KR102089179B1 - 하수처리장 n2o 제거 시스템 - Google Patents

하수처리장 n2o 제거 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하수처리장의 처리공정에서 발생되는 N2O를 효율적으로 제거할 수 있는 하수처리장 N2O 제거 시스템을 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 하수처리장 N2O 제거 시스템은, 스크린에 의해 조대입자가 제거된 하수가 유입되며, 유입된 하수로부터 N2O를 포함한 배출가스를 포집하고, 포집된 배출가스로부터 N2O를 제거하는 밀폐된 구조의 폭기조; 및 폭기조와 혐기조로부터 배출되는 배출가스가 유입되며, 유입된 배출가스로부터 N2O를 제거하기 위한 촉매가 구비되는 아산화질소 제거장치;를 포함하여 구성되며, 촉매는, NiO와 Ce2O3 담체 상에, 활성성분으로 세슘-코발트 복합산화물(Cs-Co2O3)이 담지된 것이며, 세슘-코발트 복합산화물은, Ni 금속 양이온 1몰에 대하여 Co 금속 양이온이 0.33 내지 1몰비를 함유하고, Cs 금속 양이온이 0.05 내지 0.15 촉매대비 질량비(wt.%)를 함유한다.

Description

하수처리장 N2O 제거 시스템{Sewage treatment plant N2O removal system}
본 발명은 하수처리장의 처리공정에서 발생되는 N2O를 효율적으로 제거할 수 있는 하수처리장 N2O 제거 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 지구온난화에 영향을 주는 온실가스는 이산화탄소(CO2)와 비이산화탄소 온실가스(Non-CO2, CH4, N2O, PFCs, HFCs, NF3, SF6)로 구분할 수 있다. 이러한 온실가스 성분의 대기 중 농도는 산업화의 진행에 따라 지속적이고 현저한 증가 추세를 보이고 있다. 비이산화탄소 온실가스 중 웃음가스(Laughing Gas)로 알려져 있는 N2O는 화학적으로 안정하기 때문에 지구 대기의 대류권에서는 거의 저감되지 않고, 성층권까지 도달한 다음 자외선에 의해서 분해되거나 산소 원자와 반응하여 일산화질소(NO)를 생성하며, 생성된 일산화질소는 성층권의 오존과 반응하여 연쇄적인 오존파괴를 초래한다. 이때, N2O가 오존층의 파괴에 미치는 영향은 이산화탄소가 오존층의 파괴에 미치는 향의 약 10% 정도지만 대기 중에서 자연적으로 저감되는 데 약 150년 정도가 소요된다.
또한, N2O는 6대 온실가스중 하나로써 지구온난화지수(Global Warming Potential, GWP)가 CO2에 비해 310배나 높은 온실가스이다.
최근 하수처리장에서는 질소와 인을 제거하기 위한 고도처리시설이 도입되었고, 경제성과 환경성 그리고 기술적 안정성 등을 고려하여 일정 규모 이상의 하수처리장에는 생물학적인, 질소제거 공정(Biological Nutrient Removal Process, BNR)이 적용되고 있다.
하수처리장의 고도처리시설은 유입된 전체 질소 성분은 호기조(Aerobic tank)에서 질산화 공정(Nitrification process)을 통하여 질산성 질소(NO3-N)로 전환되고, 무산소조(Anoxic tank)에서 탈질화 공정(Denitrification)을 통하여 질소 가스(N2)로 전환시켜 제거시킨다.
하지만, 상술한 질소 처리 과정에서 일부 전환물질로 N2O가 발생되는데, 어떠한 조건에서 N2O가 발생되는지 관련 연구가 미미한 실정이다. 또한, N2O를 저감하는 저감기술은 공업분야 및 하수처리장의 슬러지 소각시 배출되는 N2O의 저감을 위해 많이 적용되었으나, 하수처리 공정에서 발생되는 N2O를 저감하기 위해 적용된 사례는 거의 없는 실정이다. 특히, 하수처리 공정에서 발생되는 N2O 처리를 위한 시스템은 운전 및 유지관리 측면에서 높은 비용이 소요되며, 하수처리 공정에서 발생되는 N2O 처리에 대한 규정이 없어 운전자 및 관리자가 설치를 꺼려하는 경향을 보인다.
대한민국 등록특허 제1011830호 일본 등록특허 제3325041호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명은 폭기조와 혐기조에서 배출되는 배출가스에 미리 저장된 환원가스를 혼합함으로써, 하수처리장의 N2O를 제거하기 위한 촉매가 N2O를 저온에서 효과적으로 제거할 수 있는 하수처리장 N2O 제거 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
그리고 본 발명은 촉매가 저온에서 N2O를 제거함에 따라, 촉매의 내구성이 증진됨으로써, 하수처리공정의 운전 및 유지 비용을 절감할 수 있는 하수처리장 N2O 제거 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 하수처리장 N2O 제거 시스템은, 스크린에 의해 조대입자가 제거된 하수가 유입되며, 유입된 하수로부터 N2O를 포함한 배출가스를 포집하고, 포집된 배출가스로부터 N2O를 제거하는 밀폐된 구조의 폭기조; 및 폭기조와 혐기조로부터 배출되는 배출가스가 유입되며, 유입된 배출가스로부터 N2O를 제거하기 위한 촉매가 구비되는 아산화질소 제거장치;를 포함하여 구성되며, 촉매는, NiO와 Ce2O3 담체 상에, 활성성분으로 세슘-코발트 복합산화물(Cs-Co2O3)이 담지된 것이며, 세슘-코발트 복합산화물은, Ni 금속 양이온 1몰에 대하여 Co 금속 양이온이 0.33 내지 1몰비를 함유하고, Cs 금속 양이온이 0.05 내지 0.15 촉매대비 질량비(wt.%)를 함유한다.
