KR20090025409A - 촉매막 및 나노금속을 이용한 하폐수처리 시스템 및 방법 - Google Patents

촉매막 및 나노금속을 이용한 하폐수처리 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하폐수처리 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 처리대상 하수의 부유물질 및 유기물질을 제거하는 촉매막 및 난분해성 물질 및 음이온성 물질을 제거하기 위해 0.5 ~ 9 V의 전압하에 10 mA ~ 10 A 전류를 인가하여 나노금속을 석출시키는 다수개의 나노금속 석출장치가 내부에 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 호기조를 포함하는 하폐수 처리 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 촉매막 및 나노금속 석출장치를 이용한 하폐수처리 시스템은 특별한 변경 없이 기존 시설에 적용이 용이하고, 혐기조가 필요 없어, 하수 처리장의 개보수 및 신설시 공사비용을 절감할 수 있으며, 혐기조에서 인을 용출하는데 사용한 탄소원을 질산성 질소를 탈질시키는 에너지원으로 활용하여 질소와 인의 처리효율을 향상시킬 뿐만 아니라, 미생물이 막 표면에 달라붙는 파울링 현상을 방지하고, 비소나 시안 등의 난분해성 물질의 제거율도 높일 수 있다.
하폐수, 촉매막, 금속 석출장치, 혐기조, 나노금속

Description

촉매막 및 나노금속을 이용한 하폐수처리 시스템 및 방법{Wastewater Treatment System and Method Using Nano Metal and Catalysis Membrane}
본 발명은 하폐수처리 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 처리대상 하수의 부유물질 및 유기물질을 제거하는 촉매막 및 난분해성 물질 및 음이온성 물질을 제거하기 위해 0.5 ~ 9 V의 전압하에 10 mA ~ 10 A 전류를 인가하여 나노금속을 석출시키는 다수개의 나노금속 석출장치가 내부에 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 호기조를 포함하는 하폐수 처리 시스템에 관한 것이다.
질소 및 인과 같은 영양염류는 생물에게 필수 영양소이지만 이를 적절하게 처리하지 않고 자연계에 과다하게 배출시킬 경우 부영양화를 초래하여 수질오염을 가중시킨다. 부영양화가 진행된 수역은 상수처리시 여과시의 폐쇄 및 상수의 맛을 저하시킴은 물론 심한 악취를 발생하므로 상수원으로서 가치를 저하시킬 뿐만 아니라, 산화과정을 거치면서 수중의 용존 산소를 소모하여 하천의 자정작용에 악영향을 끼치고, 또한 조류의 과다번식 문제 등으로 인하여 생태계의 파괴 및 용수의 생 산에 막대한 지장을 초래한다.
최근 호소 및 연근해의 부영양화를 유발하는 질소와 인에 대한 적절한 제거가 절실히 필요하나, 중·소규모 처리시설의 경우, 하수도달시간이 대규모 처리장에 비하여 매우 짧고, 유입 수량의 변동이 일간, 주간 및 계절에 따라 매우 커서 질소 및 인을 함께 제거하기가 어려운 반면, 높은 수준의 방류 수질의 유지가 필요한 경우가 많다. 그러나 종래 중·소규모 폐수 처리장의 경우, 대부분 유기 물질과 부유 물질 제거에 초점이 맞추어져 있을 뿐, 질소와 인 등의 영양염류에 대한 처리가 거의 이루어지지 않고 있다. 부유 미생물을 이용한 대규모의 활성 슬러지 공정에서는 침전조에서 포집된 미생물 플럭을 포기조로 반송시켜 포기조의 미생물 농도를 원하는 만큼 높게 유지하여 적절한 처리를 유지하지만, 유입 수질 및 유량의 변동이 심한 중·소규모 시설에서 미생물 플럭 형성이 좋지 않을 경우에는 반응조 내의 미생물 농도를 충분히 높게 유지하기 어렵기 때문에 질소 및 인의 처리가 어렵게 되는 바, 적절한 미생물량을 유지하기 위해서는 매우 까다로운 제어과정을 통한 설비 운전이 필요하다. 나아가, 질소의 제거를 위한 탈질 및 질산화 공정은 그 관련 미생물이 별도로 존재하지만, 상기 두 공정이 연속적으로 이루어지는 종래 기술하에서는 각 공정에 관련된 미생물이 모두 존재하는 가운데 각각의 반응조에서 미생물에 유리한 조건을 제공함으로써 탈질 혹은 질산화를 달성하고 있으므로, 상대적으로 일반 유기물 제거와 탈질에 관여하는 종속 영양 미생물보다 비성장 속도가 느리고 환경에 민감한 질산화 미생물인 독립영양 미생물의 적절한 미생물량의 보유는 매우 어렵다.
