KR20030031268A - method and system for processing sewage and waste water by atomic oxygen - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 공기에서 산소를 분리하는 기체분리막을 이용한 산소분리장치에 의해 고농도로 농축된 산소를 제 1고주파 방전관에 의해 활성산소로 만들고, 이 활성산소를 재차 제 2고주파 방전관에 의해 산소원자가 다량 존재하는 활성산소로 만들어서, 산화처리조에 공급하여 오폐수를 산화처리하여 폐수에 함유된 유기물을 무해한 이산화탄소와 물로 분해시키는 방법 및 시스템에 관한 것이다.According to the present invention, oxygen enriched in a high concentration by an oxygen separation device using a gas separation membrane for separating oxygen from air is made into active oxygen by a first high frequency discharge tube, and the active oxygen is again present in a large amount of oxygen atoms by a second high frequency discharge tube. The present invention relates to a method and system for making an active oxygen, and supplying it to an oxidation treatment tank to oxidize waste water to decompose organic matter contained in the waste water into harmless carbon dioxide and water.
종래 오폐수 중의 유기물 처리 방법은 폐수 속에 충분한 양의 공기를 불어넣어 오폐수 중의 용존산소를 일정하게 유지시켜 미생물이 번식하기 좋은 환경을 만든 후, 이 미생물이 유기물을 먹이로 사용하도록 하여 유기물을 제거하도록 하는 생물학적 처리 방법과, 오폐수 속에 산화력이 있는 오존이나 과산화수소를 일정량 투입하여 유기물을 분해시키는 화학적 처리 방법이 있다.The conventional method for treating organic matter in wastewater is to blow a sufficient amount of air into the wastewater to maintain a constant dissolved oxygen in the wastewater to create a good environment for microorganisms to grow, and then use the microorganisms as a food to remove organic matter. There are biological treatment methods and chemical treatment methods for decomposing organic matter by introducing a certain amount of oxidizing ozone or hydrogen peroxide into the waste water.
하지만, 상기 종래의 화학적 오폐수 처리 방법에서 사용되는 과산화수소, 산소, 오존 등은 다음의 표 1에 나타난 바와 같이 산소원자(Atomic Oxygen) 보다도 산화전위 및 상대 산화력이 작아서, 산화처리속도가 산소원자 보다도 낮아, 오폐수처리속도가 지연되어 그 만큼 오폐수처리설비가 대용량이다.However, hydrogen peroxide, oxygen, ozone, etc. used in the conventional chemical wastewater treatment method have a lower oxidation potential and relative oxidation power than oxygen atoms as shown in Table 1 below, and thus the oxidation treatment rate is lower than that of oxygen atoms. As a result, the wastewater treatment rate is delayed, so the wastewater treatment facility is large.
상기 표 1에서 상대산화력은 염소의 산화력을 기준으로 했을 때의 상대적 산화력을 나타낸다.In Table 1, the relative oxidizing power represents the relative oxidizing power based on the oxidizing power of chlorine.
또한, 오존을 이용하는 상기 종래의 화학적 오폐수 처리 방법에는 산소에서 오존을 만들기 위해 고전압의 전기를 다량 사용하는 온존 발생장치가 채용되어야 하므로, 오폐수처리설비가 비대해져 오폐수처리설비 설치비용이 대단히 고가 일 뿐만 아니라 많은 전력 사용량으로 인하여 유지비용이 많이 소요되게 하며, 그리고 과산화수소를 이용하는 상기 종래의 화학적 오폐수 처리 방법에는 과산화수소의 산화조건을 유지하기 위해 다량의 황산이나 염산과 촉매인 철화합물 등의 화학제품이 필요하는 등 운전비가 많이 소요된다.In addition, in the conventional chemical wastewater treatment method using ozone, an on-generation generator that uses a large amount of high-voltage electricity to generate ozone from oxygen must be employed. Therefore, the wastewater treatment facility is enlarged and the wastewater treatment facility installation cost is very expensive. Due to the high power consumption, maintenance costs are high, and the conventional chemical wastewater treatment method using hydrogen peroxide requires a large amount of chemicals such as sulfuric acid or hydrochloric acid and a catalyst iron compound to maintain the oxidation conditions of hydrogen peroxide. It costs a lot of driving.
