KR101564297B1 - 교대 운전 혐기조와 이단 응집 기반 엠비알 기술을 이용한 하폐수 고도처리시스템 - Google Patents

교대 운전 혐기조와 이단 응집 기반 엠비알 기술을 이용한 하폐수 고도처리시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유입흐름 제어를 통해 교대반응조를 연속 및 회분형태로 교대운전하여 생물학적 인 제거 및 총질소 제거를 극대화하기 위한 교대운전 혐기조와 이단응집 기반 고도처리 엠비알 및 축전식탈염 하수 재이용 기술을 이용한 하폐수 고도처리 시스템에 관한 것으로, 유입되는 하폐수를 저류시키는 기능과 함께 주입된 제1응집제와 저류된 하폐수를 혼화 교반시켜 플록을 형성하는 급속혼화형 유입분배조(100); 상기 급속혼화형 유입분배조(100) 후단에 위치하는 산소공급이 되지 않는 무산소(anoxic)조건 또는 절대혐기(anaerobic) 조건 상태를 유지하는 교대반응 1조(200) 및 교대반응 2조(210); 상기 교대반응 1조(200) 및 교대반응 2조(210) 후단에 위치하며 제2응집제가 공급되는 호기조(300); 상기 호기조(300) 후단에 위치하는 무산소조(400); 및 상기 무산소조(400)로부터 유출된 혼합액이 공급되는 분리막조(500)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

교대 운전 혐기조와 이단 응집 기반 엠비알 기술을 이용한 하폐수 고도처리시스템{The advanced wastewater treatment system using membrane bioreactor combined with alternative operating anaerobic reactor and two stage coagulation}
본 발명은 유입흐름 제어를 통해 교대반응조를 연속 및 회분형태로 교대 운전하여 생물학적 인 제거 및 총질소 제거를 극대화하는 막분리 활성슬러지법에 전침 및 공침의 이단응집공법을 도입한 기술로서, 더욱 구체적으로는 교대운전 반응조와 이단응집 기반 고도처리 엠비알 및 축전식탈염 하수 재이용 기술을 이용한 하폐수 고도처리 시스템에 관한 것이다.
생물학적 질소 및 인 처리 공정은 반응조의 구성과 운영방식에 따라 여러 가지 방식으로 구분 할 수 있는데, A/O(Anaerobic/Oxic), A2/O(anaerobic/anoxic/oxic), UCT(University of Capetown), Bardenpho공정 등 혐기, 무산소, 호기조가 직렬로 연결되는 main stream공정과 Phostrip, PL-Ⅱ등과 같이 혐기성 탈인조가 병렬로 연결되는 side stream공정으로 분류된다. 또한 반응조의 Phase가 고정되어 있는 공간배치형과 반응조의 phase가 시간에 따라 변화되는 시간배치형 공정으로 구분할 수 있다.
상기한 다양한 공정들은 비교적 처리효율이 우수한 공정임에는 분명하나, 기온이나 운전조건 등의 변화로 후속 중력침전조에서 슬러지팽화, 미세플록, 슬러지부상 등의 문제가 종종 발생하여 생물처리공정을 최적화하였음에도 불구하고, 처리수질이 악화되는 문제점이 드러나곤 한다.
특히, 질소 및 인에 비하여 영양원의 농도가 낮은 국내 하폐수에 A2/O와 유사한 공법을 적용하면 탄소원의 부족으로 탈질효율이 떨어지며, 그 결과 질산성 질소가 반송슬러지를 통해 혐기조로 유입되어 혐기조 내에서 Poly-P 박테리아와 탈질미생물간의 유기물경쟁이 발생하고, 이로 인해 인 방출이 저조해지는 문제점이 나타난다.
또한 상기한 종래의 공정에서 사용하는 중력침전방식은 반응조내 미생물농도를 일정수준 이상으로 유지하는 것이 곤란하므로, 고부하에 대한 대처능력이 떨어지며, 수리학적 체류시간을 상대적으로 길게 유지해야 하는 한계가 있다.
이에 기존 중력침전에 의한 고액분리를 대신하여 생물학적인 오염물질 제거공정과 일정한 공칭공경을 갖는 분리막을 이용해 안정적으로 고액분리를 달성할 수 있는 막 여과방식을 접목한 막결합형 생물처리공법(Membrane Bio-Reactor, MBR)이 등장하게 되었다.
MBR공정은 반응조내 미생물농도를 높게 유지할 수 있어 수리학적 체류시간 단축으로 인해 컴팩트한 설계가 가능하며, 분리막을 통한 완벽한 고액분리로 중수도로 활용가능 한 수준의 처리수질을 확보할 수 있는 장점이 있으나, 막 폐색을 효과적으로 제어할 수 있는 기술적인 뒷받침이 필수적이다.
MBR공정에서는 침지형 분리막의 오염을 최소화하기 위해 통상적으로 공기세정방식을 적용하는데, 분리막 세정에 소요되는 폭기량이 일반 생물처리공정에 필요한 폭기량보다 과도하여 유지관리비용 측면에서 동력비 소모가 크고, 질소, 인제거를 위해 무산소조 혹은 혐기조로 내부반송시 용존산소농도가 높아 탈질효율 및 인 방출에 저해요인이 되고 있다.
본원 출원인은 상기와 같은 질소 및 인 동시 제거방법의 문제점을 해결하기 위하여 등록번호 10-1269261호(화학응집 결합형 하폐수 고도처리방법 및 그 시스템, 이하 선행발명)의 특허발명을 제시한바 있다.
도 1에서 보는 바와 같이, 상기한 본원 출원인의 선행발명은 "유입되는 하폐수를 저류시키는 기능 및 응집제를 혼합하여 응집 반응 기능을 수행하는 전침형 유입분배조(10), 상기 전침형 유입분배조를 거친 하폐수를 교대반응 1조(20) 및 교대반응 2조(21)에 교대로 공급하는 기능을 수행하는 유입수 흐름 제어수단(12), 무산소(anoxic)조건인 교대반응1조(20) 및 절대혐기(anaerobic)조건 상태인 교대반응 2조(21), 상기 교대반응 1조 또는 교대반응 2조를 거친 하폐수가 유입되는 호기조(30), 상기 호기조를 거친 하폐수의 미생물 플록(floc)을 제거하는 기능을 수행하는 분리막조(50)를 포함하여 구성한 하폐수 고도처리 시스템"을 제시하였다.
상기한 선행발명은 유입수에 응집제를 주입하여 1차 인 부하를 경감시키는 단계와 인 방출 및 과잉섭취를 통해 생물학적으로 인을 제거하는 주처리 단계 및 잔존 인산염을 공침시키고 분리막을 통해 여과하는 Dual coagulation과 생물공정을 조합한 막분리 활성슬러지공법으로 총인의 효과적인 초고도처리는 가능한 특징을 가지고 있으나, 총질소 처리효율은 상대적으로 높지 않으며 처리 후에도 잔존 용존염류(TDS)농도가 높아 공업용수로 재이용하기 어렵다는 점은 여전히 문제점으로 지적될 수 있다.
이외에도 응집제와 원수를 효과적으로 혼합할 수 있는 교반기술, 유체 이송 밸브의 잦은 고장으로 인한 운전 중단 등은 본 기술분야에서 해결해야 할 과제로 남아 있다.
