KR20020086305A

KR20020086305A - 이온화가스 발생장치 및 전자조사장치를 이용한 오폐수처리 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20020086305A
Application number: KR1020020027443A
Authority: KR
Inventors: 김경엽
Original assignee: 유토파워주식회사
Priority date: 2002-05-17
Filing date: 2002-05-17
Publication date: 2002-11-18
Anticipated expiration: 2022-05-17
Also published as: KR100446438B1

Abstract

본 발명은 이온화가스 발생장치 및 전자조사장치를 이용한 오폐수 처리 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 본 발명은 고전압 방전을 통해 발생된 전자를 이용하여 유입된 공기를 이온화시켜 이온화가스를 생성하여 공급하는 이온화가스 발생장치; 이온화가스 발생장치를 통해 유입되는 이온화가스 및 처리수 파이프를 통해 유입되는 처리수를 혼합하여 기액혼합물을 생성하는 혼합 집수실과; 혼합 집수실에 연결되어 있으며, 혼합 집수실의 기액혼합물을 통수 파이프를 통해 지정된 경로로 이동시키는 흡입펌프와; 통수 파이프를 통해 유입되는 기액혼합물을 일정한 경로를 통해 이동시키는 반응통수코일관과; 전자파 및 에너지를 포함하는 자극체의 공진공동 발진출력을 발생시키는 전자조사기와; 전자조사기에 연결되어 있으며, 전자조사기에서 생성된 전자파 및 에너지를 방출하는 조사 안테나와; 조사 안테나에서 방출되는 전자파 및 에너지를 특정 위치에 집중 조사시키는 조사관; 및 반응통수코일관의 하단에 설치되어 반응통수코일관을 투과한 전자파 및 전자에너지를 반사시켜 반응통수코일관 내의 기액혼합물에 전자파 및 에너지를 역조사시키는 반사경을 포함한다. 따라서, 본 발명에 의하면 기액혼합물에 강력한 전자파와 전자에너지를 조사함으로써 플라즈마 및 수산화라디칼(-OH)을 이용하여 기액혼합물을 산화분해시켜 염소, 암모니아, 질소 등을 비산(飛散)시키고, 스컴 또는 슬러지 상태로 분리 처리하여 정화시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

이온화가스 발생장치 및 전자조사장치를 이용한 오폐수 처리 시스템 및 방법{Sewage/waste water treatment system and method using Electronic radiation apparatus and ionization-gas ganerator apparatus}

본 발명은 이온화가스 발생장치 및 전자조사장치를 이용한 오폐수 처리 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정화할 처리수(오폐수 또는 1차처리수 등)를 이온화가스 및 공기(산소)와 혼합시켜 기액혼합물을 생성하고, 이 기액혼합물을 반응통수코일관으로 유입시키고, 전자조사장치를 통해 발생되는 강력한 전자파와 전자에너지를 기액혼합물에 조사함으로써 기액혼합물을 산화분해시켜 염소, 암모니아, 질소 등을 비산(飛散)시키고, 스컴 또는 슬러지 상태로 분리 처리하고, 분리 처리된 기액혼합물을 마디 분사구로 유입시켜 기액산화작용과 산소 용존 효과를 촉진시키는 이온화가스 발생장치 및 전자조사장치를 이용한 오폐수 처리 시스템 및 방법에 관한 것이다.

인간의 생존과 활동에는 각종 자원을 필요로 하며, 그 결과 필연적으로 폐기물을 배출하게 되고, 이로서 대기오염, 수질오염, 토양오염은 물론 소음, 진동, 악취 등의 환경오염을 야기하고 있다. 특히, 수질오염은 물에 임의의 이물질이 유입되어 물의 성분과 상태를 변화시켜 물을 그대로 이용할 수 없는 폐수상태에 이른 것을 말하며, 하천, 호수, 해양, 연안 내의 수질오염은 인간의 건강에 큰 위협을 주고 있다.

수질을 오염시키는 물질은 유독성 물질과 유기물로 대별할 수 있다. 유독성물질은 DDT, BHC와 같은 유기 염소계 농약, 유기인제, 수은, 카드뮴, 납, 크롬, 기타 중금속 화합물(예컨대, PCB, 시안, 페놀, 비소 등)을 포함하며, 유기물은 생물원료에 유래되는 폐기물 또는 생물의 신진대사 과정에서 배설되는 분뇨, 하수, 농축산폐수, 식품공장의 폐수 등을 포함한다. 유기폐수는 하천이나 호수의 자정 능력을 초과한 때에 수질오염을 유발시킨다.

화학 폐수 및 폐기물 침출수 등의 난분해성 폐수를 정화하는데는 화학약품에 의한 방법이 사용되는데, 이와 같은 화학적 폐수처리시스템에서는 미생물의 처리가 이루어지지 않고 화학약품에 의존하기 때문에 운전비용이 높으며, 처리수에 산화제 등이 포함된 상태로 외부로 방류되기 때문에 하천 생태계를 파괴하게 되는 2차 오염의 폐단이 있다.

