KR20010000340A - 수평모래여과와 광촉매반응을 이용한 수처리장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기존의 수직모래여과장치의 설치 및 유지관리의 문제점을 해결하기 위한 방안으로서 수평으로 설치, 운전할 수 있는 모래여과장치를 제시하였으며, 모래여과장치의 상단에서 광촉매반응을 유발함으로서 그 동안 살균 목적으로 널리 이용되고 있던 염소 소독시의 THM 등의 발암성 2차 오염물질 발생을 예방할 수 있는 수평모래여과와 광촉매반응을 이용한 수처리장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 수평으로 설치, 운전할 수 있는 모래여과장치와 모래여과장치의 상단에서 광촉매반응을 유발함으로서 부유물질 및 난분해성 오염물질 제거와 더불어 일반세균, 대장균 등에 대한 살균 기능을 제공할 수 있는 수처리장치에 관한 것이다.
수돗물 공급을 위한 수원은 대부분 지표수와 천층 및 심층 지하수에 의존하고 있으나 이러한 대부분의 수원은 축산폐수 및 생활하수, 강우시 토양유출, 농경지에 투입되는 비료 및 농약, 공장폐수 등으로 오염이 심화되고 있으며, 일부 지역에서는 부영양화로 인한 녹조의 번식 등에 의해 기존의 수처리 방법으로는 음용수 수질기준을 달성하기 어려운 현실에 직면하고 있어 새로운 수처리시설이 필요하게 되었다.
기존의 수처리방법 중 가장 대표적으로 이용되고 있는 모래여과는 1900년대 미국환경보호청에 의해서 pilot-plant를 설치하여 수직모래여과에 관한 조사가 실시된 후 수처리시설로서 보편적으로 이용되고 있다. 현재 모래여과시설은 응집조, 부상조, 침전지 등의 전처리시설과 함께 후처리시설로서 염소소독이 이용되고 있다.
수직모래여과법을 이용하여 운전할 경우에는 여과지 표면에 진흙매트가 형성되어 균일한 여과와 역세척을 방해하는 진흙덩어리(mud-balls), 여과지 표면과 측벽 사이에 틈이 발생하여 부적절한 여과수가 통과하게 되는 여과지수축 (bed-shrinkage), 모래층 사이에 공기 기포가 형성되어 여과수가 통과되지 못하게 되는 공기결합(air-binding) 등의 문제점 등이 발생함으로서 여과효율이 급속히 저하되는 문제점과 장기간 운전시 여과층의 교체에 많은 어려움이 있는 것으로 지적되고 있다.
또한 기존의 모래여과는 모래층을 이용한 거름, 침강, 충돌, 차단, 부착 등의 메카니즘을 이용한 액체속에 포함되어 있는 부유물질을 분리하기 위한 고액분리 기술임에 따라 난분해성 오염물질과 미생물에 대한 적절한 처리가 이루어지지 않음에 따라 활성탄과 오존, 염소 소독 등의 별도의 고도처리시설이 이용되고 있다. 그러나 활성탄은 처리효율 확보 및 활성탄의 2차 처리에 문제점이 제기되고 있으며, 오존은 고가의 시설 비용, 운전조작의 어려움 및 잔류 오존으로 인한 염색체 이상 등의 인체 피해가 발생할 우려가 있고, 염소 소독은 가격은 저렴하지만 THM 등의 발암성 물질 생성 등의 문제점 등을 앉고 있어 그 적용의 한계가 있는 것으로 알려져 있다.
최근 들어, 난분해성 오염물질과 미생물에 대한 처리방법으로 크게 부각되고 있는 것이 광촉매반응이다.
광촉매반응은 광촉매의 표면에 띠간격(band gap)보다 큰 에너지 즉, 400nm이하의 자외선을 조사하게 되면 가전자대(valance band)와 전도대(conduction band)에서 정공(hole)와 전자(electoron)가 생성되며, 이때 생성된 전자와 전공은 광촉매 표면으로 이동하게 되고 전도대의 전자들은 중금속 이온 및 산소를 전기화학적으로 흡착한 후 중금속 이온을 광환원시키거나, superoxide radical을 생성하게 되며, 가전자대의 정공은 물분자와 반응하여 OH radical를 생성하게 된다. 이때, superoxide 및 OH radical은 광촉매 입자 표면에 흡착되어 있는 유기물을 산화시키거나 일반세균, 대장균과 같은 미생물의 세포막을 산화, 분해함으로써 미생물을 살균하게 된다.
