KR100913727B1 - 순산소에 의하여 용존산소농도를 조절하는 폐수처리 장치 및 이를 이용한 폐수처리 방법 - Google Patents

Abstract

포기조 내의 용존산소농도를 필요한 바에 따라 충분히 높게 하면서도 안정되게 유지할 수 있고, 소비전력량을 낮게 할 수 있는 폐수처리 장치와 방법.

본 발명의 폐수처리 장치에 있어서, 순환라인은 포기조에 담긴 폐수/슬러지 혼합물을 외부적으로 순환시키기 위하여 마련된다. 순환펌프는 순환라인 상에 설치되어 혼합물을 순환시키고, 산소원은 순환라인의 유체흐름 경로 상에 순산소를 공급한다. 산소용해장치는 순환라인 상에서 순환펌프 후단에 설치되며, 산소원으로부터의 순산소를 상기 순환라인을 통해 흐르는 폐수/슬러지 혼합물에 용해시키게 된다. 제1 용존산소농도 측정기는 포기조의 폐수/슬러지 혼합물에 대한 제1 용존산소농도를 지속적으로 측정하고, 제2 측정기는 산소용해장치의 토출수에 대한 제2 용존산소농도를 지속적으로 측정한다. 제어부는 제1 및 제2 용존산소농도 측정치에 따라서 순환 유량 및 순산소 공급량 중 적어도 하나를 조절함으로써, 제2 용존산소농도가 조절되도록 함과 아울러, 이를 통해서 제1 용존산소농도가 조절되도록 제어한다.

폐수처리, 생물학적, 미생물, 포기, 폭기, 순산소

Description

순산소에 의하여 용존산소농도를 조절하는 폐수처리 장치 및 이를 이용한 폐수처리 방법{Waste Water Treatment System Maintaining DO Level by Use of Pure Oxygen Gas and Treatment Method Employing the Same}

도 1은 본 발명에 의한 폐수처리 장치의 일 실시예를 보여주는 도면.

도 2는 도 1에 도시된 산소용해장치의 일 실시예를 보여주는 도면.

도 3은 본 발명의 폐수처리 장치에서의 용존산소농도 조절 과정을 보여주는 도면.

도 4는 산소용해장치 토출관의 다른 실시예를 보여주는 단면도.

본 발명은 폐수처리 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 호기성 미생물에 의하여 유기물을 분해하는 생물학적 폐수처리 장치에 관한 것이다.

각종 생활하수나 축산폐수 또는 공장폐수를 처리함에 있어서는, 스크리닝, 침전, 부상 및 여과 등의 물리적 방법과, 중화, 산화환원, 응집 및 흡착 등의 화학적 처리방법, 그리고 미생물의 대사작용에 의하여 오염물질을 제거하는 생물학적 방법이 종합적으로 이용된다.

종래부터 널리 사용되어온 표준활성슬러지법의 경우에도 생물학적 방법에 물리적 및 화학적 방법을 적절히 결합한 것으로서, 1차침전지-호기조-2차침전지를 마련하고, 1차침전지에서 펌프 동작에 영향을 주는 토사나 그밖의 대형 부유물을 침전시키고, 호기조에서 미생물들이 폐수 내의 유기물을 먹이로 하여 호흡과 성장을 통해 분해 또는 흡착하도록 한 후, 이 과정에서 유지, 증가된 활성슬러지를 2차침전지에서 비중차에 의해 침전시켜 고액분리하는 구조로 되어 있다.

그런데, 위와 같은 표준활성슬러지법을 포함하여 생물학적 처리방법을 채택하는 폐수처리장에 있어서는, 포기조에 산소를 유효적절하게 공급하는 것이 난제였다. 포기조 내부의 용존산소농도가 지나치게 낮은 경우에는, 미생물이 사멸하여 이를 다시 활성화시키는데 2~3주 이상의 시간이 소요될 수 있음은 물론, 하수처리장 내의 다른 포기조들의 부하가 커지게 되고 경우에 따라서는 폐수를 충분히 처리하지 못한 채 방류하게 될 가능성도 있다. 이를 감안하여 포기조 내부의 용존산소농도를 높게 유지하고자 하는 경우에는, 블로워 및 산기관의 시설비가 증가할 뿐만 아니라, 블로워를 운전하는데 필요한 소비전력량이 과도해지는 문제점이 있다.

이를 고려하여, 소비전력량을 높이지 않으면서 포기조 내부의 용존산소농도를 높게 유지하기 위하여, 다양한 형태의 블로워 및 산기관이 제시된 바 있다. 그렇지만, 블로워 및 산기관은 산소 함량비가 1/5에 불과한 공기를 물 속에 분산시키는 것으로서, 산소전달 효율을 근본적으로 개선하기가 어렵고 소비전력량을 감소시키는데 한계가 있다.

특히 최근에는, 강화되는 수질기준에 적합하도록 방류수의 BOD와 질소와 인 을 저감시키기 위하여 A²O(Anaerobic/Anoxic/Aerobic) 공법을 위시한 고도처리공법의 채택이 확산되고 있고, 이러한 고도처리공법에 있어서 호기조의 MLSS 농도를 6,000~10,000 ppm 이상으로 제고하고자 하는 노력이 지속적으로 이루어지고 있다. 아울러, 도시지역의 인구밀도 향상은 하수처리장의 효율 증대를 꾸준히 요구하고 있다. 이러한 이유들로 인하여, 하수처리장의 포기조에서 MLSS 농도에 걸맞게 용존산소농도를 유지하고, 이를 위하여 효율적으로 산소를 공급하면서 소비전력량을 낮추도록 하는 것은 초미의 관심사가 되어왔다고 해도 과언이 아니다.

본 발명자는 포기조에서의 산소 공급과 관련하여, 순산소폭기법에도 관심을 가진 바 있다. 일반적으로 순산소폭기법은 순산소를 블로워 및 산기관을 사용하여 포기조 내에 공급하는 것이지만, 이 역시 물 속에 단순 분산되는 산소 기체 대부분이 수면으로 부상하여 대기중으로 비산하기 때문에 산소전달 효율을 높이는데 한계가 있을 뿐만 아니라, 산소사용량이 과다해질 수 있다. 산소 기체의 비산을 막기 위하여 포기조를 복개해서 기밀한 구조로 하는 방안도 제시된 바 있지만, 이러한 경우 시설비가 증가하고, 포기조의 유지보수성이 현저히 저하된다는 문제점이 있다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 포기조 내의 용존산소농도를 필요한 바에 따라 충분히 높게 하면서도 안정되게 유지할 수 있고, 소비전력량을 낮게 할 수 있는 폐수처리 방법을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.

