KR20130117969A - 인 회수 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 인 회수 장치 및 방법에 관한 것으로, 자기장발생부를 포함하고 있어, 저가의 흡착제인 칼슘계 흡착제의 반응속도를 높여 반응이 효율적으로 이루어질 수 있으며, 상기 흡착제에 인이 흡착 된 후 생성된 인회석을 재활용할 수 있으므로 경제적인 효과를 지닌 인 회수 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

인 회수 장치 및 방법{Apparatus and method for Phosphorus recovery from wastewater}
본 발명은 인 회수 장치 및 방법에 관한 것으로, 자기장발생부를 구비함으로써, 기존의 효율이 낮아 사용하지 못했던 저가의 칼슘계 흡착제의 흡착 효율을 향상시킬 수 있으며, 상기 흡착제는 인의 회수와 동시에 인회석 상태로 변형됨으로써, 상기 변형된 흡착제를 인회석으로 사용할 수 있으므로 경제적인 효과가 있는 인 회수 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 인에 대한 방류수 수질기준이 강화되면서 하수 및 폐수 중 인 제거에 대한 관심이 높아지고 있다. 생활하수, 오수 및 각종 산업폐수 등의 하수 중 오염 물질은 일반적으로 생물화학적 산소요구량(BOD)으로 표시되는 유기물과 영양염류인 질소와 인으로 대별된다. 폐수 중 특히, 질소나 인은 주로 농업용 비료, 사람이나 가축의 분뇨, 합성세제 등으로부터 발생되는 것으로, 이러한 질소나 인이 미처리된 하수 또는 공장 폐수에 의해 강이나 댐을 포함한 호소로 다량 유입될 경우, 부영양화, 연안의 적조현상 등을 야기하고, 또한 암모니아의 어류 독소, 수중의 용존 산소 결핍 등을 야기하게 된다.
이에 따라 환경부에서는 2003. 3. 1. 부터 질소 및 인 배출 허용 기준을 전국 모든 업소로 확대 적용하고 있고, 폐수 배출 업소들은 질소 및 인 방지시설을 설치하여야 하는 등, 규제가 점차 확대되고 있는 실정이므로, 그 관리의 중요성은 더욱 증대되고 있다.
상기 질소는 수중에서 요소와 아미노산과 같은 유기질(organic nitrogen), 암모니아성 질소(ammonia/ammonium), 아질산성 질소(nitrite) 및 질산성 질소(nitrate)의 상태로 존재하고, 상기 인은 단백질, ATP 등과 같은 유기인(organic phosphate), 인산염(phosphate)의 형태로 존재하는데, 일반적으로 수중에 존재하는 인(P)을 제거하는 방법으로는 물리적 방법, 화학적 방법, 생물학적 방법 등이 있다.
물리적 처리방법에는 여과, 역삼투법, 활성탄 흡착등이 있으며, 화학적인 처리방법에는 인을 제거하기 위한 NaAlO2, FeCl3, Fe2(SO4)3, FeSO4 등과 같은 금속염을 이용하는 침전제거 방법이 있다.
화학적 방법은 스트루바이트(Struvite) 및 수산화인회석(hydroxyapatite)과 같은 결정을 형성하여 화학적으로 질소와 인을 동시에 처리하는 방법이 있으며, 이들 대부분의 질소 및 인 제거 공법들은 폐수중의 총질소(유기질소, 암모니아성 질소(NH4-N), 아질산염질소(NO2-N), 질산염질소(NO3-N)) 및 총인(유기인, 인산염)을 폐수로부터 잉여 슬러리 및 침전물의 형태로 분리시키는 역할만을 하므로 2차적으로 농축된 질소 및 인을 다시 처리해야 하는 등 공정이 비효율적이라는 문제점이 있다.
생물학적 방법은 응집-침전법, 결정법, 흡착법 등이 있으며, 이는 종래 상업적으로 가장 널리 사용하고 있는 방법이다. 응집-침전법의 경우, 인을 저 농도까지 제거할 수 있지만 안정적인 처리효율을 달성하기 위해서는 알럼(Alum) 등의 다량의 약품이 필요하여 비경제적인 문제가 있다. 또한, 넓은 설치면적을 요하고 다량의 슬러지가 발생하는 등의 문제가 있으며, 제거된 인의 회수도 곤란한 문제가 있다.
