KR100935914B1

KR100935914B1 - 2단 반응조를 갖는 고도 처리장치

Info

Publication number: KR100935914B1
Application number: KR20080027840A
Authority: KR
Inventors: 오진환; 최규찬; 최병혁; 이정민
Original assignee: 삼창기업 주식회사; 삼창엔텍 주식회사; 남양주시
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2010-01-06
Also published as: KR20090102409A; WO2009119964A1; CN101980971A

Abstract

본 발명은 오수나 폐수 중에 포함된 질소나 인 등의 영양물질을 제거하는 고도처리장치에 관한 것으로;

최초침전지(20)에 의해 유입되는 하수를 수용하여 폭기교반기(90)의 작동과정에서 혐기-무산소-호기공정을 수행하는 제1반응조(30); 상기 제1반응조(30)에 의해 유입되는 하수를 수용하여 폭기교반기(90)의 작동과정에서 호기-무산소공정을 수행하는 제2반응조(40); 상기 제2반응조(40)에 의해 질화된 하수를 상기 제1반응조(30)로 반송시킴은 물론 상기 제2반응조(40)와 최종침전지(60)에 의해 형성된 슬러지를 상기 제1반응조(30) 또는 제2반응조(40)로 반송시키는 내부반송관(50); 상기 제1,2반응조(30,40)에 구성된 센서의 신호를 입력받아 상기 폭기교반기(90)에 작동신호를 출력함은 물론 내부반송관(50)을 제어하는 제어부(70)를 포함하며;

상기 오폐수에 포함된 영양물질의 고도처리에 따른 작업공정 및 작업하중이 감소할 뿐만 아니라 반응조의 설치공간이 줄어들어 고도처리장치의 유지 및 보수에 따른 각종 부대비용이 절감되도록 한 것이다.

침전지, 제1반응조, 제2반응조, 내부반송관, 제어부, 폭기교반기

Description

2단 반응조를 갖는 고도 처리장치 {Advanced wastewater treatment apparatus with two stage reactor}

본 발명은 오수나 폐수 중에 포함된 영양물질을 제거하는 고도처리장치에 관한 것으로, 특히 반응조의 개수를 최소화한 상태에서 영양물질의 제거효율을 증대시킬 수 있도록 한 2단 반응조를 갖는 고도 처리장치에 관한 것이다.

일반적으로, 하수나 오폐수(이하, 하수라 통칭함) 중에 포함된 각종 오염물질은 활성슬러지법에 의해 처리되어 왔으나, 현대에는 환경규제의 심화로 인하여 하수나 오폐수 중에 포함된 질소나 인 등과 같은 각종 영양물질이나 중금속도 함께 제거하는 고도처리공법으로 변화되고 있다.

예컨대, 도 1에서와 같이, 활성슬러지법은, 침사인양기(110)의 세목스크린이나 조목스크린을 경유하여 모래 등이 제거되어진 하수가, 펌프(115)에 의해 끌어 올려진 다음, 최초침전지(120)와 폭기조(130)와 최종침전지(140)를 통과한 후, 소독과정을 거치고 하천이나 강으로 방류된다.

여기서, 폭기조(130)는 최종침전지(120)를 경유하는 하수에 공기를 주입하여 반응시키는 것으로서, 폭기 시간 동안 흡착이나 응결이나 산화가 일어나면서 유기물은 생물학적 활성슬러지로 변환되며 일정 체류시간 동안 반응한 활성슬러지는 최종침전지(140)에서 침전 및 분리되는 것이다.

그런데, 최종침전지(140)에 배출되는 하수를 살균하여 방류하는 과정에서 하수중의 다량으로 포함되어 있는 질소와 인과 같은 영양물질의 상당 부분은 활성슬러지공법에 의해 제거되지 않아 그냥 방류되어 왔다. 이러한 영향으로 최근 하천이나 호수 등에서 질소나 인 등과 같은 영양염류들이 부영양화를 일으킴에 따라 질소나 인의 제거에 대한 필요성이 부각되고 있다.

특히, 최종침전지(140)에 잔류하는 수중의 질소와 인은 다른 유기물에 비하여 소량으로도 조류의 대량 번식을 유발하며, 이로 인하여 수중에 존재하는 산소를 소모하여 어패류의 대량 폐사를 일으키므로, 이러한 폐해를 방지하기 위해서는 현 공정에 고도처리공법(3차 처리)이 추가되는 것이다.

여기서, 고도처리공법이라 함은 수중에 잔류하는 질소나 인을 제거하는 목적으로 사용하는 방법으로서, 특히 질소를 제거하려는 경우 호기성 조건 하에서 암모니아를 질산염으로 산화시키거나 무산소 조건 하에서 질소가스를 대기 중으로 환원시키는 방법이 사용되며, 인을 제거하려는 경우 음이온인 인산염에 양이온을 첨가하여 화학적 침전물을 형성하는 바이오매스(Biomass)에 의한 인을 섭취하는 방법이 사용되거나 생물학적 처리공정의 일환인 인을 제거하는 금속염을 첨가하여 침전물을 형성하는 방법 등이 이용되고 있다.

