KR100627874B1 - 하수 고도처리 제어 시스템 및 그 처리방법 - Google Patents

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KR100627874B1
KR100627874B1 KR1020050053374A KR20050053374A KR100627874B1 KR 100627874 B1 KR100627874 B1 KR 100627874B1 KR 1020050053374 A KR1020050053374 A KR 1020050053374A KR 20050053374 A KR20050053374 A KR 20050053374A KR 100627874 B1 KR100627874 B1 KR 100627874B1
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이재민
정유찬
김대규
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(주)상원이티씨
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Abstract

본 발명은 미생물 반응조에서 질소산화물, 용존 산소량, 암모늄, 이온수소 등의 농도를 측정하여 암모늄 및 질소산화물의 농도 그리고 이들 합산값에 따라 반응조내의 산소량을 조절함과 아울러, 슬러지의 반송 비율을 조절하여 효과적으로 하수의 고도처리가 이루어지도록 하는 제어 시스템 및 그 처리방법에 관한 것으로,
미생물 반응조; 상기 반응조의 내부에 설치되어 공기를 공급하는 포기부; 상기 미생물 반응조에 설치되어 질소산화물, 용존 산소량, 암모늄 농도를 각각 측정하는 검출부; 상기 검출부에서 입력된 질소산화물 측정값과 상기 암모늄 측정값 및 설정된 잔류유기질소값을 더하여 그 합산값을 산출하고, 상기 암모늄 측정값과 기 설치된 암모늄 기준값, 상기 합산값과 설정된 기준값을 순차적으로 비교하여 미생물 반응조에 필요한 용존 산소량을 제어하는 제어수단; 상기 제어수단과 더불어 반응조 내부의 급격한 변화에 신속하게 대처하여 산소를 공급할 수 있도록 예비산소공급제어수단; 방류수의 질산염 측정값에 따라 내부 슬러지의 반송 비율을 제어하는 슬러지 제어부;로 구성된 기술적인 특징을 가지고 있다.
하수고도처리시스템, 질소산화물, 용존산소량, 검출부, 제어부

Description

하수 고도처리 제어 시스템 및 그 처리방법{Sewage advanced treatment control system and the method thereof}
도 1은 종래 하수 고도처리 시스템의 일예를 나타낸 블록도,
도 2는 본 발명에 따른 하수 고도처리 시스템의 일 예를 나타낸 계통도,
도 3은 본 발명이 적용된 연속운전식고도처리시설을 나타낸 일측면도,
도 4는 본 발명이 적용된 연속운전식고도처리시설의 동작과정을 나타낸 순서도,
도 5는 본 발명이 적용된 연속운전식고도처리설에서 슬러지 이송을 조절하는 과정을 나타낸 순서도,
도 6는 본 발명이 적용된 회분식고도처리시설의 일예를 나타낸 일측면도,
도 7는 본 발명이 적용된 회분식고도처리시설의 동작 과정을 나타낸 순서도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 고도처리시스템 11 : 미생물 반응조
20 : 유입구 21 : 유출구
30 : 내부 슬러지반송펌프 100 : 검출부
200 : 제어수단 220 : 고도처리 제어부
240 : 산소 제어부 250 : 슬러지 제어부
300 : 예비 산소공급수단 310 : 예비산소제어부
본 발명은 하수고도처리 제어 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미생물 반응조에서 질소산화물, 용존 산소량, 암모늄, 이온수소 등의 농도를 측정하여 암모늄 및 질소산화물의 농도에 따라 반응조내의 산소량을 조절함과 아울러, 슬러지의 반송 비율을 조절하여 효과적으로 하수의 고도처리가 이루어지도록 하는 제어 시스템 및 그 처리방법에 관한 것이다.
국내 하천 수질이 급격히 나빠지는 커다란 이유 중의 하나는 하수처리과정에서 처리되지 않은 질소(N), 인(P) 등의 영양분이 하천으로 유입되어 수초조류 등이 증가함으로써 물이 탁해지고 바닥에 퇴적물이 쌓이는 등 부영양화 현상이 나타나기 때문이다.
따라서, 근래에는 부유물질과 유기물질 또는 질소와 인 화합물을 하수시스템에서 제거하는 하수고도처리시스템이 개발되어 시설되고 있다.
종래 이러한 하수고도처리시스템은 혐기성/무산소와 호기성 영역을 공간적으로 구분하는 연속운전시스템과, 시간적으로 구분하는 회분식(SBR)운전시스템으로 대별되며, 대다수는 DO(용존 산소량)센서의 신호에 따라 동작하는 블로워에 의해 산소량을 제어한다.
그런데, 종래의 이러한 시설은 혐기성/무산소와 호기성 영역에 필요한 용존산소농도를 유지하는 극히 초보적인 것으로, 이 마저도 DO-센서의 관리 부실로 인하여 터보 블로워를 사용하지 않는 이상 적정한 용존산소를 공급하기 어렵고, 처리 효율 및 경제성이 떨어지며, 여기에 슬러지 내부반송은 반응조의 암모늄(NH4-N)과 질산염(NO3-N) 농도와 무관하게 설계되는 경우 대다수라 탈질효율이 매우 불안전한 문제가 있다.
첨부된 도 1은 용존 산소량을 측정하여 판단하는 방법에서 반응조(1)내에서 생성되는 미생물의 신진대사에 의하여 미량의 형광물질이 생산된다는 것에서 착안된 시스템이다.
