KR102004483B1 - 난분해성 유기폐수 또는 소화조 탈리액 처리장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 난분해성 유기폐수 또는 소화조 탈리액 처리장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 COD, 질소를 제거하기 위한 나노촉매 전해부상조 및 나노촉매 전기분해 산화조를 포함하는 난분해성 유기폐수 또는 소화조 탈리액 처리장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 난분해성 유기폐수 또는 소화조 탈리액 처리장치에서 나노촉매 전해부상조는 유기폐수 또는 소화조 탈리액에 함유된 고형물을 부상 분리하고, 이리듐-루테늄-티타늄 함유 나노촉매 합금판을 포함하는 나노촉매 전기분해 산화조에서 COD와 질소를 제거할 수 있다. 또한, 화학적 처리 없이 제거하기 어려운 방류수의 용존 조류와 COD, 질소 및 인을 안정적으로 처리할 수 있고, 화공약품 미사용으로 슬러지 발생량을 감소시킬 수 있으며, 배출수의 수질이 양호하여 별도의 여과시설이 필요하지 않는 동시에 장치의 유지관리가 간단하고 유지관리 비용이 저렴한 효과가 있다.

Description

난분해성 유기폐수 또는 소화조 탈리액 처리장치{Treatment Apparatus of Non-biodegradable Organic Wastewater or Anaerobic Digestion Effluent}
본 발명은 난분해성 유기폐수 또는 소화조 탈리액 처리장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 COD, 질소를 제거하기 위한 나노촉매 전해부상조 및 나노촉매 전기분해 산화조를 포함하는 난분해성 유기폐수 또는 소화조 탈리액 처리장치에 관한 것이다.
런던협약의 해양배출 금지와 온실가스 저감을 고려하여 음식폐기물 처리를 혐기성 소화기술로 적용하는 BioGasPlant(BGP)의 적용이 증가하고 있는 추세이며 음식물 폐수를 방류하기 위해서는 BGP에서 혐기소화 공정 후 발생하는 다량의 염분, 질소, 유기물 등 포함된 혐기소화 탈리액를 처리하여야 할 필요성이 있다.
또한, 음식물 등 유기물의 바이오가스화 기술이 발달하는데 난분해성 물질과 질소의 농도가 높아 하수처리장에 유입하거나 폐수를 방류하는데 어려움이 있어 혐기소화 탈리액을 처리하여야 할 필요성이 증가하고 있다. 특히 음식폐기물 혐기성 소화조 탈리액은 높은 COD, 질소농도와 다량의 염분이 존재하여 현재의 단순한 미생물처리방법으로는 안정적인 처리효율을 얻기 어려워 물리화학적처리와 생물학적 처리를 겸비한 공법이 요구되고 있다.
음식물 등 유기성 폐기물은 농도가 높아 혐기성 소화를 이용한 유기성 폐기물 처리를 시도되고 있으나 COD와 T-N의 농도가 높아 방류수 수질을 낮추기 위한 연구가 진행되고 있다. 상기 전기분해에 의해 잉여 슬러지를 처리하는 기술과 관련한 선행기술로는 국내 등록특허 10-0319022에 음극과 양극을 교대로 배치한 2개의 연속하는 전해부상조를 이용한 전해부상법을 이용한 폐수처리장치를 개시하고 있고, 국내 등록특허 10-1651080는 슬러지 소화조 전처리 과정이 포함된 하수 및 슬러지 자원화 처리시스템을 개시하고 있으며, 국내 등록특허 10-0644758에 하폐수의 생물학적 처리 후 발생되는 잉여활성슬러지의 처리방법 및 그 장치를 개시하고 있다. 또한, 국내 등록특허 10-1102275는 하ㆍ폐수의 생물학적 처리과정에서 발생하는 유기 슬러지를 전기분해에 의해 가용화하는 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극 및 다층행렬식(Matrix) 구조의 전극을 구비한 전해가용화장치를 제공하고 있으며, 국내 등록특허 10-0593497는 반류수 전기분해를 이용한 고도 하폐수처리시스템에 관한 것으로서, 농축조 상징액, 탈수기 탈리액 등으로 이루어진 반류수를 전기분해 처리하여 생물반응조로 유입시킬 수 있도록 한 것이다. 고농도의 유기물질과 영양소를 포함하고 있는 방류수를 효과적으로 제거함으로써 하폐수처리의 효율을 증대시킬 수 있게 한다. 국내 등록특허 10-1618757에서는 COD, 암모니아성 질소, 질산성 질소 및 질소를 제거하는 이리듐 합금 나노촉매의 제조방법과 국내 등록특허 10-1665619에서는 조류, COD, 질소 및 인을 제거하는 이리듐 합금 나노촉매 디바이스를 포함하는 전기분해 부상응집방식의 방류수 처리장치를 개시하고 있다. 국내 등록특허 10-0425954, 10-0490307 및 10-0533246는 이리듐 합금 나노촉매판 전극으로 사용하여 이리듐 합금 나노촉매 이온 또는 수소이온과 하이드록시 라디칼(·OH)을 발생시키고, 상기 이리듐 합금 나노촉매 이온 또는 수소이온과 하이드록시 라디칼로 질소를 제거하는 방법을 개시하고 있으나, 단순한 나노촉매판으로 고농도의 COD, 질소를 효율적으로 제거하기 어렵다는 문제점이 있다.
이에, 본 발명자들은 높은 COD, 고농도 질소 및 다량의 염분을 함유하는 난분해성 유기폐수 또는 소화조 탈리액을 효과적으로 처리하기 위하여 예의 노력한 결과, 나노촉매 전해부상조 및 나노촉매 전기분해 산화조를 포함하는 난분해성 유기폐수 또는 소화조 탈리액 처리장치를 이용하여 화학적 처리 없이 COD, 질소 및 인을 안정적으로 처리할 수 있고, 화공약품 미사용으로 슬러지 발생량을 감소시킬 수 있으며, 배출수의 수질이 양호하여 별도의 여과시설이 필요하지 않는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 난분해성 유기폐수 또는 소화조 탈리액 처리장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, (a) 난분해성 유기폐수 또는 소화조 탈리액에 함유된 고형물을 부상 분리하기 위한 시설로, 하부에는 나노촉매형 미세기포 발생기가 설치되고, 상부에는 부상 분리된 고형물을 수집하는 스컴제거부가 구비된 나노촉매 전해부상조(30); 및 (b) 상기 나노촉매 전해부상조 처리수에 잔류하는 COD와 질소를 제거하기 위하여 하부에 이리듐-루테늄-티타늄 함유하고, 양극 및 음극의 나노촉매 합금판을 포함하는 나노촉매 전기분해 산화조(70)를 포함하는 난분해성 유기폐수 또는 소화조 탈리액 처리장치를 제공한다.
본 발명에 따른 난분해성 유기폐수 또는 소화조 탈리액 처리장치에서 나노촉매 전해부상조는 유기폐수 또는 소화조 탈리액에 함유된 고형물을 부상 분리하고, 이리듐-루테늄-티타늄 함유 나노촉매 합금판을 포함하는 나노촉매 전기분해 산화조에서 COD와 질소를 제거할 수 있다. 또한, 화학적 처리 없이 제거하기 어려운 방류수의 용존 조류와 COD, 질소 및 인을 안정적으로 처리할 수 있고, 화공약품 미사용으로 슬러지 발생량을 감소시킬 수 있으며, 배출수의 수질이 양호하여 별도의 여과시설이 필요하지 않는 동시에 장치의 유지관리가 간단하고 유지관리 비용이 저렴한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소화조 탈리액 저장조(10); 나노촉매 전해부상조(30); SBR(50); 및 나노촉매 전기분해 산화조(70)를 포함하는 소화조 탈리액 처리장치에 관한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 소화조 탈리액 저장조(10); SBR(50); 나노촉매 전해부상조(30); 및 나노촉매 전기분해 산화조(70)를 포함하는 소화조 탈리액 처리장치에 관한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소화조 탈리액 처리장치의 물질수지를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노촉매 전기분해 산화조에서 하이드록시 라디칼(·OH)이 발생하는 메카니즘을 나타낸 것이다.
