KR101544090B1 - 하수처리 및 악취제거 통합형 처리장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하수처리 및 악취제거 통합형 처리장치에 관한 것으로서, 하수처리와 악취제거를 하나의 장치에서 동시에 수행할 수 있도록 하여 설치비용 및 유지관리 비용을 절감하고, 경량기포콘크리트 담체의 활성 미생물과 정수 수초를 이용하여 유기물질과 악취 유발물질을 동시에 제거하는 것을 목적으로 한다.
이를 위하여 본 발명은, 하수의 혐기상태를 유지하는 혐기조(101)와, 상기 혐기조(101)로부터 공급되는 하수에 포함된 유기물질 등을 제거하는 간헐포기조(107)와, 활성 미생물을 이용하여 하수를 처리하는 담체여과조(112)를 포함하여 이루어지는 하수처리 장치에 있어서, 상기 담체여과조(112)는, 간헐포기조(107)의 상부에 일체형으로 구성되고, 상기 담체여과조(112)와 간헐포기조(107) 사이에는 분리부재(120)가 구비되며, 상기 담체여과조(112)는, 상층부에 구비되는 모래층(112b)과, 상기 모래층(112b)에 식재되는 정수 수초(112a)와, 상기 모래층(112b)의 하부에 구비되는 경량기포콘크리트 담체(112c)와, 상기 경량기포콘크리트 담체(112c)의 하부에 구비되는 자갈층(112d)을 포함하여 이루어지고, 일체형으로 구성된 상기 간헐포기조(107)와 담체여과조(112)에서 하수처리와 악취제거를 동시에 수행할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

하수처리 및 악취제거 통합형 처리장치{Sewage Treatment Facility Integrating Reduction of Malodor}
본 발명은 하수처리 및 악취제거 통합형 처리장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 하수처리시설에서 하수처리와 악취제거를 하나의 장치에서 수행할 수 있도록 하여 설치비용 및 유지관리 비용을 절감하고, 경량기포콘크리트 담체의 활성 미생물과 정수 수초를 이용하여 유기물질과 악취 유발물질을 동시에 제거함으로써, 하수처리 및 악취제거의 효율을 향상시킬 수 있는 하수처리 및 악취제거 통합형 처리장치에 관한 것이다.
생활 수준의 향상으로 쾌적한 주변 환경에 대한 요구가 증가하면서, 하수처리시설에서의 수처리에 대한 관심이 높아지고 있다.
과거의 수처리 방식은 그 대상이 주로 유기물질에 국한되어 있었으나, 최근에는, 하천이나 호수 등에 부영양화를 초래하여 식수원 및 생태계를 오염시키는 질소, 인 등을 제거하려는 노력이 시도되고 있다.
상기 수처리 방식으로는, 물리·화학적 처리방법, 생물학적 처리방법, 자연정화방법 등이 있고, 자연 정화방법으로 정수 수초와 골재를 이용한 수처리 방식이 있다.
상기한 정수 수초와 골재를 이용하는 방식(이하 간단히 '정수 수초 방식'이라 한다)은, 자연의 자정 능력을 이용하여 오염물질을 정화하는 방식으로서 유럽에서 널리 이용되고 있다.
상기한 정수 수초 방식은, 하수처리시설에 포설된 골재와 골재 상부에 식재된 정수 수초의 뿌리표면에 서식하는 미생물에 의해 오염물질을 처리한다.
우리나라에서도 오염된 하천과 호수의 수질개선을 위해 정수 수초인 부레옥잠이나 미나리 등을 이용한 사례가 있고, 최근에 정수 수초 및 골재를 이용한 자연정화공법이 일부 하수처리장에 적용된 바 있다.
상기한 정수 수초 방식은, 골재가 포설된 반응조 상부에 정수 수초를 식재하고, 유입수가 수초 뿌리가 얽힌 골재를 통과하면서 골재 표면에 서식하는 각종 미생물(세균류, 원생동물 등)에 의해 오염물질이 산화·분해되도록 한다.
상기 정수 수초 방식에 이용되는 정수 수초로는, 갈대, 달뿌리풀, 부들, 노랑꽃창포, 큰고랭이, 세모고랭, 줄, 삿갓사초, 골풀 등이 있다.
상기 정수 수초 방식에서는 일반적인 수처리 방식에 비해 매우 다양한 미생물이 출현하게 되는데, 이러한 미생물로는 영양물질의 산화분해에 관여하는 유기영양세균, 질화-탈질세균, 섬유소 분해균, 황산화-환원균, 방선균, 사상균(곰팡이) 등이 있다.
상기한 정수 수초 방식은, 골재 상부에 식재된 수초에 의해 주변환경과 조화를 이룰 수 있고 조류, 파충류, 양서류, 곤충 등이 서식할 수 있는 생태조건을 제공하기도 한다.
또한, 최근에는 하수의 수처리 뿐만 아니라 악취에 대한 관심도 높아지고 있다.
악취방지법에 의하면, 악취는 "황화수소, 메르캅탄류, 아민류 기타 자극성 있는 기체 상의 물질이 사람의 후각을 자극하여 불쾌감과 혐오감을 주는 냄새" 로 정의되어 있다.
상기한 악취는, 지역적인 특성, 개인의 취향 및 특성에 따라 서로 다르게 나타나고, 동일물질에 대해서도 개인별 후각능력과 악취 감지빈도에 따라 큰 차이가 있다. 이에 따라 악취발생원의 관리와 악취 저감 대책의 수립에 어려움이 있다.
악취 유발물질의 종류는 매우 다양하며, 대표적인 물질로는 황화수소, 메틸머캅탄 등과 같은 황화합물, 암모니아, 아민계열의 질소화합물, 그외 알데하이드류, 지방산류, 탄화수소류 등이 있다.
