KR101261232B1 - 인 결정화 장치를 갖는 하·폐수처리시설 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인 결정화 장치를 갖는 하·폐수처리시설에 관한 것으로서, 본 발명에서는 2차 침전지로부터 발생되는 잉여 슬러지를 농축시키는 농축조와, 농축조를 거친 슬러지를 소화시키는 소화조와, 소화조에서 소화된 슬러지를 입력받아 이를 농축시키는 소화 농축조와, 소화 농축조로부터 상등액을 유입 받은 후, pH 조절액을 투입하여 pH를 조절하고 결정화 약품을 투입하여 인 결정을 생성하는 인 결정화 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 하·폐수처리시설이 제공된다.

Description

인 결정화 장치를 갖는 하·폐수처리시설{SEWAGE AND WASTEWATER TREATMENT SYSTEM WITH CRYSTALLIZATION APPARATUS FOR PHOSPHORUS RECOVERY}

본 발명은 인 결정화 장치를 갖는 하·폐수처리시설에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 생물학적 고도처리 시설에서 발생하는 고농도 인을 함유한 반류수로부터 난용성 인산염 결정화를 통해 유용한 인자원의 회수, 슬러지 감량 및 인 처리 효율을 개선하기 위한 인 결정화 장치를 갖는 하·폐수처리시설에 관한 것이다.

생물학적 고도처리 시설의 농축조, 혐기성 소화조 및 탈수기에서 발생하는 반류수는 고농도의 질소와 인을 함유하고 있어 적절히 처리되지 않고 해역이나 호소 등에 유입되어 영양염류 농도가 일정 이상을 넘게 되면 부영양화 현상을 일으키게 되므로 수처리 공정으로 반송하여 처리하고 있다.

생물학적 고도처리 시설은 크게 질소 제거와 인 제거 공정으로 나누어져 있다. 질소 제거 공정은 호기성 및 무산소 반응조로 구성되어 있으며, 호기성 조건에서는 질산화균에 의해 암모니아가 아질산성 혹은 질산성 질소로 산화되고 다음 공정인 무산소 조건에서는 탈질균에 의해 전자공여체인 BOD의 산화와 함께 이들 질소화합물이 질소가스로 환원되어 제거된다. 이와 같은 생물학적 질소 제거 공정에서 암모니아성 질소는 비교적 안정적인 처리가 가능한 것으로 알려져 있다.

한편, 인 제거 공정은 혐기성과 호기성 반응조로 구성되어 있으며, 세포 내에 인산염을 폴리인산 형태로 저장하는 인 제거 미생물의 생리학적 특성을 이용한다. 혐기성 조건에서 인 제거 미생물은 세포 내에 축적한 폴리인산을 인산염으로 분해하여 세포 밖으로 방출하는데 이 과정에서 다량의 에너지가 생성되며, 이 에너지를 이용해 하수로부터 BOD를 섭취하여 세포 내에 생분해성 고분자물질인 폴리하이드록시뷰티레이트(Polyhydroxybutyrate, PHB)를 합성하여 저장한다. 호기성 조건에서 인 제거 미생물은 세포 내에 저장한 PHB를 이용하여 에너지를 생성하고 인산염을 세포 내로 섭취하여 폴리인산으로 저장한다. 이 때 생물학적 고도처리 공정의 최종 침전지에서 슬러지 형태로 세포 내에 폴리인산을 축적한 미생물을 제거하면 하수로부터 인 제거가 이루어진다.

도 1은 종래 하·폐수처리시설의 공정 블럭도를 도시한 도면으로서, 유입되는 폐수 및 하수의 유입수(1)를 침사지(10)로 유입하여 이를 1차 침전지(20)에서 1차 침전시킨 후, 생물반응조(30)에서 미생물을 이용하여 처리시킨 다음 다시 2차 침전지(50)에서 침전시킨 후 방류수(100)로 방류하게 된다. 이때 2차 침전지(50) 이후 단계와 방류하기 전 단계에 여과지를 추가로 설치하여 여과 방류시키는 방법을 채택할 수도 있다. 이러한 하·폐수를 처리하는 과정에서 1차 침전지(20)에서 발생되는 찌꺼기를 생 슬러지라고 하고, 2차 침전지(50)에서 발생되는 찌꺼기를 잉여 슬러지라 일컫는데, 이들 중 생 슬러지와 잉여 슬러지는 농축조(60), 소화조(70), 소화 농축조(80), 탈수기(90)를 차례로 거치면서 농축, 소화 및 탈수과정을 거쳐 처리된다.

이때, 상기 슬러지 처리과정에서 발생되는 농축조 상등액, 소화조 상등액 및 탈수 여액을 반류수라고 하는데, 이러한 반류수는 다시 1차 침전지(20)의 전단으로 보내 재처리하게 된다. 그러나 이러한 종래의 하·폐수처리방법은 슬러지 처리공정에서 발생하는 반류수의 양이 전체 유입유량에 비하여 상대적으로 작은 양이지만 고농도의 질소와 인을 함유하기 때문에 수처리 계통에 충격부하를 유발하므로 처리효율에 심각한 영향을 끼치게 된다.

우리나라의 경우와 같이 질소나 인 농도에 비해 상대적으로 BOD 농도가 낮은 하수에서는 부영양화를 방지할 수 있는 수준까지 인 제거가 곤란한 생물학적 고도처리 공정의 태생적 단점 때문에 화학적 처리를 병행하는 경우가 대부분이다. 더욱이 슬러지 처리 공정의 농축조, 혐기성 소화조, 탈수시설에서 발생하는 고농도의 인을 함유한 반류수를 수처리 공정으로 반송시켜 처리하는 공정상 특징 때문에 인 부하의 증가에 따른 인 제거 능력의 저하가 큰 문제로 대두되고 있다.

