KR20200009708A - 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

전극이 필요 없는 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 활용하여, 기후변화 및 영양염류 증가로 상수원에서 빈번하게 발생하는 녹조 현상으로 유발되는 이취미 유발물질을 제거하고, 하폐수처리장 혐기성 소화조 이후 발생하는 대표적 악취물질인 황화수소를 동시에 제거할 수 있고, 또한, 반응모델에 의해 페레이트 주입을 제어함으로써 약품사용량과 전력소모량을 절감시킬 수 있으며, 또한, 수중의 악취를 발생하는 올레핀 구조의 이취미물질과 황화수소를 모델예측제어로 제어함으로써 약품 오주입을 사전에 방지하면서, 원하는 수준의 대상물질을 제거할 수 있고, 특히, 종래 기술에 따른 양이온 교환막에서 급격한 막힘 현상으로 인한 빈번한 부품 교체가 필요하지 않고, 종래의 기술보다 용이하게 대상물질을 제거할 수 있는, 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템 및 그 제어방법이 제공된다.

Description

비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템 및 그 제어방법 {TREATMENT SYSTEM OF ALGAL DERIVED TASTE/ODOR COMPOUNDS AND HYDROGEN SULFIDE IN WATER USING ON-SITE FERRATE GENERATOR, AND CONTROLLING METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 기후의 변화 또는 영양염류의 증가로 인해 하천 또는 저수지에서 빈번히 발생하는 남조류-유발 이취미(Taste/Odor) 물질 중에서 올레핀 구조의 이취미물질을 제거하고, 하폐수처리장의 혐기성 소화조 이후에 악취를 유발하는 황화수소(Hydrogen Sulfide)를 제거하기 위한, 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 조류(Algae)는 육상식물을 제외한 물속에 사는 하등식물인 광합성 생물로서, 매우 다양한 분류군을 포함한다. 이러한 조류는 대형조류(Macro-algae) 및 미세조류(Micro-algae)로 구분되며, 예를 들면, 미세조류는 남조류(Blue-green Algae 또는 Cyanobacteria), 녹조류(Green Algae), 와편모조류(Dino Flagellate), 규조류(Diatoms) 등으로 구분될 수 있다.
특히, 호소나 하천에 영양염류의 유입이 증가하면 부영양화(Eutrophication)가 되고, 이후, 조류가 급속히 성장함으로써 녹조(Green tide 또는 Algae bloom)를 형성하게 된다. 이러한 조류들 중에서 가장 문제가 되고 있는 남조류는 독성과 냄새를 유발하는 대사물질을 발생함으로써 정수장 장애를 발생시키고 있는데, 향후 기후변화로 인해 세계적으로 증가할 것으로 예상되고 있다. 이러한 남조류는 독소와 이취미(Taste/Odor) 생성, 녹조류는 이취미 생성, 규조류는 이취미와 여과장애 유발, 편모조류와 유글레나는 독성과 이취미 유발 등의 피해를 초래한다.
구체적으로, 남조류의 모양은 매우 다양하며, 예를 들면, 마이크로시스티스(Microcystis)는 구형이고, 오실라토리아(Oscillatoria)는 세포들이 머리카락처럼 연결되어 있으며, 아나베나(Anabena)는 염주알처럼 목걸이 형태로 연결되어 있다. 이때, 모두가 조류의 형태를 유지하기 위해서 서로 연결하여 뭉치는 형태를 취하게 되는데, 특히, 마이크로시스티스는 하나의 세포로 된 단세포 생물의 조류로서, 세포 주변이 끈적끈적한 한천질층으로 둘러싸여 있기 때문에 조체들이 서로 뭉치는 성질을 지니고 있다. 이러한 마이크로시스티스는 약간의 비린내 외에는 심한 냄새를 발생하지 않지만, 다른 종류의 남조류들, 특히, 아나베나, 오실라토리아, 포르미디움 등은 흙냄새를 유발하는 지오스민(Geosmin) 및 곰팡이냄새를 유발하는 2-MIB(2-Methylisoborneol)를 생성함으로써, 음용수의 수질을 떨어뜨리게 되고, 이에 따라 많은 민원을 유발시키고 있다.
이러한 남조류의 독소 중에서 마이크로시스틴은 아나베나, 오실라토리아, Nostoc, Hapalosiphon과 같은 사상성 남조류 및 마이크로시스티스와 같은 군체성 남조류에 의해서 생성된다. 이러한 독성물질은 피부염증(Dermatotoxins), 세포손상(Cytotoxins), 간손상(Hepatotoxins) 및 신경시스템 손상(Neurotoxins)과 같은 심각한 건강 문제를 야기한다. 이와 같이 하천에 발생한 조류 및 독성물질은 수처리 공정운영에서 이취미(또는 맛냄새) 유발물질 문제를 발생시킨다.
대표적인 조류 독성물질로는 마이크로시스틴(Microcystin), 아나톡신-a(Anatoxin-a), 삭시톡신(Saxitoxin), 실린드로스퍼몹신(Cylindrospermopsin), 노둘라린(Nodularin) 등이 있다. 또한, 하폐수처리장 인근 도시에 주민들은 상기 시설에서 발생하는 악취가 나는 화합물로 인한 오염에 대한 많은 민원을 제기하고 있다. 단순히 악취로 인한 생활의 불편함뿐만 아니라 대기 확산으로 인한 인체 유해성에 대한 위험성이 동시에 존재하기 때문이다.
이러한 원인물질로서, 휘발성 유황 화합물(VSCs)은 높은 독성, 낮은 냄새 한계 및 높은 부식성을 갖는 특징이 있다. 악취가 나는 휘발성 유황 화합물(VSCs) 중에서 주로 황 원소가 결합되어 있는 공통점이 있기 때문에, 전형적으로 썩은 계란 냄새가 나는 특징이 있다. 황화수소는 단순히 하폐수처리장 이외에 식량 생산, 건축 폐기물 등의 많은 곳에서 발생하고 있고, 많은 악취를 발생시키고 있다.
한편, 페레이트(Ferrate)는 철을 중심 원자로 하는 산소산의 염으로서, 6가의 철을 중심 원자로 하는 철산염(Ⅵ)이다. 이러한 페레이트는 철산염 이온(FeO4 2-)에 알칼리 또는 알칼리토금속이 결합하여 이루어지는데 강한 산화제 및 응집제로 사용된다. 즉, 페레이트는 높은 산화력을 이용하여 유기물질을 산화시키고, 이때, 철산염(Ⅵ)으로부터 환원된 철염(Ⅲ)은 잔류 유기물 및 고형물을 응집시키는 역할을 한다.
특히, 페레이트는 유리 염소, 클로라민 및 오존과 같이 소독 부산물(DBPs)을 생성하지 않는다. 또한, 브롬화물과 반응하여 발암성의 브롬산염 이온을 생성하지 않는다. 또한, 페레이트는 광범위한
Figure pat00001
에 걸쳐서 비교적 낮은 투여량으로 소독할 수 있어 경제적이다. 또한, 페레이트는 수처리 시 대장균의 99.9% 이상을 사멸시켜서 차아염소산염(Hypochlorite)보다 낮은 투여량 또는 짧은 접촉 시간에서 보다 많은 대장균을 불활성화 시킬 수 있다.
