KR20100076815A - 전기화학적 폐수 처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는, 인가전류의 변화를 통한 오염물질 처리 능력의 변화를 실제로 구현하는 것을 가능하게 하는 개선된 전기화학적 폐수 처리 장치를 제공하고자 한다. 본 발명의 전기화학적 폐수 처리 장치는, 공급폐수 입구 및 처리폐수 출구를 구비한 반응조; 상기 반응조 내에 설치되어 있는 적어도 한 쌍의 전극; 상기 반응조의 외부에 설치되어 있고, 상기 적어도 한 쌍의 전극에 전기적으로 연결되어 있으며, 공급폐수 중의 오염물질의 농도에 따라 상기 적어도 한 쌍의 전극에 공급되는 전류를 변화시키는 가변전류공급장치; 및 공급폐수 중의 오염물질의 농도에 따라 상기 반응조 내에서의 공급폐수의 체류시간을 조절하는 체류시간 조절수단;을 포함한다.

전기화학적 폐수 처리 장치

Description

전기화학적 폐수 처리 장치 {Electrochemical waste water treatment apparatus}

본 발명은 전기화학적 폐수 처리 장치에 관한 것이다. 전기화학적 폐수 처리 장치는, 예를 들면, 전기분해, 전기응집, 또는 이들의 조합과 같은 전기화학적 처리를 통하여, 폐수 중의 오염물질을 제거하거나 오염물질의 제거를 촉진시키는 장치이다. 전기화학적 폐수 처리 장치는, 예를 들면, 도금 산업 및 반도체 산업에서 배출되는 폐수 중의 중금속을 제거하는 데에 유용하게 사용될 수 있다.

화학적 처리제를 사용하는 화학적 폐수 처리 시스템의 경우, 과도하게 사용되는 화학약품으로 인한 2차적인 환경부하가 발생될 수 있다. 그러나, 전기화학적 폐수 처리 장치를 사용하면, 이러한 화학약품의 사용량을 획기적으로 저감시킬 수 있다. 이러한 이유로, 다양한 폐수 처리 분야에 적용하기 위한 전기화학적 폐수 처리 장치의 개발이 시도되어 왔다.

예를 들면, 국내 등록특허 제0139425호에는, 전해조에 원폐수를 유입시키는 단계와 전해질 투입 단계와, 전해조 내부의 폐수의 pH를 측정하여 소정 pH값에 도달하도록 pH 조정제를 투입하는 단계와, 전해를 수행하는 단계와, 폐수의 잔류 크 롬(또는 시안) 농도를 측정하여 소정 농도에 도달했으면 전해를 중지시키는 단계와, 처리수와 슬러지를 분리하기 위해 일정 시간 동안 작동을 휴지시키는 단계와, 침전된 슬러지를 전해조로부터 배출시키는 단계와, 슬러지 배출후 상등 처리수를 배출시키는 단계와, 상기 전해질 및 pH 조정제 투입 단계와 전해 단계 동안에 폐수의 원활한 혼합을 위해 공기 주입 및 폐수 순환을 지속하는 단계로 이루어지는 전해식 폐수 처리 방법이 개시되어 있다.

국내 등록특허 제0142894호에는, 활성미생물이 존재하는 폭기조에 철봉전극을 설치하고 직류전원장치를 이용하여 정전압의 전류를 철봉전극에 흐르게 하여 전기 분해작용시 석출된 철산화물에 의해서 유기물, 인 및 질소를 처리하는 오·폐수처리 공정이 개시되어 있다.

국내 등록특허 제0167123호에는, 처리하고자 하는 폐수가 유입되는 폐수저류조와, 폐수와 반응촉진약품을 혼합하는 약품혼합관과, 전기분해법에 의해 폐수가 분해되어 무기응집제와 반응하여 슬러지를 형성하는 전기반응조와, 상기 전기반응조에서 이송된 폐수를 중화처리하는 중화조와, 상기 중화조에서 이송된 슬러지를 응집하여 플록(Floc)화 하는 응집조와, 상기 응집조에서 이송된 플록을 침전시키는 침전조와, 전기반응조, 중화조, 응집조, 침전조에서 배출된 슬러지를 처리하기 위해 이중구조로 된 슬러지처리조로 구성되고, 상기 약품혼합관은 반응촉진약품을 용해시켜 약품혼합관으로 이송시키는 반응촉진약품관과 연결되고, 상기 중화조는 고분자응집제를 용해시켜 중화조로 이송시키는 고분자응집제 약품조와 중화약품을 용해시켜 중화조로 이송시키는 중화약품조와 연결되도록 구성되어 폐수를 효과적으로 처리하도록 함을 특징으로 하는 전기분해법에 의한 폐수처리장치가 개시되어 있다.

