KR101590408B1 - 소규모 하·폐수 처리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소규모 하·폐수 처리 시스템으로, 보다 상세하게는 1차 침전조, 전기분해조, 2차 침전조, 중력식 2단 사여과장치, PUV 처리조, 볼밀 파쇄 장치 및 슬러지 건조 시스템으로 구성되어 질소 및 인을 제거하고, 응집제로 아세트산 화합물을 투입하여 침전조에서 슬러지를 용출시키되, 슬러지 건조시스템에서 슬러지를 건조시켜 슬러지 건조 케이크를 발생시키며, Pulsed UV에 의해 최종적으로 소독하여 처리수를 유출시키는 소규모 하·폐수 처리 시스템에 관한 것이다.

Description

소규모 하·폐수 처리 시스템{Small-scale sewage and wastewater treatment system}
본 발명은 소규모 하·폐수 처리 시스템으로, 보다 상세하게는 1차 침전조, 전기분해조, 2차 침전조, 중력식 2단 사여과장치, PUV 처리조, 볼밀 파쇄 장치 및 슬러지 건조 시스템으로 구성되어 질소 및 인을 제거하고, 응집제로 아세트산 화합물을 투입하여 침전조에서 슬러지를 용출시키되, 슬러지 건조시스템에서 슬러지를 건조시켜 슬러지 건조 케이크를 발생시키며, Pulsed UV에 의해 최종적으로 소독하여 처리수를 유출시키는 소규모 하·폐수 처리 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 국내 하수처리시설은 표준활성슬러지 공법이나 상기 공법의 추가 또는 변형된 공법을 사용하고 있고 그에 따른 영양염류의 제거 효율은 20%이하로, 강화되고 있는 수질기준에 부합하기 위해 하폐수고도처리공법의 도입이 불가피한 실정이다.
외국에서 적용되고 있는 A2/O 공정, UCT 공정, VIP 공정 등은 국내의 합류식 하수배제 방식으로 인한 유기물질의 낮은 농도에 의하여 적용되지 못하고 있고, 국내의 생활오수 약 78%는 하수처리구역 내에서 발생하고 있으나, 하수관거 정비 미흡, 하수처리시설의 시설 용량 부족 등으로 실제 하수처리시설로 처리되는 오수량은 이보다 적을 것으로 추정되며, 소규모 지역에서 생산되는 생활폐수, 축산폐수, 대형건물의 폐수, 중소 공단지역 또는 공장에서 발생되는 폐수는 처리시설의 미비, 혹은 부재로 인하여 수계(水系)로 바로 배출되고 있는 실정이다.
일반적인 종래의 하폐수의 처리방법은 더 상세하게 물리적 처리, 화학적 처리, 및 생물할적 처리를 중심으로 시행되고 있으며, 물리적 처리는 하폐수 중의 고형물을 중력에 의해 액체로부터 분리하거나 또는 기타의 물리적 방법으로 처리하는 공법으로 처리의 한계성이 있고, 화학적 처리는 화학 약품을 하폐수에 첨가하여 중화 또는 ph조정, 산화 환원, 응집 침전, 흡착등의 처리공법으로 화학약품 비용 및 슬러지 발생량의 증가에 따른 처리비용이 매우 높으며, 상기의 물리화학적 방법의 단점을 보완하기 위하여 생물학적 고도처리방법을 적용하고 있으나 생물학적 고도처리 방법인 경우 유입수 중의 유기물과 영양염류의 농도에 따라 처리효율에 큰 영향을 받고 있으며, 이에 활성미생물에 의한 영양염류 제거율의 신뢰도가 낮은 형편이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 전기분해설비를 연구 및 설치하여 운영되고 있으며 상기 전기분해를 이용한 선행기술들로는, 한국등록특허 10-1306980호는 생물반응공정을 포함하는 수처리장치에 있어서, 호기조로 유입된 처리대상수에 철 이온을 공급하기 위해 상기 처리 대상수를 전기분해하는 전해수단을 구비하며, 상기 전해수단은 상기 호기조로 유입된 처리대상수가 경유하는 전해조와, 상기 전해조에 설치되며 양극 및 음극 전극이 번갈아 배치되는 전극부와 상기 전극부로 전원을 공급하는 전원공급부를 구비하고 상기 전극의 강판을 열처리하며 3시간동안 서냉하여 열처리한 것을 특징으로 하는 철 전기분해를 이용한 수처리장치를 제공하고 있다.
상기 종래의 전기분해를 비롯한 기존 상용되고 있는 하폐수 고도처리공정은 협소(狹小)한 장소에서의 설치가 어려우며, 폐수내 인 제거에만 중점을 두고 공정을 운용하고, 잔류오염물질의 배출을 피할 수 없으며 처리수내 바이러스 및 병원성 세균의 살균작용이 적은 문제점이 있다.
한편, 기존 CSOs 처리는 SS(suspended solid)에 국한되어 수인성 질병 등에 취약성을 보였으나, 최근 국내에서 병원성 대장균을 규제하자는 움직임이 보이고 있어, 기존 처리 방법에 추가적인 공정 및 새로운 공정이 요구되는 실정이다. 기존 소독 방법은 UV를 이용하는 공정, Chlorine을 이용하는 방법, 오존을 이용하는 방법 등이 있는데, 염소 소독에 의한 소독 부산물의 발생, 오존의 낮은 경제성, UV 사용시의 전처리 공정 요구 등이 기존 소독의 문제점으로 대두되어 왔다.
더불어 하폐수 처리장으로부터 발생되는 슬러지의 함수율을 줄여야 경제적인 처리가 가능한데 슬러지의 함수율을 줄이기 위해, 진공압, 압착력, 원심력 등의 다양한 방법들이 적용되고 있다.