상기와 같이, 질소나 인을 제거하기 위한 공정들에는 미생물들이 관여하며, 미생물의 증식과 성장에는 에너지가 필요하다. 또한 질소 제거시 최종 전자 수용체에 따라 호기성 공정에는 산소가 필요하고 무산소 공정에는 아질산염이나 질산염, 혐기 공정에는 이산화탄소 등의 에너지원이 필요하다.

특히, 질소와 인을 동시 제거는 단순히 활성슬러지공정에 의해 이루어지지 않으므로 무산소공정과 혐기공정을 추가하여, 도 2에서와 같은 무산소-호기조 또는 혐기-무산소-호기-무산소조 등과 같은 4개 또는 그 이상으로 이루어진 다단의 생물 반응조를 구성하거나, 단일 반응조에서 무산소-혐기-호기-침전-배출이 일어나는 연속 회분식 등 다양한 형태를 적용하는 것이다.

따라서, 질소와 인을 동시에 제거하는 고도처리공법에서는 각기 특성을 달리한 혐기성조와 무산소조와 호기성조 등의 반응조를 구성함으로써 장치의 전용면적이 커지고 운전비용이 증대하는 문제점이 있었다.

이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고도처리공법에 사용하는 반응조의 개수를 최소화한 상태에서 영양물질의 제거에 따른 효율을 증대시킬 수 있도록 한 2단 반응조를 갖는 고도 처리장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은; 침사인양기와 최초침전지에 의해 유입되는 하수를 수용하여 영양물질을 제거하고 최종침전지를 통해 배출하는 고도처리장치로서; 상기 최초침전지에 의해 유입되는 하수를 수용하여 폭기교반기의 작동과정에서 혐기-무산소-호기공정을 수행하는 제1반응조; 상기 제2반응조에 의해 유입되는 하수를 수용하여 폭기교반기의 작동과정에서 호기-무산소공정을 수행하는 제2반응조; 상기 제2반응조에 의해 질화된 하수를 상기 제1반응조로 반송시킴은 물론 상기 제2반응조와 최종침전지에 의해 침전된 슬러지를 상기 제1반응조 또는 제2반응조로 반송시키는 내부반송관 및; 상기 제1,2반응조에 구성된 산화환원전위차계와 산소센서의 신호를 입력받아 상기 폭기교반기에 작동신호를 출력함은 물론 상기 내부반송관을 제어하는 제어부를 포함한다.

이상에서와 같이, 고도처리과정에서 단지 2개의 반응조를 구성하여 질소나 인을 포함한 각종 영양물질을 제거함으로써, 상기 고도처리공정에 따른 작업공정수 및 작업하중이 감소하여 작업성이 향상될 뿐만 아니라 반응조의 설치공간이 줄어들어 반응조의 유지 및 보수에 따른 각종 부대비용이 절감되는 경제적일 뿐만 아니라, 오폐수처리장이 구성된 제1반응조 또는 제2반응조 중 어느 하나를 이용하여 혐기-무산소-호기공정을 수행하므로 최적의 비용으로 오폐수의 처리에 따른 최고의 수질확보가 가능해지는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 고도처리장치의 블럭도이며, 도 4는 본 발명에 따른 고도처리장치의 전체시스템이고, 도 5는 본 발명에 따른 고도처리장치의 폭기교반기를 도시한 개략도이며, 도 6은 본 발명에 따른 폭기교반기의 작동과정을 도시한 모식도로서, 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이;

침사인양기와 최초침전지에 의해 유입되는 하수를 수용하여 영양물질을 제거하고 최종침전지(60)를 통해 배출하는 고도처리장치로서; 상기 최초침전지(20)에 의해 유입되는 하수를 수용하여 폭기교반기(90)의 작동과정에서 혐기-무산소-호기공정을 수행하는 제1반응조(30); 상기 제1반응조(30)에 의해 유입되는 하수를 수용하여 폭기교반기(90)의 작동과정에서 호기-무산소공정을 수행하는 제2반응조(40); 상기 제2반응조(40)에 의해 질화된 하수를 상기 제1반응조(30)로 반송시킴은 물론 상기 제2반응조(40)와 최종침전지(60)에 의해 형성된 슬러지를 상기 제1반응조(30) 또는 제2반응조(40)로 반송시키는 내부반송관(50); 상기 제1,2반응조(30,40)에 구성된 센서의 신호를 입력받아 상기 폭기교반기(90)에 작동신호를 출력함은 물론 상기 내부반송관(50)을 제어하는 제어부(70)를 포함한다.

먼저, 본 발명은 침사인양기(10)와 최초침전지(20)와 제1,2반응조(30,40)와 최종침전지(60)를 이용하여 하수를 처리하는 것으로서, 특히 최초침전지(20)와 최종침전지(60)의 사이에 구성된 단지 제1,2반응조(30,40)를 이용하여 영양물질의 제거효율을 향상하는 것에 특징이 있다.

