KR20190088777A - 흡착분해제를 이용한 하수처리장의 저농도 n2o 제거시스템과 저농도 n2o 제거방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하수처리장에서 발생되는 저농도 N2O를 효과적으로 제거할 수 있는 흡착분해제를 이용한 하수처리장의 저농도 N2O 제거시스템과 저농도 N2O 제거방법에 관한 것이다.
이를 위해 흡착분해제를 이용한 하수처리장의 저농도 N2O 제거시스템은 하수처리장에서 발생되는 N2O를 포집하는 포집유닛과, 포집된 N2O를 흡착분해하는 흡착분해유닛과, 포집유닛과 흡착분해유닛을 연결하여 N2O의 공급 경로를 형성하는 공급라인과, 흡착분해유닛에 연결되어 흡착분해유닛에서 배출되는 배출가스의 배출 경로를 형성하는 배출라인을 포함한다.

Description

흡착분해제를 이용한 하수처리장의 저농도 N2O 제거시스템과 저농도 N2O 제거방법{LOW CONCENTRATION N2O REMOVING SYSTEM AND LOW CONCENTRATION N2O REMOVING METHOD OF WASTEWATER TREATMENT PLANT USING THE ADSORPTION-DECOMPOSER}
본 발명은 흡착분해제를 이용한 하수처리장의 저농도 N2O(아산화질소, N2O, Nitrous oxide) 제거시스템과 저농도 N2O 제거방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 하수처리장에서 발생되는 저농도 N2O를 효과적으로 제거할 수 있는 흡착분해제를 이용한 하수처리장의 저농도 N2O 제거시스템과 저농도 N2O 제거방법에 관한 것이다.
일반적으로, 지구온난화에 영향을 주는 온실가스는 이산화탄소(CO2)와 비이산화탄소 온실가스(Non-CO2, CH4, N2O, PFCs, HFCs, NF3, SF6)로 구분할 수 있다. 이러한 온실가스 성분의 대기 중 농도는 산업화의 진행에 따라 지속적이고 현저한 증가 추세를 보이고 있다. 비이산화탄소 온실가스 중 웃음가스(Laughing Gas)로 알려져 있는 N2O는 화학적으로 안정하기 때문에 지구 대기의 대류권에서는 거의 저감되지 않고, 성층권까지 도달한 다음 자외선에 의해서 분해되거나 산소 원자와 반응하여 일산화질소(NO)를 생성하며, 생성된 일산화질소는 성층권의 오존과 반응하여 연쇄적인 오존파괴를 초래한다. 이때, N2O가 오존층의 파괴에 미치는 영향은 이산화탄소가 오존층의 파괴에 미치는 영향의 약 10% 정도지만 대기 중에서 자연적으로 저감되는 데 약 150년 정도가 소요된다.
또한, N2O는 6대 온실가스중 하나로써 지구온난화지수(Global Warming Potential, GWP)가 CO2에 비해 310배나 높은 온실가스이다.
최근 하수처리장에서는 질소와 인을 제거하기 위한 고도처리시설이 도입되었고, 경제성과 환경성 그리고 기술적 안정성 등을 고려하여 일정 규모 이상의 하수처리장에는 생물학적인, 질소제거 공정(Biological Nutrient Removal Process, BNR)이 적용되고 있다.
하수처리장의 고도처리시설은 유입된 전체 질소 성분은 호기조(Aerobic tank)에서 질산화 공정(Nitrification process)을 통하여 질산성 질소(NO3-N)로 전환되고, 무산소조(Anoxic tank)에서 탈질화 공정(Denitrification)을 통하여 질소 가스(N2)로 전환시켜 제거시킨다.
하지만, 상술한 질소 처리 과정에서 일부 전환물질로 N2O가 발생되는데, 어떠한 조건에서 N2O가 발생되는지 관련 연구가 미미한 실정이다. 또한, N2O를 저감하는 저감기술은 공업분야 및 하수처리장의 슬러지 소각시 배출되는 N2O의 저감을 위해 많이 적용되었으나, 하수처리 공정에서 발생되는 N2O를 저감하기 위해 적용된 사례는 거의 없는 실정이다. 특히, 하수처리 공정에서 발생되는 N2O 처리를 위한 시스템은 운영 및 유지관리 측면에서 높은 비용이 소요되며, 하수처리 공정에서 발생되는 N2O 처리에 대한 규정이 없어 운영자 및 관리자가 설치를 꺼려하는 경향을 보인다.
