KR101005470B1 - 동력학적 전기분해 및 철 여과를 통한 생물학적 처리수의 인 제거 장치 - Google Patents

동력학적 전기분해 및 철 여과를 통한 생물학적 처리수의 인 제거 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 생물학적 처리수 및 MBR 반응조 유출수 내의 인을 응집제에 의한 화학적 산화 및 알루미늄과 철을 이용한 전기화학적 전기분해 방법과 철 스크랩 메디아를 충진하여 생성된 침전성이 낮은 플록을 여과하고 인을 흡착할 수 있는 여과지를 단일 반응조 내에서 동시에 구성한 패키지화된 시스템으로 인을 단시간에 안정적이고 효과적으로 처리하기 위한 생물학적 처리수 및 MBR 반응조 유출수의 인 제거 장치에 관해 개시된다.

Description

동력학적 전기분해 및 철 여과를 통한 생물학적 처리수의 인 제거 장치{Phosphorus Removal Equipment of Biological Treatment Effluent by Dynamic Electrolysis Fe Filter}
본 발명은 생물학적 처리수 내의 인 제거 장치에 관한 것으로써, 상세하게는 생물학적 처리공정 및 MBR(Membrane bio-reactor) 유출수 내의 인 제거를 목적으로 한다. 일반적으로 생물학적 처리공법에서 인을 제거할 수 있는 한계 농도가 0.5~1mg/L로 알려져 있으며, MBR 반응조에서 폭기조 내 미생물의 양 또는 생물학적 활성을 갖는 오니량을 표시하는 지표인 혼합액 부유 고형물(Mixed Liquid Suspended Solid; MLSS)을 고농도로 유지하기 위해 긴 고형물 체류시간(SRT; Sludge retention time)으로 운영하는 장치 내에서 인의 축적으로 인한 생물학적 인 제거의 한계를 단일 반응조 내에서 라인믹서를 통한 화학적 응집 또는 알루미늄 및 철의 전기응집과 철 스크랩 메디아 여과를 동시에 수행하여 인을 제거하는 장치에 관한 것이다.
일반적으로 생물학적 처리공정 및 MBR 공정에서 유기물질과 부유물질의 제거는 95%이상의 효율을 나타내고 있으며, 질소의 제거는 70%이상의 효율을 나타내고 있는 실정이다. 하지만 인의 경우 50%미만의 제거효율을 나타내고 있어 인 제거에는 한계를 보이고 있다.
인 제거를 위한 처리방법으로는 물리화학적, 생물학적, 전기화학적 처리공법으로 분류되고 있으며, 그 중 생물학적 처리공법은 처리비용이 저렴하고 슬러지 발생이 적지만, 처리시간이 길고 유입수 중의 C/P비에 큰 영향을 받아 운전조건이 까다롭고 효율적인 운전이 어려운 단점을 지니고 있다. 그 외에 물리화학적 처리 공법에서 응집제를 이용한 응집공정이 가장 많이 이용되고 있으며 처리공정이 간단하고 처리시간이 빠른 장점을 갖고 있지만, 탁질 물질이 많이 포함된 시설에서는 약품비가 많이 들고 슬러지 발생량이 많아 슬러지 처리비용이 많이 드는 단점을 갖고 있다. 하지만, 생물학적 처리수 및 MBR 유출수 내의 부유물질이 적기 때문에 과량의 응집제가 필요하지 않으며, 슬러지 발생량 또한 낮게 나타난다. 하지만 침전성을 갖는 마이크로-플록(Micro-floc)의 생성에 한계가 있으며, 그에 따른 침전효율 역시 낮게 나타나고 있어 많은 문제점을 보이고 있기 때문에 후단에 여과지와 같은 후처리 시설의 필요성이 부각된다. 또한 폴리머(Polymer) 및 마이크로-샌드(Micro-sand)와 같은 응집보조제를 사용하거나 경사판을 이용하여 침전효율을 높이는 방법도 제시되고 있지만, 약품 투입비와 시설비의 증가 및 설치면적의 제약성으로 실용화가 되지 못하고 있는 실정이다.