여기서, 제1반응조(30)는 최초침전지로부터 유입되는 하수의 암모니아성 질소 성상에 따른 혐기/무산소/호기상태의 간헐폭기조의 산소공급시간 및 내부반송 슬러지 반송량을 유동적으로 변화시키며, 제2반응조(40)는 준호기와 호기를 운전함으로써 유기물질과 질소나 인 등의 영양물질을 제거한다.

한편, 생물학적 질소 제거는 크게 세 가지 형태로 구분된다.

첫째, 생물학적 공정에서 이루어지는 슬러지의 질소동화작용으로서 유입수의 20~30% 정도가 기존 활성슬러지 공법으로 제거되고 있는 것으로 알려져 있으며, 둘째 환원된 형태의 질소를 질산성 질소로 산화시켜 산소를 소모하는 질산화와 산화된 형태의 질소를 질소가스로 환원시키는 탈질, 셋째는 우점화된 특정 미생물을 이용한 질소섭취이며, 이 중 고도처리공정으로 가장 많이 이용되고 있는 공정은 질산화-탈질을 상태를 병행한 공법이다.

또한, 생물학적 탈질산화는 호기성 조건하에서의 질산화반응(호기성 미생물)과 무산소 조건하에서의 탈질반응(임의성 미생물)으로 이루어지며, 특히 주요 미생물종은 Nitrosomonas sp.와 Nitrobacter sp.로 대표되는 독립영양균으로서 무기질소화합물을 산화시킴으로써 성장에너지를 얻으며, 수중에 포함된 탄산염을 세포합성에 필요한 탄소원으로 사용한다.

이때, 암모니아성 질소의 최대 성장속도는 Nitrobacter sp.가 Nitrosomonas sp.보다 훨씬 크기 때문에 정상적인 질산화 공정에서는 아질산성 질소의 축적이 크지 않으며, 율속단계로 암모니아성 질소에서 아질산성 질소로 산화되는 단계로 받아들여지고 있다.

여기서, 질산화의 주요 영향 인자로 크게 pH, 용존산소, 유기물질 등 3가지를 들 수 있으며, 최적 pH는 8~9, 용존산소는 2㎎/ℓ이상이며, 이때 암모니아성 질소에서 발생하는 수소이온을 중화할 수 있는 알칼리도 하기의 식 1과 같이 수중에 용해되어 있어야 한다.

[식 1]

그리고, 생물학적 탈질반응은 질산성질소를 환원시켜 질소산화물 등으로 전환시키는 것으로, 질산성질소를 전자수용체로 이용하는 다양한 종속영양계의 탈질 미생물이 관여하며, 유기물을 전자공여체로 사용하며 식 2와 같다.

[식 2]

이때, 1g의 질산성 질소를 탈질시키는데 3.7g의 COD가 소모되며,0.045g의 미생물 합성과 3.57g의 알칼리가 환원된다. 수중에 용존산소가 존재하는 경우에는 전자 공여체로 사용되는 유기 탄소원을 소모하고 탈질반응을 억제하기 때문에 탈질반응상시 유기물질과 무산소 상태유지가 중요하다.

한편, 본 발명은 도 2와 3에서와 같이, 제2반응조(40)에 의해 질산화를 유도한 다음, 내부반송관(50)에 의해 제1반응조(30)로 1Q~1.5Q를 내부 반송하고 침전조(60)의 슬러지 0.5Q~1Q를 반송하며, 특히 제1반응조(30)에 유입되는 유기탄소원을 탈질원으로 사용하는 장치이다.

도 3에서와 같이, 본 발명은 최초침전조(20)의 하수가 제1반응조(30)로 유입되는 경우, 제2반응조(40)의 내부반송과 침전조 슬러지 반송이 제1반응조(30)로 유입되는 공정과, 최종침전조(60) 슬러지 반송을 제2반응조(40)로 반송시키는 2가지 공정을 변법으로 운영할 수 있도록 설계한 것이다.

즉, 내부반송관(50)의 작동과정에서 예컨대, 제1공정은 제1반응조(30)로 하수가 유입되면서 제2반응조(40)의 하수가 제1반응조(30)로 이송되고 최종침전지(60)의 술러지가 제1반응조(30)로 반송되고, 제2공정은 최종침전지(60)의 슬러지가 제2반응조(40)로 반송되는 것을 의미한다.

따라서, 도 4에서와 같이, 내부반송관(50)의 관로상에는 슬러지반송유량계(51,52)와 슬러지반송펌프(53)와 내부반송유량계(54)와 내부반송펌프(55)를 포함한 각종 게이지를 장착함이 바람직하다.

그리고, 본 발명에서는 제1반응조(30)의 경우 무산소와 준혐기상태로 운전하며, 제2반응조(40)의 경우 호기 및 준호기로 운전될 수 있도록 하기 위한 수단으로서 상기 제1,2반응조(30,40)에 각각 또는 개별로 구비된 산화환원전위차계(31,41, ORP) 및 산소센서(32,42, DO)의 값을 실시간으로 모니터링한 다음 제어부(70)의 작동신호에 따라 폭기교반기(90)의 운전시간을 제어한다.

