KR101144901B1 - 황 충전 엠비알 반응기를 이용한 포기조 내 질소 및 인 제거 장치 - Google Patents
황 충전 엠비알 반응기를 이용한 포기조 내 질소 및 인 제거 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 황 충전 MBR 반응기를 이용한 포기조 내 질소 및 인 제거 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 (1) 입상황을 이용하여 유입된 처리대상수에 대하여 독립영양 탈질 반응을 일으키고, 독립영양 반응을 일으킨 상기 처리대상수를 미생물과 분리시키는 멤버레인 모듈; (2) 상기 멤버레인 모듈에서 미분해된 유기물을 화학적으로 응집처리하기 위한 응집제를 자동으로 조절하여 투여하는 응집제 자동 투여 모듈; (3) 상기 멤버레인 모듈 내에 설치되며, 상기 처리대상수 내의 응집제 또는 인의 농도를 감지하는 센서 모듈; 및 (4) 상기 포기조 내에서 상기 멤버레인 모듈이 설치된 영역(이하, ‘제1 영역’이라 함)이 나머지 영역(이하 ‘제2 영역’이라 함)과 분리될 수 있도록 설치되며, 상기 제1 영역으로부터 상기 제2 영역으로의 응집제의 이동을 차단하는 격막을 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하고 있는, 황 충전 MBR 반응기를 이용한 포기조 내 질소 및 인 제거 장치에 따르면, 멤버레인 모듈에서 입상황을 이용하여 유입된 처리대상수에 대하여 독립영양 탈질 반응을 일으키고, 독립영양 반응을 일으킨 처리대상수를 미생물과 분리시킴으로써 질소 제거효율을 향상시킬 뿐만 아니라, 멤버레인 모듈에서 미분해된 유기물을 응집제를 투여하여 화학적으로 응집 처리함으로써 인 제거효율 또한 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 처리대상수 내의 응집제 또는 인의 농도를 감지하고, 그 감지된 결과에 따라 응집제 투여량을 자동으로 조정할 뿐만 아니라, 멤버레인 모듈이 설치된 영역으로부터 나머지 영역으로의 응집제의 이동을 차단하는 격막을 설치함으로써, 응집제의 투여량을 대폭 감소시킬 수 있다.
본 발명에서 제안하고 있는, 황 충전 MBR 반응기를 이용한 포기조 내 질소 및 인 제거 장치에 따르면, 멤버레인 모듈에서 입상황을 이용하여 유입된 처리대상수에 대하여 독립영양 탈질 반응을 일으키고, 독립영양 반응을 일으킨 처리대상수를 미생물과 분리시킴으로써 질소 제거효율을 향상시킬 뿐만 아니라, 멤버레인 모듈에서 미분해된 유기물을 응집제를 투여하여 화학적으로 응집 처리함으로써 인 제거효율 또한 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 처리대상수 내의 응집제 또는 인의 농도를 감지하고, 그 감지된 결과에 따라 응집제 투여량을 자동으로 조정할 뿐만 아니라, 멤버레인 모듈이 설치된 영역으로부터 나머지 영역으로의 응집제의 이동을 차단하는 격막을 설치함으로써, 응집제의 투여량을 대폭 감소시킬 수 있다.
Description
본 발명은 질소 및 인 제거 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 황 충전 MBR 반응기를 이용한 포기조 내 질소 및 인 제거 장치에 관한 것이다.
폐쇄성 수역의 부영양화는 대부분이 생활하수, 산업폐수 등에 의한 영양염류의 인위적 공급에 의한 것이므로 폐수에 포함되어 있는 질소나 인을 제거해야 해결할 수 있다. 기존 하수처리장에서 가장 많이 이용되고 있는 표준 활성슬러지법은, 처리대상수가 유입되어 무산소조, 호기조, 침전조를 거쳐 방류되며, 내부반송에 의해 질산성 질소가 탈질되는 시스템으로 구성된다. 이 방법에서는, 내부반송량의 조절(유기탄소량)에 의해 질소 제거량이 결정되며, 질소 제거의 한계로 변법이 많이 개발되고 있다.