본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체적인 예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 개별 구성에 관한 세부 사항은 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 의하여 적절히 이해될 수 있다.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본 발명에서는 나노촉매 전해부상조에서 난분해성 유기폐수 또는 소화조 탈리액에 함유된 고형물을 부상 분리하고, 이리듐-루테늄-티타늄 함유 나노촉매 합금판을 포함하는 나노촉매 전기분해 산화조에서 잔류하는 COD와 질소를 제거할 수 있다. 또한, 화학적 처리 없이 제거하기 어려운 방류수의 용존 조류와 COD, 질소 및 인을 안정적으로 처리할 수 있고, 화공약품 미사용으로 슬러지 발생량을 감소시킬 수 있으며, 배출수의 수질이 양호하여 별도의 여과시설이 필요하지 않는 장치를 제공할 수 있다.
따라서, 본 발명은 일 관점에서 (a) 난분해성 유기폐수 또는 소화조 탈리액에 함유된 고형물을 부상 분리하기 위한 시설로, 하부에는 나노촉매형 미세기포 발생기가 설치되고, 상부에는 부상 분리된 고형물을 수집하는 스컴제거부가 구비된 나노촉매 전해부상조(30); 및 (b) 상기 나노촉매 전해부상조 처리수에 잔류하는 COD와 질소를 제거하기 위하여 하부에 이리듐-루테늄-티타늄 함유하고, 양극 및 음극의 나노촉매 합금판을 포함하는 나노촉매 전기분해 산화조(70)를 포함하는 난분해성 유기폐수 또는 소화조 탈리액 처리장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소화조 탈리액 처리장치는 (a) 음식물 소화조 탈리액을 저장하고 고형물의 침전을 방지하기 위하여 Agitator형 교반시설을 포함하는 소화조 탈리액 저장조(10); (b) 상기 저장조에서 배출된 소화조 탈리액에 함유된 고형물을 부상 분리하기 위한 시설로, 하부에는 나노촉매형 미세기포 발생기가 설치되고, 상부에는 부상 분리된 고형물을 수집하는 스키머(Skimmer)와 스컴제거기(Scum Collector)가 구비된 나노촉매 전해부상조(30); (c) 상기 전해부상조 처리수에 함유된 COD와 질소를 제거하기 위하여 유입-무산소-호기-배출의 과정을 반복하는 연속회분식 반응조(SBR, 50); 및 (d) 상기 SBR 처리수에 잔류하는 COD와 질소를 제거하기 위하여 하부에 이리듐-루테늄-티타늄 함유하고, 양극 및 음극의 나노촉매 합금판을 포함하는 나노촉매 전기분해 산화조(70)를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 소화조 탈리액 처리장치는 (e) SBR에서 탈질 반응시 필요한 유기 탄소원을 함유하는 음식물 상등액 저장소(150); (f) 상기 저장소에서 공급되는 음식물 상등액(160)을 이용하여 유기산을 제조하는 유기산 반응조(130); 및 (g) 상기 제조된 유기산을 SBR로 공급하는 수단(140)을 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 소화조 탈리액 처리장치는 (h) 나노촉매 전해부상조에서 발생되는 침전슬러지 및 스컴(120), SBR에서 발생되는 잉여슬러지(100), 및 나노촉매 전기분해 산화조에서 발생되는 침전슬러지 및 스컴(80)을 처리하는 슬러지 처리조(90); 및 (i) 상기 슬러지 처리조 상등액(110)을 SBR로 공급하는 수단(110)을 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소화조 탈리액 처리장치에 관한 것으로, 소화조 탈리액 저장조(10)에서 배출된 소화조 탈리액(20)을 나노촉매 전해부상조(30)에서 전해부상으로 고형물과 스컴을 부상시켜 제거하고, 제거된 침전슬러지와 스컴(120)은 슬러지 처리조(90)로 보낸다. 상기 나노촉매 전해부상조(30)에서 처리된 처리수(40)는 연속회분식 반응조(SBR, 50)에 보내 COD와 질소를 처리하고, SBR 처리수(60)는 이리듐-루테늄-티타늄을 주성분으로 하는 나노촉매 합금판을 이용한 나노촉매 전기분해 산화조(70)로 보내 잔류하는 COD와 질소를 처리한다. SBR에서 발생되는 잉여슬러지(100)는 슬러지 처리조(90)로 보내고 상등액(110)은 연속회분식 반응조(SBR)(50)에 보내 재처리하도록 한다. SBR에서 탈질 반응시 필요한 유기탄소원을 공급하기 위하여 음식물 상등액 저장소(150)에서 음식물 상등액(160)을 받아서 유기산 반응조(130)에서 유기산으로 제조한 다음, SBR로 공급하여(140) 질소를 제거하는 탄소원으로 사용한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소화조 탈리액 처리장치는 (a) 음식물 소화조 탈리액을 저장하고 고형물의 침전을 방지하기 위하여 Agitator형 교반시설을 포함하는 소화조 탈리액 저장조(10); (b) 상기 저장조에서 배출된 소화조 탈리액에 함유된 COD와 질소를 제거하기 위하여 유입-무산소-호기-배출의 과정을 반복하는 연속회분식 반응조(SBR, 50); (c) 상기 SBR 처리수에 함유된 고형물을 부상 분리하기 위한 시설로, 하부에는 나노촉매형 미세기포 발생기가 설치되고, 상부에는 부상 분리된 고형물을 수집하는 스키머(Skimmer)와 스컴제거기(Scum Collector)가 구비된 나노촉매 전해부상조(30); 및 (d) 상기 나노촉매 전해부상조 처리수에 잔류하는 COD와 질소를 제거하기 위하여 하부에 이리듐-루테늄-티타늄 함유하고, 양극 및 음극의 나노촉매 합금판을 포함하는 나노촉매 전기분해 산화조(70)를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 소화조 탈리액 처리장치는 (e) 나노촉매 전해부상조에서 탈질 반응시 필요한 유기 탄소원을 함유하는 음식물 상등액 저장소(150); (f) 상기 저장소에서 공급되는 음식물 상등액(160)을 이용하여 유기산을 제조하는 유기산 반응조(130); 및 (g) 상기 제조된 유기산을 나노촉매 전해부상조로 공급하는 수단(140)을 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 소화조 탈리액 처리장치는 (h) 나노촉매 전해부상조에서 발생되는 침전슬러지 및 스컴(120), SBR에서 발생되는 잉여슬러지(100), 및 나노촉매 전기분해 산화조에서 발생되는 침전슬러지 및 스컴(80)을 처리하는 슬러지 처리조(90); 및 (i) 상기 슬러지 처리조 상등액(110)을 나노촉매 전해부상조로 공급하는 수단(110)을 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 소화조 탈리액 처리장치에 관한 것으로, 소화조 탈리액 저장조(10)에서 배출된 소화조 탈리액(20)을 연속회분식 반응조(SBR, 50)에 보내 COD와 질소를 처리하고, SBR 처리수(170)는 나노촉매 전해부상조(30)에서 전해부상으로 고형물과 스컴을 부상시켜 제거하고, 제거된 침전슬러지와 스컴(100)은 슬러지 처리조(90)로 보낸다. 상기 나노촉매 전해부상조 처리수(180)는 이리듐-루테늄-티타늄을 주성분으로 하는 나노촉매 합금판을 이용한 나노촉매 전기분해 산화조(70)로 보내 잔류하는 COD와 질소를 처리한다. SBR에서 발생되는 잉여슬러지(100)는 슬러지 처리조(90)로 보내고 상등액(110)은 나노촉매 전해부상조(30)에 보내 재처리하도록 한다. 나노촉매 전해부상조 탈질 반응시 필요한 유기탄소원을 공급하기 위하여 음식물 상등액 저장소(150)에서 음식물 상등액(160)을 받아서 유기산 반응조(130)에서 유기산으로 제조한 다음, 나노촉매 전해부상조로 공급하여(140) 질소를 제거하는 탄소원으로 사용한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 다음 구성을 포함하는 소화조 탈리액 처리장치를 이용할 수 있다.