또한, 독성 및 난분해성 오염 물질을 처리하기 위해서 과산화수소와 2가 철이온이 반응하여 발생한 수산화라디칼(-OH)의 강한 산화력을 이용하여 오폐수 내에 존재하는 난분해성 물질을 분해하는 펜톤(Fenton) 산화법이 있으나 이 방법은 반응의 촉매로 사용되는 철로 인하여 철수산화물 형태의 슬러지가 다량 발생한다는 문제점이 있다.

또한, 미국 등의 선진국에서 실용화되고 있는 자외선 및 과산화수소(H₂O₂)를 이용한 광분해 산화 시스템의 경우 그 효과는 이미 입증되었지만, 계속적으로 약품(즉, 과산화수소)을 주입해 주어야 하는 단점과 오폐수 내에 함유되어 있는 중금속 이온 성분(예컨대, Cr⁺², Co⁺², Ni⁺²등)은 제거할 수 없는 단점을 가지고 있다.이와 같은 광분해 산화 시스템은 600ppm급의 고농도 유기물을 함유한 오폐수에 대한 유기물 제거율이 80%에도 못미쳐 처리효율이 떨어질 뿐만 아니라 자외선의 폐수에 대한 투과성이 나쁘고 반응속도가 느려 소량의 오폐수처리에 국한되어 사용되고 있는 실정이다. 더 나아가, 자외선 광촉매[UV/이산화티탄(TiO₂)]를 이용한 광촉매 산화 시스템의 경우, 아직까지 독성 및 난분해성 화학물질을 분해시키는데 주된 역할을 하는 수산화라디칼(-OH)의 형성 속도가 매우 느리기 때문에 실용화를 위해서는 많은 연구가 노력이 필요한 실정이다. 즉, 광촉매 산화 시스템은 유기물에 대한 제거율이 80∼90%까지 높아지지만, 이 역시 반응시간은 30시간 이상을 필요로 하며, 첨가된 TiO₂산화촉매의 영향으로 오폐수에 대한 자외선의 투과깊이가 제한되어 처리효율이 떨어지는 폐단이 있었다.

이와 같이 산업발달과 더불어 필수적으로 수반되는 오폐수를 보다 효율적으로 처리하기 위한 여러 가지 다양한 처리 방법들이 제안되고 있으나 아직 만족할 만한 수준에는 이르지 못하고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 제1 목적은 전자조사장치를 통해 강력한 전자파 및 전자에너지를 기액혼합물에 조사시켜 기액혼합물을 산화시키는 플라즈마 및 수산화라디칼(-OH)에 의한 산화 공법을 이용하여 기액혼합물을 정화 처리하는 이온화가스 발생장치 및 전자조사장치를 이용한 오폐수 처리 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 제2 목적은 플라즈마 및 수산화라디칼(-OH)에 의한 산화 공법에 의해 정화 처리된 기액혼합물을 마디 분사구로 유입시켜 기액산화작용과 산소 용존 효과를 촉진시키는 이온화가스 발생장치 및 전자조사장치를 이용한 오폐수 처리 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 제3 목적은 기액혼합물의 진행통로인 반응통수코일관을 전자파 및 전자에너지가 효율적으로 침투할 수(조사될 수) 있도록 세라믹 유전체관(투명체), 유리관 또는 앨탈피관으로 구성하여 기액혼합물이 전자파 및 전자에너지와의 간섭반응을 극대화시키고, 반응통수코일관을 나선 평면형 또는 달팽이관(소용돌이) 모양으로 구현하여 반응시간을 극대화시키는 이온화가스 발생장치 및 전자조사장치를 이용한 오폐수 처리 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 제4 목적은 반응통수코일관을 투과한 전자파 및 전자에너지를 반사시키는 반사판을 반응통수코일관의 하단에 설치하여 투과된 전자파 및 전자에너지를 역조사시킴으로써 반응효율을 극대화시키는 이온화가스 발생장치 및 전자조사장치를 이용한 오폐수 처리 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 오폐수 처리 시스템의 구성도이고,

도 2는 본 발명에 따른 이온화가스 발생장치의 구성도이고,

도 3a는 본 발명에 따른 반응통수코일관의 일실시예를 나타낸 도면이고,

도 3b는 본 발명에 따른 반응통수코일관의 다른 실시예를 나타낸 도면이고,

도 4는 본 발명에 따른 마디 분사구에서의 기액혼합물 이동상태를 나타내는 도면이고,

도 5는 본 발명에 따른 오폐수 처리 시스템의 전체적인 동작을 설명하는 흐름도이다.