아울러, 본 발명은 위와 같은 폐수처리 방법을 구현하는데 적합한 폐수처리 장치를 제공하는 것을 다른 기술적 과제로 한다.

본 발명은 유기물 분해와 탈질에 필요한 충분한 산소를 생물반응조에 공급하면서 용존산소농도를 원하는 바에 따라 정밀하게 유지하기 위하여, 포기조에 담긴 폐수를 외부적으로 순환시키기 위한 순환라인을 마련하고, 순환라인을 통해 흐르는 폐수에 산소원으로부터 순산소를 용해시키기 위한 산소용해장치를 설치함으로써, 산소용해장치에 의해 순산소가 50 ppm 이상의 고농도로 용해된 '고농도 산소용존 폐수'에 의하여 포기조의 용존산소농도를 조절한다.

구체적으로, 상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 폐수처리 방법은 폐수/슬러지 혼합물이 담긴 포기조를 포함하는 폐수처리 장치에서 구현된다. 먼저, (a) 포기조의 폐수/슬러지 혼합물을 외부적으로 순환시키기 위한 순환라인을 마련하고, 상기 순환라인에 순환펌프와, 산소원으로부터의 순산소를 상기 순환라인을 통해 흐르는 폐수/슬러지 혼합물에 용해시키기 위한 산소용해장치를 설치한다. 그리고, (b) 폐수를 포기조에 공급하면서, (c) 포기조의 폐수/슬러지 혼합물을 상기 순환라인을 통해서 순환시키면서 산소용해장치에서 순산소를 용해시켜 고농도로 산소가 용해된 폐수/슬러지 혼합물을 포기조에 토출함으로써,포기조 내의 용존산소농도를 조절한다. (d) 그리고, 포기조에 용존산소를 공급하면서, 포기조의 폐수/슬러지 혼합물에 대한 제1 용존산소농도와 산소용해장치의 토출수에 대한 제2 용존산소농도를 지속적으로 측정한다. 마지막으로, (e) 제1 및 제2 용존산소농도 측정치에 따라서 순환펌프의 순환 유량 및 순산소 공급량 중 적어도 하나를 조절하여, 제2 용존산소농도를 조절하고, 이를 통해서 제1 용존산소농도를 조절하게 된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 (e)단계는 (e1) 제1 용존산소농도 측정치의 변화량을 토대로 용존산소 소비량을 결정하고, 제2 용존산소농도 측정치를 토대로 용존산소 공급량을 결정하는 단계와, (e2) 용존산소 소비량과 용존산소 공급량의 차이에 따라서 순환 유량 및 순산소 공급량 중 적어도 하나를 조절하는 단계;를 구비한다.

아울러, 산소용해장치 내의 수위 및/또는 압력을 측정하여, 이들 측정치가 불안정하거나 이상적인 영역에서 벗어나 있는 경우, 순환 유량 및/또는 순산소 공급량을 소정 시간 범위 내에서 조정하여 단기적으로 안정화시킬 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 폐수처리 장치는 포기조, 순환라인, 순환펌프, 산소원, 산소용해장치, 제1 및 제2 용존산소농도 측정기, 및 제어부를 포함한다. 순환라인은 포기조에 담긴 폐수/슬러지 혼합물을 외부적으로 순환시키기 위하여 마련된다. 순환펌프는 순환라인 상에 설치되어 혼합물을 순환시키고, 산소원은 순환라인의 유체흐름 경로 상에 순산소를 공급한다. 산소용해장치는 순환라인 상에서 순환펌프 후단에 설치되며, 산소원으로부터의 순산소를 상기 순환라인을 통해 흐르는 폐수/슬러지 혼합물에 용해시키게 된다. 제1 용존산소농도 측정기는 포기조의 폐수/슬러지 혼합물에 대한 제1 용존산소농도를 지속적으로 측정하고, 제2 측정기는 산소용해장치의 토출수에 대한 제2 용존산소농도를 지속적으로 측정한다. 제어부는 제1 및 제2 용존산소농도 측정치에 따라서 순환 유량 및 순산소 공급량 중 적어도 하나를 조절함으로써, 제2 용존산소농도가 조절되도록 함과 아울러, 이를 통해서 제1 용존산소농도가 조절되도록 제어한다.

포기조 내에는, 포기조에 담긴 폐수/슬러지 혼합물을 교반하는 교반기가 추가적으로 설치되는 것이 바람직하다.

용어 정의

첨부된 특허청구범위를 포함한 본 명세서에 있어서, "폐수"란 공장이나 축산 농장에서 발생되는 본래적 의미의 "폐수"는 물론, 일반 가정이나 업무시설에서 발생되는 "오수", 그리고 "우수"나 "침출수"는 물론, 이들 중 전체 또는 일부 종류가 혼합된 것, 그리고 이러한 혼합된 하수가 하수관로를 통해 이송된 것을 모두 포함하는 의미로 사용됨을 유의해야 한다.

한편, "순산소"란 "순도 100% 산소"에 한정되지 않고, 일반 공기에 비하여 산소 함량이 높은 기체를 모두 포괄하는 의미로 사용됨을 유의해야 한다. 예컨대, 물의 전기분해, 멤브레인에 의한 공기중의 산소분리, 또는 PSA(Pressure Swinging Absorption) 방식에 의한 공기중의 산소분리 등을 통해서 얻어지는 산소기체는 물론 이러한 산소기체와 공기와의 혼합물이 "순산소"로 이용될 수 있다.

"포기조"라 함은 "폭기조" 및 "호기조"와 동일한 의미로 사용되며, 공법에 따라 통상적으로 사용되는 표현을 중심으로 사용하되, 필요에 따라 혼용해서 사용하기로 한다.

