KR101047866B1 - 해수로부터 생산된 간수를 이용하여 유기성 폐수를 처리하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해수로부터 생산된 간수(Bittern)를 이용하여 유기성 폐수를 처리하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표층해수 또는 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층(海底深層)의 해양 심층수와 같은 해수를 농축하여 소금을 생산하면서 생산된 간수를 유기성 폐수처리의 생물학처리공정에 이용하여 유기성 폐수를 처리하는 방법에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 해수로부터 생산된 간수를 이용하여 유기성 폐수를 처리하는데 있어서, 표층해수 또는 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층(海底深層)의 해양 심층수를 보메도 비중이 32∼34°Be까지 농축하여 소금을 생산하면서 부산물로 생산된 간수(Bittern)에 2가·3가 철염과 미네랄 성분과 착염을 생성하는 유기산(有機酸)을 공급하여 표층해수 또는 해양 심층수로부터 생산된 간수(苦汁)를 미네랄성분이 착염상태의 간수로 처리하는 단계, 폐수에 함유된 수용성 유기물을 활성미네랄과 반응하여 물에 불용성 유기물로 전환하여 응집·침전을 하는 단계, 물 분자의 집단을 소집단화하는 단계, 생물학처리 및 살균·여과단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

표층해수, 해양 심층수, 간수, 유기성 폐수, 생물학처리, 활성미네랄, 보메 도 비중

Description

해수로부터 생산된 간수를 이용하여 유기성 폐수를 처리하는 방법{The method for organic wastewater treatment using bittern produced from the sea water}

본 발명은 해수로부터 생산된 간수(Bittern)를 이용하여 유기성 폐수를 처리하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표층해수 또는 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층(海底深層)의 해양 심층수와 같은 해수를 농축하여 소금을 생산하면서 생산된 간수를 유기성 폐수처리의 생물학처리공정에 이용하여 유기성 폐수를 처리하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 유기성 폐수의 처리는 응집 후 침전 또는 부상, 혐기성 소화, 활성오니, 여과 또는 흡착 또는 소독 중에서 한 가지 이상의 공정을 조합하여 처리를 하고 있으나, 축산분뇨, 매립장의 침출수, 음식물쓰레기의 탈수 여액, 분뇨와 같이 유기성 오염물질의 농도가 높은 경우는 희석수로 희석하지 않고는 원만한 처리가 되지 않는 문제가 있으면서 막대한 처리비용이 소요되기 때문에 이와 같은 고농도 유기성 폐기물은 상당량을 비합리적인 해양투기를 하여 해양을 오염시키고 있는 실정에 있다.

일본 나가사키현(長崎縣) 기타타카키군(北高來郡) 모리야마쵸(森山町)의 가라고(唐比) 함몰습지(陷沒濕地)와 남알프스 히지리다케(南アルプス聖岳)의 산 중턱에 베토바(ベト場)라는 지역에는 해양성 플랑크톤(Plankton), 규조류(硅藻類), 해초(海草) 등이 화산분출물과 함께 퇴적되어 해양성 부식산콜로이드미셀(Humic acid micellar colloid) 형태인 이탄질(泥炭質)의 부식물질(腐植物質)이 존재하는데, 이를 활성부식물질이라 하여 다음의 문헌 1에서 문헌 11에서 유기성 폐수처리공정에 적용하여 악취발생이 감소하면서 처리효율이 향상되는 효과를 가져왔다.

그러나 습지의 보존 측면에서 상기의 부식물질의 채취를 행정당국과 협회 등에서 제한하고 있는 문제점이 있어 활성화된 부식물질의 조달에 어려움이 있다.

상기 활성부식물질을 폐수처리공정에 적용하였을 때 처리효율이 향상되는 메커니즘(Mechanism)을 미생물에 미네랄성분의 공급과 활성효소의 공급으로 다음 문헌 1부터 문헌 11의 문헌에서는 설명하고 있으나, 일부의 유기성 폐수에서는 처리효율의 향상이 거의 없는 문제점이 있었다.

그래서 본 발명자는 이를 면밀히 검토한 결과 폐수의 핵자기공명(核磁氣共鳴, Nuclear magnetic resonance, NMR) 스펙트럼(Spectrum) 반치폭(半値幅)의 값(㎐)이 큰 폐수(150㎐ 이상)는 생물학처리의 효율이 낮은 반면에, 폐수의 핵자기공명 반치폭의 값(㎐)이 낮을 수록(100㎐ 이하인) 생물학처리의 효율이 높은 것을 알게 되었으며, 핵자기공명 반치폭의 값이 적은 폐수는 표면장력이 적으면서 침투성이 좋아 미생물의 대사활동이 활발하게 되어 폐수처리 효율이 향상되는 것으로 사료 된다.

활성부식물질에 함유된 미네랄성분은 부식산(Humic acid) 및 풀브산(Fulvic acid)과 착염(錯鹽) 형태로 존재하면서 이와 같은 미네랄성분이 수중에 공급되었을 때는 다음 문헌 12에서와 같이 미네랄성분이 물에 용해되면서 광화작용(Mineralization)에 의해서 물 분자의 집단(Cluster)이 소집단화되어 표면장력이 작아지면서 침투성이 좋아져 미생물의 대사활동이 활발하게 되어 폐수처리의 효율이 향상되는 것으로 판명되었다. 다시 말해서 종전의 활성부식물질을 유기성 폐수처리의 생물학적 처리공정에 주입하였을 때 처리효율이 향상되는 메커니즘을 잘못 해석된 것으로 판단된다.

그리고 킬레이트성 미네랄착염(Chelatic mineral complex salts)에 2가·3가 철염이 미량 함유되어 있는 경우가 처리효율이 더욱더 향상되는 것을 알게 되었다.

종래기술의 문헌정보

[문헌 1] 자연정화처리의 실제(自然淨化處理の實際, 地人書館)

[문헌 2] 최신바이오수처리기술(最新バイオ水處理技術, 恒星社厚生閣)

[문헌 3] 미생물 이용 수처리기술(微生物利用水處理技術, 恒星社厚生閣), PP 111∼135

[문헌 4] BMW분뇨·폐수처리시스템 자연의 자정작용을 소생시키다(BMW糞尿·廢水處理システム―自然の自淨作用を活かす, 民間農法シリ-ズ, 崎 浩 著)

[문헌 5] 일본특허 공개번호 제2003-225694호(2003.08.12)

[문헌 6] 일본특허 공개번호 제2002-233888호(2002.08.20)

[문헌 7] 일본특허 공개번호 평(平) 10-296239호(1998.11.10)

[문헌 8] 일본특허 공개번호 평(平) 10-156398호(1998.06.16)

[문헌 9] 일본특허 공개번호 평(平) 09-066292호(1997.03.11)

[문헌 10] 일본특허 공개번호 평(平) 08-323382호(1996.12.10)

[문헌 11] 국제특허 WO 2005-100267호(2005.10.27)

[문헌 12] 일본특허 공개번호 평(平) 08-192172호(1996.07.30)

본 발명은 저농도 및 고농도의 유기성 폐수의 생물학처리공정에 표층해수 또는 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수와 같은 해수를 농축하여 소금을 생산하면서 부산물로 생산된 간수를 이용하여 폐수를 고도처리하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 해수로부터 생산된 간수를 이용하여 유기성 폐수를 처리하는데 있어서, 표층해수 또는 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층(海底深層)의 해양 심층수를 보메도 비중이 32∼34°Be까지 농축하여 소금을 생산하면서 부산물로 생산된 간수(Bittern)에 2가·3가 철염과 미네랄 성분과 착염을 생성하는 유기산(有機酸)을 공급하여 표층해수 또는 해양 심층수로부터 생산된 간수(苦汁)를 미네랄성분이 착염상태의 간수로 처리하는 단계, 폐수에 함유된 수용성 유기물을 활성미네랄과 반응하여 물에 불용성 유기물로 전환하여 응집·침전을 하는 단계, 물 분자의 집단을 소집단화하는 단계, 생물학처리 및 살균·여과단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

본 발명은 유기성 폐수의 생물학처리공정에 다양한 미네랄성분과 영양염류가 함유되어 있는 해수를 농축하여 생산된 간수를 이용하면 처리효율이 향상되는 효과가 있기 때문에 유기성 폐수처리에 널리 이용될 것으로 기대된다.

