KR102548576B1 - 플라즈마를 이용한 하폐수 처리공법 및 그것에 이용되는 하폐수 처리시스템 - Google Patents
플라즈마를 이용한 하폐수 처리공법 및 그것에 이용되는 하폐수 처리시스템 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 하폐수의 처리효율을 보다 높일 수 있는 하폐수 처리공법 및 처리시스템을 제공한다. 본 발명은, 유입되는 하폐수에서 슬러지를 침전시키는 물리적 전처리단계; 이동된 하폐수를 미생물을 이용하여 반응시키는 생물학적 처리단계; 생물학적 처리단계를 거친 하폐수에서 슬러지를 침전시키는 물리적 후처리단계;를 포함하고, 위 단계 사이에서, 수중에서 플라즈마를 발생시켜 하폐수의 슬러지에 대한 플라즈마처리가 이루어진다.
Description
본 발명은 플라즈마를 이용한 하폐수 처리공법 및 그것에 이용되는 하폐수 처리시스템에 관한 것으로서, 생물학적 처리, 가용화 처리 등 하폐수를 처리하는 기존의 공정에 슬러지를 플라즈마 처리함으로써 전체적인 하폐수 처리효율을 보다 높이도록 한 하폐수 처리공법과, 그 처리공법에 이용되는 하폐수 처리시스템에 관한 것이다.
하폐수의 처리 과정에서 발생하는 슬러지는 해양투기가 금지되어 있으므로, 하폐수처리공정에서 다양한 슬러지 감량화 기술이 개발되어 있다.
슬러지 감량화 방법으로는 오존처리, 알칼리처리, 초음파처리, 기계적 파쇄처리, 혐기성 소화처리, 열처리 등이 있으며, 다양한 방법을 병행하여 효율성을 높이고 있다.
한편, 슬러지 감량화를 위해 종래의 하수처리장에서 많이 설치되는 혐기성 소화조의 경우, 고형물 농도가 높은 고농도 폐수 및 폐기물에만 적용이 가능하고, 부산물로 메탄가스를 얻을 수 있다는 장점에도 불구하고, 긴 체류시간으로 인한 저소화율, 메탄가스의 저조한 활용으로 감량화 및 에너지 회수, 탈수성 개선에 기여도가 낮은 문제가 있다.
그 주요 원인 중 하나는, 슬러지를 구성하는 미생물들이 두꺼운 세포벽에 의해 기질이 차단되어 생물학적 가수분해가 용이하지 않고, 이 때문에 슬러지의 소화과정에서 가수분해 시간이 많이 소요되므로 슬러지의 긴 체류시간과 큰 용량의 소화반응조가 요구되는 것이다.
또한, 하폐수 슬러지의 처리과정에서 하폐수의 개질 및 오염부하를 사전에 저감시키고 추가적인 살균, 소독과정을 부가하는 것은, 생분해, 중화, 응집 등의 과정에서 부하를 감소시켜 하폐수의 처리효율을 높이고, 방류되는 처리수의 품질을 보다 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 관점에서 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 하폐수 처리시설에서 슬러지를 가용화 또는 감량화하는 효율을 높이고, 방류되는 처리수의 품질을 보다 높일 수 있는 하폐수 처리방법 및 그것에 이용되는 하폐수 처리시스템을 제공하는 것이다.
이에 따라, 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 하폐수 처리공법은, 유입되는 하폐수를 스크린, 침사지, 침전조, 유량조절조, 여과조 중 어느 하나 이상을 통과시키는 과정을 포함하는 물리적 전처리단계; 상기 물리적 전처리단계에서 이동된 하폐수를 미생물을 이용하여 반응시키는 생물학적 처리단계를 포함하고, 상기 물리적 전처리단계와 생물학적 처리단계 사이에서, 하폐수에 대한 플라즈마 처리단계가 실시되되, 상기 플라즈마 처리단계는, 다량의 미세기포를 발생시켜 미세기포가 분포하는 하폐수가 방전극과 대향전극 사이에서 유동하도록 하고, 상기 방전극의 플라즈마가 상기 미세기포를 매개로 상기 대향전극을 향해 하폐수의 수중에서 발생되어 하폐수가 플라즈마 처리되도록 한 것을 특징으로 한다.
다른 관점에서 본 발명은, 유입되는 하폐수에서 슬러지를 농축하는 슬러지농축단계; 농축된 슬러지를 플라즈마를 이용하여 처리하는 플라즈마 처리단계; 플라즈마처리된 슬러지를 소화조로 이송시켜 미생물에 의해 소화시키는 소화처리단계를 포함하는 하폐수 처리공법에 있어서, 상기 플라즈마 처리단계는, 슬러지가 농축된 하폐수에 다량의 미세기포를 발생시켜 그 다량의 미세기포가 분포하는 하폐수가 방전극과 대향전극 사이에서 유동하도록 하고, 상기 방전극의 플라즈마가 상기 미세기포를 매개로 상기 대향전극을 향해 하폐수의 수중에서 발생되어 슬러지가 플라즈마 처리되도록 한 것을 특징으로 한다.