따라서, 상기 종래의 오폐수 처리 방법은 상기와 같은 이유로 해서 오폐수처리설비를 대용량이 되도록 하여 처리효율의 저하나 장비가격의 상승, 장비 크기의 초대형화 등을 초래한다고 하는 문제점을 가지고 있다.Therefore, the conventional wastewater treatment method has a problem that the wastewater treatment facility has a large capacity for the same reason as described above, resulting in a decrease in treatment efficiency, an increase in the price of equipment, and a large size of equipment.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 상기 종래의 오폐수 처리 방법에서 사용되는 과산화수소, 산소, 오존 대신에, 상기 과산화수소, 상기 산소 및 상기 오존보다도 산화력이 높은 산소원자를 산화처리조에 공급함으로써 산화처리조에서 종래보다 신속하게 유기물을 산화처리하여 오폐수를 신속하게 처리하는 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, and instead of the hydrogen peroxide, oxygen, and ozone used in the conventional wastewater treatment method, supplying oxygen atoms having a higher oxidizing power than the hydrogen peroxide, the oxygen and the ozone to the oxidation treatment tank. It is thereby to provide a method and system for rapidly treating waste water by oxidizing organic matter in an oxidation treatment tank faster than before.
도 1은 본 발명에 따른 오폐수 처리 방법 및 시스템에 대한 설명도이다.1 is an explanatory diagram of a wastewater treatment method and system according to the present invention.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 기체분리막을 이용한 산소분리장치에 의해 공기를 흡입하여 공기 중에 함유된 산소(O2)를 제 1방전관에 공급하고 질소(N2)를 대기로 배출시키고; 이 산소(O2)를, 무성방전법이 적용되고 고주파와 함께 2,000볼트 내지 3,000볼트의 고전압이 적용되는 제 1방전관에 의해 플라즈마 방전시켜 활성화시켜서, 오존(O3)과 산소원자(O)로 만들어 제 2방전관에 공급하고: 상기 제 2방전관에서 상기 오존(O3)과 산소원자(O)를 다시 플라즈마 방전시켜 활성화시켜서, 오존(O3)과 산소원자(O)를 만들어 산화처리조에 공급하고; 그리고 상기 산화처리조에 의해 오폐수를 산화처리하는 단계를 포함하는 것으로 되어 있다.In order to achieve the above object, the present invention sucks air by an oxygen separation apparatus using a gas separation membrane to supply oxygen (O 2 ) contained in the air to the first discharge tube and discharge nitrogen (N 2 ) to the atmosphere; This oxygen (O 2 ) is activated by plasma discharge by means of a first discharge tube to which a silent discharge method is applied and a high voltage of 2,000 to 3,000 volts is applied together with a high frequency, and is activated by ozone (O 3 ) and oxygen atom (O). Make and supply it to the second discharge tube: in the second discharge tube, the ozone (O 3 ) and the oxygen atom (O) are activated again by plasma discharge, thereby producing ozone (O 3 ) and oxygen atom (O) and supplying it to the oxidation treatment tank. and; And oxidizing the waste water by the oxidation treatment tank.
