KR102184716B1 - 고도산화공정에서 활성탄소 촉매를 이용한 수처리 장치 - Google Patents

고도산화공정에서 활성탄소 촉매를 이용한 수처리 장치 Download PDF

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Abstract

유입구와, 상기 유입구를 통해 유입되는 원수에 용해된 용존 오존에 의해 상기 원수가 정화되도록 상기 원수를 체류 가능하게 수용하는 체류반응부와, 상기 체류반응부에서 정화되어 처리된 처리수가 외부로 배출되는 배출구를 갖는 반응조와; 상기 체류반응부에 수용되어 상기 원수의 정화 효율을 향상시키도록 상기 용존 오존으로부터 수산화라디칼을 발생 가능하게 입자상으로 마련된 활성탄소가 상기 반응조의 상류측으로 이동되는 것을 저지시키는 상류저지부와; 상기 반응조의 하류측에 마련되어 상기 활성탄소가 하류측으로 이동되는 것을 저지시키는 하류저지부;를 포함하되, 상기 활성탄소가 상기 용존 오존과 접촉 빈도를 증대시키도록 상기 활성탄소가 상기 상류저지부 및 상기 하류저지부 사이에서 분산, 유동 가능하게 마련된 분산유동부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
활성탄소의 투입량을 가변적으로 조절할 수 있고, 원수에 용해된 용존 오존이 활성탄소와 연쇄적으로 반응하여 그 용존 오존이 산화력이 강한 수산화라디칼로 분해되도록, 반응조의 체류반응에서 용존 오존과 활성탄소의 접촉 빈도 내지 확률을 증대시키기 위해 활성탄소가 분산, 유영할 수 있도록 하여 처리능력을 증대시킬 수 있다.

Description

고도산화공정에서 활성탄소 촉매를 이용한 수처리 장치 {Water Treatment Device using Activated Carbon in AOP(Advanced Oxidation Process)}
본 발명은 고도산화공정에서 활성탄소 촉매를 이용한 수처리 장치로, 보다 구체적으로 반응조의 반응 공간부에 용존된 오존과 활성탄소의 접촉 빈도를 증가시키기 위해 활성탄소가 유영할 수 있도록 구조를 개선한 고도산화공정에서 활성탄소 촉매를 이용한 수처리 장치이다.
인간은 생활하는 과정에서 물이 없으면 생활할 수 없고 경제 활동의 다른 주체인 공장, 법인 등도 생산 활동 등을 하면서 마찬가지로 물을 필요하게 된다. 제품을 생산하는 생산 활동 과정에서 물이 사용되고 사용된 물은 오ㆍ폐수 등으로 배출되어 처리된다.
이러한 오ㆍ폐수를 처리하는 방법은 매우 다양하다. 그 중의 하나가 오존을 이용하여 처리하는 것이다.
오존 처리의 효율을 증가시키고, 오존 사용량을 줄이기 위하여 고도산화공정(AOP, Advanced Oxidation Processes)이 개발되었다.
고도 산화 공정(AOP)에는 O3/H202, UV/H2O2, O3/UV, O3/GAC, O3/PAC 등의 다양한 처리 방법이 있다. 이러한 공정들의 중요한 메커니즘은 하이드록실 라디칼을 생성하는 데 있다. 하이드록실 라디칼은 대부분의 유기 분자들을 공격하는 반응성(108 ~ 1010 M-1s-1 반응률)이 매우 큰 성분이다.
활성탄소는 오존을 반응성이 큰 ㆍOH 라디칼로 변환시켜서 오염물질을 분해하게 하는 촉매적 기능뿐만 아니라, 오염물질을 직접적으로 흡착 제거하는 기능도 가지고 있다. 활성탄소의 촉매 기능은 그래핀 층에 있는 전자들, 표면에 있는 염기성 기능 그룹(chromene, pyrone, pyrrol), 탄소의 금속부 등이 촉매 역할을 하여 오존을 ㆍOH 라디칼로 변환시키는 것이다. 이에 비하여 활성탄소의 흡착 기능은 활성탄소 표면과 오염물질 간의 반데르발스 힘에 의하여 주로 이루어진다.
즉, AOP는, 오존이 높은 반응성과 강력한 산화력을 갖는 수산화라디칼(ㆍOH,
Figure 112019068127682-pat00001
)로 변환되는 사실에 바탕을 두고 있다.