한편, 전술한 페레이트를 제조하기 위한 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1376048호에는 "전기 화학적 방법에 의한 페레이트 제조 방법 및 그 장치"라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.
도 1은 종래의 기술에 따른 전기 화학적 방법에 의한 페레이트 제조장치의 산화 반응조를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 격막식 산화조를 나타내는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 기술에 따른 전기 화학적 방법에 의한 페레이트 제조장치의 산화 반응조는, 10M NaOH 전해질이 펌프를 통해서 반응조의 하부로 유입된다. 전해질은 상향식으로 전달되어 반응을 거친 후 상부의 유출구로 배출된다. 반응조에는 하나의 양극(Fe)에 양쪽으로 음극인 DSA(Dimensionally Stable Anode) 전극이 설치되며, 외부의 DC 전원(DC Power supply)에 의해서 전류가 공급된다. 또한, 반응에 의해서 제조된 페레이트 수용액은 반응조 상부측의 유출구를 통해 반응조에서 배출되어, 페레이트 탱크에 저장된다. 이때, 페레이트 탱크에 저장된 페레이트는 펌프에 의해 수처리가 필요한 수처리조로 유입되어 수처리에 이용된다.
구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 기술에 따른 전기 화학적 방법에 의한 페레이트 제조장치의 격막식 산화조는, 반응조 중앙에 Fe 전극을 설치하여 (+) 전원에 연결하고, Fe 전극(12) 양쪽에 DSA 전극(22)을 설치하여 (-) 전원에 각각 연결하며, 양극과 음극 사이에 양이온 교환막(30)이 형성되어, 하나의 양극 산화조(10)와 두개의 음극 산화조(20)로 구성된 격막식 산화조를 구성한다. 또한, 전해질 유입관(50)을 통해 염기성 전해질이 공급되며, 반응에 의해 제조된 페레이트가 상부측에 형성된 전해질 유출구(60)를 통해 배출되는 연속식 반응이 이루어지며, 양이온 교환막의 하부측에는 전해질이 순환하기 위한 전해질 이동통로(40)가 형성되어 전해질이 양극 산화조(10)와 음극 산화조(20) 사이를 이동할 수 있어 전해질의 농도가 일정하게 유지되는 것을 특징으로 한다. 즉, 격막식 산화조는 양극과 음극 사이에는 양이온 교환막(30)을 설치하여 생성되는 페레이트 농도를 높일 수 있다.
그러나 종래의 기술에 따른 전기 화학적 방법에 의한 페레이트 제조장치의 경우, 반응조에서 발생하는 페레이트 이외에 다른 형태의 철 이온이 공존하고, 양이온 교환막(30)에서 급격한 막힘 현상이 발생하기 때문에 페레이트 수율도 떨어지고, 주기적으로 양이온 교환막(30)을 교체해주야 하는 문제점을 가지고 있다.
한편, 다른 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1789792호에는 "철산염 금속산화수를 이용한 탈황폐수 처리장치 및 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다.
도 3은 종래의 기술에 따른 철산염 금속산화수를 이용한 탈황폐수처리장치를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 금속산화수 공급장치를 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 종래의 기술에 따른 철산염 금속산화수를 이용한 탈황폐수처리장치는, 금속산화수 공급장치(71), 금속산화수 반응조(72), 침전조(73),
Figure pat00002
조정조(74), 활성탄 여과조(75) 및 질소-인 처리장치(76)를 포함하며, 또한, 2차 처리수조(77), 농축조(78), 중화약품 저장조(79), 탄수원 저장조(81) 및 1차 처리수조(82)를 포함할 수 있다.
금속산화수 공급장치(71)는 원수조로부터 공급되는 탈황폐수에 철염, 산화제 및 강염기를 혼합한 혼합용역에 산소를 공급하고 미리 설정된 온도로 조절하여 제조된 철산염(IV) 금속산화수를 상기 탈황폐수 용량의 0.8% 내지 2% 비율로 주입한다.
금속산화수 반응조(72)는 탈황폐수와 철산염(IV) 금속산화수를 혼합하고, 25분 내지 80분동안 반응하여 난분해성 COD 물질을 분해 처리하고, 부유 고형물질을 응집 처리한다.
침전조(73)는 탈황폐수와 철산염(IV) 금속산화수의 반응으로 응집된 부유 고형물질 응집 침전물 또는 반응하지 않은 철염이 침전된다.
Figure pat00003
조정조(74)는 상기 침전조(73)를 통과한 탈황폐수 침전 처리수에 중아황산나트륨을 1차 투입하여 미리 설정된 범위의
Figure pat00004
로 조정하고 염산을 주입하여 추가적으로
Figure pat00005
를 중성화한다.
활성탄 여과조(75)는 상기
Figure pat00006
조정조(74)에서 배출된 탈황폐수 내 잔류하는 철산염을 제거한다.
질소-인 처리장치(76)는 상기 여과조에서 배출된 탈황폐수 내 질소 및 인을 제거한다.
도 2를 참조하면, 상기 금속산화수 공급장치(71)는 제1 저장조(91), 제2 저장조(92), 제3 저장조(93), 혼합조(94), 금속산화수 산화반응조(95) 및 금속산화수 침전조(96)를 포함한다.
제1 저장조(91)는 철염인 FeCl3을 저장하고 혼합조로 공급하고, 제2 저장조(92)는 N-S 화합물을 제거하기 우한 화학적 산화제인 NaOCl를 저장하고 혼합조로 공급하며, 제3 저장조(93)는 강염기인 NaOH를 저장하고 혼합조로 공급한다.
혼합조(94)는 제1 저장조(91), 제2 저장조(92) 및 제3 저장조(93)에서 공급된 철염, 산화제 및 강염기를 혼합한다.
금속산화수 산화반응조(95)는 폭기장치(95a), 온도조절장치(95b) 및 온도측정센서(95c)를 포함하며, 철염, 산화제 및 강염기의 혼합 용액을 산화반응하여 철산염(IV) 금속산화수를 제조한다. 이때, 폭기장치(95a)는 금속산화수 산화반응조(95)와 연결된 연결파이프, 송풍기(95a-1) 및 산기관(95a-2)을 포함하며, 혼합조(94)에서 이송된 철염, 산화제 및 강염기의 혼합 용액에 산소를 공급한다.
종래의 기술에 따른 철산염 금속산화수를 이용한 탈황폐수처리장치는, 탈황폐수를 철산염(VI) 금속산화수로 처리하여 N-S 결합의 난분해성 물질을 분해하고, 질소-인 처리장치로 인과 질소를 동시에 제거할 수 있고, 이때, 금속산화수 공급장치 및 반응조를 개시하고 있지만, 철산염 제조방법을 위한 원리와 사용된 약품의 종류 및 반응조건을 구체적으로 제시하지 않고 있다.