먼저, 표층해수와 해양 심층수(海洋深層水)의 특성(特性)을 검토하면, 해양 심층수는 통상 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층(海底深層)의 해수(海水)를 해양 심층수라고 부르며, 표층해수와는 달리 햇빛이 닿지 않아 플랑크톤(Plankton) 및 생명체(生命體)가 증식(增殖) 하지 못하기 때문에 영양염류(營養鹽類)의 농도가 높으면서 수온에 따른 밀도차이(密度差異)로 표층해수와 혼합되지 않아 표층해수에 존재하는 오염물질이 없으며, 표층의 해수와 비교하였을 때 저온안정성(低溫安定性), 오염물질, 유해세균이나 유기물이 매우 적은 청정성(淸淨性), 동·식물과 미생물의 성장에 매우 중요한 영양염류(營養鹽類)가 다량 함유되어 있으면서 다양한 미네랄성분(Mineral components)이 균형 있게 존재하는 특성과 고압 저온상태에서 긴 세월동안 물 분자(分子)의 집단(Cluster)이 소집단화(小集團化) 되어 표면장력(Surface tension)이 적어 침투성(浸透性)이 좋은 물로 숙성된 숙성성(熟成性) 등의 특성이 있다.

특히 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층(海底深層)의 해양 심층수란 햇빛이 닿지 않고, 또한, 표층의 해수와 섞이지 않는 깊이에 있는 해수로, 해양 심층수는 표층해수에 비해서 오염물질(汚染物質) 및 유해세균이 전혀 함유되어 있지 않으면서 표1의 "해양 심층수와 표층해수의 성분 분석치"에서 보는 바와 같이 미생물의 생장에 필요한 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 철(Fe), 아연(Zn), 나트륨(Na) 등 주요원소(主要元素)가 70종류를 넘는 다종다양(多種多樣)한 미네랄성분(Mineral components)이 포함되어 있으면서 영양염류(營養鹽類)가 다량 함유되어 있는 특성 이 있다.

다시 말해서 해수는 다음 표1" 해양 심층수와 표층해수 중에 함유된 중요성분 분석 치"에서 보는 바와 같이 동·식물 및 미생물의 생육에 필요한 질소, 인산 및 규산과 같은 영양염류와 다양한 미네랄성분이 함유되어 있음을 알 수 있다.

표1 해양 심층수와 표층해수 중에 함유된 중요성분 분석 치

구 분		울릉도 현포
		수심 650m 해양 심층수	표층해수
일 반 항 목	수온(℃)	1.2	20.3
	pH	7.8	8.15
	DO 용존산소(㎎/ℓ)	6	8
	TOC 유기 탄소(㎎/ℓ)	0.962	1.780
	CODMn(㎎/ℓ)	0.2	0.6
	용해성 증발잔류물(㎎/ℓ)	47,750	37,590
	M-알칼리도(㎎/ℓ)	114.7	110.5
주 요 원 소	NaCl(wt%)	2.75	2.69
	Mg 마그네슘(㎎/ℓ)	1,270	1,280
	Ca 칼슘 (㎎/ℓ)	406	405
	K 칼륨 (㎎/ℓ)	414	399
	Br 취소 (㎎/ℓ)	68.2	68.1
	Sr 스트론튬 (㎎/ℓ)	7.76	7.61
	B 붕소 (㎎/ℓ)	4.45	4.48
	Ba 바륨(㎎/ℓ)	0.044	0.025
	F 불소 (㎎/ℓ)	0.52	0.56
	SO4 2-황산 이온(㎎/ℓ)	2,836	2,627
영 양 염 류	NH4 +암모니아태질소(㎎/ℓ)	0.050	0.030
	NO3 -질산태질소(㎎/ℓ)	1.158	0.081
	PO4 3-인산태인(㎎/ℓ)	0.177	0.028
	Si 규소 (㎎/ℓ)	2.800	0.320
미 량 원 소	Pb 납 (㎍/ℓ)	0.110	0.087
	Cd 카드뮴 (㎍/ℓ)	0.050	0.008
	Cu 구리 (㎍/ℓ)	0.260	0.272
	Fe 철 (㎍/ℓ)	0.230	0.355
	Mn 망간 (㎍/ℓ)	0.265	0.313
	Ni 니켈 (㎍/ℓ)	0.360	0.496
	Zn 아연 (㎍/ℓ)	0.450	0.452
	As 비소 (㎍/ℓ)	0.401	0.440
	Mo 몰리브덴(㎍/ℓ)	5.110	5.565
	Cr 크롬(㎍/ℓ)	0.020	-
균 수	생균 수(개/㎖)	0	520
	대장균 수(개/㎖)	음성	음성

본 발명에서 염수의 염분농도를 파악하기 위한 용액의 비중의 측정은 보메 비중계(Baume's hydrometer)로 측정하며, 보매 비중계의 보메도(°Be)는 액체의 비중을 측정하기 위하여 보메도 비중계를 액체에 띄웠을 때의 눈금의 수치로 나타낸 것으로, 물의 비중보다 무거운 중액용(重液用)의 무거운 보메도(중보메도)와 물의 비중보다 가벼운 경액용(輕液用)의 가벼운 보메도(경보메도)가 있으며, 이 중에서 중액용은 순수(純水)를 0°Be로 하고, 15% 식염수를 15°Be로 하여, 그 사이를 15 등분한 눈금을 가지며, 경액용은 10% 식염수를 0°Be로 하고, 순수(純水)를 10°Be로 하여, 그 사이를 15 등분한 눈금을 매기고 있다.

보메도(°Be)와 액체의 비중(d)과의 관계는 다음과 같다.

액체의 비중이 물의 비중보다 무거운 중보메도의 경우

d = 144.3/(144.3-°Be) …………………………………………(1)

액체의 비중이 물의 비중보다 가벼운 경보메도의 경우

d = 144.3/(134.3+°Be) …………………………………………(2)

표층해수 또는 해양 심층수로부터 생산된 간수에는 미생물생육의 생육에 유용한 미네랄성분이 함유되어 있으며, 특히 해양 심층수에는 영양염류가 다량 함유되어 있는 특성이 있기 때문에 간수에 함유된 미네랄성분과 착염(錯鹽)을 생성하는 유기산을 주입하여 유기산 착염 상태의 간수를 폐수의 생물학처리에 이용하는 방법을 도면을 중심으로 상세히 설명하면 다음과 같다. 그리고 본 발명에서 혼합의 비율을 나타내는 "부"는 특별한 언급이 없는 한 "중량부"를 의미한다.

Ⅰ. 표층해수 또는 해양 심층수로부터 생산된 간수(苦汁)를 미네랄성분이 착 염상태의 간수로 처리하는 단계

표층해수 또는 해양 심층수를 증발농축하여 소금을 생산하면서 부산물로 생산된 간수(苦汁, Bittern)는, 해수에 함유된 미네랄성분이 농축된 농축 물이라 할 수 있으며, 간수의 주요성분조성은 소금을 생산하는 방법에 따라서 약간의 차이가 있으나, 염전(鹽田)에서 해수를 증발하여 소금을 석출(析出) 하면서 생산된 간수와 이온교환막법(전기투석법)으로 해수를 1차 농축 후 2차 증발농축하여 생산된 간수의 주요성분의 조성은 표2의 내용과 같다. 그러나 본 발명에서 사용하는 해수로부터 생산되는 간수는 제염법에 따른 간수의 성분조성이 다소 차이가 있는 것에는 특별히 제한하지 않는다.

표2 해수의 농축방법에 따른 간수의 주요성분조성(wt%)

*간수의 종류	NaCl	KCl	MgCl2	MgSO4	MgBr2	CaCl2
염전에서 생산된 간수	2∼11	2∼4	12∼21	2∼7	0.2∼0.4	-
이온교환막법에서 생산된 간수	1∼8	4∼11	9∼21	-	0.5∼1	2∼10

해수로부터 생산된 간수를 유기성 폐수의 생물학처리공정에 주입하였을 때는 다음과 같은 특징이 있다.

① 미생물의 생장에 유용한 질소, 인산, 규산과 같은 영양염류가 다량 함유되어 있으면서, 마그네슘, 칼슘, 가리, 아연, 붕소와 같은 다양한 미네랄성분이 함유되어 있기 때문에 미생물의 대사활동을 활발하게 할 수 있다.

