KR101250349B1

KR101250349B1 - 폐수의 질소 제거방법

Info

Publication number: KR101250349B1
Application number: KR1020120070689A
Authority: KR
Inventors: 윤만중
Original assignee: 주식회사 신영이앤아이
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2013-04-03
Also published as: WO2014003462A1

Abstract

본 발명은 폐수의 정화방류 과정에서 폐수에 함유된 질소를 공동화현상을 이용한 입자의 소분화방식에 의한 기계적 및 물리적 방법으로 단시간내에 대폭 제거할 수 있도록 한 것이다.
본 발명에 따른 폐수의 질소 제거방법은, 질소가 함유된 폐수의 정화 방류 공정에서 상기 폐수를 탱크 내에 유입시키고 상기 탱크 내의 폐수를 탱크와 연결된 유로를 통해 다시 탱크 내부로 순환시키되, 상기 폐수의 온도를 30~60℃를 유지하도록 함과 아울러, 상기 유로 내의 출구측 압력을 0.096Mpa 이하로 유지시켜 입자를 소분화시키는 단계들로 구성된다.

Description

폐수의 질소 제거방법{A method for the removal of aqueous nitrogen from the wastewater}

본 발명은 폐수의 질소 제거방법에 관한 것으로, 특히 가축분뇨의 정화 과정중에 발생되는 질소를 고압의 입자 소분화방식의 물리적방법으로 용이하게 제거할 수 있도록 함과 아울러, 비교적 짧은 시간내에 특정 범위내의 질소 제거율을 안정적으로 확보할 수 있는 폐수의 질소 제거방법에 관한 것이다.

종래와 같이 가축분뇨 등의 고농도 유기성 폐수를 호기성 미생물을 이용하여 생물학적 방법으로 처리할 경우에는 생물반응조(호기조)및 무산소조 등을 설치하여서 고농도 폐수를 처리하는 것이 일반적이다.

폐수 속에 들어 있는 질소 성분은 주로 암모니아, 질산(nitrate), 아질산(nitrite) 형태를 취하고 있다. 이러한 질소 화합물은 수생생물에 미치는 독성 뿐만 아니라 해수로 유입되었을 때에 용존 산소 소모를 가져올 수 있는 부영양화(eutrophication)를 촉진시켜 어폐류 폐사의 직접적인 원인이 되는 것으로 알려져있다.

폐수 내의 질소를 제거하는 중요한 메카니즘 중 하나는 질산화/탈질(nitrification/denitrification)이다.

일반적으로 질산화는 암모니아성 질소 성분이 nitrosomonas, nitrobacter 등 미생물에 의해 호기조에서 질산성 질소(NO3-, NO2-)로 전환된다.

탈질은 상기 질산성 질소 성분을 질소가스로 전환시키는 공정으로 생물학적으로 무산소 상태에서 이루어진다.

탈질과정에 관계되는 미생물은 종류가 다양하며 질산성 질소의 환원과정을 유도하여 질소가스로 전환시킴으로써 탈질을 수행하게 된다. 상기 탈질 과정은 무산소 조건 하에서 이루어져야 하므로 질산화와 반대로 용존 산소 농도가 높으면 반응이 저해된다. 또한 탈질 미생물의 세포 합성과 에너지원으로 유기(탄소) 성분을 필요로 하므로 외부에서 탄소원을 공급해 주어야 원활한 탈질 과정이 이루어질 수 있다.

일반적으로 입자상 유기성 물질이 다량 함유되어 있는 폐수, 예를 들어 축산폐수나 하수처리장의 슬러지 등은 호기 또는 혐기적 생물학적 방법으로 처리 또는 안정화 시킬 때, 분해가 힘든 입자상 유기성 물질이나 거대 유기성 분자의 가수분해가 율속단계로 작용하기 때문에 반응속도가 느리게 되고 장시간의 체류시간이 필요하게 됨으로써 생물학적 반응조의 용적이 커져야 하는 단점을 가지고 있다.