♣ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣

10: 이온화가스 발생장치20: 가스방

30: 처리수 파이프40: 혼합 집수실

50: 흡입펌프60: 반응통수코일관

70: 전자조사기80: 조사 안테나

90: 조사관95: 반사경

100: 오폐수 처리 시스템

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전자파 및 에너지를 이용하여 오폐수를 정화시키는 오폐수 처리 시스템에 있어서, 고전압 방전을 통해 발생된 전자를 이용하여 유입된 공기를 이온화시켜 이온화가스를 생성하여 공급하는 이온화가스 발생장치; 이온화가스 발생장치를 통해 유입되는 이온화가스 및 처리수 파이프를 통해 유입되는 처리수를 혼합하여 기액혼합물을 생성하는 혼합 집수실과; 혼합 집수실에 연결되어 있으며, 혼합 집수실의 기액혼합물을 통수 파이프를 통해 지정된 경로로 이동시키는 흡입펌프와; 통수 파이프를 통해 유입되는 기액혼합물을 일정한 경로를 통해 이동시키는 반응통수코일관과; 전자파 및 에너지를 포함하는 자극체의 공진공동 발진출력을 발생시키는 전자조사기와; 전자조사기에 연결되어 있으며, 전자조사기에서 생성된 전자파 및 에너지를 방출하는 조사 안테나와; 조사 안테나에서 방출되는 전자파 및 에너지를 특정 위치에 집중 조사시키는 조사관; 및 반응통수코일관의 하단에 설치되어 반응통수코일관을 투과한 전자파 및 전자에너지를 반사시켜 반응통수코일관 내의 기액혼합물에 전자파 및 에너지를 역조사시키는 반사경을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 전자파 및 에너지를 이용하여 오폐수를 정화시키는 오폐수 처리 방법에 있어서, 전자조사기를 가동시켜 전자파 및 에너지를 생성하고, 생성된 전자파 및 에너지를 방출하는 단계와; 이온화가스 발생장치를 통해 인가되는 이온화가스와 정화 처리할 처리수를 혼합한 기액혼합물을 생성하는 단계와; 기액혼합물을 전자파 및 에너지 방출 영역으로 이동시켜 기액혼합물을 플라즈마 및 수산화라디칼(-OH)에 의한 산화 공법에 의해 정화 처리하는 단계와; 전자파 및 에너지를 반사시켜 기액혼합물로 역조사시키는 단계; 및 기액혼합물을 압축혼합하여 배출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 이온화가스 발생장치 및 전자조사장치를 이용한 오폐수 처리 시스템 및 방법에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 오폐수 처리 시스템(100)의 구성도로서, 본 오폐수 처리 시스템(100)은 이온화가스 발생장치(10), 제1 가스 파이프(19), 가스방(20), 제2 가스 파이프(25), 처리수 파이프(30), 혼합 집수실(40), 흡입펌프(50), 통수 파이프(55), 반응통수코일관(60), 전자조사기(70), 조사 안테나(80), 조사관(90) 및 반사경(95)을 포함하여 구성되어 있으며, 반응통수코일관(60)의 배출부분에는 다수개의 마디 분사구(60a)가 형성되어 있고, 전자조사기(70)는 고전압 발생부(72), 충방전 콘덴서(74), 다이오드(76) 및 전자관(78)으로 구성되어 있다.

이온화가스 발생장치(10)는 고전압 방전을 통해 발생된 전자를 이용하여 유입된 공기를 이온화시켜 이온화가스를 생성하여 공급하는 역할을 수행한다. 이온화가스 발생장치에서 생성되는 이온화가스에는 OH^-, O^2-등의 이온과 오존(O₃), 이산화수소(HO₂) 등의 산화가스 성분이 포함된다. 이온화가스 발생장치(10)에서 생성된 이온화가스는 제1 가스 파이프(19)를 통해 지정된 경로로 이동되며, 이온화가스의 공급여부는 제1 가스밸브(19a)에 의해 좌우된다. 오폐수 처리시 사용되는 이온화가스(특히, 오존)는 자연계에서 염소의 7배나 되는 산화력을 가져서 강력한 살균력(오존의 경우, 박테리아는 물론 곰팡이, 이끼, 바이러스까지 10초 이내에 99.99%이상 사멸시키며, 대장균의 경우, 염소살균보다 3150배 속살, 염소의 경우 바이러스는 살균불가하며, THN 등의 발암성 물질 발생)을 가질 뿐만 아니라, 수중의 냄새 분자와 결합하여 냄새를 제거하며, 수중의 탁도를 크게 떨어뜨리고, 또한소포 작용이 있고, 공장 및 산업폐수나 세탁 세제등에서 나오는 유해유기물질이나 시안 및 페놀과 같은 독성 물질들을 분해하여 무해화하고, 수은, 철 망간과 같은 중금속들을 산화시켜 제거하기 쉽게 하는 등 염소처리시에 나타나지 않는 처리 장점을 가질 뿐만 아니라, 결국에는 산소로 되돌아가서 BOD,COD를 크게 개선시키며, 2차 공해 물질(염소의 경우, THM 등)을 전혀 만들지 않는 장점을 가지고 있다. 오폐수 처리시 이용되는 오존은 전술한 이온화가스 발생장치(10)를 이용하여 생성할 수 있지만, 일반 오존발생장치를 이용할 수 있음은 물론이다. 인위적으로 오존을 발생시키는 방법으로는 무성방전법, 전해법, 광화학적 방법 등이 있으며 대량의 오존을 발생시키는 방법으로는 일반적으로 무성방전법이 널리 사용되고 있다. 무성방전법은 교류의 고전압(6,000∼18,000V)을 가하고 반대의 전극사이에 유리와 세라믹과 같은 유전체를 넣고 이 방전공간에 공기 또는 산소를 주입하여 오존을 발생시키는 원리이다. 오존발생장치 및 원리는 본 기술분야의 당업자에게 널리 공지된 것이므로 더 이상 상세하게 설명하지 않는다. 이온화가스 발생장치(10)의 구성은 도 2에 도시되어 있다.