② 또한, 상기의 영양염류와 미네랄성분은 토양미생물의 생육을 활발하게 함으로써 폐수처리효율을 향상할 수 있다.

특히 토양미생물은 일반 병원성 미생물 등에 비해서 세포질이나 세포벽에 미 네랄성분을 다량 함유되어 있으며, 이들 토양미생물은 미네랄성분을 충분하게 공급하였을 때 활발한 대사활동을 하면서 길항관계에 있는 부패성 미생물의 생육을 억제하여 악취발생을 줄일 수 있다.

이와 같은 원리를 응용하여 폐수의 생물학적 처리 또는 미생물의 배양공정과 같은 수계(Water system)에서 충분한 미네랄(Minerals)을 공급하여 미생물(Bacteria)을 활발하게 배양하는 것을 BMW시스템(Bacteria-Minerals-Water system)이라 하여 산업분야에 널리 응용되고 있다.

③ 폐수의 생물학적 처리공정에 상기의 간수를 공급하면, 간수로부터 충분한 미네랄이 공급되었을 때는 특히 토양미생물 중에서도 폴리페놀성분(Polyphenol components)의 대사산물(代謝産物)을 배설하는 바실루스 미코이데스(Bacillus mycoides), 바실루스 루테우스(Bacillus luteus), 흑국곰팡이(Aspergillus niger), 방선균(放線菌)과 같은 미생물이 유기성 폐기물을 먹이로 하여 활발하게 생육하면서, 상호길항관계에 있는 부패성 미생물의 생육을 억제하면서 대사 산물로 배설한 폴리페놀화합물은 대기 중에서 산화효소(Polyphenol oxidase)의 촉매작용에 의해 퀴논(Quinone) 화합물로 산화된 다음, 이 퀴논화합물의 중·축합반응에 의해서 거대고분자화합물인 부식전구물질(腐植前驅物質)을 거처 안정된 부식물질(腐植物質)로 부식화반응(腐植化反應)이 일어나면서 악취발생물질인 암모니아(NH₃), 유화수소(H₂S), 머캡탄(Mercaptan)류, 인돌(Indole), 스카톨(Skatol), 휘발성 아민류(Volatile amines)와 같은 물질과도 중·축합반응을 하여 비휘발성의 고분자물질 로 전환하기 때문에 악취발생이 억제되는 효과가 있다.

④ 폐수처리와 같은 수계(水系)에서도 휘발성 악취물질, 질소화합물, 수용성 유기물 등을 비휘발성이면서 물에 불용성인 부식전구물질로 처리되므로 악취발생이 억제되면서 질소, 인, BOD(Biochemical oxygen demand) 및 COD(Chemical oxygen demand) 등의 농도를 용이하게 환경기준치 이하로 처리할 수 있는 특징이 있다.

본 발명에서 생물학처리에서 사용하는 간수는, 표층해수 또는 해양 심층수를 천일 건조 또는 역삼투여과공정, 전기투석공정, 전기추출공정, 이온교환막농축공정, 냉동농축공정, 진공증발 또는 가열증발 중에서 한 종류이상 조합한 공정에 의해서 보메도 비중이 32∼34°Be까지 농축하여 소금을 생산하면서 부산물로 생산된 간수(Bittern)를 이용한다.

그리고 2가·3가 철염이 소량 존재하는 경우 미생물이 더욱더 활발한 대사활동을 하기 때문에 상기 보메도 비중이 32∼34°Be까지 농축하여 소금을 생산하면서 부산물로 생산된 간수 100중량부에 2가·3가 철염에 함유된 철 함량을 기준으로 0.0001∼0.01중량부를 첨가한다.

그리고 미네랄성분이 착염(錯鹽)의 상태로 존재할 때 미생물이 용이하게 섭취하기 때문에 상기 보메도 비중이 32∼34°Be까지 농축하여 소금을 생산하면서 부산물로 생산된 간수 100중량부에 미네랄 성분과 착염을 생성하는 유기산(有機酸)을 5∼20중량부를 첨가하고, 교반·용해하여 미네랄착염 상태의 간수를 만들어 생물학처리 및 살균·여과단계의 미생물 활성화조(27)에 공급한다.

상기 2가·3가 철염은, 자철광(磁鐵鑛) 또는 4·3 산화철(Fe₃O₄)을 5∼20wt%의 HCl수용액을 가해서 용해한 염을 사용하며, 이때 반응은 다음 식(3)과 같다.

Fe₃O₄ + 8HCl → FeCl₂ + 2FeCl₃ + 4H₂O …………………………………(3)

그리고 상기 미네랄성분과 착염을 생성하는 유기산은, 구연산(Citric acid), 구연산염(Citrates), 주석산(Tartaric acid), 주석산염(Tartrates), 호박산(Succinic acid), 호박산염(Succinates), 사과산(Malic acid), 사과산염(Malates), 말산(Malic acid), 말산염, 푸마르산(Fumaric acid), 푸마르산염(Fumarate), 에틸렌다이아민테트라아세트산(Ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA), 에틸렌다이아민테트라아세트산(Ethylenediaminetetraacetates), 풀브산(Fulvic acid) 또는 부식산(Humic acid) 중에서 한 종류의 유기산을 사용한다.

여기서 처리효율이 다소 떨어지더라도 유기산과 2가·3가 철염을 첨가하는 것을 생략하고, 상기 간수를 미생물활성화조(27)에 공급할 수도 있다.

Ⅱ. 폐수에 함유된 수용성 유기물을 활성미네랄과 반응하여 물에 불용성 유기물로 처리하여 응집·침전을 하는 단계

폐수가 폐수 집수조(1)에 유입되면 폐수이송펌프(2)로 활성미네랄 반응조(3)에 공급하고, 활성미네랄 반응조 교반기(4)로 교반하면서 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 바륨(Ba)과 같은 알칼리 토금속화합물을 다량 함유한 석회석(石灰石), 중정석(重晶石) 또는 백운석(白雲石) 중에서 한 종류를 유동배소로(流動焙燒爐), 윤요(輪窯) 등을 이용하여 1,000∼1,600℃로 소성(燒成)하여 300∼400메시(Mesh)로 분쇄(粉碎)한 분말 또는 이 분말을 수중에 밀크상태로 분산한 것을 유입되는 폐수의 BOD₅(Biochemical oxygen demand) 또는 COD_Mn(Chemical oxygen demand) 농도(㎎/ℓ) 중에서 높은 값의 1.5∼4배의 농도로 공급하여 30∼60분간 반응하여 수용성 유기물질을 활성화미네랄성분과 반응하도록 하여 물에 불용성 유기물질로 전환한 다음 중화조(5)로 보낸다.

그리고 송풍기(30)로부터 공기를 활성미네랄반응조(3) 하부로 폭기강도(Intensity of aeration)가 10∼30N㎥-Air/㎥·시간으로 공급하여 폭기를 한다.

수용성 유기물질이 불용성 유기물질로 전환된 폐수가 중화조(5)에 공급되면 중화조 교반기(6)로 교반하면서 중화제로 5∼20wt%의 황산수용액을 공급하여 pH를 5∼8 범위로 중화처리를 한 다음 1차 침전조(7)의 응집부로 보낸다.

중화처리된 폐수가 1차 침전조(7)의 응집부에 공급되면 1차 침전조 교반기(8)로 교반하면서 고분자 응집제를 2∼5㎎/ℓ범위로 공급하여 고형물질을 응집처리한 다음, 1차 침전조(7) 센터 웰(Center well) 상부로 순환하면서 응집된 고형물질은 침전부로 침전되고, 일부는 응집부로 순환한다. 침전부에 침전된 슬러지(Sludge)는 간헐적(間歇的)으로 슬러지 저장조(9)로 배출한다. 1차 침전조(7) 상부로 슬러지 블랭킷 층(Sludge blanket layer)을 통과하여 고형물질을 여과되어 월류(越流, Over flow) 하는 월류수는 1차 처리수조(11)로 보낸다.

슬러지 저장조(9)의 슬러지는 슬러지 이송펌프(10)로 탈수처리공정으로 보낸 다.

상기 활성미네랄 반응조 교반기(4)와 중화조 교반기(6)는 내식성인 스테인리스강(Stainless steel)의 프로펠러형(Propeller type)으로 하고, 회전속도는 180∼360rpm으로 하며, 교반 용량은 유량(Q)과 조의 용량(V)의 비(Q/V)가 1.5∼4의 범위로 한다.