국내 등록특허 제0181932호에는, 철 및/또는 철의 합금과 같은 산화 활성금속을 전해전극의 양극으로 사용하고, 이 양극보다 표준 산화전위가 높은 마그네슘, 알루미늄, 아연과 같은 금속을 전해조와 마그네슘수용액, 알루미늄수용액, 아연수용액에 담구어 전해전지의 양극과 연결한 다음 이 용기에 금속 도선을 연결한 후 접지시켜 전해전극의 양극산화를 억제하는 전기분해방법이 개시되어 있다.

국내 등록특허 제0139425호에는, 전해조에 원폐수를 유입시키는 단계와 전해질 투입 단계와, 전해조 내부의 폐수의 pH를 측정하여 소정 pH값에 도달하도록 pH 조정제를 투입하는 단계와, 전해를 수행하는 단계와, 폐수의 잔류 크롬(또는 시안) 농도를 측정하여 소정 농도에 도달했으면 전해를 중지시키는 단계와, 처리수와 슬러지를 분리하기 위해 일정 시간 동안 작동을 휴지시키는 단계와, 침전된 슬러지를 전해조로부터 배출시키는 단계와, 슬러지 배출후 상등 처리수를 배출시키는 단계와, 상기 전해질 및 pH 조정제 투입 단계와 전해 단계 동안에 폐수의 원활한 혼합을 위해 공기 주입 및 폐수 순환을 지속하는 단계로 이루어지는 전해식 폐수 처리 방법이 개시되어 있다.

그러나, 종래의 전기화학적 폐수 처리 장치에 있어서는, 공급되는 폐수 중의 오염물질의 양과 상관없이 일정한 크기의 전류를 전극에 인가하는 것이 일반적이었다. 이러한 전기화학적 폐수 처리 장치에 있어서는, 인가되는 전류에 상응하는 처리능력을 벗어날 정도의 고농도의 오염물질을 함유한 폐수가 공급되었을 때에는, 폐수 중의 오염물질이 충분히 제거되지 않게 된다. 이러한 문제점를 고려하여, 전 극에 일정하게 인가되는 전류량은, 예상되는 오염물질 농도의 최대치에 상응하는 최대 전류량으로 설정되는 것이 일반적이다.

그러나, 실제로, 공급되는 폐수를 연속적으로 처리하기 위한 전기화학적 폐수 처리 장치의 대부분의 운전시간 동안에는, 최대 예상치를 밑도는 오염물질 농도를 갖는 폐수가 공급된다. 따라서, 최대 전류량으로 설정된 경우에는, 대부분의 운전시간 동안, 불필요한 과량의 전류가 불가피하게 인가된다. 이는 곧바로 전기에너지의 낭비로 이어질 뿐만아니라, 과량의 전류에 의한 전극소모의 불필요한 가속화를 불러일으키게 된다. 전극소모가 가속화되면, 전극교체 주기가 단축된다. 전기화학적 폐수 처리 장치에 있어서, 전극의 교체는 매우 번거롭고 시간과 비용이 많이 소요되는 유지보수 항목이다.

본 발명의 발명자들은, 공급폐수의 오염물질 농도의 변화를 고려하지 않고 일정한 크기의 전류량을 인가하는 것이, 종래의 전기화학적 폐수 처리 장치의 비효율성(전기에너지 낭비, 전극 소모율 가속화, 등)을 심화시키는 가장 큰 요인중의 하나라는 중요한 사실을 발견하였다.