또한, 인 제거를 위한 전기화학적인 방법으로는 하수 처리장치 전해조의 양극과 음극에 철이나 알루미늄을 이용하는 전기분해 방법이 알려져 있다. 그러나 이 방법은 하루 10,000톤 이상의 대용량 처리시설에서는 많은 양의 전기가 필요하여 경제성의 문제가 있으며, 철 이온이 과잉 용출되어 폐수가 적색의 색도를 띄게 되는 단점이 있고, 처리 목적 원수가 부유물질이 높은 하수 및 폐수 원수를 이용하여 응집 개념의 처리 후 침전시키는 것이기 때문에, 전해질인 알루미늄이나 철의 소모가 많을 뿐 아니라 슬러지 발생량이 매우 많은 단점이 있으며 저 탁수의 처리 시 생성된 플록(floc)의 침전성이 떨어져 침전지 추가설치 등 처리효율의 문제점을 지니고 있다.
따라서 본 발명자들은 위와 같은 단점을 보완하기 위하여 생물학적 처리수 및 MBR 유출수와 같이 부유물질의 양이 적은 저 탁수 내에서 제거되지 않은 인이 하루 10,000톤 이하의 시설에서는 전기분해에 의해서 전기응집 되고, 하루 10,000톤 이상의 시설에서는 라인믹서를 통하여 응집제에 의한 화학적 응집이 진행되어, 생성된 플록은 철 스크랩 메디아로 충진된 여과지에서 제거되는 동시에 반응하지 않고 잔류되어 있는 인을 다시 철 메디아에서 흡착시켜 제거시킴으로써 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 생물학적 처리수 및 MBR 유출수 내의 인을 응집제에 의한 화학적 응집과 알루미늄 및 철을 이용한 전기화학적 전기분해 방법과 철 스크랩 메디아를 충진하여 생성된 침전성이 낮은 플록을 여과하고 인을 흡착할 수 있는 여과지를 단일 반응조 내에서 동시에 구성한 패키지(Package)화된 시스템으로 인을 단시간에 안정적이고 효과적으로 처리하기 위한 장치를 제공하기 위함이다.
본 발명의 또 다른 목적은 향후 강화될 방류수 내의 인 수질기준(0.2mg/L 이하)에 적합한 후속 처리공정을 개발하여 생물학적 처리의 인 제거 한계를 보안하기 위함이다.
또한 우리나라 지방자치단체나 현재 가동 중인 하수처리장 또는 신설될 하수처리장에서 인 제거를 위한 디이에프에프 시스템(DEFF System; Dynamic Electrolysis Fe Filter System)을 상용화하기 위함이며, 나아가 우리나라와 여건이 비슷한 중국, 동남아시아 등 해외시장의 개척을 위함이다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은;
생물학적 하수처리장의 유출수 또는 MBR 반응조 유출수를 유입하기 위한 원수 유입구와 처리된 처리수를 배출하기 위한 처리수 유출부를 구비하며 유입구에는 라인믹서를 구비하여 처리 용량에 맞는 처리공정을 선택적으로 운영하게 하고, 전기응집 반응조(반응조) 내에 전극과 연결되는 알루미늄 및 철판이 구비되며, 플록형성을 위한 교반기가 구비되고, 여과지 하부에는 슬러지를 배출하기 위한 슬러지 유출부를 갖고, 내부에는 철 스크랩 메디아를 충진한 여과지가 구비되는 생물학적 처리수 및 MBR 반응조 유출수의 인 제거 장치가 제공된다.
상기에서 원수 유입구로 유입되는 원수는 유입수 펌프를 통해 유입될 수 있고, 유입관에 라인믹서가 구비될 수 있다. 상기 응집제나 알루미늄 및 철판은 통상의 것을 사용할 수 있다.
또한 상기 슬러지 유출부에는 슬러지를 유출시키기 위한 드래인 밸브가 장착될 수 있으며, 그 상부에는 슬러지 스크래퍼가 구비될 수 있다.
또한 상기 전기응집 반응조(반응조) 상부에는 상기 반응조 내의 유입 원수를 교반하기 위한 교반기가 설치될 수 있으며, 상기 반응조의 외측에는 반응조 하부로 설치되는 역세 노즐이 있는 역세 척수 이동관로가 연결된 역세척 펌프를 구비할 수도 있다.
또한 상기 전극에는 전력 조절장치가 구비되며, 상기 철 메디아는 산업폐기물인 선반철을 압축시킨 철 스크랩을 이용할 수도 있다.
본 발명은 생물학적 처리수 및 MBR 반응조 유출수 내의 인 제거를 위하여 응집제를 이용한 화학적 응집이나 알루미늄과 철을 이용한 전기응집 반응조와 철 스크랩 메디아 여과지를 설치하여 강화되는 하수 방류수 내의 인 수질기준을 만족시킬 수 있고 하·폐수 처리 분야의 새로운 방향을 제시하는 첨단 환경기술(ET)이다.