그리고 1차 침전조 교반기(8)는 내식성인 스테인리스강(Stainless steel)의 피치드 패들형(Pitched paddle type)으로 하고, 회전속도는 18∼42rpm으로 하며, 교반 용량은 유량(Q)과 조의 용량(V)의 비(Q/V)가 1∼3의 범위로 한다.

폐수 집수조(1), 활성미네랄 반응조(3), 중화조(5), 1차 침전조(7), 슬러지 저장조(9)와 1차 처리수조(11)의 재질은 내식성의 스테인리스강(Stainless steel), 강판(Steel plate) 또는 콘크리트(Concrete) 구조물에 에폭시 코팅 또는 라이닝(Epoxy coating or lining)을 한 것, 고무 라이닝(Rubber lining)을 한 것 또는 FRP 라이닝(Fiber glass reinforced plastic lining)을 한 것을 사용한다.

폐수 집수조(1)와 1차 처리수조(11)의 용량은 유량 균등과 농도 균등을 고려하여 결정을 하며, 활성미네랄 반응조(3)와 중화조(5)의 용량은 폐수이송펌프(2)에서 이송되는 폐수의 유량을 기준으로 체류시간이 30∼60분간이 되도록 한다.

1차 침전조(8)의 표면적은 월류부하(Over flow load)가 20∼30(㎥/㎡·일) 범위로 하며, 조의 깊이는 3∼6m로 한다.

유입폐수의 BOD₅ 및 COD_Mn의 농도가 500㎎/ℓ이하로 낮은 경우에는 상기의 활 성 미네랄성분과 반응하여 중화처리 후 응집한 다음, 1차 침전조(7)에서 고형물을 분리하는 조작을 할 필요가 없기 때문에, 도2에서와 같이 폐수 집수조(1)에 유입된 폐수를 폐수 이송펌프(2)로 물의 개질조(13)로 보낸다.

유입폐수의 핵자기공명(核磁氣共鳴) ¹⁷O-NMR 반치폭의 값이 80㎐ 이하로 물 분자의 집단이 소집단화된 경우는 물 분자의 집단을 소집단화하는 단계의 처리는 생략하고, 폐수에 함유된 수용성 유기물을 활성미네랄과 반응하여 물에 불용성 유기물로 처리하여 응집·침전을 한 것(1차 처리수)을 생물학처리의 폭기조(23)에 공급 한다.

그리고 유입폐수의 핵자기공명 ¹⁷O-NMR 반치폭의 값이 80㎐ 이하이면서 BOD₅ 및 COD_Mn의 농도가 500㎎/ℓ이하로 낮은 경우는, 활성미네랄성분과 반응하여 중화처리 후 응집한 다음, 1차 침전조(7)에서 고형물을 분리하는 조작과 물 분자의 집단을 소집단화하는 단계를 생략하고, 유입폐수를 생물학처리의 폭기조(23)에 공급한다.

Ⅲ. 물 분자의 집단을 소집단화하는 단계

1차 처리된 폐수가 1차 처리수조(11)에 유입되면 1차 처리수 이송펌프(12)에 의해 물의 개질조(13)에 공급하고, 정전압발생장치(18)의 변압기(18a)로부터 고압의 교류 정전압(靜電壓)을 철망 전극(14)에 3,000∼5,000볼트(Volt)의 전압을 인 가(印加)하여 철망 전극(14)을 중심으로 +와 -의 정전장을 교대로 반복해서 4∼10시간 동안 인가하면, 이로 인하여 물 분자 자체가 진동ㆍ회전을 되풀이하면서 물 분자의 수소결합(水素結合)이 부분적으로 절단(切斷)되어 소집단화된 것을 물의 개질처리수조(20)로 보내었다가 자화기 공급펌프(21)로 도전관(導電管)에 감은 코일(Coil)에 0.5∼5볼트(Volt) 범위의 교류 또는 직류의 저전압(低電壓)을 인가한 정전압도전관(靜電壓導電管)의 자화기(22)로 보내어 자화처리를 하여 물의 개질조(13)로 반송하면서 핵자기공명(核磁氣共鳴. Nuclear magnetic resonance)의 ¹⁷O-NMR의 측정값이 48∼60㎐ 범위의 소집단수(小集團水. Microclustered water)로 물을 개질 처리하여 생물학처리공정의 폭기조(23)로 보낸다.

여기서 자화기(22)에서 물의 개질조(13)로 반송하는 유량은, 물의 개질조(13)에 공급되는 유입유량의 1∼20배의 유량을 반송한다.

물의 개질조(13)의 재질은 내식성의 스테인리스강(Stainless steel) 콘크리트 구조물로 하며, 내부에는 전도도(電導度)가 높은 목탄(木炭) 또는 활성탄(活性炭)을 충전(充塡)한 스테인리스 스틸(stainless steel)의 철망 전극(14)의 망을 설치하고, 물의 개질조(13) 하부의 절연체(15)는 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리염화비닐(PVC), 스티로폼(Styrofoam) 중에서 한 종류를 선택하여 설치하고, 절연체(15) 하부에 설치하는 스테인리스강판(16)은, 내식성 재질인 스테인리스강판(16)을 기초콘크리트구조물(17) 사이에 설치하여 스테인리스강판(16)은 땅에 접지(19) 처리한다.

물의 개질조(13)를 콘크리트 구조물로 하는 경우는 상기의 절연체(15)를 설치할 필요가 없으며, 도체인 스테인리스강판(16)은 개질조(13) 바닥에 설치를 하고, 철망 전극(14)과 접촉이 되지 않게 한다.

자화기(22)는 합성수지(PVC, PE, 스티렌 수지 등), 에보나이트 (Ebonite), FRP, 베이클라이트(Bakelite)와 같은 절연성 재료의 원통형 도전관에 코일(Coil)을 감은 정전압도전관(靜電壓導電管)에 0.5∼5볼트(Volt) 범위의 교류 또는 직류의 저전압을 인가하면 코일의 내부에는 자기장(磁氣場)을 형성되고, 여기에 유체를 통과하면 유체는 자화처리된다.

여기서 정전압도전관에 코일(Coil)을 감은 자화기(22) 대신 자속밀도(磁束密度)가 10,000∼15,000가우스(Gauss) 범위로 착자(着磁)된 영구자석 자화기를 사용하여도 된다.

그리고 처리용량이 대용량인 경우에는 목탄(木炭) 또는 활성탄(活性炭)을 충전한 스테인리스(Stainless) 철망 전극(14)의 망이 내장된 물의 개질조(13)를 다단을 설치한다.

폐수가 물의 개질조(13)에 공급되면, 정전압발생장치(靜電壓發生裝置: 18)의 변압기(18a)의 2차 권선(18e)의 출력선(18f)을 물의 개질조(13) 내부에 설치된 철망 전극(14)에 연결하여 인입 전원을 100∼220볼트(Volt), 주파수 50∼60㎐의 교류 전원을 인가하고, 전압조정기(18b)를 조정하여 정전압발생장치(18)의 전압을 1,500∼5,000볼트(Volt), 전류를 10∼150㎂의 정전압을 4∼10시간 동안 인가하면서 정전유도처리를 하면 물 분자의 집단은 소집단수로 처리되면서 표면장력이 떨어져 침투 력이 우수한 물로 개질 처리된다.

정전압발생장치(18)의 변압기(18a)는 철심(18d), 1차 권선(18c), 2차 권선(18e), 2차 권선(18e)의 출력선(18f), 2차 코일(18e)의 절연처리 단말(18g)로 구성 되어 있으며, 전압조정기(18b)는 1차 권선(18c)에 접속하며, 2차 권선(18e)의 출력선(18f)은 절연(絶緣)된 절연체(15) 위에 설치된 물의 개질조(13)의 철망 전극(14)에 접속한다.

폐수를 물의 개질조(13)에 공급하고, 정전압발생장치(18) 변압기(18a)의 2차 권선(18e)의 출력선(18f)을 접속하는 것과 동시에, 2차 권선(18e)의 절연처리 단말(18g)을 변압기(18a) 내의 절연물 안에 절연상태로 하고, 물의 개질조(13)를 절연체(15)에 의해서 접지(19)와 절연상태로 한 절연체(15) 위에 설치하고, 절연체(15) 하부에 설치된 스테인리스강판(導體: 16)은 접지(19) 처리한다.

