KR20230035006A

KR20230035006A - 폐수 처리장치

Info

Publication number: KR20230035006A
Application number: KR1020230025934A
Authority: KR
Inventors: 김명주; 윤영재
Original assignee: 김명주
Priority date: 2019-07-01
Filing date: 2023-02-27
Publication date: 2023-03-10
Also published as: KR20220010573A; KR20210003026A

Abstract

본 발명은 폐수 처리장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명의 실싱예에 따르면, 용액을 수용하는 전해조, 상기 전해조의 하측에 형성되어 미세기포를 발생시키는 기체분출기, 상기 기체분출기의 일측에 형성되는 공기 압축기, 상기 전해조 내부에 형성되는 전극, 상기 전극의 일 측으로 연결된 부스바 및 상기 부스바에 연결된 전원공급장치를 포함한다.

Description

폐수 처리장치{APPARATUS TREATMENTING WASTEWATER}

본 발명은 폐수 처리장치에 관한 것이다.

상수도와 하수도의 중간단계가 중수도이다. 중수도는 한번 사용한 물을 재생하여 수세식 화장실용수, 에어컨 냉각수, 청소용수, 조경용수(연못, 분수 등), 소방용수 등 잡용도에 사용할 수 있다.

그만큼 수돗물을 절약할 수 있고, 하수 발생량도 감소시켜 수질보전의 효과도 얻을 수 있다. 중수로 활용하기 위해서 색도, 탁도, BOD, 살균, 총인, 총질소가 법정규정농도 이하로 제거되야하고 유리잔류염소가 일정농도 이상 함유되어 있어야 한다. 현재는 다음과 같은 건축물에 대해서는 의무적으로 설치하게 되어 있다.

중위생관리법에 따른 숙박업 또는 목용장업에 사용되는 시설로서 연먼적이 6만m² 이상인 경우, 산업집적 활성화 및 공장 설립에 관한 법률에 따른 공장으로서 1일 폐수배출량 1천500m² 이상인 경우, 건축 연면적이 6만m² 이상인 시설로서 대규모 점포, 여객자동차 터미널 및 화물터미널, 철도역사, 공항시설, 항만시설 및 종합여객시설, 업무시설, 교도소, 방송국 및 전신전화국, 기타 지방자치단체의 조례가 정하는 시설인 경우이다.

중수도란 용수를 절약하고 하수발생량을 줄이기 위하여 쓰고 버리는 물을 생활용수, 공업용수 등으로 재활용할 수 있도록 설치하는 수처리 재사용 시설로써, 송 배수 시설 및 이용설비로 구성되어있다.

중수로 사용되기 위해서는 법정농도 규제치(2015년 9월 4일 개정)는 BOD 5mg/L이하, T-N 10mg/L이하, T-P 0.5mg/L이하, 탁도 2NTU이하, 색도 20도이하 및 대장균은 불검출, 잔류염소는 0.2mg/L이상이며, 염화물의 농도는 250mg/L이하로 처리되어야 한다.

그러므로 본 발명에서는 착색물질은 미세기포와 계면활성제를 이용한 응집장치를 이용해서 제거하고 그외 다양한 오염물질을 동시에 제거할 수 있는 전해산화 장치를 결합한 시스템을 고안하였다.

다양한 오염물질중 질소제거 방법으로 기존의 생물학적 탈질법은 질화균과 탈질균에 의해 질산성 질소를 제거하며, 혐기적 조건하에서 탈질 세균에 의해 생물적 처리를 하게 된다.

탈질균은 대부분 종속 영양세균으로서 증식에는 유기물이 필요하므로 무기계 폐수와 같이 유기물을 거의 포함하지 않은 폐수를 처리하는 경우엔 수소 공여체로서 메탄올 등을 첨가하고 혐기성 정화조를 설치해야 한다.

따라서 설치 장소나 경제적인 문제가 있으며, 생물적 처리는 온도나 폐수에 포함된 유해성분의 영향을 쉽게 받으므로, 고농도 질소 성분을 제거하기 어려운 과제가 있다.

