 및/또는 휘발성유기화합물의 통로를 구성할 수 있다.
계면 상측의 공간으로 내외부를 연통하도록 일측의 외기유입부(1210)와 타측의 외기유출부(1220)가 형성될 수 있는데, 상기 외기유입부(1210) 및 외기유출부(1220)의 배치는 선택적이며 반드시 도시된 예에 한정되는 것은 아님에 유의한다.
상기 외기유입부(1210)와 외기유출부(1220)를 선택적으로 개폐할 수 있도록 유입밸브(1211)와 유출밸브(1221)가 구비되어 외기유로 제어부(2130)의 제어에 따른 개폐동작을 수행하게 된다. 상기한 바와 같이 정상상태가 유지되는 경우에는 휘발성유기화합물을 효과적으로 제거하기 위하여 불필요하게 수소를 외부로 유출하지 않는 것이 바람직할 것이다.
상기 외기유입부(1210), 계면 상측의 공간 및 외기유출부(1220)로 이어지는 외기유로의 경로상에는 하나 이상의 팬부(1230)를 구비하여 강제적으로 외기를 유입시키고 수소를 배출할 수 있도록 할 수 있을 것이며, 상기 팬부(1230)는 반드시 유입밸브(1211) 및 유출밸브(1221)의 개방과 동시에 작동되는 것에 한정되지는 않는다.
예를 들어, 수소의 설정농도보다 측정농도가 비교적 높지 않은 범위에 있는 경우를 2차설정농도로 제한하여 이 경우에는 자연스럽게 수소가 유출되는 개방상태만으로도 제어가 가능한 것으로 판단하고 팬부(1230)의 작동은 중단하고 외기유로는 개방되도록 할 수도 있을 것이다.
상기 전해조(1100)는 수소센서(2010)와 휘발성유기화합물센서(2020)를 포함하여 수소제어부(2000)로 감지값을 송신하는 기능을 수행하며 설정농도에 대한 판단과 정상상태에 대한 판단의 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 5는 본 발명에서 휘발성유기화합물 처리시스템의 작동을 설명하기 위한 흐름도이다.
통합처리부(1000)를 구성하는 전해조(1100) 및 처리장치(1200)의 작동이 개시(S100)되면, 전해조(1100)에서는 전해처리에 따라 수소가 발생하고 처리장치(1200)에서 수소를 통한 산화작용을 통하여 휘발성유기화합물을 제거하게 된다. 다만, 예를 들어 산화발열촉매를 구비하는 처리장치(1200)가 충분히 작동되기까지는 수소의 농도는 물론 어느 정도의 온도의 확보가 필요하며 이를 정상상태로 정의하게 됨은 상기한 바와 같다.
따라서, 본 발명의 수소제어는 주로 전해조 및 처리장치의 작동(S100) 개시시점으로부터 정상상태(S320)까지의 과정에서 유의미하게 작동될 것이다. 다만, 상기 수소제어는 예측하지 못하는 상황에서 수소의 농도가 갑자기 올라가는 경우를 대비하기 위하여 통합처리부(1000)의 작동 과정에서 지속적으로 개입할 수 있음은 물론이다.
수소센서(2010)로부터 수소농도의 감지(S210)가 이루어지면 수소제어부(2000)의 비교부(2110)는 설정농도(Cs)와 측정농도(Ct)를 비교(S220)하고 측정농도(Ct)가 설정농도(Cs) 이상인 경우 외기유로를 개방하고 팬부(1230)를 작동(S230)시킴으로써 전해조(1100) 내부의 수소 농도를 낮추도록 하게 된다.
