KR20200072218A - 하폐수 내 암모니아, 황화수소 그리고 중금속을 동시에 제거하는 방법 - Google Patents

하폐수 내 암모니아, 황화수소 그리고 중금속을 동시에 제거하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 한 실시에에 따른 시스템 장치는 하폐수를 포함하는 반응조 내에 위치하는 산화 전극(anode) 및 반응조 내에 위치하는 환원 전극(cathode)을 포함하는 한 쌍의 전극, 한 쌍의 전극 사이에 위치하는 양이온 교환막(CEM, cation exchange membrane), 한 쌍의 전극에 전기 에너지를 공급하는 전원 공급 장치(power supply), 그리고 환원 전극을 포함하는 반응조 내에 위치하며, 황화수소 가스를 공급하는 디퓨저(diffuser)를 포함하고, 전기화학적 방법으로 암모니아, 중금속, 그리고 황화수소를 동시에 제거하는 전기화학 셀이다.

Description

하폐수 내 암모니아, 황화수소 그리고 중금속을 동시에 제거하는 방법{METHOD FOR SIMULTANEOUS REMOVAL OF AMMONIA, HYDROGEN SULFIDE AND HEAVY METAL IN WASTEWATER}
하폐수 내 암모니아, 황화수소 그리고 중금속을 동시에 제거하는 방법이 제공된다.
하폐수 처리공정에 있어서 혐기성 소화 유출수 또는 축산폐수 등은 많은 양의 암모니아를 함유하고 있다. 하폐수 처리 시설을 통해 정화된 유출수는 강으로 배출되는데, 유출수 내 다량의 암모니아는 생태계 교란을 일으키며 많은 환경적 영향을 야기하므로, 하수종말처리장 및 폐수종말처리장 방류수 수질 기준은 총 질소 60 mg/L 미만으로 규제하고 있다.
전기화학 셀(cell)은, 전기적으로 암모니아를 분리시키고 농축시킬 수 있으며, pH를 염기성 조건으로 유지시켜 최적의 암모니아 스트리핑 조건을 조성할 수 있다. 또한, 바이오가스(biogas) 내 황화수소를 동시에 분리 및 흡수 시킬 수 있으며, 폐수 내 중금속 이온이 분리되어 황 이온 및 수산화 이온과 결합함으로써 침전될 수 있고, 분리될 수 있다.
종래 하폐수 내부 암모니아를 제거하는 공법으로 1) Struvite 광물 침전법, 2) 이온교환법, 3) 암모니아 스트리핑 및 흡수법 등이 있다. Struvite는 Mg2 +, NH4+, PO4 3- 가 1:1:1로 반응하여 생성되는 광물을 침전시켜 암모니아를 제거하는 공법이다. 예를 들어, 이온교환법의 경우, 암모니아를 선택적으로 제거 및 회수할 수 있지만 이온교환에 이용된 제올라이트(zeolite)를 재생성 시킬 때 많은 양의 염(NaCl 등)이 필요할 수 있다. 또한, 암모니아 스트리핑 및 흡수법의 경우, pH 염기성 조건 하에서 공기 버블링 (Air bubbling)등의 방법으로 암모니아를 물리적으로 탈기시켜 산 용액에 흡수, 회수하는 방법이지만 초기 암모니아 농도가 낮을 경우 암모니아 대비 주입하여야 하는 공기의 양이 증가할 수 있다. 또한, 혐기성 소화공정에서 발생하는 바이오 가스(biogas) 중 황화수소(H2S)는, 악취 및 관 부식 문제 등 여러 가지 문제점을 발생시킨다. 황화수소는 염기성 용액에 흡수시켜 HS- 형태로 포집 및 분리시키는 형태로 제거가 가능하지만 지속적으로 수산화나트륨 등 염기성 화학물을 주입해야 할 필요가 있다.