생물학적 탈질법외에도 이온교환, 막분리, 촉매법등 물리화학적 방법이 있으나 역시 경제적인 문제가 따른다. 전기분해법에 의한 폐수처리는 조작이 간편하고 장치의 크기에 비해 처리능력이 크며, BOD원이 없는 무기계 폐수처리시에는 산업폐기물인 오니의 발생도 없게 된다.

기존 전해법은 암모니아성 질소와 차아염소산 간의 산화 환원 반응을 응용한 전기화학적 탈질법이 있는데, 해수정도의 고농도 염화물 이온용약을 처리할 때 암모니아성 질소의 10% 이상이 질산성 질소로 산화 생성되어 잔존하는 것으로 알여지고 있다.

이 발명의 고안에서는 새로운 전해법이 개발되어 질산성 질소와 암모니아성 질소를 동시에 처리가 가능하며, 산업용의 무기성 질소처리뿐 아니라 생물학적 정화조로의 개조 설치도 용이해서 질소처리능력이 갖춰있지 않은 기존 폐수처리 시설의 이차처리로서도 이용이 가능하다.

전해산화 폐수처리 과정은 전극표면영역에서 유기물질 및 질소 산화하는 직접산화와 전극표면에서 발생하는 강력한 산화제(Chlorate Compound, Activated Oxygenate Compounds)에 의하여 유기물질 및 질소 산화하는 간접산화가 있다. 그 과정은 아래와 같다.

- 폐수 중 유기물질처리과정

[ Away from electrodes ]

R + O₂ + 2H⁺ →RO + H₂O - 2e^-

R + Cl₂ →RO + H₂O - e^-

R + OH^- →RO + H+ + 2e^-

RCl + OH^- →RO + Cl^- + H⁺ + e^-

[ In a closed anode area ]

R + M[OH^-] →M[ ] + RO + H⁺ + e^-

R + M[ClOH] →M[ ] + H⁺ + Cl^- + e^-

H₂O + M[OH^-] →M[ ] + O₂ + 3H⁺ + 4e

M[ ] : 전극표면의 활성점, R : 유기물

- 전해산화 System의 살균과정은 아래와 같다.

1) Anode 영역에서 발생된 잔류염소에 의한 살균 효과

: Cl^- + 2e^－ → OCl^－

2) Anode 영역에서 발생하는 높은 산화 준위에 의한 살균 효과

: 전해산화과정에서 Anode 영역에서는 국부적으로 1,000mV이상의 높은 산화준위 발생으로 전위차에 의한 방전효과에 의해 미생물의 세포벽을 공격하여 살균된다.

본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 등록특허 제10-0435002호(2004.06.09. 공고)에 개시되어 있다.

착색물질이 함유된 폐수처리기술로는 응집처리법, Fenton 산화법, Ozone 처리법, 전자빔에 의한 처리법, 활성탄 흡착에 의한 처리법, 막분리법에 의한 처리법이 있고, 그 밖에 많이 사용되는 방법으로는 미생물의 흡착 성능을 이용한 미생물 처리법과 유기계 및 무기계 흡착제를 이용하는 방법, 차아염소산나트륨(NaOCl), 아염소산나트륨(NaClO₂), 이산화염소(ClO₂) 등의 산화처리법, 그리고 일반 여과처리법 등 여러 가지 방법이 있다. 기존 처리법들은 과다한 약품사용, 슬러지 발생으로 이차오염원 유발 및 높은 에너지의 사용으로 현장적용이 어려움이 있는 것으로 알려져 있다. 그러므로 이 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위한 장치를 고안하고자 하였다.

