KR100700150B1 - 오·폐수 중 질소제거장치 및 이를 이용한 질소제거방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오·폐수 중 질소제거장치 및 이를 이용한 질소제거방법에 관한 것으로, 탈질 반응조 내부에 고액 분리조를 설치하여 일체형으로 형성하되 고액 분리조의 부피를 탈질 반응조 전체 부피의 5% 내지 20%가 되게 함으로써 탈질 반응조의 부피만 동일하면 종래 장치와 동일한 탈질 처리 효율을 확보할 수 있으므로 전체 장치를 일정 부피 이내로 줄여 소형화 할 수 있고, 내부순환배관과 유입수 배관을 통해 탈질 처리된 유입수를 재순환시켜 다시 한번 탈질 처리에 사용함으로써 종래 장치에 비해 탈질 속도를 향상시키고 탈질처리 효율을 배가시키며, 이에 따라 탈질반응조의 부피를 작게 할 수 있으며, 탈질 반응조 하부를 원뿔형으로 형성함으로써 유입수가 탈질 반응조 전체로 고르게 확산되어 유입되도록 하여 탈질 반응조 내부에 충진된 황 담체와 고르게 접촉하여 반응하게 함으로써 탈질 처리 효율 향상에 기여함과 동시에 원뿔부를 통해 하부에 쌓이는 이물질을 외부로 배출할 수 있고, 고액 분리조 하면을 경사지게 형성하고 경사진 부분에 슬러지 배출배관을 추가로 연결하여 여과막에 의해 여과된 부유성 고형물과 콜로이드성 물질이 농축되어 형성된 슬러지를 외부로 배출할 수 있게 함으로써 장치의 작동을 중지하지 않고도 슬러지를 외부로 배출하는 효과를 가진다.

황, 탈질, 탈질 반응조, 고액분리조, 재순환, 탈질 효율 증대

Description

오·폐수 중 질소제거장치 및 이를 이용한 질소제거방법{Device for removing nitrogen from wastewater and method for the same}

도 1은 탈질 반응조 및 고액 분리조 일체형 반응기의 형태를 도시한 본 발명 장치의 개략도.

도 2는 본 발명 장치의 구성도 및 동작 상태도.

도 3은 본 발명 장치의 평면도.

도 4는 본 발명 장치를 이용한 질소제거 과정 중 반응 도중 pH 변화를 도시한 그래프.

도 5는 본 발명 장치의 탈질 반응조 내 내부순환 유량변화에 따른 처리수질을 비교한 그래프.

도 6은 본 발명 장치의 탈질 반응조 내 내부순환 유량변화에 따른 탈질 효율을 비교한 그래프.

도 7은 본 발명 장치를 이용한 질소 제거에 있어 내부순환 및 체류시간에 따른 탈질 효율을 나타낸 것.

도 8은 본 발명 장치를 이용하여 처리한 물 중 SS 농도 비를 나타낸 것.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

41 : 탈질 반응조 42 : 고액분리조

43 : 가스 배출구 44 : 황 담체

45 : 여과막 46 : 유입펌프

47 : 유입수 배관 48 : 유입수 조절 밸브

49 : 처리수 배관 50 : 처리수 흡입 펌프

51 : 송풍기 52 : 공기공급 배관

53 : 산기관 54 : 내부순환 배관

55, 57, 59 : 밸브 56 : 슬러지 배출배관

58 : 슬러지 배출 배관 60 : 스틸망

본 발명은 오·폐수처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 황을 이용한 독립영양 탈질 반응을 일으키는 탈질 미생물이 부착되고 황 담체가 충진되고 내부 순환 배관을 갖는 무산소 탈질 반응조와 탈질 반응조 내측에 위치하는 여과막이 침지되어 있는 고액 분리조로 구성되어 있어 오·폐수 중에 용존되어 있는 질산성질소 및 아질산성질소를 질소가스로 전환하여 제거함으로써 처리의 안정성과 설비 및 운전의 경제성을 가지는 일체형 시스템을 제공하는 오·폐수 처리장치에 관한 것이다.

최근의 오·폐수 처리의 목적은 주로 생물화학적 산소요구량(BOD), 부유고형 물(SS; Suspended Solids) 및 병원균의 감소 등 과거의 목적뿐만 아니라 부영양화의 주범인 질소와 인 등 영양염류의 규제가 더욱 강화되고 있다.

질소는 수자원의 용존산소 농도를 고갈시키고 수중생물에 독성을 유발하며 질병을 유발할 수 있어 수자원의 재사용에 있어 어려움을 초래하게 된다. 그러므로, 질소 제거는 폐수처리에 있어 큰 중요성을 갖고 있다.

폐수의 정화 등과 관련하여서는 종래부터 많은 기술이 알려져 있다. 이와 관련하여 질소제거에 관한 종래의 기술을 살펴보면 다음과 같다.

일반적으로 오·폐수 중에 함유되어 있는 질소 제거를 위해 가장 많이 이용되고 있는 방법으로는 종속영양미생물을 이용한 질산화와 탈질에 의한 생물학적 질소제거법이 알려져 있다. 이는 암모니아성 질소(NH ₄ ⁺ -N)가 독립영양미생물에 의해 아질산성 질소(NO ₂ ^- -N) 또는 질산성 질소(NO ₃ ^- -N)로 전환하는 과정으로, 암모니아 질소에서 아질산성 질소로 산화될 때는 Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosobacillus 등의 미생물이 관여하며, 아질산성 질소에서 질산성 질소로 산화될 때는 Nitrobacter, Nitrosocystis 등이 관여한다. 그러나, 독립영양미생물의 증식속도는 종속영양미생물에 비해 매우 늦으며, 미생물증식량도 적다. Nitrosomonas와 Nitrobacter의 세포생성율은 0.15mg-cell/mg-NH ₄ ⁺ -N, 0.02mg-cell/mg-NO ₂ ^- -N, 그리고 알칼리도의 감소량은 7.14mg 즉, 질산화 반응은 산소가 필요하며, 다량의 질산화균을 반응조 내에 확보ㆍ유지시키지 않으면 안되는 것이다. 또한, 다량의 알칼리도도 필요하므로 저하되는 pH를 조절하기 위해 pH 완충작용이 요구된다. 여기에 온도, BOD/TKN비, 암모니아성 질소농도 등도 질산화 반응에 영향을 준다.