하지만 열압착력에 의한 탈수방법인 열탈수 공법, 원심력 공법등은 에너지 소모량이 큰 단점이 있어 범용적으로 확대되는데 어려움이 있다.
한국 등록특허 10-1306980호(2013.09.04.)
본 발명은 상기와 같은 종래의 일반적인 전기분해공정을 이용한 하폐수처리시 잔류오염 물질의 제거와 적은 부지를 갖고 있는 소규모 지역 및 소규모 시설에 설치가 가능한 처리설비기술 확보 및 국내 강에서 특히 도심하천에서 발견되고 있는 슈퍼박테리아와 같은 병원성세균 및 바이러스의 문제를 해결 할수 있고 잔류오염물질의 배출을 최소화하고 슬러지의 함수율을 줄임과 동시에 경제적인 처리를 가능하게 하는 하·폐수 처리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하고 목적을 달성하기 위하여 본 발명인 소규모 하·폐수 처리 시스템은 1차 침전조(100), 전기분해조(200), 2차 침전조(300), 수질 분석 장치(미도시), 중력식 2단 사여과장치(400), 무화장치(500) 및 PUV 처리조(600)로 구성된다.
상기 1차 침전조(100)는 부유 입자의 고액분리를 하여 슬러지를 침전시킨다.
상기 전기분해조(200)는 전기분해를 이용하여 인을 용출한다.
상기 2차 침전조(400)는 침전조 초입에 응집제를 투입하여 잔류 인 제거 및 미세부유입자(SS)를 응집시켜 제거한다.
상기 수질 분석 장치는 분관광도계를 사용하여 NH3-N, Fe, 잔류염소, THM(Trihalomethane), CHCl3의 농도를 측정한다.
상기 중력식 2단 사여과장치(400)는 초입에 수질 분석장치에 의해 분석된 폐수의 각각 기준 농도가 NH3-N는 0.15mg/L, Fe는 0.03mg/L, 잔류염소는 0.3mg/L, THM(Trihalomethane)은 0.03mg/L, CHCl3 은 0.025mg/L 라고 할 때 유입되는 폐수에유입되어 있는 물질의 농도가 이중 어느 하나라도 초과하게 되면 2단 여과를 하고, 모두 기준농도 이하이면 1단 여과를 한다.
상기 무화장치(500)는 상기 중력식 2단 사여과장치(400)에서 처리되어 유출되는 유입수를 압축기(미도시)에 연결된 고압노즐(미도시)에 의해 미세하게 무화시켜 필터부(미도시)에 분사한다.
상기 PUV 처리조(600)는 PUV 광원(610)(Pulsed Ultra Violet)과 알루미늄 반사판(620)을 이용하여 상기 PUV 처리조를 흐르는 유입수를 소독한다.
상기 1차 침전조(100)는 침전조 초입전에 철염 및 탄산염을 투입하여 인과 질산성 질소를 제거한다.
상기 중력식 2단 사여과 장치(400)는 상층에 무연탄층(411), 하층에 입경 1.2mm~2mm의 모래로 구성된 거친 조립모래층(412) 및 1단 여과 드레인(413)으로 이뤄진 1단 여과기(410)와, 상층에 입상 활성탄층(421), 하층에 입경 0.8mm~1.2mm의 모래로 구성된 고운 세립 모래층(422) 및 2단 여과 드레인(423)으로 이뤄진 2단 여과기(420)와, 여과된 처리수를 다음 단계로 유출시키는 퇴수관(440)과, 상기 1단 여과 드레인(413)과 퇴수관(440) 사이에 설치된 1단 여과 밸브(431)와 2단 여과 드레인(423)과 퇴수관(440) 사이에 설치된 2단 여과 밸브(432)로 구성된다.
상기 수질 분석 장치(미도시)에 의해 분석된 폐수의 각각 기준 농도가 NH3-N는 0.15mg/L, Fe는 0.03mg/L, 잔류염소는 0.3mg/L, THM(Trihalomethane)은 0.03mg/L, CHCl3 은 0.025mg/L 라고 할 때 유입되는 폐수에 포함되어 있는 물질의 농도가 이중 어느 하나라도 초과하게 되면 상기 1단 여과 밸브(431)는 닫히고 2단 여과밸브(432)가 열리며, 모두 기준 농도 이하이면 1단 여과 밸브(431)가 열리고 2단 여과 밸브(432)가 닫힌다.
상기 PUV 처리조(600)는 석영셀을 외피로 하되 파장대역 185-280nm인 펄스 자외선을 조사하는 PUV 광원(610)과 알루미늄 포일을 표면으로 하는 알루미늄 반사판(620)으로 이루어진다.
상기 PUV 광원(610)은 면광원, 점광원 중 어느 하나를 사용한다.
상기 전기분해조(200)는 양극의 철(Fe)전극 표면에서 생성된 2가 철 이온이 수용액에서 전류의 흐름에 따라 음극의 철 전극 표면으로 이동하면서 전기분해반응조 내 용존산소와 반응하여 3가 철로 산화되고 인과 결합하여 인이 제거되는 원리를 가진다.
상기 하ㆍ폐수처리시스템은 볼밀 파쇄 장치(700) 및 슬러지 건조 시스템(800)을 추가적으로 포함한다.
상기 볼밀 파쇄 장치(700)는 그 내부에 회전속도 6~22m/s로 운전되는 교반기(720)가 설치되어 있고, 입경이 0.3mm~0.8mm인 유리볼이나 금속볼로 파쇄장치 체적의 55~85% 충전되어 있으며, 상기 침전조(400)로부터 발생한 침전된 슬러지가 유입되되 이를 파쇄하여 슬러지 건조 시스템(800)으로 유출하며, 슬러지 파쇄 과정 중 발생한 수분은 침전조(400)로 반송한다.
