KR100424092B1 - 질산성 질소 처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자제품의 생산시에 발생되는 전자 폐수를 처리하는 질산성 질소 처리장치, 특히 유입수의 유량을 조절하는 유량조정조; 유량 조정조에서 공급되는 유입 폐수의 pH를 조절하는 pH 조정부; 상기 유량조정조와 pH 조정부를 거쳐 유입된 폐수를 처리하는 탈질 생물반응기; 탈질 생물 반응기내에 탄소원을 공급하는 탄소원 공급부; 및 상기 탈질 생물 반응기내에 공기를 불어 넣는 송풍기를 포함하는 질산성 질소 처리장치에 관한 것으로, 본 발명의 질산성 질소 처리장치는 폐수중 질산성 질소를 신속하고 경제적으로 제거할 수 있고, 유지관리가 간편한 이점을 갖는다.

Description

질산성 질소 처리장치{APPARATUS FOR TREATING NITRATE NITROGEN}

본 발명은 전자제품의 생산시에 발생되는 질산성 질소를 포함하는 폐수를 처리하기 위한 질산성 질소 처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비표면적이 넓고 공극률이 큰 미생물 접촉재를 사용하여 전자 폐수를 처리함으로써 신속하게 질산성 질소를 제거할 수 있고 경제적이며 유기관리가 간편한 질산성 질소 처리장치를 제공하는 것이다.

LCD, 웨이퍼, 브라운관 등의 전자제품 제조공정중에는 식각 및 불순물의 제거를 목적으로 다량의 혼산을 사용하고 있다. 여기서 혼산이란 인산, 질산, 염산 및 불산의 혼합물로, 이러한 혼산은 사용 후 폐수로 배출된다. 폐수의 혼산 중 인산, 염산 및 불산은 화학적 처리방법으로 간단하게 제거할 수 있지만, 질산의 경우에는 응집제와 킬레이트 반응이 일어나지 않기 때문에 화학적 방법으로는 제거가 불가능하다.

전자 폐수 중에 잔류하는 질소(N)는 하천과 호소 등에 방류될 경우 부영양화를 초래하고 해양에 유입될 경우 조류의 대발생을 유발시킬 수 있다. 부영양화란 소하천, 저수지, 상수원 등의 정체수역으로 배출된 질소, 인 등에 의해 조류가 발생하는 현상으로, 조류가 번식되면 용존산소, pH 및 투시도가 변화되어 수중생물들이 집단 폐사되고, 악취가 발생하는 등 심각한 문제를 야기한다. 각종 전자 제품의 제조과정에서 배출되는 전자폐수는 유기오염물질의 농도가 낮고 상기와 같은 무기물의 농도가 높은 특성을 가지고 있기 때문에, 국내 대부분의 전자회사들은 화학응집침전법을 이용하여 폐수를 처리하여 왔으나 최근 질소, 인의 배출농도가 더욱 엄격하게 규제됨에 따라 질산성 질소를 제거하기 위한 시설을 화학응집처리시설의 후단에 도입하고 있는 실정이다.

질소는 그 형태에 따라 생물학적 처리 기작이 다양한데, 질소의 형태가 암모니아성 질소(NH4⁺-N)인 경우에는 질산화균(예컨대, 니트로소모나스(Nitrosomonas), 니트로박터(Nitrobacter))에 의해 질산성 질소로 변환된 후 바실루스(Bacillus), 아에로모나스(Aeromonas) 등의 임의성 세균에 의해 질소(N₂) 또는 아질화질소(N₂O)의 형태로 제거된다. 질산성 질소(nitrate nitrogen)(NO₃ ^--N)인 경우에는 질산화 과정없이 바로 생물학적 탈질과정을 통하여 제거된다. 탈질능력을 가지고 있는 탈질균은 환원효소를 가지고 있어 질산성 질소를 기체상의 질소로 환원시킬 수 있는데, 이러한 탈질균의 예로는 슈도모나스(Pseudomonas), 마이크로코커스(Micrococus), 아르크로모박터(Archromobacter) 등이 있다. 단백질인 경우에는 단백질이 암모니아성 질소로 전환된 후 질산화 및 탈질과정을 거쳐 제거된다.

