KR101485363B1 - 기포공경 제어형 연속회분식 부상분리 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연속회분식 부상분리 공정을 진행함에 있어서 각 단위공정의 특성에 따라 기포의 공경을 제어하여 공급함으로써 각 단위공정의 효율을 향상시킴과 함께 기포 발생에 소요되는 동력을 최소화할 수 있는 기포공경 제어형 연속회분식 부상분리 장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 기포공경 제어형 연속회분식 부상분리방법은 부상분리조에 원수를 공급함과 함께 원수 내에 거대기포를 주입하여 원수 내의 미세기포를 탈기하는 원수탈기 단계와, 원수를 무산소 조건 하에서 정치시켜 원수 내의 아질산성 및 질산성 질소를 질소 가스로 환원시키는 무산소 단계와, 원수를 정치하여 인(P)을 방출함과 함께 아질산성 질소, 질산성 질소를 탈질하는 혐기 단계와, 부상분리조 내의 원수에 80∼200㎛ 크기의 미세기포를 주입하여 인의 과잉섭취 및 질산화 반응을 진행하는 호기 단계와, 부상분리조 내의 원수에 20∼50㎛ 크기의 미세기포를 주입하여 부상분리를 통해 원수를 고액분리하는 부상분리 단계와, 부상분리조 내의 처리수를 배출하는 처리수 배출 단계 및 부상분리조 내에 축적된 슬러지를 배출하는 슬러지 배출 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

기포공경 제어형 연속회분식 부상분리 장치 및 방법{Apparatus and method for sequencing batch type dissolved air floating controlled air bubble size}

본 발명은 기포공경 제어형 연속회분식 부상분리 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연속회분식 부상분리 공정을 진행함에 있어서 각 단위공정의 특성에 따라 기포의 공경을 제어하여 공급함으로써 각 단위공정의 효율을 향상시킴과 함께 기포 발생에 소요되는 동력을 최소화할 수 있는 기포공경 제어형 연속회분식 부상분리 장치 및 방법에 관한 것이다.

기포발생장치는 다양한 분야에 응용되고 있다. 수처리 공정의 경우, 용존산소량을 높이거나 교반 및 부상분리의 목적으로 기포발생장치가 사용되고 있고, 양식장의 용존산소 유지, 호소수의 정화, 반도체의 세정공정 등에서도 기포발생장치가 적용되고 있다.

일반적으로, 수처리 공정에서 사용되고 있는 기포발생장치는 하수처리장의 폭기공정, DAF(dissolved air flotation) 등의 부상분리공정(한국등록특허공보 제869312호) 등에 주로 이용되고 있다. 폭기공정에 사용되는 기포는 교반과 산소전달효율을 고려하여 비교적 큰 기포가 적용되고 있으며, 부상분리공정에 사용되는 기포는 고액분리 목적에 적합하도록 비교적 작은 크기의 미세기포가 주로 사용되고 있다.

부상분리공정을 진행함에 있어서, 기포의 크기, 체류시간, 스컴 배출장치 구조 등이 적절치 못할 경우 와류로 인한 교란으로 부유물질의 처리수로의 유출, 사구역 발생 등의 문제가 발생되며, 이로 인해 부상효율 저하, 부유물질의 부패 등이 유발된다. 이러한 문제점을 회피하기 위한 방법으로 연속적인 부상분리 방법 대신에 연속회분식 부상분리 방법을 이용하고 있으나, 유입수의 유량 및 수질특성에 따라 연속적인 처리가 어려워 적용에 한계가 있고 처리수 회수율이 상대적으로 낮은 단점이 있다.

한국등록특허공보 제869312호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 연속회분식 부상분리 공정을 진행함에 있어서 각 단위공정의 특성에 따라 기포의 공경을 제어하여 공급함으로써 각 단위공정의 효율을 향상시킴과 함께 기포 발생에 소요되는 동력을 최소화할 수 있는 기포공경 제어형 연속회분식 부상분리 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 부상 슬러지층의 높이 및 처리수 배출 높이 등에 대해서 수학적 계산식을 통해 산출함으로써 공정효율을 극대화할 수 있는 기포공경 제어형 연속회분식 부상분리 장치 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 기포공경 제어형 연속회분식 부상분리방법은 부상분리조에 원수를 공급함과 함께 원수 내에 거대기포를 주입하여 원수 및 잔류 슬러지에 부착된 미세기포를 탈기하는 원수탈기 단계와, 원수를 무산소 조건 하에서 정치시켜 원수 내의 아질산성 및 질산성 질소를 질소 가스로 환원시켜 탈질하는 무산소 단계와, 원수를 정치하여 인(P)을 방출하는 혐기 단계와, 부상분리조 내의 원수에 80∼200㎛ 크기의 미세기포를 주입하여 인의 과잉섭취 및 질산화 반응을 진행하는 호기 단계와, 부상분리조 내의 원수에 20∼50㎛ 크기의 미세기포를 주입하여 부상분리를 통해 원수를 고액분리하는 부상분리 단계와, 부상분리조 내의 처리수를 배출하는 처리수 배출 단계 및 부상분리조 내에 축적된 슬러지를 배출하는 슬러지 배출 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 부상분리 단계는, 20∼50㎛ 크기의 미세기포를 부상분리조에 주입하는 과정과, 원수를 정치시키는 과정과, 미세기포가 원수 내의 부유물질 및 슬러지에 부착되어 부유물질이 부상되는 과정을 포함하여 구성된다.

