KR20020004661A

KR20020004661A - 원통형 전기응집기를 이용한 폐수처리장치

Info

Publication number: KR20020004661A
Application number: KR1020000038759A
Authority: KR
Inventors: 박영규
Original assignee: 박영규
Priority date: 2000-07-07
Filing date: 2000-07-07
Publication date: 2002-01-16

Abstract

본 발명은 원수조(10)에 수집되는 폐수가 적절한 전처리수단을 거치고 전기응집기(20)에 이르러 부유물 및 용존 유·무기물들을 전기적으로 응집시킨 후 침전조(30)에 재수집되도록 처리하는 시스템에 있어서: 상기 전처리수단은 pH조절기(12), 공기펌프(14), 오존발생기(16), 모래여과조(18)를 구비하고, 상기 전기응집기(20)는 알루미늄 소재의 음전극봉(24) 및 양전극봉(26)을 등간격으로 구비하여, 교번 직류전원을 인가하기 위한 전원발생기(28)와 연결되어 전극봉의 Al⁺³이온을 폐수내에 전리시켜 응집생성물을 형성시키는 것을 특징으로 한다.

이에 따라 설치면적은 물론 반응시간 및 슬러지 발생량을 줄이고 무기응집제에 의한 화학처리방법보다 처리효율을 높힐 수 있으면서 대량의 폐수를 저렴한 가격으로 처리하는 효과가 있다.

Description

원통형 전기응집기를 이용한 폐수처리장치{Waste Water Treatment Apparatus using Cylindrical Electrocoagulated Equipment}

본 발명은 폐수처리장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 설치면적은 물론 반응시간 및 슬러지 발생량을 줄이고 무기응집제에 의한 화학처리방법보다 처리효율을 높힐 수 있으면서 대량의 폐수를 저렴한 가격으로 처리하는 원통형 전기응집기를 이용한 폐수처리장치에 관한 것이다.

기존의 무기응집제를 이용한 폐수의 화학처리과정은 주로 탁도제거를 위해 사용하며 현재는 알루미늄계와 철염계의 무기응집제와 고분자 응집제 등의 응집침전방법이 진행되고 있다. 예를들면, 종래의 관련기술은 산, 알카리약제 등으로 중화공정을 거치고 알럼(Alum)이나 가성소다 및 소석회, 염화제이철, 황산제이철, 포리황산제이철 등의 제이철염을 주제로 한 것과 액체 유산반토, PAC, PAS 등의 알루미늄을 주제로 한 것 등의 다양한 종류의 각종 유기 및 무기응집제를 사용하여 인위적으로 뜬찌기(Scum)를 형성시켜 폐수 중의 BOD, COD 및 색도 원인물질과 기타 중금속물질 등을 제거한다.

그런데 이 경우에 통상으로 기존의 응집침전조의 규모는 오폐수에 유입되는 부유물질을 제거하기 위해 유입수량의 6시간분량 정도이상이 되어야 하기 때문에 장치의 구조가 대형화하여야 한다.

또한 장치의 구성단위공정 역시 원수조와 약품혼화조 그리고 응집침전조로 복잡하게 구성되어야 한다.

그러므로 기존의 무기응집제에 의한 처리방법은 응집제의 투입량 조절이 오염물질의 제거효율과 관계되며 응집제 투입량이 과다한 경우가 대부분이며 이로 인한 슬러지 발생량이 많다.

더욱이 기존의 응집침전방법은 자연침강속도에 의한 침전법이기 때문에 응집물의 침전속도가 느리고 처리면적이 커져야 하고 반응시간이 길어 초기투자비가 매우 크다.

본 발명의 기술분야는 전기화학적 개념을 적용하여 폐수처리를 위한 시스템을 개발하는 것이다. 전극을 이용한 전기화학적 수처리 시스템은 미국의 경우, 철과 알루미늄을 전극재료로 하여 폐수를 처리하는 공정이 연구되었다. 이 경우 알루미늄 전극을 사용한 전해응집은 수산화알루미늄 플록(floc)을 형성시킴으로써 폐수의 색도 제거율을 높히고, 슬러지 발생량을 줄이면서 반응시간 및 설치면적을 줄이기 때문에 대량의 폐수를 저렴한 가격으로 처리할 수 있는 방법이다.

