KR20130033804A - 전기응집을 이용한 질소 및 인의 제거 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기응집을 이용한 질소 및 인의 제거 장치에 대한 것으로, 특히 1차 침전지, 호기조를 포함하는 폭기조, 2차 침전지 및 전기응집 반응조를 포함하고, 상기 전기응집 반응조는 수조와, 상기 수조 내부에 구비되고 양극 및 음극으로 구성된 전극과, 상기 전극에 전원을 공급하는 전원공급장치를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명은 활성슬러지공정 후단에 전기응집 반응조를 설치해서, 상기 2차 침전지에서 나온 2차 유출수에 잔존하는 질산성질소와 인을 동시에 제거함으로써, 내부반송 없이도 탈질이 가능하게 하여 궁극적으로는 총질소와 총인을 효과적으로 제거할 수 있다.

Description

전기응집을 이용한 질소 및 인의 제거 장치{Apparatus for Removing nitrogen and phosphorus of effluent by electro-coagulation}

본 발명은 전기응집 반응을 적용한 대체 탈질공정에 관한 것으로, 활성슬러지공정에 있어서 내부반송 없이도 탈질이 가능하게 하여, 궁극적으로는 총질소와 총인을 효과적으로 제거할 뿐만 아니라 수중에 잔존하는 유기 성분을 효과적으로 제거할 수 있는 공정에 관한 것이다.

하폐수 처리공정으로 널리 이용되는 표준 활성슬러지법은 유입된 하수를 1차침전지에서 침전 가능한 유기성 부유물질을 제거한 후 질산화(nitrification)와 유기물 분해 등의 반응이 진행되는 폭기조와 2차 침전지를 거쳐 2차유출수 (secondary effluent)를 방류한다.

그러나, 탈질(denitrification)을 위한 공정이 포함되어 있지 않기 때문에 2차유출수에는 질산성질소(NO₃ ^-)가 포함되어 있어서 방류수의 총질소 (T-N) 규제 농도를 맞추기는 어렵다. 환경부에서도 2012년부터 T-N, T-P의 방류수 수질 기준을 각각 20, 0.2mg/L로 강화하였으며 겨울철에 완화 적용해오던 기준 또한 대폭 강화하기로 하였다.

따라서, 표준활성슬러지 공정을 대신하여 질산화와 탈질과정을 통해 질소를 제거하고 아울러 생물학적으로 인(P)을 동시에 제거하는 생물학적 영양염류 제거 (BNR, biological nutrient removal) 고도처리 공정을 적용 확대하고 있다. 대표적인 생물학적 고도처리 공정으로는 A/O, A₂/O, 4·5단계 Bardenpho, UCT 공정 등이 알려져 있다.

도 1의 A₂/O 공정과 같은 고도처리 공정은 혐기조(1), 무산소조(2), 호기조(3) 및 2차침전지(4)를 조합하여 영양염류를 제거하는 목적으로 구성되어 있다. 그러나, 질산화와 탈질, 인 방출, 인 흡수 등의 반응을 효과적으로 제어하기 위해 1~3Q 정도의 내부반송이 필요함에 따라 펌프의 동력소모가 크고 각 반응조를 운영하는 유지보수 비용 또한 높다.

최근에는 이런 전기화학적 방법을 이용하여 질소와 인을 제어하기 위해 전해 탈인조를 조합한 새로운 형태의 하수 고도처리 기술이 소개되고 있다. 최근 하수처리에 활발하게 적용되고 있는 MBR(Membrane Bio-Reactor) 공정은 여러 가지 장점이 있지만, SRT(Solids Retention Time)가 증가함에 따라 슬러지 배출을 통한 인의 제거가 용이하지 않은 것이 단점으로 지적되고 있다.

따라서, 이러한 단점을 보완하기 위해 전해 탈인조를 MBR 공정 후단에 적용하여 인을 효과적으로 제거하는 공정 또는, 부유식 데칸터와 전해탈인 장치를 결합하여 하수를 처리하는 공정 등이 제안되고 있다. 그러나, 아직 전기응집을 이용하여 질소와 인을 효과적으로 동시에 처리하는 방법과 관련된 연구는 미흡한 실정이다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 활성슬러지공정에서 나온 2차 유출수에 잔존하는 질산성질소와 인을 동시에 제거하고, 내부반송 없이도 탈질이 가능하게 하여 궁극적으로는 총질소와 총인을 효과적으로 제거하는 것이 목적이다.