한국등록번호 10-1269261호
상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 본 발명에서는, 하수에 포함된 총인과 총질소의 처리효율을 극대화함과 동시에 최종 처리 후에도 잔존하는 용존염류(TDS)농도를 현저히 낮출 수 있는 하폐수 초고도처리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명에서는, 응집제와 원수를 혼합함에 있어 종래의 교반기보다 전력소모는 적으면서도 혼합효과가 우수한 교반장치가 구비된 하폐수 초고도처리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명에서는, 고장율이 현저히 낮으면서도 간단한 구성으로 이루어진 유체분배장치가 구비된 하폐수 초고도처리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 교대 운전 혐기조와 이단 응집 기반 엠비알 기술을 이용한 하폐수 고도처리시스템은, 유입되는 하폐수를 저류시키는 기능과 함께 주입된 제1응집제와 저류된 하폐수를 혼화 교반시켜 플록을 형성하는 급속혼화형 유입분배조(100); 상기 급속혼화형 유입분배조(100) 후단에 위치하는 산소공급이 되지 않는 무산소(anoxic)조건 또는 절대혐기(anaerobic) 조건 상태를 유지하는 교대반응 1조(200) 및 교대반응 2조(210); 상기 교대반응 1조(200) 및 교대반응 2조(210) 후단에 위치하며 제2응집제가 공급되는 호기조(300); 상기 호기조(300) 후단에 위치하는 무산소조(400); 및 상기 무산소조(400)로부터 유출된 혼합액이 공급되는 분리막조(500)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 교대 운전 혐기조와 이단 응집 기반 엠비알 기술을 이용한 하폐수 고도처리시스템은, 상기 호기조(300)로부터 인발한 슬러지를 유입수 흐름 분배조(120)로 반송시키는 제1슬러지 이송펌프를 더 구비하되; 상기 급속혼화형 유입분배조(100)는 유입수와 응집제가 혼합되는 응집혼화조(110)와 유입수 흐름 분배조(120)를 포함하며, 상기 응집혼화조(110)에는 깔때기 형상을 갖는 와류형성 혼합본체(111-1), 상기 와류형성 혼합본체(111-1) 내부 측면의 혼합액 흐름에 회전력을 부여하기 위한 나선형 유로, 상기 와류형성 혼합본체(111-1)의 혼합액 유입측 부근의 흐름유도판(111-2) 및 상기 와류형성 혼합본체(111-1)의 나선형 유로상에 구비된 유연하게 구부러질 수 있는 와류증폭 돌기부(111-3)를 포함하는 무동력 급속혼화장치(111)가 구비되어 있고, 상기 유입수 흐름 분배조(120) 일측면에는 교대반응 1조 공급관(120-1)이 형성되며, 상기 유입수 흐름분배조(120)의 바닥면에는 교대반응 2조 공급관(120-2)이 구비되어 있고, 상기 교대반응 2조 공급관(120-2)에는 공기 주입에 의하여 부피가 팽창하는 볼(121-1), 상기 볼(121-1)로의 공기공급을 위한 공기공급관로(121-2), 공기발생을 위한 컴프레서(121-3), 공기공급을 차단하기 위한 밸브(121-4), 공기공급량을 조절하기 위한 레귤레이터(121-5) 및 볼(121-1)의 공기를 배출하기 위한 벤트(121-6)를 포함한 유입수 흐름 제어수단(121)이 구비되어 있고, 상기 무산소조(400)에는 교반수단 본체부(410-1), 다수개의 유체흐름구멍(410-5)이 형성된 가이드 커버부(410-2), 프로펠러(410-3) 및 탄소원 공급라인(410-4)을 포함하는 탄소원 주입 일체형 다목적 수중교반수단(410)이 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 교대 운전 혐기조와 이단 응집 기반 엠비알 기술을 이용한 하폐수 고도처리시스템은, 상기 급속혼화형 유입분배조(100) 전단에 산발효조(1000)가 구비되고, 상기 분리막조(500) 후단에는 저에너지형 축전식 탈염수단(800)이 더 구비된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 하폐수 고도처리 시스템은, 호기조(300)후단에 무산소조(400)를 두어 후 탈질을 유도하고, 세정시 주입된 공기로 인하여 용존산소가 풍부해진 분리막조(500)의 슬러지가 호기조(300)로 반송되므로 호기조에서의 폭기에 필요한 전력을 절약할 수 있고, 또한 호기조(300)의 슬러지는 내부 반송형태로 유입수 흐름 분배조(120)로 유입되므로, 종래기술에 비해 총인과 탈질의 제거 효과가 현저하다는 장점을 가지고 있다.
또한 본 발명에 따른 하폐수 고도처리 시스템은, 분리막조 후단에 저에너지형 축전식 탈염수단을 구비하고 있어, 전력 소모를 최소화하면서 잔류 이온물질을 제거할 수 있어 처리수의 재활용성이 향상되는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 하폐수 고도처리 시스템은, 유입수의 흐름을 이용한 무동력 급속혼화장치를 구비하고 있어 유지비용 절감에 기여할 수 있고, 또한 공기의 주입과 배출에 의해 크기가 변화하는 볼을 이용하여 하수의 흐름을 제어할 수 있으므로 기존 밸브방식의 개폐수단에 비해 고정율이 현저히 낮고 따라서 장치의 연속적인 운전이 가능하다는 장점이 있다.
아울러 본 발명에 따른 하폐수 고도처리 시스템은, 1차 침전지와 산발효조가 구비되어 있어, 생물반응조에 대한 고형물 부하를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 침전된 유기물의 발효를 통하여 탄소원으로도 활용할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 하폐수 고도처리 시스템 개념도
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 하폐수 고도처리 시스템 개념도
도 3a는 도 2에 도시된 하페수 고도처리 시스템의 급속혼화형 유입분배조의 상세도(공압식 개폐수단이 작동된 상태)
도 3b는 도 2에 도시된 하페수 고도처리 시스템의 급속혼화형 유입분배조의 상세도(공압식 개폐수단의 작동이 정지된 상태)
도 3c는 도 3b의 무동력 급속혼화장치의 정면도
도 3d는 도 3b의 무동력 급속혼화장치의 평면도
도 4는 무산소조에 구비된 약품주입 일체형 다목적 수중교반장치의 개념도
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 하폐수 고도처리 시스템 개념도
도 6(a)은 본 발명의 제3실시예에 따른 하폐수 고도처리 시스템 개념도
도 6(b)는 도 6(a)에 도시된 축전식탈염조의 상세도
도 6(c)는 도 6(b)에 도시된 축전식탈염조의 회로도
도 7(a)은 본 발명의 제4실시예에 따른 하폐수 고도처리 시스템 개념도
도 7(b)는 도 7(a)의 산발효조의 상세도
도 8은 본 발명의 제5실시예에 따른 하폐수 고도처리 시스템 개념도
도 9a는 종래기술에 따른 혼화조에서의 T-N(총질소) 농도결과
도 9b는 본 발명에 따른 무산소조에서의 T-N(총질소) 농도결과
도 10은 본 발명의 CDI를 적용한 경우 처리수의 용존염류 결과
도 11은 본 발명의 CDI를 적용한 경우 에너지회수를 보여 주는 결과
도 12는 본 발명 산발효조의 SCOD농도 중 휘발성유기산이 차지하는 비율
도 13은 전응집에 따른 가용유기물 변화 및 탈질속도 결과
이하 첨부된 도면을 참고하면서 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1실시예를 도시한 도면으로, 본 발명의 제1실시예에서는 급속혼화형 유입분배조(100), 교대반응 1조(200), 교대반응 2조(210), 호기조(300), 무산소조(400) 및 분리막조(500)를 포함하는 하폐수 고도처리 시스템을 제공한다.