이 시스템은 "SymBio" 공정이라 불리며, 형광물질의 변화 값을 분석하고 미생물의 활동성을 평가함으로써 용존 산소의 필요량을 예측함과 아울러 현재의 공정단계를 판단하는 것이다.
검출된 형광물질 활동성 측정값의 변화에 따라 이를 제어 프로그램이 연산하여 그 값을 출력하고, 이 출력값과 용존 산소 측정값을 합산하여 산소 공급설비 제어부가 산소공급 설비를 제어하는 것이다.
이 보다 한 단계 발전된 "modifed SymBio Logic"은 상기의 시스템에 추가적으로 반응조의 암모늄(NH4-N) 측정값을 활용하는 것으로 하수성상의 특성을 최대한 활용한 제어시스템이다.
또한, 국내 특허 제0432518호의 반응단계 판단장치를 이용하여 단일활성반응조에서 연속적인 탈질 및 질산화를 수행하기 위한 폐수처리시스템을 살펴보면, 상기 SymBio-공정과 흡사하게 단일 반응조에서 DO-센서, pH-센서, 전자전달조효소 센서(biobalance-sonde)에 감지된 신호에 의한 연산프로그램이 반응단계 종료시점을 판단하여 운전을 제어한다.
이러한 방법은 기본적으로 단일 반응조의 용존산소농도를 0.6mg/l로 유지하면서 반응단계 판단장치의 연산프로그램이 센서가 감지한 신호를 받아서 질산화와 탈질의 종료시점을 판단하고, pH-변화량이 0.1이하로, BPA(biological potential activity)-변화량이 0,2이하로 유지하도록 산소공급량을 0.3-0.8 mg/l로 조절하여 지속적으로 질산화와 탈질반응(simultaneous nitrification and denitrification process)을 유도하는 제어시스템이다.
그러나 이러한 장치 또한 미생물 활동능력을 전자전달조효소센서에 의하여 측정하여 산출한 BPA-변화량, pH-변화량과 DO-농도를 이용하여 질산화와 탈질화 종료 여부를 반응단계판단장치에서 해석하고, 이를 근거로 공기산소공급 및 운전을 제어하는 시스템에는 어려움이 있다.
다시 말해, 미생물이 어느 공정단계에서 얼마나 형광물질을 생성하고 있는지 구분이 불가능하고, 질산화와 탈질을 담당하는 미생물군(heterotrophic and facultative bacteria)이 중금속, 황화수소, pH, 암모니아 등 많은 유해물질에 민감하게 영향을 받기 때문에 이에 의한 활동저하의 결과를 BPA-, pH- 와 DO-농도 값 의 변화로 잘못 인식하게 되어 반응단계 판단장치는 쉽게 오판할 수 있다.
이러한 오판은 일부 공정단계만을 지속적으로 활성화할 수 있으므로 미생물 유해물질 축적의 원인으로 작용하고, 이는 고도처리 효율저하의 원인이 되고 있다.
한편, 고도처리를 효율적으로 제어하기 위해서는 공간적으로 혐기-무산소-포기 영역을 구분하는 시스템보다, 시간적으로 영역을 구분하는 단일 반응조(SBR) 시스템이 효율적이고 경제적이다.
이는 시간과 요일 별로 유입하수의 유량과 성상변화가 심하게 나타나기 때문에 기존 고도처리 제어를 DO-센서에만 의하여 판단하여 송풍기를 운전하는 것은 각 단계반응에 적정한 (공기)산소 공급이 불가능하여 처리효율이 낮을 뿐만 아니라, 포기에너지 과잉소비의 원인이 되고 있다.
따라서 주파수 변화기를 장착한 송풍기를 통한 적정량의 공기를 공급하기 보다는 다수의 송풍기 중에서 작동 또는 작동중지에 의하여 운전을 하고 있기 때문이다. 또한 탈질효율을 높이기 위한 슬러지 내부순환은 반응조 배출수의 질산염(NO3-N)농도와 무관하게 설계에서 산출한 비율에 의하여 운전하고 있는 모순 때문에 역 효과를 동반하는 경우가 많아 탈질효율이 낮고 혐기/무산소 영역에 과잉의 용존산소 유입으로 반응의 지연을 초래하거나 너무 짧아서 기대효과를 얻지 못하게 되는 경우가 많다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 미생물 반응조에서 측정된 측정값을 세분화 하여 비교 판단하고, 이를 토대로 산소를 공급을 제어함으로써, 정수 효율을 향상시키며 에너지와 시약 절약 그리고 시설의 자동화로 인한 간편한 운영 유지관리 및 관리 비용을 절감함은 물론 안정적인 방류 수질을 얻을 수 있도록하는 하수고도처리시스템 및 그 처리 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 반응조에서 측정된 암모늄값과 질소산화물값을 구분하여 비교 판단하고, 이를 토대로 다시 용조 산소량을 2차에 걸쳐 비교 판단함으로써, 반응조에 필요한 산고 공급량을 정확히 예측할 수 있는 하수고도처리시스템 및 그 처리 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 기존 하수처리장이 갖고 있는 가능한 잠재력(potential)을 최대한 활용할 수 있도록 하며, 질산화, 탈질 효율을 극대화시키며, 최적의 조건을 제시할 수 있는 하수고도처리시스템 및 그 처리 방법을 제공하는데 있다.
