KR100839891B1

KR100839891B1 - 질산성 질소가 포함된 강변 여과수의 처리장치

Info

Publication number: KR100839891B1
Application number: KR1020070066544A
Authority: KR
Inventors: 엄태경
Original assignee: (주)범한엔지니어링 종합건축사 사무소
Priority date: 2007-07-03
Filing date: 2007-07-03
Publication date: 2008-06-26

Abstract

본 발명은 강변 여과수 정수장의 정수처리에 관한 기술이다.

본 발명의 목적은 질산성 질소가 포함된 강변 여과수에서 질소와 철, 망간 등을 효과적으로 제거하고, 배출수 상등수를 강변에 함양시켜 물 이용효율을 높인 강변 여과수의 처리장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 강변 여과수의 방사형 집수정에 설치한 취수 펌프에서 이송된 강변 여과수를, 무기포 용해장치로 수소가스 포화수로 만들어 탈질여과조로 이송하여, 탈질 미생물을 이용하여 강변 여과수 중의 질산성 질소를 제거 한 다음, 포기반응 조로 이송하여 포기 반응조의 상부에서, 원수가 분사되어 자유낙하하면서 공기와 접촉하며, 강변여과수중에 충분한 산소를 공급함과 동시에 철을 산화 시키며, 다음 단계의 생물 여과지에서는 미생물의 생물학적 작용과 물리적 체 거름 작용으로 산화된 철과 망간을 제거하고, 다음 단계의 오존 반응조에서 강변 여과수 중의 이 취미 원인 물질 및 난 분해성 물질을 분해하고, 생물 활성탄 여과지에서 잔존 유기물 등 유해물질을 흡착 및 분해하여 제거한 다음, 염소 소독을 하여 수돗물을 생산하고, 상기 여과지의 역세척 수는 배출수 처리조에서 처리하여, 슬러지는 탈수하여 처분하고, 상등수는 강변에 함양지를 설치하여 지하로 침투하게 하였다.

본 발명의 질산성 질소를 포함한 강변 여과수의 처리 장치는 수소가스를 이용한 탈질로 수질에 영향을 주지 않고 질산성 질소를 제거하고, 원수중의 철 망간 등이 제거되어서, 위생적으로 매우 안전하고, 질산성 질소를 포함한 강변 여과수를 수돗물로 이용할 수 있어 강변 여과수 취수원 확보가 용이하고, 배출수의 상등수는 강변의 지하로 환원하여 재이용함으로 수자원 보전 효과가 있다.

Description

질산성 질소가 포함된 강변 여과수의 처리장치{ Apparatus for treatment bank filtered water including nitrate nitrogen.}

도 1 은 본 발명의 공정관계를 나타낸 구성도.

도 2 는 수평 방사형 취수정의 단면도.

도 3 은 수소가스 용해장치 구성도.

도 4 는 탈질 여과지의 구성도.

도 5 는 포기 반응조의 단면도.

도 6 은 생물 여과지의 단면도.

도 7은 인공 함양지의 단면도.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

1. 수평 방사형 취수정 1-1. 수평 집수관 1-2. 벨브

2. 취수펌프

3. 수소가스 용해탱크 3-1. 가스 압축기 3-2. 전송 수위제어기

3-3. 순환펌프 3-4. 라인믹서 3-5. 안전밸브

3-6. 분사 판 3-7. 압력계 3-8. 조절밸브

3-9. 압력조절 밸브

4. 탈질 여과지 4-1. 입상여과재 4-2. ORP측정기

4-3. 여과 블록 4-4. 공기 물 세척용 스트레이너

4-5. 공기층 격벽 4-6. 여과 트러프

5. 세척수조

6. 포기 반응조 6-1. 원수 유입관 6-2. 분배관

6-3. 분산노즐 6-4. 산화실 6-5.배기구

6-6. 원수 유출관 6-7. 이송펌프

7. 생물 여과지 7-1. 입상여과재 7-2. 여과 트러프

7-3. 물-공기 병용 세척스트레이너

8. 오존 반응조

9. 생물 활성탄 여과지

10. 소독조

11. 정수지

12. 전기분해장치

13. 산소가스 공급관

14. 탈질 여과지 세척수

15. 생물 여과지 세척수

16. 생물 활성탄 여과지 세척수

17. 배출수 처리조

18. 인공 함양지 18-1. 모래 자갈층 18-2. 사면부

18-3. 배출수 상등수 유입관

19. 슬러지 저류조

20. 탈수장치

본 발명은 강변 여과수 정수장의 정수처리 기술에 관한 것으로 특히 질산성 질소가 포함된 강변 여과수의 정수처리 기술에 관한 것이다.

종래의 수돗물은 주로 강이나 하천, 호소, 댐 등의 물을 원수로 하여 정수장에서 물리 화학적 처리를 하여 수돗물로 사용하였다.

그러나 환경오염이 진행됨에 따라 원수의 수질도 악화되는 경향에 있어서, 고도처리 등 많은 투자를 하고 있지만 아직도 국민들이 수돗물에 대하여 신뢰가 낮은 것이 작금의 현실이다.

그리고 산업발전과 생활수준의 향상으로 수돗물 소비량이 늘어서, 일부 지방 도시에서는 상수원수의 확보가 용이한 대형 저수지나 하천이 없어서 상수원수를 확보하기 어려운 곳도 있고, 더 좋은 원수를 사용한 수돗물에 대한 수요도 계속되고 있어 강변 여과수 정수장이 증가하는 추세에 있다.