또 다른 관점에서 본 발명은, 하폐수를 미생물에 의해 처리하는 생물학적 처리과정, 또는 하폐수의 슬러지를 침전조나 가압부상조를 통과시켜 제거하는 처리과정을 거친 처리수를, 직접 방류하거나 여과장치를 거쳐 방류하는 하폐수 처리공법에 있어서, 상기 처리수에 대한 플라즈마 처리단계가 실시되되, 상기 플라즈마 처리단계는, 다량의 미세기포를 발생시켜 미세기포가 분포하는 하폐수가 방전극과 대향전극 사이에서 유동하도록 하고, 상기 방전극의 플라즈마가 상기 미세기포를 매개로 상기 대향전극을 향해 하폐수의 수중에서 발생되어 하폐수가 플라즈마 처리되도록 한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 위 구성은, 상기 방전극이 유전체관의 내부에 위치하고, 상기 유전체관의 단부에 상기 방전극의 플라즈마를 전달하는 전도전극이 설치되며, 상기 방전극과 상기 전도전극 사이에는 상기 유전체관의 단부의 내부에 유전체비드가 설치되고, 상기 방전극이 상기 유전체비드에 접촉하고 상기 유전체관의 단부에서 상기 전도전극이 상기 유전체비드와 접촉하고, 상기 전도전극과 소정간격을 두고 대향전극이 설치되며, 상기 전도전극과 상기 대향전극 사이에서 미세기포가 분포하는 하폐수가 유동하면서 플라즈마는 미세기포를 매개로 상기 전도전극에서 대향전극으로 진전하도록 발생하는 것을 다른 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 상기 전도전극은 도전성 금속으로 제작된 선재이고, 상기 전도전극은, 상기 선재를 절곡함으로써 형성되는 것으로서, 상기 유전체관의 단부를 감아 상기 유전체관의 외부에 부착되는 부착부와, 상기 부착부에서 연장되는 부분이고 상기 유전체관의 내부로부터 상기 유전체비드가 이탈하지 않도록 접촉상태로 받치며 상기 대향전극과의 사이에서 플라즈마영역을 형성시키는 방전부가 포함된 것을 또 다른 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 유전체관의 내부에 공기를 공급하는 공기공급기에 의해, 상기 유전체관의 내부에서 상기 전도전극을 거쳐 수중으로 공기가 배출되도록 함으로써, 상기 유전체관의 내부에 하폐수의 역류를 방지함과 함께 플라즈마 반응된 공기가 하폐수의 수중에 공급되도록 한 것을 또 다른 특징으로 한다.
한편, 본 발명은 하폐수의 정화처리를 위해 플라즈마 처리설비가 구비된 하폐수 처리시스템에 있어서, 플라즈마 처리설비는, 하폐수가 유동하는 유동로와, 상기 유동로에서 하폐수 중에서 플라즈마를 발생시키는 플라즈마처리장치와, 상기 플라즈마처리장치의 상류 측에 설치되어 하폐수 중에 다량의 미세기포를 분산시키는 미세기포생성기를 포함하되, 상기 플라즈마처리장치는, 단부가 상기 유동로에서 하폐수의 수중에 위치하는 유전체관과, 상기 유전체관의 내부에 위치하는 방전극과, 상기 유전체관의 단부에 설치되어 하폐수의 수중에서 상기 방전극의 플라즈마를 전달하는 전도전극과, 상기 방전극과 상기 전도전극 사이에서 상기 유전체관의 단부의 내부에 설치되고 상기 방전극과 상기 전도전극에 모두 접촉하여 상기 방전극에서 발생하는 플라즈마가 표면을 타고 상기 전도전극을 향해 생성되도록 하는 유전체비드와, 상기 전도전극과 소정간격을 두고 상기 유동로에서 하폐수의 수중에 설치되어 상기 전도전극과의 사이에 플라즈마를 발생시키기 위한 대향전극을 포함함으로써, 상기 방전극의 플라즈마가 상기 미세기포를 매개로 상기 대향전극을 향해 하폐수의 수중에서 발생되어 하폐수가 플라즈마 처리되도록 한 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 하폐수 처리시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 하폐수 처리시스템이 상기 유전체관의 내부에 공기를 공급하는 공기공급기를 더 포함함으로써, 상기 유전체관의 내부에서 상기 전도전극을 거쳐 수중으로 공기가 배출되도록 하여, 상기 유전체관의 내부에 하폐수의 역류를 방지함과 함께 플라즈마 반응된 공기가 하폐수의 수중에 공급되도록 한 것을 또 다른 특징으로 한다.
본 발명에 따른 하폐수 처리공법 및 하폐수 처리시스템에서는, 플라즈마 처리단계와 그것을 실시하기 위한 플라즈마 처리장치를 포함함으로써, 플라즈마 처리에 의해 슬러지, 세균, 오염물질을 산화, 분해, 파괴처리하여 오염부하를 저감시키고, 본 처리과정의 처리부담은 낮춰 처리효율을 높일 수 있다.