따라서 본 발명에 의하면 단일 반응조 내에 응집제를 이용한 화학적 응집에 의한 인 제거 및 알루미늄과 철의 전기응집을 이용한 전기화학적 인 제거와 침전성이 낮은 슬러지 및 반응하지 않은 잔류 인을 철 스크랩 메디아가 충진 된 여과지에서 흡착이 동시에 수행되고, 또한 강화되는 방류수 내의 인 수질기준을 만족시킬 수 있는 후속공정으로서 시스템이 간단하고 운전이 용이하기 때문에 하수 처리시장을 개척할 수 있을 것이다.
또한, 신설 또는 기존에 운영 중인 하수 처리시설로부터 유출수의 인 농도를 0.2mg/L 이하로 배출이 가능하고 패키지화된 반응조와 쉬운 운전조건으로 국가, 지방자치 및 각 하수 처리장에서 바로 이용할 수 있어서 우리나라의 하수처리 여건에 맞는 하수 내의 인 처리에 대한 대안을 제시하는 국산화된 처리공정으로 상용화를 통한 시장개척이 가능하고, 초기투자비, 유지관리비, 판매수익 등의 면에서 충분히 경쟁력이 있기 때문에 국내 시장뿐만 아니라 향후 우리나라와 여건이 비슷한 중국과 동남아시아 등에 기술이전이 가능하여 하수처리 내의 인 제거를 위한 막대한 예산절감과 해외시장 개척이라는 효과를 얻을 수 있을 것이다.
도 1은 생물학적 처리수 및 MBR 반응조 유출수 내의 인 제거 시스템을 설명하기 위하여 도시화한 공정도이고 도 2 및 도 3은 본 발명에서 DEFF시스템의 인 제거 처리효율 그래프이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 원수 유입부 20 : 처리수 유출부
11 : 알루미늄 및 철판 30 : 슬러지 유출부
12 : 철 스크랩 메디아 여과지 40 : 유입수 펌프
13 : 양전하 50 : 전력 조절 장치
14 : 음전하 60 : 역세척 펌프
15 : 라인믹서 70 : 교반기 모터
16 : 드래인 밸브 100: 본 발명장치
17 : 역세 노즐
41 : 응집제 펌프
42 : 원수 유입관
61 : 역세척수 이동 관로
101 : 전기응집 반응조
이하에서는 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명은 생물학적 하수처리 및 MBR 유출수의 인 제거 한계를 극복하기 위하여 단일 반응조 내에서 응집제를 이용한 화학적 응집 및 알루미늄 및 철 전기응집과 철 메디아 여과장치를 동시에 수행하여 인을 제거하는 장치를 구상하였으며, 개략적인 장치구성은 도 1과 같다. 본 발명의 장치(100)는 알루미늄 및 철의 전기응집을 이용하여 양극에서 산화된 Al3+나 Fe3+와 인을 화학적으로 결합시켜 제거시키는 알루미늄 및 철 전기응집 반응조(101)와 생성된 AlPO4와 Al(OH)3나 또는 FePO4와 Fe(OH)3같은 플록을 여과하는 동시에 반응하지 않고 잔류된 인의 흡착이 가능한 철 스크랩 메디아를 충진시킨 철 스크랩 메디아 여과지(12)로 구성되어 있다.
먼저 유입수 펌프(40)및 라인믹서(15)를 통해 유입되는 생물학적 처리수 및 MBR 유출수는 하향류식으로 알루미늄 및 철 전기응집 반응조(101)로 유입되며, 화학적 응집과 알루미늄 및 철의 전기응집에 의해서 생성된 슬러지는 철 스크랩 메디아 여과지(12)로 유입되어 침전성이 불량한 플록은 여과되고, 화학적 응집과 전기응집에 의해 알루미늄이나 철(11)과 반응하지 않은 잔류 인은 철 스크랩 메디아 여과지(12)에 흡착되어 제거된다. 알루미늄 및 철 전기응집 반응조(101) 유입부에 라인믹서(15)를 설치하여 응집제와 유입수의 혼화가 이루어진다. 침전된 슬러지는 반응조 하단에서 드래인 밸브(16)로 처리되고 철 스크랩 메디아 여과지(12)에 부착된 플록을 역세척으로 제거하기 위해 여과지 하단에 역세노즐(17)을 설치한다.
상기에서는 또한 전기응집 반응조(101)내에 전기분해된 원수의 플록형성을 위하여 교반기 모터(70)로 회전하는 교반기(71)가 설치될 수 있다.