한편, 고도처리에 있어, 인의 제거는 대부분 생물학적 처리 방법에 의존하고 있으나, 중·소규모 시설의 경우는 운전이 복잡하고 유입부하의 변동이 커서 인의 처리가 안정적으로 이루어지기 힘들고, 슬러지 저류조에서 인이 재 용출되어 처리 계통내로 다시 유입되는 단점이 있다. 상기 단점을 극복하기 위해 약품을 이용한 인의 화학적 처리방법이 개발되어 있으나, 이 경우, 약품 투입시설의 설치 및 유지관리 문제, 지속적인 약품 구입 비용 소요, 잔류 화학약품으로 인한 2차 오염 발생 및 과량의 슬러지 처리 등의 많은 문제점을 가진다.
아울러, 전기분해장치를 이용한 인 제거방법도 공지되어 있으나, 지금까지 알려진 전기분해를 이용하여 폐수를 처리하는 방법은 대부분 SS, n-헥산, 색도, 전질소 등이 포함된 악성폐수에 전류를 인가하여, 폐수 중에 포함된 오염물질 자체를 전기분해하여 처리하는 방법들이었다 (대한민국 특허공고 0231331, 대한민국 특허공고 0148315 및 대한민국 특허공개 2004-0035634). 그러나 상기와 같은 전기분해를 이용한 폐수처리 방법은 자체가 전기분해 가능한 오염물질에만 적용될 수 있으며, 축산폐수나 가정용 오수에 포함된 인, 질소 및 유기물들을 제거할 수 없는 단점이 있었다. 인과 질소의 제거를 위한 생물학적 처리공정은 최적공정관리가 매우 복잡하고, 활성 미생물에 의한 영양염류 제거율이 신뢰도가 매우 낮아 제거효율을 높이기 위하여, 오 폐수에 화학약품을 투입하는 화학적 처리방법을 병행하여 사용하고 있으나, 비용이 많이 들고, 잉여슬러지의 처리량이 증가되며, 화학약품을 계속 투입할 경우 미생물의 활성도가 저하하게 된다.
이에 반해 폐수처리 시의 전기분해의 전극으로 철을 이용하면 전극에서 석출 되는 철 이온이 폐수 중의 인, 질소 및 유기물들과 반응하여 불용성 염을 형성시키고, 침전된 불용성 염을 제거함으로써 효과적으로 폐수를 처리할 수 있는 장점이 있다.
철의 전기분해를 이용한 오폐수의 처리방법(대한민국 특허등록 0142894)은 오폐수 처리조 내에 설치된 봉형태의 철 전극에 전류를 인가하여 철 전극으로부터 2가 철이온(Fe2+)을 생성시키고, 생성된 Fe2 +은 전류의 흐름 방향에 따라 양극에서 음극의 철판표면으로 이동하는 과정에서 철의 전기 분해조의 용존산소와 반응하여 2가 철이온의 일부분은 3가 철로 전환되며, 전해반응에 의해 발생된 철이온은 Fe2 +, Fe3+, Fe(OH)2+, 및 Fe(OH)2+ 등과 같은 형태로 존재하며 용액 내의 부유물질 및 용해성 유·무기물과 반응하여 불용성 침전물을 형성하여 처리조 바닥으로 침전되게 된다. 철의 전기분해에 의해 석출된 철 산화물에 의해 처리조 내의 호기성 박테리아의 증식을 활성화시켜 유기물질의 산화, 분해 능력이 증가되어 오폐수 내의 유기물질이 효과적으로 제거되게 된다.
철 전기분해를 이용한 폐수 처리조 내부의 질소는 철의 전기분해에 의해 석출된 철산화물에 의해 포기조 내의 질산화 박테리아의 증식이 활발해 지고, 오폐수 중 암모니아성 질소가 호기성 미생물의 호흡과정에 의해 질산염으로 질산화되고, 최종 침전지에서는 철염이 혼합된 활성슬러지와 질산염이 함유된 폐수를 포기조로부터 무산소조로 반송시켜 무산소조에서 탈질 미생물에 의해 질산염이 질소가스로 환원되어 질소산화물을 제거하게 된다.
또한, 인의 경우는 포기조에 투입된 양극의 철봉표면에서 생성된 2가 철이온이 수용액에서 전류의 흐름에 따라 양극에서 음극의 철봉표면으로 이동하는 과정에서 포기조 내 용존산소와 반응하여 3가 철로 환원되고, 이때, 반응조 내 철이온은 용존 산소와 반응하여 주로 입자상의 철산화물을 형성하여 오폐수 중의 인산염이 철산화물의 표면에 흡착되어 제거되게 된다.