일 실시예에서, 아산화질소 제거장치는, 유입되는 배출가스의 이동방향을 제어하는 제어부; 적어도 하나의 흡착탑은 제어부에 의해 이동방향이 제어되는 배출가스로부터 N2O를 흡착하며, 남은 하나의 흡착탑은 N2O의 흡착 전에 미리 N2O를 흡착한 상태로 유지되는 제1, 2 흡착탑; 제1, 2 흡착탑 중 적어도 하나의 흡착탑에 N2O를 흡착시키면서 흡착탑을 통과하여 제1 이동경로를 따라 이동되는 제거가스를 배기하는 배기부; 제거가스의 N2O 농도 값이 기설정된 N2O 농도 값 이상으로 측정되어, 제거가스가 제1 이동경로와 다른 방향의 제2 이동경로를 따라 이동될 때, 제2 이동경로의 제가거스에 환원가스를 공급하는 환원가스 공급부; 환원가스 공급부에 의해 환원된 환원가스에 열을 가하는 히터; 촉매를 통해 N2O가 제거되는 열이 가해진 환원가스의 열을 회수하는 열교환기; 및 제1, 2 흡착탑 중 미리 N2O를 흡착한 상태로 유지되는 흡착탑으로부터 N2O를 탈착시키기 위한 탈질공기를 제3 이동경로를 통해 제어부로 유입시키는 급기부;를 포함하여 구성된다.
그리고 아산화질소 제거장치는, 제어부가 배출가스의 이동방향을 제어하기 전에, 배출가스에 포함된 H2O를 제거하기 위한 제습기;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
일 실시예에서, N2O는, 탈질공기에 의해 흡착탑으로부터 탈착된 후, 탈질공기와 함께 제4 이동경로를 따라 이동되어 외부로 배출된다.
일 실시예에서, 환원가스 공급부는, 제4 이동경로를 따라 이동되되, N2O가 포함된 탈질공기의 농도 값이 기설정된 N2O 값 이상으로 측정되어, 제4 이동경로와 다른 방향의 제5 이동경로를 따라 이동되는 N2O가 포함된 탈질공기에 환원가스를 공급하여 환원시킨다.
일 실시예에서, 배출가스는, 아산화질소 제거장치에 25℃ ~ 60℃의 저온 상태로 유입된다.
일 실시예에서, 세슘-코발트 복합산화물(Cs-Co2O3)은, Co 금속 양이온 1몰에 대하여 Cs 금속 양이온이 0.05 내지 0.15 촉매대비 질량비(wt.%)를 함유한다.
일 실시예에서, 담체는, Ni 금속 양이온 1몰에 대하여 Ce 금속 양이온이 0.05 내지 0.15몰비 함유한다.
일 실시예에서, 촉매는, N2O를 100℃ 및 250℃조건에서 분해한 결과, N2O분해율이 75% 이상이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하수처리장 N2O 제거 시스템은, 촉매의 N2O 제거 효율이 우수함에 따라 하수처리장에 적용이 적합하다는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 촉매는 250℃ 이하의 저온에서도 분해활성이 우수하므로 경제성이 뛰어난 이점이 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 하수처리장 N2O 제거 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폭기조와 아산화질소 제거장치의 구성 및 작용을 나타내는 도면이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 흡착탑이 흡착공정, 제2 흡착탑이 탈착공정일 때의 아산화질소 제거장치의 구성 및 작용을 나타내는 도면이다.
도 3b는 제1 흡착탑이 탈착공정, 제2 흡착탑이 탈착공정일 때의 아산화질소 제거장치의 구성 및 작용을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 이하의 상세한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해서 구체적 세부사항을 포함한다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 이러한 구체적 세부사항 없이도 실시될 수 있음을 안다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(comprising 또는 including)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
하수처리장 N 2 O 제거 시스템의 구성
도 1은 종래 하수처리장 N2O 제거 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 블록도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폭기조와 아산화질소 제거장치의 구성 및 작용을 나타내는 도면이고, 도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 흡착탑이 흡착공정, 제2 흡착탑이 탈착공정일 때의 아산화질소 제거장치의 구성 및 작용을 나타내는 도면이며, 도 3b는 제1 흡착탑이 탈착공정, 제2 흡착탑이 탈착공정일 때의 아산화질소 제거장치의 구성 및 작용을 나타내는 도면이다.
본 발명은 폭기조(30)와 혐기조(40)에서 배출되는 배출가스에 미리 저장된 환원가스를 혼합함으로써, 하수처리장의 N2O를 제거하기 위한 촉매가 N2O를 저온에서 효과적으로 제거할 수 있는 하수처리장 N2O 제거 시스템(1)(이하에서는 ' N2O 제거 시스템'이라 함.)을 제공하는데 그 목적이 있다.