다시 말하면, 고도산화공정을 이용한 수처리 방법은 강력한 살균 및 산화력을 가지는 화학종인 수산화라디칼을 중간생성물질로 생성하여 수중 오염물질인 유기물 및 독성물질을 산화 처리하며, 최근 수처리에 널리 사용되고 있는 오존과 과산화수소의 반응, 오존과 자외선의 반응, 자외선과 과산화수소의 반응, 활성탄소를 첨가하여 산화력을 증대시킬 수 있다. 그 중에서 활성탄소는 오존을 수산화라디칼로 변환시켜서 수처리 시스템의 효율을 증가시킬 수 있는 촉발자이며 생성자이다. 오존이 수산화라디칼로 변환되는 과정에서 활성탄소의 그래핀 층에 있는 전자들, 활성탄소 표면에 있는 염기성 기능 그룹(chromene, pyrone, pyrrol), 탄소의 금속부 등이 활성부 역할을 한다. 즉, 활성탄소가 오존을 수산화라디칼로 변환시키는 촉매 활동성을 가지고 있다는 것은 알려져 있다.
그리고, 오존을 수산화라디칼로 바꾸는 활성탄소의 촉매 역할은 오존의 농도, 활성탄소의 투입량, 사용하는 활성탄소의 화학 및 조직 특성에 따라 크게 영향을 받으며, 활성탄소에 있는 그래핀 층의 전자들(기초적 평면의 전자들)과 기본적 표면 그룹의 전자들이 오존을 분해시켜서 수산화라디칼로 바꾸는데 큰 역할을 한다.
자연수를 오존 처리하는 과정에 활성탄소가 관여하면, 용존 유기 탄소(DOC)의 농도가 감소한다. 이러한 사실은 활성탄소의 표면에 용존 유기물질(DOM)이 흡착되었기 때문이며, CO2로 되는 완전한 산화는 상대적으로 적은 규모로 일어난다. 활성탄소는 오존을 수산화라디칼로 바꾸는 촉매 역할을 할 뿐 아니라 물에 있는 유기질 탄소를 제거하는 중요한 흡착 물질이기도 하다. 오존 처리 시 활성탄소의 또 다른 장점은 오존에 의하여 산화가 소수성 미세 오염물질을 제거할 수 있다는 점이다. 활성탄소는 오존이 수산화라디칼로 변화하는 과정을 촉진시켜 친수성 미세 오염물질을 제거하고, 소수성 미세 오염물질을 활성탄소의 표면에 흡착시켜, 오존에 대한 반응성이 낮은 유기질 미세 오염물질을 제거할 수 있다.
활성탄소는 오존을 수산화라디칼로 바꾸는 촉매 역할을 수행할 뿐 아니라 DOC를 감소시키는 흡착제의 역할도 수행하며, 카보네이트(carbonate)의 염기성을 감소시키는 중화 능력을 가지고 있다. 그리고, 이러한 고도산화공정을 이용한 수처리 장치 및 수처리 방법은 본 출원인의 대한민국 특허 10-0541573호에 개시되어 있다.
특히, 대한민국 특허 제10-0541573호의 고도산화공정을 이용한 수처리 장치는, 유입구와, 상기 유입구로부터 유입되는 원수가 수용되며, 상기 원수에 오존 기체가 공급되어 그 원수에 용존된 오존에 의해 상기 원수가 정화되는 반응 공간부와, 상기 반응 공간부에서 정화된 원수가 외부로 배출되는 배출구를 가지는 반응조; 및 상기 원수의 정화 효율을 향상시키도록 상기 용존 오존으로부터 수산화라디칼을 발생시키기 위한 고도산화수단을 구비하는 고도산화공정을 이용한 수처리 장치에 있어서, 상기 고도산화수단은, 상기 원수에 용해된 용존 오존이 라디칼 연쇄 반응하여 그 용존 오존이 산화력이 강한 수산화라디칼로 분해되도록, 입자상의 활성탄으로 이루어지며 상기 반응조의 반응 공간부에 10㎝ 내지 20㎝의 두께로 형성된 활성탄층을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기의 활성탄층은 입자상의 활성탄으로 이루어진다. 활성탄층은 반응조의 반응 공간부의 하부에 10㎝ 내지 20㎝의 두께로 형성된다. 흡광도는 활성탄층의 두께가 증가함에 따라 완만하게 증가하다가, 활성탄층의 두께가 대략 5㎝ 내지 10㎝인 구간에서는 급격하게 증가하고, 활성탄층의 두께가 대략 10㎝를 넘게 되면 큰 변화가 없다는 실험 결과를 바탕으로 활성탄층은 10㎝ 내지 20㎝의 두께로 설정하는 것이 바람직하다 하였고, 활성탄층이 두꺼워질수록, 공급되는 원수가 그 활성탄층 내에 오랫동안 체류하게 되므로 원수의 정화 용량이 제한되게 될 뿐만 아니라, 반응조 내에 압력이 증가하고 그 반응조의 제조 및 유지 관리에 보다 많은 비용이 소요되므로 활성탄층의 두께를 20㎝ 이하로 설정하고 있다.
그러나, 종래기술은 다음과 같은 단점을 가지고 있다.