이때, 상기 설정농도는 3.5 ~ 4.5% 의 범위가 바람직하며 더욱 바람직하게는 4% 정도로 설정될 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 휘발성유기화합물센서(2020)는 지속적으로 휘발성유기화합물의 농도를 측정하여 정상상태판단부(2120)로 감지값을 송신하고 정상상태판단부(2120)는 정상상태인지 여부를 판단(S320)하여 정상상태에 다다른 것으로 판단한 경우 유입밸브(1211)와 유출밸브(1221)를 차단하고 외기유입부(1210)와 외기유출부(1220)를 폐쇄(S330)하여 밀폐함으로써 수소의 외부 유출을 방지할 수 있도록 한다. 이때, 팬 제어부(2140)가 팬부(1230)를 함께 작동 중단할 수 있을 것이다. 다만, 외기유로의 개폐와 팬부(1230)의 작동은 반드시 일치되는 것은 아닐 수 있음은 상기와 같다.
측정농도(Ct)가 설정농도(Cs) 이상인 경우 지속적으로 외기유로가 작동하여 내부의 수소농도를 낮추거나 유지하도록 기능하게 되며, 이러한 과정(S210 내지 S230)은 정상상태에 다다른 이후에도 유지될 수 있을 것이다.
도 6은 본 발명의 통합처리부를 구비한 일련의 하수처리공정을 설명하기 위한 블록도이다.
본 발명은 하수의 처리시스템상에서 기상 및 액상의 휘발성유기화합물을 처리하는 통합처리부(1000)를 결합하게 되는바, 기본적으로는 1차 유량조정조(110), 가압부상 및 유수분리조(120) 및 생물반응조(130)를 포함할 수 있다.
1차 유량조정조(110)는 중력침강 방식으로 분리된 원수를 집수하여 가압부상 및 유수분리조(120)로 유입하도록 기능할 수 있다. 생물반응조(130)로 유입되기 전의 전처리부인 가압부상 및 유수분리조(120)는 가압부상조 또는 유수분리조 중의 최소한 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있으며, 상기 유수분리조는 원수에서 오일을 분리하고 분리된 오일을 포집 및 제거한 후 저장하도록 기능할 수 있다. 또한, 가압부상조는 공기가 용존된 가압수를 공급받아 압력차에 의하여 발생된 미세기포에 의하여 소정의 비중 이하 오염물을 부상하여 스컴을 분리하는 기능을 수행할 수 있다. 이러한 1차 유량조정조(110)와 후술될 2차 유량조절조(1010), 가압부상 및 유수분리조(120) 및 생물반응조(130)는 공지의 다양한 구성이 적용될 수 있으므로 이에 대한 구체적인 실시예의 설명은 생략하도록 한다.
1차 유량조정조(110), 2차 유량조절조(1010) 및 가압부상 및 유수분리조(120)로부터의 처리수가 생물반응조(130)로 유입되기 전단계에서 액상 및 기상의 휘발성유기화합물을 처리하도록 복합공정을 수행하는 통합처리부(1000)를 거치도록 하는바, 이하에서 이를 위한 결합관계를 더욱 구체적으로 살펴본다.
유입수(a)가 1차 유량조정조(110)로 유입된 이후 가압부상 및 유수분리조(120)와 생물반응조(130)를 거쳐 처리되는 하수처리 계통에서 일련의 처리공정을 거치는 처리수 유로(참조번호 미표시)로 연결되는데, 이러한 유로는 다양한 형태의 관로나 유동로 등으로 형성될 수 있으며 특정한 형태에 한정되는 것은 아니다.
상기 1차 유량조정조(110)의 개방면으로부터 발생되는 휘발성유기화합물은 기본적으로 VOCs처리부(102)를 통하여 제거될 수 있는데, 이러한 VOCs처리부(102)는 선택적인 처리의 효율성을 고려하여 축열재를 구비하여 유기화합물을 연소산화하는 축열식산화(RTO: Regenerative Thermal Oxidation) 장치 및/또는 촉매산화와 축열식산화를 병행하는 축열촉매식산화(RCO: Recuperative Catalytic Oxidation) 장치로 구성되는 것이 바람직하다. 이러한 축열식산화 장치 및 축열촉매식산화 장치에 대해서는 공지의 다양한 구성이 적용될 수 있다.