(a) 음식물소화조 탈리액을 저장하고 고형물침전 방지를 위한 Agitator형 교반시설;
(b) 소화탈리액내 고형물을 연속회분식생물학적장치(SBR)에 적합하도록 고형물을 부상분리하기 위한 시설로 하부에는 나노촉매형 미세기초 발생기를 설치하고, 상부에는 부산분리된 고형물을 수집하는 Skimmer와 스컴제거기(Scum Collector)로 구성된 나노촉매 전해부상장치;
(c) COD와 질소를 제거하기 위한 목적으로 유입-무산소-호기-배출의 과정을 반복하는 미생물을 형성하는 SBR반응조와;
(d) SBR에서 발생되는 잉여슬러지를 저류 후 배출수로조로 이송하기 위한 시설;
(e) SBR 반응 후 잔류하는 COD와 질소를 제거하는 시설로 하부에 이리듐-루테늄-티타늄을 주성분으로 하는 나노촉매 합금판을 이용한 나노촉매 산화장치;
(f) 상부에 부상되는 고형물과 Scum을 제거하기 위한 Skimmer와 Collector를 설치하고, 산화반응시 발생되는 가스상 성분을 배출처리하는 환기장치;
(g) SBR의 탈질반응시 필요한 유기탄소원을 생산하여 공급하기 위한 유기산반응조와 SBR로 공급하는 장치를 통해 혐기성소화조 탈리액을 제거하는 공법을 제공하고자 한다.
본 발명에서는 음식물소화액 탈리액을 처리시설의 원수저류조까지 이송하기 위한 시설로 탈리액 저장조의 수위와 연계하여 제어한다. 이송된 소화조 탈리액을 나노촉매 부상분리 반응조로 원활하게 공급하기 위한 시설로 고형물침전 방지를 위한 Agitator형 교반시설과 수위계와 연계된 추진공동형 펌프로 구성한다. 체류시간은 2시간이며 전극면적은 0.76㎡이상이고 나노촉매 부상분리 장치는 소화탈리액내 고형물을 연속회분식생물학적장치(SBR)에 적합하도록 고형물을 분상분리하여 500mg/L이하로 제거하기 위한 시설로 하부에는 나노촉매형 미세기초 발생기를 설치하고, 상부에는 부산분리된 고형물을 수집하는 Skimmer와 스컴제거기(Scum Collector)로 구성한다. 분상분리된 처리수를 SBR의 원수공급 주기에 원활하게 공급하기 위한 체류시간은 48시간의 저류조로, 수위계와 연계한 공급펌프시설로 구성하다. 전해부상장치에서 COD를 3500ppm, T-N을 생물학적 처리가 가능한 500ppm이하로 처리하여 생물반응조로 유입하여 COD 2500ppm, 질소농도 216ppm으로 처리하고 나노촉매산화환원장치에서 COD 760ppm, 질소농도 140ppm으로 처리하도록 하였다. 혐기성소화조 탈리액을 처리하기 위한 공정의 단계는 다음과 같다. 원수 인입시설은 COD 5000ppm, 질소농도 800ppm 이상인 음식물 혐기성 소화 탈리액 1.0㎥/일을 원수저류조까지 이송하기 위한 시설로 탈리액 저장조의 수위와 연계하여 제어한다. 나노촉매 부상분리 장치는 혐기성 소화조탈리액을 SBR의 에 적합하도록 유입수를 부상분리하여 COD를 3500ppm, T-N을 500ppm이하로 제거하기 위한 시설로 하부에는 나노촉매 미세기초 발생기를 설치하고, 상부에는 부산분리된 고형물을 수집하는 Skimmer와 Collector로 구성한다. SBR반응조는 질소를 제거하기 위한 목적으로 미생물을 형성하는 SBR반응조로 무산소-호기-배출의 과정을 반복한다. 무산소상태를 위한 교반시설과 호기반응을 위한 폭기시설을 구성하고 무산소반응시 원수를 순차적으로 공급 후 일정 주기에서 침전 후 처리수를 배출하는 형식으로 운전된다. 질소를 제거하기 위한 목적으로 미생물을 형성하는 SBR반응조로 무산소-호기-배출의 과정을 반복한다. 무산소상태를 위한 교반시설과 호기반응을 위한 폭기시설을 구성하고 무산소반응시 원수를 순차적으로 공급 후 일정 주기에서 침전 후 처리수를 배출하는 형식으로 운전된다. 실시예로 교반시설은 Agitator형(0.4kW), Paddle, 산기시설은 Membrane Disk형, 송풍시설은 Root형 송풍기(1.5kW)와 수위계로 초음파식 수위계를 사용할 수 있다. SBR반응조는 체류시간 : 7.2일, 필요용량 : 7.2㎥, 교반시설 : Agitator형(1.5kW), Membrane Disk형의 산기시설, SBR에서 발생되는 잉여슬러지를 저류 후 배출수로조로 이송하기 위한 슬러지 저류조시설로 초기 미생물 활성화시 간이 배양조로 활용도 가능하여야 하며, 실험 중 운영조건 변경시 반응조내 미생물을 일시적으로 저류하기 위한 시설로 부상분리 처리수조의 이송펌프와 연계하여 구성한다. SBR 반응 후 잔류하는 유기물을 산화하기 위한 시설로 하부에 나노촉매 산화장치를 설치하고, 상부에 부상되는 고형물과 Scum을 제거하기 위한 Skimmer와 Collector를 설치하고, 산화반응시 발생되는 가스상 성분을 배출처리하는 환기장치로 구성한다. SBR의 탈질반응시 필요한 유기탄소원을 생산하여 공급하기 위한 시설로 음식물탈리액을 원수로 하여 유기산반응을 유도하며, 내부에는 원활한 반응을 위한 교반시설을 구성한다. 반응시간은 2-24시간이며 0.1KW이상의 전력으로 구성하며 전극면적은 4-10㎡으로 구성한다. 생산된 유기산은 원수저류조로 이송하여 반응액내 고형물을 제거 후 SBR로 공급되도록 하며, 개별적 운영이 가능하도록 무기막을 설치하여 SBR로 공급도 가능하도록 한다. 나노촉매부상, 생물막반응조, 나노산화촉매장치, 처리수의 처리공정도와 물질수지는 도 3에 나타난 바와 같다.