뿐만 아니라, 본 발명은 2차 유출수에 잔존하는 유기 성분을 효과적으로 제거할 수 있는 새로운 고도 처리공정을 제공하고자 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기응집을 이용한 질소 및 인의 제거 장치는 1차 침전지, 호기조를 포함하는 폭기조, 2차 침전지 및 전기응집 반응조를 포함하고, 상기 전기응집 반응조는 수조와, 상기 수조 내부에 구비되고 양극 및 음극으로 구성된 전극과, 상기 전극에 전원을 공급하는 전원공급장치를 포함하여 이루어진 것이 특징이다.

여기서, 상기 1차 침전지, 호기조를 포함하는 폭기조, 2차 침전지 및 전기응집 반응조는 순차적으로 배열된 것이 바람직하다.

그리고, 상기 폭기조는 혐기조, 무산소조 및 호기조가 순차적으로 배열되어 구성된 것일 수 있다.

또한, 상기 양극은 알루미늄으로 이루어진 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 전기응집 반응조에는 슬러지가 배출되는 슬러지 배출 배관이 연결된 것이 가능하다.

한편, 본 발명의 다른 실시형태는, 상기한 제거 장치를 포함하고, 상기 제거 장치의 1차 침전지 전단에 스크린 및 침사지 중 적어도 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하수 처리 시스템일 수 있다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

이러한 본 발명은 대체 탈질공정으로 활성슬러지공정 후단에 전기응집 반응조를 설치해서, 상기 2차 침전지에서 나온 2차 유출수에 잔존하는 질산성질소와 인을 동시에 제거함으로써, 내부반송 없이도 탈질이 가능하게 하여 궁극적으로는 총질소와 총인을 효과적으로 제거할 수 있는 효과가 있다.

뿐만 아니라, 본 발명은 2차 유출수에 잔존하는 유기 성분을 효과적으로 제거할 수 있는 새로운 고도 처리공정을 제공할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 생물학적 고도처리 공정으로써 혐기조, 무산소조, 호기조를 포함하는 A₂/O 공정을 설명하기 위한 모식도이고,
도 2는 본 발명에 따른 전기응집을 이용한 질소 및 인의 제거 장치 일례의 구성을 설명하기 위한 모식도이고,
도 3은 본 발명에 따른 전기응집 반응조의 구성 일례를 설명하기 위한 모식도이고,
도 4는 본 발명에 따른 전기응집 반응조에 포함된 전극 일례를 설명하기 위한 모식도이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 합성 2차유출수시료(A)에 대한 전극의 재질과 반응시간에 따른 질산성질소의 농도 변화를 나타내는 그래프이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 알루미늄 전극에 의한, 합성 2차유출수시료(B)의 총질소, 질산성질소, 암모니아성 질소, 총인 농도 변화를 나타내는 그래프이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 알루미늄 전극에 의한, 합성 배양된 활성슬러지 유출수의 총질소, 질산성질소, 암모니아성 질소 농도 변화를 나타내는 그래프이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 알루미늄 전극에 의한, 합성 배양된 활성슬러지 유출수의 COD 및 총인 농도 변화를 나타내는 그래프이고,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 알루미늄 전극에 의한, 합성 배양된 활성슬러지 유출수의 pH 및 전기전도도 변화를 나타내는 그래프이고,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 알루미늄 전극에 의한, 실제 하수처리 시설 2차유출수의 총질소, 질산성질소, 암모니아성 질소 농도 변화를 나타내는 그래프이고,
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 알루미늄 전극에 의한, 실제 하수처리 시설 2차유출수의 COD 및 총인 농도 변화를 나타내는 그래프이고,
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 알루미늄 전극에 의한, 실제 하수처리 시설 2차유출수의 pH 및 전기전도도 변화를 나타내는 그래프이고,
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 알루미늄 전극에 의한, 실제 하수처리 시설 2차유출수의 SS 및 VSS 변화를 나타내는 그래프이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

도 2는 본 발명에 따른 전기응집을 이용한 질소 및 인의 제거 장치 일례의 구성을 설명하기 위한 모식도이고, 여기에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기응집을 이용한 질소 및 인의 제거 장치는 1차 침전지(10), 호기조를 포함하는 폭기조(20), 2차 침전지(30) 및 전기응집 반응조(40)를 포함한다.