공개번호 제10-2003-0008416호 사건의 경우, 입상황 반응조와 호기성 반응조에 분리막이 침적된 개별 반응조로 수처리가 진행되는데, 별도의 관리와 부지가 필요하고, 분리막의 경우 MLSS가 약 5,000～12,000ppm으로 매우 높으면 분리막에 미생물이 접촉하므로 분리막의 빈번한 세정주기로 인한 전력비와 교체비용이 증가한다는 단점이 있다. 본 발명의 선행특허인 등록번호 제30468호 및 제331943호 사건은, 입상황을 별도의 반응조에 충진시키는 독립영양 탈질에 대해 상세히 기술하였으며, 질소 제거가 필요한 하수처리장 등에서 별도의 부지에 건설하고 있다. 또한, 공개번호 제10-2002-0011355호 사건에서는 포기조 내에 입상황이 충진된 케이싱과 섬유망으로 유기물 제거, 질산화 및 탈질을 수행한다고 서술하였다. 상기의 경우 독립영양 탈질이 진행되어 입상황이 충진된 케이싱 내부에 부유물질 등이 입상황 표면에 부착되면 탈리가 어렵다는 단점이 있다. 또한, 입상황 내부로 유입되는 처리대상수의 유입량이 폭기, 교반 등의 케이싱 외부의 흐름에 의해 조절하기에는 한계가 있기 때문에 고속처리가 곤란하였다. 그리고 실용신안 등록제299231호 사건의 경우 멤버레인과 황을 이용한 수처리 장치이지만 포기조 내에 멤버레인이 설치되고, 포기조 측면에 별도의 황이 충전된 반응조가 구성되며, 처리형태가 하향류식으로 진행된다. 이 수처리 시스템은 멤버레인 충진 부분에 부유물질 등이 직접 접촉되므로 쉽게 막혀 멤버레인의 교체주기가 짧아지고, 기존시설에 적용할 경우 별도의 부지를 필요로 한다. 특히, 기존 시설의 포기조는 계열별로 구성되므로 포기조의 외부에 황충전 반응조를 설치하기가 곤란하다는 단점을 가지고 있다.
한편, 인은 자연계에서 생물의 필요량에 비해 부족한 상태이므로 질소와 마찬가지로 생물성장의 제한인자가 되는 요소이다. 그러나 산업의 발달로 인하여 인 화합물의 방출이 증가하면서 부영양화 현상이 여러 공공 수역에서 발생함으로써 조류의 급속한 번식과 생태계의 파괴를 초래하고 있다. 따라서 폐쇄성 수역으로 방출되는 하, 폐수중의 인을 제거해야 하는데, 종래의 장치에서는 인을 제거하지 못하는 문제점이 있다.
본 발명은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 멤버레인 모듈에서 입상황을 이용하여 유입된 처리대상수에 대하여 독립영양 탈질 반응을 일으키고, 독립영양 반응을 일으킨 처리대상수를 미생물과 분리시킴으로써 질소 제거효율을 향상시킬 뿐만 아니라, 멤버레인 모듈에서 미분해된 유기물을 응집제를 투여하여 화학적으로 응집 처리함으로써 인 제거효율 또한 향상시킬 수 있는, 황 충전 MBR 반응기를 이용한 포기조 내 질소 및 인 제거 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 처리대상수 내의 응집제 또는 인의 농도를 감지하고, 그 감지된 결과에 따라 응집제 투여량을 자동으로 조정할 뿐만 아니라, 멤버레인 모듈이 설치된 영역으로부터 나머지 영역으로의 응집제의 이동을 차단하는 격막을 설치함으로써, 응집제의 투여량을 대폭 감소시킬 수 있는, 황 충전 MBR 반응기를 이용한 포기조 내 질소 및 인 제거 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른, 황 충전 MBR 반응기를 이용한 포기조 내 질소 및 인 제거 장치는,
(1) 입상황을 이용하여 유입된 처리대상수에 대하여 독립영양 탈질 반응을 일으키고, 독립영양 반응을 일으킨 상기 처리대상수를 미생물과 분리시키는 멤버레인 모듈;
(2) 상기 멤버레인 모듈에서 미분해된 유기물을 화학적으로 응집처리하기 위한 응집제를 자동으로 조절하여 투여하는 응집제 자동 투여 모듈;
(3) 상기 멤버레인 모듈 내에 설치되며, 상기 처리대상수 내의 응집제 또는 인의 농도를 감지하는 센서 모듈; 및
(4) 상기 포기조 내에서 상기 멤버레인 모듈이 설치된 영역(이하, ‘제1 영역’이라 함)이 나머지 영역(이하 ‘제2 영역’이라 함)과 분리될 수 있도록 설치되며, 상기 제1 영역으로부터 상기 제2 영역으로의 응집제의 이동을 차단하는 격막을 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 멤버레인 모듈은,
입상황이 충진되어, 포기조로부터 유입된 처리대상수에 대하여 독립영양 탈질 반응을 일으키는 케이싱; 및
상기 케이싱 내부에 탈부착되고, 독립영양 반응을 일으킨 상기 처리대상수를 미생물과 분리시키는 멤버레인을 포함하여 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 멤버레인 모듈은,
독립영양 탈질 반응 및 응집제에 의한 인 제거 과정을 마친 처리대상수를 집수하여 외부로 방류시키는 집수부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 응집제 자동 투여 모듈은,
상기 센서 모듈에서 감지된 응집제 또는 인의 농도에 기초하여, 응집제의 투여량을 자동으로 조절할 수 있다.