원수에 용해된 용존 오존이 활성탄층 촉매 하에서 반응하게 되는 과정에서 활성탄층의 두께를 20㎝ 이하로 설정하여 두께를 고정화하였다. 따라서, 용존 오존과 활성탄소의 접촉시간이 너무 짧아 활성탄소의 촉매 반응이 순간적으로 이루어져 수산화라디칼 생성이 상대적으로 부족하다. 또한 기존의 반응조 구조에는 활성탄소의 투입량을 조절할 수가 없어 촉매 효과를 최대화하는 데에는 한계가 있다.
[참고문헌]
등록특허공보 제10-0541573호 (2005.12.30. 공고)
본 발명의 목적은, 활성탄소 투입량에 따른 촉매 효과는, 투입된 활성탄소에 의해 분해된 용존 오존의 양이 처리 대상물질의 제거 효율 변수로 작용하므로 활성탄소의 투입량을 가변적으로 조절할 수 있는 수처리 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 원수에 용해된 용존 오존이 활성탄소와 연쇄적으로 반응하여 그 용존 오존이 산화력이 강한 수산화라디칼로 분해되도록, 반응조의 체류반응에서 용존 오존과 활성탄소의 접촉 빈도 내지 확률을 증대시키기 위해 활성탄소가 분산, 유영할 수 있도록 하는 분산유동부을 구비하는 수처리 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 유영하는 활성탄소가 수처리 장치의 배출구로 빠져나가지 않도록 배출 다공판의 기능과 상기 원수에 용해되지 않은 오존 기체의 기포가 부력에 의해 상승하는 과정에서 유영하는 활성탄소와 접촉하고 상기 배출 다공판에 걸려 그 체류시간이 증가하게 되어 오존 기체의 용해율을 증가시킬 수 있도록 하는 수처리 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 간단하고 편리하게 활성탄소를 재생할 수 있는 수처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 활성탄소 촉매를 이용한 수처리 장치에 있어서, 유입구와, 상기 유입구를 통해 유입되는 원수에 용해된 용존 오존에 의해 상기 원수가 정화되도록 상기 원수를 체류 가능하게 수용하는 체류반응부와, 상기 체류반응부에서 정화되어 처리된 처리수가 외부로 배출되는 배출구를 갖는 반응조와; 상기 체류반응부에 수용되어 상기 원수의 효율을 향상시키도록 상기 용존 오존으로부터 수산화라디칼을 발생 가능하게 입자상으로 마련된 활성탄소가 상기 반응조의 상류측으로 이동되는 것을 저지시키는 상류저지부와; 상기 반응조의 하류측에 마련되어 상기 활성탄소가 하류측으로 이동되는 것을 저지시키는 하류저지부;를 포함하되, 상기 활성탄소가 상기 용존 오존과 접촉 빈도를 증대시키도록 상기 활성탄소가 상기 상류저지부 및 상기 하류저지부 사이에서 분산, 유동 가능하게 마련된 분산유동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 활성탄소 촉매를 이용한 수처리 장치에 의하여 달성된다.
또한, 상기 상류저지부와 상기 하류저지부는 다공판을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 분산유동부는 상기 하류저지부측에서 상기 활성탄소를 흡입하여 상기 상류저지부 하류로 배출하여 상기 반응조 내부에서 상기 활성탄소를 순환시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 분산유동부는, 상기 하류저지부 상측에 상기 반응조에 결합되어 중앙영역으로 상기 활성탄소가 포집되도록 콘 형상으로 구비된 콘부재와, 상기 콘부재에서 흡입된 상기 활성탄소와 상기 원수를 포함하는 활성탄소액을 가압하는 순환가압펌프와, 상기 순환가압펌프에서 가압된 상기 활성탄소액을 상기 상류저지부 하류로 분산시키는 분산부재를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 분산부재는 상기 순환가압펌프에서 가압된 유체가 다수의 관통 형성된 노즐공을 통과하면서 분사되는 힘에 의하여 회전 가능하게 마련된 회전노즐관을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 상류저지부와 상기 하류저지부 사이의 상기 활성탄소 및 원수가 혼합된 활성탄소액을 수용하는 활성탄소액 저장부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 활성탄소액 저장부에 재생약품을 공급하는 재생약품투입부를 포함하고, 상기 재생약품을 세척 가능하게 상기 활성탄소액 저장부로 세척수를 공급하는 세척수 투입부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 분산유동부는 상기 체류반응부에 수용된 활성탄소가 유동 가능하게 상기 체류반응부의 유체를 교반시키는 교반부재를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 콘부재에는 단면의 하측이 좁고 상측이 넓은 사다리꼴 단면 형상을 갖는 웨지스크린이 구비되고, 상기 웨지스크린의 상측 간격은 상기 활성탄소의 입자 크기보다 좁도록 배치된 것이 바람직하다.
이에, 본 발명에 따르면, 활성탄소 투입량에 따른 촉매 효과는, 투입된 활성탄소에 의해 분해된 용존 오존의 양이 처리 대상물질의 제거 효율 변수로 작용하므로 활성탄소의 투입량을 가변적으로 조절할 수 있는 수처리 장치를 제공할 수 있다.