이러한 본 발명의 목적은 미생물 반응조에 산소를 공급하여 질소, 인 등을 제거하는 하수고도처리시스템으로써, 미생물 반응조; 상기 반응조의 내부에 설치되어 공기를 공급하는 포기부; 상기 미생물 반응조에 설치되어 질소산화물, 용존 산소량, 암모늄 농도를 각각 측정하는 검출부; 상기 검출부에서 입력된 질소산화물 측정값과 상기 암모늄 측정값 및 설정된 잔류유기질소값을 더하여 그 합산값을 산출하고, 상기 암모늄 측정값과 기 설치된 암모늄 기준값, 상기 합산값과 설정된 기준값을 순차적으로 비교하여 미생물 반응조에 필요한 용존 산소량을 제어하는 제어 수단; 상기 제어수단과 더불어 반응조 내부의 급격한 변화에 신속하게 대처하여 산소를 공급할 수 있도록 예비산소공급제어수단; 방류수의 질산염 측정값에 따라 내부 슬러지의 반송 비율을 제어하는 슬러지 제어부;로 이루어진 기술적인 특징을 가지고 있다.
바람직하기로 본 발명은 반응조내의 하수에서 질소산화물, 암모늄, 수소이온, 용존산소량을 검출하는 검출단계; 상기 질소 산화물 측정값과 암모늄 측정값 그리고, 설정된 잔류유기질소값을 합산하는 합산단계; 상기 암모늄 측정값과 기 설정된 암모늄 기준값을 비교하고, 그 결과에 따라 산소 측정값과 기 설정된 산소기준값을 비교하는 제 1연산단계; 상기 제 1연산 단계에서 암모늄 측정값과 암모늄 기준값의 비교 결과에 따라 상기 합산값과 설정된 기준값을 비교하여 다시 산소 측정값과 설정된 산소기준값을 다시 비교하는 제 2연산단계; 상기 제 1 및 제 2연산 단계의 결과에 따라 블로워를 동작시켜 산소의 공급 및 휴지를 결정하는 산소공급 제어단계; 그리고, 하수의 질산염 측정값과 잔류유기질소값을 비교하고, 그 결과에 따라 다시 방류수의 질소염 측정값과 기 설정된 기준 농도를 비교하여 슬러지의 반송 비율을 제어하는 슬러지 제어단계;로 이루어진 처리과정을 가진다.
또 다른 방법으로 본 발명은 단일 반응조내의 하수로부터 질소산화물, 암모늄, 수소이온, 용존산소량을 검출하는 검출단계; 상기 질소 산화물 측정값과 암모늄 측정값 그리고, 설정된 잔류유기질소값을 합산하는 합산단계; 상기 질산염 측정값과 기 설정된 질산염 기준값을 비교하고, 그 결과에 따라 산소 측정값과 기 설정된 산소기준값을 비교하는 제 1연산단계; 상기 제 1연산 단계에서 질산염 측정값 과 질산염 기준값의 비교 결과에 따라 상기 암모늄 측정값과 설정된 암모늄 기준값을 비교하여 폭기량을 높이거나 혹은 다시 산소 측정값과 설정된 산소기준값을 다시 비교하여 폭기량을 결정하는 제 2연산단계; 상기 제 1 또는 제 2연산 결과에 따라 폭기량을 조절하는 산소공급제어단계; 상기 제 2연산 결과에 따라 침전, 방류, 휴지가 이루어지도록 하는 방법인 것이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면과 병행하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
바람직하기로 하수와 폐수의 고도처리시설은 협잡물제거설비, 모래와 흙 제거를 위한 침사지, 미생물 반응조, 슬러지와 처리수를 분리하는 침전조, 소독조와 슬러지처리설비 등으로 구성된다. 여기서 미생물 반응조는 생물학적 인(P) 제거는 물론 난분해성 물질을 분해(산발효)하여 저 분자로 얻기 위한 혐기성영역, 질소산화물(NO2-N, NO3-N)을 질소가스(N2)로 환원하기 위한 무산소 영역과 유기물산화와 암모늄(NH4-N)을 질산염으로 산화하는 호기성영역(폭기조)을 가추고 있다.
따라서 본 발명의 고도처리 제어시스템은 주로 미생물 반응조의 호기성영역과 슬러지 내부반송에 역점을 두고 필요한 센서를 설치하여 그 측정값에 의하여 산소공급과 내부반송비율을 제어하여 질산화와 탈질 효율을 최대화 하고자 하는 것이 다.
또한, 본 발명은 도면에 나타낸 바와 같이 혐기성/무산소와 호기성 영역을 공간적으로 구분하는 연속운전시스템과, 시간적으로 구분하는 회분식(SBR)운전시스템에 적용되고 있으나, 다른 방식 및 구조를 가지는 하수처리시스템에도 적용되어 산소를 원활하게 공급할 수 있다.
먼저 첨부된 도 2는 본 발명에 따른 폐수, 하수고도처리시스템의 계통도를 나타낸 것으로, 미생물 반응조(11)와 검출부(100) 그리고, 이들 각각을 제어하는 제어수단(200)으로 구성된다.
상기 미생물 반응조(11)는 적용 시스템 즉 연속운전식과 회분식에 따라 그 구조가 달라질 수 있으며, 이에 대해서는 후술한다.