본 발명은 기존의 생물학적처리 공정(표준 활성슬러지 공정)에 전기화학 반응조를 결합하여 표준활성슬러지 공정만으로 처리되기 어려운 질산성질소를 효과적으로 제거하기 위한 대체 탈질 공정을 수행하는 장치이다. 즉, 본 발명은 하폐수 처리공정으로 널리 이용되는 표준 활성슬러지법을 가능하게하는 장치로서, A/O, A₂/O, 4·5단계 Bardenpho, UCT 공정 등과 같은 생물학적 고도처리 공정 장치에도 적용가능한 것이다.

그래서, 기본적으로 유입된 하수로부터 침전 가능한 유기성 부유물질을 제거하는 1차 침전지(10), 질산화(nitrification)와 유기물 분해 등의 반응이 진행되는 폭기조(20), 및 침전 가능한 물질을 재차 제거하는 2차 침전지(30)를 포함하고, 특별히 상기 2차 침전지(30)에서 나온 2차유출수(secondary effluent)가 전기응집 반응조(40)를 거치는 것이 특징이다.

여기서, 상기 1차 침전지(10), 호기조를 포함하는 폭기조(20), 2차 침전지(30)는 이 기술분야에서 널리 알려진 다양한 형태 또는 방식의 처리조를 모두 포함하고, 상기 1차 침전지(10), 호기조를 포함하는 폭기조(20), 2차 침전지(30) 및 전기응집 반응조(40)는 순차적으로 배열된 것이 바람직하다. 이러한 처리조들은 서로 배관을 통해 연결될 수 있고, 격벽 등에 의해 구분되어 홀(hole)을 통해 처리수가 이동할 수도 있으며, 상부 또는 하부에서 오버플로우(overflow)에 의해 처리수가 전달될 수도 있다.

본 명세서에서, 호기조를 포함하는 폭기조(20)는 질산화, 인흡수, 유기물 분해 반응이 이루어지는 것으로써, 내부 교반을 위한 폭기장치를 포함하거나 포함하지 않을 수도 있다. 상기 폭기조(20)는 호기조, 혐기조와 호기조, 또는 혐기조와 무산소조와 호기조로 이루어질 수 있고, 혐기조, 무산소조 및 호기조가 순차적으로 배열되어 구성된 것이 바람직하다.

구체적으로, 본 발명에 따른 전기응집 반응조(40)는 그 앞 공정 또는 전단에 위치하는 2차 침전지(30)로부터 유출수, 즉 2차 유출수를 유입받는다. 유입받는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 그래서, 유입받은 2차 유출수를 전기응집시켜서 그로부터 질소 및/또는 인을 감소시키거나 제거한 후 방류(50)하는 것이다. 상기 전기응집 반응조(40)에는 슬러지가 배출되는 슬러지 배출 배관이 연결된 것이 가능하다.

도 3은 본 발명에 따른 전기응집 반응조(40)의 구성 일례를 설명하기 위한 모식도이고, 도 4는 본 발명에 따른 전기응집 반응조(40)에 포함된 전극(42) 일례를 설명하기 위한 모식도이다.

도 3에 나타난 바와 같이, 상기 전기응집 반응조(40)는 수조(41)와, 상기 수조 내부에 구비되고 양극 및 음극으로 구성된 전극(42)과, 상기 전극에 전원을 공급하는 전원공급장치(43)를 포함하여 이루어진 것이 특징이다.

상기 수조(41)의 재질이나 형상은 특별히 제한되지 않고, 이 기술분야에 알려진 모든 것을 포함한다.

상기 전극(42)은 수조(41) 내부에 포함되고, 양극(42a) 및 음극(42b)으로 구성될 수 있다. 이러한 전극(42)의 재질은 특별히 제한되지 않으나, Ti/IrO₂, 알루미늄(Al), 철(Fe), 스테인레스스틸 (SUS304)인 것이 바람직하고, 후술하는 실시예에 나타난 바와 같이, 그 중에서도 알루미늄(Al)으로 이루어진 것이 더욱 바람직하며, 특별히 양극(42a)이 알루미늄(Al)으로 이루어진 것이 가장 바람직하다. 상기 전극(42)은 도 4에 나타난 바와 같이 Monopolar 와 Bipolar 형의 전위 연결이 모두 가능하다.

상기 전원공급장치(43)는 상기 전극(42)에 직류 전원을 공급하기 위한 것으로, 특별히 제한되지 않으며, 본 발명의 전기응집 반응조(40) 내부 또는 외부에 구비될 수 있다.

