KR101624257B1 - 인 제거, 회수 장치 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 인 제거, 회수 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 유입되는 폐수 내에 존재하는 용존성 인과 암모늄, 마그네슘이 결합되는 MAP 반응을 통해 MAP 결정을 생성하는 1차 MAP 반응을 유도하기 위한, 멤브레인 필터가 결합된 1차 MAP 반응조; 상기 1차 MAP 반응조 내에 잔존하는 MAP 결정과 SS 및 입자성 물질을 포함하는 슬러지가 유입되고, SS 및 입자성 물질을 포함하는 슬러지 내에 존재하는 입자성 인을 용존성 인으로 전환시키는 가용화 장치가 결합된 가용화조; 상기 가용화조를 거치면서 입자성 인이 대부분 용존성 인으로 전환된 슬러지와 MAP 결정이 함께 유입되고, 2차 MAP 반응을 유도하여 상기 1차 MAP 반응조에서 생성된 MAP 결정을 성장시킬 수 있는 2차 MAP 반응조; 및, 상기 1,2차 MAP 반응조를 거치면서 생성 및 성장된 일정 크기 이상의 MAP 결정들을 거를 수 있는 회수·분리장치;로 구성됨으로써, 시스템 내에서만 순환하는 폐쇄순환형 구조를 달성하여, 유출수 내에 인 성분이 존재하지 않아 인 성분의 손실이 없고 비료로 활용할 수 있을 정도로 충분하게 MAP 결정을 성장시킬 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 인 제거, 회수 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 입자성 물질들이 시스템 내에서만 순환하는 폐쇄순환형 구조를 달성함으로써, 유출수 내에 인 성분이 존재하지 않아 인 성분의 손실이 없고 비료로 활용할 수 있을 정도로 충분하게 MAP 결정을 성장시킬 수 있으며, 따라서 완효성 고순도 입상 MAP 비료를 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 가용화조를 통해 입자성 인도 활용함으로써 인 제거 및 회수율이 향상되는, 인 제거, 회수 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
식물성장의 필수 기본요소 중 하나인 인 성분은 비료로 중요하게 이용되는데, 농산물 등에 흡수되어 인체나 가축 등을 경유하여 최종적으로 분뇨에 함유되거나 화학공장 등을 경유하여 폐수에 함유되어 강, 호수 등과 같은 폐쇄성 수역으로 배출되어 하천의 부영양화를 일으키는 오염원이기도 하다. 전 세계적으로 일부 국가에서만 제한적으로 인광석이 매장되어 있다는 사실과 산업발전에 의해 매년 인의 사용량이 증가하는 시점에서 하천의 하·폐수 및 축산분뇨폐수에 존재하는 인을 회수하여 자원화할 수 있는 문제가 중요하게 대두되고 있다.
인 제거 및 회수 방법은 일반적으로 생물학적 처리 방법과 응집제를 사용하는 화학적 방법으로 대별되고 있는데, 생물학적 인 제거의 경우 안정적인 인 제거에 어려움이 많고 화학적 인 제거는 안정적이기는 하나 다량의 슬러지 발생 및 약품 사용에 따른 처리 비용 증가의 단점이 있다.