상기 역세노즐(17)은 역세척 펌프(60)와 연결된 역세척수 이동관로(61)와 연결되어 있어서 역세척수를 공급받게 된다. 알루미늄과 철 전기응집 반응조(101)에서는 상부의 전력 조절장치(50)를 통해 전류가 발생하게 되고 이때 전자의 이동이 일어나 Al과 Fe는 용해되어 물속으로 용출되는데, 이때의 산화와 환원반응의 기본 맥락은 전자의 흐름이다. 즉 전류발생에 의한 전자의 이동에 의해 전자를 주고받는 과정에서 금속의 한편은 산화가, 한편은 환원이 이루어지는 것인데 수 처리에서는 산화제로 사용되는 것들은 산소를 내어놓거나 금속자체가 산화되면서 이웃한 물질에게 전자를 제공하여 물질을 분해시키는 것이다. Al과 Fe전극을 사용하였을 때의 금속 수산화물 생성 메커니즘은 다음과 같으며, 화학적 응집에 의한 인 제거 메카니즘은 아래 표의 음극의 반응과 동일하다.
Electrode 1. Aluminum 2. Iron


Anode		 Al → Al2 + + 2e-
Al2 + → Al3 + + 3e-
4OH- → 2H2O + O2 + 4e- 		Fe → Fe2 + + 2e-
Fe2 + → Fe3 + + 3e-
4OH- → 2H2O + O2 + 4e-


Cathode		 H2O → H+ + OH-
Al3 + + PO4 3 - → AlPO4↓
Al3 + + 3H2O → Al(OH)3 + 3H+ 		H2O → H+ + OH-
Fe3 + + PO4 3 - → FePO4↓
Fe3 + + 3H2O → Fe(OH)3 + 3H+
일반적으로 생물학적 처리공정 및 MBR 반응조에서 유기물질과 부유물질의 제거는 95%이상의 효율을 나타내고 있으며, 질소의 제거는 60%이상의 효율을 나타내고 있는 실정이다. 하지만 인의 경우 50%미만의 제거효율을 나타내고 있어 인 제거에는 한계를 보이고 있다.(표 2)
생물학적 공정 및 MBR 반응조 제거효율

Parameter
Influent
 Effluent Rem. eff. (%)
Biological Treatment MBR Bio.
Treat.		 MBR
TCOD 692 34 21 95 97
SCOD 121 20 15 83 88
T-N 41 14 15 66 64
T-P 4 1.5 3 63 21
SS 300 8 3 97 99
[실시예]
본 발명의 실시예에서 다이내믹 일렉트로리시스 페릭 필터레이션(DEFF System)의 전기분해 장치의 부피는 0.105㎥이며, 플록형성조의 부피는 0.063㎥, 여과장치의 부피는 0.127㎥으로 총 반응조 부피는 0.295㎥이었다. 전기분해 장치의 수리학적 체류시간은 90sec이며, 여과장치의 여과속도는 300~500m/d로 운전하였다.
전기분해 장치의 전압은 30V로 운전하였으며, 하루 처리용량은 100㎥/d이다. 기타 운전조건들은 표 3에 요약하였다.
Operation conditions of DEFF system
Electrolysis reactor volume (m3) 0.105
Flocculation reactor volume (m3) 0.063
Ferric filter voluame (m3) 0.127
Total reactor volume (m3) 0.295
Electrolysis reactor HRT (sec) 90
Flocculation reactor HRT (sec) 54
Ferric filter filtration velocity (m/d) 300
Voltage (V) Up to 20V
Ampere (A) 400
Q (m3/d) 100
실제 하수 유출수를 이용한 DEFF 시스템 내에 용존성 인의 제거효율이 전기분해 반응에서는 90%, 철 여과지에서는 50%이상으로 나타났으며 전체 반응에서 용존성 인 제거율이 최대 97%로 나타났다.
생물학적 처리수의 응집제 주입량
응집제 주입량(mM) 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
응집 후 pH 7.09 7.1 7.08 7.07 7.05 7.02 6.99
TCOD(mg/L) 26 21 21 18.5 21 18.5 18.5
SCOD(mg/L) 21 13.5 13.5 13.5 16 16 13.5
SS(mg/L) 5 5 7 10 12 12 14
T-N(mg/L) 20.55 19.58 17.54 17.48 17.36 17.36 17.36
T-P(mg/L) 0.754 0.311 0.187 0.143 0.094 0.047 0.036
PO4 3 --p(mg/L) 0.412 0.033 0.025 0.03 0.012 0.007 0.003
Turbidity(NTU) 2.96 2.2 1.98 1.84 1.66 1.55 1.46
생물학적 처리수 내의 용존성 인의 농도는 0.412mg/L였으며, 0.01mM(=6.6mg/L as Alum)의 적은 주입량에서도 용존성 인의 농도가 0.1mg/L 이하로 나타나는 것을 알 수 있다(표 4).
