KR20150062407A - 플라즈마 수중 방전 기법을 이용한 난분해성 유기물 처리 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오염물을 직접 분해하는 것보다는 다른 기술과의 융합을 통해 에너지 소모는 줄이면서 유기물을 분해시키는 하이브리드 기술개발의 요구에 부응하여, 플라즈마의 라디칼로 난분해성 유기물을 분해가능 유기물로 전환한 후, 분해성 유기물은 후단 미생물 반응조에서 분해될 수 있으므로 경제적으로 난분해성 유기물을 분해할 수 있는 처리장치 및 처리방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 플라즈마 수중 방전 기법을 이용한 난분해성 유기물 처리 장치는, 난분해성 유기물 공급부; 상기 난분해성 유기물 공급부로부터 공급된 물질에 대하여 플라즈마 이중전극을 이용한 플라즈마 수중 방전 처리를 하여 상기 난분해성 유기물을 분해성 유기물로 전환시키도록 구성된 반응부; 및 상기 반응부로부터 처리된 분해성 유기물을 생물학적 처리하도록 구성된 미생물 반응부를 포함하여 이루어지고, 상기 플라즈마 이중전극은 외측은 세라믹 재질로 구성되고 내측은 금속 재질로 구성되는 이중전극으로서, 상기 세라믹 재질의 모세관 튜브(capillary tube) 외부에서만 방전이 일어나는 것을 특징으로 한다.

Description

플라즈마 수중 방전 기법을 이용한 난분해성 유기물 처리 장치 및 방법{Recalcitrant Organic Matter Treatment Apparatus and Method Using Plasma Underwater Discharge Method}

본 발명은 난분해성 유기물의 처리 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 플라즈마 수중 방전 기법과 생화학적 처리방법을 동시에 이용하여 난분해성 유기물을 처리하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

인간의 생존과 활동에는 각종 자원을 필요로 하며, 그 결과 필연적으로 폐기물을 배출하게 되고, 이로써, 대기오염, 수질오염, 토양오염은 물론 소음, 진동, 악취 등의 환경오염을 야기하고 있다. 특히, 수질오염은 물에 임의의 이물질이 유입되어 물의 성분과 상태를 변화시켜 물을 그대로 이용할 수 없는 폐수상태에 이른 것을 말하며, 하천, 호수, 해양, 연안 내의 수질오염은 인간의 건강에 큰 위협을 주고 있다.

여기서, 수질을 오염시키는 물질은 유독성 물질과 유기물로 대별할 수 있다. 상기 유독성 물질은 DDT(dichlorodiphenyl trichloroethane), BHC(benzene hexachloride)와 같은 유기 염소계 농약, 유기인제, 수은, 카드뮴, 납, 크롬, 기타 중금속 화합물, 예컨대, PCB, 시안, 페놀, 비소 등을 포함하며, 상기 유기물은 생물원료에서 유래되는 폐기물 또는 생물의 신진대사 과정에서 배설되는 분뇨, 하수, 농축산폐수, 식품공장의 폐수 등을 포함한다. 이때, 유기폐수는 하천이나 호수의 자정 능력을 초과한 때에 수질오염을 유발시키게 된다.

일반적으로 난분해성 유기물은, PCB, 유기 염소계 농약.트리클로로에틸렌 등과 같이 재래식 생물학적 처리공정이나 자연환경에서 미생물에 의한 분해가 잘되지 않는 물질로서 BOD / CODCr 비가 낮은 물질일수록 난분해성으로 간주되고 있다. 예를 들면 방향족 벤젠고리 화합물(클로로 벤젠, 니트로벤젠, 데카하이드로나프탈렌, 벤젠, 크레졸, 크실렌, 테트라하이드로 나프탈렌, 테트라 하이드로 퓨란, 톨루엔, 페놀, 에틸페놀, 에틸벤젠, 피리딘 등)과 할로겐화 유기화합물 (TCE : 트리클로로 에틸렌, PCE : 퍼클로로에틸렌, PCP : 펜타클로로페놀, 테트라클로로에틸렌 등) 등이 대표적이다. 난분해성 독성물질은 대부분의 산업폐수에서 발견할 수 있으며, 특히 문제가 되고 있는 제지, 염색, 매립지 침출수 등은 배출량이 많고, 이들 폐수의 색도와 NBDCOD는 기존의 처리법으로는 분해가 매우 어려운 실정이다. 이들 물질들은 자연계에서도 분해속도가 매우 느리거나 전혀 분해가 되지 않는 상태로 잔류하여 생태계에 크게 영향을 끼치거나 지하수 오염의 원인물질로 작용할 수 있다.