본 발명의 발명자들이 밝혀낸 더욱 중요한 사실은, 이론적으로 또는 기술적으로 예상되는 바와는 달리, 공급폐수의 오염물질 농도의 증가에 따라 인가전류의 크기 만을 증가시켜서는, 공급폐수 중의 오염물질을 충분히 제거할 수 없다는 것이다. 즉, 실제로는 인가전류의 변화가 오염물질 처리 능력의 변화로 곧바로 이어지지 않는다는 것이다.

이러한 사실에 기초하여, 본 발명에서는, 인가전류의 변화를 통한 오염물질 처리 능력의 변화를 실제로 구현하는 것을 가능하게 하는 개선된 전기화학적 폐수 처리 장치를 제공하고자 한다.

본 발명에서 제공하는 개선된 전기화학적 폐수 처리 장치는,

공급폐수 입구 및 처리폐수 출구를 구비한 반응조;

상기 반응조 내에 설치되어 있는 적어도 한 쌍의 전극;

상기 반응조의 외부에 설치되어 있고, 상기 적어도 한 쌍의 전극에 전기적으로 연결되어 있으며, 공급폐수 중의 오염물질의 농도에 따라 상기 적어도 한 쌍의 전극에 공급되는 전류를 변화시키는 가변전류공급장치; 및

공급폐수 중의 오염물질의 농도에 따라 상기 반응조 내에서의 공급폐수의 체류시간을 조절하는 체류시간 조절수단;을 포함한다.

본 발명의 전기화학적 폐수 처리 장치의 가장 큰 특징 중의 하나는, 가변전류공급장치 및 체류시간 조절수단을 통하여, 공급폐수 중의 오염물질의 농도에 따라, 전극에 인가되는 전류 뿐만아니라, 반응조 내에서의 공급폐수의 체류시간을 조절할 수 있다는 것이다.

특정 시점에서, 공급폐수 중의 오염물질 농도가 증가하는 경우, 처리하여야 할 오염물질의 절대량이 증가하므로, 그에 따라 전극에 인가되는 전류의 양도 증가하여야 한다. 그러나 이때, 증가된 전류에 의하여 용출되는 금속이온의 절대량은 즉시 증가되지만, 반응조 내에서의 공급폐수의 체류시간이 증가되지 않으면, 공급폐수 중의 증가된 양의 오염물질과 대응하는 금속이온이 용액 내에 충분히 확산되어 오염물질과 전기화학적 반응을 일으킬 시간이 부족하게 된다. 그에 따라, 인가전류의 증가에도 불구하고, 미반응된 오염물질이 처리폐수 중에 함유되어 그대로 배출되게 된다. 따라서, 인가전류의 증가 만으로는, 전기화학적 폐수 처리 장치의 처리능력을 실질적으로 증가시킬 수 없게 된다. 그렇게 되면, 공급폐수 중의 오염물질 농도에 따라 조절된 적정 전류를 인가하므로써 전기에너지의 낭비 및 전극소모의 불필요한 가속화를 방지한다는 목적은, 오염물질의 불충분한 제거로 인하여, 실질적으로 달성될 수 없다.

이와 달리, 본 발명의 전기화학적 폐수 처리 장치는, 체류시간 조절수단을 통하여 반응조 내에서의 공급폐수의 체류시간을 조절할 수 있으므로, 공급폐수 중의 증가된 양의 오염물질이 전기화학반응에 참여할 시간을 충분히 제공할 수 있게 된다. 그에 따라, 본 발명의 전기화학적 폐수 처리 장치는, 공급폐수 중의 오염물질 농도에 따라 조절된 적정 전류를 인가하므로써 전기에너지의 낭비 및 전극소모의 불필요한 가속화를 방지한다는 목적을, 매우 효과적으로 달성할 수 있다.