그러나, 기존의 광촉매반응은 주로 분말형태의 광촉매 입자가 사용되었으나 미세한 광촉매 분말 입자(약 0.2㎛)는 분산상으로 침전성이 좋지 않아 제거 및 회수를 위한 정밀여과막, 한외여과막 등 고가의 여과설비가 수반되어야 하는 문제점이 제기 되어왔다.
본 발명은 상기한 수직모래여과의 설치 및 유지관리 등 운영상의 문제점과 난분해성 오염물질의 처리 및 일반세균, 대장균 등 미생물의 안정적 처리를 확보할 수 있는 방안으로서 수평모래여과와 수평모래여과장치의 일측에 광촉매인 이산화티타늄이 코팅된 굵은자갈, 가는자갈 모래 등을 설치하고 자외선이나 태양광이 조사되게 함으로서 광촉매반응을 유발토록 하여 안정적 수질 확보를 위한 수처리장치를 제공하였다.
제1도는 본 발명인 수처리장치의 입면도
제2도는 본 발명인 수처리장치의 상부 입면도
※ 도면 주요부분에 대한 부호의 설명
10: 굵은자갈층 11: 광촉매 코팅 굵은자갈층
20: 가는자갈층 21: 광촉매 코팅 가는자갈층
30: 모래층 31: 광촉매 코팅 모래층
40: 자외선램프
50: 원수저장조 51: 처리수조
55: 원수유입관 56: 처리수배출관
60: 상부하층덮개판 61: 상부상층덮개판
70: 굵은자갈층분리판 71: 굵은자갈층분리판 상부구멍
80 :가는자갈층분리판 81: 가는자갈층분리판 상부구멍
90: 모래층분리판 91: 모래층분리판 상부구멍
100: 전원
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수평모래여과장치를 설명하면 다음과 같다.
처리 대상 원수는 원수유입관(55)을 통해 유입되어 원수저장조(50)에서 물의 비중(1g/cm3) 보다 큰 물질은 침전되어 제거된 후 원수저장조(50)와 굵은자갈층 (10, 11) 사이의 굵은자갈층분리판(70)의 상부구멍(71)을 통해 굵은자갈층(10, 11)으로 유입되어 큰 부유물질은 제거되고 다시 굵은자갈층(10, 11)과 가는자갈층(20, 21) 사이의 가는자갈층분리판(80)의 상부구멍(81)을 통해 가는자갈층(20, 21)으로 유입되어 중간 크기의 부유물질이 제거된 후 가는자갈층(20, 21)과 모래층(30, 31) 사이의 모래층분리판(90)의 상부구멍(91)을 통해 모래층(30, 31)으로 유입되어 미세한 부유물질이 제거되는 심층여과 메카니즘에 의해 처리된다.
부유물질이 제거된 처리수는 다시 가는자갈층(20, 21)과 굵은자갈층(10, 11)을 거쳐 처리수조(51)에 모아진 후 처리수배출관(56)을 통해 배출되게 된다.
상기한 수평모래여과장치 중 굵은자갈층(10, 11), 가는자갈층(20, 21), 모래층(30, 31) 등의 각 층 상부의 광촉매 코팅 굵은자갈층(11), 광촉매 코팅 가는자갈층(21), 광촉매 코팅 모래층(31) 등은 광촉매인 이산화티타늄이 코팅되어 있으며, 수평모래여과장치의 상부는 석영, 파이렉스, 유리 등의 상부하층덮개판(60)이 설치되어 있고, 그 위에는 자외선램프(40)가 설치되어 있다. 또한 그 위에는 석영, 파이렉스, 유리 등의 상부상층덮개판(61)을 설치함으로서 덮개판을 통해 여과가 효과적으로 이루어지고 있는 지를 손쉽게 파악할 수 있을 뿐만 아니라 여과재가 여과를 효과적으로 수행하지 못할 경우에는 덮개판(60, 61)을 분리한 후 여과재의 교체를 수행할 수 있도록 하였다.
