KR20150146152A

KR20150146152A - Method and apparatus of ammonia nitrogen removal in wastewater using microwave irradiation

Info

Publication number: KR20150146152A
Application number: KR1020140076263A
Authority: KR
Inventors: 안종화; 신소연; 구본흥; 김태현; 이유학
Original assignee: 강원대학교산학협력단
Priority date: 2014-06-23
Filing date: 2014-06-23
Publication date: 2015-12-31

Abstract

The present invention relates to a device and method for removing ammoniacal nitrogen in waste water by using microwave. According to the present invention, the device comprises: a reaction tank for feeding waste water and removing ammoniacal nitrogen in waste water; a microwave generating device installed in the reaction tank, and irradiating microwave to the reaction tank; a temperature sensor installed in the reaction tank, and measuring temperature of the waste water increasing by irradiation of the microwave; a timer disposed in the microwave generating device, and counting microwave irradiating time; and a controller disposed in the microwave generating device, receiving signal of the temperature sensor and timer, and stopping irradiation of microwave when the temperature of the waste water and the microwave irradiating time reach predetermined temperature and time.

Description

BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and apparatus for removing ammonia nitrogen from a wastewater using microwave,

본 발명은 마이크로파를 이용하여 폐수 내 암모니아성 질소를 제거하기 위한 장치 및 방법에 관한 기술이다.The present invention relates to an apparatus and a method for removing ammonia nitrogen in wastewater using microwaves.

산업의 발달과 인구의 증가에 따라 전국적으로 폐수 배출 업체수가 증가하고 있으며, 가축 사육두수도 증가하고 있다. 이에 따라 발생되는 폐수의 양도 증가하고 있다. 이러한 폐수 중 축산폐수와 산업폐수 등은 질소 성분이 많이 함유하고 있다.As the industry develops and the population grows, the number of wastewater producers nationwide increases, and the number of livestock breeding is also increasing. The amount of wastewater generated thereby is also increasing. Among these wastewater, livestock wastewater and industrial wastewater contain a lot of nitrogen component.

질소는 크게 무기질소와 유기질소로 나뉜다. 무기질소는 암모니아성 질소가 대표적인 물질이다. 이러한 암모니아성 질소는 그 자체가 오염물질로써 수중 생태계 파괴는 물론 부영양화 현상을 유발함으로써 수질을 악화시키는 요인이 된다.Nitrogen is largely divided into inorganic nitrogen and organic nitrogen. Inorganic nitrogen is a representative material of ammonia nitrogen. Such ammonia nitrogen is a pollutant itself, which causes deterioration of water quality by causing eutrophication as well as destruction of aquatic ecosystem.

특히, 부영양화에 의한 수질오염은 수자원 이용에 있어서 큰 문제를 야기한다. 따라서 부영양화의 주요 원인물질인 질소와 인에 대한 방류수 기준이 강화되고 있는 실정이다. 한국에서는 2013년부터 총 질소(T-N)의 경우 방류수 수질기준이 60 mg/L에서 20 mg/L로 강하되었다.Especially, water pollution caused by eutrophication causes big problems in using water resources. Therefore, the standards of effluent for nitrogen and phosphorus, which are the main causes of eutrophication, are being strengthened. In Korea, water quality standards for total nitrogen (T-N) effluent have dropped from 60 mg / L to 20 mg / L since 2013.

암모니아성 질소의 제거방법은 화학적 침전, 이온교환, 생물학적 처리 및 암미니아 탈기 등이 있다. 현재 암모니아성 질소 제거에 많이 사용되고 있는 방법은 생물학적 처리이다. 그러나 산업화와 도시화가 진행됨에 따라 폐수의 성분에 난분해성 및 독성물질이 고농도로 함유되어 있어 생물학적 처리방법으로는 처리 효율이 현저하게 떨어지고 있는 실정이다.Methods for removal of ammonia nitrogen include chemical precipitation, ion exchange, biological treatment, and cancer mini- Currently, the most commonly used method for removing ammonia nitrogen is biological treatment. However, as the industrialization and urbanization progresses, the effluent of the wastewater is highly degraded and toxic substances are contained at a high concentration, so that the treatment efficiency is remarkably lowered by the biological treatment method.

이러한 이유로 최근에는 이온교환법, 막 분리법, 공기 탈기법 등 물리화학적인 방법이 많이 개발되고 있다. 이온교환법은 비용해성의 교환물질로부터 분리된 이온과 용해상태에 있는 이온을 교환하는 공정으로 소량의 암모니아를 제거하기에 효과적이지만 설치 및 유지관리 비용이 많이 들고, 폐수지의 처리 및 재생 에 문제가 있다. 막 분리법은 입자 및 콜로이드성 물질을 액체로부터 분리하는 공정으로 처리 효율이 높지만 설치 및 유지 관리비가 많이 소요되고, 고농도 암모니아 폐수에서는 처리효율이 떨어지기 때문에 적용하기 어려운 문제점이 있다.For this reason, many physico-chemical methods such as ion exchange, membrane separation, and air removal have been developed in recent years. Ion exchange is a process of exchanging ions separated from insoluble exchange materials and dissolved ions, which is effective in removing a small amount of ammonia, but it is expensive to install and maintain, and has problems in the treatment and regeneration of waste water . The membrane separation method is a process of separating particles and colloidal substances from a liquid. However, since the treatment efficiency is high but installation and maintenance costs are high, and treatment efficiency is low in high concentration ammonia wastewater, it is difficult to apply.

반면, 공기 탈기법의 경우, 물질농도 평형원리에 의해 출발되는 물질전달을 핵심 기작으로 하고 있어 고농도의 암모니아 함유 폐수일수록 적용에 유리하고 처리가 빠르다는 장점을 지니고 있다. 다만, 여러 장점에도 불구하고 탈기된 암모니아 가스의 2차 처리 등으로 인한 문제가 있어 현장 적용에 어려움이 많다.On the other hand, in the case of the air removal method, since the mass transfer originating from the principle of mass concentration equilibrium is a key mechanism, the higher the concentration of ammonia-containing wastewater is, the more advantageous the application is and the faster the treatment is. Despite its advantages, however, it is problematic due to the secondary treatment of deaerated ammonia gas, which makes it difficult to apply it in the field.