또한, 원수에 용해된 용존 오존이 활성탄소와 연쇄적으로 반응하여 그 용존 오존이 산화력이 강한 수산화라디칼로 분해되도록, 반응조의 체류반응에서 용존 오존과 활성탄소의 접촉 빈도 내지 확률을 증대시키기 위해 활성탄소가 분산, 유영할 수 있도록 하는 분산유동부을 구비하는 수처리 장치를 제공할 수 있다.
또한, 유영하는 활성탄소가 수처리 장치의 배출구로 빠져나가지 않도록 배출 다공판의 기능과 상기 원수에 용해되지 않은 오존 기체의 기포가 부력에 의해 상승하는 과정에서 유영하는 활성탄소와 접촉하고 상기 배출 다공판에 걸려 그 체류시간이 증가하게 되어 오존 기체의 용해율을 증가시킬 수 있도록 하는 수처리 장치를 제공할 수 있다.
또한, 간단하고 편리하게 활성탄소를 재생할 수 있는 수처리 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 활성탄소 촉매를 이용한 수처리 장치의 흐름도,
도 2a는 콘 부재의 웨지스크린의 사시도 및 단면도,
도 2b는 회전노즐관을 설명하기 위한 사시도,
도 3a 내지 도 3d는 도 1의 작동 과정을 설명하기 위한 각 공정에 따른 흐름도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 활성탄소 촉매를 이용한 수처리 장치의 흐름도이다.
본 발명에 따른 고도산화공정에서 활성탄소 촉매를 이용한 수처리 장치에 대하여 도 1 내지 도 4를 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 활성탄소 촉매를 이용한 수처리 장치의 흐름도이고, 도 2a는 콘 부재의 웨지스크린의 사시도 및 단면도이며, 도 2b는 회전노즐관을 설명하기 위한 사시도이고, 도 3a 내지 도 3d는 도 1의 작동 과정을 설명하기 위한 각 공정에 따른 흐름도이며, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 활성탄소 촉매를 이용한 수처리 장치의 흐름도이다.
이하에서 설명의 편의상 도 1을 기준으로 수처리 장치(100)의 반응조(110)에서 원수가 유입되는 유입구(113)가 있는 측을 하측 또는 하류라고 하고 원수가 처리되어 배출되는 배출구(115)가 있는 측을 상측 또는 상류라고 한다. 즉, 원수를 하류에서 상류로 이동하고, 후술하는 활성탄소는 자중 및/또는 순환되도록 가압하는 순환가압펌프(133)의 가압력이 추가되어 상류에서 하류로 이동을 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 따른 고도산화공정에서 활성탄소 촉매를 이용한 수처리 장치(100, 이하에서 ‘수처리 장치’라고 함)는, 유입구(113)와, 상기 유입구(113)를 통해 유입되는 원수에 용해된 용존 오존에 의해 상기 원수가 정화되도록 상기 원수를 체류 가능하게 수용하는 체류반응부(117)와, 상기 체류반응부(117)에서 정화되어 처리된 처리수가 외부로 배출되는 배출구(115)를 갖는 반응조(110)와; 상기 체류반응부(117)에 수용되어 상기 원수의 효율을 향상시키도록 상기 용존 오존으로부터 수산화라디칼을 발생 가능하게 입자상으로 마련된 활성탄소(도 2a의 참조번호 “C” 참조)가 상기 반응조(110)의 상류측으로 이동되는 것을 저지시키는 상류저지부(123)와; 상기 반응조(110)의 하류측에 마련되어 상기 활성탄소가 하류측으로 이동되는 것을 저지시키는 하류저지부(125);를 포함하되, 상기 활성탄소가 상기 용존 오존과 접촉 빈도를 증대시키도록 상기 활성탄소가 상기 상류저지부(123) 및 상기 하류저지부(125) 사이에서 분산, 유동 가능하게 마련된 분산유동부(130);를 구비하는 것이 바람직하다.
수처리 장치(100)는, 원수와 활성탄소가 혼합된 활성탄소액을 수용하여 저장하는 활성탄소액 저장부(140)와, 활성탄소액 저장부(140)와 반응조(110)를 연통시키는 액유입라인(150)과, 활성탄소액을 활성탄소액 저장부(140)로 회수시키는 액회수라인(160)을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 수처리 장치(100)는 활성탄소의 재생을 위하여 활성탄소액 저장부(140)로 재생을 위한 약품을 투입하는 약품투입부(170)와, 활성탄소액 저장부(140)에 재생을 위한 약품을 세척하기 위하여 세척수를 공급하는 세척수투입부(180)를 더 구비하는 것이 바람직하다.