또한 본 발명에서는 상기 제1실시예의 하폐수 고도처리 시스템을 이용하여 시간적 경과에 따라 작동되는 하폐수 고도처리 방법을 제공한다.
상기 급속혼화형 유입분배조(100)는 유입되는 하폐수를 저류시키는 기능과 함께 주입된 제1응집제와 저류된 하폐수를 혼화 교반시켜 플록을 형성시키며, 후술할 교대반응 1조(200) 또는/및 교대반응 2조(210)에 교대로 하폐수를 제공하는 기능을 갖는 반응조를 의미한다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 상기 급속혼화형 유입분배조(100)는 유입수와 제1응집제가 혼합되는 응집혼화조(110)와 유입수 흐름 분배조 (120)을 포함하고 있다.
상기 급속혼화형 유입분배조(100)의 응집혼화조(110)에 제1응집제 투입수단(140)을 사용하여 응집제를 투입하여 1차적으로 하폐수에 용존하고 있는 인(PO4 3-)을 응집제와 응집시켜 전침하도록 함으로써 하폐수 고도처리 시스템에서 응집제의 과다 소모를 억제하는 기능을 수행할 수 있다는 장점이 있다.
즉, 응집혼화조(110)에 알루미늄 계열 응집제를 사용하는 경우, 용존 인(PO4 3-)은 하기 식과 같은 반응을 통하여 불용성 인(PO4 3-)으로 전환된다. 다만, 이는 알루미늄 계열 응집제를 사용한 경우의 일 예시에 불과할 뿐, 일반적으로 알려져 있는 수처리용 응집제를 사용하여 용존 인(PO4 3-)을 불용성 인(PO4 3-)으로 전환시키는 것도 본 발명의 기술적 사상에 포함되는 것은 당연하다.
Al2(SO4)3 + 6H2O → 2Al(OH)3↓+ 3SO4 -2 + 6H+
Al3 + + PO4 3- → AlPO4(불용성인)↓
종래 분리막을 사용한 하폐수 고도처리 시스템에서 총인 제거를 위해 생물반응조 내에 응집제를 투입하는 경우, 6,000~10,000 mg/L의 고농도 MLSS(부유고형물)로 인해 응집제 소요량이 이론상 필요한 주입율인 1.1 mol Al/ mol P보다 훨씬 높은 4~5 mol Al/ mol P 이상을 실제 주입하게 되고 이에 따라 다량의 슬러지가 발생할 뿐 아니라, 과량의 응집제가 생물학적 공정에 직접 투입될 경우 질산화에 저해를 일으킨다는 다수의 보고들이 있어 현장적용에 문제가 되어 왔다.
하지만, 본 발명의 기술적 특징인 별도의 응집혼화조를 생물반응조 전단에 구비하여 유입하수에 응집제를 투입하는 전응집을 실시하는 경우, 용존인(PO4 3-)의 선택적 불용화가 가능하여 응집제 소요량을 1~3 mol Al /mol P로 현저히 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 후단의 생물반응조에 필요한 가용유기물의 불용화가 없어 생물학적 탈질 등에 미치는 영향을 최소화할 수 있다. 또한 전응집 후단에는 생물학적 인 제거를 최대한 유도하고, 이 후 잔존 인에 대해서만 공침으로 인을 제거함으로써, 종래의 기술처럼 응집제 과다 주입으로 인한 문제점을 해결할 수 있다.
여기서, 상기 제1응집제 투입수단(140)은 통상의 펌프형 응집제 투입장치 등을 사용할 수 있으며, 응집제 투입량을 수동 또는 자동으로 조절할 수 있고, 후술할 응집제 주입제어 시스템과 연동되어 응집제 투입량을 제어할 수 있다.
또한 응집혼화조(110)에 주입되는 제1응집제는 황산알루미늄, 황산제1철, 황산제2철, 염화제2철, 칼륨명반, PAC(폴리알미늄클로라이드), 알루민산나트륨, 암모늄명반, 염화코퍼러스, 페록, 점토, 수산화칼슘, 산화칼슘, 활성규산, 고분자 응집제 등과 같은 철염, 또는 알루미늄 계열 응집제 등 다양하게 사용할 수 있다.
한편, 원수와 응집제를 교반할 목적으로 상기 응집혼화조(110)에 구비되는 교반장치는, 급속혼화에 사용되는 통상적인 교반장치를 사용할 수도 있지만, 본 발명에서는 동력이 필요 없으면서도 충분한 교반강도를 부여할 수 있는 무동력 급속혼화장치(111)를 사용한다는 것이 주요 특징부 중 하나에 해당된다.
또한 본 발명의 유입수 흐름분배조(120)에는 상기 응집혼화조(110)에서 응집된 원수와 호기조로부터 반송된 슬러지를 후술할 교대반응 1조(200) 및 교대반응 2조(210)에 교대로 공급하기 위한 유입수 흐름 제어수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
이하에서는 첨부된 도 3(a 내지 d)을 참조하여, 응집혼화조(110)의 급속혼화장치(111)와 유입수 흐름분배조(120)의 유입수 흐름 제어수단(121)에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.
먼저, 무동력 급속혼화장치(111)에 관하여 상세히 설명하면, 도 3(a 내지 d)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 응집 혼화조(110)에 구비되는 무동력 급속혼화장치(111)는 와류형성 혼합본체(111-1), 흐름 유도판(111-2), 와류증폭 돌기부(111-3), 원수유입관(111-4) 및 약품 투입구(111-5)를 포함하여 구성되어 있다.
상기 와류형성 혼합본체(111-1)는 깔때기 형상을 가지며, 상기 와류형성 혼합본체(111-1) 내부 측면에는 혼합액의 흐름에 회전력을 부여하기 위하여 나선형 유로(미도시)가 형성되어 있어, 후술할 약품과 원수의 혼합액은 깔때기의 나선형 유로를 따라 선회류를 형성하면서 깔때기 하부에 위치한 투입구를 경유하여 응집혼화조(110)로 이송되게 된다.
특히, 상기 와류형성 혼합본체(111-1)의 혼합액 유입측 부근에는 흐름 유도판(111-2)이 더 구비될 수 있고, 상기한 흐름 유도판(111-2)과 나선형 유로로 인하여 원수와 약품은 더욱 용이하게 혼합될 수 있다.
본 발명에 따른 상기 와류형성 혼합본체(111-1)의 나선형 유로상에는 와류증폭 돌기부(111-3)가 더 구비될 수 있다.
상기 와류증폭 돌기부(111-3)의 형상과 재질은 특별히 제한하지 않지만, 선회류의 흐름은 그대로 유지하면서 국부적 와류가 형성될 수 있도록, 유연하게 구부러질 수 있는 재질(고무류)로 제조된 원기둥 형상인 것이 가장 바람직하다.
아울러, 상기 와류증폭 돌기부(111-3)는 상기 와류형성 혼합본체(111-1)의 상부 측면에는 비교적 넓은 간격으로 설치하고, 하부 측면으로 갈수록 보다 조밀하게 설치하는 것이 바람직한데, 이는 상기 와류형성 혼합본체(111-1)의 하부보다 상부에서의 선회류 유속이 상대적으로 낮아, 와류증폭 돌기부(111-3)에 의해 선회류의 흐름이 저하되는 것을 방지하기 위함이다.
