KR101017973B1 - 전탈질용 혐기장치를 이용한 하,폐수의 질소 및 인 제거 장치 및 제거 방법 - Google Patents

전탈질용 혐기장치를 이용한 하,폐수의 질소 및 인 제거 장치 및 제거 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하, 폐수의 고도처리 시에 호기조에서 무산소조로의 내부 순환, 침전조에서 혐기조로의 슬러지 재순환 시에, 혐기조의 전단에 별도의 슬러지 탈질조 및 예비 탈질조를 삭제하고 대신 전탈질용 혐기장치를 혐기조 내에 포함하여, 혐기조에서 인을 제거하는 하, 폐수의 처리 장치 및 처리 공정을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 하, 폐수 및 슬러지가 유입되어 싸이클론 내부에서 질산성 질소의 제거 및 싸이클론 외부에서 인 제거를 위한 혐기조건이 형성되도록 내부에 싸이클론 장치가 구비되는 혐기조, 혐기조의 처리를 거친 유동 및 유입수가 유입되는 무산소조, 무산소조를 거친 유동이 유입되며 산소가 주입되는 호기조 및 슬러지를 침전시켜 반송 및 인출하고 최종 처리수를 배출하는 침전조를 포함하는 것을 특징으로 하는 하, 폐수 처리 장치를 제공한다.

Description

전탈질용 혐기장치를 이용한 하,폐수의 질소 및 인 제거 장치 및 제거 방법{APPARATUS FOR REMOVING NITROGEN AND PHOSPHORUS FROM SEWAGE HAVING ANAEROBIC REACTOR ABLE TO DENITRIFICATE AND SEWAGE TREATMENT METHOD USING THE SAME}
본 발명은 하, 폐수에서 질소 및 인을 제거하는 처리 장치 및 처리 공법에 관한 것이다.
도 1은 하,폐수에서 질소 및 인을 제거하는 생물학적 처리 과정을 도식화한 것이다. 하, 폐수에서 질소를 제거하는 과정은, 호기조에서 질산화를 일으키는 Nitrosomonas와 Nitrobacter와 같은 독립영양세균에 의해 암모니아가 질산성 질소로 산화되며, 혐기 상태가 되면 탈질세균이 하수 중에서 질소량의 약 4배의 유기물을 섭취하고 이 과정에서 질산성 질소의 결합산소를 소비하여 질산성 질소는 산소 분자를 상실하고 질소 가스가 되어 대기 중으로 방출되며 질소가 제거된다.
도 2는 혐기 상태 및 호기 상태에서의 인의 방출 및 흡수 과정을 도식화한 것이다. 인 제거 박테리아는 혐기 상태에서 인을 흡수하고, 호기 상태에서 인을 방출한다. 한편 혐기조 내의 환경 조건이 인 제거 박테리아를 선택적으로 증식시키는데 결정적인 영향을 미치며, 혐기조에 질산성 질소가 2.5mg/L 이상 존재하면 인 방출이 저해된다.
표 1은 하, 폐수로부터 질소, 인을 제거하기 위해 개발된 A2/O 공정 및 A2/O 공정의 단점을 보완한 공정 등의 특성을 나타낸 것이다. 생물학적으로 질소와 인을 동시에 제거하기 위해 혐기, 무산소, 호기 조건의 조합으로 구성되어 있다.