반응조(110)는 처리를 위한 처리수에 오존이 용존되어 용존 오존을 포함하고 있는 원수가 유입되어 활성탄소와 반응하여 외부로 배출되는 영역이다. 이러한 반응조(110)의 구조는 알려진 것으로 구체적인 설명을 생략한다.
반응조(110)의 상측인 상류와 하측인 하류에는 활성탄소가 상류측으로 이동하거나 하류측으로 이동을 하지 않도록 활성탄소의 입자 크기보다 더 작은 관통홀(예를 들면, 다공판)이나 슬롯 등의 관통수단을 가진 상류저지부(123)와 하류저지부(125)가 각각 반응조(110) 내부에 결합되어 있다. 이러한 상류저지부(123) 및 하류저지부(125)의 구조에 의하여 유입되고 배출되는 원수는 보다 효과적으로 체류반응부(117)의 전체 단면적에 고르게 분포되어 하류에서 상류로 이동할 수 있다.
분산유동부(130)는 본 발명의 주요한 구성으로 주 기능은 활성탄소가 상류저지부(123)와 하류저지부(125) 사이의 공간(예를 들면, 체류반응부(117))에서 거의 체적에 걸쳐 고르게 분포되어 유동하면서 고르게 분포되어 유동하는 활성탄소가 이동하는 원수와의 접촉 시간, 접촉 회수, 접촉 확률, 접촉 표면적을 증대시킬 수 있다.
이러한 분산유동부(130)의 일실시예로 체류반응부(117)에 활성탄소가 분산, 유동할 수 있도록 하류에는 활성탄소가 포집되어 중앙으로 모이도록 콘 형상의 콘부재(131)와, 콘부재(131)와 연통되어 활성탄소와 혼합된 원수인 활성탄소액을 순환 가능하게 이송시키는 액순환라인(134)과, 액순환라인(134)과 연통되어 순환하는 활성탄소액에 가압력을 제공하는 순환가압펌프(133)와, 액순환라인(134)과 연통되어 체류반응부(117)의 상측에서 순환하는 활성탄소액을 체류반응부(117)의 단면 내지 체적에 고르게 분무시키는 분산부재(135)가 구비되는 것이 바람직하다.
콘부재(131)에는 도 2a에 도시된 바와 같이, 활성탄소는 하류에 이동하지 못하고 유입되는 원수만이 하류에서 상측으로 이동하면서 가능하면 저항을 더 적게 받을 수 있도록 상측이 넓고 하측이 좁은 역사다리꼴 단면 형상을 갖는 웨지스크린(131a)이 포함된 것이 바람직하다. 이러한 웨지스크린(131a)이 상호 이격된 거리(도 2a의 ‘GAPa’ 참조)는 활성탄소가 하류로 이동하지 못하도록 활성탄소(도 2a의 ‘C’ 참조)의 직경보다 더 작은 것이 바람직하다.
콘부재(131)의 형상이 방사상이고 중앙 부분이 낮는 콘 형상이므로 전체적으로 전술한 콘부재(131)를 배치하기 어려운 경우에는 최대한 콘부재(131)를 배치하고 배치가 어려운 특히 중앙 영역에는 활성탄소의 입자 직경보다 작은 크기의 관통공을 갖는 다공판으로 구비될 수 있다.
아울러 이렇게 중앙이 낮은 콘 형상의 콘부재(131)에 의하여 하측으로 하강한 활성탄소는 순환하는 액의 흐름, 활성탄소의 자중, 웨지스크린(131a)의 이격된 공간으로 유동하는 원수의 흐름이 활성탄소가 이격된 공간에 끼이지 않도록 하는 기능도 할 수 있으므로 콘 형상에 포집된 활성탄소를 용이하게 중앙으로 모이게 하여 활성탄소가 액순환라인(134)을 따라 효율적으로 순환될 수 있다.
여기서, 순환가압펌프(133)의 회전수 등을 가변적으로 제어하여 순환되는 활성탄소액의 유량을 조절할 수 있어 활성탄소의 하강 속도, 분사량 등을 간단하고 편리하게 조절할 수 있다.
분산부재(135)는, 도 1 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 액순환라인(134)에서 체류반응부(110)의 내부로 아암식으로 연장된 파이프 형상의 분산고정배관(135a)과, 분산고정배관(135a)에 회전 가능하게 결합되어 액순환라인(134)을 따라 순환하는 액을 체류반응부(110)에 고르게 분사할 수 있는 다수의 노즐공(135b1)을 갖는 회전노즐관(135b)을 구비하는 것이 바람직하다.
회전노즐관(135b)은 순환가압펌프(133)에서 가압되어 회전노즐관(135b)에 경사지게 배치된 다수의 노즐공(135b1)에서 분사되는 활성탄소액의 분사력에 의하여 분산고정배관(135a)의 중심축선(도 2b의 ‘C’ 참조)을 중심으로 도 2b에 도시된 것처럼 회전할 수 있는 구조로 외부에서 별도의 동력이 제공되지 않는다. 여기서, 회전노즐관(135b)은 중심축선에서 대칭인 일자 타입으로 도 2b에 도시되어 있지만 다른 실시예로 열십자(+) 타입, 중심축선에서 세 개의 파이프가 방사상으로 형성된 삼각형 타입을 포함하는 다양한 구조로 변형될 수 있다.