상기 처리수 배출 단계에서 배출되는 처리수의 배출 높이(He)는 다음의 식 1, 2, 3을 통해 산출된다.

<식 1>

Vs = Vr × Cr/Cs

(Vs는 부상 슬러지층의 높이, Vr은 원수의 부피, Cr은 원수의 총고형물 농도, Cs는 부상 슬러지층의 총고형물 농도)

<식 2>

Hs = Vs/A

(Hs는 부상 슬러지층의 높이, A는 부상분리조의 단면적)

<식 3>

He = Hr - (Ha + Hs) - Hb

(He는 처리수 배출 높이, Hr은 원수 유입 높이, Ha는 여유 높이, Hb는 복합 기능관의 높이)

본 발명에 따른 기포공경 제어형 연속회분식 부상분리장치는 원수를 공급받아 원수의 생물학적 처리 및 고액분리 과정이 진행되는 공간을 제공하는 부상분리조와, 상기 부상분리조의 하부에 구비되어 미세기포를 주입함과 함께 처리수를 배출하는 복합 기능관과, 상기 복합 기능관의 일측에 구비되어 미세기포를 산포하는 미세기포 주입노즐 및 상기 복합 기능관의 일측에 구비된 미세기포 발생장치를 포함하여 이루어지며, 상기 미세기포 발생장치는 상기 복합 기능관에 순환수를 공급하는 순환펌프와, 상기 복합 기능관의 순환수에 가압공기를 공급하는 가압공기 공급부와, 순환수 내의 거대기포를 용해, 제거하는 거대기포 용해조와, 상기 미세기포 주입노즐 내에 구비되어 기포의 크기를 조절하는 충돌식 기포발생노즐을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 기포공경 제어형 연속회분식 부상분리 장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.

원수의 탈기, 호기, 부상분리 공정 각각의 진행시 각 공정에 적합한 미세기포를 주입함으로써 각 단위공정의 효율을 극대화할 수 있다. 또한, 부상 슬러지층 및 처리수 배출의 높이를 수학적 계산을 통해 산출함으로써 최적의 공정을 구현할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기포공경 제어형 연속회분식 부상분리장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기포공경 제어형 연속회분식 부상분리방법을 설명하기 위한 순서도.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 일 실시예에 따른 기포공경 제어형 연속회분식 부상분리방법의 각 공정에 대한 모식도.

본 발명은 원수탈기공정, 호기공정 및 부상분리공정에 기포 주입시 주입되는 기포의 공경을 각 공정 특성에 부합되도록 기포의 공경을 제어하여 탈기/무산소/혐기/호기에 의한 생물학적 처리 및 부상분리에 의한 고액분리 특성을 향상시킬 수 있으며, 슬러지 부상높이, 처리수 배출높이 및 슬러지 배출높이를 수학적 계산을 통해 산출, 적용함으로써 최적의 공정을 구현할 수 있게 된다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 기포공경 제어형 연속회분식 부상분리 장치 및 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기포공경 제어형 연속회분식 부상분리방법을 구현하기 위한 부상분리장치이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 기포공경 제어형 연속회분식 부상분리장치는 부상분리조(110)를 구비한다. 상기 부상분리조(110)는 원수를 공급받아 원수의 생물학적 처리 및 고액분리 과정이 진행되는 공간을 제공한다.

상기 부상분리조(110)의 하부에는 미세기포 주입 및 처리수 배출을 위한 복합 기능관(120)이 구비된다. 상기 복합 기능관(120)을 통해 부상분리조(110) 내에 미세기포 주입이 가능하며, 부상분리조(110) 내에서 처리된 처리수의 배출 역시 상기 복합 기능관(120)을 통해 이루어진다. 상기 복합 기능관(120)의 일측에는 미세기포 산포를 위한 미세기포 주입노즐(121)이 구비된다.

