KR20200081001A

KR20200081001A - 수소 생산 하수 처리 시스템

Info

Publication number: KR20200081001A
Application number: KR1020180171065A
Authority: KR
Inventors: 남주연; 김한기; 정남조; 좌은진
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2020-07-07

Abstract

수소 생산 하수 처리 시스템이 제공된다. 수소 생산 하수 처리 시스템은 유입되는 하수의 침사물과 협잡물을 제거하는 침사지, 상기 침사지를 거쳐 유입되는 상기 하수의 미세 유기성 입자를 제거하는 1차 침전지, 상기 1차 침전지를 통해 유입되는 유기성 용액에 포함된 유기물을 표면에 부착된 미생물에 의해 분해하여 전자와 유리 프로톤을 생성하는 애노드, 상기 애노드에서 발생된 전자를 전달하는 전원 공급부, 상기 전원 공급부를 통해 전자를 전달받고 유리 프로톤과 상기 전자를 반응시켜 수소를 발생시키는 캐소드를 포함하는 미생물 전해 셀 반응기, 및 상기 미생물 전해 셀 반응기로부터 전달된 유출수를 처리하여 최종 처리수를 방류하는 2차 침전지를 포함한다.

Description

수소 생산 하수 처리 시스템{SEWAGE DISPOSAL SYSTEM HAVING HYDROGEN GENERATION ABILITY}

본 기재는 수소 생산이 가능한 하수 처리 시스템에 관한 것이다.

가정이나 공장에서 배출하는 하수는 현탁성, 콜로이드성, 용해성 물질을 포함하고 있어서 그 상태로 자연수역에 방류를 하게 되면 생태계를 파괴하거나 수계전염병을 전파할 수 있다. 이를 막기 위해서는 하수를 물리화학적 또는 생물학적 방법으로 정화하는 하수 처리가 필요하게 된다.

하수 처리로 가장 널리 사용되는 생물학적 공법에 따르면 혐기조, 무산소조 및 호기조 등이 포함된 반응조에 탄소계 유기물, 질소 함유 화합물, 인 함유 화합물 등으로 이루어진 오탁 물질을 생물 처리한다. 그런데 종래의 반응조에는 혼합액을 폭기하기 위한 폭기 장치가 구비되어 있다. 혼합액을 폭기함으로써, 활성 슬러지 미생물의 활동에 필요한 혼합액 중의 용존 산소 농도를 향상시키거나 혼합액을 교반할 수 있다. 폭기 장치에 의해 호기조의 혼합액으로 공급되는 공기량(이하, 「폭기 풍량」이라고 한다)이 부족하면, 처리수의 수질이 악화된다. 그래서 종래, 호기조에 용존 산소 농도계를 설치하고 이 용존 산소 농도계의 측정치가 설정된 용존 산소 농도 목표값이 되도록 호기조의 폭기 풍량이 제어되어 있다. 그러나 용존 산소 농도라고 하는 간접적인 지표에 기초하기 때문에 처리수의 수질을 규제값 내로 유지하기 위해서는 높은 용존 산소 농도 목표값을 설정하지 않으면 안되어 호기조의 폭기 풍량은 상시 과잉이 되어 있다. 따라서, 가동에 에너지를 필요로 하는 폭기 장치는 재생수 제조 시스템의 운전 비용 절감과 에너지 절약화의 방해가 되어 있었다.

본 개시는 폭기를 필요로 하지 않아서 에너지 절약을 함과 동시에 수소를 생산하고 에너지 자립이 가능한 수소 생산 하수 처리 시스템을 제공하고자 한다.

