KR20010028801A - 제올라이트 코팅자석 촉매를 이용한 초음파 결합 고밀도 플라즈마 폐수 처리방법과 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제올라이트를 코팅한 자석촉매와 초음파 및 고밀도 플라즈마를 이용한 폐수 처리방법과 그 장치에 관한 것으로, 상세하게는 염색폐수ㆍ피혁폐수ㆍ석유화학폐수ㆍ제지폐수와 같은 산업폐수와 축산폐수 및 생활폐수와 같은 각종 폐수 중으로 라디컬과 전자를 포함하는 음이온과 오존을 버브링시키면서 20,000㎐ ~40,000㎐의 초음파로 극렬하게 진동시키거나 상기 초음파와 전해장치 또는 상기 초음파와 1㎒~1㎓의 고주파 펄스를 인가시켜 준 분자 수준으로 마이크로 믹싱 (micro mixing)시킴으로써 폐수 중으로 고밀도의 음이온이 용해하여 수화되어 있는 유기물이나 중금속 착이온(complexion)들과 라디컬ㆍ전자ㆍ음이온들은 수화된 물층 (hydration seath)을 벗어나게 되고, 고주파 펄스가 수화층을 파괴하여 수중에서 유사기상반응(gas like reaction)을 일으켜 이온이나 극성 유기분자들이 수화층을 벗어나게 함으로써 마치 공기 중에서 휘발성 유기물(VOC)이 음이온에 의하여 순식간에 산화ㆍ분해되는 것과 같이 물 속에서 유기물이나 착이온ㆍ음이온 및 전자들을 더욱 높은 에너지 상태로 활성화시켜 오염물질들을 신속히 산화ㆍ분해시키게 된다.

특히, 이와 같은 초음파 또는 고주파 펄스를 폐수에 인가시키면서 음이온을 폐수에 주입하여 폐수를 정화 처리할 경우 제올라이트 코팅 자석촉매를 이용하면 제올라이트 표면에 수많은 기공이 폐수 중의 유기분자나 중금속 착이온의 흡착을 효과적으로 상승시켜 음이온이 이들 분자의 공격을 촉진시키므로 폐수 정화처리 효과를 더욱 증가시키게 된다.

이와 같은 방법으로 폐수의 CODㆍBODㆍSS의 제거는 물론 탈질ㆍ탈인ㆍ탈색 및 탈취에 특별한 효과를 나타내는 폐수 고도정화처리에 가장 적합하면서 경제적인 폐수 처리방법과 그 장치에 관한 것이다.

Description

제올라이트 코팅자석 촉매를 이용한 초음파 결합 고밀도 플라즈마 폐수 처리방법과 그 장치{High density plasma method and device coupled with ultrasonic wave for waste water treatment using zeolite coated magnet catalyst}

본 발명은 제올라이트를 코팅한 자석촉매와 초음파 및 고밀도 플라즈마를 이용한 폐수 처리방법과 그 장치에 관한 것으로, 상세하게는 염색폐수ㆍ피혁폐수ㆍ석유화학폐수ㆍ제지폐수와 같은 산업폐수와 축산폐수 및 생활폐수와 같은 각종 폐수(이하 "폐수"라고 칭함.) 중으로 라디컬과 전자를 포함하는 음이온과 오존을 버브링시키면서 20,000㎐~40,000㎐의 초음파로 극렬하게 진동시키거나 상기 초음파와 전해장치 또는 상기 초음파와 1㎒~1㎓의 고주파 펄스를 인가시켜 준 분자 수준으로 마이크로 믹싱(micro mixing)시킴으로써 폐수 중으로 고밀도의 음이온이 용해하여 수화되어 있는 유기물이나 중금속 착이온(complexion)들과 라디컬ㆍ전자ㆍ음이온들은 수화된 물층(hydration seath)을 벗어나게 되고, 고주파 펄스가 수화층을 파괴하여 수중에서 유사기상반응(gas like reaction)을 일으켜 이온이나 극성 유기분자들이 수화층을 벗어나게 함으로써 마치 공기 중에서 휘발성 유기물(VOC)이 음이온에 의하여 순식간에 산화ㆍ분해되는 것과 같이 물 속에서 유기물이나 착이온ㆍ음이온 및 전자들을 더욱 높은 에너지 상태로 활성화시켜 오염물질들을 신속히 산화ㆍ분해시킴으로써 CODㆍBODㆍSS의 제거는 물론 탈질ㆍ탈인ㆍ탈색 및 탈취에 특별한 효과를 나타내는 폐수 고도정화처리에 가장 적합하면서 경제적인 폐수 처리방법과 그 장치에 관한 것이다.

본 발명의 주요 부분인 제올라이트가 코팅된 자석촉매는 본 발명인(출원인)이 앞서 출원한 바 있는 특허출원 제99-36738호(초음파 고밀도 플라즈마 폐수처리방법과 그 장치) 및 실용신안등록출원 제99-18378호(초음파 고밀도 플라즈마 폐수처리방법과 그 장치)와, 특허출원 제99-36992호(초음파와 고주파 펄스 결합 고밀도 플라즈마 폐수처리방법과 그 장치) 및 실용신안등록출원 제99-18494호(초음파와 고주파 펄스 결합 고밀도 플라즈마 폐수처리방법과 그 장치)에 적용할 수 있을 뿐 만 아니라 여타의 폐수 정화방법이나 폐수 정화장치에도 적용할 수 있다.

인구의 증가와 산업의 발달에 따라 급증하고 있는 각종 산업폐수로 인한 환경공해 및 생태계 파괴가 큰 사회문제로 대두됨에 따라 방류 폐수의 법적 환경기준치를 마련하여 엄격히 규제하고 있으며 그 처리수단과 방법에 대해서는 많은 고심과 더불어 꾸준한 연구가 수행되고 있다.

또, 각종 오염물질이 함유된 폐수는 색도가 비교적 높은 편이어서 강물이나 지하수 및 바닷물과 같은 수질을 오염시킬 뿐 아니라 수중으로 유입되는 빛과 산소 등을 차단시켜 수중생물과 미생물의 생존에 엄청난 피해를 끼치고 있으며 수자원 오염으로 인한 용수생산에도 큰 지장을 주고 있다.

종래에도 화공약품으로 폐수의 pH를 조정하거나 오염성분을 응집시키는 방법, 미생물에 의한 처리방법 등 여러가지 방식의 폐수 정화장치가 안출된 바 있으나, 폐수 중의 계면활성 성분과 같은 난(難) 분해성 오염성분의 분해나 물질변화 및 집체에 의한 정화 및 제거가 현실적으로 어려워 정화효율이 매우 낮은 반면 처리비용은 오히려 상승되는 문제점이 있었다.

또한, 1급수나 2급수와 같이 화학적 산소요구량(COD)이 비교적 낮은 상수도 원수를 오존으로 고도 정화ㆍ처리하는 것은 가능하나 쓰레기 매립장의 침출수ㆍ고농도 축산폐수와 염색폐수ㆍ석유화학폐수ㆍ제지폐수 및 제당폐수와 같은 고농도 산업폐수를 오존으로 정화ㆍ처리하는 것은 거의 불가능한 실정이다.

또한, 종래의 경우 폐수 중의 극성 유기분자들을 잡아 집중 공격하는 포집수단이 없어서 이들 극성을 띄는 유기분자들이 도망가는 상태이므로 정화효율이 크게 떨어지는 등의 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 영구자석(永久磁石)의 표면에 제올라이트 분말층을 코팅시켜 제올라이트 분자체의 기공에 폐수 중의 유기분자나 중금속 착이온(Complex ion)들이 흡착되어 음이온들의 공격을 용이하게 하는 촉매작용 의하여 폐수의 정화처리효과를 상승시키는 것이 본 발명의 중요한 기술적 과제이다.

이와 같은 작용을 보다 효과적으로 설명하면 다음과 같다.

폐수의 유해분자 쌍극자(雙極子)들이 영구자석의 자력(磁力)에 의해 미세기공으로 유입되어 도망가지 못하게 흡착시킨 다음 음이온의 집중공격으로 산화ㆍ분해를 촉진시킬 수 있는 제올라이트가 코팅된 자석촉매를 제공함에 발명의 목적이 있다.

이와 같이 영구자석의 자력에 의하여 제올라이트 촉매의 기공에 흡착된 유기분자나 중금속착물들은 라디컬과 전자를 포함하는 음이온과 오존으로 버브링 시키면서 20,000Hz~40,000Hz의 초음파로 극렬하게 진동시켜 이들의 화학결합(Chemical bond)을 분해ㆍ산화시키게 된다.