또한, 가격이 저렴한 칼슘계 흡착제인 제오라이트, 시멘트, 경량기포시멘트 등은 인을 제거 할 수 있으나 제거효율이 낮고 흡착 용량이 한정되어 있으며, 희토류계 흡착제인 텅스텐, 지르코늄 등에 비해 반응시간이 현저히 길어, 칼슘계 흡착제를 사용할 경우 장치의 구성이 커지는 단점이 있다.
한편, 최근 인광석의 고갈로 인한 하수로 부터의 인 회수가 커다란 관심사로 떠오르고 있다. 따라서, 인 제거 및 인 회수가 동시에 가능한 인 회수 장치 및 방법이 필요한 실정이다.
종래의 문제점을 해결하기 위하여, 한국등록특허 제0783987호 "열적으로 안정한, 고표면적의 개질된 메조 다공성 알루미노 포스페이트"가 개시된 바 있다.
한국등록특허 제0783987호 (공고일자 2007.12.03)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 과거 흡착 효율이 낮아 처리장에서 사용할 수 없었던 저가의 칼슘계 물질을 흡착제로 이용하되, 흡착제가 충진 된 반응조 내부 혹은 외부에 자기장발생부를 구비함으로써, 흡착제 표면에서 칼슘 이온과 인 이온이 인회석을 형성하는 것을 촉진시켜 다량의 인을 처리할 수 있어, 경제적인 효과가 큰 인 회수 장치를 제공하는 것이다.
본 발명인 인 회수 장치(1000)는 내부에 흡착제(140)를 수용할 수 있도록 공간부를 구비하는 반응조(110)와, 상기 반응조(110)의 일측에 형성된 유입부(120) 및 상기 반응조(110)의 타측에 형성된 배출부(130)를 포함하는 흡착부(100); 및 상기 흡착부(100)의 둘레부에 구비되는 자기장발생부(200)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 흡착제(140)는 칼슘(Ca)이 주성분인 칼슘계 흡착제(140)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인 회수 장치(1000)는 상기 자기장발생부(200)가 상기 반응조(110)의 내부에 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인 회수 장치(1000)는 상기 유입부(120)에 연결되어 외부로부터 하수를 이송하는 유입관(300) 및 상기 배출부(130)에 연결되어 상기 흡착부(100)를 통과한 하수를 외부로 배출하는 배출관(400)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인 회수 장치(1000)는 상기 배출관(400) 상에 밸브(410)를 더 구비할 수 있으며, 상기 유입관(300) 상에 펌프(310)를 더 구비할 수 있는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 인 회수 장치(1000)를 이용하는 인 회수 방법은 상기 유입관(300)을 통해 상기 흡착부(100)로 하수를 유입하는 유입단계(S10);와, 상기 유입관(300)을 통해 유입된 하수 내부의 인이 상기 흡착부(100)의 흡착제(140)에 흡착되는 흡착단계(S20); 및 상기 흡착부(100)를 통과한 하수가 상기 배출관(400)을 통해 배출되는 배출단계(S30);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인 회수 방법은 상기 배출단계(S30) 이후 상기 흡착제(140)를 교환하는 흡착제 교환단계(S40)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 인 회수 장치 및 방법은 자기장발생부를 구비함으로써, 저가인 칼슘계 흡착제의 효율을 향상시켜, 계속적인 응집제의 투입이 필요하지 않으므로 경제적이고 친환경적인 효과가 있다.
또한, 본 발명의 인 회수 장치 및 방법은 상기 흡착제에 인이 흡착되어 상기 흡착제가 인회석의 상태로 변형되므로, 기존의 인 회수 장치 및 방법에서 발생하던 슬러지가 발생되지 않아 처리공정이 간편화 되어 장치가 간소화 될 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 흡착제가 인을 흡착하여 인회석 상태로 변형되므로, 인이 흡착된 상기 흡착제를 인회석으로 재활용할 수 있으므로 친환경적이며 고부가가치를 창출할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 인 회수 장치를 도시한 개략도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 인 회수 장치를 도시한 개략도.
도 3은 본 발명의 다를 실시예에 따른 인 회수 장치를 도시한 개략도.
도 4는 본 발명의 인 회수 장치를 포함한 다양한 경우의 인 제거 효율을 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 인 회수 장치와 자기장발생부가 구비되지 않은 인 회수 장치에서 시간의 흐름에 따른 인 제거 효율을 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 인 회수 방법의 순서도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 인 회수 방법의 순서도.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.