또한, 인을 처리하는 일반적인 방법은 하·폐수 및 축산분뇨폐수 중에서 화학적 처리에 의해 침전시켜 인산염의 형태로 고형화시켜 처리하고 있지만, 얻어진 슬러지 중의 불순물, 수분함량, 유기물질 등으로 인해 재이용하기에는 부적합한 경우가 많아 대부분 매립하고 있다. 그러나, 하·폐수 및 축산분뇨폐수처리 과정 중에서 불순물을 제거하기 위한 물리,화학적 처리시에 발생하는 여러 가지 침전으로 인하여 슬러지에 인을 포함한 유용한 물질이 많이 분포되어 있으므로, 슬러지의 효율적 처리 및 자원으로의 재활용이 중요하다. 또한 종래의 인 제거 및 회수 방법들은 대부분 MAP 반응을 유도함에 있어 용존성 인만을 대상으로 MAP 반응을 유도하였고 MAP 반응조 하단부에 집수장치를 설치하여 일정크기 이상의 결정을 회수하는 방법을 적용함에 따라, 종래 기술들은 폐수 내 존재하는 용존성 인(총인 대비 20~30%)만을 대상으로 MAP를 유도하여 생성되는 결정도 매우 적었으며, 생성된 결정도 일정크기 이하의 것들은 하부로 침전되지 않고 유출됨으로써 인 제거 및 회수율이 매우 낮았다. 특히 MAP 반응 후단부에는 별도로 인을 제거하기 위한 생물학적 처리공정이나, 화학적 응집시설을 필요로 하였다.
더불어, 근대 이전에는 분뇨와 오수와 같은 영양염류가 거름으로 인식되어 농지로 돌아가는 자원순환 고리가 형성되어 있었지만, 하수도의 보급으로 인해 끊어진 순환고리를 폐기물처리와 자원 재활용이라는 관점에서 재생시키려는 시도가 이루어지고 있고, 슬러지 등의 비료화 촉진에 의한 화학비료의 사용량을 줄임으로써, 하천으로의 유출부하를 경감함과 동시에 외국에서 들여오는 인의 수입량을 감소시키는 등의 환경 저부하 자원순환형 대책을 추진하는 것이 중요한데, 지금까지의 단순한 인 제거 공정에서 벗어나 재활용의 용이성을 고려한 경제적이면서 효율적인 공정개발에 중점을 두어야 할 것이다.
한편, 일반적으로 사용되고 있는 소화 탈리액의 처리방법으로는 혐기 소화 용량이 작고 소화 탈리액의 발생량이 작은 경우에는 희석방법을 사용하여 농도를 낮게 한 후 직접 방류하거나 하수 처리장과 연계시키거나 또는 소화 탈리액을 간단히 처리한 후 액체비료로 농지에 직접 활용하는 방법을 사용할 수 있으며, 혐기 소화 탈리액의 처리량이 많을 경우에는 암모니아 탈기, 침전/응집방법, 하수처리장과 직접 연계시키는 방법 등을 사용할 수 있다. 그러나, 혐기소화 용량이 작을 경우에 사용되는 희석법에 의한 소화 탈리액의 처리는 장기적으로 주변의 하천에 질소 부영양화를 일으킬 수 있으며, 직접 액체비료로 농지에 사용하는 경우에는 토양에 질소 오염을 일으킬 수 있고 제거되지 않은 암모니아에 의해 악취가 발생하는 문제가 유발된다. 또한 대용량 소화 탈리액의 경우 암모니아 성분이 상당한 농도로 존재하며, 특히, 축산분뇨 혐기소화의 경우에는 암모니아 가스의 발생량이 막대하여 발생하는 악취 또한 처리를 요하는 대상이 된다.
암모니아는 생물의 사체나 배설물과 같은 축산분뇨 등이 분해될 때 발생되며 공장배출수와 기타 하수에도 다량 함유되어 방출되고 있는데, 수중 암모니아 농도는 수질오염의 지표로 작용하고, 수중의 질소화합물은 그 자체가 오염물질로써 수중 생태계 파괴 및 수자원 가치 상실의 원인일 뿐만 아니라, 부영양화 현상을 유발함으로써 수질을 더욱 악화시키는 요인이 된다. 이러한 이유로, 폐수 내 암모니아를 효과적으로 제거하는 기술 개발이 시급하다. 이러한 고농도 암모니아성 질소 함유폐수의 처리를 위해 일반적으로 많은 수처리 시설에서 생물학적 탈질법을 이용하고 있지만 가축분뇨 등과 같이 암모니아성 질소가 고농도로 존재할 경우, 암모니아 독성으로 인해 미생물의 활동이 저해 받게 되고, 시설 용량의 증가, C/N비 조정을 위한 외부탄소원 소요 등 많은 문제점이 뒤따르게 된다.
