KR20090115446A

KR20090115446A - 수중식 하수 처리 장치

Info

Publication number: KR20090115446A
Application number: KR1020080041313A
Authority: KR
Inventors: 조주연
Original assignee: (주)한도엔지니어링
Priority date: 2008-05-02
Filing date: 2008-05-02
Publication date: 2009-11-05

Abstract

수 처리에 소요되는 비용을 절감할 수 있는 수중식 하수 처리 장치가 제공된다. 반응조는 처리할 하수를 수용한다. 회전 광 촉매 반응기는 상기 반응조 내에 회전가능하게 설치된다. 구동 수단은 상기 회전 광 촉매 반응기를 회전 구동시킨다. 다수의 UV 램프는 상기 반응조 내의 상기 하수에 침지하도록 설치되고 상기 구동 수단에 의해 회전하고 있는 상기 회전 광 촉매 반응기에 각각 자외선을 조사함으로써, 상기 회전 광 촉매 반응기에 함유된 광 촉매의 반응으로 강력한 산화력을 가진 OH 라디칼을 생성하여 상기 하수 중의 유기물을 산화 처리한다.

하수 처리 장치, 광 촉매

Description

수중식 하수 처리 장치{Underwater type wastewater treatment apparatus}

본 발명은 하수 처리 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 회전 광 촉매 반응기를 이용한 수중식 하수 처리 장치법에 관한 것이다.

최근 급격하게 산업이 발전함에 따라 환경 오염 문제는 갈수록 심각해지고 있다. 그리고 오염원에 대한 규제도 오염 총량 관리 제도 시행으로 더욱 강화되고 있는 실정이며, 기존의 재래식 공정으로는 처리할 수 없거나 부분적으로 처리되는 물질이 증가됨으로 인해 도시의 하수 및 하천에 많이 발견되고 있다. 이러한 추세에 따라 오염 물질을 제거하기 위한 다양한 방법들이 요구되고 있다.

국내외에서 가장 널리 이용되고 있는 수중 오염 물질을 제거하기 위한 방법들을 보면 활성탄 등을 이용한 흡착 제거 처리, 화학적 산화 처리, 미생물을 이용한 활성 슬러지법 및 그에 따른 변법 등의 생물학적 처리 방법이 있다. 그러나 이러한 방법들은 근본적인 문제점을 지니고 있다. 즉 활성탄 등 같은 흡착제를 이용한 흡착 처리 방법에 있어서는 이 방법 자체에 의해서 완전한 분해가 이루어지지 않으므로 흡착된 오염 물질의 제거를 위한 또 다른 2차 처리 과정이 필요하게 된다. 그리고 화학적 산화 처리에 있어서도 일반적으로 유기 물질의 완전한 분해가 이루어지지 않으며, 이러한 처리 방법은 오염 물질 농도가 비교적 높은 경우 경제성이 있으며 오염 물질의 농도가 낮을 경에는 경제성이 결여되어 비 경제적인 경우가 많다.

또한 수 처리에 널리 이용되고 있는 생물학적 처리에 있어서도 넓은 부지를 필요로 할 뿐 아니라 다양한 오염 물질에 대한 효과적인 처리가 어렵고 현장에 쉽게 적용시킬 수 없다는 단점과 비교적 처리 속도가 까다롭다는 문제점 등이 나타나고 있다. 이러한 문제점으로 인하여 기존의 수처리 방법의 개선 또는 대처할 수 있는 새로운 수처리 기술의 필요성이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

고급 산화 기술 중에서 TiO₂ 공정은 광 촉매로서 반도체인 TiO₂에 가시 광선 영역과 근접한 자외선(UV)의 조사로 높은 산화력을 얻을 수 있고, 독성이 없고, 가격이 저렴하기 때문에 염료를 포함함 폐수의 산화 기술로 연구되고 있다(Fox 등, 1993년). 그러나 촉매로 사용되는 TiO₂ 분말은 광 촉매 효율은 높지만 처리 후의 문제점이 나타나면서 촉매의 고정화 문제가 제시되기 시작하였다(김종향 등, 1996년). 많은 연구자들이 여러 종류의 담체 즉, 유리 판, 스테인레스 강, 테플론 튜브, 실리카 비드 등의 담체에 TiO₂ 고정화를 시도하였다(Kobayakawa 등 1998년)(Jung 등, 2002년).