변압기(18a) 내의 고압 측 2차 권선(18e)의 일단인 절연처리 단말(18g)을 변압기(18a) 내의 절연물 안에서 절연상태로 한 콘덴서(C₂)를 형성하는 것과 동시에, 고압 측의 2차 권선(18e)의 나머지 일단의 출력선(18f)을 절연체(15)로 접지(19)와 절연한 물의 개질조(13)에 접속하여 콘덴서(C₁)를 형성하며, 그 결과, 출력선(18f)과 접지(19) 간의 전압은 250∼3,500볼트(Volt), 전류는 10∼150㎂의 미약 전류가 되므로 접지상태에서는 사람이 물의 개질조(13)에 접촉하여도 위험은 없다.

정전유도는 전기적으로 중성인 물질에 대전한 대전체에 접근하면 대전체에 가까운 물질의 표면에 대전체와는 반대의 극성을 가지는 전하가 나타나 먼 쪽의 대 전체와 같은 전하가 나타난다. 또, 대전체가 아니고 외부에 전기장이 존재하는 경우에서도 외부전하와 반대의 전하가 나타난다. 이때 나타나는 전하를 유도전하(誘導電荷)라고 하며, 중성물질은 유도 전하를 가지게 되어 접촉하고 있지 않은 외부의 전기작용에 의해서 물질에 전하가 유도되어 +전하와 -전하가 분극(分極)하는 현상이 일어나며, 이 현상을 정전유도를 받고 있다고 하며, 이 현상을 응용하여 물질에 교류전압을 인가하면 물질의 분자에 회전과 진동이 가해져 분자의 이합집산을 촉진하면서 물질에 물리적인 특성을 변화시키는 것을 정전유도처리(靜電誘導處理)라고 한다.

다시 말해서, 본 발명은, 정전압발생장치(18)의 변압기(18a)는 성층(成層)의 철심(18d)을 이용한 외철원형 코일 변압기 타입의 것이며, 변압기(18a)의 1차 측 회로의 1차 권선(18c)을 전압조정기(18b)를 개입시켜 교류 전원에 접속하여 변압기(18a)의 2차 측 회로의 2차 권선(18e) 1단의 절연처리 단말(18g)을 변압기(18a) 내의 절연물 안에서 절연처리한 것과 동시에 2차 측 회로의 2차 권선(18e)의 출력선(18f)을 절연체(15)를 접지(19)에 연결하여 절연한 절연체(15) 위에 배치된 물의 개질조(13)에 250∼3,500볼트(Volt)의 전압과 10∼150㎂의 전류를 흐르게 하는 것에 의해서 정전유도처리를 하면 물의 개질조(13)에 주입된 폐수의 물 분자집단화 되면서 표면장력이 적어져 침투성이 좋아져 생물학처리 공정에서 미생물의 생육을 활발하게 한다.

변압기(18a)는, 철심(18d)의 중앙부에 통 모양의 절연 필름을 끼워 넣고, 다시 절연 필름의 외주 면에 1차 권선(18c)과 2차 권선(18e)을 감고, 1차 권선(18c) 은 예를 들어 직경 0.6㎜의 폴리에스테르(Polyester)로 피복 한 동선을 사용하여 220∼240권으로 하고, 2차 권선(18e)은, 예를 들어 직경 0.09㎜의 에나멜로 피복 한 동선을 사용하여 40,000회권으로 하지만, 이 2차 권선(18e)의 40,000회 중, 제1의 2차 권선(18e)을 22,000회권으로 하고, 제2의 2차 권선(18e)을 18,000회권으로 하여도 좋고, 이러한 동선코일의 직경, 종류와 동선의 권수 등은 물의 개질조(13)의 용량과 처리시간, 인가전압 등의 조건에 따라서 결정을 한다.

통상의 경우, 이러한 동선코일(Coil)은 0.03∼3㎜의 것을 이용할 수 있으며, 동선의 종류는 폴리에스테르이나 에나멜로 피복 한 동선을 사용하여 동선코일의 권수는 1차 권선(18c)은 200∼250회권으로 하고, 2차 권선(18e)은 28,000∼40,000회권으로 하거나 2차 권선(18e) 내에서 제1의 2차 권선(18e)을 16,800∼22,000권으로 하고, 제2의 2차 권선(18e)을 11,200∼18,000권으로 해도 좋다.

2차 권선(18e)의 절연처리 단말(18g)은 변압기(18a) 내에 있고, 그 첨단 부분을 절연 테이프로 감은 후, 타르 피치(Tar pitch) 등의 절연물을 변압기(18a) 내에 충전해서 2차 권선(18e)의 절연처리 단말(18g)을 가려 싸도록 해서 절연하지만, 절연물은 타르 피치 이외에도 절연유, 불포화 폴리에스테르, 폴리우레탄 수지 등도 이용할 수도 있다.

변압기(18a)에 교류를 흐르게 하여 변압기(18a)의 1차 전압을 전압조정기(18b)로 조작하여 100∼220볼트(Volt)로 조정하면, 2차 측의 2차 권선(18e) 단말 사이에는 12,000∼18,000볼트(Volt)의 전압이 발생하지만, 2차 측 회로에서 2차 권선(18e)의 절연처리 단말(18g)은 절연하고 있으므로, 절연된 절연체(15) 위에 물의 개질조(13)에 출력선(18f)과 접속하고 접지(19)와 사이에는 3,500∼5,000볼트(Volt)의 전압과 10∼150㎂의 전류가 흐르게 된다.

상술한, 2차 측에 발생한 12,000∼18,000볼트(Volt)의 전압이, 물의 개질조(13)와 접지(19) 사이에 3,500∼5,000볼트(Volt)의 전압, 10∼150㎂의 전류가 되는 것은 2차 권선(18e)의 절연처리 단말(18g)과 절연체(15)의 저항, 코일의 교류저항회로에 의하는 것이다.

즉, 정전압발생장치(18)의 접지(19)와 물의 개질조(13)의 접지(19)에 의한 공진 회로를 형성하는 것이며, 2차 권선(18e)의 일단인 절연처리 단말(18g) 부위인 접지(19)와 2차 권선(18e)의 출력선(18f)을 절연체(15)로 절연되고 있는 접지(19)에 의한 출력전압으로부터의 방전에 의한 공진 주파수에 의해서 정전유도를 일어나게 한다.

물의 개질조(13)의 크기, 그리고 충전물을 충전한 철망 전극(14)의 크기와 절연체(15)에 따라서 물의 개질조(13)와 접지(19) 사이의 전압은 3,500∼5,000볼트(Volt)로 변동하며, 전류도 10∼150㎂ 범위로 변화하며, 또한, 입력 전원을 전압조정기(18b)로부터 전압을 조정하는 것에 따라서 전압과 전류를 변동시킬 수 있다.

상술한 바와 같이 교류저항회로에 의해서 발생시킨 물의 개질조(13)의 전압은 무 부하(無負荷) 시에 3,500∼5,000볼트(Volt)이지만, 전류는 10∼150㎂ 범위의 미약한 전류이므로 인체에 대해서 안전하고, 감전이나 화재 등의 트러블(Trouble)을 일으킬 우려는 없으며, 또한, 물의 개질조(13)에 인가되는 전압과 전류는 조의 충전 용량이나 정전유도처리조건에 따라서 전압조정기(18b)에 의해서 전압을 조정 하지만, 통상의 경우는 물의 개질조(13)와 접지(19) 간의 전압이 550∼1,600볼트(Volt), 전류는 30∼100㎂ 범위로 하는 것에 의해서 정전유도를 하면 적절한 교류 전계(電界)를 구성할 수 있다.

그리고 물의 개질조(13)에 대해서는, 물의 개질조(13) 내의 철망 전극(14)이 +전하가 되면, 접지(19) 측에서는 -전하가 유전(誘電)되며, 반대로 물의 개질조(13) 내의 철망 전극(14)이 -전하가 되면 접지(19) 측에서는 +전하가 유전되고, 이후 교류 전원의 주파수에 따라서 물의 개질조(13)는 1초간에 주파수(50 내지 60회)만큼 +전하와 -전하가 바뀌게 되며, 이것에 따라서 접지(19) 측의 전하도 유전되어 +전하와 -전하가 바뀌게 된다.