한편, 종래의 제거 방법은 추가적으로 흡수, 흡착제(Mg2 + 또는 PO4 3-)를 주입하는 공정이 필요하고, 재생단계가 요구되며, 많은 에너지가 소모되는 문제점이 있으므로, 실질적인 암모니아, 중금속, 황화수소를 동시에 제거하는 것에 어려움이 있을 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 하폐수 내 암모니아, 황화수소 그리고 중금속을 동시에 제거하는 방법은 전기화학 시스템을 이용한 제거 방법을 통해 효율성을 증대시키기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 하폐수 내 암모니아, 황화수소 그리고 중금속을 동시에 제거하는 방법은 제거 공정의 생산성과 경제성을 증대시키기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 하폐수 내 암모니아, 황화수소 그리고 중금속을 동시에 제거하는 방법은 전기화학 시스템을 통한 제거 방법의 이용률을 증대시키기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
본 발명의 한 실시에에 따른 시스템 장치는 하폐수를 포함하는 반응조 내에 위치하는 산화 전극(anode) 및 반응조 내에 위치하는 환원 전극(cathode)을 포함하는 한 쌍의 전극, 한 쌍의 전극 사이에 위치하는 양이온 교환막(CEM, cation exchange membrane), 한 쌍의 전극에 전기 에너지를 공급하는 전원 공급 장치(power supply), 그리고 환원 전극을 포함하는 반응조 내에 위치하며, 황화수소 가스를 공급하는 디퓨저(diffuser)를 포함하고, 전기화학적 방법으로 암모니아, 중금속, 그리고 황화수소를 동시에 제거하는 전기화학 셀이다.
양이온 교환막을 통과하는 양이온은 암모늄 이온(NH4 +) 및 금속 이온을 포함할 수 있다.
암모니아는 용해도 약 0.1 중량부 이상 내지 약 30 중량부 이하로 농축될 수 있다.
금속 이온은 칼륨이온(K+), 나트륨이온(Na+) 아연이온(Zn2 +), 구리이온(Cu2 +), 니켈이온(Ni2+), 철이온(Fe2 +), 망간이온(Mn2 +), 또는 카드뮴이온(Cd2 +) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
한 쌍의 전극은, 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 구리(Cu), 탄소계 금속, 또는 백금계 금속을 하나 이상 포함할 수 있다.
본 발명의 한 실시에에 따른 암모니아, 중금속, 그리고 황화수소 제거방법은 산화 전극을 포함하는 반응조에 하폐수를 공급하는 단계, 환원 전극을 포함하는 반응조에 증류수(DIW, DeIonized Water) 및 황화수소 가스(H2S gas)를 공급하는 단계, 전원 공급 장치(power supply)에 전압을 인가하면 양이온들이 양이온 교환막을 통과하는 단계, 그리고 환원 전극을 포함하는 반응조 내에서 암모니아가 농축되고, 금속 이온과 황화수소가 침전되어 제거되는 단계를 포함한다.
산화 전극을 포함하는 반응조에 하폐수를 공급하는 단계에서, 하폐수 내에 포함되어 있는 미생물 세포(cell)들의 용균(lysis) 과정에서 발생하는 기포를 제거하기 위한 변형제(deforming agent)를 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
황화수소 가스는, 디퓨저(diffuser), 노즐(nozzle) 또는 다공성 버블러(bubbler)를 통해 공급될 수 있다.
양이온들이 양이온 교환막을 통과하는 단계에서, 물분해에 의해 성성된 수산화이온(OH-)으로 인해 pH가 지속적으로 상승하며, 염기성 상태일 수 있다.
양이온들이 산화 전극에서 환원 전극으로 이동하여 제거될 수 있다.
산화 전극 내에 포함된 암모늄 이온은 양이온 교환막을 통과하면서 암모니아로 농축되고 제거될 수 있다.
