KR20020018572A - 순환와류방식을 이용한 하폐수 고도 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하폐수 고도처리에 관한 것으로, 상세하게는 물리화학적 공정에서는 전기 반응조 내부에 다수의 특수한 전극판을 설치하여 산화와 환원반응이 일어나게 하며, 무기응접제를 사용하여 촉매역할로 극판내의 산화 환원 반응이 수없이 반복되어 극판의 부식을 최소화시킬 수 있고, 산화, 환원반응시 생성되는 이온들을 용이하게 응집시켜 줌으로써 플럭(Floc)을 더욱 안정화 시켜주며, 생물학적 공정에서는 전기분해 전처리를 거친 하폐수가 바이오 링클 미디어(Bio-Wrinkle Media)라는 주름형 특수담체를 통과하면서 이 주름형 특수담체에 서식하는 호기성. 혐기성 및 혐기성 박테리아와의 접촉을 통해 흡착, 산화, 분해과정을 통하여 음용수 수준의 깨끗한 처리수를 얻을 수 있는 중수도 처리장치로서 하폐수내의 유기물, 질소, 인 등을 동시에 제거하므로서 중수도로 사용이 가능한 순환와류방식을 이용하여 하폐수를 고도 처리하는 장치에 관한 것이다.

Description

순환와류방식을 이용한 하폐수 고도 처리 장치{Electro coagulation and Bio-wrinkled circulation nutrients removal system}
본 발명은 하폐수 고도처리에 관한 것으로, 특히 물리화학적 공정에서는 전기 반응조 내부에 다수의 특수한 전극판을 설치하여 산화와 환원반응이 일어나게 하며, 무기응집제를 사용하여 촉매역할로 극판내의 산화 환원 반응이 수없이 반복되어 극판의 부식을 최소화시킬 수 있고, 산화, 환원반응시 생성되는 이온들을 용이하게 응집시켜 줌으로써 플럭(Floc)을 더욱 안정화 시켜주며, 생물학적 공정에서는 전기분해 전처리를 거친 하폐수가 바이오 링클 미디어(Bio-Wrinkle Media)라는 주름형 특수담체를 통과하면서 이 주름형 특수담체에 서식하는 호기성. 혐기성 및 혐기성 박테리아와의 접촉을 통해 흡착, 산화, 분해과정을 통하여 음용수 수준의 깨끗한 처리수를 얻을 수 있는 중수도 처리장치로서 하폐수내의 유기물, 질소, 인 등을 동시에 제거하므로서 중수도로 사용이 가능한 순환와류방식을 이용한 하폐수 고도처리 장치이다.
본 발명은 각종 산업폐수 등 전 분야에 물리 화학적처리 대용으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 생물학적 처리공정을 거친 후 고도처리로 이용함으로써 폐수를 중수도화 시켜 다시 공장용수로 재 이용할 수 있는 하폐수 처리 장치이다.
일반적으로 전기 화학 분해법의 이론은 약 180년 전에 성립되어 물의 전기분해에 의한 수소가스제조, 도금공업, 이온교환막을 이용한 수처리 등 일반공업분야에서 이용되고 있으나, 폐수처리분야에 적용하는 것은 시작 단계에 있다.
폐수분야의 적용은 폐수성분, 농도 및 온도 등이 다양하여 고도의 전기 분해 기술이 필요하다. 전기 화학분해법은 무기성 또는 유기성 전해물질을 함유하는 폐수에 전기 에너지를 주어, 폐수중에 함유되어 있는 BOD, COD 성분을 전기 화학적으로 제어하는 처리방법이다. 폐수중에 함유되어 있는 콜로이드상의 물질이 대부분은 마이너스로 하전되어 있는 것이기 때문에 서로 반발하지 않고 보유하고 있는 상태에 있다. 이 상태에 대해 전기에너지를 주어 전기적으로 중화하여 응집반응을 일으키는 동시에 산화 환원 반응도 일으킨다. 이러한 전기적 중화는 일반적으로 가용성의 양극을 사용하여, 양극 금속의 가수분해에 의한 금속수산화물의 생성에 의해 볼 수 있다. 이러한 목적으로 양극으로서 이용되는 금속은 주로 알루미늄, 철 등이다.
