KR101026734B1 - 방류수를 재이용하기 위한 처리 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 방류수를 재이용하기 위한 처리 장치 및 방법을 개시한다.
본 발명에 따른 방류수를 재이용하기 위한 처리 장치는 방류수가 유입되며, 응집제가 주입되어 상기 방류수와 응집 반응 처리가 행해지는 응집 반응조; 상기 응집 반응 처리된 응집 반응수가 유입되며, 중화제가 주입되어 중화 반응 처리가 행해지는 중화조; 상기 중화 반응 처리된 중화수가 유입되며, 응집 보조제가 유입되어 플럭을 형성하는 플럭 형성조; 상기 플럭 형성조로부터 월류된 플럭 형성수가 이송되며, 상기 플럭 형성수 내의 응집 슬러지가 고·액 분리되어 배출되고 또한 상기 응집 슬러지가 제거된 처리수가 배출되는 침전조; 오존이 투입되어 상기 처리수 내에 잔존하고 있는 미량의 총인 및 용존 유기물을 제거하고 냄새, 색도, 탁도, 중금속, 및 대장균을 처리하여 재이용수를 생성하는 오존 접촉조; 및 상기 응집 반응조, 상기 중화조, 상기 플럭 형성조, 및 상기 오존 접촉조와 각각 연결되며, 상기 응집 반응조, 상기 중화조, 상기 플럭 형성조, 및 상기 오존 접촉조 내로 각각 나노 기포를 발생시키는 나노 기포 발생 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

방류수를 재이용하기 위한 처리 장치 및 방법{Apparatus and Method of Treating Discharge Water for Re-use}
본 발명은 방류수를 재이용하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
좀 더 구체적으로, 본 발명은 하수 및 폐수를 포함한 방류수 내에 잔류하며, 부영양화의 주 원인물질인 미량의 총인(T-P)과 미량의 용존성 유기물질을 극미량 이하로 신속하게 제거하여 방류수를 예를 들어 공업 용수로 재이용할 수 있도록 방류수를 재이용하기 위한 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 하수 및 폐수처리장의 방류수의 총인 처리장치에 있어서, 부영양화의 주 원인이자, 조류 증식의 제한 물질인 인(인산)은 지금까지 생물학적 처리 방법이나, 응집제를 이용한 화학적 처리 방법이 주를 이루었다.
그러나, 생물학적 공정은 시설 운영이 어려우며, 지속적이고 안정적인 유출수질을 확보하기가 용이하지 않다.
또 다른 전기분해/응집에 의한 인 제거기술은 화학적인 제거 기술이 갖고 있는 장점을 살리고 화학 약품 침전법이 갖고 있는 단점을 해결할 수 있는 기술의 하나이나 전극 부식등의 문제점이 있다. 패각의 재이용은 배기가스 제거 및 산성토양의 개량제, 중금속 흡착, 고농도 인제거 등에 이용되고 있으나 굴 패각의 대부분을 차지하는 탄산칼슘은 수 처리에 적용시 슬러지 발생량이 많고, 다량의 유기물과 무기물을 함유하고 있는 문제점 때문에 적정한 소성과정을 거쳐야 하는 문제가 있다.
또한, 정석 탈인법(晶析脫燐法)은 하수 중의 인을 제거하는 방법 중 실용화되어 좋은 성과를 보이고 있는 물리화학적 처리방법의 하나로 통상의 하수 이차 처리수를 처리하는 것이 가능하지만, 탈인 성능은 설정 pH, 칼슘농도, 수온, 원수중의 방해물질, 접촉시간, 접촉재의 성능 등에 의해 상이하며, 또한 제거 대상이 용해성 정 인산이기 때문에 다른 형태의 인(폴리인산, 유기인산, 현탁성 인)은 여과 등의 부차적인 기능에 의해 제거하여야 한다. 조립 탈인법은 하수에 마그네슘을 첨가하여 pH를 조정하는 것으로 인산마그네슘 암모니아(MAP)의 결정물로서 인을 회수 하지만 방류수를 처리하기에는 부적당한 문제점이 있다.
특히 기존에 많이 보급되고 있는 혐기와 호기의 생물학적인 제거 공정은 인이 미생물의 세포내 물질인 다중 인산으로 전환되는데 휘발성 지방산과 탄소원 같은 유기물이 공급되어야 하기 때문에 우리나라의 하수와 같이 유기물 구성비가 낮은 경우 질소 제거 시 필요로 하는 메탄올 등 탄소원의 유기물 요구와 경쟁하기 때문에 현실적으로 생물학적 인과 질소 동시 공정으로 개선시키는 것은 비경제적이며 어렵다.
또한, 기존 물리 및 화학적 처리장치는 약품의 과다 사용 및 슬러지 처리 처분에 애로가 있다.
상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 방안의 하나가 박기영 등에 의해 2007년 6월 27일자로 "하수처리장 방류수의 총인을 제거하는 여과ㆍ흡착 다단계 폐수 처리 장치"라는 발명의 명칭으로 대한민국 특허 제10-2007-0063413호로 출원되어 2008년 10월 2일자에 공고된 대한민국 특허 제 10-0861554호에 상세히 개시되어 있다.