악취를 발생시키는 악취발생원은, 크게 나누어 자연적 발생원과 인위적 발생원으로 구분할 수 있다.
자연적 발생원으로는, 물질 자체에서 유발하는 취기와 자연계에 존재하는 미생물의 분해작용으로 발생하는 암모니아, 황화수소, 메탄 등이 있다.
인위적 발생원으로는, 사업장에서의 생산활동으로 발생하는 악취와 분뇨 및 하수처리장 등의 시설에서 발생하는 악취가 있다.
상기 하수 처리시설에서의 악취는, 하수가 처리장으로 유입되어 협잡물과 침사물이 제거되는 공정인 침사지 및 최초 침전지와 하수 찌꺼기가 최종적으로 처리되는 농축·탈수공정에서 주로 발생한다.
하수처리시설에서 발생하는 취기는, 유입 하수의 성상과 처리공정에 따라 그 종류 및 정도가 상이하며, 현재까지 알려진 취기성분은 약 50 여종에 이르고 있다.
이처럼 악취는 발생원에 따라 그 성분이 다양하므로 악취유발물질에 적합한 처리를 하여야 한다.
이러한 악취를 처리하는 방법으로는, 물리·화학적 처리방법, 생물학적 처리방법, 고도산화방법 등이 있다.
상기한 물리·화학적 처리방법으로는, 냉각응축, 고온산화 또는 열소각, 촉매산화 또는 촉매소각, 흡착, 약액세정법, 오존산화법 등이 있다.
상기한 냉각응축 방식은, 냉각에 의해 비응축성 가스로부터 고농도의 악취물질인 휘발성 유기화합물(VOCs)을 분리하는 것으로, 일정한 압력에서 온도를 낮추거나 또는 일정한 온도에서 압력을 높여주는 방식이다.
상기한 냉각응축 방식은, 주로 다른 처리기술과 병합하여 사용되며, 고농도의 악취물질에 대한 유용성과 연속냉각 및 가압에 의한 오염물질의 회수가 가능한 장점을 가지고 있다.
다음으로 고온산화 또는 열소각 방식은, 배출가스 중 악취 물질을 함유한 공기를 고온에서 연소시켜 제거하는 방식으로서, 650~900℃의 연소온도를 유지하기 위해서는 천연가스나 기름 등의 보조연료가 필요하다.
상기한 열소각 방식은, 폐열 이용이 가능하고 대부분의 유기 악취물질 처리에 적용가능하다는 장점이 있으나, 시설비와 운영비가 높은 단점이 있다.
다음으로 촉매산화 또는 촉매소각 방식은, 고온산화와 유사한 방식으로 악취가스를 포집하여 촉매가 충전된 연소실에서 고온으로 연소시키는 방식이다.
상기 촉매산화 방식은, 낮은 농도의 악취제거에 주로 사용되며, 촉매의 수명 연장을 위해 주기적으로 불활성 물질이나 미세입자들을 제거해 주어야 한다. 이에 따라 시설비와 운영비가 고가인 단점이 있다.
다음으로 흡착 방식은, 기체상태의 악취물질이 흡착제와 분자 간의 인력에 의해 결합하여 분리·제거되도록 하는 방식으로서, 제거효율은 높으나 흡착제의 최종처리 및 교체로 인해 비경제적이라는 단점이 있다.
상기한 흡착제로는, 활성탄, 실리카겔, 알루미나, 제오라이트 등이 사용되고 있으며, 이 중에서 활성탄이 널리 사용되고 있다.
다음으로 약액 세정법은, 화학반응과 물리적 흡수를 이용하여 악취가스를 제거하는 방법이다.
상기한 화학반응은, 악취가스와 약액의 접촉을 통해 중화반응과 산화반응을 유도하여 제거하는 것으로, 염기성 악취가스인 암모니아나 아민류는 산성약품과 산성가스인 황화수소, 메르캅탄류는 염기성 약품과 중화반응시켜 염화합물 상태로 제거하고, 산화반응은 NaOCl, HClO, H2O2, KMnO4 등의 산화제를 사용하여 산화분해시켜 제거한다.
상기한 약액 세정법은 화학반응에 따른 2차 오염의 문제점이 있어 이에 대한 대책이 필요하다.
마지막으로 오존산화법은, 오존의 산화작용을 통해 악취물질을 산화 분해시키는 방법으로, 황화합물의 악취물질 제거에는 비교적 효과가 있으나, 암모니아나 저급 아민류에 대한 효과는 다소 떨어지는 단점이 있다.
또한 오존산화법은, 건조공기에 고전압을 걸어 오존을 발생시키는 오존발생장치와 오존공급량 제어장치 등의 부대설비가 필요하고, 처리 후 인체에 유해한 오존이 잔존하게 되는 단점이 있다.
또한 악취를 제거하는 생물학적 처리방법으로는, 활성슬러지 탈취법, 토양탈취법, 생물여과법 등이 사용되고 있다.
먼저 활성슬러지 탈취법은, 기액 접촉에 의해 오염물질을 제거하는 방식으로, 하수를 포기조로 송기하고 포기조 내의 미생물을 이용하여 오염물질을 제거한다.
상기한 활성슬러지 탈취법은, 비교적 설치비용이 적게 든다는 장점이 있으나, 후속처리가 필요하며 압력손실이 커서 처리용량에 제약이 따른다는 단점이 있다.
다음으로 토양탈취법은, 오염물질이 토양층을 통과할 때 공극에서의 흡수작용과 토양입자에의 흡착작용을 이용하는 방식으로서, 토양층에 서식하는 토양 미생물에 의한 분해작용 및 토양성분과의 화학반응으로 오염물질을 처리한다.