상기 슬러지 건조 시스템(800)은 탈수장치(810), 태양열 집열기(820), 열교환기(830), 보일러(840), 지중열교환기(870), 지열히트펌프(860), 슬러지 건조탱크(840), 펌프(미도시)로 구성된다.
상기 탈수 장치(810)는 원심력을 이용한 원심분리기를 이용하여 슬러지를 탈수시켜 슬러지 건조탱크(840)로 이동시키며, 상기 태양열 집열기(820)는 최대 초점 온도 300℃ 이상이며 최대 운전 온도는 250 ℃이상인 사양인 PTC(Parabolic Trough Collector)형 태양열 집열기를 사용하여 상기 열교환기(830)에서 열교환되어 열에너지를 슬러지 건조탱크(840)에 공급하며, 상기 지중열 교환기(870)는 지열히트펌프(860)를 거쳐 열에너지를 슬러지 건조탱크에 공급하며, 상기 보일러(850)는 태양열 집열기로부터 수집된 열원의 온도가 80℃ 미만일때 보조적으로 가동되어 슬러지 건조탱크(840)에 공급한다.
상기 펌프(미도시)는 태양열 교환기(820)와 열교환기(830) 사이, 열교환기(830)와 슬러지 건조탱크(840) 사이, 보일러(850)와 슬러지 건조 탱크(840) 사이, 지중열 교환기(870)와 지열히트펌프(860) 사이, 지열 히트펌프(860)와 슬러지 건조탱크(840) 사이에 설치되어 열에너지를 포함한 열매체를 순환시킨다.
상기 태양열 집열기(820)와 연결된 열교환기(830) 및 지열히트펌프(860)에서 유출되는 열매체의 온도가 80℃ 미만일 경우 각각 열교환기(830)와 슬러지 건조 탱크(840) 사이에 설치된 펌프, 지열히트펌프(860)와 슬러지 건조 탱크(840) 사이에 설치된 펌프의 작동이 중단되며, 상기 슬러지 건조 탱크(840)는 상기 태양열 집열기(820), 보일러(850)로부터 열원을 공급받아 유입된 슬러지를 건조하여 배출한다.
상기 2차 침전조(300) 초입에 투입되는 응집제는 산화알루미늄(Al2O3)의 농도가 55~60%인 수산화알루미늄(Al(OH)3) 30~70 중량부, 농도가 30~35% 염산(HCl) 10~40 중량부 및 농도가 70~95%인 아세트산(CH3COOH)을 2~32 중량부의 비율로 하여 1차 혼합물을 얻고, 상기 1차 혼합물, 돌로마이트(dolomite), 석회석(limestone) 및 활성 규사 분말을 1:0.5~2:0.1~2:00.5~2의 중량비로 혼합하여 10~300 kgf/cm2의 압력 하에서 55~60℃로 가열한 후 수산화알루미늄(AlOH3) 100 중량부에 대하여 산화나트륨(Na2O)의 농도가 10~40 %인 가성소다(NaOH) 5~25 중량부의 비율로 주입하여 혼합한 다음 일정시간 교반하고 교반된 혼합물을 120~200℃의 온도 조건하에서 3.5~12시간 동안 반응 후 30~40℃에서 냉각시켜 제조되며, 상기 응집제의 혼합물 중에서 아세트산(CH3COOH)은 수소 이온과 수산화 이온이 결합하여 중화 반응을 일으킬 때 수중의 미세입자들의 흡착력을 증대시키는 것을 특징으로 한다.
상기 슬러지 건조 시스템(800)은 열매체의 온도를 측정하기 위한 온도센서(미도시) 및 제어장치(미도시)를 추가적으로 포함하되, 상기 온도센서는 열교환기(830) 온수 유출구, 슬러지 건조탱크(840) 내부 및 지열히트펌프(860) 온수 유출구에 각각 설치되며, 상기 제어장치(미도시)는 온도센서에 의해 각각 열교환기 온수(830) 유출구, 지열히트펌프(860) 온수 유출구의 온도 정보를 받아 그 온도 정보가 80℃ 미만일 경우 각각 열교환기(830)와 슬러지 건조 탱크(840) 사이에 설치된 펌프, 지열히트펌프(860)와 슬러지 건조탱크(840) 사이의 펌프의 가동을 중단시키되 보일러(850)를 가동시킨다.
상기 볼밀 파쇄 장치(700)는 교반되는 금속볼 사이에서 발생되는 전단마찰력과 열에 의해 파쇄시키며 교번 제어에 의해 일정시간 역방향으로 구동되어 볼 및 스크린망(730)이 세척된다.
상기 슬러지 건조 탱크(840)는 슬러지 건조 과정 중 발생하는 가스를 처리하는 가스 유출기와 건조 과정 중 발생하는 수분을 모아 침전조(400)로 반송시키는 반송수 처리 장치와 건조된 슬러지 케이크를 배출시키는 케이크 배출기로 구성되되, 탱크 내부에 열원을 전달하는 열매체(물)가 흐르는 관과 접촉되어 있는 열판과 상기 열판 사이에 슬러지가 건조되는 건조공간으로 이루어진 모듈이 복수개 설치되어 있다.
본 발명에 의하면 중력식 2단 사여과 장치, 무화장치 및 슬러지 건조시스템에 의해 잔류오염 물질을 최소화 시킬 수 있으며, 적은 부지를 갖고 있는 소규모 지역 및 소규모 시설에 설치가 가능하며, 국내 강, 특히 도심하천에서 발견되고 있는 슈퍼박테리아와 같은 병원성세균 및 바이러스의 문제가 해결되며, 발생되는 슬러지의 함수율을 줄임과 동시에 태양열 또는 지열등의 신재생에너지를 활용하여 슬러지의 경제적인 처리가 가능해진다.
도 1은 본 발명인 소규모 하수처리 시스템의 개략적인 공정도이다.