그리고 본 발명은 촉매(87)가 저온에서 N2O를 제거함에 따라, 촉매(87)의 내구성이 증진됨으로써, 하수처리공정의 운전 및 유지 비용을 절감할 수 있는 N2O 제거 시스템(1)을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 N2O 제거 시스템(1)의 일 실시예를 도 1 내지 도 3을 참조하여 살펴보면, 스크린(10)에 의해 조대 입자가 제거된 하수가 유입되며, 유입된 하수로부터 N2O를 포함한 배출가스를 포집하고, 포집된 배출가스로부터 N2O를 제거하는 밀폐된 구조의 폭기조(30) 및 폭기조(30)와 혐기조(40)로부터 배출되는 배출가스가 유입되며, 유입된 배출가스로부터 N2O를 제거하기 위한 촉매(87)가 구비되는 아산화질소 제거장치(80)를 포함하여 구성된다.
여기서, 일 실시예의 촉매(87)라 함은, NiO와 Ce2O3 담체 상에, 활성성분으로 세슘-코발트 복합산화물(Cs-Co2O3)이 담지되는 물질이다.
그리고 일 실시예의 세슘-코발트 복합산화물은, Ni 금속 양이온 1몰에 대하여 Co 금속 양이온이 0.33 내지 1몰비를 함유하고, Cs 금속 양이온이 0.05 내지 0.15 촉매대비 질량비(wt.%)를 함유하는 물질이다.
한편, N2O 제거 시스템(1)은 도 1 내지 도 3을 참조하여 살펴보면, 하수에 포함되는 N2O(아산화질소)를 제거하기 위해 스크린(10), 유량조정조(20), 폭기조(30), 혐기조(40), 침전조(50), 농축조(60), 탈수기(70) 및 아산화질소 제거장치(80)를 포함하여 구성되어 하수처리장의 하수에 포함되는 N2O를 제거한다. 여기서, 하수는 폐수, 오수 등의 오염된 액체로 이해되는 것이 바람직할 것이다.
먼저, 스크린(10)은 하수처리장에 하수가 수용될 때, 수용된 하수에 포함되는 입자 중 조대입자를 제거한다. 여기서, 조대입자라 함은 비교적 큰 협잡물과 모래 등의 고형분을 의미한다.
유량조정조(20)는 하수를 본처리공정에 균등 분배하기 위해 구성된다. 이에 따라, 스크린(10)과 유량조정조(20)는 본처리공정의 전처리공정으로 이해되어야 할 것이며, 폭기조(30), 혐기조(40), 침전조(50), 농축조(60), 탈수기(70) 및 아산화질소 제거장치(80)는 본처리공정으로 이해되어야 할 것이다.
폭기조(30)는 유량조정조(20)로부터 기설정된 수위에 해당하는 만큼의 하수가 유입되며, 유입되는 하수를 미생물 배양에 의한 생물학적 반응을 유발하여 액상비료로 가공하며, 공정에 의해 발생되는 배출가스를 아산화질소 제거장치(80)로 이동시키며, 공정이 완료된 처리수를 혐기조(40)로 이동시킨다.
이러한 폭기조(30)는 도 2를 참조하여 살펴보면, 챔버(300), 덮개(310), 산기관(320), 가스포집장치(330), 제1 관(340) 및 제2 관(350)를 포함하여 구성된다.
챔버(300)는 유량조정조(20)로부터 기설정된 수위의 하수가 수용되는 공간을 제공한다. 그리고 챔버(300)는 도면에는 미도시되었지만, 하수의 유입을 위해 일측에 유량조정조(20)와 연결되어 기설정된 수위의 하수를 이동시키는 관 또는 파이프(미도시)가 구비되는 것이 바람직할 것이다.
덮개(310)는 챔버(300)의 상측으로부터 탈부착됨으로써, 챔버(300)의 상측이 개폐되도록 한다. 이러한 덮개(310)를 통해 폭기조(30)는 상측 또는 일측이 개방되는 종래의 폭기조와 다르게 밀폐된 구조를 제공할 수 있게 된다.
산기관(320)은 도면에는 미도시되었지만, 산소 또는 공기를 공급하는 송풍기(미도시)와 연결되어 송풍기(미도시)에서 공급되는 산소 또는 공기를 폭기 상태로 챔버(300)에 수용되는 하수에 유입시킨다. 그리고 산기관(320)은 산소 또는 공공기의 효율적인 공급을 위해 복수로 구비될 수 있다.
가스포집장치(330)는 챔버(300) 내에 하나 이상의 측정 지점에 설치되는 부유식 후드로서, 챔버(300) 내에 부유된 상태로 폭기조(30)의 공정에 의해 발생되는 부생가스인 배출가스를 포집한다. 또한, 가스포집장치(330)는 배출가스의 효율적인 포집을 위해 복수로 구비될 수 있다.
제1 관(340)은 챔버(300) 내에 부유되는 가스포집장치(330) 및 아산화질소 제거장치(80)와 연결되어 가스포집장치(330)가 포집한 배출가스를 아산화질소 제거장치(80)로 이송시킨다.
여기서, 가스포집장치(330)가 포집한 배출가스는, N2O를 포함하는 배출가스를 의미하며, 아산화질소 제거장치(80)에 제1 관(340)을 통해 25℃ ~ 60℃의 저온 상태로 유입될 수 있다.