중수도 시스템을 설치해야하는 시설물들에 따라 다양한 방법이 있으며 설치면적이나 운전이 복잡하다. 폐수를 재처리하여 재활용하기 위해서는 정해진 법적규제농도의 수준까지 색도, 탁도, BOD, 살균, 총인, 총질소 및 냄새가 제거되어야만 하고 일정농도의 유리잔류염소가 포함되어야 한다. 현재 처리방법에서 미생물을 이용하는 생물학적 방법은 독성물질에 쉽게 영향을 받아 처리능력의 변화가 크고 응집제 등을 사용하는 물리화학적 방법은 약품비와 슬러지 처리비용 등의 경제적인 문제가 있다. 또한 살균하기 위한 소독시설이 별도로 있어야하며, 잔류염소농도를 유지하기 위해 약품을 주입하여 한다. 그러므로 본 발명에서는 별도의 소독시설과 약품을 투여하지 않고도 소독과 동시에 잔류염소가 생성되는 장치를 고안하였다. 이를 위한 장치로 착색물질과 다양한 오염물질을 동시에 제거할 수 있는 하나의 단일화된 시스템을 구현하고자 하였다. 중수처리할 유입원수가 매우 다양한 오염물질을 함유하고 있기 때문에 시설장소에 따라 폐수의 특성이 다 다르기 때문에 다양한 중수도 시스템이 있다. 중수도 시설은 초기 투자비용이 만만치 않기 때문에 중, 소규모 건축물에 사용하는 것은 어렵다. 수돗물을 다량으로 사용하는 건축물이라면 고려해 볼 필요가 있고, 건축물마다 다르겠지만 중수도 시설의 설치로 인한 경제적인 손익분기점은 시설 설치후 약 5~10년 정도이다. 본 발명품은 유입원수의 성상과 관계없이 다양한 오염원을 처리할 수 있는 시스템으로 시설면적이 적고, 운전이 간단한 단일시스템으로 발명하여 장치를 콤팩트하고자 한다. 또한 손익분기점도 2~3년으로 경제성이 있는 중수도 시스템을 고안하고자 하였다.

콤팩트한 장치 소형화가 가능해서 폐수처리의 최종공정이나, 질소발생원에 가까운 장소에도 설치가 가능하다. 기존의 미생물 방식에서 필수였던 BOD원의 관리 보급이 필요없게 하고, 처리수의 부하변동이나 온도변화에 의한 처리 능력 변동에도 대응할 수 있도록하며. BOD원이 없는 폐수처리에는 산업폐기물인 오니가 발생하지 않는 시스템을 고안하고자 하였다.

본 발명의 실시예에 따르면, 중수도 시스템으로 적용하기 위해서는 색도, 탁도, BOD, 살균, 총인, 총질소 및 냄새를 정해진 법적 규제농도까지 제거할 수 있고 잔류염소농도도 일정기준으로 생성할 수 있는 하나의 시스템에서 동시에 처리할 수 있게 하였다. 우선 먼저 색도를 제거하기 위해서 미세기포와 계면활성젤를 이용하여 제거할 수 있는 응집장치를 이용하였다. 대부분의 착색물질은 수용성이고, SS의 비중이 물과 거의 비슷하기 때문에 공기를 주입해 미세한 기포로 겉보기 비중을 작게하여 착색물질을 제거하는 비교적 간단한 응집을 이용하여 응집하여 색을 제거할 수 있게된다. 기존의 질소의 제거법에는 생물학적 탈질법, 물리화학적 처리법 등이 있지만 여기서는 전기분해법으로 질소를 제거한다. 또한 전기분해법은 질소제거와 동시에 살균이 가능하며, 유리잔류염소도 생성되게 된다. 사용된 전극은 티타늄 판의 표면에 백금, 이리듐 등의 귀금속을 피복하여 반응 특성이나 내식성을 높였고, 수돗물에 포함된 희박한 염화물이온이 양극에서 산화되어 염소가스를 발생해서 물과 반응함으로서 차아염소산이 생성됨과 동시에 살균처리가 가능하다.

