KR20030093802A - 고속난류형 폐수처리장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고속난류형 폐수처리장치에 관한 것으로, 본 발명에 따라 난류유도링을 갖춘 반응 장치를 이용하여 폐수를 광산화법으로 처리하는 경우 난류유도링 사이의 간격 및 난류유도수단 각 단 사이의 간격 조절을 통해 고속난류의 형성과 와류를 유발할 수 있어 적은 운전비용으로 폐수가 산화제, 광촉매, UV광 등과 효과적으로 접촉되어 빠른 시간 내에 고효율로 폐수의 색도 및 난분해성 물질 등이 제거될 수 있다.
Description
본 발명은 고속난류형 폐수처리장치 및 이를 이용한 폐수처리방법에 관한 것으로서, 구체적으로 난류유도링을 갖춘 반응기를 이용하여, 특히 광산화법으로, 폐수의 색도 및 난분해성 물질을 제거하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
폐수의 색도 및 독성, 난분해성 물질을 처리하기 위해서 현재까지 다양한 고급산화기술이 개발되어 왔다. 고급산화기술(Advanced Oxidation Process; AOP)이란 중간생성물인 수산화(-OH) 라디칼을 생성시켜 수중에 존재하는 유기물질을 분해시키는 진보된 수처리 기술로서 최근 널리 이용되고 있는 오존, 과산화수소, 광촉매, 자외선 등을 상호조합하여 산화력을 증대시키는 복합산화방법이다. 이러한 복합산화방법의 공통점은 직접 주입한 산화제로부터 처리효과를 기대하기보다는 중간물질로 생성된 수산화(-OH) 라디칼의 강력한 산화력에 의존하는 방법이며, 기존의 산화제인 염소, 이산화염소, 과망간산칼륨 등 보다 훨씬 강한 산화력을 갖고 있을 뿐만 아니라, 각 산화제를 단독으로 사용하는 경우보다 경제적이고 효율적이라는 장점이 있으며, 이 방법의 기본개념은 수산화(-OH) 라디칼의 생성을 극대화시키는 것이라 할 수 있다.
이 중 과산화수소와 2가 철이온이 반응하여 발생한 수산화(-OH) 라디칼의 강한 산화력을 이용하여 폐수 내에 존재하는 난분해성 물질을 분해하는 펜톤(Fenton) 산화법은 반응의 촉매로 사용되는 철로 인하여 철 수산화물 형태의 슬러지가 다량 발생하는 문제점이 있다.
한편, 광산화법에 의한 폐수처리 방법은 이산화티탄(TiO2)과 같은 광촉매가활성을 갖도록 자외선램프를 사용하여 자외선(UV)을 조사하고 과산화수소와 같은 산화제를 사용하는데 반응후 이산화티탄(TiO2)을 제거하고 그 슬러지를 처리해야 하는 것과 단순한 물리화학적인 반응을 시킴으로써 수행되는데, 이 방법은 산화제 및 광촉매, 자외선램프를 과도하게 사용해야 하는 문제점이 있다.
상기 광촉매 사용 광산화 방법을 좀 더 효율적으로 처리하기 위해 전기분해와 광촉매를 조합하여 폐수처리를 하는 방법이 한국 특허출원 제97-46135에 개시되어 있다. 이 방법은 물의 전기분해를 통해 얻어지는 수산화이온(OH-)을 이산화티탄(TiO2) 광촉매를 통하여 수산화(-OH) 라디칼로 변환시켜 폐수를 처리하고 폐수 내에 함유되어 있는 중금속 이온성분을 흡착 제거할 수 있도록 하는 방법이며, 수산화(-OH) 라디칼을 발생시키기 위하여 자외선램프를 사용하여 자외선(UV)을 조사한다. 하지만 이 방법 역시 반응후 이산화티탄(TiO2)을 제거하고 그 슬러지를 처리해야 하는 문제점과 전극판 표면의 스케일발생으로 자주 세척을 해야 하는 단점이 있다.