특정시점에서 오염물질의 양이 감소하는 경우에도 본 발명이 효과적으로 적용될 수 있다. 원폐수에 함유된 오염물질의 양이 감소할 경우, 상대적으로 과량의 전류가 흐르게 되어 에너지가 낭비될 뿐만 아니라 용출전극의 경우에는 전극소모량 과다로 인한 슬러지량 증가 및 전극교체 주기 단축이 필연적으로 발생되게 된다. 그러나 오염물질의 양에 따라 전력만을 감소시킬 경우, 전기화학적인 이론에 따라 그 처리 효율 면에 있어서는 큰 차이가 없으나 긴 체류시간으로 인하여 단위 시간 당 처리량이 줄게 되어 결론적으로 에너지 및 시간을 소비하게 된다. 따라서, 원폐수 중의 오염물질이 낮아지는 경우에도 에너지효율 증가, 슬러지량 감량, 유지보수 편의성, 처리량 증가를 위하여 필연적으로 전류와 체류시간을 조정하여야 하며, 본 발명을 사용하므로써 이러한 문제점을 해결할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 전기화학적 폐수 처리 장치를 더욱 상세하게 설명한다.

반응조는, 전극을 수용할 수 있고 공급폐수에 대한 체류시간을 제공할 수 있 는 내부공간을 갖는 임의의 형상을 갖는 상부 개방형 또는 상부 폐쇄형 용기일 수 있다. 또한, 반응조는 공급폐수 입구와 처리폐수 출구를 구비하고 있다. 공급폐수 입구와 처리폐수 출구의 위치 역시 특별히 제한되지 않는다.

반응조의 내부공간에는 한 쌍 또는 두 쌍 이상의 전극이 직렬(monopolar) 또는 병렬(bipolar)로 설치되어 있다. 반응조 내부의 공급폐수의 체류공간에서 공급폐수와의 접촉표면을 제공할 수 있는 한, 전극의 형상 및 배치방식 역시 특별히 제한되지 않는다. 한 쌍의 전극 중 적어도 하나의 전극은 양극으로서 다른 전극은 음극으로서 가변전류공급장치와 전기적으로 연결되어 있다. 통상적으로 전극에는 직류전류가 인가된다.

가변전류공급장치는 반응조의 외부에 설치되어 있다. 또한, 가변전류공급장치는 반응조 내부에 설치되어 있는 전극에 전기적으로 연결되어 있다. 가변전류공급장치는 교류전원을 직류전원으로 변환시키는 정류기능 및, 지시된 전류를 출력하는 정전류기능을 포함하고 있다. 또한, 가변전류공급장치는, 수동조작에 의하여 또는 자동제어콘트롤러의 제어신호에 의하여, 전극으로 인가되는 출력전류를 변화시킬 수 있다. 가변전류공급장치의 출력전류의 크기는 공급폐수 중의 오염물질의 농도에 따라 결정된다. 통상적으로, 오염물질 농도의 증가에 따라 출력전류의 크기도 증가시킨다.

공급폐수 중의 오염물질의 농도에 대응하는 가변전류공급장치의 출력전류의 크기는, 사전 예비실험을 통하여 최적으로 선택된 상관관계에 따라 용이하게 결정될 수 있다. 선택된 상관관계에 의거하여, 사용자가 가변전류공급장치를 조작하므 로써, 공급폐수 중의 오염물질의 농도에 따라 상기 적어도 한 쌍의 전극에 공급되는 전류를 변화시킬 수 있다. 또는, 선택된 상관관계가 입력되어 있는 자동제어콘트롤러의 제어신호가 가변전류공급장치에 전송되도록 함으로써, 공급폐수 중의 오염물질의 농도에 따라 상기 적어도 한 쌍의 전극에 공급되는 전류를 변화시킬 수 있다.

체류시간 조절수단은, 공급폐수 중의 오염물질의 농도에 따라 상기 반응조 내에서의 공급폐수의 체류시간을 조절한다. 체류시간의 조절은, 예를 들면, 공급폐수의 공급유량의 조절, 반응조 내부의 공급폐수 체류공간의 부피 조절, 또는 이들의 조합을 통하여 수행될 수 있다. 체류시간은 공급폐수의 공급유량의 감소에 의하여 증가될 수 있다. 체류시간은 반응조 내부의 공급폐수 체류공간 부피의 증가에 의하여 증가될 수 있다.