한편, 화학폐수 및 폐기물 침출수 등의 난분해성 폐수를 정화하는 데는 화학약품에 의한 방법이 사용되는데, 이와 같은 화학적 폐수처리시스템에서는 미생물의 처리가 이루어지지 않고 화학약품에 의존하기 때문에 운전비용이 높으며, 처리수에 산화제 등이 포함된 상태로 외부로 방류되기 때문에 하천 생태계를 파괴하게 되는 2차 오염의 폐단이 있다.

따라서 최근에는 상기와 같은 화학적 폐수처리의 한계를 극복하기 위한 방안으로, 고급산화법(advanced oxidation process : AOP)에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

상기 고급산화법이란 오존(O₃) 및 OH라디칼, 과산화수소(H₂O₂), UV 등을 이용하여 수중 오염물질인 유기물을 산화 처리하는 진보된 수처리 기술로, 기존의 염소, 이산화염소, 과망간산칼륨 등의 산화제보다 훨씬 강한 산화력을 갖고 있을 뿐만 아니라 화학약품이 가진 2차 환경오염우려도 거의 없어 산업폐수뿐만 아니라 상수처리에도 점차 확대 적용되고 있는 추세이다. 이와 같은 고급산화법은 다양하게 개발되고 있는데, 예컨대, 오존과 과산화수소, 오존과 UV, 과산화수소와 UV 등으로 병행하여 적용하는 경우가 대부분이며, 특히, 오존보다 산화력이 월등히 높은 OH라디칼을 중간생성물로 생성시켜 산화처리에 이용하는 방법이 연구되어 다양한 분야에 적용되고 있다. 예를 들어, 상기 고급산화법의 분야 중 하나로 수중 플라즈마 방전을 들 수 있다. 상기 수중 플라즈마 방전은 플라즈마에 의해 OH라디칼을 다량 발생시키며, 수중에서 OH라디칼의 상호반응에 의해 OH라디칼, 음이온 내지 과산화수소가 생성되어 산화반응을 일으키게 한다. 이러한 플라즈마에 의해 생성된 활성라디칼의 산화반응은 살균, 소독, 탈취 및 유기물 분해 등에 강력한 성능을 가지고 있어 깨끗한 수질정화에 폭 넓게 응용될 수 있는 장점이 있다.

최근, 경제 산업이 발달함에 따라 산업폐수, 의약폐수 등을 배출시 미생물이 분해하기 어려운 난분해성 유기물이 함유된 상태로 환경 속으로 무분별하게 배출되고 있으며 산업체에서 배출되는 폐수의 양도 증가추세에 있다. 이러한 난분해성 유기물이 수계에 축적되면 수질오염을 야기하고 내분비계 장애물질의 생체 내 농축으로 결국 인간의 삶에도 영향을 줄 수 있다. 이를 해결하기 위해 앞서 살펴본 바와 같이 난분해성 유기물을 물리, 화학적으로 분해하고 있는데, 에너지 투입량이 많아서 현실적이지 않다는 문제에 직면해 있다. 가장 경제적인 방법으로서 미생물을 이용한 분해를 생각할 수 있지만, 난분해성 유기물에 대해서는 미생물이 이용될 수 없다. 따라서 난분해성 유기물을 분해성 유기물로 바꾸어 생물학적인 처리를 하는 방법이 개발되어야 한다.

이러한 방법은 주로 오존을 통해 이루어지는데, 오존은 농도제어가 쉽지 않고 후단에 배오존 설비를 필수로 하기에 경제적이지 않다. 따라서, 플라즈마의 OH라디칼이 이러한 역할을 할 수 있을 것으로 기대되지만, 수중방전에서 생성되는 라디칼은 산화력이 큰 반면 에너지가 많이 소모된다는 문제점을 갖고 있다.

한편, 종래기술이 채용하고 있는 플라즈마 발생방식은, 서로 마주보고 있는 양단 전극 사이에 비드를 채워 150kV 의 고전압을 인가한 후 플라즈마를 발생시키는 방식을 들 수 있다.

이러한 방식은 수중 플라즈마 방식과는 달리 전극 간 거리가 길기 때문에 방전에 필요한 전압은 거리에 비례한 높은 전압이 요구된다. 일반 산업체에서는 가급적 낮은 전압을 내면서 안정적인 출력을 유지하는 전원장치가 요구된다고 할 것인데, 이는 이러한 목적에는 적합하지 않다.