이때, 초음파로 마이크로 믹싱(micro mixing)시킴으로써 폐수 중의 유기물이나 중금속 착이온(complexion)들과 라디컬ㆍ전자ㆍ음이온들이 수화된 물층(hydra-tion seath)을 벗어나게 하여 마치 공기 중에서 휘발성 유기물(VOC)이 음이온에 의하여 순식간에 산화 분해되는 것과 같이 물 속에서도 유기물이나 착이온 들을 신속히 산화ㆍ분해시켜 깨끗이 정화할 수 있는 폐수 처리방법을 제공함에 목적이 있다.

이 경우 제올라이트 코팅자석 촉매를 사용하여 이들 음이온의 산화분해력을 더욱 향상시킨 것이 본 발명의 장점이다.

이와 같은 반응조건에서 전해장치 또는 1㎒~1㎓의 고주파 펄스를 동시에 인가 작용시키면 앞에서 언급한 촉매작용과 수화층 파괴효과가 더욱 증가하여 고농도 산업폐수의 정화처리 효과는 더욱 상승하게 된다.

동시에 폐수 중의 유기물이나 착이온ㆍ음이온 및 전자들은 초음파와 고주파 펄스에 의하여 더욱 높은 에너지 상태로 활성화되어 폐수 중의 오염물질들이 신속히 산화ㆍ분해되어 CODㆍBODㆍSS의 제거는 물론 탈질ㆍ탈인ㆍ탈색 및 탈취에 특별한 효과를 나타내는 고도 폐수정화처리에 가장 적합하고 경제적인 폐수 처리방법을 제공하게 된다.

또한, 상기 폐수 처리방법들을 달성하는데 적합한 폐수 처리장치를 제공함에 목적이 있다.

본 발명에서 제올라이트가 코팅된 자석촉매는 본 발명인(출원인)이 앞서 출원한 바 있는 특허출원 제99-36738호(초음파 고밀도 플라즈마 폐수처리방법과 그 장치) 및 실용신안등록출원 제99-18378호(초음파 고밀도 플라즈마 폐수처리방법과 그 장치)와, 특허출원 제99-36992호(초음파와 고주파 펄스 결합 고밀도 플라즈마 폐수처리방법과 그 장치) 및 실용신안등록출원 제99-18494호(초음파와 고주파 펄스 결합 고밀도 플라즈마 폐수처리방법과 그 장치)에 적용할 수 있을 뿐 만 아니라 여타의 폐수 정화방법이나 폐수 정화장치에도 적용할 수 있음은 물론이다.

일반적으로 공기 중에서 고전압 저전류 직류방전으로 생성되는 플라즈마는 이온ㆍ라디컬ㆍ전자로 구성되어 있으며 코로나 방전에서는 산소 음이온(O₂ ^-)ㆍ오존 음이온(O₃ ^-)ㆍ하드록사이드 라디컬(OHㆍ)과 같은 음이온 및 라디컬과 전자가 주로 발생하므로 플라즈마 발생장치는 음이온 발생장치라 부르고, 스파크 방전에서는 오존(O₃)이 주로 발생하므로 플라즈마 발생장치를 오존발생장치라고 부른다.

한편, 산업폐수를 전해(전기분해)처리하면서 공기ㆍ산소 또는 오존이나 이들의 혼합가스를 버블링(bubbling)시키면 산업폐수의 색도ㆍ화학적 산소요구량(COD), 생물학적 산소요구량(BOD) 그리고 분산고체(SS)입자 등을 크게 저하시켜 산업폐수가 정화ㆍ처리된다.

상기 화합물이나 이들의 혼합물을 산업폐수에 넣고 공기ㆍ산소 및 오존이나 이들의 혼합가스로 버블링시키면 염소이온(Cl^－)의 산화로 인하여 차아 염소산 이온( ClO₂ ^－)ㆍ아 염소산이온(ClO₂ ^－)ㆍ염소산이온(ClO₃ ^－)ㆍ과 염소산 이온(ClO₄ ^－)이 발생되므로 폐수 내의 산소용해도가 크게 증가된다.

또한, 이와 같은 염소산 이온들을 포함한 폐수를 전기분해하면 이들 염소산 이온들로부터 높은 에너지를 가진 산소이온(O₂ ^－)들이 분리되어 나와 염료분자나 안료분자의 발색단이나 조색단을 공격하여 이들 분자들을 산화ㆍ분해하므로 폐수의 색도ㆍCODㆍBOD 및 SS 등이 저하되어 정화된다.

일반적으로 1급수나 2급수와 같이 화학적 산소요구량(COD)이 비교적 낮은 상수도 원수를 오존으로 고도 정화ㆍ처리하는 것은 가능하나 쓰레기 매립장의 침출수나 고농도 축산폐수와 염색폐수ㆍ석유화학폐수ㆍ제지폐수ㆍ제당폐수와 같은 고농도 산업폐수를 오존으로 정화ㆍ처리하는 것은 거의 불가능하다.

그러나, 라디컬과 전자를 포함하는 음이온이나 오존을 폐수 속으로 버브링 시키면서 20,000Hz~40,000Hz의 초음파를 이용하여 준 분자 수준으로 마이크로 믹싱 (micro mixing)시키면 폐수 중에 용해 및 수화되어 있는 유기물이나 중금속 착이온(complex ion)들과 라디컬ㆍ전자ㆍ음이온들은 수화된 물층(hydration seath)을 벗어나게 된다.

따라서, 마치 공기 중에서 휘발성 유기물(VOC)이 음이온에 의하여 순식간에 산화ㆍ분해되는 것과 같이 물 속에서 유기물이나 착이온들이 신속히 산화ㆍ분해된다.

이와 같은 사실은 높은 진동수를 가진 초음파가 앞에서 언급한 바와 같은 수화층 파괴로 인하여 수중에서 유사기상반응(gas like reaction)을 일으키게 하고 동시에 물 속의 유기물ㆍ착이온ㆍ음이온 및 전자들을 더욱 높은 에너지 상태로 활성화시키기 때문에 가능하게 된다.

그리고, 이와 같은 조건에서 양극과 음극 양쪽 전극을 모두 비활성 탄소전극으로 하고 일정한 주기로 극성을 바꾸면서 전기 분해를 하면 본 발명자가 기 발명한 산업폐수 연속전해 정화처리방법 및 그 장치(특허 제10-0188232호) 보다 매우 신속하게 폐수를 정화 처리할 수 있다.

이때, 전극의 극성을 주기적으로 변경하는 것은 양극으로 달라붙는 수중의 분산 슬러지를 제거시켜 양극에서 발생되는 과전압을 방지함으로써 전해 정화처리 효율을 상승시키기 위함이다.

이와 같은 폐수처리는 화학적 산소요구량(COD), 생물학적 산소요구량(BOD), 슬러지의 제거는 물론 탈질ㆍ탈인ㆍ탈색 및 탈취에 특별한 효과를 나타내게 되므로 폐수의 고도 정화처리에 가장 적합하고 경제적인 방법이다. 특히 전해장치가 부착된 이 폐수 처리장치는 색도가 높은 염색폐수의 색도 제거효과가 매우 높은 장점을 지니고 있다.

앞에서 언급한 바와 같은 폐수 처리원리와 장치에 제올라이트를 코팅한 자석촉매를 추가하면 초음파와 고주파 펄스에 의한 음이온의 폐수에 대한 마이크로 믹싱효과와 초음파와 고주파 에 의한 폐수 중의 수화된 유해 유기분자, 중금속착물 및 음이온의 수화층 파괴효과와 높은 에너지 준위로 여기효과에 추가하여 제올라이트 촉매 표면의 수 많은 기공에 유기분자 및 중금속착물의 흡착을 상승시키는 촉매효과로 인하여 음이온에 의한 이들 분자나 이온의 산화분해를 촉진시켜 고농도 산업폐수, 축산폐수 및 매립장 침출수의 정화처리 효과를 크게 향상시키는 폐수 처리방법과 그 장치의 개발이 본 발명에 이루고자 하는 기술적 과제이다.

또한, 브로아 압력이 증가된 공기를 이용하여 고밀도 플라즈마발생장치에서 생성된 음이온을 폐수 중으로 밀어 넣으면 음이온이 공급관 내벽에 충돌회수가 증가되어 음이온의 파괴로 인한 음이온의 손실을 일으키게 된다.

이와 같은 단점을 개선하기 위하여 벤츄리관과 수중펌프를 이용하여 음이온 공급관의 압력을 낮추어주면 음이온의 손실을 방지하고 동시에 음이온과 폐수의 초기 혼합정도를 상승시키게 되어 음이온에 의한 폐수 정화처리효율을 증가시키게 된다.

도 1 : 본 발명 자석촉매의 외관 사시도.

도 2 : 본 발명 자석촉매의 고정상태 평면도.

도 3 : 본 발명 자석촉매의 다른 실시 예 평면도.

도 4, 도 5, 도 6, 도 7 : 본 발명 자석촉매의 단면도.