도 1a는 종래 기술에 따른 하수처리장의 방류수의 총인을 제거하는 여과ㆍ흡착 다단계 폐수 처리 장치의 전체 구성도를 도시한 도면이고, 도 1b는 종래 기술에 따른 여과 처리 장치의 전 여과장치부와 여과ㆍ흡착 장치부를 나타낸 도면이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 종래 기술에 따른 하수처리장의 방류수의 총인을 제거하는 여과ㆍ흡착 다단계처리 장치에서는 하수처리장의 방류수를 다단계의 조를 통하여 처리하는 것을 특징으로 한다.
좀 더 구체적으로, 종래 기술에 따른 하수처리장의 방류수의 총인을 제거하는 여과ㆍ흡착 다단계 처리 장치에서, 방류수는 2차 침전지에서 배출되어 유량 조절부(10)로 유입되고, 시스템에 적당한 유량으로 합성수지 여재로 구성된 전 여과장치부(20)로 공급된다. 유입된 방류수의 유량, 부유물질 및 총인에 따라 체류시간이 조절되어야 하는 경우 유량 조절부(10)가 필요하다. 전 여과장치부(20)는 상향류식이며, 유입수는 하단부로 유입되어 전 여과장치부(20)의 하단부와 상단부를 통과한 후, 여과ㆍ흡착 장치부(30)로 유입된다. 여기서, 하수처리장의 방류수를 처리하기 위한 인 여과와 흡착 장치로서 장치의 내부에 여재가 2단으로 구성된다. 전단의 전 여과장치부(20)는 폴리우레탄 계열의 합성수지 여재에 의해 여과되며, 후단의 여과ㆍ흡착 장치부(30)는 0.7 ㎜ 내외의 입자상 인 흡착제를 사용하여 상향류로 운전하게 된다. 또한, 하수처리장의 3차 처리로 사용될 경우 소독조부(50)로 유입되어 대장균 등의 병원균이 소독된다.
상술한 바와 같이 종래 기술에 따른 하수처리장의 방류수의 총인을 제거하는 여과ㆍ흡착 다단계 폐수 처리 장치에서는 2단의 여과 처리 장치를 거쳐 방류수의 부유물 여과 처리할 수 있게 된다.
그러나, 도 1a 및 도 1b에 도시된 상술한 종래 기술에 따른 하수처리장의 방류수의 총인을 제거하는 여과ㆍ흡착 다단계 폐수 처리 장치에서는 2단으로 설치된 여재를 통해 총인이 상당히 제거되지만, 방류수에 잔류하는 총인의 양이 대략 1 mg/L 정도의 값을 가지며, 또한 총인 제거에 소요되는 시간이 상당히 오래 걸리는 문제점이 발생한다.
도 1c는 종래 기술에 따른 하수처리장의 방류수의 총인을 제거하는 여과ㆍ흡착 다단계 폐수 처리 장치의 여과 처리 실험 장치의 총인 제거결과를 나타내는 결과도를 나타낸 도면이다.
도 1c를 참조하면, 종래 기술에서는 유입되는 방류수의 총인의 농도가 대략 30일 동안 대략 2.7 내지 4.2 mg/L (대략적인 평균 3 mg/L)을 유지하며, 총인 제거 후의 잔류 총인의 양은 대략 0.8 내지 1.2 mg/L (대략적인 평균 1 mg/L)을 유지하고 있음을 알 수 있다.
평균 1 mg/L 정도의 총인을 갖는 방류수는 예를 들어 공업용수 등으로 재이용되기에는 충분하지만, 평균 1 mg/L 정도의 총인을 유지하는데 소요되는 기간이 대략 30일 정도이고, 그 이하인 대략 평균 평균 0.3 mg/L 정도의 총인을 유지하기 위해서는 대략 40일 정도 후에 달성된다.
상술한 바와 같이, 종래 기술에서는 총인을 극미량(평균 대략 1 mg/L)으로 제거하는데 소요되는 시간이 매우 길어 사용되는 인 흡착제의 양이 상당히 증가하게 되어 총인 제거에 소요되는 비용이 크게 증가하게 되므로 궁극적으로 경제성이 없다는 문제가 발생한다.
또한, 2010년 2월 26일자로 개정 및 공포된 대한민국 하수도법 시행규칙에따르면 하천 수질 개선을 위해 2012년부터 방류수 내의 총인의 수질 기준이 기존의 2 mg/L에서 0.2 mg/L로 대폭 강화되었다. 그에 따라 종래 기술은 방류수 내의 총인의 새로운 수질 기준을 만족시키지 못한다는 문제가 발생한다.
따라서, 방류수 내의 총인 및 용존성 유기물질을 극미량 이하로 신속하게 제거하여 예를 들어 공업용수로 재이용할 수 있을 뿐만 아니라 또한 방류수 내의 총인(T-P)의 새로운 수질 기준인 0.2 mg/L 이하로 유지하기 위한 새로운 방안이 요구된다.