또한, 이러한 방식은 수중에서 플라즈마를 일으키기 위해 물 속의 절연파괴전압을 낮추는 방향으로 별도의 공기를 공급하였는데, 그 이유는 공급된 공기가 물보다 훨씬 낮은 전압에서도 점화(ignition)가 될 수 있으며, 또한 플라즈마를 일으키기 위한 파괴전압(breakdown voltage)에 도달한 후 시드전자(seed electron)라고 불리는 전자를 발생시키는 역할도 하기 때문이다. 폐수 내 존재하는 오염원을 제거하는 기작은 다음과 같다. 비드 주변에 높은 전기장이 걸리면 비드 외주면에 형성된 수막이 하우징 내부에 발생된 플라즈마에 의해 폐수 내의 오염물질을 제거하는 방식으로 작동된다. 즉, 플라즈마가 개시될 때의 관점에서 보면 비드 주위에 수막이 형성될 때 수막 표면 위의 가스층이 절연파괴되고 주변의 수막에 영향을 주는 것이다. 수막이라는 것은 가스층에 의해 분리가 되는 것이고 공기층이 물층보다 훨씬 나은 유전율을 가지므로 먼저 절연파괴가 일어날 수 밖에 없다.

이러한 플라즈마 방전방식의 경우 단점은 다음과 같다.

1. 비드 사이의 수막이 일정치 않아 상대적으로 수막이 얇은, 즉 저항 차이에 의해 저항이 적은 쪽으로 방전이 개시되고 인가하는 파워 세기를 증가시킬수록 플라즈마가 발행되어야 하는 다른 수막 영역에서도 방전의 전이가 일어나겠지만, 먼저 방전이 개시된(primary ignition) 수막 영역에서 파워 소비도 점차 증가하게 된다. 이는 일정한 값(threshold) 이상에서는 아크(Arc)로 전이될 수 있다.

2. 폐수 내 포함된 오염물질의 종류, 점도 등의 물성에 따라 수막의 불균일도가 초래되며 이는 플라즈마의 영역이 전구간 균일하지 않을 가능성이 매우 높다.

3. 플라즈마를 발생시키기 위한 전극을 구성하는 금속표면은 물에 닿게 되어 시간이 지나면 부식되어 노화가 진행될 뿐만 아니라 녹이 스는 경우(passivation, 부동태화)에도 전기장의 균일도에 영향을 줄 수 있다.

4. 처리량이 많은 경우에는 비드 사이즈를 작게 하여 교체하여야 하는 불편함이 있으며, 오염도가 높은 경우에는 재처리목적을 위해 재유입(circulation)을 t시행하는 것이 바람직하지만 폐수 내 포함된 오염물질이 비드표면에 흡착 등의 과정을 통해 비드를 오염시켜 성능 저하로 이어질 수 있다.

5. 물 속에 포함된 오염원에의 직접적인 플라즈마 조사를 통한 처리과정이 이루어지는 것이 아니라 1차적으로 공급된 공기에서 기체방전이 시작되고 2차적으로 주변의 수막에 영향을 주어 2차적인 효과로 오염원을 제거하는 것은 기체방전에 의해 생성된 활성종에 의한 1차적인 효과보다 떨어진다. 여기서 사용된 고전압전원장치는 상대적으로 거리가 긴 전극 사이에서 방전을 일으키기 위한 목적이며 플라즈마 발생 시 고전압상태에서 많은 전류를 인가하는 것은 어렵다. 물 속에서의 플라즈마 형태가 결국 기체방전에서부터 개시되기 때문이다. 고전압에서 고전류를 사용되는 산업적 파워는 존재하지 않는다.

6. 앞서 언급한 바와 같이 방전을 일으키기 위한 전압이 너무 높다. 150kV 절연을 위한 구조물이 복잡하거나 비용이 발생될 수 있으며 예기치 않은 곳에서의 기생방전이나 파워 손실(power loss)이 발생할 수 있다.

본 발명은 종래에 있어서의 이러한 기술적 문제점들을 해결하거나 이러한 기존의 기술들과는 차별화될 수 있는 것으로서, 오염물을 직접 분해하는 것보다는 다른 기술과의 융합을 통해 에너지 소모는 줄이면서 유기물을 분해시키는 하이브리드 기술개발의 요구에 부응하여, 플라즈마의 라디칼로 난분해성 유기물을 분해가능 유기물로 전환한 후, 분해성 유기물은 후단 미생물 반응조에서 분해될 수 있으므로 경제적으로 난분해성 유기물을 분해할 수 있는 처리장치 및 처리방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 플라즈마 수중 방전 기법을 이용한 난분해성 유기물 처리 장치는, 난분해성 유기물 공급부; 상기 난분해성 유기물 공급부로부터 공급된 물질에 대하여 플라즈마 이중전극을 이용한 플라즈마 수중 방전 처리를 하여 상기 난분해성 유기물을 분해성 유기물로 전환시키도록 구성된 반응부; 및 상기 반응부로부터 처리된 분해성 유기물을 생물학적 처리하도록 구성된 미생물 반응부를 포함하여 이루어지고, 상기 플라즈마 이중전극은 외측은 세라믹 재질로 구성되고 내측은 금속 재질로 구성되는 이중전극으로서, 상기 세라믹 재질의 모세관 튜브(capillary tube) 외부에서만 방전이 일어나는 것을 특징으로 한다.