또한, 국내 축산분뇨폐수 처리시설의 가장 큰 문제점은 실제 유입되는 축산분뇨가 고농도 질소와 고농도 인이 포함되어 처리용량을 현저히 초과하는데 반해, 환경기준은 날로 강화됨에 따라 축산분뇨폐수를 처리할 때 유기물의 제거뿐만 아니라 엄격한 질소·인의 고도처리가 요구되고 있다.
인 회수 장치에 관한 종래 기술로는 대한민국 공개특허 제10-2012-0100083호(2012년09월12일 공개, 인 회수 장치 및 그 방법)에 개시되어 있는 바와 같이, 대상용액과 인 결정체 석출용 약액이 유입되는 유입구, 상기 대상용액이 배출되는 용액 배출구, 및 석출된 인 결정체를 포함하는 결정체 슬러리가 배출되는 슬러리 배출구를 구비하는 결정화 반응조; 및 상기 결정화 반응조 내부에 설치되고, 제1단부에서 상기 유입구와 연결되는 제1존과 일측면에서 상기 용액 배출구와 연결되고 상기 제1존의 제2단부와 대응하는 제2단부에서는 상기 슬러리 배출구 및 상기 제1존의 상기 제2단부와 연통되는 제2존으로 상기 결정화 반응조의 내부를 분리하는 분리판;을 포함하여 이루어져 있는데, 이 또한 인 성분의 손실이 발생할 수 밖에 없어 인의 회수율에 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 입자성 물질들이 시스템 내에서만 순환하는 폐쇄순환형 구조를 달성함으로써, 유출수 내에 인 성분이 존재하지 않아 인 성분의 손실이 없고 비료로 활용할 수 있을 정도로 충분하게 MAP 결정을 성장시킬 수 있으며, 따라서 완효성 고순도 입상 MAP 비료를 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 가용화조를 통해 입자성 인도 활용함으로써 인 제거 및 회수율이 향상된, 인 제거, 회수 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 본 공정에서 발생할 수 있는 알칼리폐액이나 세정폐산과 같은 환경오염물질을 재활용할 수 있는, 인 제거, 회수 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 유입되는 폐수 내에 존재하는 용존성 인과 암모늄, 마그네슘이 결합되는 MAP 반응을 통해 MAP 결정을 생성하는 1차 MAP 반응을 유도하기 위한, 멤브레인 필터가 결합된 1차 MAP 반응조; 상기 1차 MAP 반응조 내에 잔존하는 MAP 결정과 SS 및 입자성 물질을 포함하는 슬러지가 유입되고, SS 및 입자성 물질을 포함하는 슬러지 내에 존재하는 입자성 인을 용존성 인으로 전환시키는 가용화 장치가 결합된 가용화조; 상기 가용화조를 거치면서 입자성 인이 대부분 용존성 인으로 전환된 슬러지와 MAP 결정이 함께 유입되고, 2차 MAP 반응을 유도하여 상기 1차 MAP 반응조에서 생성된 MAP 결정을 성장시킬 수 있는 2차 MAP 반응조; 및, 상기 1,2차 MAP 반응조를 거치면서 생성 및 성장된 일정 크기 이상의 MAP 결정들을 거를 수 있는 회수·분리장치;로 구성되는 것을 그 기본 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 폐수 내 존재하는 용존성 인 또는 암모늄의 농도에 따라 상기 1차 MAP 반응조 또는 2차 MAP 반응조 내에 마그네슘 또는 용존성 인을 추가로 투입하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 pH 증가를 통한 MAP 반응효율 향상을 위해 상기 1차 MAP 반응조 또는 2차 MAP 반응조 내에 알칼리성 물질을 투입하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 상기 가용화 장치는 초음파 케비테이션인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 (a) 멤브레인 필터가 설치된 1차 MAP 반응조에서 1차 MAP 반응조로 유입되는 폐수 내에 존재하는 용존성 인과 암모늄, 마그네슘이 결합되는 MAP 반응을 통해 MAP 결정이 생성되는 단계; (b) 상기 1차 MAP 반응조에서 용존성 인의 농도와 pH에 따라 일정시간 MAP 반응을 유도한 후, 1차 MAP 반응조 내 설치된 멤브레인 필터를 통하여 1차 MAP 반응조 내의 MAP 반응처리된 폐수를 유출하는 단계; (c) 상기 멤브레인 필터를 통한 MAP 반응처리된 폐수의 유출 후, 1차 MAP 반응조 내에 잔존하는 MAP 결정과, SS 및 입자성 물질을 포함하는 슬러지가 가용화 장치가 결합된 가용화조로 유입되고, 가용화조에서 SS 및 입자성 물질을 포함하는 슬러지 내에 존재하는 입자성 인이 용존성 인으로 전환되는 단계; (d) 상기 가용화조를 거치게 되면서 입자성 인이 대부분 용존성 인으로 전환된 슬러지와 MAP 결정이 2차 MAP 반응조 내로 유입되고, 2차 MAP 반응조 내에서 2차 MAP 반응을 유도하여 상기 1차 MAP 반응조에서 생성된 MAP 결정을 성장시키는 단계; 및, (e) 상기 1,2차 MAP 반응조를 거치면서 생성 및 성장된 일정 크기 이상의 MAP 결정들을 회수·분리장치에서 거르는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 단계(a) 또는 단계(d)에서 폐수 내 존재하는 용존성 인 또는 암모늄의 농도에 따라 마그네슘 또는 용존성 인을 추가로 투입하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 단계(a) 또는 단계(d)에서 pH 증가를 통한 MAP 반응효율 향상을 위해 알칼리성 물질을 투입하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 멤브레인 필터로 인하여 폐수 내 인을 포함하는 SS 및 입자성 물질들은 시스템(1차 MAP 반응조, 가용화조, 2차 MAP 반응조, 회수·분리장치) 내에 존재하게 되고, 용존성 인은 MAP 반응을 통하여 MAP 결정으로 전환됨에 따라 멤브레인 필터를 통한 유출수 내에는 용존성 인과 입자성 인 성분이 존재하지 않는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 단계(e)에서 일정 크기 미만의 MAP 결정은 잔존하는 슬러지와 함께 다시 상기 단계(a)의 1차 MAP 반응조로 유입되면서, 1차 MAP 반응조 → 가용화조 → 2차 MAP 반응조 → 회수·분리장치를 반복적으로 순환함으로써 MAP 결정은 입상 MAP 비료로 활용될 수 있을 정도로 성장하게 되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 살펴본, 본 발명인 인 제거, 회수 장치 및 그 방법은 입자성 물질들이 시스템 내에서만 순환하는 폐쇄순환형 구조를 달성함으로써, 유출수 내에 인 성분이 존재하지 않아 인 성분의 손실이 없고 비료로 활용할 수 있을 정도로 충분하게 MAP 결정을 성장시킬 수 있으며, 따라서 완효성 고순도 입상 MAP 비료를 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 가용화조를 통해 입자성 인도 활용함으로써 인 제거 및 회수율이 향상되고, 본 공정에서 발생할 수 있는 알칼리폐액이나 세정폐산과 같은 환경오염물질을 재활용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 인 제거 및 회수 장치의 구성도.
도 2는 질소 제거 및 회수 장치의 구성도.
도 3은 도 1과 도 2가 하나의 시스템으로 결합한, 인과 질소 제거 및 회수 장치의 구성도.
도 4는 인 제거 및 회수 방법의 흐름도.
도 5는 질소 제거 및 회수 방법의 흐름도.