양이온들에 포함된 중금속 이온이 황 이온(S2-) 또는 수산화 이온(OH-)과 반응하여 금속황화물(MeS, metal sulfide) 또는 금속수산화물(Me(OH)2)의 형태로 침전물(solid)을 형성하고, 중금속 이온 및 황화수소가 제거될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 하폐수 내 암모니아, 황화수소 그리고 중금속을 동시에 제거하는 방법은 전기화학 시스템을 이용한 제거 방법을 통해 효율성을 증대시킬 수 있고, 방법은 제거 공정의 생산성과 경제성을 증대시킬 수 있으며, 전기화학 시스템을 통한 제거 방법의 이용률을 증대시킬 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 하폐수 내 암모니아, 황화수소 그리고 중금속을 동시에 제거하는 방법의 시스템 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 실시예에 따른 하폐수 내 암모니아, 황화수소 그리고 중금속을 동시에 제거하는 방법의 과정을 나타내는 도면이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
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.
도 1은 전기화학 시스템을 도입한 암모니아, 중금속, 황화수소를 동시에 제거하는 처리장치의 도면이고, 도 2는 암모니아, 중금속, 그리고 황화수소 제거 장치에서 이 물질들을 제거하는 공정 과정을 나타내는 도면이다.
도 1 및 2를 참조하면, 실시예에 따른 하폐수 내부 암모니아, 중금속 그리고 황화수소를 제거하는 시스템 장치(100)는, 산화 전극(10), 환원 전극(20) 및 양이온 교환막(CEM, cation exchange membrane)(30), 전원 공급 장치(power supply)(40), 디퓨저(50)를 포함한다.
도 1 및 2를 참조하여 암모니아, 중금속, 그리고 황화수소를 제거하는 과정을 보다 상세하게 설명한다.
시스템 장치(100)는, 전기화학 셀로써, 하폐수 내 암모니아 또는 중금속을 전기적으로 분리시켜 제거하는 장치를 말한다. 하폐수는 암모니아를 다량 함유할 수 있다. 예를 들어, 축산폐수는 약 2,000 mg/L 이상의 다량의 암모니아를 함유할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이때, 시스템 장치(100)는, 추후 공정으로 폐수처리 분야에서 필수적인 공정들을 저에너지 및 효율적으로 처리하기 위한 전처리 공정으로 이용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
산화 전극(10) 및 환원 전극(20)은 전기 에너지를 공급하면, 인접한 전해질 및 전자를 이동시키고, 전달할 수 있다. 이때, 산화 전극(10) 및 환원 전극(20)은 부식성이 적은 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 구리(Cu), 탄소계, 백금계 금속 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
산화 전극(anode)(10)은 양극으로써, 전압을 걸어주면 산소가 발생할 수 있고, 전자를 제공할 수 있다. 산화 전극(10)을 포함하는 반응조 내에 하폐수가 공급될 수 있으며, 암모니아 및 중금속이 공급될 수 있다. 하폐수 내부에는 양이온이 포함될 수 있다. 양이온은, 예를 들어, 암모늄 이온(NH4 +), K+, Na+, Zn2 +, Cu2 +, Ni2+, Fe2 +, Mn2 +, Cd2 + 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.한편, 산화 전극(10)에 전압을 걸어줄 때, 하폐수 내에 포함되어 있는 미생물 세포(cell)들이 용균(lysis)되면서 분해될 수 있고, 기포가 다량 발생할 수 있다. 이러한 기포를 막기 위해, 변형제(deforming agent)를 약 1% 이하로 첨가할 수 있다.