또한, 본 발명은 상기 목적으로 달성하기 위해, 공기를 흡입하여 공기 중에함유된 산소(O2)를 방전관에 공급하고 질소(N2)를 대기로 배출시키는 기체분리막을 이용한 산소분리장치; 상기 산소(O2)를 플라즈마 방전시켜 활성화시켜서, 오존(O3)과 산소원자(O)로 만들어 제 2방전관에 공급하는 제 1방전관으로서, 무성방전법이 적용되고 고주파와 함께 2,000볼트 내지 3,000볼트의 고전압이 적용되는 제 1방전관; 상기 제 1방전관에서 배출되는 산소원자(O)와 오존(O3)을 재차 플라즈마 방전 처리하여 오존(O3)과 산소원자(O)로 만들어 산화처리조에 공급하는 제 2방전관; 그리고 상기 제 1 및 제 2방전관에 의해 안정적으로 산소원자(O)와 오존(O3)을 공급받아, 오폐수를 산화처리하는 산화처리조를 포함하는 시스템으로 되어 있다.In addition, the present invention to achieve the above object, the oxygen separation device using a gas separation membrane for sucking the air to supply oxygen (O 2 ) contained in the air to the discharge tube and discharge nitrogen (N 2 ) to the atmosphere; As the first discharge tube for activating the oxygen (O 2 ) by plasma discharge to make the ozone (O 3 ) and oxygen atoms (O) to supply to the second discharge tube, the silent discharge method is applied and 2,000 to 3,000 with high frequency A first discharge tube to which a high voltage of volt is applied; A second discharge tube that plasma-discharges the oxygen atom O and the ozone O 3 discharged from the first discharge tube to make the ozone O 3 and the oxygen atom O and supplies the same to the oxidation treatment tank; The first and second discharge pipes are stably supplied with oxygen atoms (O) and ozone (O 3 ) to form a system including an oxidation treatment tank for oxidizing waste water.
이하, 본 발명에 따른 일실시예에 관하여 첨부된 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying Figure 1 with respect to an embodiment according to the present invention.
도 1에 도시되어 있는 오폐수 처리 시스템은 기체분리막을 이용한 산소분리장치(10), 동일한 구조의 2개의 방전관(20, 40), 및 산화처리조(60) 등을 전체적으로 포함하고 있다.The wastewater treatment system shown in FIG. 1 includes an oxygen separator 10 using a gas separation membrane, two discharge tubes 20 and 40 having the same structure, an oxidation treatment tank 60, and the like.
상기 산소분리장치(10)는 대기(공기)를 흡입하여 대기 중에 함유된 산소(O2)를 제 1방전관(20)에 공급하고 질소(N2)를 대기로 배출시키는 장치이며, 이 산소분리장치(10)는 질소(N2)와 산소(O2)를 분리하기 위해, 그 내부에 기체분리막이 적용된 타입이다. 이 기체분리막은 기체혼합물이 막표면에 접촉하였을 때 기체성분은 막속으로 용해, 확산하게 되는 데, 이때 각각의 기체성분의 용해도와 투과도는막물질에 대하여 서로 다르게 나타나게 된다. 예를 들면, 헬륨, 수증기 등은 쉽게 투과하는 기체성분들이고 반면에 메탄, 질소 등은 매우 느리게 투과하는 기체성분이다. 이것이 공기 중의 산소와 질소, 이산화와 메탄 등을 막을 이용하여 분리할 수 있는 것으로 알려져 있다. 이와 같이 기체분리막에 의해 기체성분을 분리하는 공정은 상의 변화가 없고 에너지 소모가 적다고 하는 장점이 있다.The oxygen separator 10 is a device for sucking oxygen (air) to supply oxygen (O 2 ) contained in the atmosphere to the first discharge tube 20 and discharge nitrogen (N 2 ) to the atmosphere. The device 10 is of a type in which a gas separation membrane is applied therein to separate nitrogen (N 2 ) and oxygen (O 2 ). When the gas mixture is in contact with the membrane surface, the gas component dissolves and diffuses into the membrane. The solubility and permeability of each gas component are different for the membrane material. For example, helium, water vapor, and the like are easily permeable gas components, while methane, nitrogen, and the like are very slowly permeable gas components. It is known that oxygen and nitrogen in the air, dioxide and methane can be separated using a membrane. As described above, the process of separating the gas component by the gas separation membrane has the advantage that there is no phase change and the energy consumption is low.