대한민국 등록특허번호 제10-1789792호(출원일: 2017년 3월 22일), 발명의 명칭: "철산염 금속산화수를 이용한 탈황폐수 처리장치 및 방법" 대한민국 등록특허번호 제10-1589412호(출원일: 2015년 6월 30일), 발명의 명칭: "철산염 제조방법 및 그 제조장치" 대한민국 등록특허번호 제10-1691641호(출원일: 2014년 11월 5일), 발명의 명칭: "조류 및 이취미물질을 동시에 제거하는 용존공기 부상장치 및 이를 이용한 정수방법" 대한민국 등록특허번호 제10-1376048호(출원일: 2012년 4월 3일), 발명의 명칭: "전기 화학적 방법에 의한 페레이트 제조 방법 및 그 장치" 대한민국 등록특허번호 제10-1054036호(출원일: 2008년 7월 9일), 발명의 명칭: "탈황폐수 처리용 증발농축기의 스케일 제거방법" 대한민국 공개특허번호 제2003-8074호(공개일: 2003년 1월 24일), 발명의 명칭: "광산화적 배연탈황폐수 처리방법"
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전극이 필요 없는 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 활용하여, 기후변화 및 영양염류 증가로 상수원에서 빈번하게 발생하는 녹조 현상으로 유발되는 이취미 유발물질을 제거하고, 하폐수처리장 혐기성 소화조 이후 발생하는 대표적 악취물질인 황화수소를 동시에 제거할 수 있는, 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템 및 그 제어방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 반응모델에 의해 페레이트 주입을 제어함으로써 약품사용량과 전력소모량을 절감시킬 수 있는, 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템 및 그 제어방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 수중의 악취를 발생하는 올레핀 구조의 이취미물질과 황화수소를 모델예측제어로 제어함으로써 약품 오주입을 사전에 방지하면서, 원하는 수준의 대상물질을 제거할 수 있는, 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템 및 그 제어방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템은, 유입원수가 저장되는 유입원수 저장조; 전극이 필요 없는 비전극 방식의 현장발생형 장치로서, 상기 유입원수에 대한 유량, 온도 및
Figure pat00007
측정 결과에 따라 현장에서 페레이트 농축액을 생성 보관하여 공급하는 현장 페레이트 발생장치; 상기 현장 페레이트 발생장치에서 발생한 페레이트를 활용하여 상기 유입원수를 수처리하여 유출수를 배출하는 반응조; 유출수 배관에 연결되고, 상기 반응조로부터 배출되는 유출수 내의 페레이트 잔류 농도를 측정하는 페레이트 잔류 농도계; 및 상기 페레이트 잔류 농도계에서 측정된 페레이트 잔류 농도에 따라 상기 현장 페레이트 발생장치에서 생성되는 페레이트 발생을 제어하는 공정관리모듈을 포함하되, 상기 현장 페레이트 발생장치에서 발생된 페레이트는 남조류에서 유발하는 이취미물질 중 올레핀 구조의 이취미물질을 제거하거나 하폐수처리장의 혐기성 소화조 이후 악취를 유발하는 황화수소를 제거하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템은, 상기 유입원수가 공급되는 유입원수 배관에 설치되어 유입원수의 유량을 측정하는 유량계; 상기 유입원수 저장조에 저장된 유입원수를 공급하는 유입원수 주입펌프; 상기 유입원수 저장조로부터 공급되는 유입원수 배관에 설치되어 유입원수의
Figure pat00008
및 온도를 측정하는
Figure pat00009
/온도 센서; 및 상기 반응조 전단의 유입수 배관 일측에 설치되고, 상기 유입원수와 상기 페레이트의 충분한 관내 혼합 이후에 상기 반응조 내에 주입하는 유입원수 및 페레이트 혼합 라인믹서를 추가로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 올레핀 구조의 이취미물질은 수중에서 악취를 발생하는 에틸비닐케톤(1-penten-3-one), 이오논(ionone) 또는 시클로시트랄(cyclocitral) 물질일 수 있다.
여기서, 상기 현장 페레이트 발생장치는 사전에 제조된 수 몰농도의 하이포아염소산칼륨(
Figure pat00010
)과 질산제2철9수화물(
Figure pat00011
)을 혼합한 후, 수 몰농도의 수산화나트륨(
Figure pat00012
)이나 수산화칼륨(
Figure pat00013
)과 일정 비율로 반응시켜 현장에서 페레이트 농축액을 생성 보관하여 공급할 수 있다.
여기서, 상기 현장 페레이트 발생장치는, 사전에 제조된 수 몰농도의 질산제2철9수화물(
Figure pat00014
)을 저장하는 질산제2철9수화물(
Figure pat00015
) 저장조(201); 사전에 제조된 수 몰농도의 하이포치아염소산칼륨(
Figure pat00016
)을 저장하는 하이포치아염소산칼륨(
Figure pat00017
) 저장조; 사전에 제조된 수 몰농도의 수산화나트륨(
Figure pat00018
)을 저장하는 수산화나트륨(
Figure pat00019
) 저장조; 상기 질산제2철9수화물 저장조에 저장된 질산제2철9수화물(
Figure pat00020
)을 공급하는 질산제2철9수화물 주입펌프; 상기 치아염소산칼륨 저장조에 저장된 치아염소산칼륨(
Figure pat00021
)을 공급하는 하이포치아염소산칼륨 주입펌프; 상기 수산화나트륨 저장조에 저장된 수산화나트륨(
Figure pat00022
)을 공급하는 수산화나트륨 주입펌프; 및 상기 수 몰농도의 하이포아염소산칼륨과 질산제2철9수화물을 혼합한 후, 수 몰농도의 수산화나트륨과 일정 비율로 반응시켜 현장에서 페레이트 농축액을 생성하는 농축 페레이트 혼합부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 현장 페레이트 발생장치는, 상기 유출수인 최종처리수를 희석액으로 저장하는 희석액 저장조; 상기 희석액 저장조에 저장된 희석액을 공급하는 희석액 주입펌프; 및 상기 희석액 주입펌프에 의해 공급되는 희석액을 상기 농축 페레이트 혼합부로부터 공급되는 농축 페레이트와 혼합하여 배출하는 희석액/농축액 혼합부를 추가로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 공정관리모듈은, 상기 이취미물질과 황화수소를 제거함에 있어서, 화학반응 모델식을 이용하여 사전에 데이터베이스화된 반응속도상수 모델을 이용하여 운영자에 의해 설정된 대상물질의 제거율 또는 유출수의 농도에 따라 페레이트 산화능지수에 의해 페레이트 주입량을 제어하되; 상기 화학반응 모델식은
Figure pat00023
로 주어지고, 여기서,
Figure pat00024
는 반응시간 동안의 페레이트 산화능지수를 나타내고,
Figure pat00025
는 실험에 의해 데이터베이스화된 반응속도상수를 나타내며,
Figure pat00026
는 유입원수의 제거대상 물질을 나타내는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 페레이트 산화능지수는 운영자에 의해 입력되는 대상물질 제거율 또는 유출수 잔류농도에 따라 결정되고, 상기 공정관리모듈은 상기 페레이트 잔류 농도계에서 측정된 페레이트 잔류 농도에 비례하여 상기 페레이트 산화능지수를 연동 계산하여 상기 현장 페레이트 발생장치를 제어할 수 있다.