활성탄소액 저장부(140)는 활성탄소와 원수가 혼합된 활성탄소액을 회수, 재생, 추가할 수 있도록 수용하는 반응조(110) 외부에 구비되어 있다.
상기 반응조(110)에서 활성탄소액이 순환하면서 용존 오존과 반응을 하고 이러한 과정에서 필요에 따라(예를 들면, 원수에 포함된 용존 오존의 량 변화, 원수의 량 변화, 원수에서의 오염원 농도 변화, 원수의 유속 변화 등) 활성탄소의 량이 많거나 적은 경우 활성탄소액을 부분적으로 회수하거나 활성탄소액을 더 공급해 줄 필요가 있다. 도 3b 내지 도 3d에 도시되고 후술하는 바와 같이 이러한 필요에 의하여 활성탄소액을 저장하여 수용할 활성탄소액 저장부(140)를 구비하는 것이 바람직하다.
다른 한편, 오존처리가 장시간 진행되면 활성탄소의 조직적 특성과 표면 화학적 특성이 서서히 변모된다. 이에 따라 오존에 대한 활성탄소의 반응성이 감소되고, 오존이 하이드록실 라디칼로 분해되는 효율이 감소된다. 이것은 활성탄소의 표면에 염기성 그룹들이 서서히 제거되고 표면에 산성 그룹들의 농도가 증가하기 때문이며, 또한 탄소층에서 전자 밀도를 감소시키고 OH- 이온 농도를 감소시키기 때문이다.
오랜 기간 사용하여 촉매 및 흡착 기능이 저하된 활성탄소는 재생 공정을 통하여 재사용할 수 있다. 재생에 주로 사용되는 가장 일반적인 기술은 고온에서 가열하는 방법으로, 증발과 산화에 의하여 흡착된 물질을 탈착시킨다. 그러나, 열 재생법은 800~900℃ 범위의 고열로 가열해야 하므로 비용이 많이 들고, 산화와 마모로 인하여 10~15%의 탄소가 소실되는 단점이 있다.
이러한 활성탄소 재생 방법에 대한 대안으로는 화학적 방법이 있다. 가성소다, 계면활성제, 뜨거운 물 등을 사용하여, 흡착된 물질과 활성탄소의 미세 기공 표면에 존재하는 기능 그룹 간의 반데르발스 힘과 화학적 결합을 약화시켜 활성탄소를 재생시킬 수 있다.
이러한 활성탄소 재생을 위하여 활성탄소액 저장부(140)로 활성탄소액을 회수하여 예를 들면, 가성소다(NaOH)를 포함하는 약품을 약품투입부(170)를 통해 활성탄소액 저장부(140)로 투입한 후 일정한 시간이 경과한 후 약품을 배출시키고 활성탄소를 세척수투입부(180)를 이용하여 세척하여 활성탄소를 재생시켜 활성탄소의 기능을 회복시킬 수 있다.
이러한 구성에 의하여 보다 효과적이면서, 비용이 저렴하고 활성탄소의 소실도 예방할 수 있으면서 별도로 반응조 내부의 활성탄소를 분리하는 등의 추가적인 작업 없이 간단하고 편리하게 기능이 저하된 활성탄소를 재생시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
아울러 참조번호 ‘191’은 배출되는 처리수의 수질을 감지하는 검출센서로 이러한 검출센서(191)의 검출값에 기초하여 순환가압펌프(133)의 회전수를 보다 효과적으로 제어부(미도시)에서 제어할 수 있다.
이러한 구성을 갖는 본 발명에 따른 수처리 장치(100)의 작동 과정을 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 3a는 체류반응부(117)의 활성탄소액이 순환하는 과정을, 도 3b는 활성탄소액을 더 추가 내지 보충하는 과정을, 도 3c는 활성탄소액을 회수하는 과정을, 도 3d는 활성탄소액을 회수하여 활성탄소를 재생하는 과정을 각각 도시하고 있다.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 정상적으로 유입되는 원수를 활성탄소와 반응 처리하기 위하여 활성탄소층을 종래에는 설정된 두께로 고정하고 있었으나 본 발명에서는 활성탄소층이 고정된 것이 아니라 활성탄소액이 체류반응부(117) 내부를 분산, 유동할 수 있도록 순환된다.