중수도 시스템으로 적용하기 위해 탁도, BOD, 살균, 총인, 총질소 및 냄새를 동시에 제거가 가능한 전해산화를 이용하였다. 응집장치와 전해산화 장치를 별도 공정으로 분리하지 않고 전해산화 장치에 응집공정을 내재하여 하나의 시스템으로 결합하여 처리기술을 단순화하여 장치를 콤팩트하게 하며, 처리효율을 높이고자 하였다.

본 발명에서 개발된 전해법에 의한 폐수처리는 조작이 간편하고 장치의 크기에 비해 처리능력이 크며, BOD원이 없어 무기폐수처리 시에는 산업폐기물인 오니의 발생도 없게 된다.

하나의 전해조 내에서 음극에는 전해에 의해 수소가스와 수산이온이 생성되고 동시에 높은 촉매자용에 의해 질산이온이 아질산이온을 거쳐 암모니아로 환원된다. 양극에는 전해에 의한 산소와 수소이온의 생성과 함께 염소가 생성되나, 염소는 다시 전극근처에서 불균화 분해되어 차아염소산과 염산을 생성한다.

음극에서 발생된 암모니아는 차아염소산과 액상반응으로 클로로아민을 생성하면서 분해된 질소가스는 배출된다.

이는 불연속점 염소처리법의 경우와 같으나, 여기서는 생성된 염화물이온이 양극 산화를 받아서 차아염소산이 되어 다시 반응을 반복하게 된다. 따라서 암모니아 1몰을 분해하려면 차아염소산이 1.5몰 이상 필요하게 되며, 이를 불연속점이라 하는데 고농도 암모니아수의 탈질에는 고농도의 차아염소산이 필요하게 된다.

기존 전해법은 암모니아 질소와 차아염소산 간의 산화 환원반응을 응용한 전기화학적 탈질법이 있는데, 해수정도의 고농도 염화물이온용액을 처리할 때 암모니아성 질소의 10%이상이 질산성 질소로 산화생성되어 잔존하는 것으로 알려지고 있다. 본 발명에서 개발된 전해법은 질산성 질소와 암모니아성 질소를 동시에 처리가능하며, 산업용의 무기성 질소처리 뿐 아니라 생물학적 정화조로의 개조 설치도 용이해서 질소처리 능력이 갖춰있지 않은 기존 폐수처리 시설의 이차처리로서도 이용가능하다.

이 발명에서 개발된 중수도 시스템은 생물학적공법보다 공간부지는 80% 이상, 약품투입량은 90% 이상, 슬러지 발생량은 50% 이상 절감효과가 있다. 또한 질소처리시 톤당 처리비용을 비교하면 염소주입법은 2,500~3,000원, 암모니아 탈기법은 750~850원, 생물학적 처리법은 850~900원 정도이며, 이 발명에서 개발된 중수도 시스템은 500~600원으로 경제성 면에서도 우수하다.

질소처리시 기존 방법과의 체류시간을 비교하면 염소주입법은 0.08 day, 암모니아 탈기법은 1.0 day, 생물학적 처리법은 질산화조가 1.2~1.5 day이고 탈질조는 0.5~0.7이며, 본 중수도 시스템은 0.05 day 로서 체류시간이 매우 짧아 효과적이다. 색도 처리시 톤당 기존처리 비용과의 비교하면 펜톤산화법은 3,800원, 활성탄 처리는 850원이며, 본 개발된 시스템은 450원으로 경제성이 우수하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 폐수 처리장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 1에서 나타낸 것처럼, 본 발명의 실시예에 따른 폐수 처리장치는 기체분출기(1), 공기압축기(2), 양극전극(3), 음극전극(4), 전원공급장치(5), 전해조(6) 및 구리 부스바(7)를 포함한다.

본 발명에서 사용된 착색물질 제거에 사용된 응집장치는 미세기포가 발생할 수 있는 다공성인 기체분출기(1)를 사용하였다.