한편, 상기 혼합본체(111-1) 일측에 구비된 원수유입관(111-4)을 통하여 원수가 유입되며, 상기 원수유입관(111-4)의 일측부에 형성된 약품투입구(111-5)로 제1응집제가 주입되어, 원수와 제1응집제의 혼합액이 상기 와류형성 혼합본체(111-1)로 유입된다.
도면에는 도시하지 않았지만, 본 발명의 와류형성 혼합본체(111-1)는 밀폐된 구조를 채용하거나 덮개를 더 구비할 수 있다. 상기한 구조를 채용하게 되면, 원수와 제1응집제가 급속 혼화하는 과정에서 유입될 수 있는 대기 중 산소가 용해되는 것을 차단할 수 있어, 후단의 교대반응 1조(200) 및 교대반응 2조(210)를 혐기상태로 유지하기가 매우 용이하다.
이상에서와 같이, 본 발명에 따른 무동력 급속혼화장치(111)는 하부로 갈수록 회전반경이 좁아지는 깔때기 형상의 와류형성 혼합본체(111-1)를 채용하고 있어, 선회류의 속도가 가속되므로 약품의 혼합과 접촉이 활발해질 뿐만 아니라, 특히 와류증폭 돌기부(111-3)로 인하여 상기한 혼합효과를 극대화할 수 있다는 장점이 있다. 또한 기계적 교반장치의 구동에 필요한 전력이 많이 요구되던 종래 혼합장치에 비하여, 무동력으로 원수와 제1응집제를 혼합 및 교반할 수 있으므로 유지비용면에서도 큰 절감효과가 있다.
다음으로 유입수 흐름분배조(120)로 유도된 혼합액을 교대반응 1조(200)와 교대반응 2조(210)에 교대로 공급하기 위한 유입수 흐름 제어수단(121)에 관하여 설명하기로 한다.
종래의 유입수 흐름제어수단, 즉 유입분배장치는 각각의 유로에 별도의 밸브가 설치되는 것이 일반적이고, 따라서 밸브 개폐에 문제가 발생하는 경우 배관이나 밸브의 보수를 위하여 부득이하게 혼합액의 공급을 차단하여야 하므로 장치의 연속적인 운전이 불가능하였다. 또한 각각의 유로에 상하 혹은 좌우로 움직이는 수문을 개폐하는 수문 개폐식 유입분배장치의 경우에는, 유입되는 혼합액의 수압을 이겨내고 수문을 동작시키기 위해서는 높은 동력을 필요로 한다는 문제점도 존재하였다.
그러나 본 발명에서의 유입수 흐름 제어수단(121)에서는 종래기술과는 달리, 한 개의 유로에만 개폐수단을 구비하고 있어 설비를 단순화할 수 있으며, 개폐수단에 문제가 발생하여도 장치의 연속운전이 가능할 뿐만 아니라 동력비를 크게 절감할 수 있다는 장점이 있다.
상기 도 3(a) 및 도 3(b)에서 알 수 있듯이, 상기 유입수 흐름분배조(120)에는 혼합액을 교대반응 1조(200)와 교대반응 2조(210)로 각각 공급할 수 있도록, 유입수 흐름분배조(120) 일측면에는 교대반응 1조 공급관(120-1)이 구비되고, 유입수 흐름분배조(120)의 바닥면에는 교대반응 2조 공급관(120-2)이 형성되어 있다.
또한 상기 교대반응 2조 공급관(120-2) 부근에는 공기 주입에 의하여 부피가 팽창하는 볼(121-1), 상기 볼(121-1)로의 공기공급을 위한 공기공급관로(121-2), 공기발생을 위한 컴프레서(121-3), 공기공급을 차단하기 위한 밸브(121-4), 공기공급량을 조절하기 위한 레귤레이터(121-5) 및 볼(121-1)의 공기를 배출하기 위한 벤트(121-6)를 포함한 유입수 흐름 제어수단(121)이 구비되어 있다.
상기와 같은 유입수 흐름 제어수단(121)을 통한 제어방법에 관하여 설명하면, 응집혼화조(110)로부터 이송된 혼합액과 호기조(300)로부터 반송되는 슬러지는, 상기 컴프레서(121-3)로부터 공급된 압축공기에 의하여 볼(121-1)이 팽창되어 교대반응 2조 유입관(120-2)을 막게 되며, 유입수 흐름분배조(120) 내부의 혼합액은 상기 유입수 흐름분배조(120)의 바닥면으로부터 소정간격 이격되어 설치된 교대반응 1조 공급관(120-1)을 경유하여 교대반응 1조(200)로 공급된다.
다음으로 유입수 흐름분배조(120)의 혼합액을 상기 교대반응 2조(210)로 공급하고자 하는 경우에는, 상기 교대반응 2조 공급관(120-1)을 막고 있는 상기 볼(121-1)의 공기를 배출시키게 되면, 상기 혼합액은 수위차에 의하여 교대반응 1조로 공급되지 않고 상기 유입수 흐름분배조(120)의 바닥면에 위치한 상기 교대반응 2조 공급관(120-2)을 경유하여 교대반응 2조(210)로 유입되게 된다.
여기서, 상기 볼(121-1)로의 압축공기 공급과 배출은 교대반응 1조(200)와 교대반응 2조(210)로 공급되는 혼합액의 양이나 공급시간 등을 설정함으로써 제어할 수 있으며, 이러한 제어방법은 이 기술분야에서 널리 알려진 기술에 해당되므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도면에는 도시하지 않았지만, 상기 유입수 흐름분배조(120) 내의 혼합액 흐름과 부력에 의하여 상기 볼(121-1)의 위치가 변동될 수 있으므로, 상기 교대반응 2조 공급관(120-1)의 원하는 위치에 볼이 고정 유지될 수 있도록 가이드를 더 구비할 수 있음은 자명하다.
한편, 본 발명에서 교대반응 1조(200)와 교대반응 2조(210)는 산소공급이 되지 않는 무산소(anoxic)조건 또는 절대혐기(anaerobic) 조건 상태를 유지하는 반응조를 의미하고, 교대반응 1조(200) 및 교대반응 2조(210)에는 내부 교반기가 구비되어 완속 교반을 수행할 수 있다. 따라서 급속혼화형 유입분배조(100)에서 유입하수와 응집제의 급속교반이 이루어진 후, 교대반응 1조(200) 및 교대반응 2조(200)에서 완속 교반이 이루어지므로 PO4-P응집이 효과적으로 이루어질 수 있다.
상기 본원 출원인의 선행 발명의 혼화조(40)는 제2응집제(43)를 효과적으로 주입하기 위한 반응조로 필요시 외부탄소원을 주입하여 후탈질의 기능을 겸할 수 있다고 기술하였으나, 슬러지반송이 혼화조(40)에서 유입분배장치로 반송되므로 준혐기조보다 탈질이 먼저 일어나므로 후 탈질 반응으로 정의하기가 모호한 점이 있었다. 또한 혼화조(40)의 기능적 특성에 따라 HRT가 짧아 탈질의 효과 또한 매우 미미한 문제점이 있었다.
상기한 문제점들을 해결하기 위하여, 본원 발명에서는 호기조(300)로부터 인발한 슬러지를 유입수 흐름 분배조(120)로 반송되도록 변경하였고, 후탈질의 기능을 충분히 발휘할 수 있도록 HRT를 증가시켜 총질소 5ppm이하의 초고도처리가 가능하도록 선행 발명에서의 혼화조(40)를 무산소조(400)로 운전하도록 하였다.
