KR100243565B1 - 폐수의 정화장치 - Google Patents

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Abstract

영양염류를 효과적으로 처리할 수 있는 폐수의 정화방법이 개시된다. 이는 순혐기조, 분리조, 폭기 및 비폭기가 반복되는 간헐폭기 방식인 제1반응조, 상기 제1반응조와 반대로 폭기 및 비폭기가 반복되는 간헐폭기 방식인 제2반응조, 폭기 및 비폭기가 반복되는 간헐폭기 방식인 제3반응조 및 침전조의 순서로 하고, 상기 침전조에서 상기 순혐기조로 슬러지를 반송시키고, 분리조에서 분리된 슬러지는 상기 제2반응조로 유입시키고, 상기 분리조에서 분리된 유입수는 상기 제1반응조로 유입시켜 운영하는 제1공정, 및 순혐기조, 분리조, 폭기 및 비폭기가 반복되는 간헐폭기 방식인 제2반응조, 상기 제2반응조와 반대로 폭기 및 비폭기가 반복되는 간헐폭기 방식인 제1반응조, 폭기 및 비폭기가 반복되는 간헐폭기 방식인 제3반응조 및 침전조의 순서로 하고, 상기 침전조에서 상기 순혐기조로 슬러지를 반송시키고, 분리조에서 분리된 슬러지는 상기 제1반응조로 유입시키고, 상기 분리조에서 분리된 유입수는 상기 제2반응조로 유입시켜 운영하는 제2공정을 반복하여 질소 및 인을 제거하는 공정을 포함하는 것이다. 하나의 반응조에 산소를 간헐적으로 공급하여 호기성 상태와 혐기성 상태를 모두 유지할 수 있도록 하였다. 에너지가 절약되고 처리효율이 매우 높다.

Description

폐수의 정화방법
본 발명은 고농도 유기 폐수의 정화방법에 관한 것으로서, 상세하게는 호소 및 하천의 오염 및 부영양화의 주요 원인이 되고 있는 도시 하수 및 축산 폐수와 같은 고농도 유기 폐수에 있는 영양염류를 효과적으로 처리할 수 있는 폐수의 정화 방법에 관한 것이다.
영양염류는 유기물 분해를 일으키는 미생물의 생육과 증식에 필요한 무기성 원소로서, 이들중 특히 질소화합물과 인산염은 생물 세포 형성과 생활 에너지 획득을 위하여 연속적으로 공급되어야 하는 원소이다. 그런데, 하천이나 연안 바다, 호소등의 수역에 있어서, 이러한 질소나 인등의 영양염류가 증가하면 부영양화 현상이 발생되는데, 이는 상기 영양염류를 영양소로 하여 생물 생산이 활성화되어 자연의 생태계가 변하게 되고, 해역에서는 적조 발생의 한 원인이 되며, 호소에서는 조류 등이 이상 증식을 하게 된다. 이 과정은 자연계에 있어서는 원만하게 진행되지만, 생활 하수, 축산 폐수, 공장 배수 등이 대량으로 유입되면 영양염류가 지나치게 증가하게 되고, 이에 따라 현탁물질이 다량으로 섞여 들어 자연의 자체 정화 능력을 넘어서게 된다. 결국 부영양화 현상이 급속히 진행되고, 심하면 부패물에 의해 악취가 나며 수질 오염이 촉진된다. 따라서 폐수의 이러한 영양염류는 호소나 하천 등으로 유입되기 전에 제거되어야 하며, 이를 효율적으로 제거하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다.
우리나라의 경우 대부분의 하수처리 및 축산 폐수 처리 방법은 활성슬러지법에 의존하고 있는 실정이다. 활성슬러지법에 의한 처리시 대부분의 현탁 고형물질과 유기물은 제거될 수 있으나, 질소나 인과 같은 영양염류 물질의 처리는 20-40%에 불과하다.