바람직하게는, 상기 응집제 자동 투여 모듈은,
상기 포기조 외부로부터 상기 멤버레인 모듈 내로 응집제를 강제적으로 투여시키는 응집제 투여 펌프를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 센서 모듈은,
상기 처리대상수의 전도도를 측정하여 인의 농도를 감지하는 전도도 센서를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 격막은,
상기 처리대상수가 상기 제2 영역으로부터 상기 제1 영역으로 유입될 수 있도록 다공성의 막으로 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 격막은,
상기 멤버레인 모듈의 일측에 판 형상으로 형성되거나, 상기 멤버레인 모듈을 둘러싸는 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명에서 제안하고 있는, 황 충전 MBR 반응기를 이용한 포기조 내 질소 및 인 제거 장치에 따르면, 멤버레인 모듈에서 입상황을 이용하여 유입된 처리대상수에 대하여 독립영양 탈질 반응을 일으키고, 독립영양 반응을 일으킨 처리대상수를 미생물과 분리시킴으로써 질소 제거효율을 향상시킬 뿐만 아니라, 멤버레인 모듈에서 미분해된 유기물을 응집제를 투여하여 화학적으로 응집 처리함으로써 인 제거효율 또한 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 처리대상수 내의 응집제 또는 인의 농도를 감지하고, 그 감지된 결과에 따라 응집제 투여량을 자동으로 조정할 뿐만 아니라, 멤버레인 모듈이 설치된 영역으로부터 나머지 영역으로의 응집제의 이동을 차단하는 격막을 설치함으로써, 응집제의 투여량을 대폭 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 황 충전 MBR 반응기를 이용한 포기조 내 질소 및 인 제거 장치의 개략도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 황 충전 MBR 반응기를 이용한 포기조 내 질소 및 인 제거 장치에서 멤버레인 모듈(310)의 단면도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 시간에 따른 유입과 유출수의 NO3 --N의 농도 변화를 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 황 충전 MBR에 대한 NO3 --N의 유입부하율과 제거속도를 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 NO3 --N의 유입부하율에 따른 탈질속도를 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 격막 설치 전 응집제 투여 시 T-P 유입 농도 및 유출 농도를 나타내는 그래프.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 격막 설치 후 응집제 투여 시 T-P 유입 농도 및 유출 농도를 나타내는 그래프.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 황 충전 MBR 반응기를 이용한 포기조 내 질소 및 인 제거 장치에서 멤버레인 모듈(310)의 단면도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 시간에 따른 유입과 유출수의 NO3 --N의 농도 변화를 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 황 충전 MBR에 대한 NO3 --N의 유입부하율과 제거속도를 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 NO3 --N의 유입부하율에 따른 탈질속도를 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 격막 설치 전 응집제 투여 시 T-P 유입 농도 및 유출 농도를 나타내는 그래프.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 격막 설치 후 응집제 투여 시 T-P 유입 농도 및 유출 농도를 나타내는 그래프.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명에 따른 실시예에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 황 충전 MBR 반응기를 이용한 포기조 내 질소 및 인 제거 장치의 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 황 충전 MBR 반응기를 이용한 포기조(300) 내 질소 및 인 제거 장치는, 단일 반응조에서 질소 및 인의 제거를 동시에 수행하는 장치로서, 멤버레인 모듈(310), 응집제 자동 투여 모듈(320), 센서 모듈(330), 및 격막(340)을 포함하여 구성될 수 있다.
멤버레인 모듈(310)은, 입상황을 이용하여 유입된 처리대상수에 대하여 독립영양 탈질 반응을 일으키고, 독립영양 반응을 일으킨 처리대상수를 미생물과 분리시킨다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 황 충전 MBR 반응기를 이용한 포기조 내 질소 및 인 제거 장치에서 멤버레인 모듈(310)의 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 멤버레인 모듈(310)은 케이싱(312) 및 멤버레인(314)로 구성될 수 있으며, 집수부(316)를 포함할 수도 있다. 또한, 실시예에 따라서는, 도 2에 도시된 바와 같이 센서 모듈(330)이 멤버레인 모듈(310) 내에 설치될 수도 있다.