1 : 한국등록특허공보 등록번호 제10-0886533호(2009.03.02.공고)1: Korean Registered Patent Publication No. 10-0886533 (published on Mar. 2, 2009) 2 : 한국등록특허공보 등록번호 제10-12550636호(2013.04.03.공고)2: Korean Registered Patent Publication No. 10-12550636 (Announcement of Mar. 03, 2013)

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하고자 발명된 것으로, 마이크로파를 이용하여 폐수 내 고농도의 암모니아성 질소를 제거하는 새로운 형태의 장치 및 방법을 구현함으로써, 설치 및 유지관리 비용을 줄임과 아울러 처리 시간을 단축시키면서 제거 효율을 크게 증가시킬 수 있는 폐수 내 암모니아성 질소 제거장치 및 제거방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a new type of apparatus and method for removing ammonia nitrogen at high concentration in wastewater by using microwave, And an object of the present invention is to provide an ammonia nitrogen removal device and a removal method in a wastewater which can greatly increase the removal efficiency while shortening the time.

또한, 본 발명은 마이크로파를 이용하여 폐수 내 고농도의 암모니아성 질소를 제거함에 있어 최적의 조건을 제공하는 것을 목적으로 한다. It is another object of the present invention to provide an optimum condition for removing ammonia nitrogen at a high concentration in wastewater by using microwaves.

상술한 과제를 달성하고자 하는 본 발명에 따른 마이크로파를 이용하여 폐수 내 고농도의 암모니아성 질소 제거방법은 마이크로파 발생장치에서 마이크로파의 조사시간과 조사온도가 설정되는 단계(제1단계)와, 폐수가 마이크로파 발생장치 내부에 설치된 반응조에 공급되는 단계(제2단계)와, 설정된 조사시간과 조사온도에 따른 마이크로파가 반응조에 수용된 폐수에 조사되는 단계(제3단계)와, 설정된 조사시간과 조사온도의 도달 시에 마이크로파의 조사가 중단되는 단계(제4단계) 및 반응조로부터 암모니아성 질소가 제거된 폐수가 회수되는 단계(제5단계)를 포함한다.A method for removing ammonia nitrogen at a high concentration in a wastewater using a microwave according to the present invention for achieving the above-mentioned object comprises the steps of: (1) setting the irradiation time and the irradiation temperature of the microwave in a microwave generator; (Step 2) of irradiating the wastewater accommodated in the reaction tank with microwaves according to the set irradiation time and the irradiation temperature (third step), supplying the set irradiation time and the irradiation temperature reaching the irradiation temperature (Fourth step) in which the irradiation of the microwave is stopped at the time of withdrawing the ammonia nitrogen from the reaction tank (step 5).

여기서, 상기 제1단계에서 공기주입량이 추가로 설정되며, 상기 제3단계에서 마이크로파 조사와 함께 반응조에 공기가 공급되는 단계를 더 포함하되, 반응조에 공기의 공급량은 0.3 ~1.2 L/min 범위이다.Here, the air injection amount is further set in the first step, and air is supplied to the reaction tank together with the microwave irradiation in the third step, and the supply amount of air to the reaction tank is in the range of 0.3 to 1.2 L / min .

그리고 상기 2단계 내지 4단계에서 상기 마이크로파의 조사시간은 4 내지 7분이고, 마이크로파의 조사온도는 100℃이다.In the steps 2 to 4, the irradiation time of the microwave is 4 to 7 minutes, and the irradiation temperature of the microwave is 100 ° C.

한편, 상술한 과제를 달성하고자 하는 본 발명에 따른 마이크로파를 이용하여 폐수 내 고농도의 암모니아성 질소 제거장치는 폐수가 유입되어 폐수 내 암모니아성 질소가 제거되는 반응조와, 상기 반응조가 내장 설치되는 것으로 상기 반응조에 마이크로파를 조사하는 마이크로파 발생장치와, 상기 반응조에 설치되어 상기 마이크로파의 조사에 의해 상승하는 폐수의 온도를 측정하는 온도센서와, 상기 마이크로파 발생장치에 구비되어 상기 마이크로파의 조사시간을 카운트하는 타이머와, 상기 마이크로파 발생장치에 구비되어 상기 온도센서 및 타이머의 신호를 받아 폐수의 온도 및 마이크로파 조사 시간이 기 설정된 온도 및 시간에 도달 시 마이크로파의 조사를 중단시키는 컨트롤러를 포함한다.In order to accomplish the above object, there is provided an apparatus for removing ammonia nitrogen at high concentration in a wastewater using a microwave according to the present invention, comprising a reaction tank in which wastewater flows into the wastewater to remove ammonia nitrogen therein, A temperature sensor provided in the reaction tank for measuring the temperature of the wastewater which is raised by irradiation of the microwave; and a timer provided in the microwave generator for counting the irradiation time of the microwave, And a controller which is provided in the microwave generator and receives a signal from the temperature sensor and the timer to stop the irradiation of the microwave when the temperature of the wastewater and the irradiation time of the microwave reach a preset temperature and time.

그리고, 상기 반응조에 공기를 설정된 유량으로 공급하는 공기주입기를 더 포함하되, 상기 컨트롤러는 상기 반응조로 마이크로파의 조사와 동기하여 공기가 반응조로 유입되도록 공기주입구의 동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.The controller may further include an air injector for supplying air to the reaction tank at a predetermined flow rate, wherein the controller controls the operation of the air inlet so that air is introduced into the reaction tank in synchronization with the irradiation of the microwave in the reaction tank.

본 발명에 따른 마이크로파를 이용하여 폐수 내 고농도의 암모니아성 질소 제거기술은 종래 생물학적 처리방법, 이온교환법, 막 분리법, 공기 탈기법 등에 비하여 처리시간을 단축시키면서 제거효율이 현저히 향상된 효과가 있다.The ammonia nitrogen removal technique at a high concentration in the wastewater using the microwave according to the present invention has a remarkably improved removal efficiency while shortening the treatment time compared with the conventional biological treatment method, ion exchange method, membrane separation method, and air removal method.