특히, 플라즈마 처리에 의해 슬러지 중 미생물의 두꺼운 세포막을 파괴함으로써 슬러지 소화과정에서의 가수분해를 용이하게 하여 소화효율 및 슬러지 감량효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명은 하폐수 처리공정에 의한 처리수의 방류 전에 플라즈마 처리단계를 실시하여, 처리수를 살균, 소독하고 미량의 잔여 오염물질에 대한 추가적인 분해가 이루어져, 최종 방류되는 처리수의 품질을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하폐수 처리공정에 대한 간략한 설명도
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하폐수 처리공정에 대한 간략한 설명도
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하폐수 처리공정에 대한 간략한 설명도
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리설비의 구성 및 작용을 설명하는 구성설명도
도 5는 도 4의 플라즈마 처리설비에서 미세기포생성기를 도시하는 구성설명도
도 6은 도 4의 플라즈마 처리설비에서 플라즈마 처리장치를 도시하는 구성설명도
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 소화조에서 바이오가스를 추출하는 하폐수 처리공정에 대한 간략한 설명도
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 플라즈마 처리에 의해 슬러지의 스컴을 제거할 수 있도록 구성한 장치의 구성설명도
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하폐수 처리공정에 대한 간략한 설명도
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하폐수 처리공정에 대한 간략한 설명도
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리설비의 구성 및 작용을 설명하는 구성설명도
도 5는 도 4의 플라즈마 처리설비에서 미세기포생성기를 도시하는 구성설명도
도 6은 도 4의 플라즈마 처리설비에서 플라즈마 처리장치를 도시하는 구성설명도
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 소화조에서 바이오가스를 추출하는 하폐수 처리공정에 대한 간략한 설명도
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 플라즈마 처리에 의해 슬러지의 스컴을 제거할 수 있도록 구성한 장치의 구성설명도
이하, 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하폐수 처리공법은, 유입되는 하폐수를 스크린, 침사지, 침전조, 유량조절조, 여과조 중 어느 하나 이상을 통과시키는 과정을 포함하는 물리적 전처리단계(A)와, 상기 물리적 전처리단계(A)에서 이동된 하폐수를 미생물을 이용하여 반응시키는 생물학적 처리단계(B)를 포함하고, 상기 물리적 전처리단계(A)와 생물학적 처리단계(B) 사이에서, 하폐수에 대한 플라즈마 처리단계(P)가 실시된다.
상기 물리적 전처리단계(A)는, 하폐수의 생물학적 처리, 응집 및 침전, 가압부상처리 등 본 처리과정이 이루어지기 전에 이물질, 흙, 모래, 부유물 등을 제거하는 과정이다.
이를 위해, 물리적 전처리단계(A)는, 이물질을 거르는 스크린, 흙이나 모래를 가라앉히는 침사지, 부유물을 가라앉히는 침전조, 처리되는 하폐수의 유량을 처리용량에 따라 조절하여 본 처리과정으로 넘기는 유량조절조, 수중의 입자를 걸러내는 여과조 등으로서, 이들 중 하나 이상의 과정을 하폐수의 특성, 처리환경에 따라 선택적으로 배치할 수 있다.
상기 생물학적 처리단계(B)는, 침사조, 침전조, 여과조 등에서 이물질의 제거, 부유물의 침전, 여과 등이 이루어진 하폐수를 받아, 하폐수 속의 유기물(BOD)을 호기성 미생물, 혐기성 미생물 또는 미호기성 미생물(microaerophile)을 이용하여 분해 및 제거하는 과정이다.
호기성 미생물은 초산균, 고초균, 아조토박터 등을 포함할 수 있고, 혐기성 미생물은 클로스트리디움 보툴리눔(Clostridium botulinum), 클로스트리디움 퍼프린젠스(Clostridiumperfringens), 클로스트리디움 부티리컴(Clostridium butyricum), 락토바실러스 애시도필러스(Lactobacillus acidophilus), 락토바실러스 비피더스(Lactobacillus bifidus) 등을 포함할 수 있으며, 미호기성 세균은 캄필로박터(Camphylobacter), 리스테리아균을 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 처리단계(P)는, 플라즈마처리된 공기기포 또는 수중에서 발생되는 플라즈마를, 하폐수 중의 슬러지, 세균, 오염물과 접촉시켜, 슬러지, 세균, 오염물을 산화, 분해, 파괴되는 과정이다.
플라즈마는 그 자체로써 산화능과 분해능을 가져, 슬러지, 오염물질을 산화, 분해시킬 수 있고, 세균을 사멸시킬 수 있으며, 플라즈마 처리된 공기기포 중에는 오존 및 라디칼 물질이 다량 포함되게 되므로 이들이 오염물질, 세균 등과 접촉하여 산화, 분해 및 사멸시킨다.
이는, 하폐수가 본 처리과정 전에 플라즈마 처리됨으로써, 플라즈마와의 직접 접촉 또는 플라즈마가 생성하는 오존, 라디칼 물질과의 접촉으로 오염물질이 산화 분해, 세균의 사멸, 미생물의 세포벽 파괴가 미리 이루어지게 되는 바, 본 처리과정에서의 오염부하가 감소되고 처리효율의 향상을 도모할 수 있다.
플라즈마 처리설비(10)는 물리적 전처리단계(A)와 생물학적 처리단계(B) 사이에 설치될 수 있고, 그 설치 유무와 상관없이, 방류되기 전의 처리수에 대하여 플라즈마 처리를 할 수 있도록, 도 1의 하단부의 구성과 같이, 생물학적 처리단계(B) 이후에 플라즈마 처리설비(10)가 설치되는 것도 가능하다.
도 2 및 도 3은 다른 구성의 하폐수 처리시스템에서 플라즈마 처리설비(10)가 설치된 전체 공정구성을 예시하고 있다.
도 2는 하폐수가 물리적 전처리 과정을 거친 후, 도 2의 상부에 도시된 공정은, 플라즈마 처리단계(P)가 실시되고 이어서 중화, 응집 및 침전시키는 설비를 거치는 과정을 도시한다.
또한, 하폐수가 물리적 전처리 과정을 거친 후, 도 2의 하부에 도시된 공정은, 가압부상조를 통해 슬러지를 제거하여 하수처리가 이루어지는 구성에서, 플라즈마 처리단계(P)가 실시되어 하폐수의 오염부하를 경감시킨 후, 가압부상조로 공급하여 슬러지의 경감 및 정화효율을 높일 수 있음을 예시하고 있다.