제2 관(350)은 혐기조(40)와 연결되어 폭기조(30)의 공정이 완료된 처리수를 혐기조(40)로 이송시킨다.
혐기조(40)는 제2 관(350)과 연결되어 챔버(300)로부터 이송되는 처리수가 유입되며, 조내의 미생물이 유입된 처리수의 유기물을 이용하여 인을 포함하는 배출가스를 방출한다. 그리고 혐기조(40)는 제1 관(330)과 연결되는 제3 관(400)을 구비하여 인을 포함하는 배출가스를 아산화질소 제거장치(80)로 이동시킨다. 이때, 제3 관(400)은 제1 관(330)과 연결되는 것으로 도시되었으나, 아산화질조 제거장치(80)와 직접적으로 연결되어 아산화질소 제거장치(80)에 인을 포함하는 배출가스를 이동시킬 수도 있다. 또한, 혐기조(40)로부터 이동되는 배출가스는 폭기조(30)로부터 이동되는 배출가스와 같이, 25℃ ~ 60℃의 저온 상태로 아산화질소 제거장치(80)로 이동될 수 있다.
침전조(50)는 도면에는 도시되지 않았지만, 침지형 분리막(미도시) 및 산기관(미도시)이 구비되어 있어서 혐기조(40)의 미생물과 처리수를 분리하여 배출하게 된다. 이러한 침전조(50)는 침지형 분리막과 산기관이 구비됨에 따라, 본 발명의 N2O 제거 시스템(1)에 구성되지 않은 호기조 역할을 수행할 수 있다.
농축조(60)는 탈수기(70)의 탈수 공정 전에 침전조(50)에 침전되는 슬러지를 농축시켜 슬러지에 함유되는 전고형분(TS, Total solid)의 함유율을 높이게 된다.
탈수기(70)는 농축조(60)를 통과한 슬러지에 기계적 압력을 가하여 압착, 탈수하여 슬러지와 수분을 분리해낸다. 이러한 탈수기(70)의 탈수 방식은 원심분리 탈수(centrifuging), 진공탈수(vacuum filtration), 가압여과(filter pressing)에 의 한 탈수 방식 중 적어도 하나일 수 있다.
아산화질소 제거장치(80)는 도 2 내지 도 3을 참조하여 살펴보면, 유입되는 배출가스의 이동방향을 제어하는 제어부(81), 적어도 하나의 흡착탑은 제어부(81)에 의해 이동방향이 제어되는 배출가스로부터 N2O를 흡착하며, 남은 하나의 흡착탑은 N2O의 흡착 전에 미리 N2O를 흡착한 상태로 유지되는 제1, 2 흡착탑(82a, 82b), 제1, 2 흡착탑(82a, 82b) 중 적어도 하나의 흡착탑에 N2O를 흡착시키면서 흡착탑을 통과하여 제1 이동경로를 따라 이동되는 제거가스를 배기하는 배기부(84), 제거가스의 N2O 농도 값이 기설정된 N2O 농도 값 이상으로 측정되어, 제거가스가 제1 이동경로와 다른 방향의 제2 이동경로를 따라 이동될 때, 제2 이동경로의 제가거스에 환원가스를 공급하는 환원가스 공급부(85a, 85b), 환원가스 공급부(85a, 85b)에 의해 환원된 환원가스에 열을 가하는 히터(86), 촉매(87)를 통해 N2O가 제거되는 열이 가해진 환원가스의 열을 회수하는 열교환기(88) 및 제1, 2 흡착탑(82a, 82b) 중 미리 N2O를 흡착한 상태로 유지되는 흡착탑으로부터 N2O를 탈착시키기 위한 탈질공기를 제3 이동경로를 통해 제어부(81)로 유입시키는 급기부(89)를 포함하여 구성된다.
그리고 탈질공기에 의해 제1, 2 흡착탑(82a, 82b) 중 적어도 하나의 흡착탑으로부터 흡착한 상태의 N2O는 탈착된 후, 탈질공기와 함께 제4 이동경로를 따라 이동되어 외부로 배출된다.
이때, 환원가스 공급부(85a, 85b) 중 적어도 하나의 환원가스 공급부는 제4 이동경로를 따라 이동되되, N2O가 포함된 탈질공기의 농도 값이 기설정된 N2O 값 이상으로 측정되어, 제4 이동경로와 다른 방향의 제5 이동경로를 따라 이동되는 N2O가 포함된 탈질공기에 환원가스를 공급하여 환원시킨다.
이러한 환원가스 공급부(85a, 85b)는 제1 환원가스 공급부(85a)와 제2 환원가스 공급부(85b)로 구성되나, 제거가스와 탈질공기에 환원가스를 각각 공급하는 구조를 가지는 하나의 환원가스 공급부로 구성될 수도 있다.
여기서, 제1 이동경로는 제1, 2 흡착탑(82a, 82b)중 적어도 하나의 흡착탑에 N2O를 흡착시키면서 통과되는 제거가스가 배기부(84, 미도시)로 이동되는 경로를 의미한다.
여기서, 제2 이동경로는 제1 이동경로와 다른 방향으로 이동되는 기설정된 N2O 농도 값 이상의 제거가스가 제1, 2 환원가스 공급부(85a, 85b) 중 적어도 하나의 환원가스 공급부, 히터(86), 촉매(87), 열교환기(88)를 통과하는 경로를 의미한다.