대한민국 등록특허공보 제10-0321363호(발명의 명칭 : 연속식 과 회분식을 이용한 저농도 도시 하수의 질소 및 인 제거방법, 2002. 06. 27. 공고)
본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 하수처리공법별(A2O, MLE 등) 운영인자(HRT, SRT, 폭기강도 및 내부반송량 등)에 대응하여 전환 및 발생되는 N2O의 특성을 고려하여 하수처리장에서 발생되는 저농도의 N2O 제거율을 극대화시킬 수 있는 흡착분해제를 이용한 하수처리장의 저농도 N2O 제거시스템과 저농도 N2O 제거방법을 제공함에 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 흡착분해제를 이용한 하수처리장의 저농도 N2O 제거시스템은 하수처리장에서 발생되는 N2O를 포집하는 포집유닛; 포집된 N2O를 흡착분해하는 흡착분해유닛; 상기 포집유닛과 상기 흡착분해유닛을 연결하여 N2O의 공급 경로를 형성하는 공급라인; 및 상기 흡착분해유닛에 연결되어 상기 흡착분해유닛에서 배출되는 배출가스의 배출 경로를 형성하는 배출라인;을 포함한다.
본 발명에 따른 흡착분해제를 이용한 하수처리장의 저농도 N2O 제거방법은 최초 유입되는 N2O를 유량조절유닛으로 정량 투입시키고, 믹싱챔버로 보내어 혼합가스를 만들고, 혼합가스를 흡착분해제가 충진된 컬럼에 유입시켜 흡착반응을 진행시킨다.
본 발명에 따른 흡착분해제를 이용한 하수처리장의 저농도 N2O 제거시스템과 저농도 N2O 제거방법에 따르면, 하수처리공법별(A2O, MLE 등) 운영인자(HRT, SRT, 폭기강도 및 내부반송량 등)에 대응하여 전환 및 발생되는 N2O의 특성을 고려하여 하수처리장에서 발생되는 저농도의 N2O 제거율을 극대화시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 흡착분해제를 통해 하수처리장에서 발생되는 저농도의 N2O를 50% 이상 제거할 수 있다.
또한, 본 발명은 흡착분해제를 통해 비표면적을 극대화시키고, 악취가스에 대한 상온산화력을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 흡착분해제를 이용한 하수처리장의 저농도 N2O 제거시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡착분해제를 이용한 하수처리장의 저농도 N2O 제거시스템의 실험방법을 도시한 순서도이다.
도 3은 도 2의 실험방법에 의해 시간별 N2O의 흡착농도 변화를 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 흡착분해제를 이용한 하수처리장의 저농도 N2O 제거시스템과 저농도 N2O 제거방법의 일 실시예를 설명한다. 이때, 본 발명은 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명확하게 하기 위해 생략될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 흡착분해제를 이용한 하수처리장의 저농도 N2O 제거시스템은 하수처리장(STP)에서 발생되는 N2O를 포집하는 포집유닛(10)과, 포집된 N2O를 흡착분해하는 흡착분해유닛(50)과, 포집유닛(10)과 흡착분해유닛(50)을 연결하여 N2O의 공급 경로를 형성하는 공급라인(60)과, 흡착분해유닛(50)에 연결되어 흡착분해유닛(50)에서 배출되는 배출가스의 배출 경로를 형성하는 배출라인(70)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 흡착분해제를 이용한 하수처리장의 저농도 N2O 제거시스템은 흡착분해유닛(50)에 공급되는 N2O의 농도를 조절하는 믹싱챔버(30)와, 흡착분해유닛(50)에 공급되는 N2O의 유량을 조절하는 유량조절유닛(20)과, 흡착분해유닛(50)으로부터 N2O가 역류하는 것을 방지하는 제1역화방지밸브(110)와, 흡착분해유닛(50)에서 배출된 N2O가 역류하는 것을 방지하는 제2역화방지밸브(120) 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
여기서, 흡착분해제는 N2O를 흡착 분해하는 것으로, 망간산화물에 구리이온이 공침되어 비정질 형태를 나타내는 구리-망간산화물(CuO-γ-MnO2)로 이루어질 수 있다.
흡착분해유닛(50)은 흡착분해제가 내장된 컬럼(51)과, 컬럼(51)의 압력 조절 및 배출가스의 흐름을 우회시키는 바이패스라인(52)과, 바이패스라인(52)을 개폐하는 바이패스밸브(53)를 포함할 수 있다. 바이패스밸브(53)는 바이패스라인(52) 상에 구비되어 배출가스가 역류를 방지할 수 있다.
여기서, 컬럼(51)은 적어도 하나 이상을 구비할수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 컬럼(51)은 3개(50a, 50b, 50c)가 구비되고, 컬럼(51)의 연결을 위해 공급헤더(56)와 배출헤더(57)가 구비된다. 흡착분해유닛(50)은 케이스를 통해 일체화시킬 수 있다. 흡착분해유닛(50)의 케이스는 스테인레스 소재로 제작하였으며, 케이스에는 각 컬럼(51)에 대한 입력포트와 출력포트가 구비될 수 있다. 케이스 내부의 가스의 유출을 방지하기 위해 케이스의 상부에 후드를 설치하여 케이스 내부의 가스가 외부로 배출될 수 있도록 한다. 케이스에는 바퀴를 설치하여 이동을 자유롭게 할 수 있다.