전기응집은 전기분해에 의한 직접적인 이온을 발생시키기 위해 양극에는 알루미늄, 철 등의 용해성 전극을 이용하고 연속적으로 양극주변에 금속 양이온을 공급하여 화학반응을 일어나게 한다. 생성된 금속양이온은 전기장의 힘과 농도구배에 의해서 대류(convection), 확산(diffusion)되며 콜로이드와 같은 입자들과 전기적으로 결합하여 중성화되기 때문에 부유물 및 용존유·무기물이 응집·침전되는 절차를 가진다. (Cenkin, V.E. and Belevttsev, A.N.,"Electrochemical treatment of industrial wastewater", Effluent and water treatment J., July, 243-247 (1985))

그러나 전기응집에 의한 침전방법은 양극판의 주기적인 (+)와 (-)의 교체에 따라 전리된 알루미늄이온과 폐수내 유기물과의 응집침전을 효과적으로 유도하는 과정에서 전극판 두께가 얇은 경우에 알루미늄의 전극판 교체(기존의 경우 30일)가잦아 질 수 있기 때문에 알루미늄을 사용하는 전극판의 수명을 연장하기 위한 기술개발과 관리노력이 수반되지 않으면 효과를 반감시킬 수 있다.

또한 폐수가 처리효율이 40%이상 되기 위해서는 전극간의 간격이 좁아야 하므로(1cm이하) 응집침전 장치내로 유입되는 폐수량이 적고 반응장치 내부에 상당한 수두(水頭)가 걸리기 때문에 장치의 대형화를 이룩하는 데 있어서 개발의 한계가 있다. 그러므로 전극판의 형태를 바꾸고 다량의 폐수를 유입시킬 수 있는 장치의 개발이 필요하다.

그러므로 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 설치면적은 물론 반응시간 및 슬러지 발생량을 줄이고 무기응집제에 의한 화학처리방법보다 처리효율을 높힐 수 있으면서 대량의 폐수를 저렴한 가격으로 처리하는 원통형 전기응집기를 이용한 폐수처리장치를 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 폐수처리장치의 전체공정을 나타내는 모식도,

도 2는 도 1에서 원통형 전기응집기의 내부구조를 나타내는 정면도 및 평면도,

도 3은 전극간의 거리변화에 따른 처리율을 나타내는 그래프.

도 4는 주요 공정에서의 처리된 결과를 비교하여 나타내는 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

10 : 원수조 12 : pH조절기

14 : 공기펌프 16 : 오존발생기

18 : 모래여과조 20 : 전기응집기

22 : 전극판 24 : 음전극봉

26 : 양전극봉 28 : 전원발생기

30 : 침전조

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 원수조(10)에 수집되는 폐수가 적절한 전처리수단을 거치고 전기응집기(20)에 이르러 부유물 및 용존 유·무기물들을 전기적으로 응집시킨 후 침전조(30)에 재수집되도록 처리하는 시스템에 있어서: 상기 전처리수단은 pH조절기(12), 공기펌프(14), 오존발생기(16), 모래여과조(18)를 구비하고, 상기 전기응집기(20)는 알루미늄 소재의 음전극봉(24) 및 양전극봉(26)을 등간격으로 구비하여, 교번 직류전원을 인가하기 위한전원발생기(28)와 연결되어 전극봉의 Al⁺³이온을 폐수내에 전리시켜 응집생성물을 형성시키는 것을 특징으로 한다.

이때 상기 전처리수단은 pH조절기(12)를 통하여 pH 5∼6을 유지하고, 오존발생기(16)의 주입오존의 농도를 15ppm으로 유지한다.

또한 상기 전기응집기(20)는 중앙의 음전극봉(24) 주변으로 다수의 양전극봉(26)이 방사상으로 배치되는 구조이고, 직류전압 15V, 전류 400A 하에서 극성이 분당 200회 주기적으로 교번된다.

이와 같이 알루미늄 전극을 원통형관 내부에 알루미늄봉을 여러겹으로 겹치게 한 후, 알루미늄봉 내부의 전극을 (-)극 그리고 중앙 알루미늄 봉 주위의 소규모 알루미늄봉을 (+)극으로 하여 전기화학 반응으로 양(兩)극의 극판에서 발생된 금속이온을 핵으로 작용하여 안정된 응집물을 생성시켜 최종적으로 금속산화물로 침전시키는 것이다. 즉, 폐수내에 전류를 가하게 되면 전극에서 발생된 금속이온들이 부유입자, 에멀젼화된 입자, 불용성 물질 등과 화학반응을 일으켜서 고체 응집물을 생성시키고 최종적으로 침전을 용이하게 하는 방법이다.