그러나, 상기와 같은 종래의 철 전기분해를 이용한 오폐수처리공정에서는 철 전극이 포기조 내에 존재하여, 처리조 내부에서 발생하는 스컴 등이 전극에 부착되어 안정적인 전기분해가 이루어지지 못하며, 철 전극으로 사용되는 철봉이 전기분해로 소모되고 난 후에 교환하는 것이 번거롭다.
이를 해결하고자 본 발명자들은 혐기조, 무산소조 및 호기조로 구성된 오폐수 처리 장치에 철의 전기분해조를 별도로 설치하여 호기조에서 유입된 오폐수를 이용하여 철을 전기분해하는 시스템을 개발하였으나(대한민국 특허출원 2004-86525호), 상기 시스템은 오폐수가 혐기조로 유입되면 혐기조 내의 미생물이 유기물에서 인을 용출시키는데 에너지원을 사용하여, 정작 무산소조에서 탈질을 위한 에너지원이 부족하여 탈질 효율이 떨어지는 단점이 있었고, 또한 종래의 철 전기분해에서 석출되는 철 이온은 인산염이나 음이온성 물질과 결합력이 약하기 때문에, 불용성 침전물의 형성이 저조하고, 음이온성 물질과 결합된 철 이온은 이온결합 도중에 다시 용출되어 처리수의 색도를 황색으로 만드는 문제점이 있다.
따라서, 고효율 및 저비용으로 질소 및 인을 함유한 하폐수를 고도처리할 수 있는 시스템 및 방법에 대한 요구가 절실하다.
이에, 본 발명자들은 종래기술의 단점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 기존의 하폐수처리 시스템에서, 혐기조를 제거하고 처리대상 하수의 부유물질 및 유기물질을 제거하는 촉매막과 난분해성 물질 및 음이온성 물질을 제거하기 위한 나노금속 석출장치가 구비된 호기조를 포함한 공정을 수행함으로, 인 및 질소제거 효율을 높일 수 있다는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 주된 목적은 유기물질, 질소 및 인을 동시에 고효율 및 저비용으로 처리할 수 있는 촉매막 및 나노금속 석출장치를 이용한 하폐수처리 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 시스템을 이용한 하폐수의 처리방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 처리대상 하수의 부유물질 및 유기물질을 제거하는 촉매막; 및 난분해성 물질 및 음이온성 물질을 제거하기 위해 0.5 ~ 9 V의 전압하에 10 mA ~ 10 A 전류를 인가하여 나노 금속을 석출시키는 다수개의 나노 철 석출장치가 내부에 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 호기조를 포함하는 하폐수 처리시스템을 제공한다.
본 발명은 또한, 촉매막이 침지되어 있어 처리대상 하수의 부유물질 및 유기 물질을 제거하고, 질산화를 수행하는 호기조; 0.5 ~ 9 V의 전압하에 10 mA ~ 10 A 전류를 인가하여 나노 철을 석출시키는 나노 철 석출장치를 구비하여 상기 호기조로부터 일부 유입된 처리수로 나노 철을 석출시키는 나노 철 분해조; 및 상기 나노 철 분해조로부터 유입된 나노 철을 이용하여 처리수의 탈질 및 탈인을 수행하는 무산소조 또는 산소저감조를 포함하는 촉매막 및 나노 철 석출장치가 장착되어 있는 하폐수 처리시스템을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 하폐수 처리시스템을 이용하는 것을 특징으로 하는 하폐수 처리방법을 제공한다.
이상 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 유기물질, 질소 및 인을 동시에 고효율 및 저비용으로 처리할 수 있는 촉매막 및 나노금속 석출장치를 이용한 하폐수처리 시스템 및 방법을 제공하는 효과가 있다. 본 발명에 따른 촉매막 및 나노 금속 석출장치를 이용한 하폐수처리 시스템은 특별한 변경 없이 기존 시설에 적용이 용이하고, 혐기조가 필요 없어, 하수 처리장의 개보수 및 신설시 공사비용을 절감할 수 있으며, 혐기조에서 인을 용출하는데 사용한 탄소원을 질산성 질소를 탈질시키는 에너지원으로 활용하여 질소와 인의 처리효율을 향상시킬 뿐만 아니라, 미생물이 막 표면에 달라붙는 파울링 현상을 방지하고, 비소나 시안 등의 난분해성 물질의 제거율도 높일 수 있다.