상기 복합 기능관(120)의 일단에는 미세기포 발생장치가 구비되며, 상기 미세기포 발생장치는 미세기포를 발생시켜 상기 복합 기능관(120)에 공급하는 역할을 한다. 구체적으로, 상기 미세기포 발생장치는 순환펌프(131), 가압공기 공급부(132) 및 거대기포 용해조(133)를 포함하여 구성되며, 충돌식 기포발생노즐이 더 구비된다. 상기 순환펌프(131)에 의해 순환수가 상기 복합 기능관(120)에 공급되며 상기 복합 기능관(120) 내의 순환수에 가압공기가 공급됨으로써 기본적으로 미세기포가 발생된다. 상기 충돌식 기포발생노즐은 상기 미세기포 주입노즐(121) 내에 구비되거나 상기 미세기포 주입노즐(121)을 대체하여 구비되며, 상기 충돌식 기포발생노즐을 통해 기포의 크기를 조절할 수 있다. 본 발명에서는 1∼2mm 크기의 미세기포, 20∼50㎛ 크기의 미세기포, 80∼200㎛ 크기의 미세기포가 상기 미세기포 발생장치에 의해 생성되며, 1∼2mm의 미세기포는 원수탈기공정에 공급되고, 20∼50㎛의 미세기포는 부상분리공정에 공급되며, 80∼200㎛의 미세기포는 호기공정에 공급되는데 이에 대해서는 후술하여 상세히 설명하기로 한다.

또한, 상기 부상분리조(110)의 하부에 침강된 슬러지를 배출하기 위한 슬러지 배출구가 구비된다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 기포공경 제어형 연속회분식 부상분리방법을 구현하기 위한 부상분리장치에 대해 설명하였으며, 이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 기포공경 제어형 연속회분식 부상분리방법을 설명하기로 한다.

도 2 및 도 3a를 참조하면, 먼저 원수탈기 공정이 진행된다(S201). 상기 원수탈기 공정은 부상분리조(110) 내에 원수를 공급함과 함께 1∼2mm의 거대기포를 부상분리조(110) 내에 주입하여 원수 및 반응조 내에 잔류하는 미세기포와, 슬러지에 부착된 미세기포를 탈기하는 공정이다. 원수탈기 공정에서 미세기포를 탈기하는 방법으로 공지의 기술인 교반 공정을 차용할 수 있다. 상기 거대기포는 원수의 유입과 함께 주입하며 원수가 만수위(HWL, high water level)가 될 때까지 주입한다. 상기 1~2mm의 거대기포는 순환수와 공기의 유량 제어를 통해 생성되며, 상기 거대기포 용해조(133)를 바이패스하는 형태로 복합 기능관(120)을 통해 부상분리조(110)로 공급된다.

한편, 상기 부상분리조(110)에 유입되는 원수는 하폐수 또는 막여과공정이나 모래여과공정 등에서 배출되는 역세배출수를 의미한다. 특히, 상기 원수가 막여과 또는 모래여과 역세배출수인 경우에는 후술하는 무산소/혐기/호기 공정의 생물학적 처리 과정 및 원수탈기 공정에서 탈기공정은 생략되고 원수유입 이후 곧바로 부상분리 공정이 적용된다.

무산소/혐기/호기 공정의 생물학적 처리 과정이 요구되는 경우 원수탈기 공정은 5∼30분, 원수탈기 공정 이후 곧바로 부상분리 공정이 적용되는 경우 원수탈기 공정은 1∼2분 정도 진행할 수 있다.

상기 원수탈기 공정이 완료되면 무산소 공정 및 혐기 공정이 진행된다(S202)(도 3b 참조). 무산소 공정은 공기 주입이 차단된 상태에서 원수를 일정 시간 동안 예를 들어 10∼60분 동안 정치시켜 진행한다. 무산소 공정에 의해 원수 내의 아질산성 및 질산성 질소는 질소 가스로 환원된다. 무산소 공정의 완료 후, 30∼120분 동안 추가 정치하여 혐기 공정을 진행한다. 혐기 공정 역시 공기 주입이 차단된 상태에서 진행되며, 상기 혐기 공정을 통해 인(P)의 방출이 진행된다.