강변 여과수는 지표수에 비하여 수온이 일정하고, 미생물 작용으로 질산화가 일어나서 암모니아성 질소가 적으며, 수질의 변동이 적으며, 강물 오염 시에도 미생물 분해, 흡착등으로 인해 상당량 정화가 이루어져서 원수의 수질이 양호하다.

반면에 원수 중에 일반적으로 철이나 망간이 다량 포함되어 있고, 지역에 따 라서는 질산성 질소의 농도도 높은 경우가 있다.

철이나 망간의 제거는 통상적으로 염소에 의한 산화나 이산화망간에 의한 산화가 효과도 좋고 반응속도도 빠르나 염소에 의한 산화는 발암물질인 트리할로메탄이나 그 전구물질을 생성할 가능성이 있고, 이산화망간에 의한 산화는 처리 비용이 상승하고 인공적 화학약품을 사용한다는 점에서 심리적 저항이 있을 수 있고, 상수도 원수와 같이 질산성 질소는 다량 포함되어 있으나 탈질에 필요한 유기물이나 다른 전자공여체가 전혀 없는 경우는 메탄올 주입과 함께 미생물을 이용하여 질소를 제거하거나, 황 탈질, 이온 교환 탈질법을 써서 제거하기도 하는데 전자는 고가의 메탄올이라는 유기물을 다량 주입하여야 하므로 처리비용이 비싸고 과다 투입 시 메탄올이 후속 공정에 남는 문제가 있고, 황 탈질의 경우는 처리수중에 다량의 황산기(SO₄ ^2- )가 잔류하게 되어 수돗물처리에는 부적합하며, 이온 교환 탈질법은 설비비의 고가, 이온 교환수지 재생 액의 처리문제와 운전비용이 과다한 경제적인 문제가 있어 실제 적용이 어려운 문제가 있다.

질산성 질소가 다량 포함된 강변 여과수에 수소를 공급하는 방법으로는 산소 포기에 널리 쓰이는 미세 기포 산기관을 사용하여 수소가스를 물에 용해시키는 방법이 있으나, 이렇게 하면 공급한 수소가스의 대부분이 공기 중으로 방출되어 비경제적이고, 폭발성이 있는 수소가스가 대기 중으로 방출되면 폭발사고의 위험이 있어, 운전 및 유지관리가 어려운 문제가 있었다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 강변 여과수 취수 효율이 좋고, 무기포 용해로 수소가스 이용률이 높고, 원수중의 질산성 질소를 수질에 영향이 없이 효과적으로 제거하며, 포기 효율을 높인 포기 반응조와 후속 공정으로 철과 망간 등을 제거하여 안전하고 깨끗한 수돗물을 생산하고, 배출수를 강변에 함양하여 수자원 보전을 할 수 있는 질산성 질소가 포함된 강변 여과수의 처리장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여,

방사형 취수정(1)의 하부에, 상층에 4∼ 6개, 하층에 4∼6개의 수평 집수관(1-1)을 등각도의 방사형으로 설치하고, 방사형 취수정(1)의 중앙 하부에 취수 펌프(2)를 설치하여, 원수를 수소가스 용해탱크(3)으로 압송하고;

순환펌프(3-3)의 토출 측 배관 중간에 라인믹서(3-4)를 설치하고 가스 압축기(3-1)에서 압축된 수소가스를 조절밸브(3-8)을 통하여 라인믹서(3-4)에 공급하고, 전송 수위제어기(3-2)의 신호가 HWL(고수위)일 때는 조절밸브(3-8)을 자동적으로 열고, LWL(저수위) 일 때는 조절 밸브(3-8)을 자동적으로 닫게 하여, 원수를 수소가스 포화액으로 만들고, 압력조절밸브(3-9)로 운전압력을 조절하고;

상기 수소가스 용해탱크(3)을 통과한 원수는 탈질 여과지(4)로 이송하고, 탈질 여과지(4)는 상향류 형식으로서, 하부에 여과블록(4-3)을 설치하고, 그 위에 입경 0.5∼2.0mm의 입상여과재(4-1)을 1,000∼2,000mm두께로 포설하고, 상기 여과블록(4-3)에는 공기 물 세척용 스트레이너(4-4)를 삽입 설치하고, 여과블록(4-3)의 하부에는 공기층 격벽(4-5)을 설치하고, 상부 수중에는 ORP측정기(4-2)를 설치하고, 혐기성으로 유지하며, 입상여과재(4-1)에 탈질균을 부착 증식하고, 탈질균은 원수중의 수소가스를 이용하여 탈질을 하고;

상기 탈질 여과지(4)를 통과하는 원수의 여과 속도는 100∼120m/일로 하고;

탈질 여과지(4)를 통과한 원수는, 이송펌프(6-5)에 의하여 포기 반응조(6)의 하부 수면에서 6∼8m높이까지 연장하여 설치한 원수 유입관(6-1)을 따라 이동하고, 원수 유입관의 끝에 수평으로 방사상 또는 격자형으로 설치한 분배관(6-2)에 하향으로 설치한 분산노즐(6-3)을 통하여 넓게 확산되어 물방울 모양으로 분산되어 산화실(6-5)내를 낙하하면서, 공기와 접촉하고 동시에 하부 수면에 충돌하면서 기포를 발생하여 원수 중에 산소가스를 공급함으로써, 철의 산화 반응을 일으키고, 동시에 원수의 용존 산소농도를 5.0mg/L이상으로 높이며, 포기 반응조(6)의 체류시간은 20∼30분으로 하고;