일반적으로 생물학적 처리 공정에서 발생하는 슬러지는 별도의 슬러지 처리 공정을 통해 처리되는데 슬러지 처리뿐만 아니라 에너지 생산을 위해 혐기성 소화가 주로 이용되고 있다. 혐기성 소화는 특성상 소화기간 동안 슬러지의 가수분해와 발효에 의해 유기산이 생성되고 메탄이 생성된다. 이때 슬러지의 가수분해 과정에서 미생물 세포 내에 축적되어 있는 폴리인산이 가수분해되어 인산염의 형태로 용출된다. 따라서 혐기성 소화과정을 거친 슬러지의 상등액과 탈리액은 상당한 고농도의 인산염을 포함한다.

더욱이 최근에는 슬러지의 처리효율을 높이고 메탄 발생량을 증대시키기 위해 열가수분해장치의 도입을 통해 혐기성 소화의 효율을 높이고 있어 반류수 내 총질소 및 총인의 농도가 수백에서 수천 PPM에 이른다. 따라서 이 과정에서 발생하는 반류수를 적절한 전처리 없이 수처리 공정으로 반송시켜 처리하는 것은 혐기성 조건에서 인을 방출시켜 인의 함량이 적은 활성 슬러지가 호기성 조건에서 방출된 양보다 소량의 인을 더 섭취하는 인 제거 미생물의 인 섭취 능력의 한계점 때문에 현행 강화된 하수처리장 방류수 수질기준을 충족시키는 것이 어렵다.

현행 우리나라에서 운영 중인 생물학적 고도처리 공정의 대부분이 이러한 단점을 보완하기 위해 화학적 방법을 이용하여 인을 처리하고 있으나 약품비와 화학적 슬러지의 처리비용 발생이 고도처리 비용을 크게 상승시켜 대안이 필요한 실정이다.

더욱이 인은 유한성을 가진 자원이나 회수되지 못하고 폐기처분되고 있어 자원의 낭비 또한 심각한 실정이다. 해마다 수입이 증가하고 있는 농축산물이나 해산물에 포함되어 수입된 인은 인체나 가축 등을 경유해서 최종적으로 배수에 포함되어 배출되는데 배수처리시설에서 적절히 회수되지 못하고 공공수역으로 배출되어 환경적으로 큰 부담을 일으키고 있는 실정이다. 따라서 하수처리장에서 적절히 회수되지 못하고 국토에 버려지고 있는 인 자원을 회수하여 재이용하므로써 고갈자원에 대한 능동적인 대처능력을 함양하고 공공수역의 부영양화 방지를 도모할 필요가 있다.

이에 생물학적 고도처리 시설의 인 제거 효율을 향상시키고 인을 회수할 수 있는 방법으로 결정화 방법이 가장 현실적이고 경제적이다. 결정화 방법으로는 인산암모늄마그네슘(Magnesium ammonium phosphate, MAP)이나 하이드록실아파타이트(Hydroxylapatite, HAP)와 같은 결정물질로 만드는 방법 등이 있다.

상기의 문제점 등을 종합하면 생물학적 고도처리 공정에서 발생하는 반류수로부터 인을 회수하여 수처리 공정으로 반송되는 인의 부하를 감소시켜 인 제거 효율을 향상시키고 회수한 인을 자원으로 재활용하는 공정 개발이 절실한 실정이다.

본 발명은 하·폐수처리시설을 구성하는 장치를 효율적으로 배치하여 고농도 인을 포함하는 반류수로부터 인을 효율적으로 회수하는 인 결정화 장치를 갖는 하·폐수처리시설을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 생물학적 고도처리 시설에서 발생하는 고농도의 인을 함유한 반류수로부터 난용성 인산염 결정현상을 이용해 유용자원인 인을 회수하는 인 결정화 장치를 갖는 하·폐수처리시설을 제공하고자 하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 인 회수를 통해 수처리 공정으로 반송되는 반려수의 인 부하량을 감소시켜 인 제거 효율을 향상시키는 인 결정화 장치를 갖는 하·폐수처리시설을 제공하는데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 유입되는 하수 또는 폐수로부터 토사를 제거하는 침사지와, 상기 침사지로부터 유입되는 유입수를 침전시키는 1차 침전지와, 상기 1차 침전지로부터 유입되는 유입수를 미생물을 이용하여 처리하는 생물반응조와, 상기 생물반응조로부터 유입되는 유입수를 침전시키는 2차 침전지를 포함하는 하·폐수처리시설에 있어서, 2차 침전지로부터 발생되는 잉여 슬러지를 농축시키는 슬러지 농축조와, 슬러지 농축조를 거친 슬러지를 소화시키는 소화조와, 소화조에서 소화된 슬러지를 입력받아 이를 농축시키는 소화 농축조와, 소화 농축조로부터 상등액을 유입 받은 후, pH 조절액을 투입하여 pH를 조절하고 결정화 약품을 투입하여 인 결정을 생성하는 인 결정화 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 하·폐수처리시설에 제공된다.