도 2는 질소 제거 및 회수 장치의 구성도.
도 3은 도 1과 도 2가 하나의 시스템으로 결합한, 인과 질소 제거 및 회수 장치의 구성도.
도 4는 인 제거 및 회수 방법의 흐름도.
도 5는 질소 제거 및 회수 방법의 흐름도.
상기와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하면 다음과 같다. 첨부된 도면들 및 이에 관한 설명은 당해 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자가 본 발명에 관하여 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위해 간략화되고 예시된 것이므로, 도면들 및 이에 관한 설명이 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 이해하여서는 아니될 것이다.
다양한 경로로부터 배출된 하천이나 하·폐수 및 축산분뇨폐수 중에 녹아있는 인은 인산이온(PO4 -) 또는 침전된 인산염(phosphate)의 형태로 주로 존재하는데, 본 발명은 이러한 가축분뇨 및 소화 탈리액, 액체비료 등과 같은 고농도 인을 함유한 폐수에 대해 인을 제거하여 회수하기 위한 발명으로, 도 1에 도시된 바와 같이 구체적으로 1차 MAP 반응을 유도하기 위한, 멤브레인 필터(Membrane Filter)가 결합된 1차 MAP(Magnesium Ammonium Phosphate, 인산마그네슘암모늄) 반응조(10)와 초음파 케비테이션을 포함하는 가용화 장치가 결합된 가용화조(20), 2차 MAP 반응조(30), 회수·분리장치(40)로 구성되어 있으며, 1차 MAP 반응조(10) 내에는 멤브레인 필터가 설치되어 있어 SS(suspended solid: 부유물질) 및 입자성 물질들은 상기 시스템(1차 MAP 반응조, 가용화조, 2차 MAP 반응조, 회수·분리장치) 내에서만 순환하는 폐쇄순환형 구조로 되어 있다.
먼저, 멤브레인 필터가 설치된 1차 MAP 반응조(10)에서는 1차 MAP 반응조(10)로 유입되는 폐수 내에 존재하는 용존성 인(PO4 3 --P)과 암모늄, 마그네슘이 결합되는 MAP 반응(Mg:NH4:PO4 1:1:1 몰비 반응)을 통해 MAP 크리스탈 결정을 생성하게 된다. 이 때, 폐수 내에는 일반적으로 마그네슘< 용존성 인< 암모늄 순으로 농도가 높게 됨으로 용존성 인을 모두 MAP 크리스탈 결정으로 전환하기 위해서는 추가적으로 MgCl2 등과 같은 마그네슘 물질을 첨가하여야 한다. 한편, 폐수 내 존재하는 암모늄을 모두 MAP 크리스탈 결정으로 전환하기 위해서는 MgCl2 등과 같은 마그네슘 물질 이외에도 인산(H3PO4)과 같은 용존성 인을 추가로 투입하여만 한다. 또한, MAP 반응은 일반적으로 pH 7이상에서 진행되나, 최적 pH는 8.5로 알려져 있어 pH 증가를 통한 반응효율 향상을 도모하기 위하여 NaOH와 같은 알칼리성 물질을 투입하거나 폭기를 통해 이산화탄소를 물에서 제거하여 pH를 조절할 수도 있다. 여기서, NaOH 등의 알칼리제의 적량 주입을 위하여 pH 자동조절기를 운용할 수도 있다.
다시 말해, 고농도의 암모늄이온, 마그네슘이온, 인산이온이 적정한 pH에서 반응하여 다음의 반응식과 같이 MAP(MgNH4PO4·6H2O, 스트루바이트)를 침전시켜 형성된다. 마그네슘과 암모늄, 그리고 인산염의 비가 1:1:1이므로 마그네슘의 농도가 낮은 대부분의 처리대상수에 마그네슘을 지속적으로 보충해 주어야 한다. 침전되어 회수되는 MAP는 추가적인 처리없이 비료로 사용될 수 있는 유용한 형태의 인 화합물이고, MAP는 하·폐수 및 축산분뇨폐수처리시 가장 좋은 형태로 회수 가능한 마스네슘-암모늄-인산염 형태의 물질로 인뿐만 아니라 질소도 포함하고 있으므로, 완효성 비료로 활용하기에는 매우 적당하다.