도 3은 플라즈마 처리단계(P)가 방류전의 처리수에 대해 실시되는 것을 예시하는 것으로, 중화, 응집, 침전 및 가압부상 설비를 거쳐 정화처리된 하폐수의 처리수를 최종 방류 전에 플라즈마 처리함으로써, 처리수를 살균, 소독하고 미량의 잔여 오염물질에 대한 추가적인 분해가 이루어진다.
위 실시예들에서 구성하고 있는 플라즈마 처리단계(P)는, 다량의 미세기포를 발생시켜 미세기포가 분포하는 하폐수가 방전극과 대향전극 사이에서 유동하도록 하고, 방전극의 플라즈마가 미세기포를 매개로 대향전극을 향해 하폐수의 수중에서 발생되어 하폐수가 플라즈마 처리되도록 하는 구성을 포함하고 있다.
이하, 플라즈마 처리단계(P)를 실시할 수 있는 하폐수 처리시스템의 플라즈마 처리설비(10)를 보다 상세히 설명한다.
도 4를 참조하면, 상기 플라즈마 처리설비(10)는, 하폐수가 유동하는 유동로(30)와, 상기 유동로(30)에서 하폐수 중에서 플라즈마를 발생시키는 플라즈마처리장치(60)와, 상기 플라즈마처리장치(60)의 상류 측에 설치되어 하폐수 중에 다량의 미세기포를 분산시키는 미세기포생성기(20)를 포함한다.
상기 유동로(30)는 하폐수가 펌프(35)에 의해 강제 유동하는 부분으로써 통상의 관로이고, 하폐수의 강제 유동이 이루어지며, 유동로(30)에는 미세기포생성기(20)가 설치되어 다량의 미세기포가 분산되어 포함된 하폐수가 플라즈마처리장치(60)를 향해 유동한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 미세기포생성기(20)의 구성을 예시하고 있고, 하폐수의 수중에 다량의 미세기포를 포함시킬 수 있으면 그것과 다른 구성의 미세기포생성기도 설치가 가능할 것이다.
도 5를 참조하면 미세기포생성기(20)는, 유입관(27)과, 상기 유입관(27)으로부터 처리대상유체가 유입되어 유동하는 부분으로서 플라즈마처리된 공기가 내부로 흡입되는 공기흡입공(25)을 구비한 공기혼합관(21)과, 상기 공기혼합관(21)에서 공기와 혼합된 처리대상유체가 배출되는 배출관(28)과, 상기 공기흡입공(25)과 연결되는 연결유로(42)와, 상기 연결유로(42)와 연결되어 공기를 플라즈마처리하여 연결유로(42)를 통해 공기흡입공(25)으로 공급하기 위한 플라즈마반응기(50)를 포함한다.
여기서의 플라즈마반응기(50)은 후술하는 플라즈마처리장치(60)와는 독립적으로 설치되는 것으로서, 하폐수에 공급되는 기포의 공기를 플라즈마처리하여 수중의 기포가 오존 및 라디칼 물질을 포함하도록 함으로써 처리효율을 극대화하기 위한 것이다.
따라서, 상기 플라즈마반응기(50)는 본 실시예에서 필요에 따라 미세기포생성기(20)에 선택적으로 설치될 수 있는 것이고, 플라즈마반응기(50)가 없이 공기흡입공(25)에 의해 대기중의 공기가 흡입되어 단순히 다량의 미세기포를 유동하는 하폐수에 생성시키는 구성이라도 무방하다.
유입관(27)과 공기혼합관(21)과 배출관(28)이 연속된 관로를 형성하여 서로 연결되고, 공기유동공간(26)으로부터 공기가 공기혼합관(21) 내부로 자연흡입될 수 있도록 공기흡입공(25)이 공기혼합관(21)의 내주면에 다수 형성된다.
처리대상유체가 통과하는 공기혼합관(21)의 단면적은 좁아져 유속이 증가하고 압력강하를 유발하며, 압력이 낮아진 공기혼합관(21)에서는 공기흡입공(25)을 통해 공기혼합관(21) 외부에 있는 공기유동공간(26)의 공기를 자연흡입함으로써, 통과하는 하폐수 중에 다량의 미세기포가 포함될 수 있다.
한편, 상기 플라즈마반응기(50)는 공기를 플라즈마처리하여 미세기포생성기(20)의 공기흡입공(25)으로 공급하기 위해 설치된다.
플라즈마반응기(50)와 연결된 연결유로(42) 및 공기유동공간(26)을 순차적으로 거쳐 공기흡입공(25)으로 공급된다.
본 실시예에서 플라즈마반응기(50)의 구성은, 배출관(28)과 연속되도록 연결되어 배출되는 하폐수가 통과하는 투명한 유체유동관(57)과, 상기 유체유동관(57)의 외주면 둘레에 감겨 유체유동관(57)의 외주면에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마발생전극(52)과, 상기 유체유동관(57)과의 사이의 공간(58a)을 통해 공기가 유동하도록 유체유동관(57) 및 플라즈마발생전극(52)의 외측을 둘러싸는 공기유동관(58)을 포함한다.
상기 플라즈마발생전극(52)은 유체유동관(57)의 외주면 둘레에 감겨 유체유동관(57)의 외주면에 플라즈마를 발생시키고 있다.
공기유동관(58)과 유체유동관(57) 사이의 공간(58a)에서 유동하는 공기는 유체유동관(57)의 외면에서 플라즈마발생전극(52)의 주위에 발생하는 플라즈마와 접촉하면서 오존, OH라디칼 등 활성물질이 생성된 후, 연결유로(42) 및 공기유동공간(26)을 순차적으로 거쳐 공기흡입공(25)에 공급될 수 있다.