폐수 중의 질소를 제거하는 폐수처리공법은 물리화학적 공법과 생물학적 공법으로 분류되는데, 질소의 경우 높은 제거효율, 손쉬운 관리 및 저렴한 유지관리 비용으로 인하여 대부분이 생물학적 공법에 의해 처리되고 있다. 질산성 질소를 생물학적으로 제거하는 기존의 방법으로는 미생물의 배양형태에 따라 부유상 미생물을 이용하는 방법과 미생물 접촉재에 부착된 부착상 미생물을 이용하는 방법이 있다. 이 중 부유상 미생물을 이용하는 방법은 활성오니공법과 유사하게 침전조 하부에 가라앉은 미생물을 반응조로 반송하여 미생물의 농도를 유지시켜 주는 방법이다. 그러나, 이러한 방법은 처리효율이 우수한 장점을 갖는 반면에, 침전조, 반송라인 등 부가설비를 필요로 하므로 비경제적이고, 미생물의 농도 조절에 전문기술이 필요하며, 상부가 열려 있어 산소의 용해가 자유롭고 이로 인해 처리효율이 떨어지는 문제점을 갖는다.

한편, 부착상 미생물을 이용하는 방법은 미생물 접촉재에 부착된 미생물을 이용하기 때문에 침전조, 반송라인 등 부가설비가 필요 없고, 미생물의 농도조절이 필요 없어 유지관리가 간단한 장점이 있다. 부착상 미생물을 이용한 공법에 있어 가장 중요한 것은 미생물 접촉재로, 미생물 접촉재는 그 구조에 있어 다량의 미생물을 부착시킬 수 있는 표면구조를 가지면서 비표면적이 넓어야 하며 폐색 현상이 발생하지 않도록 공극률이 커야 한다. 기존에 질산성 질소의 생물학적 제거를 위한 미생물 접촉재로는 대표적으로 모래, 활성탄, 일정한 모양으로 성형 가공된 플라스틱 등이 사용되고 있다. 그러나, 이 들 재질은 표면의 형태가 미생물의 부착에 적합하지 않고 부착된 미생물이 쉽게 탈리되어 처리효율이 좋지 못하고 처리수에 탈리된 부유물질이 많아지기 때문에 후단에 부유물질을 제거하기 위한 침전조 또는 여과장치가 별도로 필요한 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상술한 종래 기술의 문제점을 극복하는 것으로, 미생물의 부착량이 많으면서도 폐색에 의한 폐수의 흐름에 영향을 주지 않는 미생물 접촉재를 이용함으로써 처리효율을 향상시킨 질산성 질소 처리장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 별도의 설비 없이 폐수 중에 존재하는 질산성 질소를 신속하게 제거할 수 있고 유지관리가 간편한 질산성 질소 처리장치를 제공하는 것이다.

즉, 본 발명은

유입수의 유량을 조절하는 유량조정조;

유량 조정조에서 공급되는 유입 폐수의 pH를 조절하는 pH 조정부;

상기 유량조정조와 pH 조정부를 거쳐 유입된 폐수를 탈질 처리하는 탈질 생물반응기;

탈질 생물 반응기내에 탄소원을 공급하는 탄소원 공급부; 및

상기 탈질 생물 반응기내에 공기를 불어 넣는 송풍기를 포함하는 질산성 질소 처리장치를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 질산성 질소 처리장치의 일실시예의 개략도,

도 2는 도 1의 본 발명의 질산성 질소 처리장치중 탈질 생물반응기내 미생물 접촉재 설치 태양을 설명하기 위한 설명도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1: 유량조정조 2: pH 조정부

4: 탄소원 공급부 5: 탈질 생물반응기

6: 송풍기 51: 반응탱크

52: 미생물 접촉재 53: 미생물 접촉재 설치대

54: 드로트 튜브 55: 믹서

56: 산기관 57: 슬러지 배출 포트

58: 처리수 배출 웨어 10: 볼트와 너트

이하에서 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

먼저 본원에서 사용되는 "전자 폐수"라는 용어는 LCD, 웨이퍼, 브라운관 등의 전자제품의 생산시에 발생되는 산업폐수를 의미한다. 그러나, 본 발명의 질산성 질소 처리장치는 반드시 상기 용도에만 제한적으로 사용될 수 있는 것은 아니고 기타 비료공장, 화학공장 등에서 발생되는 폐수 처리에 광범위하게 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 질산성 질소 처리장치의 일실시예의 개략도이다. 본 발명의 질산성 질소 처리장치는 유량조정조(1), pH 조정부(2), 탄소원 공급부(4), 탈질 생물반응기(5), 및 송풍기(6)를 포함한다.