회전 광 촉매 반응기(rotating photocatalytic oxidation disk; 이하 'RPOD'라 함)는 회분식이나 연속 운전으로 유기물을 처리하며 반응기 내의 하향으로 자외선(UV)을 조사시킬 때 기상과 액상의 유기물을 동시에 분해시킬 수 있다. RPOD는 고정화된 촉매를 이용하며, 이상적인 연속 반응조와 같은 거동을 하므로, 혼합이 잘되며 주위 공기를 이용할 수 있기 때문에 폭기시킬 필요가 없는 장점 외에 반응이 얇은 액체막 내에서 일어나므로 물질 전달이 원활하다는 것이 가장 큰 장점이다(Arturo 등, 2001년).

RPOD의 적용을 위해서는 반응 속도에 미치는 여러 가지 설계와 운전 인자 및 용액의 성질에 대한 고찰이 필요하다. RPOD의 성능에 영향을 미치는 설계 인자로는 광 촉매의 종류, UV 광원 종류와 숫자, 코팅 방법, 원판 개수 등이 있으며, 운전 인자로는 원판 회전 속도가 있고, 용액의 성질로는 유기물과 무기물의 종류와 농도 및 pH 등이 있다(Dionysiou 등, 2002년).

상기한 바와 같은 종래 기술에 의하면, 수 처리에 소요되는 비용이 매우 높은 단점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수 처리에 소요되는 비용을 절감할 수 있는 수중식 하수 처리 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 수중식 하수 처리 장치는 처리할 하수를 수용하는 반응조; 상기 반응조 내에 회전가능하게 설치되는 회전 광 촉매 반응기; 상기 회전 광 촉매 반응기를 회전 구동시키는 구동 수단; 및 상기 반응조 내의 하수에 침지하도록 설치되고 상기 구동 수단에 의해 회전하고 있는 상기 회전 광 촉매 반응기에 각각 자외선을 조사함으로써, 상기 회전 광 촉매 반응기에 함유된 광 촉매의 반응으로 강력한 산화력을 가진 OH 라디칼을 생성하여 상기 하수 중의 유기물을 산화 처리하는 다수의 UV 램프를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 회전 광 촉매 반응기는 각각 중량 %로, 몸체를 구성하는 Al₂O₃ 48~72%, 촉매로서 사용되는 TiO₂ 10~70%, 상기 촉매인 TiO₂를 몸체인 Al₂O₃에 결합시키는 결합제인 SiO₂ 28~52%로 이루어지고, 내경 25 mm, 외경 203mm, 및 두께 150 mm를 갖고, 상기 반응조 내에 일렬로 배치되는 다수의 회전 광 촉매 디스크이다. 더욱 바람직하게는, 상기 반응조의 용량은 100ℓ이고, 상기 100ℓ의 용량을 갖는 반응조에 대하여 길이 254~290nm인 16W의 10개 UV 램프가 설치되고 상기 UV 램 프가 상기 회전 광 촉매 반응기에 조사하는 자외선 조사량은 12.6 내지 63.0 mW/cm²이고, 상기 구동 수단에 의한 상기 다수의 회전 광 촉매 디스크의 회전 속도는 20 내지 120 rpm이다. 가장 바람직하게는, 상기 구동 수단은 동력을 발생하는 모터; 벨트를 통하여 상기 모터에 연결되고 상기 모터의 동력에 의해 회전되는 풀리; 일단이 상기 풀리에 연결되고 타단이 상기 반응조의 벽에 연결되고 상기 다수의 회전 광 촉매 디스크의 중심 구멍에 공통으로 삽입되어 상기 풀리의 회전력을 전달받아 상기 다수의 회전 광 촉매 디스크를 회전시키는 회전축을 포함한다. 또한, 상기 수중식 하수 처리 장치는 상기 반응조의 내부 상단에 위치하여 상기 UV 램프에 의해 조사된 자외선이 외부로 누출되는 것을 방지하는 반사판을 더 포함한다.