상기 토양탈취법은, 운전비가 저렴하고 유지관리가 용이하여 적용 폭이 크다는 장점이 있다.
그러나, 토양의 건조방지를 위해 살수 장치가 필요하고, 높은 통기저항에 대한 압력손실의 감소를 위해 넓은 부지면적이 필요하며, 토양 공극의 폐쇄현상, 강우시 단락류의 발생, 동절기 동결방지 등에 대한 대책이 필요하다는 단점이 있다.
마지막으로 생물여과법은, 악취 및 VOCs 성분이 담체층을 통과하면서 충진 담체에 부착된 미생물에 의해 분해되도록 하는 방법으로서, 대부분의 생활악취 및 VOCs 처리가 가능하고, 일반 하수처리장이나 폐수처리장 등에 적용이 가능하다는 장점이 있다.
한편, 본 출원인은 수처리를 하기 위한 장치로서 "바이오필터와 정수 수초를 이용한 하수 처리장치"를 출원하여 특허 제10-1340353호로 등록을 받은 바 있다.
상기한 본 출원인의 등록특허는, 도 1에 도시된 바와 같이, 침사지(10)에 저장되어 있는 하수(11)를 펌핑하여 하수 유입관(21)을 통해 바이오필터(30)의 상부로 공급하는 펌프(20)와, 상기 하수 유입관(21)을 통해 유입되는 하수를 정화시키는 바이오필터(30)와, 상기 바이오필터(30)에 의해 처리된 하수를 배출시키는 하수 배출관(61)을 포함하여 이루어지는 하수 처리장치에 있어서, 상기 바이오필터(30)는, 본체(31)의 하부에 구비되는 다공판(32)과, 상기 다공판(32)의 상부에 구비되는 굵은 자갈층(33)과, 상기 굵은 자갈층(33)의 상부에 구비되는 세라믹 담체층(34)과, 상기 세라믹 담체층(34)의 상부에 구비되는 잔 자갈층(35)과, 상기 잔 자갈층(35)의 상부에 구비되는 모래층(36)과, 상기 모래층(36)에 식재되는 정수 수초(40)를 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.
또한 본 출원인은 악취 제거장치로서, "바이오필터와 정수 수초를 이용한 하수처리시설의 악취 저감장치"를 출원하여 특허 제10-1343474호로 등록을 받은 바 있다.
상기한 본 출원인의 등록특허는, 도 2에 도시된 바와 같이, 침사지(10)에 저장되어 있는 하수(11)에서 발생하는 악취를 흡입하여 이를 바이오필터(30)로 유입시키는 송풍팬(20)과, 악취 유입관(21)을 통해 유입되는 악취를 바이오필터(30)에 의해 저감시키는 하수처리시설의 악취 저감장치에 있어서, 상기 바이오필터(30)는, 본체(31)의 하부에 구비되어 상기 악취 유입관(21)을 통해 유입되는 악취를 본체의 상부로 토출시키는 다공판(32)과, 상기 다공판(32)과 일정 거리 이격되어 구비되는 굵은 자갈층(33)과, 상기 굵은 자갈층(33)의 상부에 구비되는 세라믹 담체층(34)과, 상기 세라믹 담체층(34)의 상부에 구비되는 잔 자갈층(35)과, 상기 잔 자갈층(35)의 상부에 구비되는 모래층(36)과, 상기 모래층(36)에 식재되는 정수 수초(40)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하고 있다.
그런데 상기한 종래의 기술들은, 하수 처리시설과 악취 제거시설을 각각 별도로 설치하여야 하는 문제가 있다/
즉, 종래의 방식에 의하면, 하수 처리시설과 악취 제거시설이 별도로 설치되므로, 설치비용이 많이 소요되고 유지관리 비용도 증가하게 된다.
현재 국내에서 운영중인 중·대규모 하수처리장에서는, 수처리 시설 외에 하수에서 발생하는 악취를 포집하여 제거하는 별도의 악취처리 장치를 설치하고 있다.
이는 현행법상 하수처리시설이 악취발생원으로 지정되어 있어, 하수처리장에서는 수처리 외에 악취도 저감시켜야 하기 때문이다.
이처럼 하수처리시설에서 악취 제거장치를 별도로 설치하게 되면, 설치비용이 증가하게 되고, 하수 처리시설과 악취 제거장치를 개별적으로 운영해야 하므로 유지관리 비용이 증가하게 되는 문제점이 있다.
또한, 지자체가 운영하고 있는 소규모 하수처리장은, 재정상의 문제로 수처리 시설만을 갖추고 있어 악취의 발생을 피할 수 없다는 문제점이 있다.