상기 본 발명의 목적은 유입되는 하수 또는 폐수로부터 토사를 제거하는 침사지와, 상기 침사지로부터 유입되는 유입수를 침전시키는 1차 침전지와, 상기 1차 침전지로부터 유입되는 유입수를 미생물을 이용하여 처리하는 생물반응조와, 상기 생물반응조로부터 유입되는 유입수를 침전시키는 2차 침전지를 포함하는 하·폐수처리시설에 있어서, 2차 침전지로부터 발생되는 잉여 슬러지를 농축시키는 슬러지 농축조와, 슬러지 농축조로부터 유입되는 슬러지를 가수분해하는 열가수분해장치와, 열가수분해장치에서 가수분해된 슬러지에 pH 조절액을 투입하여 pH를 조절하고 결정화 약품을 투입하여 인 결정을 생성하는 인 결정화 장치와, 인 결정화 장치를 거친 유입수를 소화시키는 소화조와, 소화조에서 소화된 슬러지를 입력받아 이를 농축시키는 소화 농축조를 구비하는 것을 특징으로 하는 하·폐수처리시설에 의해서도 달성 가능하다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 의하면 생물학적 고도처리 시설의 농축조, 혐기성 소화조, 탈수기에서 발생해 수처리 공정으로 순환되는 반류수로부터 인을 결정화시켜 회수해 부가가치 창출이 가능하게 되었다.

또한 최종적으로 수처리 공정의 인 부하를 경감시켜 생물학적 인 제거 공정의 방류수 수질 개선이 가능하게 되었으며, 기존 화학적 처리시설에 소요되는 약품을 절감하고 화학적 처리에 의해 발생하는 슬러지 발생량을 크게 감소시키는 것이 가능하게 되었다.

도 1은 종래 하·폐수처리시설의 공정 블럭도.
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예의 하·폐수처리시설의 공정 구성도.
도 3은 도 2의 변형예도.
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예의 하·폐수처리시설의 공정 구성도.
도 5는 도 4의 변형예도.
도 6은 본 발명에 따른 일 실시예의 하·폐수처리시설의 공정 구성도.
도 7은 도 6의 변형예도.
도 8은 음식물 쓰레기 처리에 본 발명을 적용한 경우 공정 구성도.
도 9는 축산분뇨 처리에 본 발명을 적용한 경우 공정 구성도.
도 10은 본 발명의 인 회수 장치를 개략적으로 도시한 장치 구성도.
도 11는 본 발명에 따른 결정화 반응조의 일 실시예도.

본 발명은 하·폐수처리시설에서 발생하는 고농도의 인을 함유한 반류수로부터 난용성 인산염 결정현상을 이용해 인을 회수하여 유용자원으로 재활용하며 더 나아가 인 회수를 통해 수처리 공정으로 반송되는 반류수의 인 부하량을 감소시켜 인 제거 효율향상 및 운영 유지관리비의 절감, 방류수역의 수질개선할 수 있도록 하는 기술 특징을 제시한다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예, 장점 및 특징에 대하여 상세히 설명하도록 한다. 이하의 도면에서 실선은 상등액을 포함한 하수의 흐름을 나타내고, 점선은 슬러지의 이동 경로를 표시한다.

도 2는 본 발명에 따른 일 실시예의 하·폐수처리시설의 공정 구성도이다. 유입되는 폐수 및 하수의 유입수(1)를 침사지(10)로 유입하여 토사를 제거한 후 1차 침전지(20)에서 1차 침전시킨 후, 생물반응조(30)에서 미생물을 이용하여 처리시킨 다음 다시 2차 침전지(50)에서 침전시킨 후 방류수(100)로 방류하게 된다. 이때 2차 침전지(50) 이후 단계와 방류하기 전 단계에 여과지를 추가로 설치하여 여과 방류시키는 방법을 채택할 수도 있다.

생 슬러지(21)와 잉여 슬러지(51)는 슬러지 농축조(60)에 투입되어 농축된 후, 소화조(70)에서 소화되고, 소화된 슬러지는 소화 농축조(80)에서 다시 농축된 후 탈수기(90)에서 탈수된 후 탈리여액을 다시 침사지(10)로 유입시키게 된다. 탈수기(90)에서 탈수 과정을 마친 슬러지는 폐기물 업체를 통해 폐기 처분하게 된다.

일반적으로 일련의 정화 과정을 마친 후 침사지(10)로 다시 유입되는 반려수의 발생량은 유입 하수량의 약 1~2%로 소량이고 결정화 반응조(120)의 체류시간도 20분 이내에 결정화 반응이 가능하기 때문에 소요면적이 작다. 따라서 100 톤/일(日)의 처리능력을 가진 생물학적 고도처리시설의 경우 반려수의 발생량은 약 1.5 톤으로 결정 반응조의 크기는 반응시간이 약 19분인 20 리터의 크기로도 충분하다.

그런데 본원 발명자의 실험 결과에 의하면, 슬러지 농축조(60)의 상등액(61)과 소화 농축조(80)의 상등액(81) 및 탈수기(90)의 탈수여액(91)에 함유된 반려수의 인산염의 농도는 표 1과 같이 함유됨을 파악할 수 있었다.

구분	슬러지 농축조 상등액	소화 농축조 상등액	탈수여액
	17.5(mg/l)	320(mg/l)	9.5(mg/l)
	5%	92%	3%

표 1에 나타난 바와 같이 소화 농축조(80)의 상등액(81)에 포함된 인산염의 농도는 슬러지 농축조(60)의 상등액(61) 및 탈수기(90)의 탈수여액(91)에 포함된 인산염의 농도에 비해 월등히 높음을 알 수 있다. 즉, 도 1에 도시된 종래 하·폐수처리시설의 반류수에 포함된 약 92% 정도의 인산염이 소화 농축조 상등액에 포함되는 것으로 확인할 수 있다.