또한, 상기한 생물학적 질소 제거공정은 질산화 미생물인 Nitrosmonas, 탈질 미생물인 Nitrobactor의 배양에 필요한 온도, 에너지원, PH, DO 등 복잡한 미생물 유지조건을 충족시켜야 하는 단점이 있다.

그리고, 기존 생물학적 방식은 질소 제거를 위한 호기성조/무산소조 등의 장치 등을 필요로 함에 따라 구조가 복잡하고 시간이 많이 소모될 뿐만 아니라, 이를 위한 초기 투자비용이 많이 요구되는 단점이 있다.

이를 극복하기 위하여 다양한 전처리 방법이 연구되어 왔다. 전처리 방법으로는 볼밀 등의 기계적 처리나 고온의 열을 이용하는 물리적 방법, 알칼리나 오존 등을 이용하는 화학적 방법, 효소 등을 이용하는 생물학적 방법 또는 둘 이상의 방법을 동시에 적용한 혼합처리 방법 등이 제시되었다.

본 발명은 상기한 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 그 목적은 생화학적 방법이 아닌 고압의 입자 소분화 방식을 이용한 물리적 방법으로 폐수 중의 질소를 단시간내에 대폭 제거할 수 있도록 한 폐수의 질소 제거방법을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 폐수의 질소 제거방법은 질소가 함유된 가축분뇨 및 유기성 폐수의 정화 방류 공정에서 상기 폐수를 밀폐 가능한 탱크내로 유입시킨 후에 상기 탱크와 연결된 유로를 따라 순환시키되,
상기 유로 내에 벤츄리관을 배치하되,
상기 벤츄리관은 양측 단부에 유입구와 유출구를 갖는 중공이 형성된 벤츄리관 몸체를 구비하고, 상기 벤츄리관 몸체의 유입구측 중공의 내주면에 유입구측에서 상기 중공의 중앙 측으로 갈수록 폭이 확대되는 나선형 홈부를 형성하여서, 상기 유입구를 통해 유입되는 폐수를 와류로 변환시키고, 상기 폐수가 상기 벤츄리관 내부를 통과하는 과정에서 난류와 소용돌이 현상을 증폭시키도록 하며,
상기 폐수를 상기 유로 내의 벤츄리관 내부로 통과시키는 과정 중에 입자를 소분화시켜 폐수의 온도를 상승시키면서, 열교환기를 매개로 온도가 상승된 폐수의 온도를 30~60℃로 유지시키도록 함과 아울러, 상기 유로의 출구 측 압력을 0.096MPa 이하로 유지하도록 제어하여서,
상기 가축 분뇨 및 유기성 폐수내의 미생물 활성도 조건을 충족시키고 상기 탱크의 압력 범위가 5~7bar의 압력 범위를 갖도록 유지시켜 폐수의 입자 소분화율을 조절함으로써, 입자 소분화에 따른 캐비테이션 현상을 이용하여 암모니아 탈기에 의한 질소 제거율을 조절하도록 된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 유로 내에 자석부재를 배치하여 상기 유로(200) 내부를 통과하는 폐수를 자기력으로 자화시키는 단계를 더 구비한 것을 특징으로 한다.

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첫째, 폐수를 저장탱크에서 유체의 공동화 현상을 발생시키는 유로 내부로 순환시킴으로써, 폐수 입자를 소분화시켜 폐수 중의 질소를 물리적 방법으로 단시간내에 대폭 제거할 수 있는 유용한 효과를 갖는다.

둘째, 온도 조절을 통해 탱크내의 압력과 유로의 출구측 진공압력을 조절할 수 있으므로, 폐수 중의 질소를 제거하는 과정에서 단순한 방식으로 제어가 가능한 이점을 갖는다.

도 1은 본 발명에 따른 폐수의 질소 제거방법이 적용된 폐수 처리장치를 개략적으로 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명 질소 제거방법을 적용한 제 1,2,3차 실험 데이터로서,시간 경과에 따른 온도 변화과정을 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명 질소 제거방법을 적용한 제 1,2,3차 실험 데이터로서, 시간 경과에 따른 질소 제거율을 나타낸 그래프.
도 4와 도 5는 앞의 제 1,2실험 데이터에 따른 유로 출구측 진공압력의 변화를 각각 나타낸 그래프.
도 6과 도 7은 본 발명의 벤츄리관을 나타낸 구성도 및 측면도.