가스방(20)은 습기 또는 기액혼합물 등이 역류하는 것을 방지하고 이온화가스의 공급을 중계하는 역할을 수행한다. 가스방(20)을 경유한 이온화가스는 제2 가스 파이프(25)를 통해 지정된 경로로 이동되며, 이온화가스의 중계여부는 제2 가스밸브(25a)에 의해 좌우된다. 후술하는 혼합 집수실(40)에 기액혼합물이 존재하는 경우 습기 또는 기액혼합물이 제2 가스 파이프(25)를 통해 역류하는 경우가 발생할 수 있다. 따라서, 가스방(20)은 이러한 역류현상을 방지하기 위한 것으로,가스방(20)에 적재된 습기 또는 기액혼합물은 배출밸브(20a)를 통해 유출시킬 수 있다.

처리수 파이프(30)는 정화할 처리수를 지정된 경로로 이동시키기 위한 것으로, 처리수의 공급여부는 개폐밸브(30a)에 의해 좌우된다.

혼합 집수실(40)은 제2 가스 파이프(25) 및 처리수 파이프(30)를 통해 유입되는 이온화가스 및 처리수를 혼합하는 역할을 수행한다. 즉, 혼합 집수실(40)은 이온화가스와 처리수를 혼합시켜 이온화가스로 하여금 처리수를 일차적으로 정화 처리하도록 유도한다. 혼합 집수실(40)에는 흡입펌프(50)가 연결되어 있어 흡입펌프의 흡입력에 의해 이온화가스와 처리수를 용이하게 기액혼합화 한다. 또한, 흡입펌프(50)는 기액혼합물을 통수 파이프(55)를 통해 지정된 경로로 이동시킨다. 종래에는 폭기조에 공기 또는 오존을 주입시켜 처리수를 정화 처리하는 방법을 이용하였는데, 이러한 방법은 공기 또는 오존을 주입시키고자 할 때 수심 깊숙히(예컨대, 4∼5m) 여러 개의 폭기관을 설치하고 고압 컴프레서(고압 압축기)를 이용하여 공기 또는 오존을 주입시켜야 하기 때문에 많은 에너지와 설치 비용이 소요된다. 종래의 방법은 폭기조에 주입된 공기 또는 오존이 주입 즉시 수면 위로 부상하여 공중에 비산(飛散)하므로 산화 분해 용존효율이 떨어지는 단점이 있다. 그러나, 본 발명의 혼합 집수실(40)은 별도의 추가 설비없이 처리수(액체)와 이온화가스(기체)를 기액혼합화하므로 산화 분해 용존효율을 극대화시킬 수 있다는 장점이 있다.

반응통수코일관(60)은 통수 파이프(55)를 통해 유입되는 기액혼합물을 일정한 경로를 통해 이동시키는 역할을 수행한다. 반응통수코일관(60)은 전자파 및 에너지가 효율적으로 침투할 수(조사될 수) 있도록 세라믹 유전체관(투명체) 또는 유리관 등으로 제작하는 것이 바람직하다. 또한, 반응통수코일관(60)은 기액혼합물이 후술하는 조사관(90) 영역 내에서 최대한 긴 시간동안 전자파 및 에너지를 조사받을 수 있도록 나선 평면형 또는 달팽이관(소용돌이) 모양으로 형성하는 것이 바람직하다. 반응통수코일관(60)은 통과한 기액혼합물을 압축혼합하기 위한 마디 분사구(60a) 및 마디 분사구(60a)를 통과한 기액혼합물을 배출시키는 배출구(60b)를 포함한다.

전자조사기(70)는 자극체의 공진공동 발진출력(즉, 전자파 및 에너지)을 발생시키는 것으로, 전자조사기(70)는 고압 트랜스, 2차 고압코일 및 2차 저압코일로 구성되어 입력전압을 고전압으로 승압시키는 고전압 발생부(72), 고전압 발생부(72)에서 발생한 고전압을 충전 및 방전하는 충방전 콘덴서(74), 전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하고 그 반대쪽 방향으로는 흐르지 못하게 하는 정류 특성을 갖는 다이오드(76) 및 자기장 속에서 극초단파(ultra-high frequency:UHF)를 발진하는 전자관(magnetron)(78)을 포함하여 구성되어 있다. 여기에서, 전자관(78)은 일반적으로 순동(純銅)의 전극을 양극으로 하고, 축방향으로 음극과 그리드가 배치되어 있다. 음극의 축방향으로 자기장을 걸면 음극에서 반지름 방향으로 튀어나온 전자는 양극에 흡인됨과 동시에 자기장에 의해서 진행방향으로 직각의 힘을 받는다. 그 결과 전자는 나선상의 운동을 하게 되며, 여기서 자기장의 강도를 크게 하면 전자가 구부러지는 양도 커지며, 양극에 도달하기 전에 여러번 회전하게 된다. 또한, 자기장의 강도가 어느 한계(임계자속밀도)에 도달하면 전자는 거의 양극에도달하지 못하게 되며, 이때 음극 주위에는 전자에 의한 회전전자극(回轉電子極)이 생기고 양극의 진동회로에는 유도전류가 생겨 진동이 자극되어 지속한다. 발진 주파수는 대부분 진동회로에 의해 정해지고 고능률이며, 또한 대출력을 얻는다. 전자관(78)에서 발생되는 발진출력은 수기가 헤르쯔(예컨대, 1.5∼3 GHz)의 전자파와 수KW급 에너지(즉, 충격 에너지)를 포함한다.