(특허문헌 1) : 한국 등록특허 제10-1340353호(2013. 12. 11. 공고)
(특허문헌 2) : 한국 등록특허 제10-1343474호(2013. 12. 19. 공고)
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 하나의 처리장치에서 수처리 기능과 악취제거 기능을 동시에 구현하여, 건설비용 및 유지 관리 비용을 절감할 수 있는 통합형 처리장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 하나의 처리장치로 수처리와 악취제거를 병행하도록 함으로써, 하수처리장 건설시 별도의 악취방지 시설을 설치할 필요가 없도록 하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 경량기포콘크리트의 담체여과층 내에 서식하는 다종의 악취제거 미생물과 정화 수초를 활용하여 하수의 오염물질과 악취성분을 효율적으로 제거하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 구조가 간단하고 넓은 부지 면적을 필요로 하지 않아 소규모 하수처리장에도 용이하게 적용할 수 있도록 하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 수처리시 화학 약품을 사용하지 않도록 하여 2차 오염물질의 배출을 방지하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 하수처리장에 용이하게 설치할 수 있고, 주변환경과 조화를 이룰 수 있는 친환경적인 통합형 처리장치를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 하수의 혐기상태를 유지하는 혐기조와, 상기 혐기조로부터 공급되는 하수에 포함된 유기물질 등을 제거하는 간헐포기조와, 활성 미생물을 이용하여 하수를 처리하는 담체여과조를 포함하여 이루어지는 하수처리 장치에 있어서, 상기 담체여과조는, 간헐포기조의 상부에 일체형으로 구성되고, 상기 담체여과조와 간헐포기조 사이에는 분리부재가 구비되며, 상기 담체여과조는, 상층부에 구비되는 모래층과, 상기 모래층에 식재되는 정수 수초와, 상기 모래층의 하부에 구비되는 경량기포콘크리트 담체와, 상기 경량기포콘크리트 담체의 하부에 구비되는 자갈층을 포함하여 이루어지고, 일체형으로 구성된 상기 간헐포기조와 담체여과조에서 하수처리와 악취제거를 동시에 수행할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 혐기조 하부에는 하수를 교반하기 위한 교반기가 구비되고, 혐기조의 상부에는 악취를 포집하기 위한 후드(Hood)가 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 혐기조 내부의 하수를 간헐포기조 내부로 공급하기 위한 하수 이송펌프, 에어 이젝터(Air Ejector) 및 라인 믹서(Line Mixer)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 혐기조에서 발생하는 악취는, 후드에 의해 포집된 후 에어 이젝터를 거쳐 라인 믹서로 공급되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 라인 믹서(Line Mixer)는, 나선형 구조로 형성되어 하수와 악취를 혼합한 후 간헐포기조의 유입수 분배관으로 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 간헐포기조 내부에 구비된 유입수 분배관은, 수평으로 구비되고 그 하부에 다수의 분배공이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 간헐포기조에 공기를 공급하기 위한 송풍기와, 상기 송풍기로부터 공급되는 공기를 골고루 확산시키기 위한 에어 디퓨저(Air Diffuser)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한 송풍기는, 설정 주기에 따라 가동과 정지를 반복하여 간헐포기조를 포기 상태 또는 비포기 상태로 유지함으로써, 포기와 침전의 과정을 반복시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 간헐포기조의 하부에, 침전된 슬러지의 일부를 혐기조로 이송시키기 위한 슬러지 이송펌프가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 간헐포기조에서의 침전과정에서 고액분리가 이루어진 상등액을 담체여과조의 상부로 이송시키기 위한 상등액 이송펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 담체여과조의 상부에, 상기 상등액 이송펌프에 의해 이송된 상등액을 분배하는 상등액 분배관을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 간헐포기조 상부의 공기층에서 악취를 흡입하여 담체여과조의 하부로 송풍하기 위한 탈취팬을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 담체여과조의 하부에, 상기 탈취팬으로부터 공급되는 악취상부로 공급하기 위한 다공관형 덕트가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 하나의 처리장치에서 수처리 기능과 악취제거 기능을 동시에 구현할 수 있으므로 건설비용 및 유지 관리비용을 대폭 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 하나의 처리장치로 수처리와 악취제거를 병행함으로써, 하수처리장 건설시 별도의 악취방지 시설을 설치할 필요가 없도록 하는 효과가 있다.
또한, 경량기포콘크리트의 담체여과층 내에 서식하는 다종의 악취제거 미생물과 정화 수초에 의해 하수의 오염물질과 악취성분을 효율적으로 제거할 수 있는 효과가 있다.
또한, 구조가 간단하고 넓은 부지 면적을 필요로 하지 않으므로 소규모 하수처리장에도 용이하게 적용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 수처리시 화학 약품을 사용하지 않으므로 2차 오염물질의 배출을 원천적으로 차단할 수 있는 효과가 있다.
또한, 하수처리장에 용이하게 설치할 수 있고, 주변환경과 조화를 이룰 수 있는 친환경적인 통합형 처리장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 수처리 장치의 일례를 나타낸 도면.
도 2는 종래의 악취처리 장치의 일례를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 하수처리 및 악취제거 통합형 처리장치의 개념도.
도 4는 본 발명에 따른 하수처리 및 악취제거 통합형 처리장치의 측단면도.
도 5는 본 발명의 경량기포콘크리트에 의한 인 제거효율을 나타낸 그래프.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 도 3 및 도 4를 참고로 하여 상세히 설명한다.
본 발명은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 하수의 혐기상태를 유지하는 혐기조(101)와, 상기 혐기조(101)로부터 공급되는 하수에 포함된 유기물질 등을 제거하는 간헐포기조(107)와, 활성 미생물을 이용하여 하수를 처리하는 담체여과조(112)를 포함하여 이루어진다.
여기서 상기 담체여과조(112)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 간헐포기조(107)의 상부에 일체형으로 구성되고, 상기 담체여과조(112)와 간헐포기조(107) 사이에는 분리부재(120)가 구비된다.
본 발명에 의하면, 간헐포기조(107)와 담체여과조(112)가 일체형으로 형성되므로, 구조가 간단해지고 하수처리시설에서 별도의 악취처리장치를 설치할 필요가 없다.
또한, 상기 담체여과조(112)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 상층부에 구비되는 모래층(112b)과, 상기 모래층(112b)에 식재되는 정수 수초(112a)와, 상기 모래층(112b)의 하부에 구비되는 경량기포콘크리트 담체(112c)와, 상기 경량기포콘크리트 담체(112c)의 하부에 구비되는 자갈층(112d)을 포함하여 이루어진다.
상기 정수 수초로는 갈대가 사용되는 것이 바람직하나 이에 한정하는 것은 아니다.