케이싱(312)은, 내부에 입상황이 충진되어, 포기조로부터 유입된 처리대상수에 대하여 독립영양 탈질 반응을 일으킨다. 케이싱(312)은, 다공성의 원통형으로 이루어질 수 있으며, 정방형 포기조(300) 안에 PVC 재질로 제작될 수 있다. 케이싱(312)에는 입상황이 충진되어 있는데, 암모니아성 질소를 함유한 처리대상수(100)가 포기조(300)로 유입되면 질산성 질소로 산화되고, 질산성 질소는 입상황이 충진된 케이싱(312)에서 독립영양 탈질 반응에 의해 질소가 제거된다. 또한, 케이싱(312)은 처리대상수의 흐름을 원활히 하기 위하여 3㎜ 미만의 메시(mesh)를 사용할 수 있다. 포기조(300) 내에 질산화량은 유입펌프(200)와 포기조 유입수면의 레벨 게이지에 의해 조절될 수 있다.
황을 이용한 독립영양 탈질 반응은, 전자 공여체로 H2S, S, S2O3 2 -, S4O6 2 -, SO3 2 - 등 환원상태의 황 화합물을 이용하여 질산성 질소를 질소 기체로 환원시켜 에너지를 얻는 대사 과정에서 이루어진다. NO3 -나 NO2 -를 전자 수용체로 이용하여 황이나 다양한 형태의 황 화합물을 산화시킬 수 있으며, 따라서 그들 모두가 전자공여체로서 사용될 수 있다. 그러나 여러 형태의 황 화합물에 대한 경제성을 비교해보면, 전자당량당의 가격으로 비교했을 때 황이 가장 경제적이며 황의 입경이 작을수록 탈질속도가 빨라진다. 입자상의 황보다 용존성의 황 화합물이 탈질반응에 더 효율적이지만 실제 규모의 적용에는 입자상의 황이 가장 적합할 수 있다. 입상황은 질소 제거량에 비례하여 소멸되며 주기적인 보충만으로 운전이 가능하고, 멤버레인(314)을 사용하여 부유물질을 효과적으로 제거하므로 처리수를 재활용할 수 있는 장점을 가지고 있다. 특히, 본 발명에서는 도금 폐수와 같이 유기물(BOD)이거의 없고, 고농도의 질산성 질소가 많은 폐수의 경우에도 황-이용 독립영양 탈질과 막 분리법의 결합을 통해 질소와 부유물질(SS)을 제거할 수 있다.
황을 이용한 독립영양 탈질은 1몰(mole)의 질산성 질소 제거 시 1.2몰의 수소 이온이 발생하므로 유입수에 알칼리도가 부족하면 pH가 급격히 저하되어 시스템에 악영향을 초래할 수 있다. 따라서 황을 이용하여 탈질 반응이 원활하게 발생되도록 폐수 중에 부족한 알칼리도를 외부에서 주입해 주어야 한다. 알칼리도 공급에는 중탄산나트륨과 탄산나트륨 등의 약품을 용해시켜 폐수와 같이 주입하는 방법, 종속영양 탈질과 황을 이용한 독립영양 탈질을 동시에 수행하는 방법, 그리고 석회석 또는 패각을 황과 같이 충전하는 방법을 이용할 수 있다.
멤버레인(314)은, 케이싱(312) 내부에 탈부착되고, 독립영양 반응을 일으킨 처리대상수를 미생물과 분리시킨다. 케이싱(312) 내부에 충진된 입상황에 의해 독립영양 탈질 반응을 일으킨 처리대상수는 미생물과 같은 부유물질을 다량 함유하게 되는데, 멤버레인(314)을 사용함으로써 이와 같은 부유물질을 효과적으로 제거할 수 있다. 그 결과, 질소 제거의 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 처리수의 재활용도 가능하게 된다.
멤버레인(314)은 미생물과 처리대상수를 막을 통해 분리시키므로, 일반 활성슬러지의 침전조에서 빈번히 발생하는 슬러지 벌킹과 슬러지 상승에 의한 슬러지 유실 현상을 방지할 수 있다. 멤버레인(314)은 정밀여과막, 한외여과막, 나노여과막, 역삼투여과막 중에서 하나를 선택하여 이용할 수 있다.
정밀여과막(Microfiltration Membrane; MF)은, 대체로 0.025~10㎛ 크기의 공경을 가지며, 이보다 큰 사이즈의 현탁입자, 원충, 세균, 바이러스 등을 체 거름 원리에 따라 입자의 크기로 분리시킨다. 정밀여과막은 다른 막분리 공정보다 높은 투과플럭스를 가지며, 재래식 응집, 침전 여과에 비하여 투과수질이 좋고, 높은 투과플럭스, 용이한 세척, 적용의 유연성 및 경제성 등으로 적용 분야가 넓다.
한외여과막(Ultrafiltraion Membrane; UF)은, 정밀여과막과 비슷한 막 공정이지만 좀 더 단단한 여과를 수행하기 위하여 비대칭 막을 사용한다. 막의 공경은 0.01~0.001㎛의 범위이다. 분자량 5,000~30만 정도의 세균, 콜로이드, 단백질, 고분자 유기물 등이 한외여과막에 의해 저지될 수 있다. 한외여과막은 세척을 통하여 여러 번 사용 가능하고, 일반적으로 비대칭성 구조로 선택분리기능을 가진 표면 활성층 및 다공성의 지지층으로 구성되어 있다.