또한, 도 1에 나타낸 바와 같이, 효율적으로 폐수의 색도 및 독성, 난분해성물질을 처리하기 위한 선행기술로서 (참고문헌: Treatment Peroxidation Systems Inc. Perox-Pure Chemical Oxidation, EPA 540MR93501, 1993년) 미국에서 사용되고 있는 광산화 방법이 있다. 이 방법은 최적운전을 위해 폐수의 산도를 조절해야 하므로 산을 먼저 넣은 후 과산화수소를 투여한 뒤 자외선램프를 이용하여 광산화반응을 유발하는 것으로서, 이 방법에 사용된 장치의 특성은 여러 개의 자외선램프를직렬로 설치하고 자외선램프 사이사이마다 방해판을 설치하여 폐수와 자외선램프가 접촉하는 면적을 단순히 넓게 하였다는데 있다. 그러나, 이러한 장치에서는 난류를 효율적으로 발생시키지 못하고 단순히 폐수가 관로를 따라 지나가는 형태이므로 폐수 및 과산화수소, 자외선램프에 의해 발생한 수산화(-OH) 라디칼이 이상적으로 혼합을 하지 못하며, 자외선램프로부터 멀리 떨어져 있는 폐수는 그 조사량이 미약하여 효율이 높지 못하다. 따라서 원하는 효율을 내기 위해서는 많은 자외선램프를 직렬로 배열하는 단점과 이로 인해 운전비 및 장치의 규모가 커지는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상술한 선행기술의 문제점을 해결하여, 고속난류를 형성하기 위한 난류유도링을 반응기내에 설치함으로써 반응기 내로 유입되는 폐수 및 산화제가 이상적으로 혼합되고 동시에 자외선램프 표면에 접촉하는 횟수를 극대화하여 빠른 시간에 고효율로 폐수를 처리하여 운전의 안정성과 운전효율의 극대화 및 운전비용을 최소화하고, 산화제의 사용량을 최소화하고, 물질전달의 효율을 극대화시켜 물리화학적 반응효율과 반응확률을 극대화시켜 폐수 처리 시간을 단축하는 것이다.
도 1은 선행기술에 따른 폐수처리장치 시스템의 개략도이고,
도 2는 본 발명에 이용되는 고속난류형 폐수처리장치용 반응기의 개략도이고,
도 3은 본 발명에 따른 난류유도링 구조와 각 단의 와류유발 원리를 보여주는 모식도이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 난류유도링 구조를 보여주는 사진이고,
도 5는 본 발명의 실시예에 사용된 폐수처리장치 시스템의 개략도이다.
* 도면의 부호에 대한 간단한 설명
1: UV 램프 2: 석영 유리관
3: 난류유도링 4: 산기관
따라서, 본 발명에서는 하부의 유체 유입구 및 상부의 유체 유출구를 구비하는 반응기 내부 중앙에 자외선 램프를 내부에 포함하는 석영(quartz)관이 수직으로 배치되며, 상기 석영관 주위에 석영관 외경보다 큰 내경을 가지며 서로 내경과 외경이 다른 한 쌍의 난류유도링이 상하로 소정간격 이격되어 배치된 난류유도수단을 1단 이상 포함하는 고속난류형 폐수처리장치를 제공한다.
또한, 본 발명에서는 상기 본 발명의 고속난류형 폐수처리장치를 이용한 광산화법에 의한 폐수처리방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 대해 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 따르는 고속난류형 폐수처리장치는 유입되는 폐수가 와류로 형성될 수 있도록 하는 특정의 구조로 배치된 난류유도링 단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고속난류형 폐수처리장치에 있어서, 반응기 내로 폐수를 유입하는 방식은 하부에서 상부로 폐수가 이동하도록 하는 방식이다. 따라서, 반응기는 수직 실린더형이 바람직하다. 이때, 폐수가 하부에서 상부로 유입할 때 난류를 도모하기 위해 일반 공기 또는 산화력을 증강시키기 위한 산화제 가스를 반응기 하부에서 폐수와 함께 공급하며, 사용된 공기 또는 산화제 가스는 반응기 상부에서 유출된다.
본 발명에 따라 광산화법에 의해 폐수를 처리하기 위해서는 산화제 및 임의의 광촉매가 필요한데, 이들 성분은 유입 폐수에 혼입시켜 함께 도입하거나 폐수와 별도로 유입시킬 수 있다. 상기 산화제 및 광촉매는 당업계에 알려진 모든 것을 사용할 수 있으며, 산화제의 예로는 과산화수소, 오존, 2가 철염 등이 있고, 광촉매의 예로는 이산화티탄(TiO2), 산화아연(ZnO) 등이 있다.
상기 산화제 및 임의의 광촉매는 자외선 램프에서 조사되고 석영(quartz)에 의해 필터링된 자외선에 의해 보다 강력한 산화력을 가지고 폐수와 접촉하게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 고속난류형 폐수처리장치용 반응기의 개략도이고, 도 3은 유입 폐수 및 산화제가 본 발명에 따른 난류유도링에 의해 유발된 고속난류에 의해 이상적으로 혼합되고 동시에 자외선램프 표면에 접촉하는 횟수가 극대화되는 것을 보여주는 모식도이고, 또한 본 발명의 한 태양에 따른 난류유도링의 사진을 도 4에 나타내었다.