탈질은 용존산소(DO)가 존재하지 않는 상태에서 질산성 질소 또는 아질산성 질소 등의 결합형 산소만이 존재하는 상태(무산소 상태: Anoxic condition)에서 질산성 질소나 아질산성 질소가 질소가스(N₂)로 전환되는 과정을 말한다. 탈질은 질산성 질소가 아질산성 질소로 변환하는 과정과 아질산성 질소가 NO와 NO₂ 를 경유하여 N₂ 가스로 전환하는 과정으로 이루어진다. 탈질반응에서는 2.3∼4.4mg as CaCO₃/mg-N 정도의 알칼리도가 생성된다. 질산화와 탈질을 동시에 수행하는 시스템에서는 질산화에서 저하되는 알칼리도를 어느 정도 높여줄 수 있다. 그러나, 종래의 종속영양미생물을 이용한 탈질반응에서는 전자공여체로서 유기 탄소원을 필요로 한다.

현재 가장 일반화되어 있는 질소 제거법은 현탁활성 슬러지를 이용한 순환식 질산화ㆍ탈질법이다. 이 방법은 무산소조-호기조로 이루어지며 오·폐수를 순환시킴에 의해 무산소조에서는 탈질, 호기조에서는 질산화가 일어나게 한다. 그러나, 이 방법은 반응조를 각각 별도로 설치하지 않으면 안되므로 넓은 설치부지가 요구되며 호기조 용량을 크게 해야만 한다.

반응조 용적이 작으면서 안정된 처리수를 얻기 위해서 현탁활성 슬러지 대신에 활성슬러지 또는 질산화균이나 탈질균을 고정화한 담체를 충진하는 방법도 이용되고 있다. 그러나, 담체비용이 높다는 단점이 있다.

단일조에서 질산화ㆍ탈질을 행하는 방법으로는, 회분식 활성슬러지법(SBR process)이 있다. 이 공정은 활성슬러지법의 변법으로 [유입-반응-침전-방류-대기]의 5과정을 하나의 반응조에서 순차적으로 행하여 침전공정에서는 폭기를 중지하여 무산소조를 만들어 탈질을 수행한다. 이 공정은 장치가 간단하고 유지 관리가 용이하며 설치 및 운전비용도 낮다는 이점이 있다. 다만 반응조에 스컴이 축적되기 쉬우며 상등수의 배출장치가 필요하다. 질소 농도가 높으면서 유기물농도가 낮은, 즉 C/N비가 낮은 오·폐수인 경우에는, 질산화에 필요한 산소공급에 많은 에너지가 요구되며, 탈질을 위해서는 전자공여체를 첨가하지 않으면 안된다. 일반적으로 가장 많이 사용되고 있는 것은 메탄올이다. 그러나, 메탄올 첨가의 경우에는 적절한 첨가량의 제어가 곤란하고 메탄올 자체의 독성 때문에 처리수에 메탄올이 잔존해서는 안된다. 양은 처리해야할 질소량의 3배 이상이 필요하며 유지 비용도 무시할 수 없다.

상기 기술한 단점을 보완한 새로운 기술로 최근 주목받고 있는 것이 황을 이용한 탈질법이다.

황을 이용한 탈질은 티오바실러스 데니트리피칸스(Thiobacillus denitrificans)로 대표되는 황산화미생물이 최종수용체로서 NO₂ ^- , NO₃ ^- , NO, N₂O를 사용하면서 일어나는 탈질반응이다.

황탈질 반응의 최종산물은 SO₄ ²- 로 O₂ , NO₂ ^- , NO₃ ^- , NO, N₂O가 황산화의 최종 수소 수용체로 사용되나, 최종 수소 수용체로서는 NO₂ ^- 나 NO₃ ^- 보다 O₂ 를 선호 하므로 황탈질 반응은 O₂가 존재하지 않고 NO₂ ^-나 NO₃ ^- 가 존재하는 무산소 상태에서만이 기대할 수 있다.

T. denitrificans는 절대화학독립영양미생물로 CO₂ , HCO₃ ^- , CO₃ ^2- 등의 무기탄소를 탄소원으로 이용하여 생육한다. T. denitrificans의 황산화 반응에서는 S⁰ , S₂ ^- , S₂O₃ ^2- , S₄O₆ ^2- , SO₃ ^2- 가 수소공여체로서 이용되므로 산화수가 적은 황화합물이 탈질 효율이 높다. T. denitrificans에 의한 황탈질 반응에 있어서 수소수용체로서 황화합물의 비용을 전자 당량당 약품비용으로 비교한 결과 S⁰가 가장 경제적인 수소공여체라고 보고되어 있다(Bisogni, J. J.r. Driscoll, C. T. Jr. : Denitrification using thiosulfate and sulfide, J. Environ. Eng. Div. Proc. ASCE, Vol. 103, p. 593~604(1977)).

S⁰는 자원이 풍부하고 가격이 저가이며, 저장이 쉽고 취급성이 좋으며, 독성이 없는 등의 장점이 있다.