환원 전극(cathode)(20)은 음극으로써, 전압을 걸어주면 수산화 이온(-OH)이 발생할 수 있고, pH가 증가할 수 있다. 이로 인해, 환원 전극(20)을 포함하는 반응조 내에서 양이온 제거 반응이 일어날 수 있다. 예를 들어, 암모늄 이온이 산화 전극(10)을 통해 환원 전극(20)으로 이동할 수 있으며, 암모늄 이온(NH4 +)이 암모니아(NH3)로 농축될 수 있다. 이에 따라, 환원 전극(20)을 포함하는 반응조에서 암모늄 이온의 농도가 감소될 수 있고, 암모늄 이온은 산화 전극(10)에서 환원 전극(20)쪽으로 지속적으로 공급될 수 있다. 암모니아는 용해도 약 0.1 중량부 이상 내지 약 30 중량부(표준 상태: 25℃, 1기압) 이하로 농축될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 암모니아는 물에 잘 녹는 물질로써, 염기성 조건에서 용해도 부근까지 무한히 용해될 수 있으며, 약 30 중량%까지 용해될 수 있다.
이때, 환원 전극(20)을 포함하는 반응조는 증류수를 포함할 수 있으며, 디퓨저(50)를 통해 황화수소(H2S) 가스가 연속적으로 주입될 수 있다. 환원전극(20)에 전압을 걸어줄 때, 황화수소는 수소 이온(H+)을 발생시킬 수 있다. 디퓨저(50)는 환원 전극(20) 반응조 내에 포함될 수 있고, 예를 들어, 디퓨저(diffuser), 노즐(nozzle), 다공성 버블러(bubbler) 등의 형태를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
전압 인가 시, 산화 전극(10)에서 나타나는 물 분해 반응은 하기 반응식 1로 표현될 수 있다.
[반응식 1]
2H2O → O2 + 4H+ + 4e-　　　　　　　
전압 인가 시, 환원 전극(20)에서 나타나는 물 분해 반응은 하기 반응식 2로 표현될 수 있다.
[반응식 2]
2H2O + 2e- → H2 + 2OH-　　　　　　
양이온 교환막(CEM, cation exchange membrane)(30)은, 산화 전극(10) 및 환원 전극(20) 사이에 위치하며, 반응조 내에 존재하는 양이온만 쉽게 통과할 수 있다. 양이온 교환막(30)의 종류는, 폴리테트라플루오르에틸렌(PETE, Polytetrafluoroethylene), 폴리에스터(PET, Polyester), 플루오로중합체, 스티렌(styrene), 폴리설폰(polysulfone), 비닐계(vinyl), 유기산, 탄화수소계 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 산화 전극(10) 반응조에 포함된 양이온은 양이온 교환막(30)을 통해 환원 전극(20) 반응조로 이동할 수 있다. 이 단계에서, 환원 전극(20) 반응조에 암모늄 이온 및 금속 이온이 이동해 올 수 있으며, 암모늄 이온이 수소 이온과 암모니아로 해리되면서 암모니아가 농축될 수 있다. 또한, 생성된 수소 이온은 환원 전극(20) 반응조 내의 수산화 이온과 결합할 수 있다.
암모늄 이온이 산화 전극(10) 반응조에서 환원 전극(20)으로 이동하면서 수소 이온이 생성되는 반응은 하기 반응식 3으로 표현될 수 있다.
[반응식 3]
NH4 + → NH3(aq) + H+
이때, 환원 전극(20) 반응조 내에는 전기 분해에 의해 생성된 전자가 공급될 수 있고, 수산화 이온이 생성될 수 있다. 이에 따라, 전기적 중성(charge neutrality)을 유지하기 위하여 양이온이 이동해 올 수 있다. 예를 들어, 암모늄 이온만 양이온 교환막(30)을 통과한다고 가정할 경우, 전기적 중성(charge neutrality)을 유지하기 위하여 전자와 상응하는 양의 암모늄 이온이 통과할 수 있고, pH가 유지될 수 있다. 그러나, 실제로 양이온에는 암모니아뿐만 아니라 하폐수 내부 중금속을 포함한 여러 금속 이온들(K+, Na+, Zn2 +, Cu2 +, Ni2 +, Fe2 +, Mn2 +, Cd2+ 등)도 양이온 교환막(30)을 함께통과할 수 있기 때문에 환원 전극(20) 반응조의 pH가 지속적으로 상승할 수 있다.