상기 검출부(100)는 각각의 역할에 따라 반응조(11)내의 농도를 측정하여 그 측정값을 출력하는 것으로, pH 센서(110), 질소산화물(NOX-N) 측정센서(120), 암모늄(NH4-N) 측정센서(130), 용존 산소량(O2) 측정 센서(140),(150) 및 상기와 동일한 질소성 질소(NO3-N) 측정센서(160)로 이루어진다.
각각의 센서는 반응조 내측으로 삽입 설치되며, 이들 각각은 제어수단과 연계되어 신호를 출력한다.
상기 제어수단(200)은 주 제어부와 측정값을 비교 판단하는 제어부 그리고 기 설정된 기준값을 측정값에 더하여 출력하는 합산 제어부로 구성된다.
상기 합산 제어부(210)는 기 설정된 잔류 유기질소 즉 반응조 바닥 혹은 벽 면 등에 잔류하는 분해 불가능한 유기질소량을 상기 측정 센서에서 측정된 암모늄과 질소산화물 측정값을 합산하여 그 합산값을 출력하되, 잔류 유기질소는 2mg/l이다. 이 값은 경험치로써 필요에 따라 조절이 가능하다.
상기 합산 제어부(210)와 연계되어 고도처리제어부(220)와 산소 제어부(240)가 갖추어지며, 이들 각각은 입력값과 기준값을 비교하여 그 비교값에 따라 신호를 출력하되 산소 제어부(240)는 최소 필요량과 최대 기준값을 비교하여 판단하게 된다.
다시 말해, 상기 고도처리 제어부(220)는 각 하수 처리장 반응조에서 측정된 측정값의 변화 특성을 참작하여 이를 최적화하여 프로그램화 하며, 하수처리장의 하수생분해실험 및 시운전기간 동안 반복적으로 측정, 실험된 적정한 값을 기준으로 하여 이들 기준값 즉, 암모늄 기준값 (NH4-Nshall)과 질소산화물 기준값(NO3-Nshall)을 설정하여 센서에서 측정 입력된 암모늄 측정값(NH4-Nis)과 질소산화물 측정값(NO3-Nis) 즉 상기 합산값을 각각 비교하여 신호를 출력하게 된다.
산소 제어부(240) 또한 실험, 시운전기간 및 타 하수처리장에서 얻어진 정보를 바탕으로 기준 산소값을 예측하되, 효율을 향상시키기 위해 반응조(11)에 필요한 최소 산소기준값(O2,shall.min)과 최대 산소기준값(O2,shall.max)을 설정하여 측정된 산소값((O2.is)와 비교하여 공급량을 결정하게 된다.
상기 고도처리제어부(220)와 산소 제어부(240) 사이에는 이들 연결시키는 비교 제어부(230)가 구비되는데, 이 비교 제어부(230)는 고도처리제어부의 신호에 따 라 용존산소 센서(140)에서 측정된 산소 측정값을 산소 제어부(240) 혹은 후술하는 예비산소제어부(301)에 입력하여 연산될 수 있도록 한다.
필요에 따라 상기 비교 제어부는 구비되지 않을 수 있음은 물론이다.
기준값과 측정값을 비교하는 다른 제어부로는 슬러지 제어부(250)가 있다. 이 슬러지 제어부는 잔류유기질소값과 측정된 질소값을 비교하여 슬러지의 이송을 제어하게 된다.
주 제어부(201)는 상기 산소 제어부의 신호에 따라 블로워를 동작 혹은 멈추게함과 아울러 유입하수를 제어하고, 청정수를 배출시킨다.
한편, 적량의 공기산소공급을 위해서는 필히 주파수 변환기(Inverter)를 장착한 터보 브로와 또는 기계식 저속 표면포기장치를 설치되며, 제어수단의 연산프로그램이 한번 점검되면, 약간의 휴지시간(약 0.5- 2분)을 갖은 후에 다시 반복하여 시작하게 된다.
또한, 본 발명은 반응조(11)에 용존산소 필요량이 급격하게 증가하면 빠른 응급조치를 필요로 하는 경우, 이를 공급하기 위하여 추가적으로 예비산소공급수단(300)이 갖추어지며, 이 예비산소공급수단(300)은 터보 블로워와 제어부들로 구성된다.
상기 예비산소공급수단(300)은 상기 고도처리제어부 혹은 비교 제어부의 신호에 따라 추가적으로 산소가 공급될 수 있도록 하는 예비산소제어부(301)와 선단에 체크된 평균 오염부하 값을 비교하여 이 신호를 주 제어부(201)에 입력하는 오염도 제어부(320)를 가지며, 여기에 시간별, 계절별로 구분 체크하는 시간 제어부 (310)가 갖추어진 구성이다.
상기 예비산소제어부(301)는 상기 고도처리제어부의 신호에 따라 기 입력된 기준값과 고도처리제어부에서 입력된 값을 비교하여 산출하거나 혹은 하수 유입량에 따라 제어되는 것이다.
상기 시간 제어부(310)는 지나간 모든 시간과 요일별 그리고 계절별 제어값을 비교하여 주 제어부가 받는 신호와 판단 결과에 대한 신뢰성을 점검하는 시스템으로 활용할 수 있다.
나아가 이를 기초로 반응조(11) 방류수의 NO3-N을 측정하여 슬러지 내부순환 펌프(30)를 제어하여 최적의 내부슬러지순환을 통하여 탄소원을 효율적으로 활용하여 탈질효율을 높이는 것이다.
다음은 본 발명의 시스템이 적용된 실 예를 들어 보다 구체적으로 설명한다.