본 발명에서의 호기조(300)는 산소를 공급할 수 있는 수단을 구비한 반응조를 의미하며, 산소를 공급할 수 있는 수단은 다양하며, 교반기, 자유낙차에 의한 산소공급, 송풍기 등 공지의 산소공급수단을 채용할 수 있고, 상기 호기조(300)로부터 인발된 슬러지 반송 수단은 특별히 제한하지 않으며, 통상의 슬러지 펌프 등을 사용할 수 있다.
여기서, 상기 무산소조(400)는 용존 산소는 없고 결합 산소는 존재하면서 탈질 반응을 유도하도록 운영되는 반응조를 의미한다. 상기 무산소조(400)에서는 잔여 용존 인의 거의 대부분이 불용성 인으로 전환 하게 되며, 아울러 하폐수에 용존되어 있는 질소 성분은 활성슬러지(미생물)가 탈질할 수 있도록 하여 용존 질소 성분도 제거된다.
따라서, 무산소조(400)는 탈질 미생물의 성장에 필요한 영양소인 탄소(C)원의 공급을 필요로 하므로, 탄소원 공급수단(420)이 더 부가될 수 있고, 상기 탄소원은 생물학적 처리공정에서 통상적으로 사용하는 메탄올(CH3OH), 아세트산 등을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 무산소조(400)에는 본 발명의 특징부 중 하나에 해당되는 탄소원 주입 일체형 다목적 수중교반수단(410)이 구비되어 있다.
도 4(a) 및 도 4(b)를 참조하면서, 상기 교반수단(410)에 관하여 구체적으로 설명하면, 상기 교반수단(410)은 교반수단 본체부(410-1), 다수개의 유체흐름구멍(410-5)이 형성된 가이드 커버부(410-2), 프로펠러(410-3) 및 후술할 탄소원 공급라인(410-4)을 포함하여 구성되어 있다.
여기서, 상기 탄소원 공급라인(410-4)은 다수개의 유체흐름구멍(410-5) 부근에 위치하며, 이는 공급되는 탄소원과 무산소조(400)의 슬러지가 짧은 시간에 완전히 혼합되도록 하기 위함이다.
즉, 상기 프로펠러(410-3)를 작동시키면서 탄소원 공급라인(410-4)를 통하여 탄소원을 공급하면, 본체부(410-1)의 슬러지가 가이드 커버부(410-2)로 이동하면서 상기 유체흐름구멍(410-5)에 의해 와류가 생성되어, 슬러지가 교반될 뿐만 아니라 탄소원과의 혼합을 극대화할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 탄소원 주입 일체형 다목적 수중교반장치(410)는, 단순히 수표면에 탄소원을 떨어뜨려 공급한 후 무산소조 내부의 교반기로 혼화시키던 종래 기술에 비해, 혼합 및 교반 효과가 향상되므로 필요 이상으로 탄소원이 공급되는 것을 배제할 수 있을 뿐만 동력비를 절감할 수 있어 전체적인 공정의 유지비용을 절약할 수 있다는 장점이 있다.
다시 도 2를 참조하면서, 무산소조(400) 후단에 구비된 분리막조(500)에 관하여 설명하기로 한다.
상기 분리막조(500)는 표면에 다수의 기공이 형성된 분리막 본체(510) 및 여과를 위한 흡입펌프(520)을 포함하여 이루어진다. 상기 분리막조(500)에서는 전단의 무산소조(400)로부터 공급된 혼합액으로부터 혼합미생물(MLSS)과 응집된 플록을 여과하여, 최종적으로는 질소, 인 및 유기물 등이 제거된 처리수를 수득하게 되는 것이다.
여기서, 상기 분리막(500)은 정밀여과막(MF)이나 중공사형 한외여과막(UF)을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 막 세정을 위해 공기세정이 가능한 산기관이 일체화된 모듈형태로 설치하는 것이 바람직하다.
상기 분리막조(500) 내의 활성슬러지 농도(MLSS)는 처리효율 및 안정된 분리막의 운전을 위하여 4,000~12,000 mg/L의 범위인 것이 바람직하다. 아울러 분리막의 파울링을 억제시키기 위하여 역세, 진동 및 공기 등을 활용한 다양한 물리적 세정방법을 실시할 수 있으나, 분리막조(500)의 슬러지를 호기조(300)로 반송시키는 것을 고려할 때, 반송 슬러지에 용존 산소를 포화시키는 기능을 수행할 수 있도록 공기를 이용한 간헐적 폭기방식을 채용하는 것이 가장 바람직하다.
물론, 분리막을 장기간 사용함으로써 물리적 세척에 의해서도 투과성능이 회복되지 않는 경우에는 알칼리 용액 등을 이용한 화학세정을 실시할 수 있다.
본 발명에서의 분리막(정밀여과막) 운전조건은 하기 표 1에 나타낸 바와 같으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 원수의 수질과 처리수질 등을 고려하여 운전조건을 다양하게 변경할 수 있음은 자명하다.
정밀여과막의 운전방법
막 세정시간 3분
막 세정빈도 1회/7분(7분 여과, 3분 휴지)
막 세정공기량 10L/㎡/분
막 투과유속(Flux) 18L/㎡/시간
막 약품세정주기 1회/3개월
한편, 본 발명의 제1실시예에서는 분리막의 압력측정장치(610) 및 분리막 처리수의 T-P(총인) 측정장치(620)를 더 구비할 수 있다.
특히 T-P(총인) 측정장치는 처리수의 농도를 측정하여 기준치와 비교하고, T-P(총인)의 농도가 기준치보다 높게 나오는 경우 제1응집제 또는/및 제2응집제의 주입량을 높여 T-P(총인)의 농도가 기준치를 상회하지 않도록 응집제 주입제어 시스템(600)과 연동되도록 제어될 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 제1실시예에 의한 장치를 이용한 하폐수 고도처리방법에 의하면, 먼저 원수인 하폐수를 응집혼화조(110)로 공급하면서 제1응집제를 투여하여 응집혼화를 실시한다. 상기한 응집혼화수는 유입수 흐름 분배조(120)의 유입수 흐름 제어수단(121)에 의하여 교대반응 1조(200) 또는 교대반응 2조(210)로 공급되어 무산소상태로 운전되며, 이때, 상기 유입수 흐름 분배조(120)에는 호기조(300)로부터 반송되는 슬러지도 유입 혼합된다.
상기 교대반응 1조(200) 또는 교대반응 2조(210)는 무산소(anoxic)조건이므로, 탈질화(denitrification)가 이루어져 질소가 제거되며, 탈질화 반응은 아래와 같다.
NO3 - → NO2 - → N2 ↑
다음으로 교대반응 1조(200) 또는 교대반응 2조(210)로의 유입수를 차단하여 상기한 교대반응 1조(200) 또는 교대반응 2조(210)를 절대혐기(anaerobic)조건으로 운전한다. 이와 같이 절대혐기조건이 되면 교대반응 1조(200) 또는 교대반응 2조(210)의 미생물은 내부에 있는 인을 용존 인으로 배출하게 된다. 즉, 절대혐기 조건의 교대반응 1조(200) 또는 교대반응 2조(210)는 하폐수의 유입이 없어 회분식(batch) 반응조 형태를 띠게 되어, NO3 --N 질소원이 없는 상태가 되므로 슬러지로부터 인(PO4 3-)의 방출이 극대화되게 되는 것이다.
