KR100466934B1 - 황 충전 반응기를 이용한 질소제거 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 입상황이 충전된 통수가 가능한 망형태를 반응조 내에 설치한 생물학적 질소제거 장치로서, 단일 반응조에서 유기물 제거와 함께 질산화 반응과 탈질 반응을 동시에 수행 할 수 있다.

Description

황 충전 반응기를 이용한 질소제거 방법 및 장치{Equipment and Method of Nitrogen Removal Using Reactor Packed with Granular Sulfur}

본 발명은 산업폐수, 하수, 지하수 등의 정화에서, 질소를 제거하기 위한 생물학적 수처리 방법에 대한 것이다.

일반적으로, 수계에서 질소를 완전히 제거하기 위해서는 암모니아성 질소를 질산화하는 질산화 공정과 질산화된 질소를 제거하기 위한 탈질 공정이 수반되어야 한다. 그런데 이 공정들은 서로 상이한 조건에서 진행되기 때문에, 각각의 반응을 효율적으로 수행하기 위하여 질산화조와 탈질조를 별도로 설치하여 각각의 반응조에서 서로 다른 조건을 유지하며 질소제거의 역할을 수행해 왔다. 도 1은 폐수 등에 함유된 질소를 제거하기 위하여 보편적으로 적용되거나 응용되는 생물학적 장치의 일반적인 계통도이다. 정화의 대상이 되는 원수는 원수유입관(101)을 거쳐 무산소조(102)로 유입된다. 무산소조(102)에서는 유입되는 원수내의 유기물을 이용하여 포기조(104)에서 내부반송된 질산화액과 최종침전조(107)에서 슬러지반송관(108)을 통해 이동된 반송슬러지를 이용하여 유기물제거와 함께 탈질반응을 수행하고, 무산소조유출관(103)을 통해 포기조(104)로 유입된 암모니아성질소는 질산성질소로 산화되며, 포기조유출관(105)을 통해 최종침전조(107)에 유입된 처리수는 고액분리되어 반송, 잉여슬러지유출(110) 및 최종처리수 유출(109)되는 과정을 진행한다.

또한, 도1 의 무산소(102)를 대신하여 황을 충전한 반응조를 두어 황을 이용한 탈질을 수행하기도 하는데, 이때는 슬러지반송관(108)이 필요하지 않으며, 그 위치는 침전조의 후단부에 설치하는 것이 일반적이다. 무산소조(102)와 포기조(104)의 위치는 공법에 따라 서로 바뀌어 설치되기도 하며, 여러가지로 변형된 형태의 장치가 존재하고 있으나, 기본적으로 질산화 반응은 미생물에 의한 산화반응이므로 반응의 진행을 위해서는 수중에 용존산소가 필수적으로 존재해야 하며 탈질 반응은 질산화 반응과는 달리 조 내부를 무산소 상태로 유지해야 하기 때문에질산화와 탈질을 위해 각각의 분리된 반응조를 이용하고 있다. 또한, 원수내의 유기물 농도가 질소제거에 필요한 양 이하가 될 경우, 원수유입관(101)에 유기성 수소공여체를 주입하는 장치가 설치되는 경우도 있다. 통상 탈질반응에 필요한 수소공여체로서 메탄올과 같은 유기물을 첨가하여 질소제거를 수행한다. 이 경우에 있어 수소공여체의 첨가량에 따라 경제성이 떨어질 뿐만 아니라 메탄올첨가량이 정확하지 않아 탈질에 필요한 유기물량보다 많아진 경우에 후단의 포기조(104)에서 유기물 산화세균에 비하여 증식속도가 낮은 질산화세균의 증식이 억제되어 질산화 성능이 상대적으로 저하된다.

종래의 기술로서는 특허공개 1992-0016357의 경우 유기물 및 질산화를 수행하기 위해 섬모상을 사용하였으나, 섬모상이 일정기간후 탈리되어 섬모상의 기능을 수행할 수 없고, 독립영양 탈질반응이 일어나지 않는다. 또한, 실용신안등록 제 209101의 경우 섬모상을 일반하천에 긴 띠로 연결하여 하천수질 정화용으로 사용하며, 실제 하수처리장의 수처리 시스템으로는 적용이 어렵다.

본 발명은 위에서 언급한 생물학적 질소제거 기술과 관련하여, 단일 반응조에서 질산화와 탈질을 동시에 유도하여 장치를 간소화하고 소요부지면적을 줄임으로서 경제적인 면과 기술적인 면에서 우수한 생물학적 질소제거 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도1은 종래기술에 따른 질소제거용 생물학적 수처리 계통도이며,

도2는 본 발명에 따른 질소제거용 황 충전 섬유망 반응조 수처리 계통도이며,

도3은 본 발명에 따른 황을 충전한 통수 가능한 망형태의 상세도이다.