도 2는 본 발명인 소규모 하수처리 시스템의 구성장치인 볼밀 파쇄 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명인 소규모 하수처리 시스템에 포함된 슬러지 건조 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명인 소규모 하수처리 시스템에 포함된 중력식 2단 여과 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명인 소규모 하수처리 시스템에 포함된 PUV 처리조를 이루는 1개의 모듈의 원리를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5의 1개의 모듈이 수평으로 복수개로 연결되어 구성된 PUV 처리조의 모습을 나타낸 도면이다.
본 발명의 명칭은 "소규모 하·폐수 처리 시스템"으로 통상의 기술자가 쉽게 알 수 있도록 구체적인 내용을 기재하고 충분히 유추 가능한 별도의 기재는 생략하며 필요 경우 실시예 및 도면을 기재한다. 또한 본 명세서 및 특허청구범위에서 정의된 용어들은 한정 해석하지 아니하며, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있고 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 발명의 일면에 있어서,
도 1은 본 발명인 소규모 하수처리 시스템의 개략적인 공정도이고, 도 2는 본 발명인 소규모 하수처리 시스템의 구성장치인 볼밀 파쇄 장치를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명인 소규모 하수처리 시스템에 포함된 슬러지 건조 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명인 소규모 하수처리 시스템에 포함된 중력식 2단 여과 장치를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명인 소규모 하수처리 시스템에 포함된 PUV 처리조를 이루는 1개의 모듈의 원리를 나타낸 도면이고, 도 6은 도 5의 1개의 모듈이 수평으로 복수개로 연결되어 구성된 PUV 처리조의 모습을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면 본 발명인 소규모 하·폐수 처리 시스템은 1차 침전조(100), 전기분해조(200), 2차 침전조(300), 수질 분석 장치(미도시), 중력식 2단 사여과장치(400), 무화장치(500) 및 PUV 처리조(600)로 구성된다.
상기 1차 침전조(100)는 부유 입자의 고액분리를 하여 슬러지를 침전시킨다.
상기 전기분해조(200)는 전기분해를 이용하여 인을 용출한다.
상기 전기분해조(200)는 양극의 철(Fe)전극 표면에서 생성된 2가 철 이온이 수용액에서 전류의 흐름에 따라 음극의 철 전극 표면으로 이동하면서 전기분해반응조 내 용존산소와 반응하여 3가 철로 산화되고 인과 결합하여 인이 제거되는 원리를 가진다.
상기 전기분해조(20)의 철 석출장치에 장착된 철판 표면에 DC/DC Converter에 의한 전류를 통하게 하여 철을 석출되게 하는 전기화학적 산화법으로 철 전극을 사용하였을 때의 금속 수산화물 생성 메커니즘은 다음과 같다.
(Anode)
Fe → Fe2+ + 2e-
Fe2+ → Fe3+ + 3e-
FOH- → 2H2O + O2 + 4e-
(Cathode)
H2O → H+ + OH-
Fe3+ + PO4 3-→ FePO4 ↓
Fe3+ + 3H2O → Fe(OH)3 ↓ +3H+
생성된 철염과 반응조 내 인은 철산화물에 흡착 제거되고 생물학적 인 제거에 비하여 빠른 인 처리속도 및 인의 농도에 관계없이 처리가 가능하다.
실험예 : 인 제거 효율
KH2PO4의 투여량을 39.2 ~ 19.5 mg/l 조절하고 4번에는 철 전극판을 사용하지 않았다. 철을 이용한 전기분해조에서의 인 제거율이 높고 인 부하량이 높을수록 철 농도도 높아지는 것으로 나타내었다.
1번 2번 3번 4번
인 부하량 mg/l 39.2 30.1 19.5 19.5
PO4-P Effluent 3.2 3.0 2.6 16.5
R.E.(%) 84.6 85.2 89.2 23.9
철 농도 mg/l 55.1 60.9 78.3 없음
HTR/SRT hr/day 8/6 8/6 8/6 8/6
상기 전기분해조의 양극은 알루미늄 재질로 대체 가능하다.
상기 2차 침전조(400)는 침전조 초입에 응집제를 투입하여 잔류 인 제거 및 미세부유입자(SS)를 응집시켜 제거한다.
상기 수질 분석 장치는 분관광도계를 사용하여 NH3-N, Fe, 잔류염소, THM(Trihalomethane), CHCl3의 농도를 측정한다.
상기 중력식 2단 사여과장치(400)는 초입에 수질 분석장치에 의해 분석된 폐수의 각각 기준 농도가 NH3-N는 0.15mg/L, Fe는 0.03mg/L, 잔류염소는 0.3mg/L, THM(Trihalomethane)은 0.03mg/L, CHCl3 은 0.025mg/L 라고 할 때 유입되는 폐수에유입되어 있는 물질의 농도가 이중 어느 하나라도 초과하게 되면 2단 여과를 하고, 모두 기준농도 이하이면 1단 여과를 한다.
상기 무화장치(500)는 상기 중력식 2단 사여과장치(400)에서 처리되어 유출되는 유입수를 압축기(미도시)에 연결된 고압노즐(미도시)에 의해 미세하게 무화시켜 필터부(미도시)에 분사한다. 이때 필터부는 무화된 처리수의 입자의 크기에 따라 여과되는 특성을 가지도록 필터부의 통과되는 구멍의 크기가 조절될 수 있음이 바람직하다. 그럼으로써 미세입자등을 함유한 무화된 처리수를 여과할 수 있다.
상기 1차 침전조(100)는 침전조 초입전에 철염 및 탄산염을 투입하여 인과 질산성 질소를 제거한다.