여기서, 상기 반응조는 자외선을 순차적으로 결합함으로써 상기 페레이트 이외에 수산화라디칼에 의한 산화반응 효율을 유도하는 고도산화기술을 이용하여 조류 독성물질 및 이취미물질을 동시에 제거할 수 있다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템의 제어방법은, a) 유입원수의 유량, 온도 및
Figure pat00027
를 측정하는 단계; b) 공정관리모듈에 대상물질 제거율 또는 유출수 처리농도 목표를 입력하는 단계; c) 사전실험에 따른 반응속도모델로부터 반응속도를 결정하는 단계; d) 화학반응 모델식으로부터 페레이트 산화능지수를 산출하는 단계; e) 주입 페레이트 산화능지수가 목표 산화능지수에 부합하는지 확인하는 단계; f) 상기 주입 페레이트 산화능지수가 목표 산화능지수에 부합하는 경우, 잔류 페레이트 농도 측정에 따른 페레이트 주입조건 적합 여부를 판단하는 단계; g) 현장 페레이트 발생장치로부터 발생된 페레이트를 주입하기 위한 페레이트 주입펌프의 주입량을 제어하는 단계; 및 h) 페레이트를 반응조에 주입하여 유입원수의 이취미물질 및 황화수소를 제거하는 단계를 포함하되, 상기 현장 페레이트 발생장치에서 발생된 페레이트는 남조류에서 유발하는 이취미물질 중 올레핀 구조의 이취미물질을 제거하거나 하폐수처리장의 혐기성 소화조 이후 악취를 유발하는 황화수소를 제거하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 e) 단계에서 주입 페레이트 산화능지수가 목표 산화능지수에 부합하지 않는 경우, 페레이트 산화능지수 재산출을 위한 대상물질 제거율 및 반응속도상수를 변경할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전극이 필요 없는 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 활용하여, 기후변화 및 영양염류 증가로 상수원에서 빈번하게 발생하는 녹조 현상으로 유발되는 이취미 유발물질을 제거하고, 하폐수처리장 혐기성 소화조 이후 발생하는 대표적 악취물질인 황화수소를 동시에 제거할 수 있다.
본 발명에 따르면, 반응모델에 의해 페레이트 주입을 제어함으로써 약품사용량과 전력소모량을 절감시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 수중의 악취를 발생하는 올레핀 구조의 이취미물질과 황화수소를 모델예측제어로 제어함으로써 약품 오주입을 사전에 방지하면서, 원하는 수준의 대상물질을 제거할 수 있다. 특히, 본 발명에 따르면, 종래 기술에 따른 양이온 교환막에서 급격한 막힘 현상으로 인한 빈번한 부품 교체가 필요하지 않고, 종래의 기술보다 용이하게 대상물질을 제거할 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 전기 화학적 방법에 의한 페레이트 제조장치의 산화 반응조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 전기 화학적 방법에 의한 페레이트 제조장치의 격막식 산화조를 나타내는 사시도이다.
도 3은 종래의 기술에 따른 철산염 금속산화수를 이용한 탈황폐수처리장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 금속산화수 공급장치를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템(고도산화처리 시스템)의 개략적인 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템의 구체적인 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템에서 현장 페레이트 발생장치를 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템의 제어방법의 동작흐름도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 페레이트에 의한 대상물질(올레핀 구조의 이취미물질)의 제거효율을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 자외선 단독/페레이트와 자외선/페레이트단독 사용에 의한 대상물질(황화수소)의 제거효율을 비교한 결과이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
[비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템(100)]
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템(100)은, 유입원수 저장조(110), 반응조(160), 페레이트 잔류 농도계(170), 공정관리모듈(180) 및 현장 페레이트 발생장치(200)를 포함한다.
유입원수 저장조(110)는 유입원수가 저장된다.
현장 페레이트 발생장치(200)는 전극이 필요 없는 비전극 방식의 현장발생형 장치로서, 상기 유입원수에 대한 유량, 온도 및
Figure pat00028
측정 결과에 따라 현장에서 페레이트(Ferrate) 농축액을 생성 보관하여 공급한다.
반응조(160)는 상기 현장 페레이트 발생장치(200)에서 발생한 페레이트를 활용하여 상기 유입원수를 수처리하여 유출수를 배출한다.
페레이트 잔류 농도계(170)는 유출수 배관에 연결되고, 상기 반응조(160)로부터 배출되는 유출수 내의 페레이트 잔류 농도를 측정한다.
공정관리모듈(180)은 상기 페레이트 잔류 농도계(170)에서 측정된 페레이트 잔류 농도에 따라 상기 현장 페레이트 발생장치(200)에서 생성되는 페레이트 발생을 제어한다.
이에 따라, 상기 현장 페레이트 발생장치(200)에서 발생된 페레이트는 남조류에서 유발하는 이취미물질 중 올레핀(Olefin) 구조의 이취미물질을 제거하거나 하폐수처리장의 혐기성 소화조 이후 악취를 유발하는 황화수소를 제거할 수 있다. 여기서, 상기 올레핀 구조의 이취미물질은 수중에서 악취를 발생하는 에틸비닐케톤(1-penten-3-one), 이오논(ionone) 또는 시클로시트랄(cyclocitral) 물질일 수 있다.
한편, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템의 구체적인 구성도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템(100)은, 유입원수 저장조(110), 유량계(120), 유입원수 주입펌프(130),
Figure pat00029
/온도 센서(140), 유입원수 및 페레이트 혼합 라인믹서(150), 반응조(160), 페레이트 잔류 농도계(170), 공정관리모듈(180), 현장 페레이트 발생장치(200), 페레이트 저장조(220) 및 페레이트 주입펌프(230)를 포함한다.
유입원수 저장조(110)는 유입원수가 저장되고, 유입원수 주입펌프(130)는 상기 유입원수 저장조(110)에 저장된 유입원수를 공급한다. 이때, 유량계(120)는 상기 유입원수가 공급되는 유입원수 배관에 설치되어 유입원수의 유량을 측정하고,
Figure pat00030
/온도 센서(140)는 상기 유입원수 저장조(110)로부터 공급되는 유입원수 배관에 설치되어 유입원수의
Figure pat00031
및 온도를 측정한다.
유입원수 및 페레이트 혼합 라인믹서(150)는 상기 반응조(160) 전단의 유입수 배관 일측에 설치되고, 상기 유입원수와 상기 페레이트의 충분한 관내 혼합 이후에 상기 반응조(160) 내에 주입한다.