따라서 반류수를 구성하는 성분 중에서 적어도 소화 농축조의 상등액(81)에 포함된 인산염을 결정화시킨 후, 결정화 여액을 반류수로 형성하는 것이 반드시 필요하다. 도 2의 실시예에서는 소화 농축조(80) 상등액(81)을 결정화 저류조(110)에 일정 시간 저장한 상태에서 pH 조절액 투입부(130)를 통해 pH를 조절한 후, pH조절된 용액을 결정화 반응조(120)에 투입한 후 결정화 약품 투입부(140)를 통해 약품을 투입하여 인 결정을 생산하고, 나머지 여액은 반류수로 공급하게 하였다. 도 2의 실시예에서는 슬러지 농축조(60)에 생 슬러지(21)와 잉여 슬러지(51)가 모두 유입되므로 슬러지 농축조(60)의 상등액(61)에 함유되는 인산염 성분이 비교적 높으므로 결정화 저류조(110)에 유입되도록 하였다.

하지만 경우에 따라서는 표 1에 도시된 바와 같이 경우에 전체 반류수에 포함된 약 5%의 인산염이 슬러지 농축조(60)의 상등액(61)에 포함되므로 결정화 저류조(110)에 투입하지 않고 직접적으로 반류수로 형성할 수도 있으나 바람직하지는 않다. 유사한 이유로 도 2에서 탈리여액(91)이 반류수를 형성하도록 하였으나 인산염을 보다 확실히 결정화하기 위해서는 탈리여액(91)도 결정화 저류조(110)에 투입되도록 할 수 있음은 물론이다.

도 3은 도 2의 변형예이다. 도 3의 구성에 대해서는 도 2의 실시예와의 차이점에 대해서만 설명하도록 한다. 도 3에서는 생 슬러지는 슬러지 농축조(60)를 거치지 않고 바로 소화조(70)로 유입되도록 하였다. 생 슬러지(21)는 특성상 주로 유기물로 구성되어 있어 생분해도가 높고 함수율이 낮아 농축과정을 거치지 않고 소화조(70)로 직접 투입하였다. 따라서 2차 침전지(50)의 잉여 슬러지(51)만 슬러지 농축조(60)로 유입되기 때문에 슬러지 농축조의 용량을 최소화할 수 있다. 한편 유기물로 구성된 생 슬러지(21)가 소화조(70)로 직접 유입되어 소화되기 때문에 슬러지 농축조(60)로 유입되는 유기물이 적거나 없어 슬러지의 인 방출량은 크게 감소하게 된다. 따라서 인산염의 농도가 낮은 슬러지 농축조(61)의 상등액은 결정화 시설에 유입시키지 않고 수처리 공정으로 반송시켜 결정화 시설의 용량을 크게 줄일 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 일 실시예의 하·폐수처리시설의 공정 구성도이다. 도 2에 제시된 공정 구성도에서 슬러지 농축조(60)와 소화조(70) 사이에 열가수분해장치(65)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 열가수분해장치(65)는 소화조(70)의 메탄발효를 극대화하고 슬러지 발생량을 최소화하는 장치로 고온(약 200^oC), 고압(약 20bar)의 조건에서 슬러지 농축조(60)에서 유입되는 농축 슬러지를 가수분해한다. 이 과정에서 단백질, 다당류, 지방, 셀루로스 등 유기 화합물이 혐기성 소화에서 잘 이용될 수 있는 단순한 유기물로 변화되기 때문에 후속 공정인 소화조(70)에서 메탄 발생량을 크게 증가시킬 수 있다. 이때 세포 내의 폴리인산도 대부분 인산염으로 분해되어 방출되는데 인산염 농도는 보통 1g-P/L 이상이다. 열가수분해장치(65)의 후속공정인 소화조(70)에서 미생물 생합성에 의해 일부 인산염이 제거되지만 미량이기 때문에 소화 슬러지가 농축되는 소화 농축조(80) 상등액의 인산염 농도는 약 1g-P/L에 이른다. 따라서 인산염의 결정화를 통해 인 회수량을 최대화할 수 있다. 이를 실시하기 위해 슬러지 농축조(60)에서 농축된 생 슬러지와 잉여 슬러지의 혼합 슬러지는 열가수분해장치(65)로 유입되고 상등액은 결정화 저류조(110)로 유입된다. 열가수분해장치(65)에서 가수분해된 슬러지는 소화조(70)에서 분해되고 이때 생성된 소화 슬러지는 소화 농축조(80)에서 상등액(81)과 분리된다. 농축된 소화 슬러지는 탈수기(90)에 탈수되어 슬러지 케익으로 반출되고 이때 발생하는 탈리여액(91)은 소화 농축조(80)에서 발생하는 상등액(81)과 함께 인 결정화 시설로 유입된다. 전술한 바와 같이 탈리여액(91)에 포함된 인산염의 농도는 비교적 낮기 때문에 결정화 저류조(110)에 유입하지 않고 직접적으로 반류수를 구성하게 할 수 있다.