실시예

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 구체적으로 설명한다. 첨부된 도면과 이하의 설명에 있어서, 동일하거나 대응하는 부재에 대해서는 설명과 이해의 편의상 동일한 참조번호를 부여하였다.

도 1은 본 발명에 의한 폐수처리 장치의 일 실시예를 보여준다. 도시된 장치는 하수종말처리장에 적용하기에 적합하며 A²O(Anaerobic/Anoxic/Aerobic) 공법에 기반을 둔 것으로서, 1차 침전조(10)와 생물반응조(20)와, 2차 침전조(30)를 포함한다.

1차 침전조(10)는 유입하수에 함유된 협잡물 및 모래류 등 부유성 고형물을 중력 침전으로 제거하여 후속공정의 펌프 및 배관류의 막힘을 사전에 방지함과 아울러, 미세부유물, 유기물 및 무기물 등의 침강성 물질을 침전 후 제거하여 후속 공정부하를 저감시킨다.

본 실시예에 있어서 생물반응조(20)는 A²O 공법의 기본 골격에 맞추어 정한 것으로서, 혐기조(22), 무산소조(24), 호기조(26)로 구성되며, 미생물을 이용하여 유기물과, 영양염류 즉, 질소와 인을 제거한다.

생물반응조(20)에 있어서, 혐기조(22)에는 1차 침전조(10)의 폐수가 유입됨과 아울러, 2차 침전조(30)로부터 반송되는 슬러지가 유입된다. 혐기조(22)는 유입폐수와 반송된 슬러지를 이용하여 미생물이 유기물을 이용하여 인산염의 형태로 인을 방출하도록 한다.

무산소조(24)에는 혐기조(22)의 폐수/슬러지 혼합물이 유입된다. 호기조(26)로부터 내부 반송되는 폐수/슬러지 혼합물이 유입된다. 무산소조(24)에서는 분자상의 산소가 극히 낮은 무산소조건 하에서 미생물이 유기물을 분해할 때 분자상의 산소대신 슬러지 내에 포함된 질산성/아질산 분자내의 결합산소를 최종 전자수용체로 이용하도록 함으로써, 질산성/아질산성 질소가 질소 가스로 환원되도록 하여 폐수로부터 질산, 아질산을 제거하고 탈질 과정을 완료한다.

호기조(26)에는 무산소조(24)의 폐수/슬러지 혼합물이 유입되며, 하수처리의 주된 작용이 이루어진다. 즉, 호기조(26)에서, 폐수 내의 유기물은 미생물의 대사작용에 의하여 분해, 제거되며, 암모니아성 질소의 질산화와 미생물에 의한 인 섭취가 이루어진다. 질산화된 질소의 분해를 위해 호기조(26)의 슬러지는 지속적으로 무산소조(24)로 내부순환된다. 본 발명에 있어서, 호기조(26)의 용존산소농도는 순환라인(40) 상에 설치되는 산소용해장치(70)에 의해 순산소가 50 ppm 이상의 고농도로 용해된 '고농도 산소용존 폐수'에 의하여 조절된다. 용존산소농도의 정밀한 제어를 위하여, 호기조(26) 내에는 호기조(26)의 용존산소농도를 측정하기 위한 제1 농도측정기(28)가 복수개 마련된다. 또한, 산소용해장치(70)에 의해 토출되는 고농도 산소용존 폐수의 농도를 측정하기 위한 제2 농도측정기(29)가 순환라인(40) 토출구 전면에 설치된다. 제2 농도측정기(29)가 순환라인(40) 상에서 산소용해장치(70) 후단에 설치될 수도 있음은 물론이다.

본 실시예에 있어서, 생물반응조(20)에서 생물학적 처리가 완료된 물/슬러지 혼합물은, 호기조(26)와 2차 침전조(30)간의 수면차로 인하여, 호기조(26)의 일측 벽면 상단을 타고 넘어서 2차 침전조(30)로 유입된다(청구범위를 포함하여 본 명세서에서, 호기조(26)에서 2차 침전조(30)로 넘어가는 단계부터의 폐수/슬러지 혼합물은 "물/슬러지 혼합물"로 칭한다). 호기조(26)로부터 2차 침전조(30)에 유입되는 물/슬러지 혼합물은 중력침전에 의해 슬러지와 처리수로 고액분리가 이루어진다. 고액분리된 상등수는 방류되고, 침전된 슬러지 중 일부는 혐기조(22)로 반송되고, 나머지는 슬러지 처리시설을 거쳐 케익 형태로 처리된다.

한편, 혐기조(22)와 무산소조(24)와 호기조(26) 내에는 각각 교반기(미도시됨)가 설치되어 폐수에 대한 혼합이 충분히 이루어지도록 한다.

도 1의 장치에 있어서 용존산소농도를 유지, 조절하기 위한 기작에 대하여 보다 구체적으로 살펴본다.

호기조(26)에는 양단이 호기조(26)에 접속되는 순환라인(40)이 마련되어 있어서, 호기조(26) 내부에 담긴 폐수/슬러지 혼합물이 순환라인(40)을 통해서 외부적으로 순환될 수 있게 되어 있다. 순환라인(40) 상에는 순환펌프(50)와 산소용해장치(70)가 설치된다. 순환펌프(50)로는, 슬러지 플록(floc)에 미치는 영향과 소비전력량을 최소화할 수 있도록, 0~1 Kgf/㎠(상압 대비)의 저압에서 동작하는 기종이 사용되는 것이 바람직하다. 또한, 순환펌프(50)로서 기계적으로 단 하나의 펌프가 사용될 수도 있지만, 여러대의 펌프가 병렬로 접속되어 사용되는 것이 바람직하다. 예컨대, 1일처리 하수량이 10,000톤인 하수처리장의 경우, 본 발명자의 실험에 의하면 BOD부하량이나 MLSS 농도 및 미생물 활성도에 따라 분당 7~15 톤의 펌 핑 능력이 요구되는데, 이러한 경우 2.5톤/min 용량의 펌프를 3~6대를 병렬로 연결하여 사용할 수 있다. 특히, 이러한 개별 펌프로써, 전체 또는 일부가 유량 조절이 가능한 기종이 사용되는 것이 더욱 바람직하다.