한편, 제1반응조(30)의 이전단계 즉, 침사인양기(10)의 하수 및 폐수가 전처리과정인 침사지 및 스크린 등을 통과하고 최초침전지(20)를 통과하는 공정은 일련의 공지 기술이므로 자세한 설명은 생략한다.

그리고, 본 발명은, 교호작용을 하는 제1,2반응조(30,40)와, 상기 제1,2반응조(30,40)의 수로를 유기적으로 변경하여 각 반응조가 독립적 또는 상호 호환적으로 운전하도록 하는 내부반송관(50), 상기 제1,2반응조(30,40)에 각각 장착되면서 폭기 및 교반작용을 동시에 수행하는 폭기교반기(90) 및, 상기 제1,2반응조(30,40)에 구성된 센서와 유출수의 수질을 감지하는 센서의 따라 작동하는 인필터(80)를 이용하여 부영양화를 방지하는 구성이다.

본 발명을 좀 더 상세히 설명하면, 유입된 하수가 설계 용량과 동일하거나 유사할 경우는 제1의 공정으로 진행되며, 제1의 공정은 제1반응조(30)와 제2반응조(40)가 서로 유기적이고도 상호 보완적으로 작용하는 공정으로 유입된 하수는 제1반응조와 제2반응조를 거쳐 최종침전지(60)로 유출된다.

이 과정에서, 제2반응조(40)에서 질산화된 질산성 질소를 내부반송관(50)을 통하여 제1반응조(30)로 반송함으로써 탈질공정을 진행한다. 이 과정은 정확한 반송량을 구현하기 위하여 반송펌프(53,55)의 경우 인버터에 의해 구동되며, 연동되는 계측기는 유량계에 의해 1반응조에서의 내부반송양을 측정하게 된다.

이때, 제1반응조(30)에서는 일반적인 블로워와 디퓨져와 교반기에 의해 무산소-준혐기-혐기공정을 진행하며, 제2반응조(40)에서는 호기-무산소의 공정이 산소센서(DO METER)와 PLC에 의해 산소농도 및 시간제어의 공정이 진행된다.

반면, 본 발명의 경우, 제1반응조(30)는 용존산소농도가 평균 0.5㎎/ℓ으로 유지되면서 무산소, 준혐기조 상태를 유지하며 운영되었고, 제2반응조(40)는 평균 1.5㎎/ℓ이상 호기 및 준호기 상태에서 운영되었다.

이때, 탈질반응의 경우 제1반응조에서는 무산소-준혐기-혐기 공정을 거치면서 제2반응조에서 질산화된 하수를 제1반응조에서 탈질시키며, 인 제거의 경우는 미생물을 혐기성(제1반응조)과 호기성 상태(제2반응조)에 교대로 노출시킴으로서 미생물에 긴장(stress)을 주어 즉, 미생물의 대사 경로를 전환시키는 환경조건의 극한적인 변화를 주어 인의 흡수가 정상수준 이상(과잉섭취)이 되도록 하여 인을 제거하는 공정을 반복적으로 진행하게 된다.

또한, 오폐수는 약 3Q의 유량 변동이 4 계절에 걸쳐 일어나며, 이에 대비 유입수 수질 및 유량이 설계치 보다 줄어들 경우의 급속한 변동이 발생시 제어부(70)의 신호에 따라 제1반응조 및 제2반응조를 개별 운전을 진행한다.

이는 유입 유량계 및 유입 하수 수질 모니터링에 의해 결정되며, 이 공정은 상기의 공정 중 유입수로의 전환이 전동 게이트밸브나 전동 밸브에 의해 일어나게 된다. 유입되는 하수는 제1반응조 또는 제2반응조로 유입되어 연속 회분식 공정을 거치며 이때도 각 반응조는 고도처리 공정을 진행하게 된다.

연속회분식반응조(SBR)에서는 유입공정(Fill) - 반응공정(React) - 침전공정(settle) - 배출공정(Draw) - 휴지공정의 순으로 반응이 진행되며, 이는 부유고형물(MLSS) 수치를 높여, 고형물 체류시간(SRT)을 길게 진행시키며, 이로 인해 슬러지의 자산화가 진행되어 슬러지의 발생을 현저하게 줄일 수 있다.

고도처리 공정은 질소와 인을 생물반응조에 약품 투입 등 화학적 방법을 제외하고는 동시에 제거하여 수영용수 수준의 유출수에 얻기가 쉽지 않다. 이에 본 발명에서는 폭기-교반 2단 반응조를 이용한 질소처리에 중점을 두고 간접적으로 인 제거를 유도하였으며, 특히 침전조 유출수의 SS 및 T-P 농도가 기준치를 초과할 경우 인필터(80)를 거쳐 유출수가 방류될 수 있도록 시스템을 구축하여, 수영용수 수준을 달성하도록 하였다.

