KR20040009452A - 오폐수 정화처리방법 및 그 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광촉매 산화 반응장치 및 바이오칩 여과장치를 이용하여 오폐수 중에 포함된 난분해성 물질을 용이하게 분해한 후 깨끗한 물을 얻을 수 있도록 한 오폐수 정화처리방법 및 그 장치에 관한 것으로, 이러한 본 발명은 광촉매 산화 반응조에는 그 상부 또는 측벽에 일정간격으로 다수개의 자외선램프가 설치되어 유입된 오폐수를 자외선과 고정화된 이산화티탄늄(TiO2)이 표면에 코팅된 담체의 유동화로 용존성 유기물을 분해시키기 위하여 담체의 띠(band gap) 에너지 보다 높은 빛 에너지를 조사하여 담체의 유동화에 의해 오폐수에 포함된 난분해성의 유기물을 분해시키는 광촉매 산화 반응장치와, 모래와 유사한 공극을 갖는 바이오칩 메디아를 충진하여 상기 광촉매 산화 반응조에서 처리되어 1차 정화 된 깨끗한 물을 역세조로 공급하는 바이오칩 여과장치등으로 구성된다.
Description
본 발명은 일반 생활하수 또는 공업용 폐수를 처리하는 오폐수 정화처리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광촉매 산화 반응장치 및 바이오칩 여과장치를 이용하여 오폐수 중에 포함된 난분해성 물질을 용이하게 분해한 후 깨끗한 물을 얻을 수 있도록 한 오폐수 정화처리방법 및 그 장치에 관한 것이다.
일반적으로 산업의 발달에 따라 환경오염 문제는 갈수록 심각해지고 있으며, 오염물질에 대한 규제도 더욱 강화되고 있는 실정이다. 이러한 추세에 따라 오염물질을 제거하기 위한 여러 가지 방법들이 강구되어지고 있다.
그러나 수질오염에 있어서는 오염원이 다양해지고 계속적으로 새로운 오염물질이 발생됨으로 인하여 기존의 생물학적 처리방법으로는 한계에 부딪히고 있다.
이에 따라, AOP(Advanced Oxidation Process)라는 여러 종류의 고급산화법이 개발되고 장치들이 발명되어지고 있다. OH 라디칼(·OH)의 높은 산화력을 이용하는고급산화법은 수중의 유기오염 물질을 CO2와 H2O로 분해하기 때문에 2차 오염을 유발하지 않으며 생분해성 및 난분해성 오염물질들을 처리할 수 있다는 장점이 있다.
따라서, 기존의 수처리 공정을 대체할 수 있는 기술로써 현재 고급산화법에 대한 많은 연구와 장치들이 발명되어지고 있다.
상기 고급산화법에서 발생되는 OH 라디칼은 유기물과 매우 빠르게 거의 모든 유기물과 골고루 반응하기 때문에 난분해성 유기 오염물질의 산화에서 유용한 결과를 얻을 수 있다.
특히, 상기 고급산화법은 OH 라디칼을 생성시키는 방법에 따라 오존(O3)이나 과산화수소에 자외선을 조사하는 방법, pH를 조절하는 방법 그리고 이산화티타늄(TiO2)와 같이 광활성이 있는 반도체 금속화합물과 자외선을 이용하는 방법 등으로 나눌 수 있다.
이중에서도 이산화티탄늄과 같은 반도체 금속화합물을 광촉매로 이용한 산화시스템은, 표준 활성 슬러지법으로는 처리가 곤란한 폐수를 처리할 수 있기 때문에 수중이나 대기에 함유된 난분해성 유기화합물의 효율적인 제거방법으로 최근 주목받고 있다. 광촉매를 이용한 수처리 방법은, 공정의 운전 및 조작이 편리하고 현재 사용되고 있는 자외선에 의한 수처리 공정에 쉽게 응용할 수 있는 등의 장점을 가지고 있다. 따라서 이러한 장점을 가진 광촉매 공정의 응용 분야는 대단히 광범위하다고 할 수 있다.
특히, 수용액상에서 이산화티타늄과 자외선(UV)에 의한 광촉매 산화반응 메카니즘에 대해 살펴보면, 자외선램프에서 방출된 자외선이 촉매인 이산화티타늄에 띠(band gap) 에너지(=3.2eV) 보다 높은 광에너지(파장＜387.5nm)를 공급하면 전자가 채워져 있던 이산화티타늄의 가전자대(valence band)에서 전자가 방출되어 전도대(conduction band)로 이동하게 되며, 동시에 이산화티타늄의 가전자대에서는 정공(positive hole)이 생성된다.
그리고, 여기된 전자는 촉매의 표면에 흡착되어 있는 전자수용체인 산소와 반응하여 슈퍼옥시드 라디칼(superoxide radical)을 생성하며, 상기 슈퍼옥시드 라디칼은 물분자와 반응하여 높은 산화력을 가진 하이드록실 라디칼(hydroxyl radical)을 생성한다.
이와 동시에, 이산화티타늄의 표면에서 생성된 정공은, 촉매에 흡착되어 있는 물분자나 하이드록실 이온과 반응하여 하이드록실 라디칼을 생성하거나 유기화합물과 직접 반응하여 유기화합물을 분해하기도 한다. 또한, 광촉매에서 생성된 전자와 정공은 모두 산화 및 환원 반응에 의하여 OH 라디칼을 생성하게 되는데, 이 때, 생성된 OH 라디칼이 여러 가지 형태로 수중의 유기물과 반응하여 분해가 진행된다.
위와 같은 과정을 통하여 광촉매에서 생성된 OH 라디칼은 수학식 1에 도시된 바와 같이, 수중의 유기 화합물을 CO2와 H2O로 분해하여 제거하게 되고 또한, 일련의 광촉매 산화반응 메카니즘을 도면으로 나타내면 도 1과 같다.