상기 아세트산이 첨가된 응집제를 제조하는 방법에 있어서,
(a) 산화알루미늄(Al2O3)의 농도가 55~60%인 수산화알루미늄(Al(OH)3) 30~70 중량부, 농도가 30~35% 염산(HCl) 10~40 중량부 및 농도가 70~95%인 아세트산(CH3COOH)을 2~32 중량부의 비율로 하여 1차 혼합물을 얻는 단계;
(b) 단계 (a) 과정에서 얻어진 1차 혼합물, 돌로마이트(dolomite), 석회석(limestone), 및 활성 규사(quartz sand) 분말을 1:0.5~2:0.1~2:0.5~2의 중량비로 혼합하는 단계;
(c) 단계 (a), 단계 (b) 과정에서 얻어진 혼합된 혼합물을 10~300kgf/㎠의 압력하에서 55~60℃의 온도로 가열하는 단계;
(d) 단계 (c) 과정에서 가열된 혼합물에 수산화알루미늄(AlOH3) 100 중량부에 대하여 산화나트륨(Na20)의 농도가 10~40%인 가성소다(NaOH) 5~25 중량부의 비율로 주입하여 혼합하는 단계;
(e) 단계 (d) 과정에서 혼합된 혼합물을 일정 시간 동안 교반시키는 단계;
(f) 단계 (e) 과정에서 교반된 혼합물을 120~200℃의 온도 조건하에서 3.5~12시간 동안 반응시키는 단계; 및
(g) 단계 (f) 과정에서 반응물을 30~40℃의 온도로 냉각시키는 단계;를 포함한다.
상기 2차 침전조(300) 초입에 투입되는 응집제는 산화알루미늄(Al2O3)의 농도가 55~60%인 수산화알루미늄(Al(OH)3) 30~70 중량부, 농도가 30~35% 염산(HCl) 10~40 중량부 및 농도가 70~95%인 아세트산(CH3COOH)을 2~32 중량부의 비율로 하여 1차 혼합물을 얻고, 상기 1차 혼합물, 돌로마이트(dolomite), 석회석(limestone) 및 활성 규사 분말을 1:0.5~2:0.1~2:00.5~2의 중량비로 혼합하여 10~300 kgf/cm2의 압력 하에서 55~60℃로 가열한 후 수산화알루미늄(AlOH3) 100 중량부에 대하여 산화나트륨(Na2O)의 농도가 10~40 %인 가성소다(NaOH) 5~25 중량부의 비율로 주입하여 혼합한 다음 일정시간 교반하고 교반된 혼합물을 120~200℃의 온도 조건하에서 3.5~12시간 동안 반응 후 30~40℃에서 냉각시켜 제조되며, 상기 응집제의 혼합물 중에서 아세트산(CH3COOH)은 수소 이온과 수산화 이온이 결합하여 중화 반응을 일으킬 때 수중의 미세입자들의 흡착력을 증대시키는 것을 특징으로 한다.
실험예 : 응집 특성 시험
응집제 조성물을 광주광역시 S하수종말처리장에서 채취한 원수에 최종 농도 20mg/l로 처리하고, 상기 원수 및 처리수를 Jar-tester(응집 반응을 시험하는 기구)를 이용하여 250rpm의 속도로 약 1분간 급속 교반 및 약 30rpm에서 30분 동안 완속 교반한 후 30분간 정치(定置)하고, 정치가 끝난 원수 및 처리수를 채취하여 염기도, 탁도 및 pH를 측정하였다. 비교용으로는 시판되는 폴리염화알루미늄(PAC)를 사용하였다. 그 결과를 다음의 표 2에 나타내었다.
시험항목 처리 전(원수) 처리 후(본 발명) 처리 후(비교 예) 단위
염기도 40 52 43 %
탁도 1.254 0.802 0.957 NTU
pH 5.3 7.2 6.7 -
상기 응집제(40)는 일반적으로 사용이 가능한 물질로 대체 가능하다.
도 2 및 도 3을 참조하면 상기 하ㆍ폐수처리시스템은 볼밀 파쇄 장치(700) 및 슬러지 건조 시스템(800)을 추가적으로 포함한다.
도 2를 참조하면 상기 볼밀 파쇄 장치(700)는 그 내부에 회전속도 6~22m/s로 운전되는 교반기(720)가 설치되어 있고, 입경이 0.3mm~0.8mm인 유리볼이나 금속볼로 파쇄장치 체적의 55~85% 충전되어 있으며, 상기 침전조(400)로부터 발생한 침전된 슬러지가 유입되되 이를 파쇄하여 슬러지 건조 시스템(800)으로 유출하며, 슬러지 파쇄 과정 중 발생한 수분은 침전조(400)로 반송한다.
상기 볼밀 파쇄 장치(700)는 교반되는 금속볼 사이에서 발생되는 전단마찰력과 열에 의해 파쇄시키며 교번 제어에 의해 일정시간 역방향으로 구동되어 볼 및 스크린망(730)이 세척된다.
도 3을 참조하면 상기 슬러지 건조 시스템(800)은 탈수장치(810), 태양열 집열기(820), 열교환기(830), 보일러(840), 지중열교환기(870), 지열히트펌프(860), 슬러지 건조탱크(840), 펌프(미도시)로 구성된다.
상기 탈수 장치(810)는 원심력을 이용한 원심분리기를 이용하여 슬러지를 탈수시켜 슬러지 건조탱크(840)로 이동시키며, 상기 태양열 집열기(820)는 최대 초점 온도 300℃ 이상이며 최대 운전 온도는 250 ℃이상인 사양인 PTC(Parabolic Trough Collector)형 태양열 집열기를 사용하여 상기 열교환기(830)에서 열교환되어 열에너지를 슬러지 건조탱크(840)에 공급하며, 상기 지중열 교환기(870)는 지열히트펌프(860)를 거쳐 열에너지를 슬러지 건조탱크에 공급하며, 상기 보일러(850)는 태양열 집열기로부터 수집된 열원의 온도가 80℃ 미만일때 보조적으로 가동되어 슬러지 건조탱크(840)에 공급한다.