한편, 본 발명은 현재의 하수 기준인 T-P가 평균 60%(유입 평균 T-P 8㎎/ℓ → 2~3㎎/ℓ)이상 제거는 되었으나 수영용수 수준의 0.5㎎/ℓ를 충족시키지 못한 상태이므로, 생물반응조에 Alum 등의 화학약품 첨가공정보다 방류수 재활용 및 방류수 내의 인 회수/재생을 통한 유가 자원회수를 위한 방안으로 인필터(P-filter)를 결합시키는 공정을 첨가하였다.

즉, 상기 최종침전지(60)의 배출경로에 인농도센서(85)를 장착함은 물론 전동밸브 또는 게이트밸브 등과 같은 개폐수단을 장착함으로써, 상기 인농도센서(85)에 의해 감지된 신호를 입력받은 제어부(70)의 작동신호에 따라 상기 하수의 배출방향을 인필터(80)의 방향으로 유도하는 구성이다.

그리고, 도 3에서와 같이, 인필터(80)는 고도처리장치의 후단에 설치하여 총 인을 제거하는 여과흡착 다단계 처리 시스템으로 구성한 것으로서, 여과 처리장치 내에 특정 여과재를 채워 2차 방류수를 통과시킴으로써 SS성분을 여과함과 동시에 인을 흡착할 수 있도록 복합여재 전여과재 및 인 흡착제에 의한 후 여과,흡착을 통하여 T-P를 제거한다.

즉, 인필터(80)의 구성은, 섬유상 또는 폴리우레탄을 포함한 합성수지를 충진하여 상기 방류수중에 포함된 SS성분을 여과하고 인성분을 흡착하는 전여과재 및, 하이탈사이트계 또는 지르코늄계를 포함한 흡착제를 충진하여 인성분을 흡착하는 주여과재로 이루어진다.

따라서, 본 발명에 의한 고도여과장치는 실시간으로 T-N, T-P를 모니터링하여 T-P의 제거가 일시적으로 불안할 경우, 즉시 유출수 배관을 인필터(80)의 방향으로 전환하여 항시 방류수의 수질을 최상으로 유지하도록 한다.

본 발명에 의한 장치를 이용하여 시간제어를 통한 DO의 농도를 모니터링한 자료는 표 1과 같다. 제1반응조(30)는 용존산소농도가 평균 0.5㎎/ℓ으로 유지되면서 혐기-무산소-준혐기 상태를 유지하며 운영되었고, 제2반응조(40)는 평균 1.5㎎/ℓ이상 호기 및 무산소 상태에서 운영된다.

한편, 본 발명에 의한 장치를 이용하는 운전 방식의 또 다른 형태로는 산소센서(DO)에 의한 제어 방식으로서, 폭기-교반의 교번 운전을 통한 제1반응조(30)과 제2반응조(40)의 형태는 표 2와 같다.

따라서, 제1반응조(30)에서 폭기와 교반의 시간과 교반시 수행되는 교반시간과 교반강도 등이 수질에 결정적인 영향을 미치는 것을 알 수 있었으며, 1시간당 반복되는 횟수는 유입수의 온도와 운전의 조건에 따라 유출수 수질의 영향을 많이 발생시키나 3~6회의 교번 운전을 진행하였고, 호기운전에서 무산소 및 혐기운전으로 전환될 시에는 암모니아성 질소 및 질산성 질소의 농도에 의해 폭기 시스템에 의한 유기적인 시간 제어가 가능하였다.

[표 1] 각 반응조의 DO농도

그리고, 제2반응조(40)에서는 호기와 무산소 상태로 운전함으로써 유기물질을 제거하고 산화된 질산성 질소를 제2반응조로 내부반송을 통해 질소나 인의 영양물질을 제거하는 고도처리가 가능하였다.

이는 외부의 공기를 반응조 내로 유입시켜 DO농도 증가를 통한 미생물의 활동도를 증대시키며, 반응조의 수면에서부터 바닥면까지의 원할한 교반 작업이 본 공정의 주요 부분으로 이는 제1반응조와 제2반응조 모두 교반기과 폭기기를 동시에 가동하여 산소가 원활히 녹아들어 가게 함으로서 가능하게 한다.

이는 기존의 각기 혐기조-무산소조-호기조를 별도로 갖는 반응조의 역할을 제1반응조(30) 또는 제2반응조(40) 각각 2개의 반응조에서 수행함으로써 충분한 고도 처리 공정을 달성하였다.

[표 2] 반응조의 교번 운전에 의한 DO 농도

한편, 제1,2반응조(30,40)에 공기를 공급하는 제1방법으로서 블로워(BLOWER)나 디퓨져(DIFFUSE)에 의한 방법과 제2방법으로서는 표면 폭기기를 이용하는 방법 이 있으며, 교반작업의 제1방법으로서는 수중믹서(MIXER)와 제2방법으로서는 하이드로포일형 교반기를 이용하는 방법이 있다.

따라서, 본 발명에서는 표면 폭기기와 수중믹서의 교대운전이 가능한 폭기교반기(90)를 이용하였고, 이로 인해 유기적이고 순간적으로 폭기와 교반을 수행할 수 있고 유지관리비와 전력비를 획기적으로 줄일 수 있었다.