하지만, 고가의 이산화티타늄을 광촉매 산화반응에 기존의 장치처럼 직접 분말형태로 사용하게 되면, 입도가 수 m ∼ 수nm의 이산화티타늄 미세입자들이 졸 상태로 현탁되어 있는 경우이므로, 이산화티타늄을 다시 분리·회수하는 공정상에서 문제점이 있다 하겠다.
또한, 광촉매를 분말 형태로 직접 사용하는 기존의 장치들을 살펴보면, 광촉매 산화반응이 발생하는 주공정보다는 광촉매 입자를 분리하고 회수하는 부대공정이 더 크고 복잡하다는 것을 알 수 있다.
위와 같은 광촉매의 분리·회수 공정을 극복하고 광촉매를 분말로 사용하는 반응과 같거나 높은 반응효율을 나타낼 수 있는 광촉매 산화반응 장치의 발명은 현재 긴요하다 하겠다.
그리고, 광촉매 산화 반응장치에서 완전히 분해되지 못한 부유물질을 제거하기 위하여 여과장치(filter)가 이용되고 있는데, 현재로서는 모래여과장치(sand filter)와 활성탄 여과장치(activated carbon filter)가 가장 널리 사용되고 있으나, 충진물의 수명이 수개월밖에 않되고 비중이 높아서 부대비가 많이 들며 정상운전과 역세과정에서의 어려운 점이 많다 하겠다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술에 따른 제반 문제점을 해결하기 위하여제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 광촉매 산화 반응장치 및 바이오칩 여과장치를 이용하여 오폐수 중에 포함된 난분해성 물질을 용이하게 분해한 후 깨끗한 물을 얻을 수 있도록 한 오폐수 정화처리방법 및 그 장치를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 오폐수 정화처리장치의 정화처리방법의 특징은,
일반 생활하수 또는 공업용 폐수를 처리하기 위하여 광산화 반응을 이용하는 오폐수 정화처리방법에 있어서,
오폐수 처리조(116)가 광촉매 산화 반응조(104)와 바이오칩 여과조(110) 및 침전조(134)로 구분되되,
광촉매 산화 반응조(104)는 그 상부 또는 측벽에 일정간격으로 다수개의 자외선램프(126)가 설치되어 유입된 오폐수를 자외선과 고정화된 이산화티탄늄(TiO2)이 표면에 코팅된 담체(102)의 유동화로 용존성 유기물을 분해시키기 위하여 담체의 띠(band gap) 에너지 보다 높은 빛 에너지(λ< 387.5㎚)를 조사하여 담체의 유동화에 의해 오폐수에 포함된 난분해성의 유기물을 분해시키는 광촉매 산화 반응조(104)와
모래와 유사한 공극을 갖는 바이오칩 메디아를 충진하여 상기 광촉매 산화 반응조에서 처리되어 1차 정화 된 깨끗한 물을 역세조로 공급하는 바이오칩 여과조(110),
상기 오폐수 처리조(116)의 저부에 형성되어 처리조에서 담체와 반응된 오폐수 중 물보다 비중이 무거운 슬러지가 침전되는 침전실(134)로 구분되고;
상기 오폐수 처리조(116)의 내측 유입부 또는 상. 하부, 유출부에는 유입되는 오폐수 중의 협잡물을 걸러내고 또한 처리조 내에서의 담체를 보호하기 위한 제1, 2, 3, 4 스크린 망(118, 120, 122, 124)이 각각 설치되며,
상기 처리조의 내측 하부에는 일정간격으로 다수개 설치됨과 아울러 공기주입기와 연결되어 상기 처리조의 내측 상부로 공기를 불어넣어 공급된 오폐수와 광촉매 담체를 유체 역학적으로 유동화 시키는 산기장치(128) 및 시간이 설정되는 타이머(132)가 설치되고;
상기 침전실의 바닥면에 설치되어 타이머의 설정 시간에 따라 온/오프 됨과 아울러 온(ON)시 저장조로 상기 슬러지를 내보내는 슬러지 처리용 밸브(136)와 액상펌프로 구성되어 광촉매 산화반응과 바이오칩 여과장치를 동시에 이용한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 오폐수 정화처리장치의 특징은,
일반 생활하수 또는 공업용 폐수를 처리하기 위하여 광산화 반응을 이용하는 오폐수 정화처리장치에 있어서,
광촉매 산화 반응조에는 그 상부 또는 측벽에 일정간격으로 다수개의 자외선램프(126)가 설치되어 유입된 오폐수를 자외선과 고정화된 이산화티탄늄(TiO2)이 표면에 코팅된 담체(102)의 유동화로 용존성 유기물을 분해시키기 위하여 담체의 띠(band gap) 에너지 보다 높은 빛 에너지를 조사하여 담체의 유동화에 의해 오폐수에 포함된 난분해성의 유기물을 분해시키는 광촉매 산화 반응장치와
모래와 유사한 공극을 갖는 바이오칩 메디아를 충진하여 상기 광촉매 산화반응조에서 처리되어 1차 정화 된 깨끗한 물을 역세조로 공급하는 바이오칩 여과장치와
오폐수 처리조의 내측 유입부 또는 상. 하부, 유출부에는 유입되는 오폐수 중의 협잡물을 걸러내고 처리조내 에서의 담체를 보호하기 위한 제1, 2, 3, 4 스크린 망이 설치되며,
상기 오폐수 처리조의 내측 하부에는 일정간격으로 다수개 설치됨과 아울러 공기주입기와 연결되어 상기 처리조의 내측 상부로 공기를 불어넣어 공급된 오폐수와 광촉매 담체를 유체 역학적으로 유동화 시키는 산기장치 및 시간이 설정되는 타이머가 설치되고;
상기 침전실의 바닥면에 설치되어 타이머의 설정 시간에 따라 온/오프 됨과 아울러 온(ON)시 저장조로 상기 슬러지를 내보내는 슬러지 처리용 밸브(136)와 액상펌프로 구성되어 광촉매 산화반응과 바이오칩 여과장치를 동시에 이용한다.