상기 펌프(미도시)는 태양열 교환기(820)와 열교환기(830) 사이, 열교환기(830)와 슬러지 건조탱크(840) 사이, 보일러(850)와 슬러지 건조 탱크(840) 사이, 지중열 교환기(870)와 지열히트펌프(860) 사이, 지열 히트펌프(860)와 슬러지 건조탱크(840) 사이에 설치되어 열에너지를 포함한 열매체를 순환시킨다.
상기 태양열 집열기(820)와 연결된 열교환기(830) 및 지열히트펌프(860)에서 유출되는 열매체의 온도가 80℃ 미만일 경우 각각 열교환기(830)와 슬러지 건조 탱크(840) 사이에 설치된 펌프, 지열히트펌프(860)와 슬러지 건조 탱크(840) 사이에 설치된 펌프의 작동이 중단되며, 상기 슬러지 건조 탱크(840)는 상기 태양열 집열기(820), 보일러(850)로부터 열원을 공급받아 유입된 슬러지를 건조하여 배출한다.
상기 슬러지 건조 시스템(800)은 열매체의 온도를 측정하기 위한 온도센서(미도시) 및 제어장치(미도시)를 추가적으로 포함하되, 상기 온도센서는 열교환기(830) 온수 유출구, 슬러지 건조탱크(840) 내부 및 지열히트펌프(860) 온수 유출구에 각각 설치되며, 상기 제어장치(미도시)는 온도센서에 의해 각각 열교환기 온수(830) 유출구, 지열히트펌프(860) 온수 유출구의 온도 정보를 받아 그 온도 정보가 80℃ 미만일 경우 각각 열교환기(830)와 슬러지 건조 탱크(840) 사이에 설치된 펌프, 지열히트펌프(860)와 슬러지 건조탱크(840) 사이의 펌프의 가동을 중단시키되 보일러(850)를 가동시킨다.
상기 슬러지 건조 탱크(840)는 슬러지 건조 과정 중 발생하는 가스를 처리하는 가스 유출기와 건조 과정 중 발생하는 수분을 모아 침전조(400)로 반송시키는 반송수 처리 장치와 건조된 슬러지 케이크를 배출시키는 케이크 배출기로 구성되되, 탱크 내부에 열원을 전달하는 열매체(물)가 흐르는 관과 접촉되어 있는 열판과 상기 열판 사이에 슬러지가 건조되는 건조공간으로 이루어진 모듈이 복수개 설치되어 있다.
도 4를 참조하면 상기 중력식 2단 사여과 장치(400)는 상층에 무연탄층(411), 하층에 입경 1.2mm~2mm의 모래로 구성된 거친 조립모래층(412) 및 1단 여과 드레인(413)으로 이뤄진 1단 여과기(410)와, 상층에 입상 활성탄층(421), 하층에 입경 0.8mm~1.2mm의 모래로 구성된 고운 세립 모래층(422) 및 2단 여과 드레인(423)으로 이뤄진 2단 여과기(420)와, 여과된 처리수를 다음 단계로 유출시키는 퇴수관(440)과, 상기 1단 여과 드레인(413)과 퇴수관(440) 사이에 설치된 1단 여과 밸브(431)와 2단 여과 드레인(423)과 퇴수관(440) 사이에 설치된 2단 여과 밸브(432)로 구성된다.
상기 수질 분석 장치(미도시)에 의해 분석된 폐수의 각각 기준 농도가 NH3-N는 0.15mg/L, Fe는 0.03mg/L, 잔류염소는 0.3mg/L, THM(Trihalomethane)은 0.03mg/L, CHCl3 은 0.025mg/L 라고 할 때 유입되는 폐수에 포함되어 있는 물질의 농도가 이중 어느 하나라도 초과하게 되면 상기 1단 여과 밸브(431)는 닫히고 2단 여과밸브(432)가 열리며, 모두 기준 농도 이하이면 1단 여과 밸브(431)가 열리고 2단 여과 밸브(432)가 닫힌다.
도 5 및 도 6을 참조하면 상기 PUV 처리조(600)는 PUV 광원(610)(Pulsed Ultra Violet)과 알루미늄 반사판(620)을 이용하여 상기 PUV 처리조를 흐르는 유입수를 소독한다.
상기 PUV 처리조(600)는 석영셀을 외피로 하되 파장대역 185-280nm인 펄스 자외선을 조사하는 PUV 광원(610)과 알루미늄 포일을 표면으로 하는 알루미늄 반사판(620)으로 이루어진다.
상기 PUV 광원(610)은 면광원, 점광원 중 어느 하나를 사용한다.
상기 알루미늄 반사판에 사용되는 알루미늄은 알루미늄(1050), 알루미늄(6061), 알루미늄(5052), 알루미늄 미러 및 알루미늄 포일(Alu 1000) 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
PUV 광원과 알루미늄 반사판 간 거리 중 가장 긴 거리는 1 미터를 초과하면 안된다.
전기분해조에서 유출되는 하폐수가 급격하게 PUV 처리조로 유입되는 것을 막기위해 유입되는 하폐수의 양을 조절하는 유량 제어 장치를 두는 것이 바람직하다.
유량 제어장치는 수문의 상하 개폐에 따라 유량을 제어하는 방식이 적합할 수 있다.
Pulsed UV를 이용한 공정은 소독 부산물이 거의 생성되지 않으며, 오존에 비해 경제성이 뛰어나고, 기존 UV 공정에 비해 SS 등에 의한 영향이 적으며, 반응시간이 매우 짧아 처리수내 바이러스 및 병원성 세균의 살균작용을 경제적이면서도 효과적으로 강화할 수 있다.