도 8 : 본 발명의 사용 상태 단면도.

도 9 : 본 발명 다른 실시 예의 사용 상태 평면도.

도 10 : 본 발명의 사용 상태 단면도.

도 11 : 본 발명 고밀도 플라즈마 발생장치의 단면도.

도 12 : 본 발명 다른 실시 예의 사용 상태 평면도.

도 13 : 본 발명 또 다른 실시 예의 사용 상태 평면도.

도 14 : 본 발명 또 다른 실시 예의 사용 상태 단면도.

도 15 : 본 발명의 연속형 고밀도 플라즈마 폐수 처리장치의 단면 구성도.

도 16 : 본 발명 벤츄리관 부분 단면도.

도17, 도18 : 본 발명 초음파결합 고밀도 플라즈마 폐수처리장치의 흐름도.

＜ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ＞

(2)--자석촉매 (4)(22)--지지체

(6)--자석촉매판 (8)--지지부

(10)--연결부 (12)(26)--볼트

(14)(28)--너트 (16)--통공

(18)--관체 (3)(20)(60)--반응실

(24)--돌출부 (30)--중공

(32)--영구자석 (34)(36)--극판

(38)--마구리판 (40)--제올라이트층

(42)--미세기공 (44)(46)--스페이스

(48)--폐수 (50)--분해조

(52)--급수관 (54)--출수관

(56)--반응기 (58)--삼발이

(62)--유입관 (64)--유출관

(66)--에어스톤 필터 (68)--펌프

(70)--경사판 (72)--출구

(74)--보조 반응실 (76)--케이스

(78)--초음파 진동자 (80)(136)--보호 케이스

(82)(164)--초음파 밴드 (84)--고밀도 플라즈마 발생장치

(86)--급기관 (88)--급기팬

(90)--체크밸브 (94)--걸림부

(96)--통기공 (98)--하우징

(100)(102)(104)(106)--절연링 (108)--덮개링

(110)--음극관 (112)--음극판

(114)--통기공 (116)--양극봉

(118)--양극판 (120)(122)--급전선

(124)--통기공 (126)--방전칩

(128)(128a)--방전홀 (130)--제습장치

(132)--전열히터 (134)--온도스위치

(138)--격리조 (140)(142)--드레인 밸브

(144)--전해전원 (146)--양극

(148)--음극 (150)--극성 교번장치

(152)--고주파 펄스전원 (154)--멀티전극

(156)--연속형 고밀도 플라즈마 폐수 처리장치

(158)--슬러지 제거장치 (160)--예비 분해조

(162)--배기구 (168)(170)--1, 2차 분해조

(170)--응집제 자동 투입기 (174)--급기팬

(176)--버블링 장치 (178)--응집조

(180)--알칼리 투입조 (182)--드레인 밸브

(184)--pH 조정조 (186)(188)(190)(192)--배수관

(194)--분사공 (196)(198)--수위조절장치

(200)--수중펌프 (202)--음이온 유도용 벤츄리관

(204)--원통체 (206)--급수관

(208)--흡수관 (210)(212)--병목부

(214)--관체 (216)--밸브

(218)--급수 깔대기

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하고자 한다.

종래의 폐수처리장치는 폐수 중의 극성 유기분자나 중금속착이온들을 촉매 표면에 효과적으로 흡착시켜 음이온이 이들 분자나 착이온을 분해ㆍ산화시키는 촉매물질을 코팅한 자석촉매 수단이 없어서 이들 극성을 띄는 유기분자나 이온들이 도망가는 상태이므로 정화효율이 크게 떨어지는 편이었으나 본 발명에서는 표면에 무수한 기공이 형성되고 복수 개의 영구자석으로 구성되는 제올라이트 코팅자석 촉매판을 구성함으로써 폐수 중의 극성 유기분자나 중금속착이온들이 자력(磁力)에 의해 무수한 기공으로 유도 흡착되어 음이온이 효과적으로 이들 유해 유기분자나 중금속이온들을 산화ㆍ분해시켜 전해 또는 고주파 펄스를 인가하거나 이들을 혼용한 방법으로 폐수를 처리하게 된다.

도 1은 폐수 정화장치의 반응실 내부에 설치하는 본 발명 제올라이트가 코팅된 자석촉매(2)의 외관 사시도로, 지지체(4)의 외면에 복수 개의 자석촉매판(6)을 적당한 간격으로 용접시켜 일체형으로 구성하거나, 도 2와 같이 지지체(4)의 외면에 지지부(8)을 적당한 간격으로 돌출 형성하고, 자석촉매판(6)의 일측으로 한 쌍의 연결부(10)를 돌출 형성한 다음 볼트(12)ㆍ너트(14)와 같은 체결수단으로 착ㆍ탈 가능하게 결합하여 자석촉매판(6)의 수리나 교환이 쉽도록 한다.

상기에서 지지체(4)는 직경이 작은 경우 속이 들어찬 봉체로 구성할 수 있으며, 지지체(4)의 외경이 다소 큰 경우 도 1과 같이 지지체(4)의 중앙부에 통공(16)을 형성하여 음이온 및 오존발생장치와 연결되어 음이온 및 오존이 배출되는 관체(18)를 끼워 설치하거나, 자석촉매(2)의 앞부분에 상기 관체(18)를 설치하여 음이온 및 오존 접촉효율을 향상시키도록 한다.

또한, 폐수 정화장치의 반응실(3) 단면형상이 원형이거나 원형에 가까운 경우 도 1과 같은 자석 촉매판(6)을 사용하면 되나, 도 3과 같이 폐수 정화장치의 반응실 단면형상이 사각형이나 사각형에 가까운 경우 반응실(20)의 형상에 부합하는 사각형 지지체(22)의 외면에 자석촉매판(6)을 일체형으로 고정하거나 사각형 지지체 (22)의 외면에 복수 개의 돌출부(24)를 형성한 다음 복수 개의 자석촉매판(6)을 볼트(26)ㆍ너트(28)와 같은 체결수단으로 고정시켜 폐수 중의 극성분자를 포집할 수 있게 구성하면 될 것이다.

상기에서 지지체(22)의 내부에 중공(30)을 형성하여 유속저항을 방해하지 않도록 함이 바람직하며, 사안에 따라서는 중공(30)에 수중펌프를 설치하여 폐수의 순환과 정화효율을 촉진시킬 수 있을 것이다.

상기에서 반응실(3)(20)(60)의 크기 또는 정화처리량에 따라 자석촉매(2)의 크기를 가감하거나 한 개 이상의 자석촉매(2)를 길이방향 또는 폭 방향으로 설치하면 될 것이다.

도 4 내지 도 7은 상기 자석 촉매판(6)의 단면 구성도로, 도 4와 같이 복수 개의 영구자석(永久磁石)(32)을 적당한 간격으로 배열시킨 다음 영구자석(32)의 양측면에 내화학성과 자성을 띄는 금속 이를테면 자성을 띄는 스텐레스 금속판을 영구자석(32)의 자력 또는 접착제로 접합시킨 다음 수밀 유지되게 용접시켜 도 5와 같이 평면적이 비교적 큰 N극판(34)과 S극판(36)을 대향 설치하고, N극판(34)과 S극판 (36) 및 마구리판(38)의 전체표면에 에폭시와 같은 접착제를 도포한 다음 접착제가 경화되기 전에 약 200메쉬(mesh) 전ㆍ후의 미세 크기로 분말화 된 제올라이트를 충분한 두께로 골고루 뿌린 다음 경화시켜 폐수 중의 유해 유기분자나 중금속 착이온이 들어 갈 수 있는 크기의 미세기공(42)이 무수히 형성된 제올라이트층(40)을 형성하여 자석 촉매판(6)을 구성하도록 한다.

상기에서 제올라이트는 약 200메쉬 전ㆍ후의 크기이므로 공극과 공극들 사이에 미세한 크기의 기공이 무수히 형성되므로 폐수 중의 유기분자나 착이온들이 흡착될 수 있는 제올라이트 표면이 형성되며, 영구자석(永久磁石)의 자력(磁力)에 의해 극성 분자나 이온들이 상기 미세기공으로 쉽게 유도 흡착되어 도망할 수 없게 흡착된다.