본 발명은 기존의 막공법에서 인을 제거하기 위해 설치했던 혐기조를 촉매막 및 나노금속 석출장치 장착된 호기조로 대체하여 인을 안정적으로 제거하고 축적된 탄소원으로 질산성 질소를 효율적으로 탈질시키는 하폐수처리 시스템 및 방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
먼저, 도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 촉매막 및 나노금속 석출장치를 이용한 하폐수 처리시스템은 기존 하폐수 처리시스템에 혐기조 없이 촉매막 및 나노금속 석출장치가 구비된 호기조를 포함하는 것으로, 유기물질 및 부유물질을 제거하기 위하여 설치된 촉매막(1), 공기를 호기조에 공급하는 산기관(2), 금속 나노입자를 석출시키는 나노금속 석출장치(3) 및 산기관(2)에 공기를 주입하는 공기 주입부(4)를 포함한다.
본 발명에 따른 하폐수 처리시스템은 호기조에 촉매막을 침지시켜, 호기조로 유입된 하폐수의 유기물 및 부유물질을 촉매막에 의해 제거시키고, 유입수 중의 암모니아성 질소는 미생물 호흡과정에 의해 호기조 내에서 질산염으로 질산화되는 과정을 거쳐 탈질 가스로 환원되어 제거되며, 유입수 중의 용해성 인산염은 나노금속 석출장치에서 석출된 나노금속 입자와 공유결합하여 불용성 침전물 형태로 호기조 내에서 제거된다.
본 발명에 따른 나노금속 석출장치의 석출된 나노금속은 철, 니켈 및 알루미늄으로 구성된 그룹에서 선택되는 하나의 금속 또는 둘 이상의 합금인 것을 특징 으로 할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 하폐수 처리시스템은 기존 운영하수처리장이나 신설 하수 처리장에 별도의 기초설비공사 없이 간단하게 설치할 수 있고, 혐기조를 설치할 필요가 없어, 보다 경제적으로 설치가 가능하며, 혐기조 내부의 미생물이 하수에 포함된 유기물에서 인을 용출하는데 필요한 탄소원 등을 사용하여 기존의 무산소조 또는 산소저감조에서 탈질 반응시의 에너지원이 부족했던 단점을 개선시킨 것으로, 처리수에 포함된 유기물질을 탈질에 활용하여 탈질 효율을 향상시킨다.
본 발명에 있어서, 나노금속 석출장치(3)는 절연체로 코팅되어 사람이 접촉하지 못하도록 되어 있는 금속판이 형성되고, 상기 금속판의 간격을 조절하는 각 극판을 구비하는 나노금속 생성장치를 포함하며, 상기 나노금속 생성장치는 금속판을 카트리지 형식으로 삽입하도록 되어 있어, 금속판이 나노금속으로 용출되어 마모되면 쉽게 교체할 수 있도록 한다.
기존의 철 전기분해를 이용한 오폐수 처리방법들은 철 전극에 전류를 인가하여 철 전극으로부터 철이온을 생성시키는 것에 반해, 본 발명의 나노금속 석출장치는 나노금속을 석출시키는 것으로, 나노금속 석출과정은 금속판 표면에 0.5 ~ 9V 전합하에 10mA ~ 20A의 큰전류를 흐르게 하여 금속판 표면으로부터 금속이온을 생성시키고, 생성된 금속이온은 전류의 흐름 방향에 따라 양극에서 음극의 금속판 표면을 이동하는 과정에서 음전하를 받아 나노금속이 석출된다.
본 발명에 있어서, 금속판 표면에 흐르는 전류는 0.5 ~ 9 V 전압하에 10 mA 이하일 경우, 나노금속이 제대로 석출되지 않고, 0.5 ~ 9 V 전압하에 20 A 이상인 경우에는 상기 전류와 같은 큰 전압과 전류를 발생시킬 수 있는 전기분해장치가 고가이므로, 하폐수 처리비용면에서 비효율적임에 따라, 바람직하게 0.5 ~ 9V 전합하에 10mA ~ 20A이다.
상기 금속판의 형태는 직사각형 또는 정사각형이며 전기분해 모듈의 전기 공급방식은 0.5~9 V 전압하에 10 mA ~ 20A의 전류로 1 ~ 2시간 간격으로 (+)단자와 (-)단자를 전기적으로 교환되어 금속판에 붙어 있는 이물질을 제거할 수 있다.
금속 전기분해에서 석출되는 금속이온은 인산염이나 질산성 질소 등 음이온성 물질과 이온 결합을 하기 때문에 결합력이 약해 불용성 침전물의 형성이 저조하고, 인산염이나 음이온성 물질과 결합된 금속 이온은 이온결합 도중에 다시 용출되어 처리수의 색도를 황색으로 만드는 문제점이 있으나, 나노금속은 인산염이나 비소, 시안 등의 음이온성 물질과 강한 공유결합을 하므로서, 나노금속이 음이온과의 결합도중 금속 이온으로 다시 용출되는 양이 극히 적고, 나노금속은 불용성 침전물의 형성을 촉진하여, 기존 금속 이온의 문제점을 해결할 수 있다.