본 발명에 의하면 중력식 2단 사여과 장치, 무화장치 및 슬러지 건조시스템에 의해 잔류오염 물질을 최소화 시킬 수 있으며, 적은 부지를 갖고 있는 소규모 지역 및 소규모 시설에 설치가 가능하며, 국내 강, 특히 도심하천에서 발견되고 있는 슈퍼박테리아와 같은 병원성세균 및 바이러스의 문제가 해결되며, 발생되는 슬러지의 함수율을 줄임과 동시에 태양열 또는 지열등의 신재생에너지를 활용하여 슬러지의 경제적인 처리가 가능해진다.
본발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었지만, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술은 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 : 1차 침전조 200 : 전기분해조
300 : 2차 침전조
400 : 중력식 2단 여과장치 410 : 1단 여과기
411 : 무연탄층 412 : 조립모래층
413 : 1단 여과 드레인 420 : 2단 여과기
421 : 입상 활성탄층 422 : 세립모래층
423 : 2단 여과 드레인
431 : 1단 여과 밸브 432 : 2단 여과 밸브
440 : 퇴수관
500 : 무화장치
600 : PUV 처리조
610 : PUV 광원 620 : 알루미늄 반사판
700 : 볼밀 파쇄 장치
710 : 몸통 720 : 교반기
730 : 스크린망 740 : 모터
800 : 슬러지 건조 시스템
810 : 탈수장치 820 : 태양열 집열기
830 : 열교환기 840 : 슬러지 건조 탱크
850 : 보일러 860 : 지열히트펌프
870 : 지중열교환기

Claims (13)

  1. 소규모 하·폐수처리 시스템에 있어서,
    상기 하·폐수처리 시스템은 1차 침전조, 전기분해조, 2차 침전조, 수질 분석 장치, 중력식 2단 사여과장치, 무화장치 및 PUV 처리조로 구성되되,
    상기 1차 침전조는 부유 입자의 고액분리를 하여 슬러지를 침전시키며,
    상기 전기분해조는 전기분해를 이용하여 인을 용출하며,
    상기 전기분해조는 양극의 철(Fe)전극 표면에서 생성된 2가 철 이온이 수용액에서 전류의 흐름에 따라 음극의 철 전극 표면으로 이동하면서 전기분해반응조 내 용존산소와 반응하여 3가 철로 산화되고 인과 결합하여 인이 제거되고,
    상기 2차 침전조는 침전조 초입에 응집제를 투입하여 잔류 인 제거 및 미세부유입자(SS)를 응집시켜 제거하며,
    상기 수질 분석 장치는 분관광도계를 사용하여 NH3-N, Fe, 잔류염소, THM(Trihalomethane), CHCl3의 농도를 측정하며,
    상기 중력식 2단 사여과장치는 초입에 수질 분석장치에 의해 분석된 폐수의 각각 기준 농도가 NH3-N는 0.15mg/L, Fe는 0.03mg/L, 잔류염소는 0.3mg/L, THM(Trihalomethane)은 0.03mg/L, CHCl3 은 0.025mg/L 라고 할 때 유입되는 폐수에유입되어 있는 물질의 농도가 이중 어느 하나라도 초과하게 되면 2단 여과를 하고, 모두 기준농도 이하이면 1단 여과를 하며,
    상기 무화장치는 상기 중력식 2단 사여과장치에서 처리되어 유출되는 유입수를 압축기에 연결된 고압노즐에 의해 미세하게 무화시켜 필터부에 분사하며,
    상기 필터부는 무화된 처리수의 입자의 크기에 따라 여과되는 특성을 가지도록 필터부의 통과되는 구멍의 크기가 조절될 수 있고,
    상기 PUV 처리조는 PUV 광원(Pulsed Ultra Violet)과 알루미늄 반사판을 이용하여 상기 PUV 처리조를 흐르는 유입수를 소독하고,
    상기 하·폐수처리 시스템은 볼밀 파쇄 장치 및 슬러지 건조 시스템을 추가적으로 포함하며,
    상기 볼밀 파쇄 장치는 그 내부에 회전속도 6~22m/s로 운전되는 교반기가 설치되어 있고, 입경이 0.3mm~0.8mm인 유리볼이나 금속볼로 파쇄장치 체적의 55~85% 충전되어 있으며, 상기 침전조로부터 발생한 침전된 슬러지가 유입되되 이를 파쇄하여 슬러지 건조 시스템으로 유출하며,
    슬러지 파쇄 과정 중 발생한 수분은 침전조로 반송하고,
    상기 볼밀 파쇄 장치는 교반되는 금속볼 사이에서 발생되는 전단마찰력과 열에 의해 파쇄시키며 교번 제어에 의해 일정시간 역방향으로 구동되어 볼 및 스크린망이 세척되고,
    상기 슬러지 건조 시스템은 탈수장치, 태양열 집열기, 열교환기, 보일러, 지중열교환기, 지열히트펌프, 슬러지 건조탱크, 펌프로 구성되되,
    상기 탈수 장치는 원심력을 이용한 원심분리기를 이용하여 슬러지를 탈수시켜 슬러지를 슬러지 건조탱크로 이동시키며,
    상기 태양열 집열기는 최대 초점 온도 300℃ 이상이며 최대 운전 온도는 250 ℃이상인 사양인 PTC(Parabolic Trough Collector)형 태양열 집열기를 사용하여 상기 열교환기에서 열교환되어 열에너지를 슬러지 건조탱크에 공급하며,
    상기 지중열 교환기는 지열히트펌프를 거쳐 열에너지를 슬러지 건조탱크에 공급하며,
    상기 보일러는 태양열 집열기로부터 수집된 열원의 온도가 80℃ 미만일때 보조적으로 가동되어 슬러지 건조탱크에 공급하며,
    상기 펌프는 태양열 교환기와 열교환기 사이, 열교환기와 슬러지 건조탱크 사이, 보일러와 슬러지 건조 탱크 사이, 지중열 교환기와 지열히트펌프 사이, 지열 히트펌프와 슬러지 건조탱크 사이에 설치되어 열에너지를 포함한 열매체를 순환시키며,