본 발명에 따르면, 기존의 공법의 단점을 보완하고 수 처리에 소용되는 비용을 절감할 수 있으며 다양한 형태의 하수를 효과적으로 처리할 수 있다.

이하, 첨부된 예시 도면에 의거하여 본 발명의 실시예에 따른 수중식 하수 처리 장치를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 수중식 하수 처리 장치를 개략적으로 도시한 개략도이다. 도 2는 도 1에 도시된 수중식 하수 처리 장치의 정면도이다. 도 3은 도 1에 도시된 수중식 하수 처리 장치의 평면도이다.

본 발명에 따른 수중식 하수 처리 장치는 350 mm×450 mm×800 mm인 사각형 박스형 회분식 반응기로서, 반응조(110), 회전 광 촉매 반응기(120), 구동 수단(130), 다수의 UV 램프(140), 및 반사판(150)을 포함한다.

반응조(110)는 처리할 하수를 수용한다. 회전 광 촉매 반응기(120)는 상기 반응조(110) 내에 동일한 간격으로 회전가능하게 설치된다. 도 4는 도 1 및 도 3에 도시된 회전 광 촉매 반응기의 일예인 RPOD를 나타낸 확대도이다. 상기 회전 광 촉매 반응기는 각각 중량 %로, 몸체를 구성하는 Al₂O₃ 48~72%, 촉매로서 사용되는 TiO₂ 10~70%, 상기 촉매인 TiO₂를 몸체인 Al₂O₃에 결합시키는 결합제인 SiO₂ 28~52%로 이루어지고, 내경 25 mm, 외경 203mm, 및 두께 150 mm를 갖고, 중심에 구멍이 각각 형성되어 있고 상기 반응조(110) 내에 일렬로 배치된다. 표 1은 RPOD 제작에 사용되는 구성 비율이다.

다수 회의 배합 설계 결과 표 1과 같이 배합하여야 만 소요 강도가 나온다는 결론을 얻었다.

타입	Al₂O₃	SiO₂	TiO₂	덱스트린	물
1	72	28	10	4	10
2	68	32	20	6	12
3	65	35	30	9	14
4	60	40	40	12	17
5	55	45	50	15	21
6	52	48	60	18	25
7	50	50	70	20	30
8	48	52	75	23	36

산화 알루미늄(Al₂O₃)은 RPOD의 몸체를 이루는 성분으로 DC 케미컬 Co. 제품을 사용하였고 분자량은 101.96이다.

이산화규소(SiO₂)는 RPOD의 몸체를 고온에서 잡아주는 결합제로서 Junsei 케미컬 Co. 제품을 사용하였으며 분자량은 60.09이다. TiO₂는 촉매로 사용되며 Degussa의 P-25(입자 크기 30 mm, anatase 구조: 70%, Rutile 구조: 30%, BET 표면적: 50 m²/g) 제품을 사용하였으며, 분자량은 79.90이다. 물, 염소, 묽은 황산, 알코올, 및 다른 유기 용매에도 녹지 않으며 뜨거운 진 황산 이외의 산에는 녹지 않는 음폐물이 매우 큰 백색 색소이다. 그러므로, RPOD 제작에 있어 타 물질과 성형할 시 결합력을 현저하게 떨어뜨려 세심한 주의가 필요하다.