상기 처리되는 폐수가 전도도: 30mS/cm를 갖는 경우 1~1.5 kV의 낮은 전압만 인가되어도 안정적으로 플라즈마가 발생되도록 하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 플라즈마 이중전극의 내측 금속은 텅스텐, 알루미늄, 강, 스테인리스 스틸(Stainless steel), 몰리브덴, 티타늄 등 도전성 재료로 사용될 수 있는 금속이며, 상기 플라즈마 이중전극의 직경은 1 내지 20 mm 인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 플라즈마 이중전극은 일정 시간 동안 일정한 전원을 발생시키거나, 일정한 주기로 온/오프(on/off)를 반복하는 펄스 전원을 발생시키는 것을 특징으로 한다.

한편, 이러한 과제를 해결하기 위한 또 다른 본 발명에 의한 플라즈마 수중 방전 기법을 이용한 난분해성 유기물 처리 방법은, 난분해성 유기물 공급부로부터 공급된 물질에 대하여 플라즈마 수중 방전 처리를 하여 상기 난분해성 유기물을 분해성 유기물로 전환시키도록 구성된 플라즈마 수중 방전 단계, 및 상기 플라즈마 수중 방전 단계로부터 처리된 분해성 유기물을 생물학적으로 분해 처리하도록 구성된 미생물 반응 단계를 포함하여 이루어지고, 상기 플라즈마 수중 방전 단계에 있어서의 분해성 유기물로의 전환은 세라믹 재질로 구성된 외측과 금속으로 구성된 내측의 이중전극을 이용하고, 상기 세라믹 재질의 모세관 튜브(capillary tube) 외부에서만 방전이 일어나도록 하는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명에 의하면, 오염물을 직접 분해하는 것보다는 다른 기술과의 융합을 통해 에너지 소모는 줄이면서 유기물을 분해시키는 하이브리드 기술개발의 요구에 부응하여, 플라즈마의 라디칼로 난분해성 유기물을 분해가능 유기물로 전환한 후 분해성 유기물은 후단 미생물 반응조에서 분해될 수 있으므로, 난분해성 유기물이 축적될 수 있는 수계에 적용시 그 장치운용 경제성 및 제거 효율성 측면에서 종래에 비해 우수한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 기술적 사상에 대한 개념도
도 2은 본 발명에 의한 수중 플라즈마 방전 원리의 개념도
도 3는 도 2에 의한 플라즈마 방전 촬영 사진
도 4은 본 발명의 실시예에 의한 장치 개략도
도 5는 도 4에서의 플라즈마 발생 전극 상세 도면
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 난분해성 유기물 처리 실험 결과를 나타낸다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은, 오염물을 직접 분해하는 것보다는 다른 기술과의 융합을 통해 에너지 소모는 줄이면서 유기물을 분해시키는 하이브리드 기술로서, 도 1에 도시된 바와 같이, AOP 전처리의 하나인 수중 플라즈마의 라디칼로 난분해성 유기물(NBDCOD)을 분해가능 유기물(BDCOD)로 전환한 후, 생물학적 처리로서 분해성 유기물을 후단 미생물 반응조에서 분해하는 것을 기본적인 기술사상으로 하고 있다. 즉, 본 발명에 의한 플라즈마 수중 방전 기법을 이용한 난분해성 유기물 처리 방법은, 먼저 AOP 전처리 단계로서, 난분해성 유기물 공급부로부터 공급된 물질에 대하여 플라즈마 수중 방전 처리를 하여 상기 난분해성 유기물을 분해성 유기물로 전환시키도록 구성된 플라즈마 수중 방전 단계로부터 시작한다. 이에 의하면 생물학적 처리가능성 및 무기물화(mineralization) 부분이 증가된다. 그 후, 상기 플라즈마 수중 방전 단계로부터 처리된 분해성 유기물을 생물학적으로 분해 처리하도록 구성된 미생물 반응 단계(생물학적 처리단계)가 수행된다. 특히, 후술 되겠지만, 상기 플라즈마 수중 방전 단계에 있어서의 분해성 유기물로의 전환은 세라믹 재질로 구성된 외측과 금속으로 구성된 내측의 이중전극을 이용하고, 상기 세라믹 재질의 모세관 튜브(capillary tube) 외부에서만 방전이 일어나도록 하는 것을 본 발명의 특징들 중 하나로 하고 있다.