먼저 첨부된 도 4는 혐기성/무산소와 호기성 영역을 공간적으로 구분하는 연속운전시스템의 일 예이다.
이 시스템은 미생물 반응조가 협기/무산소조(12)와, 이와 연이어 폭기조(13) 그리고 침전조(14)로 구분되며, 상기 협기/무산소조(12)와 폭기조(13) 각각에는 교반기(22)가 설치되고, 폭기조(13) 바닥에는 산소 공급을 위한 포기장치(40)가 설치되어 있다.
상기 협기/무산소(12) 즉 탈질조에는 질소 산화물 검출센서(160)가 설치되고, 폭기조(13)에는 상기 검출부 중 수소이온농도(pH) 검출센서(110), 질소 산화물 검출센서(120), 암모늄 검출 센서(130) 그리고 용존 산소량 검출센서(140)가 설치되며, 이 폭기조(13)의 배출구(21)측에 다시 용존 산소 검출센서(150)가 설치된다.
또한 상기 포기장치(40)는 반응조(11) 외측으로 설치된 송풍기 즉 블로워(41)와 연결되고, 이 블로워(41)는 상기 제어수단의 신호에 따라 동작하며, 침전 슬러지를 인발하기 위해 펌프가 설치된 구성이다.
상기 펌프는 배출구(21)와 입수구(20) 사이에 설치되는 내부 반송슬러지 펌프(30)와, 침전조와 입수구 사이에 위치하는 외부 반송 슬러지 펌프(31)로 이루어지며, 침전조측(14)측에 잉여 슬러지 펌프(32)가 설치된 구성으로 이루어져 있다.
이와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 연속처리시스템은 먼저 질산염(NO3-N)이 함유된 내부반송 슬러지 및 외부반송 슬러지가 유입하수와 함께 혐기/무산소조(12) 유입되어 교반기(22)에 의하여 혼합되면서 이들에 포함된 미량의 산소(O2)가 소멸되면 무산소 조건이 형성된다.
무산소 조건에서 미생물은 질산염(NO3-N)호흡을 하게 되고, 이로 인하여 NO3은 환원되어 질소가스(N2)로 대기권으로 방출되어, 질산염(NO3-N)이 소멸되면서 혐기성 조건이 형성되는데, 이때 난분해성(고분자) 유기물질이 저분자로 분해되고, 또한 미생물이 유기탄소를 활용하여 생존을 위해 자체세포에 합성되어있던 인산염(PO4 -)에 묶인 산소(O2)로 호흡하게 되며, 인(P)이 용출되어 혐기/무산소조(31)에는 고농도의 P가 존재하게 되고, 다시 호기조건에서 미생물은 인(P)을 과잉섭취하게 되며 침전조(34)에서 잉여슬러지(48)로 하수시스템에서 분리되는 상태를 생물학적 P-제거공정이 이루어진 것이다.
이를 위해 본 발명은 미생물에 필요한 적당량의 용존 산소를 공급함과 아울러 슬러지 이송량을 제어하는 것으로, 그 동작과정은 다음과 같다.
먼저 반응조(11)에 설치되는 각각의 검출부(100)는 농도를 측정하여 그 값을 출력하는데, 먼저 질소산화물 측정값과 암모늄 측정값이 합산 제어부(210)에 입력되고, 여기서 잔류유기질소 2mg/l과 합산되어 그 합산값(Ntot)이 고도처리제어부(220)에 입력됨과 아울러 동시에 고도처리 제어부(220)에는 상기 암모늄 측정값이 별도로 입력된다.
고도처리 제어부(220)는 이 2개의 입력값과 기 설정된 기준값을 비교하여 그에 알맞는 신호를 출력하게 되는데, 1차로 암모늄의 측정값과 설정 기준값을 비교하여 측정값이 높으면 그 신호를 산소제어부(240)에 입력하게 되는데, 이때 산소제어부(240)는 용존 산소량이 입력된 상태이다.
고도처리 제어부(220)의 신호에 따라 산소제어부(240)는 입력된 산소 측정값과 기 설정된 최소산소기준값을 비교하여 측정값이 크면 다시 2차로 산소 측정값과, 희망 최대산소기준값을 비교한다.
측정값이 최대산소기준값 보다 작으면 폭기량을 점진적으로 높이는 신호를 출력하고, 측정값이 크면 모든 공급라인의 오픈 및 배출 신호를 출력하여 유입 하수가 유입되도록 산소량을 낮추며, 이때 폭기 볼륨을 단계적으로 높아진다.
상기 고도처리제어부(220)의 신호에 따라 산소측정값이 최소산소기준값 낮은 경우, 산소제어부(240)는 그 신호를 출력하여 최대 허용공기량 까지 도달하도록 하고, 이 경우 역시 산기관을 통한 폭기량의 증가가 불가능한 정도가 되면 공급라인 오픈하고, 그렇치 아니하면 폭기량을 최대까지 점진적으로 높인 다음 휴지 시간을 갖게된다.
다음은 암모늄 측정값이 기 설정된 암모늄 기준값 보다 낮은 경우 고도처리 제어부(220)는 상기 합산된 입력값과 기준질소산화물값을 비교하게 된다.
여기서 입력값이 큰 경우에는 상기와 마찬가지로 산소 제어부(240)에 신호를 출력하여 산소 측정값과, 최소기준산소값 그리고 산소 측정값과 최대기준산소값을 비교하여 공급라인을 오픈하거나 혹은 공기 포기량을 단계적으로 줄이게 된다.