덱스트린[(C₆H₁₀O₅)×nH₂O)]은 RPOD의 몸체와 결합제를 일시적으로 성형하기 좋은 상태를 유지하기 위해 사용되며 나중에 고열(450℃)에서 전부 소각되어 성분은 남지않고 RPOD 표면에 수많은 기공이 생성되므로 비 표면적이 증가시킨다. 제작에 사용된 덱스트린으로서 SAMCHUN Pure 케미컬 Co. 제품을 사용하였으며 별칭으로는, Gommeline, Stanch gun, 또는 British gun으로 불리우며 성상으로는 황색 또는 백색의 분말 또는 입상이며 냄새는 없고 물에 녹으며 알코올, 에틸에는 녹지않는다.

구동 수단(130)은 상기 회전 광 촉매 반응기를 회전 구동시킨다. 상기 구동 수단은 동력을 발생하는 모터(132); 벨트(134)를 통하여 상기 모터(132)에 연결되고 상기 모터(132)의 동력에 의해 회전되는 풀리(136); 및 일단이 상기 풀리(136)에 연결되고 타단이 상기 반응조(110)의 벽에 연결되고 상기 다수의 회전 광 촉매 디스크의 중심 구멍에 공통으로 삽입되어 상기 풀리(136)의 회전력을 전달받아 상기 다수의 회전 디스크를 회전시키는 회전축(138)을 포함한다.

다수의 UV 램프(140)는 상기 반응조(110) 내의 하수에 침지하도록 설치되고 상기 구동 수단(130)에 의해 회전하고 있는 상기 회전 광 촉매 반응기(120)에 자외선을 조사함으로써, 상기 회전 광 촉매 반응기(120)에 함유된 광 촉매의 반응으로 강력한 산화력을 가진 OH 라디칼을 생성하여 상기 하수 중의 유기물을 산화 처리한다.

반사판(150)은 상기 반응조(110)의 내부 상단에 위치하여 상기 다수의 UV 램프(140)에 의해 조사된 자외선이 외부로 누출되는 것을 방지한다.

광 촉매의 크기는 내경 25 mm, 외경 203mm, 및 두께 150 mm이며 반응조(110)에 설치된 자외선 램프(140)는 길이 254~290nm인 16W의 UV 램프(San Kyo Denki Co.)은 최대 10개까지 설치할 수 있으며, 반응조(110)의 상부에서 필요 시 자유 자재로 위치를 이동시키면서 설치할 수 있게 되어 있으며 복사계(VLX-3W radimeter, Cole Pamer Instrument Co.)로 측정된 UV 램프 1개에서 회전 광 촉매 표면에 도달하는 세기는 6.3 mW/cm²이다. 반응조(110)는 내부에 설치된 회전축(134)과 유기물 흡착이 없도록 하기 위해서 스테인레스 강으로 제작한다.

반응조(110) 상부에는 폴리프로필렌(polypropylene; PP) 재질로 10개의 홀을 만들고 UV 램프(140)를 고정하는 고정 캡(142)을 설치하였으며 최종 상부에는 UV 자외선이 외부로 새어 나가는 것을 방지하기 위하여 스테인레스 강으로 된 반사판(150)을 설치하여 상부로 향하는 UV 광을 반사시켜 빛을 효율적으로 이용할 수 있는 구조를 갖는다.

반응조(110) 하단의 동력 전달 장치인 모터(132)와 반응조 중심축인 회전축(138) 간의 풀리(136)를 달아 2''×2'', 2''×4'', 2''×6'', 6''×2'' 네 종류로 세분하여 상호 교환할 수 있게 하여 20, 60, 120, 180 rpm으로 반응조(110)의 광 촉매 반응기(120)의 회전 속도를 조절할 수 있게 한다.