따라서, 수계 보호를 위하여 폐수 처리하는 대부분의 목적은 질소와 인의 제거에 두고 있으며, 앞으로 더욱 강화될 규제 농도에 부합된 공정을 개발하는 것이 시급한 현 실정에서 수계를 오염시키는 점오염원을 줄이는 것은 대단히 중요하다.
질소, 인과 같은 영양염류의 처리를 위한 공정들로는 물리화학적인 방법과 생물학적인 처리 방법이 있다. 전자의 경우 약품비 및 운전상에 요구되는 환경이 특정적이어서 운영에 어려움이 있으며, 유출수가 불안정하여 세계적으로 현장에서 사용을 꺼려하고 있다. 이에 반해 후자의 경우는 유출수가 안정적이고, 약품비를 포함하여 외부 경비가 필요 없으며, 운영면에 있어서도 용이하므로 여러 측면에서 경제적이어서 많이 사용되고 있다.
현재 널리 적용되고 있는 질소 및 인의 제거 공정으로는 미합중국 특허 제 3,964,998호에 개시되어 있는 바텐포(Bardenpho)공정, 단일 슬러지 시스템인 A/O 또는 A2/O 공정 (참조문헌: Hong, S., Kisenbauer, K. S. and Fox, V. G. (1981), Aninnovative biological nutrient removal system. In: F. M. Saunders, ed., Proceedings in 1981 National Conference of Environmental Engineering, Enviromnental Engineering Division, ASCE, Atlanta, Georgia)등과 같이 산소 유무에 따라 반응조를 분리 배치하여 폐수가 혐기조건과 호기조건의 반응조를 통과하면서 정상상태(steady-state)로 운영하는 공정이 있다. 그리고 크루거(Kruser)시스템과 같이 유로를 변경하여 유동상태(dynamic-state)로 질산화 효율을 증진시키는 공정이 있다. 그렇지만 상기한 방법들은 각각의 반응조를 분리하여 설치하기 때문에 시설비가 증가된다. 또한, 폐수 처리의 효율을 증가시키기 위해 내적 순환량을 폐수 유입량의 4배 가량으로 유지하여야 하기 때문에 동력에 소요되는 비용이 과다하다는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 상기한 문제점을 감안하여 반응조내 운영 방식을 호기성과 혐기성 반응조를 분리하지 않고 하나의 반응조에서 산소를 간헐적으로 공급하여 에너지를 절약하면서도, 상기한 바와 같은 영양염류, 특히 질소와 인의 처리를 극대화 시킬 수 있으며, 보다 더 강화되는 질소와 인의 농도를 규제 농도 이하로 줄일 수 있는 폐수의 정화방법을 제공하고자 하는 것이다.
제1a도 및 제1b도는 본 발명의 일실시예에 따른 폐수의 정화공정을 나타내는 개략도이다.
제2a도 및 제2b도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 폐수의 정화공정을 나타내는 개략도이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 순혐기조 2 : 분리조
3 : 제1반응조 4 : 제2반응조
5 : 제3반응조 6 : 침전조
7 : 제4반응조 8 : 솔레노이드 밸브
→ : 유체의 흐름이 열린 경로
Figure kpo00002
: 유체의 흐름이 막힌 경로
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 순혐기조, 분리조, 폭기 및 비폭기가 반복되는 간헐폭기 방식인 제1반응조, 상기 제1반응조와 반대로 폭기 및 비폭기가 반복되는 간헐폭기 방식인 제2반응조, 폭기 및 비폭기가 반복되는 간헐폭기 방식인 제3반응조 및 침전조의 순서로 하고, 상기 침전조에서 상기 순혐기조로 슬러지를 반송시키고, 분리조에서 분리된 슬러리는 상기 제2반응조로 유입시키고, 상기 분리조에서 분리된 유입수는 상기 제1반응조로 유입시켜 운영하는 제1공정; 및 순혐기조, 분리조, 폭기 및 비폭기가 반복되는 간헐폭기 방식인 제2반응조, 상기 제2반응조와 반대로 폭기 및 비폭기가 반복되는 간헐폭기 방식인 제1반응조, 폭기 및 비폭기가 반복되는 간헐폭기 방식인 제3반응조 및 침전조의 순서로 하고, 상기 침전조에서 상기 순혐기조로 슬러지를 반송시키고, 분리조에서 분리된 슬러지는 상기 제1반응조로 유입시키고, 상기 분리조에서 분리된 유입수는 상기 제2반응조로 유입시켜 운영하는 제2공정을 반복하여 질소 및 인을 제거하는 공정을 포함하는 폐수의 정화방법을 제공한다.