전기분해 반응은 고속 산화와 환원이 연속적으로 이루어져 산화, 환원, 분해, 석출, 중화, 응집 및 살균 등의 작용을 하며, 전극과 폐수의 경계면에서 전극반응과 전극반응 생성물의 폐수 중의 성분과 작용하여 2차 반응이 일어나는 동시에 전극반응 생성물은 침전, 흡착 및 부상 등의 작용을 함으로써 물과 불순물을 분리하여 폐수를 정화 처리하게 된다.
한편, 전기분해 반응원리 및 정화처리 개념을 상세히 설명하면 다음과 같다. 수중의 용존 유기성, 무기성 오염물질 및 콜로이드(colloids) 입자 등은 폐수의 종류 및 부유물질의 종류에 따라 + 또는 - 의 일정한 고유전하를 띠고 있다.
이와 같이 일정한 하전을 띤 콜로이드(colloids) 입자들의 해리에서 생성된 H+이나 OH-가 정전기적인 결합에 의한 전기 이중층을 형성하여 같은 하전끼리의 정전기적인 반발력에 의하여 상호응집을 방해한다.
일반 전기 분해법은 같이 전기분해 반응조에 폐수가 유입되어 두전극(+,-)사이의 전해질을 통과할 때 발생되는 전기적인 교란효과에 의하여 콜로이드 물질들의 고유하전을 중화하게 된다.
고유하전이 중화된 콜로이드 물질들은 정전기적인 반발력이 제거되어 전기분해 반응조에서 전극판의 부식에 의해 형성된 수산화 알미늄 및 철이온 등과 응집되어 형성된 플럭에 의하여 흡착되어 플럭을 형성하게 된다.
전기분해 반응조에서 전극 유니티에 전류를 통하면 다음과 같은 전해반응이 양극과 음극에서 일어난다.
양극 : 2 OH →H20 + 1/202↑+ 3e-
음극 : 2 H++ 2e-→H2↑
발생되는 산소와 수소기체는 일부가 수중에 용해하기는 하지만 대부분이 기포상태로서 수면위로 상승(속도 : 1.5~4cm/sec)한다.
전극반응에 의하여 생성된 산소 및 수소기포는 수면위로 상승되면서 앞에서 형성된 여러 가지 모양의 플럭에 흡착하여 외관비중이 물의 비중보다 적게되어 수면위로 부상된다.
양극에서 발생되는 산소는 산소분자와 발생기 산소로 구분되는데 실제 발생되는 정확한 비율은 측정이 곤란하다. 일부 발생되는 발생기 산소는 반응력이 강하여 수중의 미생물을 살균하는 작용이 크다.
종래의 전기분해방식은 폐수중에 포함된 유기물의 제어에만 중점적으로 개발되어 최초 부영양화의 주요원인인 폐수 중에 포함된 질소와 인의 제거에는 미약하여 별도의 고도처리시설을 설치하여야 하므로 오염방지시설의 공사비가 증가하고, 잦은 전극판 교체로 인한 운전비용의 상승, 과다한 약품투입으로 인한 유지관리비 과다지출 등으로 인하여 정상적인 설비가동이 이루어지지 못하고 미처리된 폐수를 무단 방류하는 선의의 환경사범이 발생되기도 한다.
상술한 바와 같은 문제점을 해소하기 위한 본 발명은 종래 전기분해법의 단점인 소규모에 적용 가능한 점과 운전관리의 복잡성과 유지관리비의 비경제적인 문제점을 극복하여 공장에서 배출되는 각종 산업폐수뿐만 아니라 각 가정에서 나오는 생활 하폐수 및 축산폐수 등 전분야에 1차 처리인 물리화학적 처리의 대용으로 사용할 수 있으며, 2차 처리인 생물학적 처리 공정을 거친 후 3차 처리인 고도처리로 이용함으로써 폐수를 중수도화시켜 다시 공장용수로 재활용할 수 있는 에너지 절약형 폐수처리장치이며, 또한 사회문제로 부각되는 부영양화로 인한 하천의 적조, 홍조현상을 일으키는 질소와 인을 동시에 제거할 수 있으며, 생태계의 환경 복원 차원에서도 획기적인 순환와류방식을 이용한 하.폐수 고도처리 장치를 그 목적으로한다.