이와 같은 본 발명의 전기응집 반응조(40)는, 기존의 표준활성슬러지 공법 후단 예를 들어, 상기 2차 침전지(30) 후단에 추가로 결합되어, 전기응집에 의해 탈질화 반응이 진행되지 않은 2차 유출수의 질산성질소를 제거하고 그 밖의 오염물질인 인과 유기물질을 효과적으로 제거하는 것을 특징으로 한다.

전기응집(electro-coagulation) 공정은 가용성 전극을 이용하여 전류를 흘려줌으로써 산화환원반응과 응집 침전 등을 통해 콜로이드성 물질을 효과적으로 응집, 제거할 수 있는 것으로 알려져 있다. 본 발명에서는 폭기조(20)와 2차 침전지(30)를 거친 후 전기응집 반응조(40)를 통해 질소와 인을 제거함에 따라 내부반송에 따른 동력비 절감을 도모할 수 있을 뿐만 아니라 전기화학반응을 동시에 이용함에 따라 유량변동과 계절적 변화에 쉽게 대응할 수 있고 간단한 처리 공정하에 최적의 제거효율을 얻을 수 있다. 또한, 전기응집 반응에서 발생하는 금속수산화물(Al(OH)₃,Fe(OH)₃)등이 응집제 역할을 담당함에 추가적인 화학약품 첨가가 불필요함에 따라 그에 따른 추가 비용이 발생하지 않는 장점을 지니고 있다.

전기응집 반응조(40)는 유입되는 하수의 특성을 고려하여 전극종류, 전류밀도, 반응시간 , 전극간격 등의 변수를 변화시켜 최척의 운전조건으로 운전하되, 특히 반응조 설계시 반응조 구석구석에 전극이 존재할 수 있는 구조(Configuration)로 설계하는 것이 바람직하다. 이 때는, 전극의 총면적(A)을 반응조의 부피(V)로 나눈 A/V의 값을 중요한 설계인자로 사용할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시형태는, 상기한 제거 장치를 포함하고, 상기 제거 장치의 1차 침전지 전단에 스크린 및 침사지 중 적어도 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하수 처리 시스템일 수 있다. 상기 스크린 및 침사지는 이 기술분야에 널리 알려진 다양한 형태를 모두 포함한다.

이러한 하수 처리 시스템에 의하면, 내부반송에 따른 동력비 소모 및 넓은 부지 소요, 유량변동과 계절적 변화에 능동적으로 대처할 수 없는 하폐수 고도처리 공정의 단점을 해결함과 동시에 강화되는 방류수 수질 기준의 안정화를 모색할 수 있다. 또한, 간단한 처리 공정을 통해 소규모 하수처리 시설의 적용이 가능하며 생물학적 처리공정에만 전적으로 의존하지 않고 전기화학공정을 접목함으로써 누구나 쉽게 운전 조작이 가능하다. 또한, 추가적인 화학약품 첨가가 불필요 하여 그에 따른 비용이 해결됨에 따라 효과적으로 하폐수 처리가 가능하다.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해 될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예 : 전기응집 장치

도 3에 나타난 바와 같은 전기응집 장치를 직류전원 공급장치 (DC power supply, PAP-3030 파워트론), 응집 반응조, 전극 등으로 구성하였다. 직류전원 공급 장치는 최대전압 30V, 최대전류 30A까지 조절 가능하게 하였다. 반응조는 22.5cm(W)×11cm(L)×21cm(H)의 크기로 실용적 3L이었으며, 전극을 상부에 고정시키고 전극의 간격 변화를 용이하게 하기 위해 0.2cm 간격의 홈을 만들어 제작하였다. 또한, 교반을 위해 반응조의 옆면과 밑면에 전극이 닿지 않도록 거리를 두어 제작함으로써 원활한 교반을 도모하였다.

전기응집 공정에서 전극의 재질은 오염물질 제거에 있어서 중요한 영향인자 중 하나이다. 특히 양극(anode)의 재질에 따라 산화되어 용출되는 금속이온이 각기 다르고 이로 인해 생성되는 금속수산화물의 형태 또한 다르기 때문이다. 따라서 오염물질과 결합되어 제거되는 메커니즘이 다르게 작용함에 따라 제거효율에 영향을 미치게 된다. 전기응집 공정의 전극 재료로 널리 사용되고 있는 것으로는 알루미늄(Al), 철(Fe), 스테인레스스틸(SUS304) 등이 있다.

본 발명자들이 사용한 전극 재료는 Ti/IrO₂ (티타늄(Ti)에 이리듐(ir)을 코팅하여 제작한 전극), 알루미늄(Al), 철(Fe), 스테인레스스틸 (SUS304) 이었다. 전극의 크기는 모두 9cm(W)×18cm(L)×0.1cm(H)로 동일하게 하였다.