공급헤더(56)는 공급라인(60)에 연결되어 공급되는 N2O를 각 컬럼(50)에 분배한다.
유입라인(54)은 공급헤더(56)와 컬럼(51)의 입구를 연결하여 N2O의 공급 경로를 형성한다. 그러면, 유입라인(54)에는 바이스패라인(52)이 연결된다. 또한, 유입라인(54)에는 제1역화방지밸브(110)가 구비될 수 있다.
배출헤더(57)는 배출라인(70)에 연결되어 컬럼(51)에서 배출되는 배출가스가 포집된다.
유출라인(55)은 배출헤더(57)와 컬럼(51)의 출구를 연결하여 배출가스의 배출 경로를 형성한다. 그러면, 유출라인(55)에는 바이스패라인(52)이 연결된다. 또한, 유출라인(55)에는 제2역화방지밸브(120)가 구비될 수 있다.
공급라인(60)에는 공급밸브(61)가 구비되어 공급라인(60)을 개폐할 수 있다. 공급라인(60)에는 흡착분해유닛(50)에 공급되는 N2O의 농도를 측정하도록 제1샘플링포트(41)가 설치될 수 있다. 제1샘플링포트(41)에는 공급되는 N2O의 농도를 측정하는 제1분석기(40)가 결합될 수 있다.
배출라인(70)에는 배출밸브(71)가 구비되어 배출라인(70)을 개폐할 수 있다. 배출라인(70)에는 흡착분해유닛(50)에서 배출되는 배출가스의 농도를 측정하도록 제2샘플링포트(81)가 설치될 수 있다. 제2샘플링포트(81)에는 배출되는 배출가스의 농도를 측정하는 제2분석기(80)가 결합될 수 있다.
제1분석기(40)와 제2분석기(80)는 G200 측정기를 사용할 수 있다.
미설명부호 100은 공급라인(60)에 에어(Air)를 공급하여 제어시스템의 누설을 시험하기 위한 누설시험기이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 흡착분해제를 이용한 하수처리장의 저농도 N2O 제거방법은 저농도 N2O의 제거원리를 바탕으로 실시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 흡착분해제를 이용한 하수처리장의 저농도 N2O 제거방법은 최초 유입되는 N2O를 유량조절유닛(20)인 MFC(Mass Flow Controller)로 정량 투입시키고, 믹싱챔버(30)로 보내어 혼합가스를 만들고, 혼합가스를 흡착분해제가 충진된 컬럼(51)에 유입시켜 흡착반응을 진행시킨다.
이때, 컬럼(51)의 출구 측에서 배출라인(70)으로 배출되는 배출가스의 농도를 제2분석기로 측정하여 흡착분해제가 파괴되는 시점을 확인하고, N2O에 대한 흡착량을 계산하여 N2O의 흡착능력을 확인할 수 있다.
<저농도 N2O의 제거방법에 대한 흡착실험>
흡착분해제인 구리-망간산화물(CuO-MnO2)을 이용한 저농도 50ppm인 N2O의 농도 변화를 측정하였고, 실험에 대한 준비사항은 다음의 [표 1]과 같이 나타난다.
항 목 내 용
1, 대상 시료 야자각 활성탄(700~1,500㎡/g)
MnO2-CuO(300㎡/g이상)
2. 가스 유량 100ml/min for N2O
3. 공간 속도 5,600/hr
4. 가스 농도 50 ppm for N2O
5. 충진제 양 20g
6. 실험 조건 1. 활성탄 20g 충진 후 흡착 시간에 따른 농도변화
2. MnO2-CuO 20g 충진 후 흡착시간에 따른 농도변화
3. 활성탄(95%)+ MnO2-CuO(5%) 20g 충진 후 흡착시간에 따른 농도변화
7. 실험 장비 MFC(Mass Flow Controller / Max. 500ml/min)
G200(0~1,000ppm / Flow Rate Max. 100ml/min)
Tedlar Bag 1L, N2O 50ppm Gas (47L), 정밀 저울
본 발명의 일 실시예에 따른 제거시스템에 N2O와 에어(Air) 라인을 설치하여 각각의 공급라인에 체결하였으며, 가스 유량을 조절할 수 있도록 가스 유량조절기(Regulator)를 체결한다.