한편, 황을 이용한 종래의 탈질 기술로는 (주)전테크의 폐수처리장치(실용신안등록번호 제20-0315887호)(이하, 종래기술의 일 실시예에 따른 폐수처리장치라 한다)와 현대건설 주식회사의 침지식 멤브레인 및 황이용 탈질 미생물을 이용한 일체형 오수처리장치(실용신안등록번호 제20-0299231호)(이하, 종래기술의 다른 실시 예에 따른 오수처리장치라 한다)가 있다.

상기 종래 기술의 일 실시예에 따른 폐수처리장치는 일정한 크기를 가진 반응조(10)의 하단에 폐수 유입배관(3)과 펌프(4)를 구성하여 상기 반응조(10)의 하부에서 폐수를 유입할 수 있도록 하고, 상기 반응조(10)의 내부에는 반응조 바닥(11)에서 일정한 간격을 두고 스틸망(9)을 설치하여 그 상단에 자갈층(1)을 형성하고, 상기 자갈층(1)의 상단에는 황 담체(S⁰+CaCO₃)(2)를 적층하고, 상기 반응조의 상단에는 가스배출구(8)와 측면에 처리수 배출구(7)로 구성된다.

이와 같이 구성되는 종래기술의 일 실시예에 따른 폐수처리장치는 단일 구조의 반응조에서 황과 탄산칼슘이라는 재료를 이용하여 간단한 운전으로 황산화 탈질 반응을 이용하여 질소문제를 해결하는 효과가 있다.

그러나, 상기 종래기술의 일 실시예에 따른 폐수처리장치는 탈질 및 탈색의 효과는 있지만 폐수에 함유된 부유성 고형물과 콜로이드성 물질 등 유기물을 제거하는 구성에 관한 개시가 없으므로 원래부터 유기물 농도가 낮고 질소 농도(특히 질산성 질소나 아질산성 질소)가 상대적으로 높은 폐수나 폐수처리과정에서 유기물은 제거되었으나 질소는 거의 제거되지 않고 배출되는 폐수에는 적합하지만 부유성 고형물(SS)과 콜로이드(Colloid)성 물질 등에 의해 유발되는 유기물 및 탁도 등은 제거할 수 없는 문제점이 있었다.

또한, 상기 종래기술의 일 실시예에 따른 폐수처리장치는 황 탈질에 의한 질소 제거의 효과는 있지만 반응조(10) 내에 폐수를 한번만 통과시켜 탈질 반응을 일 으키게 하므로 탈질 처리 효율은 전적으로 반응조(10) 안에 충진되는 황 담체의 량에 의존하게 되어 제한적이라는 결점이 있었다.

아울러, 통상적으로 장기간에 걸쳐서 오수를 처리하는 경우 장치 내부에 오수의 이물질이 쌓이게 되는데 상기 종래기술의 일 실시예에 따른 폐수처리장치는 이와 같이 폐수의 이물질 및 이것이 농축되어 형성되는 슬러지를 주기적으로 외부로 배출할 수 있는 장치에 대한 기재가 없어 이물질을 제거하기 위해서는 장치의 작동을 정지하고 세정 작업을 별도로 해야만 했었다.

상기 종래기술의 다른 실시예에 따른 오수처리장치는 산소발생장치 및 멤브레인 반응조를 포함하며, 상기 산소발생장치를 통해 배출되는 산소를 멤브레인 반응조에 제공하여 유기물을 제거 및 질산화 반응이 일어나도록 하는 포기조와; 상기 포기조의 외주변에 별도의 공간부를 갖고 일체로 형성되어, 멤브레인 반응조를 통과한 처리수를 유입하여 탈질반응을 일으키는 탈질반응조로 구성되어 포기조와 탈질 반응조를 겹쳐지는 형태로 제작하므로 폐수처리장치가 차지하는 공간을 일정 부피 내로 줄일 수 있는 효과가 제공된다.

즉, 상기 종래기술의 다른 실시예에 따른 오수처리장치는 포기조(10)는 그 안에 산소발생장치(33)와 멤브레인 반응조(11)를 두고 유기물의 제거와 질산화 반응을 일으키도록 하고 있고 탈질 반응조(20)는 포기조(10)의 외주연에 섬모상 또는 황을 함유한 여재(21)가 삽입된 별도의 공간부를 갖고 일체로 형성토록 하여 폐수를 황을 이용한 독립영양 탈질 반응을 일으키는 탈질 미생물이 부착된 여재(21)와 접촉시켜 탈질 반응을 일으키도록 하고 있는 것이다.

그러나, 상기 종래기술의 다른 실시예에 따른 오수처리장치는 포기조(10)에서 유기물의 제거와 질산화 반응을 일으키도록 하기 위해서는 질산화 반응에 필수적인 산소를 발생시키는 산소발생장치(33)와 이에 연결된 송풍기(32)를 설치하는 등 구성부품이 많아져 제작비용이 증대된다고 하는 단점이 있었다.

또한, 상기 종래기술의 다른 실시예에 따른 오수처리장치는 포기조(10)에서 유기물의 제거와 질산화 반응을 일으키도록 하기 위해 다량의 질산화균을 포기조(10) 내에 확보 유지하여야 하므로, 전체 장치를 일정 크기로 제한하려 할 때 상대적으로 포기조(10)의 부피는 커지고 탈질 반응조(30)의 부피는 적어질 수밖에 없다. 이에 따라 상기 종래기술의 다른 실시예에 따른 오수처리장치는 탈질 반응조(30) 안에서 폐수와 접촉하여 탈질 반응을 일으키는 섬모상 또는 입상황 여재(21)도 그에 상응하여 적게 충진되게 되므로, 질소를 제거하는 탈질 측면에서 보았을 때 탈질의 효율이 저하된다고 하는 문제점이 있었다.