도 5는 도 4의 변형예이다. 도 5의 구성에 대해서는 도 4의 실시예와의 차이점에 대해서만 설명하도록 한다. 도 5에서는 생 슬러지(21)는 슬러지 농축조(60)를 거치지 않고 바로 소화조(70)로 유입되도록 하였다. 따라서 인산염의 농도가 낮은 슬러지 농축조(61)의 상등액은 결정화 시설에 유입시키지 않고 수처리 공정으로 반송시켜 결정화 시설의 용량을 크게 줄일 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 일 실시예의 하·폐수처리시설의 공정 구성도이다. 유입되는 폐수 및 하수의 유입수(1)를 침사지(10)로 유입하여 토사를 제거하고, 토사가 제거된 유입수를 1차 침전지(20)에서 1차 침전시킨 후, 생물반응조(30)에서 미생물을 이용하여 처리시킨 다음 다시 2차 침전지(50)에서 침전시킨 후 방류수(100)로 방류하게 된다. 이때 2차 침전지(50) 이후 단계와 방류하기 전 단계에 여과지를 추가로 설치하여 여과 방류시키는 방법을 채택할 수도 있다.

생 슬러지(21)와 잉여 슬러지(51)는 슬러지 농축조(60)에 투입되어 농축된 후, 열가수분해장치(65)로 유입된다. 열가수분해장치(65)는 후단 소화조(70)의 메탄발효화하고 슬러지 발생량을 최소화하기 위해 고온(약 150^oC), 고압(약 20bar)의 조건에서 슬러지 농축조(60)에서 유입되는 농축 슬러지를 가수분해한다. 가수분해된 슬러지는 액체 상태로 되고, 이후 결정화 저류조(110)와 결정화 반응조(120)에 순차적으로 유입되어 인 결정화(150) 과정을 거친 후, 소화조(70)에서 소화된다. 소화조(70)에서 소화가 완료된 슬러지는 소화 농축조(80)에서 다시 농축된 후, 탈수기(90)에서 탈수된다. 이때 소화 농축조(80)의 상등액(81)과 탈리여액(91)은 반류수로 다시 침사지(10)로 유입되도록 하였다.

도 6에 제시된 하·폐수처리시설의 공정 구성도는 높은 암모니아 농도에 의한 소화조(70)의 처리효율 저하를 방지하기 위한 구성도로 열가수분해에 의해 높아진 암모니아 농도를 인 결정화 과정을 통해 낮추어 소화조(70)의 처리효율 저하를 방지한다. 슬러지 농축조(80)에서 농축된 슬러지의 열가수분해 시 암모니아 농도가 약 10 g/L 까지 증가하는데 이와 같은 고농도의 암모니아는 소화조(70)의 처리 능력을 크게 저하시킨다. 따라서 소화조(70) 유입 전에 적절히 암모니아 제거가 필요한 경우가 많으므로 소화조(70) 전단에 인 결정화 시설을 도입하여 인산염의 결정화 반응을 통해 인산염과 함께 암모니아를 회수하고 소화조(70)의 효율도 향상시킬 수 있다.

도 7은 도 6의 변형예이다. 도 7의 구성에 대해서는 도 6의 실시예와의 차이점에 대해서만 설명하도록 한다. 도 7에서는 생 슬러지(21)는 슬러지 농축조(60)를 거치지 않고 바로 소화조(70)로 유입되도록 하였다. 따라서 인산염의 농도가 낮은 슬러지 농축조(61)의 상등액은 결정화 시설에 유입시키지 않고 수처리 공정으로 반송시켜 결정화 시설의 용량을 크게 줄일 수 있다.

도 8 및 도 9는 음식물 쓰레기 처리 및 축산분뇨 처리에 본 발명의 인 회수 장치를 적용한 공정 흐름도이다. 도 8 및 도 9에서는 인 회수 장치는 한 가지 공정으로만 제시하였으나, 도 2 내지 도 7에 제시된 바와 같이 다양한 변형을 음식물 쓰레기 처리 및 축산 분유 처리에 적합하게끔 변형하여 적용할 수 있는 것으로 이해하여야 한다. 하·폐수처리시설에서 발생하는 고농도 인을 함유한 반류수로부터 인산염을 결정화시켜 유용한 인 자원을 회수하고 생물학적 수처리 공정의 처리능력을 향상하는 본 발명은 도 8과 도 9와 같이 음식물쓰레기처리시설과 축산분뇨처리시설에도 적용이 가능하다. 이는 음식물쓰레기처리시설과 축산분뇨처리시설의 처리공정이 하·폐수처리시설의 슬러지 처리공정과 동일하거나 매우 유사하기 때문이다.

음식물쓰레기와 축산분뇨의 처리공정은 크게 전처리, 혐기성 소화 그리고 생물학적 수처리 과정으로 나누어진다. 수거되어 처리시설로 반입된 음식물쓰레기나 축산 분뇨는 우선 전처리 과정을 거치게 된다. 전처리 과정에서 음식물쓰레기는 이물질 제거와 원하는 입경의 크기로 만드는 공정을 통해 액상 슬러리 상태로 만들어지고, 축산분뇨는 토사제거와 고액분리를 통해 분과 뇨로 분리된다. 전처리 과정에서 발생하는 슬러리와 상등액은 혐기성 소화조(70)로 유입되어 처리되는데 메탈발효미생물에 의해 유기물질 대부분이 메탄가스로 산화되어 제거된다. 최종적으로 혐기 소화액은 소화 농축조(80)에서 소화 슬러지와 소화 상등액으로 분리되어 처리되는데 소화 슬러지의 탈수과정에서 발생하는 탈수여액과 소화 상등액은 생물학적 수처리 시설을 통해 처리된 후 방류된다. 그러나 혐기성 소화과정에서 질소와 인은 유기물과 달리 거의 제거가 이루어지지 않기 때문에 소화 상등액은 고농도의 질소와 인산염을 함유하며, 인산염의 농도는 통상 0.8 g-P/L에 이른다. 따라서 생물학적 수처리 시설만으로는 방류수 수질기준을 만족시키기 어려워 화학적 처리를 병행하는 경우가 많으나 높은 운전비용이 문제다. 따라서 하·폐수처리시설의 슬러지 처리공정과 같이 소화 농축조(80) 후단에 난용성 인 회수 장치를 설치하여 고농도의 인을 함유한 소화 상징액으로부터 난용성 인산염 결정화(150)를 통해 유용한 인자원을 회수하고 생물학적 처리시설의 질소와 인 부하량을 줄여 처리효율을 향상시킬 수 있다.