나아가, 설비가 간단하여 설치와 유지비용이 적어 설치와 유지에 따른 비용을 크게 줄일 수 있는 효과가 있다. Furthermore, since the installation is simple and the installation and maintenance costs are low, the cost of installation and maintenance can be greatly reduced.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파를 이용한 폐수 내 암모니아성 질소 제거장치를 도시한 개념도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파를 이용한 폐수 내 암모니아성 질소 제거장치의 제어 동작을 도시한 블록도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파를 이용한 폐수 내 암모니아성 질소 제거방법의 순서를 도시한 흐름도이고,
도 4은 본 발명의 인공폐수 실험예에 따른 마이크로파를 이용한 폐수 내 암모니아성 질소 제거에 있어 공기주입량에 따른 암모니아성 질소 제거효율을 도시한 그래프이고,
도 5은 본 발명의 인공폐수 실험예에 따른 마이크로파를 이용한 폐수 내 암모니아성 질소 제거에 있어 공기주입량에 따른 조사시간별 제거효율을 도시한 그래프이고,
도 6은 본 발명의 축산폐수 실험예에 따른 마이크로파를 이용한 폐수 내 암모니아성 질소 제거에 있어 온도에 따른 암모니아성 질소 제거효율을 도시한 그래프이다.1 is a conceptual diagram illustrating an apparatus for removing ammonia nitrogen in a wastewater using a microwave according to an embodiment of the present invention,
FIG. 2 is a block diagram illustrating a control operation of the ammonia nitrogen removal apparatus in a wastewater using a microwave according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart illustrating a procedure of ammonia nitrogen removal in a wastewater using a microwave according to an embodiment of the present invention,
FIG. 4 is a graph showing the ammonia nitrogen removal efficiency according to the amount of air injected in the ammonia nitrogen removal in the wastewater using the microwave according to the artificial wastewater experimental example of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the removal efficiency of the ammonia nitrogen in the wastewater by the irradiation time according to the air injection amount in the wastewater using the microwave according to the artificial wastewater experimental example of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing ammonia nitrogen removal efficiency according to temperature in ammonia nitrogen removal in wastewater using a microwave according to an experimental livestock wastewater experiment of the present invention.

본 발명은 폐수 내 고농도의 암모니아성 질소를 제거함에 있어 마이크로파를 이용한 새로운 형태의 장치 및 방법을 구현한 것이다. 본 발명자들은 마이크로파의 가열 원리인 유전체를 마이크로파의 전계 속에 놓을 경우 전파에너지가 유전체 내부에서 열로 바뀌는 원리를 폐수 내 고농도의 암모니아성 질소를 제거에 이용한 것이다. 본 발명에 의한 마이크로파 가열은 전통적인 가열방법에 비해 폐수 자체에서 발생되는 열로 가열되는 방식으로 에너지 손실이 거의 없고 매우 짧은 시간에 가열되며 가열의 균일성이 매우 좋아 처리시간을 크게 단축시킴과 아울러 제거효율을 크게 증가시킬 수 있음을 확인하였다. The present invention implements a new type of apparatus and method using microwave to remove high concentration of ammonia nitrogen in wastewater. The inventors of the present invention used the principle that the electric wave energy changes from the inside to the heat when the dielectric, which is the heating principle of the microwave, is placed in the electric field of the microwave, in order to remove the ammonia nitrogen at high concentration in the wastewater. The microwave heating according to the present invention is a method of heating by the heat generated from the wastewater itself compared with the conventional heating method and has a little energy loss and is heated in a very short time and the heating time is very uniform and the treatment time is greatly shortened, Can be greatly increased.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마이크로파를 이용한 폐수 내 암모니아성 질소 제거장치와 제거방법을 설명한 후에, 실험예를 통해 당업자가 본 발명을 충분히 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described more fully hereinafter with reference to the accompanying drawings, in which exemplary embodiments of the invention are shown. .

한편, 이하의 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위에서 사용되는 용어 중에서 조사온도는 폐수 내 암모니아성 질소의 처리 시에 반응조에서 가열되는 폐수의 온도 상한 값을 의미한다. 즉 조사온도 100℃는 폐수 내 암모니아성 질소의 처리 시 마이크로파의 조사에 의해 가열되는 폐수의 가장 높은 온도 값을 의미한다. In the following detailed description of the present invention and the terms used in the claims, the irradiation temperature refers to the upper temperature limit of the wastewater heated in the reaction tank during the treatment of ammonia nitrogen in the wastewater. That is, the irradiation temperature of 100 ° C means the highest temperature value of the wastewater heated by irradiating the microwave during the treatment of ammonia nitrogen in the wastewater.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파를 이용한 폐수 내 암모니아성 질소 제거장치를 도시한 개념도이다. 1 is a conceptual diagram illustrating an apparatus for removing ammonia nitrogen in wastewater using a microwave according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 상기 마이크로파를 이용한 폐수 내 암모니아성 질소 제거장치는 크게 마이크로파 발생장치(10), 반응조(20), 및 공기주입기(30)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the apparatus for removing ammonia nitrogen in wastewater using microwaves includes a microwave generator 10, a reaction tank 20, and an air injector 30.

상기 마이크로파 발생장치(10)는 챔버(11), 마그네트론(12), 컨트롤패널(13), 타이머(14), 온도센서(15) 및 컨트롤러(16)를 포함하여 구성된다.The microwave generator 10 includes a chamber 11, a magnetron 12, a control panel 13, a timer 14, a temperature sensor 15, and a controller 16.

상기 챔버(11)는 마이크로파 발생장치(10)의 외관을 조성하는 케이스에 의해 외부와 구획되면서 반응조(20)가 안치될 수 있는 내부 공간이다. The chamber 11 is an inner space in which the reaction vessel 20 can be housed while being separated from the outside by a case that forms an appearance of the microwave generator 10.