본 발명에 있어서, 연속회분식 반응조(SBR)의 경우 유입, 교반, 포기, 침전, 유출을 반복하여 음폐수 소화조 탈리액의 고농도 유기물 및 질소 제거를 수행하게 된다. 원수 유입단계에서는 교반을 동시에 실시하여 질산성 질소의 탈질반응을 유도하며 포기단계에서는 유기물 산화 및 암모니아성 질소의 질산화 반응이 이루어진다. 이러한 유입-포기 단계의 반복을 통하여 처리된 원수는 침전단계에서 고액분리가 이루어지며 유출단계에서 최종적으로 유출된다. 호기성 슬러지를 이용한 SBR(Sequencing Batch Reactor) 고도처리시스템을 개발하여 수력학적 체류시간 및 반응조 부피를 최소화함으로서 질산화 및 탈질 미생물이 우점화된 호기성 슬러지를 이용하여 유기물 및 질소의 안정적인 제거가 가능하다. SBR 공정의 운전조건은 1 cycle/1 day로 1 cycle의 운전시간은 총 24시간이다. 운전중 유입수 유입은 1 cycle 내 총 14회 주입되며 운전방식은 원수유입 및 교반-포기(14회 반복)-침전-유출로 이루어진다. 총 유입비(Vf/Vt)는 0.14이며 1회 주입량은 반응조 부피의 1%로써 원수 유입시에는 탈질에 필요한 외부탄소원을 주입하여 원활한 탈질반응을 유도하게 된다. 호기성 슬러지의 표면층(0~70um)에서는 종속영양생물이 우점화되어 유기물을 제거하고, 70~100um 깊이에서는 독립영양생물인 질산화 미생물에 의해 질산화가 일어나고, 가장 깊은 층인 100~500um에서는 무산소 조건을 유지하며 인 제거 및 탈질 반응이 동시에 일어난다. 또한, 호기성 슬러지는 고밀도의 미생물 군집체로서 미생물막과는 달리 호기성 조건하에서 매개체의 도움 없이 미생물의 자가 고정화 현상에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
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[표 1] 호기성 슬러지 주요 인자와 제거효율
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무산소-호기공정의 SBR 공정(SBR)은 유기물은 호기성 슬러지에 의하여 제거되며 호기성 슬러지 표면에 우점화된 종속영양 미생물의 유기물 산화반응을 이루어지게 하여 에너지를 얻고, 세포합성을 하여 유기물이 미생물의 새로운 세포(C5H7O2N), CO2 등으로 전환되어 제거된다. 이때, 1kg의 C5H7O2N을 합성하기 위해서는 0.12kg의 질소와 0.025kg의 인이 소비된다. 이것을 식으로 나타내면 다음과 같다.
유기물 제거 반응
: CHON(유기물) + O2 + 영양소 → C5H7O2N + CO2 + NH3 + 기타 생성물
질소제거는 호기 조건에서 암모니아성 질소의 질산화가 이루어지게 되며 호기성 슬러지 내부의 독립영양미생물에 의하여 암모니아성 질소가 아질산과 질산성 질소로 산화된다.
암모니아성 질소 산화 반응 : NH4+ + 1.5O2 → NO2 - + H2O + 2H+ + Energy
아질산성 질소 산화 반응 : NO2 - + 0.5O2 → NO3 - + Energy
호기 조건에서 생성된 질산성 질소의 경우 유입교반시의 무산소 조건에 의해 탈질화가 이루어지게 된다. 탈질화는 유기 또는 무기 전자공여체를 이용하여 NO3 - 또는 NO2 -를 N2 가스로 환원시키게 된다.
질산성 질소 탈질 반응
: NO3 - + 1.08CH3OH + H+ → 0.065C5H7O2N + 0.47N2 + 0.76C02 + 2.44H2O
SBR 의 최적 운전조건은 MLSS 농도 10,000mg/L 이상을 확보하고 독립영양미생물 및 슬러지 내부의 종속영양미생물을 이용한 BOD 및 T-N의 동시 제거가 가능하도록 하는 것이다. 필요시 반응시간(포기/비포기)을 조절하고 탄소원 부족시에는 메탄올 투입량을 조절하고 슬러지체류시간을 위해 슬러지 폐기량을 조절할 수 있다. SBR을 원활히 운영할 경우 설계수치를 보면 SNR: 0.09 kg NH4 +-N/kg MLVSS·day 이상 확보, SDNR: 0.2 kg NO3 --N/kg MLVSS·day 이상 확보, MLVSS/MLSS: 0.8 (8,000mg/L / 10,000 mg/L) 유지, SRT: 45.7 day 이상 확보, HRT: 7.2 day 유지하는 것이다. SBR 공정(SBR)의 특징은 기존 활성슬러지에 비하여 고농도 미생물 농도 유지가 가능하며 고농도 유입원수에 기인한 충격부하에 강한 저항성을 가지고 있고 잉여슬러지 발생량이 낮다는 것이다. 원활한 고액분리가 가능하며 짧은 체류시간으로 인한 컴팩트한 반응조 설계가 가능하고 타공정에 비해 질소 제거 속도의 경우 기존 공정 대비 200% 이상 확보 가능하다.
SBR의 질소제거에 공급하는 탄소원은 유기산 발효에 의한 탄소원을 공급하는 것으로 혐기소화 원수를 활용하여 아세트산, 프로피온닉산, 부틸산등 유기산을 생산하고 이를 SBR공정의 외부탄소원으로 활용한다. 유기산 반응조는 체류시간을 5-6일로 하며, 온도유지를 위한 가온시설을 구성한다. 생성된 유기산은 PILOT PLANT의 원수저류조로 이송한 후 부상분리 과정에서 고형물을 500mg/L이하로 처리하여 SBR의 무산소 공정시 공급한다. 유기산 공급량은 C/N ratio 5를 기준으로 공급량을 결정하며 0.01-0.02(0.015)㎥/day로 제어한다.
이리듐-루테늄-티타늄 나노촉매장치는 전기에너지를 받으면 이리듐 등으로 구성된 나노촉매판 표면에 있는 물(H2O)은 밴드갭(bandgap) 이상의 에너지를 받으면 전자가 하나 이동하여 전자-전공쌍이 생성되면서 생성된 강력한 산화력이 있는 하이드록시 라디칼(·OH)과 산소 라디칼(·O2)은 오염물질의 공유결합을 파괴하여 이산화탄소와 물로 분해하고, 암모니아(NH3)를 질산성질소, 질소가스와 수소가스로 분해시킨다. 또한, 독성물질인 포름알데하이드도 하이드록시 라디칼(·OH)과 산소 라디칼(·O2)에 의해서 물과 이산화탄소로 전환되어 제거된다(도 8 참조). 이리듐-루테늄-티타늄 나노합금 촉매장치의 구성도는 티타늄에 이리듐과 루테늄등 촉매를 코팅하여 전기분해시 산소라디칼을 발생시키는 이리듐-루테늄-티타늄 나노합금촉매판; (b) 상기 전해조의 나노합금촉매판에서 발생된 산소라디칼과 수산라디칼이 유입된 원수의 난분해성 COD를 깨는 전해조(전기분해조) (c) 전해조의 나노촉매판에서 발생되는 수소기체, 산소기체등으로 용존된 유기물질을 부상시키고 부상된 스컴(오염수)를 수거하는 스컴제거부; (d) 상기 전해부상조의 스컴제거부로부터 수거된 플록을 일시 저장한 다음, 반출하는 스컴저류조로 구성되어 있다.
이리듐-루테늄-티타늄 나노합금촉매판을 5-20장씩 1-10개 단위로 고정하고 절연성 브라켓을 전기에너지 소모를 줄이고 나노촉매판의 간격을 2~10㎜ 범위내에서 최소화하여 나노촉매 전해장치의 전류밀도를 낮추고자 한다. 전해부상조의 상기 스컴제거부를 설치하여 수면 위로 부상한 플록, 조류 및 오염물을 긁어모아 스컴저류조로 이송시킨다. 침전조는 미수거된 플록을 침전시키고, 방류수의 상등수를 배출하기 위해 경사판이 부착된 하부 바닥부가 콘(cone)형태로 구성되어 침전과 부상하는 유기물의 고액분리를 도와주도록 한다. 이리듐-루테늄-티타늄 나노합금촉매판장치의 특징은 인, 조류와 부유물질을 부상시키기 위해서 응집제와 응집장치를 상용하지 않는다. 이리듐-루테늄-티타늄 나노합금촉매판장치는 전기분해시 발생되는 산소와 OH 라디칼을 생성하고, 중간생성물(OH·,O·,O3)에 의한 미세기포가 발생하고 COD와 조류 및 고도처리를 할 수 있는 마이크로버블 산화촉매 장치이다. 정격직류전압을 적용한 산화촉매판을 침지하여 산화촉매 극판에서 방출하는 나노버블로 부유물질과 조류등을 상승시키고 물은 응집침전하여 인과 오염물질을 제거한 청정수를 저수지로 유입하는 형식의 장치이다.