상기한 구조에 의해, 하나의 장치로서 하수처리와 악취제거를 동시에 수행할 수가 있다.
즉, 혐기조(101)로 유입된 하수는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 수처리 라인 "W1"을 통해 간헐포기조(107)로 공급되어 1차 처리되고, 수처리 라인 "W2"를 통해 담체여과조(112)에서 2차로 처리된 후, 처리수 배출구(140)으로 유출된다.
또한 혐기조(101)에서 발생한 악취는, 악취 처리라인 "G1"을 거쳐 간헐포기조(107)로 공급되어 1차 처리되고, 악취 처리라인 "G2"를 통해 담체여과조(112)에서 처리된 후, 대기로 배출된다.
또한 간헐포기조(107)에서 기액분리에 의해 생성되는 슬러지는, 슬러지 처리라인 "S"를 통해 일부는 외부로 배출되고, 일부는 다시 혐기조(101)로 공급된다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 각 구성요소에 대하여 설명한다.
혐기조(101)는, 유입된 하수를 교반기(101a)로 교반하여 혐기(Anaerobic)상태로 유지시키며, 하수에 함유된 인의 방출을 유도한다.
또한, 혐기조(101)의 상부에는 하수에 함유된 생활악취를 포집하기 위한 후드(Hood)(103)가 구비되어 있다.
유입수 이송펌프(102)는, 혐기조(101)에서 교반작용에 의해 균질화된 하수를 에어 이젝터(Air Ejector)(104)로 공급한다.
상기 에어 이젝터(104)는 그 흡인력으로 후드(103)를 통해 혐기조(101)의 악취를 흡입한 후 라인 믹서(105)로 공급한다.
즉, 유입수 이송펌브(102)에 의해 공급되는 하수와, 후드(103)를 통해 공급되는 악취는 상기 에어 이젝터(104)에서 합류하게 된다.
라인믹서(105)는, 나선 구조로 형성되어 있으며, 에어 이젝터(104)를 통과한 하수와 악취를 골고루 혼합하여(이하 악취가 혼합된 하수를 '혼합수'라 칭하기로 한다), 간헐포기조(107) 하부에 구비된 유입수 분배관(106)으로 이송시킨다.
간헐포기조(107)는, 다종의 미생물를 보유하여 미생물의 산화분해 작용에 의해 혼합수 내에 함유된 유기물질과 악취 유발물질을 1차적으로 제거한다.
상기 간헐포기조(107)의 하부에는 유입수 분배관(106)이 설치된다.
상기 유입수 분배관(106)은, 슬러지층의 경계면에 수평으로 설치되며, 그 하부에는 다수의 분배공(106a)이 형성되어 라인 믹서(105)로부터 공급되는 혼합수를 균등하게 분배한다.
상기 유입수 분배관(106)에서 분배공(106a)을 하부에 형성하는 것은 혼합수의 공급시 슬러지층의 교란을 최소화하기 위한 것이다.
간헐포기조(107)의 하부에 구비된 유입수 분배관(106)의 상부에는 에어 디퓨저(Air Diffuser)(109)가 구비된다.
상기 에어 디퓨저(109)는, 송풍기(108)에 의해 공급되는 공기를 균등하게 분산시켜 혼합수 중의 산소가 쉽게 용해되도록 한다.
상기 송풍기(108)는, 간헐포기조(107)의 외부에 구비되어 있으며 설정 주기에 따라 가동과 정지를 반복하는 간헐포기 방식으로 구동된다.
이에 따라 간헐포기조(107) 내의 혼합수는 일정 주기로 포기와 침전의 과정을 반복하게 된다.
또한, 상기 간헐포기조(107)의 상부에는 담체여과조(112)가 일체로 형성되어 있으며, 상기 간헐포기조(107)와 담체여과조(112) 사이에는 분리부재(120)가 구비되어 있다.
상기 간헐포기조(107) 내에서는 침전작용에 의해 혼합수의 고액분리가 이루어지는데, 간헐포기조(107) 내에서 분리된 상등액은 상등액 이송펌프(110)에 의해 담체여과조(112)의 상등액 분배관(111)으로 공급된다.
상기 상등액 분배관(111)은, 담체여과조(112)의 상부에 구비되어 상등액을 담체여과조(112)에 고르게 분배한다.
한편, 간헐포기조(107)에서 고액 분리된 잔류 악취는, 탈취팬(113)에 의해 담체여과조(112)의 하부에 구비된 덕트(Duct)(114)로 공급된다.
상기 덕트(114)는, 다공관 구조로 형성되어 있으며, 탈취팬(113)에 의해 공급되는 악취성분을 담체여과조(112)의 상부로 토출한다.
또한, 간헐포기조(107)의 하부는 슬러지(Sludge)의 침강이 효율적으로 이루어지도록 경사지게 형성되어 있으며, 처리라인(S)에 의해 다시 혐기조(101)와 연결된다.
상기 슬러지 처리라인(S) 상에는 슬러지 이송펌프(115)가 구비되어 일부 폐슬러지는 외부로 배출하고, 일부는 혐기조(101)로 반송하여 혐기조(101)와 간헐포기조(107)에서 적정한 미생물 농도를 유지시킨다.
이하 간헐포기조(107)의 역할 및 기능에 대하여 설명한다.
생물반응조인 간헐포기조(107)는, 송풍기(108)의 가동주기에 따라 포기와 비포기를 반복적으로 행하면서, 포기시에는 호기(Oxic)상태를, 비포기시에는 무산소(Anoxic)상태를 형성한다.
비포기 상태시 간헐포기조(107)에서 고액분리된 상등액은, 상등액 이송펌프(110)에 의해 상부의 담체여과조(112)로 이송된다.
