KR100471678B1

KR100471678B1 - 초음파 탄소원 공급장치

Info

Publication number: KR100471678B1
Application number: KR1020040086527A
Authority: KR
Inventors: 김영규; 손종화; 장성환; 홍민
Original assignee: 엔비넷 주식회사; 김영규
Priority date: 2004-10-28
Filing date: 2004-10-28
Publication date: 2005-03-14

Abstract

본 발명은 슬러지를 이용하여 탄소원을 발생시키는 초음파 탄소원 공급장치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 오폐수 처리용 생물반응조의 잉여슬러지에 초음파를 처리하여 탄소원을 발생시키는 초음파 탄소원 공급장치에 관한 것이다.

본 발명의 초음파 탄소원 공급장치는 모듈방식으로 설치가 간편하며, 분해가 용이하여 고장 시에도 간편하게 모듈을 교체할 수 있으며, 오폐수 처리용 생물반응조에서 C/N비가 낮은 폐수의 경우에도 에탄올, 메탄올 등의 고가 탄소원을 첨가할 필요없이 효과적으로 질소와 인을 제거할 수 있다.

Description

초음파 탄소원 공급장치{Carbon Source Suppler Using Ultrasound}

본 발명은 슬러지를 이용하여 탄소원을 발생시키는 초음파 탄소원 공급장치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 오폐수 처리용 생물반응조의 잉여 슬러지에 초음파를 처리하여 탄소원을 발생시키는 초음파 탄소원 공급장치에 관한 것이다.

우리나라의 하수처리장에 유입되는 하수는 BOD 농도가 통상 50~150㎎/L로 외국에 비해 낮은 수준으로, 단순한 혐기조, 무산소조 및 호기조로 구성된 하수처리 공정을 적용하면 질소를 제거하는데 필요한 탄소원 부족 등의 문제점이 발생한다. 이러한 문제점을 극복하고, 하수의 생물학적 탈질 및 탈인을 원활하게 하기 위하여 메탄올, 에탄올, 아세트산 등의 외부탄소원을 첨가하는 방법이 제안되었다.

따라서 최근에는 혐기성 발효과정에서 생성되는 아세트산 및 SCFAs(Short Chain Fatty Acids)물질과 같이 미생물이 쉽게 섭취하여 분해할 수 있는 COD(RBDCOD: Readily Bio-Degradable COD)를 생물학적 탈질공정에 탄소원으로 이용여 질소 제거효율을 향상시키고 있다 (Rabinowitz, B., et al., 1990). 그러나, 이런 공정들은 슬러지 발효를 위한 새로운 장치가 필요하며, 발효산물의 생성이 미생물에 의해 이루어지므로 시간이 오랫동안 소요되고, 운전이 용이하지 못한 단점이 있다.

따라서, 질소 및 인 제거에 필요한 유기물을 충분히 생성시키면서 운전이 간편하고 안정적으로 유기물 공급이 가능한 장치에 대한 개발 필요성이 대두되고 있다.

초음파는 액체 매질에 초음파를 조사할 경우 공동화(Cavitation)현상을 일으키고, 이 때 발생된 공동화 기포(cavitation Bubble)는 핵의 형성, 기포로의 성장, 그리고 충분히 성장한 기포의 파열과 같은 생성과 소멸을 반복하게 되며, 기포가 성장하여 파괴될 때 기포내의 고온·고압의 가스가 순간적으로 방출되면서 열분해(Pyrolysis)와 OH 라디칼과 같은 강한 산화성 물질의 생성이 이루어진다. 따라서 공동화 기포들의 충격파에 의한 높은 온도와 에너지를 이용하여 잉여슬러지의 일부를 파괴하여 슬러지에 포함된 탄소원을 미생물이 활용가능한 형태로 만들어 질소 제거에 이용할 수 있다.

실제로, 혼합 슬러지(1차 슬러지＋2차 슬러지)를 대상으로 초음파를 조사했을 때 다량의 용존성 유기물이 생성되었다 (Tiehm et al., Wat. Sci. Teah. 36:11, 1997)는 연구 결과가 있다.

이에 본 발명자들은 슬러지에 초음파를 처리하는 기술을 기존 생물반응조에 적용하고자 예의 노력한 결과, 초음파 발생장치가 구비된 초음파 탄소원공급 장치를 제작하고, 혐기조의 잉여슬러지를 상기 초음파 탄소원 공급장치로 이송하여 초음파 처리한 슬러지 탄소원을 무산소조에 주입함으로서 탄소원 보충에 의하여 질소 제거효율이 향상되는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 잉여슬러지를 이용하여 탄소원을 발생시키는 초음파 탄소원 공급장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 초음파 탄소원 공급장치를 이용하는 것을 특징으로 하는 오폐수의 처리방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 관로형 모듈 몸체의 외주면에 초음파 단자가 일정한 간격으로 복수개 구비되어 있으며, 한개 이상의 상기 관로형 몸체가 모듈 지지대에 부착된 브라켓에 장착되어 있고, 상기 몸체의 하부에 잉여슬러지를 유입하는 입력배관을 갖추고, 상기 몸체의 하부는 초음파 발생기에 연결되어 상기 초음파 단자에서 초음파가 발생하도록 하며, 상기 몸체의 상부에는 초음파 처리된 슬러지 탄소원이 배출되는 배관이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 슬러지를 이용하여 탄소원을 발생시키는 초음파 탄소원 공급장치를 제공한다.