Figure 112016127879151-pat00002
Figure 112016127879151-pat00003
산화 이리듐(Iridium oxide)은 물을 전기분해하여 산소로 만드는 water oxidation 과정에 대해 백금보다 좋은 촉매물질로서 최근 많은 연구가 이루어지고 있다. 전기분해시 물속에 있는 전해질인 염분 등이 있으면 전기분해가 더 세게 일어나 생성된 O2 -, OH-, OCl, HOCl 등이 폐수의 유기물질을 분해시킨다.
전기분해장치의 양극에서의 기본적인 전기분해는 다음과 같다.
H2O +M[ ]+Cl- -> M[ClOH]+H+ +2e-
H2O +M[ ]+Cl- -> M[OH-]+H+ +2e-
2차 전기 화학적 반응은 다음과 같다.
12OCl+6H2O +12e- -> 3O2 +12H+ +8Cl+4ClO3
음극에서의 기본적인 전기분해반응은 다음과 같다.
2H2O +2e- -> H2 +2OH-
음극에서 수소 이온이 방전되어 수소 가스가 발생하며 여러 가지의 유기물이 환원되며 색소등은 환원되어 무색이 된다. 환원되는 과정에서 pH가 6.06에서 7.39까지 증가하여 알칼리도를 상승시키는 것으로 나타나 탈질에 도움을 주는 것으로 나타났다.
음극(Cathode)에서는 주로 전기분해에 의한 질산성 질소의 환원이 일어나며 다음과 같다.
2NO3 - +6H2O +10e N2 +12OH- E0 = 0.52V
NO3 - +6H2O +8e NH3 +9OH- E0 = -0.12V
양극에서 OH의 방전이 일어나 산소가 발생하며 여러가지 유기물을 산화시킨다.
4OH- O2↑ +2H2O +4e-
2차 전기 화학적 반응은 다음과 같다.
OCl+H2O +2e- -> Cl- +2OH-
닫힌계 안에서 산화반응에서는 음극과 양극에서 발생되는 수소와 산소기체에 의해 gas bubble이 형성되어 오염물질을 부착시켜 부상시키고 응집된 물질은 침전되어 오염물질을 제거한다.
나노촉매 합금판장치에서 발생하는 하이드록시 라디칼로 COD, T-N, 지오스민, 2-MIB, 조류, 항생제등을 제거한다. 마이크로버블을 발생시키기 위해 가압탱크나 충돌 및 버블을 주입하는 배관이 필요없이 나노합금촉매판에서 발생하는 산소와 수소기체로 전해부상장치로 이용할 수 있다. 나노촉매판의 전류밀도에 의한 난분해성물질인 COD와 총질소의 제거, 산화환원반응과 산소라디칼과 OH라디칼로 난분해성물질과 암모니아와 질산성질소를 제거하고 아민화합물을 효과적으로 제거한다. 이리듐-루테늄-티타늄 나노합금촉매판장치의 제작시 장치에서 1개씩 쉽게 교체할 수 있는 삽입구조로 조성하며 산화촉매석출장치의 산화촉매판 두께는 2-10mm로 한다. 혐기성소화조 상등액에 설치한 산화촉매석출장치 모듈은 전기공급방식이 10분에서 1시간 간격으로 플러스 단자와 마이너스 단자를 전기적으로 교환하는 방식으로 산화촉매판에 붙어 있는 이온성물질과 난분해성물질을 제거하는 제어 방식이다. 혐기성소화조의 이온성물질과 난분해성물질과 부유물질을 상승시키기 위한 버블과 부유물질을 응집하여 처리하는 장치로 반응조, 산화촉매판 모듈, 산기관, 제어반으로 구성되어 있다. 각 설비는 연속운전에 견디는 이리듐-루테늄-티탄늄 나노합금구조로 하고, 진동이나 소음이 적고 원활히 운전되며 케비테이션 현상 등이 발생하지 않도록 견고하여야 한다.
본 발명에 있어서, 상기 전해조의 기판은 이리듐-루테늄-티타늄 나노촉매 합금판으로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
양극의 이리듐 나노촉매 합금판은 이리듐과 루테늄으로 구성된 군에서 하나 이상 선택된 금속과 티타늄(Ti)의 합금으로 제조된 티타늄 합금판을 0.5~1.5M의 염화이리듐(IrCl3)과 0.5~1.5M의 염화루테늄(RuCl3)을 각각 100~200ml를 혼합한 다음, 2-5℃/h로 승온시키며 40℃에서 80℃로 가열하되, 0.1~0.5M의 황산을 1-2ml/min로 적가하면서 교반하여 5~10시간을 공침시켜 제조한 산화이리듐 졸(IrO2)과 산화루테늄졸(RuO2)에 30~60분간 침지시킨 후, 건져 상온에서 건조시키고 자외선(UV)을 조사한 다음, 500~800℃로 소성시켜 코팅하고, 상기 코팅과정을 2~10회 반복하여 제조하는 것을 특징으로 할 수 있다.
제조된 산화이리듐 졸과 산화루테늄 졸은 티타늄 합금판에 도포되어 티타늄 합금판을 코팅하는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 합금판에 산화이리듐 졸과 산화루테늄졸을 티타늄 합금판에 도포하는 방법은 티타늄 합금판을 산화이리듐 졸과 산화루테늄 졸에 각각 1-2시간 침지 시킨 후, 꺼내어 건조시키면서 254-380nm의 파장으로 UV코팅을 하는 것이 바람직하다. 상기 코팅 과정은 접착강도를 높이기 위해 2~10회 반복하여주는 것이 바람직하다. 상기 코팅 과정을 2~10번 반복하여 주면 산화이리듐 졸과 산화루테늄 졸의 접착강도가 증가되며, 5~20um의 두께의 접착표면을 얻을 수 있지만, 10회를 초과하는 경우 표면의 균열이 발생하는 등 접착강도가 약해져 표면에 접착된 졸이 떨어질 수 있으므로 코팅 과정은 2~10회 반복하여주는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 이리듐 합금 나노촉매 디바이스는 양극의 이리듐 나노촉매 합금판과 음극의 티타늄 촉매 합금판 또는 이리듐 나노촉매판을 각각 5~20장씩 1~10개 단위로 고정하여 제조하는 것이 바람직하다. 상기 이리듐 합금 나노촉매 디바이스는 티타늄을 포함한 니켈, 철, 알루미늄, 아연이 포함한 티타늄 촉매 합금판과 산화이리듐 졸과 산화루테늄 졸로 코팅한 이리듐 나노촉매 합금판을 폴리플로필렌과 같은 절연성 브라켓(미도시)에 각각 조립시키고, 상기 절연성 브라켓은 이리듐 나노촉매 합금판과 티타늄 촉매 합금판 사이 간격을 조절하여 전해모듈(미도시)에 삽입되어 있는 구조로 이리듐 나노촉매 합금판과 티타늄 촉매 합금판이 마모되면 용이하게 교체할 수 있는 구조로 된 것이 바람직하지만 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 절연성 브라켓만으로 이리듐 나노촉매 합금판과 티타늄 촉매 합금판을 고정하기가 어려울 경우, 니켈, 망간 등을 혼합하여 부식이 되지 않도록 하여 기판의 형태를 유지하는 것이 바람직하다. 또한, 양극의 이리듐 나노촉매 합금판과 음극의 티타늄 나노촉매 합금판 간의 거리는 2~10mm로 하는 것이 바람직하다. 상기 두 이리듐 나노촉매 합금판과 티타늄 나노촉매 합금판 간의 거리가 가까우면 적은 전압과 전류로 오염물을 분해하는 라디칼을 생성하는 양이 많아지므로 이리듐 나노촉매 합금판과 티타늄 나노촉매 합금판의 거리는 10mm이하여야 하고, 효과적으로 오염물질을 분해하기 위해서 이리듐 나노촉매 합금판과 티타늄 나노촉매 합금판 사이에 물이 유입되어야 하므로 나노촉매 합금판과 티타늄 나노촉매 합금판의 거리는 2-10mm이상인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 전해조는 유입수를 이리듐 합금 나노촉매 디바이스의 하층으로 유입시켜 기판 층을 통과하면서 오염물질이 제거될 수 있도록 하며, 이리듐 합금 나노촉매 디바이스의 수리학적 체류시간이 길 경우에는 수류가 이리듐 합금 나노촉매 디바이스의 기판으로 반복해서 유입할 수 있는 구조로 하는 것으로 특징으로 할 수 있다. 필요에 따라서는 혼합조를 두어 산소라디칼, 수산라디칼, 치아염소산, 철 및 알루미늄이 함유된 방류수를 교반시켜 플록을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다. 이때, 혼합조는 상기 산소라디칼, 수산라디칼, 치아염소산, 철 및 알루미늄이 질소 또는 인과 반응하여 첨가되는 화학물질 없이도 질소 또는 인을 응집시켜 플록화 시킬 수 있다는 것을 특징으로 할 수 있다. 플록을 형성한 질소 또는 인은 제거가 용이하다는 특징을 가지고 있다.