공급폐수의 공급유량의 조절을 위한 체류시간 조절수단은, 예를 들면, 공급폐수 입구에 설치되어 있는 유량조절밸브, 공급폐수 입구에 설치되어 있는 정량펌프, 또는 공급폐수 입구에 설치되어 있는 바이패스 밸브일 수 있다. 바이패스 밸브는, 공급폐수 입구 전단으로 유입되는 공급폐수를, 바이패스 밸브에 유체연결되어 있는 우회관로로 분산시키므로써, 반응조의 공급폐수 입구로 공급되는 공급폐수의 유량을 조절할 수 있다. 반응조 내부의 공급폐수 체류공간의 부피 조절을 위한 체류시간 조절수단은, 예를 들면, 처리폐수 출구에 설치되어 있는 수위조절갑문, 또는 반응조 내의 공급폐수 체류공간으로 진퇴가 가능한 피스톤일 수 있다.

체류시간 조절수단은, 수동조작에 의하여 또는 자동제어콘트롤러의 제어신호 에 의하여, 반응조 내에서의 공급폐수의 체류시간을 변화시킬 수 있다. 체류시간은, 공급폐수 중의 오염물질의 농도에 따라, 인가전류의 변화와 연동되어 결정된다. 통상적으로, 오염물질 농도의 증가에 따라 체류시간도 증가시킨다.

공급폐수 중의 오염물질의 농도에 대응하는 체류시간의 크기는, 사전 예비실험을 통하여 최적으로 선택된 상관관계에 따라 용이하게 결정될 수 있다. 선택된 상관관계에 의거하여, 사용자가 체류시간 조절수단을 조작하므로써, 반응조 내에서의 공급폐수의 체류시간을 변화시킬 수 있다. 또는, 선택된 상관관계가 입력되어 있는 자동제어콘트롤러의 제어신호가 체류시간 조절수단에 전송되도록 함으로써, 반응조 내에서의 공급폐수의 체류시간을 변화시킬 수 있다.

오염물질의 농도는 예를 들면, 중금속 농도, 시안 농도, 질소 농도, pH, 전기전도도, DO, COD, BOD, VOCs, 탁도, 색도, 또는 이들의 조합으로 표시될 수 있다. 전기응집 기술을 적용한 중금속 처리의 경우, 예를 들면, 구리, 카드뮴, 납, 니켈, 아연과 같은 특징적인 원소의 농도를 측정할 수도 있고, 중금속 농도의 지표가 되는 전기전도도 만을 측정할 수도 있다.

오염물질 농도는, 예를 들면, pH 측정기, 전기전도도 측정기, 수질 자동측정기, HPLC(high-performance liquid chromatography) 또는 GC(gas chromatograpy)와 같은 오염물질 농도 측정수단으로 측정될 수 있다. 오염물질 농도 측정수단은 측정치를 표시하거나 측정치를 자동제어콘트롤러로 전송하는 기능이 있다. 오염물질 농도 측정수단의 측정포인트는, 예를 들면, 반응조의 공급폐수 입구 이전의 공급폐수, 반응조 내부의 공급폐수 체류공간 내의 공급폐수, 또는 최종 처리폐수일 수 있 다. 오염물질 농도 측정수단은 측정치를 연속적으로 또는 일정 시간 간격으로 자동제어콘트롤러로 전송할 수 있다.

본 발명의 전기화학적 폐수 처리 장치는, 공급폐수 입구 전단에, 공급폐수의 pH 또는 전기전도도를 조정하기 위한 pH 또는 전기전도도 조정조를 더 구비할 수 있다. 본 발명의 전기화학적 폐수 처리 장치는, 처리폐수 출구 후단에, 처리폐수 중의 슬러지의 침강 또는 응집 효율을 높이기 위한 응집조를 더 구비할 수도 있다. 본 발명의 전기화학적 폐수 처리 장치는, 처리 효율을 더욱 높이기 위하여, 예를 들면, 염화나트륨과 같은 전해질, 유화소다와 같은 중금속 처리 약품 등과 같은 약품의 주입을 위한 약품주입수단을 더 구비할 수도 있다.

이하에서는, 도 1을 참조하여 본 발명의 전기화학적 폐수 처리 장치를 더욱 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 전기화학적 폐수 처리 장치의 일구현예를 도식적으로 나타낸 도면이다.