본 발명은 폐수의 정화방류 과정에서 폐수에 함유된 질소를 공동화현상을 이용한 입자의 소분화방식에 의한 기계적 및 물리적 방법을 이용하여 단시간내에 대폭 제거할 수 있도록 한 것이다.

본 발명에 따른 폐수의 질소 제거방법은, 질소가 함유된 폐수의 정화 방류 공정에서 상기 폐수를 탱크 내에 유입시키고 상기 탱크 내의 폐수를 단부가 탱크의상부와 하부에 배관 연결된 유로를 통해 다시 탱크 내부로 순환시키되, 상기 폐수의 온도를 30~60℃를 유지하도록 함과 아울러, 상기 유로 내의 출구측 압력(진공)을 0.086Mpa 이하로 유지시켜 입자를 소분화시키는 단계들로 구성된다.

더 상세히 설명하면, 폐수에 고압을 부여하는 이유는 폐수의 공동화 현상(cavitation)을 이용하여 폐수 입자를 소분화시키기 위함이다.

도 1은 본 발명의 질소 제거방법이 적용되는 폐수처리장치를 나타낸 것이다.

폐수 처리장치는 폐수가 저장되는 탱크(100)와, 탱크(100)의 일측 상부와 하부를 연결하도록 배관 형태로 연결되는 유로(200)와, 탱크(100) 내의 폐수를 유로(200)를 통해 압송시켜 다시 탱크(100)로 순환시키는 펌프(300)로 구성된다.

유로(200)는 폐수가 저장되는 탱크(100)의 일측에 마련되어 저장된 폐수를 통과시켜 입자를 소분화시키는 기능을 수행하게 된다.

탱크(100)에 유입되는 폐수는 탱크(100) 내부로 유입되기 전에 1차 고액 분리과정을 거치게 되며, 폐수가 탱크(100) 내부로 유입된 후에는 유로(200)를 따라 순환되는 과정을 갖는다.

이때, 폐수가 유로(200) 내부에 배치된 벤츄리관(500)을 통과하면서, 유로(200)의 출구 측에서 발생되는 공동화 현상을 이용하여 입자가 소분화된다.

또, 상기 유로(200) 내에 자석부재를 배치하여 상기 유로(200) 내부를 통과하는 폐수를 자기력으로 자화시키는 단계를 더 구비할 수 있다.

탱크(100) 내의 압력의 범위는 5.0~7.0bar의 고압을 부여하는 것이 바람직하며, 이는, 벤츄리관(500)을 통과하는 폐수의 소분화 현상에 의해 온도가 상승하게 되고, 이로 인해 포화증기압이 상승하게 된다. 상기한 압력 범위에서 5.0bar 미만일 경우에는 공동화현상의 발생율이 저하된다.

온도 범위는 30~60℃의 범위를 유지하는 것이 바람직하다. 이는, 30℃ 미만의 온도일 경우에는 가축 분뇨 및 유기성 폐수 내 미생물 활성도 조건을 충족시켜 주지 못하고, 암모니아 탈기에 의한 질소 제거가 이루어지지 않으며, 60℃를 초과하는 온도일 경우에는 포화증기압이 상승되고 진공압이 저감되어 입자 소분화율이 저화됨으로써, 질소 제거 효율이 더 이상 상승하지 않기 때문이다.

따라서, 탱크(100) 내의 압력 범위가 7.0bar를 초과하지 않는 범위내에서 온도 조절을 통해 압력을 조절하는 것이 바람직하다.

유로(200)의 출구측 압력을 0.096~0.086Mpa의 진공압력으로 설정하는 것이 바람직하며, 출구측 압력과 탱크(100) 내 압력은 반비례관계를 갖는다.

입자를 소분화시키는 단계는 상기 유로(200) 내에 벤츄리관(500)을 배치함으로써, 상기 폐수를 벤츄리관(500) 내부로 통과시켜 공동화현상으로 입자를 소분화시킬 수 있다.

