KR101208354B1

KR101208354B1 - Ｍａｐ 생성 및 성장을 위한 ｍａｐ 성장조와 하이드로사이클론을 조합한 질소 및 인 제거 시스템

Info

Publication number: KR101208354B1
Application number: KR1020120092150A
Authority: KR
Inventors: 이동우
Original assignee: 뉴엔텍(주)
Priority date: 2012-08-23
Filing date: 2012-08-23
Publication date: 2012-12-05

Abstract

본 발명은 슬러지가 함유된 폐수와 케미컬을 공급받아 MAP 생성 반응에 의해 생성된 MAP를 회수할 수 있도록 하고, 반응을 마친 처리수를 배출되도록 하는 MAP 성장조; 상기 MAP 성장조로부터 배출되는 처리수가 저장되는 저류조; 및 상기 저류조로부터 처리수를 펌프의 펌핑력에 의해 공급받아 원심력에 의해 무기성분이 함유된 슬러지를 분리하여 상기 MAP 성장조에 공급시키고, 상기 무기성분이 함유된 슬러지가 분리된 처리수를 상기 저류조에 공급시키는 하이드로사이클론을 포함하도록 한 MAP 생성 및 성장을 위한 MAP 성장조와 하이드로사이클론을 조합한 질소 및 인 제거 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, MAP 생성 및 성장 반응을 유도하는 MAP 성장조와 후단의 저류조에 설치되는 하이드로사이클론을 이용해서 미세 MAP 입자를 포함하는 무기성 슬러지를 MAP 성장조로 재순환시켜서 무기성 입자의 성장을 촉진하도록 하고, 고농도 혐기성 소화 슬러지에 대해 직접 적용이 가능하고, 배관 폐색 물질을 사전에 제거할 수 있으며, 혐기성 소화 슬러지 내 미세 모래입자를 응결핵으로 활용할 수 있고, 이로 인해 지속적인 응결핵의 보충이 불필요하여 유지 및 관리에 편의성을 제공할 수 있다.

Description

ＭＡＰ 생성 및 성장을 위한 ＭＡＰ 성장조와 하이드로사이클론을 조합한 질소 및 인 제거 시스템{Nitrogen and phosphorus removal system using combination of MAP grow bath for MAP creation and growth and hydro cyclone}

본 발명은 질소 및 인 제거 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 슬러지를 포함한 폐수 처리를 위하여 MAP 생성 및 성장을 위한 MAP 성장조와 하이드로사이클론을 조합한 질소 및 인 제거 시스템에 관한 것이다.

하수 슬러지, 분뇨 슬러지, 음식물폐수 슬러지 등을 비롯한 슬러지는 해마다 증가하고 있다. 이와 같은 슬러지는 해양 투기가 금지되어 있고, 그 감량 효과가 높은 혐기성 소화조의 운영을 권장하고 있다.

종래의 기술에 따른 슬러지 감량 장치로는 대한민국 특허청에 등록된 특허등록 제10-0745201호의 "혐기성 소화조의 슬러지 감량장치"가 있는데, 이는 1차 침전지로부터 농축된 1차 슬러지와 2차 침전지로부터 농축된 2차 슬러지가 유입되고 혼합되어 형성된 혼합 슬러지의 소화공정이 이루어지는 혐기성 소화조; 상기 혐기성 소화조의 상측에 연결되어 상기 혼합 슬러지가 토출되고 상기 2차 슬러지가 유입되는 토출부와, 상기 혐기성 소화조의 하측에 연결되어 순환된 상기 혼합 슬러지가 유입되며 상기 1차 슬러지가 유입되는 유입부가 형성되는 순환배관; 그리고 상기 유입부에 구비되고, 보일러에서 발생된 스팀이 이동하는 스팀라인과 연결되어 상기 유입부를 통과하는 혼합 슬러지를 가온하는 스팀믹서를 포함한다.