도 1은 일반적인 광촉매 산화반응 메카니즘을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 따른 오폐수 정화처리장치를 나타낸 제1 실시예의 구성도,
도 3a는 일반 자외선 램프의 파장 영역도를 나타낸 도면,
도 3b는 본 발명에 따른 단파장 자외선 램프의 파장 영역도를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 오폐수 정화처리장치를 나타낸 제2 실시예의 구성도,
도 5a는 도 2의 광촉매 산화 반응장치에서의 기포에 의한 부유입자 제거 메카니즘을 나타낸 도면,
도 5b는 도 2의 바이오칩 여과장치에서의 바이오칩에 의한 역세척 메카니즘을 나타낸 도면,
도 6는 본 발명에 따른 오폐수 정화처리장치를 이용한 오폐수 정화처리방법의 일실시예를 나타낸 흐름도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 오폐수 정화처리장치
102 : 담체
104 : 광촉매 산화 반응장치
106 : 바이오칩 메디아
108 : 역세조
110 : 바이오칩 여과장치
이하, 본 발명에 따른 오폐수 정화처리방법 및 그 장치의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 오폐수 정화처리장치를 나타낸 제1 실시예의 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 오폐수 정화처리장치(100)는 그 중앙 내부를 기준으로 하여 유입된 오폐수를 자외선과 고정화된 이산화티탄늄(TiO2)이 표면에 코팅된 담체(102)의 유동화로 용존성 유기물을 중심으로 빠른 시간에 색도와 대장균을 분해하는 광촉매 산화 반응장치(104)와 모래와 유사한 공극인 바이오칩 메디아(예를들면, 폴리에칠렌(PE) 여재, 폴리프로필렌 여재)(106)를 충진하여 상기 광촉매 산화 반응장치(104)로부터 흘러 나오는 오폐수 중에서 슬러지를 처리한 후 깨끗한 물을 역세조(108)로 공급하는 바이오칩 여과장치(110)로 구획하는 일정길이의 격벽(112)이 구비됨과 아울러 소포조(도시생략)에 연결된 액상펌프(114)로부터 펌핑된 오폐수를 공급받는 오폐수 처리조(116)와, 상기 오폐수 처리조(116)의 내측 유입부 또는 상/하부에 설치되어 상기 액상펌프(114)로부터 유입되는 오폐수 중의 협잡물을 걸러내는 제1, 2, 3, 4 스텐망(118)(120)(122)(124)과, 상기 광촉매 산화 반응장치(104)의 상부 측벽에 일정간격으로 다수개 설치됨과 아울러 상기 광촉매 산화 반응장치(104)에 공급된 담체(102)의 띠(band gap) 에너지(3.2eV) 보다 높은 빛 에너지(λ＜387.5nm)를 조사하여 담체의 유동화에 의해 상기 오폐수에 포함된 난분해성의 유기물을 빠르게 분해시킬 수 있도록 하는 자외선램프(126)와, 상기 오폐수 처리조(116)의 내측 하부에 일정간격으로 다수개 설치됨과 아울러 후술할 공기주입기(130)와 연결되어 상기 오폐수 처리조(116)의 내측 상부로 공기를 불어넣어 공급된 오폐수와 광촉매 담체(102)를 유체 역학적으로 유동화 시킴과 아울러 상기 오폐수 처리조(116)의 내측 하부에 모인 오폐수를 상기 바이오칩 메디아(106)로 유도하는 산기장치(128)와, 후술할 타이머(132)의 설정 시간에 따라 온/오프 됨과아울러 온(ON)시 상기 산기장치(128)로 공기를 주입하는 공기주입기(130)와, 시간이 설정되는 타이머(132)와, 상기 오폐수 처리조(116)의 저면에 형성됨과 아울러 상기 오폐수 처리조(116)에서 담체(102)와 반응된 오폐수 중 물보다 비중이 무겁운 슬러지가 침전되는 침전실(134)과, 상기 침전실(134)의 바닥면에 설치되어 타이머(132)의 설정 시간에 따라 온/오프 됨과 아울러 온(ON)시 저장조(도시생략)로 상기 슬러지를 내보내는 슬러지 처리용 밸브(136)와, 상기 타이머(132)의 설정 시간에 따라 온/오프 됨과 아울러 온(ON)시 상기 역세조(108)에 저장된 오폐수를 다시 상기 오폐수 처리조(116)로 펌핑하는 액상펌프(138)로 구성된다.
미설명 부호 140은 상기 오폐수 처리조(116)로 공급된 오폐수의 압력을 측정하는 압력게이지이다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 오폐수 정화처리장치의 정화처리방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 이산화티탄늄이 표면에 코딩된 담체(102)를 내부에 저장하고 있는 광촉매 산화 반응장치(104)는 소포조(도시생략)와 연결된 액상펌프(114)로부터 오폐수를 공급받는다.
여기서, 상기 소포조는 폭기조의 표면에서 발생하는 기포들을 억제하기 위해 상등수를 공급하는 조이다.
그리고, 상기 광촉매 산화 반응장치(104) 내측 유입부 또는 상/하부에 설치된 스텐망(118)(120)(124)은 상기 액상펌프(114)로부터 유입되는 오폐수 중의 협잡물을 걸러낸다.
한편, 상기 오폐수 처리조(116)의 내측 하부에 일정간격으로 다수개 설치된 산기장치(128)는 공기주입기(130)로부터 공기를 주입받아 상기 오폐수 처리조(116)로 공기를 불어넣는다.
이때, 상기 오폐수 처리조(116)의 광촉매 산화 반응장치(104) 내부에 포함된 광촉매 담체(102)는 상기 산기장치(128)에서 발생되는 공기에 의해 유동화 되어 오폐수와 섞인다.
이에따라, 상기 광촉매 담체(102)는 화학작용을 일으켜 오폐수에 포함된 유기물질들을 분해시킨다.
특히, 상기 광촉매 담체(102)의 밀도는 산기장치(128)로부터 발생하는 기포의 유체역학적인 흐름만으로도 용이하게 유동화(fluidization) 되어질 수 있는 1.0g/㎤ ∼ 2.0g/㎤이다.