이와 같이 본 발명에서는 교대반응 1조(200) 또는 교대반응 2조(210)는 유입수 흐름 분배조(120)로부터 하폐수를 공급받아 하폐수에 포함된 유기물을 탄소원으로 하여 무산소(anoxic)조건에서 생물학적인 탈질 반응을 수행하고, 상기한 무산소조건이 아닌 교대반응 1조(200) 또는 교대반응 2조(210)는 하폐수 유입이 단절된 상태에서 회분식으로 운영되는 절대혐기조건이 되는 공정이 병행되어 질소와 인이 효과적으로 제거될 수 있다.
즉, 교대반응 1조(200)가 무산소조건으로 운영되면 교대반응 2조(210)는 절대혐기조건으로 운전되고, 반대로 교대반응 2조(210)가 무산소조건으로 운전되면 교대반응 1조(200)는 절대혐기조건으로 운전되어, 두 개의 공정이 병행되어 수행된다.
다음으로, 상기한 교대반응 1조(200) 또는 교대반응 2조(210)의 혼합액은 호기조(300)로 유입되며, 상기 호기조(300)에서는 배출 용존된 인(PO4 3-)을 미생물들이 섭취하게 되어 용존성 인(PO4 3-)이 제거된다.
여기서, 호기조(300) 후단에는 생물학적 인(PO4 3-) 섭취가 부족하거나 처리목표수질이 강화될 경우, 인(PO4 3-)의 충분한 제거를 위하여 제2응집제를 추가하여 용존성 인(PO4 3-)을 불용성 인(PO4 3-)으로 전환시킬 수 도 있다. 즉, 본 발명에서는 상기 급속혼화형 유입분배조(100)에서 1차적으로 용존 인(PO4 3-)을 응집시키고, 상기 무산소조(400)에서 2차적으로 용존 인(PO4 3-)을 응집시켜 공침시키는 이단응집(Two stage coagulation)을 수행하게 됨에 따라, 공침만으로 인(PO4 3-)을 제거하는 종래의 고도처리 공정보다 응집제 소요량을 획기적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라 인(PO4 3-)의 제거에도 효과적이다.
한편, 호기조(300)를 거치면서 대부분의 용존성 인(PO4 3-)은 제거되지만, 일부 제거되지 못한 잔존의 용존 인(PO4 3-)은 무산소조(400)에서 불용성 인(PO4 3-)으로 전환되며, 아울러 탈질에 의한 용존 질소 성분도 제거되고, 무산소조(400) 후단의 분리막조(500)는 처리수와 고형분을 최종적으로 분리하는 기능을 수행하게 된다.
이하에서는 도 5를 참조하면서, 본 발명의 바람직한 제2실시예를 설명하기로 한다.
전술한 본 발명의 제1실시예와 다른 구성은 본 발명의 제2실시예에서는 호기조(300) 후단에 급속혼화지(320)를 더 구비하고 있으며, 제2응집제는 상기 급속혼화지(320)로 주입된다는 점이 상이하다. 상기한 구성은 주입하는 응집제로 인하여 호기조(300) 미생물의 활성을 저하되는 것을 방지하기 위한 것이다. 나머지 구성들은 전술한 바람직한 제1실시예와 동일하므로 생략하기로 한다.
이하에서는 도 6(a 내지 c)을 참조하면서, 본 발명의 바람직한 제3실시예를 설명하기로 한다.
상기한 본 발명의 제1실시예와 다른 구성은 본 발명의 제3실시예에서는 처리수 내에 포함된 용존염류(TDS)를 완벽하게 제거할 수 있는 저에너지형 축전식 탈염장치(800)를 더 구비하고 있다는 점만 상이하므로, 이하에는 저에너지형 축전식 탈염수단(800)에 관해서만 구체적으로 설명하기로 한다.
축전식 탈염장치(capacitive deionization, CDI)는 양극이 인가되는 양전극과, 음극이 인가되는 음전극과 처리수가 유통될 수 있도록 상기 양전극 및 음전극 사이에 구비되는 스페이서를 포함하여 적층되는 CDI의 스택, 상기 CDI의 스택에 전력을 공급하는 전원공급부 및 제어부를 포함하여 형성될 수 있다.
상기 축전식 탈염 장치의 CDI의 스택은 지지판, 전류공급판, 전극, 가스켓, 전극분리막으로 구성되어 있으며, 전류공급판은 전원공급부로부터 전류를 받아 전류공급판과 붙어있는 전극에 양극 또는 음극을 띄게 하고 음이온과 양이온들은 전기적 인력에 따라 각 전극에 흡착하게 된다.
축전식 탈염장치의 운전은 이온 흡착 과정과 이온 탈착 과정이 교대로 가동되게 된다. 즉, 상기한 축전식 탈염장치의 이온 흡착 과정에서는, (A)전극에 (+)전위를 인가하고 (B)전극에 (-)전위를 인가하는 경우 상기 (A)전극에는 음이온들이 부착되므로 주로 질산성 질소(NO3 -) 및 음이온을 띠는 물질 등이 부착되고, (B)전극에서는 양이온인 암모니아성 질소(NH4 +), Mg, Ca, Na 등의 양이온 및 양전하를 띠는 TDS 등이 부착되게 된다.
그리고 상기한 축전식 탈염장치의 이온 탈착 공정(재생공정)은 다음과 같이 수행된다.
축전식 탈염장치를 일시적으로 전위를 단절시켜 상기의 전극과 이온간의 전기적 흡착력을 제거하여 이온을 탈리시키며, 상기의 이온흡착 공정과 반대로 (A)전극에 (-)전위를 인가하고 (B)전극에 (+)전위를 인가하여 부착된 이온들이 한꺼번에 탈착되게 하여 농축수 형태로 배출되게 한다.
그리고 상기한 축전식 탈염장치의 이온 탈착 공정(재생공정)은 다음과 같이 수행된다.
축전식 탈염장치를 일시적으로 전위를 단절시켜 상기의 전극과 이온간의 전기적 흡착력을 제거하여 이온을 탈리시키며, 상기의 이온흡착 공정과 반대로 (A)전극에 (-)전위를 인가하고 (B)전극에 (+)전위를 인가하여 부착된 이온들이 한꺼번에 탈착되게 하여 농축수 형태로 배출되게 한다.
이때 축전식 탈염장치의 (A)전극에 부착된 음이온(NO3 -, Cl-, PO4 3- 등)과 (B)전극에 부착된 양이온(NH4 +, Mg2 +, Ca2 +, Na+ 등)은 탈리되어 CDI 농축수를 형성하게 되며, 이와 같이 형성된 CDI 농축수는 현저히 높은 농축액이 되고 탈염이 된 나머지 처리수는 CDI 처리수가 되어 용수로 사용할 수 있게 된다. 여기서, 축전식 탈염조가 2개 이상 구비될 수 있으며(도 6b), 이 경우 한쪽은 정수공정 다른 한쪽은 재생 공정을 서로 번갈아 운전함으로써 연속적으로 처리수를 생산할 수 있다.
한편, 본 발명의 제3실시예에서의 저에너지형 축전식 탈염장치(800)을 구비하고 있다는 점이 주요 특징부 중 하나에 해당된다.