대한민국 특허등록 제10-0861554호 대한민국 특허등록 제10-0861554호
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 하수 및 폐수를 포함한 방류수 내에 잔류하며, 부영양화의 주 원인물질인 미량의 총인(T-P)과 미량의 용존성 유기물질을 극미량 이하로 신속하게 제거하여 방류수를 예를 들어 공업용수로 재이용할 수 있도록 방류수를 재이용하기 위한 처리 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 제 1 특징에 따른 방류수를 재이용하기 위한 처리 장치는 방류수가 유입되며, 응집제가 주입되어 상기 방류수와 응집 반응 처리가 행해지는 응집 반응조; 상기 응집 반응 처리된 응집 반응수가 유입되며, 중화제가 주입되어 중화 반응 처리가 행해지는 중화조; 상기 중화 반응 처리된 중화수가 유입되며, 응집 보조제가 유입되어 플럭을 형성하는 플럭 형성조; 상기 플럭 형성조로부터 월류된 플럭 형성수가 이송되며, 상기 플럭 형성수 내의 응집 슬러지가 고·액 분리되어 배출되고 또한 상기 응집 슬러지가 제거된 처리수가 배출되는 침전조; 오존이 투입되어 상기 처리수 내에 잔존하고 있는 미량의 총인 및 용존 유기물을 제거하고 냄새, 색도, 탁도, 중금속, 및 대장균을 처리하여 재이용수를 생성하는 오존 접촉조; 및 상기 응집 반응조, 상기 중화조, 상기 플럭 형성조, 및 상기 오존 접촉조와 각각 연결되며, 상기 응집 반응조, 상기 중화조, 상기 플럭 형성조, 및 상기 오존 접촉조 내로 각각 나노 기포를 발생시키는 나노 기포 발생 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2 특징에 따른 방류수를 재이용하기 위한 처리 방법은 a) 방류수를 응집 반응조 내로 유입하고, 또한 상기 응집 반응조 내로 응집제 및 나노 기포를 주입하여 응집 반응 처리하는 단계; b) 상기 응집 반응 처리된 응집 반응수를 중화조 내로 유입하고 또한 상기 중화조 내로 중화제와 상기 나노 기포를 주입하여 중화 반응 처리하는 단계; c) 상기 중화 반응 처리된 중화수를 플럭 형성조 내로 유입하고 또한 상기 플럭 형성조 내로 응집 보조제와 상기 나노 기포를 주입하여 플럭을 형성하는 단계; d) 상기 플럭 형성조로부터 월류된 플럭 형성수를 침전조로 월류하여 응집 슬러지를 고·액 분리하여 배출하고 또한 상기 응집 슬러지가 제거된 처리수를 오존 접촉조로 이송하는 단계; 및 e) 상기 오존 접촉조 내로 상기 나노 기포와 오존을 함께 투입하여 상기 처리수 내에 잔존하고 있는 총인 및 용존 유기물을 제거하고, 냄새, 색도, 탁도, 중금속, 및 대장균을 처리하여 재이용수를 생산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 방류수를 재이용하기 위한 처리 장치 및 방법을 사용하면 다음과 같은 장점이 달성된다.
1. 종래 기술에 비해 나노 기포를 이용하여 훨씬 더 짧은 시간 내에 반응이 이루어져 총인을 신속하게 제거하므로 체류 시간의 감소로 공사 시설비 절감과 함께 응집제, 중화제, 및 응집 보조제의 사용량이 감소된다.
2. 총인 제거에 소요되는 비용이 감소되므로 충분히 경제성을 가질 수 있다.
3. 최종 처리수(즉, 재이용수)의 총인의 양도 종래 기술에 비해 현저하게 낮은 값을 갖게 되어 총인 제거가 매우 효율적으로 이루어질 수 있다.
4. 방류수 내의 총인을 새로운 수질 기준인 0.2 mg/L 이하로 유지할 수 있다.
5. 상술한 제 1 내지 4의 효과로 인하여 하수 및 폐수의 방류수의 재사용이 가능하므로, 하수 및 폐수로 인한 공해의 방지에 유용하다.
본 발명의 추가적인 장점은 동일 또는 유사한 참조번호가 동일한 구성요소를 표시하는 첨부 도면을 참조하여 이하의 설명으로부터 명백히 이해될 수 있다.
도 1a는 종래 기술에 따른 하수처리장의 방류수의 총인을 제거하는 여과ㆍ흡착 다단계 폐수 처리 장치의 전체 구성도를 도시한 도면이다.
도 1b는 종래 기술에 따른 여과 처리 장치의 전 여과장치부와 여과ㆍ흡착 장치부를 나타낸 도면이다.