상기 무산소/혐기 공정의 완료 후, 호기 공정을 진행한다(S203)(도 3c 참조). 상기 호기 공정은 부상분리조(110) 내에 공기 또는 산소를 미세기포 형태로 주입하여 인의 과잉섭취 및 암모니아성 질소의 질산화 반응을 유도하는 공정이다. 본 발명에서는 상기 호기 공정 진행시 80∼200㎛ 크기의 미세기포를 주입함을 특징으로 한다. 상기 80∼200㎛ 크기의 미세기포는 상기 미세기포 발생장치에 의해 생성되는데, 구체적으로 순환수와 가압공기의 유량 및 압력 제어를 통해 80∼200㎛ 크기의 미세기포가 생성되며 거대기포 용해조(133)를 거치면서 거대기포는 제거된 채로 복합 기능관(120)을 거쳐 부상분리조(110) 내에 주입된다. 이 때, 복합 기능관(120)의 미세기포 주입노즐(121) 내에 구비된 충돌식 기포발생노즐을 통해 최종적으로 미세기포의 크기를 80∼200㎛로 제어할 수도 있다.

한편, 상기 호기 공정에 있어서, 미세기포의 크기가 80㎛ 이하이면 슬러지에 미세기포가 부착되어 미세기포 탈착을 위한 별도의 공정이 요구되며 미세기포의 크기가 200㎛ 이상이면 산소전달효율이 낮아져 동력비가 과다하게 소요된다. 80∼200㎛ 크기의 미세기포를 호기 공정에 주입함으로써, 산소전달효율을 최대화하여 호기성미생물의 효율적인 생장이 가능하며 동력비용을 최소화할 수 있게 된다.

호기 공정이 완료되면 부상분리 공정을 진행한다(S204)(S205)(도 3d, 도 3e 참조). 부상분리 공정은 세부적으로, 20∼50㎛ 크기의 미세기포를 부상분리조(110)에 주입하는 공정과, 미세기포의 주입 후 정치시켜 부유물질을 부상시키는 공정으로 구분된다. 이 때, 미세기포를 주입 후 정치시키는 것은 미세기포 사용량을 최소화하여 동력비용을 절감하고 슬러지의 부상시 미세기포 발생으로 인한 수류 및 와류현상을 배제함으로써 부상효과를 극대화시키는 효과가 있다.

상기 부상분리 공정은 이전의 호기 공정과는 달리 원수를 대상으로 한 고액분리 과정이 주로 이루어지며 이에 따라, 최적의 고액분리를 위한 미세기포가 주입되어야 하며, 이를 위해 20∼50㎛ 크기의 미세기포가 주입된다.

부상분리 공정에서 미세기포의 크기를 20∼50㎛로 설정한 이유는 기포와 부유물질의 부착효율을 극대화하고 체류시간을 단축하기 위함이다. 일반적인 슬러지의 크기는 약 20 정도로 알려져 있으며, 미세기포와 슬러지의 입자크기가 비슷할 경우에 부착효율이 가장 높은 것으로 알려져 있기 때문이다. 또한 미세기포의 크기가 20 이하이면 체류시간이 길어지고 물에 용존되어 사라지는 양이 많고, 미세기포 탈기를 위한 추가적인 장치가 요구되며, 미세기포의 크기가 50 이상이면 기포와 부유물질의 부착효율이 저하된다. 한편, 상기 20∼50㎛ 크기의 미세기포는 호기 공정과 마찬가지로 상기 미세기포 발생장치에 의해 생성되며, 미세기포의 크기는 순환수와 공기의 유량 및 충돌식 기포발생노즐을 추가, 조절하여 제어할 수 있다.

상기 부상분리 공정이 완료되면 처리수 배출 공정을 진행한다(S206)(도 3f 참조). 상기 부상분리 공정이 완료되면 부상분리조(110)의 상부에는 부상된 부유물질 등으로 이루어진 부상슬러지층이 존재하게 되는데, 처리수 배출량 즉, 처리수 배출 높이는 상기 부상 슬러지층의 높이를 고려해야 하며, 상기 부상 슬러지층의 높이를 고려해야만 처리수 배출량을 최적화할 수 있게 된다.

이를 위해서는, 부상 슬러지층의 높이 및 처리수 배출 높이를 산정해야 하는데, 본 발명에서는 아래의 수학식을 이용하여 부상 슬러지층의 높이 및 처리수 배출 높이를 산출한다.

부상 슬러지층의 높이는 아래의 식 1 및 식 2를 통해 산출할 수 있다. 즉, 원수의 총고형물(SS) 농도(Cr), 부상 슬러지층의 총고형물(SS) 농도(Cs) 및 원수의 부피(Vr)를 이용하여 부상 슬러지층의 부피(Vs)를 산출할 수 있으며, 산출된 부상 슬러지층의 부피(Vs)를 부상분리조(110)의 단면적(A)으로 나누면 부상 슬러지층의 높이(Hs)를 계산할 수 있다.