전기분해장치(12)에서 발생한 수소가스는 가스압축기(3-1)을 통하여 상기 라인믹서(3-4)에 공급하고, 전기분해장치(12)에서 발생한 산소 가스는 산소가스 공급관(13)을 통하여 상기 포기 반응조(6)의 산화실(6-4)의 하부에 공급하고;

포기 반응조(6)에서 산화 반응 및 포기가 완료된 원수는 여재 입경 1.0∼3.0mm에, 여과층 두께1,500∼ 2,000 mm, 여과속도 120∼150m/일, 공기- 물 병용 세척식의 생물 여과지(7)에서 여과 작용 및 미생물의 산화작용으로 철과 망간 및 부유물이 제거되고;

생물 여과지(7)을 통과한 원수는 오존 반응조(8)에서 오존과 접촉하여 각종 난분해성 물질 및 냄새, 맛의 원인 물질이 분해되고;

오존 반응조(8)을 통과한 원수는 여재 입경 1.0∼2.0mm에, 여과층 두께 2,000∼2,500 mm, 여과속도 120∼150m/일, 공기-물 병용 세척식의 생물 활성탄 여과지(9)에서 이물질이 분해 및 흡착되어 제거되고;

생물 활성탄 여과지(9)를 통과한 원수는 소독조(10)에서 염소소독을 하고;

탈질 여과지(4), 생물 여과지(7), 생물 활성탄 여과지(9)에서 발생한 세척수는 배출수 처리조(17)에서 상등수와 슬러지로 분리되어 슬러지는 탈수장치(20)에서 탈수 후 반출 처분하고; 및

배출수 상등수는 인공 함양지(18)로 이송되어 강변의 지하로 침투하게 한 것을 특징으로 하는 질산성 질소가 포함된 강변 여과수 처리 장치를 제공한다.

본 발명에 대하여 그 구성 및 작용을 [도면]에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

강변에 설치한 방사형 취수정(1)의 내부 하부에 지표면으로부터 30∼50m의 깊이에 상, 하 2단으로 각각 4∼6개의 수평 취수관(1-1)을 방사형으로 설치하고 수평 취수관(1-1)의 안쪽 끝에는 밸브(1-2)를 설치하고, 방사형 취수정(1)의 중앙 우물에 취수펌프(2)를 설치하였다.

취수 펌프(2)의 토출측은 연결배관을 통하여 수소가스 용해탱크(3)의 원수 유입구에 연결하고, 순환펌프(3-3)의 토출측 연결배관의 중간에는 라인믹서(3-4)를 설치하고, 라인믹서(3-4)의 입구 쪽에는 가스 압축기(3-1)과 연결하였다.

수소가스 용해탱크(3)의 상부 중앙에 설치한 원수 유입구의 아래쪽에는 300 ∼500mm 거리에 분사 판(3-6)을 설치하고, 수소가스 용해탱크(3)의 측면에는 고수위와 저수위를 측정하여 신호를 낼 수 있는 밀봉식의 수위제어기(3-2)를 설치하고, 조절밸브(3-8)과 연동하게 하여 고수위 때는 조절 밸브가 닫히게 하고, 저수위 일 때는 조절밸브(3-8)이 열리게 하였다.

탈질 여과지(4)는 하부에 여과블록(4-3)을 설치하고, 여과 블록에 공기 물 세척용 스트레이너(4-4)를 삽입하여 설치하고, 그 위에 입상 여과재(4-1)을 1,000∼1,500mm 두께로 포설하고, 탈질 여과지(4)의 상부에는 여과 트러프(4-6) 및 여과수 유출구, 세척수 유출구를 설치하고, 하부에는 원수 유입구, 세척공기 유입구, 세척수 유입구, 공기층 격벽(4-5)를 설치하였다.

세척수조(5)는 탈질 여과지(4), 생물 여과지(7), 생물 활성탄 여과지(9)를 세척하기 위한 세척수를 저장하는 곳이다.

탈질 여과지(4)의 유출수는 이송펌프(6-7)로 압송하여 포기 반응조(6)의 원수유입관(6-1)에 연결하고, 포기 반응조(6)의 산화실(6-4)의 하부는 산소가스 공급관(13)의 토출측 배관에 연결하였다.

원수 유출관(6-6)은 생물 여과지(7)의 입구에 연결하고, 생물 여과지(7)의 출구는 오존 반응조(8)의 입구에 연결하였고, 오존 반응조(8)의 출구는 생물 활성탄 여과지(9)의 입구에 연결하고, 생물 활성탄 여과지(9)의 출구는 소독조(10)에 연결하고, 소독지(10)의 출구는 정수지(11)에 연결하고 정수지에서 급수하게 하였다.

상기 탈질 여과지 등에서 배수되는 탈질 여과지 세척수 (14), 생물 여과지 세척수(15), 생물 활성탄 여과지 세척수(16)은 배출수 처리조(17)로 유입되게 하였고, 배출수 처리조(17)의 상등수는 인공 함양지(18)로 이송되게 하고, 침전된 슬러지는 슬러지 저류조(19)로 이송한 다음 탈수장치(20)에서 탈수하게 하였다.