반대로, 질소산화물 입력값이 작은 경우에는 고도처리부(220)는 산소제어부(240)에 또 다른 신호를 출력하게 되는데, 이는 최소산소기준값만을 비교하도록 하는 것이다.
물론 이 경우에도 최소기준산소값이 측정값 보다 작으면 폭기량을 단계적으로 줄이고, 반대로 최소기준산소값이 높으면 최대 허용공기량이 도달할 수 있도록 산소제어부는 주제어부(201)에 신호를 보내게 된다.
한편, 이러한 일련의 과정 중 본 발명의 시스템은 도 2 및 도 5에 나타낸 바와 같이 질소산화물 즉 질산염을 검출하여 내부 슬러지의 이송을 제어함으로써, 무산소조에서 효과적으로 질소가 제거되도록 한다.
질산염의 측정값과 잔류유기질소와 비교하여 측정된 질산염의 측정값이 작은 경우 즉 측정된 질산염값이 2mg/l 보다 작은 경우 슬러지 제어부(250) 방류수의 질산염농도와 기 설정 기준질산염값을 비교하여 슬러지이송펌프(30)를 제어한다.
여기서 방류수의 질산염 기준값은 6mg/l이며, 이 또한 시운전 및 타 설비 그리고 실험을 통해 얻어진 값이다.
입력값이 방류수 기준값 보다 큰 경우 제어부는 펌프 가동 신호를 출력하여 폭기조측 반송슬러지의 탈질조 유입 비율을 증가시키고, 반대로 낮은 경우에는 평상량을 유지시킨다.
또한, 반응조 내부의 질산염 측정값이 잔류유기질소값 높은 경우에는 내부 반송슬러지 비율을 점차 감소시켜 그 값을 높이게 된다.
이와 같이 본 발명의 시스템은 고도처리에 절대적으로 필요한 용존산소를 각 상황에 정량에 맞추어 유지하고 또한 부족한 유기탄소를 적시에 필요한 곳에서 최대한 활용할 수 있도록 하는 것이다.
다음 본 발명의 다른 실 시예인 회분식 고도처리시스템을 설명한다.
첨부된 도 5는 상기 회분식(SBR) 운전시스템의 일 예를 나타낸 것으로, 이는 단일 반응조의 간헐포기와 교반을 반복하면서 DO-센서(140)에 의하여 시간적인 구분을 통해 무산소/혐기와 호기 상황을 제공하는 것이다.
상기 반응조(11)에는 검출부(100)가 설치되는데, 이 검출부는 수소이온농도(pH) 검출센서(110), 질소 산화물 검출센서(120), 암모늄 검출 센서(130) 그리고 용존 산소량 검출센서(140)로 구성되며, 반응조의 바닥에는 블로워(41)와 연결된 포기장치(40)가 설치되어 있다.
또한 상기 반응조에는 유입구(20)와 배출구(31)가 구비되고, 잉여슬러지를 배출시키는 펌프(30)와, 슬러지 반송펌프(31)를 포함하고 있다.
이러한 회분식 운전시스템은 반응조(11)에 하수로 계획 수위까지 채운 다음 무산소/혐기/호기기간을 반복하면서 상기한 제어부들을 통해 정지침전, 배출구를 통한 처리수 방류, 펌프에 의한 잉여 슬러지 배출 그리고 휴지 시간을 갖는 사이클이 반복된다.
즉, 상기 회분식 운전시스템은 첨부된 도 7과 같이 휴지기간을 거쳐 하수의 유입으로부터 시작된다. 하수가 유입되며 교반기(22)는 저속 교반을 시작하고, 각각의 센서는 농도를 측정하여 고도처리제어부(220)에 값을 입력한다.
먼저 고도처리제어부(220)는 반응조에서 측정된 질소 산화물 측정값과 기준질소산화물값을 비교하여 측정값이 큰 경우 이를 산소제어부(240)에 입력한다.
산소 제어부(240)는 센서를 통해 입력된 산소 측정값과 최소기준산소값을 비교한 다음, 측정값이 크면 다시 최대기준산소값과 측정값을 비교하여 측정값이 높으면 질소산화물 측정값을 비교토록 하고, 측정값이 낮으면 폭기량을 높이는 신호를 출력한다.
물론 측정값이 상기 최소기준산소값이 보다 낮으면 산소제어부는 폭기량을 높이는 신호를 출력하여 주 제어부(301)를 통해 블로워를 동작시켜 폭기량을 증가시키게 된다.
폭기량 증가 후 제어부는 다시 질소산화물 측정값과 기준값을 비교 판단하게 되며, 이 공정은 질소산화물 측정값이 기준값 보다 낮은 단계에 이르기까지 연속적으로 진행된다.
질소산화물 측정값의 비교 과정에서 측정값이 기준값 보다 낮은 단계에 이르면, 고도처리제어부와 산소 제어부는 다시 동작을 하게된다.
먼저 고도처리제어부는 암모늄 측정값을 비교하는데, 암모늄 측정값이 암모늄 기준값 보다 큰 경우 폭기량을 증가시키도록 산소 제어부에 신호를 출력하고, 반대로 측정값이 기준값 보다 낮은 경우에는 산소 측정값을 비교토록 한다.