도 1은 본 발명에 의한 하폐수 고도 처리 장치의 공정 개략 구성도.
도 2는 본 발명의 주름형 특수담체의 실물사진.
도 3은 본 발명의 주름형 특수담체의 확대사진.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1 : 최초 원수유입 2 : 무기응집 촉진제(PACS) 공급장치
3 : 가성소다(Naoh)공급장치 4 : PH 조정조
5 : PH 조정용 교반장치 6: 교류공급장치
7 : 직류 공급장치 8 : 전기분해반응조
9 : 전극판 10 : 폴리머(Polymer) 공급장치
11 : 약품혼합탱크 12 : 가압부상 및 침전조
13 : 여과수 공급펌프
14 : 주름형 특수담체(Bio-Wrinkle Media)
15 : 주름형 특수담체 미생물 반응기(Bio-Wrinkle Media Reactor)
16 : 산기장치용 공기공급라인
17 : 처리수라인 19 : 공기공급장치
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 하폐수를 처리하는데 있어서, 유입되는 하폐수의 PH를 조절하는 PH 조정조와, PH 조정조로부터 유입되는 하폐수를 전기분해시키는 전기분해 반응조와, 전기분해 반응조로부터 유입되는 하폐수의 미세플럭을 거대분자화시키는 고분자 응집제를 공급하는 폴리머 공급기 및 반응조와, 반응조로부터 입력되는 상기 거대분자화된 플럭을 가압 부상시키거나 침전시키는 가압부상 및 침전조와, 가압부상 및 침전조에서 유입되는 하폐수를 중수도로 재활용시키는 미생물 반응기와, 미생물 반응기에 산소를 공급시키는 산소공급기와, 하폐수 및 상기 중수도의 유입 및 유출에 사용되는 펌프, 역세라인 및 순환라인, 반송라인으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 본, 발명의 PH 조정조는 전기 분해를 원활히 수행하며 전극관의 소모를 최소화시키는 무기 응집촉진제(PACS)와 상기 무기응집촉진제 공급장치를 더 포함하며, PH 조정조는 유입되는 하폐수의 PH를 중성으로 처리하기 위해 가정소다 및 상기 가정소다 공급기를 더 포함하며, PH 조정조는 하폐수의 PH를 측정하는 PH 측정기를 더 포함하며, 전기분해반응조는 교류전원장치 및 직류전원 변환 장치를 더 포함하며, 미생물 반응기의 내부에는 주름형 특수담체가 충전되며 주름형 특수담체의 표면에 부착된 미생물에 산소를 공급시키기 위해 산소공급기를 더 포함하며, 주름형 특수담체는 나선형 및 주름형으로 성형된 염화비닐계통의 특수담체의 형태이며순환와류식 유기물 및 질소. 인을 동시제거 처리하하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 순환와류방식을 이용한 하폐수 고도 처리의 공정의 개략도로서 일반적으로 전기분해 반응과 작용은 직접 전기화학반응과 간접 전기화학반응으로 나누어지는데, 직접 전기화학반응은 폐수중의 성분과 전극면이 직접 전자교환을 일으키는 전기화학반응을 말하며, 음극에서는 전해 환원작용, 양극에서는 전해 산화작용이 이루어지며, 간접 전기화학반응에서는 폐수중에 함유된 이온이 전극면과 상호접촉이 이루어지며 이때 생성된 산화제, 환원제 및 금속 수산화물 등이 폐수중의 성분과 2차 반응을 일으켜, 폐수중의 금속이온의 석출, 유기물질, 무기물질의 산화, 환원 작용이 일어나 폐수를 정화한다.
본 발명의 순환와류방식을 이용한 하폐수 고도 처리 장치를 상세하게 설명하면, 하폐수가 유입관(1)을 통해 PH 조정조(4)로 유입되면 PH 조정조(4) 내에 설치된 교반장치(5)가 가동되면서 PH를 조정한다.