<부호의 설명>

101, 201 : 원수유입관 102: 무산소조, 104: 포기조

106: 내부반송, 107, 204 : 최종침전조 108, 207 : 슬러지반송관

109: 최종처리수 유출 202 : 포기조 205 : 최종처리수유출관

206 : 잉여슬러지인출관, 208 : 황충전반응조 209 : 산기관,

301 : 섬유망 302 : 케이싱 303 : 입상황

본 발명은, 포기조 내부에 황을 충전한 섬유망을 충진하여 섬유망의 외부에서는 질산화 반응을 유도하고 섬유망 내부에서는 황을 이용한 독립영양탈질을 유도하여 단일 반응조 내부에서 질산화와 탈질을 동시에 수행하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 섬유망에 부착된 미생물에 의하여 섬유망 내부에 형성된 무산소영역을 이용하여, 황을 이용한 독립영양탈질이 가능하여, 포기가 계속 진행중인 반응조 내부에서 탈질 반응을 유도할 수 있다. 기존의 활성슬러지 반응조에 황을 충전한 섬유망을 충전하는 것만으로 원수 중의 암모니성 질소제거가 가능한 것을 또 하나의 특징으로 한다.

황을 이용한 독립영양 황탈질반응 및 관여 미생물은 본 발명의 선행특허인 제 0304068호에 상세히 나타내었다.

이하에 본 발명의 내용을 도 2와 도 3을 참조하여 설명한다. 도 2는, 본 발명에 의한 처리계통이며, 도 3은 본 발명의 주요 부분인 황을 충전한 섬유망에 대한 것이다. 도 4에서는 황을 충전한 섬유망을 이용하여 하수처리에 적용하였을 때의 결과를 나타내었다.

종래의 기술과 비교하여 본 발명의 특징을 설명하면 다음과 같다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 황을 충전한 섬유망(208)을 포기조(202)의 내부에 지면과 수직방향으로 설치하였다. 그러나 섬유망을 수평방향으로 설치하여도 탈질반응에는 별다른 영향이 없다. 황을 충전한 섬유망은 필요에 따라 수개 이상을 설치할 수 있다.

도 3에 나타낸 황을 충전한 섬유망은 질산화와 탈질을 동시에 수행할 수 있도록 구성되었다. 유동형 섬유망(301)은 폭기조 내의 미생물이 부착성장할 수 있는조건을 제공하여 질산화균과 같이 성장속도가 느린 미생물이 부착될 수 있도록 하고, 부착된 미생물에 의해 섬유망의 내부는 무산소 조건이 형성되며, 이 결과 황이용 독립영양 탈질을 유도할 수 있게 된다.

사용된 섬유망의 재질은 일반적으로 사용되는 PET이며, 1.2 ㎡/m의 비표면적을 가지고, 부착된 섬유망의 평균 길이는 40mm이다. 그리고 섬유망 담체 1 ㎠ 당 대략 2880개의 섬유가 부착되어 있다. 섬유상의 길이가 30mm미만인 경우 포기조내의 섬유에 서식하는 미생물에 의한 DO가 높아 독립영양 황탈질반응의 효율이 저하되며, 섬유상의 길이가 100mm 이상인 경우 질산화 등은 양호하나 유동상의 섬유가 주위에 있는 섬유상의 케이싱과 엉켜 유지관리가 어렵다. 섬유상의 내부에는 황이용 독립영양 탈질을 유도하기 위하여 입상황(303)을 충전하였다. 입상황(303)은 강도가 약하여 부서지기 쉽고, 황이용 독립영양 탈질이 진행됨에 따라 점차 소모되어 입경이 작아져서 외부로 유출될 경우, COD상승의 원인이 될 수 있다.

외부로 입상황이 유출되는 것을 방지하고 충전된 황의 중량으로 인해 섬유상의 모양이 변형되는 것을 방지하기 위하여, 개공비 67.5%의 케이싱을 두었다. 케이싱의 재질은 polypropylene이며, 원통형의 모양을 가지고 있다.

본 발명의 부가적인 효과를 설명하면 다음과 같다.

황을 충전한 섬유망 담체를 충전하는 것만으로 질산화반응과 탈질반응을 동시에 수행할 수 있으므로 기존의 활성슬러지 반응조에 쉽게 적용이 가능하다. 단일 반응조에서 질산화반응과 탈질반응이 동시에 수행되므로 기존의 장치와 비교하여 소요부지면적이 감소된다. 본 발명은 여타의 황을 이용한 탈질반응에서의 장점으로지적되는, 유기성 수소 공여체를 이용하는 탈질반응에서 과잉의 수소공여체에 의한 질산화율의 저하와 같은 반응조의 효율저하에 대한 우려가 없다.

(실시예)

황 충전 섬유망의 탈질효율을 파악하고 효율적인 반응을 위한 인자를 찾기 위하여 황을 충전한 섬유망의 케이싱 직경의 변화, 포기조 용존산소농도의 변화, 섬유망의 설치방법의 변화에 따른 처리 효율을 측정하였다. 본 실험 장치에 있어서 황을 충전한 섬유망이 충전된 점을 제외하면 표준활성슬러지법과 동일하다. 먼저, 반응조로서 2 L의 용적을 가지는 활성슬러지 반응조(202)를 5mm의 아크릴로 제작하였다. 섬유망의 내부에 충전된 입상황은 입경이 3.36∼5.66 mm이며, 섬유의 평균길이는 40mm이다.