공정
 제거효율 (%) HRT
(hr)		 SRT
(day)		 F/M Ratio
(kgBOD/kgMLSS.day)
운전인자
특성
질소 인
A/O 30 80 2~5 2~5 0.2~0.7 - 낮은 질소제거율
고부하 운전
A2/O 40~70 60 5~8 4~27 0.1~0.3 COD/TN＞12 반송슬러지 내 질산성 질소로 인한 낮은 인 제거율
Bardenpho 90 85 10~24 10~40 0.1~0.2 BOD/TN=5~7 저부하 운전
긴 체류시간
UCT 70 70 10~24 10~30 0.1~0.2 COD/TN＞7 내부순환비 : 1~6Q
VIP 75 85 6~8 4~7 0.2~0.5 BOD/TN＞5~7 운전이 복잡함
본 발명은 하, 폐수의 고도처리 시 침전조에서 혐기조로의 슬러지 재순환 시에, 혐기조의 전단에 별도의 슬러지 탈질조 및 예비 탈질조를 생략하고 대신 전탈질용 혐기장치를 혐기조 내에 포함하여, 혐기조에서 인을 제거하는 하, 폐수의 처리 장치 및 처리 공정을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 하, 폐수의 질소 및 인의 제거에 있어서, 기존 혐기조 내부에 전탈질용 혐기장치인 싸이클론을 설치하고, 유입수, 반송 슬러지, 유기 탄소원을 측방으로 유입함으로써 이때 발생하는 와류를 이용하여 무동력으로 혐기장치 내에서 교반이 일어나도록 하여 싸이클론 내부에서는 선회하면서 반송 슬러지 내의 질산성 질소가 제거되고, 싸이클론의 외부에서는 최적의 혐기조건을 형성하여 인 방출 제거 효율을 향상시킬 수 있는 하, 폐수의 처리 장치 및 처리 공정을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 무산소조의 전단에 유기물 반응기를 설치하여, 계측기의 제어로 자동 유입되어 유입수의 양 변화 및 수질 변동에도 안정적으로 탈질효율을 향상시킬 수 있는 하, 폐수의 처리 장치 및 처리 공정을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 호기조로 유입되는 하, 폐수에 산소를 공급하여 유기물의 산화와 암모니아성 질소의 질산화 및 인 섭취를 유도하는 생물막 담체를 구비하여 미생물 반응 속도의 증대 및 포기조의 생물막 담체 적층량을 조절하여 물 흐름도를 바꿔주고 유입수량의 변화 및 수질 변동에도 안정적으로 미생물을 배양, 증식할 수 있으며, 질소 및 인을 효율적으로 제거할 수 있는 하, 폐수의 처리 장치 및 처리 공정을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 하, 폐수 및 슬러지가 유입되어 싸이클론 내부에서 질산성 질소의 제거 및 싸이클론 외부에서 인 제거를 위한 혐기조건이 형성되도록 내부에 싸이클론 장치가 구비되는 혐기조, 혐기조의 처리를 거친 유동 및 유입수가 유입되는 무산소조, 무산소조를 거친 유동이 유입되며 산소가 주입되는 호기조 및 잉여 슬러지를 침전시켜 반송 및 인출하고 최종 처리수를 배출하는 침전조를 포함하는 것을 특징으로 하는 하, 폐수 처리 장치를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 예로, 혐기조 내에 구비되는 싸이클론은 내부에 복수 개의 베인이 형성되는 것을 특징으로 하는 하, 폐수 처리 장치를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 예로, 싸이클론 장치는 하, 폐수 및 슬러지의 유입압에 의해 선회하며, 하,폐수 및 슬러지를 교반하는 것을 특징으로 하는 하, 폐수 처리 장치를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 예로, 호기조로부터 생물막 담체를 흡입하여 배출하는 생물막 담체 이송 장치 및 다공성 드럼을 구비하여, 생물막 담체와 슬러지를 분리하는 생물막 담체 분리 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하, 폐수 처리 장치를 제공한다.
또한 본 발명은 하, 폐수를 유입하여 전탈질용 혐기 장치인 싸이클론을 이용해 혐기조 내에서 인을 제거하는 제1 공정, 혐기조를 거쳐 무산소조로 유입되는 하, 폐수로부터 탈질반응을 일으키는 제2 공정, 무산소조를 거쳐 호기조로 유입되는 하, 폐수에 산소를 공급하여 유기물의 산화와 암모니아성 질소의 질산화하고 호기성 미생물의 인 섭취를 유도하는 생물막 담체를 공급하는 제3 공정 및 호기조를 거친 하, 폐수를 침전시키는 제4 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 하, 폐수 처리 방법을 제공한다.
본 발명은 별도의 슬러지 탈질조나 예비 탈질조를 구성하지 않고, 혐기조 내에서 슬러지의 탈질이 이루어지고, 인 방출이 이루어져 높은 인 제거 효율을 기대할 수 있다.
또한 본 발명은 슬러지나 하,폐수의 유입압으로 혐기조 내에 마련된 싸이클론을 선회시켜, 슬러지의 탈질을 위해 별도의 교반 동력을 필요로 하지 않아 동력비가 절감된다.
또한 본 발명은 반송된 슬러지가 유기물 반응기에서 유기물 및 보조제와 혼합되어 투입됨으로써 안정적인 운전을 기대할 수 있다.