한편, 플라즈마 처리설비(10)에서 미세기포생성기(20)를 거친 하폐수는 다량의 미세기포가 분포된 상태로 유동로(30)를 따라 플라즈마처리장치(60)로 유동한다.
도 4 및 도 6을 참조하면, 본 실시예의 플라즈마처리장치(60)는, 단부가 상기 유동로(30)에서 하폐수의 수중에 위치하는 유전체관(61)과, 상기 유전체관(61)의 내부에 위치하는 방전극(68)과, 상기 유전체관(61)의 단부에 설치되어 하폐수의 수중에서 방전극(68)의 플라즈마를 전달하는 전도전극(62)과, 상기 방전극(68)과 상기 전도전극(62) 사이에서 유전체관(61)의 단부의 내부에 설치되고 방전극(68)과 전도전극(62)에 모두 접촉하여 방전극(68)에서 발생하는 플라즈마가 표면을 타고 전도전극(62)을 향해 생성되도록 하는 유전체비드(63)와, 상기 전도전극(62)과 소정간격을 두고 유동로(30)에서 하폐수의 수중에 설치되어 전도전극(62)과의 사이에 플라즈마를 발생시키기 위한 대향전극(64)을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 유전체관(61)의 내부에 공기를 공급하는 공기공급기(66)를 더 포함함으로써, 상기 유전체관(61)의 내부에서 전도전극(62)을 거쳐 수중으로 공기가 배출되도록 하여, 유전체관(61)의 내부로 하폐수의 역류를 방지함과 함께 플라즈마 반응된 공기가 하폐수의 수중에 공급되도록 하는 부가적 역할도 하고 있다.
유전체관(61)은 석영관이 가장 바람직하고, 유전체 재질인 세라믹관, 유리관 등도 가능하다.
상기 방전극(68)은 대향전극(64)과 함께 전원에 연결되어 유전체관(61) 내부에서 방전함으로서 플라즈마를 발생시키는 전극봉체이다. 전원은 통상 플라즈마를 발생시키는 공지의 플라즈마용 고전압 전원이 사용될 수 있다.
대향전극(64)은, 유전체관(61)의 하측으로 소정간격을 두고 설치되고, 유전체관(61)이나 후술하는 전도전극(62)보다 큰 면적의 판상으로 형성되는 것이 바람직하다.
유전체관(61)의 하단부와 대향하고 있는 판상의 대향전극(64)은 방전극(68)에서 방전되어 유전체관(61)의 하단부에서 흘러내리는 플라즈마가 대향전극(64)의 판면을 향해 발생되어 플라즈마 영역이 협소해지지 않을 수 있다.
유전체관(61)의 내부에는 방전극(68)이 유전체비드(63)에 접촉하고 유전체관(61)의 단부에서 전도전극(62)이 유전체비드(63)와 접촉하며, 전도전극(62)과 소정간격을 두고 대향전극(64))이 설치된다.
유전체비드(63)는 구(球)형상으로 유전체관(61)의 내경보다 미소하게 작은 직경차이를 가지되, 바람직하게는 1~2mm의 상기 직경차이를 가지고, 유전체비드(63)는 복수개가 순차적층될 수 있으며, 유전체비드(63)의 상단부에서 방전극(68)과 접촉하고 하단부에서 전도전극(62)과 접촉한다.
유전체비드(63)는 방전극(68)에서 방전에 의해 발생하는 플라즈마를 유전체비드(63)의 표면을 따라 분산시켜 흘러내리도록 설치한 것이다.
상기 유전체비드(63)가 없이 구성할 수도 있으나, 그 경우, 방전극(68)은 유전체관(61)의 내표면을 향해 방전이 이루어져 플라즈마를 생성하고, 불꽃방전이 발생할 가능성이 높아지므로, 유전체관(61)의 내구성을 약화시킬 수 있다. 즉, 유전체비드(63)가 없어도 방전극(68)으로부터 전도전극(62)을 향해 방전이 발생하여 전도전극(62)에서 대향전극(64) 사이에서 플라즈마영역을 형성할 수 있으나, 유전체관(61) 내부에서 불꽃방전이나 집중방전이 발생하기 쉬우므로 불꽃방전이나 집중방전으로 인한 유전체관(61)의 파손을 방지하기 위해 유전체비드(63)를 설치하는 것이다.
유전체비드(63)로 인해 방전극(68)에서 방전 시 발생한 플라즈마가 유전체비드(63)의 표면을 타고 전도전극(62)까지 분산하여 흘러내리듯이 발생할 수 있다.
유전체비드(63)의 형상은 반드시 구(球)형상일 필요는 없고 변형될 수도 있으나, 구(球)형상이 표면을 타고 플라즈마가 흘러내기기에 바람직한 형상이다.
한편, 상기 전도전극(62)은 유전체관(61)의 단부에 설치되어 방전극(68)의 플라즈마를 전달하는 역할을 한다. 이에 따라, 방전극(68)에서 방전에 의해 발생한 플라즈마가 전도전극(62)을 거쳐 전도전극(62)과 대향전극(64) 사이의 공간에 플라즈마발생영역을 형성하게 된다.
즉, 전도전극(62)은 도전성 금속으로 제작되는 것으로서, 유전체비드(63)의 표면을 타고 흐르는 플라즈마를 전달받아, 대향전극(64)과의 사이에서 소정면적으로 퍼진 상태의 플라즈마영역을 형성시키는 역할을 한다.