기체분출기(1)는 기공의 크기가 10㎛인 원통형 세라믹 기체분출기(gas diffuser)로 공기압축기(2)로 공기를 주입하였으며, 응집조(6)의 용량은 1.6L로 설정하였다. 응집조(6)에 분사시킨 공기 주입량은 모든 실험에서 기체 유량계(gas flow meter)로 조절하여 100mL/min으로 유지하였다. 착색 수용액을 제조하기 위하여 염기성 염료인 Basic Yellow 28(BY) 및 직접염료인 Direct Orange 31(DO)을 사용하였다.

염료의 농도를 결정하기 위하여 Shimadzu사의 UV spectrophotometer를 사용하여 최대흡광도(λ_max)에서 표준검량선을 작성한 후 결정하였으며, 각각 색의 최대흡광도는 440nm(BY) 및 427.2nm(DO)이었다.

염기성 염료인 Basic Yellow 28의 색 제거율을 알아보기 위하여 양으로 하전된 무기입자를 선별하는데 주로 이용되는 음이온 계면활성제인 sodium dodecyl sulfate(NaLS)와 sodium oleate(NaOl)를 사용하였다.

각각의 염료용액에 계면활성제를 주입하여 10분 동안 200rpm으로 교반한 후 각각 300mL씩 취하여 회분식 반응기인 응집조(6)에 주입하고 공기압축기(2)를 이용하여 반응조 바닥에 설치된 기체분출기(1)를 이용하여 공기를 불어넣어 염료와 계면활성제가 결합하여 상부에서 응집되어 제거한다.

계면활성제가 첨가하지 않은 실험에서는 최대 제거율이 8%정도로 매우 낮게 나타났으며, 계면활성제는 sodium oleate(NaOl)보다 sodium dodecyl sulfate(NaLS)를 첨가하였을 경우가 더 효율적으로 색이 잘 제거되었으며, sodium dodecyl sulfate(NaLS)와 sodium oleate(NaOl)은 용액에 10~50mg/L로 첨가할 때 약산성과 알카리성을 띄었으며, 각각 계면활성제들의 색 제거율은 40~99% 및 42~93%로 유사하게 나타났다.

그러므로 색을 제거하는데는 계면활성제 농도는 크게 영향을 미친 반면 pH는 별로 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있었으며, 착색물질은 99%까지 제거가 가능하였다.

위에 언급된 응집장치로 책색물질을 제거하고난 후 전해산화 장치를 이용하여 재처리 함으로써 중수도 시스템을 고안하였다.

전해산화장치에 사용된 양극(3)은 티타늄에 Pt, Ir이 코팅된 전극을 사용하였고 음극(4)에는 구리전극을 사용하였다.

전원공급장치(5)에서 구리 부스바(7)를 이용하여 양극(3)과 음극(4)에 전류를 공급한다.

이 전해산화 장치는 촉매활성에 유리한 재료를 음극(4)에 사용하여 질산성 질소의 환원특성을 향상시키고 전해에 의해 발생하는 차아염소산이나 활성산소에 의한 암모니아성 질소의 탈질반응 등 질소제거 효율을 높인 전해조의 구조설계와 제어방법의 개발로 가능하였다.

질산이온의 환원에는 1B족과 2B족의 금속이 알려지고 있는데, 지지전해질에 10mol/L 초산칼륨용액을 첨가시킨 전해액에서 구리시험 전극의 CV(사이클링 볼타그램) 곡선과 전위-pH도를 얻었다.

이 결과, 구리 전극이 수소발생을 억제하는 전해 환원이 가능해서 고효율 환원에 적합한 촉매임을 알 수 있었고, 새로운 구리계통의 다원합금을 개발하여 전해에 의한 질소 성분의 고속제거가 가능하였다.

전기분해에 의한 탈질효과를 알아보기 위해 전해조 1.6L(6)용기에 회분식 운전으로 처리하였다. 시험폐수로서는 수도수에 전 질소량 100mg/L의 질산암모늄과 염화나트륨(100mg/L)을 첨가시킨 인공폐수를 제조하여 탈질 반응에 사용하였다.