본 발명의 질산성 질소 처리장치에서 유량조정조(1)는 질산성 질소가 포함된 폐수가 일정한 유량으로 탈질 생물반응기(5)에 주입되도록 유입수의 유량을 조절하는 역할을 담당하며, 유량조절은 V형 웨어를 통하여 이루어진다. pH 조정부(2)는 pH 조정조(21)와 케미컬 탱크(22)로 구성되며, 케미컬 탱크에는 유입 폐수의 pH를 조절하기 위한 산 또는 알칼리가 담지된다. 케미컬 탱크(22)는 탈질 반응이 주로 pH 6∼8의 중성 범위에서 가장 빠르게 진행되므로 폐수의 pH가 이 범위내로 유지되도록 산 또는 알칼리를 투입하여 조절한다.

탈질반응이 효율적으로 이루어지기 위해서는 하기 수학식 1에서 보는 바와 같이 일정량 이상의 탄소원이 필요하므로 부족한 만큼의 탄소원을 외부에서 공급하여야 한다. 본 발명의 질산성 질소 처리장치에서 탄소원 공급부(4)는 탈질 생물반응기(5)로 유입되는 폐수에 탄소원을 공급하는 역할을 담당한다. 본 발명에서는 어떤 종류의 탄소원을 이용하여도 무방하나 탈질속도와 경제성이 우수한 메탄올을 이용하는 것이 가장 좋다. 예를 들어, 메탄올은 탄소원 공급부(4)를 통하여공급되는데 메탄올은 폭발물질이므로 탱크, 라인 및 발브를 방폭형으로 설계한다. 상기 pH 조정부(2)에 의해 pH가 조정되고 탄소원 공급부(4)에 의해 부족한 탄소원이 보충된 폐수는 이어서 탈질용 생물반응기(5)로 유입된다.

상기 식에서, Cm : 요구되는 탄소원 농도(mg/L),

N₀: 초기 질산성 질소 농도(mg/L),

N₁: 초기 아질산성 질소 농도(mg/L),

D₀: 초기 용존산소 농도(mg/L)이다.

본 발명의 질산성 질소 처리장치 중 상기 탈질 생물반응기(5)는 반응탱크(51), 미생물 접촉재(52), 미생물 접촉재 설치대(53), 드로트 튜브(54), 믹서(55), 산기관(56), 슬러지 배출포트(57) 및 처리수 배출웨어(58)를 포함한다.

본 발명의 탈질 생물반응기(5)에서 반응탱크(51)는 탈질 미생물에 의한 폐수처리반응이 진행되는 공간으로, 이러한 반응탱크내에 미생물 접촉재가 설치된다. 폐수 처리 미생물들을 고정시키는 미생물 접촉재(52)는 미생물 접촉재 설치대(53)에 고정된다.

드로트 튜브(54)의 하부에 설치된 믹서(55)를 통해 반응탱크(51) 하부의 폐수가 드로트 튜브(54) 상부로 이송되고 상부로 이송된 폐수는 미생물 접촉재 설치대(53)에 일정한 간격으로 설치되어 있는 미생물 접촉재(52)에 접촉하여 질산성 질소가 제거되면서 하부로 이송된다. 이와 같은 순환 중에 미생물 접촉재(52)에 부착,성장하는 미생물의 작용에 의해 질산성 질소가 완벽하게 제거된 후 외부로 배출된다. 이와 같은 드로트 튜브(54)를 이용한 간접순환은 폐수의 접촉을 위한 믹서(55) 등의 동력이 미생물 접촉재에 부착된 미생물에 전달되지 않도록 함으로써 부착된 미생물이 탈리되지 않는 장점이 있어 처리수에 탈리된 부유물질이 적으며, 후단에 별도의 침전조 또는 여과기가 필요하지 않게 된다.