한편, 본 발명에 따라 호기조에 설치된 촉매막은 촉매가 담지된 흡입여과 방식의 침지형 중공사막으로, 바람직하게는 평균 공극크기가 0.1 ~ 0.01㎛인 나노카달리시스-PVDF(nanocatalysis-polyvinyldifluoride) 중공사막이다. 이에 상기 촉매막은 부유성 입자 크기가 1.2㎛이상이고, 대장균 크기가 1 ~ 6㎛이므로 본 발명의 중공사막을 통해 완벽하게 제거할 수 있는 장점을 아울러 제공한다.
상기 촉매막에 담지되는 촉매는 ZnO, TiO2, MnO 등과 같은 미생물을 제거하 는 살균력을 가지는 친수성 촉매 또는 광촉매이고, 살균력이 있는 친수성 촉매 또는 광촉매가 담지되기 때문에, 플럭(flux)을 감소시켜, 미생물이 막의 표면에 달라붙어 발생되는 파울링(fouling) 현상이 방지된다.
본 발명에 따른 촉매막은 살균력을 가지는 친수성 촉매 또는 광촉매를 유기용매에 용해시키고, 친수성 촉매 또는 광촉매가 용해된 유기용매에 증류수를 첨가한 다음, 강산을 첨가하여 수득된 촉매 졸에 PVDF(polyvinyldifluoride)을 담지시켜 나노카탈리시스-PVDF(nanocatalysis-polyvinyldifluoride)를 제조한다. 상기 유기용매는 에탄올, 메탄올 등과 같은 통상적인 유기용매를 사용할 수 있고, 강산은 염산, 황산, 질산 등의 강산을 사용할 수 있다.
상기 PVDF 및 촉매의 비율은, PVDF의 100에 대한 촉매의 비율이 1 이하인 경우에는 촉매의 효과가 미비하고, PVDF 100에 대한 촉매의 비율이 10 이상인 경우에는 경제적이지 못하기 때문에, 본 발명에 따른 PVDF 및 촉매의 비율은 바람직하게 100:1 ~ 100:10이다.
본 발명에 있어서, 호기조에 침지된 촉매막은 호기조에서 부유물질 및 유기물질을 제거시키므로, 나노금속 석출장치 전극에 발생되는 스컴 등을 방지할 수 있다.
본 발명에 있어서, 산기관(2)은 호기조 내에 형성되어 있으며, 공기 주입부(4)를 통해서 공기중의 산소가 처리수 속에서 잘 용해되도록 한다.
또한, 도 2는 본 발명에 따른 촉매막 및 나노금속 석출장치가 구비된 호기조와 무산소조로 구성되는 하폐수처리 시스템을 도시한 것으로, 상기 하폐수 처리시 스템은 무산소조 또는 산소저감조가 추가로 포함하여, 종래에 혐기조 내부의 미생물이 하수에 포함된 유기물에서 인을 용출시키는 데에 탄소원 등을 사용하여 무산소조에서 탈질 반응시의 에너지원이 부족했던 단점을 개선시킨 것으로, 하수가 곧 바로 무산소조 또는 산소저감조로 유입되어 하수에 포함된 유기물질을 탈질에 활용하여 탈질 효율을 향상시키고, 처리수 중의 인의 제거는 호기조에서 수행된다.
본 발명에 따른 무산소조 또는 산소저감조가 추가로 포함된 촉매막 및 나노 금속 석출장치를 이용한 하폐수처리 시스템은 기존 하폐수처리 시스템에 혐기조 없이 촉매막과 나노 금속 석출장치가 구비된 호기조 및 무산소조를 포함하는 것으로, 유기물질 및 부유물질을 제거하기 위하여 설치된 촉매막(1), 공기를 호기조에 공급하는 산기관(2), 금속 나노입자를 석출시키는 나노금속 석출장치(3), 산기관에 공기를 주입하는 공기 주입부(4), 처리수내에 용존되어 있는 인산염과 금속 나노입자의 안정적인 결합을 위한 교반부(5) 및 호기조에서 질산화 처리된 처리수 및 호기조에서 석출된 나노 금속 입자를 무산소조로 공급하는 무산소조 공급부(6)를 포함한다.