일반적으로 물질은 원자(原子)에 의해 성립되고 있으며, 이 원자는 원자핵과 전자에 의해 구성되고 있으며, 다시 원자핵은 중성자와 양자로 구성되어 있으며, 그리고 원자핵의 주위에는 부(-)의 전하를 가지는 전자가 원운동을 하고 있고, 외부 전계가 작용하지 않는 정상상태에서는 양자의 +전하와 전자의 -전하가 동량으로 안정된 상태로 되어 있으나, 외부에서 높은 전압을 인가하면 이것에 의해서 전자는 한편으로 이동하면서, 또한 양자도 한편으로 이동하기 때문에 원자의 전기적 중심이 일치하지 않게 되어 원자는 한 개의 전기쌍극자(電氣雙極子)를 형성하게 되면서 전하의 밸런스(Balance)에 의해서 내부전계(內部電界)가 발생하면서 분극(分極)을 일으키게 된다.

이와 같은 경우 원자(분자)가 외부전계(外部電界)에 의해서 분극이 되므로 이를 전자분극(電子分極) 혹은 원자분극(原子分極) 이라고 하며, 물의 개질조(13) 에 충전된 폐수에 높은 정전압을 인가하면 모든 분자는 정전유도에 의해서 +전하와 -전하의 교체에 따라서 순응하려고 하지만, 분자 간의 결합력의 강한 것과 약한 것의 차이가 생겨 폐수의 물 분자 집단(Cluster)은 수소결합(水素結合)이 부분적으로 절단(切斷) 되어 소집단화(小集團化) 하여 소집단수(Microclustered water)로 처리되면서 표면장력(表面張力)이 적게 되면서 점성이 적게 되어 물속에 용해되어 있는 칼슘, 마그네슘, 철분 등의 미네랄성분도 분자의 이온화가 촉진되어 초미립자화 되어 침투성이 높은 활성화된 물로 개질 처리된다.

Ⅳ. 생물학처리 및 살균·여과단계

상기 물 분자의 집단을 소집단화하는 단계에서 처리된 폐수가 폭기조(23)에 공급되면 송풍기(30)로부터 공기를 주입하여 폭기(曝氣)를 하면서 처리된 물은 2차 침전조(24)로 보내어 고형물은 침전되고, 월류(越流, Over flow)되는 처리수는 2차 처리수조(31)로 보내었다가 살균 및 여과처리 후 방류한다. 잉여오니는 농축 후 탈수처리공정으로 보낸다.

2차 침전조(24)에서 침전된 고형물(미생물 균체)은 2차 침전조 레이크(25)에 의해서 2차 침전조(24) 하부의 중앙 콘(Cone) 부분으로 모이면 반송펌프(26)에 의해서 할성부식물질펠렛트(Activated humic substance pellet), 마이너스 이온을 방사하는 광물 또는 세라믹스(Ceramics) 및 원적외선과 마이너스 이온을 방사하는 광물 또는 세라믹스를 동일 중량비율로 충전(充塡)된 생물반응기(28)가 내장된 미생물 활성화조(27)와 폭기조(23)로 보낸다.

여기서 전기석과 같이 마이너스 이온과 원적외선을 동시에 방사하는 광물을 충전하는 경우에는 할성부식물질펠렛트과 전기석을 1대 2중량 비로 충전한다.

미생물 활성화조(27)에서는, 반송펌프(26)에 의해서 2차 침전조(24)에서 침전된 고형물인 반송 오니(汚泥)가 미생물 활성화조(27)에 공급되면 송풍기(30)로부터 공기를 생물반응기(28) 하부와 미생물 활성화조(27) 하부로 공급하여 폭기를 하면서 상기 표층해수 또는 해양 심층수로부터 생산된 간수에 2가·3가철 염을 혼합한 것에 미네랄성분과 착염을 생성하는 유기산을 반응시켜 미네랄착염상태의 용액을 공급하여 섭취가 용이한 미네랄성분이 충분히 공급되었을 때 활발한 대사활동을 하는 바실루스 미코이데스(Bacillus mycoides), 바실루스 루테우스(Bacillus luteus), 흑국곰팡이(Aspergillus niger), 방선균(放線菌)과 같이 폴리페놀화합물(Polyphenol compounds)을 대사산물(代謝産物)을 배설하여 부식화반응에 의해서 수용성 유기물을 물에 불용성인 부식전구물질(腐植前驅物質) 또는 부식물질(腐植物質)로 전환하는 부식화미생물과 이들 미생물과 공생관계에 있는 미생물이 배양되어 활성화된 미생물을 폭기조(23)로 보내어 생물학적 폐수처리 시스템(System) 전체가 부식화 미생물과 이들 미생물과 공생관계에 있는 미생물에 의해서 부식화반응에 의해서 폐수처리가 되도록 유도한다.

상기 유기물질을 부식화하여 부식물질을 생성하는 미생물은 세포질(Cytoplasm)이나 세포벽(Cell wall)에 미네랄 함량이 높으며, 따라서 이들 미생물은 미네랄성분을 충분히 섭취하였을 때 활발한 대사활동을 하기 때문에, 상기 표층해수 또는 해양 심층수로부터 생산된 간수(苦汁)를 유기성 폐수의 생물학처리공 정에 이용할 수 있도록 처리하는 단계에서 생산된 표층해수 또는 해양 심층수와 같은 해수를 보메도 비중이 32∼34°Be까지 농축하여 소금을 생산하면서 부산물로 생산된 간수(Bittern)에 2가·3가 철염이 함유되어 있으면서 유기산을 첨가하여 착염상태의 간수를 유입되는 폐수 100중량부당 0.001∼0.01중량부를 미생물 활성화조(27)에 공급한다.

처리효율이 다소 떨어지더라도 유기산을 첨가하는 것을 생략하고, 상기 간수 100중량부에 2가·3가 철염에 함유된 철 함량을 기준으로 0.0001∼0.01중량부를 첨가한 간수를 유입되는 폐수 100중량부당 0.001∼0.01중량부를 미생물활성화조(27)에 공급할 수도 있다.

부식화반응에 의해서 폐수처리를 하였을 때는, 암모니아(NH₃), 유화수소(H₂S), 머캡탄(Mercaptan)류, 인돌(Indole), 스카톨(Skatol), 휘발성 아민류와 같은 악취발생물질이 비휘발성이면서 물에 불용성인 부식전구물질 또는 부식물질로 동화(同化)되어 악취발생이 억제되는 효과가 있으며, 수용성 유기물도 물에 불용성인 부식전구물질 또는 부식물질로 고도로 동화되면서 처리되어 폐수처리효율이 높은 특징이 있다.

그리고 미생물 활성화조(27)에 내장된 원적외선을 방사하는 광물 또는 세라믹스, 마이너스 이온을 방사하는 광물 또는 세라믹스 및 활성부식물질페렛트를 동일 중량비율로 충전물(29)이 충전된 생물반응기(28) 하부에 송풍기(30)로부터 공기를 주입하면, 공기와 반송 오니가 함께 생물반응기(28)의 충전물(29) 층을 에어 리 프팅(Air lifting) 되면서 통과하여 물을 개질 처리하여 미생물의 생육을 더욱더 활발하게 한다.

*폭기조(23)의 용량은 F/M비(Food/Mlcroorganlsm Rate)를 0.2∼0.4 범위에서 다음 식(4)에 의해서 결정하며, 깊이는 2∼6m범위로 한다.

F/M = {(BOD₅×Q)/(MLSS×V)}×10^-3 [kg BOD/㎥.일] …………(4)

여기서 BOD₅는 유입폐수의 5일 생물학적 산소요구량(㎎/ℓ), V는 폭기조의 용적(Volume, ㎥), MLSS는 폭기조 내 혼합액 부유물질(Mixed liquor suspended solids)농도(㎎/ℓ), Q는 유입폐수량(㎥/일)이다.

2차 침전조(24)의 표면적은 월류 부하(Over flow load)를 15∼25(㎥/㎡·일)와 고형물부하를 60∼90(㎏/㎡·일)을 고려하여 여유있는 표면적으로 하며, 조의 깊이는 3∼6m로 한다.