본 발명의 장점은 유기물을 응집한 플록(floc)이 음극반응시 생성된 수소에 의해 부상처리 됨에 따라 급속교반 공정이 불필요하며 반응시간을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 폐수처리장치의 전체공정을 나타내는 모식도이고, 도 2는 도 1에서 원통형 전기응집기의 내부구조를 나타내는 정단면도 및 평면도이다.

도 1에서, 생활오수나 축산폐수에 대한 처리를 위한 장치가 고안되는 바, pH조절기(12)에서 H₂SO₄를 사용하여 pH를 조정한 후 현탁 고형물 및 오염물이 제거되도록 모래여과조(18)를 통과시킨 후 전기응집기(20)를 거치게 하였다. pH의 조정을 위해 원수조(10) 내부로 정량펌프를 연계시켜 일정한 pH를 유지하도록 하며 원수조의 교반은 250rpm의 교반속도를 유지하고, 원수조(10)내 일정한 수위를 유지하도록 한다. 원수조(10)에서 모래여과조(13)를 거쳐 폐수의 고형물이 제거된 상태에서 전기응집기(20)를 통과하도록 장치를 구성하는데, 본 발명의 전기장치를 위해 사용된 전원은 직류로써 전원발생기(28)를 통하여 공급한다. 전기응집 과정동안에 전류량을 측정하기 위하여 AXIOM보드를 컴퓨터에 장착하고 전류세기를 모니터링하여 통전량을 적분 계산토록 한다.

또한 오존발생기(16)는 공기펌프(14)와 연동되고 공기를 이용하여 오존을 발생하며 발생된 오존의 농도는 1∼20mg 정도로 오존의 농도 조절이 가능하다. 오존발생기(16)는 원수조(10) 내부로 유입되는 원수를 오존산화시켜 전기응집기(20) 내에서 유기물의 제거가 쉬워지도록 화학적 성상을 바꾸는 역할을 하게 된다. 이와 같이 하여 전기응집기(20)를 거친 처리수는 침전조(30)를 거쳐 침전된 침전슬러지는 배출구(12)를 통해 펌프로 배출되도록 한다.

이때, 도 2에서, 전기응집기(20)는 원통형의 전극판(22) 안의 중앙에 음전극봉(24)을 두고 그 주위로 양전극봉(26)을 방사형으로 장착하며, 음전극봉(24) 및 양전극봉(26)은 알루미늄 소재를 사용한다. 전기전원은 극봉의 전극이 전원발생기(28)의 타코미터(Tachometer)에 의해 분당 200번 극봉의 전극이 교체되도록 하며 직류전압은 15V, 전류는 400A가 되도록 한다. 알루미늄의 음전극봉(24) 및 양전극봉(26) 간의 간격은 3cm, 폐수의 유입속도는 27ℓ/min을 유지한다.

전기응집기(20)는 양극에 알루미늄의 용해성 전극으로부터 양극주변에 금속양이온을 공급함으로써 반응이 일어나고 생성된 금속양이온은 전극간의 (+)와 (-)을 변화시켰을 경우에 전기장의 힘과 농도구배에 의해서 대류, 확산되며 콜로이드와 같은 입자들과 전기적으로 결합하여 중성화되면서 응집이 이루어지도록 하는 것이다. 이 경우에 유입되는 폐수는 빠른 시간에 응집물생성이 가능하다.

보다 구체적으로, 전기응집을 위해 사용된 전극은 전해반응 중에 산화되기 때문에 이온상태로 용출되며, 음극인 경우 물의 전해에 의해 생성되는 OH^-와 결합하여 응집제의 역할을 할 수 있는 Al(OH)₃를 생성함으로써 무기물 및 유기물 등의 오염물을 응집, 침전시킨다. 이와 같은 반응은 아래 식과 같다.

Al---> Al⁺³+ 3e^-

Al⁺³+ 3OH^----> Al(OH)₃

즉, 음극으로부터는 수소가 발생하고 양극재질로 알루미늄을 사용할 때, 양극의 산화로 생성되는 Al⁺³이온은 음극에서 생성된 OH^-이온과 반응하여 수산화물을생성하고, 용액중의 오염물을 흡착하여 침전시켜 제거한다. 이때 발생한 고형 슬러지는 다른 화학적 처리공정에 의해 발생된 슬러지에 비해 그 양이 매우 적은 장점을 가지며 전해처리의 효과면에 있어서도 유기물 제거와 탈색 등 다양한 산업폐수처리에 이용되고 있다.