본 발명의 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

강변 여과수(원수)는 수평 집수관(1-1)을 통하여 방사형 취수정(1)로 모이고 취수펌프(2)로 압송하여 수소가스 용해탱크(3)으로 이송한다.

실험에 의하면, 단일 깊이 대수층을 가진 방사형 취수정(1)의 수평 집수관(1-1) 1개의 취수량이, 상하로 수평집수관(1-1)의 길이와 같은 깊이의 대수층을 가진 수직형 취수정 1개의 취수량 보다 1.5배 정도 더 많고, 여러 개를 집약하여 한곳에 설치할 수 있으므로 시공이 용이하고 경제적이다.

강변 여과수의 원수는 대부분 철과 망간을 포함하고 있고, 경우에 따라서는 질산성 질소를 포함하고 있기도 하며, 상대적으로 BOD나 COD는 낮은 값을 보이고 있으며, 철과 망간이 다량 포함되거나 질산성 질소가 다량 포함된 경우에는 철의 산화나 질산성 질소의 생성과정에서 원수중의 용존산소(DO)가 많이 소비되어, 원수의 DO는 혐기성에 가까운 낮은 값을 보이고 있다.

원수 중에 다량의 질산성 질소가 포함된 경우는 다른 취수정으로 대체 할 수 있는 경우는 가급적 원수로 사용하지 않는 것이 경제적이나 불가피한 경우는 질산성 질소를 제거해야 한다.

질산성 질소 제거를 위하여 취수펌프(2)로 취수한 원수를 수소가스 용해탱크(3)의 상부로부터 탱크 내로 공급하면, 원수는 분사 판(3-8)에 충돌하면서 넓게 분 사되어 수소가스와 접촉하면서, 신속하게 수소가스를 흡수한다.

수소가스 용해탱크(3)의 용해효율을 높이기 위하여 용해탱크 외부에 순환펌프(3-3)을 설치하고, 연결배관으로 수소가스 용해탱크(3)의 하부에서 상부 원수 유입부까지 연결하고, 전기분해 장치(12)에서 발생한 수소가스를 가스 압축기(3-1)에서 압축하여 순환펌프(3-3)의 토출측 연결배관에 설치한 라인믹서(3-4)의 입구에 공급하면, 수소가스와 원수는 라인믹서(3-4)내에서 혼합되면서 수소가스가 원수 중에 용해되고, 분사판(3-6)에 충돌하면서 또 수소가스가 원수 중에 용해되어 용해 효율이 높다.

또한 상기 수소가스 용해탱크(3)내의 압력은 압력조절밸브(3-8)의 개도를 조절하여 2.3 ∼ 2.6kg/㎠로 운전하고 체류시간은 2분으로 하면 수소가스가 원수 중에 포화 또는 약간 과포화 된다.

가스가 물에 용해되는 과정은 다음 반응식(1)로 표시된다.

반응식1

Wh = 2 × ( f . P -1)

여기서 Wh : 물속에 용해된 수소가스 중량 . mg/L

2 : 20℃ 1기압에서의 수소가스 포화농도. mg/L

f : 압력 P에 있어서의 가스의 포화도. 교반이 있으면 최대 0.8

P : 게이지 운전압력 kg/㎠.G + 1.013

원수를 수소가스 포화액으로 만들려면 반응식1에서 좌변 Wh가 포화농도인 2.0mg/L이면 되므로, f. P -1= 1이 되면 된다.

f 는 교반을 할 경우 0.8이므로 P = 2/0.8 = 2.5이다.

그런데 P 는 운전압력 + 1.013 이므로 운전 압력은 2.5 - 1.013 = 1.49kg/㎠이고 수두로 환산하면 14.9m로서 약 15m이다.

참고로 예를 들면 1일 10,000 ㎥의 원수를 수두 15m로 가압하는데 필요한 동력은 26kw이다.

포화도 f는 수소가스 용해탱크의 형식이나 교반형식 등의 운전조건에 따라 달라지므로 , 이에 따라 최적 운전압력도 변화하므로 최적의 운전압력은 운전조건에 따라 알맞게 조절하면 된다.

상기와 같은 압력탱크에서의 수소가스 포화용해는 외부로의 수소가스 누출이나 탈질여과지(4)에서의 기포 발생이 없어서, 수소가스 방출에 의한 폭발의 위험이 없어서 안전하고 발생된 수소가스를 낭비 없이 전량 사용함으로써 매우 효율적이고 경제적이다.

상기와 같이 수소가스로 포화된 원수는 탈질 여과지(4)로 이송하여 탈질 여과지(4)의 입상 여과재(4-1)을 통과시키면서 입상 여과재에 부착하여 서식하고 있는 탈질균의 생물학적 작용으로 질산성 질소를 제거 한다.

질산성 질소를 제거하는 미생물(세균)은 두 가지가 있는데 하나는 종속 영양 탈질균이고 다른 하나는 독립영양 탈질균이다.

종속 영양 탈질균은 혐기성 상태에서, 수중의 유기물을 이용하여 탈질을 하는 세균이고, 독립영양 탈질균은 전자공여체로 황(S)이나 수소(H₂)와 같은 무기원소 를 이용하여 탈질을 하는 세균이다.