특히, 상기 분리조와 상기 제1반응조 사이, 상기 분리조와 상기 제2반응조 사이, 상기 제1반응조와 상기 제3반응조 사이 및 상기 제2반응조와 상기 제3반응조 사이에는 폭기 및 비폭기를 조정하기 위한 시간조절장치 및 상기 시간 조절 장치에 연결되어 공기류를 간헐적으로 상기 각 반응조에 공급하기 위한 솔레노이드밸브를 포함하는 공기주입수단이 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제3반응조 뒤, 또는 상기 침전조 앞에 호기성으로 운영되는 폭기 방식인 제4반응조를 추가로 배치하여 운영할 수도 있으며, 상기 간헐폭기 방식으로 운영되는 제3반응조를 다수개 설치하여 다단 반응조로 운영할 수도 있다.
이에 더하여, 상기 순혐기조 및 상기 분리조는 하나의 시설로 하여 슬러지와 분리된 유입수를 동시에 분리하여 각각의 간헐폭기 방식의 반응조로 유입시키는 것이 가능하다.
또한, 상기 각 반응조 내에는 미생물의 양을 증가시키기 위하여 생물막(media)을 추가로 설치하여 운영할 수 도 있다.
본 발명의 공정에서는 분리조가 있어 이곳에서 분리된 슬러지는 일정 시간을 주기로 간헐폭기로 운영되는 제1, 제2반응조중 혐기성 상태로 운영되는 반응조로 유입된다. 혐기성 반응조에서는 탈질 효율이 증진된다. 슬러지와 분리된 유입수는 제1, 제2반응조중 호기성 상태로 운영되는 반응조로 유입되어 질산화가 진행되는데, 상기 질산화를 통하여 질소 및 인의 제거 효율을 증진시킬 수 있다. 또한 이러한 운영방식은 산소를 간헐적으로 공급함으로써 산소 공급에 소요되는 경비도 절감시킬 수 있다.
이에 더하여, 폭기 및 비폭기를 조정하기 위한 시간조절장치와 상기 시간조절장치에 연결되어 에어 펌프로부터 발생된 공기류를 간헐적으로 반응조에 공급하기 위한 솔레노이드밸브를 포함하는 공기주입수단을 적절하게 사용하여 각 반응조에서의 폭기 및 비폭기 시간과 유로의 흐름을 각 모드에 맞게 바꾸고 각각의 모드에서 운영 시간을 폐수의 특성에 맞게 조절함으로써 유압수의 부하 변동에 강하며 처리 효율을 극대화시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다.
이하, 본 발명의 폐수 정화방법을 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 폐수의 정화공정을 나타내는 개략도이다.
반응조는 순혐기조, 제1, 제2, 제3반응조(1,3,4,5) 4개로 구성되며 하나의 분리조(2)와 하나의 침전조(6)를 포함한다. 운영방식은 도 1a 및 1b에 도시한 바와 같은 제1공정 및 제2공정을 A→B→A→B… 형태로 계속적으로 반복 운영한다.