나노여과막(Nanofiltration Membrane; NF)은, 이온이나 저분자량 물질 등을 분리시키는데, 0.005~0.001㎛ 크기의 공경을 가지며, 체 거름 작용과 확산 작용, 즉 삼투현상을 응용한다. 분자량 5,000~30만 정도의 세균, 콜로이드, 단백질, 고분자 유기물 등이 나노여과막에 의해 걸러진다. 나노여과막은 한외여과막과 후술하는 역삼투여과막의 중간적 특성을 가진다.
역삼투여과막(Reverse Osmosis Membrane; RO)은, 이물은 통과하지만 이온은 통과하지 않아 이온물질을 제거하는 여과막이다. 0.001~0.0001㎛의 공경을 가지며, 무기성 이온류, 저분자 유기물 등을 제거한다. 역삼투여과막은, 이온 상태의 물질까지도 분리할 수 있어 주로 해수담수화, 펄프 폐약 정화, 도금폐수 처리 등에 쓰인다.
이러한 여과막들의 장점은 처리대상수에 포함된 일정 크기 이상의 현탁 물질을 확실하게 제거할 수 있고, 기계적으로 움직이는 부분이 적어 자동화가 간단하다는 것이다. 그리고 상기 여과막들은 막 모듈의 결합의 구성으로 설비증설이 간단하고, 무인화 운전이 가능하여 유지관리가 용이하다는 장점이 있다.
집수부(316)는, 멤버레인(314)의 말단에 설치되어, 독립영양 탈질 반응 및 응집제에 의한 인 제거 과정을 마친 처리대상수를 집수하여 외부로 방류시킨다.
응집제 자동 투여 모듈(320)은, 멤버레인 모듈(310)에서 미분해된 유기물을 화학적으로 응집처리하기 위한 응집제를 자동으로 조절하여 투여한다. 본 발명에서는 특히 처리대상수로부터 인을 효과적으로 제거하기 위하여 응집제 자동 투여 모듈(320)을 통해 응집제를 투여하고 있다. 응집제 자동 투여 모듈(320)은, 후술할 센서 모듈(330)에서 감지된 응집제 또는 인의 농도에 기초하여, 응집제의 투여량을 자동으로 조절하도록 구성될 수 있다. 또한, 응집제 자동 투여 모듈(320)은, 포기조(300) 외부로부터 멤버레인 모듈(310) 내로 응집제를 강제적으로 투여시키는 응집제 투여 펌프(도시하지 않음)를 더 포함할 수도 있다.
응집제는 성분, 형상, 접촉 방법 등 각 조건을 최적으로 설정하는 것이 중요하다. 응집제의 구비요건으로는 Ca, Fe 및 Al 등의 양전하를 가지는 이온을 다량으로 함유하여야 하고, 응집제를 투여함으로써 전기적으로 중화 상태를 만들어 인을 서로 뭉치게 만드는 역할을 해야 한다. 또한, 응집제는 세정을 고려하여 마모나 박리가 없어야 하며, 장기간의 정상적인 운전에서도 탈인 성능이 우수하여야 할 뿐만 아니라, 가격이 저렴하여야 한다. 그리고 비표면적이 클수록 접촉하는 인의 양이 많아지므로 비표면적이 커야 한다.
응집제는, 유기응집제 또는 무기 응집제로 구분될 수 있다. 무기 응집제로는, 황산알루미늄(Alum), 폴리염화알루미늄(PAC), 황산제1철, 황산제2철, 염화제2철, 칼륨명반, 알루민산나트륨, 암모늄명반, 염화코퍼러스, 페록(상품명), 점토, 수산화칼슘, 산화칼슘, 활성규산 중 선택된 1종 이상의 무기 응집제를 사용할 수 있다. 유기 응집제로는, 폴리아크릴아마이드계, 폴리대드맥계, 폴리아민계 유기응집제, 양이온 계면활성제 중 선택된 적어도 하나 이상의 유기 응집제를 사용할 수 있다.
무기 응집제와 같은 알루미늄이나 철의 염으로 처리대상수를 처리하면 처리대상수와 응집제가 서로 반응하여 불용성의 인산알루미늄이나 인산철이 석출됨으로써 인이 제거될 수 있다. 또한, 수산화알루미늄이나 수산화철에 인이 흡착되어 제거될 수도 있다.