도 1c는 종래 기술에 따른 하수처리장의 방류수의 총인을 제거하는 여과ㆍ흡착 다단계 폐수 처리 장치의 여과 처리 실험 장치의 총인 제거 결과를 나타내는 결과도를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방류수를 재이용하기 위한 처리 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 본 발명에 따른 방류수를 재이용하기 위한 처리 장치를 사용하여 총인 제거 실험 결과를 나타내는 데이터를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방류수를 재이용하기 위한 처리 방법의 플로우차트를 도시한 도면이다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 방류수를 재이용하기 위한 처리 장치의 구체적인 구성 및 동작을 상세히 기술한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방류수를 재이용하기 위한 처리 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 방류수를 재이용하기 위한 처리 장치(200)는 방류수가 유입되며, 응집제가 주입되어 상기 방류수와 응집 반응 처리가 행해지는 응집 반응조(40); 상기 응집 반응 처리된 응집 반응수가 유입되며, 중화제가 주입되어 중화 반응 처리가 행해지는 중화조(41); 상기 중화 반응 처리된 중화수가 유입되며, 응집 보조제가 유입되어 플럭을 형성하는 플럭 형성조(42); 상기 플럭 형성조(42)로부터 월류된 플럭 형성수가 이송되며, 상기 플럭 형성수 내의 응집 슬러지가 고·액 분리되어 배출되고 또한 상기 응집 슬러지가 제거된 처리수를 배출하는 침전조(60); 오존이 투입되어 상기 처리수 내에 잔존하고 있는 미량의 총인 및 용존 유기물을 제거하고, 냄새, 색도, 탁도, 중금속, 및 대장균을 처리하여 재이용수를 생산하는 오존 접촉조(70); 및 상기 응집 반응조(40), 상기 중화조(41), 상기 플럭 형성조(42), 및 상기 오존 접촉조(70)와 각각 연결되며, 상기 응집 반응조(40), 상기 중화조(41), 상기 플럭 형성조(42), 및 상기 오존 접촉조(70) 내로 각각 나노 기포를 발생시키는 나노 기포 발생 장치(50)를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 방류수를 재이용하기 위한 처리 장치(200)는 상기 응집제를 저장하는 응집제 저장조(30); 상기 응집제 저장조(30)로부터 상기 응집제를 상기 응집 반응조(40) 내로 유입하는 제 1 정량 펌프(31); 상기 중화제를 저장하는 중화제 저장조(32); 상기 중화제 저장조(32)로부터 상기 중화제를 상기 중화조(41) 내로 유입하는 제 2 정량 펌프(33); 상기 응집 보조제를 저장하는 응집 보조제 저장조(34); 및 상기 응집 보조제 저장조(34)로부터 상기 응집 보조제를 상기 플럭 형성조(42) 내로 유입하는 제 3 정량 펌프(35)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 방류수를 재이용하기 위한 처리 장치(200)는 상기 응집 반응조(40) 내에서 상기 방류수와 상기 응집제를 혼합시키기 위한 제 1 교반기(21); 상기 중화조(41) 내에서 상기 응집 반응수와 상기 중화제를 혼합시키기 위한 제 2 교반기(22); 및 상기 플럭 형성조(42) 내에서 상기 중화수와 상기 응집 보조제를 혼합 반응시키기 위한 제 3 교반기(23)를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 방류수를 재이용하기 위한 처리 장치(200)는 상기 제 1 내지 제 3 정량 펌프(31,33,35), 상기 나노 기포 발생 장치(50), 및 상기 오존 발생 장치(71)의 동작을 제어하는 제어 장치(controller: 20)를 추가로 포함할 수 있다. 여기서, 제어 장치(20)는 마이크로 프로세서 또는 프로 그래머블 논리 회로(PLC) 등으로 구현될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방류수를 재이용하기 위한 처리 장치(200)의 구체적인 구성 및 동작을 상세히 기술한다.
다시 도 2를 참조하면, 먼저 하수 및 폐수 처리장에서 생물학적으로 처리되어 배출되는 방류수가 저류조(10) 내로 유입된다. 그 후 방류수는 유입 펌프(11)의 유량계(미도시)의 전류신호에 따라서 일정하게 응집 반응조(40) 내로 유입된다. 이 때, 염화철과 같은 응집제를 저장하는 응집제 저장조(30)로부터 응집제가 제 1 정량 펌프(31)에 의해 응집 반응조(40) 내로 유입된다. 제 1 정량 펌프(31)는 방류수의 유입 유량과 농도에 비례하여 응집제를 응집 반응조(40) 내로 비례제어 방식으로 자동 주입시킨다. 응집 반응조(40)에서는 방류수와 응집제가 제 1 교반기(21)에 의해 혼합되어 응집 반응이 이루어진다.
그 후, 응집 반응조(40) 내에서 응집 반응된 응집 반응수가 중화조(41) 내로 유입된다. 이 때, pH 조정 및 침전 효율을 높이기 위한 중화제를 저장하는 중화제 저장조(32)로부터 중화제가 제 2 정량 펌프(33)에 의해 중화조(41) 내로 유입된다. 제 2 정량 펌프(33)는 응집 반응수의 PH 측정 조절 감지 장치(PHIC) 및 산화 환원 전극 장치(ORP) (미도시)를 통해 응집 반응 처리된 방류수인 응집 반응수의 유량 및 농도에 비례하여 중화제를 중화조(41) 내로 비례제어 방식으로 자동 주입시킨다. 중화조(41)에서는 응집 반응수와 중화제가 제 2 교반기(22)에 의해 혼합되어 중화 반응이 이루어져 응집 반응수의 pH가 조정된다.
그 후, 중화조(41) 내에서 중화 반응된 중화수가 플럭 형성조(42) 내로 유입된다. 이 때, 중화 반응된 화합물의 플럭을 크게 생성시켜 침전 효과를 높이기 위해 고분자 응집제와 같은 응집 보조제를 저장하는 응집 보조제 저장조(34)로부터 응집 보조제가 제 3 정량 펌프(35)에 의해 플럭 형성조(42) 내로 유입된다. 제 3 정량 펌프(35)는 중화 반응된 방류수인 중화수의 유량 및 농도에 비례하여 응집 보조제를 플럭 형성조(42) 내로 비례제어 방식으로 자동 주입시킨다. 플럭 형성조(42)에서는 중화수와 응집 보조제가 제 3 교반기(23)에 의해 혼합되어 플럭이 형성된다.