상기 1차 유량조정조(110)로부터 VOCs처리부(102)로 개방면유로(참조번호 미표시)가 연결될 수 있고, 이러한 개방면유로는 후술될 통합처리부(1000)로 연결되는 기상 바이패스(310)와 추가적 또는 선택적으로 작동할 수 있다. 상기 개방면유로와 기상 바이패스(310)는 기상의 휘발성유기화합물이 이동하는 경로를 나타낸다.
또한, 상기 1차 유량조정조(110)로부터의 폐수는 가압부상 및 유수분리조(120)로 유입되어 소정의 처리과정을 거치게 됨은 상기한 바와 같고 이러한 처리수는 처리수유로(참조번호 미표시)를 통하여 통합처리부(1000)로 유입된다.
상기 통합처리부(1000)에서는 처리수유로로부터 유입된 전처리 폐수에 대해 전분해 방식을 통하여 휘발성유기화합물을 제거하도록 기능하게 됨은 상기한 바와 같다. 이때, 상기 통합처리부(1000)는 처리계통 각각의 구성의 부하를 감안하여 선택적으로 작동할 수 있으므로 전해조(1100)의 전단계에서 2차 유량조정조(1010)를 더 구비할 수 있을 것이다. 이러한 2차 유량조정조(1010)의 작동 및 구성과 관련하여 1차 유량조정조(110)에 중복되는 설명은 생략하도록 한다. 다만, 상기 2차 유량조정조(1010)의 배치는 선택적일 수 있다.
상기 전해조(1100)는 전기분해 대상이 되는 수체가 담긴 수조에서 애노드전극과 캐소드전극이 배치되고 이에 대하여 전원공급부(미도시)에서 전력을 인가하게 되면 각각의 전극의 부위에서 전기분해가 시작된다. 상기 캐소드전극으로서 탄소나노섬유전극이 적용되는 것이 바람직함은 상기와 같다. 이러한 탄소나노섬유전극의 경우 전도성과 내구성이 뛰어나기 때문에 폐기물 등이 함유된 수체에 대해 고효율의 휘발성유기화합물의 제거성능을 제공할 수 있는 전극이 획득 가능한 장점이 있는 동시에 종래기술에 비하여 상대적으로 제법이 간단하고 제조비용이 저렴하여 경제적이다.
이때, 캐소드전극에서는 수소가 발생되고 소정의 촉매장치를 포함하는 처리장치(1200)에서 산화반응하여 열을 발생하고 이러한 산화열을 이용하여 기상의 개방면 휘발성유기화합물을 제거하게 된다.
이를 위하여 1차 유량조정조(110) 또는 가압부상 및 유수분리조(120)는 기상 바이패스(310)를 통하여 통합처리부(1000), 더욱 정확하게는 처리장치(1200)와 연통될 수 있고, 기상의 개방면 휘발성유기화합물은 액상의 처리수를 전기분해하는 과정에서 생성된 수소의 산화반응을 활용하여 제거할 수 있다.
따라서, 본 발명의 하나의 통합처리부(1000)에서 수체 내의 용존 휘발성유기화합물을 제거하는 동시에 이에 의한 부산물로서 기상의 개방면 휘발성유기화합물을 제거할 수 있도록 함으로써 이원적인 처리과정을 하나의 장치를 통하여 해결할 수 있을 것이다. 이러한 개념에 의하여 기존의 전기분해장치를 포함하는 폐수처리장치에서 필수적이었던 분리시설이나 수소처리시설의 부담이 경감되는 이점을 제공하게 됨에 유의하여야 한다.
한편, 상기 통합처리부(1000)의 처리장치에서 발생되는 산화열은 폐열(h)로서 방출될 수 있는데, 본 발명은 에너지 활용의 효율성을 극대화하기 위하여 폐열회수부(미도시)를 더 구비할 수 있다.
이렇게 통합처리부(1000)에서는 처리수의 휘발성유기화합물을 처리하여 생물반응조(130)에서 정화를 수행하도록 하여 방류수(a)로서 배출되도록 하는데, 이에 따라 생물반응조(130)의 부하가 종래에 비하여 비약적으로 저감될 수 있을 것이다.