이와 같이, 본 발명이 채용하고 있는 수중 플라즈마 발생 방식은 별도의 기체를 전혀 사용하지 않아도 플라즈마 발생과 처리가 가능하다. 만약 주입하려는 가스로부터 임의의 라디칼을 얻고자 하는 경우에는 이의 방전에 의한 라디컬 생성을 유도할 수 있으므로 목적에 따라 별도의 가스를 주입할 수도 있다.

또한, 전압을 인가하는 금속전극은 플라즈마를 발생시키기 전에는 물속에 담겨져 있으나 일단 전원이 인가되면 발생되는 기포에 의해 전극의 금속부위는 물에서부터 전기적으로 단락된다. 이때 발생된 기포는 전극의 구조상 세라믹 튜브 내부에 일정한 거리를 띄우고 삽입되어 있는 금속전극과 세라믹튜브 끝부분 사이의 공간 내에 위치한다. 그리고 방전이 개시됨과 동시에 연속적으로 생성되어 금속전극이 물에 항상 노출되지 않도록 산화나 부식을 방지하는 역할도 수행한다.

이는, 전극의 표면에서 저항에 의한, 즉, 줄히팅(joule heating)에 의한 미세 버블의 발생과 증기(vapor)에 의한 덮여지고 난 이후 세라믹 재질의 모세관 튜브(capillary tube) 외부에서만 방전이 연속적으로 일어나기 때문에 수중 리모트 방전 방식이다.

또한, 본 발명은 플라즈마를 발생시키기 위한 전압이 상대적으로 낮다. 일반적으로 처리되는 폐수의 경우(전도도: 30mS/cm)에서 1~1.5 kV의 전압만 인가되어도 안정적으로 플라즈마가 발생되며 낮은 유지전압이 인가됨에 따라 방전전류를 수~수십 Ampere까지 조절할 수 있어 처리량과 오염도가 증가하는 경우 원하는 처리 목적에 따라 제어가 가능하다.

그리고, 본 발명은 처리하려는 폐수의 물성에 따라 방전 메카니즘이나 방전 균일도에 영향을 주지 않는다. 플라즈마를 이용한 종래기술의 경우 전극 간 처리하려는 대상 폐수의 물성이 달라질 경우 플라즈마를 발생시킬 때 저항값이 달라질 수 있으나 본 발명에서의 플라즈마 전극은 전압을 인가하는 세라믹전극 끝에서만 플라즈마가 발생되므로 처리대상폐수의 물성에 관계없이 항상 안정적인 플라즈마가 유지된다.

아울러, 본 발명에 의한 수중 플라즈마 발생 방식은, 플라즈마가 비드 표면에의 수막에 영향을 주는 2차적인 방식이 아니라 발생된 플라즈마가 직접적으로 폐수 내 오염물질과 접촉되는 1차적인 효과이다. 이렇게 발생된 플라즈마에서 나오는 화학적 활성종은 UV, 전자 이외에도 H, O, OH, 산소라디칼 등이 발생되며 이중 특히 가장 산화력이 높은 OH 라디칼의 발생량이 많은 것 또한 특징 중 하나에 해당한다.

나아가, 본 발명에 의한 수중 플라즈마 발생시 나오는 충격파, 마이크로 버블도 폐수 내 오염원의 분해에 물리적으로 타격을 할 수 있으며 이 중 발생된 마이크로 버블이 터질 때 나오는 에너지 또한 오염원의 분해에 도움을 줄 수 있다.

본 발명에 의한 수중 플라즈마 방전의 원리에 대해서 살펴보면, 전극에 집중된 에너지에 의해 미세기포가 형성되고 이 기포에 의해 절연이 되어 방전 개시조건을 만족하면 고전압이 기포에 인가되며 기포 내부 표면에 전하가 축적되기 시작한다. 그 후 방전이 개시되고 플라즈마에 의해 산화력이 강한 라디칼 등이 생성되기도 하고, 마이크로 버블이 깨지면서 초음파 효과가 나타나게 된다.

이를 도 2를 참조하여 설명하면, 먼저 도 2 (a)에서와 같이 모세관 내 전압인가에 따른 전류가 발생하고, (b)와 같이 줄 가열(Joule Heating)에 의해 모세관 내부가 가열된다. 그 후 모세관 내부에 기포가 형성되고 전류채널이 봉쇄됨에 따라((c) 참조) (d)에서와 같이 기포의 고전압측 면에 전하가 축적되고 기포 내 전계(Electric Field)가 상승하게 된다. 결국 기포 내 코로나(Corona) 방전이 시작되고((e) 참조) 코로나 방전 개시 후에도 전압이 유지되면 (f)에서와 같이 아크 방전으로 전이된다.