이하에서는 슬러지 농축조 상등액, 소화 농축조 상등액, 탈수여액 또는 열가수분해장치로부터 입수되는 슬러지로부터 인을 회수하는 인 회수 장치에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다. 도 2 내지 도 7에 제시된 바와 같이 인 회수 장치는 결정화 저류조(110), 결정화 반응조(120), pH 조절액 투입부(130) 및 결정화 약품 투입부(130)로 구성된다.

반류수로부터 인을 회수하는 방법으로는 난용성 인산염을 만들어 회수하는 MAP법과 HAP법이 경제적이고 효율적이다. MAP는 스트러바이트(Struvite)로 알려져 있으며, 결정의 화학식은 MgNH₄PO₄6H₂O이다. 물리적 성질은 비중이 1.7로 열을 가하면 분해되고 물에 용해도가 낮지만 산성용액에서는 높은 용해성을 가지며 알칼리성 용액에서는 불용성이다. MAP는 암모니아 1몰과 인산 1몰로 구성되어 있어 인산염과 암모니아성 질소를 동시에 효율적으로 제거할 수 있는 방법이다. MAP법은 인산염과 암모니아 이온을 함유한 처리 대상액에 마그네슘 이온을 첨가하고 소정의 pH 영역에서 다음과 같은 결정화 반응을 통해 6수염결정을 화학식 1과 같이 생성한다.

MAP는 기존 하수처리장의 혐기성 소화조의 라인에 많이 형성되는 것으로 알려져 있는데 이는 혐기성 소화조의 특성상 혐기 소화액이 고농도의 암모니아성 질소와 인산염을 함유하고 결정화가 일어나기에 적절한 pH를 유지하고 있기 때문이다. 따라서 고농도의 암모니아성 질소와 인산염을 함유한 반류수의 경우, 인과 질소를 동시에 회수하여 활용할 수 있는 MAP법이 가장 적절한 결정화 방법 중의 하나이다.

한편 HAP은 칼슘 5몰과 인산염 3몰로 구성되어 있으며, 화학식은 Ca₅(PO₄)₃(OH)으로 결정은 육방정계에 속하고 육각기둥 모양, 육각판 모양으로 산출된다. 물리적 성질은 비중이 3.16으로 인광석의 주성분이기 때문 경제적 가치가 높은 광물이다. HAP법은 고농도의 인산염을 함유한 반려수에 칼슘을 첨가하고 소정의 pH 영역에서 화학식 2와 같은 결정화 반응을 통해 HAP를 생성한다.

슬러지 발생량이 적고 장기간 안정적인 효율을 얻을 수 있으며, 소요되는 면적이 적어 기존 처리시설에 도입이 용이한 시설이다.

도 10은 본 발명의 인 회수 장치를 개략적으로 도시한 장치 구성도이다. 결정화 저류조(110)는 반류수 유입밸브(101)가 구비되고, 결정화가 일어나기 적절한 pH가 유지된 저류된 반류수가 결정화 반응조(120)로 유출하기 위한 유출밸브(102)가 구비되며, 반류수의 pH 조정과 침전을 방지하는 교반기(103), 유입 반류수의 pH조절를 위한 pH 계측기(104), 결정화 저류조(110)의 수위를 파악할 수 있는 수위계(105)가 설치되어 있다.

결정화 저류조(110)의 기능은 생물학적 고도처리 시설의 슬러지 처리공정에서 발생하는 소량의 반류수 발생량을 일시 저류하고 결정화 반응조(120)에서 결정화 현상을 위하여 pH 조절액 투입부(130)로부터 투입되는 pH 조절액을 이용하여 최적의 pH 범위를 유지하도록 하는 기능이 필요하다.

또한 결정화 저류조(110)의 형태는 사각형 및 원형으로 하는 것이 바람직하며, 조의 용량 즉 체류시간은 15~20분 정도가 적당하며 설비의 경제성과 적은 면적에 설치가 가능한 특징이 있다.

도 10의 바람직한 실시예에 따른 결정화 반응조(120)는 결정화가 일어나기 위한 최적의 pH가 유지된 결정화 저류조(110)내 반류수가 결정화 반응조(120)로 유입되는 유입밸브(201)와 인산염 결정화에 따른 인 제거된 반류수가 수처리 공정으로 반송되는 반류수 유출밸브(202)가 구비된다.

인산염 결정화 반응조(120)에는 결정화 현상을 위하여 인 결정화 반응 약품탱크(140)로부터 약품이 유입되고 유입된 약품을 이용하여 결정화를 위해 일정한 속도로 반류수를 휘저으며 섞어주는 교반기(203)가 결정화 반응조(120) 내부에 장착된다.