따라서, 폐수 중의 극성을 띈 분자나 이온들이 자력(磁力)에 의해 상기 미세기공(42)으로 흡착되어 도망가지 못하도록 흡착되면 음이온과 오존으로 집중 공격하도록 라디컬과 전자를 포함하는 음이온과 오존을 버브링시키면서 20,000㎐~40,000㎐의 초음파로 극렬하게 진동시키거나 상기 초음파와 전해장치 또는 상기 초음파와 1㎒~1㎓의 고주파 펄스를 인가시켜 준 분자 수준으로 마이크로 믹싱(micro mixing)시킴으로써 폐수 중으로 고밀도의 음이온이 용해하여 수화되어 있는 유기물이나 중금속 착이온(complexion)들과 라디컬ㆍ전자ㆍ음이온들은 수화된 물층(hydration seath)을 벗어나게 되고, 고주파 펄스가 수화층을 파괴하여 수중에서 유사기상반응 (gas like reaction)을 일으켜 이온이나 극성 유기분자들이 수화층을 벗어나게 함으로써 마치 공기 중에서 휘발성 유기물(VOC)이 음이온에 의하여 순식간에 산화ㆍ분해되는 것과 같이 물 속에서 유기물이나 착이온ㆍ음이온 및 전자들을 더욱 높은 에너지 상태로 활성화시켜 오염물질들을 신속히 산화ㆍ분해시킴으로써 CODㆍBODㆍSS의 제거는 물론 탈질ㆍ탈인ㆍ탈색 및 탈취에 특별한 효과를 나타내는 폐수 고도정화처리에 가장 적합하다.

한편, 영구자석(32)을 배열(배치)할 때 도 4와 같이 영구자석(32) 만으로 배열할 수 있으나 도 6 도 7과 같은 철금속 또는 비철금속으로 가공된 스페이스(44) (46)를 이용하여 영구자석(32)의 균일한 배열을 유지하고 유동을 방지할 수 있어서 자석 촉매판(6)의 균일한 자장을 유지할 수 있으므로 바람직하며, 상기 스페이스 (44)(46)를 자성체 재질로 배열시킬 경우 자석 촉매판(6)의 자장 균일도와 강도가 더욱 향상되어 극성분자나 이온들의 흡착효과를 크게 증가시켜 제올라이트 코팅 자석촉매 효과를 크게 상승시킬 수 있을 것이다.

따라서, 물(H₂0)ㆍ암모니아 이온(NH₄ ⁺)ㆍ페놀 등과 같은 극성 유기분자들이 자석판(34)(36)의 자력(磁力)에 의해 제올라이트(40)에 형성된 미세기공(42) 사이로 들어가 흡착되며, 미세기공(42)에 흡착 고정된 극성 유기분자들을 음이온으로 공격하여 산화분해를 촉진시키게 된다.

예컨데, 제올라이트 코팅 자석 표면에 흡착된 암모니움 이온(NH⁺ ₄)은 초음파 진동 또는 고주파 펄스에 의하여 다음 반응식(1)과 같이 NH₄ ⁺이온은 물분자(H₂0)에 프로톤(H⁺)을 주어 하이드로니움(H₃ ⁺0)을 생성시키고 자신은 극성인 암모니아 분자(NH₃)가 되어 다시 제올라이트 촉매의 미세기공(42)에 흡착되어 초음파 진동에너지와 수화층을 벗어난 음이온의 공격으로 N - H 결합이 끊어져서 다음 반응식(2)와 같이 질소가스(N₂(g))와 수소가스(H₂(g))로 분해되어 암모니아성 질소(NH₃-N)로 정화 처리된다.

NH₄ ⁺+ H₂0 → NH₃+ H₃ ⁺0 ----------------(1)

2NH₃(g) → N₂(g) + 3H₂(g) --------------------(2)

한편, 반응기(6)의 케이스(12) 상부에는 고밀도 플라즈마 발생장치(34)를 설치하여 대량의 음이온과 소량의 오존이 폐수(4) 중으로 용존되게 함으로써 폐수(4)가 효과적으로 정화 처리되도록 한다.

도 8은 본 발명의 사용상태 단면도로, 폐수(48)가 담수되는 분해조(50)는 처리용량에 따라 적당한 크기의 콘크리트 구조물 또는 내 화학성의 원통형상이나 다각형상의 금속 구조물로 형성되며, 분해조(50)의 양측으로 밸브를 갖는 폐수 급수관(52)과 밸브를 갖는 폐수 출수관(54)이 설치된다.

분해조(50)의 내부 또는 외부에 설치하는 반응기(56)는 좌ㆍ우측에 위치하는 한 쌍의 삼발이(58)를 이용하여 분해조(50)에 반 잠수식으로 설치하거나 도 9와 같이 분해조(50)의 바깥측에 설치하도록 하고, 반응기(56)의 반응실(60) 양측에는 처리대상 폐수(48)가 유입되는 유입관(62)과 정화처리 된 폐수(48)가 배출되는 유출관 (64)을 분해조(50)에 잠기거나 연결되도록 설치하고, 반응기(56)와 반응실(60)의 양측은 상기 유입관(62)과 유출관(64)으로 향할수록 점차적으로 좁아지도록 형성한다.

상기에서 삼발이(58)를 이용하여 반응기(56)를 반 잠수식으로 설치하는 경우 유입관(62)의 말단부와 유출관(64)의 말단부는 분해조(50)으로 바닥으로부터 10㎝ 가량 이격시켜 분해조(50)와의 접촉 충격을 방지하도록 하고, 또한 반응기(56)의 무게중심을 낮추거나 체결수단을 이용하여 삼발이(58)에 고정함으로써 반응기(56)의 회전이나 유동을 방지하도록 한다.

또한, 도 9와 같이 반응기(56)를 분해조(50)의 바깥에 설치하는 경우 분해조 (50)의 상부에 동력원과 동력전달장치에 의해 구동하는 스크레이퍼를 설치하여 분해조(50)의 상부로 부상하는 거품과 같은 류의 부유물질이나 슬러지를 제거하도록 한다.

상기 유입관(62)과 유출관(64)은 금속튜브 보다는 나이론과 같은 합성수지로 형성하여 음이온의 파괴나 수명단축을 방지하도록 하고, 유입관(62)에는 에어스톤 필터(66)와 펌프(68)를 설치하여 분해조(50)의 폐수(48)가 여과된 다음 펌프(68)에 의해 반응실(60)로 유입되어 정화 처리되고, 정화 처리된 폐수는 분해조(50)로 배출되는 과정을 반복하면서 순환되도록 하고, 반응실(60)의 입구 부분에는 복수 개의 경사판(70)을 고정시켜 반응실(60)로 유입되는 폐수(48)가 소용돌이형으로 와류(준 폭기 상태)되게 함으로써 효과적인 반응이 이루어지도록 한다.

점차적으로 좁아지는 반응기(56)의 출구(72)와 유출관(64) 사이에는 반응실 (60)보다 작은 크기의 보조 반응실(74)을 형성하여 고밀도의 음이온이 잠시동안 체류되게 함으로써 반응실(60)에서 정화 처리된 폐수(48)가 보조 반응실(74)로 이동하여 또 한 번의 반응에 의해 충분히 정화될 수 있도록 한다.

상기에서 출구(72) 부분과 유출관(64) 부분의 단면적 크기가 보조 반응실 (74)의 단면적에 비하여 휠씬 협소하므로 반응실(60)로부터 유입되는 폐수(48)가 와류되어 폭기되며, 반응기(56)의 케이스(76) 단면형상은 초음파의 손실없이 고정할 수 있으면 원통형이더라도 상관없으나 원통형에 가까운 다각형 예컨데 도 10과 같이 초음파 진동자(78)를 밀착시켜 고정할 수 있도록 12각형 전ㆍ후의 다각형 구조로 형성함이 바람직하다.

다각형 케이스(76)의 외면마다 20,000Hz~40,000Hz의 초음파가 발생되는 복수 개의 초음파 진동자(78)를 고정한 다음 보호케이스(80)를 덮어씌워 초음파 밴드(82)를 구성하도록 하고, 초음파 밴드(82)는 반응기(56)의 길이나 크기를 감안하여 1개 이상의 복수 개로 설치하도록 한다.

상기에서 초음파 진동자(78)로 부터 발생되는 초음파는 다각형 케이스(76) 구조에 의해 도 10과 같이 반응실(60)의 중심점으로 집중되게 함으로써 중앙으로 갈수록 초음파의 밀도가 높아지고 진동효과가 증폭되며, 20,000Hz~40,000Hz의 초음파에 의해 폐수(48)가 극렬하게 진동하면서 준 분자 상태로 분리된다.

또한, 반응실(60)의 내부에는 지지간(2a)을 이용하여 한 개 또는 그 이상의 자석촉매(2)를 설치하도록 한다.

따라서, 앞에서 언급한 바와 같은 폐수 처리원리와 장치에 제올라이트를 코팅한 자석촉매 및 초음파와 고주파 펄스와 음이온이 폐수에 대한 마이크로 믹싱효과와 초음파와 고주파에 의한 폐수 중의 수화된 유해 유기분자, 중금속착물 및 음이온의 수화층 파괴효과와 높은 에너지 준위로 여기효과에 추가하여 제올라이트 촉매 표면에 수 많은 기공에 유기분자 및 중금속착물의 흡착을 상승시키는 촉매효과로 인하여 음이온에 의한 이들 분자나 이온의 산화분해를 촉진시켜 고농도 산업폐수, 축산폐수 및 매립장 침출수의 정화처리 효과를 크게 향상시키게 된다.