따라서, 본 실시예의 산소분리장치(10)는 상기 기체분리막을 이용한 산소분리장치이기 때문에 에너지 소모가 낮고, 장치가 간소화되어 시설투자 비용 및 운용 비용이 낮다고 하는 장점이 있다.Therefore, since the oxygen separation device 10 of the present embodiment is an oxygen separation device using the gas separation membrane, the energy consumption is low, the device is simplified, and there is an advantage that the facility investment cost and operation cost are low.
상기 제 1방전관(20)은 상기 산소분리장치(10)에 의해 고농도의 산소(O2)를 공급받아, 이 산소(O2)를 플라즈마 방전시켜 활성화시켜서, 오존(O3)과 산소원자(O)로 만들어 제 2방전관(40)에 공급한다.The first discharge tube 20 is supplied with a high concentration of oxygen (O 2 ) by the oxygen separation device 10, and the oxygen (O 2 ) by plasma discharge to activate, ozone (O 3 ) and oxygen atoms ( O) and supply it to the second discharge tube (40).
상기 방전관(20)에서 산소분자(O2)에 물리, 화학적 자극으로 에너지를 가하여 상기 산소분자를 활성화시키는 방법은 무성방전법(연면방전법), 전해법, 광학적 반응법, 고주파 전계법, 방사선 조사법 등이 있으나, 본 실시예의 방전관은 상기 무성방전법을 적용한 방전관이다.The method of activating the oxygen molecules by applying energy to the oxygen molecules (O 2 ) by the physical and chemical stimulation in the discharge tube 20 is a silent discharge method (creeping discharge method), electrolytic method, optical reaction method, high frequency electric field method, radiation Although there exist irradiation methods etc., the discharge tube of a present Example is a discharge tube to which the said silent discharge method was applied.
상기 무성방전법을 적용한 방전관에 의한 활성산소 발생원리는 다음과 같다.The principle of active oxygen generation by the discharge tube to which the silent discharge method is applied is as follows.
방전관에서 외부전극과 내부전극 사이에 유전체를 끼워 놓고 고주파와 함께 고전압을 가해주면, 상기 방전관에 유입된 산소는 고도로 이온화된 플라즈마 반응하게 되어 대량이 산소분자이온으로 되고, 이 산소분자이온은 플라즈마 속에 혼재되어 있는 전자와 재결합하려는 경향을 보인다. 바로 이 결합 시에 전기적으로 중성인 산소분자로 결합하는 것이 아니라 두 개의 독립된 활성산소원자가 된다. 이러한 현상을 분리재결합이라고 하며, 이 같은 원리에 의하여 1차적으로 활성산소원자가 발생하고, 상기 반응이 계속되면, 다량의 오존과 함께 소량의 산소원자가 발생되는 데, 여기에서 발생된 오존은 활성화된 상태이므로 재차 상기 무성방전법을 적용한 방전기에 의해 플라즈마 반응되면 손쉽게 2차 활성산소원자를 얻을 수 있다.When a dielectric is sandwiched between an external electrode and an internal electrode in a discharge tube and a high voltage is applied along with a high frequency, oxygen introduced into the discharge tube reacts with highly ionized plasma, and a large amount of oxygen molecule ions are formed in the plasma. It tends to recombine with the mixed electrons. It is this bond that does not bond with the electrically neutral oxygen molecule but becomes two independent free radical atoms. This phenomenon is called separation recombination, and by this principle, active oxygen atoms are primarily generated, and when the reaction is continued, a small amount of oxygen atoms are generated together with a large amount of ozone, and the generated ozone is in an activated state. Therefore, when the plasma is reacted again by the discharger to which the silent discharge method is applied, secondary active oxygen atoms can be easily obtained.