또한, 미처리된 악취성분은, 포기 상태시 간헐포기조(107)의 상부로 휘산되어 탈취팬(113)을 통해 상부에 구비된 담체여과조(112)로 공급된다.
상기 담체여과조(112)의 하부에는 다공관 구조의 덕트(114)가 구비되어, 악취성분을 상부를 향해 균일하게 확산시킨다.
간헐포기조(107)에서 송풍기(108)가 가동되는 호기상태가 되면, 혼합수 내의 유기물질은 호기성 미생물에 의해 분해되고, 영양염류인 질소성분은 암모니아성 질소(NH4)에서 질산성 질소(NO3 -)로 산화되는 질산화(Nitrification) 반응이 이루어 지게 된다.
또한 송풍기(108)가 정지된 상태에서는, 간헐포기조(107)내의 용존산소가 소모되어 무산소상태가 되며, 임의성 미생물인 탈질미생물에 의해 질산성 질소(NO3 -)는 탈질화(Denitrification) 되어 N2가스로 전환된다.
간헐포기조(107) 내에서 위와 같은 반응이 이루어짐으로써, 혼합수 내의 유기물질과 영양염류인 질소가 1차적으로 제거된다.
또한 간헐포기조(107)로 유입된 혼합수의 악취성분은 주로 암모니아(NH4)와 황화수소(H2S)인데, 이 악취성분도 간헐포기조(107) 내의 활성미생물에 의해 제거된다.
현재 하수처리장에 적용되고 있는 생물학적 탈취방식도 이러한 원리를 이용하고 있는데, 톨루엔, 크실렌 등 무기성 악취성분을 제외한 암모니아(NH4)와 황화수소(H2S)과 같은 유기성 악취성분은, 간헐포기조(107) 내의 활성미생물에 의해 대부분 제거될 수 있다.
간헐포기조(107)의 상부에 구비되는 담체여과조(112)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 정수 수초(112a)와, 모래층(112b)과, 경량기포콘크리트 담체(112c)와, 자갈층(112d)을 포함하여 구성된다.
담체여과조(112)의 상부 표층에 식재되는 정수 수초는, 수중의 오염물질을 영양원으로 섭취하여 성장하며, 뿌리에서 미생물과의 상호작용에 의해 오염물질을 제거한다.
상기 정수 수초로는, 오염된 환경에서의 적응력이 뛰어나고 수질 정화기능이 우수한 갈대를 사용하는 것이 바람직하나, 이에 한정하는 것은 아니다.
상기 모래층(112b)은, 정수 수초(112a)의 뿌리를 지지하는 역할을 하고, 상등액내에 포함된 부유성 고형물을 걸러주며, 뿌리와 주변의 미생물이 공생하는 공간을 제공한다.
또한 모래층(112b)은, 입자간의 공극에 의해 상등수의 투과율를 좋게 하며 공극보다 큰 불용성 오염물질를 여과하는 기능도 있다.
상기 모래층(112b)의 하부에는 경량기포콘크리트 담체(112c)가 구비되고(이에 대해서는 후술하기로 한다), 경량기포콘크리트 담체(112c)의 하부에는 자갈층(112d)이 구비된다.
상기 자갈층(112d)은, 공극율을 높여 상등액의 투수율을 높이고, 덕트(114)로 부터 공급되는 악취성분을 상부로 분산시키는 기능을 한다.
이하 담체여과조(112)의 경량기포콘크리트 담체(112c)에 대하여 설명한다.
경량기포콘크리트 담체(112c)는, 경량기포콘크리트(Autoclaved Lightweight Concrete)를 입방형 형태로 가공하여 충진한 형태로 구성된다.
상기 경량기포콘크리트는, 석회질과 규산질로 구성된 시멘트 원료에 기포제, 혼화제 및 물을 혼합하여 슬러리(Slury) 상태로 만든 후, 기포제의 물리적 계면활성작용으로 얻어진 기포를 혼합시켜 고온 고압(180℃, 10㎏f/㎠)의 Autoclave에서 증기양생과정을 거쳐 제조된다.
상기 경량기포콘크리트는 기포와 세공이 차지하는 비율이 높아 다공질이며, 모세관조직이 있어 경량성과 친수성이 좋다는 장점이 있다.
또한, 비표면적이 커서 미생물의 성장이 가능한 공간을 제공하고, 짧은 시간에 하수에 존재하는 용존성 오염물질과의 접촉빈도를 높일 수 있다.
또한, 경량기포콘크리트는 그 구성성분이 CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 등으로 이루어져 있어 ,하수중의 용존성 인(PO4 3 -)과의 화학적 결합 및 흡착에 의한 영양염류 제거 기능도 있다.
즉, 경량기포콘크리트에 함유된 다종의 금속염이 유리되어, 인(PO4 3 -)과의 화학반응을 통해 일부는 응집 침전되고 일부는 흡착되어 영양염류를 제거한다.
경량기포콘크리트의 주 원료인 시멘트의 물리적 성질 및 화학성분은 아래의 [표 1]과 같다.
경량기포콘크리트의 물리적 성질 및 화학성분
밀도
(g/㎤)		 분말도
(㎠/g)
 화학성분(%)
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 K2O LOI
3.15 3.265 21.8 5.02 3.66 64.18 2.01 1.83 0.92 0.35
상기한 경량기포콘크리트는, 비표면적이 넓으므로 매질과 충분한 접촉시간을 확보하여 짧은 시간에 효과를 낼 수 있다.
이는 경량기포콘크리트의 제조과정에서 기포제를 혼합하여 공극율를 확보하였기 때문이다.
또한 경량기포콘크리트는, 경량이므로 가공성이 좋고, 물과의 친수성 및 흡수성이 우수하여 수처리용 담체의 제조에 적합하다.