또한 결정화 반응조(120)는 내부의 반류수의 수위를 파악할 수 있는 수위계(204)와 결정화 현상 반응시간을 조절하는 타임 조절기(205)를 더 구비한다. 반류수의 인산염 결정화 반응조(120)에서 적절한 교반에 의하여 난용성 인산염 결정체(206)가 형성된다.

이에 따른 인산염 결정체(206)가 형성되고 이 결정체(206)의 물리적 성질은 비중이 1.7~3.16으로 인광석의 주성분이기 때문에 결정체(206)는 경제적 가치가 높은 광물로서 회수하여 재활용이 가능토록 기능을 가진 것이 기술적 특징이다.

결정화 반응조(120)의 형태는 사각형 및 원형으로 하는 것이 바람직하며, 일반적으로 콘크리트구조를 사용하거나 산이나 알칼리에 부식되지 않는 재질로 이루어져 내식성, 내구성의 안정화된 재질을 사용한다. 반응조의 용량은 소량의 반류수 유입량의 20분 정도 체류시간을 확보하면 가능하여 반응조 설치시 경제성을 확보할 수 있다.

도 10의 바람직한 실시예에 따른 약품공급시설은 결정화 저류조(110)에 최적의 pH범위를 조절하기 위한 pH 조절액 공급을 위한 pH 조절액 투입부(130), 인 결정화 반응조(120)에 난용성 인산염 결정화를 위한 마그네슘 또는 칼슘 등을 공급하는 결정화 약품 투입부(140)로 구비된다.

pH 조절액 투입부(130)의 pH 조절액의 공급은 결정화 저류조(110)와 인산염 결정화 반응조(120)에 공급 가능토록 주입설비를 구비하여 현장 여건에 따라 결정화 저류조(110)를 사용하지 않을 경우에도 운영이 되도록 하여야 한다. 즉, 경우에 따라서는 결정화 저류조(110)를 설치하지 않고 결정화 반응조(120)만을 구비하고 이에 pH 조절액을 투입하는 것이 가능하도록 하는 것도 좋다.

pH 조절액 투입부(130) 및 결정화 약품 투입부(140)에는 약품의 응고나 침전을 방지하기 위하여 교반시설을 갖추는 것이 바람직하며, 약품에 대하여 내알칼리, 내식 및 내구성이 뛰어난 재질로 사용하여야 한다.

pH 조절액 투입부(130) 및 결정화 약품 투입부(140)으로 구성된 약품의 주입시설은 주입량의 조절이 용이하여야 하고 신뢰성이 있어야 하며, 또한 적당한 범위에서 자유롭게 조정할 수 있는 약품정량 주입펌프 등 약품주입시설이 필요하다.

도 11은 바람직한 실시예에 따른 결정화 반응조(120)의 형상 및 구조와 슬러지 반류수에 결정화를 위한 반응제 투입 후 교반에 의하여 인산염 결정체(206)가 형성되고 결정체를 인출하여 회수하는 장치에 대한 실시 구성도이다. 도 11a는 결정화 반응조의 평면도이고, 도 11b는 도 11a에서 A-A'의 단면도를 도시한 것이고, 도 11c는 도 11a에서 B-B' 의 단면도를 도시한 것이다.

결정화 반응조(120)의 구조는 결정화 저류조(110)로부터 유입되는 반류수의 유입수로(213), 인산염 결정 반응제를 반류수의 난용성 인산염과의 신속하게 분산시켜 혼합이 극대화를 이루기 위하여 교반을 위한 혼화조(214), 인산염 결정체(206)의 원활한 인출을 위한 2개 이상의 수로형상의 스크류콘베이어 간벽(213), 인산염 결정체(206)을 밖으로 인출하고 반류수의 반송을 위한 맨홀를 구비한다.

인산염 결정체(206)의 인출을 위한 설비 구성은 전력 구동부를 갖는 스크류콘베이어(207), 인산염이 제거된 반류수와 인산염 결정체(206)을 인출하기 위한 유출수문(208), 인산염 결정체(206)을 최종 밖으로 인출하기 위한 결정체 수집 간이스크린(209), 간이스크린을 지지하는 스크린 지지대(212), 간이스크린(209)를 밖으로 인출하기 위한 지브크레인(211), 인산염 결정체(206)를 간이스크린(209)으로 원할히 유도하기 위한 결정체 유도장치(210)를 구성한다.

인산염 결정체(206) 즉 인광석을 인출 및 회수하는 방법은 인산염 결정화 반응조(200)에서 교반에 의해 일정크기의 인산염 결정체(206)가 형성 침전되면 유출수문(208)을 열고 스크류콘베이어(207)를 가동한다 스크류콘베이어(207)는 침전된 결정체 즉 인광석을 유출수문(208) 방향으로 유도하고 결정체 유도장치(210)을 통하여 결정체 수집을 위한 간이스크린(209)에 수지되고 간이스크린(209)은 지브크레인(211)에 의해 최종 인출하여 인 회수를 수행하게 된다.

난용성 인산염이 제거된 슬러지 반류수는 인산염 결정체(206) 인출과 함께 유출수문(208)으로 유출되고 간이스크린(209)을 통과 반류수 유출조를 통해 수처리시설로 반송하게 된다.

상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시 되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 상상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여려가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.