실험예 : 질소와 인의 처리 능력 평가

하수의 2차 유출수에 잔존하는 질산성질소를 전기응집으로 제거하는 공정의 가능성을 평가하였다. 아울러 2차 유출수의 인과 유기물 제거정도를 평가하여 하수의 질소와 인을 효과적으로 처리할 수 있는 대체 고도처리공정의 구성을 제시하였다.

이를 위해 질산성질소만 포함한 합성시료, 질소와 인만을 포함한 합성 2차유출수 시료, 실험실에서 배양된 활성슬러지의 2차유출수 시료 및 실제 하수처리시설의 2차유출수 등을 이용하여 각각 전기응집을 수행하였다.

실험예 1 : 시료의 준비

본 실험에서 2차 유출수는 세 종류의 시료를 사용하였다. 첫 번째 시료는 NaNO₃와 KH₂PO₄를 사용하여 인공시료를 조제하였다. 인공시료를 이용한 실험에서는 질산성질소 18mg/L만이 용해된 시료(A)와 질산성질소 60mg/L, 인 10mg/L이 함께 용해되어 있는 시료(B) 두 가지로 나누어 시료로 사용하였다. 두 번째 시료는 실험실에서 연속회분식 공정(SBR)으로 배양된 활성슬러지 공정의 유출수를 2차유출수의 모사 시료로 이용하였다. 세 번째는 실제 하수처리 시설에서 유출되는 2차유출수로, A시 환경사업소에서 방류되는 2차유출수를 시료로 사용하였다. 2차유출수로 사용된 각 시료의 성상을 하기 표 1에 요약 정리하였다.

	합성 2차 유출수		배양된 활성 슬러지의 유출수	실제 하수처리 시설 2차 유출수
	A	B
pH	5.5	5.4	7.4	6.4
conductivity(㎲/㎝)	150	453	3940	500
COD(mg/L)	-	-	135	14
T-P(mg/L)	-	10	0.55	6
T-N(mg/L)	18	60	160	15
NH3 -(mg/L)	-	-	28.2	0.3
NO3 -(mg/L)	18	60	122	12
SS(mg/L)	-	-	50.4	13.6

실험예 2 : 평가 방법 및 분석

회분식 반응조를 이용하여 질산성질소(NO₃ ^-)의 초기농도 18mg/L인 인공시료 (A)를 Ti/IrO₂ 전극, 알루미늄(Al), 철(Fe), 스테인레스스틸(SUS304) 총 4가지 재질의 전극을 이용하여 전기응집 반응 후 그에 따른 제거특성을 평가하였다. 전극의 구성은 모두 monopolar 형태로 하여 실험을 진행하였다. 전극의 개수는 양극 음극 각각 8개씩으로 하였으며 전극 간격은 0.6cm, 전류 0.7A, 전압 3~5V, 반응시간 60min으로 하여 실험을 진행하였다. 실험을 통해 질산성질소를 가장 효과적으로 제거 가능한 재질이 알루미늄(Al) 전극이라는 것을 확인한 후, 초기 질산성질소 60mg/L, 인 10mg/L의 인공시료(B)를 이용하여 알루미늄을 전극으로 활용하여 양극 음극 각각 6개, 전극간격 1cm, 전류 1A, 전압 6.5V, 반응시간 30분간 실험을 진행하였다.

또한, 실험실에서 연속회분식(SBR) 공정으로 배양된 활성슬러지의 2차유출수를 알루미늄 전극을 이용하여 전극간격 1cm, 전압 5V, 전류 3.8A로 하여 전기응집을 수행하였다. 최종적으로 실제 하수처리장의 2차유출수를 이용하여 질소와 인의 제거 가능성을 평가하였다. 실험조건은 전극개수는 양극과 음극 각각 8개씩 총 16개, 전극간격은 1cm로 하여 전기응집을 수행하였다. 이때 인가된 전압은 7V이었고 이에 따른 전류밀도는 2×10^-3~1×10^-2 A/cm² 이었다.