실시예들에 따른 수소 생산 하수 처리 시스템은 유입되는 하수의 침사물과 협잡물을 제거하는 침사지, 상기 침사지를 거쳐 유입되는 상기 하수의 미세 유기성 입자를 제거하는 1차 침전지, 상기 1차 침전지를 통해 유입되는 유기성 용액에 포함된 유기물을 표면에 부착된 미생물에 의해 분해하여 전자와 유리 프로톤을 생성하는 애노드, 상기 애노드에서 발생된 전자를 전달하는 전원 공급부, 상기 전원 공급부를 통해 전자를 전달받고 유리 프로톤과 상기 전자를 반응시켜 수소를 발생시키는 캐소드를 포함하는 미생물 전해 셀 반응기, 및 상기 미생물 전해 셀 반응기로부터 전달된 유출수를 처리하여 최종 처리수를 방류하는 2차 침전지를 포함한다.

실시예들에 따른 수소 생산 하수 처리 시스템은 폭기를 필요로 하는 생물반응조를 포함하지 않는다. 따라서, 폭기 장치에서 사용되는 운전 비용과 에너지를 절약할 수 있다. 또한 생물반응조 대신 설치된 미생물 전해 장치와 추가로 설치된 수전해 장치를 통해서 수소를 실시간 및 저비용으로 생산할 수 있다.

도 1은 제1 실시예에 따른 수소 생산 하수 처리 시스템의 개략도이다.
도 2 및 도 3은 수소 생산 하수 처리 시스템에 적용되는 미생물 전해 셀 반응기의 변형예들을 나타내는 개략도들이다.
도 4는 반응기 내에 다수의 미생물 전해 셀이 설치된 경우를 나타내는 개략도이다.
도 5는 제2 실시예에 따른 수소 생산 하수 처리 시스템의 개략도이다.
도 6은 제2 실시예에 다른 수소 생산 하수 처리 시스템에 적용되는 수전해 장치의 개략도이다.

이하 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 실시예들에 대하여 상세히 설명한다. 실시예는 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 구체적인 실시예로만 한정되지 않는다.

도 1은 제1 실시예에 따른 수소 생산 하수 처리 시스템의 개략도이다.

도 1을 참조하면, 수소 생산 하수 처리 시스템은 침사지, 1차 침전지, 미생물 전해 셀 반응기, 및 2차 침전지를 포함한다.

침사지(100)는 유입된 하수의 침사물과 협잡물을 제거한다.

1차 침전지(200)는 침사지(100)를 거쳐 침사물과 협잡물이 제거된 유입 하수에 대하여 미세 유기성 입자를 제거하여 후속 공정시 오염물질의 여과 부하를 감소시키도록 한다. 1차 침전지(200)는 중력 침전 방식의 침전지일 수 있다.

미생물 전해 셀(Microbial Electrolysis Cell, MEC) 반응기(reactor)(300)는 1차 침전지(200)에서 유입된 유기물을 이산화탄소로 분해하고 동시에 수소를 발생시킨다. 도 1에서는 미생물 전해 셀 반응기(300)가 단일 챔버형 MEC 하나로 구성된 경우를 예시하고 있다.

1차 침전지(200)를 통해 유입되는 유기성 용액에 포함된 유기물(기질, (CHO)n)은 애노드(310)에 부착된 전기화학 활성을 가지는 미생물(315)에 의해 분해되어 이산화탄소(CO2)와 전자를 생성한다. 따라서, 애노드(310)에서는 아래 화학식 1 또는 2와 같은 반응이 진행되게 된다. 화학식 1은 글루코스를 예로 들어 설명한 것이고, 화학식 2는 나트륨 아세테이트를 예로 들어 설명한 것이다.

[화학식 1]

C₆H₁₂O₆ + 6H₂O → 6CO₂ + 24H⁺ + 24e^-

[화학식 2]

CH₃COO^- + 4H₂O → 2HCO³ ^- + 9H⁺ + 8e^-

애노드(310) 주변의 pH는 약 4 내지 약 6 이고, 온도는 약 20 ℃ 내지 약 100 ℃ 일 수 있다. 이러한 환경 하에서, 효율적인 유기 물질 분해 반응이 일어날 수 있고, 보다 많은 전자가 생성될 수 있다.