먼저, 도 1a의 공정에서는 침전조(6)로부터 반송된 슬러지는 순혐기조(1)에서 유기물 흡착과 인의 방출이 진행되고 분리조(2)에서는 다시 슬러지와 유입수가 분리되어 간헐폭기 방식으로 운영되는 제1반응조(3)와 제2반응조(4)로 각각 유입된다. 제1반응조와 제2반응조에서의 폭기 및 비폭기는 서로 엇갈리게 공기가 주입되며, 폭기 및 비폭기 시간은 각각 1시간/1시간 또는 2시간/2시간 등으로 폐수의 성상에 따라 조정할 수 있다. 제3반응조도 마찬가지로 시간을 주기로 간헐폭기 형태로 운영한다. 도 1a의 공정에서, 분리조에서 분리된 슬러지는 탈질산화를 위해 비폭기 상태로 운영되는 제2반응조(4)를 통과하여 제3반응조(5)로 유입되고, 분리조(2)에서 분리된 유입수는 질산화를 위해 폭기상태로 운영되는 제1반응조(3)로 유입되며, 유입된 양만큼 제2반응조(4)로 유출되고 제3반응조(5)로 유입된다. 즉, 분리조에서 분리된 슬러지는 제2, 제3반응조를 통과하며, 분리된 유입수는 제1, 제2, 제3반응조를 통과하게 된다. 일정 시간 후에 도 1a의 공정에서 도 1b의 공정으로 전환한다.
도 1b의 공정에서는 분리조에서의 슬러지는 비폭기로 운영되는 제1반응조와 제3반응조로 운영되며, 분리조에서 분리된 유입수는 제2→제1→제3반응조의 형태로 운영된다. 도 1b의 공정이 끝난 후 모드는 다시 도 1a의 공정으로 변형되어 반복적으로 운영된다. 또한 각각의 모드에서의 운영 시간은 폐수의 특성에 따라 조정을 용이하게 할 수 있다.
상기 각 반응조에서의 폭기 및 비폭기 시간과 유로의 흐름은 분리조와 제1 및 제2반응조 사이, 제1, 제2반응조와 제3반응조 사이에 설치된 시간조절장치와 솔레노이드밸브(s)를 적절하게 사용하여 각 모드에 맞게 바꿀 수 있다. 도면에서, →는 유체의 흐름이 열린 경로를 의미하여
Figure kpo00003
는 유체의 흐름이 막힌 경로를 의미한다.
도 2a 및 2b에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 폐수의 정화공정을 개략적으로 나타내었다.
도 2a 및 2b에서는 도 1a 및 1b의 공정에 있어서, 제3반응조 뒤 또는 침전조 앞에 호기성으로 운영되는 24시간 폭기방식의 제4반응조(7)를 추가로 설치하여 운영하도록 하여 유로 및 운영방식의 변형된 형태를 보여준다. 폭기방식의 제4반응조(7)를 추가로 설치하면 슬러지의 침전이 증가되며 처리효율의 안정성을 기할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 또다른 변형예로서, 도 1a 및 1b, 도 2a 및 2b에 있어서, 간헐폭기 방식으로 운영되는 제3반응조를 다수개 설치하여 다단 반응조로 운영할 수도 있는데, 이렇게 하면 질소와 인의 처리효율이 더욱 증가된다. 또한 순혐기조와 분리조를 하나의 시설로 하여 슬러지와 분리된 유입수를 동시에 분리하여 각각 간헐폭기 방식의 반응조에 유입할 수도 있다. 이에 더하여, 각 반응조 내에는 미생물의 양을 증가시키기 위하여 생물막을 첨가하여 운영할 수도 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 정화방법에 의하면, 부영양화의 주요 원인이 되고 있는 질소와 인의 처리를 극대화시킬 수 있다. 반응조 내 운영 방식은 호기성과 혐기성 반응조를 별도로 분리하지 않고 하나의 반응조에서 산소를 간헐적으로 공급하는 것에 의해 이를 구연한다. 이에 따라, 하나의 반응조 내에서 질산화를 위한 호기성 상태와 탈질산화를 위한 혐기성 상태를 모두 유지할 수 있다. 결국 에너지를 절약할 수 있는 것이다.