아울러, 상기 종래기술의 다른 실시예에 따른 오수처리장치는 섬모상 또는 입상황 여재(21)를 이용하여 탈질하는 효과는 있지만 이 역시 탈질 반응조(20) 내에 폐수를 한번만 통과시켜 탈질 반응을 일으키게 하므로 탈질 처리 효율은 전적으로 반응조(10) 안에 충진되는 여재(21)의 량에 의존하게 되어 제한적이라는 결점이 있었다.

그리고, 통상적으로 장기간에 걸쳐서 오수를 처리하는 경우 장치 내부에 오수의 이물질이 쌓이게 되는데 상기 종래기술의 다른 실시예에 따른 오수처리장치는 이와 같이 오·폐수의 이물질 및 이것이 농축되어 형성되는 슬러지를 주기적으로 외부로 배출할 수 있는 장치에 대한 기재가 없어 이물질을 제거하기 위해서는 장치의 작동을 정지하고 세정 작업을 별도로 해야만 했었다.

상기의 문제점들을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 전체 장치를 일정 부피 이내로 줄여 소형화하는 것이다.

그리고, 본 발명의 또 다른 목적은 탈질 처리된 유입수를 재순환시켜 다시 한번 탈질 처리에 사용함으로써 종래 장치에 비해 탈질처리 속도를 향상시키고 탈질처리 효율을 배가시키는 것이다.

아울러, 본 발명의 또 다른 목적은 유입수가 탈질 반응조 전체로 고르게 확산되어 유입되도록 하여 탈질 처리 효율 향상에 기여함과 동시에 오·폐수의 이물질을 주기적으로 외부로 배출할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 장치의 작동을 중지하지 않고도 여과막에 의해 여과된 부유성 고형물과 콜로이드성 물질이 농축되어 형성된 슬러지를 외부로 배출할 수 있게 하는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 오·폐수 중 질소제거장치는, 스틸망을 설치하고 이 스틸망의 위에 황 담체를 적층하여 충진하고 황을 이용한 독립영양 탈질 반응을 일으키는 탈질 미생물을 미생물 순양을 통해 상기 황 담체에 부 착하고, 오·폐수의 유입수가 위로 고르게 확산되어 상기 스틸망을 통해 유입되어 탈질 처리되도록 하부를 원뿔형으로 형성하고 그 원뿔부에 유입구를 형성하며, 질소를 함유하는 오·폐수의 유입수가 황 담체와 접촉하여 탈질 처리되면서 발생하는 질소 가스를 배출하는 가스 배출구를 상면에 복수개 설치한 탈질 반응조와; 상기 탈질 반응조 내부의 상부 일측에 위치하고, 처리수 흡입펌프를 이용하여 상기 탈질 반응조를 통과한 처리수의 부유성 고형물과 콜로이드성 물질을 여과하고 여과된 처리수를 외부로 배출하여 BOD와 COD 및 탁도를 향상시키는 여과막을 포함하는 고액 분리조와; 상기 탈질 반응조의 상부와 유입펌프를 연결하는 내부순환 배관과, 상기 유입펌프의 출구와 탈질 반응조의 원뿔부를 연결하는 유입수 배관을 포함하며; 상기 고액 분리조의 부피를 탈질 반응조 전체 부피의 5% 내지 20%로 형성하고, 상기 내부순환배관과 유입수 배관을 통해 탈질 처리된 유입수를 재순환시킴으로써 탈질처리 효율을 향상시킨 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 고액 분리조는 그 하면을 경사지게 형성하고 경사진 부분에 슬러지 배출배관을 추가로 연결하여 여과막에 의해 여과된 부유성 고형물과 콜로이드성 물질이 농축되어 형성된 슬러지를 외부로 배출할 수 있는 것이 바람직하다.

상기 탈질 반응조의 원뿔형 하부의 원뿔 각도는 10° 내지 30°인 것이 바람직하다.

상기 탈질 반응조의 원뿔부에 슬러지 배출 배관을 추가로 연결하여 원뿔부 하부에 쌓이는 이물질을 외부로 배출할 수 있는 것이 바람직하다.

상기 탈질 미생물은 티오바실러스 데니트리피칸스(Thiobacillus denitrificans), 티오바실러스 티오옥시던스(Thiobacillus thiooxidans), 슈도모나스(Pseudomonas), 또는 아그로박테리윰(Agrobacterium)인 것이 바람직하다.

상기 황 담체는 황과 탄산칼슘의 혼합체(So+CaCO₃)인 것이 바람직하다.

탈질 반응조의 외부로부터 여과막 부근까지 연장 설치되고 복수의 산기관이 일측에 형성되어 이 산기관으로부터 공기가 공급됨으로써 상기 고액 분리조 내에 설치된 여과막의 작동 시 여과막에 부착되는 부유성 고형물과 콜로이드성 물질을 제거할 수 있는 공기공급 배관을 추가로 포함하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 오·폐수 중 질소제거장치를 이용한 질소제거방법은 유입수 배관을 통해 질소를 함유하는 오·폐수의 유입수를 탈질 반응조 하부의 원뿔부와, 내부에 황 담체를 적층하여 충진하고 황을 이용한 독립영양 탈질 반응을 일으키는 탈질 미생물을 미생물 순양을 통해 상기 황 담체에 부착한 탈질 반응조에 유입시키는 단계와; 상기 유입된 질소를 함유하는 오·폐수의 유입수가 탈질 반응조 내의 황 담체와 접촉하여 탈질 처리되는 단계와; 상기 유입수 배관과 연통하는 내부순환배관을 통해 상기 탈질 처리된 유입수를 탈질 반응조 안으로 다시 유입시켜 재순환시키는 단계와; 탈질 처리함에 따라 발생되는 질소 가스가 탈질 반응조에 설치된 가스 배출구를 통해 배출되는 단계와; 탈질 처리된 상기 처리수가 탈질 반응조 부피의 5% 내지 20%의 부피를 가지는 고액 분리조로 유입되어 부유성 고형물(SS)과 콜로이드성 물질이 고액 분리조 내에 설치된 여과막에 의해 여과되는 단계와; 상기 여과막의 처리수 배관을 통해 여과된 상기 처리수가 외부로 배출되는 단계를 포함한다.