상기 전도전극(62)과 대향전극(64) 사이에서 다량의 미세기포가 분포하는 하폐수가 유동하면서 플라즈마는 그 다량의 미세기포를 매개로 전도전극(62)에서 대향전극(64)으로 진전하도록 발생하는 것이다. 즉, 수중에 미세기포가 다량으로 포함되어 연속적으로 다량의 미세기포가 공급되어야 수중에서의 플라즈마 진전이 이루어져 안정적으로 플라즈마가 발생할 수 있다.
전도전극(62)은 도전성 금속으로 제작된 선재이고, 상기 선재를 절곡함으로써 형성될 수 있으며, 유전체관(61)의 단부를 감아 유전체관(61)의 외부에 부착되는 부착부(62a)와, 상기 부착부(41)에서 연장되는 부분이고 유전체관(61)의 내부로부터 유전체비드(63)가 이탈하지 않도록 접촉상태로 받치며 대향전극(64)과의 사이에서 플라즈마영역을 형성시키는 방전부(62b)가 포함된다.
상기 부착부(62a)는 코일형상으로 감긴 형태이고 유전체관(61)의 단부 외주면을 감아 파지하고 있으며, 그 코일형상의 끝부분이 유전체관(61)의 단부를 막고 있는 구조로 구부러져 방전부(42)가 형성된 것이다.
상기 방전부(62b)는 유전체관(61) 내부에 위치하는 유전체비드(63)와 접촉한 상태에서 유전체비드(63)가 외부로 흘러나오지 않도록 받치는 역할을 함과 동시에, 대향전극(64)과 근접한 상태에서 플라즈마를 대향전극(64)으로 분산하여 전달되는 부분으로서 대향전극(64)과의 사이에 다량의 미세기포를 매개로 플라즈마영역이 형성된다.
상기 공기공급기(66)는 펌프와 공기공급호스를 포함하고, 유전체관(61)의 상단에 공기공급호스를 연결하여 유전체관(61)의 내부에 공기를 공급한다.
유전체관(61)의 내부로 공급되는 공기는, 유전체관(61)의 내부에서 방전극(68)과 전도전극(62)을 거쳐 수중으로 배출되는 공기 유동이 발생한다.
공기공급기(66)에 의해, 유전체관(61)의 내부에서 전도전극(62)을 거쳐 수중으로 공기가 배출되도록 함으로써, 상기 유전체관(61)의 내부에 하폐수의 역류를 방지함과 함께 플라즈마로 인한 다량의 오존과 라디칼 물질을 함유한 공기가 하폐수의 수중에 공급되고 오염물질과 반응하는 부가적 역할도 한다.
한편, 도 7은 본 발명의 또 다른 하폐수 처리공정에서, 슬러지를 소화조에 공급하여 바이오가스를 생성하는 처리공법을 도시하고 있다.
그 과정에서 소화조에 공급되는 슬러지는 슬러지의 가용화 및 감량화가 가능하도록 플라즈마 처리단계(P)를 거치고 있다.
즉, 도 7의 하폐수 처리공법은, 유입되는 하폐수에서 슬러지를 농축하는 슬러지농축단계(S)와, 농축된 슬러지를 플라즈마를 이용하여 처리하는 플라즈마 처리단계(P)와, 플라즈마처리된 슬러지를 소화조(90)로 이송시켜 미생물에 의해 소화시키는 소화처리단계(D)와, 상기 소화조(90)에서 바이오가스를 추출하는 바이오가스추출단계(G)를 포함한다.
생물학적 처리단계(B)에서 수집된 슬러지는 슬러지 저장설비(80)를 거쳐 여액이 일부 제거되면서 슬러지농축이 이루어지고, 농축된 슬러지는 플라즈마 처리설비(10)를 거치면서 플라즈마 처리단계(P)가 진행된다.
플라즈마 처리단계(P)는 슬러지 중의 미생물의 두꺼운 세포막을 파괴함으로써 소화과정에서의 가수분해를 용이하게 하여 가용화 및 슬러지 감량효율을 높이는 역할을 한다.
상기 소화조(90)는 슬러지를 혐기성 상태에서 생물학적으로 분해시켜 바이오가스를 생성할 수 있는 것으로서, 혐기성 세균이 슬러지 중의 유기물을 섭취하여 유기물을 환원분해(reductive cleavage)시킴으로써 바이오가스를 생성하며, 바이오가스 저장조(95)에 저장하여 전기생산 등에 활용될 수 있다.
소화조(90)에서 소화된 후 배출되는 슬러지는 유기물이 저감되어 감량이 이루어진 상태이고 최종적으로 탈수기를 거쳐 외부로 배출 처분된다.
본 실시예에서 플라즈마 처리단계(P)가 실시되는 플라즈마 처리설비(10)도, 전술한 실시예의 플라즈마 처리설비(10)와 동일하여, 슬러지(실제적으로는 슬러지가 농축된 하폐수)가 유동하여 통과하는 동안 플라즈마처리가 이루어진다.
본 실시예에서도 플라즈마 처리단계(P)는, 슬러지(슬러지가 농축된 하폐수)에 다량의 미세기포를 발생시켜 그 다량의 미세기포가 분포하는 상태에서 방전극(68)과 대향전극(64) 사이에서 유동하도록 하고, 상기 방전극(68)의 플라즈마가 미세기포를 매개로 대향전극(64)을 향해 하폐수의 수중에서 발생되어 슬러지가 플라즈마 처리되도록 하는 구성을 포함하는 것이다.
한편, 도 8은 전술한 하폐수 처리공정에서 발생하는 스컴(scum)을 본 실시예의 플라즈마처리설비(10)를 이용하여 제거할 수 있는 구성을 도시한다.