또한, 폐수(48) 중에 용해 및 수화되어 있는 유기물이나 중금속 착이온 (complexion)들과 라디컬ㆍ전자ㆍ음이온들은 수화된 물층(hydration seath)을 벗어나 마치 공기 중에서 휘발성 유기물(VOC)이 음이온에 의하여 순식간에 산화 분해되는 것과 같이 폐수(48) 중의 유기물이나 착이온들이 신속히 산화ㆍ분해되므로 폐수(48)가 깨끗이 정화된다.

케이스(76)의 상부에는 고밀도 플라즈마 발생장치(84)를 설치하여 반응실 (60)로 음이온 및 오존이 공급되게 한다.

상기 고밀도 플라즈마 발생장치(84)의 입구 부분에는 도 1과 같이 급기관 (86)을 설치하고, 급기관(86)에는 2 ~ 5기압으로 불어넣는 공기의 급기량을 조정할 수 있는 급기팬(88)과, 공기의 역류를 방지하는 체크밸브(90)와, 불순물 유입을 방지하는 전기집진 또는 바이오 집진필터(92)를 설치하여 여과된 공기가 역류함이 없이 공급되면서 고밀도의 음이온과 소량의 오존이 발생되어 폐수(48) 중으로 용존되게 한다.

상기에서 고밀도 플라즈마 발생장치(84)는 폐수(48)의 상수면으로부터 다소 높게 설치하여 절연을 유지하도록 한다.

도 11은 상기 고밀도 플라즈마 발생장치(84)의 단면 구성도로, 걸림부(94)와 큰 직경의 통기공(96)을 갖는 하우징(98)을 케이스(76)에 끼워 고정하고, 하우징 (98)의 내부에 복수 개의 세라믹 절연링(100)(102)(104)(106)을 적층시킨 다음 덮개링(108)으로 덮어 고정하도록 한다.

하부 절연링(100)의 단턱부에는 복수 개의 음극관(110)이 체결되는 음극판 (112)을 끼워 설치하고, 또 다른 절연링(104)의 단턱부에 복수 개의 통기공(114)이 형성되고, 또한 복수 개의 양극봉(116)이 체결되는 양극판(118)을 끼워 양극판 (118)과 음극판(112)이 하우징(98)내에서 간격과 절연이 유지되도록 한다.

음극판(112)과 양극판(118)에는 고전압부(HV)가 연결된 급전선(120)(122)을 접속하고, 음극관(110)의 내부에는 음극관(110)의 내경보다 비교적 작은 외경을 갖는 양극봉(116)을 결합하되 양극봉(116)과 음극관(110)이 서로 접촉하지 않도록 이격 설치하여 그 사이에 통기공(124)을 형성하고, 고전압부(HV)는 상용전원을 3,000V∼25,000V 전압과 수 ㎃에서 수 A의 전류로 승압한 다음 양극판(118)과 음극판(112)으로 각각 공급시켜 코로나 방전에 의한 플라즈마가 발생되도록 한다.

한편, 양극봉(116)의 끝 단부는 끝이 첨예하게 뽀족한 침상의 플라즈마 방전칩(126)을 형성하도록 하고, 방전칩(126)이 위치하는 음극관(110)의 하부에는 복수 개의 방전홀(128)을 좁은 간격으로 빙둘러 형성하고, 음극관(110)의 하단부는 양극봉(116)보다 다소 하향 돌출시켜 가운데 부분에 위치하는 방전홀(128a)을 중심하여 상ㆍ하로 코로나 방전이 발생되게 함으로써 고밀도의 플라즈마와 플라즈마의 작용에 의한 고밀도의(대량의) 음이온 및 소량의 오존(O₃)을 얻을 수 있도록 한다.

상기의 경우 종래 방법에 비하여 음이온과 오존의 발생율이 30이상 향상된다. 방전홀(128)은 음극관(110)에 전체적으로 설치할 수 있으나 전하(電荷)의 집중이 분산되어 방전효율이 떨어질 수 있으므로 방전전하(放電電荷)가 집중 분포되는 방전칩(126)의 주변에 설치하도록 한다.

또한, 방전홀(128)의 방전부분은 90°전후의 각도를 이루는 모서리 구조이므로 이 또한 방전전하가 집중 분포하게되며, 따라서 코로나 방전효율이 극대화되고 이에 따라 고밀도(高密度)의 플라즈마가 발생되며, 플라즈마의 작용에 의해 공기가 음 이온화 및 오존화 되면서 배출된다.

상기에서 2기압 내지 5기압의 압송공기에 의해 강력한 코로나 방전과 폐수(48)의 폭기가 이루어지며, 끝 부분이 첨예하게 가공되는 방전칩(126)은 석출(용출) 및 마모에 의해 수명이 짧아질 수 있으므로 도전성 산화방지 물질로 형성하거나 또는 그 표면에 도포하여 산화피막을 형성함으로써 플라즈마 방전칩(126)의 수명을 연장시키도록 한다.

또한, 코로나 방전에 의해 방전열이 발생되더라도 도시안된 공기압 공급원에 의해 통기공(96)(114)(124)으로 다량의 공기가 공급되므로 양극봉(116)과 음극관 (110)의 과열이 방지되며, 또한 통기공(124)을 흐르는 공기의 유속에 의해 음극관 (110)의 내ㆍ외부간에 기압차가 발생하므로 양극봉(116)의 외부에 위치하는 공기가 방전홀(128)을 통하여 통기공(124)의 내부로 유입되므로 양극봉(116)과 음극관 (110)의 방열이 잘 이루어진다.

양극봉(116), 음극관(110), 양극판(118), 음극판(112) 및 방전칩(126)의 재료는 몰리브덴, 텅스텐, 니켈, 백금 또는 니켈, 몰리브텐, 구리 등과 같이 내열성과 내산성 및 도전성이 우수한 합금을 이용하여 형성하도록 하고, 양극봉(116)과 음극관(110)이 고정되는 양극판(114) 및 음극판(112) 또한 상기와 같은 재질로 형성하여 내열성, 내산성 및 도전성(導電性)이 우수하면서 열팽창 계수가 같도록 한다.

상기 고밀도 플라즈마 발생장치(84)는 처리용량이나 반응실(60)의 크기에 따라 1개 이상 복수 개로 설치할 수 있다.

한편, 고밀도 플라즈마 발생장치(84)는 체크밸브(90)에 의해 반응실(60)의 폐수 역류가 방지되지만 증발수 및 습기에 의해 양극봉(116)과 음극관(110)이 전기적으로 단락(short circuit)될 수 있으므로 도 11과 같은 류의 제습장치(130)를 설치하도록 한다.

즉, 양극봉(116)과 음극관(110)이 위치하는 부분의 케이스(76) 외면에 절연이 유지되는 전열히터(132)를 빙둘러 감고, 케이스(76)의 표면에 온도스위치(134)를 설치한 다음 도시안된 스위치에 의해 전원이 공급되는 상기 전열히터(132)를 직렬 연결하고 보호케이스(136)를 덮어씌워 고밀도 플라즈마 발생장치(84)를 초기 동작시킬 때 고밀도 플라즈마 발생장치(84)를 150℃~300℃로 가열시켜 제습할 수 있도록 한다.

따라서, 양극봉(116)과 음극관(110) 사이로 침투하거나 침투한 증발수 및 습기를 제거시켜 고밀도 플라즈마 발생장치(84)의 전기적인 단락이나 고장이 방지된다.

도 12는 본 발명 다른 실시 예의 단면도로, 반응실(60)의 내부에 원통형이나 다각형 구조의 격리조(138)를 설치하여 고밀도 플라즈마 발생장치(84)에 의해 발생되는 음이온 및 오존이 출구(72) 부분에서 폐수와 용존되게 함으로써 고밀도 플라즈마 발생장치(84)의 전기적인 단락을 효과적으로 방지할 수 있으며, 이때 초음파 밴드(82)는 격리조(138)의 외면에 설치함이 바람직하다.

본 발명에서 케이스(76)와 케이스(76), 케이스(76)와 고밀도 플라즈마 발생장치(84) 사이에 플렌지 구조로 연결하여 수리나 이동 및 조립을 분해ㆍ조립할 수 있게 하고, 반응실(60)과 보조 반응실(74)의 하부에 드레인 밸브(140)(142)를 설치하여 침전물이나 청소 할 때 이용할 수 있도록 한다.

도 13은 본 발명 또 다른 실시 예의 단면도로, 반응실(60)의 내부에 전해전원(144)이 공급되는 양극(146)과 음극(148)으로 구성되는 한 쌍 이상의 전해전극을 설치하여 폐수(48)를 전해 처리할 수 있도록 한 것이다.