한편, 도 5에서와 같이, 폭기교반기(90)는, 구동모터(91)의 의해 회전하는 회전축(92)을 통해 구동력을 발생하는 구동부와; 상기 회전축(92)의 둘레면에 각각 장착된 폭기임펠러(93-1)와 교반임펠러(93-2)를 통해 하수의 폭기 및 교반기능을 수행하는 작동부; 상기 회전축(92)의 둘레면에 장착된 가이드판(94)을 통해 하수를 확산 및 안내하는 확산부 및; 상기 가이드판(94)의 둘레에 감싸진 살수각조절기(96)를 통해 살수방향 및 범위를 조절하는 조절부로 이루어진다.

또한, 살수각조절기(96)는, 상기 가이드판(94)에 지지대와 지지판을 통해 장착되어 상기 가이드판(94)과의 사이에 측면유로를 형성하는 가이드밴(96-1)와, 상기 가이드밴(96-1)의 하면에 결합되어 상기 가이드판(94)과의 사이에 하면유로를 형성하는 원통몸체(96-2)로 이루어진다.

또한, 상기 원통몸체(96-2)의 하단부에 하수의 흡입을 원활히 하여 폭기공정을 수행하기 위한 확관부(96-3)가 장착되며, 상기 가이드판(94)의 외면에 원통몸체(96-2)와 함께 하수의 흐름을 유도하는 각부(94-1)가 형성된다.

이때, 폭기교반기(90)는, 하수의 폭기과정에서 물의 확산이 원형으로 이루어지지만 상기 가이드밴(96-1)의 형상에 따라 장방향 또는 직사각형으로 폭기가 이루어진다.

또한, 도 6의 작동성능에 도시한 바와 같이, 폭기교반기(90)에 의해 폭기와 교반이 동시에 이루어진다고 가정하더라도 호기공정을 포함한 교호작용이 원활히 이루어짐을 알 수 있었다.

또한, 표 3에서와 같이, 공지의 발명과 같이 고도처리장치의 전단에 혐기성 조를 두지 않고 제1반응조(30)에서는 혐기-무산소-호기를 처리하고 제2반응조(40)에서 호기-무산소 공정을 처리함으로써 부지의 절약 및 운전비의 절감할 수 있을 뿐만 아니라 공지의 발명과 같이 혐기성조를 전단에 두지 않고 제1반응조와 제2반응조 만으로 고도처리를 진행하는 가능해진다.

한편, 본 발명은 제2반응조에서 질산화된 하수를 제1반응조에서 탈질을 유도하는 공정에서 제1반응조와 제2반응조 그리고 최종 침전지의 슬러지를 유동적으로 투입하는 내부 반송라인을 갖는다.

[표 3] 반응기의 고도처리과정을 도시한 모식도

즉, 활성화된 슬러지의 고형물 체류 시간을 적절하게 유지하고 원할한 하수 고도처리 공정을 이룩함과 동시에 반응조의 혼합형 부유 고형물(MLSS)을 높게 유지(3~5,000이상㎎/L)하여 운전함으로써, 질산화의 효율을 증가시키고 슬러지 고형물 체류시간(SRT)이 증가한다.

이로 인해, 슬러지 자산화가 증가하며, 슬러지 발생량이 줄어드는 효과를 가 져온다. 이는 슬러지 처리에 소요되는 비용이 전체 하폐수처리 비용에서 차지하는 부분이 크기 때문에 본 발명의 또 다른 장점이라 하겠다.

본 공정의 공정 제어는 유량 조정조 또는 최초 침전지로부터 유입되는 하수의 량이 급격하게 변동 또는 감소할 경우 즉 하절기와 동절기의 운전시 3Q의 유량 변동이 발생하거나 외부의 요인에 의해 유량이 변동될 경우 최초침전지에서 전동 밸브나 게이트밸브에 의해 제1반응조 또는 제2반응조로 한 반응조로만 유입되게 하여 연속 회분식 공정으로 진행된다.

이때도 물론 혐기-무산소-호기의 운전을 하는 고도 처리 공정이 이루어 지며, 침전은 최종 침전지에서 침강 작용이 이루어진다. 제1반응조의 유입되는 하수는 고도처리 공정이 이루어지는 시점에서는 제2반응조로 오폐수는 유입이 되며 제2반응조도 같은 고도처리 공정이 이루어지며, 이때 유량의 변동은 유입유량계에 의해 자동으로 연속 회분식으로 전환된다.

즉, 제1반응조와 제2반응조가 각기 독립적인 운전을 하면서 연속 회분식 공정을 진행한다는 것이다.

본 공정의 내부 반송라인은 제2반응조에서 제1반응조로 구성되는 라인과 최종 침전지에서 제1반응조 또는 제2반응조로 선택적으로 투입이 가능한 복수개의 반송 라인을 구성하여 제1반응조 또는 제2반응조를 선택적으로 운전 가능하도록 하는 것이 본 특허의 장점이다.