여기에서, 공기공급 배관의 산기관에 의하여 상기 탈질 반응조의 외부로부터 고액 분리조 안으로 공기를 공급하여 여과 작용으로 여과막에 부착되는 부유성 고형물과 콜로이드성 물질을 제거하는 단계와; 상기 제거된 부유성 고형물과 콜로이드성 물질이 농축되어 형성된 슬러지를 외부로 배출하는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.

상기 탈질 반응조의 원뿔부에 슬러지 배출 배관을 연결하여 원뿔부 하부에 쌓이는 이물질을 외부로 배출하는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면에 의해 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 탈질반응조 및 고액분리조 일체형 반응기의 형태를 도시한 본 발명의 장치의 개략도이고, 도 2는 본 발명 장치의 구성도 및 동작상태도이고, 도 3은 본 발명 장치의 평면도이다.

도 1 내지 도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명의 황을 함유하는 담체와 여과막 일체형 오·폐수 중 질소제거장치는 황 담체(44)를 적층하여 충진함으로써 오·폐수의 유입수를 탈질 처리하는 탈질 반응조(41)와 탈질 반응조(41)를 통과한 처리수의 부유성 고형물(SS; Suspended Solids)과 콜로이드성 물질을 여과하는 고액 분 리조(42)로 구성된다.

상기 탈질 반응조(41)를 좀 더 자세히 살펴보면 탈질 반응조(41)의 내부에 스틸망(60)을 설치하고 이 스틸망(60)의 위에 황을 이용한 독립영양 탈질 반응을 일으키는 탈질 미생물이 부착되고 황 담체(44)를 적층하여 충진하고 있다.

여기에서, 상기 탈질 반응조(41)에 충진되는 황이 포함된 담체(44)에 부착되어 황을 이용한 독립영양 탈질 반응을 일으키는 탈질 미생물로는 이에 한정되는 것은 아니지만 티오바실러스 데니트리피칸스(Thiobacillus denitrificans), 티오바실러스 티오옥시던스(Thiobacillus thiooxidans), 슈도모나스(Pseudomonas), 아그로박테리윰(Agrobacterium)를 사용할 수 있으며, 이 중에서 바람직한 것은 티오바실러스 데니트리피칸스(Thiobacillus denitrificans)이다.

또한, 상기 황 담체(44)는 황 탈질 미생물의 전자 공여체로 이용되는 황(S^o) 입자를 용융시킨 후 알칼리도를 공급하는 역할을 수행하는 알칼리성물질(CaCO₃ 등)을 첨가하여 교반한 후 급속 냉각에 의해 고체화시켜 파쇄하여 제조한 것으로 첨가하는 물질 및 배합 비율에 의해 특성이 달라지며, 황과 탄산칼슘의 혼합체(S^o+CaCO₃)를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 스틸망(60)은 복수의 구멍이 형성된 강철재의 망으로서 탈질 반응조(41) 내부에 설치된 다음에는 아래로 빠져 이탈되지 못하게 되어 있으며 그 이유는 탈질 반응조(41) 하부를 원뿔형으로 형성하여 아래로 갈수록 좁아지게 형성하였기 때문이다.

한편, 유입되는 유입수의 스트림 라인(stream line)을 고려할 때 상기 탈질 반응조(41)의 원뿔형 하부의 원뿔 각도는 10° 내지 30°인 것이 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다. 이와 같이 탈질 반응조(41)의 하부를 원뿔형으로 형성하면 오·폐수를 유입할 때 오·폐수의 유입수가 원뿔부의 유입구를 통해 위로 고르게 확산되게 되고 이후 스틸망(60)에 형성된 복수의 구멍을 통해 오·폐수가 유입되어 스틸망(60)의 위에 적층되어 충진된 황 담체(44)와 접촉하게 되어 탈질 처리되는 것이다.

이 때 질소 가스가 발생하게 되는데 이 질소 가스를 배출하기 위하여 가스 배출구(43)를 탈질 반응조(41)의 상면에 복수개 설치하고 있다.

다음으로, 고액 분리조(42)의 구성을 상세히 살펴보면, 이 고액 분리조(42)는 탈질 반응조(41) 내부의 상부 일측에 위치하고 있어서 처리수 흡입펌프(50)를 이용하여 탈질 반응조(41)를 통과한 처리수의 부유성 고형물과 콜로이드성 물질을 여과막(45)을 통해 여과하고 여과된 처리수를 외부로 배출할 수 있는 것으로서 실용신안등록번호 제20-0299231호에 기재된 바와 같이 질산화 반응과 탈질 반응을 모두 거쳐 질소를 제거하는 것이 아니라 탈질 반응만을 거치는 것이다.

또한, 고액 분리조(42)는 그 하면을 경사지게 형성하고 있는데, 이 경사진 하면을 위가 넓고 아래가 좁은 상광하협 형태로 구성하는 것이 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다.