상기에서 양극(146)과 음극(148)은 모두 비활성 탄소전극으로 하고 급전선의 중간에 극성 교번장치(150)를 설치하여 일정한 주기마다 극성을 바꾸어 주면서 전기 분해하면 본 발명자가 기 발명한 산업폐수 연속전해 정화처리방법 및 그 장치(특허 제10-0188232호) 보다 매우 신속하게 폐수를 정화 처리할 수 있다.

상기에서 탄소전극은 봉형상으로 구성할 수도 있으나 표면적이 넓은 평면형상으로 구성하여 전해효율을 향상시키도록 한다.

이때, 극성 교번장치(150)를 이용하여 전극(146)(148)의 극성을 2분 내지 10분 주기로 주기적으로 변경하는 것은 양극(146)으로 달라붙는 수중의 슬러지를 제거하고 양극(146)에서 발생되는 과전압을 방지함으로써 전해 정화 처리효율을 상승시키기 위함이며, 상기의 경우 초음파에 의해서도 슬러지가 전극(146)(148)으로 달라붙는 현상이 상당히 억제된다.

도 14는 본 발명의 또 다른 실시 예의 단면도로, 상기 전극(146)(148) 대신 고주파 펄스전원(152)이 인가되는 멀티전극(154)을 설치하여 고주파 펄스가 수화층을 파괴시켜 수중에서 유사기상반응(gas like reaction)이 일어나 이온이나 극성 유기분자들이 수화층을 벗어나게 함으로써 마치 공기중에서 휘발성 유기물(VOC)이 음이온에 의하여 순식간에 산화ㆍ분해되는 것과 같이 물속에서도 유기물이나 착이온ㆍ음이온 및 전자들을 더욱 높은 에너지 상태로 활성화시켜 신속히 산화ㆍ분해 시키게 된다.

도 15는 본 발명 다른 실시 예로 제시한 연속형 고밀도 플라즈마 폐수 처리장치(156)의 밀집 구성도로, 반응기(56)를 삭제하는 대신 스크레이퍼에 의한 슬러지 제거장치(158)가 설치된 예비 분해조(160)와, 고밀도 플라즈마 발생장치(84)의 배기구(162)가 투입 설치되고 상ㆍ하 한 쌍의 초음파 밴드(164)와 제올라이트 코팅에 의해 무수한 기공이 형성된 자석촉매(2)가 상ㆍ하로 설치되는 1, 2차 분해조(168) (170)와, 응집제 자동 투입기(172)와 급기팬(174)과 버블링 장치(176)가 설치된 응집조(178)와, 산 또는 알칼리 투입조(180)와 드레인 밸브(182)와 유출관(64)을 갖는 pH 저장조(184)를 단일구조의 셀(방)별로 구분 설치하고, 예비 분해조(160)와 1, 2차 분해조(168)(170)와 응집조(178)와 pH 저장조(184)는 절곡형 배수관(186)(188) (190)(192)을 이용하여 폐수(48)가 옆에 위치하는 셀로 이동되게 한 것으로 제작비를 줄이고, 최소공간을 점유할 수 있도록 한 것이다.

뿐만 아니라 이 장치는 연속적으로 폐수 처리가 가능한 연속형 고밀도 플라즈마 폐수 처리장치이므로 불연속적인 배지형(badge type) 장치보다 폐수처리 효과가 매우 높고, 자동화가 가능한 장치이다.

1, 2차 분해조(168)(170)에는 전해전극 또는 고주파 펄스전원이 공급되는 멀티전극을 설치하여 앞서 기술한 바와 같은 작용ㆍ효과를 얻을 수 있다.

그리고 응집조(178)에서는 무기 응집제(황산 알미늄, 염화제2철, PAC)와 유기 응집제(음이온 또는 양이온 유기 응집제)를 적당량 가하여 급기팬(174)을 이용하여 가압 부상시킨 다음 예비 분해조(160)와 같은 방법으로 스크레이퍼를 갖는 슬러지 제거장치(158)를 설치하여 슬러지를 걷어내도록 한다.

또한, 상기 응집조(178)에는 슬러지 제거장치와 초음파 진동장치와 버브링 장치를 설치하여 폐수(48)를 정화 처리할 때 슬러지를 경사 상태의 스크레이퍼를 이용하여 쉽게 제거할 수 있도록 한다.

버브링 장치(176)는 양측면과 상부면으로 좁은 간격의 분사공(194)이 형성된 관체를 응집조(178)의 바닥에 설치하여 외부의 공기가 폐수(48) 중으로 버블링되게 함으로써 슬러지를 가압 부상시켜 스크레이퍼로 제거하도록 한다.

또한, pH 조정조(184)에서는 산(HCℓ, H₂SO₄), 알칼리(NaOH 가성소다)를 사용하여 pH를 7~8로 조정한다. 이렇게 처리한 처리수는 유출관(64)을 통하여 미생물 반응조로 이송시켜 연계 처리한 다음 방류하면 된다.

따라서, 스크레이퍼를 이용하여 슬러지나 거품 등을 효과적으로 걷어내기 위해서는 수위조절이 정확해야 한다.

그러므로 예비 분해조(160)와 응집조(178)의 절곡형 배수관(186)(192)에는 통상의 수위조절장치(196)(198)를 각각 설치하여 예비 분해조(160)와 응집조(178)의 수위를 슬러지의 상태 및 높이 등에 따라 정확히 조절할 수 있게 한다.

한편, 브로아 압력이 증가된 공기를 이용하여 고밀도 플라즈마발생장치(84)에서 생성된 음이온을 폐수(48) 중으로 밀어 넣으면 음이온이 공급관 내벽에 충돌회수가 증가되어 음이온의 파괴로 인한 음이온의 손실을 일으키게 된다.

따라서, 상기의 문제점을 해소하기 위하여 본 발명에서는 제1, 2차 분해조 (168)(170)에 설치되는 배기관(162)의 중간에 도 16과 같이 수중펌프(200)를 갖는 음이온 유도용 벤츄리관(202)을 설치하여 음이온 공급관의 압력을 낮추어주도록 함으로써 음이온의 손실을 방지하고 동시에 음이온과 폐수의 초기 혼합정도를 상승시키게 되어 음이온에 의한 폐수 정화처리효율을 증가시키도록 한다.

즉, 고밀도 플라즈마 발생장치(84)의 배기관(162)이 연결되는 원통체(204)의 상ㆍ하부에 급수관(206)과 흡수관(208)을 수밀유지되게 설치하고, 흡수관(208)에는 전원이 공급되는 수중흡기펌프(200)를 설치하고, 급수관(206)과 흡기관(208)의 서로 마주보는 부분에는 내경이 점차적으로 좁아지는 병목부(210)(212)를 각각 형성하되 급수관(206)의 병목부(210)가 급수관(208)의 병목부(212)보다 그 내경이 작도록 구성함으로써 음이온 공급관인 배기관(162)의 감압효과에 의해 폐수 중으로 고스란히 용존되게 함으로써 음이온이 공급관 내벽에 충돌회수가 거의 없어져 음이온이 파괴되는 현상을 방지하도록 한 것이다.

급수관(208)에 연결되는 관체(214)에는 밸브(216)와 급수 깔대기(218)를 설치하여 초기 기동시에 급수할 수 있도록 한다.

상기 벤츄리관(202)은 수중펌프(200)의 사양이나 처리용량의 크기에 따라 그 크기가 달라질 수 있음은 물론이다.

도 17은 본 발명 초음파 결합 고밀도 플라즈마 폐수 처리장치의 폐수처리 흐름도이다. 여기서 예비 분해조는 오존 발생기, 초음파 발생기와 스크레이퍼 (scraper)가 부착되어 있다.

이 예비 분해조에서는 앞에서 언급한 바와 같이 초음파에 의하여 폐수 중에 용해되어 있는 유기화합물, 중금속 착이온과 오존분자들이 수화층을 벗게되고, 동시에 높은 에너지 상태로 활성화되므로 오존에 의한 유기분자와 착이온 산화 분해되는 효과가 크므로 쓰레기 매립장 침출수와 고농도 축산폐수 등의 COD, BOD, SS, T - N, T - P 저감율이 양호하고, 탈색과 탈취 효과가 매우 높다.

그리고 스크레이퍼로 슬러지를 걷어내므로 앞의 분자 분해 잔유물이 응집하여 발생되는 SS의 저감율도 큰 편이다. 1차 분해조는 음이온 발생기와 초음파 발생기가 부착되어 있으므로 예비 분해조와 같은 효과를 나타내고 있으나 라디컬을 포함한 음이온이 폐수 중의 유기물과 착이온을 공격하여 산화 분해시키는 점만 다를 뿐이다.