여기서, 제3 이동경로는 급기부(89)의 탈질공기가 제어부(81)로 이동되는 경로를 의미한다.
여기서, 제4 이동경로는 제1, 2흡착탑(82a, 82b) 중 적어도 하나의 흡착탑에 미리 흡착된 N2O를 탈착시키면서 통과되는 탈질공기가 배기부(84, 미도시)로 이동되는 경로를 의미한다.
여기서, 제5 이동경로는 제4 이동경로와 다른 방향으로 이동되는 기설정된 N2O 농도 값 이상의 탈질공기가 제1, 2 환원가스 공급부(85a, 85b) 중 적어도 하나의 환원가스 공급부, 히터(86), 촉매(87), 열교환기(88)를 통과하는 경로를 의미한다.
이러한 제1, 2, 3, 4, 5 이동경로는 흡착공정과 탈착공정을 수행하는 흡착탑이 제1 흡착탑(82a)인지, 제2 흡착탑(82b)인지 여부에 따라 다른 역할을 수행할 수 있다. 즉, 제1 흡착탑(82a)이 흡착공정, 제2 흡착탑(82b)이 탈착공정일 때와 제1 흡착탑(82a)이 탈착공정, 제2 흡착탑(82b)이 흡착공정일 때의 이동경로는 서로 다르게 설정될 수 있다.
더 나아가, 아산화질소 제거장치(80)는 제어부(81)가 배출가스의 이동방향을 제어하기 전에, 배출가스에 포함된 H2O를 제거하기 위한 제습기(800)를 더 포함하여 구성된다. 이를 위해, 제습기(800)는 배출가스가 유입되는 아산화질소 제거장치(80)의 유입구와 제어부(81)의 사이에 배치되는 것이 바람직할 것이다.
더 나아가, 아산화질소 제거장치(80)는 제거가스의 이동 방향을 제어하기 위한 제1, 제2 댐퍼(83a, 83b)를 더 포함하여 구성된다. 이러한 제1, 2 댐퍼(83a, 83b)는 흡착공정과 탈착공정을 수행하는 흡착탑이 제1 흡착탑(82a)인지 제2 흡착탑(82b)인지 여부에 따라 제거가스 또는 배출가스의 이동방향을 제어하게 된다. 구체적으로는, 제1, 2 흡착탑(83a, 83b)은 제1 이동경로와 제2 이동경로 및 제4 이동경로와 제5 이동경로를 따라 이동되는 제거가스와 탈질공기의 이동 방향을 제어한다.
한편, 탈질공기는 180℃ ~ 200℃의 고온 상태로 급기부(89)를 통해 제3 이동경로를 따라 제어부(81)를 향해 이동된다. 이와 같이, 탈질공기가 고온 상태로 이동되는 것은 제1, 2 흡착탑(82a, 82b) 중 적어도 하나의 흡착탑에 흡착된 상태의 N2O를 흡착탑으로부터 탈착하기 위함이다.
촉매(87)는 전술한 바와 같이, NiO와 Ce2O3 담체 상에, 활성성분으로 세슘-코발트 복합산화물(Cs-Co2O3)이 담지되는 물질이다.
구체적으로, 담체는 NiO와 Ce2O3의 복합 담체를 사용하여 d-band의 구조와 center를 down shift하여 활성 증가에 영향을 주었으며, 활성성분으로는 세슘-코발트 복합산화물(Cs-Co2O3)을 사용하여 활성성분인 세슘이 촉매(87)의 표면에 작용하여 Fermi level을 활성 증가 방향으로 변형시키고 흡착 결합의 강도를 조절하여 활성을 높게 하였다.
상기 활성성분인 세슘-코발트 복합산화물은 Ni 금속 양이온 1몰에 대하여 Co 금속 양이온이 0.3 내지 1몰비로 함유할 수 있고, Cs 금속 양이온이 0.01 내지 100 촉매대비 질량비(wt.%)를 함유할 수 있다. 상기 Co 금속 양이온의 함유량이 0.3몰비 미만이면 활성도가 낮고, 1몰비를 초과하는 경우에는 Ni과 반응하지 않는 Co가 발생하여 성능이 낮아지는 문제가 발생할 수 있다. 상기 Cs 금속 양이온이 0.01 내지 100 촉매 대비 질량비를 함유할 수 있으며, 상기 0.05 질량비 미만이면 주입 효과가 미미하고, 0.15 질량비를 초과하는 경우 역시 촉매 활성 향상 효과가 미미한 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 Cs 금속 양이온은 전체 금속 양이온 1 g에 대하여 Cs 금속 양이온이 0.05g 내지 0.15 g 함유하는 것이 바람직하다. 상기 함유량이 0.05 g 미만이거나 초과하는 경우에는 활성 향상 효과가 미미한 문제가 발생할 수 있다.
상기 담체인 NiO와 Ce2O3의 복합 담체는 Ni 금속 양이온 1몰에 대하여 Ce 금속 양이온이 0.05 내지 0.15 몰비 함유하는 것이 바람직하다. 상기 함유량이 0.05 몰비 미만이거나, 0.1 몰비를 초과하는 경우에는 활성 향상 효과가 미미한 문제가 발생할 수 있다.