또한, 상기 광촉매 담체(100-10)는 크기가 1.0㎜ ∼ 4.0㎜의 고분자 물질(ABS수지, 폴리카보네이트, 아세탈 수지 등) 및 무기계 화합물(벤토나이트, 점토 등)에 졸상태의 광촉매 액상과 액상 무기계 바인더를 적당히 혼합하여 코팅하고 상온에서 건조시킨 후 120℃에서 약 30분간의 경화로 제조함이 바람직하다.
그리고, 상기 오폐수 처리조(116)의 광촉매 산화 반응장치(104)의 내측 측벽에 일정간격으로 다수개 설치된 자외선램프(126)는 상기 광촉매 산화 반응장치(104)에 공급된 담체(100-10)의 띠(band gap) 에너지(3.2eV) 보다 높은 빛 에너지(λ＜387.5nm)를 조사하여 상기 담체(102)의 유동화를 극대화시켜 오폐수에 포함된 난분해성의 유기물을 빠르게 분해시킨다.
따라서, 상기 자외선램프(126)에서 조사되는 강력한 광에너지의 자외선만으로도 C-C 결합 및 C=C 결합의 유기 오염물질이 분해되도록 하였다.
표 1은 결합 및 해리에너지(mol/kJ)이다.
| 결합 | 해리에너지 | 결합 | 해리에너지 | 결합 | 해리에너지 |
| C-C | 347.6(mol/kJ) | C-Cl | 338.9(mol/kJ) | C=N | 615(mol/kJ) |
| C=C | 607(mol/kJ) | C-H | 413.6(mol/kJ) | C≡N | 889.5(mol/kJ) |
| C≡C | 835.1(mol/kJ) | C-N | 291.6(mol/kJ) | C-O | 357.7(mol/kJ) |
한편, 장시간 오폐수 속에 자외선램프(126)가 담치되면, 상기 자외선램프(126)에 스케일이 증착하여 방출 자외선의 세기(UV intensity)를 감소시킬 수 있는데, 기포 흐름 및 유동화 되어지는 담체(102)와 자외선램프(126) 표면과의 접촉에 의하여 자외선램프(126)의 오염때 증착현상을 방지한다.
또한, 광원으로 사용되어지는 고출력 자외선램프(126)는 종래의 광촉매 반응에서 사용되어지고 있는 일반 살균 자외선램프와는 달리 음이온과 오존을 생성시킬 수 있는 파장까지 방출하는 고출력 2중 석영관 자외선램프이다.
도 3a는 일반 자외선 램프의 파장 영역도를 나타낸 도면이고, 도 3b는 본 발명에 따른 단파장 자외선 램프의 파장 영역도를 나타낸 도면이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 일반 자외선램프는 주로 살균선인 253.7nm의 파장(광에너지 E=hc/ =h =478mol/kJ)을 방출한다.
그리고. 도 3b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고출력 자외선램프는 253.7nm 파장 뿐만 아니라 음이온 및 용존산소로부터 오존을 발생시킬 수 있는 184.9nm의 파장 (E=h =647mol/kJ)도 방출시키는 석영 이중관 램프로서, 자외선램프(126)에서 조사되는 강력한 광에너지의 자외선만으로도 C-C결합 및 C=C결합의 유기 오염물질이 분해되도록 하였으며, 상기 담체(102)에 더욱 강한 광에너지를 조사토록 하였다.
한편, 자외선램프(126)로부터 조사되어지는 자외선에 의해 담체(102)의 유동화가 빨라지고 이에따라, 오폐수에 포함된 유기물이 담체(102)에 의해 빨리 분해됨과 아울러 오폐수중 물보다 무거운 비중의 슬러지는 상기 오폐수 처리조(116)의 침전실(134)로 침전된다.
만약, 광촉매 산화 반응장치(104) 내부의 담체(102)와 오폐수 유기물의 화학반응이 천천히 일어날 경우, 상기 화학반응을 촉진시키위해, 상기 광촉매 산화 반응장치(104)에 산화제를 첨가시켜 상기 담체(102)와 유기물의 화학반응을 촉진시킨다.
그리고, 상기 오폐수 처리조(116)의 침전실(134)에 쌓인 슬러지는 상기 침전실(134)의 바닥면에 설치된 슬러지 처리용 밸브(136)의 온(ON)시 마다 저장조로 공급된다.
한편, 상기 오폐수 처리조(116)의 광촉매 산화 반응장치(104)에 저장된 오폐수는 수두차 및 상기 산기장치(128)의 동작에 따라 상기 오폐수 처리조(116)의 바이오칩 여과장치(110)의 바이오칩 메이다(106)에 공급된다.
이때, 상기 바이오칩 메디아(106)는 상기 오폐수 중에 포함된 슬러지를 여과시킨다.
그리고, 상기 바이오칩 메디아(106)를 통과한 오폐수는 역세조(108)에 공급된다.
또한, 상기 역세조(108)에 저장된 오폐수의 수질상태에 따라 역세가 더 필요하게 되면 액상펌프(138)를 구동시켜 상기 오폐수 처리조(116)의 광촉매 산화 반응장치(104)로 오폐수 재 공급한다.
도 4는 본 발명에 따른 오폐수 정화처리장치를 나타낸 제2 실시예의 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 오폐수 정화처리장치는 유입된 오폐수를 자외선과 고정화된 이산화티탄늄(TiO2)의 유동화로 용존성 유기물을 중심으로 빠른 시간에 색도와 대장균을 분해하는 광촉매 산화 반응장치(200)와, 모래와 유사한 공극인 바이오칩 메디아를 충진하여 상기 광촉매 산화 반응장치(200)로부터 흘러 나오는 오폐수 중에서 슬러지를 처리한 후 깨끗한 물을 역세조로 공급하는 바이오칩 여과장치(300)로 크게 구성된다.