상기 하폐수처리 시스템은 하수가 곧 바로 무산소조로 유입되어 하수에 포함된 유기물질을 탈질에 활용하여 탈질효율을 향상시키고, 일부 탈질된 처리수는 촉매막 및 나노금속 석출장치가 구비된 호기조로 유입되어 촉매막에 의해 유기물질 및 부유물질을 제거하며, 유입수 중의 암모니아성 질소는 미생물 호흡과정에 의해 호기조 내에서 질산염으로 질산화되고, 나노금속 석출장치는 호기조 내에서 나노금속 입자를 석출한다. 상기 호기조로부터 석출된 나노금속 입자 및 질산화된 처리수 는 무산소조 공급부(6)를 통하여 무산소조로 내부 반송되고, 공급된 질산화 처리수중에 함유된 인산염, 비소 등의 음이온성 물질은 교반부(4)를 통해 나노 금속 입자와 결합되어 슬러지 형태로 제거되고, 질산화된 질산염은 탈질 가스로 환원되어 제거된다.
본 발명에 있어서, 무산소조 또는 산소저감조에 형성된 교반부(4)는 석출된 나노 금속이 처리수에 용존되어 있는 인산염과 안정적으로 결합하도록 처리수의 흐름을 원활하게 한다.
도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 촉매막 및 나노금속 석출장치를 이용한 하폐수처리 시스템은 촉매막이 침지되어 있어 처리대상 하수의 부유물질 및 유기물질을 제거하고, 질산화를 수행하는 호기조, 0.5 ~ 9 V의 전압하에 10 mA ~ 10 A 전류를 인가하여 나노금속을 석출시키는 나노금속 석출장치를 구비하여 상기 호기조로부터 일부 유입된 처리수로 나노금속을 석출시키는 나노금속 분해조 및 상기 나노금속 분해조로부터 유입된 나노금속을 이용하여 처리수의 탈질 및 탈인을 수행하는 무산소조 또는 산소저감조를 포함한다.
본 발명에 있어서, 하폐수가 곧 바로 무산소조로 유입되어 하폐수에 포함된 유기물질을 무산소내에서 탈질하고, 탈질된 처리수는 나노 금속 전해조로 유입되어 나노 금속을 석출시킨 다음, 석출된 나노 금속 및 탈질된 처리수는 호기조로 유입되어 촉매막에 의해 처리수 중의 부유물질 및 유기물을 제거하고 질산화시킨다. 질산화처리된 처리수 및 나노금속은 무산소조 공급부(6)를 통하여 무산소조 또는 산소저감조로 내부반송되고, 내부반송된 처리수는 무산소조 또는 산소저감조에서 탈 인 및 탈질이 수행된다.
상기 하폐수 시스템의 인 제거는 나노금속 석출장치에서 석출된 나노금속 입자와 유입수 중의 용해성 인산염을 반응시켜 불용성 침전물형태로 만들어 제거하는 원리이며, 질소의 제거는 나노금속이 호기조에 유입되면 호기조 내의 질산화박테리아의 증식이 촉진되어 질산화율이 향상을 가져와 무산소조에서 탈질 효율이 높아지게 된다. 유기물의 제거는 석출된 나노금속 산화물에 의해 호기조 내의 박테리아의 증식을 촉진시켜 유기물질의 산화, 분해능력을 증가시켜 침전시켜 제거하게 된다.
상기 촉매막과 나노금속 석출장치는 방류수조에 별도로 설치하거나, 호기조 또는 혐기조-무산소조-호기조(A2/O, Anaerobic-Anoxic-Oxic Basin)로 구성되는 생물 반응조의 무산소조 또는 호기조에 별도로 설치할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1: 촉매막 및 나노 철을 이용한 하폐수처리 시스템
1-1: 반응조 및 운전조건
본 발명에서 사용한 하폐수처리 시스템은 도 2에 나타난 바와 같이, 촉매막 및 나노 철 석출장비가 구비된 호기조 및 무산소조로 구성되는 것으로, 상기 호기 조내에서 촉매막이 침지되어 처리대상수의 유기물질 및 부유물질이 제거되고 질산화되며, 나노 철 석출장비에서 석출된 철 나노입자가 석출된 후 무산소조 공급부를 통하여 유기물질 및 부유물질이 제거된 질산화된 처리수 및 나노 철 입자가 무산소조로 공급된다. 상기 무산소조내에서 나노 철 입자가 인산염이 결합하여 탈인되고, 질산화된 질산염은 탈질 가스로 환원되어 제거되는 공정으로 수행된다.
하폐수 처리시스템의 하루 처리용량은 0.1톤으로 조정하고, 호기조 및 무산소조를 각각 2시간, 4시간으로 총 6시간의 체류시간을 유지하였다.
슬러지는 장당하수처리장 잉여슬러지를 사용하였으며, 유입수는 하수를 사용하였다. 사용된 반응조의 크기는 하기와 같다.