2차 침전조(24)에 폭기조(23)와 미생물 활성화조(27)로 반송하는 유량은 폭기조(23) 내에서 MLSS(Mixed liquor suspended solids)의 농도가 2,500∼3,500㎎/ℓ범위가 되게 다음 식(5)에 의해서 구한다.

R = Qr/Q = (MLSS-SS)/(R-MLSS) …………………………………… (5)

여기서 R는 2차 침전조(24)에 폭기조(23)와 미생물 활성화조(27)로 반송하는 반송률(%), Qr는 반송하는 유량(㎥/일), Q는 유입폐수의 유량(㎎/ℓ), MLSS는 폭기조(23) 내의 혼합액 부유물질농도(㎎/ℓ), SS는 유입폐수 중에 함유된 부유물질농 도(㎎/ℓ), R는 반송오니의 부유물질농도(㎎/ℓ)이다.

그리고 미생물 활성화조(27)에 공급하는 유량은, 상기 전체 반송오니의 유량의 8∼20%를 공급하고, 미생물 활성화조(27)의 용량은 체류시간을 0.5∼2일간으로 하고, 생물반응기(28)에 충전하는 충전물(29)은, 미생물 활성화조(27)에 공급되는 유량 10㎥/일당 활성부식물질펠렛드를 10∼20㎏, 원적외선을 방사(放射)하는 광물 또는 세라믹스(Ceramics) 중에서 한 종류를 10∼20㎏, 마이너스 이온(Minus ion)을 방사(放射)하는 광물 또는 세라믹스 중에서 한 종류를 10∼20㎏을 충전한다.

여기서 전기석과 같이 원적외선과 마이너스 이온을 동시에 방사하는 광물을 사용하는 경우는 미생물 활성화조(27)에 공급되는 유량 10㎥/일당 활성부식물질펠렛드를 10∼20㎏과 전기석을 20∼40㎏을 충전한다.

송풍기(30)에서 폭기조(23)와 미생물활성화조(27)에 공급하는 공기량은 폭기조(23)의 용존산소(Dissolved oxygen) 농도가 2∼4㎎/ℓ가 유지되도록 공급하고, 생물반응기(28) 하부로는 폭기강도가 1.5∼3.5N㎥-Air/㎡·시간으로 한다. 송풍기(30)의 토출압력은 조의 수심에 따른 정압두(Static head)와 배관의 마찰손실에 따른 마찰손실두(Friction head)을 고려하여 결정한다.

[실시 예1]

표1의 해양 심층수를 역삼투 여과를 하여 여과된 탈 염수는 음료수제조공정으로 보내고, 여과되지 않은 염수는 천일염전지(天日鹽田池)로 보내어 보매도 비중이 20∼23°Be 범위로 농축된 함수(鹹水)를 보매도 비중이 32°Be까지 가열·증발하여 소금을 석출(析出)하고, 남은 액체인 간수의 성분조성은 표3의 내용과 같았 다.

표3 천일염전지에서 1차 농축된 함수를 보매도 비중이 32°Be까지 가열·증발하여 소금을 석출(析出)하고, 남은 간수의 주요성분 분석 치

성분	NaCl	KCl	MgCl2	MgSO4	수분 및 기타성분
성분의 농도(wt%)	5.62	2.33	16.22	5.18	70.65

[실시 예2]

실시 예1에서 생산된 간수 100㎏에 자철광을 염산용액에 용해한 2가·3가 철염에 함유된 철 함량을 기준으로 10g을 주입하고, 주석산을 10㎏을 가하여 미네랄성분이 착염상태의 간수를 만들었다.

[실시 예3]

슬러지돈사에서 비육돈 1,000 두를 사육하는 농장에서 표4와 같은 성상의 축산분뇨 평균 24㎥/일를 스크루 탈수기(Screw dehydrator)에서 1차 고형물을 분리한 탈수 여액인 폐수가 폐수 집수조(1)에 유입된 폐수의 성상은 표5와 같았다.

표4 축산분뇨의 분석치

항목	BOD5	CODMn	SS	총 질소(T-N)	총인(T-P)
농도(㎎/ℓ)	24,020	12,032	80,032	6,852	2,754

표5 축산폐수를 스크루 탈수기로 탈수한 탈수 여액(폐수)의 분석치

항목	BOD5	CODMn	SS	총 질소(T-N)	총인(T-P)
농도(㎎/ℓ)	6,230	3,960	4,522	5,852	480

상기 폐수 집수조(1)에 유입된 폐수를 폐수이송펌프(2)로 4㎥/시간의 유량으로 2.7㎥ 용량의 활성미네랄 반응조(3)로 보내어 활성미네랄 반응조 교반기(4)로 360RPM으로 교반을 하고, 송풍기(30)로부터 1.0㎥-Air/분의 유량으로 공기를 공급 하여 폭기를 하면서,수산화칼슘(Ca(OH)₂) 3wt%의 밀크상태의 수용액을 1.3㎥/시간으로 공급하여 반응을 시킨 다음, 2.7㎥ 용량의 중화조(5)로 보내어 중화조 교반기로 360RPM으로 교반하면서 5wt%의 황산수용액을 공급하여 pH를 6.5∼7.5로 중화처리를 하여 1차 침전조(7)의 중앙 응집부로 보내고, 0.01wt%의 고분자응집제를 160ℓ/시간으로 공급을 하면서 1차 침전조 교반기(8)로 42RPM으로 교반을 하여 1차 침전조(7) 상부 중앙상부의 센터 웰(Center well)를 넘쳐 침전부로 이송되어 침전된 고형물은 슬러지 저장조(9)로 배출하고, 1차 침전조(7) 상부로 월류(Over flow)하여 1차 처리수조에 공급된 1차 처리수의 수질분석치는 다음 표6의 내용과 같았다.

표5 1차 처리수의 분석치

항목	BOD5	CODMn	SS	총 질소(T-N)	총인(T-P)
농도(㎎/ℓ)	452	383	102	152	32

상기 1차 처리수를 1차 처리수 이송펌프(12)로 1.5㎥/시간의 유량으로 6㎥ 용량의 물의 개질조(13)에 공급하면서, 정전압발생장치(18)의 변압기(18a)로부터 교류 정전압(靜電壓)을 참숯 4.5㎥를 충전한 철망 전극(14)에 3,500볼트(Volt)의 전압과 0.82㎂의 전류를 인가하면서 물의 개질처리수조(20)로 보내었다가 자화기 공급펌프(21)로 도전관에 감은 코일(Coil)에 1.2볼트(Volt)의 직류를 인가한 정전압도전관(靜電壓導電管)의 자화기(22)에 3.5㎥/hr로 보내어 자화처리를 하여 물의 개질조(13)로 2㎥/hr로 반송하면서 나머지 1.5㎥/hr는 폭기조(23)로 보내었다. 여기서 정전압처리 및 자화처리를 한 결과 물의 핵자기공명(核磁氣共鳴) ¹⁷O-NMR 반치폭을 측정한 결과 도3에서 와 같이 72.5㎐로 처리되었다.

생물학적 처리공정은 폭기조(23)는 5m(폭)×5m(넓이)×4m(깊이)×4기, 침전조(25)는 5m(폭)×5m(넓이)×4m(깊이)×1기로 구성된 2단 활성오니 공정으로 되어 있는 기존처리공정에서 1단 활성오니처리공정을 이용하면서 기존 2단 폭기조가 5m(폭)×5m(넓이)×4m(깊이)로 된 1기를 미생물활성화조(27)로 개조하여 활성부식물질펠렛드를 8㎏과 전기석을 16㎏을 충전한 생물반응기(28)를 설치한 생물학처리공정의 폭기조(23)에 상기 자화기(22)에 3.5㎥/hr로 보내어 자화처리를 하여 물의 개질조(13)로 2㎥/hr로 반송하면서 나머지 1.5㎥/hr를 공급하면서 송풍기(30)로부터 공기를 포기조와 미생물활성화조(27) 용존산소 농도가 2∼4㎎/ℓ가 유지되도록 폭기를 하면서 2차 침전조(24)로 보내어, 2차 침전조레이크(25)를 0.02RPM으로 운전하면서 침전된 오니는 반송펌프(26)에 의해서 0.6㎥/시간을 폭기조(23)로 반송하고, 0.2㎥/시간은 미생물활성화조(27)로 보내면서, 실시 예2에서 만든 미네랄성분이 착염상태의 간수를 30㏄/분의 유량으로 미생물활성화조(27)에 공급하고, 폭기조(23)의 MLSS(Mixed liquor suspended solid) 농도가 2500∼3500㎎/ℓ가 유지되록 하면서 잉여오니를 배출하였다. 그리고 침전조(24) 상부를 월류하는 2차 생물학처리수는 2차 처리수조(31)로 보내었으며, 이때 수질의 분석치는 표6의 내용과 같았다.

