KR19980025459A - 전기 화학 응집법에 의한 인 및 유기물 제거장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기화학적 응집법을 사용하여 생물학적 처리가 어려운 용존 상태의 저농도 인과 미량의 부유 물질을 제거하기 위한 장치 및 이 장치를 사용한 인 및 부유 물질 등을 함유하는 폐수를 처리하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 장치는 원수 유입구, 전극, 회전형 여과체, 케이스, 케이스에 부착되어 전극 표면의 스케일을 제거할 수 있는 나이프, 슬러지 유출구, 청정수 유출구 및 전압 조정 장치로 이루어지고, 상기 회전형 여과체는 망상형 철전극판, 부직 여과포, 다공성 지지체 및 회전축으로 구성되고, 구동 장치에 의해 원하는 속도로 구동이 가능하다. 특히, 본 발명의 장치에서는 양극에 철을, 음극에 알루미늄을 조합하여 사용하고 용출량이 많은 철로 인을 제거하고 알루미늄을 용출하여 잉여의 철 이온을 제거하기 때문에 변색이 없고, 운영비가 저렴하면서도 인과 부유 물질의 제거 효능이 뛰어나다.

Description

전기 화학 응집법에 의한 인 및 유기물 제거 장치

본 발명은 기존의 생물학적 폐수 처리 공정에 의해 제거하기 어려운 용존 상태의 저농도 인과 유기물, 특히 미량의 부유 물질을 제거하기 위한 장치 및 이 장치를 사용한 인 및 부유 물질 등을 함유하는 폐수를 처리하는 방법에 관한 것이다.

종전까지는 인의 방류수 수질 기준이 없었기 때문에 고농도의 인함유 폐수 처리 기준외에는 별다른 규제가 없었다. 그러나, 최근 인의 방류수 수질 기준이 설정되었으며 이는 더욱 더 강화될 것이다. 고농도 인함유 폐수 처리에는 주로 화학제 첨가법이 사용되었으나 다량의 슬러지 발생 및 처리 비용의 상승 등으로 이후 생물학적 인제거법이 사용되었다. 그러나, 생물학적 인제거 방법은 제거 효율의 안정성에 문제가 있고 저농도 인의 제거는 사실상 불가능하므로 저농도 인을 완벽하게 처리할 수 있는 방법이 요구되고 있다.

폐수 중에 포함되어 있는 인을 제거하는 한가지 방법으로 폐수처리 장치 전해조의 양극과 음극에 철을 이용한 방법이 알려져 있다. 그러나, 이 방법은 전기 분해시 철 이온이 과잉 용출되어 폐수가 적색으로 되는 단점이 있다. 또한, 철 및 인 이온을 제거하기 위해서 양극과 음극에 알루미늄을 이용해서 전기분해하는 방법 역시 알려져 있다. 이 방법은 고가의 알루미늄을 이용하기 때문에 유지비가 높다는 결점이 있다. 더욱이, 알루미늄을 양극에 이용하는 경우는 양극 표면에 스케일이 부착되어 스케일의 부동태화가 일어나기 때문에, 장기간 계속해서 운전할 수 없다는 단점이 있다.

본 발명자들은 상기한 바와 같은 선행 기술의 문제점을 해결하고자 연구를 거듭한 결과, 양극에 철을, 음극에 알루미늄을 사용하고, 유입수의 성상에 따라 전극을 변환하는 것이 가능한 폐수 처리 장치를 제작하여 운전해 본 결과, 상기의 문제점이 해소되고, 인과 부유 물질이 효율적으로 제거될 수 있다는 사실을 발견함으로써 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명의 목적은 생물학적 처리가 어려운 용존 상태의 저농도 인과 미량의 부유 물질을 효율적으로 제거하기 위한 장치를 제공하는 것이다.

도 1은 전기 화학 응집법에 의한 인 및 유기물 제거 장치의 개략도.

도 2는 전기 화학 응집법에 의한 인 및 유기물 제거 장치의 정면도.