환원 전극(20) 반응조 내에 존재하는 잉여 수산화 이온은 황화수소 가스(H2S)와 반응할 수 있으며, 침전되어 제거될 수 있다. 이처럼, 환원 전극(20) 반응조에 공급되는 황화수소의 양 및 전압으로 인해, 환원 전극(20) 반응조의 pH가 유지 또는 증가할 수 있다.
황화수소가 환원 전극(20) 반응조 내에서 수산화 이온과 반응하여 황화수소 이온(HS-)이 생성되는 반응은 하기 반응식 4로 표현될 수 있다. 이때, 염기성 조건에서 황화수소(H2S)는, 수산화 이온(OH-)과 반응하여 물(H2O)과 황화수소 이온(HS-)이 생성될 수 있고, 황화수소 가스가 포집될 수 있다.
[반응식 4]
H2S + OH- → HS- + H2O
중금속 이온들이 환원 전극(20) 반응조 내에서 황 이온(S2-) 또는 수산화 이온(OH-)과 반응하여 침전물(s, solid)이 형성되는 반응은 하기 반응식 5 내지 반응식 16으로 표현될 수 있다. 이때, 황 이온(S2-)은 염기성 조건에서 황화수소 이온(HS-)이 해리되어 생성될 수 있으며, 수소 이온(H+)과 함께 생성될 수 있다.
[반응식 5]
Fe2 + + S2- → FeS (s)
[반응식 6]
Ni2 + + S2- → NiS (s)
[반응식 7]
Zn2 + + S2- → ZnS (s)
[반응식 8]
Cd2 + + S2- → CdS (s)
[반응식 9]
Pb2 + + S2- → PbS (s)
[반응식 10]
Cu2 + + S2- → CuS (s)
[반응식 11]
Fe2 + + OH- → Fe(OH)2 (s)
[반응식 12]
Ni2 + + OH- → Ni(OH)2 (s)
[반응식 13]
Zn2 + + OH- → Zn(OH)2 (s)
[반응식 14]
Cd2 + + OH- → Cd(OH)2 (s)
[반응식 15]
Pb2 + + OH- → Pb(OH)2 (s)
[반응식 16]
Cu2 + + OH- → Cu(OH)2 (s)
이러한 중금속(Me, metal) 이온들은 염기성 조건 하에서 황화수소 이온 또는 수산화 이온과 결합할 수 있으며, 금속황화물(MeS, metal sulfide) 또는 금속수산화물(Me(OH)2)의 형태로 결합할 수 있고, 침전되어 제거될 수 있다.
전자는 산화 전극(10)에서 발생되어 환원 전극(20)으로 이동할 수 있으며, 산화 전극(10)을 포함하는 반응조 내에 존재하는 양이온이 환원 전극(20)을 포함하는 반응조로 이동할 수 있다. 또한, 환원 전극(20) 반응조에 포함된 음이온이 산화 전극(10) 반응조로 이동할 수 있으며, 전하적 중성을 형성할 수 있다.
실시예에 따른 암모니아, 중금속, 그리고 황화수소 제거 방법은, 시스템 장치(100)의 산화 전극(10)를 포함하는 반응조에 하폐수를 공급하고 환원 전극(20)을 포함하는 반응조에 증류수(DIW, DeIonized Water)를 공급하는 단계, 전원 공급 장치(power supply)(40)에 전압을 인가하여 양이온들이 양이온 교환막(30)을 통과하는 단계, 환원 전극(20) 반응조 내에서 암모늄 이온을 농축시키고, 중금속 이온 및 황화수소를 침전시켜 제거시키는 단계를 포함한다.