이어, 산출된 부상 슬러지층의 높이값(Hs)을 아래의 식 3에 대입하면 처리수 배출 높이(He)를 얻을 수 있다. 참고로, 식 3에서 여유 높이(Ha)는 처리수 배출시 슬러지가 복합 기능관(120)을 통해 배출되지 않는 한계 높이를 일컫는다.

<식 1>

Vs = Vr × Cr/Cs

(Vs는 부상 슬러지층의 높이, Vr은 원수의 부피, Cr은 원수의 총고형물 농도, Cs는 부상 슬러지층의 총고형물 농도)

<식 2>

Hs = Vs/A

(Hs는 부상 슬러지층의 높이, A는 부상분리조(110)의 단면적)

<식 3>

He = Hr - (Ha + Hs) - Hb

(He는 처리수 배출 높이, Hr은 원수 유입 높이, Ha는 여유 높이, Hb는 복합 기능관(120)의 높이)

상기 처리수 배출 공정이 완료되면, 부상분리조(110) 내에 잔류하는 부상 슬러지층 및 처리수를 배출하는 슬러지 배출 공정을 진행한다(S207)(도 3g 참조). 상기 슬러지 배출 공정을 통해 부상분리조(110) 내의 모든 물질을 배출하며, 배출되는 양은 전체 부상분리조(110) 부피 대비 10% 정도이다. 참고로, 전술한 부상분리 공정을 통해 배출되는 처리수 배출량은 전체 부상분리조(110) 부피 대비 90% 정도이다.

또한, 상기 슬러지 배출 공정 진행시, 부상분리조(110) 내의 슬러지는 일부 또는 전체가 배출될 수 있다. 생물학적 처리가 요구되는 경우에는 일부의 슬러지만 배출하며, 고액분리 과정만을 수행할 경우에는 슬러지 전체를 배출할 수 있다.

본 발명에 있어서, 원수탈기 공정 이후 무산소/혐기/호기 공정의 생물학적 처리 과정과 부상분리 공정에 의한 고액분리 과정이 모두 진행하는 것으로 기술하였으나, 고액분리를 목적으로 하는 경우에는 원수탈기 공정에서 탈기를 위한 거대기포 주입을 생략하고 이후 무산소/혐기/호기 공정의 생물학적 처리 과정을 생략함으로써 부상분리 공정에 의한 고액분리 과정만을 진행할 수도 있다. 부상분리 공정에 의한 고액분리 과정만을 진행하는 경우 20~50 크기의 미세기포가 부상분리조(110)에 공급되며, 처리수 배출 후 축적된 슬러지는 모두 배출된다.

110 : 부상분리조 120 : 복합 기능관
121 : 미세기포 주입노즐 131 : 순환펌프
132 : 가압공기 공급부 133 : 거대기포 용해조

Claims (5)

1. 부상분리조에 원수를 공급함과 함께 원수 내에 거대기포를 주입하여 원수 및 부상분리조에 잔류하는 슬러지에 부착된 미세기포를 탈기하는 원수탈기 단계;
   원수를 무산소 조건 하에서 정치시켜 원수 내의 아질산성 및 질산성 질소를 질소 가스로 환원시켜 탈질하는 무산소 단계;
   원수를 정치하여 인(P)을 방출하는 혐기 단계;
   부상분리조 내의 원수에 80∼200㎛ 크기의 미세기포를 주입하여 인의 과잉섭취 및 질산화 반응을 진행하는 호기 단계;
   부상분리조 내의 원수에 20∼50㎛ 크기의 미세기포를 주입하여 부상분리를 통해 원수를 고액분리하는 부상분리 단계;
   부상분리조 내의 처리수를 배출하는 처리수 배출 단계; 및
   부상분리조 내에 축적된 슬러지를 배출하는 슬러지 배출 단계를 포함하여 이루어지며,
   상기 부상분리 단계는,
   20∼50㎛ 크기의 미세기포를 부상분리조에 주입하는 과정과,
   원수를 정치시키는 과정과,
   미세기포가 원수 내의 부유물질 및 슬러지에 부착되어 부유물질이 부상되는 과정을 포함하여 구성되며,
   상기 원수탈기 단계에서 원수 내에 주입되는 거대기포의 크기는 1∼2mm인 것을 특징으로 하는 기포공경 제어형 연속회분식 부상분리방법.
   
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