벤츄리관(500)의 목 부근에서 액체의 속도가 증가되고, 목 부위의 압력이 포화증기압 이하로 감소됨과 아울러, 액체가 증발되면서 기포 핵이 생성되고, 핵이 합쳐져 버블로 성장하게 된다.

이때, 일부 질소는 고압의 입자 소분화과정에서 산소 접촉율을 높여서 산화작용이 발생하게 되고, 입자 소분화시 산화 반응식은 아래와 같은 아질산화 산화 및 질산화 산화 기본 반응식 1,2에 따라 산화 반응을 갖는다.

[반응식1]

2NH₄ ⁺ + 3O₂→2H₂O + NO₂ ^- + 4H⁺

[반응식2]

2NO₂ ^-+ O₂ →2NO₃ ^-

이러한 반응식을 합하면, 아래의 반응식 3과 같은 반응을 갖게 된다.

[반응식3]

NH₄ ⁺ + 2O₂→NO₃ ^- + 2H⁺ + H₂O

상기한 질산화 공정은 통상적인 반응으로 질소 탈기화 과정을 완성시키기 위해서 별도의 무산소조가 필요하나, 본 기술을 적용한 대부분의 알칼리성이 높은 가축 분뇨의 질소제거반응은 아래의 반응식 4와 같이 높은 pH에서 강한 환원성 경향을 갖게 되며 암모늄 이온의 증가로 역반응이 일어나고 입자 소분화 과정에서 강한 에너지에 의한 온도상승 및 암모니아 탈기가 되는 암모니아 스트리핑(ammonia stripping) 원리에 의해 질소량이 감소하게 된다.

[반응식4]

NH₃ ⁺+ H₂O ↔NH₄ ⁺ + OH^-

고압 소분화 과정에서 폐수의 온도가 상승하게 되고, 포화증기압 온도에 따라 질소 제거율이 달라지므로, 질소 제거율은 포화증기압을 결정하는 온도의 영향에 따라 달라지게 된다..

이에 따라, 지역 등의 조건에 따라 액비 중 질소 필요 농도가 다르므로 액비 생산과정에서 온도 조정에 따른 질소 제거율을 조정할 수 있다.

본 발명의 질소 제거 실험시 온도 변화에 따른 1,2,3차 실험 데이터는 도 2에 도시된 바와 같이, 시간의 경과에 따른 질소 제거율이 향상됨을 알 수 있다.(단위는 ℃)

이러한 온도 상승은 시간이 경과함에 따라 점차 상승하게 되지만, 앞서 설명한 바와 같이, 60℃를 초과하게 되면 포화증기압이 과도하게 상승되고 진공압이 저감하게 되므로, 열교환기를 이용하여 온도 범위를 유지하는 것이 바람직하다.

상기한 방식으로 질소를 제거한 1,2,3차 실험 데이터는 도 3에 도시된 바와 같이, 시간의 경과에 따른 질소 제거율이 향상됨을 알 수 있다.

상기한 질소 제거를 위한 시간은 72시간이 경과됨에 따라 폐수의 질소 제거 효율이 50%이상의 제거 효율을 갖는다.

도 4 및 도 5는 앞의 제 1,2실험 데이터에 따른 유로 출구측 진공압력의 변화를 그래프로 나타낸 것으로서, 앞서 온도 상승 변화에 따라 진공압이 저하됨을 알 수 있다. (단위는 Mpa)

즉, 본 발명은 분뇨 등의 폐수가 탱크(100) 내부로 유입된 후에, 탱크(100)와 연결된 유로(200)를 통과하여 다시 탱크(100)로 순환되는 과정에서, 유로 내의 벤츄리관(500)을 통과하면서 입자가 미립화 및 소분화되면서 질소성분과 접촉되는 산소 접촉율이 상승하게 되고, 산화 및 환원 반응에 의해 물리적인 방법으로 폐수중의 질소를 저감시킬 수 있도록 한 것이다.