조사 안테나(80)는 전자조사기(70)의 전자관(78)에 연결되어 있으며, 전자조사기(70)의 전자관(78)에서 생성된 전자파 및 에너지를 방출하는 역할을 수행한다.

조사관(90)은 조사 안테나(80)에서 방출되는 전자파 및 에너지를 특정 위치에 집중 조사시키는 역할을 수행하는 것으로, 재질은 스텐레스 또는 티타늄 합금 재질을 사용하는 것이 바람직하다.

반사경(95)은 반응통수코일관(60)의 하단에 설치되어 반응통수코일관(60)을 투과한 전자파 및 전자에너지를 반사시켜 반응통수코일관(60) 내의 기액혼합물에 전자파 및 에너지를 역조사시키는 역할을 수행한다. 반사경(95)은 반응통수코일관(60)을 투과된 전자파 및 에너지를 역조사시킴으로써 반응효율을 극대화시키는 효과가 있으며, 이를 위해 반사율이 좋은 스텐레스 또는 티타늄 합금 재질로 구현하고 일정한 곡율을 유지하여 특정 위치에 전자파 및 에너지가 집중되도록 구현하는 것이 바람직하다.

도 2는 본 발명에 따른 이온화가스 발생장치(10)의 구성도로서, 이온화가스 발생장치(10)는 하우징(11), 공기 유입구(12a), 이온화가스 배출구(12b), 격벽(13), 제1 및 제2 전극(14a, 14b), 절연 부도체(15), 제1 및 제2 송풍기(16a,16b), 방전관(17), 변압기(18a) 및 전원(18b)을 포함하여 구성되어 있다. 이온화가스 발생장치(10)에 대한 설명은 특허등록 제316802호("고전압 방전을 이용한 이온화가스 발생장치"에 상세하게 기재되어 있으므로 여기에서는 설명을 생략한다.

도 3a는 본 발명에 따른 반응통수코일관의 일실시예를 나타낸 도면이고, 도 3b는 본 발명에 따른 반응통수코일관의 다른 실시예를 나타낸 도면이다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 반응통수코일관(60)을 나선 평면형으로 구현하여 조사관(90) 내에 위치시킴으로써, 반응통수코일관(60) 내의 기액혼합물이 보다 오랫동안 조사관(90)에 머무를 수 있도록 구현할 수 있다. 또한, 도 3b에 도시된 바와 같이, 반응통수코일관(60)을 달팽이관(소용돌이) 모양으로 구현하여 조사관(90) 내에 위치시킴으로써, 반응통수코일관(60) 내의 기액혼합물이 보다 오랫동안 조사관(90)에 머무를 수 있도록 구현할 수 있다. 반응통수코일관(60)을 전술한 나선 평면형 및 달팽이관(소용돌이) 모양으로 구현하는 이유는 반응 시간을 길게 유지하기 위한 것으로, 전술한 모양 이외에 다른 모양(예컨대, 지그재그형 등)으로 변경할 수 있음은 당연하다.

도 4는 본 발명에 따른 마디 분사구(60a)에서의 기액혼합물 이동상태를 나타내는 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 반응통수코일관(60)을 통과한 기액혼합물은 마디 분사구(60)를 통과하면서 압축혼합되어 이동한다. 마디 분사구(60a)를 통과하는 기액혼합물이 압축혼합되는 원리는 운동하고 있는 유체 내에서의 압력과 유속, 임의의 수평면에 대한 높이 사이의 관계를 나타내는 유체역학의 정리인 베르누이 정리를 이용한 것이다. 베르누이 정리는 운동하고 있는 유체의 역학적 총에너지, 즉 유체의 압력에 의한 에너지와 임의의 수평면에 대한 중력에 의한 위치 에너지 그리고 유체의 운동 에너지의 총합이 일정하다는 것이다. 그러므로 베르누이 정리는 흐름이 균일하거나 층류인 이상유체(理想流體)에 대한 에너지 보존원리이다. 따라서, 베르누이 정리에 의하면 유체 압력의 감소는 유속의 증가를 뜻한다. 예를 들어 수평면에 놓인 단면적이 변하는 도관을 통해 유체가 흐를 때, 도관의 단면적이 줄어들수록 유속은 증가한다. 그러므로 유체가 도관에 대해 작용하는 압력은 도관의 단면적이 최소인 부분에서 가장 작아진다.

베르누이 정리를 본 발명에 적용하기 위해 반응통수코일관(60)의 일정 영역에 일정 길이마다 환형의 마디 분사구(60a)를 형성하고, 이 마디 분사구(60a)를 통과하는 기액혼합물을 제한함으로써 기액혼합물이 소용돌이치면서 압축혼합되도록 유도한다. 반응통수코일관(60)에는 다수개의 마디 분사구(60a)가 형성되어 있으므로 마디 분사구(60a)를 통과할 때마다 기액혼합물은 여러 번 압축혼합 된다. 따라서, 이러한 과정이 반복될수록 기액혼합물의 이온화가스는 완전히 분해되고 산소의 일부는 산화역할을 수행하고 일부는 용존되므로 정화 처리를 극대화할 수 있다.