무산소조 : W 1.6m×L 1.5m×H 1.75m, 4.2㎥
호기조 : W 1.6m×L 3.0m×H 1.75m, 8.4㎥
전체용적 : 10.6㎥
1-2: 촉매막 준비
먼저, 촉매는 티타늄 이소프로폭사이드 500g 및 염화아연 50g을 에탄올1000㎖에 용해시킨 다음, 증류수 10ℓ를 상기 티타늄 이소프로폭사이드 및 염화아연이 용해된 에탄올에 첨가하여 희석시키고, 증류수로 희석된 상기 에탄올에 염산 5ml 첨가하여 반응시킨 후 졸 형태의 산화티탄(TiO2) 및 산화아연(ZnO)를 수득하였다. 상기 제조방법으로 수득된 산화티탄(TiO2) 및 산화아연 졸에 공극 크기가 0.05㎛인 PVDF 중공사막을 담지시킨 다음, 10시간 동안 상온에서 건조시켜 촉매막을 제조하였다.
1-3: 나노 철 석출장치 준비
나노 철 석출장치는 철판면적이 10㎠인 것을 사용하였으며, 철판에 인가하는 전압 및 전류는 각각 1.0V 및 1A로 하였다.
실시예 2: 인 및 질소 제거효율
유입수의 T-P(전체 인) 농도는 5.0㎎/L이었으며, 실시예 1과 같은 방법으로 처리한 경우, 처리수의 T-P농도는 0.40㎎/L로 T-P 제거효율은 92.0%이었다. 무산소조로 유입된 철 나노 입자와 인산염이 공유결합하여 제거효율이 높게 유지되었다.
유입수의 T-N(전체 질소)농도는 40.0㎎/L이었으며, 실시예 1과 같은 방법으로 처리한 경우, 처리수의 T-N농도는 4.0㎎/L로 T-N 제거효율은 75.0%이었다. 유입수의 평균C/N비는 2.0로 낮으면서도 T-N 제거효율은 높게 나온 것으로 보아, 석출된 철 나노입자와 부유물질이 응집되는 현상으로 인하여 부가적으로 질소가 제거되었다는 것을 알 수 있었다.
또한, 탄소원인 유입수가 무산소조로 유입되어 질산성 질소를 탈질하여 질소제거가 높게 나타난 것으로 판단된다.
실시예 3: 유기물 제거 효율
유입수의 BOD(생물학적 산소요구량)는 100.0㎎/L이었으며, 처리수의 BOD는 5.0㎎/L로, BOD 저감효율은 95.0%이었다. 유입수의 COD(화학적 산소요구량)Mn 농도는 60.0㎎/L이었고, 처리한 처리수의 CODMn는 5.0㎎/L로 CODMn 감소효율은 91.7%이었다. 유입수의 SS(Suspended Solid) 농도는 평균 5.0㎎/L이었으며, 처리수의 SS는 평균 5.0㎎/L로 SS제거효율은 96.2%이었다.
본 발명의 촉매막 및 나노 철 석출장치를 이용한 하폐수처리 방법에 의한 하폐수의 처리효율을 표 1에 나타내었다.
촉매막 및 나노 철 석출장치를 이용한 하폐수처리 방법에 의한 하폐수 처리효율
항목 단위 유입수 방류수 처리효율
BOD ㎎/l 100 5.0 95.0
CODMn ㎎/l 60.0 5.0 91.7
SS ㎎/l 130 5.0 96.2
T-N ㎎/l 40.0 10.0 75
T-P ㎎/l 5.0 0.4 92.0
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 촉매막 및 나노금속 석출장치가 구비된 호기조를 포함하는 하폐수처리 시스템을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 촉매막 및 나노금속 석출장치가 구비된 호기조와 무산소조를 포함하는 하폐수처리 시스템을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 촉매막이 침지된 호기조, 나노금속 석출장치가 구비된 나노금속 전해조 및 무산소조를 포함하는 하폐수처리 시스템을 도시한 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 촉매막 2: 산기관
3: 나노금속 석출장치 4: 공기 주입부
5: 교반부 6: 무산소조 공급부

Claims (16)

  1. 다음 장치가 내부에 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 호기조를 포함하는 하폐수 처리시스템:
    처리대상 하수의 부유물질 및 유기물질을 제거하는 촉매막; 및
    난분해성 물질 및 음이온성 물질을 제거하기 위해 0.5 ~ 9 V의 전압하에 10 mA ~ 10 A 전류를 인가하여 나노금속을 석출시키는 다수개의 나노금속 석출장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 나노금속은 철, 니켈 및 알루미늄으로 구성된 그룹에서 선택되는 하나의 금속 또는 둘 이상의 합금인 것을 특징으로 하는 하폐수 처리시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 하폐수 처리시스템은 무산소조 또는 산소저감조를 추가로 포함하며, 상기 무산소조 또는 산소저감조는 호기조로부터 유입된 처리수의 탈질 및 탈인을 수행하는 것을 특징으로 하는 하폐수 처리시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 촉매는 광촉매 또는 살균력을 갖는 친수성 촉매인 것 을 특징으로 하는 하폐수 처리시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 촉매막은, 다음을 포함하는 방법으로 제조되는 나노카탈리시스-PVDF(nanocatalysis-polyvinyldifluoride) 촉매막인 것을 특징으로 하는 하폐수 처리시스템:
    (a) 광촉매제인 티타늄 이소프로폭사이드(Ti(OCH(CH3)2)4) 및 염화아연(ZnCl2)를 각각 유기용매에 용해시키는 단계;
    (b) 상기 광촉매제가 용해된 유기용매에 증류수를 첨가한 다음, 강산을 첨가하여 TiO2 및 ZnO 광촉매 졸을 수득하는 단계; 및
    (c) 상기 TiO2 및 ZnO 광촉매 졸에 PVDF를 담지시키는 단계.