이때 폐수의 PH(산성, 알카리성)의 성상에 따라 PH 측정기(sensor)(18)가 폐수의 산성, 알카리성을 감지하여 가성소다 공급장치(3)가 자동으로 약품을 투입하여 유입 폐수의 PH를 중성으로 조정한다.
PH가 중성으로 조정된 하폐수는 본 발명의 핵심시설인 전기 분해반응조(8)에 유입되며 이때 산화, 환원반응을 더욱 활발히 하기 위한 촉매제로 특수응집촉진제인 PACS(2)를 투입하게 되는데 이 PACS(2) 무기 응집 촉진제는 전기분해 반응을 촉진시키는 촉매역할로 극판내의 산화, 환원반응이 수 없이 반복되어 전극판의 부식을 최소화시킬 수 있고, 또한 산화, 환원 작용시 생성되는 이온들을 용이하게 응집시켜 줌으로서 일반 전기분해나 화학적 처리에 비해 플럭을 더욱 안정화시켜 준다.
그리고 전기반응으로 인해 폐수중의 미생물이 사멸되므로 처리수가 부패하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 또 하나의 특징으로 적은 전력소비량을 들 수 있는데 교류전원 공급장치(6)를 통해 직류공급장치(7)에서 직류로 변환된 극소의 전기만 본 발명의 핵심소재인 전극판(9)에 공급하게 되는데 극판의 부식속도가 일반적인 전기 분해법보다 늦어서 폐수의 성상에 따라 차이는 있지만 전극판의 교환은 1년에 1번만 교체해 주면 된다.
전기분해 반응조(8)를 거친 하폐수는 산화, 환원반응을 통해서 유,무기물들이 석출 응집되어 약품혼합탱크(11)로 유입되게 된다.
이곳에서는 작은 기포상태의 이온들을 거대 분자화된 플럭상태로 만들어 침강성이 용이하게 만드는 공정이 이루어지는데 이때 폴리머(Polymer)공급장치(10)에서는 폴리머로 이루어진 고분자 응집제를 투입하여 하폐수를 가압부상 침전조(12)로 공급하면 하폐수에서 비중이 물 보다 작은 물질은 가압부상 시키거나 침강시켜 하폐수를 정화시킨다.
하폐수가 PH조정조(4), 전기분해 반응조(8), 약품혼합탱크(11)를 거쳐서 가압부상 침전조(12)를 통과한 폐수는 본 발명의 전체공정중 물리, 화학공정인 전기분해에 의한 1단계 정화처리를 종료하게 된다.
2단계 정화 처리 공정은, 주름형 특수담체 미생물 반응기(Bio-Wrinkle Media Reactor)(15)라는 미생물반응기(Bio-Filter)를 거쳐서 음용수 수준의 깨끗한 처리수를 얻을 수 있는 생물학적, 물리학적 고도처리 공정이다.
주름형 특수담체 미생물 반응기(15) 내부에는 오. 폐수의 처리에 필수적인 호기성 미생물이 잘 부착하여 성장할 수 있는 주름형 특수담체(Bio-Wrinkle Media )(14)가 주름형 특수담체 미생물 반응기(15)의 직경과 유사한 분량으로 충전되어 있어, 하폐수중의 잔여 유기물(BOD 성분)은 주름형 특수담체 미생물 반응기(15)의 상부에서 하부로 통과되면서 주름형 특수담체(14)의 표면에 부착 성장한 미생물에 의해 분해되면서 정화 처리된다. 이때 호기성 미생물의 세포증식 및 성장을 위해서 0.5kg/cm2정도의 압력으로 산소를 공급하게 되며 역세과정에서 간헐적으로 이 공기라인을 이용하기도 한다. 주름형 특수담체 미생물 반응기(15)의 또 하나의 기능으로 탁월한 부유물질 여과기능인데, 종래의 여과방식은 활성탄이나 모래 여과기를 사용했는데, 이런 단순여과와는 다르게 표면적이 큰 나선형이고 주름잡인 형태의 특수담체를 사용하여 와류를 발생시켜 미세한 부유물질(SS성분) 및 질소와 인을 동시에 제거하게 된다.