이때 산소 제어부(240)는 최대기준산소값과 산소 측정값을 비교하여 측정값이 높으면 침전-방류가 이루어지도록 하여 휴지상태에 들어가고 반대로 측정값이 낮으면 폭기량을 단계적으로 줄인 다음 침전, 방류 그리고 휴지상태에 들어간다.
한편, 이러한 회분식 고도처리시스템은 상술한 연속운전식 고도처리시스템과 마찬가지로 슬러지 제어부를 통해 펌프(31)를 가동하여 내부 슬러지를 반송하고, 잉여 슬러지 펌프(30)를 통해 슬러지를 배출하는 것이다.
한편 본 발명에 따른 시스템들은 예비산소공급수단(300)을 통해 보다 반응조의 급격한 변화에 대처할 수 있도록 하며, 시간 제어부와 오염도 제어부를 통해 안정적이며 처리 효율을 향상시킬 수 있는 것이다.
이상과 같이 본 발명의 하수고도처리시스템은 연속운전식 하수처리장 및 회분식 하수처리장 등 기존 처리장에 적용되어 고도처리에 따른 하천의 효율적인 관 리가 가능하며, 비용 절감은 물론 처리효율을 높일 수 있는 것이다.
특히 본 발명의 시스템은 유입수의 성상변화와 슬러지 내부 및 외부 반송 비율에 의한 미생물 반응조 내부 상황을 검출부를 통해 정확하게 판단하여 최적의 운전 방안을 적용하여 모든 관련 구동부 설비를 효율적으로 제어하게 된다.
결과로는 반응조의 하수가 갖고 있는 가능한 잠재력을 최대한 활용하여 유기물산화, 질산화와 탈질 및 인(P)-제거 효율을 극대화 하면서 외부 탄소원 투입을 배제하거나 감량할 수 있으며, 정량 용존산소 공급을 통해 포기에너지 절감 및 잉여슬러지 생산량의 감소는 물론 방류수질 향상과 안정성을 보장할 수 있다.
또한, 기존 하수처리장의 고도처리전환은 저렴한 투자로 구조물적인 확장이나 큰 변화 없이 간편하게 현실화할 수 있으며, 시설 운영의 자동화 운전으로 정화효율상승 및 안전성, 시약 등의 투입배제 및 투입량 감소, 에너지 절감과 잉여슬러지 생산량 감소 및 탈수효율 증가 등으로 운영유지관리비 절감은 물론 자연생태계를 보호에 큰 일익을 담당하게 되며, 무분별하게 설치된 고도처리전환공정(공법)을 효과적으로 개선할 수 있는 발명인 것이다.
또, 본 발명의 시스템은 용존 산소량과 슬러지 반송 비율을 자동으로 조절하여 고도처리 효율을 향상시키고, 주 제어부 이외에 예비산소공급부 및 시간, 오염도를 체크 처리할 수 있는 예비산소공급제어수단을 구비함으로써 반응조의 급격한 변화에 대비할 수 있는 발명인 것이다.

Claims (13)

  1. 미생물 반응조에 산소를 공급하여 질소, 인 등을 제거하는 하수고도처리시스템으로써,
    미생물 반응조;
    상기 반응조의 내부에 설치되어 공기를 공급하는 포기부;
    상기 미생물 반응조에 설치되어 질소산화물, 용존 산소량, 암모늄 농도를 각각 측정하는 검출부;
    상기 검출부에서 입력된 질소산화물 측정값과 상기 암모늄 측정값 및 설정된 잔류유기질소값을 더하여 그 합산값을 산출하고, 상기 암모늄 측정값과 기 설치된 암모늄 기준값, 상기 합산값과 설정된 기준값을 순차적으로 비교하여 미생물 반응조에 필요한 용존 산소량을 제어하는 제어수단;
    상기 제어수단과 더불어 반응조 내부의 급격한 변화에 신속하게 대처하여 산소를 공급할 수 있도록 예비산소공급제어수단;
    방류수의 질산염 측정값에 따라 내부 슬러지의 반송 비율을 제어하는 슬러지 제어부;로 구성된 것을 특징으로 하는 하수고도처리시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 검출부는 pH 센서와 질소산화물 측정센서와 암모늄 측정센서와 용존 산소량 측정센서 및 질산성질소 측정센서 들로 구성되어 선택적으로 설치됨으로 특징으로 하는 하수고도처리시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제어수단은 검출부에서 입력된 암모늄 측정값과 질소 산화물 측정값 그리고 여기에 설정된 2mg/l의 잔류유기질소값을 더하여 그 값을 산출하는 합산 제어부를 구비된 것을 특징으로 하는 하수고도처리시스템.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 제어수단은 암모늄 측정값과 기 설정된 기준값을 비교하여 신호를 출력하고, 이 비교에 따라 다시 합산 제어부에서 입력된 합산값과 질소산화물 기준값을 비교하는 고도처리제어어부를 구비하고, 상기 고도처리 제어부의 신호에 따라 입력된 용조산소값과 기 설정된 기준산소값을 비교하여 블로워의 동작 및 휴지 신호를 출력하는 산소 제어부로 구성된 것을 특징으로 하는 하수고도처리시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제어수단은 반응조의 급격한 변화에 따라 산소 공급량을 급격히 증가시킬 수 있는 예비산소공급수단이 갖추어진 것을 특징으로 하는 하수고도처리시스템.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 예비산소공급수단은 설정된 기준산소값과 입력된 입력값을 비교하여 산소 공급량을 결정하는 예비산소제어부와, 시간적 혹은 계절의 변화에 따라 달라지는 하수 유입량에 대하여 산소 공급을 산출하여 데이터화 할 수 있도록 하는 시간 제어부와, 반응조 선단의 오염도에 따라 산소 공급량을 제어하는 오염도 제어부로 구성된 것을 특징으로 하는 하수고도처리시스템.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 슬러지 제어부는 반응조의 질소산화물 측정값과 잔류유기질소값을 비교하여 측정값이 작으면, 다시 반응조의 방류수에서 측정된 질소산화물측정값과 방류수의 질소산화물 기준 설정값을 비교하여 펌프 동작신호를 인가하여 슬러지 반송 비율을 증가, 유지, 감소시키는 것을 특징으로 하는 하수처리고도시스템.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 방류수의 질소산화물 설정 기준농도는 6mg/l인 것을 특징으로 하는 하수처리고도시스템.