상기 마그네트론(12)은 챔버(11) 양 측면에 각각 설치되어 반응조(20)로 마이크로파를 조사하는 것이다. 이러한 마그네트론(12)은 마이크로파 발생장치(10)에 설정된 온도와 조사시간에 따라 출력이 자동적으로 조절된다. The magnetron 12 is installed on both side surfaces of the chamber 11 and irradiates the microwave to the reaction tank 20. The output of the magnetron 12 is automatically controlled according to the temperature and irradiation time set in the microwave generator 10.

상기 컨트롤패널(13)은 마이크로파 발생장치(10)의 외관을 조성하는 케이스의 전면 상부에 설치되는 것으로, 마이크로파 조사시간, 조사온도, 후술하는 공기주입량 그리고 폐수공급량 등을 조작하는 다수의 버튼이 구비되고, 이러한 데이터 값들이 디스플레이를 통해 표시될 수 있다. 또한 폐수의 처리 상태나 폐수의 처리가 종료되면 시/청각적으로 사용자에게 인지하는 구성도 마련될 수 있다.The control panel 13 is installed at an upper part of the front surface of the case for forming the appearance of the microwave generator 10 and includes a plurality of buttons for manipulating microwave irradiation time, irradiation temperature, amount of air to be infused And these data values can be displayed through the display. Further, when the treatment state of the wastewater or the treatment of the wastewater is finished, a configuration for recognizing to the user in a poetry / auditory sense may be provided.

상기 타이머(14)는 마이크로파 발생장치(10)에 내장 설치되어 마그네트론(12)을 통한 마이크로파 조사시간을 카운트 하는 것이다. 타이머(14)는 컨트롤패널(13)을 통해 설정된 마이크로파 조사시간이 도달된 경우에 타이머 신호를 후술하는컨트롤러(16)로 전송한다.The timer 14 is built in the microwave generator 10 and counts microwave irradiation time through the magnetron 12. The timer 14 transmits the timer signal to the controller 16, which will be described later, when the set microwave irradiation time is reached through the control panel 13.

상기 온도센서(15)는 반응조(20)의 내측에 설치되어 마이크로파의 조사에 의한 반응조(20)에 수용된 폐수의 온도를 검출하기 위한 것이다. 온도센서(15)는 컨트롤패널(13)을 통해 설정된 온도에 도달된 경우에 온도 신호를 후술하는 컨트롤러(16)로 전송한다.The temperature sensor 15 is provided inside the reaction tank 20 for detecting the temperature of the wastewater contained in the reaction tank 20 by irradiating microwaves. The temperature sensor 15 transmits the temperature signal to the controller 16 to be described later when the set temperature is reached through the control panel 13. [

상기 반응조(20)는 챔버(11)의 내부에 설치되어 폐수 중에서 암모니아성 질소가 처리되는 용기이다. 이러한 반응조(20)는 마이크로파가 통과될 수 있는 재질, 예를 들어 석영유리와 같은 재질로 제작되고 내부에 폐수를 수용할 수 있는 밀폐된 공간이 조성되어 있다. 반응조(20)는 마이크로파 발생장치(10)의 외측에 마련되어 반응조(20)로 폐수를 공급하는 폐수공급라인(41)을 통해 폐수공급부(40)와 연결되어 있으며, 또한 반응조(20)에서 처리된 폐수를 회수하는 폐수회수라인(51)을 통해 마이크로파 발생장치(10)의 외측에 마련된 폐수회수부(50)가 각각 연결된다.The reaction tank 20 is a container provided inside the chamber 11 and treated with ammonia nitrogen in the wastewater. The reaction tank 20 is made of a material through which microwaves can pass, for example, quartz glass, and has an enclosed space for accommodating wastewater therein. The reaction tank 20 is provided outside the microwave generator 10 and is connected to the waste water supply unit 40 through a waste water supply line 41 for supplying wastewater to the reaction tank 20, And a wastewater recovery unit 50 provided outside the microwave generator 10 through a wastewater recovery line 51 for recovering wastewater.

여기서, 상기 폐수공급라인(41)과 폐수회수라인(51)에는 폐수의 공급 및 회수 여부를 조절하는 개폐밸브(42)(52)가 각각 설치되어 있다. 이때, 각 개폐밸브(42)(52)는 전자제어가 가능한 전자밸브로서 후술하는 컨트롤러(13)와 전기적으로 연결되어 컨트롤러(13)를 통해 개폐가 조절된다.The wastewater supply line 41 and the wastewater recovery line 51 are provided with open / close valves 42 and 52 for controlling whether the wastewater is supplied or recovered. At this time, the on-off valves 42 and 52 are electronically controllable solenoid valves, which are electrically connected to the controller 13 to be described later and controlled by the controller 13.

한편, 본 발명에서는 마이크로파를 이용하여 폐수 내 암모니아성 질소를 제거함에 있어 제거효율을 증가시키기 위해 공기주입을 적용하였다. 공기주입은 공기방울이 수중에서 대기 중으로 이동하면서 암모니아 분자로 변화한 암모니아성 질소를 대기 중으로 방출시키는 역할을 한다. 따라서 공기주입량이 증가하면 공기방울이 양도 많아져 암모니아분자를 대기 중으로 빠르게 방출하여 암모니아성질소 제거속도고 증가한다. In the present invention, air injection is applied to remove ammonia nitrogen in wastewater by using microwave to increase the removal efficiency. Air injection causes air bubbles to migrate from the water to the atmosphere, releasing ammonia nitrogen, which has been converted into ammonia molecules, to the atmosphere. Therefore, as the amount of air injected increases, the amount of air bubbles increases, and the ammonia molecules are rapidly released into the atmosphere, thereby increasing the removal rate of ammonia.