순환펌프(50)의 후단에는 산소원(60)으로부터의 산소가 순환라인(40) 상에 투입된다. 그렇지만, 변형된 실시예에 있어서는 산소원(60)이 순환펌프(50)의 전단에 접속되거나 산소용해장치(70)에 직접 접속될 수도 있다. 산소용해장치(70)는 순환라인(40)을 통해 순환되는 폐수에 산소원(60)으로부터의 산소를 용해시킨다.

도 2를 참조하면, 산소용해장치(70)에 있어서, 스테인레스강 재질로 되어 있는 하우징(72) 상단에는 인입관(73)이 마련되어, 산소용해장치(70)는 이 인입관(73)을 통해 순환펌프(50)에 유체적으로 접속된다. 하우징(72) 내부에는 다수의 트레이(74a~74n)가 상하방향으로 적층되어 설치된다. 트레이들(74a~74n)은 복수의 수직 지주(76a, 76b)에 의하여 지지된다. 트레이들(74a~74n) 각각에는 수직 지주들(76a, 76b)에 상응하여 복수의 관통홀이 형성되어 있으며, 이 관통홀들에 수직 지주(76a, 76b)를 끼우고 용접함으로써 수직 지주(76a, 76b)에 결합, 고정된다.

바람직한 실시예에 있어서, 복수의 트레이들(74a~74n) 각각은 접시와 같은 형태를 가지며, 이에 따라 각각이 차지하는 부피를 최소화하면서 그 내부에 담겨지는 폐수/슬러지 혼합물과 용해기 내부에 존재하는 산소기체간의 접촉면적이 최대화될 수 있게 되어있다. 각 트레이(74a~74n) 내에 슬러지가 침전, 축적되는 것을 방지하기 위하여, 각 트레이(74a~74n)는 높이가 높지 않게 제작되는 것이 바람직하다. 그렇지만, 상부로부터 떨어지는 낙수로 인해 트레이 내부에 담겨진 폐수/슬러 지 혼합물 내에 형성되는 기포가 폐수/슬러지 혼합물과 최대한의 시간동안 접촉할 수 있도록 하기 위해, 각 트레이(74a~74n)가 대접이나 컵과 같이 일정정도의 높이를 갖도록 할 수도 있다. 직경 대 높이의 비에 관계없이, 각 트레이는 상단보다 저면이 좁은 형태가 되도록 함으로써, 상측에 있는 트레이로부터 폐수/슬러지 혼합물이 넘칠 때 그 직하측에 있는 트레이 안으로 흘러서 그 내부에 담겨 있는 폐수/슬러지 혼합물과 충돌 및 마찰이 충분히 이루어질 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 아울러, 이처럼 상측에 있는 트레이로부터 넘치는 폐수/슬러지 혼합물이 그 직하측에 있는 트레이 안으로 흐를 수 있도록 하측으로 갈수록 트레이의 단면이 커지게 각 트레이(74a~74n)의 크기를 정할 수도 있다.

하우징(72)의 저면 상부에는 토출관(78)이 마련된다. 토출관(78)에는 다수의 통공(79)이 형성되어 있어서, 폐수/슬러지 혼합물의 토출이 원활히 이루어지고, 토출 부위를 확장하여 폐수/슬러지 혼합물이 축적되는 것을 방지할 수 있게 되어 있다. 다공 토출구 반대편의 토출관(78) 단부는 순환라인(40)에 유체적으로 접속된다. 한편, 산소용해장치(70)의 하우징(72) 외측에는 양단부가 '디귿'자 형태로 절곡되어 하우징(72)에 연결되는 센서설치관(80)이 마련되고, 이 센서설치관(80)을 매개하여 수위센서(82)가 설치된다. 센서설치관(80)의 하측에는 크기가 큰 슬러지 플록이 센서설치관(80) 내부로 유입되어 수위센서(82)의 동작이 방해되는 것을 방지하기 위하여 스트레이너(84)가 양측의 플랜지(86a, 86b)에 끼워져 설치된다. 다른 한편으로, 산소용해장치(70) 하우징(72)의 내측 상단에는 용해장치의 내압을 측정하기 위한 압력센서(83)가 설치된다.

다시 도 1을 참조하면, 호기조(26) 내의 폐수/슬러지의 용존산소농도를 정밀하게 조절하기 위하여, 호기조(26)에는 호기조(26) 내 폐수/슬러지 혼합물의 용존산소농도를 측정하기 위한 제1 농도측정기(28)와, 산소용해장치(70) 토출수의 용존산소농도를 측정하기 위한 제2 농도측정기(29)가 설치된다. 여기서, 제1 농도측정기(28)는 호기조(26)의 크기에 상응하여 복수개 마련되는 것이 바람직하다. 제어부(90)는 제1 농도측정기(28)에 의해 측정되는 호기조(26) 내 폐수/슬러지 혼합물의 용존산소농도와, 제2 농도측정기(29)에 의해 측정되는 산소용해장치(70) 토출수의 용존산소농도, 그리고 산소용해장치(70)에 설치된 수위센서(82) 및 압력센서(83) 측정치를 토대로, 순환펌프(50)를 제어함과 아울러, 산소원 레귤레이터(62) 및 솔레노이드밸브(64)를 제어하여, 순환 유량과 산소량을 조절한다.

도 1의 폐수처리 장치는 다음과 같이 동작한다.

유입되는 원 폐수는 1차 침전조(10)로 유입되어 수시간동안 체류하면서 협잡물 및 모래류 등 부유성 고형물이 제거된다. 침강분리가 이루어진 폐수는 혐기조(22)로 유입되는데, 여기서 2차 침전조(30)로부터 일부 반송되는 슬러지도 유입된다. 혐기조(22) 내에서는, 혐기성 미생물에 의해 유기물 중 일부가 메탄가스와 이산화탄소로 분해되고, 인 축적 박테리아에 의하여 인이 방출된다.

혐기조(22)를 거친 폐수는 무산소조(24)로 공급되는데, 이와 함께 호기조(26)로부터 내부 반송되는 폐수/슬러지 혼합물도 유입된다. 내부 반송된 폐수/슬러지 혼합물 내에 존재하는 질산성/아질산성 질소는 무산소조(24)에서 질소 가스로 환원되어 탈질이 마무리된다.