본 발명에서는 상술한 응집 반응조(40), 중화조(41), 및 플럭 형성조(42) 내에서 방류수의 처리가 행해질 때, 응집 반응조(40), 중화조(41), 및 플럭 형성조(42)와 각각 연결되어 나노 기포를 발생시키는 나노 기포 발생 장치(50)가 사용된다. 나노 기포 발생 장치(50)에서 발생된 나노 기포는 상술한 응집 반응조(40) 내에서의 응집 반응 처리, 중화조(41) 내에서의 중화 반응 처리, 및 플럭 형성조(42) 내에서의 플럭 형성시에 총인(T-P)과 미량의 용존성 유기물을 최대로 제거한다. 그 후, 플럭 형성조(42)에서 월류되는 플럭 형성수는 침전조(60)로 이송되며 침전조(60)에서는 침전조(60)에 연결된 슬러지 이송펌프(61)에 의해 응집 슬러지의 고·액 분리되어 슬러지 농축 처리 장치 (미도시)로 배출된다.
그 후, 침전조(60)에서 응집 슬러지가 제거된 처리수는 오존 접촉조(70)로 유입된다. 이 때, 나노 기포 발생 장치(50)에서 발생된 나노 기포와 오존 발생 장치(71)에서 발생된 오존이 오존 접촉조(70) 내로 함께 투입된다. 오존 접촉조(70) 내로 투입된 나노 기포와 오존에 의해 상등수인 처리수 내에 잔존하고 있는 미량의 총인 및 용존 유기물을 제거하고 또한 냄새, 색도, 탁도, 중금속, 및 대장균을 처리하여 생성된 재이용수가 재이용수 저류조(72) 내로 유입된다.
오존 접촉조(70) 내에서의 냄새, 색도, 탁도, 중금속 및 대장균 처리에 따른 메커니즘은 다음과 같다.
- 냄새 처리
방류수의 냄새는 탄화수소 및 유황 성분의 메르캅탄 화합물에 의해 냄새가 발생하며, 용존 오존으로 2 내지 6 mg/L로 처리 가능하다. 반응식은 다음과 같다.
nCxHySz + O3 -> nCO2 +nzSO2 + nyH2O
- 색도 처리
방류수의 색도는 미량의 유기물 탄화수소 이중결합에 의해 색도를 띠게 되는데 용존 오존으로 2 내지 4 mg/L로 처리 가능하다. 반응식은 다음과 같다.
(CxHy = CxHy) + O3 -> nCO2 + mH2O
- 탁도 처리
방류수의 탁도는 미량의 유기성 또는 무기성 탄화수소, 미생물의 워시아웃(wash out), 콜로이드 입자 및 색도에 의해 나타나게 되는데 용존 오존에 의한 OH- 등의 프리 라디칼의 화학적 산화와 전하의 중성화의 조합에 의하여 제거되며, 콜로이드 입자들은 오존에 의하여 음전하 입자들을 중화 시키면서 투명도가 강화된다.
- 중금속 처리
방류수의 미량의 중금속 류의 금속 이온들은 불용성의 형태로 존재할 수 있는데 Fe2 + 상태의 철 이온은 수중에서 응집제 형태인 Fe(OH)3이온을 형성하여 핑크 빛을 띠게 된다. 반응식은 다음과 같다.
Fe2 + + O3 + H2O -> Fe3 + + O2 + 2OH-
Fe3 + + 3H20 -> Fe(OH)3 + 3H+
또한, 망간의 용해성 염들은 물에 불용성의 형태인 이산화 망간(MnO2)으로 산화된다. 반응식은 다음과 같다.
Mn2 + + O3 + H2O -> Mn4 + + O2 + 2OH-
Mn4 + + 4H20 -> Mn(OH)4 + MnO2 + 2H20
- 대장균 처리
대장균 처리(또는 살균 매커니즘)는 오존을 이용하여 대장균 구성체의 유기분자를 산화시키는 것이다. 좀 더 구체적으로, 오존의 OH- 등의 프리 라디칼이 대장균 원형질 내의 유화수소(Sulfuric Hydroxy)를 산화 처리하여 세포벽과 원형질막의 지방산 이중결합을 화학적으로 분해함으로써 궁극적으로 원형질이 분해되어 살균된다.
상술한 바와 같이, 오존 접촉조(70)에서 나노 기포와 오존에 의해 방류수 내에 잔존하고 있는 미량의 총인 및 용존 유기물이 제거하고 또한 냄새, 색도, 탁도, 중금속, 및 대장균이 처리된 처리수(즉, 재이용수)는 재이용수 저류조(72) 내로 이송되어 일시적으로 저장된다. 그 후, 재이용수는 재이용수 저류조(72)에 연결된 이송 펌프(73)에 의해 용도에 따라 예를 들어 공업 용수로 재이용된다.
상술한 유입 펌프(11), 제 1 내지 제 3 정량 펌프(31,33,35), 나노 기포 발생 장치(50), 및 오존 발생 장치(71)의 동작은 제어 장치(20)에 의해 제어된다. 이 경우, 제어 장치(20)는 기존의 하수 및 폐수 처리장의 방류수의 유량 및 농도에 비례하여 주입하는 비례 제어 방식으로 제 1 내지 제 3 정량 펌프(31,33,35)를 각각 자동 제어함으로써 응집제, 중화제, 및 응집 보조제가 각각 응집 반응조(40), 중화조(41), 및 플럭 형성조(42) 내로 자동 주입되는 양을 제어할 수 있다.