현장 페레이트 발생장치(200)는 전극이 필요 없는 비전극 방식의 현장발생형 장치로서, 상기 유입원수에 대한 유량, 온도 및
Figure pat00032
측정 결과에 따라 현장에서 페레이트(Ferrate) 농축액을 생성 보관하여 공급한다. 이때, 상기 현장 페레이트 발생장치(200)는 사전에 제조된 수 몰농도의 하이포아염소산칼륨(
Figure pat00033
)과 질산제2철9수화물(
Figure pat00034
)을 혼합한 후, 수 몰농도의 수산화나트륨(
Figure pat00035
)이나 수산화칼륨(
Figure pat00036
)과 일정 비율로 반응시켜 현장에서 페레이트 농축액을 생성 보관하여 공급할 수 있다.
페레이트 저장조(220)는 상기 현장 페레이트 발생장치(200)에서 생성한 페레이트를 저장한다.
페레이트 주입펌프(230)는 상기 페레이트 저장조(220)에 저장된 페레이트를 반응조(160)에 주입한다.
반응조(160)는 상기 현장 페레이트 발생장치(200)에서 발생한 페레이트를 활용하여 상기 유입원수를 수처리하여 유출수를 배출한다. 또한, 상기 반응조(160)는 자외선을 순차적으로 결합함으로써 상기 페레이트 이외에 수산화라디칼(OH·)에 의한 산화반응 효율을 유도하는 고도산화기술을 이용하여 조류 독성물질 및 이취미물질을 동시에 제거할 수 있다.
페레이트 잔류 농도계(170)는 유출수 배관에 연결되고, 상기 반응조(160)로부터 배출되는 유출수 내의 페레이트 잔류 농도를 측정한다.
공정관리모듈(180)은 상기 페레이트 잔류 농도계(170)에서 측정된 페레이트 잔류 농도에 따라 상기 현장 페레이트 발생장치(200)에서 생성되는 페레이트 발생을 제어한다. 여기서, 상기 페레이트 산화능지수는 운영자에 의해 입력되는 대상물질 제거율 또는 유출수 잔류농도에 따라 결정되고, 상기 공정관리모듈(180)은 상기 페레이트 잔류 농도계(170)에서 측정된 페레이트 잔류 농도에 비례하여 상기 페레이트 산화능지수를 연동 계산하여 상기 현장 페레이트 발생장치(200)를 제어할 수 있다.
구체적으로, 상기 현장 페레이트 발생장치(200)는 사전에 제조된 10M 농도의 수산화칼륨(Potassium Hydroxide)(
Figure pat00037
) 또는 수산화나트륨(Sodium Hydroxide)(
Figure pat00038
)의 저장조와 질산제2철9수화물(
Figure pat00039
) 저장조 및 수 몰농도의 하이포아염소산칼륨(Potassium Hypochlorite)(
Figure pat00040
) 저장조에서 각 약품이 단계별로 일정 비율로 반응시켜 현장에서 페레이트 농축액을 생성 보관하고, 필요시 최종처리수 희석액으로 농도를 조절하며, 이때, 생성된 페레이트를 유입원수와 함께 반응조에서 반응시키는 설비를 갖는다.
이때, 발생되는 고농도 페레이트의 생성 원리는 다음의 수학식 1과 같다.
Figure pat00041
Figure pat00042
구체적으로, 질산제2철9수화물(
Figure pat00043
) 저장조(201)에 저장된 고농도 질산제2철9수화물과
Figure pat00044
(Potassium Hypochlorite) 저장조(202)에 저장된 고농도
Figure pat00045
를 일정 비율로 혼합하고, 이후,
Figure pat00046
(Potassium Hydroxide) 저장조(203) 또는
Figure pat00047
(Sodium Hydroxide) 저장조(203)에 저장된 고농도
Figure pat00048
또는
Figure pat00049
와 일정 비율로 혼합하여 페레이트를 생성하되, 적용되는 대상원수의 성상을 고려하여 필요시 일정 농도로 희석할 수 있는 구조를 갖는다.
또한, 상기 현장 페레이트 발생장치(200)에서 생성된 페레이트 산화제는 유입원수의 성상, 예를 들면, 유량,
Figure pat00050
및 온도와 대상물질의 제거율에 따라 모델예측제어가 가능한 시스템이 구성되어 약품이 주입된다.
본 발명의 실시예에 따른 수처리 적용을 위한 페레이트(Ferrate(Ⅵ))는 +6가의 산화 상태로 이용되는데, 일반적으로 과망간산과 유사한 산화특성을 갖는다. 먼저, 페레이트는 전이금속-기반 산화제이고, 산화반응 이후 반응물은 산화철(iron oxide) 또는 산화망간(mangaese oxide) 형태로서 응집제로 이용된다. 특히, 이러한 페레이트는 응집제로서의 기능을 가지고 있기 때문에 입자성 물질을 부가적으로 응집 및 침전시키는 장점을 갖고 있다.
본 발명의 실시예에 따른 현장 페레이트 발생장치(200)는 사전에 제조된 10M 농도의
Figure pat00051
(Potassium Hydroxide) 또는
Figure pat00052
(Sodium Hydroxide) 저장조와
Figure pat00053
가 혼합된 수 몰농도의
Figure pat00054
(Potassium Hypochlorite) 저장조의 각 약품을 일정 비율로 반응시켜 현장에서 페레이트 농축액을 생성 보관하고, 이를 정량펌프인 페레이트 주입펌프에 의해 유입원수 배관에 주입한다.
이때, 상기 페레이트의 주입량 결정은 다음과 같이 구현될 수 있다. 예를 들면, 제거대상물질(PO)을 에틸비닐케톤(1-penten-3-one)로 설정한 경우, 대상원수에 에틸비닐케톤(1-penten-3-one)의 농도보다 수배 이상의 페레이트 농도로 주입한 사전실험에 의해 측정에 반응속도를 데이터베이스화한다. 이때, 화학반응속도에 영향을 주는 페레이트 농도, 온도와
Figure pat00055
및 DOC 등을 요인인자로 설정하고, 결정인자를 제거대상물질인 에틸비닐케톤(1-penten-3-one)의 제거율 및 반응속도를 사전실험에 의하여 모델화함으로써 다양한 조건에서의 반응속도를 결정할 수 있으며, 예를 들면, 산화제인 페레이트와 제거대상물질인 에틸비닐케톤(1-penten-3-one)간의 화학반응 모델식은 다음과 같은 수학식 2로 설명할 수 있다.
Figure pat00056
여기서,
Figure pat00057
는 반응시간 동안의 페레이트 산화능지수를 나타내고,
Figure pat00058
는 사전실험에 의해 데이터베이스화된 반응속도상수를 나타내며,
Figure pat00059
는 유입원수의 제거대상 물질을 나타낸다.