이러한 통합처리부(1000)는 후술될 바와 같이 선택적으로 작동할 수 있으며, 이를 위하여 2차 유량조정조(1010)의 전단과 생물반응조(130)의 전단에서 처리수유로를 상호 연통할 수 있는 수체 유로인 액상 바이패스(320)를 구비하게 된다.
상기 액상 바이패스(320)와 처리수유로, 개방면유로 및 기상 바이패스(310)는 각각 밸브를 구비하여 선택적으로 유로가 작동되도록 하는데 이와 관련하여서는 공지의 다양한 밸브가 적용될 수 있다.
도 7a 내지 7c는 본 발명의 하수처리시스템에서 처리계통의 부하에 따른 선택적 작동을 설명하기 위한 블록도들이다.
여기서, 처리수유로와 기상 바이패스(310) 및 액상 바이패스(320)는 작동되는 선택적인 유로만이 도시되어 있음에 유의한다.
도 7a에 도시된 일반적인 처리계통으로서, 유입수(a)가 1차 유량조정조(110)에서 유량조정되고 가압부상 및 유수분리조(120)의 전처리부를 거쳐 생물반응조(130)에서 처리되어 방류수(b)로 배출되는 처리계통을 거치게 된다. 이때에는 2차 유량조정조(1010), 전해조(1100) 및 처리장치(1200)를 포함하는 통합처리부(1000)의 작동은 중단되고 액상 바이패스(320)를 통하여 가압부상 및 유수분리조(120)로부터 직접 처리수가 생물반응조로 유입되는 것이다.
상기 VOCs처리부(102)는 1차 유량조정조(110)의 개방면으로부터의 기상 유기화합물을 처리하게 되는데, VOCs처리부(102)에서의 처리용량을 넘어서거나 VOCs처리부(102)의 유지보수가 필요한 경우 추가적 또는 선택적으로 처리장치(1200)가 작동될 수 있다.
도 7b는 예를 들어, VOCs처리부(102)의 고장이나 촉매의 교환 등으로 작동이 중단되는 경우나, 1차 유량조정조(110)에서 휘발성유기화합물의 농도가 설정값보다 높은 경우의 조건에서 선택적으로 처리장치(1200)가 작동되는 경우를 나타내고 있으며, 이 경우에는 개방면유로로부터 VOCs처리부(102)로의 유동은 중단되고 기상 바이패스(310)가 작동된다. 이러한 유로의 선택적 작동은 전자제어밸브 등을 통하여 수행될 수 있을 것이다.
이를 위하여 상기 1차 유량조정조(110)는 VOCs농도를 측정할 수 있는 VOCs센서(미도시)를 더 포함할 수 있고, 후술될 제어부를 통하여 제공된 농도정보를 기초로 기상 바이패스(310)의 제어를 수행하도록 할 수 있다.
다만, 도시된 예에서는 액상 바이패스(320), 기상 바이패스(310) 및 처리수유로가 모두 작동되는 경우를 나타내고 있으며 이 경우는 전해조(1100)측과 생물반응조(130)측에 가압부상 및 유수분리조(120)의 전처리부로부터 처리수가 분할되어 유동되는 경우일 수 있다.
상기 액상 바이패스(320)는 전해조(1100)의 용량에 대해 소정의 설정된 처리용량을 초과한 경우 이를 가압부상 및 유수분리조(120)로부터 생물반응조(130)로 바로 유입되도록 할 수 있다.
다만, 이때 액상 바이패스(320)의 작동은 중단되고 처리수유로만이 기능하는 경우도 고려될 수 있을 것이다.
도 7c는 VOCs처리부 및 기상 바이패스(310)와 액상 바이패스(320)의 작동이 중단되고 처리수유로와 통합처리부(1000)가 함께 기능하는 경우를 나타내고 있다.