응집보조제는 응집제의 성능을 충분히 발휘시켜 그 효과를 높이고 응집제를 절약하기 위하여 사용되는 약품으로서, 주로 무기 응집제와 병용하며 알칼리 보충제와 응집 보조 작용제가 있다. 알칼리 보충제로는 수산화칼슘, 탄산나트륨, 수산화나트륨 등을 사용할 수 있다. 응집보조제로는, 황산알루미늄과 함께 사용되는 벤토나이트(bentonite), 황산알루미늄을 함께 사용할 때 플럭이 무겁고 단단하며 플럭 형성속도가 빠르고 응집 pH 범위가 넓어 응집효과가 큰 활성규산(Activated silica), 주성분이 SiO2, Al2O3이며 벤토나이트 정도의 효력을 지닌 Fly ash 등을 사용할 수 있다.
센서 모듈(330)은, 멤버레인 모듈(310) 내에 설치되며, 처리대상수 내의 응집제 또는 인의 농도를 감지한다. 센서 모듈(330)에서 측정된 응집제 또는 인의 농도는, 예컨대 응집제 자동 투여 모듈(320)에서 응집제의 투여를 자동으로 조절하는데 이용될 수 있다. 즉, 센서 모듈(330)에서 감지된 응집제 또는 인의 농도를 이용하여, 추가로 응집제를 더 투여해야 할 것인지를 결정할 수 있다. 응집제 또는 인의 농도를 감지하기 위해서 다양한 센서들이 이용될 수 있는데, 특히 처리대상수의 전도도를 측정하여 인의 농도를 감지하는 전도도 센서가 사용될 수도 있다.
격막(340)은, 포기조(300) 내에서 멤버레인 모듈(310)이 설치된 영역이 나머지 영역과 분리될 수 있도록 설치되며, 멤버레인 모듈(310)이 설치된 영역으로부터 나머지 영역으로의 응집제의 이동을 차단한다. 격막(340)은, 처리대상수가 나머지 영역으로부터 멤버레인 모듈(310)이 설치된 영역으로 유입될 수 있도록 다공성의 막으로 형성되는 것이 바람직하다. 격막(340)은, 도 1에 도시된 바와 같이 멤버레인 모듈(310)의 일측에 판 형상으로 형성될 수 있으며, 실시예에 따라서는 멤버레인 모듈(310)을 둘러싸는 형상으로 형성될 수도 있다. 격막(340)은, 응집제가 멤버레인 모듈(310) 부근에만 머무르게 하여, 다른 영역의 슬러지와 불필요한 반응을 일으키지 않게 한다. 그 결과, 응집제의 사용량을 대폭 줄일 수 있게 된다.
배출펌프(400)는, 독립영양 탈질 반응 및 응집제에 의한 인 제거 과정을 마친 처리대상수가 외부로 배출될 수 있도록 한다. 배출펌프(400)는, 처리대상수에 포함된 질소 및 인의 잔여량을 조절하는데 사용될 수 있다. 예컨대 처리대상수의 잔여 인의 농도가 사용자가 정해놓은 기 설정치 보다 높다고 판별되면 응집제 자동 투여 모듈(320)을 통해 응집제가 추가로 투여되어 인의 농도를 낮추도록 할 수 있으며, 기 설정치에 적합하다고 판별되면 배출펌프(400)롤 통해 처리대상수가 방류될 수 있다.
역세척 펌프(600)는, 배출펌프(400)가 한계 배출압에 도달했을 때, 역세척수를 이용하여 멤버레인(314) 및 입상황 충진층의 부착 물질을 탈리시킬 수 있다. 배출펌프(400)는 운전시간에 따라 막 오염이 가중되고, 이로 인해 압력이 상승하여 한계 배출압에 도달하게 되는데, 어느 일정 정도의 압력에 도달한 이후부터 막을 통한 유출량은 감소하게 된다. 이때 막 세정을 실시하도록 하는데 막의 세정 방법에는 물리세정과 약품세정이 있다. 또한 약품세정에는 막 모듈에 세정액을 순환시키는 방법, 막 모듈에 세정액을 충진하는 방법, 세정액에 막을 침적시키는 방법이 있는데, 본 발명에서는 멤버레인(314)과 입상황 충진부 내부에 산기 장치를 설치하여 이물질을 제거하는 것이 바람직할 것으로 생각된다.
이상 설명한 본 발명에 따른 황 충전 MBR 반응기를 이용한 포기조 내 질소 및 인 제거 장치의 성능을 확인하기 위하여, 다음과 같은 실험을 수행하였다.