일반적으로, 페레이트는 수중에서
Figure pat00060
가 높을수록 자기분해 속도가 느린 것으로 알려져 있으나, 수중에서 불안전한 화학물질로 존재한다. 이러한 페레이트는 높은 산화력 특성을 보이는 Fe+5 형태인 퍼페릴(perferryl)과 Fe+4 형태인 페릴(ferryl)[Fe(Ⅳ)] 등의 중간산화물을 거친 후에 Fe+3 형태인 산화철(iron oxide) 형태로 변화되고, 이것은 다시 응집제로서의 부가 작용을 수행한다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 비전극 타입의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템(100)은, 수중에서 악취를 발생시키는 대표적인 물질인 올레핀 구조의 에틸비닐케톤(athylvinylketon: 또는 1-penten-3-one), 이오논(ionone) 및 시클로시트랄(cyclocitral) 물질과 황화수소(hydrogen sulfide)를 제거할 수 있다.
한편, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템에서 현장 페레이트 발생장치를 구체적으로 나타내는 구성도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템에서 현장 페레이트 발생장치(200)는, 질산제2철9수화물(
Figure pat00061
) 저장조(201), 하이포치아염소산칼륨(
Figure pat00062
) 저장조(202), 수산화나트륨(
Figure pat00063
) 저장조(203), 질산제2철9수화물 주입펌프(204), 하이포치아염소산칼륨 주입펌프(205), 수산화나트륨 주입펌프(206), 농축 페레이트 혼합부(207), 희석액(최종처리수) 저장조(208), 희석액 주입펌프(209) 및 희석액/농축액 혼합부(210)를 포함하며, 상기 현장 페레이트 발생장치(200)에서 발생한 페레이트는 페레이트 저장조(220)에 보관된 후, 페레이트 주입펌프(230)를 통해 반응조(160)로 주입되고, 이때, 유입원수 저장조(110)에 저장된 유입원수는 유입원수 주입펌프(130)를 통해 상기 페레이트와 함께 반응조(160)에 주입된다.
질산제2철9수화물(
Figure pat00064
) 저장조(201)는 사전에 제조된 수 몰농도의 질산제2철9수화물(
Figure pat00065
)을 저장하고, 하이포치아염소산칼륨(
Figure pat00066
) 저장조(202)는 사전에 제조된 수 몰농도의 하이포치아염소산칼륨(
Figure pat00067
)을 저장하며, 또한, 수산화나트륨(
Figure pat00068
) 저장조(203)는 사전에 제조된 수 몰농도의 수산화나트륨(
Figure pat00069
)을 저장한다. 이때, 상기 수산화나트륨(
Figure pat00070
) 대신에 수산화칼륨(
Figure pat00071
)이 사용될 수도 있다.
질산제2철9수화물 주입펌프(204)는 상기 질산제2철9수화물 저장조(201)에 저장된 질산제2철9수화물(
Figure pat00072
)을 공급하고, 하이포치아염소산칼륨 주입펌프(205)는 상기 치아염소산칼륨 저장조(202)에 저장된 치아염소산칼륨(
Figure pat00073
)을 공급하며, 또한, 수산화나트륨 주입펌프(206)는 상기 수산화나트륨 저장조(203)에 저장된 수산화나트륨(
Figure pat00074
)을 공급한다.
농축 페레이트 혼합부(207)는 상기 수 몰농도의 하이포아염소산칼륨과 질산제2철9수화물을 혼합한 후, 수 몰농도의 수산화나트륨과 일정 비율로 반응시켜 현장에서 페레이트 농축액을 생성한다.
희석액(최종처리수) 저장조(208)는 상기 유출수인 최종처리수를 희석액으로 저장하고, 희석액 주입펌프(209)는 상기 희석액 저장조(208)에 저장된 희석액을 반응조(160)에 공급한다.
희석액/농축액 혼합부(210)는 상기 희석액 주입펌프(209)에 의해 공급되는 희석액을 상기 농축 페레이트 혼합부(207)로부터 공급되는 농축 페레이트와 혼합하여 배출한다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 전극이 필요 없는 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 활용하여, 기후변화 및 영양염류 증가로 상수원에서 빈번하게 발생하는 녹조 현상으로 유발되는 이취미 유발물질을 제거하고, 하폐수처리장 혐기성 소화조 이후 발생하는 대표적 악취물질인 황화수소를 동시에 제거할 수 있다.
[비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템의 제어방법]
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템의 제어방법의 동작흐름도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템의 제어방법은, 먼저, 유입원수의 유량, 온도 및
Figure pat00075
를 측정한다(S110).
다음으로, 공정관리모듈(180)에 대상물질 제거율 또는 유출수 처리농도 목표를 입력한다(S120).
다음으로, 사전실험에 따른 반응속도모델로부터 반응속도(
Figure pat00076
)를 결정하고(S130), 다음으로, 화학반응 모델식으로부터 페레이트 산화능지수를 산출한다(S140). 구체적으로, 상기 공정관리모듈(180)은, 상기 이취미물질과 황화수소를 제거함에 있어서, 화학반응 모델식을 이용하여 사전에 데이터베이스화된 반응속도상수(
Figure pat00077
) 모델을 이용하여 운영자에 의해 설정된 대상물질의 제거율 또는 유출수의 농도에 따라 페레이트 산화능지수에 의해 페레이트 주입량을 제어한다. 이때, 상기 화학반응 모델식은
Figure pat00078
로 주어지고, 여기서,
Figure pat00079
는 반응시간 동안의 페레이트 산화능지수를 나타내고,
Figure pat00080
는 실험에 의해 데이터베이스화된 반응속도상수를 나타내며,
Figure pat00081
는 유입원수의 제거대상 물질을 나타낸다. 여기서, 상기 페레이트 산화능지수는 운영자에 의해 입력되는 대상물질 제거율 또는 유출수 잔류농도에 따라 결정되고, 상기 공정관리모듈(180)은 상기 페레이트 잔류 농도계(170)에서 측정된 페레이트 잔류 농도에 비례하여 상기 페레이트 산화능지수를 연동 계산하여 현장 페레이트 발생장치(200)를 제어한다.
다음으로, 주입 페레이트 산화능지수가 목표 산화능지수에 부합하는지 확인한다(S150).
다음으로, 상기 주입 페레이트 산화능지수가 목표 산화능지수에 부합하는 경우, 잔류 페레이트 농도 측정에 따른 페레이트 주입조건 적합 여부를 판단한다(S160).
다음으로, 주입 페레이트 산화능지수가 목표 산화능지수에 부합하지 않는 경우, 페레이트 산화능지수 재산출을 위한 대상물질 제거율 및 반응속도상수를 변경한다(S170).
다음으로, 현장 페레이트 발생장치(200)로부터 발생된 페레이트를 주입하기 위한 페레이트 주입펌프(230)의 주입량을 제어한다(S180). 이때, 상기 현장 페레이트 발생장치(200)는 사전에 제조된 수 몰농도의 하이포아염소산칼륨(
Figure pat00082
)과 질산제2철9수화물(
Figure pat00083
)을 혼합한 후, 수 몰농도의 수산화나트륨(
Figure pat00084
)이나 수산화칼륨(
Figure pat00085
)과 일정 비율로 반응시켜 현장에서 페레이트 농축액을 생성 보관하여 공급한다.