본 발명에 있어서, 상기 전해조는 이리듐 합금 나노촉매 디바이스의 전류밀도가 0.01-1.0A/㎠ , 더욱 바람직한 전류밀도 0.1-0.5A/㎠이게 직류전류를 가해주는 것이 바람직하다. 이리듐 합금 나노촉매 디바이스의 전류밀도가 0.01A/㎠ 미만일 경우, 이리듐 합금 나노촉매 디바이스의 효율이 급격하게 저하되고, 이리듐 합금 나노촉매 디바이스의 전류밀도가 1.0A/㎠를 초과하게 되면 상기와 같은 높은 전류를 발생시킬 수 있는 고가의 전해장치가 필요하므로, 하폐수 처리비용면에서 비효율적이므로, 이리듐 합금 나노촉매 디바이스의 전류밀도가 0.01-1.0A/㎠ , 더욱 바람직한 전류밀도 0.1-0.5A/㎠이게 직류전류를 가해주는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 전해부상 및 응집조는 플록을 부상 또는 침강시키는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 전해부상 및 응집조는 이리듐 합금 나노촉매 디바이스에서 발생된 공기보다 가벼운 산소, 수소기체 및 라디칼 버블 등의 마이크로버블로 물속에 용해된 오염물, 유입된 조류 및 질소와 인의 플록을 부상시키는 것을 특징으로 할 수 있다. 종래의 전해부상이나 부상법에서는 버블을 공기로 가압하여 공급하거나 공기를 충돌시켜 발생한 기체를 공급하는 형태이거나 H2O2 같은 산화수를 넣거나 티타늄판으로 구성된 OH라디칼을 발생시키는 버블 형태을 사용하고 있으나, 본 발명에서는 이리듐 나노촉매 합금판과 티타늄 촉매 합금판의 산화, 환원전극에서 발생되는 수산화 라디칼(OH), 산소라디칼(O) 및 중간생성물인 오존(O3)이 난분해성물질인 COD나 질소를 제거하면서 이산화탄소 또는 질소가스를 생성하고, 공기보다 가벼운 수소기체나 라디칼 버블등의 마이크로버블을 형성하는 것을 특징으로 한다. 상기 형성된 마이크로 버블은 물속에 용해된 오염물, 유입된 조류 및 질소와 인의 플록을 부상시키며, 부상 후 물의 와류에 의해 다시 혼합되는 것을 방지하기 위해 전해부상 및 응집조의 높이를 이리듐 합금 나노촉매 디바이스 기준으로 30~100cm를 높여 제작한다. 상기 부상된 플록과 조류 등은 스컴제거조로 제거되는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 전해부상 및 응집조는 부유물질, 용존성물질 및 인을 제거하기 위해 0.01~1g/L의 고분자응집제인 폴리머를 공급하여 부유물질과 용존성물질을 부상시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 전해부상 및 응집조는 이리듐 합금 나노촉매 디바이스에서 발생(석출)된 철, 알루미늄, 니켈이 부유물질과 응집하여 플록을 형성하고, 형성된 고중량의 플록을 침전시키는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 석출된 철, 알루미늄, 니켈은 응집제 역활을 하여 부유물질을 응집시키는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 분해 부상방식에서 형성된 플록 중 금속이온과 응집된 고중량의 플록들은 침강성이 높아 수면상에 부상되기 힘들기 때문에 스컴제거부로 수거하는데 한계가 있다. 상기 응집된 고중량의 플록을 제거하기 위해 전해부상 및 응집조의 바닥부분은 침전된 부유물질을 제거할 수 있도록 콘(cone)형태로 구성하는 것을 특징으로 한다. 전해부상 및 응집조의 바닥부분에 침전된 불순물은 스컴저류조로 이송되어 처리하도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 스컴제거조는 전해부상 및 응집조 위에 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 스컴제거조는 한 쌍의 롤러, 컨베이어체인, 스크레이퍼 및 구동모터(미도시)를 포함할 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 한 쌍의 롤러는 전해부상 및 응집조 상단부 측벽에 회전가능하게 설치되며, 상기 컨베이어체인는 상기 한 쌍의 롤러에 감겨 있고, 상기 스크레이퍼는 상기 컨베이어체인의 원주면에 일정간격을 두고 각각 부착되어 상기 컨베이어체인의 움직임에 연동하여 움직이면서 수면 위로 부상된 플록, 조류 및 오염물을 수거할 수 있다. 또한, 상기 구동모터는 상기 한 쌍의 롤러를 구동시키는 것으로, 구동모터가 작동하면, 한 쌍의 롤러가 반시계 반향으로 회전하여 컨베이어체인을 작동시키고, 작동된 컨베이어체인에 연동되는 스크레이퍼는 수면 위로 부상한 플록, 조류 및 오염물을 긁어모아 스컴저류조로 이송시킨다.
본 발명에 있어서, 상기 스컴 저류조는 전해부상 및 응집조와 스컴제거조로부터 유입된 플록, 조류 및 스컴 등의 오염물질을 일시 저장한 다음, 반출하는 것을 특징으로 한다. 회수된 오염물질에는 다량의 물이 포함되어 있어 그대로 배출하는 경우 2차 오염을 발생시킬 수 있으며, 운반 및 보관에 많은 비용이 소모된다. 따라서 회수된 플록을 일시적으로 저장하여 물이 자연스럽게 분리되도록 한 다음, 반출하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 침전조는 미수거된 플록을 침전시키고, 방류수의 상등수를 배출하는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 침전조는 원통형의 경사판(내내통배플)이 부착된 하부 바닥부가 콘(cone)형태로 구성되어 침전과 부상하는 유기물의 고액분리를 도와주고, 가압 부상조의 수면에 부상하지 못해 스컴제거부로 수거되지 못한 무거운 중량을 가지는 플록을 침전시켜 제거할 수 있다. 침전조로부터 배출되는 상등수는 오염물질이 제거된 처리수로 외부로 배출할 수 있다.
상기 침전조는 전기분해 부상방식에서 형성된 플록 중 금속이온과 응집되어 침강성이 높은 고중량의 플록들은 제거하기 위해, 전해부상 및 응집조 후단에 설치하여 스컴제거부와 전해부상 및 응집조에서 수거하지 못하는 침강성이 높은 고중량의 플록들을 침전시켜 제거하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 이리듐 합금 나노촉매 디바이스를 포함하는 전기분해 부상 응집방식의 방류수 처리장치는 이리듐 합금 나노촉매 디바이스에서 발생되는 수산화라디칼, 산소라디칼, 차아염소산으로 암모니아성질소를 산화시켜 질소로 제거 가능하고, 질산염을 환원시켜 질소를 제거 가능하며, 발생되는 차아염소산으로 유기물질을 분해하여 COD의 농도를 낮출 수 있다는 효과를 가지고 있다. 또한, 이리듐 합금 나노촉매 디바이스에서 발생되는 산소와 수소기체로 수중의 유기물질과 조류를 부상시키거나 이리듐 합금 나노촉매 디바이스에서 발생되는 철, 알루미늄이 부유물질과 플록을 형성한 후 침전되어 제거 가능한 것을 특징으로 할 수 있다.