이 경우에는 순환가압펌프(133)가 가동되고 액순환밸브(134a)가 열리면 활성탄소액은 콘부재(131)에서 흡입되어 분산부재(135)에서 분사된다. 이러한 흡입과 분사에 의해 활성탄소액에 혼합된 활성탄소는 체류반응부(117)의 전체 체적에 골고루 분산, 유동되면서 이동하는 원수의 용존 오존과 반응할 수 있는 시간, 기회, 횟수 등이 종래기술에 비하여 매우 증가됨을 확인할 수 있었다.
다음, 도 3a와 같이 활성탄소액 순환 과정을 진행하는 과정에서 검출센서(191) 등에 따라 순환가압펌프(133)의 회전수를 가변시켜도 활성탄소의 량이 다소 부족하다고 판단되는 경우 도 3b에 도시된 바와 같이 활성탄소액 저장부(140)에 연통된 액유입라인(150)을 통해 반응조(110) 내부로 활성탄소액을 보충, 추가할 수 있다.
즉, 도 3a와 같은 조건에서 액유입라인(150)이 반응조(110)와 연통되도록 액유입밸브(153)를 개방하게 된다. 이러한 액유입밸브(153)의 개방에 의하여 활성탄소액 저장부(140)의 액이 반응조(110)로 더 추가되어 반응조(110) 내부를 순환하는 활성탄소의 량이 증가하게 되어 활성탄소의 처리 능력 또한 증가할 수 있다.
도 3b와 반대로 반응조(110) 내부에 활성탄소의 량이 많다고 판단되면 도 3c에 도시된 바와 같이 액회수라인(160)의 액회수밸브(163)를 개방하여 반응조(110)의 활성탄소액이 활성탄소액 저장부(140)로 회수되도록 할 수 있다.
물론 전술한 도 3b, 도 3c의 과정에서 라인(150, 160)을 개폐하는 각 밸브(153, 163)는 개방 정도를 조절하여 유입 또는 회수되는 활성탄소액의 량을 조절할 수 있는 자동조절밸브를 포함할 수 있다.
아울러, 전술한 바와 같이 활성탄소를 장시간 사용하는 경우 그 기능이 떨어지므로 이 경우에는 액회수라인(160)을 통해 반응조(110)의 가동이 정지되는 시점 등을 이용하여 액회수라인(160)을 통해 활성탄소액은 활성탄소액 저장부(140)로 회수하여 재생시킨다.
이렇게 회수된 활성탄소액의 활성탄소를 활성탄소액 저장부(140)에서 활성탄소를 도 3d에 도시된 바와 같이 재생시킬 수 있다.
즉, 먼저, 회수된 활성탄소액에 재생에 이용되는 약품(예를 들면, 가성소다)을 저장하여 수용하는 약품저장조(171)와 약품저장조(171)와 연통된 약품투입밸브(173)를 개방하여 설정된 약품양 만큼을 활성탄소액 저장부(140)로 투입한다(도 3d의 ‘①’ 참조). 투입된 약품을 설정된 시간 동안 체류시켜 활성탄소를 재생시킨다.
다음, 액배출밸브(143a)를 개방시켜 약품을 배출시킨다(도 3d의 ‘②’ 참조).
다음, 약품을 세척시키기 위하여 세척수투입부(180)의 세척수밸브(181)를 개방시키고 세척수로 활성탄소에 부착된 약품을 액배출밸브(143a)를 개방하여 세척한다(도 3d의 ‘③’ 및 ‘④’ 참조).
물론 이러한 과정에서 미세한 활성탄소가 액배출밸브(143a)를 통해 배출되지 않도록 거름망, 다공판 등이 활성탄소액 저장부(140) 하측에 결합되어 있는 것이 바람직하다.
이에, 본 발명에 따르면, 활성탄소 투입량에 따른 촉매 효과는, 투입된 활성탄소에 의해 분해된 용존 오존의 양이 처리 대상물질의 제거 효율 변수로 작용하므로 활성탄소의 투입량을 가변적으로 조절할 수 있는 수처리 장치를 제공할 수 있다.
또한, 원수에 용해된 용존 오존이 활성탄소와 연쇄적으로 반응하여 그 용존 오존이 산화력이 강한 수산화라디칼로 분해되도록, 반응조의 체류반응에서 용존 오존과 활성탄소의 접촉 빈도 내지 확률을 증대시키기 위해 활성탄소가 분산, 유영할 수 있도록 하여 처리 능력을 증대시킬 수 있는 수처리 장치를 제공할 수 있다.
또한, 유영하는 활성탄소가 수처리 장치의 배출구로 빠져나가지 않도록 배출 다공판의 기능과 상기 원수에 용해되지 않은 오존 기체의 기포가 부력에 의해 상승하는 과정에서 유영하는 활성탄소와 접촉하고 상기 배출 다공판에 걸려 그 체류시간이 증가하게 되어 오존 기체의 용해율을 증가시킬 수 있도록 하는 수처리 장치를 제공할 수 있다.