이는 동절기 및 하절기 3Q의 유량 변동에 대비 한 개의 반응조를 가동할 경우 선택적으로 반송슬러지를 투입 부유 고형물(MLSS) 농도를 어느 반응조의 경우라 도 지속적으로 일정하게 유지함으로써 오폐수 고도처리에서 최고의 수질을 확보할 수 있다.

특히, 표 4는 제1반응조(30)의 무산소-준혐기-혐기의 교호작용이 발생하는 상태를 도시한 도면이고, 표 5는 제2반응조(40)의 준호기-호기의 효과작용이 발생하는 상태를 도시한 도면으로서, 본 발명은 폭기교반기(90)를 제1반응조 또는 제2반응조를 이용하여 순간적인 DO상승 및 혐기-무산소-호기 그리고 호기-무산소의 운전을 1대의 다기능 폭기교반기(90)를 이용함으로써 고도처리 공정의 단순함과 운전비의 절감이 가능하였다.

[표 4] 제1반응기의 교호작용을 도시한 그래프

한편, 폭기교반기(90)는 구동모터(91)와 폭기임펠러(93-1)와 교반임펠러(93-2)를 동시에 갖는 회전축과, 살수방향을 결정하는 가이드밴(96-1) 등으로 구성되며, 장치의 회전 방향에 따라 폭기기능과 교반기능을 반복하는 장치이다.

그리고, 폭기교반기(90)에 의한 폭기시 물의 살수는 가이드밴(96-1)에 의해 원형 또는 사각형의 반응조에 고르게 살수되어 사각지대(Dead Zone)를 최소화하였고, 이를 통해 산소 전달률을 향상시킨다.

그리고, 폭기교반기(90)의 교반시에는 가이드밴(96-1)의 형상에 의해 사각형 또는 장방형 반응조의 가장자리까지 원활히 교반이 이루어지게 되며 슬러지의 반응조 내에서의 원활한 유동 현상이 발생하여, 반응조 내의 혐기화가 되는 것을 방지하고 표면의 유속을 혐기시 산소와 접촉을 피할 수 있는 최저의 유속으로 운전을 유지하는 것이 장점이다.

[표 5] 제2반응기의 교화작용을 도시한 그래프

본 발명에서는 다기능 폭기교반기를 이용함으로써 제1반응조의 혐기-무산소-호기 또는 제2반응조의 호기-무산소의 교호 작용을 원할히 제어할 수 있는 장점을 가질 수 있다. 이는 블로워와 산기관 그리고 교반기로서 본 발명에 맞는 운전을 진 행할 수 있지만, 본 발명의 공정을 보다 원활하게 달성하는 데 있어서 다기능 복합 폭기교반기가 본 파일롯 테스트에서는 가장 효율적이라 하겠다.

복합 반응조의 폭기 방식은 표면 폭기 방식으로 폭기시 미세한 오폐수가 대기 중으로 방출되어 악취의 원인이 되므로 복합 반응조를 사용할 경우 반응조의 전체를 커버를 부착하여 비산되는 것을 방지한다.

본 발명의 또다른 특징으로는 수영용수 수준의 방류수를 확보하고 호소의 부영양화를 막기 위해 운전되는 오폐수 고도처리공정에서, 방류수의 수질을 수시로 감시하여 적정 수준의 인이 제거되지 않을 경우 도 3과 같이 전동밸브나 게이트밸브에 의해 바로 인필터(80)로 방류수를 전환하여 인의 제거공정을 진행한다.

한편, 본 발명은 분류식 하수를 이용한 설비로서 생물반응조(60㎥ × 2조 HRT 8시간)를 구성하였고 일 처리량을 300~350㎥/d로 설계하였으며, 본 장치의 운전조건은 표 6과 같았다.

[표 6] 고도처리장치의 운전조건

[표 7] 영양물질의 제거율(계절별)

여기서, 표 7에 의하면, 본 발명의 장치를 가동한 결과 동절기를 제외하고는 질소의 제거효율이 60％ 이상을 유지함은 물론 인의 제거효율이 50％ 내외를 유지하여, 하수 중에 포함된 대부분의 영양물질이 제거됨을 알 수 있었다.

[표 8] 영양물질의 제거율(실시간)

[표 9] 영양물질의 제거율을 도시한 그래프도

그리고, 고도처리장치의 운전시 수리학적 체류시간(HRT ) 8시간 중 6회의 운전이 최상의 효율을 얻는 것으로 되어 있으나 본 실시에서는 시간당 3~6 회의 교호 작용을 수행하여도 하수 고도처리의 최상의 수질을 확보할 수 있었다.

그리고, 표 8과 표 9에 의하면 본 발명에 따른 장치를 가동한 결과 질소나 인이 적어도 70～80％ 정도가 제거되었으며, 이로 인해 하수 중에 포함된 각종 영양물질의 대부분 제거되어 수영용수로의 사용이 가능함을 알 수 있었다.

도 1은 일반적인 기술에 따른 오폐수처리라인을 도시한 공정도,

도 2는 일반적인 기술에 따른 고도처리방식을 도시한 모식도,

도 3은 본 발명에 따른 고도처리장치를 도시한 블럭도,

도 4는 본 발명에 따른 고도처리장치를 도시한 전체시스템,

도 5는 본 발명에 따른 고도처리장치의 폭기교반기를 도시한 개략도,

도 6은 본 발명에 따른 폭기교반기의 작동과정을 도시한 모식도이다.