애노드(310)에서 발생된 전자는 애노드(310)와 전원 공급부(Power Supply)(340)을 거쳐서 캐소드(320)로 전달되고, 애노드(310)에서 발생하여 캐소드(320)로 전달된 유리 프로톤(free proton, H⁺)과 결합해서 하기 화학식 3와 같이 수소를 생성한다.

[화학식 3]

2H⁺ + 2e- → H₂↑

그리고, 전원 공급부(340)에서 공급되는 직류 전원에 의해 캐소드(320)에서 아래 화학식 4와 같은 물 분해 반응이 진행되어서 수소(H₂)가 추가로 생성될 수 있다.

[화학식 4]

2H₂O + 2e^- → 2H₂ ↑ + 2OH^-

전원 공급부(150)에서 0.3~2.0V, 바람직하기로는 0.9~1.2V의 직류 전원이 가해지면 화학식 4의 물분해 반응이 원활하게 진행될 수 있다.

에너지 자립을 위해서는 전원 공급부(150)에 공급되는 전원은 외부의 지속가능한 에너지(sustainable energy)를 통해서 공급받을 수 있다. 도 1에는 지속가능한 에너지가 태양열 발전장치(600)에 의해 공급될 수 있다.

생성된 수소(H₂)는 미생물 전해 셀 반응기(300)에 형성된 수소 수집부(350)를 통해 외부의 수소 가스 저장 탱크(500)로 배출될 수 있고, 이렇게 저장된 수소는 압축, 축압, 냉각 등을 거쳐서 수소 충전조(700)로 공급되어 수소 가스 자동차 등에 공급될 수 있다. 또한 도면에는 도시되어 있지 않지만 수소 가스 저장 탱크(500)에 저장된 수소 가스는 이를 이용한 다른 발전 장치, 예컨대 연료 전지 등의 원료로 사용되어 새로운 전력을 생산할 수도 있다.

미생물 전해 셀(Microbial Electrolysis Cell, MEC) 반응기(reactor)(300)를 구성하는 전기화학 활성을 가지는 미생물(315)은 혐기성 미생물이기 때문에 종래의 하수 처리 시스템과 달리 폭기 장치를 필요로 하지 않는다.

2차 침전지(400)는 상기 미생물 전해 셀로부터 전달되는 유출수에서 침전된 슬러지를 중앙으로 수집하도록 하거나 유출수 중 미처리 유기물질, 부유물질, 인을 포함한 오염물질에 대하여 고도 여과처리하여 하천 유지용수나 기타 목적으로 재사용할 수 있도록 하는 여과 및 소독을 실시한 후 최종 처리수를 방류한다.

도 2 및 도 3은 1 실시예에 따른 하수처리 시스템에 적용될 수 있는 미생물 전해 셀(Microbial Electrolysis Cell, MEC) 반응기(reactor)(300)의 다양한 변형예를 나타내는 개략적인 단면도들이다.

도 2는 애노드(310)가 메인 챔버(315)에 설치되고 그 위의 커버(325)에 캐소드(320)가 설치되는 수직형 구조로 수소 가스의 포집이 보다 용이한 구조를 나타낸다.

도 3은 분리교환막(330)에 의해 애노드(310)가 놓여지는 애노드 챔버(312)와 캐소드(320)가 놓여지는 캐소드 챔버(322)의 두 가지 챔버로 이루어진 MEC 반응기를 나타낸다.

분리교환막은 애노드 챔버(312) 내의 미생물이 이동하는 것을 저지하는 것 뿐만이 아니라 애노드 챔버(312)에서 발생한 유리 프로톤(free proton, H⁺)이 캐소드 챔버(322)로 이동하도록 하거나 캐소드 챔버(322)에서 발생하는 수소 가스의 순도를 유지할 수 있도록 하기 위한 프로톤 교환막, 또는 음이온 교환막, 바이폴라 막 또는 전하 모자이크 막으로 구성될 수 있다.