한편, 일정 시간 방전 지속에 의하여 모세관 전극 소재가 방전 액체의 끓는점 이상으로 유지되면 모세관 내에 주울 가열에 의한 기포 형성 과정은 생략될 수도 있다.

도 3은 이러한 본 발명에 의한 수중 플라즈마 방전 원리를 마이크로 버블 생성 과정과 함께 사진 촬영한 결과를 나타낸다.

실시예

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 난분해성 유기물 처리 장치를 개략적으로 도시하는 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 처리 장치는 난분해성 유기물을 포함하는 폐수 저장 및 공급부(100), 반응기를 포함하는 방전부(200) 및 미생물 처리 및 반응부(300) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

동 실시예에 의한 수중 플라즈마를 이용한 난분해성 유기물 처리 프로세스는, 도 4에 도시된 바와 같이, 배치 타입으로서, 난분해성 유기화합물 등으로 오염된 폐수가 저장된 후 반응기 내부로 공급되는 것으로부터 시작될 수 있다.

이러한 난분해성 유기물은, PCB, 유기 염소계 농약.트리클로로에틸렌 등과 같이 재래식 생물학적 처리공정이나 자연환경에서 미생물에 의한 분해가 잘되지 않는 물질로서, 예를 들면 방향족 벤젠고리 화합물(클로로 벤젠, 니트로벤젠, 데카하이드로나프탈렌, 벤젠, 크레졸, 크실렌, 테트라하이드로 나프탈렌, 테트라 하이드로 퓨란, 톨루엔, 페놀, 에틸페놀, 에틸벤젠, 피리딘 등)과 할로겐화 유기화합물 (TCE : 트리클로로 에틸렌, PCE : 퍼클로로에틸렌, PCP : 펜타클로로페놀, 테트라클로로에틸렌 등) 등이 대표적이다.

난분해성 유기물을 포함하는 폐수는 반응부(200)로 투입되는데, 여기서는 상기 폐수 공급부로부터 공급된 물질에 대하여 플라즈마 이중전극을 이용한 플라즈마 수중 방전 처리를 하여 상기 난분해성 유기물을 분해성 유기물로 전환시키게 된다.

도 4에서 확인되는 바와 같이, 방전부(200)는 반응기(210), 교반기(220) 및 플라즈마 전극(230) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 즉, 방전부(200)는 난분해성 오염 물질을 포함하는 폐수와 물을 서로 교반하고, 이렇게 교반된 물질에 대해 플라즈마 수중방전 하는 역할을 수행할 수 있다.

교반기(220)는 모터(221)의 동력으로 회전하는 복수의 임펠러(222)를 구비할 수 있으며, 임펠러(222)의 구동을 통해 물과 유기물이 서로 충분히 혼합된 물질이 되도록 교반한다. 한편 이러한 교반기(220)는 필요에 따라 선택적으로 제거될 수도 있다.

도 4를 더 참조하면, 반응기(210)의 하부면에는 플라즈마 전극(230)이 구비될 수 있다. 동 실시예에서는 반응기 하부면에 전극이 설치된 구조로 이루어져 있지만 이러한 설치위치는 반드시 하부면에 한정되는 것은 아님에 주의해야 한다.

플라즈마 전극(230)은 폐수에 대해 플라즈마 수중 방전시킴으로써 기포를 생성할 수 있다. 플라즈마 전극(230)은 교반기(220)에 의해 교반이 이미 이루어진 물 부분에 수중방전을 행할 수도 있고, 교반이 이루어짐과 동시에 수중방전을 행할 수도 있다.

플라즈마 전극(230)에 의하여 플라즈마 수중방전으로 생성된 기포는 종래의 용존공기 부상법이 오폐수를 처리하기 위해 발생시키는 기포와 동일한 역할을 할 수 있다. 즉, 반응기 내부의 물에 대한 수중방전으로 생성된 기포는 난분해성 오염물질과 결합하여 소위 '기포결합플록'을 생성함으로써 이러한 난분해성 오염물질을 부상 분리시키는 역할을 할 수도 있다.

방전부(200)에서 플라즈마 전극(230)에 의해 생성되는 기포의 평균 크기는 바람직하게는 40 um일 수 있으며, 기포의 평균 크기를 조절하기 위하여 플라즈마 전극(230)을 구성하는 후술하는 플라즈마 이중전극(231)의 직경을 변경할 수도 있다.