그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일실시예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 종래의 인 회수 장치(2000)를 나타낸 개략도로, 종래의 인 회수 장치(2000)는 인흡착조, 인탈착조, 인 회수조 및 흡착제(140)재생조를 포함하여 구성된다. 종래의 인 회수 장치(2000)는 상기 인흡착조에서 하수 내부에 포함된 인이 흡착되며 상기 흡착제(140)는 티타늄 메조구조체로 구성된다. 인이 흡착된 이후, 상기 흡착제(140)는 인탈착조로 이송되어 탈착용액을 이용하여 상기 흡착제(140)에 흡착된 인이 탈착된다. 상기 인탈착조에서 탈착된 인이 포함된 수용액은 상기 인 회수조로 이송되며, 상기 인 회수조는 염화칼슘을 투입하여 상기 수용액 내부의 인이 인산칼슘으로 변형되어 침전시켜 인을 회수한다. 상기 인이 탈착된 흡착제(140)는 상기 흡착제(140)재생조로 이송되어 재생용액을 이용하여 재생된다.
이와 같이, 종래의 인 회수 장치(2000)는 인의 탈착과 회수 및 흡착제(140)재생이 모두 이루어져야 하므로 공정이 번거로울 뿐 아니라 장치의 부피가 커지고, 다양한 화학물질의 투입으로 경제적이지 못한 단점이 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 인 회수 장치(1000)를 나타낸 것으로, 도 2를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 인 회수 장치(1000)를 상세하게 설명한다.
본 발명의 일실시예에 따른 인 회수 장치(1000)는 흡착부(100) 및 자기장발생부(200)를 포함하여 구성된다.
상기 흡착부(100)는 흡착제(140)가 수용될 수 있도록 내부에 공간부를 구비하는 반응조(110)와, 상기 반응조(110)의 일측에 형성되어 하수를 유입하는 유입부(120)와, 상기 반응조(110)의 타측에 형성되어 인이 제거된 상태의 하수를 외부로 배출하는 배출부(130) 및 상기 반응조(110) 내부에 수용되는 흡착제(140)를 포함한다.
상기 인 회수 장치(1000)는 상기 유입부(120)와 연결되어 외부로부터 하수를 이송하는 유입관(300)을 더 포함할 수 있으며, 상기 유입관(300) 상에 외부로부터 하수를 이송하기 위한 펌프(310)가 더 구비될 수 있다.
또한, 상기 인 회수 장치(1000)는 상기 배출부(130)와 연결되어 인이 제거된 하수를 외부로 이송하는 배출관(400)을 더 포함할 수 있으며, 상기 배출관(400) 상에는 배출량을 조절하는 밸브(410)가 더 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 인 회수 장치(1000)의 상기 흡착제(140)는 칼슘(Ca)이 주성분인 칼슘계 흡착제(140)를 사용한다. 상기 흡착제(140)로는 경량기포 시멘트 및 일반시멘트 등의 시멘트(Cement)류와, 제오라이트 계열 등이 사용될 수 있으며, 본 발명의 목적에 벗어남 없이 다양하게 변형실시 가능하다.
즉, 상기 흡착제(140)는 칼슘계 흡착제(140)를 사용함으로써, 하수 내부의 인과 반응하여 인회석을 형성한다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 인 회수 장치(1000)는 흡착된 인을 다시 회수할 필요 없이 인회석 상태로 재활용 가능하므로 공정이 간단해져 효율적이며, 장치가 간소화 되어 경제적인 효과가 있다.
또한, 인회석 상태의 상기 흡착제(140)를 재활용 할 수 있으므로, 최근 인광석의 고갈로 인 회수에 커다란 관심이 쏠리고 있는 실정에서 고부가가치를 창출할 수 있는 효과가 있다.
상기 자기장발생부(200)는 상기 반응조(110)의 둘레부에 구비되어 상기 흡착부(100) 내부에 강한 자기장을 발생시켜 상기 흡착제(140)의 인 흡착 효율을 상승시킨다. 상기 자기장발생부(200)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 반응조(110)의 둘레부에 중공 된 원통 형태로 구비될 수 있다. 또한, 상기 자기장 발생부는 막대 형태로 상기 반응조(110)의 주변에 복수 개 구비되는 등 다양한 형태로 구비될 수 있으며, 본 발명의 목적에 벗어남 없이 다양하게 변형실시 가능하다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 인 회수 장치(1000)를 나타낸 개략도로, 상기 자기장발생부(200)는 상기 반응조(110)의 둘레부 뿐 아니라, 상기 반응조(110) 내부에 추가적으로 더 구비될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 자기장발생부(200)는 상기 반응조(110)의 둘레부에 구비되며, 상기 반응조(110) 내부의 중앙에 추가적으로 더 구비될 수 있으며 그 위치 및 수는 본 발명의 목적에 벗어남 없이 다양하게 변형실시 가능하다.