도 3은 회전형 여과체의 단면도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1: 원수 유입구

2: 전극

3: 가스 배출구

4: 회전형 여과체

5: 케이스

6: 나이프

7: 회전축

8: 슬러지 유출구

9: 청정수 유출구

41: 망상형 철전극

42: 부직 여과포

43: 다공성 회전체

이러한 본 발명의 목적은 원수 유입구 (1), 전극 (2), 회전형 여과체 (4), 케이스 (5), 케이스에 부착되어 전극 표면의 스케일을 제거할 수 있는 나이프 (6), 슬러지 유출구 (8), 청정수 유출구 (9) 및 전압 조정 창치로 이루어지고, 상기 회전형 여과체 (4)는 망상형 철전극판 (41), 부직 여과포 (42), 다공성 지지체 (43) 및 회전축 (7)로 구성되고 구동 장치에 의해 원하는 속도로 구동이 가능하고, 상기 전극(2)는 양극을 철망형 전극으로 하고, 음극을 알루미늄으로 하여 전극의 변환이 가능한 것임을 특징으로 하는 전기 화학 응집법에 의한 인과 미량의 부유 물질을 제거하기 위한 장치에 의해서 달성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 폐수 처리 장치는 전해조의 양극에 철을, 음극에 알루미늄을 이용하여 폐수를 전기 분해하고, 적절히 극성을 변환하여서 알루미늄을 양극으로 하여 알루미늄을 적극적으로 용출시키는 것을 특징으로 한다. 이 장치에 있어서는 철과 알루미늄을 조합하여 사용하는 데, 용출량이 많은 철을 사용하여 인을 제거하고, 알루미늄을 용출하여 잉여의 철 이온을 제거하기 때문에 적색으로 변하는 일이 없는 동시에 운영비가 저렴하다. 이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세히 설명한다.

본 발명은 전해조의 양극에 철을, 음극에 알루미늄을 사용하고 있다. 따라서 양극에서 2가 철 이온(Fe⁺²)이 용출된다. 철 이온의 일부는 폐수 중에서 산화되어 3가의 철 이온(Fe⁺³)이 된다. 그리고, 이 2가와 3가의 철 이온이 폐수 중의 인산이온(PO₄ ^3-)과 다음의 반응식 1 및 2와 같이 결합하게 된다.

3 Fe²⁺+ 2 PO₄ ^3-→ Fe₃(PO₄)₂

Fe³⁺+ PO₄ ^3-→ FePO₄

이 이온의 결합에 의해서 생성된 Fe₃(PO₄)₂와 FePO₄는 난용성이기 때문에 이 전기 분해에 의해 석출된다. 일반적으로, 음극에서는 알루미늄이 석출되지 않기 때문에 음극 부근에서는 OH^-가 존재하여 다음의 반응식 3 및 4와 같은 반응에 의해 용해되어 알루미늄산 이온으로 될 수 있다.

2H₂O + 2e → H₂+ 2OH^-

2Al + 2OH^-+ 10H₂O → 2[Al(OH)₄(H₂O)₃]^-+ 3H₂

또한, 음극 표면으로부터 수소 가스가 발생하기 때문에, 산화 피막에 의한 부동태가 발생되지 않는다. 철 이온을 제거하기 위해서는 몰비에서 Fe : Al = 1 : 0.2 ∼ 1의 알루미늄이 필요하지만 음극에서 용출되는 알루미늄의 양은 이론 전기 화학 당량(음극에 알루미늄을 이용한 경우)의 20 % ∼ 60 %이기 때문에 철 이온을 제거하는 데 충분한 알루미늄산 이온을 얻게 된다. 이 알루미늄산 이온이 폐수 중에 존재하고 있으면, 철 이온과 알루미늄산 이온이 반응하여 양이온을 포함한 플록이 형성된다. 따라서, 폐수 중에 포함된 철 이온은 물론이고 전해봉에 발생된 철 이온도 제거되며 적색화의 문제가 발생되지 않는다. 철 이온의 함유량이 많은 경우는 알루미늄의 양이 많이 필요하게 된다. 이를 위해서, 알루미늄을 양극에 이용하여 적극적으로 용출시킨다. 그러나, 알루미늄을 양극에 사용한 경우에는 스케일이 부착되어 부동태를 만들기 때문에 연속적으로 운전하기가 불가능해진다. 이를 방지하기 위해서, 한편에는 철전극을 이용하고, 다른 한편에는 알루미늄 전극을 이용하여 극성을 변환시키는 것이 필요하게 된 것이다. 즉, 철을 양극으로 하고 일정 시간 운전한 후에 극성을 변환시켜서 알루미늄을 양극으로 한다. 철이 양극에 있을 때에는 용출되는 철 이온에 의해서 탈인이 행해진다. 다음에, 알루미늄을 양극에 사용하면 전해시에 용출되었던 잉여의 철 이온이 제거된다. 위 장치는 유입되는 용존인의 농도에 따라서 전기량을 조절할 수 있으며, 부직 여과포의 교체없이 장기간 사용가능하다.

