석유화학 폐수처리에 사용되는 전기화학 폐수처리 장비

I. 제품 개요

석유화학 폐수는 주로 석유 정제(정유)와 석유화학(에틸렌, 방향족, 합성수지, 합성섬유, 합성고무 등)의 두 가지 주요 부문에서 발생합니다. 이는 대량 발생, 복잡한 구성 성분, 높은 처리 난이도를 특징으로 하는 대표적인 산업 폐수 유형입니다. 수질 특성으로는 다양한 폐수 종류(공정 폐수, 유성 폐수, 함황 폐수, 알칼리 폐수, 순환수 배출수, 생활 오수 등 포함), 높은 COD 농도, 다량의 석유계/탄화수소 유기물, 페놀류·황화물·암모니아성 질소·시안화물 등의 독성 물질 및 난분해성 유기물(다환방향족탄화수소, 헤테로고리 화합물, 폴리머 단량체 등) 함유, 일반적으로 낮은 생분해성(B/C 비율 0.15~0.30), 원유 종류 및 처리 방식의 변화로 인한 심한 수질 및 유량 변동 등이 있습니다.

전통적인 석유화학 폐수 처리 공정은 일반적으로 "유수분리 → 부상분리 → 생물학적 처리 → 고도 처리" 경로를 따릅니다. 그러나 실제 운영 시 이러한 접근 방식은 오랫동안 다음과 같은 문제점에 직면해 왔습니다. 1. 유분 물질의 생물학적 처리 시스템 간섭—유수분리 및 부상분리 후에도 잔류 유화유(에멀션 오일) 및 용해성 유분이 남아 활성 슬러지의 활성을 저하시키고 장기적으로 침강 성능을 악화시킵니다. 2. 난분해성 유기물의 생물학적 제거 곤란—다환방향족탄화수소, 헤테로고리 화합물 및 폴리머 단량체는 미생물에 대한 저항성이 강해 생물학적 처리 단계에서 이러한 COD 성분의 제거율이 제한적입니다. 3. 황화물 및 암모니아성 질소에 의한 생물학적 처리 시스템 억제—황화물과 유리 암모니아는 질산화균과 종속영양균을 모두 억제하여 생물학적 처리 시스템의 효율을 떨어뜨립니다. 4. 폐수 염도 증가에 따른 생물학적 효율 저하—정밀화학 폐수만큼 극단적이지는 않으나 일부 폐수는 여전히 상당량의 염분을 함유하고 있습니다. 제거율이 2%~5%에 달할 수 있어 기존 생화학적 공정을 저해합니다. 겨울철 저온은 생화학적 질산화 효율을 떨어뜨려 암모니아성 질소 제거율 저하 및 방류수 내 암모니아성 질소 기준치 초과 위험을 높입니다. 폐수 재이용 수요 증가—순환수 배출수 및 일부 규격 부합 방류수를 재이용해야 하지만 기존 공정으로는 재이용 수질의 장기적 안정성을 보장할 수 없습니다. 본 시스템은 전기화학적 산화 기술을 적용하여 석유화학 폐수 처리 공정의 여러 단계에 유연하게 통합될 수 있습니다:

유수분리 및 부상분리 후의 혼합 폐수 적용 시—잔류 유분, 페놀류, 황화물 및 난분해성 유기물이 포함된 폐수를 직접 처리하여 1~2시간 이내에 독성 물질을 산화 및 분해하고, 유화유 및 용해성 유분을 제거하며, 개환(Ring-opening) 반응을 통해 다환방향족탄화수소를 분해합니다. B/C 비율을 0.15~0.20에서 0.30 이상으로 높여 후속 생화학 시스템에 안전하고 생분해 가능한 유입수 조건을 형성합니다.

생화학 처리수의 고도 처리 적용 시—생화학적 처리 방류수에 잔류하는 COD(난분해성 폴리머, 다환방향족탄화수소 개환 생성물 등), 암모니아성 질소 및 색도를 심층 제거하여 재이용 기준을 안정적으로 충족합니다.