상기 광촉매 산화 반응장치(200)는 광촉매인 이산화티탄늄이 표면에 코딩된 담체(202)를 내부에 저장함과 아울러 소포조(도시생략)와 연결된 액상펌프(204)로부터 펌핑된 오폐수를 후술할 제1, 2, 3, 4 스텐망(206)(208)(210)(212)을 통해 공급받는 반응조(214)와, 상기 반응조(214)의 내측 유입부 또는 상/중/하부에 설치되어 상기 액상펌프(204)로부터 유입되는 오폐수 중의 협잡물을 걸러내는 제1, 2, 3, 4 스텐망(206)(208)(210)(212)과, 상기 반응조(214)의 내측 하부에 일정간격으로 다수개 설치됨과 아울러 후술할 공기주입기(218)와 연결되어 상기 반응조(214)로공기를 불어넣어 공급된 오폐수와 광촉매 담체(202)를 유체 역학적으로 유동화 시키기 위한 산기장치(216)와, 후술할 타이머(220)의 설정된 시간에 따라 온/오프 됨과 아울러 상기 산기장치(216)로 공기를 주입하는 공기주입기(218)와, 시간이 설정되는 타이머(220)와, 상기 반응조(214)의 내측 측벽에 일정간격으로 다수개 설치됨과 아울러 상기 반응조(214)에 공급된 담체(202)의 띠(band gap) 에너지(3.2eV) 보다 높은 빛 에너지(λ＜387.5nm)를 조사하여 담체의 유동화에 의해 상기 오폐수에 포함된 난분해성의 유기물을 빠르게 분해시킬 수 있도록 하는 자외선램프(222)와, 상기 반응조(214)의 저면에 형성됨과 아울러 상기 반응조(214)에서 담체(202)와 반응된 오폐수 중에서 물보다 비중이 무겁운 슬러지가 침전되는 침전실(224)과, 상기 침전실(224)의 바닥면에 설치되어 상기 타이머(220)의 설정 시간에 따라 온/오프 됨과 아울러 온(ON)시 저장조(도시생략)로 상기 슬러지를 내보내는 슬러지 처리용 밸브(226)로 구성된다.
특히, 상기 스텐망(206)(208)(210)(212)은 광촉매 산화 반응장치(200)에서 유동화 되어지는 광촉매 담체(202)가 외부로 유출되지 않도록 하고, 국부적으로 편중되는 것을 방지하기 위하여 수직과 수평방향으로 형성됨이 바람직하다.
상기 바이오칩 여과장치(300)는 그 중앙 내부에 공간을 구획하는 격벽(302)이 구비되어 있고 상기 광촉매 산화 반응장치(200)의 반응조(214)와 연결관(304)으로 연결되어 있음과 아울러 상기 반응조(214)의 수두차에 의해 1차적으로 여과된 오폐수를 상기 연결관(304)으로부터 공급받는 여과조(306)와, 상기 여과조(306)의 양 내측벽과 격벽(302) 사이에 일정 두께로 설치됨과 아울러 상기 연결관(304)으로부터 유입되는 오폐수 중의 슬러지를 여과하는 제1, 2 바이오칩 메디아(308)(310)과, 상기 제1, 2 바이오칩 메디아(308)(310)의 이탈을 방지하기 위해 상기 제1, 2 바이오칩 메디아(308)(310)의 상단면에 각각 설치됨과 아울러 상기 여과조(306)의 하부에 설치되어 상기 연결관(304)으로부터 유입되는 오폐수 중의 협잡물을 걸러내는 제1, 2, 3 스텐망(312)(314)(315)과, 상기 여과조(306)의 내측 하부에 일정간격으로 다수개 설치됨과 아울러 후술할 공기주입기(318)와 연결되어 상기 여과조(306)로 공기를 불어넣는 산기장치(316)와, 후술할 타이머(320)의 설정 시간에 따라 온/오프 됨과 아울러 상기 산기장치(316)로 공기를 주입하는 공기주입기(318)와, 시간이 설정되는 타이머(320)와, 상기 여과조(306)의 저면에 형성됨과 아울러 상기 여과조(306)의 제1 바이오칩 메디아(308)에서 여과된 오폐수 중에서 물보다 비중이 무겁운 슬러지가 침전되는 침전실(322)과, 상기 침전실(322)의 바닥면에 설치되어 상기 타이머(320)의 설정 시간에 따라 온/오프 됨과 아울러 온(ON)시 상기 슬러지를 저장조(도시생략)로 내보내는 슬러지 처리용 밸브(324)와, 상기 여과조(306)에 설치된 제2 바이오칩 메디아(310)으로부터 여과된 오폐수로부터 깨끗한 물을 공급받는 역세조(326)와, 상기 타이머(320)의 설정 시간에 따라 온/오프 됨과 아울러 온(ON)시 상기 역세조(326)에 저장된 물을 다시 상기 여과조(306)로 펌핑하는 액상펌프(328)로 구성된다.
미설명 부호 330은 상기 여과조(306)로 공급된 오폐수의 압력을 측정하는 압력게이지이다.
특히, 상기 제1, 2 바이오칩 메디아(308)(310)의 공극율은 35％ ∼ 65％임이바람직하다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 오폐수 정화처리장치의 정화처리방법을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 이산화티탄늄이 표면에 코딩된 담체(202)를 내부에 저장하고 있는 광촉매 산화 반응장치(200)의 반응조(214)는 소포조와 연결된 액상펌프(204)로부터 오폐수를 공급받는다.
그리고, 상기 반응조(214) 내측 유입부 또는 상/중/하부에 설치된 제1, 2, 3, 4 스텐망(206)(208)(210)(212)은 상기 액상펌프(204)로부터 유입되는 오폐수 중의 협잡물을 걸러낸다.
한편, 상기 반응조(214)의 내측 하부에 일정간격으로 다수개 설치된 산기장치(216)는 공기주입기(218)로부터 공기를 주입받아 상기 반응조(214)로 공기를 불어넣는다.