무산소조(24)를 거친 폐수/슬러지 혼합물은 혼합 부유 슬러지(MLSS) 농도와 용존산소농도가 거의 일정하게 유지되는 호기조(26)로 유입된다. 호기조(26)의 용존산소농도는 순환라인(40)을 통해 산소용해장치(70)로부터 순환 공급되는 '고농도 산소용존 폐수'에 의하여 조절된다. 이 산소용존 폐수를 통해 공급되는 용존산소를 토대로, 유기물은 호기성 미생물에 의해 이산화탄소와 물로 분해되고, 암모니아성 질소는 질산화미생물에 의해 아질산이나 질산으로 질산화된다. 또한 인축적 박테리아는 축적된 유기물의 산화분해가 진행되면서 인을 과잉섭취하게 된다.

호기조(26)에 있는 폐수/슬러지 혼합물 중 일부는 무산소조(24)로 내부 반송되어 탈질이 이루어진다. 이와 아울러, 폐수/슬러지 혼합물 중 일부는 2차 침전조(30)와 연결되는 호기조(26) 벽면 상단을 타고 넘어 2차 침전조(30)로 유입된다. 2차 침전조(30)로 유입된 물/슬러지 혼합물은 중력에 의한 자연침강으로 고액분리가 행해져서 상등수는 방류되고, 침전된 슬러지 중 일부는 혐기조(22)로 반송되며 나머지는 케익으로 처리되어 폐기되거나 소각되며 이 과정에서 인 성분의 제거가 완료된다.

호기조(26) 내에서의 용존산소농도 유지와, 이에 관한 프로세스를 설명한다.

순환펌프(50)가 가동되고 산소원(60)으로부터 산소가 공급되기 시작하면, 산소원(60)으로부터 공급되는 산소는 호기조(26)로부터 순환되는 폐수/슬러지 혼합물(이하, "폐수"라 함) 내에 기포 형태로 유입된다. 폐수/산소 혼합물은 산소용해장치(70)의 입구로 진행하여, 인입관(73)을 통해 최상단의 트레이(74a)로 낙하하게 된다. 트레이(74a)에 낙하하여 트레이 바닥 또는 담겨있는 폐수/산소 혼합물과 충 돌하는 과정에서, 산소용해장치(70)의 내측 상부에 고여 있다가 혼합물에 휩쓸려 폐수 내에 추가적으로 유입되는 산소 기포가 폐수 내에 추가적으로 유입되고, 기포들이 하방으로 낙하하였다가 부력에 의해 상승하는 과정에서, 산소 기포 중 일부는 폐수에 용해된다. 그리고, 폐수 내에 포함된 산소 기포 중 상당량은 산소용해장치(70)의 폐수로부터 이탈하여 상부 공간으로 분리된다.

최상단 트레이(74a)가 폐수로 가득 차게 된 상태에서 인입관(73)을 통해 폐수/산소 혼합물의 공급이 계속되면, 최상단 트레이(74a)에 담긴 폐수는 넘쳐서 다음 트레이(74b)로 낙하하게 된다. 폐수/산소 혼합물이 트레이(74a)로부터 트레이(74b)로 낙하하여 트레이 바닥 또는 담겨있는 폐수/산소 혼합물과 충돌하는 과정에서 그리고 충돌에 의해 폐수 내에 추가적으로 유입되는 산소 기포가 낙하하였다가 부력에 의해 상승하는 과정에서, 산소 기포 중 일부가 추가적으로 폐수에 용해된다.

이와 같이, 인입관(73)을 통해 폐수/산소 혼합물의 공급이 계속됨에 따라, 상하방향으로 다단 구성된 트레이(74a~74n)에는 상측의 것으로부터 폐수/산소 혼합물로 채워지게 되고, 채워진 혼합물은 연쇄적으로 하측의 트레이로 낙하하게 된다. 최종적으로 최하단 트레이(74n)가 폐수/산소 혼합물로 채워지게 되면, 폐수/산소 혼합물은 산소용해장치(70)의 저면에 고이게 된다.

순환펌프(50)의 운전이 계속되면, 산소용해장치(70)의 내압이 상승하게 되고, 산소용해장치(70)의 내압과 지속적으로 유입되는 폐수/산소 혼합물의 미는 힘으로 인하여, 폐수/산소 혼합물은 토출관(78)과 순환라인(40)을 통해 호기조(26)로 복귀한다. 계속운전 상태에서 산소용해장치(70)의 저면에 고이는 폐수/산소 혼합물의 수위는 순환 유량과, 산소공급량, 그리고 산소용해장치(70) 내압 등과 상관관계를 갖는다.

위와 같은 산소용해장치(70) 동작 과정에서, 다단 구성된 트레이(74a~74n)에 폐수/산소 혼합물이 채워짐과 아울러, 산소용해장치(70) 저면에도 폐수/산소 혼합물이 고이게 됨에 따라, 산소용해장치(70) 단면적의 수배 만큼 산소와 폐수/산소 혼합물 간의 접촉면적 내지 산소-폐수 간의 접촉 면적이 증가되며, 이처럼 접촉 면적이 증가함에 따라 대부분의 산소기포는 폐수에 용해되고 폐수에서의 산소 용해도는 크게 증가된다. 아울러, 다단 구성된 트레이(74a~74n)에서의 폐수/산소 혼합물의 충돌과 부력에 의한 부상 과정을 통해 폐수에서의 산소 용해도는 더욱 크게 증가된다. 본 발명자의 실험에 따르면, 산소용해장치(70)의 토출수는 0~1 Kgf/㎠(상압 대비)의 저압에서도 50 ppm의 이상의 용존산소농도를 구현할 수 있고, 산소이용효율이 90% 이상에 이를 수 있었다.

도 3은 도 1의 폐수처리 장치에서의 용존산소농도 조절 과정을 보여주는 도면이다. 제어부(90)는 제1 농도측정기(28)에 의해 측정되는 호기조(26) 내 폐수/슬러지 혼합물의 용존산소농도와, 제2 농도측정기(29)에 의해 측정되는 산소용해장치(70) 토출수의 용존산소농도, 그리고 산소용해장치(70)에 설치된 수위센서(82) 및 압력센서(83) 측정치를 토대로, 순환펌프(50)를 제어함과 아울러, 산소원 레귤레이터(62) 및 솔레노이드밸브(64)를 제어하여, 순환 유량과 산소량을 조절한다.