원수에는 유기물이 거의 없기 때문에, 종속영양 탈질균을 이용하려면 메탄올 등의 유기물을 질산성 질소량의 3배 이상을 인위적으로 공급하여야 하기 때문에 비용이 많이 들고, 수질에도 영향을 줄 수 있어서 독립 영양 탈질균을 이용하는 것은 바람직하지 않다.

독립영양 탈질균을 이용하는 경우에도 강변 여과수의 원수 중에는 탈질에 필요한 전자 공여체가 없어서, 그대로는 탈질이 불가능하다.

독립영양 탈질균의 전자 공여체로 황을 이용하는 황 탈질은 황을 입상 여과재 모양으로 포설한 여과층을 원수가 통과하는 것만으로 질산성 질소가 제거되므로, 운전이 비교적 용이하지만 처리수중에 황산기(SO₃)가 잔류하고, pH가 저하하므로 상수도 원수의 탈질 방법으로는 부적합하다.

황산기가 수돗물에 과다하면 설사를 일으키는 원인이 되고 맛을 낼 수도 있으므로 수돗물에서는 200mg/L이하로 제한하고 있다.

본 발명에서는 수질에 아무런 영향을 미치지 않는 수소가스(H₂)를 전자 공여체로 하는 탈질방법을 사용하였다.

수소가스의 공급방법은 일반적으로 천연가스(CH₄)를 분해하여 제조한, 상업용의 수소가스가 값이 더 싸지만 상업용의 수소가스를 사용하는 경우는 수소가스를 대형 저장탱크에 저장하여두고 사용하여야 하기 때문에, 폭발성이 강한 수소가스의 특성상 시설비가 고가이고 안전관리가 매우 어려운 문제가 있다.

본 발명에서는 전기 분해장치(11)로 물을 분해하여 수소가스와 산소가스를 발생하여 수소가스는 탈질 여과지(4)에서, 독립영양 탈질균의 전자 공여체로 사용하여 탈질을 하고, 산소 가스는 포기 반응조(6)에 산소를 공급하는데 이용하게 하였다.

전기분해장치에 의한 수소가스 발생방식은 발생되는 수소가스를 발생과 동시에 사용하므로 별도의 대형 고압저장시설이 없어서 시설이 간단하고 안전성이 높으며 유지관리가 용이하다.

독립 영양 탈질균은 자연계에 널리 분포하고 있으며, 증식 속도가 빨라서 일정기간 배양하면 입상여과재(4-1)에 부착하여, 탈질 작용으로 원수중의 질산성 질소를 질소가스로 분해하여 대기 중으로 발산시켜서 제거한다.

독립 영양 탈질균의 수소가스를 이용한 탈질의 반응은 다음의 반응식2와 같다.

반응식2

0.5H₂ + 0.1773NO₃ ^- + 0.0246CO₂ + 0.1773H⁺= 0.00493C₅H₇O₂N + 0.0862N₂ + 0.5714H₂O

위 반응식2에서 제거된 질산성 질소의 중량과 소비된 수소 가스의 중량 비는 0.4 g H₂ /g N임을 나타내고 있고, 슬러지 발생량은 제거된 질소 중량의 3.41%임을 나타내고 있으며 이 값은 메탄올을 이용한 독립영양 탈질시 발생하는 슬러지 량의 50%수준으로 그 양이 매우 적다.

강변 여과수 중에는 철이 주로 중탄산 제1철 형태로 존재하며, 휴믹산과 결합된 콜로이드상의 철로도 미량 존재한다.

중 탄산 제1철은 포기에 의하여 불용성의 수산화 제2철로 쉽게 산화되어 침전되며 그 반응은 반응식3과 같다.

반응식3

2 Fe(HCO₃)₂ + H₂O + 1/2 O₂ = 2Fe(OH)₃ + 4CO₂

철의 원자량은 55.85이고 산소의 원자량은 16이므로 반응식3에 의하면 철의 산화를 위해서 공급해야할 산소량은 철의 16/111.7 = 14.32%임을 알 수 있다.

망간은 중성의 물에서는 포기에 의하여 산화되지 않고, 중 탄산철 이외의 다른 형태를 하고 있는 용해성 철도, 포기에 의하여 산화되지 않으므로, 이러한 철과 망간은 철박테리아를 이용하여, 철박테리아가 수중의 철과 망간을 산화하여 불용성의 철, 망간 화합물로써 박테리아의 표면 또는 몸속에 침착하게 하여, 생물 여과지의 모래 여과층에서 철박테리아와 물을 분리하여 제거한다.

포기 반응조(6)에서 포기를 하는 이유는 반응식3에서와 같이 산화가 용이한 철을 산화시키고, 생물 여과지(7)에서 철박테리아가 잘 증식하도록, 원수중에 충분한 산소를 공급하는 것이다.

상기와 같이 질산성 질소와 철 망간을 제거하는데 필요한 수소와 산소량을 검토해 보기로 한다.

예를 들어 하루 10,000㎥/일의 강변 여과수를 이용하여 수돗물을 생산하는 정수장에서 메탄올을 이용한 탈질과 수소가스를 이용한 탈질의 경제성을 비교해 보면 다음과 같다.