또한, 상술한 본 발명에 따른 방류수를 재이용하기 위한 처리 장치(200)에서는 나노 기포 발생 장치(50)를 이용하여 생성된 나노 기포가 응집 반응조(40), 중화조(41), 및 플럭 형성조(42) 내에서 방류수의 총인 및 미량의 유기물 처리 시에 사용되며, 또한 오존 접촉조(70) 내에서 오존과 함께 처리수 내에 잔존하고 있는 극미량의 총인 및 용존 유기물 및 냄새, 탁도, 색도를 처리하는데 반응효과를 높여 오존의 주입량을 적게 하여 경제적인 효율을 높일 수 있도록 사용된다.
나노 기포 발생 장치(50)에 의해 생성되는 나노 기포는 물리적인 자극(물의 유동과정에서 생기는 압축이나 팽창, 와류 등)에 의해 발생되는 것으로 대기 중의 공기를 급격하게 단열, 압축하여 팽창시키는 과정에서 발생되는 원리를 이용하여 초 고압 및 초고온의 극한 반응 하에서 발생한다. 이러한 초 고압 및 초고온의 극한 반응에 의해 발생된 나노 기포는 물 분자를 분해시켜 OH- 등의 프리 라디칼(free radical)을 형성시킨다. 프리 라디칼은 매우 강한 산화 능력을 가지고 있기 때문에 난 분해성 유해 유기물질 및 무기물질 등을 분해 가능하게 하여 산화 반응에도 효율을 높일 수 있다. 이러한 나노 기포 발생 장치(50)는 예를 들어 김정태에 의해 2008년 5월 23일자로 "나노 기포를 이용한 하폐수 처리방법 및 그 장치"라는 발명의 명칭으로 대한민국 특허 제10-2008-0047863호로 출원되어 2008년 12월 2일자에 공고된 대한민국 특허 제 10-0871352호(이하 "352 특허"라 합니다)에 개시된 나노 기포 발생장치로 구현될 수 있다.
상술한 352 특허의 나노 기포 발생 장치에서는 발생되는 나노 기포는 그 직경이 0.1 내지 1 ㎛(즉, 100 내지 1,000 nm)이다. 그러나, 본 발명자들은 나노 기포는 그 직경이 클수록 나노 기포의 수명이 짧아지며, 직경이 작은 나노 기포를 발생시키는 것이 바람직하다는 사실을 확인하였다. 따라서, 본 발명에 따른 나노 기포 발생 장치(50)에서 생성된 나노 기포는 그 직경이 대략 100 내지 200 nm의 범위를 갖도록 제어된다. 대략 100 내지 200 nm의 직경을 갖는 나노 기포는 방류수 내에서 상대적으로 장시간 안정하게 존재하여 인산 및 인 화합물, 및 유해 유기물 및 무기물과 반응하면서 응집 효과를 높이는 것으로 판명되었다. 나노 기포의 직경이 감소되면, 나노 기포 발생시에 농축되었던 이온류가 나노 기포를 감싸 나노 기포 내의 기체가 흩어져 없어지는 현상이 방지되어 나노 기포의 안정화(즉, 나노 기포의 수명의 연장)에 기여하는 것으로 사료된다. 나노 기포의 수명이 연장되면(즉, 나노 기포의 직경이 감소되면), 동일 체적에 대해 나노 기포의 수가 증가하여 전체 나노 기포와 오염된 하수 및 폐수의 표면적이 증대하여 하수 및 폐수의 체류 시간이 증가된다. 그 결과, 나노 기포 내의 기체 가스(공기 또는 공기와 기체 상태의 오염된 유기물)의 가압이 더 장시간 지속되어 기체 가스 및 액체 상태의 오염된 유기물의 가스 용해나 기체 및 오염된 유기물의 반응 및 하수 및 폐수 처리 시의 공정상 미생물 배양 등과 같은 공정 프로세스 상에도 고효율화가 가능하다. 따라서, 본 발명에서는 나노 기포의 표면 부착 효과를 이용하여 포말 분리(나노 기포와 유기물이 달라 붙어 거품(scum) 형태를 형성하는 것)에 의해 방류수 내의 인산 및 인 화합물, 및 용존성 유기물을 극미량 이하로 처리한다.
도 3은 본 발명에 따른 방류수를 재이용하기 위한 처리 장치를 사용하여 총인 제거 실험 결과를 나타내는 데이터를 도시한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 2010년 9월 2일부터 2010년 9월 8일까지 7일 동안 유입수(즉, 기존 하수 및 폐수 처리장의 방류수)를 유입하고, 매일 오전 10시부터 오후 5시까지의 정시에 8회에 걸쳐 실시된 중간 처리수(도 2에 도시된 침전조(60)에서 배출되는 방류수) 및 최종 처리수(도 2에 도시된 오존 접촉조(70)에서 배출되는 방류수(즉, 재이용수)) 내의 총인(T-P)의 제거 실험 결과가 나타나 있다.