우선, 시스템 장치(100)의 산화 전극(10)를 포함하는 반응조에 하폐수를 공급하고 환원 전극(20)을 포함하는 반응조에 증류수(DIW, DeIonized Water)를 공급하는 단계가 수행된다. 이때, 하폐수 내에는 암모니아 또는 중금속이 포함될 수 있다. 또한, 환원 전극(20)을 포함하는 반응조는 디퓨저(50)를 포함하여 반응조 내부로 황화수소 가스가 주입될 수 있다.
다음으로, 전원 공급 장치(power supply)(40)에 전압을 인가한 후 다수의 양이온들이 양이온 교환막(30)을 통과하는 단계가 수행된다. 두 전극(10, 20)에 전기 에너지가 공급되면, 양이온 교환막(30)을 통과하는 양이온들은 산화 전극(10) 반응조에서 환원 전극(20) 반응조로 이동할 수 있다. 이때, 산화 전극(10) 반응조에서 물의 분해 반응을 통해 수소 이온이 생성될 수 있고, 환원 전극(20) 반응조에서 물의 분해 반응을 통해 수산화 이온이 생성될 수 있다. 예를 들어, 양이온 교환막은 폴리테트라플루오르에틸렌(PETE, Polytetrafluoroethylene), 폴리에스터(PET, Polyester), 플루오로중합체, 스티렌(styrene), 폴리설폰(polysulfone), 비닐계(vinyl), 유기산, 탄화수소계 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
이어서, 환원 전극(20) 반응조 내에서 암모니아를 농축시키고, 중금속 이온 및 황화수소를 침전시켜 제거시키는 단계가 수행된다. 이때, 환원 전극(20)은 전자를 얻어 반응조 내부에 수산화 이온이 다수 존재하여 염기성 상태일 수 있으며, pH가 증가할 수 있다.
이 단계에서, 환원 전극(20) 반응조에서는 물의 분해 반응, 황화수소의 흡수 반응, 중금속의 침전 반응 등이 나타날 수 있다. 황화수소(H2S)는 수산화 이온(OH-)과 반응하여 황화수소 이온(HS-) 및 수소 이온(H+)이 생성될 수 있고, 암모늄 이온이 해리되어 암모니아 및 수소 이온이 생성될 수 있다. 중금속 이온은, 예를 들어, Zn2 +, Cu2 +, Ni2 +, Fe2 +, Mn2 +, Cd2 + 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이러한 금속(Me, metal) 이온들은 염기성 조건 하에서 황화수소 이온 또는 수산화 이온과 결합할 수 있으며, 금속황화물(MeS, metal sulfide) 또는 금속수산화물(Me(OH)2)의 형태로 결합할 수 있고, 침전되어 제거될 수 있다.
따라서, 암모늄 이온은 암모니아로 농축되어 제거될 수 있고, 중금속은 금속황화물(MeS, metal sulfide) 또는 Me(OH)2 형태로 침전되어 제거될 수 있다. 이때, 금속은 황화수소와 결합하면서 황화수소 가스는 포집될 수 있고 동시에 제거될 수 있다.
정리하면, 실시예에 따른 시스템 장치(100)를 이용한 제거 방법은, 하폐수 내에 포함된 암모니아 및 중금속을 제거하는 데 이용될 수 있으며, 암모니아 제거 공정, 황화수소 제거 공정, 그리고 중금속 제거 공정을 동시에 수행할 수 있다. 이로 인해, 에너지 소비를 최소화할 수 있고, 공정설비 초기 투자비용을 최소화 할 수 있으며, 암모니아 및 황화수소를 농축 시킬 수 있기 때문에 2차처리 비용을 최소화 할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 시스템 장치 10: 산화 전극
20: 환원 전극 30: 양이온 교환막
40: 전원 공급 장치 50: 디퓨저

Claims (12)

  1. 하폐수를 포함하는 반응조 내에 위치하는 산화 전극(anode) 및 반응조 내에 위치하는 환원 전극(cathode)을 포함하는 한 쌍의 전극,
    상기 한 쌍의 전극 사이에 위치하는 양이온 교환막(CEM, cation exchange membrane),
    상기 한 쌍의 전극에 전기 에너지를 공급하는 전원 공급 장치(power supply), 그리고
    상기 환원 전극을 포함하는 반응조 내에 위치하며, 황화수소 가스를 공급하는 디퓨저(diffuser)
    를 포함하고,
    전기화학적 방법으로 암모니아, 중금속, 그리고 황화수소를 동시에 제거하는 전기화학 셀인
    시스템 장치.