이러한 공기주입구(30)는 마이크로파 발생장치(10)의 외측에 설치되어 반응조(20)로 공기를 주입하는 것이다. 이러한 공기주입구(30)는 반응조로 공기를 공급하는 공기공급라인(31)과 연결되어 있다. 공기공급라인(31)에는 공기를 설정된 공기량으로 공급하는 공기량조절밸브(32)가 설치되어 있다. 공기량조절밸브(32)는 솔레노이드로 구성하여 전자제어가 가능하며 후술하는 컨트롤러(13)를 통해 개폐 정도 조절이 용이하게 제어된다.The air inlet 30 is provided outside the microwave generator 10 and injects air into the reaction tank 20. The air inlet 30 is connected to an air supply line 31 for supplying air to the reaction tank. The air supply line 31 is provided with an air volume control valve 32 for supplying air with a predetermined air volume. The air amount control valve 32 is constituted by a solenoid and can be electronically controlled, and the degree of opening and closing can be easily controlled through a controller 13 described later.

상기 컨트롤러(16)는 마이크로파 발생장치(10)에 내장 설치되어 장치의 전체 동작을 제어하는 것이다. 이러한 컨트롤러(16)를 통한 장치의 전체적인 동작 제어는 도 2를 참조하여 설명하기로 한다. The controller 16 is installed in the microwave generator 10 to control the overall operation of the apparatus. The overall operation control of the apparatus through the controller 16 will be described with reference to FIG.

도 2는 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파를 이용한 폐수 내 암모니아성 질소 제거장치의 제어 동작을 도시한 블록도이다. 2 is a block diagram illustrating a control operation of an ammonia nitrogen removal apparatus in a wastewater using a microwave according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 컨트롤러(20)는 컨트롤패널(13)에 입력된 각종 데이터 그리고 타이머(14) 및 온도센서(15)로부터 신호를 받아 마그네트론(12), 공기주입기(30) 및 각종 밸브류(32)(42)(52)의 동작을 제어한다. 2, the controller 20 receives various data input to the control panel 13 and a signal from the timer 14 and the temperature sensor 15 to receive the magnetron 12, the air injector 30, (32), (42), and (52).

구체적으로 컨트롤패널(13)을 통해 입력된 마이크로파 조사시간과 조사온도에 따라 마그네트론(12)에서 조사되는 마이크로파의 출력을 제어한다. 그리고 컨트롤패널(13)을 통해 입력된 온/오프 신호에 의해 폐수공급밸브(42), 폐수회수밸브(52) 및 공기량조절밸브(32)의 개폐가 제어된다. 이때 마이크로파의 조사와 동기하여 공기가 반응조로 유입되도록 공기주입구(30)의 동작이 제어된다. 또한 타이머(14)와 온도센서(15)의 신호에 의해 설정된 시간 및 온도에 도달 시에 제어부(20)에 의해 마그네트론(12)의 동작이 중단되다.Specifically, the output of the microwave irradiated by the magnetron 12 is controlled according to the microwave irradiation time and the irradiation temperature inputted through the control panel 13. The opening / closing of the wastewater supply valve 42, the wastewater recovery valve 52, and the air amount control valve 32 is controlled by an on / off signal inputted through the control panel 13. At this time, the operation of the air inlet 30 is controlled so that air is introduced into the reaction tank in synchronism with the irradiation of the microwave. And the operation of the magnetron 12 is stopped by the control unit 20 when the time and temperature set by the signals of the timer 14 and the temperature sensor 15 are reached.

여기서, 컨트롤러와 온도센서 등과 같은 각종 구성들 간의 전기적 연결 및 제어 방법 등은 당해 기술분야에서 통상적으로 알려져 있는 방법이라면 특별히 제한되지 않고 채택될 수 있다. Here, the electrical connection and control method between the various components such as the controller, the temperature sensor, and the like can be adopted without being particularly limited as long as it is a method commonly known in the art.

상기와 같이 구성요소로 이루어진 본 발명에 의한 마이크로파를 이용한 폐수 내 암모니아성 질소 제거장치는 다음과 같이 작동한다.The apparatus for removing ammonia nitrogen in wastewater using the microwave according to the present invention constituted as described above operates as follows.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파를 이용한 폐수 내 암모니아성 질소 제거방법의 전체 순서를 도시한 흐름도이다. 3 is a flowchart illustrating an overall procedure of ammonia nitrogen removal in a wastewater using a microwave according to an embodiment of the present invention.

먼저, 컨트롤패널을 통해 조사온도, 조사시간, 공기주입량 및 폐수공급량 등을 설정한다(S100). First, the irradiation temperature, the irradiation time, the air injection amount, and the supply amount of the waste water are set through the control panel (S100).

그리고 컨트롤패널을 통해 ON 버튼이 입력되면 폐수공급밸브가 ON 되면서 폐수공급부의 폐수가 폐수공급라인을 통해 반응조로 공급된다(S200). 이때, 폐수회수밸브가 OFF 상태가 되어있으며 이로 인해 반응조로 폐수가 채워질 수 있다. 이후 반응조로 S100단계에서 설정된 폐수공급량이 채워지면 폐수공급밸브 역시 OFF 되면서 폐수 공급이 중단된다. 이때 반응조는 폐수로 가득 채워지는 것이 아니라 폐수의 증발 및 암모니아성 질소의 방출할 수 있는 충분한 공간이 마련된다. When the ON button is inputted through the control panel, the wastewater supply valve is turned ON, and the wastewater from the wastewater supply unit is supplied to the reaction tank through the wastewater supply line (S200). At this time, the waste water recovery valve is in the OFF state, and the waste water can be filled in the reaction tank. When the waste water supply amount set in the step S100 is filled in the reaction tank, the waste water supply valve is also turned off and the waste water supply is stopped. At this time, the reactor is not filled with wastewater, but sufficient space is provided for the evaporation of wastewater and the release of ammonia nitrogen.