원수의 암모니아성 질소의 농도는 40 mg/L로 고정하였고, 유량은 2 L/일에서 7.5 L/일까지 변화하였다. 산기석는 하부에 2개를 설치하였으며, 반응기에 공급되는 공기량은 밸브에 의하여 조절하였다. 위의 실험 장치를 사용하여, 100여일의 실험 기간 동안 여러종류의 실험을 실시하였다.

첫 번째로, 황 충전에 사용된 케이싱의 직경변화는, 케이싱 내부에 생성되는 무산소 영역의 변화와 관련되므로, 황이용 독립영양 탈질반응에 직접적인 영향을 미친다. 20 mm, 30 mm, 45 mm의 직경을 가지는 케이싱을 이용하여 비교 실험한 결과, 직경 45 mm의 케이싱을 사용한 황 충전 섬유상의 탈질효율이 가장 높았다.

두번째로, 폭기량을 조절하여, 반응조의 DO를 변화시켰을 경우, 수류의 변동에 의하여 섬유상에 전달되는 전단력이 변동된다. 섬유상 내부로의 물질 이동율을높이기 위하여 반응조의 DO를 증가시키면, 섬유상에 부착된 생물막의 탈리가 진행된다. 황을 충전한 섬유상을 이용한 탈질반응은 DO 농도 3.5 mg/L부터 탈질효율이 감소되는 것을 확인하였다. 이는 증가된 전단력으로 인한 생물막의 과도한 탈리가 섬유망 내부의 무산소 영역 형성을 저해하기 때문이다.

세 번째로, 반응조 내에 수직으로 설치된 황 충전 섬유망과 수평으로 설치된 황 충전 섬유망은 폭기에 의해 받는 전단력의 크기가 다르다. 섬유망 외부에서 내부로, 물질이동의 추진력이 되는 전단력은 황이용 독립영양 탈질반응에 영향을 미칠 것으로 예상되었으나, 섬유에 작용하는 폭기에 의한 전단력은 황을 충전한 섬유망을 이용한 탈질반응에 거의 영향을 미치지 않았다.

위에서 설명한 세 가지 조건의 변화에 따라 황을 충전한 섬유망 담체의 탈질효율을 높이는 것이 가능하다.

이상과 같이, 본 발명에 의하면 황을 충전한 섬유망(208)의 케이싱 직경을 증가시켜 내부의 무산소 영역을 충분히 확보하고 내부로의 물질전달이 원활하게 이루어 질 수 있도록 폭기에 의해 적당한 전단력을 가하면 황을 충전한 섬유망을 이용한 탈질반응의 효율을 최대한 향상시킬 수 있다.

이상의 결과를 토대로 황을 충전한 섬유망을 일반 가정하수처리에 적용하였다. 반응조에 설치된 황 충전 섬유망은 직경 45 mm의 케이싱을 사용하였고, 반응조 내의 DO 농도는 2.0∼2.3 mg/L로 유지하였다. 유입수는 일반 가정하수를 침전시켜서 상등액만을 취해 사용하였다. 비교 실험으로 황을 대신해 같은 크기의 유리구슬을 충전한 섬유망을 같은 유입수에 대해 적용하였다.

실험결과는 표 1에 요약하였다.

(비교예)

충전한 입상황 대신 유리구슬을 충전한 섬유망을 실시예와 동일한 방법으로 실험하여 표 1에 요약하였다.

<표 1> 실시예 및 비교예 수처리 결과

본 발명을 적용하면, 질소를 함유한 생물학적 폐수처리에 있어서, 기존의 활성슬러지 반응조에 황을 충전한 통수가 가능한 망형태의 설치만으로 탈질 반응을 유도할 수 있기 때문에, 추가적인 부지소요나 새로운 장치의 도입을 위한 비용을 절감할 수 있고 별도의 동력이 요구되지 않으므로 상당한 양의 전력비 절감이 예상되며 독립영양 탈질을 수행하므로 유입수내의 유기물부족으로 인한 질소 제거성능의 저하가 없다.

Claims (3)

1. 입상황(303)이 충전된 섬유망(301)을 반응조 내에 설치한 생물학적 질소제거 장치로서, 단일 반응조에서 유기물 제거와 함께 질산화 반응과 탈질반응을 동시에 수행할 수 있는 것을 특징으로 하는 황 충전 반응기를 이용한 질소제거 장치.
2. 제1항에 있어서,

   황을 충진한 케이싱을 섬유망이 보호하며, 외부 섬유는 유동형태이고, 섬유의 길이가 30mm 이상 100mm이내인 것을 특징으로 하는 황 충전 반응기를 이용한 질소제거 장치.
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