본 발명의 질산성 질소 처리장치에서 탈질 생물반응기(5)는 미생물 접촉재에 부착된 임의성 미생물과 폐수가 균등하면서도 간접적으로 접촉되도록 구성되어 있는데 너비와 높이의 비는 1 내지 5사이가 좋으며, 드래프트 튜브(54)의 너비는 전체 너비의 1/10 내지 1/30 범위가 순환과 처리에 좋다.

이하에서 본 발명의 질산성 질소 처리장치에서 사용되는 미생물 접촉재에 관하여 설명하면 다음과 같다. 미생물을 이용한 질산성 질소의 제거에 있어 처리의 효율은 하기 수학식 2와 같이 미생물의 농도에 비례한다. 즉 미생물의 농도가 높을수록 체류시간(반응기의 크기)은 작아지며 처리효율은 상승하게 된다.

상기 식에서, S : 처리수내의 질산성 질소 농도(mg/L),

S₀: 유입수내의 질산성 질소 농도(mg/L),

U : 비탈질율(KgNO₃-N/Kg MLSS·day),

θ : 체류시간(day),

X : 미생물의 농도(mg/L)이다.

따라서, 생물학적 처리 공법에서 처리효율을 향상시키기 위해서는 고농도의 미생물을 일정하게 유지하는 것이 중요하다. 본 발명의 질산성 질소 처리장치에서 사용되는 미생물 접촉재는 미생물을 고농도로 보유하기 위하여 특수하게 고안된 것으로, 재질은 섬유가 가장 바람직하고 일정한 공극을 유지하기 위해서는 끈상으로 가공한 후 사용하는 것이 가장 좋다. 특히 미생물의 부착이 용이하고 작은 전단력에는 부착된 미생물이 탈리되지 않는 이형단면사를 사용하는 것이 좋다. 섬유의 재질로는 나이론, 폴리에스터, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, PVC, PVDC를 단독 또는 혼합하여 사용하며, 섬유의 굵기가 가늘수록 비표면적이 커지므로 섬유 한가닥의 굵기가 200 데니아 이하인 단섬유를 합사하여 사용하는 것이 좋다. 끈상의 형태는 5mm 이상의 굵기를 가진 로프사의 주위에 상기의 섬유 다발이 루프를 이루도록 구성된다.

본 미생물접촉재(52)의 설치량은 폐수 1m³당 200에서 400m로 하는 것이 처리효율에 좋고, 접촉재 사이의 간격을 20mm 이상 유지하는 것이 고농도의 미생물을 보유하면서도 폐색현상을 방지하기 위해 필요하다. 미생물 접촉재 설치대(53)는 미생물접촉재를 고정하는 것으로 스테인레스 스틸(SUS) 304를 사용하며, 그 설치예는 도 2와 같다. 미생물 접촉재(52)는 단단하게 고정을 하여야 미생물의 부착이 좋고 폐수의 흐름에 의한 흔들림이 없게 되는데 이를 위하여 고정용 볼트와 너트(10)를 이용한다. 본 발명과 같이 미생물 접촉재를 제작 설치하게 되면 탈질 생물반응기(5)내에 5,000ppm 이상의 고농도 미생물을 보유할 수 있어 적은 용량으로 폐수에 존재하는 질산성 질소를 신속히 제거할 수 있게 된다.

탈질 생물반응기(5)내에 탄소원과 질산성 질소가 연속적으로 공급되면 이를 먹이로 하여 미생물이 과도하게 성장하게 되어 방류수의 부유물질농도가 점차 상승하게 되므로 이를 방지하기 위하여 주기적으로 미생물을 어느 정도 탈리시켜 외부로 배출시켜야 한다. 그 주기는 주입되는 탄소원과 질산성 질소의 농도에 비례한다. 본 발명에서는 탈리의 수단으로 공기에 의한 탈리방법을 사용한다. 미생물이 과도하게 성장하여 폐수의 순환이 원활하지 못하고 처리수에 부유물질의 농도가 상승하게 되면 송풍기(6)가 가동되고 공기는 미생물 접촉재(52)의 하부에 설치된 산기관(56)을 통하여 공급되면서 그 전단력에 의해 미생물 접촉재에 부착된 미생물들을 탈리시킨다. 일정 시간 탈리시킨 후 탈리된 미생물을 반응탱크(1)의 하부에 가라앉혀 슬러지 배출 포트(57)를 통하여 외부로 배출시킨다.