이리듐-루테늄-티타늄 나노합금촉매판장치의 제작시 장치에서 1개씩 쉽게 교체할 수 있는 삽입구조로 조성하며 산화촉매석출장치 모듈은 제1열에 양극판-음극판-양극판을 연결하고 제2열에는 음극판-양극판-음극판을 설치하여 제1열과 제2열의 양극과 음극이 교차하도록 하여 제1열의 양극판에 양극을 제 2열의 음극판에 음극의 전류를 연결하면 연결되는 않은 나노촉매판에 전류가 교대반응으로 전류가 흐르도록 하여 산화촉매판에 붙어 있는 이온성물질과 염분, 난분해성물질을 제거하는 제어 방식으로 한 장치를 포함하고 있다. 나노촉매판에 전기공급방식이 10분에서 1시간 간격으로 음극과 양극을 교대하도록 한 장치를 포함하고 있다.
음극에서 수소 이온이 방전되어 수소 가스가 발생하며 여러 가지의 유기물이 환원되며 색소등은 환원되며 환원되는 과정에서 pH가 6.06에서 7.39까지 증가하여 알칼리도를 상승시키며 질산성 질소를 환원시켜 질소가스로 날려보내며, 양극에서 OH의 방전이 일어나 산소가 발생하며 생성되는 차아염소산이온이 암모니아성질소를 질소로 산화시키며 난분해성 유기물을 산화시키는 것을 구성하고 있다. 음극과 양극에서 발생되는 수소와 산소기체에 의해 gas bubble이 형성되어 오염물질을 부착시켜 부상시키고 응집된 물질은 침전되어 오염물질을 제거한다.
이리듐 나노촉매 합금판과 티타늄 촉매 합금판 사이 간격을 조절하여 전해모듈(미도시)에 삽입되어 있는 구조로 이리듐 나노촉매 합금판과 티타늄 촉매 합금판이 마모되면 용이하게 교체할 수 있는 구조로 된 것이 바람직하지만 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 절연성 브라켓만으로 이리듐 나노촉매 합금판과 티타늄 촉매 합금판을 고정하기가 어려울 경우, 니켈, 망간 등을 혼합하여 부식이 되지 않도록 하여 기판의 형태를 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 전해조는 이리듐 합금 나노촉매 디바이스의 전류밀도가 0.01-1.0A/㎠, 더욱 바람직한 전류밀도 0.1-0.5A/㎠이게 직류전류를 가해주는 것이 바람직하다. 이리듐 합금 나노촉매 디바이스의 전류밀도가 0.01A/㎠ 미만일 경우, 이리듐 합금 나노촉매 디바이스의 효율이 급격하게 저하되고, 이리듐 합금 나노촉매 디바이스의 전류밀도가 1.0A/㎠를 초과하게 되면 상기와 같은 높은 전류를 발생시킬 수 있는 고가의 전해장치가 필요하므로, 하폐수 처리비용면에서 비효율적이므로, 이리듐 합금 나노촉매 디바이스의 전류밀도가 0.01-1.0A/㎠, 더욱 바람직한 전류밀도 0.1-0.5A/㎠이게 직류전류를 가해주는 것이 바람직하다.
이리듐 나노촉매 합금판과 티타늄 촉매 합금판의 산화, 환원전극에서 발생되는 하이드록시 라디칼(OH·), 산소라디칼(·O2) 및 중간생성물인 오존(O3)이 마이크로버블을 형성하는 것을 특징으로 상기 형성된 마이크로 버블은 물속에 용해된 오염물, 유입된 조류 및 질소와 인의 플록을 부상시키며, 부상 후 물의 와류에 의해 다시 혼합되는 것을 방지하기 위해 전해부상 및 응집조의 높이를 이리듐 합금 나노촉매 디바이스 기준으로 10~30cm를 높여 제작한다. 상기 부상된 플록과 조류 등은 스컴제거조로 제거되는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 전해부상 및 응집조는 부유물질, 용존성물질 및 인을 제거하기 위해 0.01~1g/L의 고분자응집제인 폴리머를 공급하여 부유물질과 용존성물질을 부상시키거나 이리듐 합금 나노촉매 디바이스에서 발생(석출)된 철이온이 부유물질과 응집하여 플록을 형성하고, 형성된 고중량의 플록을 침전시키는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 석출된 철, 알루미늄, 니켈은 응집제 역활을 하여 부유물질을 응집시키는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 응집된 고중량의 플록을 제거하기 위해 전해부상 및 응집조의 바닥부분은 침전된 부유물질을 제거할 수 있도록 콘(cone)형태로 구성하는 것을 특징으로 한다. 전해부상 및 응집조의 바닥부분에 침전된 불순물은 스컴저류조로 이송되어 처리하도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 스컴제거조는 한 쌍의 롤러, 컨베이어체인, 스크레이퍼 및 구동모터(미도시)를 포함할 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 한 쌍의 롤러는 전해부상 및 응집조 상단부 측벽에 회전가능하게 설치되며, 상기 컨베이어체인는 상기 한 쌍의 롤러에 감겨 있고, 상기 스크레이퍼는 상기 컨베이어체인의 원주면에 일정간격을 두고 각각 부착되어 상기 컨베이어체인의 움직임에 연동하여 움직이면서 수면 위로 부상된 플록, 조류 및 오염물을 수거할 수 있다. 또한, 상기 구동모터는 상기 한 쌍의 롤러를 구동시키는 것으로, 구동모터가 작동하면, 한 쌍의 롤러가 반시계 반향으로 회전하여 컨베이어체인을 작동시키고, 작동된 컨베이어체인에 연동되는 스크레이퍼는 수면 위로 부상한 플록, 조류 및 오염물을 긁어모아 스컴저류조로 이송시킨다.
나노촉매 합금판이 설치된 침전조는 미수거된 플록을 침전시키고, 경사면이 1-10/100인 경사판이 있는 직방형으로 하부 바닥부가 콘(cone)형태로 구성되어 슬러지가 침전조 호퍼로 이동하도록 한 구조이며 전해부상 및 응집조 후단에 설치하여 스컴제거부와 전해부상 및 응집조에서 수거하지 못하는 침강성이 높은 고중량의 플록들을 침전시켜 제거하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소화조 탈리액 처리장치는 (a) 폐수내 유기물과 암모니아성 질소를 제거하는 나노촉매 전기분해 장치의 전극표면 스케일 형성을 제어하는 기술로 나노촉매 전기분해 장치로 직류전원을 공급하는 정류기의 전압과 전류를 감시/제어하는 제어부와 제어부의 공정값(PV)과 제어값을 연산하는 관리부로 구성; (b) 폐수처리시 설정된 전압과 전류의 변화를 이용하여 전극을 관리하는 기술로 전극표면에 스케일을 형성하게 되고 형성된 스케일은 전류값을 낮추는 것을 막기 위해 전류값 감소변화율의 경향을 분석하여 전극 표면의 스케일 형성상태를 감시 할 수 있고, 상 전환시기를 결정하는 것을 주요 기술; (c) 제어부는 전압과 전류값인 디지칼 신호를 정류기에서 입출력 할 수 있도록 구성하고, 관리부는 정류기에서 출력되어 전극에 공급하는 전압과 전류의 변화를 유입유량, 상 전환 후 경과시간, 주기별 전압과 전류의 변화 경향 등을 정해진 알고리즘으로 분석하여 상 전환 시기와 약품세정 시기를 결정 할 수 있는 퍼지형 전문 프로그램으로 구성될 수 있다.