본 발명에 따른 한 쌍의 난류유도링은 각 링이 서로 내경 및 외경에 있어서 차이가 있고 수직방향으로 볼 때 일부 중첩되며, 바람직하게는 한 쌍의 링에서 가장 안쪽 가장자리 부분은 석영관에 접하고 가장 바깥쪽 가장자리 부분은 반응기 측벽에 접하는 구조로 되어 있으며, 수직방향으로 소정 간격으로 서로 이격되어 있어 서로 간의 좁은 간격(h)을 통해 유체가 빠른 속도로 자외선램프가 설치되어진 자외선 램프 쪽으로 분사되어져 고속난류를 형성하며, 폐수와 산화제(임의의 광촉매), 미세기포, 자외선램프에 의해 발생되어진 수산화 라디칼(-OH)의 혼합이 이상적으로 일어난다.
이와 동시에 난류유도링을 빠져 나온 혼합유체는 난류유도수단 각 단의 간격(H) 사이에서 와류를 형성하게 된다. 이를 통해 물리적, 화학적 반응이 동시에 진행되어져 결국 기존의 고급산화방법에 비해 산화제의 사용량이 최소화되고 물질전달의 효율, 물리화학적 반응효율과 반응확률이 극대화되어 폐수의 처리 시간을 단축할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 한쌍의 난류유도링의 각 링간의 간격(h) 및 난류유도수단 각 단의 간격(H)는 원칙적으로 유체속에 함유되어진 이물질로 막힘현상이 발생되지 않는 간격으로 반응기의 크기 및 형태에 따라 달라질 수 있으며, 각각 대략 1 내지 500 mm 범위일 수 있다.
본 발명에 따르면, 폐수 및 산화제가 이상적으로 혼합되고 동시에 자외선램프 표면에 접촉하는 횟수가 극대화되어 빠른 시간에 고효율로 폐수를 처리하여 산화제의 사용량이 최소화되고 폐수의 색도 및 난분해성 물질 처리 시간이 크게 단축될 수 있다.
본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이며 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예
도 5에 나타낸 폐수처리 장치에서 폐수의 유기물질 및 색도 처리를 수행하였다. 폐수 시료는 경기도에 소재한 S 염색단지에서 발생되는 염색폐수를 이용하였으며, 폐수 시료를 저장 탱크로부터 반응기와 석영관 사이로 펌핑함으로써 반응기로 유입시켰다.
폐수처리 시스템에 사용된 반응기는 애뉼러(annular) 형태의 스테인레스강재질의 60mm(D)X460mm(H) 크기의 반응기이고 반응기 중앙에는 내부에 UV 램프가 설치된 외경 40 mm 인 석영관을 설치하였다. 상기 석영관 외부에 도 4에 나타낸 바와 같은 난류유도링 단을 설치하였다(한 쌍의 링에서 상부링의 외경 52mm, 내경 40mm, 상하부 링간 간격(h) 2mm, 하부링의 외경 59mm, 내경 47mm, 난류유도링의 각단의 간격(H) 50mm, 재질 스테인레스강). 반응기는 2 개를 연결하여 사용하였으며, UV 램프는 주도파장이 245nm 와 365nm 인 Lamp(15W, 45cm, Sankyou Denki 사)를 필요에 따라 선택하여 사용하였다. 광촉매(TiO2; Degussa 의 P-25), 산화제(30% H2O2; Junsei chemical), 철염(FeSO4ㆍ7H2O) 및 pH 조정제(NaOH 또는 HCl)는 사용시 폐수시료 저장탱크에 주입하여 사용하였다.
실험은 광촉매 없이 산화제만 주입하는 공정(H2O2/UV 공정), 광촉매와 함께 산화제를 주입하는 공정(H2O2/TiO2/UV 공정), 및 광촉매 대신 철염을 사용하는 펜톤 산화 공정(H2O2/Fe++/UV 공정)으로 3가지로 나누어 수행하였으며, 각 공정에서의 조건은 다음과 같았다.
우선, H2O2/UV공정의 pH는 2로 유지하였으며 H2O2농도는 200mg/L로 주입하였으며 5mg/L 이하로 감소될 때 재주입하였으며, H2O2/TiO2/UV공정의 시험에서는 광촉매로서의 TiO2분말 2g을 시료에 현탁시켜 사용하고 H2O2농도는 100mg/L로 주입하였으며 5mg/L 이하로 감소될 때 재주입하였으며 pH는 4로 유지하였고, 종래 기술에따른 펜톤 방법인 H2O2/Fe++/UV 공정의 시험에서는 철염 100mg/L를 시료에 현탁시켜 사용하고 H2O2농도는 800mg/L로 주입하였으며 5mg/L 이하로 감소될 때 재주입하였으며 pH는 3으로 유지하였다. 각 공정에서 폐수시료의 유입 유량은 유량계를 이용하여 10 L/min으로 일정하게 유지하였다.