상기의 질산성 질소 처리장치의 동작 과정에 대하여 설명한다. 화학응집침전 등을 통하여 인산과 불소 성분이 제거된 폐수는 유량조정조(1)에 집수된다. 통상 전자 폐수내의 질산성 질소의 농도는 200ppm 이하로 별도의 전처리 없이 탈질생물반응기(5)로의 유입 가능하다. 유량조정조(1)에 집수된 폐수는 유량조정조(1)에 의해 유량이 조절되고 pH 조절부(2)에 의해 pH가 조절된 후, 탄소원 공급부(4)에 의해 부족한 탄소원이 첨가된다음 탈질 생물반응기(5)에 유입된다. 유입된 폐수는 믹서(55)에 의해 드로트튜브(54)와 미생물 접촉재(52)를 순환하면서 미생물 접촉재(52)에 부착된 미생물에 의해 질산성 질소가 제거된다. 전술한 바와 같이 드로트튜브(54)는 폐수가 미생물 접촉재에 간접적으로 접촉, 순환되도록 하는 역할을 한다. 탈질 생물반응기(5)에서 고르게 순환되면서 미생물 접촉재에 부착된 미생물에 의하여 분해가 되어 깨끗해진 물은 처리수 배출 웨어(58)를 통하여 방류된다. 폐수가 탈질 생물반응기(5) 내에 체류하는 시간은 유입수의 농도에 따라 1 내지 4시간 정도이며, 탈질 생물반응기(5) 내의 수중 용존산소량은 0ppm을 유지하게 되면 처리효율이 좋다.

본 발명의 탈질 생물반응기는 비표면적이 넓으면서도 공극률이 큰 미생물 접촉재를 사용하므로 폐색 현상 없이 5,000ppm 이상의 미생물을 고농도로 담지할 수 있기 때문에 적은 용량으로 폐수에 존재하는 질산성 질소를 신속하게 제거할 수 있을 뿐 아니라 침전조, 반송라인 등 부가설비가 필요 없어 경제적이며 미생물의 농도조절이 필요 없어 유지관리가 간편한 이점을 갖는다. 따라서, 본 발명의 질산성 질소 처리장치는 질산성 질소를 포함하는 폐수 처리에 유용하며, 특히 질산성 질소가 다량 함유되어 있는 전자폐수의 화학응집처리 후단설비로 특히 유용하다.

Claims (4)

1. 유입수의 유량을 조절하는 유량조정조;

   유량 조정조에서 공급되는 유입 폐수의 pH를 조절하는 pH 조정부;

   상기 유량조정조와 pH 조정부를 거쳐 유입된 폐수를 탈질 처리하는 탈질 생물반응기로서;

   탈질 미생물에 의한 폐수처리반응이 진행되는 반응탱크;

   탈질 미생물들을 고정시키는 이형단면사로 제작되고 로프사의 주위에 섬유 다발이 루프상으로 형성된 루프상 미생물 접촉재;

   상기 미생물 접촉재를 반응탱크내에 고정,설치하기 위한 미생물 접촉재 설치대;

   상기 반응탱크 하부의 폐수를 상부로 이송하는 드로트 튜브와 믹서;

   미생물 접촉재에 부착된 미생물들을 탈리시키는 산기관;

   침전된 탈리 미생물들을 배출하기 위한 슬러지 배출 포트; 및

   탈질 생물 반응기내에서 처리된 폐수를 방류하는 처리수 배출 웨어를 포함하는 탈질 생물 반응기;

   탈질 생물 반응기내에 탄소원을 공급하는 탄소원 공급부; 및

   상기 탈질 생물 반응기내에 공기를 불어 넣는 송풍기를 포함하는 질산성 질소 처리장치.
2. 삭제
3. 제 2항에 있어서, 상기 탈질 생물 반응기내에 미생물 접촉재가 1m³당 200에서 400m 설치된 것을 특징으로 하는 질산성 질소 처리장치.
4. 제 2항에 있어서, 상기 미생물 접촉재가 나이론, 폴리에스터, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, PVC, 및 PVDC로 구성되는 그룹으로부터 선택된 합성섬유 단독 또는 이들을 혼합 재료로 구성되는 것임을 특징으로 하는 질산성 질소 처리장치.