종래의 축전식 탈염장치에서는 탈착모드시 방전된 전기를 별도로 회수하지 않거나, 방전된 전기의 재사용을 위해 별도의 충전장치를 구비하는 것이 일반적이다. 그러나 본 발명에서는 탈착모드시 방전된 전기를 별도의 충전장치 없이 흡착모드 중인 모듈에 직접 전달하여 사용함으로써, 흡착시 필요한 전력소모를 저감시킬 수 있는 축전식 탈염장치(810)를 구비하고 있다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 본 발명의 축전식 탈염장치(800)는 제1 및 제2 탈염조(810, 820), 제1 및 제2탈염장치(810-1, 820-1) 및 상기 제1 및 제2탈염장치를 연결하는 양방향릴레이(830)를 포함하고 있다. 따라서, 상기한 2개의 탈염장치(810-1, 820-1)가 교대운전될 경우, 일측 탈염장치에는 흡착모드로 운전되면 타측 탈염장치는 탈착모드로 운전되고, 이때 탈착모드로 운전되는 탈염장치에서 방전시 버려지는 전기에너지를 흡착모드로 운전되는 탈염장치에 직접 전달함으로써, 흡착 시 인가될 전기소모량을 절감시켜줄 수 있다.
여기서, 양방향 릴레이(830)는 상기 한 쌍의 탈염장치(810-1, 820-1)를 상호 전기적으로 연결시키거나 단절시킬 수 있는 통상의 릴레이(relay)를 사용할 수 있다. 또한 상기한 릴레이(relay)는 입력이 어떤 값에 도달하였을 때 작동하여 다른 회로를 개폐하는 장치로서, 접점이 있는 릴레이, 서멀(thermal) 릴레이, 압력릴레이, 광 릴레이 등이 있다.
이상에서와 같이 본 발명의 제3실시예에 의한 축전식 탈염장치(800)는 탈착시 방전되는 전기를 흡착 중인 축전식 탈염장치에 직접 전달함으로써, 회수된 전기에너지의 손실을 최소화하면서 재사용할 수 있어 축전식 탈장치(800)에 필요한 전체 전력소모를 저감시키는데 매우 효과적이다.
이하에서는 도 7(a 및 b)를 참조하면서, 본 발명의 바람직한 제4실시예를 설명하기로 한다.
상기한 본 발명의 제1실시예와 다른 구성은 본 발명의 제4실시예에서는 산발효조가 더 구비되어 있다는 점만 상이하므로, 이하에는 산발효조를 중심으로 설명하기로 한다.
전술한 바와 같이, 무산소조(400)는 탈질미생물의 성장에 필요한 영양소로서 탄소원을 필요로 하므로, 무산소조(400) 내에 탄소원이 부족한 경우 인위적으로 탄소원을 공급하여만 질소와 인을 효과적으로 제거할 수 있다.
본 발명의 제4실시예에서는 첨부된 도 7a에 도시되어 있듯이, 급속혼화형 유입분배조(100) 전단에 1차 침전조(900)와 산발효조(1000)를 더 부가할 수 있다. 1차 침전조(900)에서는 유입된 하수에 포함된 유기성 고형물이 침전되므로, 후단 공정의 유기물 부하를 낮출 수 있는 장점이 있다.
상기 1차침전지(900)에 침전된 침전물은 산발효조(1000)에서 발효되며, 발효물인 초산, VFA(volatile fat acid) 등의 유기산은 상기 무산소조(400)로 제공되어 탄소원으로 작용할 수 있다. 한편, 본 발명의 제4실시예에서는 유기성 폐기물 유입조(1100)를 별도로 구비할 수 있으며, 이 경우 1차 침전지(900)로부터 유입되는 유기성 고형물이 부족할 경우 산발효 공정에서 필요한 유기물을 보충하는 기능을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 산발효조(1000)는 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 산발효 반응조(1010) 및 산발효 침전조(1020)을 포함하여 구성되어 있다. 또한, 상기 산발효 반응조(1010)와 침전조(1020)는 격벽(baffle,1030)에 의해 구분되어 있으며, 산발효 반응조(1010)에서 발효된 슬러지가 산발효 침전조(1020)로 이송되게 된다.
한편, 상기 산발효 침전조(1020)에는 다수의 격판이 지그재그 형식으로 배치된 다수개의 경사판이 형성되어 있어, 산발효 반응조(1020)에서 산발효된 1차 침전지 슬러지를 용이하게 침전시키는 기능과 작용을 하게 된다.
아울러, 상기한 산발효 반응조(1010)에는 교반기, pH 측정기, ORP(산화환원전위) 측정기 등이 부가되어 산발효가 적절하게 일어날 수 있도록 하는 장치가 부가될 수 있다.
첨부된 도 8은 본 발명의 제1실시예, 제3실시예 및 제4실시예의 변형 실시예인 제5실시예를 도시한 것으로, 본 발명의 제5실시예에서는 저에너지형 축전식 탈염수단(800)과 산발효조(1000)가 함께 구비되어 있는 것이 특징이고, 상기한 구성의 기능과 작용은 전술한 바와 동일하므로 생략하기로 한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
<실시예 1>
본 발명에 의한 탈질 효과를 확인하기 위하여, 호기조(300)의 슬러지를 유입흐름 분배조(120)로 반송한 경우와 종래 기술인 혼화조(40)의 슬러지를 유입흐름 분배조(12)로 반송한 경우, 총질소 농도를 측정하여 그 결과를 도 9a 및 9b에 나타내었다.
운전 조건은 유입수 BOD 220mg/L, CODcr 428mg/L, T-N(총질소) 50mg/L, NH4-N 45mg/L, 수온 13℃, SRT(sludge retention time) 20일로 설정하였다.
도 9a는 종래 기술에 따른 유입유량대비 슬러지 반송비율이 300%인 경우, 혼화조(40)에서의 체류시간에 따른 T-N(총질소) 농도 변화를 나타낸 결과이고, 도 9b는 본 발명에 따른 유입유량대비 슬러지 반송비율이 300%인 경우, 무산소조(400)에서의 체류시간에 따른 T-N(총질소) 농도 변화이다.
상기 결과에서 알 수 있듯이, 종래 기술에서는 체류시간 2시간인 경우에 총질소가 7.15mg/L인 반면 본 발명에서는 4.73mg/L로서 총질소의 제거효율이 34% 향상된 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 슬러지 반송위치에 따라 질소제거효율에 현저한 차이가 있음을 단적으로 보여주는 결과이다.
<실시예 2>
아래와 같은 조건으로 MBR로 운영되는 국내 대전하수처리장의 처리수를 대상으로 하여, 본 발명에 따른 상기한 축전식 탈염장치를 부착하여 운전하였고, 운전조건은 CDI(축전식 탈염장치)의 처리용량은 5㎥/day, 인가전압은 흡착시 1.5V, 탈착 시 쇼트 후 -1.5V, 정수(흡착)시간 2분, 재생(탈착)시간 2분 및 회수율 90%로 설정하였다.
상기한 운전 결과 얻어진 TDS, NH4-N, NO3-N, Ca2 +, Mg2 + 등 주요이온 결과를 도 10에 나타내었다. 도 10으로부터 알 수 있듯이, TDS 77%, NO3-N은 84.7%, Ca2 + 및 Mg2 + 등 주요 이온도 80%이상의 제거율을 보였다. 이와 같은 결과는 MBR후단에 CDI(축전식 탈염장치)를 추가 연계하여 운전하는 경우, 기존 R/O공정(revere osmosis 공정)을 대체하여 공업용수로 활용 가능한 수질을 생산해 낼 수 있는 효과가 있음을 시사하는 것이다. 또한 도 11의 전력 소모 결과에서도, 본 발명에 따른 저에너지형 축전식 탈염수단을 사용함으로써 시간에 따른 에너지 회수율이 현저히 높아지는 것을 알 수 있다.