통상적으로, 오존(O3)을 얻기 위한 무성방전법도 고주파와 함께 고전압(10,000볼트 내지 15,000볼트)을 이용하지만, 본 출원인은 산소원자(O)를 얻기 위해서는 2,000볼트 내지 3,000볼트의 고전압을 이용하여야만 된다는 것을 실험적으로 발견하였다.Typically, the silent discharge method for obtaining ozone (O 3 ) also uses a high voltage (10,000 volts to 15,000 volts) with high frequency, but the applicant must use a high voltage of 2,000 to 3,000 volts to obtain the oxygen atom (O). Experimentally found.
따라서, 본 실시예의 제 1 및 제 2방전관(20, 40)을 작동시키는 도 1에 도시된 고주파, 고압전류 발진기는 그 용량이 종래의 오존(O3)을 얻기 위한 방전관의 고주파, 고압전류 발진기 보다 작게 되어 그 만큼 전력소모가 작다.Therefore, the high frequency, high voltage current oscillator shown in FIG. 1 for operating the first and second discharge tubes 20, 40 of the present embodiment has a high frequency, high voltage current oscillator of a discharge tube whose capacity is to obtain conventional ozone (O 3 ). The smaller the power consumption is.
상기 제 2방전관(40)은 상기 제 1방전관(20)에서 플라즈마 방전에 의해 발생되어 배출되는 오존(O3) 및 산소원자(O)를 상기 제 1방전관(20)에 의해 공급받아 재차 플라즈마 방전 처리하여 다시 오존(O3) 및 산소원자(O)를 만들어 낸다.The second discharge tube 40 receives ozone (O 3 ) and oxygen atoms (O) generated and discharged by the plasma discharge from the first discharge tube (20) by the first discharge tube (20) again to discharge the plasma The treatment again produces ozone (O 3 ) and oxygen atoms (O).
상기 제 1방전관(20)에서 배출되는 산소원자(O)와 오존(O3)은 활성화된 상태이기 때문에, 재차 제 2방전관(40)에 의해 플라즈마 방전 처리되면, 상기 제 1방전관(20)에서 산소원자(O)를 발생시키는 양 보다 많은 양의 산소원자(O)를 발생시킨다.Since the oxygen atom O and the ozone O 3 discharged from the first discharge tube 20 are in an activated state, when the plasma discharge process is performed by the second discharge tube 40 again, the first discharge tube 20 Generates a larger amount of oxygen atoms (O) than the amount that generates oxygen atoms (O).
즉, 대기 중에서 분리된 산소(O2)를 상기 산소분리장치(10)에 의해 공급받아 제 1방전관(20)에서 플라즈마 방전 처리하면, 공급받는 산소(O2)가 100% 일 경우에 2% 내지 3% 정도의 산소원자(O)가 발생되지만, 상기 제 1방전관(20)에 의해 플라즈마 방전 처리되어 배출되는 산소원자(O)와 오존(O3)은 상기 제 2방전관(40)에서 재차 플라즈마 방전 처리되면, 공급받는 오존(O3)이 100% 일 경우에 80%정도의 산소원자(O)가 발생된다.That is, when the oxygen (O 2 ) separated from the atmosphere is supplied by the oxygen separator 10 and subjected to plasma discharge treatment in the first discharge tube 20, 2% when the supplied oxygen (O 2 ) is 100%. Oxygen atoms (O) of about 3% are generated, but oxygen atoms (O) and ozone (O 3 ) discharged by plasma discharge treatment by the first discharge tube (20) are discharged again in the second discharge tube (40). When the plasma discharge treatment is performed, when the supplied ozone (O 3 ) is 100%, oxygen atoms of about 80% are generated.
상기 제 2방전관(40)에서 재차 플라즈마 방전 처리되어 발생된 오존(O3)과 산소원자(O)는 상기 제 2방전관(40)에 의해 산화처리조(60)에 공급된다.Ozone (O 3 ) and oxygen atoms (O 3 ) generated by the plasma discharge treatment again in the second discharge tube 40 are supplied to the oxidation treatment tank 60 by the second discharge tube 40.