한편, 방전부(200)에서 난분해성 유기물을 포함하는 폐수를 플라즈마 수중방전하는 경우 기포뿐만 아니라 오존, UV, OH 라디칼 등의 산화제가 발생하여 처리되지 않은 일부 오염 물질인 혼합물 내의 유기물과 같은 난분해성 물질을 무기화 내지 분해할 수도 있으며, 이에 대한 작용기재는 아래 수식 1과 같다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 전극(230)의 구성을 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면, 플라즈마 전극(230)은 복수개의 플라즈마 이중전극(231)으로 구성될 수 있다. 다만, 도 5에서는 플라즈마 이중전극(231)이 복수 개 구성된 경우를 도시하고 있지만, 플라즈마 이중전극(231)은 하나만 구비될 수도 있고 복수개 구비된 경우에도 일부의 플라즈마 이중전극(231)에만 전압이 인가되어 사용될 수도 있다. 플라즈마 이중전극(231)은 외측은 세라믹으로 구성되고, 내측은 텅스텐, 알루미늄, 강, 스테인리스 스틸(Stainless steel), 몰리브덴, 티타늄 등 도전성 재료로 사용될 수 있는 금속의 대다수로부터 구성되는 튜브형 이중전극이며, 상기 세라믹 재질의 모세관 튜브(capillary tube) 외부에서만 방전이 일어나는 것을 특징으로 한다. 각각의 플라즈마 이중 전극(231)의 직경은 제한적으로 설정되어야만 하는 것은 아니지만, 예시적으로 1 내지 20 mm 일 수 있다. 또한, 플라즈마 이중전극(231)은 일정 시간 동안 일정한 전원을 발생시킬 수 있음은 물론, 일정한 주기로 온/오프(on/off)를 반복하는 펄스 전원을 발생시킬 수도 있다. 중요한 것은, 본 발명이 채용하고 있는 수중 플라즈마 발생 방식은 별도의 기체를 전혀 사용하지 않고, 또한, 전압을 인가하는 전극 또한 물속에 담겨져 있으나 세라믹 튜브 내부에 일정한 거리를 두고 들어가 있으며 초기 방전 개시 이후 물에 노출되지 않아 산화나 부식이 되지 않는다는 것이다. 이는, 전극의 표면에서 저항에 의한 줄 히팅(joule heating)에 의한 미세 버블과 증기(vapor)에 의한 덮여지고 이후 세라믹 재질의 모세관 튜브(capillary tube) 외부에서만 방전이 일어나기 때문에 수중 리모트 방전 방식이다. 또한, 동 방전부는 플라즈마를 발생시키기 위한 전압이 매우 낮다는 것에 유의해야 한다. 일반적으로 처리되는 폐수의 경우(전도도: 30mS/cm)에서 1~1.5 kV의 전압만 인가되어도 안정적으로 플라즈마가 발생되며 낮은 유지전압이 인가됨에 따라 방전전류를 수~수십 Ampere까지 조절하여 처리량과 오염도가 증가하는 경우 원하는 조건에 맞추어 제어가 가능하다. 아울러, 본 실시예에서의 동 방전부는 처리하려는 폐수의 물성에 따라 방전 메카니즘이나 방전 균일도에 영향을 주지 않는다는 점에 특징이 있다. 플라즈마를 이용한 종래기술의 경우 전극 간 처리하려는 대상 페수의 물성이 달라질 경우 플라즈마를 발생시킬 때 저항값이 달라질 수 있으나 본 발명에서의 플라즈마 전극은 전압을 인가하는 세라믹전극 끝에서만 플라즈마가 발생되므로 처리대상폐수의 물성에 관계없이 항상 안정적인 플라즈마가 유지된다.

한편, 본 실시예에 의한 반응기 내부에는 티타늄 다이옥사이드(TiO₂) 코팅 비드가 추가될 수도 있다. 티타늄 다이옥사이드 코팅 비드는 방전부에서의 플라즈마 방전에 의해 발생된 광에너지가 TiO₂와 결합하여 OH 라디칼을 생성하고 유기물이 OH 라디칼에 의해 분해되거나 생분해능이 향상되어 전체적으로 오염 제거 효율을 향상시키는 역할을 수행하도록 구성된다.

이러한 수중 플라즈마 처리공정을 통한 폐수는, 도 4에 도시된 바와 같이, 반응기 하단부에 구비된 처리부 배출부를 통하여 일부 전환된 분해성 유기물을 생물학적 처리하도록 구성된 미생물 반응부(300)로 도입된다. 생화학적 폐수 처리를 위한 미생물 반응부는 당 업계에서 널리 통용되고 있는 통상적인 반응조 및 반응공법이 적용되므로, 동 명세서에서는 이에 대한 구체적인 설명을 생략한다.