다음으로, 마그네트론에서는 S100 단계에서 설정된 조사온도 및 조사시간에 맞는 출력으로 마이크로파가 반응조로 조사된다(S300). 그러면 마이크로파에 의해 반응조 내부의 폐수의 물 분자가 진동하면서 폐수가 가열된다. 폐수가 가열되면 암모니아성 질소는 일정 온도의 닫힌계에서 아래의 화학식 1과 같이 정반응과 역반응이 끊임없이 같은 속도로 일어난다.Next, in the magnetron, the microwave is irradiated to the reaction vessel according to the irradiation temperature and irradiation time set in step S100 (S300). Then, the water molecules of the wastewater in the reactor are vibrated by the microwave, and the wastewater is heated. When the wastewater is heated, ammonia nitrogen constantly and reversibly reacts at the same rate as shown in the following chemical formula 1 in a closed system at a certain temperature.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

열린계에서는 NH₃(g)가 제거되어 평형을 이루기 위해 르샤틀리에 번칙에 따라 반응이 NH₃(g)를 생성하는 방향으로 이동함으로써 폐수 내의 암모니아성 질소는 거의 제거된다. In the open system, the NH ₃ (g) is removed and the equilibrium is established, so that the reaction shifts toward the formation of NH ₃ (g) according to the Rechartel rule. Almost all the ammonia nitrogen in the wastewater is removed.

이때, 마이크로파의 조사와 동시에 공기량조절밸브가 S100 단계에서 설정된 공기량에 맞도록 개폐 정도가 조절되면서 공기공급라인을 통해 공기가 반응조로 공급된다. 즉 반응조로 마이크로파의 조사와 함께 공기가 공급되면서 폐수 내 암모니아성 질소가 제거된다. 여기서 공기는 암모니아 분자로 변화한 암모니아성 질소를 대기 중으로 방출시키는 역할을 한다. At this time, simultaneously with the irradiation of the microwaves, the degree of opening / closing is adjusted so that the air amount control valve is adjusted to the air amount set in step S100, and air is supplied to the reaction tank through the air supply line. That is, ammonia nitrogen is removed from the wastewater while air is supplied together with microwave irradiation in the reaction tank. Here, the air serves to release ammonia nitrogen, which is converted into ammonia molecules, into the atmosphere.

이후, 컨트롤러는 타이머와 온도센서를 통해 S100 단계에서 설정된 조사시간 및 조사온도, 즉 반응조로 조사되는 마이크로파의 조사시간과 마이크로파의 조사에 의해 가열된 반응조의 폐수의 온도에 도달하였는지를 판단한다(S400). 만일, 설정된 조사시간 및 조사온도에 도달하지 않은 경우에는 계속하여 공기 주입과 함게 마이크로파를 계속 조사한다. Then, the controller determines whether the irradiation time and the irradiation temperature set in the step S100, that is, the irradiation time of the microwave irradiated to the reaction tank and the temperature of the wastewater in the reaction tank heated by irradiation of the microwave have reached the temperature (S400) . If the set irradiation time and irradiation temperature have not been reached, the microwave is continuously irradiated with the air injection.

반면 컨트롤러는 설정된 조사시간 및 조사온도에 도달한 경우에 마이크로파의 조사를 중단시킴과 아울러 공기주입기를 통한 공기의 주입도 중단시킨다(S500).On the other hand, when the irradiation time and the irradiation temperature are reached, the controller stops the irradiation of the microwave and stops the air injection through the air injector (S500).

계속하여, 닫혀 있는(OFF 상태의) 폐수회수밸브를 개방하여(ON 상태) 반응조에서 암모니아성 질소가 제거된 폐수를 폐수회수부로 회수되면서(S600) 전체 한 사이클 동작이 완료된다. Subsequently, the closed (OFF) wastewater recovery valve is opened (ON state), and the wastewater from which the ammonia nitrogen is removed in the reaction tank is recovered to the wastewater recovery unit (S600).

이와 같이, 본 발명에 의한 마이크로파를 이용한 폐수 내 암모니아성 질소 제거방법은 마이크로파 조사 시간 및 온도 설정->폐수공급->설정된 온도 및 시간으로 마이크로파 조사+공기 주입-> 마이크로파 조사+공기 주입 중단 -> 폐수 회수가 전체적으로 하나의 사이클을 이루면서 일정량으로 공급되는 폐수 내 암모니아성 질소 제거하는 동작이 반복하여 이루어질 수 있다.As described above, the method of removing ammonia nitrogen in the wastewater using the microwave according to the present invention is characterized in that the microwave irradiation time and the temperature setting-> the wastewater supply-> the microwave irradiation + the air injection-> the microwave irradiation + The operation of collecting the wastewater as a whole and the removal of ammonia nitrogen in the wastewater supplied in a certain amount can be repeatedly performed.

이상에서는 반응조로 폐수의 공급과 회수가 연속적으로 이루어지는 연속식 타입의 제거장치 및 제거방법을 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 반응조에 일정량의 폐수가 저장된 상태로 마이크로파 발생장치에서 일괄하여 단속적으로 처리하는 배치(batch) 타입도 적용될 수 있음은 당연하다.While the present invention has been described with reference to a continuous type removal device and a removal method in which the supply and recovery of wastewater are continuously performed in a reaction tank, the present invention is not limited thereto. It is a matter of course that a batch type for processing can also be applied.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 실험예를 설명하기로 한다. 아래의 실험예에서는 배치(batch) 타입의 마이크로파를 이용한 폐수 내 암모니아성 질소 제거장치를 통해 실험을 한 것이다.
Hereinafter, an experimental example according to an embodiment of the present invention will be described. In the following experimental example, an experiment was conducted through an ammonia nitrogen removal device in a wastewater using a batch-type microwave.

[실시예][Example]

본 실험에서는 인공폐수시료와 가축시료폐수를 각각 실험하였다.In this experiment, artificial wastewater samples and livestock sample wastewater were tested.

인공폐수시료는 홍천군 가축분뇨관리 수질분석 현황을 고려하여 NH₄Cl(98.5%, 대정화금, 대한민국)과 증류수로 3,000 mg NH₃-N/L 으로 제조하여 사용하였다. 축산폐수는 강원지역 환경사업소에서 채취한 축산폐수를 사용하였다. 축산폐수는 일정한 성상유지를 위해 시료 채취 후 0.85 mm 체로 걸러 협잡물을 제거했으며, 미생물 반응의 영향을 배제하기 위해 4℃에서 냉장 보관하였다.NH ₃ Cl (98.5%, purified water, Korea) and 3,000 mg NH ₃ -N / L were used as manure wastewater samples. Livestock wastewater is produced in Gangwon area The livestock wastewater collected at the environmental establishment was used. The livestock wastewater was filtered with a 0.85 mm sieve to remove contaminants and kept refrigerated at 4 ℃ to avoid the influence of microbial reaction.