본 발명의 수평모래여과장치는 굵은자갈층(10, 11), 가는자갈층(20, 21), 모래층(30, 31)를 통해 처리대상 원수 중의 부유물질을 제거하는 동시에 수평모래여과장치의 상부에 설치된 자외선램프(40)가 광촉매 코팅 굵은자갈층(11), 광촉매 코팅 가는자갈층(21), 광촉매 코팅 모래층(31) 등에 조사됨으로서 광촉매반응을 유발하여 난분해성 오염물질과 일반세균, 대장균 등의 미생물이 동시에 처리될 수 있도록 하였다. 또한 주간시간의 경우에는 자외선램프에 전원(100)을 연결하지 않아도 상부덮개판(60, 61)을 통하여 태양광이 조사되게 함으로서 전체 태양광 중 1∼5%의 자외선을 이용한 광촉매반응이 발생할 수 있도록 하였다.
본 발명에서의 굵은자갈은 직경이 5mm 이상, 가는자갈은 직경이 1∼5mm, 모래는 직경이 0.3∼1mm의 것을 사용하였으며, 굵은자갈, 가는자갈, 모래 등에 대한 광촉매인 이산화티타늄 박막의 제조법은 다음과 같다.
광촉매인 이산화티타늄 박막을 제조하기 위한 이산화티타늄 광촉매 졸(sol)과 분말은 본 출원인에 의해 대한민국 특허청에 2000년 9월 5일 기 출원된 출원번호 10-2000-0052465에 의해 제조한 것을 사용하였다.
이산화티타늄 광촉매 졸을 이용한 담체의 제조는 굵은자갈, 가는자갈, 모래 등에 담금법과 스프레이법 등으로 광촉매 졸을 1차 코팅한 후 가열기에 넣고 질소를 주입하면서 온도를 100∼500℃로 1∼3℃/min으로 승온한 후 500℃에서 1∼2시간 방치하고 다시 1∼3℃/min으로 감온하는 작업을 3∼10회 반복하여 이산화티타늄이 코팅된 굵은자갈(11), 가는자갈(21), 모래(31)를 얻었으며,
이산화티타늄 분말을 이용한 담체의 제조는 이산화티타늄 분말과 에틸알콜 또는 메칠알콜을 1∼9:1의 비율로 혼합하여 1시간 이상 교반하여 이산화티타늄 현탁액을 만든 후 굵은자갈, 가는자갈, 모래 등에 담금법과 스프레이법 등으로 이산화티타늄현탁액을 1차 코팅한 후 가열기에 넣고 질소를 주입하면서 온도를 50∼200℃로 1∼3℃/min으로 승온한 후 200℃에서 1∼2시간 방치하고 다시 1∼3℃/min으로 감온한 후 증류수로 세척하는 작업을 3∼10회 반복하여 분말 현탁액법을 이용한 이산화티타늄이 코팅된 굵은자갈(11), 가는자갈(21), 모래(31)를 얻었다.
또한 이산화티타늄 분말을 이용한 담체의 제조를 위한 다른 방법으로 이산화티타늄을 1∼10g과 굵은자갈, 가는자갈, 모래 1∼1000g 등을 0.1∼10M 수산화나트륨(NaOH) 100∼1000ml 용액에 넣고 100∼500rpm에서 교반한 후 굵은자갈, 가는자갈, 모래 등을 가열기에 넣고 질소를 주입하면서 온도를 50∼200℃로 1∼3℃/min으로 승온한 후 200℃에서 1∼2시간 방치하고 다시 1∼3℃/min으로 감온한 후 증류수로 세척하는 작업을 3∼10회 반복하여 분말 에칭법을 이용한 이산화티타늄이 코팅된 굵은자갈(11), 가는자갈(21), 모래(31)를 얻었다.