표6 2차 생물학적 처리수의 분석치

항목	BOD5	CODMn	SS	총 질소(T-N)	총인(T-P)
농도(㎎/ℓ)	12	18	52	28	3

상기 2차 생물학적 처리수가 법적 배출기준치 이하로 처리되었기 때문에 3차 여과처리공정은 생략하였다. (상기 2차 생물학적 처리공정의 폭기조(23), 2차 침전 조(24) 및 미생물활성화조(27) 등의 기기장치 사양은 경비절감을 위해서 기존 활성오니 공정을 이용함으로써 본 발명의 설계조건에서 제시한 내용과는 다소 차이가 있었다.)

상술한 바와 같이 축산폐수와 같은 고농도폐수도 희석 수를 사용하지 않고서도 법적 배출기준치 이하로 고도처리가 될 수 있음을 알 수 있다.

도 1은 고농도 유기성 폐수처리공정도

도 2는 저농도 유기성 폐수처리공정도

도 3은 정전압(靜電壓)처리와 자화처리를 하여 물 분자의 집단을 소집단화처리를 물의 핵자기공명 ¹⁷O-NMR 반치폭의 측정도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1: 폐수 집수조 2: 폐수이송펌프

3: 활성미네랄 반응조 4: 활성미네랄 반응조 교반기

5: 중화조 6: 중화조 교반기

7: 1차 침전조 8: 1차 침전조 교반기

9: 슬러지 저장조 10: 슬러지 이송펌프

11: 1차 처리수조 12: 1차 처리수 이송펌프

13: 물의 개질조 14: 철망 전극

15: 절연체(絶緣體) 16: 스테인리스강판(導體)

17: 기초 콘크리트구조물 18: 정전압발생장치

18a: 변압기 18b: 전압조정기

18c: 1차 권선 18d: 철심

18e: 2차 권선 18f: 출력선

18g: 절연처리 단말 19: 접지

20: 물의 개질처리수조 21: 자화기 공급펌프

22: 자화기(磁化器) 23: 폭기조

24: 2차 침전조 25: 2차 침전조 레이크(Rake)

26: 반송펌프 27: 미생물 활성화조

28: 생물반응기 29: 충전물

30: 송풍기 31: 2차 처리수조

M: 모터(Motor) ⓢ: 솔레노이드밸브(Solenoid valve)

FI: 유량지시계(Flow indicator)

pHT: 수소 이온 농도 전달장치(pH transmitter)

pHIS: 수소 이온 농도 지시제어스위치(pH indicating control switch)

BIS: 보메비중지시제어기(Baume indicating switch)

Claims (5)

1. 해수로부터 생산된 간수를 이용하여 유기성 폐수를 처리하는데 있어서, 표층해수 또는 해양 심층수를 보메도 비중이 32∼34°Be까지 농축하여 소금을 생산하면서 부산물로 생산된 간수(Bittern)에 2가·3가 철염과 미네랄 성분과 착염을 생성하는 유기산(有機酸)을 공급하여 미네랄성분이 착염상태의 간수로 처리하는 단계,

   유기성 폐수를 석회석(石灰石), 중정석(重晶石) 또는 백운석(白雲石) 중에서 한 종류를 1,000∼1,600℃로 소성(燒成)하여 분쇄(粉碎)한 분말 또는 분말을 수중에 밀크상태로 분산한 활성미네랄과 반응시킨 후 중화, 응집·침전을 하여 폐수에 함유된 수용성 유기물을 활성미네랄과 반응하여 물에 불용성 유기물로 처리하여 응집·침전을 하는 단계,

   상기 폐수에 함유된 수용성 유기물을 활성미네랄과 반응하여 물에 불용성 유기물로 처리하여 응집·침전한 처리수를 3,000∼5,000볼트(Volt)의 교류 정전압(靜電壓)처리와 자화처리를 하여 물 분자의 집단을 소집단화하는 단계,

   상기 교류 정전압(靜電壓)처리와 자화처리를 하여 물 분자의 집단을 소집단화한 것을 생물학처리의 폭기조(23)에 공급하고 공기를 주입하여 처리된 것을 2차 침전조(24)로 보내어 침전된 오니는 반송펌프(26)에 의해서 할성부식물질펠렛트(Activated humic substance pellet), 마이너스 이온을 방사하는 광물 또는 세라믹스(Ceramics) 및 원적외선과 마이너스 이온을 방사하는 광물 또는 세라믹스를 충전(充塡)한 생물반응기(28)가 내장된 미생물 활성화조(27)와 폭기조(23)로 반송 하면서, 미생물 활성화조(27)에는 상기 간수(Bittern)에 2가·3가 철염과 미네랄 성분과 착염을 생성하는 유기산을 공급하여 미네랄성분이 착염상태의 간수를 주입하면서 처리하여 활성화된 미생물을 폭기조(23)로 보내어, 2차 침전조(24)를 익류한 생물학적 처리수는 살균 및 여과처리를 하는 생물학처리 및 살균·여과단계로 구성된 것을 특징으로 하는 해수로부터 생산된 간수를 이용하여 유기성 폐수를 처리하는 방법.
2. 해수로부터 생산된 간수를 이용하여 유기성 폐수를 처리하는데 있어서, 표층해수 또는 해양 심층수를 보메도 비중이 32∼34°Be까지 농축하여 소금을 생산하면서 부산물로 생산된 간수(Bittern)에 2가·3가 철염과 미네랄 성분과 착염을 생성하는 유기산(有機酸)을 공급하여 표층해수 또는 해양 심층수로부터 생산된 간수(苦汁)를 미네랄성분이 착염상태의 간수로 처리하는 단계,

   유기성 폐수를 3,000∼5,000볼트(Volt)의 교류 정전압(靜電壓)처리와 자화처리를 하여 물 분자의 집단을 소집단화하는 단계,

   상기 교류 정전압(靜電壓)처리와 자화처리를 하여 물 분자의 집단을 소집단화한 것을 생물학처리의 폭기조(23)에 공급하고 공기를 주입하여 처리된 것을 2차 침전조(24)로 보내어 침전된 오니는 반송펌프(26)에 의해서 할성부식물질펠렛트(Activated humic substance pellet), 마이너스 이온을 방사하는 광물 또는 세라믹스(Ceramics) 및 원적외선과 마이너스 이온을 방사하는 광물 또는 세라믹스를 충전(充塡)한 생물반응기(28)가 내장된 미생물 활성화조(27)와 폭기조(23)로 반송 하면서, 미생물 활성화조(27)에는 상기 간수(Bittern)에 2가·3가 철염과 미네랄 성분과 착염을 생성하는 유기산을 공급하여 미네랄성분이 착염상태의 간수를 주입하면서 처리하여 활성화된 미생물을 폭기조(23)로 보내어, 2차 침전조(24)를 익류한 생물학적 처리수는 살균 및 여과처리를 하는 생물학처리 및 살균·여과단계로 구성된 것을 특징으로 하는 해수로부터 생산된 간수를 이용하여 유기성 폐수를 처리하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항 중에서, 상기 미생물 활성화조(27)에는 상기 간수를 주입하면서 처리하여 활성화된 미생물을 폭기조(23)로 보내어, 2차 침전조(24)를 익류한 생물학적 처리수는 살균 및 여과처리를 하는 생물학처리 및 살균·여과하는 것으로 해수로부터 생산된 간수를 이용하여 유기성 폐수를 처리하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 폐수에 함유된 수용성 유기물을 활성미네랄과 반응하여 물에 불용성 유기물로 처리하여 응집·침전한 처리수를 생물학처리의 폭기조(23)에 공급하여 해수로부터 생산된 간수를 유기성 폐수를 처리하는 방법.
5. 제2항에 있어서, 상기 유기성 폐수를 생물학처리의 폭기조(23)에 공급하여 해수로부터 생산된 간수를 유기성 폐수를 처리하는 방법.

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