도면에는 도시되어 있지 않지만, 반응기(300)는 원통형 형태로 구성될 수 있으며, 그 자세한 내용은 본 출원인에 의해 출원된 KR2016-0153426에 자세히 설명되어 있으며, 그 내용은 본 명세서에 통합된다.

도 4는 수소 생산의 효율을 향상시키기 위하여 반응기(300) 내에 다수의 MEC가 설치된 경우를 나타내는 개략도이다.

하나의 반응기(300) 내에 다수의 MEC가 설치되며 이 경우 MEC는 도 1 내지 도 3에 개시되어 있는 MEC 일 수도 있지만 KR2016-0153426에 개시되어 있는 원통형 형태인 MEC로 구현되는 것이 다수의 MEC 설치에 유리할 수 있다.

도 5는 제2 실시예에 따른 하수 처리 시스템의 개략도이다.

도 5를 참조하면 하수처리 시스템은 도 1의 제1 실시예와 달리 2차 침전지(400) 후단에 물분해 장치(500)를 더 포함한다는 점에 있어서 제1 실시예와 차이가 있다.

물분해 장치(500)는 처리수를 전달받아서 이를 물분해하여 수소를 추가로 생성한다. 따라서 수소 생산 하수 처리의 수소 생산 효율을 증가시킬 수 있다. 물분해장치(500)로는 대용량 역전기투석 장치(RED) 등이 사용될 수 있다.

도 6은 제2 실시예에 따른 수소 생산 하수 처리 시스템의 물분해장치(500)에 적용되는 대용량 RED는 막 스택(810), 캐소드 챔버(830) 및 애노드 챔버(840)로 구성된다.

도 2에 예시되어 있는 배치형 제1 RED(100)와 도 3에 예시되어 있는 종래의 RED(1000)를 비교하면 배치형 제1 RED(100)의 경우 캐소드 챔버(830)와 애노드 챔버(840)에 전극용액(catholyte, anolyte)으로 중성 pH의 물이 사용된다. 중성 pH의 물로는 중성 pH의 NaCl 또는 Na2SO4수용액이 사용될 수 있다. 또한 캐소드 챔버(830)와 애노드 챔버(840)의 전해질은 비순환되어 각 챔버(830 또는 840)에만 존재한다. 따라서 물 분해 반응의 결과로 얻어진 수소를 챔버 상부에 연결된 포집 기둥(870)을 통하여 외부로 포집하기가 용이해진다.

막 스택(810)을 구성하는 최소한의 단위 셀(unit cell)의 수는 막 스택(810)에 유입되는 염수(HC)와 담수(LC)인 처리수의 농도차에 따라 달라질 수 있다. 농도가 35,000mg/L인 일반 해수를 염수(HC)로 사용하고 2차 침전지(400)를 통과한 후 제공되며 농도가 0~1,000mg/L인 처리수를 담수(LC)로 사용할 경우, 즉 염수와 처리수(담수)의 농도 차이가 약 30 정도가 될 경우 50셀 이상이면 물 전기분해반응을 일으킬 수 있는 충분한 막 전압(6V)을 형성할 수 있다.