제1 실시예
이하에서는, 도 3a를 참조하여 제1 흡착탑(82a)이 흡착공정, 제2 흡착탑(82b)이 탈착공정일 때의 N2O 제거 시스템(1)의 과정을 자세히 설명하도록 하겠다.
먼저, 제1 흡착탑(82a)이 흡착공정일 때의 과정은, 폭기조(30)와 혐기조(40)의 배출가스가 관의 경로를 따라 이동되면서 제습기(800)로부터 H2O가 제거된다.
제어부(81)는 제습기(800)가 배출가스에 포함된 H2O를 제거하는 동안에 배출가스가 제1 흡착탑(82a)를 향해 이동되도록 이동경로를 설정한다. 이를 위해, 제어부(81)는 이동방향을 제어할 수 있는 댐퍼가 구비되는 것이 바람직할 것이다.
이러한 제어부(81)에 따라, H2O가 제거된 배출가스는 제1 흡착탑(82a)과 연결되는 이동경로를 따라 이동된다. 이와 같이, H2O가 제거된 배출가스가 제1 흡착탑(82a)으로 이동되는 경로는 제1 이동경로이다.
제1 흡착탑(82a)는 제1 이동경로를 따라 이동되어 통과되는 배출가스에 포함되는 N2O를 흡착하여 배출가스로부터 N2O를 제거한다.
이와 같이, N2O가 제거된 제거가스는 제1 이동경로를 따라 계속 이동되되, 제거가스의 N2O 농도 값이 기설정된 N2O 농도 값 이상인지 여부에 따라 제1 댐퍼(83a)에 의해 이동경로가 다르게 설정될 수 있다.
구체적인 예를 들면, 제거가스의 N2O 농도 값이 기설정된 N2O 농도 값 이하인 것으로 측정되면, 제거가스는 제1 댐퍼(83a)에 의해 제1 이동경로를 따라 계속 이동하여 배기부(84)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 이와 달리, 제거가스의 N2O 농도 값이 기설정된 N2O 농도 값 이상으로 측정되면, 제거가스는 제1 댐퍼(83a)에 의해 제1 이동경로와 다른 방향의 제2 이동경로를 따라 이동될 수 있다.
한편, 제1 이동경로를 따라 이동되는 제거가스의 N2O 농도 값을 측정하는 것은 도면에는 미도시된 제1 이동경로 내에 설치되는 센서(미도시)일 수 있다.
이러한 제2 이동경로를 따라 이동되는 제거가스는 제2 이동경로를 따라 이동되면서 제2 이동경로에 설치된 제1 환원가스 공급부(85a)로부터 공급되는 환원가스와 혼합되어 환원된다.
그 후, 환원된 제거가스는 제2 이동경로를 따라 이동되면서 제2 이동경로에 설치된 히터(86)에 의해 열이 가해진다. 이와 같이, 히터(86)가 열을 가하는 것은, 촉매(87)가 환원된 제거가스의 N2O를 용이하게 제거할 수 있도록 하기 위함이다.
그 후, 열이 가해진 제거가스는 제2 이동경로를 따라 이동되면서 제2 이동경로에 설치된 촉매(87)에 의해 N2O가 제거된다. 이러한 촉매(87)는 전술한 내용과 동일하므로, 자세한 설명은 생략하도록 하겠다.
그 후, N2O가 제거된 제거가스는 제2 이동경로를 따라 이동되면서 제2 이동경로에 설치된 열교환기(88)에 의해 열 교환된다. 이와 같이, 열교환기(88)가 열 교환을 수행하는 것은, 히터(87)에 의해 열이 가해진 N2O가 제거된 제거가스를 냉각시킨 후에 외부로 배출시키기 위함이다.
그리고 제2 흡착탑(82b)이 탈착공정일 때의 과정은, 급기부(89)가 탈질공기를 제어부(81)와 연결되는 제3 이동경로를 통해 제어부(81)로 이동시킨다. 이때, 탈질공기는 제2 흡착탑(82b)에 흡착된 상태의 N2O를 탈착시키기 위한 180℃ ~ 200℃의 고온공기일 수 있다.
이때, 제어부(81)는 탈질공기가 제2 흡착탑(82b)를 향해 이동되도록 댐퍼를 통해 이동경로를 설정한다.
이러한 제어부(81)에 따라, 탈질공기가 제2 흡착탑(82b)으로 이동되는 경로는 제4 이동경로이다.
제4 이동경로를 따라 이동되는 탈질공기는 제2 흡착탑(82b)을 통과하면서 제2 흡착탑(82b)에 미리 흡착된 N2O를 탈착시키며, 탈착된 N2O와 함께 제4 이동경로를 따라 이동된다.
N2O가 포함된 탈질공기는 제4 이동경로를 따라 계속 이동되되, 탈질공기의 N2O 농도 값이 기설정된 N2O 농도 값 이상인지 여부에 따라 제2 댐퍼(83b)에 의해 이동경로가 다르게 설정될 수 있다.
구체적인 예를 들면, N2O가 포함된 탈질공기의 N2O 농도 값이 기설정된 N2O 농도 값 이하인 것으로 측정되면, N2O가 포함된 탈질공기는 제2 댐퍼(83b)에 의해 제4 이동경로를 따라 계속 이동하여 배기부(미도시)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 이와 달리, N2O가 포함된 탈질공기의 N2O 농도 값이 기설정된 N2O 농도 값 이상으로 측정되면, N2O가 포함된 탈질공기는 제2 댐퍼(83b)에 의해 제4 이동경로와 다른 방향의 제5 이동경로를 따라 이동될 수 있다.