유성 유화 폐수 적용 시—본 시스템은 효율적으로 해유화(에멀션 파괴) 및 산화를 수행하여 유분과 COD를 제거함으로써 기존의 가압부상 + 생물학적 처리 방식이 가진 유화유 처리 효율 저하 문제를 해결합니다.

순환수 배출 및 재이용 시스템 적용 시—본 시스템은 COD, 암모니아성 질소 및 미생물을 제거한 후 순환 냉각수 시스템에 물을 재이용함으로써 용수의 다단 이용 및 자원 회수를 실현합니다.

전체 공정은 화학 약품(해유화제, 응집제, 산화제)을 전혀 투입하지 않고 전력만을 소비하며, 화학 슬러지, 철 슬러지, 흡착 포화 활성탄과 같은 2차 오염물질을 생성하지 않습니다. 전극은 내유오염성(오일 오염 방지)으로 설계되어 유성 폐수의 복잡한 운전 조건에 적합합니다. 상온 및 상압(0~40℃)에서 작동하여 계절 및 온도 변화의 영향을 받지 않습니다.

II. 석유화학 폐수 처리의 난점 및 본 설비의 해결 방안

III. 작동 원리

유수분리 및 부상분리와 같은 전처리를 거쳐 부유유와 대부분의 부유물질을 제거한 후, 석유화학 폐수는 전기화학 반응기로 유입되어 전극 작용 하에 다음과 같은 정화 반응을 거칩니다.

(1) 직접 전기산화

석유화학 폐수 내 특성 오염물질은 양극 표면에서 직접 산화됩니다:

석유계/탄화수소 유기물(알칸류, 시클로알칸류, 방향족류 등): 긴 탄소 사슬과 시클로알칸은 양극 표면에서 점진적으로 산화 및 절단되어 저분자 유기산 및 알코올류로 전환된 후 최종적으로 CO₂ 및 H₂O로 무기화됩니다.

다환방향족(나프탈렌, 안트라센, 페난트렌, 피렌 등): 방향족 고리 구조가 양극 표면에서 점진적으로 산화 및 개환되어 다환 구조가 단일환 또는 저분자 유기물로 열리며 생체 독성이 제거됩니다.

페놀류(페놀, 크레졸, 자일레놀 등): 벤젠 고리가 양극 표면에서 점진적으로 산화 및 개환되어 다환 구조가 단일환 또는 저분자 유기물로 열리며 생체 독성이 제거됩니다.

페놀류(페놀, 크레졸, 자일레놀 등): 벤젠 고리가 양극 표면에서 개환되어 다환 구조를 단일환 또는 저분자 유기물로 전환합니다. 하이드록실화 후 양극 표면에서 추가로 산화 및 개환되어 저분자 유기산으로 전환됩니다. 헤테로고리 화합물(N/S/O 헤테로원자 함유): 헤테로고리가 양극 표면에서 산화 및 개환되어 생체 독성이 크게 감소합니다. 황화물(S²⁻): 양극에서 황산염 이온으로 직접 산화되어(S²⁻→SO₄²⁻) 미생물에 대한 독성 억제를 제거합니다.

(2) 간접 전기산화: 양극에서 물의 전기분해를 통해 하이드록실 라디칼(·OH)을 생성하는 동시에 폐수 내에 자연적으로 존재하는 염화물 이온(석유화학 폐수에 함유된 Cl⁻)을 활용하여 활성 염소(Cl₂, HOCl, OCl⁻)를 생성합니다. 이는 양극과 직접 접촉할 수 없는 오염물질의 산화를 보완하며, 특히 용해성 유분 및 난분해성 유기물에 대해 탁월한 산화 효율을 나타냅니다.

(3) 해유화 및 유화유 제거: 유성 폐수 내 유화유 방울은 표면에 음전하를 띠고 있어 안정한 유화 상태를 형성하므로 기존의 가압부상 공정으로는 완전한 제거가 어렵습니다. 전기화학 반응기 내부에서는 양극 산화에 의해 생성된 미세기포와 전기장으로 인해 유화유 방울의 표면 전위가 변화하고 전기이중층이 압축되어, 불안정해진 유화 상태의 기름 방울이 응집 및 부상합니다. 또한 용해성 유기 오염물질이 산화 및 무기화되어 방류수 내 유분 함량을 1~3 mg/L 이하로 줄일 수 있습니다.