이하에서는, 본 발명에 따른 이온화가스 발생장치 및 전자조사장치를 이용한 오폐수 처리 시스템 및 방법에 대한 동작 관계를 첨부된 도면에 의거하여 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명에 따른 오폐수 처리 시스템의 전체적인 동작을 설명하는 흐름도이고, 반응통수코일관은 나선 평면형 및 달팽이관(소용돌이) 모양 중 어느 하나를 선택하여 조사관 내에 위치시켰다고 가정한다.

먼저, 사용자는 전자조사기에 전원을 인가하여 전자조사기를 가동시켜 전자관을 통해 전자파 및 에너지를 생성하고, 생성된 전자파 및 에너지를 조사 안테나를 통해 외부로 방출시킨다(S510). 여기에서, 전자파 및 에너지는 고전압 발생부, 충방전 콘덴서, 다이오드 및 전자관으로 구성된 전자조사기에서 생성되며, 전자파는 수기가 헤르쯔(예컨대, 1.5∼3 GHz)이고, 에너지(즉, 충격 에너지)는 수KW급이다. 조사 안테나를 통해 방출된 전자파 및 에너지는 조사관에 의해 일정 범위를 일탈되지 않고 조사관 범위 내에서 조사될 수 있도록 구현되어 있다.

동시에, 사용자는 이온화가스 발생장치를 가동시켜 이온화가스를 생성하고 생성된 이온화가스를 제1 및 제2 가스 파이프를 통해 혼합 집수실로 공급하고, 개폐밸브를 개방하여 처리수를 처리수 파이프를 통해 혼합 집수실로 공급시켜 이온화가스와 처리수를 기액혼합화 시킨다(S520). 이 때, 가스방에 역류수가 있는가를 조사(S530)하여 역류수가 있으면 배출밸브를 개방하여 역류수를 배출한다(S540). 혼합 집수실에 기액혼합물이 존재하는 경우 습기 또는 기액혼합물이 제2 가스 파이프를 통해 역류하는 경우가 발생할 수 있다. 따라서, 가스방에 역류수가 존재하는 경우에는 이온화가스의 원활한 공급을 위해 역류수를 배출하는 것이 바람직하다. 이온화가스 발생장치에서 생성된 이온화가스는 제1 가스밸브의 개방에 따라 제1 가스 파이프를 통해 가스방으로 유입되고 가스방에 유입된 이온화가스는 제2 가스밸브의 개방에 따라 제2 가스 파이프를 통해 혼합 집수실로 공급되도록 구현되어 있다.

다음에, 흡입펌프를 가동시켜 혼합 집수실에 담긴 기액혼합물을 통수 파이프를 통해 반응통수코일관으로 투입시킨다(S550). 투입된 기액혼합물은 반응통수코일관의 경로를 따라 이동하며, 이동 도중 방출된 전자파 및 에너지에 의해 기액혼합물은 정화 처리된다(S560). 전자파 및 에너지는 반응통수코일관 내에서 이동중인 기액혼합물을 산화반응시켜 유기물, 악취, 색상, 세균류, 영양류(질소인), 페놀 및 중금속성 등을 분해시키고, 해당 기액혼합물을 산화분해시켜 염소, 암모니아, 질소 등을 비산(飛散)시키고, 스컴 또는 슬러지 상태로 분리하여 정화 처리한다. 전자파 및 에너지가 반응통수코일관에 조사되면 전자파의 마이너스와 플라스 전자극이 빠르게 전환되는데, 이때 기액혼합물 내에 존재하는 물분자, 유해물질 및 이온화가스 및 산소 등이 맹렬하게 상충 산란하면서 전리현상과 이온화로 플라즈마 현상이 발생되며 분자가 가열되어(Heating) 반응을 촉진시킨다. 이때 전리되는 이온들의 활성화로 유해물(유기물 등의 오염원), 이온화가스 및 공기(산소)의 반응으로 강력한 산화력을 가진 수산화라디칼(-OH)이 생성되고, 수산화라디칼(-OH)에 의해 각종 오염 물질이 정화된다. 즉, 전자파 및 에너지는 공기와 접촉하여 H⁺, HO₂, H₂O₂, O₃및 이온들의 혼합물(플라즈마 가스)을 생성하여 기액혼합물 내에서 수하전자, H⁺, OH 및 각종 라디칼 또는 자유전자를 생성한다. 이러한 라디칼들이 기액혼합물의 각종 오염 물질과 반응하여 정화작용을 일으킨다. 또한, 전자파 및 에너지의 활성화에 따라 반응통수코일관의 내부 온도를 상승시키고 그로 인해 기액혼합물이 활성화되어 플라즈마 상태로의 전환을 가속화시킨다. 예를 들어, 플라즈마 및 수산화라디칼(-OH)들은 불포화 화합물(예컨대, -C ≡C-, -C=C-, -N=N-, -C=C-)을 포화 화합물(예컨대, -C-C, -N-, -C-O-)로 전환시키거나 독성이 있는 난분해성 방향족 화합물(예컨대, 벤젠, 토로엔, 크레졸 등)을 사슬 화합물로 전환시키거나 긴 사슬 화합물을 짧은 사슬 화합물의 이온화 물질로 전환시키거나 전하를 띠지 않는 부유물질을 전하를 띠는 이온화 물질로 전환시켜 응집반응 및 침전이 용이하게 한다. 또한, 수산화라디칼(-OH)에 의한 산화분해작용이 극대화되면서 일부 산소는 물속에 용해되어 용존되고, 이러한 산화반응은 반응통수코일관 내로 이동하는 기액혼합물의 생화학적 산소요구량(BOD: Biochemical Oxygen Demand) 및 화학적 산소 요구량(COD: Chemical Oxygen Demand)을 낮추고 용존산소량을 증가시켜 맑고 깨끗하게 정화 처리한다. 전술한 바와 같이, 반응통수코일관은 나선 평면형 또는 달팽이관(소용돌이) 모양으로 구현하여 정화 처리 시간이 최대가 되도록 한다.