(제1 실시예) 인공폐수 질소 제거효율
제1 실시예는, 앞서 설명한 도 1과 같은 시험장치를 이용하여 수행되었다. PVC로 제작된 정방형 반응조 안에 다공성의 원통형 케이스를 설치하고, 중앙에 중공사막 모듈을 위치시킨 후, 주변에 탈질 효율이 입증된 3.4~5.7㎜의 입상황을 충진하였다. 중공사막을 통한 여과는 유출부에 정량펌프를 설치하여 흡입하였고, 막의 오염 정도 및 압력 상승을 확인하기 위해서 중공사막 모듈과 정량펌프 사이에 진공압 게이지를 장착하였다. 중공사막 모듈의 재질은 반응기의 특성 및 형태에 맞춰 1자형으로 제작하였으며, 재질은 PE(Polyethylene), 막 면적은 0.2㎡, 평균 기공 크기(pore size)는 0.4㎛이다.
인공폐수를 제조하여 유입수의 NO3 --N 농도 변화에 따라 총 4단계로 나누었다. 초기 유입수 농도 100㎎ NO3 --N/L을 phase 1로 설정하였으며, 그 다음부터 농도 증가에 따라 phase 2, 3, 4로 구분하였다. 중공사막의 세척은 진공압 20㎝Hg(26.7kPa)를 전후하여 염산으로 화학세정 하였다. 화학세정시 반응기 장치에서 중공사막 모듈을 분리하였다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 시간에 따른 유입과 유출수의 NO3 --N의 농도 변화를 나타내는 그래프이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 황 충전 MBR에 대한 NO3 --N의 유입부하율과 제거속도를 나타내는 그래프이다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 황 충전 MBR 장치의 질소 제거 성능을 평가하기 위해 유입수의 NO3 --N를 달리하는 것에 의해 Phase를 구분하여 인공폐수에 대한 탈질 실험을 수행하였다. Phase 1에서의 유출수 평균 농도는 5.5 ㎎/L로 약 95%의 제거효율을 보였다. 이후, Phase 2 내지 Phase 4의 유출수 평균 NO3 --N 농도는 각각 6.4, 10.3, 23.1㎎/L이며, 이에 따른 제거효율은 약 96%, 95%, 92%로 나타났다. 그리고 Phase 1에서 Phase 3까지 유입부하 그래프와 제거속도 그래프 사이의 차이가 거의 없는 것으로 나타났지만, Phase 4에서부터는 유입부하와 제거부하 사이의 차이가 커지는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 NO3 --N의 유입부하율에 따른 탈질속도를 나타내는 그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제거속도는 각 Phase별 유입부하에 대한 평균값으로 나타냈다. 황 충전 MBR에서는 0.3(㎏ NO3 --N/㎥-day)에서부터 0.9까지 증가시켰으며, 유입부하에 따른 탈질 속도는 0.6(㎏ NO3 --N/㎥-day)까지 100%에 가까운 탈질을 보였다. 0.6(㎏ NO3 --N/㎥-day) 이상의 부하에서는 탈질 속도가 부하에 비례하여 증가하지 않고, 최대 0.8(㎏ NO3 --N/㎥-day) 정도의 탈질 속도를 보였다.
(제2 실시예) 격막 설치 전, 후의 인 처리효율 비교
제1 실시예와 동일한 장치를 사용하였다. 응집 테스트를 통한 최적의 응집제는 Alum을 선택하였고, 최적 응집제 투입량은 1.5 ㎏ Al/㎏ T-P, 계획수질 T-P은 2.0 ㎎/L 이하로 결정하였다. 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 격막 설치 전 응집제 투여 시 T-P 유입 농도 및 유출 농도를 나타내는 그래프이다. 도 6에서는, MLSS(Mixed Liquor Suspended Solid) 및 SS 미 존재 시 평균 T-P 제거 농도는 약 3.8 ㎎/L이었으나, 실제 적용 시를 가정하여 MLSS 농도를 2,000 ㎎/L로 고정한 후 격막 설치 전 유입전단 응집제를 투입했을 때, T-P 유입 농도 및 유출 농도를 회차 별로 나타내었다. 평균 T-P 유입 농도는 5 ㎎/L 정도이고, 평균 유출 농도는 2.01 ㎎/L로, T-P 제거효율 비교 결과 약 30% 정도 제거효율이 감소하였다. 격막 설치 전의 응집제 투여 시 T-P 유입 농도 및 유출 농도를 회차 별로 표 1에 정리하였다.