  6. 제5항에 있어서, 상기 나노카탈리시스-PVDF(nanocatalysis-polyvinyldifluoride) 촉매막은 흡인 여과방식의 침지형 중공사막인 것을 특징으로 하는 하폐수 처리시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 나노카탈리시스-PVDF(nanocatalysis- polyvinyldifluoride) 촉매막은 공극 크기가 0.1 ~ 0.01㎛인 것을 특징으로 하는 하폐수 처리시스템.
  8. 제5항에 있어서, 상기 카탈리시스-PVDF(catalysis-polyvinyldifluoride) 촉매막은 상기 PVDF와 촉매의 비율이 100:1 ~ 100:10인 것을 특징으로 하는 하폐수 처리시스템.
  9. 다음을 포함하는 촉매막 및 나노금속 석출장치가 장착되어 있는 하폐수 처리시스템:
    촉매막이 침지되어 있어 처리대상 하수의 부유물질 및 유기물질을 제거하고, 질산화를 수행하는 호기조;
    0.5 ~ 9 V의 전압하에 10 mA ~ 10 A 전류를 인가하여 나노금속을 석출시키는 나노금속 석출장치를 구비하여 상기 호기조로부터 일부 유입된 처리수로 나노금속을 석출시키는 나노금속 분해조; 및
    상기 나노 금속 분해조로부터 유입된 나노금속을 이용하여 처리수의 탈질 및 탈인을 수행하는 무산소조 또는 산소저감조.
  10. 제9항에 있어서, 상기 나노금속은 철, 니켈 및 알루미늄으로 구성된 그룹에서 선택되는 하나의 금속 또는 둘 이상의 합금인 것을 특징으로 하는 하폐수 처리시스템.
  11. 제9항에 있어서, 상기 촉매는 광촉매 또는 살균력을 갖는 친수성 촉매인 것을 특징으로 하는 하폐수 처리시스템.
  12. 제9항에 있어서, 상기 촉매막은, 다음을 포함하는 방법으로 제조되는 나노카탈리시스-PVDF(nanocatalysis-polyvinyldifluoride) 촉매막인 것을 특징으로 하는 하폐수 처리시스템:
    (a) 광촉매제인 티타늄 이소프로폭사이드(Ti(OCH(CH3)2)4) 및 염화아연(ZnCl2)를 각각 유기용매에 용해시키는 단계;
    (b) 상기 광촉매제가 용해된 유기용매에 증류수를 첨가한 다음, 강산을 첨가하여 TiO2 및 ZnO 광촉매 졸을 수득하는 단계; 및
    (c) 상기 TiO2 및 ZnO 광촉매 졸에 PVDF를 담지시키는 단계.
  13. 제12항에 있어서, 상기 나노카탈리시스-PVDF(nanocatalysis-polyvinyldifluoride) 촉매막은 흡인 여과방식의 침지형 중공사막인 것을 특징으로 하는 하폐수 처리시스템.
  14. 제12항에 있어서, 상기 나노카탈리시스-PVDF(nanocatalysis-polyvinyldifluoride) 촉매막은 공극 크기가 0.1 ~ 0.01㎛인 것을 특징으로 하는 하폐수 처리시스템.
  15. 제12항에 있어서, 상기 카탈리시스-PVDF(catalysis-polyvinyldifluoride) 촉매막은 상기 PVDF와 촉매의 비율이 100:1 ~ 100:10인 것을 특징으로 하는 하폐수 처리시스템.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 하폐수 처리시스템을 이용하는 것을 특징으로 하는 하폐수 처리방법.
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