도 1은 하,폐수에서 질소 및 인을 제거하는 생물학적 처리 과정을 도식화한 것,
도 2는 혐기 상태 및 호기 상태에서의 인의 방출 및 흡수 과정을 도식화한 것,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하, 폐수 처리 장치의 처리 흐름을 도시한 도면,
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하수 처리 장치가 구비하는 혐기조에 구비되는 싸이클론 장치를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하, 폐수 처리 장치가 구비하는 유기물 반응기를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하, 폐수 처리 장치가 구비하는 생물막 담체 분리망을 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하, 폐수 처리 장치가 구비하는 생물막 담체 이송 장치를 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 하, 폐수 처리 장치가 구비하는 생물막 담체 분리 장치를 도시한 도면.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하, 폐수 처리 장치의 처리 흐름을 도시한 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 하, 폐수 처리 장치는 혐기조(100), 무산소조(200), 호기조(300) 및 침전조(400)를 포함한다. 혐기조(100) 내에는 싸이클론 장치를 삽입하여, 혐기조(100) 내에서 슬러지 탈질이 함께 이루어진다. 또한 하, 폐수 처리 장치는 유기물 반응기(120)를 포함하여, 반송된 슬러지와 유기물, 보조제가 함께 혼합된 다음, 이 혼합물의 일부는 혐기조(100)로 일부는 무산소조(200)로 보내진다. 무산소조(200)는 혐기조(100)를 거친 하,폐수와 혐기조를 거치지 않은 하, 폐수가 혼합되며, 교반기에 의해 교반된다. 무산소조(200)를 거친 하, 폐수는 호기조(310, 320, 330)를 지나며 호기 처리된다. 호기조(310, 320, 330)는 총 세 개의 조로 구분되어 있으며, 마지막 호기조(330)에는 생물막 담체가 침전조(400)로 배출되는 것을 막기 위해 생물막 담체 분리망(340)이 설치된다. 또한 하, 폐수(유입수)의 흐름에 의해 마지막 호기조(330)로 과다하게 집중된 생물막 담체를 다시 전방에 설치된 호기조(310)로 반송하기 위해 생물막 담체 이송장치(350)가 구비된다. 생물막 담체 이송장치(350)는 내부 반송 펌프(500)의 압력에 의해 생물막 담체와 함께 슬러지를 일부 반송하여 생물막 담체 분리장치(360)로 이송하고, 생물막 담체 분리장치(360)는 생물막 담체 만을 분리하여 호기조(310)로 보내고, 내부 반송 펌프(500)에 의해 함께 퍼올려진 하, 폐수와 슬러지는 다시 무산소조(200) 측으로 보낸다. 호기조(310, 320, 330)를 거친 하, 폐수는 침전조(400)에서 슬러지를 침전시킴으로써 처리를 완료하고, 처리수를 배출하게 된다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하수 처리 장치가 구비하는 혐기조에 구비되는 싸이클론 장치를 도시한 도면이다. 도 3 내지 도 5를 참조하면, 싸이클론 장치(110)는 앞서 설명한 바와 같이 혐기조(100) 내에 구비되며, 하, 폐수(유입수)와 유기물 반응기(120)에서 혼합된 유기물, 보조제, 슬러지의 반응물이 유입되는 유입압에 의해 싸이클론 장치(110)가 선회하게 된다. 싸이클론 장치(110)는 단면이 원형이 싸이클론 장치(110)의 접선 방향으로 연장되며, 서로 180°간격을 두고 형성된 유입파이프(112, 114)를 통해 각각 하, 폐수(유입수)와 유기물, 보조제, 슬러지의 반응물이 유입된다. 또한 싸이클론 장치 내부에는 복수 개의 베인(116)이 형성되어, 싸이클론 장치의 선회를 돕고, 슬러지 등의 역류를 막는다. 싸이클론 장치의 선회력에 의해 슬러지를 교반하여, 슬러지 내의 질산성 질소(NO3-N)를 탈질시켜 최적의 혐기조건을 형성할 수 있다. 다시 말해, 싸이클론 장치 내에서는 교반에 의해 슬러지의 탈질이 수행되고, 싸이클론 장치의 외부에서는 최적의 혐기조건이 형성된다. 혐기조(100)의 혐기조건 하에서는 인 제거 박테리아가 인을 방출하는 대신, 증식이 이루어지게 된다. 혐기조(100) 내에서 탈질에 의해 유기물을 최대한 이용하여 질산성 질소를 2~3mg/L 정도로 제거하게 되면, 인을 유입농도의 40%까지 방출할 수 있다. 혐기조(100) 내에서 탈질 및 혐기 처리는 1~2 시간 동안 이루어지게 되며, DO 농도는 0.2mg/L 이하를 유지하고, MLSS농도는 2,500 ~ 4,000mg/L를 유지하고, pH는 7~ 7.5, ORP는 -150mmV를 유지하면서 운전된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하, 폐수 처리 장치가 구비하는 유기물 반응기를 도시한 도면이다. 도 3 내지 도 6을 참조하면, 유기물 반응기(120)는 침전조(400)로부터 반송되어온 슬러지와 유기물 및 보조제가 혼합된다. 보조제는 알칼리제로, 계측제어(pH 8.5 ~ 8.8)로 주입하며, 반송 슬러지와 유기물, 알칼리제가 혼합되어 슬러지 탈질을 위한 조건이 형성된다. 유기물 반응기(120)의 내부에는 자연스럽게 슬러지, 유기물 및 보조제가 혼합될 수 있도록 유로를 형성하는 유로 가이드(122)가 구비된다. 유로 가이드(122)를 따라 슬러지, 유기물 및 보조제가 이동하면서 자연스럽게 혼합된 다음, 배출 파이프(124)를 통해 배출되며, 혼합물은 일부는 혐기조(100)로 일부는 무산소조(200)로 보내지게 된다.