이때, 상기 반응조(214)에 포함된 광촉매 담체(202)는 상기 산기장치(216)에서 발생되는 공기에 의해 유동화 되어 오폐수와 섞인다.
이에따라, 상기 광촉매 담체(202)는 화학작용을 일으켜 오폐수에 포함된 유기물질들을 분해시킨다.
특히, 상기 광촉매 담체(202)의 밀도는 산기장치(216)로부터 발생하는 공기의 유체역학적인 흐름만으로도 용이하게 유동화(fluidization) 되어질 수 있는 1.0g/㎤ ∼ 2.0g/㎤이다.
또한, 상기 광촉매 담체(202)는 크기가 1.0㎜ ∼ 4.0㎜의 고분자 물질(ABS수지, 폴리카보네이트, 아세탈 수지 등) 및 무기계 화합물(벤토나이트, 점토 등)에 졸상태의 광촉매 액상과 액상 무기계 바인더를 적당히 혼합하여 코팅하고 상온에서 건조시킨 후 120℃에서 약 30분간의 경화로 제조한다.
그리고, 상기 반응조(214)의 내측 측벽에 일정간격으로 다수개 설치된 자외선램프(222)는 상기 반응조(214)에 공급된 담체(202)의 띠(band gap) 에너지(3.2eV) 보다 높은 빛 에너지(λ＜387.5nm)를 조사하여 상기 담체(202)의 유동화를 극대화시켜 오폐수에 포함된 난분해성의 유기물을 빠르게 분해시킨다.
또한, 자외선램프(222)로부터 조사되어지는 자외선에 의해 담체(202)의 유동화가 빨라지고 이에따라, 오폐수에 포함된 유기물이 담체(202)에 의해 빨리 분해됨과 아울러 오폐수중 물보다 무거운 비중의 슬러지는 상기 반응조(214)의 침전실(224)로 침전된다.
또한, 상기 반응조(214)에 저장된 오폐수는 수두차에 의해, 연결관(304)을 따라 바이오칩 여과장치(300)의 여과조(306)에 공급된다.
만약, 담체(202)와 유기물의 화학반응이 천천히 일어날 경우, 상기 화학반응을 촉진시키위해, 상기 반응조(214)에 산화제를 첨가시켜 상기 담체(202)와 유기물의 화학반응을 촉진시킨다.
그리고, 상기 침전실(224)에 쌓인 슬러지는 상기 침전실(100-70)의 바닥면에 설치된 슬러지 처리용 밸브(226)의 온(ON)시 마다 저장조로 공급된다.
한편, 상기 반응조(214)에서 반응이 끝난 오폐수는 연결관(304)을 따라 여과조(306)에 공급되는 바, 이때, 상기 오폐수는 제1 바이오칩 메디아(308)가 설치된부위로 공급된다.
이때, 제1 바이오칩 메디아(308)의 상부에 설치된 제1 스텐망(312) 또는 하부에 설치된 제3 스텐망(315)은 상기 연결관(304)로부터 유입되는 오폐수 중의 협잡물을 걸러낸다.
그리고, 상기 제1 바이오칩 메디아(308)는 상기 오폐수 중에 포함된 슬러지를 여과시킨다.
이때, 여과된 오폐수는 중력에 의한 하향흐름으로 유도되어 상기 여과조(326)의 하부 및 침전실(322)에 모인다.
그리고, 상기 침전실(322)의 바닥면에는 물보다 무거운 비중의 슬러지가 쌓인다.
한편, 상기 여과조(306)의 내측 하부에 일정간격으로 다수개 설치된 산기장치(316)는 공기주입기(318)로부터 공기를 주입받아 상기 여과조(306)로 공기를 불어넣는다.
이에따라, 상기 여과조(306)의 하부에 모인 오폐수는 상향흐름으로 유도되어 제2 바이오칩 메디아(310)로 흘러들어간다.
이때, 상기 제2 바이오칩 메디아(310)는 상기 오폐수 중에 포함된 슬러지를 여과시킨다.
그리고, 상기 제2 바이오칩 메디아(310)를 통과한 오폐수는 역세조(326)에 공급된다.
한편, 상기 침전실(322)에 쌓인 슬러지는 상기 침전실(322)의 바닥면에 설치된 슬러지 처리용 밸브(324)의 온(ON)시 마다 저장조로 공급된다.
또한, 상기 역세조(326)에 저장된 오폐수의 수질상태에 따라 역세가 더 필요하게 되면 액상펌프(328)를 구동시켜 상기 여과조(306)로 오폐수를 재 공급한다.
특히, 상기 바이오칩 여과장치(300)에서 슬러지는 침전(sedimentation), 차단(interception), 충돌(impaction), 부착(attachment), 응집, 생물증식 등의 일련의 메카니즘에 의하여 제거되는데 이를 도 5a에 나타내었다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 미세한 입자의 제거는 첫째, 바이오칩까지 부유입자의 이동, 두 번째, 충돌 또는 차단후 부착의 메카니즘에 의해서 이루어진다고 할 수 있다.
(a) 침전 및 충돌: 무거운 입자는 폐수흐름에 따라 흐르지 않고 잡힌다.
(b) 차단: 폐수흐름과 함께 하강하는 많은 입자들은 바이오칩의 표면에서 접촉하여 제거된다.
(c) 부착: 응집성 부유물질들은 바이오칩을 통과할 때 친수성 필터에 붙게 된다.
그리고, 공극 사이를 흐르는 폐수의 접근 여과유속 때문에 어떤 부유입자는 바이오칩 필터에 붙기 전에 씻겨나가 필터층의 하부로 밀려 내려간다.
또한, 필터층이 부착된 부유물에 의해 막히면 표면 전단력이 증가하여 더 이상 물질을 제거할 수 없는 시점에 이른다. 이때 발생하는 현상이 바이오칩 층 하부에서 누출되어 여과조 바닥으로 응집, 침전된다.
(d) 응집: 큰 입자에 작은 입자가 붙어서 더 큰 입자가 만들어진다. 이러한입자들은 (a) (b), (c) 메카니즘의 작용으로 제거.