전기응집 공정을 통한 2차유출수 오염물질의 제거 가능성을 평가하기 위해 하수 방류수 수질 항목인 COD, T-P, T-N 등을 분석항목으로 선정하였고 질소의 제거 메커니즘을 살펴보기 위해 NH₃ ^-와 NO₃ ^-도 함께 분석하였다. 전기응집 반응으로 인해 변화할 수 있는 전기전도도와 pH를 위의 항목들과 마찬가지로 반응시간 변화에 따라 측정하였다. 모든 항목은 전기응집 후 GF/C 여과지를 이용하여 여과한 여액을 사용하여 분석하였다. pH와 전기전도도는 각각 pH meter, conductivity meter를 사용하였으며 그 외의 분석항목은 Standard method (APHA, 1995)에 준하여 측정하였다.

실험예 3 : 합성 유출수 A, B 에 대한 질소와 인 처리 능력

전기응집에 사용되는 전극은 양극과 음극을 동일한 재질이나 또는 다른 재료를 이용하여 구성하는 경우로 나누어 볼 수 있다. 본 실험에서는 양극과 음극을 동일한 재료를 이용하는 구성 하에 위에서 소개된 네 종류의 전극 (Al. Fe, SUS304, Ti/IrO₂)을 이용하여 전기응집 실험을 진행하였고 이를 통해 질산성질소를 가장 효과적으로 제거할 수 있는 전극을 결정하고자 하였다.

초기의 질산성질소농도 18mg/L인 합성 2차유출수시료 (A)를 이용하여 전극의 재질과 반응시간에 따른 질산성질소의 농도 변화를 도 5에 나타내었다. Ti/IrO2 전극의 경우에 60분 후의 질산성질소의농도는 초기농도와 큰 차이를 보이지 않음으로써 질산성질소가 거의 제거되지 않는 것으로 나타났다. 스테인레스스틸(SUS304) 전극 역시 60분 후 약 9% 정도의 제거율만 보임으로써 질산성질소의 제거에 효과적이지 않음을 알 수 있었다. 반면 Al과 Fe 전극의 경우 60분 후 각각 88, 38%의 제거효율을 보였다. 두 전극은 모두 가용성 전극으로 전위 인가 시 금속의 산화 반응에 의해 금속이온이 용출되어 궁극적으로 응집제 역할을 함으로써 질산성질소를 응집하여 제거한 것으로 판단된다. 따라서 질산성질소를 제거하기 위해서는 가용성 전극을 이용하는 것이 유용하며 특히 알루미늄 전극을 사용하는 것이 보다 효과적이라는 결론을 얻을 수 있었다.

인과 질산성질소가 수용액 상에 공존할 경우에 각 이온의 제거효율에 미치는 영향을 살펴보기 위해 인과 질산성질소의 초기농도를 각각 10, 60 mg/L로 제조한 합성 2차유출수 시료 (B)를 이용하여 전기응집 실험을 수행하였다. 알루미늄 전극을 양극과 음극 각각 6개씩으로 하여 전극간격 1cm, 전류 1A, 전압 6.5V, 반응시간 30분의 조건하에 실험을 진행하였다. 전위 인가 후 총질소, 질산성질소, 암모니아성 질소의 농도변화를 통해 전기응집 반응에 따른 질소화합물의 변화 형태와 인의 농도변화를 도 6에 나타내었다.

반응시간 30분 후 질산성질소는 42mg/L로 30% 정도가 제거되었다. 암모니아성 질소의 경우에는 초기에는 존재하지 않았으나 전기응집 후 2.5mg/L의 값을 나타내었다. 이는 전기응집 반응 후 질산성질소는 감소하나 음극에서 질산성질소가 환원되어 암모니아성 질소로 전환 생성됨을 의미한다. 따라서 총질소 (T-N)는 질산성질소가 감소한 만큼 비례하여 감소하지 않는다. 실제 총질소 농도는 62에서 45 mg/L로 감소하여 제거율은 26% 이어서 질산성질소의 제거율 30%보다는 낮게 나타났다.

전기응집 후 총인은 초기 농도 10mg/L에서 반응시간 30분 후 0.3mg/L로 감소하였으며 제거효율은 97%로 나타났다. 따라서 전기응집 공정을 통해 총인은 대부분 제거되는 것으로 판단된다. 이는 알루미늄이 산화되어 용출된 알루미늄 이온이 인산염과 반응하여 불용성 침전물, AlPO₄를 생성하여 제거되거나, 금속수산화물인 Al(OH)₃ 을 형성하고 이에 따라 인이 sweep floc 메카니즘으로 응집되어 제거된 것으로 판단된다.

이상의 결과는 전기응집 공정에서는 생물학적 처리법과는 달리 질산성질소의 존재로 인해 인의 제거효율이 큰 영향을 받지 않음을 시사하고 있으며, 합성 폐수가 아닌 실제 생물학적 처리 2차 유출수를 이용한 실험을 통해 질소와 인의 제거특성을 살펴 볼 필요성을 제기하고 있다.