먼저, 에어(Air)를 유입하여 공급라인(60)과 흡착분해유닛(50)과 배출라인(70)에서 가스가 누출되는 것을 방지하기 위해 누설시험(Leak Test)를 실시한다. 누설시험은 컬럼(51) 내부의 압력을 일정하게 유지하여 일정한 가스의 유량이 컬럼(51)을 통과할 때, 실험 데이터 값의 오차를 줄일 수 있게 하는 점검사항이다. 주로 배관과 배관이 연결되는 부분, 배관과 유닛이 연결되는 부분, 배관과 컬럼(51)이 연결되는 부분에서 가스 누출이 가장 많이 발생하므로, 각 연결부분에서의 누설에 대한 조치를 취하였다.
다음으로, 도 2에 도시된 실험방법에 따라 컬럼(51) 내부에 일정량의 충진제를 충진시켜 유입가스 농도와 유출가스 농도의 수치 확인 및 시운전 테스트를 실시한다. 일예로, 고순도 N2O를 유량조절유닛으로 조절하여 100mL/min의 유량으로 흘려보낸 다음, 컬럼(51) 입구 측에서 N2O 농도와 컬럼(51) 출구 측에서 배출가스의 농도를 각각 측정하여 흡착분해유닛(50)의 성능을 확인하였다.
실험 결과, 도 3에 도시된 바와 같이 50ppm의 N2O를 100mL/min 유량으로 주입하였을 때, 130초부터 농도가 측정되며, 320초에서 농도변화가 더 이상 일어나지 않았다.
본 실험은 흡착분해제의 성능 확인을 위한 것으로써, 흡착분해제 1g 당 N2O의 흡착량(mL)을 분석하였고, 아래의 관계식에 따라 가스흡착량을 산출할 수 있다.
Figure pat00001
N2O의 배출농도변화가 더 이상 일어나지 않는 최종시점의 흡착량은 0.035 mL-N2O/g-adsorbent로 산출 되었으며, 흡착분해제의 흡착능력을 확인할 수 있었다.
흡착분해제의 N2O 흡착능력이 있는 것은 상온반응에서 구리이온 공침을 통해 비정질 형태의 높은 산화반응 활성도에 기인한 것으로 사료된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 흡착분해제를 이용한 하수처리장의 저농도 N2O 제거방법은 흡착실험을 바탕으로 진행될 수 있다.
상술한 흡착분해제를 이용한 하수처리장의 저농도 N2O 제거시스템과 저농도 N2O 제거방법에 따르면, 하수처리공법별(A2O, MLE 등) 운영인자(HRT, SRT, 폭기강도 및 내부반송량 등)에 대응하여 전환 및 발생되는 N2O의 특성을 고려하여 하수처리장에서 발생되는 저농도의 N2O 제거율을 극대화시킬 수 있다. 또한, 흡착분해제를 통해 하수처리장에서 발생되는 저농도의 N2O를 50% 이상 제거할 수 있다.
또한, 흡착분해제를 통해 비표면적을 극대화시키고, 악취가스에 대한 상온산화력을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.
10: 포집유닛 20: 유량조절유닛
30: 믹싱챔버 40: 제1분석기
50: 흡착분해유닛 60: 공급라인
70: 배출라인 100: 누설시험기
110: 제1역화방지밸브 120: 제2역화방지밸브

Claims (2)

  1. 하수처리장에서 발생되는 N2O를 포집하는 포집유닛;
    포집된 N2O를 흡착분해하는 흡착분해유닛;
    상기 포집유닛과 상기 흡착분해유닛을 연결하여 N2O의 공급 경로를 형성하는 공급라인; 및
    상기 흡착분해유닛에 연결되어 상기 흡착분해유닛에서 배출되는 배출가스의 배출 경로를 형성하는 배출라인;을 포함하는 것을 특징으로 하는 흡착분해제를 이용한 하수처리장의 저농도 N2O 제거시스템.
  2. 최초 유입되는 N2O를 유량조절유닛으로 정량 투입시키고, 믹싱챔버로 보내어 혼합가스를 만들고, 혼합가스를 흡착분해제가 충진된 컬럼에 유입시켜 흡착반응을 진행시키는 것을 특징으로 하는 흡착분해제를 이용한 하수처리장의 저농도 N2O 제거방법.
KR1020180007284A 2018-01-19 2018-01-19 흡착분해제를 이용한 하수처리장의 저농도 n2o 제거시스템과 저농도 n2o 제거방법 KR20190088777A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100321363B1 (ko) 1998-12-02 2002-06-27 남정현 연속식과회분식을이용한저농도도시하수의질소및인제거방법(SequencingBiologicalNutrientRemovalSystem).

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KR100321363B1 (ko) 1998-12-02 2002-06-27 남정현 연속식과회분식을이용한저농도도시하수의질소및인제거방법(SequencingBiologicalNutrientRemovalSystem).

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