광 촉매인 TiO₂와 상기 UV 램프(140)에서 조사된 자외선에 의한 광 촉매 반응은 TiO₂의 표면에 띠 간격보다 큰 에너지 즉, 400 nm 이하의 자외선을 조사하게 되면 가 전자대와 전도대에서 정공 및 전자가 생성되며, 이때 생성된 전자와 정공은 광 촉매 표면으로 이동하게 되고 전도대의 전자들은 중금속 이온(M^x ⁺) 및 산소(O₂)를 전기 화학적으로 흡착한 후 중 금속 이온을 광 환원시키거나, 슈퍼옥사이드(superoxide) 라디칼을 생성하게 되며, 슈퍼옥사이드 라디칼은 직접 유기물을 분해하거나 OH-라디칼을 생성하여 광 촉매 입자 표면에 흡착되어 있는 유기물을 산화시키게 된다.

실시예

본 발명에서는 새로운 형태의 광 촉매 반응기를 이용한 광 촉매 반응의 생활 하수에 대한 적용 가능성을 평가하기 위해 광분해 반응, 광 촉매 흡착 반응, 그리고 자외선과 광 촉매 반응기를 이용한 광 촉매 산화 반응 실험을 수행하여 상호 효율을 비교 분석하였다. 그리고 TiO₂ 함유량 변화에 따른 분해 특성에서는 TiO₂ 함량을 10~70% 까지 10% 씩 7종류로 세분화하고 이들 중 가장 처리 효율이 좋은 지를 비교 분석하고, 이후에 실험에 사용되는 회전 광 촉매는 최대 처리 효율로 선정되는 것을 실험을 수행하였다. 그러나 나머지 종류도 얼마만큼의 효율이 나타나는 지를 대표적인 것만 비교 분석 평가하였다.

TiO₂를 고정화하여 사용한 경우 TiO₂ 함유량 변화에 따른 분해 특성에서 최대 처리 효율은 타입 7, 즉 70%로 UV 램프(140) 10개를 설치하고 rpm이 180일때, 95.3%였다. 즉, 최초로 시도하여 제작한 회전 광 촉매 형태로 TiO₂를 고정화하여 사용할 경우 TiO₂ 함유량이 증가할수록 처리 요율도 지속적으로 향상된다는 결론을 얻었다.

비교 실험에 사용된 원수의 체적은 100ℓ, pH는 6.8~7.4, 자외선 세기는 63.0 mW/cm², 광 촉매 반응기 TiO₂ 양은 579.6g, 반응 시간은 8시간으로 회전을 하지 않고 반응 인자를 고정하여 실험을 수행하였다. 그리고 1시간 이내의 급격한 반응을 예상하여 실험을 시작하여 최초 30분 경과시 시료를 한 번 더 측정하였다.

자외선 조사량의 변화에 따른 분해 특성에서 실험한 결과, 타입 7, 즉 70%로 UV 램프(140) 10개를 설치하고 rpm이 180일때, TiO₂ 함유량 변화와 TCODcr의 분해 효과는 지속적으로 증가된다는 결론을 얻을 수 있었다. 즉 자외선 조사량이 증가되면 생활 하수의 처리 효율이 향상됨에 따라 자외선으로부터 광 에너지를 적절히 흡수하면, 광 촉매 반응시 OH-라디칼 및 슈퍼옥사이드 라디칼의 생성이 효과적임을 알 수 있다.

또한, 일정 시간마다 채취한 시료는 수질 오염 공정 시험법에 의한 TCODcr을 측정하였으며 실험에 사용한 기타 시약은 특급으로 정제 없이 사용하였다. 실제 대부분의 유기계 하수의 배출 규제치는 COD 값으로 평가되며, Mn 법 보다는 Cr 법이 하수에 대한 더 강력한 산화력 때문에 TCODcr 값으로 효율을 비교하였다.

회전 광 촉매 반응기(120)의 회전 속도 변환에 따른 처리 특성을 분석하기 위해 반응조(110)에서 풀리(136)를 교환하여 20, 60, 120, 180 rpm으로 회전축(138)의 속도를 조정하면서 분해 효율을 조사한 결과, 타입 7, 즉 70%로 UV 램프(140) 10개를 설치하고 rpm이 180일때, 최대 효율을 나타내었다. 이는 RPOD의 회전 속도를 증가시켜 줌으로써 확산과 광 반응이 용이하여 접촉 횟수가 증가하여 제거능이 증가하는 것으로 판단되었다.