상기 초음파 단자는 관로형 몸체 외주면의 동일 수평선상에 일정 각도로 이격배치되고, 상하로 복수개 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 초음파 탄소원 공급장치를 이용하는 것을 특징으로 하는 오폐수의 처리방법을 제공한다.

본 발명은 현재 많이 보급되어 있는 활성슬러지 공정에 특별한 변경없이 적용할 수 있으며, 혐기조/무산소조/호기조로 분할된 생물반응조에서 잉여슬러지의 일부를 본 발명의 초음파 탄소원 공급장치로 이송하여 잉여슬러지를 초음파로 파괴하여 생성된 슬러지탄소원을 탈질에 필요한 탄소원으로 무산소조에 주입함으로써 유입원수에 부족한 탄소원을 보충하여 질산화세균의 질소제거 효율을 향상시키는 장점을 가지고 있다.

본 발명의 초음파 탄소원 공급장치는 모듈단위로 제작되므로 시공이 쉽고 어떠한 하수 처리장에도 쉽게 설치가 가능하며 관리하기도 편리한 모듈타입으로 구성되어있다.

본 발명의 초음파 탄소원 공급장치를 사용하면, 처리조에서 사용하고 남은 잉여슬러지를 슬러지 탄소원으로 사용할 수 있어, 슬러지의 감량효과를 가져 올 수 있으며, 슬러지의 해양 투기를 줄여 친환경적인 효과를 기대할 수 있다. 또한, 처리수의 법적 방류수질 기준을 안정적으로 맞출 수 있으며, 특히 질소·인의 높은 제거 효율을 나타내어 하천의 수질 개선에 기여 할 것으로 예상된다.

또한, 기존의 영양염류 제거과정에서는 종속영양세균, 탈인세균, 탈질세균의 증식에 각각 탄소원으로 메탄올, 에탄올 등의 화학약품을 첨가하였으나, 본 발명의 초음파 탄소원 공급장치를 이용하여 잉여슬러지 일부를 파괴하여 탄소원을 만들어 탈질세균, 탈인세균에 공급함으로써 화학약품 구입시 사용되는 비용을 절약할 수 있으며, 잉여슬러지를 재사용함으로써 사용되는 슬러지가 감량되어 경제적이다.

본 발명의 초음파 탄소원 공급장치는 기존 활성슬러지공법을 사용하고 있는 하수처리장에 별다른 개조 없이 용이하게 설치할 수 있다.

본 발명의 초음파 탄소원 공급장치는 도 1에 나타난 바와 같이, 관로형 모듈 몸체(2)의 외주연에 초음파 단자(1)가 일정한 간격 (예를 들어, 관로의 외주연에 대하여 0ㅀ, 90ㅀ, 180ㅀ, 270ㅀ의 위치)으로 복수개 구비되어 있어며, 한개 이상의 상기 관로형 몸체가 모듈 지지대(5)에 부착된 브라켓(4)에 장착되어 있으며, 상기 몸체의 하부에 잉여슬러지를 유입하는 입력배관(9)을 갖추고, 상기 몸체(2)의 하부는 초음파 발생기(12)에 연결되어 상기 몸체(3)의 초음파 단자에서 초음파가 발생하도록 하며, 상기 몸체(1)의 상부에 초음파 처리된 슬러지 탄소원이 배출되는 배관(3)이 연결되어 있는 구조이다.

상기 초음파 단자는 일정시간 간격으로 on/off 제어되어 슬러지 파쇄 효율을 높이며, 잉여슬러지를 입력배관(9)으로 이송하는 정량펌프는 STR(solid rentention time:처리조 내에서 슬러지의 평균체류시간)을 일정하게 유지시켜준다. 상기 입력배관(9)에 장착된 압력조절밸브(8)는 몸체 모듈 각각에 공급되는 잉여슬러지의 양을 조절하는 역할을 한다. 상기 관로의 내부는 ＃200 이상의 입도를 가진 버핑재로 버핑하여 이물질의 코팅을 방지하였으며, 입력배관(9)과 출력배관(3)에는 0.5mm의 테프론 코팅이 하여, 슬러지에 의한 스케일 생성을 방지할 수 있도록 하였다.

본 발명의 초음파 탄소원 공급장치의 재질은 내식성이 강한 SUS304급 이상의 스텐레스 강 재질을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 모듈 몸체의 상부에는 착탈가능한 커버가 부착되어 모듈의 분해와 조립이 용이한 구조로 되어 있다.

상기 모듈 몸체의 하부에는 초음파 발생기(12)와 전기판넬(13)이 슬라이더 타입으로 조립되어 있으며, 초음파 탄소원 공급장치의 몸체는 내부가 소음방지기능이 있는 구조의 재질로 코팅되어 있는 것이 바람직하다.

상기 초음파 발생장치는 20kHZ~130kHz의 초음파를 초음파 단자에 공급한다.