염수와 담수의 농도차가 30이상이고 단위 셀 수가 50셀 이상일 경우 물 전기분해반응을 일으킬 수 있는 충분한 막 전압을 형성할 수 있기 때문에 캐소드챔버(830)와 애노드챔버(840)에 공급되는 전극용액으로 중성 pH의 물 또는 담수를 사용하더라도 전극 용액 저항에 의한 전력 감소량 및 수소 생산량 감소량은 무시할 수 있을 정도의 양이 된다 게다가 대용량 RED의 특성 상 셀 수가 증가함에 따라 전극 반응을 위한 최소한의 과전위와 전극 용액 저항에 의한 전극 저항이 상대적으로 작아진다. 따라서 과전위를 줄이기 위해 부식성이 높은 강산, 강염기를 전극 용액으로 사용할 필요가 없다. 즉, 수백 셀, 나아가 1,000 셀 이상으로 이루어진 역전기투석 염분차 발전에서는 순수 물로도 전력을 생산하면서 동시에 수소를 생산할 수 있기 때문에 기존의 물의 전기분해(water electrolysis)에 의한 수소 생산에 비해 다양한 장점이 있다. 기존의 물 전기분해에서는 용액 저항의 영향이 크기 때문에 순수 물을 전해질로 사용할 수 없어서 순수 물을 전해질로 사용하지 않는다. 도 6에 예시된 대용량 RED에서는 캐소드 챔버(830)에 기존의 산화환원종을 사용하지 않고 순수 물만을 공급해서 수소를 생산할 수 있기 때문에 더욱 더 순수한 수소 기체를 생산할 수 있다. 따라서, 수소분리막 같은 추가적인 분리장치없이 바로 수소충전소(700)나 연료전지에 연결할 수 있게 된다. 또한 강산이나 강염기를 사용하지 않기 때문에 부식 반응에 의한 구조 불안정성 및 취급 주의로부터 자유롭다.

물론 캐소드 챔버(830)와 애노드 챔버(840)의 용액 저항을 낮추기 위해서는 필요에 따라 염이 용해된 수용액을 사용할 수 있다. 예를 들면, NaCl 또는 Na₂SO₄ 가2.92g/L ~ 5.8g/L로 용해된 수용액을 사용할 수도 있다. 염이 용해되어 있을 경우 전극 용액의 저항이 감소하는 효과를 볼 수 있으나, 앞에서도 설명한 바와 같이 셀 수가 많아지게 되면 전극 용액의 저항의 영향은 미미하므로 순수 물 또는 담수를 전극용액으로 사용할 수 있다.

즉, 화학식 5와 같이 애노드(842)에서 물의 산화 반응에 의해 산소 및 전자가 발생할 수 있다. 애노드 챔버(840)의 용액에 염화나트륨이 녹아있는 경우에는 염화 이온이 산화되어 화학식 6과 같이 염소기체를 발생할 수 있다.

[화학식 5]

H₂O → 2H⁺+ 2e^-+ 1/2O₂ (애노드)

[화학식 6]

2Cl^- → Cl₂ + 2e^-(애노드)

그리고, 화학식 7과 같이 캐소드(32)에서 물의 환원 반응에 의해 수소 및 수산화이온이 발생할 수 있다.

[화학식 7]

2H₂O + 2e- → H₂ ↑ + 2OH^-(캐소드)

캐소드(832)와 애노드(842)는 Pt 등의 귀금속으로만 형성하지 않아도 가능하다. 예를 들면, 탄소, 티타늄, 니켈, 망간, 구리 등 비귀금속을 전극으로 사용 가능하다.

대용량 RED의 캐소드 챔버(830)의 전극 용액과 애노드 챔버(840)의 전극 용액은 비순환형으로 구성되어 캐소드 챔버(830)와 애노드 챔버(840)는 각각 독립적으로 구성될 수 있다. 캐소드 챔버(830)와 애노드 챔버(840)를 각각 독립적으로 구성할 경우 캐소드 챔버(830)에서 발생하는 수소와 애노드 챔버(840)에서 발생하는 산소 또는 염소 기체가 서로 섞이지 않기 때문에 포집한 후 이를 다시 분리하는 과정이 필요 없게 된다.

따라서 캐소드 챔버(830)의 포집 기둥(870)을 통해 수소가스 저장탱크(500)로 수소가 전달되고, 애노드 챔버(840)의 포집 기둥(870)을 통해 산소 또는 염소 가스 저장탱크(550)로 산소 또는 염소가 전달된다.