특히, 소화조의 슬러지 소화과정에서 스컴이 다량 발생하여 처리공정의 진행에 악영향을 미치므로 이를 제거할 수 있다.
스컴의 발생하는 공정설비, 예컨대 소화조에서 일정량씩 슬러지를 탱크로 배출하도록 순환시키고, 플라즈마 처리설비(10)의 미세기포생성기(20)와 플라즈마처리장치(60)를 유동하는 동안, 고에너지를 가진 플라즈마의 충격파에 의해 슬러지와 함께 유입된 스컴이 파괴되도록 한 것이다.
슬러지를 플라즈마처리설비(10)를 계속 통과하도록 순환시킴으로써 스컴이 점차적으로 제거될 수 있고, 스컴이 제거된 슬러지는 다시 소화조 등 본래의 공정으로 복귀하여 하수처리공정이 계속 진행되도록 한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 상기의 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에 있는 일 실시예에 불과하며, 동업계의 통상의 기술자에 있어서는, 본 발명의 기술적인 사상 내에서 다른 변형된 실시가 가능함은 물론이다.
10; 플라즈마 처리설비 20; 미세기포생성기
21; 공기혼합관 25; 공기흡입공
26; 공기유동공간 27; 유입관
28; 배출관 30; 유동로
35; 펌프 42; 연결유로
50; 플라즈마반응기 52; 플라즈마발생전극
53; 대향전극 57; 유체유동관
58; 공기유동관 58a; 공간
60; 플라즈마처리장치 61; 유전체관
62; 전도전극 62a; 부착부
62b; 방전부 63; 유전체비드
64; 대향전극 66; 공기공급기
68; 방전극 80; 슬러지 저장설비
90; 소화조 95; 바이오가스 저장조
A; 물리적 전처리단계 B; 생물학적 처리단계
P; 플라즈마 처리단계 S; 슬러지농축단계
D; 소화처리단계 G; 바이오가스추출단계
21; 공기혼합관 25; 공기흡입공
26; 공기유동공간 27; 유입관
28; 배출관 30; 유동로
35; 펌프 42; 연결유로
50; 플라즈마반응기 52; 플라즈마발생전극
53; 대향전극 57; 유체유동관
58; 공기유동관 58a; 공간
60; 플라즈마처리장치 61; 유전체관
62; 전도전극 62a; 부착부
62b; 방전부 63; 유전체비드
64; 대향전극 66; 공기공급기
68; 방전극 80; 슬러지 저장설비
90; 소화조 95; 바이오가스 저장조
A; 물리적 전처리단계 B; 생물학적 처리단계
P; 플라즈마 처리단계 S; 슬러지농축단계
D; 소화처리단계 G; 바이오가스추출단계
Claims (7)
- 유입되는 하폐수를 스크린, 침사지, 침전조, 유량조절조, 여과조 중 어느 하나 이상을 통과시키는 과정을 포함하는 물리적 전처리단계(A);
상기 물리적 전처리단계(A)에서 이동된 하폐수를 미생물을 이용하여 반응시키는 생물학적 처리단계(B)를 포함하고,
상기 물리적 전처리단계(A)와 생물학적 처리단계(B) 사이에서, 하폐수에 대한 플라즈마 처리단계(P)가 실시되며,
상기 플라즈마 처리단계(P)는, 다량의 미세기포를 발생시켜 미세기포가 분포하는 하폐수가 방전극(68)과 대향전극(64) 사이에서 유동하도록 하고, 상기 방전극(68)의 플라즈마가 상기 미세기포를 매개로 상기 대향전극(64)을 향해 하폐수의 수중에서 발생되어 하폐수가 플라즈마 처리되도록 하되,
상기 방전극(68)이 유전체관(61)의 내부에 위치하고, 상기 유전체관(61)의 단부에 상기 방전극(68)의 플라즈마를 전달하는 전도전극(62)이 설치되며, 상기 방전극(68)과 상기 전도전극(62) 사이에는 상기 유전체관(61)의 단부의 내부에 유전체비드(63)가 설치되고, 상기 방전극(68)이 상기 유전체비드(63)에 접촉하고 상기 유전체관(61)의 단부에서 상기 전도전극(62)이 상기 유전체비드(63)와 접촉하고, 상기 전도전극(62)과 소정간격을 두고 대향전극(64)이 설치되며, 상기 전도전극(62)과 상기 대향전극(64) 사이에서 미세기포가 분포하는 하폐수가 유동하면서 플라즈마는 미세기포를 매개로 상기 전도전극(62)에서 대향전극(64)으로 진전하도록 발생하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 하폐수 처리공법 - 유입되는 하폐수에서 슬러지를 농축하는 슬러지농축단계(S);
농축된 슬러지를 플라즈마를 이용하여 처리하는 플라즈마 처리단계(P);
플라즈마처리된 슬러지를 소화조로 이송시켜 미생물에 의해 소화시키는 소화처리단계(D)를 포함하는 하폐수 처리공법에 있어서,
상기 플라즈마 처리단계(P)는, 슬러지가 농축된 하폐수에 다량의 미세기포를 발생시켜 그 다량의 미세기포가 분포하는 하폐수가 방전극(68)과 대향전극(64) 사이에서 유동하도록 하고, 상기 방전극(68)의 플라즈마가 상기 미세기포를 매개로 상기 대향전극(64)을 향해 하폐수의 수중에서 발생되어 슬러지가 플라즈마 처리되도록 하되,