  2. 제 1항에서,
    상기 양이온 교환막을 통과하는 상기 양이온은 암모늄 이온(NH4 +) 및 금속 이온을 포함하는 시스템 장치.
  3. 제 1항에서,
    상기 암모니아는 용해도 약 0.1 중량부 이상 내지 약 30 중량부 이하로 농축되는 시스템 장치.
  4. 제 2항에서,
    상기 금속 이온은 칼륨이온(K+), 나트륨이온(Na+) 아연이온(Zn2 +), 구리이온(Cu2+), 니켈이온(Ni2 +), 철이온(Fe2 +), 망간이온(Mn2 +), 또는 카드뮴이온(Cd2 +) 중 하나 이상을 포함하는 시스템 장치.
  5. 제 1항에서,
    상기 한 쌍의 전극은, 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 구리(Cu), 탄소계 금속, 또는 백금계 금속을 하나 이상 포함하는 시스템 장치.
  6. 산화 전극을 포함하는 반응조에 하폐수를 공급하는 단계,
    환원 전극을 포함하는 반응조에 증류수(DIW, DeIonized Water) 및 황화수소 가스(H2S gas)를 공급하는 단계,
    전원 공급 장치(power supply)에 전압을 인가하면 양이온들이 양이온 교환막을 통과하는 단계, 그리고
    상기 환원 전극을 포함하는 반응조 내에서 암모니아가 농축되고, 금속 이온과 황화수소가 침전되어 제거되는 단계
    를 포함하는
    암모니아, 중금속, 그리고 황화수소 제거방법.
  7. 제 6항에서,
    상기 산화 전극을 포함하는 반응조에 하폐수를 공급하는 단계에서, 상기 하폐수 내에 포함되어 있는 미생물 세포(cell)들의 용균(lysis) 과정에서 발생하는 기포를 제거하기 위한 변형제(deforming agent)를 첨가하는 단계를 더 포함하는 암모니아, 중금속, 그리고 황화수소 제거방법.
  8. 제 6항에서,
    상기 황화수소 가스는, 디퓨저(diffuser), 노즐(nozzle) 또는 다공성 버블러(bubbler)를 통해 공급되는 암모니아, 중금속, 그리고 황화수소 제거방법.
  9. 제 7항에서,
    상기 양이온들이 양이온 교환막을 통과하는 단계에서, 상기 환원 전극을 포함하는 반응조는 물분해에 의해 생성된 수산화이온(OH-)으로 인해 pH가 지속적으로 상승하며, 염기성 상태인 암모니아, 중금속, 그리고 황화수소 제거방법.
  10. 제 9항에서,
    상기 양이온들이 상기 산화 전극에서 상기 환원 전극으로 이동하여 제거되는 암모니아, 중금속, 그리고 황화수소 제거방법.
  11. 제 10항에서,
    상기 산화 전극 내에 포함된 상기 암모늄 이온은 상기 양이온 교환막을 통과하면서 암모니아로 농축되고 제거되는 암모니아, 중금속, 그리고 황화수소 제거방법.
  12. 제 10항에서,
    상기 양이온들에 포함된 중금속 이온이 황 이온(S2-) 또는 수산화 이온(OH-)과 반응하여 금속황화물(MeS, metal sulfide) 또는 금속수산화물(Me(OH)2)의 형태로 침전물(solid)을 형성하고, 상기 중금속 이온 및 황화수소가 제거되는 암모니아, 중금속, 그리고 황화수소 제거방법.
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