시료양은 증발량을 고려하여 200 ml로 했으며 초기 pH 조정은 NaOH, Ca(OH)₂ 등이 고려되었지만 Ca(OH)₂는 사용 시 침전물이 발생하여 본 실험에서는 NaOH(6 N, 97.0%, 대정화금, 대한민국)를 사용하였다. 초기 pH를 인공폐수는 pH 11로, 축산폐수는 pH 11.5로 조정하였다.The initial pH was adjusted to NaOH, Ca (OH) _2, and CaOH (OH) ₂ was precipitated when used. In this experiment, NaOH (6 N, 97.0% Gold, Korea) were used. Initial pH was adjusted to pH 11 for artificial wastewater and pH 11.5 for livestock wastewater.

pH 조정 후 인공폐수는 마이크로웨이브 출력 1,600 W, 조사시간 2~18분, 온도 100℃, 공기주입량 0.3~1.2 L/min의 범위에서 실험을 진행하였으며, 축산폐수는 출력 1,600 W, 조사시간 4~7분, 온도는 80~90℃, 공기주입량 1.2 L/min의 조건에서 실험을 진행하였다. After adjusting the pH, the experiment was carried out in the range of microwave power 1,600 W, irradiation time 2 ~ 18 min, temperature 100 ℃, air injection amount 0.3 ~ 1.2 L / min, livestock wastewater output 1,600 W, 7 min, temperature of 80 ~ 90 ℃, air injection rate of 1.2 L / min.

본 실험에 사용된 마이크로웨이브는 온도, 조사시간, 출력 등이 조절 가능한 microwave accelerated reaction system(MARS 5, CEM Corporation, 2,450 MHz, 최대출력 1,600 W)이며 공기주입은 무소음 기포발생기(SH-A3, Chosion, 2.5 W)와 유량 조절기(RMA-13-SSV, DWYER)를 사용하여 공기주입량을 조절하였다. 공기주입은 마이크로웨이브를 처리와 동시에 진행하였다. 그리고 시료는 마이크로웨이브 조사 후 상온에서 30분가량 방치 후 증발량을 측정하였다. The microwave used in this experiment was a microwave accelerated reaction system (MARS 5, CEM Corporation, 2,450 MHz, maximum output 1,600 W) with adjustable temperature, irradiation time, , 2.5 W) and flow regulator (RMA-13-SSV, DWYER). The air injection was carried out simultaneously with the microwave treatment. After the microwave irradiation, the sample was allowed to stand at room temperature for 30 minutes, and the amount of evaporation was measured.

[인공폐수 실험][Artificial Wastewater Experiment]

초기농도 3,000 mg NH₃-N/L, 조사온도 100℃, 출력 1,600 W, 마이크로웨이브 조사시간 5분, pH 11의 조건에서 진행하였다. 그리고 제거효율을 증가시키기 위해 공기주입방법을 적용하였다. 공기주입량을 0.2~1.2 L/min로 변화시켜 암모니아성질소의 잔류농도를 측정한 결과, 공기주입량이 증가할수록 암모니아성질소 제거효율이 증가하였다(도 4).The initial concentration was 3,000 mg NH ₃ -N / L, the irradiation temperature was 100 ° C, the output was 1,600 W, the microwave irradiation time was 5 minutes, and the pH was 11. And air injection method was applied to increase removal efficiency. As a result of measuring the residual concentration of ammonia nitrogen by varying the air injection amount from 0.2 to 1.2 L / min, the ammonia removal efficiency increased as the air injection amount increased (FIG. 4).

공기주입량이 0.2 L/min일 때는 암모니아성질소 제거효율이 76.7% 였고, 공기주입량이 0.9, 1.2 L/min에서는 제거효율이 90.0%이상으로 높게 나타난다. At the air injection rate of 0.2 L / min, the ammonia removal efficiency was 76.7% and at the air injection rate of 0.9 and 1.2 L / min, the removal efficiency was higher than 90.0%.

공기주입량에 따른 조사시간별 암모니아성질소 제거효율의 경우 공기주입량에 크게 관계없이 조사시간 0~7분에서는 암모니아성질소 제거효율이 급격히 증가함을 알 수 있다. 하지만 7분 이상의 조사시간에서는 암모니아 제거효율은 거의 증가하지 않았다(도 5).In the case of the removal efficiency of ammonia nitrogen by irradiation time according to the amount of air injection, the removal efficiency of ammonia nitrogen rapidly increases at 0 to 7 minutes of irradiation regardless of the air injection amount. However, the ammonia removal efficiency was not substantially increased at the irradiation time of 7 minutes or more (FIG. 5).

[축사폐수 실험][Experimental Household Wastewater]

출력 1,600 W, pH 11.5, 조사온도 70~100℃, 공기주입량 1 L/min의 조건에서 조사온도에 따른 암모니아성질소의 제거효율은 조사온도 100℃일 때 가장 급격히 증가하는 것을 알 수 있다(그림 7). 조사온도 100℃에서는 7분 안에 암모니아성질소 제거효율이 99% 이상이다. 90℃는 60분, 80℃는 120분, 70℃는 140분에서 99%이상의 제거효율을 얻었다(도 6).The removal efficiency of ammonia oxide according to the irradiation temperature was found to increase most rapidly at the irradiation temperature of 100 ° C under the conditions of output 1,600 W, pH 11.5, irradiation temperature 70 ~ 100 ° C, air injection amount 1 L / min ). At an irradiation temperature of 100 ° C, the ammonia removal efficiency is more than 99% within 7 minutes. 90 deg. C for 60 min, 80 deg. C for 120 min, and 70 deg. C for 140 min (Fig. 6).