본 발명자의 실험에 따르면, 일반적인 하수처리장의 호기조에 사용되는 미생 물들의 산소소비량은 MLSS 농도와 BOD부하량에 따라 달라지며, 계절적인 변동이나 시간대별 변동이외에도 미생물의 활성도에 따라 이 소비량은 상당히 큰 폭으로 변동한다. 매순간 정밀하게 제어를 하지 않는 경우, 산소용해장치(70)의 토출수는 호기조(26) 내 폐수/슬러지 혼합물의 용존산소농도를 10 ppm 이상으로 끌어올릴 수 있게 되는데, 이는 비경제적일 뿐만 아니라, 미생물 활성을 상당히 저하시킬 수 있음을 확인하였다. 이에 반하여, 높은 미생물의 활성도에 부응하여 충분한 용존산소를 공급하지 않는 경우 미생물의 활성도는 급격히 저하된다. 따라서, 호기조(26)의 용존산소농도를 안정되게 유지할 필요가 있다.

순산소를 외부용해방식에 의해 고농도로 용해하는 본 발명의 특징으로 말미암아, 본 발명에 있어서 제어부(90)는 산소용해장치(70)가 매순간마다 호기조(26)에 공급하는 정확한 산소량을 계산해낼 수 있다. 다시 말해서, 미생물에 의한 소비량이 미미한 좁은 공간에서 순산소 용해가 진행되기 때문에, 용존산소 공급량은 산소용해장치(70) 토출수의 용존산소농도(즉, 제2 농도측정기(29)의 측정치)에 순환펌프의 순환 유량을 간단하게 곱하여 계산할 수가 있다. 한편, 호기조(26)에서의 미생물의 용존산소 소비량은 아주 짧은 시간(예컨대 3~20초의 시간)동안 호기조(26)의 용존산소농도(즉, 제1 농도측정기(28)의 측정치)가 미소하게 감소하도록 한 후, 그 감소량과 수조의 수량을 사용해서 마찬가지로 간단하게 계산할 수 있다. 제어부(90)는 이와 같이 계산되는 산소용해장치(70)의 용존산소 공급량과 미생물의 용존산소 소비량을 수시로 계산하면서, 그 차이를 토대로 산소용해장치(70) 토출수의 용존산소농도와 호기조(26)의 용존산소농도를 예측제어하게 된다.

호기조(26) 내 폐수/슬러지 혼합물의 용존산소농도나 산소용해장치(70) 토출수의 용존산소농도가 목표치로부터 벗어날 가능성이 있는 경우, 제어부(90)는 위와 같이 용존산소 공급량과 용존산소 소비량을 토대로 사전에 이를 감지하고 산소용해장치(70)를 통한 용존산소 공급량을 조절함으로써, 호기조(26) 내에서의 용존산소농도의 변동을 최소화하게 된다. 예컨대, 산소용해장치(70) 토출수의 용존산소농도가 낮아지거나 미생물의 활성이 높아져서 호기조(26) 내 폐수/슬러지 혼합물의 용존산소농도가 감소할 가능성이 있는 경우, 이러한 가능성은 용존산소 소비량이 용존산소 공급량을 초과하는 징후로서 표현되고, 이 징후에 응답하여 제어부(90)는 순환펌프(50)의 순환 유량을 증가시키거나 또는/아울러 순산소 공급량을 증가시킴으로써 산소용해장치(70) 토출수의 용존산소농도를 증가시키게 되고, 이를 통해 호기조(26)의 용존산소농도가 감소되지 않도록 하게 된다. 마찬가지로, 산소용해장치(70) 토출수의 용존산소농도가 높아지거나 미생물의 활성이 낮아져서 호기조(26) 내 폐수/슬러지 혼합물의 용존산소농도가 증가할 가능성이 있는 경우, 이러한 가능성은 용존산소 공급량이 용존산소 소비량을 초과하는 징후로서 표현되고, 이 징후에 응답하여 제어부(90)는 순환펌프(50)의 순환 유량을 감소시키거나 또는/아울러 순산소 공급량을 감소시킴으로써 산소용해장치(70) 토출수의 용존산소농도를 감소시키게 되고, 이를 통해 호기조(26)의 용존산소농도가 증가되지 않도록 하게 된다.

이러한 제어 방식에 의하여, 본 발명의 산소용해장치(70)에 의해 공급되는 '고농도 산소용존 폐수'는 호기조(26)의 용존산소농도를 충분히 높게 유지하면서도 용존산소농도 변동폭이 예컨대 0.5~0.7 ppm의 범위를 벗어나지 않도록 정밀하게 제 어할 수 있다.

한편, 호기조(26)의 용존산소농도의 목표치는 예컨대 1~3 ppm의 범위 내에서 설정할 수 있다. 그렇지만, 일반적으로 탄소계 유기물을 산화하는 미생물에 비하여 암모니아를 산화하는 질산화 미생물의 대사율이 낮아서 산소경쟁에서 뒤지게 되고, 이에 따라 암모니아의 질산화가 더디게 진행될 수 있는 것으로 알려지고 있는데, 이러한 측면에서 본 발명의 다른 실시예에 있어서는 용존산소농도의 목표치를 3~6 ppm의 범위 내에서 설정하여 탄소계 유기물의 분해와 질산화가 동시에 이루어지도록 할 수도 있다.

한편, 산소원(60)이 공급하는 산소량을 조절함에 있어서, 제어부(90)는 산소원(60)의 레귤레이터(62)를 조절하게 되지만, 솔레노이드 밸브(64)를 구동하여 산소 공급을 아예 차단할 수도 있다.