도 7a를 참고하면, 생물반응조(130)에 유입되는 처리수에 난분해성의 물질이 포함되는 경우 전기분해 이후에 생물학적 반응을 수행하는 것이 바람직할 수 있고 이를 위하여 생물반응조(130)를 거치기 전에 통합처리부(1000)의 전해조(1100)에서 전처리를 수행함으로써 생물반응조(130)의 부하를 경감하여 처리효율을 향상하는 것이다.
상기와 같은 처리수유로, 개방면유로, 기상 바이패스(310) 및 액상 바이패스(320)의 작동에 대한 조합은 휘발성유기화합물의 농도와 유입수(a)의 성질에 따라 선택적으로 이루어질 수 있을 것이다.
한편, 상기 처리장치(1200)에서 발생되는 열을 수집하여 에너지화할 수 있도록 폐열회수부(미도시)를 더 구비할 수 있다. 상기 폐열회수부는 예를 들어 발전 및 축전 방식 또는 온수 생산 등의 방식으로서 에너지를 저장하고 활용할 수 있을 것이다.
상술된 본 발명의 휘발성유기화합물 처리시스템에 의하여 처리수의 전해처리과정에서 발생되는 수소를 이용하여 휘발성유기화합물을 제거하되 이에 따라 발생된 수소의 농도 증가에 따른 폭발위 위험성을 제거하여 안전하면서도 안정적인 처리성능을 보장할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 처리수의 전기분해에서 발생된 수소로 자가발열 과정을 통하여 기상의 휘발성유기화합물의 제거하기 때문에 시설의 부담이 저감되고 경제성이 향상되는 장점이 있다.
이상에서, 본 발명은 실시예 및 첨부도면에 기초하여 상세히 설명되었다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.
102...VOCs처리부 110...1차 유량조정조
120...가압부상 및 유수분리조 130...생물반응조
310...기상 바이패스 320...액상 바이패스
1000...통합처리부 1010...2차 유량조정조
1100...전해조 1120...전극부
1200...처리장치 1210...외기유입부
1211...유입밸브 1220...외기유출부
1221...유출밸브 1230...팬부
2000...수소제어부 2010...수소센서
2020...휘발성유기화합물센서 2110...비교부
2120...정상상태판단부 2130...외기유로 제어부
2140...팬 제어부

Claims (5)

  1. 처리수가 유출입되고 전극부를 구비하는 전해조(1100);
    상기 전해조로부터 발생되는 수소에 의하여 발열반응을 통해 기상의 휘발성유기화합물을 제거하는 처리장치(1200); 및
    상기 전해조의 계면 상측의 내외부 공간을 연통하도록 외기유입부(1210)와 외기유출부(1220)를 구비하고 전해 반응에서 발생된 수소의 일부를 외부로 유출하여 수소의 농도를 저감하도록 하는 외기유로;를 포함하는 휘발성유기화합물 처리시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전해조 내부의 수소 농도를 측정하는 수소센서(2010);
    상기 전해조 내부의 휘발성유기화합물 농도를 측정하는 휘발성유기화합물센서(2020); 및
    상기 외기유로에서 내부의 수소를 강제 배출하도록 하는 팬부(1230);를 더 포함하는 휘발성유기화합물 처리시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    수소센서에서 측정된 측정농도와 설정농도를 비교하여 외기유로의 작동여부를 판단하는 비교부(2110)와, 비교부의 판단결과에 따라 외기유로의 개폐를 제어하는 외기유로 제어부(2130)와, 팬부의 작동을 제어하는 팬 제어부(2140)를 구비하는 수소제어부(2000);를 포함하는 휘발성유기화합물 처리시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 수소제어부는,
    휘발성유기화합물센서로부터의 농도 감지값을 통하여 정상상태여부를 판단하는 정상상태판단부(2120)를 더 구비하는 휘발성유기화합물 처리시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 외기유입부와 외기유출부를 개폐하여 외기유로를 개방 및 차단하도록 하는 유입밸브(1211)와 유출밸브(1221)를 더 포함하는 휘발성유기화합물 처리시스템.



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