  9. 연속운전식 하수처리시설로서,
    혐기/무산조와 폭기조 그리고 침전조로 이루어진 무생물 반응조;
    상기 폭기조에 설치되며 블로워와 연결되어 산소를 공급하는 포기부;
    상기 혐기/무산조에 설치되는 질소산화물 검출센서;
    상기 폭기조에 설치되며, 수소이온농도 검출센서, 질소 산화물 검출센서, 암모늄 검출 센서 그리고 용존 산소량 검출센서로 이루어지며, 상기 폭기조의 배출구측에 설치된 용존산소 검출센서로 구성된 검출부;
    상기 폭기조의 배출구측과 하수 유입구를 연결하여 배출구측 슬러지를 유입구측으로 반송시키는 슬러지 반송 펌프;
    상기 혐기/무산소조와 폭기조 각각에 설치된 교반기;
    상기 검출부 및 센서의 신호에 따라 상기 블로워를 동작시켜 폭기조내의 산소량을 조절하는 제어수단;으로 구성된 것을 특징으로 하는 하수고도처리시스템.
  10. 회분식운전하수처리시설로써,
    단일 반응조;
    상기 반응조에 설치되며, 수소이온 검출센서, 질소 산화물 검출센서, 암모늄 검출 센서 그리고 용존 산소량 검출센서로 이루어진 검출부;
    상기 반응조의 바닥에 설치되며 블로워와 연결되어 산소를 공급하는 포기부;
    상기 검출부의 신호에 따라 상기 블로워를 동작시켜 폭기조내의 산소량을 조절하는 제어수단;으로 이루어진 하수고도처리시스템.
  11. 하수고도처리방법으로써,
    반응조내의 하수에서 질소산화물, 암모늄, 수소이온, 용존산소량을 검출하는 검출단계;
    상기 질소 산화물 측정값과 암모늄 측정값 그리고, 설정된 잔류유기질소값을 합산하는 합산단계;
    상기 암모늄 측정값과 기 설정된 암모늄 기준값을 비교하고, 그 결과에 따라 산소 측정값과 기 설정된 산소기준값을 비교하는 제 1연산단계;
    상기 제 1연산 단계에서 암모늄 측정값과 암모늄 기준값의 비교 결과에 따라 상기 합산값과 설정된 기준값을 비교하여 다시 산소 측정값과 설정된 산소기준값을 다시 비교하는 제 2연산단계;
    상기 제 1 및 제 2연산 단계의 결과에 따라 블로워를 동작시켜 산소의 공급 및 휴지를 결정하는 산소공급 제어단계;
    그리고, 하수의 질산염 측정값과 잔류유기질소값을 비교하고, 그 결과에 따라 다시 방류수의 질소염 측정값과 기 설정된 기준 농도를 비교하여 슬러지의 반송 비율을 제어하는 슬러지 제어단계;로 구성된 것을 특징으로 하는 하수고도처리방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 슬러지 제어단계는 폭기조에서 측정된 질산염 측정값과 기 설정된 잔류유기질소 2mg/l를 비교하여 측정값이 크면 슬러지의 반송비율을 감소시키고, 측정값이 설정값보다 작으면 방류수의 질소염 측정값과, 기 설정된 기준 농도 6mg/l를 비교토록 하여 슬러지의 반송비율을 증가 혹은 유지시키는 것을 특징으로 하는 하수고도처리방법.
  13. 단일 반응조로 이루어진 회분식하수처리방법으로써,
    상기 반응조내의 하수로부터 질소산화물, 암모늄, 수소이온, 용존산소량을 검출하는 검출단계;
    상기 질소 산화물 측정값과 암모늄 측정값 그리고, 설정된 잔류유기질소값을 합산하는 합산단계;
    상기 질산염 측정값과 기 설정된 질산염 기준값을 비교하고, 그 결과에 따라 산소 측정값과 기 설정된 산소기준값을 비교하는 제 1연산단계;
    상기 제 1연산 단계에서 질산염 측정값과 질산염 기준값의 비교 결과에 따라 상기 암모늄 측정값과 설정된 암모늄 기준값을 비교하여 폭기량을 높이거나 혹은 다시 산소 측정값과 설정된 산소기준값을 다시 비교하여 폭기량을 결정하는 제 2연산단계;
    상기 제 1 또는 제 2연산 결과에 따라 폭기량을 조절하는 산소공급제어단계;
    상기 제 2연산 결과에 따라 침전, 방류, 휴지가 순차적으로 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 하수고도처리방법.
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