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 평균 | |
| 유입 T-P(㎎/L) |
5.01 | 4.87 | 4.93 | 5.12 | 5.06 | 5.00 |
| 유출 T-P(㎎/L) |
2.12 | 1.96 | 2.08 | 2.00 | 1.90 | 2.01 |
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 격막 설치 후 응집제 투여 시 T-P 유입 농도 및 유출 농도를 나타내는 그래프이다. 도 7에서는, 제2 실시예에 따른 격막 설치 후 T-P 유입 농도 및 유출 농도를 회차 별로 나타내었다. T-P 제거효율의 증가를 위한 격막 설치 후의 응집제 투여 시 T-P 평균 유입 농도는 5.14 ㎎/L이고, T-P 평균 유출 농도는 1.76 ㎎/L이다. 이는 후반부 교반효율의 상승 및 순간 반응속도 상승으로 인하여 격막 설치 전에 비하여 T-P 제거효율이 약 13% 정도 증가한 것으로서, 이를 통해 본 발명에 따른 장치의 효율을 확인할 수 있었다. 격막 설치 후의 응집제 투여 시 T-P 유입 농도 및 유출 농도를 회차 별로 정리하여 표 2에 나타내었다.
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 평균 | |
| 유입 T-P(㎎/L) |
5.16 | 5.11 | 5.21 | 5.08 | 5.12 | 5.14 |
| 유출 T-P(㎎/L) |
1.89 | 1.82 | 1.99 | 1.55 | 1.55 | 1.76 |
이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 처리대상수 200: 유입 펌프
300: 포기조 310: 멤버레인 모듈
312: 케이싱 314: 멤버레인
316: 집수부 320: 응집제 자동 투여 모듈
330: 센서 모듈 340: 격막
400: 배출 펌프 500: 방류수
600: 역세척 펌프
300: 포기조 310: 멤버레인 모듈
312: 케이싱 314: 멤버레인
316: 집수부 320: 응집제 자동 투여 모듈
330: 센서 모듈 340: 격막
400: 배출 펌프 500: 방류수
600: 역세척 펌프
Claims (8)
- 황 충전 MBR 반응기를 이용한 포기조 내 질소 및 인 제거 장치에 있어서,
(1) 입상황을 이용하여 유입된 처리대상수에 대하여 독립영양 탈질 반응을 일으키고, 독립영양 반응을 일으킨 상기 처리대상수를 미생물과 분리시키는 멤버레인 모듈;
(2) 상기 멤버레인 모듈에서 미분해된 유기물을 화학적으로 응집처리하기 위한 응집제를 자동으로 조절하여 투여하는 응집제 자동 투여 모듈;
(3) 상기 멤버레인 모듈 내에 설치되며, 상기 처리대상수 내의 응집제 또는 인의 농도를 감지하는 센서 모듈; 및
(4) 상기 포기조 내에서 상기 멤버레인 모듈이 설치된 영역(이하, ‘제1 영역’이라 함)이 나머지 영역(이하 ‘제2 영역’이라 함)과 분리될 수 있도록 설치되며, 상기 제1 영역으로부터 상기 제2 영역으로의 응집제의 이동을 차단하는 격막
을 포함하는 것을 특징으로 하는, 황 충전 MBR 반응기를 이용한 포기조 내 질소 및 인 제거 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 멤버레인 모듈은,
입상황이 충진되어, 포기조로부터 유입된 처리대상수에 대하여 독립영양 탈질 반응을 일으키는 케이싱; 및
상기 케이싱 내부에 탈부착되고, 독립영양 반응을 일으킨 상기 처리대상수를 미생물과 분리시키는 멤버레인을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 황 충전 MBR 반응기를 이용한 포기조 내 질소 및 인 제거 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 멤버레인 모듈은,
독립영양 탈질 반응 및 응집제에 의한 인 제거 과정을 마친 처리대상수를 집수하여 외부로 방류시키는 집수부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 황 충전 MBR 반응기를 이용한 포기조 내 질소 및 인 제거 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 응집제 자동 투여 모듈은,
상기 센서 모듈에서 감지된 응집제 또는 인의 농도에 기초하여, 응집제의 투여량을 자동으로 조절하는 것을 특징으로 하는, 황 충전 MBR 반응기를 이용한 포기조 내 질소 및 인 제거 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 응집제 자동 투여 모듈은,
상기 포기조 외부로부터 상기 멤버레인 모듈 내로 응집제를 강제적으로 투여시키는 응집제 투여 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 황 충전 MBR 반응기를 이용한 포기조 내 질소 및 인 제거 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 센서 모듈은,
상기 처리대상수의 전도도를 측정하여 인의 농도를 감지하는 전도도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는, 황 충전 MBR 반응기를 이용한 포기조 내 질소 및 인 제거 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 격막은,
상기 처리대상수가 상기 제2 영역으로부터 상기 제1 영역으로 유입될 수 있도록 다공성의 막으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 황 충전 MBR 반응기를 이용한 포기조 내 질소 및 인 제거 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 격막은,
상기 멤버레인 모듈의 일측에 판 형상으로 형성되거나, 상기 멤버레인 모듈을 둘러싸는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 황 충전 MBR 반응기를 이용한 포기조 내 질소 및 인 제거 장치.
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