상기 방전극(68)이 유전체관(61)의 내부에 위치하고, 상기 유전체관(61)의 단부에 상기 방전극(68)의 플라즈마를 전달하는 전도전극(62)이 설치되며, 상기 방전극(68)과 상기 전도전극(62) 사이에는 상기 유전체관(61)의 단부의 내부에 유전체비드(63)가 설치되고, 상기 방전극(68)이 상기 유전체비드(63)에 접촉하고 상기 유전체관(61)의 단부에서 상기 전도전극(62)이 상기 유전체비드(63)와 접촉하고, 상기 전도전극(62)과 소정간격을 두고 대향전극(64)이 설치되며, 상기 전도전극(62)과 상기 대향전극(64) 사이에서 미세기포가 분포하는 하폐수가 유동하면서 플라즈마는 미세기포를 매개로 상기 전도전극(62)에서 대향전극(64)으로 진전하도록 발생하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 하폐수 처리공법 - 하폐수를 미생물에 의해 처리하는 생물학적 처리과정, 또는 하폐수의 슬러지를 침전조나 가압부상조를 통과시켜 제거하는 처리과정을 거친 처리수를, 직접 방류하거나 여과장치를 거쳐 방류하는 하폐수 처리공법에 있어서,
상기 처리수에 대한 플라즈마 처리단계(P)가 실시되고,
상기 플라즈마 처리단계(P)는, 다량의 미세기포를 발생시켜 미세기포가 분포하는 하폐수가 방전극(68)과 대향전극(64) 사이에서 유동하도록 하고, 상기 방전극(68)의 플라즈마가 상기 미세기포를 매개로 상기 대향전극(64)을 향해 하폐수의 수중에서 발생되어 하폐수가 플라즈마 처리되도록 하되,
상기 방전극(68)이 유전체관(61)의 내부에 위치하고, 상기 유전체관(61)의 단부에 상기 방전극(68)의 플라즈마를 전달하는 전도전극(62)이 설치되며, 상기 방전극(68)과 상기 전도전극(62) 사이에는 상기 유전체관(61)의 단부의 내부에 유전체비드(63)가 설치되고, 상기 방전극(68)이 상기 유전체비드(63)에 접촉하고 상기 유전체관(61)의 단부에서 상기 전도전극(62)이 상기 유전체비드(63)와 접촉하고, 상기 전도전극(62)과 소정간격을 두고 대향전극(64)이 설치되며, 상기 전도전극(62)과 상기 대향전극(64) 사이에서 미세기포가 분포하는 하폐수가 유동하면서 플라즈마는 미세기포를 매개로 상기 전도전극(62)에서 대향전극(64)으로 진전하도록 발생하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 하폐수 처리공법 - 삭제
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유전체관(61)의 내부에 공기를 공급하는 공기공급기(66)에 의해, 상기 유전체관(61)의 내부에서 상기 전도전극(62)을 거쳐 수중으로 공기가 배출되도록 함으로써, 상기 유전체관(61)의 내부에 하폐수의 역류를 방지함과 함께 플라즈마 반응된 공기가 하폐수의 수중에 공급되도록 한 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 하폐수 처리공법 - 하폐수의 정화처리를 위해 플라즈마 처리설비가 구비된 하폐수 처리시스템에 있어서,
상기 플라즈마 처리설비(10)는,
하폐수가 유동하는 유동로(30)와,
상기 유동로(30)에서 하폐수 중에서 플라즈마를 발생시키는 플라즈마처리장치(60)와,
상기 플라즈마처리장치(60)의 상류 측에 설치되어 하폐수 중에 다량의 미세기포를 분산시키는 미세기포생성기(20)를 포함하되,
상기 플라즈마처리장치(60)는,
단부가 상기 유동로(30)에서 하폐수의 수중에 위치하는 유전체관(61)과,
상기 유전체관(61)의 내부에 위치하는 방전극(68)과,
상기 유전체관(61)의 단부에 설치되어 하폐수의 수중에서 상기 방전극(68)의 플라즈마를 전달하는 전도전극(62)과,
상기 방전극(68)과 상기 전도전극(62) 사이에서 상기 유전체관(61)의 단부의 내부에 설치되고 상기 방전극(68)과 상기 전도전극(62)에 모두 접촉하여 상기 방전극(68)에서 발생하는 플라즈마가 표면을 타고 상기 전도전극(62)을 향해 생성되도록 하는 유전체비드(63)와,
상기 전도전극(62)과 소정간격을 두고 상기 유동로(30)에서 하폐수의 수중에 설치되어 상기 전도전극(62)과의 사이에 플라즈마를 발생시키기 위한 대향전극(64)을 포함함으로써,
상기 방전극(68)의 플라즈마가 상기 미세기포를 매개로 상기 대향전극(64)을 향해 하폐수의 수중에서 발생되어 하폐수가 플라즈마 처리되도록 한 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 하폐수 처리시스템 - 제6항에 있어서,
상기 유전체관(61)의 내부에 공기를 공급하는 공기공급기(66)를 더 포함함으로써,
상기 유전체관(61)의 내부에서 상기 전도전극(62)을 거쳐 수중으로 공기가 배출되도록 하여, 상기 유전체관(61)의 내부에 하폐수의 역류를 방지함과 함께 플라즈마 반응된 공기가 하폐수의 수중에 공급되도록 한 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 하폐수 처리시스템
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| KR1020220161378A KR102548576B1 (ko) | 2022-11-28 | 2022-11-28 | 플라즈마를 이용한 하폐수 처리공법 및 그것에 이용되는 하폐수 처리시스템 |
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