1차 분해조에서 생성되는 슬러지는 예비 분해조와는 달리 황산 알미늄, 염화 제2철, PAC와 같은 무기 응집제 또는 이온성 유기 응집제 등으로 응집 침전시키거나 가압 부상시킨다. 2차 분해조는 1차 분해조와 같은 구조를 하고 있다.

따라서, 그 기능도 1차 분해조와 동일 하나 다만 같은 분해과정을 한번 더 반복하여 폐수 처리효율을 증가시키는데 그 목적이 있다.

1차 분해조와 2차 분해조를 거치는 동안 고농도 침출수나 축산폐수 중에 포함된 미생물에 극히 유해한 페놀과 그 유도체, 중금속 이온 등은 70~90이상 제거되므로 염산과 가성소다 등의 산, 알카리를 투입하는 PH 조정조에서 pH를 7~8로 맞춘 다음 고 다공성 메디아에 미생물을 고밀도로 착생시킨 고밀도 미생물 반응조를 거치면 95이상의 정화 효과를 나타내게 된다.

이 고밀도 미생물 반응조를 거친 처리수에 1차 침전조에서 사용하는 약품들을 투입하여 침전 후 활성탄 흡착조에서 SS를 흡착 처리하고 다음 단계로 중공사막 필터나 RO(역삼투) 극미세 여과를 거치면 폐수처리의 궁극적인 목적인 폐수를 처리하여 재사용할 수 있으며, 오로지 증발이나 손실되는 양의 물만 보충하고 폐수 처리수를 전혀 방류하지 않는 소위 무방류 폐수처리가 가능하게 된다.

도 18은 도 17의 흐름도 과정에서 2차 분해조를 생략하고 고밀도 미생물 반응조를 일반 미생물 반응조로 대체한 것으로, 활성탄 흡착조를 거친 처리수를 방류시키도록 한다. 이 경우 방류수의 수질은 매우 양호하며 무색, 무취 및 탈질(탈질소)과 탈인도 95이상인 방류수가 된다.

본 발명은 도 17과 도 18에서 고밀도 미생물 처리와 일반 미생물 처리의 전처리에서 현재까지 가장 효과가 뛰어난 물리 화학적 폐수 처리방법으로 그 시험결과는 다음 표 1과 같다.

표 1 쓰레기 매립장 침출수 파일롯트 플랜트 실험결과

(단위 :㎎/ℓ)

구분 항목	C O D	B O D	S S	(총질소)T-N	(총-인)T-P
원 수	1,857.0	3,820.0	4,330.0	1,240.0	97.5
예비분해처리수	831.9	1,210.0	220.8	954.8	9.1
제 거 율 ()	55.2	68.3	94.9	23.0	90.7
1차분해처리수	196.8	378.2	95.3	722.9	1.1
제 거 율 ()	89.4	90.1	97.8	41.7	98.9
2차분해처리수	90.1	190.5	56.3	222.0	0.2
제 거 율 ()	95.2	95.0	98.7	82.1	99.8

상기 표 1에서 보는 바와 같이 COD=1,857.0ppm, BOD=3,820.0ppm, SS= 4,330.0ppm, T - N=1,240.0ppm, T - P=97.5ppm인 침출수를 예비분해 처리한 후의 제거율은 COD=55.2, BOD=68.3, SS=94.9, T - N=23.0, T - P=90.7이다.

그러나 1차 분해 처리수는 T - N의 제거율 41.7를 제외한 나머지 수 처리항목의 데이터는 89.4에서 98.9에 이른다. 그런데 2차분해 처리수의 제거율은 T - N=82.1를 제외하고 모든 수 처리 항목의 데이터는 95를 상회하고 있다.

T - N=82.1는 현재까지 실행되고 있는 모든 폐수처리 가운데서 가장 제거율이 높은 수치이다. 여기서 우리는 제올라이트 코팅자석 촉매를 이용한 초음파 결합 고밀도 플라즈마 폐수처리 방법의 장점과 우수성을 입증하게 된다. 뿐만 아니라 이 장치는 운전이 매우 간단하고, 계절에 따른 온도의 영향을 받지 않는 장점도 지니고 있다.

한편, 고밀도 플라즈마 발생장치(84)로부터 발생 공급되는 라디컬과 전자를 포함하는 음이온 및 오존을 폐수 속으로 버브링 시키면서 20,000Hz~40,000Hz의 초음파를 이용하여 폐수(48)를 준 분자수준으로 마이크로 믹싱(micro mixing)하면 폐수 중에 용해하여 수화되어 있는 유기물이나 중금속 착이온(complex ion)들과 라디컬, 전자, 음이온들이 수화된 물층(hydration seath)을 벗어나게 된다.

따라서, 마치 공기 중에서 휘발성 유기물(VOC)이 음이온에 의하여 순식간에 산화 분해되는 것과 같이 물 속에서 유기물이나 착이온 들이 신속하게 산화 분해하게 된다. 이와 같은 사실은 높은 진동수를 가진 초음파가 앞에서 언급한 바와 같은 수화층 파괴로 인하여 수중에서 유사기상반응(gas like reaction)을 일으키게 하고 동시에 물 속의 유기물, 착이온, 음이온 및 전자들을 더욱 높은 에너지 상태로 활성화시키기 때문에 가능하게 된다.

그리고, 이와 같은 조건에서 양극과 음극 양쪽 전극을 모두 비활성 탄소전극으로 하고 일정한 시간으로 극성을 바꾸면서 전기분해를 하면 본 발명자가 기 발명한 "산업폐수 연속 전해정화 처리방법 및 그 장치(특허 제10-0188232호)" 보다 매우 신속하게 폐수를 정화 처리할 수 있다.

이때, 극성을 교대로 변경하는 것은 수중에 분산된 슬러지중 양극으로 달라붙은 슬러지를 제거시킴으로써 양극에서 발생되는 과전압을 방지하고 전해 정화 처리효율은 상승시키기 위함이다.

앞에서 언급한 폐수 정화처리 반응조건을 갖춘 반응기 내부에 제올라이트 코팅자석 촉매장치를 추가 설치하면 제올라이트 표면의 수많은 기공에 유해한 유기분자나 중금속 이온들이 자력에 의하여 유도흡착 고정되는 촉매작용에 의하여 수화층을 벗어난 음이온의 공격을 효과적으로 일으키게 되므로 쓰레기 매립장 침출수와 같은 고농도 폐수, 고농도 축산폐수와 여러가지 고농도 산업폐수 및 생활폐수를 가장 경제적이고 효율적으로 정화처리할 수 있게 된다.

이와 같은 폐수처리는 COD, BOD, SS의 제거는 물론 탈질, 탈인, 탈색 및 탈취에 특별한 효과를 나타내게 되므로 폐수 고도 정화처리에 가장 적합하고 경제적인 방법이다.

본 발명에서 폐수를 고도 정화처리하고자 하는 경우 여러 개의 폐수 처리장치를 직렬로 연결하면 되며, 처리용량을 늘리고자 하는 경우 폐수 처리장치를 병렬로 연결하면 될 것이다.

또한, 폐수(48)를 연속적으로 처리하고자 하는 경우 A, B 2개의 폐수 처리장치를 병렬로 연결한 다음, A 폐수 처리장치를 가동하는 동안 B 폐수 처리장치는 처리된 폐수(48)를 방류시키고, 반대로 B 폐수 처리장치를 가동하는 동안 A 폐수 처리장치가 처리한 폐수(48)를 방류시키는 방법으로 교대로 가동시키면 폐수(4)를 연속적으로 처리할 수 있으므로 폐수(48) 정화처리 능력을 배가시킬 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 제올라이트로 코팅하여 무수한 기공이 형성된 자석촉매를 이용하여 고농도 쓰레기 매립장 침출수, 염색폐수ㆍ피혁폐수ㆍ석유화학폐수ㆍ제지폐수와 같은 산업폐수와 축산폐수 및 생활폐수와 같은 각종 폐수 중으로 라디컬과 전자를 포함하는 음이온과 오존을 버브링 시키면서 20,000Hz~40,000Hz의 초음파나 1㎒~1㎓고주파 펄스로 극렬하게 진동시켜 준 분자 수준으로 마이크로 믹싱 (micro mixing)시킴으로써 폐수 중에 용해하여 수화되어 있는 유기물이나 중금속 착이온(complexion)들과 라디컬ㆍ전자ㆍ음이온들은 수화된 물층(hydration seath)을 벗어나게 되므로 마치 공기 중에서 휘발성 유기물(VOC)이 음이온에 의하여 순식간에 산화 분해하여 정화처리한다.

특히, 이와 같은 초음파 또는 고주파 펄스를 폐수에 인가시키면서 음이온을 폐수에 주입하여 폐수를 정화 처리할 경우 제올라이트 코팅 자석촉매를 이용하면 제올라이트 표면에 수많은 기공이 폐수 중의 유기분자나 중금속 착이온의 흡착을 효과적으로 상승시켜 음이온이 이들 분자의 공격을 촉진시키므로 폐수 정화처리 효과를 더욱 증가시키게 된다.