또한, 슬러지 감량을 위한 폐수 처리 시스템으로는 도 1에 도시된 바와 같이, 슬러지가 포함된 폐수에 대한 소화공정을 수행하는 혐기성 소화조(1)와, 혐기성 소화조(1)로부터 소화공정을 마친 처리 결과물에 대하여 탈수공정을 수행하는 탈수기(2)와, 탈수기(2)로부터 배출되는 탈리여액으로부터 슬러지의 인발을 수행하는 슬러지인발부(3)를 포함하고, 슬러지인발부(3)를 거친 처리수는 수처리시설(4)로 통해서 후속공정으로서 수처리 과정을 거치게 된다.

그러나, 이와 같은 종래의 폐수 처리 시스템은 저농도 탈리여액에 대해서만 적용됨으로써 고농도의 탈리여액 처리에 어려움이 따르고, 혐기성 소화공정으로부터 탈수공정을 거치는 경로상의 배관 막힘을 유발하며, 응결핵으로서 모래입자 등을 수시로 투입하는 등 처리 과정에 불편이 따르는 문제점을 가지고 있었다.

상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 고농도 혐기성 소화 슬러지에 대해 직접 적용이 가능하고, 배관 폐색 물질을 사전에 제거할 수 있으며, 혐기성 소화 슬러지 내 미세 모래입자를 응결핵으로 활용할 수 있고, 이로 인해 지속적인 응결핵의 보충이 불필요하여 유지 및 관리에 편의성을 제공하도록 하는데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시예에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면, 슬러지가 함유된 폐수와 케미컬을 공급받아 MAP 생성 반응에 의해 생성된 MAP를 회수할 수 있도록 하고, 반응을 마친 처리수를 배출되도록 하는 MAP 성장조; 상기 MAP 성장조로부터 배출되는 처리수가 저장되는 저류조; 및 상기 저류조로부터 처리수를 펌프의 펌핑력에 의해 공급받아 원심력에 의해 무기성분이 함유된 슬러지를 분리하여 상기 MAP 성장조에 공급시키고, 상기 무기성분이 함유된 슬러지가 분리된 처리수를 상기 저류조에 공급시키는 하이드로사이클론을 포함하는 MAP 생성 및 성장을 위한 MAP 성장조와 하이드로사이클론을 조합한 질소 및 인 제거 시스템이 제공된다.

상기 MAP 성장조는, 본체의 내부에 혼합을 위한 교반기가 설치되고, 상기 교반기의 주위에 상기 본체의 바닥면으로부터 이격되도록 링형태의 격벽이 설치됨으로써 상기 격벽과 상기 본체의 내주면 사이의 공간에 침전유도공간이 형성되도록 할 수 있다.

슬러지가 함유된 폐수를 공급받아 소화공정을 수행하고, 소화공정을 마친 폐수를 상기 MAP 성장조에 공급하는 소화조; 및 상기 저류조로부터 배출되는 처리수에 대한 탈수공정을 수행하는 탈수기를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 MAP 생성 및 성장을 위한 MAP 성장조와 하이드로사이클론을 조합한 질소 및 인 제거 시스템에 의하면, MAP 생성 및 성장 반응을 유도하는 MAP 성장조와 후단의 저류조에 설치되는 하이드로사이클론을 이용해서 미세 MAP 입자를 포함하는 무기성 슬러지를 MAP 성장조로 재순환시켜서 무기성 입자의 성장을 촉진하도록 하고, 고농도 혐기성 소화 슬러지에 대해 직접 적용이 가능하며, 배관 폐색 물질을 사전에 제거할 수 있고, 혐기성 소화 슬러지 내 미세 모래입자를 응결핵으로 활용할 수 있으며, 이로 인해 지속적인 응결핵의 보충이 불필요하여 유지 및 관리에 편의성을 제공한다.