자외선 조사량의 변화에 따른 분해 특성을 분석하기 위해 반응조(110)에 UV 램프(140)를 침지시키고 2, 4, 6, 8, 10 개로 조정하였다. UV 램프(140) 1개에 광 촉매 반응기 박막에 도달하는 빛의 세기는 6.3 mW/cm²이므로 광 촉매 반응기(120)에 조사되는 자외선 조사량은 12.6, 15.2, 37.8, 50.4, 63.0 mW/cm²이며, 이 때의 처리 효율을 조사하였다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.

본 발명에 따른 수중식 하수 처리 장치는 하수 처리에 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 수중식 하수 처리 장치를 개략적으로 도시한 개략도이다.

도 2는 도 1에 도시된 수중식 하수 처리 장치의 정면도이다.

도 3은 도 1에 도시된 수중식 하수 처리 장치의 평면도이다.

도 4는 도 1 및 도 3에 도시된 RPOD의 일예를 나타낸 확대도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110: 반응조

120: RPOD

130: 구동 수단

132: 모터

134: 벨트

136: 풀리

138: 회전축

140: UV 램프

142: 고정 캡

150: 반사판

Claims

처리할 하수를 수용하는 반응조;

상기 반응조 내에 회전가능하게 설치되는 회전 광 촉매 반응기;

상기 회전 광 촉매 반응기를 회전 구동시키는 구동 수단; 및

상기 반응조 내의 하수에 침지하도록 설치되고 상기 구동 수단에 의해 회전하고 있는 상기 회전 광 촉매 반응기에 각각 자외선을 조사함으로써, 상기 회전 광 촉매 반응기에 함유된 광 촉매의 반응으로 강력한 산화력을 가진 OH 라디칼을 생성하여 상기 하수 중의 유기물을 산화 처리하는 다수의 UV 램프를 포함하는 수중식 하수 처리 장치.
제1 항에 있어서, 상기 회전 광 촉매 반응기는 각각 중량 %로, 몸체를 구성하는 Al₂O₃ 48~72%, 촉매로서 사용되는 TiO₂ 10~70%, 상기 촉매인 TiO₂를 몸체인 Al₂O₃에 결합시키는 결합제인 SiO₂ 28~52%로 이루어지고, 내경 25 mm, 외경 203mm, 및 두께 150 mm를 갖고, 상기 반응조 내에 일렬로 배치되는 다수의 회전 광 촉매 디스크인 수중식 하수 처리 장치.
제2 항에 있어서, 상기 반응조의 용량은 100ℓ이고, 상기 100ℓ의 용량을 갖는 반응조에 대하여 길이 254~290nm인 16W의 10개 UV 램프가 설치되고 상기 UV 램 프가 상기 회전 광 촉매 반응기에 조사하는 자외선 조사량은 12.6 내지 63.0 mW/cm²이고, 상기 구동 수단에 의한 상기 다수의 회전 광 촉매 디스크의 회전 속도는 20 내지 120 rpm인 수중식 하수 처리 장치.
제2 항에 있어서, 상기 구동 수단은 동력을 발생하는 모터;

벨트를 통하여 상기 모터에 연결되고 상기 모터의 동력에 의해 회전되는 풀리; 및

일단이 상기 풀리에 연결되고 타단이 상기 반응조의 벽에 연결되고 상기 다수의 회전 광 촉매 디스크의 중심 구멍에 공통으로 삽입되어 상기 풀리의 회전력을 전달받아 상기 다수의 회전 광 촉매 디스크를 회전시키는 회전축을 포함하는 수중식 하수 처리 장치.
제1 항에 있어서, 상기 반응조의 내부 상단에 위치하여 상기 UV 램프에 의해 조사된 자외선이 외부로 누출되는 것을 방지하는 반사판을 더 포함하는 수중식 하수 처리 장치.