유기물 반응기(120)에서 혼합된 혼합물 뿐 아니라 하, 폐수 유입수도 일부는 혐기조(100)로 일부는 무산소조(200)로 보내지게 된다. 작동 조건은 변경 가능하나 일반적으로 혐기조(100)로 보내지는 하, 폐수는 0.3Q, 반송 슬러지는 0.5 ~1.0Q이고, 무산소조(200)로 보내지는 하, 폐수는 0.7Q이다. 한편 호기조(330)로부터 내부 반송 펌프(500), 생물막 담체 이송 장치(350)에 의해 퍼올려진 슬러지가 내부 반송되어 생물막 담체 분리장치(360)에서 생물막 담체는 호기조(310)로 보내지고, 내부 반송된 슬러지는 무산소조(200)로 보내지게 되는데, 내부 반송 슬러지의 양은 대략 1.0~ 3.0Q이다. 무산소조(200)에서는 모터에 의해 회전날개가 회전하며 하,폐수와 슬러지 등을 교반하게 되며, 슬러지에 의해 질산성 질소의 탈질화가 이루어지며, 무산소조(200)에서의 처리는 2.0~ 4.0 시간동안 진행된다. DO 농도는 0.2mg/L이하를 유지하고, MLSS 농도는 2,400 ~ 4,000mg/L를 유지하며, pH 농도는 7~7.5, ORP는 -150mmV를 유지하는 조건 하에서 운전된다.
혐기조(100)와 무산소조(200)에서의 처리 또는 무산소조(200)에서만의 처리를 거친 하, 폐수는 호기조(310, 320, 330)로 유입된다. 호기조(310, 320, 330)에는 공기 조절용 산기 장치(301, 302, 303)가 설치되어, 각 호기조(310, 320, 330)별로 산소 투입량을 달리하여 미 분해된 유기물의 산화가 이루어지며, 유기물 반응기(120)를 거쳐 투입된 유기물의 산화가 이루어지며, 생물막 담체를 이용하여 유기물의 산화율 증가를 유도하고, 암모니아성 질소의 질산화율 증가를 유도한다. 생물막 담체는 메디아(MEDIA)라고도 하며, 스폰지 형태의 유동성 담체(상표명 HNR-BioM, 상표등록번호 등록 제40-0567129호)로 내부 공간은 입자 간 미세 간극이 있는 몸체들이 밀집되어 비표면적을 최대화하였다. 이러한 유동성 담체에 호기성 미생물이 달라붙어 유기물을 산화시키고, 암모니아성 질소의 질산화를 행한다. 최전방의 호기조(310)는 다량의 유기물을 산화분해하고, 암모니아성 질소의 질산화를 위해 산소를 다량 주입(DO 농도: 1.5 ~ 3.5mg/L)한다. 중간의 호기조(320)에서는 암모니아성 질소의 질산화를 위해 DO 농도가 1.5~2.0mg/L을 유지하도록 산소가 주입된다. 제일 후단의 호기조(330)는 슬러지의 내부 반송 시에 산소에 의한 탈질효율 저하를 막기 위해 산소량을 적게 주입한다(DO 농도:0.8 ~ 1.0mg/L). 제일 후단의 호기조(330)에는 생물막 담체가 침전조(400)로 배출되는 것을 방지하기 위해 생물막 담체 분리망(340), 생물막 담체의 이송을 위해 내부 반송 펌프(500) 및 생물막 담체 이송 장치(350)가 구비된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하, 폐수 처리 장치가 구비하는 생물막 담체 분리망을 도시한 도면, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하, 폐수 처리 장치가 구비하는 생물막 담체 이송 장치를 도시한 도면, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 하, 폐수 처리 장치가 구비하는 생물막 담체 분리 장치를 도시한 도면이다. 생물막 담체 분리망(340)의 내부로 생물막 담체 이송장치(350)의 생물막 담체 흡입부(352)가 삽입되어, 최 후단의 호기조(330)로부터 생물막 담체를 흡입하여 반송한다. 생물막 담체 이송 장치(350)의 일단(354)은 내부 반송 펌프(500)의 토출측에 연결되어, 펌프 압송 차압에 의해 생물막 담체 흡입부(352)로 생물막 담체를 흡입하여 토출부(356)를 통해 토출하고, 토출부(356)는 파이프를 통해 생물막 담체 분리 장치(360)와 연결되어, 흡입된 생물막 담체 및 슬러지가 생물막 담체 분리 장치(360)로 이송된다. 생물막 담체 분리 장치(360)는 드럼형의 다공판 스크린이 구비되며, 유입부(362)를 통해 생물막 담체 이송 장치(350)로부터 이송된 생물막 담체 및 슬러지가 유입되고, 다공판의 통공을 통해 펌프를 통해 퍼올려진 물과 슬러지가 빠져나가 슬러지 배출부(366)를 통해 무산소조(200)로 배출되고, 생물막 담체 배출부(364)를 통해 최전방의 호기조(310)로 생물막 담체가 배출된다.