본 발명의 회전형 여과체를 포함한 인 제거 장치는 철망형 전극과 알루미늄 전극을 이용하여 전기 분해 및 전기응집을 한다.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 장치를 더욱 자세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 전기 화학 응집법에 의한 인 및 유기물 제거 장치의 개략도이고, 도 2는 유기물 제거 장치의 정면도이다. 도1 및 도2에서, 원수는 원수 유입구 (1)로 유입되고 회전형 여과체 (4)를 거쳐서 처리된 다음, 회전축 (7) 파이프로 처리수가 배출된다. 이 때, 원수의 처리를 위한 전극(2)의 양극은 철망형으로 되고, 음극은 알루미늄 봉으로 하되, 전압 조정 설비(도면에는 나타내지 않음)에 의해 전원을 공급받는다. 도 3은 회전체의 단면도인데, 회전형 여과체 (4)의 외부는 망상형 철전극판 (41)으로 되어 있고, 다음에 부직포 (42), 지지체 (43)로 되어 있다. 지지체 (43)는 부직포를 통과한 처리수의 이송이 원활하도록 다공성 구조로 되는 것이 좋으며, 회전축 (7)도 원통형 파이프에 수개의 구멍이 뚫어져서 처리수가 외부로 배출되게 한다. 회전체 (4)와 케이스(5)의 접합 부분은 물이 새지 않는 수밀 구조로 처리하여, 잉여 슬러지가 유출구 (8)를 통하여 외부로 배출되게 한다. 회전형 여과체 (4)의 회전 속도는 0.5 ∼ 1 rpm으로 구동하는 것이 바람직하고, 원수는 연속식으로 처리한다. 케이스에 부착된 나이프 (6)는 철망형 전극과 부직포에 부착된 스케일 및 슬러지를 제거하기 위해서 설치되며, 나이프의 재질은 약간의 강도가 있는 고무판을 이용하는 것이 효율적이다. 이 나이프의 부착으로 전극 표면은 스케일이 끼지 않는 초기 상태를 지속적으로 유지할 수 있다.

실시예 1

본 발명에 따른 전기 화학 응집법에 의한 인제거 장치를 총 유효량이 1.58 L이고, 여과포 및 망상형 철전극판의 면적이 468 cm²이 되도록 제작하였다. 전극으로 사용된 알루미늄 봉의 전해 표면적은 64.4 cm²이고 여과포는 단위 면적당 무게가 0.03189 g/cm²인 것을 사용하였다.

실시예 2

본 발명에 따른 인 및 유기물 제거 장치를 활성 슬러지 공정 유출수의 최종 처리 시설과 결합하여 전기 화학 응집법에 의해 다음과 같은 운전 조건하에서 시험하였다.

전극으로는 양극에 알루미늄봉, 음극에 철망형 전극을 이용하고, 전극의 변환 없이 전압 상승에 의한 처리수의 수질을 평가하였다. 원수의 유입 유속은 0.45 ∼ 0.65 L/min, 반응기 내의 압력은 0.0 ∼ 0.5 atm이었다. 회전체의 회전 속도는 0.5 rpm, 유입 유속은 0.5 L/min으로 일정하게 하고, 전압은 0 ∼ 28V까지 상승시켜 한시간 간격으로 처리 수질을 측정하였다. 본 장치로 유입되는 원수는 활성 슬러지 처리 공정의 최종 유출수로서, 수질은 다음 표1과 같으며 원수를 약산성으로 유지하기 위하여 미량의 황산을 첨가하였다.

T-P: 총인

TKN: 총질소

MLSS: 폭기조 혼합액 (Mixed-Liquid Suspended Solid)

그 결과, 전압이 상승함에 따라서 처리수의 pH는 6.5 내지 8.56까지 직선적으로 증가하였으나, ORP와 전도도는 감소하였다. 처리수의 COD는 10 V에서 급격히 증가한 후 전압의 증가에 다라 서서히 감소하였는데, 이것은 10 V에서 원수 중에 포함된 미생물 세포가 파괴되면서 COD 원인 물질이 용출되었기 때문이다.

총인과 인산염은 전압 상승에 따라 감소하였다. 총인은 원수 농도에서 11이었으나, 전압 상승에 따라서 계속 감소하다가 15 V에서 급격히 감소하여 1 mg/l이하를 유지했다. 인산 이온은 10 V를 전후하여 검출되지 않았다. 총인이 미량이나마 검출된 것은 처리 장치가 연속식이고 알루미늄 이온과 인산염이 결합된 인산알루미늄침전물이 소량 함입되었기 때문이다. 인산알루미늄을 형성하고 남는 과잉의 알루미늄이온은 수산화 알루미늄으로 되어 침전되었다. 용출되는 알루미늄의 양을 측정한 결과, 이론치 보다 약 10 %정도 많이 검출되었는데 이것은 원수 중에 자연 부식 상태의 알루미늄이 용해되어 있기 때문이다.

처리수의 암모니아성 질소는 전압이 15 V일 때 가장 낮았다. 이것은 전기에너지에 의해 암모니아가 산화된 것으로 판단된다. 이 반응은 티타늄이나 백금 전극을 사용한 경우에 더 분명하게 나타났다. 이러한 경향은 황산염 이온의 경우에도 유사하였다.