도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 유입수의 총인의 양은 평균 2.35 mg/L였다. 매일 8회에 걸쳐 측정된 중간 처리수 내의 총인의 양은 평균 0.22 1mg/L(평균 최소 0.14 mg/L 및 평균 최대 0.35 mg/L)로 0.3 mg/L 이하를 유지하였고, 최종 처리수 내의 총인의 양은 평균 0.11 mg/L(평균 최소 0.04 mg/L 및 평균 최대 0.19 mg/L)로 0.2 mg/L 이하를 유지하였다. 또한, 전체 측정치 중 중간 처리수 내의 최대 총인의 양은 0.4 mg/L을 초과하지 않았으며, 최종 처리수 내의 최대 총인의 양은 0.2 mg/L을 초과하지 않았다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 유입수의 유입 후 대략 1 내지 2 시간 내에 총인의 잔존량이 중간 처리수의 경우 평균 0.22 mg/L를 유지하면서 최대 0.4 mg/L 이하를 유지하였고, 최종 처리수의 경우 평균 0.11 mg/L을 유지하면서 최대 0.2 mg/L 이하로 유지함으로써, 종래 기술에 비해 훨씬 더 짧은 시간 내에 총인을 신속하게 제거하므로 응집제, 중화제, 및 응집 보조제의 사용량이 상당히 감소하게 된다. 그에 따라, 총인 제거에 소요되는 비용이 크게 감소하게 되므로 본 발명은 충분히 경제성을 가질 수 있다.
또한, 본 발명에서는 최종 처리수(즉, 재이용수)의 총인의 양도 종래 기술에 비해 현저하게 낮은 값을 갖게 되어 총인 제거가 매우 효율적으로 이루어질 수 있다는 장점이 달성된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 나노 기포 발생 장치(50)에 의해 생성되는 나노 기포는 OH-의 산화반응과 표면적을 높여 유기 오염원과 응집약품 및 오존의 반응시간을 짧은 시간에 신속히 반응시켜 반응 효율을 높여주므로 방류수 내의 인산 및 인 화합물, 및 미량의 용존성 유기물을 처리하고, 상술한 바와 같이 후단에서 나노 기포와 소량의 오존을 오존 접촉조(70)에 함께 투입하여 색도, 냄새 및 대장균을 처리해 줌으로써 최종 방류수가 공업용수 등으로 재이용될 수 있는 정도로 총인의 양을 대략 0.2 mg/L 이하의 값으로 낮출 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방류수를 재이용하기 위한 처리 방법의 플로우차트를 도시한 도면이다.
도 4를 도 2와 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 방류수를 재이용하기 위한 처리 방법(400)은 a) 방류수를 응집 반응조(40) 내로 유입하고, 또한 상기 응집 반응조(40) 내로 응집제 및 나노 기포를 주입하여 응집 반응 처리하는 단계(410); b) 상기 응집 반응 처리된 응집 반응수를 중화조(41) 내로 유입하고 또한 상기 중화조(41) 내로 중화제와 상기 나노 기포를 주입하여 중화 반응 처리하는 단계(420); c) 상기 중화 반응 처리된 중화수를 플럭 형성조(42) 내로 유입하고 또한 상기 플럭 형성조(42) 내로 응집 보조제와 상기 나노 기포를 주입하여 플럭을 형성하는 단계(430); d) 상기 플럭 형성조(42)로부터 월류된 플럭 형성수를 침전조(60)로 이송하여 응집 슬러지를 고·액 분리하여 슬러지를 배출하고 또한 상기 응집 슬러지가 제거된 처리수를 오존 접촉조(70)로 유입하는 단계(440); 및 e) 상기 오존 접촉조(70) 내로 상기 나노 기포와 오존을 함께 투입하여 상기 처리수 내에 잔존하고 있는 총인 및 용존 유기물을 제거하고, 냄새, 색도, 탁도, 중금속, 및 대장균을 처리하여 재이용수를 생성하는 단계(450)를 포함한다.
상술한 본 발명의 일 실시 예에 따른 방류수를 재이용하기 위한 처리 방법(400)에서 상기 나노 기포는 직경이 대략 100 내지 200 nm의 범위를 가진다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 방류수를 재이용하기 위한 처리 방법(400)에서 상기 응집 슬러지가 제거된 상기 처리수의 총인의 양은 최대 0.4 mg/L 이하이고, 상기 재이용수의 총인의 양은 최대 0.2 mg/L 이하이다.
다양한 변형 예가 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 본 명세서에 기술되고 예시된 구성 및 방법으로 만들어질 수 있으므로, 상기 상세한 설명에 포함되거나 첨부 도면에 도시된 모든 사항은 예시적인 것으로 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술한 예시적인 실시 예에 의해 제한되지 않으며, 이하의 청구범위 및 그 균등물에 따라서만 정해져야 한다.