본 발명에서 사용된 생물학적 처리수의 용존성 인의 농도는 0.5~2.0mg/L이었으며, 전기응집 장치의 전압을 10, 20, 30V로 변화시키고 체류시간을 60, 90, 120sec으로 하였다. 철 메디아 여과지의 여과속도를 300, 400, 500, 600m/d로 변화시켜 유입수 농도를 0.3~0.6mg/L로 하여 DEFF 시스템을 통과한 MBR 유출수의 용존성 인 농도를 측정한 결과를 도 2와 3에 나타내었다. 도 2와 3에서 확인할 수 있듯이 전기분해 장치에서 전압을 높게 유지시킬수록 인 제거 효율이 높게 나타났으며, 인 농도가 2mg/L의 높은 농도에서 20V 이상의 전압을 가해야 0.2mg/L 이하로 낮출 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 철 스크랩 메디아 여과지에서 여과속도를 낮게 할수록 인 제거 효율이 높게 나타났으며, 여과 속도 300m/d 이상에서 유출수 내의 인 농도가 안정적으로 나타났다. 30V의 전압과 300m/d의 여과속도에서 전기분해 반응조와 철 여과지의 용존성 인 제거효율은 각각 90, 50% 이상으로 나타나 전체 시스템에서 용존성 인 제거효율이 97% 이상으로 나타났다.
또한, 철 스크랩 메디아 여과지의 연속식 Batch Test에서 확인할 수 있듯이 전기분해에서 용존성 인의 농도를 0.6mg/L 이하로 제거시켜 준다면, 여과속도 600m/d까지 유출수 인 농도를 0.2mg/L 이하로 안정적인 유지가 가능하다. 즉, 유입되는 인의 농도가 낮을수록 전기응집 반응조의 주입되는 응집제나 전기용량이 적어지고, 후속되는 철 스크랩 메디아 여과지에서 빠른 여과속도로 처리가 가능하다.
상기에서 체류시간은 반응조 부피와 하루에 처리되는 물의 유량을 가지고 산정을 한 것이고, 여과 속도는 하루에 처리되는 유량과 철 여과지 반응조의 단면적으로 산정한 것이며 여과속도는 일반적인 하수 처리 설계기준에 급속여과 속도를 근거로 선정한 것이다. 여기서 체류시간의 경우 체류시간이 크면 그만큼 반응조 부피가 커진다는 것을 의미하는데, 즉 체류시간을 짧게 가져가야 경제성이 있으며 그 최소의 시간을 90초로 선정한 것이다.
또한, 전압 역시 높게 가져갈수록 경제성이 떨어지며 낮은 전압에서 30V까지 실험을 한 결과 유입되는 인의 농도에 따라 전압의 범위를 결정한 것이다.

Claims (4)

  1. 생물학적 처리수 또는 MBR 반응조 유출수를 유입하기 위한 원수 유입구와 처리된 처리수를 배출하기 위한 처리수 유출부를 구비하며, 유입구에는 시설용량에 따른 처리공정을 선택적으로 사용할 수 있는 라인믹서를 설치하고, 내부에는 전극과 연결되는 알루미늄 및 철판이 구비되며, 철 스크랩 메디아를 충진한 여과지가 구비되고 하부에는 슬러지를 배출하기 위한 슬러지 유출부를 갖고 있으며, 내부에는 전기분해된 원수의 플록형성을 위하여 교반기가 설치되며, 상기 철 여과지 하부에는 역세노즐이 있는 역세척수 이동관로가 연결된 역세척 펌프를 포함함을 특징으로 하는, 생물학적 처리수 및 MBR 반응조 유출수의 인 제거 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 전극에는 전력 조절장치가 구비되며 상기 철 스크랩 메디아는 산업폐기물인 선반철을 압축시켜 스크랩화하여 사용함을 특징으로 하는, 생물학적 처리수 및 MBR 반응조 유출수의 인 제거 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 장치내의 처리수 체류시간은 90초 이하이고 여과속도는 300m/d 이상임을 특징으로 하는, 생물학적 처리수 및 MBR 반응조 유출수의 인 제거 장치.
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