또한 경량기포콘크리트는, 시멘트가 주 원료로서 알루미늄 및 철과 같은 금속류를 함유하고 있고, 칼슘 및 마그네슘 형태의 양이온도 함유하고 있어, 수중의 음이온과 반응할 수 있는 화학적 반응성을 지니고 있다.
본 발명자는 상기한 경량기포콘크리트 담체를 이용하여 하수의 인 제거효율을 시험해 보았다.
우선 하수를 수질오염공정시험법으로 총 인(T-P 4.5㎎/ℓ)성분을 분석한 후 각각 20ℓ씩 일정한 용기에 넣고, 각 용기별로 경량기포콘크리트 형태를 입자형(Particle, 직경 약 1mm 이하), 구형(Sphere, 직경 약 3.5㎝), 입방형(Cubic, 부피 42.9㎤)으로 제조하여 동일한 용적비율로 충전하였다.
이어서 하수와 담체와의 접촉빈도를 높이기 위하여 교반기로 일정한 속도로 완속 교반하면서, 경과시간에 따른 인의 제거효율를 분석하였다. 도 5는 그 결과를 나타낸 것이다.
실험 결과 경량기포콘크리트를 인 제거용 담체로 사용할 경우, 그 형태와 무관하게 시간이 경과함에 따라 서서히 증가하다가, 36hr 경과후 모두 90%이상의 인 제거효율를 보였다.
또한 담체의 형태별로 살펴보면, 입자형(Particle)의 경우, 초기의 인 제거효율은 구형이나 입방형에 비해 빠르지만 침전물의 형태로 존재하여 담체로 활용하기에는 부적합한 것으로 나타났고, 구형이나 입방형이 구조적으로 보다 안정적인 것으로 나타났다.
특히 입방체 형태의 경량기포콘크리트가 구형에 비해 구조적으로 보다 안정성이 있고 가공하기가 수월하여, 수처리용 담체로 활용하기에 적합한 것으로 나타났다.
이하 본 발명에 따른 수처리 과정, 악취 처리 과정 및 슬러지 처리 과정을 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다.
먼저 수처리 처리과정은, 도 3 및 도 4에 검은색 화살표(수처리 라인)로 도시된 바와 같다.
즉 혐기조(101)에서 교반기(101a)에 의해 교반된 하수는, 유입수 이송펌프(102), 에어 이젝터(104) 및 라인 믹서(105)에 의해 수처리 라인 "W1"을 통해 간헐포기조(107)로 공급된다.
이때 하수는 에어 이젝터(104)에서 악취와 혼합된 후 간헐포기조(107)로 공급된다.
상기 간헐포기조(107)에서 1차 처리되어 고액 분리된 상등액은, 상등액 이송펌프(110)에 의해 수처리 라인 "W2"를 통해 담체여과조(112)의 상부로 공급된다.
담체여과조(112)의 상부로 공급된 상등액은, 위로부터 정수 수초(112a)⇒모래층(112b)⇒경량기포콘크리트 담체(112c)⇒자갈층(112d)을 통과하면서 처리된 후, 담체여과조(112)의 하부에 구비된 처리수 배출구(140)를 통해 외부로 배출된다.
다음으로 악취 제거과정은, 도 3 및 도 4에 흰색 화살표(악취처리 라인)로 도시된 바와 같다.
혐기조(101)의 후드(103)를 통해 포집된 악취는, 악취처리 라인 "G1"을 통해 수처리 라인 상에 구비된 에어 이젝터(104)로 공급된다.
상기 에어 이젝터(104)에서는 하수와 악취가 서로 혼합되어 혼합수가 되며, 이 혼합수는 라인 믹서(105)를 통해 간헐포기조(107)에 공급된다.
상기 간헐포기조(107)에서 1차 처리되고 남은 미처리 악취는, 탈취팬(114)에 의해 악취 처리 라인 "G2"를 거쳐 담체여과조(112)의 하부로 공급된다.
담체여과조(112)의 하부로 공급된 악취는, 아래로부터 자갈층(112d)⇒경량기포콘크리트 담체(112c)⇒모래층(112b)⇒정수 수초(112a)를 통과하면서 처리된 후, 대기로 배출된다.
마지막으로 슬러치 처리과정은, 도 3 및 도 4에 사선 화살표(슬러지 처리 라인)로 도시된 바와 같다.
간헐포기조(107)의 하부에 침전된 슬러지의 일부는 폐슬러지로 외부로 배출되고, 일부는 슬러지 이송펌프(115)에 의해 슬러지 처리 라인(S)를 거쳐 다시 혐기조(101)로 반송된다.
이에 따라 간헐포기조(107)와 혐기조(101)에서 적정할 미생물 농도를 유지할 수 있다.
본 발명에 의하면, 하나의 처리장치에서 수처리 기능과 악취제거 기능을 동시에 구현할 수 있으므로 하수처리장에 별도의 악취제거 설비를 건설할 필요가 없다. 이로써 시설비용 및 유지관리 비용을 대폭 절감할 수가 있다.
또한, 담체여과조에 구비된 경량기포콘크리트 담체와 정수 수초에 의해 하수의 오염물질과 악취성분을 효율적으로 제거할 수가 있다.
즉, 모래층, 경량기포콘크리트 담체 및 자갈층에 서식하는 미생물에 의해 용존성 잔여 오염물질과 잔류 부유물질을 제거하는 생물학적 처리방식과, 입자 간의 미세 공극을 투과하면서 이루어지는 흡착 및 여과에 의한 물리화학적 처리방식을 모두 이용할 수 있다.