원수중의 철 농도는 3.0mg/L, 망간 농도는 1.0mg/L, 질산성 질소 농도는 5.0mg/L이라고 하면, 원수중의 철과 망간 량은 각각 30 kg/일, 10kg/일이고, 질산성 질소량은 50kg/일이고, 질산성 질소를 제거하는데 필요한 수소가스 량은 반응식2에 의하여 질산성 질소량의 0.4배이므로 필요한 수소가스 량은 20kg/일이다.

수소가스는 원수에 포화되어 수소가스의 낭비가 없으므로, 공급해야할 수소가스 량은 20kg/일이다.

전기 분해에서 수소가스와 산소가스의 발생 비율은 수소가스 2분자에 산소가스 1분자이므로 중량비는 1:8이며, 수소가스20kg/일 발생시 산소가스발생량은 160kg/일이 된다.

포기 반응조에서의 철 산화 및 원수의 용존 산소 농도를 5.0mg/L이상 농도로 유지하기 위한 총 산소가스 량은 다음과 같다.

포기에 의한 철 산화에 필요한 산소량은 철 중량의 14.32%이므로, 철 중량 30kg/일에 대한 산소량은 4.3kg/일이고, 원수의 용존 산소 농도를 5.0mg/L로 올리는데 필요한 산소량은 50kg/일로서, 포기반응조에 공급하여야 할 총 필요 산소량은 54.3kg/일이다.

상기 필요 산소량은 포기 반응조의 상부로부터 원수를 산화실(6-4)에 분사하여 공기와 접촉시켜서, 원수에 필요한 산소를 공급한다.

전기분해장치(12)에서 발생한 산소가스가 산소가스 공급관(13)을 통하여 산 화실(6-4)에 공급되고 공급되는 산소량이 필요량 보다 많으므로 시간이 지나면, 산화실(6-4)내부는 산소가스로 충만하게 된다.

산소의 헨리 정수는 20℃에서 4.01×10⁴ 으로 공기의 헨리정수 6.64×10⁴보다 작으므로 공기 중에서 보다 원수에 산소가 잘 흡수되어 포기반응이 효과적으로 일어나고 포기 반응조 크기가 작아진다.

수소가스 발생에 필요한 전력은 일반적으로 수소가스 1kg당 60kwh정도이므로, 1일 20kg의 수소가스 발생에 필요한 전력 = 20kg × 60kwh /24 h = 50kw가 되고, 수소가스 용해에 필요한 전력은 앞에서 설명한 바와 같이 26kw이므로 수소가스 발생에 필요한 총 전력량은 (50+26)×24=1,824kwh이고 전력비용은 kwh당 50원을 적용하면 91,200원/일이다.

심야 전력을 이용하여 전기분해를 하여 수소가스를 저장하여 사용하는 경우를 검토해보면 심야전기 요금은 kwh 당 33원이므로 수소가스 발생에 필요한 전력비는 60 × 20 × 33= 39,600원/일이고 원수의 가압에 필요한 전력비는 26 × 24 × 50 = 31,200원/일로서 총 비용은 70,800원/일이 된다.

메탄올을 이용한 탈질의 경우는 메탄올 양은 질산성 질소의 3배이므로 필요한 메탄올 양은 50 × 3= 150kg/일이고 메탄올 1kg의 가격은 720원으로 보면 150×720=108,000원/일이다.

수소가스를 이용한 탈질이 일반 전력 사용시나 심야전기 사용시나 메탄올 사용 시 보다 비용이 저럼하며, 슬러지 발생량이 적고, 원수의 수질에 영향이 없는 것을 고려하면 수소가스를 이용한 탈질이 수돗물을 생산하기 위한 원수의 탈질 방법으로서 더욱 우수한 것이다.

질산성 질소, 철, 망간을 포함한 강변 여과수가 상향류 형식의 탈질 여과지(4)의 하부에서 유입되어 입상 여과재를 통과하면서 상부로 이동하고, 전기분해 장치(12)에서 적량의 수소가스를 수소가스 용해탱크(3)에서 원수와 혼합하여 포화된 상태로, 탈질 여과지의 하부에 있는 원수 유입 관으로 공급하면, 공기 물 세척용 스트레이너를 통하여 여과지의 하부로부터 균등하게 탈질 여과지(4)의 입상여과재(4-1)사이를 통과하면서, 탈질 여과지의 입상여과재(4-1)에 부착되어 있는 독립영양 탈질균이 수소가스를 전자공여체로 하여, 질산성 질소를 분해하여 질산성 질소는 반응식 2와 같이 질소 가스로 변환되어 대기 중으로 발산되면서 제거된다.

반응식2와 같이 독립영양탈질균이 탈질 작용을 하면 비록 슬러지 발생량은 매우 적지만 독립영양 탈질균이 증식해서, 입상여과재에 부착되고, 시간이 지남에 따라 그 양이 증가하여 여과층을 막히게 하므로, 주기적으로 세척을 하여, 과잉으로 증식한 독립영양 탈질균을 제거하여 배출수 처리조(17)로 이송하여 처리한다.

독립영양탈질균에 의한 탈질은 원리적으로 슬러지의 반송 없이 질산성 질소를 100%제거할 수 있으므로, 탈질여과지(4)를 통과하는 것만으로, 처리된 원수중의 질산성 질소농도는 무시할 수 있을 정도로 낮게 된다.