도 3에 도시한 바와 같이, 상기 반응조(110) 내부에 상기 자기장발생부(200)를 추가적으로 더 구비할 경우, 상기 흡착제(140)의 인 흡착 반응속도가 증가하여 인 흡착이 효율적으로 이루어질 수 있는 효과가 있다.
도 4는 KH2PO4를 수돗물에 녹여 2500ppm의 인 용액을 제조 한 후, 이를 0.45um 필터로 걸러진 하수방류에 희석하여 회분식 실험을 실시한 결과를 나타낸 그래프로, 어떠한 장치도 사용하지 않은 경우, 자기장발생부(200)만을 사용할 경우, 자기장발생부(200)와 흡착제(140)를 함께 사용할 경우, 흡착제(140)만을 사용할 경우에 따른 인 제거 효율을 도시하였다.
회분식 실험은 비이커를 이용하여 50ppm 농도의 인이 함유된 하수방류수를 주입한 인이 함유된 원수를 시료로 사용하여 상술한 네 가지 경우를 실험한 것이다. 14시간 후 시료를 채취하여 인의 농도를 분석한 결과, 자기장발생부(200)만을 사용한 경우는 시료에서 7%의 제거효율을 나타내며, 자기장발생부(200)와 흡착제(140)를 동시에 사용한 경우는 시료에서 78%, 흡착제(140)만을 사용한 경우는 시료에서 61%의 제거효율을 나타낸다. 따라서, 도 4에 도시한 바와 같이, 자기장발생부(200)와 흡착제(140)를 함께 사용할 경우 인의 제거 효율이 가장 높다는 것을 알 수 있다.
또한, 도 5는 자기장발생부(200)와 흡착제(140)를 함께 구비한 본 발명의 일실시예에 따른 인 회수 장치(1000)와, 흡착제(140)만을 구비한 인 회수 장치의 시간 흐름에 따른 인 제거 효율을 나타낸 것이다.
실험에 사용된 본 발명의 일실시예에 따른 인 회수 장치(1000)는 지름 2.5cm, 높이 60cm, 부피 300mL의 흡착조(100)이며, 반응조(110)의 둘레부에 0.03T 강도의 자기장을 발생시키는 영구자석을 양쪽으로 설치한 자기장발생부(200)를 구비한 것이며, 다른 인 회수 장치는 흡착부(100)만 구비된 것이다.
실험은 상기 본 발명의 일실시예에 따른 인 회수 장치(1000)와 상기 흡착부(100)만 구비된 인 회수 장치에 5mL/min, 10mL/min, 20mL/min, 25mL/min의 다양한 유속의 인 용액을 정량펌프를 이용하여 주입한다. 이 때, 각각의 수리학적 체류시간(Hydraulic retention time, HRT)은 각각 55min, 27.5min, 13.8min, 11min이며, 인 용액은 KH2PO4를 수돗물에 녹여 인의 농도가 50mg/L인 것이다. 충진 된 상기 흡착제(140)는 크기가 0.3~0.8cm이며, 실험의 초기 1-2시간 동안에는 인이 포함되어 있지 않은 수돗물을 주입하여 흡착제(140) 표면에 남아있는 불순 물질을 씻어주고, 이 후에 인 용액을 주입한다. 두 장치의 유입수와 유출수에서 측정된 pH는 각각 6.80와 6.98로 비슷하였으며, 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 인 회수장치(1000)가 흡착부(100)만 구비된 인 회수장치에 비하여 왼쪽으로 이동된 것을 알 수 있다. 즉, 동일한 수리학적 체류시간에서 자기장발생부(200)가 구비된 본 발명의 일실시예에 따른 인 회수장치(1000)의 흡착속도가 더 빠르며, 수리학적 체류시간이 70min 이상일 경우 두 장치의 제거효율이 유사해지는 것을 알 수 있다. 따라서, 본원발명은 흡착제(140)를 수용한 반응조와 자기장발생부를 구비함으로써, 인의 제거 효율이 높은 효과가 있다.
한편, 본 발명의 인 회수 방법은 상술한 바와 같은 상기 인 회수 장치(1000)를 이용하여 수행된다.
도 6에 도시한 본 발명의 인 회수 방법은 유입단계(S10), 흡착단계(S20) 및 배출단계(S30)를 포함하여 수행된다.