실시예 3

철망형 전극을 양극으로 하고 알루미늄을 음극으로 하여 실시예 2와 동일한 조건하에서 실험을 수행하였다. 그 결과, COD와 TOC 같은 유기 물질은 실시예 2에서와 유사했으며 전압은 6 V정도로 더 낮은 범위에서 나타났다. 이것은 철망형 전극의 전해 유효 면적이 알루미늄 봉의 면적보다 더 크기 때문이다. 그러나, 처리수는 전극으로부터 산화된 철염에 의해서 적색으로 변하였다.

인산염 이온은 철망형 전극을 양극으로 한 경우에도 5 V를 전후하여 검출되지 않았으나 총인은 미량이 측정되었다. 이것도 처리수 중에 인산철이 미량 포함되었기 때문이다.

실시예 4

철망 전극을 양극으로 하여 전압 10 V을 걸고 20분 후 전극 변환하여 알루미늄봉을 양극으로 하여 5 분간 전압을 건 후 처리 수질을 측정한 결과 처리수가 적색으로 변하는 것을 방지 할 수 있었고, 인산염과 총인을 90 % 제거할 수 있었다. 이 전극 변환 시간 간격을 유입 원수의 농도에 따라 조절하면 일정한 유출수를 얻을 수 있었다.

원수에 포함된 대장균 균수가 만단위에서 백단위로 저하되어 전기 에너지에 의한 살균 효과를 확인할 수 있었으며, 이 효과는 티타늄 합금판을 전극으로 사용했을 때 더 분명하게 나타났다.

이상의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 인제거 장치는 최종 유출수의 용존 인 뿐만아니라 미량의 부유 물질과 COD 등의 유기 물질의 제거 효과도 있었다. 유입 원수의 용존 인 농도에 따라서 부하되는 전력량을 조절하여 농도 변화에 대응할 수 있었으며, 유출수의 살균도 이루어져 처리수를 장기간 동안 방치했을 때에도 거의 변하지 않았다. 따라서, 본 발명의 장치를 생물학적 처리 시설의 최종 처리 장치로 이용할 경우 용존인 및 미량의 부유 물질은 물론 살균도 가능하여 처리수를 중수도 용수로도 이용 가능하다.

본 발명의 장치에서는 양극에 철을, 음극에 알루미늄을 조합하여 사용하고 용출량이 많은 철로 인을 제거하고 알루미늄을 용출하여 잉여의 철 이온을 제거하기 때문에 변색이 없고, 운영비가 저렴하면서도 인과 물질의 제거 효능이 뛰어나다. 본 발명의 장치를 생물학적 폐수처리 공정의 최종 유출수에 적용하면 용존 상태의 인을 80 %이상 제거할 수 있으며, 미량의 부유 물질 뿐만 아니라 전기 에너지에 의한 살균 효과도 기대할 수 있어서 처리수를 중수도 용수로도 사용할 수 있다. 또한, 이 장치는 유입되는 용존인의 농도에 따라서 전기량을 조절할 수 있으며 부직 여과포의 교체 없이 장기간 사용 가능하다.

Claims (5)

1. 원수 유입구 (1), 전극 (2), 회전형 여과체 (4), 케이스 (5), 케이스에 부착되어 전극 표면의 스케일을 제거할 수 있는 나이프 (6), 슬러지 유출구 (8), 청정수 유출구 (9) 및 전압 조정 창치로 이루어지고, 상기 회전형 여과체 (4)는 망상형 철전극판 (41), 부직 여과포 (42), 다공성 지지체 (43) 및 회전축 (7)로 구성되고 구동 장치에 의해 원하는 속도로 구동이 가능하고, 상기 전극(2)는 양극을 철망형 전극으로 하고 음극을 알루미늄으로 하여 전극의 변환이 가능한 것임을 특징으로 하는 전기 화학 응집법에 의한 인과 미량의 부유 물질을 제거하기 위한 장치.
2. 제1항에 있어서, 나이프가 약간의 경도가 있는 고무판인 것인 장치.
3. 제1항에 있어서, 회전체의 속도를 0.5 ∼ 1 rpm으로 유지하고, 전압을 유입수 중의 인의 농도에 따라서 조절하는 것이 가능한 것인 장치.
4. 제1항에 있어서, 양극을 철망형 전극과 알루미늄 전극으로 교환하는 시간 비율을 4 :1로 하고, 이 전극 변환 시간을 유입수의 성상에 따라서 변경하는 것이 가능한 것인 장치.
5. 제1항에 따른 장치를 사용하여 회전체의 속도를 0.5 내지 1 rpm을 하고, 양극에 사용되는 철망형 전극과 알루미늄 전극을 교환하는 시간 비율을 4:1로 하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 방법.