한편, 제4 이동경로를 따라 이동되는 N2O가 포함된 탈질공기의 N2O 농도 값을 측정하는 것은 도면에는 미도시된 제4 이동경로 내에 설치되는 센서(미도시)일 수 있다.
이와 같이, 제5 이동경로를 따라 이동되는 N2O가 포함된 탈질공기는 제5 이동경로를 따라 이동되면서 제5 이동경로에 설치된 제2 환원가스 공급부(85b)로부터 공급되는 환원가스와 혼합되어 환원된다.
그 후, 환원된 탈질공기는 제5 이동경로를 따라 이동되면서 제5 이동경로에 설치된 히터(86)에 의해 열이 가해진다. 즉, 히터(86)는 제2 이동경로 뿐만 아니라, 제5 이동경로에도 설치되며, 제2, 5 이동경로를 따라 이동되는 제거가스와 탈질공기에 각각 열을 가할 수 있는 것이다.
그 후, 열이 가해진 탈질공기는 제5 이동경로를 따라 이동되면서 제5 이동경로에 설치된 촉매(87)에 의해 N2O가 제거된다. 즉, 촉매(87)는 제2 이동경로 뿐만 아니라, 제5 이동경로에도 설치되며, 제2, 5 이동경로를 따라 이동되는 제거가스와 탈질공기에 포함된 N2O를 각각 제거할 수 있는 것이다.
그 후, N2O가 제거된 탈질공기는 제5 이동경로를 따라 이동되면서 제5 이동경로에 설치된 열교환기(88)에 의해 열 교환된다. 즉, 열교환기(88)는 제2 이동경로 뿐만 아니라, 제5 이동경로에도 설치되며, 열교환을 통해 제2, 5 이동경로를 따라 이동되는 제거가스와 탈질공기를 냉각시킨 후, 외부로 배출할 수 있는 것이다.
제2 실시예
이하에서는, 도 3b를 참조하여 제1 흡착탑(82a)이 탈착공정, 제2 흡착탑(82b) 흡착공정일 때의 N2O 제거 시스템(1)의 과정을 자세히 설명하도록 하겠다.
또한, 제2 실시예는 전술한 제1 실시예와 중복되는 구성 및 작용에 대한 설은 생략하도록 하겠다.
먼저, 제2 흡착탑(82b)이 흡착공정일 때의 과정에서, 제어부(81)는 제습기(800)가 배출가스에 포함된 H2O를 제거하는 동안에 배출가스가 제2 흡착탑(82b)를 향해 이동되도록 이동경로를 설정하며, 이러한 제어부(81)에 따라, H2O가 제거된 배출가스가 제2 흡착탑(82b)으로 이동되는 경로는 제1 이동경로이다.
제1 이동경로를 따라 이동되는 배출가스는 제2 흡착탑(82b)을 통과하면서 포함하고 있는 N2O가 제2 흡착탑(82b)에 의해 흡착되어 제거된다.
N2O가 제거된 제거가스는 제1 이동경로를 따라 계속 이동되되, N2O 농도 값이 기설정된 N2O 농도 값 이하인 것으로 측정되면, 제2 댐퍼(83b)에 의해 제1 이동경로를 따라 계속 이동하여 배기부(미도시)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 이와 달리, 제거가스의 N2O 농도 값이 기설정된 N2O 농도 값 이상으로 측정되면, 제거가스는 제2 댐퍼(83b)에 의해 제1 이동경로와 다른 방향의 제2 이동경로를 따라 이동될 수 있다.
제거가스는 제2 이동경로에 설치되는 제2 환원가스 공급부(85b), 히터(86), 촉매(87), 열교환기(88)를 통해 N2O가 제거된 후에 외부로 배출된다.
그리고 제1 흡착탑(82a)이 탈착공정일 때의 과정에서, 제어부(81)는 탈질공기가 제1 흡착탑(82a)를 향해 이동되도록 댐퍼를 통해 이동경로를 설정하며, 이러한 제어부(81)에 따라, 탈질공기가 제1 흡착탑(82a)으로 이동되는 경로는 제4 이동경로이다.
제4 이동경로를 따라 이동되는 탈질공기는 제1 흡착탑(82a)을 통과하면서 제1 흡착탑(82a)에 미리 흡착된 N2O를 탈착시키며, 탈착된 N2O와 함께 제4 이동경로를 따라 이동된다.
N2O가 포함된 탈질공기는 제4 이동경로를 따라 계속 이동되되, N2O 농도 값이 기설정된 N2O 농도 값 이하인 것으로 측정되면, 제1 댐퍼(83a)에 의해 제4 이동경로를 따라 계속 이동하여 배기부(84)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 이와 달리, N2O가 포함된 탈질공기의 N2O 농도 값이 기설정된 N2O 농도 값 이상으로 측정되면, N2O가 포함된 탈질공기는 제1 댐퍼(83a)에 의해 제4 이동경로와 다른 방향의 제5 이동경로를 따라 이동될 수 있다.