본 발명은 기존의 수직모래여과장치의 설치 및 유지관리의 문제점을 해결하기 위한 방안으로서 수평으로 설치, 운전할 수 있는 모래여과장치를 제시하였으며, 모래여과장치의 일측에서 광촉매반응을 유발할 수 있도록 함으로서 기존 여과장치의 부유물질 제거로 한정된 적용 범위를 난분해성 오염물질의 제거 및 미생물의 처리까지로 확장함으로서 모래여과 후 난분해성 오염물질 및 미생물의 처리를 위해 별도로 설치 운전해 오던 활성탄, 오존, 염소소독 등에 의해 발생되던 부산물, 잔류 오존 및 발암성 물질 발생 및 시설비용의 문제점을 해결함으로서 안정적 수질 확보가 가능하도록 하였다.
Claims (6)
- 굵은자갈(5mm이상), 가는자갈(1∼5mm), 모래(0.3∼1mm) 중 하나 또는 전부로 구성된 모래여과장치를 수평으로 설치하여 수중의 오염물질을 처리하는 것을 특징으로 하는 수평모래여과장치
- 상기 1항의 수평모래여과장치를 구성하는 굵은자갈(5mm이상), 가는자갈 (1∼5mm), 모래(0.3∼1mm) 등의 여과재의 일부 또는 전부에 광촉매를 코팅한 후 자외선 램프 또는 태양광이 조사되도록 함으로서 여과와 광촉매반응이 함께 발생하도록 하여 오염물질을 처리하는 방법
- 이산화티타늄 졸을 이용하여 굵은자갈(5mm이상), 가는자갈(1∼5mm), 모래 (0.3∼1mm) 등에 담금법과 스프레이법 등으로 이산화티타늄을 1차 코팅한 후 가열기에 넣고 질소를 주입하거나 주입하지 않으면서 온도를 100∼500℃로 1∼3℃/min으로 승온한 후 500℃에서 1∼2시간 방치하고 다시 1∼3℃/min으로 감온하는 작업을 3∼10회 반복하여 이산화티타늄을 코팅하는 방법
- 이산화티타늄 분말과 에틸알콜 또는 메칠알콜을 1∼9:1의 비율로 혼합한 이산화티타늄 현탁액을 이용하여 굵은자갈(5mm이상), 가는자갈(1∼5mm), 모래 (0.3∼1mm) 등의 담체에 담금법과 스프레이법 등으로 이산화티타늄 코팅을 완성하거나 이산화티타늄이 코팅된 담체를 추가로 가열기에 넣고 질소를 주입하거나 주입하지 않으면서 온도를 100∼500℃로 1∼3℃/min으로 승온한 후 500℃에서 1∼2시간 방치하고 다시 1∼3℃/min으로 감온하는 작업을 3∼10회 반복하여 이산화티타늄을 코팅하는 방법
- 이산화티타늄 분말과 굵은자갈(5mm이상), 가는자갈(1∼5mm), 모래(0.3∼1mm) 등을 0.1∼10M 수산화나트륨(NaOH) 용액에 넣고 100∼500rpm에서 교반한 후 굵은자갈, 가는자갈, 모래 등의 담체를 가열기에 넣고 질소를 주입하거나 주입하지 않으면서 온도를 100∼500℃로 1∼3℃/min으로 승온한 후 500℃에서 1∼2시간 방치하고 다시 1∼3℃/min으로 감온하는 작업을 3∼10회 반복하여 이산화티타늄을 코팅하는 방법
- 이산화티타늄을 굵은자갈(5mm이상), 가는자갈(1∼5mm), 모래(0.3∼1mm) 중 어느 하나에 코팅하고 자외선 또는 태양광이 조사되도록 함으로서 환경오염물질을 정화하는 방법
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|---|---|---|---|
| KR1020000054536A KR20010000340A (ko) | 2000-09-18 | 2000-09-18 | 수평모래여과와 광촉매반응을 이용한 수처리장치 |
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| KR20010000340A true KR20010000340A (ko) | 2001-01-05 |
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