전극크기는 양극(3) 및 음극(4)은 그물망 모양의 메쉬형태로 가로, 세로 각각 120mm 및 140mm 이고 전극간격은 5mm로 유지하였으며, 전해조 내부 용액은 아래에서 마그네틱바로 교반하였다.

전원공급장치(5)로부터 공급된 전류는 3A로 5분 동안 운전하여 95%이상의 탈질을 달성하였다.

실제 현장에서 활성슬러지법으로 처리된 방류수를 응집과 전해장치를 결합하여 처리함으로써 중수로 활용가능성을 알아보기 위해 실험을 진행하였다. 실험전 오염물질의 농도는 BOD 8mg/L, T-N 40mg/L, T-P 0.7mg/L, SS 1.2mg/L, 탁도 0.6NTU, 색도 51도 및 세균 2.99 X 10⁴ cfu/ml(참고 대장균 120cfu/ml)이며, 염소이온은 200ml, 전기전도도 0.84mS/cm, 잔류염소는 0mg/L이다. 위 실험에서는 별도의 전해질을 첨가하지 않았다.

사용된 전해조에 응집장치를 결합하여 처리할 경우 장치를 이용할 경우 BOD 0mg/L, T-N 2mg/L, T-P 0.2mg/L, SS 0mg/L, 탁도 0.1NTU, 색도 5도 및 대장균은 불검출되었으며, 잔류염소는 10~50mg/L로 나타났고 염화물의 농도는 150ml/L로 나타나 중수로 활용이 가능하였다.

그러므로 본 발명에서 고안된 장치는 중수도 시스템에 적용하기에으로 적합함을 알 수 있다.

일반적으로 풀장의 살균에는 차아염소산나트륨등 염소계 약제나 오존법이 사용되고 있는에, 약제의 경우 살균성이 있는 유리잔류 염소를 저농도로 유지하기 어려워 고농도의 유리잔류염소 농도로 하게 되면 눈이나 피부에 강한 자극을 주게된다. 또한 오존 경우엔 단기적인 제균성에서 약제보다 높으나 장기간 지속이 안 되어 약제와 병행사용이 의무화되어 있다.

본 발명에서 새로운 전해법을 적용하여 소형 고성능의 전극, 유리잔류 염소농도의 정확한 연속측정법 및 피드백 제어로, 이상적인 유리잔류 염소농도 기준을 유지할 수 있어 차아염소산에 의한 효과적인 제균이 가능했다.

사용된 전극은 그물망 형태로 제작된 티타늄 판의 표면에 백금, 이리듐 중에서 어느하나를 포함하는 금속층을 피복하여 반응특성이나 내식성을 높였고, 수도물에 포함된 희박한 염화물이온이 양극에서 산화되어 염소가스를 발생해서 물과 반응함으로서 차아염소산이 생성된다.

1: 기체분출기
2: 공기압축기
3: 양극전극
4: 음극전극
5: 전원공급장치
6: 전해조
7: 구리 부스바

Claims

용액을 수용하는 전해조;
상기 전해조의 하측에 구비되어 미세기포를 발생시키는 기체분출기;
상기 기체분출기의 일측에 구비되는 공기 압축기;
상기 전해조 내부에 구비되는 전극;
상기 전극의 일 측으로 연결된 부스바; 및
상기 부스바에 연결된 전원공급장치를 포함하고,
상기 전극은 서로 이격되어 구비되는 양극전극 및 음극전극을 포함하며,
상기 양극전극은 그물망 형태로 구비된 티타늄 매쉬를 포함하고,
상기 티타늄 매쉬의 표면에 백금 또는 이리듐 중 어느 하나를 포함하는 금속층이 형성되며,
상기 음극전극은 그물망 형태로 구비되는 구리 매쉬를 포함하고,
상기 기체분출기는
원통형 세라믹;
상기 원통형 세라믹의 표면에 구비되는 복수의 기공; 및
상기 원통형 세라믹을 통해 기체를 제공하는 기체 유량계를 포함하고, 상기 기공의 직경은 10㎛으로 형성되는 폐수처리 장치.