    상기 태양열 집열기와 연결된 열교환기 및 지열히트펌프에서 유출되는 열매체의 온도가 80℃ 미만일 경우 각각 열교환기와 슬러지 건조 탱크 사이에 설치된 펌프, 지열히트펌프와 슬러지 건조 탱크 사이에 설치된 펌프의 작동이 중단되며,
    상기 슬러지 건조 탱크는 상기 태양열 집열기, 보조 보일러로부터 열원을 공급받아 유입된 슬러지를 건조하여 배출하며,
    상기 2차 침전조 초입에 투입되는 응집제는 산화알루미늄(Al2O3)의 농도가 55~60%인 수산화알루미늄(Al(OH)3) 30~70 중량부, 농도가 30~35% 염산(HCl) 10~40 중량부 및 농도가 70~95%인 아세트산(CH3COOH)을 2~32 중량부의 비율로 하여 1차 혼합물을 얻고, 상기 1차 혼합물, 돌로마이트(dolomite), 석회석(limestone) 및 활성 규사 분말을 1:0.5~2:0.1~2:00.5~2의 중량비로 혼합하여 10~300kgf/cm2의 압력 하에서 55~60℃로 가열한 후 수산화알루미늄(AlOH3) 100 중량부에 대하여 산화나트륨(Na2O)의 농도가 10~40 %인 가성소다(NaOH) 5~25 중량부의 비율로 주입하여 혼합한 다음 일정시간 교반하고 교반된 혼합물을 120~200℃의 온도 조건하에서 3.5~12시간 동안 반응 후 30~40℃에서 냉각시켜 제조되며, 상기 응집제의 혼합물 중에서 아세트산(CH3COOH)은 수소 이온과 수산화 이온이 결합하여 중화 반응을 일으킬 때 수중의 미세입자들의 흡착력을 증대시키며,
    상기 1차 침전조는 침전조 초입전에 철염 및 탄산염을 투입하여 인과 질산성 질소를 제거하는 것을 특징으로 하는 소규모 하·폐수처리 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 중력식 2단 사여과 장치는 상층에 무연탄층, 하층에 입경 1.2mm~2mm의 모래로 구성된 거친 조립모래층 및 1단 여과 드레인으로 이뤄진 1단 여과기와, 상층에 입상 활성탄층, 하층에 입경 0.8mm~1.2mm의 모래로 구성된 고운 세립 모래층 및 2단 여과 드레인으로 이뤄진 2단 여과기와, 여과된 처리수를 다음 단계로 유출시키는 퇴수관과, 상기 1단 여과 드레인과 퇴수관 사이에 설치된 1단 여과 밸브와 2단 여과 드레인과 퇴수관 사이에 설치된 2단 여과 밸브로 구성되되,
    상기 수질 분석 장치에 의해 분석된 폐수의 각각 기준 농도가 NH3-N는 0.15mg/L, Fe는 0.03mg/L, 잔류염소는 0.3mg/L, THM(Trihalomethane)은 0.03mg/L, CHCl3 은 0.025mg/L 라고 할 때 유입되는 폐수에 포함되어 있는 물질의 농도가 이중 어느 하나라도 초과하게 되면 상기 1단 여과 밸브는 닫히고 2단 여과밸브가 열리며, 모두 기준 농도 이하이면 1안 여과 밸브가 열리고 2단 여과 밸브가 닫히는 것을 특징으로 하는 소규모 하·폐수처리 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 PUV 처리조는 석영셀을 외피로 하되 파장대역 185-280nm인 펄스 자외선을 조사하는 PUV 광원과 알루미늄 포일을 표면으로 하는 알루미늄 반사판으로 이루어짐을 특징으로 하는 소규모 하·폐수처리 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 PUV 광원은 면광원, 점광원 중 어느 하나임을 특징으로 하는 소규모 하·폐수처리 시스템.
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  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 슬러지 건조 시스템은
    열매체의 온도를 측정하기 위한 온도센서 및 제어장치를 추가적으로 포함하되,
    상기 온도센서는 열교환기 온수 유출구, 슬러지 건조탱크 내부 및 지열히트펌프 온수 유출구에 각각 설치되며,
    상기 제어장치는 온도센서에 의해 각각 열교환기 온수 유출구, 지열히트펌프 온수 유출구의 온도 정보를 받아 그 온도 정보가 80℃ 미만일 경우 각각 열교환기와 슬러지 건조 탱크 사이에 설치된 펌프, 지열히트펌프와 슬러지 건조탱크 사이의 펌프의 가동을 중단시키되 보일러를 가동시키는 것을 특징으로 하는 소규모 하·폐수처리 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 볼밀 파쇄 장치는 교반되는 금속볼 사이에서 발생되는 전단마찰력과 열에 의해 파쇄시키며 교번 제어에 의해 일정시간 역방향으로 구동되어 볼 및 스크린망이 세척되는 것을 특징으로 하는 소규모 하·폐수처리 시스템.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 슬러지 건조 탱크는 슬러지 건조 과정 중 발생하는 가스를 처리하는 가스 유출기와 건조 과정 중 발생하는 수분을 모아 침전조로 반송시키는 반송수 처리 장치와 건조된 슬러지 케이크를 배출시키는 케이크 배출기로 구성되되,
    탱크 내부에 열원을 전달하는 열매체(물)가 흐르는 관과 접촉되어 있는 열판과 상기 열판 사이에 슬러지가 건조되는 건조공간으로 이루어진 모듈이 복수개 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 소규모 하·폐수처리 시스템.
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