호기조(310, 320, 330)에서는 유기물이 산화되고, 암모니아성 질소의 질산화가 이루어지며, 인 제거 박테리아에 의한 인의 섭취가 이루어진다. 인 제거 박테리아에 의한 인의 과잉 섭취에 의해 인의 제거가 이루어지고, 생물막 담체를 투입함으로써 유기물의 산화, 암모니아성 질소의 질산화 및 박테리아에 의한 인의 섭취를 유도할 수 있다. 호기조(310, 320, 330)의 운전 조건은 MLSS 농도가 3,000 ~ 5,000mg/L, SV가 150 ~ 300, pH가 7~7.5가 유지되어야 하며, 호기조(310, 320, 330)에서의 처리 시간은 3 ~ 4시간이다. 알칼리도가 부족할 경우, 탄산 나트륨이나 가성소다가 주입될 수 있다.
호기조(310, 320, 330)에서의 처리를 거친 하, 폐수는 침전조(400)로 유입되어 침전 과정을 거침으로써 처리 공정을 마치게 된다. 수면적 부하 30m3/m2.일로 설계된 침전지에서 활성화 상태의 슬러지가 침전되고, 상등수는 월류하여 배출된다. 침전된 슬러지는 슬러지 이송 펌프(600)에 의해 다시 유기물 반응기로 이송되어 미생물을 순환시키고, 나머지 잉여 슬러지는 유출되어 인이 제거된다.

Claims (5)

  1. 하, 폐수 및 슬러지가 유입되어 싸이클론 내부에서 질산성 질소의 제거 및 싸이클론 외부에서 인 제거를 위한 혐기조건이 형성되도록 내부에 싸이클론 장치가 구비되는 혐기조;
    혐기조의 처리를 거친 유동 및 유입수가 유입되는 무산소조;
    무산소조를 거친 유동이 유입되며 산소가 주입되는 호기조; 및
    슬러지를 침전시켜 반송 및 인출하고 최종 처리수를 배출하는 침전조;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하, 폐수 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    혐기조 내에 구비되는 싸이클론은 내부에 복수 개의 베인이 형성되는 것을 특징으로 하는 하, 폐수 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    싸이클론 장치는 하, 폐수 및 슬러지의 유입압에 의해 선회하며, 하,폐수 및 슬러지를 교반하는 것을 특징으로 하는 하, 폐수 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    호기조로부터 생물막 담체를 흡입하여 배출하는 생물막 담체 이송 장치; 및
    다공성 드럼을 구비하여, 생물막 담체와 슬러지를 분리하는 생물막 담체 분리 장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하, 폐수 처리 장치.
  5. 하, 폐수를 유입하여 전탈질용 혐기장치인 싸이클론을 이용해 혐기조 내에서 인을 제거하는 제1 공정;
    혐기조를 거쳐 무산소조로 유입되는 하, 폐수로부터 탈질반응을 일으키는 제2 공정;
    무산소조를 거쳐 호기조로 유입되는 하, 폐수에 산소를 공급하여 유기물의 산화와 암모니아성 질소의 질산화하고 호기성 미생물의 인 섭취를 유도하는 생물막 담체를 공급하는 제3 공정; 및
    호기조를 거친 하, 폐수를 침전시키는 제4 공정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 하, 폐수 처리 방법.
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