처리수의 경우 전단의 침사지(100), 1차 침전지(200), 미생물 전해 셀 반응기(reactor)(300), 2차 침전지(400)를 통해 유기 오염 물질 또는 다가 이온 등이 대부분 걸러진 상태의 처리수가 유입되기 때문에 파울링 문제 등이 현저히 감소할 수 있다.

막 스택(810)은 양단에 캐소드(832)와 애노드(842)가 각각 배치된 구조로 적층된다. 캐소드(832)와 애노드(842)는 각각 환원 및 산화 반응이 일어나서 전자(e^-)의 흐름이 생성되도록 한다. 캐소드(832)와 애노드(842)는 일정한 오픈 영역(open area)를 갖는 메쉬형으로 구성된다. 캐소드(832)와 애노드(842)가 메쉬형으로 구성됨으로써 막 스택(810)의 팽창을 막고 막 스택(810)이 캐소드 챔버(830) 또는 애노드 챔버(840)의 용액과 바로 접촉할 수 있도록 한다. 캐소드(832)와 애노드(842)는 금속 메쉬로 형성될 수 있으며, 금속 메쉬의 경우에는 티타늄 메쉬 등이 사용될 수 있다.

상술한 물분해 장치의 자세한 내용은 본 출원인에 의해 출원된 KR2018-0033943에 자세히 설명되어 있으며, 그 내용은 본 명세서에 통합된다.

상기에서는 다양한 실시예들에 대하여 설명하였지만, 권리범위는 이에 의해 한정되는 것이 아니다. 구현되는 형태는 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 권리 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims

유입되는 하수의 침사물과 협잡물을 제거하는 침사지;
상기 침사지를 거쳐 유입되는 상기 하수의 미세 유기성 입자를 제거하는 1차 침전지;
상기 1차 침전지를 통해 유입되는 유기성 용액에 포함된 유기물을 표면에 부착된 미생물에 의해 분해하여 전자와 유리 프로톤을 생성하는 애노드, 상기 애노드에서 발생된 전자를 전달하는 전원 공급부, 상기 전원 공급부를 통해 전자를 전달받고 유리 프로톤과 상기 전자를 반응시켜 수소를 발생시키는 캐소드를 포함하는 미생물 전해 셀 반응기; 및
상기 미생물 전해 셀 반응기로부터 전달된 유출수를 처리하여 최종 처리수를 방류하는 2차 침전지를 포함하는 수소 생산 하수 처리 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 전원 공급부는 상기 캐소드에 0.9V 이상의 직류 전원을 인가하여 상기 캐소드에서 물 분해반응이 일어나도록 하는 수소 생산 하부 처리 시스템.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 미생물 전해 셀 반응기는 생성된 수소를 수집하는 수소 수집부를 더 포함하고,
상기 수소 수집부를 통해 상기 수소는 외부의 수소 가스 저장 탱크로 전달되는 수소 생산 하부 처리 시스템.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 2차 침전지 후단에 물분해에 의해 수소를 생성하는 물분해 장치를 더 포함하는 수소 생산 하부 처리 시스템.
제4 항에 있어서,
상기 물분해 장치는
염수 채널과 상기 최종 처리수 채널을 번갈아 형성하는 양이온 교환막과 음이온 교환막으로 이루어지고 복수개의 단위 셀이 적층되어 상기 물 분해 반응에 필요한 막 전압을 제공하는 막 스택;
상기 막 스택의 양단에 설치되고 각각 물이 전극액으로 담기는 캐소드 챔버 및 애노드 챔버;
상기 캐소드 챔버에 설치되어 상기 물의 환원 반응에 의해 상기 수소를 발생시키는 캐소드; 및
상기 애노드 챔버 내에 설치된 애노드로 상기 애노드 챔버내에서 상기 물의 산화 반응에 의해 산소와 전자를 발생시키는 애노드를 포함하고,
상기 애노드 챔버에서 발생한 상기 전자가 부하를 거쳐 상기 캐소드로 공급되면서 전기를 생산하는 역전기투석장치인 수소 생산 하부 처리 시스템.