이와 같이 고액 분리조(42)의 하면을 상광하협으로 형성하면 탈질 반응조(41)를 통과한 처리수의 부유성 고형물과 콜로이드성 물질을 여과막(45)으로 여과함으로써 발생되는 슬러지가 아래 쪽의 좁은 부분에 모일 수 있다.

상기 탈질 반응조(41)의 외부로부터 고액 분리조(42) 내의 여과막(45)의 좌측과 아래까지 공기공급 배관(52)을 연장 설치하여 송풍기(51)로 공기를 여과막(45)에 공급할 수 있게 되어 있는데, 상기 공기공급 배관(52)에 복수의 산기관(53)을 형성하여 이를 통해 분출되는 공기가 여과막(45)에 부착된 부유성 고형물과 콜로이드성 물질을 털어 낼 수 있게 되어 있다.

또한, 여과막(45)에 의해 여과된 부유성 고형물과 콜로이드성 물질은 산기관(53)에 의해 분출되는 공기에 의해 여과막(45)에서 떨어져 고액 분리조(42)의 경사진 하면의 아래쪽에 쌓이면서 농축되어 슬러지를 형성하는데, 이 아래쪽 좁은 부분에 슬러지 배출배관(56)을 추가로 연결하여 슬러지를 외부로 배출할 수 있게 되어 있다.

상기 고액 분리조(42)는 탈질 반응조(41)에서 탈질 처리되어 나오는 탈질처리수 내에 함유되어 있는 SS를 제거하여 탁도를 향상시키는 역할만을 수행하여 그 부피는 탈질 반응조(41) 전체 부피의 5% 내지 20%가 되도록 최소로 형성하고, 나머지 부분을 황 담체(44)가 적층, 충진된 탈질 반응조(41)로 사용한다.

도 2에서 보는 바와 같이 상기 탈질 반응조(41)의 상부와 유입펌프(46)의 입구는 내부순환 배관(54)으로 연결되어 있고 상기 유입펌프(46)의 출구와 탈질 반응 조(41)의 원뿔부는 유입수 배관(47)으로 연결되어 있다.

유입펌프(46)를 작동시키면 오·폐수가 유입펌프(46)를 통해 유입수 배관(47)으로 유입되고 이는 다시 탈질 반응조(41)의 원뿔부를 거쳐 스틸망(60)의 구멍을 거쳐 스틸망(60)의 위에 적층되어 있는 황 담체(44)와 접촉하여 종래기술과 관련하여 설명한 바와 같은 반응을 거쳐 탈질 처리되는 것이다.

이 때 탈질 처리된 처리수의 일부는 고액 분리조(42)로 오버 플로우(over flow)되어 흘러 들어가서 탈질 반응조(41)를 통과한 처리수의 부유성 고형물과 콜로이드성 물질을 여과막(45)을 통해 여과하고 여과된 처리수를 외부로 배출하며, 나머지 탈질 처리된 처리수는 탈질 반응조(41)의 상부로부터 자중에 의해 내부순환 배관(54)을 타고 아래로 흘러 유입펌프(46)에 들어가서 유입수 배관(47)을 따라 흐른다. 유입수 배관(47)을 따라 흐르면서 1차 탈질 처리된 처리수는 탈질 반응조(41)의 원뿔부 안과 스틸망(60)의 구멍을 경유하여 스틸망(60)의 위에 적층되어 있는 황 담체(44)와 다시 한번 더 접촉하여 탈질 처리 효율을 배가한다.

한편 위에서 설명한 내부순환 배관(54)과 유입수 배관(47)은 각각 밸브(48, 59)를 구비하고 있어 필요시 이들 배관을 따라 흐르는 유량을 조절하거나 개폐할 수 있다.

상기 탈질 반응조(41)의 원뿔부에는 슬러지 배출 배관(58)이 연결되어 있는데, 이 슬러지 배출 배관(58)을 통해 상기 원뿔부 하부에 쌓이는 이물질을 외부로 배출할 수 있게 되어 있다. 상기 슬러지 배출 배관(58)에도 밸브(59)가 설치되어 있는데, 탈질 반응조(41) 안으로 오·폐수를 유입하는 동안에는 밸브(59)를 닫았다 가 장기간의 탈질 처리로 인해 탈질 반응조(41)의 원뿔부 하부에 이물질이 쌓이면 유입수 배관(48)의 밸브를 닫아 탈질 처리를 중단하고 슬러지 배출 배관(58)의 밸브(59)를 열어 쌓인 이물질을 배출하는 것이다.

이하, 이러한 본 발명의 황을 함유하는 담체와 여과막 일체형 오·폐수 중 질소제거장치의 실시에 대해 다음의 실시예에 의하여 상세히 설명한다.

<실시예>

반도체 제조공장에서 발생하는 오·폐수를 대상으로 본 발명의 장치 및 방법을 적용하여 그 처리효율을 평가하였다. 탈질반응조(41)에 충진되는 황 담체(44)에 부착되어 독립영양탈질 반응을 일으키는 탈질 미생물로는 티오바실러스 데니트리피칸스(Thiobacillus denitrificans)를 사용하였고, 황 담체(44)로는 황과 탄산칼슘의 혼합체(S^o+CaCo₃)를 사용하였다. 유입수의 수질은 pH 6.83~7.03, T-N(총질소 : Total Nitrogen) 312~358ppm, SS(부유성고형물 : Suspended Solid) 18~26ppm을 보였으며, 그 중 T-N의 형태는 대부분 질산성질소(NO₃ ^--N)로 구성되어 있다. 이러한 특성을 가지는 처리대상 오·폐수를 약 2일간 유입시켜 적응시킨 후 체류시간을 24시간으로 하여 약 15일간 운전하였다.