다음으로, 페레이트를 반응조(160)에 주입하여 유입원수의 이취미물질 및 황화수소를 제거한다(S190).
이에 따라, 상기 현장 페레이트 발생장치(200)에서 발생된 페레이트는 남조류에서 유발하는 이취미물질 중 올레핀(Olefin) 구조의 이취미물질을 제거하거나 하폐수처리장의 혐기성 소화조 이후 악취를 유발하는 황화수소를 제거할 수 있다. 이때, 상기 올레핀 구조의 이취미물질은 수중에서 악취를 발생하는 에틸비닐케톤(1-penten-3-one), 이오논(ionone) 또는 시클로시트랄(cyclocitral) 물질일 수 있다.
한편, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 페레이트에 의한 대상물질(올레핀 구조의 이취미물질)의 제거효율을 나타내는 도면으로서, 페레이트 주입농도를 변화시킬 경우에 측정되는 반응속도상수(
Figure pat00086
)의 값을 보여주는 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 전술한 수학식 2의 반응모델로 도시된 바와 같이 반응속도상수(
Figure pat00087
)를 사전실험에 의해 산출된 반응속도모델에 의해 도출하면, 대상물질인 에틸비닐케톤(1-penten-3-one), 이오논(ionone) 및 시클로시트랄(cyclocitral) 물질과 황화수소(hydrogen sulfide) 제거율 설정에 따라, 적정 주입농도의 페레이트 주입량을 제어할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 자외선 단독/페레이트와 자외선/페레이트단독 사용에 의한 대상물질(황화수소)의 제거효율을 비교한 결과이다.
도 9 및 도 10에 각각 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예를 적용함에 있어서, 대상물질의 종류와 농도에 따라 제거하는데 필요한 반응시간이 다르기 때문에 각 물질별 반응속도를 반드시 고려하여 반응기를 설계하고, 이에 적합한 페레이트를 주입하여야 한다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 반응모델에 의해 페레이트 주입을 제어함으로써 약품사용량과 전력소모량을 절감시킬 수 있고, 또한, 수중의 악취를 발생하는 올레핀 구조의 이취미물질과 황화수소를 모델예측제어로 제어함으로써 약품 오주입을 사전에 방지하면서, 원하는 수준의 대상물질을 제거할 수 있다. 특히, 종래 기술에 따른 양이온 교환막에서 급격한 막힘 현상으로 인한 빈번한 부품 교체가 필요하지 않고, 종래의 기술보다 용이하게 대상물질을 제거할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템
110: 유입원수 저장조
120: 유량계
130: 유입원수 주입펌프
140:
Figure pat00088
/온도 센서
150: 유입원수 및 페레이트 혼합 라인믹서(Line Mixer)
160: 반응조
170: 페레이트 잔류 농도계
180: 공정관리모듈
200: 현장 페레이트 발생장치
201: 질산제2철9수화물(
Figure pat00089
) 저장조
202: 하이포치아염소산칼륨(
Figure pat00090
) 저장조
203: 수산화나트륨(
Figure pat00091
) 저장조
204: 질산제2철9수화물 주입펌프
205: 하이포치아염소산칼륨 주입펌프
206: 수산화나트륨 주입펌프
207: 농축 페레이트 혼합부
208: 희석액(최종처리수) 저장조
209: 희석액 주입펌프
210: 희석액/농축액 혼합부
220: 페레이트 저장조
230: 페레이트 주입펌프
240: 슬러지 배출펌프

Claims (15)

  1. 유입원수가 저장되는 유입원수 저장조(110);
    전극이 필요 없는 비전극 방식의 현장발생형 장치로서, 상기 유입원수에 대한 유량, 온도 및
    Figure pat00092
    측정 결과에 따라 현장에서 페레이트(Ferrate) 농축액을 생성 보관하여 공급하는 현장 페레이트 발생장치(200);
    상기 현장 페레이트 발생장치(200)에서 발생한 페레이트를 활용하여 상기 유입원수를 수처리하여 유출수를 배출하는 반응조(160);
    유출수 배관에 연결되고, 상기 반응조(160)로부터 배출되는 유출수 내의 페레이트 잔류 농도를 측정하는 페레이트 잔류 농도계(170); 및
    상기 페레이트 잔류 농도계(170)에서 측정된 페레이트 잔류 농도에 따라 상기 현장 페레이트 발생장치(200)에서 생성되는 페레이트 발생을 제어하는 공정관리모듈(180)을 포함하되,
    상기 현장 페레이트 발생장치(200)에서 발생된 페레이트는 남조류에서 유발하는 이취미물질 중 올레핀(Olefin) 구조의 이취미물질을 제거하거나 하폐수처리장의 혐기성 소화조 이후 악취를 유발하는 황화수소를 제거하는 것을 특징으로 하는 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유입원수가 공급되는 유입원수 배관에 설치되어 유입원수의 유량을 측정하는 유량계(120);
    상기 유입원수 저장조(110)에 저장된 유입원수를 공급하는 유입원수 주입펌프(130);
    상기 유입원수 저장조(110)로부터 공급되는 유입원수 배관에 설치되어 유입원수의
    Figure pat00093
    및 온도를 측정하는
    Figure pat00094
    /온도 센서(140); 및
    상기 반응조(160) 전단의 유입수 배관 일측에 설치되고, 상기 유입원수와 상기 페레이트의 충분한 관내 혼합 이후에 상기 반응조(160) 내에 주입하는 유입원수 및 페레이트 혼합 라인믹서(Line Mixer: 150)를 추가로 포함하는 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 올레핀 구조의 이취미물질은 수중에서 악취를 발생하는 에틸비닐케톤(1-penten-3-one), 이오논(ionone) 또는 시클로시트랄(cyclocitral) 물질인 것을 특징으로 하는 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 현장 페레이트 발생장치(200)는 사전에 제조된 수 몰농도의 하이포아염소산칼륨(
    Figure pat00095
    )과 질산제2철9수화물(
    Figure pat00096
    )을 혼합한 후, 수 몰농도의 수산화나트륨(
    Figure pat00097
    )이나 수산화칼륨(
    Figure pat00098
    )과 일정 비율로 반응시켜 현장에서 페레이트 농축액을 생성 보관하여 공급하는 것을 특징으로 하는 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 현장 페레이트 발생장치(200)는,
    사전에 제조된 수 몰농도의 질산제2철9수화물(
    Figure pat00099
    )을 저장하는 질산제2철9수화물(
    Figure pat00100
    ) 저장조(201);
    사전에 제조된 수 몰농도의 하이포치아염소산칼륨(
    Figure pat00101
    )을 저장하는 하이포치아염소산칼륨(
    Figure pat00102
    ) 저장조(202);
    사전에 제조된 수 몰농도의 수산화나트륨(
    Figure pat00103
    )을 저장하는 수산화나트륨(
    Figure pat00104
    ) 저장조(203);
    상기 질산제2철9수화물 저장조(201)에 저장된 질산제2철9수화물(
    Figure pat00105
    )을 공급하는 질산제2철9수화물 주입펌프(204);
    상기 치아염소산칼륨 저장조(202)에 저장된 치아염소산칼륨(