실험예 4 : 배양된 활성슬러지 유출수에 대한 질소와 인 처리 능력 평가

NaNO₃와 KH₂PO₄로 모사된 2차유출수 인공시료를 이용하여 전기응집 공정을 수행한 결과 질산성질소와 인이 어느 정도 제거되는지를 파악하였다. 따라서 실험실 규모의 활성슬러지를 연속회분식공정 (SBR)로 배양하고 그 유출수를 이용하여 질소와 인과 함께 유기물질 및 여타 인자들의 변화를 평가하고 실제 생물학적 유출수의 제거효율에 미치는 영향을 살펴보았다.

총질소, 질산성질소, 암모니아성 질소의 농도 변화를 도 7에 나타내었다. 질산성질소를 살펴보면 초기농도 122mg/L에서 30분 후 62mg/L로 감소하였다. 그러나 암모니아성 질소의 경우 인공시료를 이용한 실험에서와 마찬가지로 초기농도 28.2mg/L에서 52.8mg/L로 증가하는 경향을 나타내었다. 이에 따라 질산성질소는 감소하나 암모니아성 질소가 증가하여 총질소는 초기농도 160mg/L에서 전기응집 후 140mg/L로 약 13% 정도의 제거효율을 나타내었다.

도 8은 반응시간 30분 후 COD와 T-P의 농도 변화를 나타내었다. COD는 수중의 유기물을 간접적으로 확인할 수 있는 지표로써 전기응집을 통해 효과적인 유기물 제거 가능성을 판단하기 위한 인자로 사용되었다. COD는 초기농도 135mg/L에서 전기응집 후 109mg/L로 감소하여 약 19% 정도의 제거효율을 나타내었다. 총인은 초기농도 0.55mg/L에서 0.05mg/L로 감소하여 약 90%의 제거효율을 나타내었다.

도 9는 pH 및 전기전도도의 변화를 나타내었다. 초기 pH 7.38에서 반응시간 30분후 10.1로 증가하였다. 전기응집 공정의 음극에서는 물의 전기분해에 의해 수산이온 (OH^-)이 형성되기 때문에 pH가 증가되는 것으로 판단된다.

한편 전기전도도는 초기 3940㎲/cm에서 전기응집 후 3670㎲/cm으로 약간 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 질산성질소와 인의 제거와 관련 있는 현상으로 해석할 수 있다. 즉 이온성 물질인 질산성질소와 인이 제거됨에 따라 전기전도도 또한 감소한 것으로 판단된다.

실험예 5 : 실제 하수처리 시설 유출수에 대한 질소와 인 처리 능력 평가

질산성 질소와 인만이 존재하는 인공시료와 실험실에서 배양된 활성슬러지 2차 유출수를 이용한 전기응집 실험 결과 질소와 인이 동시에 제거되고 아울러 유기물질 (COD)도 부수적으로 제거될 수 있음을 알았다. 따라서 실제 하수처리시설의 2차 유출수를 이용하여 전기응집 공정을 진행하여 본 실험에서 제안하는 후 탈질 전기응집 공정의 가능성을 살펴보고자 하였다.

도 10은 총질소와 질산성질소, 암모니아성 질소의 농도변화를 나타낸 것으로 질산성질소는 초기농도 16mg/L에서 반응시간 60분 후 6.2mg/L로 감소하였다. 암모니아성 질소는 초기 0.3mg/L에서 반응시간 60분 후 4mg/L로 질산성질소와는 반대로 반응시간이 증가할수록 농도 또한 증가하는 경향을 나타내었다. 즉 질산성질소가 감소할수록 환원된 암모니아는 증가하는 경향을 나타내었다. 암모니아의 생성은 질산성질소의 초기농도, pH, Al³⁺/NO₃ ^-의 몰비율 (mol ratio) 등에 따라 다르게 나타날 수 있다고 설명할 수 있다.

따라서, 전기응집 공정이 적용되었을 경우 질산성질소의 일부는 전기응집 되어 제거되고 나머지는 위와 같은 복합적인 환원반응을 따라 암모니아성 질소로 환원되는 것으로 예상된다. 이로 인해 본 실험에서는 총질소의 약 50%가 제거되었음을 알 수 있었다.