도 1의 전기화학적 폐수 처리 장치는, 반응조(100), 두 쌍의 전극(110, 111, 112, 113), 가변전류공급장치(120), 정량펌프(140), 피스톤(130), 중금속농도 검출 센서(150), 자동제어콘트롤러(160), 교반기(170) 등을 포함하고 있다. 반응조(100)에는 공급폐수 입구(101)와 처리폐수 출구(102)가 구비되어 있다. 반응조(100) 내의 공급폐수의 수위는 처리폐수 출구(102)의 높이에 의하여 결정된다.

가변전류공급장치(120)는 음극(110, 112) 및 양극(111, 113)에 직류전류를 공급한다. 정량펌프(140)는 공급폐수의 공급유량을 조절한다. 피스톤(130)은 피니언기어 구동장치(131) 및 피니언기어(132)의 작동에 의하여 상하로 움직인다. 전기 전도도 센서(150)는 공급폐수 입구(101) 전단의 공급폐수의 전기전도도를 측정한다. 자동제어콘트롤러(160)는, 전기전도도 센서(150)의 측정신호를 입력받은 후, 공급폐수 중의 전기전도도가 상승하면, 출력전류 증가를 지시하는 신호를 가변전류공급장치(120)로 전송하고, 동시에, 공급폐수의 공급유량 감소를 지시하는 신호를 정량펌프(140)로 전송하거나 피스톤(130)의 상승을 지시하는 신호를 피니언기어 구동장치(131)로 전송한다. 정량펌프(140)와 피스톤(130)은 체류시간 조절수단으로서, 둘 중의 하나를 택일적으로 사용할 수도 있고, 양자를 모두 사용할 수도 있다.

반응조(100) 내의 공급폐수의 수위가 처리폐수 출구(102)의 높이에 의하여 고정되어 있음에도 불구하고, 정량펌프(140) 또는 피스톤(130)에 의하여 반응조(100) 내에서의 공급폐수의 체류시간이 조절될 수 있다. 즉, 정량펌프(140)에 의하여 공급유량이 감소하면 체류시간은 증가된다. 피스톤(130)의 상승에 의하여 반응조(100) 내의 공급폐수 체류공간의 부피가 증가하면 체류시간은 증가된다. 또한, 피스톤(130)의 상승은, 공급폐수의 공급유량(즉, 폐수 처리량)을 줄이지 않고도, 공급폐수의 체류시간을 증가시키는 것을 가능하게 한다.

역으로 설명하면, 정량펌프(140) 또는 피스톤(130)을 사용하므로써, 공급폐수의 수위를 변화시키지 않고도, 공급폐수의 체류시간을 조절할 수 있게 된다. 공급폐수의 수위를 변화시키지 않으므로써, 전극(110, 111, 112, 113)의 유효표면적(공급폐수와의 접촉면적)을 일정하게 유지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 전기화학적 폐수 처리 장치의 일구현예를 도식적으로 나타낸 도면이다.

Claims (2)

1. 공급폐수 입구 및 처리폐수 출구를 구비한 반응조;

   상기 반응조 내에 설치되어 있는 적어도 한 쌍의 전극;

   상기 반응조의 외부에 설치되어 있고, 상기 적어도 한 쌍의 전극에 전기적으로 연결되어 있으며, 공급폐수 중의 오염물질의 농도에 따라 상기 적어도 한 쌍의 전극에 공급되는 전류를 변화시키는 가변전류공급장치; 및

   공급폐수 중의 오염물질의 농도에 따라 상기 반응조 내에서의 공급폐수의 체류시간을 조절하는 체류시간 조절수단;을 포함하는

   전기화학적 폐수 처리 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 체류시간 조절수단이, 상기 공급폐수 입구에 설치되어 있는 유량조절밸브, 상기 공급폐수 입구에 설치되어 있는 정량펌프, 상기 공급폐수 입구에 설치되어 있는 바이패스 밸브, 상기 처리폐수 출구에 설치되어 있는 수위조절갑문, 또는 상기 반응조 내의 공급폐수 체류공간으로 진퇴가 가능한 피스톤인 것을 특징으로 하는 전기화학적 폐수 처리 장치.

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