이렇게 하여 폐수 중의 유기물이나 착이온 들을 신속하게 산화ㆍ분해시켜 깨끗이 정화되는 효과가 있어서 배출 폐수로 야기되는 각종 환경오염을 현격히 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (15)

1. 자석판의 표면에 제올라이트 분말층을 코팅시켜 폐수 중의 유해 유기분자나 중금속 이온들이 흡착될 수 있는 미세기공이 무수히 형성된 자석촉매를 폐수 처리장치에 설치함으로써 각종 폐수의 극성분자(極性分子)나 이온들을 자력(磁力)으로 미세기공에 흡착시키면서 음이온의 효과적인 공격을 유도하여 각종 폐수를 효율적으로 신속히 정화ㆍ처리할 수 있게 함을 특징으로 하는 제올라이트 코팅자석 촉매를 이용한 초음파 결합 고밀도 플라즈마 폐수 처리방법.
2. 지지체의 외면에 고정되는 제올라이트 코팅 자석촉매는 복수 개의 영구자석과, N극판과 S극판으로 구성되는 자석 촉매판을 적당 간격으로 빙둘러 고정하고, 자석 촉매판의 전체 외면에 접착제를 도포한 다음 접착제가 경화되기 전에 200메쉬(mesh) 전ㆍ후의 크기로 분말화 된 제올라이트를 충분한 두께로 골고루 뿌린 다음 경화시켜 폐수 중의 극성분자나 중금속 이온들이 흡착될 수 있는 미세기공을 형성하도록 함을 특징으로 하는 제올라이트 코팅자석 촉매를 이용한 초음파 결합 고밀도 플라즈마 폐수 처리장치.
3. 제 2 항에 있어서, 지지체의 중앙부에 통공을 형성하여 음이온 및 오존이 방출되는 관체를 끼워 설치하거나, 자석촉매의 앞부분에 설치하여 미세기공에 흡착된 유해 유기분자나 중금속 이온들을 음이온과 오존으로 집중 공격할 수 있도록 함을 특징으로 하는 제올라이트 코팅자석 촉매를 이용한 초음파 결합 고밀도 플라즈마 폐수 처리장치.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 복수 개의 영구자석을 극성(자극)이 한 쪽으로 일치하도록 고른 간격으로 배치시킨 다음 양측면에 평면적이 큰 N극판과 S극판과 마구리판을 수밀 유지되게 접합시킨 다음 그 외면에 접착제를 도포하고, 접착제가 경화되기 전에 200메쉬(mesh) 전ㆍ후 크기로 분말화 된 제올라이트를 충분한 두께로 골고루 뿌린 후 접착제의 경화로 자석 촉매판의 표면에 제올라이트층이 형성되게 함을 특징으로 하는 제올라이트 코팅자석 촉매를 이용한 초음파 결합 고밀도 플라즈마 폐수 처리장치.
5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 제올라이트의 공극과 공극들 사이에 미세한 크기의 기공을 무수히 형성하여 폐수 중의 극성분자나 이온들이 영구자석의 자력(磁力)에 의해 상기 미세기공으로 쉽게 유도 흡착되는 촉매효과를 이용하는 제올라이트 코팅자석 촉매를 사용한 초음파 결합 고밀도 플라즈마 폐수 처리장치.
6. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 지지체의 외면에 고른간격의 돌출부를 빙둘러 형성한 다음 자석촉매의 일측으로 돌출된 2개 이상의 연결편과 상기 지지체의 돌출부를 결합시킨 다음 체결수단으로 고정하거나 지지체의 외면에 일체형으로 용접시켜 고정함을 특징으로 하는 제올라이트 코팅자석 촉매를 이용한 초음파 결합 고밀도 플라즈마 폐수 처리장치.
7. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 영구자석과 영구자석 사이에 한 개 또는 복수 개의 스페이스를 삽입시켜 영구자석의 유동이나 움직임을 방지하여 고른 간격과 고른자력을 유지하도록 함을 특징으로 하는 제올라이트 코팅자석 촉매를 이용한 초음파 결합 고밀도 플라즈마 폐수 처리장치.
8. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 중공이 형성된 사각형 지지체의 외면에 복수 개의 자석촉매를 고정시켜 폐수 중의 극성분자나 이온들이 흡착할 수 있도록 함을 특징으로 하는 제올라이트 코팅자석 촉매를 이용한 초음파 결합 고밀도 플라즈마 폐수 처리장치.
9. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 지지체의 통공에 수중펌프를 설치하여 폐수의 순환을 도울 수 있도록 함을 특징으로 하는 제올라이트 코팅자석 촉매를 이용한 초음파 결합 고밀도 플라즈마 폐수 처리장치.
10. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 초음파 밴드가 상ㆍ하로 설치된 사각형 반응실 내부에 제올라이트 코팅 자석촉매를 한 개 이상 설치하여 폐수 중의 극성분자나 중금속 이온들을 흡착시킨 다음 초음파에 의하여 활성화 된 음이온의 효과적인 공격으로 신속히 정화ㆍ처리할 수 있게 함을 특징으로 하는 제올라이트 코팅자석 촉매를 이용한 초음파 결합 고밀도 플라즈마 폐수 처리장치.
11. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 제1, 2차 분해조에 설치되는 배기관의 중간에 수중펌프를 갖는 벤츄리관을 설치하여 급수관의 압력을 낮춰 음이온의 파괴손실을 막고 초기 음이온과 폐수의 혼합을 효과적으로 유도함을 특징으로 하는 제올라이트 코팅자석 촉매를 이용한 초음파 결합 고밀도 플라즈마 폐수 처리장치.
12. 제 11 항에 있어서, 벤츄리관은 고밀도 플라즈마 발생장치(84)의 배기관 (162)이 연결되는 원통체(204)의 상ㆍ하부에 병목부(210)(212)를 갖는 연결관(206) (208)을 수밀 유지되게 설치하고, 하부 연결관(208)에 수중펌프(200)를 설치하고, 상부 연결관 (206)의 병목부(210)가 하부 연결관(208)의 병목부(212)보다 그 내경이 작도록 구성함으로써 음이온 공급관인 배기관(162)의 감압효과에 의해 폐수 중으로 고스란히 용존되게 함을 특징으로 하는 제올라이트 코팅자석 촉매를 이용한 초음파 결합 고밀도 플라즈마 폐수 처리장치.
13. 음이온 및 오존 발생장치와 유입구와 유출구 및 펌프로 구성되는 물 순환장치와 초음파 밴드가 설치된 폐수 정화처리장치의 반응실에 무수한 미세기공이 형성된 제올라이트 코팅 자석촉매를 한 개 이상 설치하여 폐수 중의 극성분자나 중금속 이온들을 자력(磁力)으로 미세기공에 흡착시킨 다음 초음파로 활성화 된 음이온으로 공격하여 폐수를 신속히 정화ㆍ처리할 수 있게 함을 특징으로 하는 제올라이트 코팅자석 촉매를 이용한 초음파 결합 고밀도 플라즈마 폐수 처리방법.
14. 음이온 및 오존 발생장치와 유입구ㆍ유출구ㆍ펌프로 구성되는 물 순환장치와 초음파 밴드가 설치되고, 반응실의 내부에 전극교번장치에 의해 극성이 주기적으로 바뀌는 전해전극이 설치된 폐수정화장치의 반응실에 무수한 미세기공이 형성된 제올라이트 코팅 자석촉매를 한 개 이상 설치하여 폐수 중의 극성분자나 이온들을 자력(磁力)으로 미세기공에 흡착시킨 다음 초음파와 음이온과 전해력으로 집중 공격하여 효율적으로 신속히 정화ㆍ처리할 수 있게 함을 특징으로 하는 제올라이트 코팅자석 촉매를 이용한 초음파 결합 고밀도 플라즈마 폐수 처리방법.
15. 음이온 및 오존 발생장치와 유입구ㆍ유출구ㆍ펌프로 구성되는 물 순환장치 와 초음파 밴드가 설치되고, 반응실의 내부에 고주파 펄스전원이 공급되는 멀티전극을 설치한 폐수 정화처리장치의 반응실에 무수한 미세기공이 형성된 제올라이트 코팅 자석촉매를 한 개 이상 설치하여 폐수 중의 극성분자나 중금속 이온들을 자력(磁力)으로 미세기공에 흡착시킨 다음 초음파와 고주파 펄스로 활성화 된 음이온의 효과적인 공격으로 신속히 정화ㆍ처리할 수 있게 함을 특징으로 하는 제올라이트 코팅자석 촉매를 이용한 초음파와 고주파 펄스 결합 고밀도 플라즈마 폐수 처리장치.