상기 유입단계(S10)는 상기 유입관(300)을 통해 외부로부터 상기 반응조(110)에 하수가 유입되는 단계이다. 상기 흡착단계(S20)는 상기 유입단계(S10)에서 유입된 하수가 상기 반응조(110) 내부를 통과하면서 상기 반응조(110) 내부에 수용된 흡착제(140)에 인이 흡착되는 단계로, 상기 흡착단계(S20)는 상기 흡착제(140)가 폐색될 때 까지 인 흡착이 이루어진다. 상기 배출단계(S30)는 상기 반응조(110)를 통과하여 인이 제거된 상태의 하수가 외부로 배출되는 단계이다.
또한, 상기 인 회수 방법은 상기 배출단계(S30) 이후, 흡착제 교환단계(S40)를 더 포함할 수 있다. 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 인 회수방법을 나타낸 것으로, 상기 흡착제 교환단계(S40)는 상기 흡착단계(S20)에서 폐색될 때까지 인을 흡착한 상기 흡착제(140)를 외부로 배출하고 새로운 흡착제(140)를 유입하는 단계이다. 이 때, 인이 흡착된 상기 흡착제(140)는 인회석 상태로 별도의 회수 공정 없이 바로 재활용이 가능하다.
따라서, 본 발명의 인 회수 방법은 별도의 인 회수 공정이 필요하지 않고 흡착과 동시에 인이 회수됨으로써, 인의 회수가 효율적이고 시간의 소요가 감소되는 효과가 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 인 회수 장치(1000) 및 방법은 상기 자기장발생부(200)를 구비함으로써, 저가인 칼슘계 흡착제(140)의 효율을 향상시켜, 계속적인 응집제의 투입이 필요하지 않으므로 경제적이고 친환경적인 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 인 회수 장치(1000) 및 방법은 상기 흡착제(140)에 인이 흡착되어 상기 흡착제(140)가 인회석의 상태로 변형되므로, 기존의 인 회수 장치(1000) 및 방법에서 발생하던 슬러지가 발생되지 않아 처리공정이 간편화 되어 장치가 간소화 될 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 흡착제(140)가 인을 흡착하여 인회석 상태로 변형되므로, 인이 흡착된 상기 흡착제(140)를 인회석으로 재활용할 수 있으므로 친환경적이며 고부가가치를 창출할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1000 : 인 회수 장치
100 : 흡착부 110 : 반응조
120 : 유입부 130 : 배출부
140 : 흡착제
200 : 자기장발생부
300 : 유입관 310 : 펌프
400 : 배출관 410 : 밸브
S10 ~ S40 : 본 발명인 인 회수 방법의 각 단계

Claims (8)

  1. 내부에 흡착제(140)를 수용할 수 있도록 공간부를 구비하는 반응조(110)와, 상기 반응조(110)의 일측에 형성된 유입부(120) 및 상기 반응조(110)의 타측에 형성된 배출부(130)를 포함하는 흡착부(100); 및
    상기 흡착부(100)의 둘레부에 구비되는 자기장발생부(200)를 포함하는 인 회수 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 흡착제(140)는
    칼슘(Ca)이 주성분인 칼슘계 흡착제(140)인 것을 특징으로 하는 인 회수 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 인 회수 장치(1000)는
    상기 자기장발생부(200)가 상기 반응조(110)의 내부에 더 구비되는 것을 특징으로 하는 인 회수 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 인 회수 장치(1000)는
    상기 유입부(120)에 연결되어 외부로부터 하수를 이송하는 유입관(300) 및 상기 배출부(130)에 연결되어 상기 흡착부(100)를 통과한 하수를 외부로 배출하는 배출관(400)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인 회수 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 인 회수 장치(1000)는
    상기 배출관(400) 상에 밸브(410)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 인 회수 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 인 회수 장치(1000)는
    상기 유입관(300) 상에 펌프(310)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 인 회수 장치.
  7. 상기 인 회수 장치(1000)를 이용하는 인 회수 방법에 있어서,
    상기 유입관(300)을 통해 상기 흡착부(100)로 하수를 유입하는 유입단계(S10);
    상기 유입관(300)을 통해 유입된 하수 내부의 인이 상기 흡착부(100)의 흡착제(140)에 흡착되는 흡착단계(S20); 및
    상기 흡착부(100)를 통과한 하수가 상기 배출관(400)을 통해 배출되는 배출단계(S30);를 포함하는 것을 특징으로 하는 인 회수 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 인 회수 방법은
    상기 배출단계(S30) 이후 상기 흡착제(140)를 교환하는 흡착제 교환단계(S40)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인 회수 방법.
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