다른 한편으로, 장치의 동작이 계속됨에 따라 순산소 공급량과 순환펌프(50) 유량의 균형이 일시적으로 깨질 수 있고, 산소용해장치(60) 내에서 수위가 변경될 수 있다. 이러한 경우, 산소용해장치(60)의 내압이 달라지게 되어, 산소용해장치(60) 토출수의 용존산소농도가 그에 상응하여 변하게 된다. 더욱이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 산소용해장치(60) 내에서 수면 높이가 변경되는 경우, 수면 위로 노출되는 트레이(74a~74n)의 개수가 달라지게 되며, 이에 따라 산소용해장치(60) 상부 공간을 채우고 있는 산소 기체와 폐수/산소 혼합물 간의 접촉면적이 달라지게 되어, 산소용해장치(60) 토출수의 용존산소농도는 더욱 변하게 된다. 따라서, 산소용해장치(60)의 수위와 내압을 안정되게 유지할 필요가 있다.

제어부(90)는 수위센서(82)와 압력센서(83)의 측정치를 토대로 산소용해장치(70)의 수위와 내압이 합리적인 범위에 있는지를 판단하고, 일시적으로 불안정한 상태에 있거나 불균형적이라고 판단되는 경우에는 일시적으로 순환펌프(50) 순환 유량을 조절하거나, 레귤레이터(62)를 통해 순산소 공급량을 조절하거나, 또는 솔레노이드 밸브(64)를 차단함으로써 순산소 공급을 일시 차단하여서, 수위나 내압이 정상화되도록 하게 된다. 이러한 과정을 통하여, 제어부(90)는 산소용해장치(70) 토출수를 단기 안정화시키게 되는데, 이러한 단기 안정화 작업은 호기조(26)의 용존산소농도에 큰 영향이 없도록 2~15초의 짧은 시간 동안에 이루어지는 것이 바람직하다.

이와 같이, 제어부(90)는 산소용해장치(70) 토출수와 호기조(26) 내 폐수/슬러지의 용존산소농도를 안정되게 정밀 제어하면서, 산소용해장치(70) 내부 상태에 불안정성이 존재하거나 존재할 가능성이 있는 경우 호기조(26)의 용존산소농도에 영향을 미치지 않을 만큼 빠른 시간 내에 안정화시키게 된다.

도 4는 토출관의 다른 실시예를 보여준다. 도시된 실시예에 있어서, 토출관(78a)의 입구측 단부에는 흡입면(181)을 구비하는 흡입 챔버(180)가 별도로 마련된다. 흡입면(181)에는 다수의 통공(182)이 형성되어 있어서, 폐수/슬러지 혼합물의 토출이 원활히 이루어질 수 있다. 또한, 폐수/슬러지 혼합물의 토출이 넓은 면적에 걸쳐 이루어지기 때문에, 산소용해장치(70) 저면에 폐수/슬러지 혼합물이 축적되는 것을 더욱 효과적으로 방지할 수 있게 되어 있다. 도시된 실시예가 변형된 실시예에 있어서는, 흡입면(181)이 상방을 향하도록 배치될 수도 있다.

그밖에도, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 위에서 기술한 실시예들 이외에도 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명자는 본 발명에 의하여 충분한 용존산소농도가 유지되는 호기조 내에서 생장하고 번식한 호기성 미생물의 활성이 최소한으로나마 유지되는 한, 산소공급이 없는 상태에서 용존산소농도가 단시간 내에 미생물에 의하여 소모되는 것을 확인하였다. 이를 감안하여, 위에서는 호기조(26)에서 2차 침전조(30)로 공급되는 슬러지나, 호기조(26)에서 무산소조(24)로 내부 반송되는 폐수/슬러지 혼합물에 대하여 별도의 탈기 과정을 거치지 않는 경우를 중심으로 기술하였다. 그렇지만, 변형된 실시예에 있어서는, 호기조(26)와 2차 침전조(30) 사이, 그리고 호기조(26)와 무산소조(24)간의 내부 반송 경로 상에 산소 탈기를 위한 탈기조를 별도로 마련할 수도 있다. 이러한 탈기조에 있어서, 호기조(26)에서 유지되었던 용존산소는 1분 내지 수분 사이에 모두 소모되어, 용존산소농도가 0.1~0.2 ppm으로 저감될 수 있다.

한편, 이상에서 기술한 실시예들은 생물학적 처리가 이루어진 물/슬러지 혼합물을 침전조 내에서 고액분리시키는 장치를 기준을 하였지만, 본 발명은 판형 또는 중공사막형 분리막을 활용하는 MBR 공정에 있어서도 동일하게 적용할 수 있다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다 는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 포기조의 폐수를 외부의 산소용해장치로 순환시키고, 산소용해장치에 의해 순산소가 50 ppm 이상의 고농도로 용해된 '고농도 산소용존 폐수'에 의하여 포기조의 용존산소농도를 조절하며, 이를 통하여 블로워에 의해 폭기시키는 기존 방식에 비하여 용존산소농도를 정확하게 조절하고 안정되게 유지할 수 있다는 장점이 있다. 아울러, 순산소를 단순폭기시켰을 경우 발생했던 산소 비산과 비효율적 전달문제를 해결하는 이점이 있다.

순산소를 사용함과 아울러 산소이용효율을 극대화할 수 있기 때문에, 본 발명은 기체와 함께 액체를 펌핑해야 한다는 유량 부담을 상쇄하고서도 소비전력량을 감소시켜 폐수처리장의 운전비용을 절감시켜준다.

또한, 구조가 간단하기 때문에 신규 폐수처리장은 물론 기존 처리장의 증설에도 용이하게 적용할 수 있다.

아울러, 포기조내 용존산소농도를 높이거나 용존산소 공급량을 기존 방식에 비하여 크게 증가시킬 수 있기 때문에, MLSS 농도가 8,000~12,000 또는 그 이상에 이르는 처리장에 대해서도 용이하게 적용할 수 있다는 이점이 있고, 이에 따라 폐수처리장의 면적을 크게 감소시킬 수 있다는 부가적 이점이 있다.