<실시예 3>
산발효반응조(60L)와 산발효 침전조(20L)로 구획된 본 발명에 따른 산발효조에 국내 대전하수처리장의 1차침전지 슬러지를 대상으로 하여, HRT 4일 및 6일 조건에서 산발효를 수행하였고, 그 결과를 아래 표에 나타내었다.
HRT 4day HRT 6day
평균유입SCOD 농도(mg/L) 2,757 2,200
평균유출SCOD 농도(mg/L) 4,435 3,529
SCOD 농도 증가율(%) 66 65
상기 표2에서 알 수 있듯이, HRT 4일 조건에서 SCOD농도가 유입대비 66% 증가한 4,435mg/L였으며, 또한 HRT 4일 조건에서 SCOD농도 중 휘발성유기산(VFA)가 차지하는 비율이 평균 88%로 매우 높게 나타남을 알 수가 있다(도 12 참조).
따라서, 무산소조에 1차슬러지 산발효액을 주입할 경우, 메탄올이나 아세트산과 같은 외부탄소원을 대체하여 탈질에 필요한 효과적인 탄소원으로 활용될 수 있음을 의미한다.
<실시예 4>
유입하수(SS: 200mg/L)에 응집제를 주입하는 전응집 방법과 생물반응조(MLSS: 7,000mg/L) 내 응집제를 주입하는 공침 방법을 적용한 경우 응집제 소요량 차이를 비교하고자 Jar test를 실시하였다.
응집제 주입 몰비를 1~20 범위로 변화시킨 결과, 인 농도를 1.2mg/L 떨어뜨리기 위해서 생물반응조 호기조의 경우 4.6mol Al/mol P 이상이 필요한 반면에, 유입하수의 경우 2.9mol Al/mol P가 필요하여 전응집을 사용할 경우 소요 응집제량의 현저한 감소효과가 확인되었다.
한편, 전응집이 하수 내 용존인(PO4 3-)의 선택적 불용화를 할 때, 가용유기물의 불용화로 인한 생물반응조 탈질반응 저해정도를 평가하기 위해 회분식 비탈질실험을 실시하였고, 그 결과를 도 13에 나타내었다. 실험결과, 전응집을 실시한 하수와 그렇지 않은 하수 모두 거의 동일한 탈질속도 (1.3mg NO3-N/g MLVSS/hr)를 나타내 전응집에 의한 가용유기물 감소는 미미한 것으로 확인되었다.
100 : 급속혼화형 유입분배조
110 : 응집혼화조
111 : 무동력 급속혼화장치
111-1 : 와류형성 혼합본체 111-2 : 흐름유도판
111-3 : 와류증폭 돌기부 111-4 : 원수유입관
111-5 : 약품 투입구
120 : 유입수 흐름분배조
120-1 : 교대반응 1조 공급관 120-2 : 교대반응 2조 공급관
121 : 유입수 흐름 제어수단
121-1 : 볼 121-2 : 공기공급관로
121-3 : 컴프레서 121-4 : 밸브
121-5 : 레귤레이터 121-6 : 벤트
130 : 제1슬러지 이송펌프
140 : 제1응집제 투입수단
200 : 교대반응 1조
210 : 교대반응 2조
300 : 호기조
310 : 제2슬러지 이송펌프
320 : 급속혼화지
320 : 급속혼화조
400 : 무산소조
410 : 탄소원 주입 일체형 다목적 수중교반수단
410-1 : 교반수단 본체부 410-2 : 가이드 커버부
410-3 : 프로펠러 410-4 : 탄소원 공급라인
410-5 : 유체흐름구멍
420 : 탄소원 공급수단
430 : 제2응집제 투입수단
500 : 분리막조
510 : 분리막(membrane)
520 : 흡입펌프
600 : 응집제 주입제어 시스템
610 : TMP(Trans Membrane Pressure) 측정장치
610 : T-P(총인) 측정 장치
700 : 처리수조
800 : 축전식 탈염장치
810 : 제1탈염조 810-1 : 제1탈염장치
820 : 제2탈염조 820-1 : 제2탈염장치
830 : 양방향 릴레이
900 : 1차침전조
1000 : 산발효조
1010 : 산발효반응조
1020 : 산발효 침전조
1030 : 격벽
1040 : 경사판
1100 : 유기성 폐기물 유입조

Claims (3)

  1. 유입되는 하폐수를 저류시키는 기능과 함께 주입된 제1응집제와 저류된 하폐수를 혼화 교반시켜 플록을 형성하는 급속혼화형 유입분배조(100);
    상기 급속혼화형 유입분배조(100) 후단에 위치하는 산소공급이 되지 않는 무산소(anoxic)조건 또는 절대혐기(anaerobic) 조건 상태를 유지하는 교대반응 1조(200) 및 교대반응 2조(210);
    상기 교대반응 1조(200) 및 교대반응 2조(210) 후단에 위치하며 제2응집제가 공급되는 호기조(300);
    상기 호기조(300) 후단에 위치하는 무산소조(400); 및
    상기 무산소조(400)로부터 유출된 혼합액이 공급되는 분리막조(500)를 포함하되,
    상기 호기조(300)로부터 인발한 슬러지를 유입수 흐름 분배조(120)로 반송시키는 제1슬러지 이송펌프를 더 구비하고;
    상기 급속혼화형 유입분배조(100)는 유입수와 응집제가 혼합되는 응집혼화조(110)와 유입수 흐름 분배조(120)를 포함하며,
    상기 응집혼화조(110)에는 깔때기 형상을 갖는 와류형성 혼합본체(111-1), 상기 와류형성 혼합본체(111-1) 내부 측면의 혼합액 흐름에 회전력을 부여하기 위한 나선형 유로, 상기 와류형성 혼합본체(111-1)의 혼합액 유입측 부근의 흐름유도판(111-2) 및 상기 와류형성 혼합본체(111-1)의 나선형 유로상에 구비된 유연하게 구부러질 수 있는 와류증폭 돌기부(111-3)를 포함하는 무동력 급속혼화장치(111)가 구비되어 있고,
    상기 유입수 흐름 분배조(120) 일측면에는 교대반응 1조 공급관(120-1)이 형성되며, 상기 유입수 흐름분배조(120)의 바닥면에는 교대반응 2조 공급관(120-2)이구비되어 있고, 상기 교대반응 2조 공급관(120-2)에는 공기 주입에 의하여 부피가 팽창하는 볼(121-1), 상기 볼(121-1)로의 공기공급을 위한 공기공급관로(121-2), 공기발생을 위한 컴프레서(121-3), 공기공급을 차단하기 위한 밸브(121-4), 공기공급량을 조절하기 위한 레귤레이터(121-5) 및 볼(121-1)의 공기를 배출하기 위한 벤트(121-6)를 포함한 유입수 흐름 제어수단(121)이 구비되어 있고,
    상기 무산소조(400)에는 교반수단 본체부(410-1), 다수개의 유체흐름구멍(410-5)이 형성된 가이드 커버부(410-2), 프로펠러(410-3) 및 탄소원 공급라인(410-4)을 포함하는 탄소원 주입 일체형 다목적 수중교반수단(410)이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 교대 운전 혐기조와 이단 응집 기반 엠비알 기술을 이용한 하폐수 고도처리시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 급속혼화형 유입분배조(100) 전단에 산발효조(1000)가 구비되고, 상기 분리막조(500) 후단에는 저에너지형 축전식 탈염수단(800)이 더 구비된 것을 특징으로 하는 교대 운전 혐기조와 이단 응집 기반 엠비알 기술을 이용한 하폐수 고도처리시스템.
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