1: 유입수 10: 침사지
20: 1차 침전지 21: 생 슬러지
30: 생물반응조 51: 잉여 슬러지
50: 2차 침전지 60: 슬러지 농축조
61: 농축조 상등액 65: 열가수분해장치
70: 소화조 80: 소화 농축조
81: 소화 농축조 상등액 90: 탈수기
91: 탈수여액 100: 방류수
110: 결정화 저류조 120: 결정화 반응조
130: pH 조절액 투입부 140: 결정화 약품 투입부
150: 인 결정

Claims (13)

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5. 유입되는 하수 또는 폐수로부터 토사를 제거하는 침사지와, 상기 침사지로부터 유입되는 유입수를 침전시키는 1차 침전지와, 상기 1차 침전지로부터 유입되는 유입수를 미생물을 이용하여 처리하는 생물반응조와, 상기 생물반응조로부터 유입되는 유입수를 침전시키는 2차 침전지를 포함하는 하·폐수처리시설에 있어서,
   상기 2차 침전지로부터 발생되는 잉여 슬러지를 농축시키는 슬러지 농축조와,
   상기 슬러지 농축조로부터 유입되는 슬러지를 가수분해하는 열가수분해장치와,
   상기 열가수분해장치에서 가수분해된 슬러지에 pH 조절액을 투입하여 pH를 조절하고 결정화 약품을 투입하여 인 결정을 생성하는 인 결정화 장치와,
   상기 인 결정화 장치를 거친 유입수를 소화시키는 소화조와,
   상기 소화조에서 소화된 슬러지를 입력받아 이를 농축시키는 소화 농축조를 구비하는 것을 특징으로 하는 하·폐수처리시설.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 1차 침전지로부터 생산되는 생 슬러지는 상기 소화조로 유입되는 것을 특징으로 하는 하·폐수처리시설.
   
7. 제 5항에 있어서, 상기 인 결정화 장치는
   유입되는 유입수를 일시 저장하는 결정화 저류조와,
   pH 조절액을 저장하고 상기 결정화 저류조에 유입된 유입수에 pH 조절액을 투입하는 pH 조절액 투입부와,
   상기 결정화 저류조로부터 pH가 조절된 유입수를 유입 받은 후, 유입수로부터 인산염 결정을 생성하는 결정화 반응조, 및
   인산염 결정을 생성하는 약품을 저장하고 상기 결정화 반응조에 결정화 약품을 투입하는 결정화 약품 투입부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하·폐수처리시설.
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 결정화 반응조에는 상기 결정화 저류조로부터 유입되는 유입수를 결정화 약품과 신속히 반응하기 위한 혼합조를 상부에 구비하고, 하부에는 결정된 인산염을 외부를 유도하기 위한 스크류콘베이어가 구비되는 것을 특징으로 하는 하·폐수처리시설.
9. 유입되는 하수 또는 폐수로부터 토사를 제거하는 침사지와, 상기 침사지로부터 유입되는 유입수를 침전시키는 1차 침전지와, 상기 1차 침전지로부터 유입되는 유입수를 미생물을 이용하여 처리하는 생물반응조와, 상기 생물반응조로부터 유입되는 유입수를 침전시키는 2차 침전지를 포함하는 하·폐수처리시설에 있어서,
   상기 2차 침전지로부터 발생되는 잉여 슬러지를 농축시키는 슬러지 농축조와,
   상기 슬러지 농축조를 거친 슬러지를 소화시키는 소화조와,
   상기 소화조에서 소화된 슬러지를 입력받아 이를 농축시키는 소화 농축조와,
   상기 소화 농축조로부터 상등액을 유입 받은 후, pH 조절액을 투입하여 pH를 조절하고 결정화 약품을 투입하여 인 결정을 생성하는 인 결정화 장치를 포함하는 것을 특징으로 하고,
   상기 인 결정화 장치는
   유입되는 유입수를 일시 저장하는 결정화 저류조와,
   pH 조절액을 저장하고 상기 결정화 저류조에 유입된 유입수에 pH 조절액을 투입하는 pH 조절액 투입부와,
   상기 결정화 저류조로부터 pH가 조절된 유입수를 유입 받은 후, 유입수로부터 인산염 결정을 생성하는 결정화 반응조, 및
   인산염 결정을 생성하는 약품을 저장하고 상기 결정화 반응조에 결정화 약품을 투입하는 결정화 약품 투입부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하·폐수처리시설.
   
10. 제 9항에 있어서,
    상기 1차 침전지로부터 생산되는 생 슬러지는 상기 소화조로 유입되는 것을 특징으로 하는 하·폐수처리시설.
    
11. 제 9항에 있어서,
    상기 1차 침전지로부터 생산되는 생 슬러지도 상기 슬러지 농축조로 유입되고, 상기 슬러지 농축조의 상등액도 상기 인 결정화 장치로 유입되는 것을 특징으로 하는 하·폐수처리시설.
    
12. 제 10항 또는 제 11항에 있어서,
    상기 슬러지 농축조와 상기 소화조 사이에는 열가수분해장치가 더 구비되고, 상기 열가수분해장치는 상기 슬러지 농축조로부터 유입되는 슬러지를 가수분해하여 상기 소화조로 전달하는 것을 특징으로 하는 하·폐수처리시설.
    
13. 제 9항에 있어서,
    상기 결정화 반응조에는 상기 결정화 저류조로부터 유입되는 유입수를 결정화 약품과 신속히 반응하기 위한 혼합조를 상부에 구비하고, 하부에는 결정된 인산염을 외부를 유도하기 위한 스크류콘베이어가 구비되는 것을 특징으로 하는 하·폐수처리시설.

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