도 11은 알루미늄 전극을 이용하였을 경우 COD와 T-P의 농도 변화를 나타낸 것이다. COD의 경우 초기 농도 23mg/L에서 30분 후에는 7.6mg/L로 감소하였으며 (제거율 67%) 60분 후에는 5mg/L까지 감소 (제거율 80%)하였다. COD의 제거효율은 반응시간 외에 전류밀도, 초기 pH값 등의 기타 인자의 영향을 받는다. 본 실험에서는 pH 및 전류밀도에 따른 영향을 조사하지 않았지만 전류밀도를 증가하여 실험을 진행한다면 더 높은 질소, 인 및 COD 제거율을 얻을 수 있을 것으로 판단된다.

총인의 농도 변화를 살펴보면 초기농도 6m/L에서 10분 후 약 0.4mg/L로 약 94%의 제거율을 보였다. 반응시간 60분 후에는 98%가 제거되었음을 알 수 있었다. 따라서 인은 초기 반응시간 10분 후 대부분 제거되는 것을 알 수 있다. 따라서 인은 초기에 높은 제거효율을 나타내며 전기응집 공정을 통해 효과적으로 제거 가능하다는 결론을 도출할 수 있다.

전기응집 반응이 진행되는 동안 pH와 전기전도도의 변화를 Fig. 11에 나타내었다. 초기 pH 6.5에서 반응시간 20분 후 8.4로 증가하였으며 60분 후에는 9로 상승하였다. 반응시간 20분까지는 급격히 상승하나 그 이후에는 완만하게 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서 전기응집 반응 초기에 pH의 변화폭이 크다는 결론을 얻었다.

전기전도도는 초기에 500㎲/cm에서 반응시간 60분 후 347㎲/cm로 감소하였다, 이를 통해 전기응집을 통해 이온성 물질이 효과적으로 제거되고 있음을 간접적으로 알 수 있다.

전기응집에 따른 부유 및 현탁물질의 변화를 살펴보기 위해 SS와 VSS를 측정하였다(도 13). 원수의 SS는 14.6mg/L이었고 반응시간 10분 후 1600mg/L를 나타내었다. 최종 반응시간 60분 후에는 12,800mg/L로 증가하였다. 양극에서 산화되어 금속이온으로 용출됨에 따라 용출된 금속이온이 금속수산화물, Al(OH)₃와 불용성 침전물, AlPO₄를 형성함에 따라 SS가 급격하게 증가한 것으로 판단된다. 한편 원수의 VSS는 12.8mg/L이었고 반응시간 10분 후에는 493mg/L이었고, 60분 후에는 2,374mg/L까지 증가하였다. 이는 2차 유출수에 포함되어 있던 용존성 및 콜로이드성 유기성 입자들이 전기응집으로 인해 응집 및 응결되었기 때문이다. 즉 용존성 및 콜로이드성 유기성 입자들이 전기응집 반응이 진행됨에 따라 응집되면서 VSS가 증가하게 된 것으로 판단된다.

한편, 상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 기술적 특징이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다.

10 : 1차 침전지 20 : 폭기조
30 : 2차 침전지 40 : 전기응집 반응조
41 : 수조 42 : 전극
42a : 양극 42b : 음극
43 : 전원공급장치

Claims (6)

1차 침전지, 호기조를 포함하는 폭기조, 2차 침전지 및 전기응집 반응조를 포함하고,
상기 전기응집 반응조는 수조와, 상기 수조 내부에 구비되고 양극 및 음극으로 구성된 전극과, 상기 전극에 전원을 공급하는 전원공급장치를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전기응집을 이용한 질소 및 인의 제거 장치.

제1항에 있어서, 상기 1차 침전지, 호기조를 포함하는 폭기조, 2차 침전지 및 전기응집 반응조는 순차적으로 배열된 것을 특징으로 하는 전기응집을 이용한 질소 및 인의 제거 장치.

제1항에 있어서, 상기 폭기조는 혐기조, 무산소조 및 호기조가 순차적으로 배열되어 구성된 것을 특징으로 하는 전기응집을 이용한 질소 및 인의 제거 장치.

제1항에 있어서, 상기 양극은 알루미늄으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기응집을 이용한 질소 및 인의 제거 장치.

제1항에 있어서, 상기 전기응집 반응조에는 슬러지가 배출되는 슬러지 배출 배관이 연결된 것을 특징으로 하는 전기응집을 이용한 질소 및 인의 제거 장치.

제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 제거 장치를 포함하고, 상기 제거 장치의 1차 침전지 전단에 스크린 및 침사지 중 적어도 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하수 처리 시스템.

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