전해응집공정은 pH5 정도에서 전하량이 1500C/L, 전류밀도 7.8mA/cm²인 조건하에서 안정된 처리를 보이며 이 경우에 COD, TOC, SS 탁도의 제거효율이 40, 30, 85, 80%으로 나타난다.

이하 다양한 실시예에 의해 본 발명의 작용을 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.

<실시예 1>

표 1은 무기응집제인 Alum(Al₂(SO₄)₃)을 이용한 화학응집과 본 발명의 원통형 전기응집기(20)의 폐수처리효과를 비교분석하여 나타낸 것이다. 본 실시예에서 양전극봉(26)과 전극판(22) 내부 중앙의 음전극봉(24)의 (+),(-)교체가 분당 200번 교체되도록 하고 직류전압은 15V, 전류는 400A가 되도록 하였다. 본 실험을 위해 사용된 폐수는 울산 현대중공업에서 발생하는 생활오수이다.

생활오수의 처리효과증진을 위한 전기응집과 화학응집의 비교

항목 원수 → ↓	화학 응집식	전기 응집식
	COD	SS	COD	SS
	농도 (mg/l)	제거율 (%)	농도 (mg/l)	제거율 (%)	농도 (mg/l)	제거율 (%)	농도 (mg/l)	제거율 (%)
원 수	200	-	250	-	200	-	250	-
모래여과수	140	-	237	5	140	-	237	5
응집방법	화학	70	65	35.6	85	-	-	-	-
응집방법	전기	-	-	-	-	52	45	11.9	95
침전조	21	70	28.5	20	15.6	70	9.5	20

본 실험을 위해 전기응집기(20)의 제원은 중앙의 음전극봉(24)의 직경은 3cm이고 인접한 양전극봉(26)의 직경은 2cm이고 전극판(22)의 외부직경은 20cm을 유지하였으며 알루미늄 극봉 간의 간격은 3cm, 폐수의 유입속도는 27ℓ/min을 유지하도록 하였다.

표 1의 결과는 pH가 6인 경우이고 pH의 변화에 따라 전리 알루미늄의 용해도가 달라져 처리율에 변화가 있다. 표 2에 나타내는 바와 같이 일반적으로 pH가 증가함에 따라 용해도가 증가하여 응집효과가 저하된다.

전기응집 장치내에서 pH변화에 따른 COD제거효율

pH변화	COD제거율 (%)
5	40
6	45
7	36
8	32

<실시예 2>

김해지역의 축산농가에서 수집한 축산폐수를 이용하여 전기응집을 1차 처리, 2차 처리한 실험결과는 아래 표3과 같다. 표 3에서 보듯이 전기응집을 1차처리한 결과보다 2차이상 처리한 결과는 용존 유·무기물을 제외한 타 분석항목의 경우에 처리효율이 증가하고 있다.

전기응집장치를 이용한 축산폐수의 1, 2차 처리결과

항 목	원 수	1차처리수	2차처리수	제거율(%)
CODcr (mg/ℓ)	1248	960	768	39
TOC (mg/ℓ)	84	67	68	19
SS (mg/ℓ)	260	63	48
TDS (mg/ℓ)	4210	3920	3810	10
탁도 (NTU)	47	18	3	92
색도 (CU)	528	71	71	87
NH ₄ -N	565	499	462

<실시예 3>

전류량 3A, pH 5에서 전극간격에 의한 축산폐수처리 효과를 알아보기 위해 실험을 수행하였다. 전극간격은 0.5∼4cm로 변화시켰을 경우에 전극간격으로 인한 COD_cr제거효율에 미치는 영향을 도 3에 나타낸다. 본 실험결과 (+)극과 (-)극의 알루미늄봉의 간격이 넓어질수록 COD제거효율이 저하되는 것으로 나타났고 전극간격이 가장 좁은 0.5cm에서 처리효율이 45%가량 나타났고 간격이 3cm인 경우에 처리효율이 35%로 나타났으며 3cm를 넘는 경우에 처리효과가 크게 떨어지지는 않았다. 이상의 결과를 놓고 볼 때, 알루미늄봉간의 간격이 좁을수록 처리효과를 높아지나 원통형관내의 유속의 흐름을 저하시킬 수 있으므로 실제의 알루미늄봉간의 간격을 3cm로 하는 것이 바람직하다.