10: 저류조 11: 유입펌프
20: 자동제어부 21,22,23: 교반기
30: 응집제 저장조 31,33,35: 정량펌프
32: 중화제 저장조 34: 응집 보조제 저장조
40: 응집 반응조 41: 중화조
42: 플럭 형성조 50: 나노 기포 발생 장치
60: 침전조 61: 슬러지 이송펌프
70: 오존 접촉조 71: 오존 발생 장치
72: 재이용수 저류조 73: 이송 펌프

Claims (11)

  1. 방류수를 재이용하기 위한 처리 장치에 있어서,
    방류수가 유입되며, 응집제가 주입되어 상기 방류수와 응집 반응 처리가 행해지는 응집 반응조;
    상기 응집 반응 처리된 응집 반응수가 유입되며, 중화제가 주입되어 중화 반응 처리가 행해지는 중화조;
    상기 중화 반응 처리된 중화수가 유입되며, 응집 보조제가 유입되어 플럭을 형성하는 플럭 형성조;
    상기 플럭 형성조로부터 월류된 플럭 형성수가 이송되며, 상기 플럭 형성수 내의 응집 슬러지가 고·액 분리되어 배출되고 또한 상기 응집 슬러지가 제거된 처리수가 배출되는 침전조;
    오존이 투입되어 상기 처리수 내에 잔존하고 있는 미량의 총인 및 용존 유기물을 제거하고 냄새, 색도, 탁도, 중금속, 및 대장균을 처리하여 재이용수를 생성하는 오존 접촉조; 및
    상기 응집 반응조, 상기 중화조, 상기 플럭 형성조, 및 상기 오존 접촉조와 각각 연결되며, 상기 응집 반응조, 상기 중화조, 상기 플럭 형성조, 및 상기 오존 접촉조 내로 각각 나노 기포를 발생시키는 나노 기포 발생 장치
    를 포함하는 방류수를 재이용하기 위한 처리 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 방류수를 재이용하기 위한 처리 장치는
    상기 응집제를 저장하는 응집제 저장조;
    상기 응집제 저장조로부터 상기 응집제를 상기 응집 반응조 내로 유입하는 제 1 정량 펌프;
    상기 중화제를 저장하는 중화제 저장조;
    상기 중화제 저장조로부터 상기 중화제를 상기 중화조 내로 유입하는 제 2 정량 펌프;
    상기 응집 보조제를 저장하는 응집 보조제 저장조; 및
    상기 응집 보조제 저장조로부터 상기 응집 보조제를 상기 플럭 형성조 내로 유입하는 제 3 정량 펌프
    를 포함하는 방류수를 재이용하기 위한 처리 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 방류수를 재이용하기 위한 처리 장치는
    상기 응집 반응조 내에서 상기 방류수와 상기 응집제를 혼합시키기 위한 제 1 교반기;
    상기 중화조 내에서 상기 응집 방류수와 상기 중화제를 혼합시키기 위한 제 2 교반기; 및
    상기 플럭 형성조 내에서 상기 중화수와 상기 응집 보조제를 혼합시키기 위한 제 3 교반기
    를 추가로 포함하는 방류수를 재이용하기 위한 처리 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 방류수를 재이용하기 위한 처리 장치는 상기 제 1 내지 제 3 정량 펌프, 상기 나노 기포 발생 장치, 및 상기 오존 접촉조 내로 오존을 발생시키는 오존 발생 장치의 동작을 제어하는 제어 장치를 추가로 포함하는 방류수를 재이용하기 위한 처리 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제어 장치는 마이크로 프로세서 또는 프로 그래머블 논리 회로(PLC)로 구현되는 방류수를 재이용하기 위한 처리 장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 방류수의 유량 및 농도에 비례하여 상기 제 1 내지 제 3 정량 펌프를 각각 자동 제어함으로써 상기 응집제, 상기 중화제, 및 상기 응집 보조제가 각각 상기 응집 반응조, 상기 중화조, 및 상기 플럭 형성조 내로 자동 주입되는 양을 제어하는 방류수를 재이용하기 위한 처리 장치.
  7. 제 1항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노 기포는 직경이 100 내지 200nm의 범위를 가지는 방류수를 재이용하기 위한 처리 장치.
  8. 방류수를 재이용하기 위한 처리 방법에 있어서,
    a) 방류수를 응집 반응조 내로 유입하고, 또한 상기 응집 반응조 내로 응집제 및 나노 기포를 주입하여 응집 반응 처리하는 단계;
    b) 상기 응집 반응 처리된 상기 방류수를 중화조 내로 유입하고 또한 상기 중화조 내로 중화제와 상기 나노 기포를 주입하여 중화 반응 처리하는 단계;
    c) 상기 중화 반응 처리된 중화수를 플럭 형성조 내로 유입하고 또한 상기 플럭 형성조 내로 응집 보조제와 상기 나노 기포를 주입하여 플럭을 형성하는 단계;
    d) 상기 플럭 형성조로부터 배출된 플럭 형성수를 침전조로 이송하여 응집 슬러지를 고·액 분리하여 배출하고 또한 상기 응집 슬러지가 제거된 처리수를 오존 접촉조로 이송하는 단계; 및
    e) 상기 오존 접촉조 내로 상기 나노 기포와 오존을 함께 투입하여 상기 처리수 내에 잔존하고 있는 총인 및 용존 유기물을 제거하고, 냄새, 색도, 탁도, 중금속, 및 대장균을 처리하여 재이용수를 생성하는 단계
    를 포함하는 방류수를 재이용하기 위한 처리 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 방류수를 재이용하기 위한 처리 방법은 f) 상기 재이용수를 재이용수 저류조로 이송하여 일시적으로 저장하는 단계를 추가로 포함하는 방류수를 재이용하기 위한 처리 방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 나노 기포는 직경이 100 내지 200 nm의 범위를 가지는 방류수를 재이용하기 위한 처리 방법.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 응집 슬러지가 제거된 상기 처리수의 총인의 양은 최대 0.4 mg/L 이하이고,
    상기 재이용수의 총인의 양은 최대 0.2 mg/L 이하인
    방류수를 재이용하기 위한 처리 방법.
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