주름형 특수담체 미생물 반응기(15)의 처리 원리를 좀더 구체적으로 설명하면, 첨부한 도면의 침전조(12) 하부에 설치되어 있는 여과수 공급펌프(13)에 의하여 순환 입수관을 통하여 주름형 특수담체 미생물 반응기(15)의 상부로 유입된다. 이때 유압펌프(13)의 수압은 너무 높지 않도록 유의해야 한다(1 kg/cm2이하의 수압이 적당하다)
주름형 특수담체 미생물 반응기(15) 내부에는 주름형 특수담체가 충전되어 있는데 이 여재볼은 염화비닐봉을 두께 1.5∼2.0mm의 연결 원판으로 가공한 후, 이들을 뭉쳐서 표면적이 큰 원형볼을 형성시켜 구성하며, 이 여재볼 사이를 하폐수가 통과하면 일정한 형태의 와류가 발생하게 되어 수중의 부유물이 흩어지며 물리적 여과가 이루어진다. 또한 주름형 특수담체(14)는 단위 부피당 물이 닿는 면적이 종래의 다른 여재보다 월등히 넓어 호기성 및 혐기성 미생물이 서식할 수 있는 쾌적한 공간을 제공한다. 이렇게 주름형 특수담체(14) 볼이 충전된 주름형 특수담체 미생물 반응기(15) 내부를 적당한 유속으로 상부에서 하부로 통과하는 동안 물리적이고 생물학적인 여과가 동시에 이루어져 2 단계 정화처리 공정을 마친다.
3 단계 정화처리 공정은 유기성 오염물질 및 부유물질이 여과. 분해되면 그 성분이 미생물의 생체(Biomass)로 전환하면서 주름형 특수담체 미생물 반응기(15) 내부에는 잉여 미생물 슬러지가 쌓이게 되는데 이 부유물질이 많이 쌓이면 여과효율이 떨어지게 되는데 이때에는 공기밸브(16)를 조절하여 공기공급장치(19)를 통여 고압을 발생시켜 주름형 특수담체(14) 특수여재볼들을 위쪽으로 상승 및 상호 부딛치도록하여 침전된 부유물들이 쉽게 떨어져 나가도록 하여 3단계로 이루어진 하폐수를 중수도 및 음용수 수준으로 정화하여 처리하는 공정을 실행한다.
도면 도 2는 본 발명의 주름형 특수담체의 실물사진이며, 도 3은 본 발명의 주름형 특수담체의 확대사진이다.
한편, 본 발명의 순환와류 방식을 이용한 하폐수 처리장치의 실시예를 설명하면 다음과 같다.
제 1실시예로 시설규모는 50m3/일 이며, 폐수의 종류는 도계 폐수이며, 다음 표 1은 결과를 나타낸다.
항목 유입수농도 처리수농도 배출기준 처리효율(%) 비고
PH 6.86 7.26 5.8~8.6 ~
COD(ppm) 185.2 8.6 90 95.4
SS(ppm) 236.0 5.25 80 97.8
한편, 본 발명의 제 2실시예를 설명하면 다음과 같다. 시설규모는 30m3/일이고, 폐수의 종류는 세차 폐수이고 다음 표 2에는 결과를 도시한다.
항목 유입수농도 처리수농도 배출기준 처리효율(%) 비고
PH 8.6 5.8~8.6 ~
COD(ppm) 198.7 14.19 90 92.5
SS(ppm) 196.2 2.55 80 98.7
제 3 실시예를 설명하면 시설규모는 100m3/일, 폐수의 종류는 세탁 폐수이며 표 3에는 결과를 도시하였다.