한편, 여과된 부유입자가 바이오칩 필터층의 공극을 막아 층내의 압력부하가 커지게 되면 역세가 요구되는데, 본 발명에서는 기포에 의한 유동화 방법으로 역세하고자 하며, 이러한 역세 메카니즘은 도 5b와 같다.
정지 유체를 통하여 Stokes 법칙 영역에서 침강하는 부유입자의 충돌에 의한 역세효율은 무차원군인 분리수(separation number, UtU0/gDb)로 표현한다. 여기서, Ut는 정지 액체에서의 부유입자의 종말 침강속도, U0는 바이오칩에 접근하는 공기흐름의 유속, g는 중력가속도, Db는 바이오칩의 지름이다. Stokes 법칙 영역에서 침강할 때 종말속도 Ut는 D2p에 비례한다. 따라서, 부유입자의 크기가 작을수록 충돌, 역세효율이 적어진다.
그러나 충돌효율은 표적 크기 Db감소에 따라 증가된다. 역세척 효율은 충돌효율, 필터조내 바이오칩 분율, 필터층 깊이 등에 의존된다. 역세효율을 높이기 위한 방법으로 고효율 산기관에서 일정하게 발생하는 기포로 필터층을 유동화후 바이오칩에 부착되어 있는 부유입자와의 접촉 기회를 반복하면, 연속적으로 탈리, 침전작용에 의해 부유입자를 거의 완전 제거시킬 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 오폐수 정화처리장치를 이용하여 오폐수 정화처리방법을 살펴보면 다음과 같다.
도 6는 본 발명에 따른 오폐수 정화처리장치를 이용한 오폐수 정화처리방법의 일실시예를 나타낸 흐름도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 먼저, 일반가정 또는 산업용 공장으로부터 흘러나오는 오폐수를 침사조로 보낸다(S101).
그리고, 상기 침사조로부터 흘러 나오는 오폐수 중에서 용존되어있는 기름같은 지용성 유기물을 스크린으로 제거 한 후, 상기 오폐수를 유량조정조로 보낸다(S103)(S105).
또한, 상기 유량조정조로부터 흘러 나오는 오폐수 중에서 미세한 슬러지를 미세 스크린으로 제거 한 후, 상기 오폐수를 폐수 및 슬러지를 폭기시키는 폭기조로 보낸다(S107)(S109).
이때, 상기 폭기조는 유입된 오폐수 및 슬러지를 폭기시킨다.
그리고, 상기 폭기조로부터 흘러 나오는 오폐수를 침전조로 보낸다(S111).
여기서, 상기 침전조는 활성슬러지 공정인 폭기조에서 발생한 생물학적 고형물을 분리시킴과 아울러 오폐수를 침사조, 소포조 및 배양조로 보낸다(S113)(S115).
그리고, 상기 소포조는 폭기조 표면등에서 발생하는 기포들을 억제하기 위해 상등수를 공급하는 조임과 아울러 오폐수를 광촉매 산화 반응장치의 광산화 반응조로 보낸다(S117).
이때, 상기 광산화 반응조는 상기 소포조에서 유입된 오폐수를 자외선과 고정화된 이산화티탄늄(TiO2)의 유동화로 용존성 유기물을 중심으로 빠른 시간에 색도와 대장균을 분해한 후, 오폐수를 바이오칩 여과장치의 바이오칩 여과조로 보낸다(S119).
여기서, 상기 바이오칩 여과조는 모래와 유사한 공극인 바이오칩 메디아를 충진하여 상기 광촉매 산화 반응장치로부터 흘러 나오는 오폐수 중에서 슬러지를 처리한 후 깨끗한 물을 역세조로 보낸다(S121).
그리고, 상기 역세조는 오폐수의 수질상태에 따라 역세가 더 필요하게 되면 광산화 반응조로 오폐수를 재 공급함과 아울러 역세조로부터 흘러 나오는 오폐수를 방류조로 보낸다(S123).
한편, 상기 침전조로부터 흘러 나온 오폐수를 공급받은 배양조는 미생물을 증식시킨다.
상기 배양조로부터 흘러 나오는 오폐수를 오니농축조로 보낸다(S125).
여기서, 상기 오니농축조는 오니를 고농도로 유지하는 조이다.
상기 오니농축조로부터 흘러 나오는 오폐수를 농축오니저류조로 보낸다(S127).
이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 저렴한 비용과 간단한 설계·시공으로 기존 복잡한 수처리 장치들을 대체할 수 있으며, 광촉매 화학반응에서 문제시 되었던 광촉매 분리·회수 재생 문제를 극복할 수 있을 뿐만 아니라 빠른 반응시간으로 체류시간을 단축할 수 있기에 넓은 부지가 필요하였던 종래의 수처리 장치를 본 발명으로 대체한다면 부지 축소의 효과도 가져 올 수 있다.
또한, 날로 규제가 강화되는 생물학적산소요구량/화학적산소요구량/부유물질/질소/인/살균/색도 등 수질 조건에 부합되게 하기 위하여 기존의 수처리 장치에 간편하게 부착하여 난분해성 오염물질까지 분해 처리할 수 있는 후단처리 장치와 물부족 현상을 극복할 수 있는 중수도 처리장치로도 제공될 수 있다.
또한, 바이오칩 여과장치는 기존 여과장치에서 부담이 되었던 유지관리비를 감소시킬 수 있으며, 역세운전 또한 자동으로 손쉽게 할 수 있기에 바이오칩 메디아의 수명을 증가시킬 수 있다는 특징이 있다.