반응통수코일관을 투과한 전자파 및 에너지는 반사경에 의해 반사되어 반응통수코일관 내의 기액혼합물로 역조사시킨다(S570). 따라서, 역조사된 전자파 및 에너지에 의해 기액혼합물의 정화효율이 극대화된다. 반사경은 스텐레스 또는 티타늄 합금 재질로 구현하고, 일정한 곡율을 유지시킴으로써 반사율을 극대화시키는 것이 바람직하다.

정화 처리된 기액혼합물은 반응통수코일관 하부에 설치된 마디 분사구로 이동되고(S580), 이 기액혼합물은 다수개의 마디 분사구를 통과하면서 압축혼합 된다(S590). 마디 분사구를 통과하는 기액혼합물을 압축혼합하는 원리는 베르누이 정리를 이용한 것이며, 마디 분사구를 통과하는 기액혼합물을 제한함으로써 기액혼합물이 소용돌이치면서 압축혼합되도록 유도한다. 반응통수코일관에는 다수개의 마디 분사구가 형성되어 있으므로 마디 분사구를 통과할 때마다 기액혼합물은 여러번 압축혼합 된다. 따라서, 이러한 과정이 반복될수록 기액혼합물의 이온화가스는 완전히 분해되고 산소의 일부는 산화역할을 수행하고 일부는 용존되므로 정화 처리를 극대화할 수 있다. 마디 분사구에서의 기액혼합물 이동상태는 도 4에 도시되어 있다. 마지막으로, 여러 공정을 거쳐 정화 처리된 최종 정화수를 배출한다(S595).

본 발명의 오폐수 처리 시스템은 어떤 등급의 오폐수를 정화시킬 수 있지만, 정화 처리율을 높이기 위해서는 1차 또는 2차 처리된 처리수(예컨대, 소정 레벨로 정화 처리된 기액혼합물)를 정화하는 공정에 사용하는 것이 바람직하다.

이상의 설명은 하나의 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며 첨부한 특허청구범위 내에서 다양하게 변경 가능한 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소의 형상 및 구조는 변형하여 실시할 수 있을 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 이온화가스 발생장치 및 전자조사장치를 이용한 오폐수 처리 시스템 및 방법에 의하면, 기액혼합물[이온화가스, 공기, 처리수(오폐수 또는 1차처리수 등) 등]에 강력한 전자파와 전자에너지를 조사함으로써 플라즈마 및 수산화라디칼(-OH)을 이용하여 기액혼합물을 산화분해시켜 염소, 암모니아, 질소 등을 비산(飛散)시키고, 스컴 또는 슬러지 상태로 분리 처리하여 정화시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에서 사용되는 플라즈마 및 수산화라디칼(-OH)에 의한 산화 공법은 물리, 화학적 공법이므로 유지관리가 용이하고, 각종 오폐수의 성상과 농도변화에 대한 대처 능력이 뛰어나고, 처리비용이 기존 공법에 비해 30% 이상 절감될 수 있고, 설치 부피가 적고 설치 자체가 간단하여 비교적 적은 부지면적에 설치할 수 있고, COD, BOD, 색도, 질소인, 중금속 등에 대한 제거효율이 높다는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 베르누이 정리를 응용한 마디 분사구를 이용하여 정화 처리된 기액혼합물을 압축혼합함으로써, 정화 처리율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

Claims

전자파 및 에너지를 이용하여 오폐수를 정화시키는 오폐수 처리 시스템에 있어서,

고전압 방전을 통해 발생된 전자를 이용하여 유입된 공기를 이온화시켜 이온화가스를 생성하여 공급하는 이온화가스 발생장치;

상기 이온화가스 발생장치를 통해 유입되는 이온화가스 및 처리수 파이프를 통해 유입되는 처리수를 혼합하여 기액혼합물을 생성하는 혼합 집수실;

상기 혼합 집수실에 연결되어 있으며, 상기 혼합 집수실의 기액혼합물을 통수 파이프를 통해 지정된 경로로 이동시키는 흡입펌프;

상기 통수 파이프를 통해 유입되는 기액혼합물을 일정한 경로를 통해 이동시키는 반응통수코일관;

전자파 및 에너지를 포함하는 자극체의 공진공동 발진출력을 발생시키는 전자조사기;

상기 전자조사기에 연결되어 있으며, 상기 전자조사기에서 생성된 상기 전자파 및 에너지를 방출하는 조사 안테나;