본 발명의 초음파 탄소원 모듈을 장착한 고도처리 공정과 외국에서 사용되고 있는 A²/O(Anaerobic-Anoxic-Oxic -Clarifier) 및 Modified Bardenpho공정을 비교하였을 때, A²/O 공정은 처리수질의 안정성이 미비하며, 유입수의 변동량에 민감하고, 처리수를 중수로 활용하려면 별도의 후처리설비를 거쳐야 하는 단점이 있으며, Modified Bardenpho공정은 기존의 공정보다 슬러지 생산량이 적으며, 약품주입의 필요성이 적은 장점이 있으나, C/N 비가 낮은 국내 하수에는 부적합한 단점이 있다. 이에 반해, 본 발명의 초음파 탄소원 모듈을 장착한 공정은 C/N 비가 낮은 국내 하수에 적합하며, 높은 영양염류 및 유기물 제거 효율을 나타내고, 슬러지 발생량을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예

본 발명의 초음파 모듈을 실제 폐수처리 시스템에 설치하여 방류수의 수질을 조사하였다.

표 1에 나타낸 바와 같이, 방류수의 BOD, COD, SS(부유 고형물), T-N(전체 질소) 및 T-P(전체 인)의 수치가 모두 높았던 하수처리장에 본 발명의 초음파 모듈을 설치한 결과, 매우 높은 염양염류, SS, 질소 및 인의 제거 효율을 보였다. 특히 질소의 제거효율이 탁월한 것으로 나타났다.

법적 방류수 수질 기준 대비 공정 처리 특성

항 목 구분	BOD₅(㎎/l)	COD_Mn(㎎/l)	SS(㎎/l)	T-N(㎎/l)	T-P(㎎/l)
특별대책지역 및 잠실수중보 권역	10	20	10	20	2
초음파 모듈 설치 미설치	20	20	20	60	8
초음파모듈설치	8.5	9.2	6.7	9.5	1.5

도 2는 잉여슬러지에 초음파를 조사하는 시간에 따른 슬러지의 COD 변화를 나타낸 것으로, 초음파를 6시간 처리하였을 때 가장 높은 슬러지 탄소원의 증가를 보였다. 도 3은 잉여슬러지에 초음파를 조사하는 시간에 따른 슬러지의 PO₄-P농도가 완만하게 증가하는 것을 나타내는 것으로, 슬러지에 초음파를 조사하였을 때 생길 수 있는 PO₄-P 농도의 증가는 크게 문제되지 않는다는 것을 보여주고 있다.

본 발명은 잉여슬러지를 이용하여 탄소원을 발생시키는 초음파 탄소원 공급장치 및 상기 장치를 이용하여 오폐수를 처리하는 방법을 제공하는 효과가 있다.

본 발명의 초음파 탄소원 공급장치는 모듈방식으로 설치가 간편하며, 분해가 용이하여 고장 시에도 간편하게 모듈을 교체할 수 있으며, 오폐수 처리용 생물반응조에서 C/N비가 낮은 폐수도 에탄올, 메탄올 등의 고가 탄소원을 첨가할 필요없이 효과적으로 질소와 인을 제거할 수 있다.

도 1은 본 발명의 초음파 탄소원 공급 장치를 나타낸 것이다. (a)는 초음파 탄소원 공급장치의 단면도이고, (b)는 A-A 단면도이며, (c)는 B-B 단면도이다.

도 2는 시간별 초음파 조사에 따른 SCOD_Mn 농도변화를 나타낸 그래프이다.

도 3은 시간별 초음파 조사에 따른 PO₄-P 농도변화를 나타낸 그래프이다.

(부호의 설명)

1- 초음파 발생단자 2- 관로형 몸체

3- 탄소원 배출용 배관 4- 모듈 탈착형 BRACKET

5- 모듈 지지대 6- 상부 커버

7- 하부 모듈 8- 압조절밸브

9- 입력 배관 10- 관찰창

12- 초음파 발생기 11- 벨브

13- 전기판넬 14- 2중 커버

15- 1중 커버 16- 유리 커버

Claims

관로형 모듈 몸체의 외주면에 초음파 단자가 일정한 간격으로 복수개 구비되어 있으며, 한개 이상의 상기 관로형 몸체가 모듈 지지대에 부착된 브라켓에 장착되어 있으며, 상기 몸체의 하부에 잉여슬러지를 유입하는 입력배관을 갖추고, 상기 몸체의 하부는 초음파 발생기에 연결되어 상기 초음파 단자에서 초음파가 발생하도록 하며, 상기 몸체의 상부에는 초음파 처리된 슬러지 탄소원이 배출되는 배관이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 슬러지를 이용하여 탄소원을 발생시키는 초음파 탄소원 공급장치.
제1항에 있어서, 상기 초음파 단자는 관로형 몸체 외주면의 동일 수평선상에 일정 각도로 이격배치되고, 상하로 복수개 설치되는 것을 특징으로 하는 초음파 탄소원 공급장치.
제1항 또는 제2항의 초음파 탄소원 공급장치를 이용하는 것을 특징으로 하는 오폐수의 처리방법.