<실시예 4>

전극면적에 대해 단위시간 동안에 흐르는 전류량을 변화시키면 전류밀도가변화되어 전극표면에서 플록의 형성으로 수소와의 접촉이 진행되어 유기물 제거에 영향을 주게 된다. 여기서 전류량의 측정은 AXIOM의 전류량 측정판을 컴퓨터에 장착하여 전류세기를 모니터링하는 방법을 채택하였다. 아래 표 4는 전류밀도와 전하량의 변화에 따라 COD제거율을 나타내었으며 전류밀도가 감소할수록 동일 전하량에 대하여 COD제거율이 증가하는 경향을 보이고 있다. 1500C/L의 전하량이상에서는 COD제거율이 크게 증가하지 않는 것으로 보아 알루미늄 전기응집에 의해 제거될 수 있는 유기물이 거의 제거된 상태에 도달하는 것이다. 3A의 경우 전류량이 2,500C/L의 전하량으로 운전할 경우 COD제거율이 감소하는 데 이는 전류량이 증가할수록 음극표면에 생성되는 수소기체의 발생속도가 증가하여 생성된 플록층을 교란시키고 유리된 유기물을 재분산시키기 때문이다. 그러므로 COD제거속도를 높히기 위해서 전하량을 낮게 유지하고 전류량의 적정화를 유지하여야 한다.

전류밀도에 따른 COD제거효과

전하량(C/L) 전류밀도 (A)	500	1500	2500
0.5	10 %	24 %	21 %
1	15 %	28 %	29 %
2	5 %	22 %	22 %
3	1 %	20 %	14 %

<실시예 5>

오존발생기(16)로 주입되는 오존 15ppm으로 폐수원수를 오존처리한 후에 전기응집 처리한 결과, 오존에 의한 폐수내 유기물의 화학적 성상의 변화로 말미암아 폐수처리효율이 증가하는 결과를 가져왔다. 도 4에서 보듯이 염색폐수 원수의 COD가 810ppm인 원수를 전기응집처리한 결과와 오존처리후 전기응집처리한 결과를 나타내었는데 처리결과는 COD처리효율이 30%이상 크게 증가하였다.

본 발명은 무기응집제인 알럼을 이용한 응집처리 보다 원통형관 전기응집에 의한 처리효과가 COD_cr, SS의 제거효율이 각각 45%, 85%로서 화학응집에 의한 방법보다 15%정도 더 우수하다. 또한 오존처리 후 염색폐수를 전기응집처리한 결과 처리결과가 30%정도 증가하는 결과를 가져왔다.

이에 따라 설치면적이나 반응시간이 줄어들고 화학 응집제 등을 전혀 투입하지 않기 때문에 자연히 슬러지 발생량이 감소되므로 무기응집제에 의한 화학처리방법보다 처리효율을 높힐 수 있으면서 대량의 폐수를 저렴한 가격으로 처리하는 것이 가능하다.

이상의 구성 및 작용에 따르면 본 발명은 설치면적은 물론 반응시간 및 슬러지 발생량을 줄이고 무기응집제에 의한 화학처리방법보다 처리효율을 높힐 수 있으면서 대량의 폐수를 저렴한 가격으로 처리하는 효과가 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims

원수조(10)에 수집되는 폐수가 적절한 전처리수단을 거치고 전기응집기(20)에 이르러 부유물 및 용존 유·무기물들을 전기적으로 응집시킨 후 침전조(30)에 재수집되도록 처리하는 시스템에 있어서:

상기 전처리수단은 pH조절기(12), 공기펌프(14), 오존발생기(16), 모래여과조(18)를 구비하고,

상기 전기응집기(20)는 알루미늄 소재의 음전극봉(24) 및 양전극봉(26)을 등간격으로 구비하여, 교번 직류전원을 인가하기 위한 전원발생기(28)와 연결되어 전극봉의 Al⁺³이온을 폐수내에 전리시켜 응집생성물을 형성시키는 것을 특징으로 하는 원통형 전기응집기를 이용한 폐수처리장치.
제 1 항에 있어서,

상기 전처리수단은 pH조절기(12)를 통하여 pH 5∼6을 유지하고, 오존발생기(16)의 주입오존의 농도를 15ppm으로 유지하는 것을 특징으로 하는 원통형 전기응집기를 이용한 폐수처리장치.
제 1 항에 있어서,

상기 전기응집기(20)는 중앙의 음전극봉(24) 주변으로 다수의 양전극봉(26)이 방사상으로 배치되는 구조이고, 직류전압 15V, 전류 400A 하에서 극성이 분당 200회 주기적으로 교번되는 것을 특징으로 하는 원통형 전기응집기를 이용한 폐수처리장치.