* 도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 침사인양기 20 : 최초침전지

30 : 제1반응조 40 : 제2반응조

50 : 내부반송관 60 : 최종침전지

70 : 제어부 80 : 인필터

90 : 폭기교반기

Claims

침사인양기와 최초침전지에 의해 유입되는 하수를 수용하여 영양물질을 제거하고 최종침전지(60)를 통해 배출하는 고도처리장치로서;

상기 최초침전지(20)에 의해 유입되는 하수를 수용하여 혐기-무산소-호기공정을 수행하는 제1반응조(30); 상기 제1반응조(30)에 의해 유입되는 하수를 수용하여 호기-무산소공정을 수행하는 제2반응조(40);

상기 제2반응조(40)에 의해 질화된 하수를 상기 제1반응조(30)로 반송시킴은 물론 상기 제2반응조(40)와 최종침전지(60)에 의해 형성된 슬러지를 상기 제1반응조(30) 또는 제2반응조(40)로 반송시키는 내부반송관(50);

상기 제1,2반응조(30,40)에 설치되면서, 구동모터(91)의 의해 회전하는 회전축(92)을 통해 구동력을 발생하는 구동부와, 상기 회전축(92)에 장착된 폭기/교반임펠러(93-1,93-2)를 통해 하수를 폭기 및 교반하는 작동부, 상기 회전축(92)에 장착된 가이드판(94)을 통해 하수를 확산 및 안내하는 확산부, 및 상기 가이드판(94)에 감싸진 살수각조절기(96)를 통해 살수방향을 조절하는 조절부로 구성한 폭기교반기(90); 및

상기 제1,2반응조(30,40)에 구성된 센서의 신호를 입력받아 상기 폭기교반기(90)에 작동신호를 출력하고 상기 내부반송관(50)을 제어하는 제어부(70);

를 포함하는 것을 특징으로 하는 2단 반응조를 갖는 고도 처리장치.
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제 1항에 있어서, 상기 최종침전지(60)는,

그 배출관로에 섬유상 또는 폴리우레탄을 포함한 합성수지를 충진하여 상기 하수중의 SS성분을 여과하고 인성분을 흡착하는 전여과재; 및 하이탈사이트계 또는 지르코늄계를 포함한 흡착제를 충진하여 인성분을 흡착하는 주여과재로 구성한 인필터(80)가 장착된 것을 특징으로 하는 2단 반응조를 갖는 고도 처리장치.
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제 1항 또는 제 4항에 있어서, 상기 최종침전지(60)는,

그 배출관로에 상기 인필터(80)의 설치방향으로 상기 하수의 배출방향을 유도하는 전동밸브 또는 게이트밸브 중 어느 하나가 장착된 것을 특징으로 하는 2단 반응조를 갖는 고도 처리장치.
제 1항에 있어서, 상기 센서는,

상기 제1반응조(30) 또는 상기 제2반응조(40)에 각각 구성된 산화환원전위차계(31,41) 및 산소센서(32,42)인 것을 특징으로 하는 2단 반응조를 갖는 고도 처리장치.
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제 1항에 있어서, 상기 살수각조절기(96)는,

상기 가이드판(94)에 지지대와 지지판을 통해 장착되어 상기 가이드판(94)과의 사이에 측면유로를 형성하는 가이드밴(96-1)과, 상기 가이드밴(96-1)의 하면에 결합되어 상기 가이드판(94)과의 사이에 하면유로를 형성하고 그 하단부에 상기 하수의 방향을 확산하는 확관부(96-3)를 형성한 원통몸체(96-2)로 이루어진 것을 특징으로 하는 2단 반응조를 갖는 고도 처리장치.
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제 1항 또는 제 12항에 있어서, 상기 가이드판(94)은,

그 외면에 상기 원통몸체(96-2)와 함께 하수의 흐름방향을 유도하는 각부(94-1)가 형성된 것을 특징으로 하는 2단 반응조를 갖는 고도 처리장치.
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제 1항에 있어서, 상기 내부반송관(50)의 개폐과정에서,

상기 제2반응조(40)의 하수가 상기 제1반응조(30)로 이송되면서 상기 최종침전지(60)의 슬러지가 제1반응조(30)로 반송되는 공정; 및 상기 최종침전지(60)의 슬러지가 제2반응조(40)로 반송되는 공정이 독립적 또는 상호 호환적으로 작동하는 것을 특징으로 하는 2단 반응조를 갖는 고도 처리장치.
제 1항에 있어서, 상기 내부반송관(50)은,

그 관로상에 상기 제어부(70)의 신호에 따라 작동하는 슬러지반송유량계(51,52)와 슬러지반송펌프(53)와 내부반송유량계(54)와 내부반송펌프(55)가 장착된 것을 특징으로 하는 2단 반응조를 갖는 고도 처리장치.