도 1 은 종래의 기술에 따른 폐수 처리 시스템을 도시한 구성도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MAP 생성 및 성장을 위한 MAP 성장조와 하이드로사이클론을 조합한 질소 및 인 제거 시스템을 도시한 구성도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 MAP 생성 및 성장을 위한 MAP 성장조와 하이드로사이클론을 조합한 질소 및 인 제거 시스템의 MAP 성장조를 도시한 평단면도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니고, 본 발명의 기술 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 식으로 이해 되어야 하고, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하며, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 이에 대해 중복되는 설명을 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MAP 생성 및 성장을 위한 MAP 성장조와 하이드로사이클론을 조합한 질소 및 인 제거 시스템을 도시한 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 MAP 생성 및 성장을 위한 MAP 성장조와 하이드로사이클론을 조합한 질소 및 인 제거 시스템(100)은 MAP 성장조(110), 저류조(120) 및 하이드로사이클론(130)을 포함할 수 있다.

MAP 성장조(110)는 슬러지가 함유된 폐수와 케미컬(chemical), 예를 들어 마그네슘을 공급받아 MAP 생성 반응에 의해 생성된 MAP(Magnesium Ammonium Phosphate ; MgNH₄PO₄, 또는 struvite)를 회수할 수 있도록 하고, 반응을 마친 처리수를 배출되도록 한다.

MAP 성장조(110)는 MAP를 생성할 수 있도록 마그네슘(magnesium), 암모늄(ammonium), 인산염(phosphate)이 반응에 주어져야 하고, 이를 통해 아래의 화학식 1에 의한 반응을 일으켜서 MAP를 생성하도록 한다. 여기서, 마그네슘은 한정된 영양소이므로 반응을 위하여 보충되어질 수 있고, 이를 위해 마그네슘염뿐만 아니라, 필요에 따라 인산염도 MAP 성장조(110)에 투입될 수 있다. 따라서, MAP 성장조(110)는 암모니아를 인산염, 마그네슘염을 이용하여 무기성 슬러지인 조대화된 MAP 결정으로 제거할 수 있도록 하며, 생물학적 폐수 처리 방법을 보완할 수 있도록 한다.

[화학식 1]

Mg² ⁺ + NH₄ ⁺ + PO₄ ³ ^- + 6H₂O → MgNH₄PO₄?6H₂O(↓)

MAP 성장조(110)는 MAP 성장에 유리하도록 pH가 7~11를 유지하도록 할 수 있고, 알칼리 용액에서 MAP의 용해성이 감소하며, 침전을 촉진하고, 적정 pH를 유지하기 위한 알칼리제, 예컨대 NaOH를 투입할 수 있다. 또한, MAP 성장조(110)는 혐기성 소화슬러지에 적용하는 경우, 소화슬러지의 pH가 7 내외로 유지되며, 포기를 수행하는 경우 CO₂가 탈기되는 과정에서 pH가 8 내외로 상승하게 되므로 알칼리제 투입이 필요하지 않거나, 최소화할 수 있는 장점이 있다.

MAP 성장조(110)는 믹싱 방법이 기계식 교반 및 포기식 교반 모두를 적용할 수 있으나, 포기식 교반을 적용하는 경우 암모니아 탈기(Ammonia Stripping)에 의해 추가적인 질소제거가 가능하다. 암모니아 탈기는 알칼리제를 가해 물의 pH를 높이고, 공기와 접촉시켜 암모니아를 제거하도록 하는데, 수중의 암모니아를 탈기에 의해 제거하기 위해서 암모니아가 기체로 존재하는 것이 필요하다. 수중의 암모늄 이온들은 다음의 화학식 2에 나타난 것과 같이 기체상 암모니아와 평행을 이룬다.

[화학식 2]

NH₄ ⁺↔NH₃ +H⁺

여기서, 수온이 25℃일 경우, pH 7에서는 대부분이 NH₄ ⁺이고, pH 9.25에서는 양자의 분포도가 같으며, pH 11에서는 98%가 NH₃의 형태로 존재한다. 즉, pH가 7 이상으로 증가함에 따라, 평형은 오른쪽으로 이동하고, 암모늄이온은 암모니아로 변함으로서 탈기에 의하여 제거된다. pH를 8.0~10.8로 조절하여 실험한 결과, 암모니아 제거율이 pH 8~9.3 범위에서 37~80%를 나타내었다. 따라서, pH를 8 이상으로 유지하고 포기를 수행하는 과정에서 상당량의 암모니아가 제거될 수 있으며, 이를 통해 처리수의 질소부하를 추가적으로 저감할 수 있게 된다.