<실시예 1> pH의 변화

반응 중 pH 변화를 살펴보면 아래 표 1과 도 4에 나타낸 바와 같이 유입수의 pH는 6.83~7.03였으나, 본 발명의 황산화 탈질조를 거친 후의 처리수는 7.69~8.06으로 상승하는 결과를 보여주었다. 통상적으로 황탈질 반응의 경우, 시간경과에 따라 pH가 저하되어 황탈질 성능이 저하되거나 더 이상 탈질이 이루어지지 않는다는 점이 큰 단점으로 알려져 있다. 그러나 본 발명의 SOD(Sulfur Oxidation Denitrification) 공법에서는 이런 문제점이 없을 뿐만 아니라 오히려 pH가 상승하였다. 이는 충진 담체인 황을 이용한 독립영양 탈질 반응을 일으키는 탈질 미생물이 부착되고 황이 포함된 담체의 특성상 용출되는 SO₄ ^2-이온, Ca²⁺이온, 그리고 CO₃ ^-이온의 양이 균형을 이루고 있기 때문이라고 사료된다.

<실시예 2> 탈질효율 평가

내부순환 유량변화에 따른 탈질효율을 비교하였다. 다음의 표 2와 도 5 및 도 6에서 보는 바와 같이 실험은 내부순환이 없는 비교군 반응기 1기와 내부순환을 각 2Q, 3Q로 설정한 반응기 각 1기 등 총 3기의 반응기를 운전하여 그 결과를 비교하였으며, 내부순환을 제외한 다른 운전조건은 동일하게 설정하였다. 실험결과 내부순환을 실시한 경우의 탈질효율이 내부순환을 실시하지 않은 반응기에 비해 5~10% 정도 우수하여 20~30ppm 정도 낮은 질소농도를 보여주었다. 또한 내부순환 유량을 증가시켰을 경우 그 처리효율이 상승하는 결과를 확인할 수 있었다.

<실시예 3> 내부순환 및 체류시간에 따른 탈질효율 비교

내부순환 실시여부 및 체류시간에 따른 탈질효율을 비교하기 위한 실험을 실시하고 그 결과를 아래 표 3 및 도 7에 나타내었다. 내부순환을 2Q 시킨 반응기와 내부순환이 없는 반응기의 처리수를 비교한 결과 체류시간 24시간에서 처리수질은 18ppm의 질소농도 차이를 보였으며, 처리효율은 약 7% 정도 차이를 보여 내부순환을 실시할 경우 그 처리효율이 향상되는 것을 알 수 있다.

또한 내부순환 2Q를 실시한 반응기의 탈질효율이 체류시간 20시간에서 내부순환이 없는 반응기의 체류시간 24시간에서의 탈질효율 보다 높게 측정되어 내부순 환을 실시할 경우 같은 처리효율을 나타내기 위해 필요한 반응기의 용량을 작게 구성할 수 있는 장점을 가지고 있다 할 수 있다.

<실시예 4> SS 제거효율 비교

여과막의 적용효율을 파악하기 위해 황산화 탈질조 처리수와 여과막 처리수의 SS를 분석하였다. 그 결과 표 4 및 도 8에서 보는 바와 같이 황산화 탈질조에서의 SS 제거효율은 27~60%였으나 여과막을 거친 후에는 SS 농도가 1 ppm 정도까지 제거되어 아주 깨끗한 처리수를 얻을 수 있었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

이상에서 상술한 구성에 따르면 본 발명의 오·폐수 중 질소제거장치는 탈질 반응조 내부에 고액 분리조를 설치하여 일체형으로 형성하되 고액 분리조의 부피를 탈질 반응조 전체 부피의 5% 내지 20%가 되게 함으로써 탈질 반응조의 부피만 동일하면 종래 장치와 동일한 탈질 처리 효율을 확보할 수 있으므로 전체 장치를 일정 부피 이내로 줄여 소형화 할 수 있는 것이다.

그리고, 본 발명은 상기 내부순환배관과 유입수 배관을 통해 탈질 처리된 유입수를 재순환시켜 다시 한번 탈질 처리에 사용함으로써 종래 장치에 비해 탈질 속도를 향상시키고 탈질처리 효율을 배가시키며, 이에 따라 탈질반응조의 부피를 작게 할 수 있다.

아울러, 본 발명은 탈질 반응조 하부를 원뿔형으로 형성함으로써 유입수가 탈질 반응조 전체로 고르게 확산되어 유입되도록 하여 탈질 반응조 내부에 충진된 황 담체와 고르게 접촉하여 반응하게 함으로써 탈질 처리 효율 향상에 기여함과 동시에 원뿔부를 통해 하부에 쌓이는 이물질을 외부로 배출할 수 있는 것이다.

또한, 본 발명은 고액 분리조 하면을 경사지게 형성하고 경사진 부분에 슬러지 배출배관을 추가로 연결하여 여과막에 의해 여과된 부유성 고형물과 콜로이드성 물질이 농축되어 형성된 슬러지를 외부로 배출할 수 있게 함으로써 장치의 작동을 중지하지 않고도 슬러지를 외부로 배출하는 효과를 가진다

Claims (10)

1. 스틸망(60)을 설치하고 이 스틸망(60)의 위에 황 담체(44)를 적층하여 충진하고 황을 이용한 독립영양 탈질 반응을 일으키는 탈질 미생물을 미생물 순양을 통해 상기 황 담체(44)에 부착하고, 오·폐수의 유입수가 위로 고르게 확산되어 상기 스틸망(60)을 통해 유입되어 탈질 처리되도록 하부를 원뿔형으로 형성하고 그 원뿔부에 유입구를 형성하며, 질소를 함유하는 오·폐수의 유입수가 황 담체(44)와 접촉하여 탈질 처리되면서 발생하는 질소 가스를 배출하는 가스 배출구(43)를 상면에 복수개 설치한 탈질 반응조(41);