마이크로웨이브의 조사온도(T)와 조사시간(t)에 따른 암모니아성 질소 제거효율을 연속적으로 알아보고자 중심합성법에 따라 실험계획 후 실험을 수행하였다(표 1). 축산폐수는 조사온도까지 도달하는 시간이 길어 조사시간 4~7분으로 조사온도 80~100℃ 범위에서 2인자 설계를 하여 총 9개의 실험점과 중앙점(5.5분, 90℃)을 5회 반복하여 총 13개의 실험을 진행하였다.In order to investigate the ammonia nitrogen removal efficiency according to the irradiation temperature (T) and irradiation time (t) of the microwave continuously, experiments were conducted according to the central synthesis method (Table 1). The livestock wastewater was designed for 2 times in the irradiation temperature range of 80 ~ 100 ℃ for 4 ~ 7 minutes for the long time to reach the irradiation temperature and 9 experiment points and midpoint (5.5 minutes, 90 ℃) were repeated 5 times A total of 13 experiments were conducted.

^a5번 반복 실험한 중앙점(평균±표준편차) ^a mean of 5 repeated experiments (mean ± standard deviation)

마이크로웨이브 조사 전 축산폐수의 암모니아성 질소 농도는 2,794.4±7.9 mg NH₃-N/L이었다. 마이크로웨이브 조사 후 암모니아성 질소 농도는 1,570.2±15.8 mg NH₃-N/L(40.9%)에서 17.9±2 mg NH₃-N/L(99.3%)까지 감소하였다. pH 11.5, 조사온도 100℃, 공기주입량 1 L/min, 조사시간 7분이었을 때, 암모니아성 질소 제거효율이 99.3%로 가장 높았다.The ammonia nitrogen concentration in the livestock wastewater before microwave irradiation was 2,794.4 ± 7.9 mg NH ₃ -N / L. After microwave irradiation, the ammonia nitrogen concentration decreased from 1,570.2 ± 15.8 mg NH ₃ -N / L (40.9%) to 17.9 ± 2 mg NH ₃ -N / L (99.3%). The highest ammonia nitrogen removal efficiency was 99.3% at pH 11.5, irradiation temperature 100 ℃, air injection rate 1 L / min, and irradiation time 7 min.

결론적으로, 암모니아성질소 제거는 공기주입, 조사온도, 조사시간에 영향을 받는데, 조사시간에 가장 민감하다. 본 실험에서 도출된 최적점은 인공폐수 7분, 0.9 L/min이고, 축산폐수는 7분, 100℃이다. 암모니아성질소 제거는 공기주입량이 증가하고 조사온도가 높아질수록 크다. 인공폐수는 공기주입량이 0.3 L/min인 조건보다 1.2 L/min일 때 1.3배 반응속도가 증가하였고, 축산폐수에서는 조사온도가 70℃일 조건보다 100℃일 때 반응속도가 22.4배 크다.
In conclusion, ammonia removal is affected by air injection, irradiation temperature, and irradiation time, which are most sensitive to irradiation time. The optimal point derived from this experiment is 7 minutes for artificial wastewater, 0.9 L / min for livestock wastewater, and 100 minutes for livestock wastewater. Ammonia removal is larger as the air injection amount increases and the irradiation temperature increases. The reaction rate of artificial wastewater increased 1.3 times at 1.2 L / min and the reaction rate was 22.4 times higher at 100 ℃ than that at 70 ℃ in livestock wastewater.

10 : 마이크로파 발생장치 11 : 챔버
12 : 마그네트론 13 : 컨트롤패널
14 : 타이머 15 : 온도센서
16 : 컨트롤러 20 : 반응조
30 : 공기주입기 31 : 공기주입라인
32 : 공기량조절밸브 40 : 폐수공급부
41 : 폐수공급라인 42 : 폐수공급밸브
50 : 폐수회수부 51 : 폐수회수라인
52 : 폐수회수밸브 10: microwave generator 11: chamber
12: Magnetron 13: Control panel
14: Timer 15: Temperature sensor
16: Controller 20: Reactor
30: air injector 31: air injection line
32: air volume control valve 40: waste water supply part
41: wastewater supply line 42: wastewater supply valve
50: wastewater recovery unit 51: wastewater recovery line
52: waste water recovery valve

Claims

A step (step 1) of setting the irradiation time and the irradiation temperature of the microwave in the microwave generator;
(Step 2) of supplying wastewater to a reaction tank installed inside the microwave generator;
A step in which microwaves according to the set irradiation time and irradiation temperature are irradiated to the wastewater accommodated in the reaction tank (third step);
Stopping the irradiation of the microwave at the set irradiation time and the irradiation temperature reached (fourth step); And
Recovering wastewater from which ammonia nitrogen is removed from the reaction tank (fifth step);
And removing the ammonia nitrogen in the wastewater using the microwave.

The method according to claim 1,
Wherein the amount of air injected is further set in the first step, and air is supplied to the reaction tank together with the microwave irradiation in the third step.

The method of claim 3,
Wherein the amount of air supplied to the reaction tank is in the range of 0.3 to 1.2 L / min.

The method according to claim 1,
Wherein the irradiation time of the microwave is 4 to 7 minutes and the irradiation temperature of the microwave is 100 DEG C in the second to fourth steps.

A reaction tank in which wastewater flows and ammonia nitrogen in the wastewater is removed;
A microwave generator for irradiating the microwave to the reaction vessel in which the reaction vessel is installed;
A temperature sensor installed in the reaction tank and measuring the temperature of the wastewater which is raised by irradiation of the microwave;
A timer provided in the microwave generator to count an irradiation time of the microwave;
A controller provided in the microwave generator to stop the irradiation of the microwave when the temperature of the wastewater and the irradiation time of the microwave reach a preset temperature and time,
Wherein the ammonia-nitrogen removal device is configured to remove ammonia nitrogen in the wastewater using a microwave.

The method of claim 5,
Further comprising an air injector for supplying air to the reaction tank at a predetermined flow rate.

The method of claim 6,
Wherein the controller controls the operation of the air inlet so that air is introduced into the reaction tank in synchronism with irradiation of the microwave in the reaction tank.