또한, 나노촉매 합금판에 오염물질이 부착되지 않도록 전류의 방향을 일정한 간격으로 변경하여 촉매판에서 발생하는 산소기체와 수소기체를 이용하여 촉매판의 유기물이 부착되지 않도록 한 나노촉매 전기분해 산화조를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 나노촉매 전기분해 산화조는 나노촉매 합금판이 쉽게 삽입하고 탈착하여 교체할수 있도록 카트리지 형식으로 제작되었으며 촉매판과 촉매판에 연결되는 부분은 실리콘같은 테프론 재질을 사용하였다. 상부에 고정브라켓이 붙어있어 고정브라켓베이스에 나노촉매 합금판을 삽입할수 있도록하였다. 나노촉매 합금판은 여러 개가 고정브라켓베이스에 고정되고, 상부의 고정브라켓은 상부베이스에 조립된다. 나노촉매 전기분해 산화조는 스컴등이 상부로 부상하여 제거되도록 하였으며 처리수는 중간단계에서 방류하도록 하고 침전된 슬러지는 하단의 호퍼를 통해 슬러지 저류조로 유입되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 상기 스컴제거부는 상단부 측면에서 회전하는 롤러와 롤러에 감겨있는 컨베이어체인, 컨베이어체인에 연동되어 플럭이나 스컴을 제거하는 스키머(SKIMER) 및 롤러를 구동시키는 구동모터를 포함하며, 수면 위로 부상한 플록, 오염물질을 스컴저류조로 제거하는 것이 바람직하다.
본 명세서에서 사용된 용어 "난분해성 유기폐수"는 음식물 쓰레기, 가축분뇨, 생활용 폐수, 공업용 폐수 등 유기물을 고농도로 함유하는 하·폐수를 의미하고, 난분해성 유기폐수는 COD 5000ppm, 질소 800ppm 이상의 농도를 갖는 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1: 소화조 탈리액 처리장치의 오염물질 제거 효과
본 실시예에서는 본 발명의 소화조 탈리액 처리장치를 이용한 오염물질 제거효과를 확인한 것으로, 소화조 탈리액에 함유된 부유물질(SS), 화학적 산소 요구량(COD), 암모니아성질소(NH3-N) 및 질산성질소(NO3-N)이 본 발명의 처리장치를 통해 현저하게 감소한 것을 확인할 수 있었다.
하기 표 2는 본 발명의 소화조 탈리액 처리장치를 이용하여 소화조 탈리액 저장조, 나노촉매 부상분리조, 및 나노촉매 전기분해 산화조 각각의 출구에서 샘플을 수득하여 오염물질의 농도를 분석한 결과를 나타낸 것이다.
[표 2] 소화조 탈리액 처리장치를 이용한 오염물질 제거 효과
Figure 112016127879151-pat00004
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
10 : 소화조 탈리액 저장조
20 : 소화조 탈리액
30 : 나노촉매 전해부상조
40, 180 : 나노촉매 전해부상조 처리수
50 : SBR(연속회분식 반응조)
60, 170 : SBR 처리수
70 : 나노촉매 전기분해 산화조
80 : 나노촉매 전기분해 산화조 침전슬러지 및 스컴
90 : 슬러지 처리조
100 : SBR 슬러지
110 : 슬러지 처리조 상등액
120 : 나노촉매 전해부상조 침전슬러지 및 스컴
130 : 유기산 반응조
140 : 유기산
150 : 음식물 상등액 저장조
160 : 음식물 상등액
200 : 배출수

Claims (8)

  1. 다음 구성을 포함하는 난분해성 유기폐수 또는 음식폐기물 혐기성 소화조 탈리액 처리장치:
    (a) 난분해성 유기폐수 또는 음식폐기물 혐기성 소화조 탈리액에 함유된 고형물을 부상 분리하기 위한 시설로, 하부에는 나노촉매형 미세기포 발생기가 설치되고, 상부에는 부상 분리된 고형물을 수집하는 스컴제거부가 구비된 나노촉매 전해부상조(30); 및
    (b) 상기 나노촉매 전해부상조 처리수에 잔류하는 COD와 질소를 제거하기 위하여 하부에 니켈, 철 및 아연을 포함하는 음극의 티타늄 촉매 합금판; 및 산화 이리듐 졸과 산화 루테늄 졸로 코팅된 양극의 이리듐 촉매 합금판으로 구성된 이리듐-루테늄-티타늄 나노촉매 합금판을 포함하는 나노촉매 전기분해 산화조(70).
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 양극의 나노촉매 합금판은 티타늄 합금판을 산화이리듐 졸과 산화루테늄 졸에 1~2시간 침지시킨 다음, 꺼내어 건조시키면서 254~380 nm의 파장으로 UV코팅을 하고, 접착강도를 높이기 위해 상기 침지 및 UV코팅 과정을 2~10회 반복하여 제조되고, 5~20 ㎛의 코팅 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 처리장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 양극의 나노촉매 합금판은 이리듐과 루테늄으로 구성된 군에서 하나 이상 선택된 금속과 티타늄(Ti)의 합금으로 제조된 티타늄 합금판을 0.5~1.5M의 염화이리듐(IrCl3)과 0.5~1.5M의 염화루테늄(RuCl3)을 각각 100~200ml를 혼합한 다음, 2-5℃/h로 승온시키며 40℃에서 80℃로 가열하되, 0.1~0.5M의 황산을 1-2ml/min로 적가하면서 교반하여 5~10시간을 공침시켜 제조한 산화이리듐 졸(IrO2)과 산화루테늄졸(RuO2)에 30~60분간 침지시킨 후, 건져 상온에서 건조시키고 자외선(UV)을 조사한 다음, 500~800℃로 소성시켜 코팅하고, 상기 코팅과정을 2~10회 반복하여 제조된 것을 특징으로 하는 처리장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 나노촉매 전기분해 산화조에서 나노촉매 합금판의 전류밀도가 0.01 내지 1.0 A/cm2인 것을 특징으로 하며, 음극에서 수소이온이 방전되어 수소가스가 발생하고 유기물이 환원되며, 환원되는 과정에서 pH 7 내지 pH 8까지 증가하여 알칼리도를 상승시키며 질산성 질소를 질소가스로 환원시키고; 양극에서 OH의 방전이 발생하여 산소가 발생하며 차아염소산 및 차아염소산 이온이 생성되어 암모니아성 질소를 질소로 산화시키며 난분해성 유기물을 산화시키는 것을 특징으로 하는 처리장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 나노촉매 합금판에 오염물질이 부착되지 않도록 전류의 방향을 일정한 간격으로 변경하고, 나노촉매 합금판에서 발생하는 산소기체와 수소기체를 이용하는 것을 특징으로 하는 처리장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 나노촉매 전기분해 산화조는 나노촉매 합금판이 쉽게 삽입하고 탈착하여 교체할 수 있도록 카트리지 형식으로 제작되고, 상부에 고정브라켓이 붙어있어 고정브라켓베이스에 나노촉매 합금판을 삽입할 수 있으며, 다수개의 나노촉매 합금판이 고정브라켓베이스에 고정되고 상부의 고정브라켓은 상부베이스에 조립되며, 나노촉매 전기분해 산화조는 스컴 등이 상부로 부상하여 제거되고, 처리수는 산화조 중간에서 방류하며, 침전된 슬러지는 산화조 하단의 호퍼를 통해 슬러지 처리조로 유입되는 것을 특징으로 하는 처리장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 나노촉매 전해부상조의 스컴제거부는 (i) 상단부 측면에서 회전하는 롤러, (ii) 롤러에 감겨있는 컨베이어체인, (iii) 컨베이어체인에 연동되어 플럭이나 스컴을 제거하는 스키머(SKIMER), 및 (iv) 롤러를 구동시키는 구동모터를 포함하고, 수면 위로 부상한 플록과 오염물질을 스컴 저류조로 제거하는 것을 특징으로 하는 처리장치.
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