도 6은 도 6은 본 발명의 실시예에 의한 난분해성 유기물 처리 실험 결과를 나타낸 것으로서, 동 실험결과에 의하면 염색폐수 처리에 있어서 아르곤 기체 플라즈마가 산소 플라즈마 또는 오존 공정에 비해 우수함을 알 수 있다. 플라즈마 발생시 사용된 아르곤 기체와 산소 기체는 방전에 의해 생성된 이온 및 라디칼 효과를 비교하기 위한 것이며 아르곤 플라즈마의 처리효과가 높은 이유는 아르곤 이온의 물리적 충격(ion bombardment energy)에 따른 것이라 해석할 수 있다. 이는 주된 제거 메커니즘이 물리적, 화학적 제거 이외에도 이온보조에 의한 효과도 존재함을 추론할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100 난분해성 유기물 포함 폐수 공급부
200 반응부
210 반응기 220 교반기
230 플라즈마 전극
300 미생물 반응부

Claims (10)

1. 플라즈마 수중 방전 기법을 이용한 난분해성 유기물 처리 장치로서,
   난분해성 유기물을 포함하는 폐수 공급부;
   상기 폐수 공급부로부터 공급된 물질에 대하여 플라즈마 이중전극을 이용한 플라즈마 수중 방전 처리를 하여 상기 난분해성 유기물을 분해성 유기물로 전환시키도록 구성된 반응부; 및
   상기 반응부로부터 처리된 분해성 유기물을 생물학적 처리하도록 구성된 미생물 반응부
   를 포함하여 이루어지고,
   상기 플라즈마 이중전극은 외측은 세라믹 재질로 구성되고 내측은 금속 재질로 구성되는 이중전극으로서, 상기 세라믹 재질의 모세관 튜브(capillary tube) 외부에서만 방전이 일어나는 것을 특징으로 하는 난분해성 유기물 처리 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 처리되는 폐수가 전도도: 30mS/cm를 갖는 경우 1~1.5 kV의 전압만 인가되어도 안정적으로 플라즈마가 발생되는 것을 특징으로 하는 난분해성 유기물 처리 장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 플라즈마의 발생을 위하여 아르곤 기체가 사용되는 것을 특징으로 하는 난분해성 유기물 처리 장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 플라즈마 이중전극의 내측 금속은 텅스텐, 알루미늄, 강, 스테인리스 스틸, 몰리브덴, 티타늄을 포함하는 도전성 재료로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 난분해성 유기물 처리 장치.
   
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 플라즈마 이중전극은 일정 시간 동안 일정한 전원을 발생시키거나, 일정한 주기로 온/오프(on/off)를 반복하는 펄스 전원을 발생시키는 것을 특징으로 하는 난분해성 유기물 처리 장치.
   
6. 플라즈마 수중 방전 기법을 이용한 난분해성 유기물 처리 방법으로서,
   난분해성 유기물을 포함하는 폐수 공급부로부터 공급된 물질에 대하여 플라즈마 수중 방전 처리를 하여 상기 난분해성 유기물을 분해성 유기물로 전환시키도록 구성된 플라즈마 수중 방전 단계, 및
   상기 플라즈마 수중 방전 단계로부터 처리된 분해성 유기물을 생물학적으로 분해 처리하도록 구성된 미생물 반응 단계
   를 포함하여 이루어지고,
   상기 플라즈마 수중 방전 단계에 있어서의 분해성 유기물로의 전환은 세라믹 재질로 구성된 외측과 금속으로 구성된 내측의 이중전극을 이용하고, 상기 세라믹 재질의 모세관 튜브(capillary tube) 외부에서만 방전이 일어나도록 하는 것을 특징으로 하는 난분해성 유기물 처리 방법.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 처리되는 폐수가 전도도: 30mS/cm를 갖는 경우 1~1.5 kV의 전압만 인가되어도 안정적으로 플라즈마가 발생되도록 하는 것을 특징으로 하는 난분해성 유기물 처리 방법.
   
8. 제6항에 있어서,
   상기 플라즈마의 발생을 위하여 아르곤 기체를 사용하는 것을 특징으로 하는 난분해성 유기물 처리 방법.
   
9. 제6항에 있어서,
   상기 플라즈마 이중전극의 내측 금속은 텅스텐, 알루미늄, 강, 스테인리스 스틸, 몰리브덴, 티타늄을 포함하는 도전성 재료로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 난분해성 유기물 처리 방법.
   
10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 이중전극은 일정 시간 동안 일정한 전원을 발생시키거나, 일정한 주기로 온/오프를 반복하는 펄스 전원을 발생시키는 것을 특징으로 하는 난분해성 유기물 처리 방법.

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