상기 공정 조건을 하기 표 1에 정리하여 나타내었다.
| 항목 | H2O2/UV | H2O2/TiO2/UV | H2O2/Fe++/UV |
| 폐수 시료 부피 | 5L | ||
| 폐수 유량 | 10L/min | ||
| UV 파장 | 254nm, 365nm | ||
| pH | 2 | 4 | 3 |
| H2O2 | 200mg/L | 100mg/L | 800mg/L |
| TiO2 | - | 2g | - |
| FeSO4ㆍ7H2O | - | - | 100mg/L |
상기 공정 조건에서 반응기에 난류유도링이 설치되어 있지 않은 경우(기존 AOP)에 대해 별도로 실험을 수행하여 (비교예), 난류유도링 설치 경우(본 발명에 따른 AOP)와 비교하여 각각에서 유기물질과 색도 처리를 수행한 결과를 하기 표 2 및 표 3에 나타내었다. 유기물질의 농도는 과황산염-자외선 산화법(persulfate-ultraviolet oxidation method)에 의해 총유기탄소 (TOC; Total organic carbon) 농도를 분석(Rosemount, DC-180 model)하여 평가하였으며, 색도는 공정시험법(KS 시험법)에 준하여 분석하였다.
| 실험 종류 | 원수의 성상 | 처리시간(시간) | |
| 색도 | TOC(mg/L) | ||
| UV/H2O2 | 881 | 210 | 4.5 |
| UV/H2O2/TiO2 | 882 | 247 | 4.5 |
| UV/H2O2/Fe2+ | 811 | 223 | 2.2 |
| 실험 종류 | TOC 제거효율(%) | 색도 제거효율(%) | ||
| 비교예 | 실시예 | 비교예 | 실시예 | |
| UV/H2O2 | 34 | 89 | 87 | 86 |
| UV/H2O2/TiO2 | 76 | 93 | 99 | 96 |
| UV/H2O2/Fe2+ | 70 | 96 | 89 | 96 |
상기 표에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따라 난류유도링을 갖춘 반응기를 이용하여 폐수를 여러 가지 광산화법으로 처리하는 경우 기존의 난류유도링 없는 반응기 사용경우에 비해 고효율로 폐수의 색도 및 난분해성 물질 등을 제거할 수 있다.
본 발명에 따라 난류유도링을 갖춘 반응기를 이용하여 폐수를 광산화법으로 처리하는 경우 난류유도링 사이의 간격조절을 통해 고속난류의 형성과 와류를 유발할 수 있어 적은 운전비용으로 폐수와 산화제, 광촉매, UV광 등이 효과적으로 접촉되어 빠른 시간 내에 고효율로 폐수의 색도 및 난분해성 물질 등이 제거될 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
Claims (4)
- 하부의 유체 유입구 및 상부의 유체 유출구를 구비하는 반응기 내부 중앙에 자외선 램프를 내부에 포함하는 석영(quartz)관이 수직으로 배치되며, 상기 석영관 주위에 석영관 외경보다 큰 내경을 가지며 서로 내경과 외경이 다른 한 쌍의 난류유도링이 상하로 소정간격 이격되어 배치된 난류유도수단을 1단 이상 포함하는 고속난류형 폐수처리장치.
- 산화제 및 임의의 광촉매 존재하에 제 1 항에 따른 고속난류형 폐수처리장치에 폐수를 통과시킴으로써 폐수를 광산화에 의해 처리하는 방법.
- 제 2 항에 있어서,한 쌍의 난류유도링 사이를 통과하는 폐수가 석영관 표면 방향으로 분사되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 2 항에 있어서,폐수가 염색 폐수인 것을 특징으로 하는 방법.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20040037646A (ko) * | 2002-10-29 | 2004-05-07 | 주식회사 누리환경기술단 | 광촉매 반응기 및 이를 적용한 유해 공기 정화장치 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US5462674A (en) * | 1994-03-03 | 1995-10-31 | Purific Environmental Technologies, Inc. | Method and system for photocatalytic decontamination |
| KR19990024785A (ko) * | 1997-09-08 | 1999-04-06 | 이규철 | 전기분해와 광촉매를 이용한 폐수처리장치 및 그 광촉매 제조방법 |
| KR19990033555U (ko) * | 1999-05-03 | 1999-08-05 | 이지형 | 이중동심관형 난류(亂流) 광반응기 |
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| KR20010048824A (ko) * | 1999-11-23 | 2001-06-15 | 정경숙 | 전기 분해 반응과 광산화 반응을 동시에 일으키는 폐수처리 시스템 |
-
2002
- 2002-06-05 KR KR1020020031658A patent/KR20030093802A/ko not_active Application Discontinuation
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