상기 조사 안테나에서 방출되는 상기 전자파 및 에너지를 특정 위치에 집중 조사시키는 조사관; 및

상기 반응통수코일관의 하단에 설치되어 상기 반응통수코일관을 투과한 전자파 및 전자에너지를 반사시켜 상기 반응통수코일관 내의 상기 기액혼합물에 상기전자파 및 에너지를 역조사시키는 반사경을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온화가스 발생장치 및 전자조사장치를 이용한 오폐수 처리 시스템.
제1항에 있어서,

습기 또는 기액혼합물을 포함하는 역류수를 수집 및 배출하고, 상기 이온화가스 발생장치로부터 공급되는 이온화가스를 상기 혼합 집수실로 중계하는 가스방을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온화가스 발생장치 및 전자조사장치를 이용한 오폐수 처리 시스템.
제1항에 있어서, 상기 이온화가스 발생장치는

공기 유입구와 이온화가스 배출구가 형성되며, 상기 공기 유입구를 통해서 공기가 내부로 유입되는 하우징;

상기 하우징 내부의 상기 공기 중에 설치되는 중공의 제2 전극; 및

상기 하우징 내부의 상기 공기 중에서 상기 제2 전극 내부에 삽입하여 배치되는 제1 전극을 포함하며,

상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에는 적어도 10,000V 이상의 고전압이 인가되며, 상기 공기는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이를 통과하면서 이온화되고, 이온화된 가스는 상기 이온화가스 배출구를 통해서 상기 하우징의 외부로 배출되고,

상기 이온화가스는 OH^-, O^2-등의 이온과 오존(O₃), 이산화수소(HO₂) 등의 산화가스 성분이 포함되는 것을 특징으로 하는 이온화가스 발생장치 및 전자조사장치를 이용한 오폐수 처리 시스템.
제1항에 있어서, 상기 전자조사기는

고압 트랜스, 2차 고압코일 및 2차 저압코일로 구성되어 입력전압을 고전압으로 승압시키는 고전압 발생부, 상기 고전압 발생부에서 발생한 고전압을 충전 및 방전하는 충방전 콘덴서, 전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하고 그 반대쪽 방향으로는 흐르지 못하게 하는 정류 특성을 갖는 다이오드 및 자기장 속에서 전자파 및 에너지를 발진시키는 전자관으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이온화가스 발생장치 및 전자조사장치를 이용한 오폐수 처리 시스템.
제1항에 있어서, 상기 반응통수코일관은 세라믹 유전체관(투명체) 및 유리관 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 이온화가스 발생장치 및 전자조사장치를 이용한 오폐수 처리 시스템.
제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 반응통수코일관은 나선 평면형 및 달팽이관 모양 중 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 이온화가스 발생장치 및 전자조사장치를 이용한 오폐수 처리 시스템.
제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 반응통수코일관의 끝단 내측에 환형으로 형성되고, 상기 기액혼합물을 압축혼합하는 다수개의 마디 분사구를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온화가스 발생장치 및 전자조사장치를 이용한 오폐수 처리 시스템.
제1항에 있어서, 상기 반사경은 스텐레스 및 티타늄 합금 재질 중 어느 하나를 사용하고,

상기 반사경은 일정한 곡율로 구현하는 것을 특징으로 하는 이온화가스 발생장치 및 전자조사장치를 이용한 오폐수 처리 시스템.
전자파 및 에너지를 이용하여 오폐수를 정화시키는 오폐수 처리 방법에 있어서,

(a) 전자조사기를 가동시켜 전자파 및 에너지를 생성하고, 생성된 상기 전자파 및 에너지를 방출하는 단계;

(b) 이온화가스 발생장치를 통해 인가되는 이온화가스와 정화 처리할 처리수를 혼합한 기액혼합물을 생성하는 단계;

(c) 상기 기액혼합물을 상기 전자파 및 에너지 방출 영역으로 이동시켜 상기 기액혼합물을 플라즈마 및 수산화라디칼(-OH)에 의한 산화 공법에 의해 정화 처리하는 단계;

(d) 상기 전자파 및 에너지를 반사시켜 상기 기액혼합물로 역조사시키는 단계; 및

(e) 상기 기액혼합물을 압축혼합하여 배출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온화가스 발생장치 및 전자조사장치를 이용한 오폐수 처리 방법.
제9항에 있어서,

(f) 습기 또는 기액혼합물을 포함하는 역류수를 수집 및 배출하고, 상기 이온화가스 발생장치로부터 공급되는 이온화가스를 지정된 경로로 중계하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온화가스 발생장치 및 전자조사장치를 이용한 오폐수 처리 방법.
제9항에 있어서, 상기 (c) 단계의 정화 처리는 상기 전자파 및 에너지 방출 영역 내에서 상기 기액혼합물을 이동시키는 반응통수코일관 내에서 이루어지고,

상기 반응통수코일관은 나선 평면형 및 달팽이관 모양 중 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 이온화가스 발생장치 및 전자조사장치를 이용한 오폐수 처리 방법.
제11항에 있어서, 상기 반응통수코일관의 끝단 내측에 환형으로 형성되고, 상기 기액혼합물을 압축혼합하는 다수개의 마디 분사구를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온화가스 발생장치 및 전자조사장치를 이용한 오폐수 처리 방법.