항목 유입수농도 처리수농도 배출기준 처리효율(%) 비고
PH 8.6 7.3 5.8~8.6 ~
COD(ppm) 193.0 17.34 90 91.0
SS(ppm) 196.3 14.33 80 92.7
상술한 바와 같이 본 발명은 여러 가지 하폐수를 3단계 정화처리 공정을 실시하여 중수도 및 음용수 수준으로 재생하는 것으로, 하폐수가 PH조정조, 전기분해반응조, 약품혼합탱크를 거쳐서 물리, 화학적인 전기분해에 의한 1단계 정화처리를 하며, 2단계로는 물리적이고 생물학적인 여과가 동시에 이루어지는 것으로 가압부상 및 침전조와 본발명의 핵심장치인 주름형 특수담체 미생물 반응기를 거치면서 정화처리를 하며, 3단계는 중수도 및 공업용수로 하폐수를 최종처리하는 공정으로 공기공급장치에서 산소를 공급하여 침전물들이 쉽게 떨어져 나가도록 한다.
이상으로 살펴본 바와 같이, 본 발명은 종래기술의 문제점인 전극판의 부식을 최소화함은 물론 슬러지 발생량을 현저하게 줄였으며(기준발생량의 60%기준) 최근 사회 문제화되고 있는 부영양화의 원인으로 발생되는 하천 호수의 적조, 홍조 형성을 현저하게 줄일 수 있는 질소. 인을 동시 제거하는 고도처리 시스템으로 이미 여러 현장에 적용하여 처리성능 및 기술적 안정성이 검증된 최첨단 시스템으로 확신함은 물론, 점차 용수부족현상이 심각해지는 상황에서 오.폐수를 처리하여 공업용수 및 중수도로 재활용할 수 있는 본 발명 처리 시스템 이야말로 정부의 좋은물 공급시책에도 크게 부응할 에너지 절약형 고도처리 시스템으로 적극적으로 보급확산이 필요할 것으로 매우 중요한 기술인 것이다.

Claims (7)

  1. 하폐수를 처리하는데 있어서,
    유입되는 하폐수의 PH를 조절하는 PH 조정조와,
    상기 PH 조정조로부터 유입되는 하폐수를 전기분해시키는 전기분해 반응조와,
    상기 전기분해 반응조로부터 유입되는 하폐수의 미세플럭을 거대분자화시키는 고분자 응집제를 공급하는 폴리머 공급기 및 반응조와,
    상기 반응조로부터 입력되는 상기 거대분자화된 플럭을 가압 부상시키거나 침전시키는 가압부상 및 침전조와,
    상기 가압부상 및 침전조에서 유입되는 하폐수를 중수도로 재활용시키는 미생물 반응기와,
    상기 미생물 반응기에 산소를 공급시키는 산소공급기와,
    상기 하폐수 및 상기 중수도의 유입 및 유출에 사용되는 펌프, 역세라인 및 순환라인, 반송라인으로 구성되는 것을 특징으로 하는 순환와류방식을 이용한 하폐수 고도 처리 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 PH 조정조는 전기 분해를 원활히 수행하며 전극관의 소모를 최소화시키는 무기 응집촉진제(PACS)와 상기 무기응집촉진제 공급장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 순환와류방식을 이용한 하폐수 고도처리 장치.
  3. 제 1항에 있어서.
    상기 PH 조정조는 유입되는 상기 하폐수의 PH를 중성으로 처리하기 위해 가정소다 및 상기 가정소다 공급기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 순환와류방식을 이용한 하폐수 고도처리 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 PH 조정조는 상기 하폐수의 PH를 측정하는 PH 측정기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 순환와류방식을 이용한 하폐수 고도 처리 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 전기분해반응조는 교류전원장치 및 직류전원 변환 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 순환와류방식을 이용한 하폐수 고도처리 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 미생물 반응기의 내부에는 주름형 특수담체가 충전되며 상기 주름형 특수담체의 표면에 부착된 미생물에 산소를 공급시키기 위해 산소공급기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 순환와류방식을 이용한 하폐수 고도 처리 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 주름형 특수담체는 나선형 및 주름형으로 성형된 염화비닐계통의 특수담체의 형태이며 순환와류식 유기물 및 질소. 인을 동시제거 처리하하는 것을 특징으로 하는 순환와류방식을 이용한 하폐수 고도처리 장치.
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