Claims (4)
- 일반 생활하수 또는 공업용 폐수를 처리하기 위하여 광산화 반응을 이용하는 오폐수 정화처리방법에 있어서,오폐수 처리조(116)가 광촉매 산화 반응조(104)와 바이오칩 여과조(110) 및 침전조(134)로 구분되되,광촉매 산화 반응조(104)는 그 상부 또는 측벽에 일정간격으로 다수개의 자외선램프(126)가 설치되어 유입된 오폐수를 자외선과 고정화된 이산화티탄늄(TiO2)이 표면에 코팅된 담체(102)의 유동화로 용존성 유기물을 분해시키기 위하여 담체의 띠(band gap) 에너지 보다 높은 빛 에너지(λ< 387.5㎚)를 조사하여 담체의 유동화에 의해 오폐수에 포함된 난분해성의 유기물을 분해시키는 광촉매 산화 반응조(104)와모래와 유사한 공극을 갖는 바이오칩 메디아를 충진하여 상기 광촉매 산화 반응조에서 처리되어 1차 정화 된 깨끗한 물을 역세조로 공급하는 바이오칩 여과조(110),상기 오폐수 처리조(116)의 저부에 형성되어 처리조에서 담체와 반응된 오폐수 중 물보다 비중이 무거운 슬러지가 침전되는 침전실(134)로 구분되고;상기 오폐수 처리조(116)의 내측 유입부 또는 상. 하부, 유출부에는 유입되는 오폐수 중의 협잡물을 걸러내고 또한 처리조 내에서의 담체를 보호하기 위한 제1, 2, 3, 4 스크린 망(118, 120, 122, 124)이 각각 설치되며,상기 처리조의 내측 하부에는 일정간격으로 다수개 설치됨과 아울러 공기주입기와 연결되어 상기 처리조의 내측 상부로 공기를 불어넣어 공급된 오폐수와 광촉매 담체를 유체 역학적으로 유동화 시키는 산기장치(128) 및 시간이 설정되는 타이머(132)가 설치되고;상기 침전실의 바닥면에 설치되어 타이머의 설정 시간에 따라 온/오프 됨과 아울러 온(ON)시 저장조로 상기 슬러지를 내보내는 슬러지 처리용 밸브(136)와 액상펌프로 구성되어 광촉매 산화반응과 바이오칩 여과장치를 동시에 이용하는 것을 특징으로 하는 오폐수 정화처리방법.
- 제 1 항에 있어서, 바이오칩 여과조(300)는,광촉매 산화 반응조와 격벽으로 또는 연결관으로 연결되어 있음과 아울러 반응조의 수두차에 의하거나 펌프와 연결될 수 있으며;상기 여과조의 양 내측벽과 격벽 사이에는 바이오칩 여재(메디아)가 일정 두께로 설치됨과 아울러 상기 연결관으로부터 유입되는 오폐수 중의 슬러지를 여과하는 제1, 2 바이오칩 메디아(308, 310)가 채워지고;상기 제1, 2 바이오칩 메디아의 이탈을 방지하기 위해 상기 제1, 2 바이오칩 메디아의 상단, 하단면에, 또는 입. 출구에는 각각 제1, 2, 3 스크린 망(312, 314,315)이 설치되며;상기 여과조의 저면에 형성됨과 아울러 상기 여과조의 제1 바이오칩 메디아에서 여과된 오폐수 중에서 물보다 비중이 무겁운 슬러지가 침전되는 침전실과;상기 침전실의 바닥면에 설치되어 상기 타이머의 설정 시간에 따라 온/오프 됨과 아울러 온(ON)시 상기 슬러지를 저장조로 내보내는 슬러지 처리용 밸브와;상기 여과조에 설치된 제2 바이오칩 메디아으로부터 여과된 오폐수로부터 깨끗한 물을 공급받는 역세조와;상기 타이머의 설정 시간에 따라 온/오프 됨과 아울러 온(ON)시 상기 역세조에 저장된 물을 다시 상기 여과조로 펌핑하는 액상펌프로 구성되어 광촉매 산화반응과 바이오칩 여과장치를 동시에 이용하는 것을 특징으로 하는 오폐수 정화처리방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 제1, 2 바이오칩 메디아는 그 공극율이 35％ ∼ 65％의 것을 이용하는 광촉매 산화반응과 바이오칩 여과장치를 동시에 이용하는 것을 특징으로 하는 오폐수 정화처리방법.
- 일반 생활하수 또는 공업용 폐수를 처리하기 위하여 광산화 반응을 이용하는오폐수 정화처리장치에 있어서,광촉매 산화 반응조에는 그 상부 또는 측벽에 일정간격으로 다수개의 자외선램프(126)가 설치되어 유입된 오폐수를 자외선과 고정화된 이산화티탄늄(TiO2)이 표면에 코팅된 담체(102)의 유동화로 용존성 유기물을 분해시키기 위하여 담체의 띠(band gap) 에너지 보다 높은 빛 에너지를 조사하여 담체의 유동화에 의해 오폐수에 포함된 난분해성의 유기물을 분해시키는 광촉매 산화 반응장치와모래와 유사한 공극을 갖는 바이오칩 메디아를 충진하여 상기 광촉매 산화 반응조에서 처리되어 1차 정화 된 깨끗한 물을 역세조로 공급하는 바이오칩 여과장치와오폐수 처리조의 내측 유입부 또는 상. 하부, 유출부에는 유입되는 오폐수 중의 협잡물을 걸러내고 처리조내 에서의 담체를 보호하기 위한 제1, 2, 3, 4 스크린 망이 설치되며,상기 오폐수 처리조의 내측 하부에는 일정간격으로 다수개 설치됨과 아울러 공기주입기와 연결되어 상기 처리조의 내측 상부로 공기를 불어넣어 공급된 오폐수와 광촉매 담체를 유체 역학적으로 유동화 시키는 산기장치 및 시간이 설정되는 타이머가 설치되고;상기 침전실의 바닥면에 설치되어 타이머의 설정 시간에 따라 온/오프 됨과 아울러 온(ON)시 저장조로 상기 슬러지를 내보내는 슬러지 처리용 밸브(136)와 액상펌프로 구성되어 광촉매 산화반응과 바이오칩 여과장치를 동시에 이용하는 것을 특징으로 하는 오폐수 정화처리장치.
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