또한, 분리조에서 분리된 유입수와 슬러지를 각각 분리하여 질산화와 탈질산화를 유도함으로써 질소 제거 효율을 크게 증진시킬 수 있으며 간헐폭기 형태로 운영함으로써 인의 과잉 섭취를 유도하여 인의 제거 효율도 증진시킬 수 있다.
한편, 질소나 인을 처리하는 공정에서 중요한 인자는 호기 및 혐기성 반응조의 구성 방법 및 체류 시간이다. 본 간헐폭기 활성 슬러지 시스템에서는 시간조절장치와 솔레노이드밸브를 적절하게 사용하여 폭기 시간과 비폭기 시간을 폐수의 특성에 맞게 조절함으로써 효율을 극대화시킬 수 있다는 큰 장점을 가지고 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (4)

  1. 폐수의 정화방법에 있어서, 순혐기조(1), 분리조(2), 폭기 및 비폭기가 반복되는 간헐폭기 방식인 제1반응조(3), 상기 제1반응조(3)와 반대로 폭기 및 비폭기가 반복되는 간헐폭기 방식인 제2반응조(4), 폭기 및 비폭기가 반복되는 간헐폭기 방식인 제3반응조(5) 및 침전조(6)의 순서로 하고, 상기 침전조(6)에서 상기 순혐기조(1)로 슬러지를 반송시키고, 분리조(2)에서 분리된 슬러지는 상기 제2반응조(4)로 유입시키고, 상기 분리조(2)에서 분리된 유입수는 상기 제1반응조(3)로 유입시켜 운영하는 제1공정; 및 순혐기조(1), 분리조(2), 폭기 및 비폭기가 반복되는 간헐폭기 방식인 제2반응조(4), 상기 제2반응조(4)와 반대로 폭기 및 비폭기가 반복되는 간헐폭기 방식인 제1반응조(3), 폭기 및 비폭기가 반복되는 간헐폭기 방식인 제3반응조(5) 및 침전조(6)의 순서로 하고, 상기 침전조(6)에서 상기 순혐기조(1)로 슬러지를 반송시키고, 분리조(2)에서 분리되는 슬러지는 상기 제1반응조(3)로 유입시키고, 상기 분리조(2)에서 분리된 유입수는 상기 제2반응조(4)로 유입시켜 운영하는 제2공정을 반복하여 질소 및 인을 제거하는 공정으로 구성되며, 상기 분리조(2)와 상기 제1반응조(3) 사이, 상기 분리조(2)와 상기 제2반응조(4) 사이, 상기 제1반응조(3)와 상기 제3반응조 (5)사이 및 상기 제2반응조(4)와 상기 제3반응조(5) 사이에는 폭기 및 비폭기를 조정하기 위한 시간조절장치 및 상기 시간 조절 장치에 연결되어 상기 각 반응조에 공급되는 유로의 흐름을 조절하기 위한 솔레노이드밸브를 포함함을 특징으로 하는 폐수의 정화방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제3반응조(5) 뒤, 또는 상기 침전조 앞에 호기성으로 운영되는 폭기방식인 제4반응조(7)를 추가로 배치하여 운영하는 것을 특징으로 하는 폐수의 정화방법.
  3. 제1항 또는 2항에 있어서, 상기 간헐폭기 방식으로 운영되는 제3반응조(5)를 다수개 설치하여 다단 반응조로 운영하는 것을 특징으로 하는 폐수의 정화방법.
  4. 제1항 또는 2항에 있어서, 상기 순혐기조(1) 및 상기 분리조(2)를 하나의 시설로하여 슬러지와 분리된 유입수를 동시에 분리하여 각각의 간헐폭기 방식의 반응조로 유입시키는 것을 특징으로 하는 폐수의 정화방법.
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