MAP 성장조(110)는 도 3에 도시된 바와 같이, MAP 생성 반응이 일어나기 위한 공간을 제공하는 본체(111)의 내부에 혼합을 위한 교반기(112)가 설치되고, 교반기(112)의 주위에 본체(111)의 바닥면으로부터 이격되도록 원형 또는 다각형을 비롯한 다양한 형상의 단면을 가진 링형태의 격벽(113)이 설치됨으로써 격벽(113)과 본체(111)의 내주면 사이의 공간에 침전을 유도할 수 있는 침전유도공간(114)이 형성되도록 할 수 있다. 따라서, MAP 성장조(110)는 교반기(112)의 동작에 의해 유발되는 흐름이 가장자리 측으로 이동하여 침전유도공간(114)의 내측으로 이동하게 되고, 격벽(113)에 의해 차단된 침전유도공간(114) 내에서 흐름이 완화되어 침전 효율을 높이도록 하게 된다. 한편, 교반기(112)는 MAP 성장조(110) 내측에 회전하도록 설치되는 임펠러(impeller)와 임펠러를 회전시키기 위한 교반모터를 포함할 수 있다.

저류조(120)는 MAP 성장조(110)로부터 배출되는 처리수가 저장되도록 하고, MAP 성장조(110)로부터 배출되는 처리수를 혼합하기 위한 교반기(121)가 내부에 설치될 수 있다. 저류조(120)의 교반기(121)는 MAP 성장조(110)의 교반기(112)와 동일한 구성을 가질 수 있다.

하이드로사이클론(130)은 저류조(120)로부터 처리수를 펌프(131)의 펌핑력에 의해 공급받아 원심력에 의해 무기성분이 함유된 슬러지를 분리하여 MAP 성장조(110)에 공급시키고, 무기성분이 함유된 슬러지가 분리된 처리수를 저류조(120)에 공급시킨다. 이와 같은 하이드로사이클론(130)은 연속상의 유체로부터 분산상의 고체를 원심력을 이용하여 분리하도록 하는데, 내측으로 공급된 처리수가 외접선 방향으로 선회하고, 비중이 비교적 큰 입자인 처리수에 함유된 무기성분 슬러지가 원심력에 의해 유선을 벗어나서 벽체 방향으로 이동하여 하강 분리되고, 비중이 비교적 작은 처리수가 중심측의 상향 흐름을 따라 유출되어 저류조(120)에 공급되도록 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 MAP 생성 및 성장을 위한 MAP 성장조와 하이드로사이클론을 조합한 질소 및 인 제거 시스템(100)은 소화조(140)와 탈수기(150)를 더 포함할 수 있다.

소화조(140)는 슬러지가 함유된 폐수를 공급받아 소화공정을 수행하고, 소화공정을 마친 폐수를 MAP 성장조(110)에 공급하는데, 공급된 슬러지에 다량으로 존재하는 혐기성 미생물이 새로이 공급되는 슬러지에 증식하는 동시에 분해되어 소화상징수, 슬러지이기도 한 소화오니, 가스 등을 발생시키며, 일례로 슬러지유입관, 소화상징수 배출관, 소화액인출관, 가스배출관, 소화오니배출관, 소화조가온부 등이 포함될 수 있으며, 발생되는 가스에 의해 내부 순환이 이루어지도록 하거나 별도로 설치되는 교반기에 의해 내부 순환이 이루어지도록 할 수 있다.

탈수기(150)는 저류조(120)로부터 배출되는 처리수에 대한 탈수공정을 수행하도록 한다.

이와 같은 본 발명에 따른 MAP 생성 및 성장을 위한 MAP 성장조와 하이드로사이클론을 조합한 질소 및 인 제거 시스템(100)에 따르면, MAP 생성 및 성장 반응을 유도하는 MAP 성장조(110)와 후단의 저류조(120)에 설치되는 하이드로사이클론(130)을 이용해서 미세 MAP 입자를 포함하는 무기성 슬러지를 MAP 성장조(110)로 재순환시켜서 무기성 입자의 성장을 촉진하도록 한다.