상기 탈질 여과지(4)에서 질산성 질소가 제거된 원수는 포기 반응조(6)로 유입되어, 포기반응조 상부에 설치한 분산노즐(6-3)에서 산화실(6-4)로 분사되어 작은 물방울모양으로 자유낙하하고, 상기 전기분해장치(12)에서 발생한 산소가스는 산소가스 공급관(13)을 통하여 산화실(6-4)에 공급하여, 산화시내의 산소가스 농도를 높여줌으로써, 산화실내에서 원수 중으로 산소흡수가 빠르게 일어나서 포기 반응이 효과적으로 이루어진다.

상기 원수는 포기 반응 조(6)에서 20∼30분간 체류하는데, 이곳의 원수는 용존 산소 농도가 5mg/L이상∼ 포화 농도사이에서 유지되고, 체류시간동안 원수중의 중 탄산철은 산화되어, 반응식3과 같이 불용성의 수산화 제2철이 된다.

상기 포기 반응조에서는 철분의 산화 외에도 유리탄산제거, 휘발성 유기 염소화합물, 황화수소 등 불쾌한 냄새물질등도 함께 제거된다.

상기 포기 반응조(6)에서 철분의 일부가 산화되고 냄새 물질 등이 제거되고 충분한 용존 산소 농도를 가진 원수는 생물 여과지(7)로 이송되어 생물 여과지의 위쪽으로부터 아래쪽을 향하여 흐르면서, 입상 여과재(7-1)에 부착, 증식하고 있는 철박테리아의 작용으로 일부 산화되지 않은 원수중의 철분과 망간은 산화되면서, 철박테리아의 생체 내에 흡착되는 작용과 입상 여과재(7-1)의 체 거름 작용으로 포기 반응조에서 산화된 수산화 제2철도 함께 입상 여과재의 여과층에 억제되어 원수로부터 제거된다.

상기 생물 여과지(7)에서는 철분과 망간이 제거됨과 동시에 여과층의 체거름 작용으로 원수 중에 있는 다른 부유물질도 함께 제거된다.

상기 생물 여과지(7)은 시간이 경과함에 따라 입상 여과재(7-1)의 여과층 내에 철박테리아가 계속 증식하여 여층을 막히게 하므로 주기적으로 공기-물 병용 세척으로 여과층에 과잉으로 부착된 철박테리아 및 산화철 입자 및 기타 부유물질을 제거하고, 세척수는 배출수 처리조(17)로 이송하여 처리한다.

상기 생물 여과지(7)를 통과한 원수는 오존 반응조(8)로 이송되어, 오존에 의하여 난분해성 유기물질들이 분해된 후, 다음의 생물 활성탄 여과지(9)로 이송되고, 생물 활성탄 여과지(9)에서는 원수중의 제거되지 않은 유해 물질들- 예를 들면 맛. 냄새 원인 물질, 합성세제, 페놀류, 트리 할로 메탄과 그 전구물질, 휘발성 유기화합물, 농약등의 미량 유해물질 등이 활성탄의 흡착작용과 활성탄에 부착하여 증식하는 미생물의 작용으로 제거된다.

오존 반응조(8)은 원수의 수질이 좋은 경우에는 생략할 수 있으며, 오존 반응조를 설치한 경우는 생물 활성탄 여과지(9)는 여재에 부착한 미생물의 분해 작용과 활성탄의 흡착 작용이 병행되는 생물 활성탄 여과지로 작용하며, 오존 반응조가 생략되면 주로 활성탄의 흡착작용을 이용하는 활성탄 흡착 여과지로 작용한다.

상기 생물 활성탄 여과지(9)를 통과한 원수는 소독조(10)에서 염소 소독후 정수지(11)으로 이송되어 저장되고, 가정으로 급수된다.

상기 생물 활성탄 여과지(9)는 시간이 경과함에 따라 활성탄 입자에 미생물이 계속 증식하여 과잉으로 되어 여과층을 막히게 함으로 주기적으로 공기-물 병용 세척을 행하여 과잉으로 부착된 미생물 및 기타 부유물질을 제거 하고, 세척수는 배출수 처리조(17)로 이송하여 처리한다.

상기 탈질 여과지(4), 생물 여과지(7), 생물 활성탄 여과지(9)에서 발생한 세척수는 배출수 처리조(17)에서 중력 침전하여, 슬러지는 슬러지 저류조(19)로 이송하고, 탈수장치(20)에서 탈수하여 처분한다.

배출수 처리조의 상등수는 인공 함양지(18)로 이송하여 지하로 침투하도록 한다.

인공 함양지(18)의 바닥에는 모래, 자갈층을 1∼2m두께로 포설하는데, 모래자갈층(18-1)은 인공함양지의 바닥면 보호와 처리수의 지하 침투를 돕는 작용을 한다.