또한, 구조가 간단하여 하수처리장에 용이하게 설치할 수 있고, 슬러지 처리라인에 의해 슬러지를 용이하게 처리할 수 있으며, 정수 수초의 식재에 의해 주변환경과 조화를 이루도록 할 수 있다.
또한, 화학약품을 전혀 사용하지 않으므로 2차 오염의 염려가 없으므로 친환경적인 처리장치를 건설할 수가 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것으로서 본 발명의 범위는 상기한 특정 실시예에 한정되지 아니한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어남이 없이 다양한 변경 및 수정이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
101: 혐기조 101a: 교반기
102: 유입수 이송펌프 103: 후드(Hood)
104: 에어 이젝터(Air Ejector) 105: 라인 믹서(Line Mixer)
106: 유입수 분배관 106a: 분배공
107: 간헐포기조 108: 송풍기
109: 에어 디퓨저(Air Diffuser) 110: 상등액 이송펌프
111: 상등액 분배관 112: 담체여과조
112a: 정수 수초 112b: 모래층
112c: 경량기포콘크리트 담체 112d: 자갈층
113: 탈취팬 114: 덕트(Duct)
115: 슬러지(Sludge) 이송펌프 120: 분리부재
130: 하수 유입구 140: 처리수 배출구
G1, G2: 악취 처리 라인 S: 슬러지 처리 라인
W1, W2: 수처리 라인

Claims (13)

  1. 하수의 혐기상태를 유지하는 혐기조(101)와, 상기 혐기조(101)로부터 공급되는 하수에 포함된 유기물질 등을 제거하는 간헐포기조(107)와, 활성 미생물을 이용하여 하수를 처리하는 담체여과조(112)를 포함하여 이루어지는 하수처리 장치에 있어서,
    상기 담체여과조(112)는, 간헐포기조(107)의 상부에 일체형으로 구성되고,
    상기 담체여과조(112)와 간헐포기조(107) 사이에는 분리부재(120)가 구비되며,
    상기 담체여과조(112)는,
    상층부에 구비되는 모래층(112b)과,
    상기 모래층(112b)에 식재되는 정수 수초(112a)와,
    상기 모래층(112b)의 하부에 구비되는 경량기포콘크리트 담체(112c)와,
    상기 경량기포콘크리트 담체(112c)의 하부에 구비되는 자갈층(112d)을 포함하여 이루어지고,
    일체형으로 구성된 상기 간헐포기조(107)와 담체여과조(112)에서 하수처리와 악취제거를 동시에 수행하며,
    상기 혐기조(101) 하부에는 하수를 교반하기 위한 교반기(101a)가 구비되고, 혐기조(101)의 상부에는 악취를 포집하기 위한 후드(Hood)(103)가 구비되며,
    상기 혐기조(101) 내부의 하수를 간헐포기조(107) 내부로 공급하기 위한 하수 이송펌프(102), 에어 이젝터(Air Ejector)(104) 및 라인 믹서(Line Mixer)(105)를 더 구비하고,
    상기 혐기조(101)에서 발생하는 악취는, 후드(103)에 의해 포집된 후 에어 이젝터(104)를 거쳐 라인 믹서(105)로 공급되며,
    상기 라인 믹서(Line Mixer)(105)는, 나선형 구조로 형성되어 하수와 악취를 혼합한 후 간헐포기조(107)의 유입수 분배관(106)으로 공급하고,
    상기 간헐포기조(107) 내부에 구비된 유입수 분배관(106)은, 수평으로 구비되고 그 하부에 다수의 분배공(106a)이 형성되어 있으며,
    간헐포기조(107)에 공기를 공급하기 위한 송풍기(108)와, 상기 송풍기(108)로부터 공급되는 공기를 골고루 확산시키기 위한 에어 디퓨저(Air Diffuser)(109)가 더 구비되고,
    상기 송풍기(108)는, 설정 주기에 따라 가동과 정지를 반복하여 간헐포기조(107)를 포기 상태 또는 비포기 상태로 유지함으로써, 포기와 침전의 과정을 반복하며,
    상기 간헐포기조(107)의 하부에, 침전된 슬러지의 일부를 혐기조(101)로 이송시키기 위한 슬러지 이송펌프(115)가 더 구비되고,
    간헐포기조(107)에서의 침전과정에서 고액분리가 이루어진 상등액을 담체여과조(112)의 상부로 이송시키기 위한 상등액 이송펌프(110)를 더 포함하고,
    상기 담체여과조(112)의 상부에, 상기 상등액 이송펌프(110)에 의해 이송된 상등액을 분배하는 상등액 분배관(111)을 더 포함하며,
    상기 간헐포기조(107) 상부의 공기층에서 악취를 흡입하여 담체여과조(112)의 하부로 송풍하기 위한 탈취팬(113)을 더 포함하고,
    상기 담체여과조(112)의 하부에, 상기 탈취팬(113)으로부터 공급되는 악취를상부로 공급하기 위한 다공관 구조의 덕트(114)가 더 구비되며,
    간헐포기조(107)의 상부에 담체여과조(112)가 일체형으로 형성되고,
    혐기조(101)의 하수는, 상기 간헐포기조(107)의 하부로 공급된 후 담체여과조(112)의 상부로 공급되어 여과된 후, 담체여과조(112)의 하부로 배출되고,
    혐기조(101)에서 발생한 악취는, 하수와 혼합되어 간헐포기조(107)의 하부로 공급되고, 다시 담체여과조(112)의 하부로 공급되어 탈취된 후, 담체여과조(112)의 상부를 통해 대기중으로 배출되며,
    간헐포기조(107)의 하부에 침전된 일부 슬러지는 다시 혐기조(101)의 상부로 공급되는 것을 특징으로 하는 하수처리 및 악취제거 통합형 처리장치.


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