본 발명의 벤츄리관(500)은 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 양측 단부에 유입구(520)와 유출구(530)를 갖는 중공(512)이 형성된 벤츄리관 몸체(510)를 가지며, 벤츄리관 몸체(510)의 유입구(520)측 중공(512)의 내주면에 상기 유입구(520)를 통해 유입되는 유체를 와류로 변환시키기 위한 나선형 홈부(550)가 형성된 것을 채용한다.

상세히 설명하면, 벤츄리관 몸체(510)의 중공(512)은 중간 부위 내주면에 내경이 축소되도록 양측으로 경사면이 형성된 노즐부(540)를 갖는다.

나선형 홈부(550)는 노즐부(540)의 유입구(520)측 경사면에 요홈 형태로 복수개 형성되어 있다.

또한, 나선형 홈부(550)는 일측단이 형성된 유입구(520)측에서 타측단이 형성된 노즐부(540) 측으로 갈수록 내경이 좁아지는 중공(512)의 구조적 특성상 타측단에 해당하는 나선형 홈부(550)가 노즐부(540)측에 집중되는 형태를 갖는다.

더 바람직하게는, 나선형 홈부(550)는 유입구(520)의 일측단폭(ℓ1)보다 타측단(상기 중공(512)의 중앙)측의 폭(ℓ2)이 더 크게 형성된 것(ℓ1〈ℓ2)으로, 유입구(520)측에서 노즐부측으로 갈수록 폭이 확대되도록 형성된 것이다. 이는 유입구(520)를 통해 통과되는 유체의 와류 발생시 난류와 소용돌이 현상을 증폭시키기 위함이다.

벤츄리관 몸체(510)는 외측에 유출구(530)측의 중공(512)과 연통되며 내주면에 나사산이 형성되어 음압 게이지와 연결 가능한 연결구(515)가 형성될 수 있다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 탱크 200 : 유로
300 : 펌프
500 : 벤츄리관 512 : 중공
520 : 유입구

Claims

질소가 함유된 가축분뇨 및 유기성 폐수의 정화 방류 공정에서 상기 폐수를 밀폐 가능한 탱크(100)내로 유입시킨 후에 상기 탱크(100)와 연결된 유로(200)를 따라 순환시키되,
상기 유로(200) 내에 벤츄리관(500)을 배치하되,
상기 벤츄리관은 양측 단부에 유입구(520)와 유출구(530)를 갖는 중공(512)이 형성된 벤츄리관 몸체(510)를 구비하고, 상기 벤츄리관 몸체(510)의 유입구(520)측 중공(512)의 내주면에 유입구(520)측에서 상기 중공(512)의 중앙 측으로 갈수록 폭이 확대되는 나선형 홈부(550)를 형성하여서, 상기 유입구(520)를 통해 유입되는 폐수를 와류로 변환시키고, 상기 폐수가 상기 벤츄리관(500) 내부를 통과하는 과정에서 난류와 소용돌이 현상을 증폭시키도록 하며,
상기 폐수를 상기 유로(200) 내의 벤츄리관(500) 내부로 통과시키는 과정 중에 입자를 소분화시켜 폐수의 온도를 상승시키면서, 열교환기를 매개로 온도가 상승된 폐수의 온도를 30~60℃로 유지시키도록 함과 아울러, 상기 유로(200)의 출구 측 압력을 0.096MPa 이하로 유지하도록 제어하여서,
상기 가축 분뇨 및 유기성 폐수내의 미생물 활성도 조건을 충족시키고 상기 탱크(100)의 압력 범위가 5~7bar의 압력 범위를 갖도록 유지시켜 폐수의 입자 소분화율을 조절함으로써, 입자 소분화에 따른 캐비테이션 현상을 이용하여 암모니아 탈기에 의한 질소 제거율을 조절하도록 된 것을 특징으로 하는 폐수의 질소 제거방법.
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청구항 1에 있어서,
상기 유로(200) 내에 자석부재를 배치하여 상기 유로(200) 내부를 통과하는 폐수를 자기력으로 자화시키는 단계를 더 구비한 것을 특징으로 하는 폐수의 질소 제거방법.
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