Claims (12)

1. 폐수/슬러지 혼합물이 담긴 포기조를 포함하는 폐수처리 장치에 있어서,

   (a) 상기 포기조의 폐수/슬러지 혼합물을 외부적으로 순환시키기 위한 순환라인을 마련하고, 상기 순환라인에 순환펌프와, 산소원으로부터의 순산소를 상기 순환라인을 통해 흐르는 폐수/슬러지 혼합물에 용해시키기 위한 산소용해장치를 설치하는 단계;

   (b) 폐수를 포기조에 공급하는 단계;

   (c) 상기 포기조의 폐수/슬러지 혼합물을 상기 순환라인을 통해서 순환시키면서 상기 산소용해장치에서 순산소를 용해시켜 상기 포기조 내의 용존산소농도를 조절하는 단계;

   (d) 상기 포기조의 폐수/슬러지 혼합물에 대한 제1 용존산소농도와 상기 산소용해장치의 토출수에 대한 제2 용존산소농도를 지속적으로 측정하는 단계; 및

   (e) 상기 제1 및 제2 용존산소농도 측정치에 따라서 상기 순환펌프의 순환 유량 및 상기 산소원으로부터의 순산소 공급량 중 적어도 하나를 조절하여, 상기 제2 용존산소농도를 조절하고, 이를 통해서 상기 제1 용존산소농도를 조절하는 단계;

   를 구비하는 폐수처리 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 (e)단계가

   (e1) 상기 제1 용존산소농도 측정치의 변화량을 토대로 용존산소 소비량을 결정하고, 상기 제2 용존산소농도 측정치를 토대로 용존산소 공급량을 결정하는 단계; 및

   (e2) 상기 용존산소 소비량과 상기 용존산소 공급량의 차이에 따라서 상기 순환 유량 및 상기 순산소 공급량 중 적어도 하나를 조절하는 단계;

   를 구비하는 폐수처리 방법.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   (f) 상기 산소용해장치 내에서의 수위를 측정하는 단계; 및

   (g) 상기 순환 유량 및 상기 순산소 공급량을 소정 시간 범위 내에서 조정함으로써, 상기 수위를 단기적으로 안정화시키는 단계;

   를 구비하는 폐수처리 방법.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   (f) 상기 산소용해장치 내에서의 압력을 측정하는 단계; 및

   (g) 상기 순환 유량 및 상기 순산소 공급량을 소정 시간 범위 내에서 조정함으로써, 상기 압력을 단기적으로 안정화시키는 단계;

   를 구비하는 폐수처리 방법.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   (f) 상기 산소용해장치 내에서의 수위와 압력을 측정하는 단계; 및

   (g) 상기 순환 유량 및 상기 순산소 공급량을 소정 시간 범위 내에서 조정함으로써, 상기 수위와 상기 압력을 단기적으로 안정화시키는 단계;

   를 구비하는 폐수처리 방법.
6. 폐수/슬러지 혼합물이 담긴 포기조;

   상기 포기조에 담긴 폐수/슬러지 혼합물을 외부적으로 순환시킬 수 있도록 마련되는 순환라인;

   상기 순환라인 상에 설치되는 순환펌프;

   상기 순환라인의 유체흐름 경로 상에 순산소를 공급하기 위한 산소원;

   상기 순환라인 상에서 상기 순환펌프 후단에 설치되며, 상기 산소원으로부터의 순산소를 상기 순환라인을 통해 흐르는 폐수/슬러지 혼합물에 용해시키기 위한 산소용해장치;

   상기 포기조의 폐수/슬러지 혼합물에 대한 제1 용존산소농도를 지속적으로 측정하는 제1 용존산소농도 측정기;

   상기 산소용해장치의 토출수에 대한 제2 용존산소농도를 지속적으로 측정하는 제2 용존산소농도 측정기; 및

   상기 제1 및 제2 용존산소농도 측정치에 따라서 상기 순환펌프의 순환 유량 및 상기 산소원으로부터의 순산소 공급량 중 적어도 하나를 조절함으로써, 상기 제2 용존산소농도가 조절되도록 함과 아울러, 이를 통해서 상기 제1 용존산소농도가 조절되도록 하는 제어부;

   을 구비하는 폐수처리 장치.
7. 청구항 6에 있어서,

   상기 포기조 내에 설치되어 상기 포기조에 담긴 폐수/슬러지 혼합물을 교반하는 교반기;

   를 더 구비하는 폐수처리 장치.
8. 청구항 6에 있어서, 상기 순환펌프가 복수 대의 개별펌프를 포함하되며,

   상기 제어부가, 상기 제1 및 제2 용존산소농도 측정치를 토대로 상기 복수의 개별펌프 중 동작시킬 펌프 대수를 결정하는 폐수처리 장치.
9. 청구항 6 내지 청구항 8 중 어느 한 청구항에 있어서, 상기 제어부가 상기 제1 용존산소농도 측정치의 변화량을 토대로 용존산소 소비량을 결정하고, 상기 제2 용존산소농도 측정치를 토대로 용존산소 공급량을 결정한 후, 상기 용존산소 소비량과 상기 용존산소 공급량의 차이에 따라서 상기 순환 유량 및 상기 순산소 공급량 중 적어도 하나를 조절함으로써, 상기 제2 용존산소농도와 상기 제1 용존산소농도가 장기적으로 안정화되도록 제어하는 폐수처리 장치.
10. 청구항 6에 있어서,

    상기 산소용해장치 내에서의 수위를 측정하는 수위계;

    를 더 구비하고,

    상기 제어부가 상기 순환 유량 및 상기 순산소 공급량을 소정 시간 범위 내에서 조정함으로써, 상기 수위가 단기적으로 안정화되도록 제어하는 폐수처리 장치.
11. 청구항 6에 있어서,

    상기 산소용해장치 내에서의 압력을 측정하는 압력계;

    를 더 구비하고,

    상기 제어부가 상기 순환 유량 및 상기 순산소 공급량을 소정 시간 범위 내에서 조정함으로써, 상기 압력이 단기적으로 안정화되도록 제어하는 폐수처리 장치.
12. 청구항 6에 있어서,

    상기 산소용해장치 내에서의 수위를 측정하는 수위계; 및

    상기 산소용해장치 내에서의 압력을 측정하는 압력계;

    를 더 구비하고,

    상기 제어부가 상기 순환 유량 및 상기 순산소 공급량을 소정 시간 범위 내에서 조정함으로써, 상기 수위와 상기 압력이 단기적으로 안정화되도록 제어하는 폐수처리 장치.

Images