(4) 암모니아성 질소 및 황화물 동시 산화: 활성 염소가 암모니아성 질소를 질소 가스로 산화시키며(2NH₃+3HOCl→N₂+3Cl⁻+3H₂O), 암모니아성 질소 제거율은 80%~95%에 달합니다. 황화물은 양극에서 황산염으로 직접 산화되어 독성이 완전히 제거됩니다.

(5) COD 저감 및 생분해성 향상: 직접 산화와 간접 산화의 시너지 효과를 통해 고분자 난분해성 유기물의 개환 및 결합 절단이 일어나 저분자 분해성 물질로 전환되며, B/C 비율이 0.15~0.20에서 0.30 이상으로 증가합니다. 일부 유기물은 완전히 무기화되어 COD를 직접적으로 낮추고 후속 생화학 시스템에 유리한 유입 조건을 조성합니다.

IV. 핵심 장점 (석유화학 폐수 맞춤형)

V. 기술 파라미터 (맞춤 설정 가능)

VI. 공정 위치

옵션 1: 생화학 처리 전 전처리 및 무독화

석유화학 폐수 (유수분리 및 부상분리 후) → 전기화학 전처리 설비 (잔류 유분 제거, 황화물 산화, 다환방향족탄화수소 개환, B/C 비율 향상) → 중간조/유량조정조 → 생화학 시스템 → 2차 침전조 → 기준 적합 방류

설명: 전기화학 전처리 장치는 유수분리 및 부상분리 후, 생화학 시스템 전단에 위치하여 "유분 제거 + 탈황 + 무독화 + 개환 + B/C 향상"의 종합적 기능을 수행합니다. 이는 석유화학 폐수의 생화학 전처리 단계에서 핵심적인 안정성을 보장하며—유수분리 및 부상분리 후 잔류하는 유화유 및 용해성 유분을 효과적으로 제거하고, 생화학 공정을 크게 저해하는 황화물을 산화시키며, 다환방향족탄화수소를 개환 분해하여 생분해성을 대폭 향상시킴으로써 후속 생화학 시스템의 장기적이고 안정적이며 효율적인 운전을 보장합니다.

옵션 2: 생물학적 처리수의 고도 처리

석유화학 폐수 → 전처리 → 생물학적 시스템 → 2차 침전조 → 전기화학 고도 처리 장치 (잔류 COD 및 암모니아성 질소 제거) → 기준 적합 방류/순환수 시스템 재이용

참고: 기존 생물학적 시스템이 설치되어 있으나 방류수 COD 및 암모니아성 질소 농도가 현행 배출 기준을 충족하지 못하는 사업장의 경우, 생물학적 시스템 후단에 전기화학 고도 처리 장치를 추가할 수 있습니다. 기존 생물학적 시스템을 개조할 필요 없이 COD 및 암모니아성 질소 수치를 직접 방류 기준 또는 재이용 요구수준에 맞게 저감합니다.

옵션 3: 유성 유화 폐수 전용 특화 처리

유성 유화 폐수 → 유량조정조 → 전기화학 해유화 및 유분 제거 설비 → 방류/유출수

옵션 4: 고염/알칼리 슬러지 폐수의 전처리

고염 폐수/알칼리 슬러지 폐수 → 전기화학 고농도 처리 장치 → 통합 폐수 시스템/증발 농축 시스템 유입

참고: 알칼리 슬러지 폐수 및 전기탈염 폐수는 염분 함량과 COD가 높고 독성이 강하여 통합 시스템으로 직접 배출 시 충격을 유발합니다. 전기화학 처리 장치를 전용으로 사용하여 이러한 폐수를 회분식(배치식)으로 처리함으로써 COD와 독성을 크게 낮춘 후 전 공장 시스템에 원활하게 통합할 수 있어, 위탁 처리의 높은 비용을 절감하고 상당한 경제적 이점을 제공합니다.