   상기 탈질 반응조(41) 내부의 상부 일측에 위치하고, 처리수 흡입펌프(50)를 이용하여 상기 탈질 반응조(41)를 통과한 처리수의 부유성 고형물과 콜로이드성 물질을 여과하고 여과된 처리수를 외부로 배출하여 BOD와 COD 및 탁도를 향상시키는 여과막(45)을 포함하는 고액 분리조(42);

   상기 탈질 반응조(41)의 상부와 유입펌프(46)를 연결하는 내부순환 배관(54); 및,

   상기 유입펌프(46)의 출구와 탈질 반응조(41)의 원뿔부를 연결하는 유입수 배관(47)을 포함하며,

   상기 고액 분리조(42)의 부피를 탈질 반응조(41) 전체 부피의 5% 내지 20%로 형성하고, 상기 내부순환배관(54)과 상기 유입수 배관(47)을 통해 탈질 처리된 유입수를 재순환 시킴으로써 탈질처리 효율을 향상시킨 것을 특징으로 하는 오·폐수 중 질소제거장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 고액 분리조(42)는 그 하면을 경사지게 형성하고 경사진 부분에 슬러지 배출배관(56)을 추가로 연결하여 상기 여과막(45)에 의해 여과된 부유성 고형물과 콜로이드성 물질이 농축되어 형성된 슬러지를 외부로 배출할 수 있는 것을 특징으로 하는 오·폐수 중 질소제거장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 탈질 반응조(41)의 원뿔형 하부의 원뿔 각도는 10° 내지 30°인 것을 특징으로 하는 오·폐수 중 질소제거장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 탈질 반응조(41)의 원뿔부에 슬러지 배출 배관(58)을 추가로 연결하여 원뿔부 하부에 쌓이는 이물질을 외부로 배출할 수 있는 것을 특징으로 하는 오·폐수 중 질소제거장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 탈질 미생물은 티오바실러스

   데니트리피칸스(Thiobacillus denitrificans), 티오바실러스

   티오옥시던스(Thiobacillus thiooxidans), 슈도모나스(Pseudomonas), 또는 아그로박테리윰(Agrobacterium)인 것을 특징으로 하는 오·폐수 중 질소제거장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 황 담체(44)는 황과 탄산칼슘의 혼합체(So+CaCO₃)인 것을 특징으로 하는 오·폐수 중 질소제거장치.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 탈질 반응조(41)의 외부로부터 여과막(45) 부근까지 연장 설치되고 복수의 산기관(53)이 일측에 형성되어 이 산기관(53)으로부터 공기가 공급됨으로써 상기 고액 분리조(42) 내에 설치된 여과막(45)의 작동 시 여과막(45)에 부착되는 부유성 고형물과 콜로이드성 물질을 제거할 수 있는 공기공급 배관(52)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 오·폐수 중 질소제거장치.
8. 유입수 배관(47)을 통해 질소를 함유하는 오·폐수의 유입수를 탈질 반응조(41) 하부의 원뿔부와, 내부에 황 담체(44)를 적층하여 충진하고 황을 이용한 독립영양 탈질 반응을 일으키는 탈질 미생물을 미생물 순양을 통해 상기 황 담체(44)에 부착한 탈질 반응조(41)에 유입시키는 단계;

   상기 유입된 질소를 함유하는 오·폐수의 유입수가 탈질 반응조(41) 내의 상기 황 담체(44)와 접촉하여 탈질 처리되는 단계;

   상기 유입수 배관(47)과 연통하는 내부순환배관(54)을 통해 상기 탈질 처리된 유입수를 탈질 반응조(41) 안으로 다시 유입시켜 재순환시키는 단계;

   탈질 처리함에 따라 발생되는 질소 가스가 탈질 반응조(41)에 설치된 가스 배출구(43)를 통해 배출되는 단계;

   탈질 처리된 상기 처리수가 탈질 반응조(41) 부피의 5% 내지 20%의 부피를 가지는 고액 분리조(42)로 유입되어 부유성 고형물(SS; Suspended Solids)과 콜로이드성 물질이 고액 분리조(42) 내에 설치된 여과막(45)에 의해 여과되는 단계; 및,

   상기 여과막(45)의 처리수 배관(49)을 통해 여과된 상기 처리수가 외부로 배출되는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 오·폐수 중 질소제거장치를 이용한 질소제거방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 탈질 반응조(41)의 외부로부터 고액 분리조(42)의 여과막(45) 부근까지 연장되며 복수의 산기관(53)이 일측에 형성되는 공기공급배관(52)을 설치하는 단계와;

   상기 공기공급 배관(52)의 산기관(53)에 의하여 상기 탈질 반응조(41)의 외부로부터 고액 분리조(42) 안으로 공기를 공급하여 여과 작용으로 여과막(45)에 부착되는 부유성 고형물과 콜로이드성 물질을 제거하는 단계와;

   상기 제거된 부유성 고형물과 콜로이드성 물질이 농축되어 형성된 슬러지를 외부로 배출하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 오·폐수 중 질소제거장치를 이용한 질소제거방법.
10. 제8항에 있어서, 상기 탈질 반응조(41)의 원뿔부에 슬러지 배출 배관(58)을 연결하여 원뿔부 하부에 쌓이는 이물질을 외부로 배출하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 오·폐수 중 질소제거장치를 이용한 질소제거방법.

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