    Figure pat00106
    )을 공급하는 하이포치아염소산칼륨 주입펌프(205);
    상기 수산화나트륨 저장조(203)에 저장된 수산화나트륨(
    Figure pat00107
    )을 공급하는 수산화나트륨 주입펌프(206); 및
    상기 수 몰농도의 하이포아염소산칼륨과 질산제2철9수화물을 혼합한 후, 수 몰농도의 수산화나트륨과 일정 비율로 반응시켜 현장에서 페레이트 농축액을 생성하는 농축 페레이트 혼합부(207)를 포함하는 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 현장 페레이트 발생장치(200)는,
    상기 유출수인 최종처리수를 희석액으로 저장하는 희석액 저장조(208);
    상기 희석액 저장조(208)에 저장된 희석액을 공급하는 희석액 주입펌프(209); 및
    상기 희석액 주입펌프(209)에 의해 공급되는 희석액을 상기 농축 페레이트 혼합부(207)로부터 공급되는 농축 페레이트와 혼합하여 배출하는 희석액/농축액 혼합부(210)를 추가로 포함하는 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 공정관리모듈(180)은, 상기 이취미물질과 황화수소를 제거함에 있어서, 화학반응 모델식을 이용하여 사전에 데이터베이스화된 반응속도상수(
    Figure pat00108
    ) 모델을 이용하여 운영자에 의해 설정된 대상물질의 제거율 또는 유출수의 농도에 따라 페레이트 산화능지수에 의해 페레이트 주입량을 제어하되;
    상기 화학반응 모델식은
    Figure pat00109
    로 주어지고, 여기서,
    Figure pat00110
    는 반응시간 동안의 페레이트 산화능지수를 나타내고,
    Figure pat00111
    는 실험에 의해 데이터베이스화된 반응속도상수를 나타내며,
    Figure pat00112
    는 유입원수의 제거대상 물질을 나타내는 것을 특징으로 하는 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 페레이트 산화능지수는 운영자에 의해 입력되는 대상물질 제거율 또는 유출수 잔류농도에 따라 결정되고, 상기 공정관리모듈(180)은 상기 페레이트 잔류 농도계(170)에서 측정된 페레이트 잔류 농도에 비례하여 상기 페레이트 산화능지수를 연동 계산하여 상기 현장 페레이트 발생장치(200)를 제어하는 것을 특징으로 하는 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 반응조(160)는 자외선을 순차적으로 결합함으로써 상기 페레이트 이외에 수산화라디칼(OH·)에 의한 산화반응 효율을 유도하는 고도산화기술을 이용하여 조류 독성물질 및 이취미물질을 동시에 제거하는 것을 특징으로 하는 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템.
  10. a) 유입원수의 유량, 온도 및
    Figure pat00113
    를 측정하는 단계;
    b) 공정관리모듈(180)에 대상물질 제거율 또는 유출수 처리농도 목표를 입력하는 단계;
    c) 사전실험에 따른 반응속도모델로부터 반응속도(
    Figure pat00114
    )를 결정하는 단계;
    d) 화학반응 모델식으로부터 페레이트 산화능지수를 산출하는 단계;
    e) 주입 페레이트 산화능지수가 목표 산화능지수에 부합하는지 확인하는 단계;
    f) 상기 주입 페레이트 산화능지수가 목표 산화능지수에 부합하는 경우, 잔류 페레이트 농도 측정에 따른 페레이트 주입조건 적합 여부를 판단하는 단계;
    g) 현장 페레이트 발생장치(200)로부터 발생된 페레이트를 주입하기 위한 페레이트 주입펌프(230)의 주입량을 제어하는 단계; 및
    h) 페레이트를 반응조(160)에 주입하여 유입원수의 이취미물질 및 황화수소를 제거하는 단계를 포함하되,
    상기 현장 페레이트 발생장치(200)에서 발생된 페레이트는 남조류에서 유발하는 이취미물질 중 올레핀(Olefin) 구조의 이취미물질을 제거하거나 하폐수처리장의 혐기성 소화조 이후 악취를 유발하는 황화수소를 제거하는 것을 특징으로 하는 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템의 제어방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 e) 단계에서 주입 페레이트 산화능지수가 목표 산화능지수에 부합하지 않는 경우, 페레이트 산화능지수 재산출을 위한 대상물질 제거율 및 반응속도상수를 변경하는 것을 특징으로 하는 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템의 제어방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 올레핀 구조의 이취미물질은 수중에서 악취를 발생하는 에틸비닐케톤(1-penten-3-one), 이오논(ionone) 또는 시클로시트랄(cyclocitral) 물질인 것을 특징으로 하는 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템의 제어방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 현장 페레이트 발생장치(200)는 사전에 제조된 수 몰농도의 하이포아염소산칼륨(
    Figure pat00115
    )과 질산제2철9수화물(
    Figure pat00116
    )을 혼합한 후, 수 몰농도의 수산화나트륨(
    Figure pat00117
    )이나 수산화칼륨(
    Figure pat00118
    )과 일정 비율로 반응시켜 현장에서 페레이트 농축액을 생성 보관하여 공급하는 것을 특징으로 하는 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템의 제어방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 공정관리모듈(180)은, 상기 이취미물질과 황화수소를 제거함에 있어서, 화학반응 모델식을 이용하여 사전에 데이터베이스화된 반응속도상수(
    Figure pat00119
    ) 모델을 이용하여 운영자에 의해 설정된 대상물질의 제거율 또는 유출수의 농도에 따라 페레이트 산화능지수에 의해 페레이트 주입량을 제어하되;
    상기 화학반응 모델식은
    Figure pat00120
    로 주어지고, 여기서,
    Figure pat00121
    는 반응시간 동안의 페레이트 산화능지수를 나타내고,
    Figure pat00122
    는 실험에 의해 데이터베이스화된 반응속도상수를 나타내며,
    Figure pat00123
    는 유입원수의 제거대상 물질을 나타내는 것을 특징으로 하는 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템의 제어방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 페레이트 산화능지수는 운영자에 의해 입력되는 대상물질 제거율 또는 유출수 잔류농도에 따라 결정되고, 상기 공정관리모듈(180)은 상기 페레이트 잔류 농도계(170)에서 측정된 페레이트 잔류 농도에 비례하여 상기 페레이트 산화능지수를 연동 계산하여 상기 현장 페레이트 발생장치(200)를 제어하는 것을 특징으로 하는 비전극 방식의 현장 페레이트 발생장치를 이용한 수중의 이취미물질 및 황화수소 제거 시스템의 제어방법.
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