따라서, 본 실시예의 산화처리조(60)는 서로 동일한 구조의 상기 제 1 및 제 2방전관(20, 40)에 의해 안정적으로 많은 산소원자(O)를 공급받아, 종래보다 신속하게 유기물을 산화처리하여, 오폐수 처리를 표 2에 나타낸 바와 같이, 신속하게 수행할 수 있다.Accordingly, the oxidation treatment tank 60 of the present embodiment is stably supplied with many oxygen atoms O by the first and second discharge tubes 20 and 40 having the same structure, and oxidizes organic substances more rapidly than before. Thus, wastewater treatment can be performed quickly, as shown in Table 2.
상기 표 2는 COD가 3500ppm의 염색폐수가 산화처리조에 공급되고, 활성화 산소 공급량이 오폐수처리장치에 분당 10ℓ 공급되고, 산화처리조의 크기가 50ø*1000L일 때 시간이 경과함에 따라 나타나는 COD 값을 ppm으로 나타낸 수치이다.Table 2 above shows the COD value of 3500 ppm dyeing wastewater supplied to the oxidation treatment tank, the amount of activated oxygen supplied to the wastewater treatment apparatus per 10 liters per minute, and the time when the size of the oxidation treatment vessel is 50ø * 1000L ppm. Figures shown.
본 실시예에서 처리 대상이 되는 오폐수의 예로서 상수도, 공업 용수, 하수, 공장 폐수, 양식장수, 축산수, 하천수, 호수 등을 들 수 있다.Examples of the wastewater to be treated in this embodiment include waterworks, industrial water, sewage, factory wastewater, aquaculture longevity, livestock water, river water, and lakes.
상술과 같이, 본 발명에 의하면, 상기 종래의 오폐수 처리 방법에서 사용되는 과산화수소, 산소, 오존 대신에, 상기 과산화수소, 산소 및 오존보다도 산화력이 높은 산소원자(O)를 산화처리조에 공급함으로써 산화처리조에서 종래보다 신속하게 유기물을 산화처리하여 오폐수처리를 신속하게 할 수 있게 하여, 오폐수처리장치의 비대화, 비용상승을 초래함 없이 고효율적으로 오폐수를 처리할 수 있게 하였다.As described above, according to the present invention, instead of the hydrogen peroxide, oxygen, and ozone used in the conventional wastewater treatment method, the oxygen treatment tank is supplied to the oxidation treatment tank by supplying oxygen atoms (O) having higher oxidation power than the hydrogen peroxide, oxygen, and ozone. By oxidizing organic matters faster than in the prior art, wastewater treatment can be performed quickly, and wastewater treatment can be efficiently carried out without causing an increase in wastewater treatment apparatus and a cost increase.
또한, 지금까지는 유기물의 농도가 과도하게 높아서 처리가 곤란하였던 축산폐수, 침출수 폐수, 또는 분해속도가 낮은 난분해성 폐수인 화학폐수, 염색폐수 등의 처리가 용이하게 되었다.In addition, it has become easy to treat livestock wastewater, leachate wastewater, or chemical wastewater, dye wastewater, which are difficult to treat, which have been difficult to treat because of excessively high concentrations of organic matter.
또한, 오존 발생장치를 이용하는 종래의 화학적 오폐수 처리 시스템에 비하여 1/3 이하의 전력비 소용에도 불구하고 산화력은 월등할 뿐만 아니라 과산화수소 등에 비하여도 유지비에서 1/5에 불과하며 슬러지 발생도 거의 없게 되었다.In addition, despite the use of less than one-third of the power cost compared to the conventional chemical waste water treatment system using the ozone generator, the oxidation power is not only superior, but only one fifth of the maintenance cost compared to hydrogen peroxide, etc., and almost no sludge is generated.
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