결정 성장 반응을 촉진하기 위해서, 초기에 MAP 성장조(110)에 응결핵(seed crystal)을 투입할 수 있으며, 응결핵으로는 정상 운영되고 있는 시스템(100)의 하부 유출 슬러지를 활용할 수 있다. 따라서, 혐기성 소화 슬러지 내 미세 모래입자를 응결핵으로 활용할 수 있고, 이로 인해 지속적인 응결핵의 보충이 불필요하여 유지 및 관리에 편의성을 제공할 수 있다.

응결핵 및 미세 크리스탈의 유실을 최소화하기 위하여, 저류조(120)에 하이드로사이클론(130)을 설치함으로써 하이드로사이클론(130)으로부터 분리된 무기입자가 MAP 성장조(110)로 반송되어 지속적으로 MAP 성장을 유도한다. 이때, 시스템의 pH는 8~10으로 조정하여 MAP 성장을 촉진할 수 있으며, 암모니아 탈기를 유도하여 처리수의 T-N 농도를 저감시킬 수 있다.

슬러지가 함유된 폐수가 MAP 성장조(110)로 투입되어 MAP 생성 및 결정화를 통해서 질소(N), 인(P)이 제거되도록 하며, 이를 통해 후속공정에서 배관 막힘 등의 문제를 해결함과 동시에, 탈수여액으로 발생되는 질소, 인의 부하를 저감할 수 있고, MAP 회수를 통한 인 자원의 회수를 가능하도록 한다.

하이드로사이클론(130)을 이용하여 슬러지를 인발함으로써 고농도 슬러지가 인발되도록 하여, 인발 슬러지의 부피를 감소하여 탈수기(150)의 운전시간을 단축시킬 수 있고, 탈수기(150)의 탈수효율을 높이도록 하며, 이로 인해 고농도 혐기성 소화 슬러지에 대해 직접 적용이 가능하고, 배관 폐색 물질을 사전에 제거할 수 있다.

이와 같이 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이러한 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

110 : MAP 성장조 111 : 본체
112 : 교반기 113 : 격벽
114 : 침전유도공간 120 : 저류조
121 : 교반기 130 : 하이드로사이클론
131 : 펌프 140 : 소화조
150 : 탈수기

Claims

슬러지가 함유된 폐수와 마그네슘을 공급받아 MAP 생성 반응에 의해 생성된 MAP를 회수할 수 있도록 하고, 반응을 마친 처리수를 배출되도록 하는 MAP 성장조;
상기 MAP 성장조로부터 배출되는 처리수가 저장되는 저류조; 및
상기 저류조로부터 처리수를 펌프의 펌핑력에 의해 공급받아 원심력에 의해 무기성분이 함유된 슬러지를 분리하여 상기 MAP 성장조에 공급시키고, 상기 무기성분이 함유된 슬러지가 분리된 처리수를 상기 저류조에 공급시키는 하이드로사이클론을 포함하는, MAP 생성 및 성장을 위한 MAP 성장조와 하이드로사이클론을 조합한 질소 및 인 제거 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 MAP 성장조는,
본체의 내부에 혼합을 위한 교반기가 설치되고, 상기 교반기의 주위에 상기 본체의 바닥면으로부터 이격되도록 링형태의 격벽이 설치됨으로써 상기 격벽과 상기 본체의 내주면 사이의 공간에 침전유도공간이 형성되도록 하는, MAP 생성 및 성장을 위한 MAP 성장조와 하이드로사이클론을 조합한 질소 및 인 제거 시스템.
제 1 항에 있어서, 슬러지가 함유된 폐수를 공급받아 소화공정을 수행하고, 소화공정을 마친 폐수를 상기 MAP 성장조에 공급하는 소화조; 및
상기 저류조로부터 배출되는 처리수에 대한 탈수공정을 수행하는 탈수기를 더 포함하는, MAP 생성 및 성장을 위한 MAP 성장조와 하이드로사이클론을 조합한 질소 및 인 제거 시스템.