만약에 강변 여과수 원수중의 용존 산소 농도가 높을 경우는 탈질 여과지(4)에서 용존 산소의 저해 작용으로 탈질 세균이 활발히 작용할 수 없으므로 이런 경우에는 라인 믹서(3-4)에 수소가스와 함께 메탄올을 적정량 주입함으로서, 정상적인 탈질을 할 수 있다.( 도시하지 않음)

본 발명은 도면에 의하여 상세한 설명을 함으로서 특정한 구조의 실시예에 대하여 설명이 치우친 면이 있으며, 당 업자라면 본 발명의 취치를 벗어나지 않고도, 예를 들면 여과재의 크기나 두께를 변경한다거나 하는 등 무한한 변형이나 변경이 가능할 것이므로 그러한 변형이나 변경 등은 모두 본 발명의 보호 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명은 강변 여과수 취수 효율이 좋고, 무기포 수소가스 용해로 전기 분해장치에서 발생한 가스를 효과적으로 이용하고, 수질에 영향을 주지 않고 원수중의 질산성 질소를 효과적으로 제거하고, 포기 효율을 높였으며, 생물 여과지와 생물 활성탄 여과지로 안전하고 깨끗한 수돗물을 생산하고, 배출수를 강변에 함양하여 수자원 보전을 할 수 있어, 경제적이고 안전한 수돗물을 생산하는 효과가 있다.

Claims

방사형 취수정(1)의 하부에, 상층에 4∼ 6개, 하층에 4∼6개의 수평 집수관(1-1)을 등각도의 방사형으로 설치하고, 방사형 취수정(1)의 중앙 하부에 취수 펌프(2)를 설치하여, 원수를 수소가스 용해탱크(3)으로 압송하고;

순환펌프(3-3)의 토출 측 배관 중간에 라인믹서(3-4)를 설치하고 가스압축기(3-1)에서 압축된 수소가스를 조절밸브(3-8)을 통하여 라인믹서(3-4)에 공급하고, 전송 수위제어기(3-2)의 신호가 HWL(고수위)일 때는 조절밸브(3-8)을 자동적으로 열고, LWL(저수위) 일 때는 조절 밸브(3-8)을 자동적으로 닫게 하여, 원수를 수소가스 포화액으로 만들고;

상기 수소가스 용해탱크(3)을 통과한 원수는 탈질 여과지(4)로 이송하고, 탈질 여과지(4)는 상향류 형식으로서, 하부에 여과블록(4-3)을 설치하고, 그 위에 입경 0.5∼2.0mm의 입상여과재(4-1)을 1,000∼2,000mm두께로 포설하고, 상기 여과블록(4-3)에는 공기 물 세척용 스트레이너(4-4)를 삽입 설치하고, 여과블록(4-3)의 하부에는 공기층 격벽(4-5)을 설치하고, 상부 수중에는 ORP측정기(4-2)를 설치하고, 혐기성으로 유지하며, 입상여과재(4-1)에 탈질균을 부착 증식하고, 탈질균은 원수중의 수소가스를 이용하여 탈질을 하고;

상기 탈질 여과지(4)를 통과하는 원수의 여과 속도는 100∼120m/일로 하고;

탈질 여과지(4)를 통과한 원수는, 이송펌프(6-7)에 의하여 포기 반응조(6)의 하부 수면에서 6∼8m높이까지 연장하여 설치한 원수 유입관(6-1)을 따라 이동하고, 원수 유입관의 끝에 수평으로 방사상 또는 격자형으로 설치한 분배관(6-2)에 하향으로 설치한 분산노즐(6-3)을 통하여 넓게 확산되어 물방울 모양으로 분산되어 산화실(6-4)내를 낙하하면서, 공기와 접촉하고 동시에 하부 수면에 충돌하면서 기포를 발생하여 원수 중에 산소가스를 공급함으로써, 철의 산화 반응을 일으키고, 동시에 원수의 용존 산소농도를 5.0mg/L이상으로 높이며, 포기 반응조(6)의 체류시간은 20∼30분으로 하고;

전기분해장치(12)에서 발생한 수소가스는 가스압축기(3-1)을 통하여 상기 라인믹서(3-4)에 공급하고, 전기분해장치(12)에서 발생한 산소 가스는 산소가스 공급관(13)을 통하여 상기 포기 반응조(6)의 산화실(6-4)의 하부에 공급하고;

포기 반응조(6)에서 산화 반응 및 포기가 완료된 원수는 여재 입경 1.0∼3.0mm에, 여과층 두께1,500∼ 2,000 mm, 여과속도 120∼150m/일, 공기- 물 병용 세척식의 생물 여과지(7)에서 여과 작용 및 미생물의 산화작용으로 철과 망간 및 부유물이 제거되고;

생물 여과지(7)을 통과한 원수는 오존 반응조(8)에서 오존과 접촉하여 각종 난분해성 물질 및 냄새, 맛의 원인 물질이 분해되고;

오존 반응조(8)을 통과한 원수는 여재 입경 1.0∼2.99mm에, 여과층 두께 2,000∼2,500 mm, 여과속도 120∼150m/일, 공기-물 병용 세척식의 생물 활성탄 여과지(9)에서 이물질이 분해 및 흡착되어 제거되고;

생물 활성탄 여과지(9)를 통과한 원수는 소독조(10)에서 염소소독을 하고;

탈질 여과지(4), 생물 여과지(7), 생물 활성탄 여과지(9)에서 발생한 세척수 는 배출수 처리조(17)에서 상등수와 슬러지로 분리되어 슬러지는 탈수장치(20)에서 탈수 후 반출 처분하고; 및

배출수 상등수는 인공 함양지(18)로 이송되어 강변의 지하로 침투하게 한 것을 특징으로 하는 질산성 질소가 포함된 강변 여과수 처리 장치