또한, 간단하고 편리하게 활성탄소를 재생할 수 있는 수처리 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따른 수처리 장치(200)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 회전노즐관(135b) 하측에 교반부재(237)가 더 부가된 것을 특징으로 한다. 이러한 교반부재(237)는, 회전노즐관(135b)와 마찬가지로 외부에서 별도의 동력 없이 분사되는 활성탄소액의 분사력에 의하여 회전하는 구조가 바람직하다.
이러한 교반부재(237)에 의하여 활성탄소와 용존 오존이 보다 효과적으로 접촉, 반응할 수 있다.
여기서 본 발명의 여러 실시예들을 도시하여 설명하였지만 본 발명에 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.
100, 200 : 수처리 장치 110 : 반응조
113 : 유입구 115 : 배출구
117 : 체류반응부
123 : 상류저지부 125 : 하류저지부
130 : 분산유동부 131 : 콘부재
131a : 웨지스크린 133 : 순환가압펌프
134 : 액순환라인 134a : 액순환밸브
135 : 분산부재 135a : 분산고정배관
135b : 회전노즐관 135b1 : 노즐공
140 : 활성탄소액 저장부 143 : 액배출라인
143a : 액배출밸브 150 : 액유입라인
153 : 액유입밸브 160 : 액회수라인
163 : 액회수밸브 170 : 약품투입부
171 : 약품저장조 173 : 약품투입밸브
180 : 세척수투입부 181 : 세척수밸브
191 : 검출센서 237 : 교반부재

Claims (9)

  1. 활성탄소 촉매를 이용한 수처리 장치에 있어서,
    유입구와, 상기 유입구를 통해 유입되는 원수에 용해된 용존 오존에 의해 상기 원수가 정화되도록 상기 원수를 체류 가능하게 수용하는 체류반응부와, 상기 체류반응부에서 정화되어 처리된 처리수가 외부로 배출되는 배출구를 갖는 반응조와;
    상기 체류반응부에 수용되어 상기 원수의 효율을 향상시키도록 상기 용존 오존으로부터 수산화라디칼을 발생 가능하게 입자상으로 마련된 활성탄소가 상기 반응조의 상류측으로 이동되는 것을 저지시키는 상류저지부와;
    상기 반응조의 하류측에 마련되어 상기 활성탄소가 하류측으로 이동되는 것을 저지시키는 하류저지부;를 포함하되,
    상기 활성탄소가 상기 용존 오존과 접촉 빈도를 증대시키도록 상기 활성탄소가 상기 상류저지부 및 상기 하류저지부 사이에서 분산, 유동 가능하게 마련된 분산유동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 활성탄소 촉매를 이용한 수처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상류저지부와 상기 하류저지부는 다공판을 포함하는 것을 특징으로 하는 활성탄소 촉매를 이용한 수처리 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 분산유동부는 상기 하류저지부측에서 상기 활성탄소를 흡입하여 상기 상류저지부 하류로 배출하여 상기 반응조 내부에서 상기 활성탄소를 순환시키는 것을 특징으로 하는 활성탄소 촉매를 이용한 수처리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 분산유동부는,
    상기 하류저지부 상측에 상기 반응조에 결합되어 중앙영역으로 상기 활성탄소가 포집되도록 콘 형상으로 구비된 콘부재와, 상기 콘부재에서 흡입된 상기 활성탄소와 상기 원수를 포함하는 활성탄소액을 가압하는 순환가압펌프와, 상기 순환가압펌프에서 가압된 상기 활성탄소액을 상기 상류저지부 하류로 분산시키는 분산부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 활성탄소 촉매를 이용한 수처리 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 분산부재는 상기 순환가압펌프에서 가압된 유체가 다수의 관통 형성된 노즐공을 통과하면서 분사되는 힘에 의하여 회전 가능하게 마련된 회전노즐관을 포함하는 것을 특징으로 하는 활성탄소 촉매를 이용한 수처리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 상류저지부와 상기 하류저지부 사이의 상기 활성탄소 및 원수가 혼합된 활성탄소액을 수용하는 활성탄소액 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 활성탄소 촉매를 이용한 수처리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 활성탄소액 저장부에 재생약품을 공급하는 재생약품투입부를 포함하고, 상기 재생약품을 세척 가능하게 상기 활성탄소액 저장부로 세척수를 공급하는 세척수 투입부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 활성탄소 촉매를 이용한 수처리 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 분산유동부는 상기 체류반응부에 수용된 활성탄소가 유동 가능하게 상기 체류반응부의 유체를 교반시키는 교반부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 활성탄소 촉매를 이용한 수처리 장치.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 콘부재에는 단면의 하측이 좁고 상측이 넓은 사다리꼴 단면 형상을 갖는 웨지스크린이 구비되고, 상기 웨지스크린의 상측 간격은 상기 활성탄소의 입자 크기보다 좁도록 배치된 것을 특징으로 하는 활성탄소 촉매를 이용한 수처리 장치.
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