N2O가 포함된 탈질공기는 제5 이동경로에 설치되는 제1 환원가스 공급부(85a), 히터(86), 촉매(87), 열교환기(88)를 통해 N2O가 제거된 후에 외부로 배출된다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 하수처리장 N2O 제거 시스템, 10: 스크린,
20: 유량조정조, 30: 폭기조,
40: 혐기조, 50: 침전조,
60: 농축조, 70: 탈수기,
80: 아산화질소 제거장치, 81: 제어부,
82a: 제1 흡착탑, 82b: 제2 흡착탑,
83a: 제1 댐퍼, 83b: 제2 댐퍼,
84: 배기부, 85a: 제1 환원가스 공급부,
85b: 제2 환원가스 공급부, 86: 히터,
87: 촉매, 88: 열교환기,
89: 급기부, 300: 챔버,
310: 덮개, 320: 산소발생기,
330: 가스포집장치, 340: 제1 관,
350: 제2 관, 400: 제3 관,
800: 제습기.

Claims (9)

  1. 스크린에 의해 조대입자가 제거된 하수가 유입되며, 상기 유입된 하수로부터 N2O를 포함한 배출가스를 포집하고, 상기 포집된 배출가스로부터 상기 N2O를 제거하는 밀폐된 구조의 폭기조; 및
    상기 폭기조와 혐기조로부터 배출되는 배출가스가 유입되며, 상기 유입된 배출가스로부터 상기 N2O를 제거하기 위한 촉매가 구비되는 아산화질소 제거장치;를 포함하며,
    상기 촉매는,
    NiO와 Ce2O3 담체 상에, 활성성분으로 세슘-코발트 복합산화물(Cs-Co2O3)이 담지된 것이며,
    상기 세슘-코발트 복합산화물은,
    Ni 금속 양이온 1몰에 대하여 Co 금속 양이온이 0.33 내지 1몰비를 함유하고, Cs 금속 양이온이 0.05 내지 0.15 촉매대비 질량비(wt.%)를 함유하는 것을 특징으로 하는 하수처리장 N2O 제거 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 아산화질소 제거장치는,
    상기 유입되는 배출가스의 이동방향을 제어하는 제어부;
    적어도 하나의 흡착탑은 상기 제어부에 의해 이동방향이 제어되는 배출가스로부터 상기 N2O를 흡착하며, 남은 하나의 흡착탑은 상기 N2O의 흡착 전에 미리 상기 N2O를 흡착한 상태로 유지되는 제1, 2 흡착탑;
    상기 제1, 2 흡착탑 중 적어도 하나의 흡착탑에 상기 N2O를 흡착시키면서 상기 흡착탑을 통과하여 제1 이동경로를 따라 이동되는 제거가스를 배기하는 배기부;
    상기 제거가스의 N2O 농도 값이 기설정된 N2O 농도 값 이상으로 측정되어, 상기 제거가스가 상기 제1 이동경로와 다른 방향의 제2 이동경로를 따라 이동될 때, 상기 제2 이동경로의 제가거스에 환원가스를 공급하는 환원가스 공급부;
    상기 환원가스 공급부에 의해 환원된 환원가스에 열을 가하는 히터;
    상기 촉매를 통해 상기 N2O가 제거되는 상기 열이 가해진 환원가스의 열을 회수하는 열교환기; 및
    상기 제1, 2 흡착탑 중 미리 상기 N2O를 흡착한 상태로 유지되는 흡착탑으로부터 상기 N2O를 탈착시키기 위한 탈질공기를 제3 이동경로를 통해 상기 제어부로 유입시키는 급기부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하수처리장 N2O 제거 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 아산화질소 제거장치는,
    상기 제어부가 상기 배출가스의 이동방향을 제어하기 전에, 상기 배출가스에 포함된 H2O를 제거하기 위한 제습기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하수처리장 N2O 제거 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 N2O는,
    상기 탈질공기에 의해 상기 흡착탑으로부터 탈착된 후, 상기 탈질공기와 함께 제4 이동경로를 따라 이동되어 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 하수처리장 N2O 제거 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 환원가스 공급부는,
    상기 제4 이동경로를 따라 이동되되, 상기 N2O가 포함된 탈질공기의 농도 값이 기설정된 N2O 값 이상으로 측정되어, 상기 제4 이동경로와 다른 방향의 제5 이동경로를 따라 이동되는 상기 N2O가 포함된 탈질공기에 환원가스를 공급하여 환원시키는 것을 특징으로 하는 하수처리장 N2O 제거 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 배출가스는,
    상기 아산화질소 제거장치에 25℃ ~ 60℃의 저온 상태로 유입되는 것을 특징으로 하는 하수처리장 N2O 제거 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 세슘-코발트 복합산화물(Cs-Co2O3)은,
    Co 금속 양이온 1몰에 대하여 Cs 금속 양이온이 0.05 내지 0.15 촉매대비 질량비(wt.%)를 함유하는 것을 특징으로 하는 하수처리장 N2O 제거 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 담체는,
    Ni 금속 양이온 1몰에 대하여 Ce 금속 양이온이 0.05 내지 0.15몰비 함유하는 것을 특징으로 하는 하수처리장 N2O 제거 시스템.
  9. 제 1 항 및 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매는,
    상기 N2O를 100℃ 및 250℃조건에서 분해한 결과, N2O분해율이 75% 이상인 것을 특징으로 하는 하수처리장 N2O 제거 시스템.
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