상기 1차 MAP 반응조(10)에서는 용존성 인의 농도와 pH에 따라 일정시간 MAP 반응을 유도한 후, 1차 MAP 반응조(10) 내 설치된 멤브레인 필터를 통하여 1차 MAP 반응조(10) 내의 MAP 반응처리된 폐수를 펌프(도시하지 않음)가 연결된 유출관을 이용하여 펌프의 작동으로 유출하게 되는데, 이 때, 상기 멤브레인 필터로 인하여 폐수 내 인을 포함하는 SS 및 입자성 물질들은 상기 시스템(1차 MAP 반응조, 가용화조, 2차 MAP 반응조, 회수·분리장치) 내에 존재하게 되고 용존성 인은 MAP 반응을 통하여 크리스탈 결정으로 전환되어 침전됨에 따라 멤브레인 필터를 통한 유출수 내에는 용존성 인과 입자성 인 성분이 존재하지 않게 되어 인 손실이 발생하지 않게 된다. 도면 부호 52는 유출수가 저장되는 처리수조를 나타낸 것이나 유출수는 후속공정으로 유출될 수도 있고 하천 등으로 방류될 수도 있다.
다음으로, 가용화 장치가 결합된 가용화조(20)에서는 상기 멤브레인 필터를 통한 MAP 반응처리된 폐수의 유출 후, 1차 MAP 반응조(10) 내에 잔존하는 MAP 크리스탈 결정과, SS 및 입자성 물질을 포함하는 슬러지가 2차 MAP 반응조(30)로 이동하기 전 단계에서 SS 및 입자성 물질을 포함하는 슬러지 내에 존재하는 입자성 인을 용존성 인으로 전환하기 위하여 슬러지가 MAP 크리스탈 결정과 함께 유입되면서 거치게 되는 장치로, 일실시예로 초음파 케비테이션 등과 같은 슬러지 가용화 장치들은 일반적으로 미생물의 세포벽을 파괴하여 슬러지를 감량하거나, 바이오가스의 생산성을 향상시키는 장치들이며, 입자성 인을 용존성 인으로 전환할 수 있다.
그 다음으로, 2차 MAP 반응조(30)에는 상기 가용화조(20)를 거치게 되면서 입자성 인이 대부분 용존성 인으로 전환되어 MAP 크리스탈 결정 및 슬러지와 함께 유입된다. 2차 MAP 반응조(30) 내에는 상기 1차 MAP 반응조(10)와 동일하게 마그네슘(MgCl2)과 인산(H3PO4), NaOH를 투입하여 2차 MAP 반응을 유도하게 된다. 여기서, 1차 MAP 반응조(10)에서 생성된 MAP 크리스탈 결정은 추가적인 2차 MAP 반응을 통해 성장할 수 있게 된다.
그 다음으로, 상기 1,2차 MAP 반응조(10,30)를 거치면서 생성 및 성장된 MAP 크리스탈 결정들은 일정 크기를 거를 수 있는 체(sieve)와 같은 회수·분리장치(40)를 거쳐 일정 크기 이상의 MAP 크리스탈 결정은 입상 MAP 비료로 활용되고 일정 크기 미만의 MAP 크리스탈 결정은 잔존하는 슬러지와 함께 다시 상기 1차 MAP 반응조로 유입되게 된다. 따라서, 1차 MAP 반응조 → 가용화조 → 2차 MAP 반응조 → 회수·분리장치를 반복적으로 순환함으로써 MAP 크리스탈 결정은 입상 MAP 비료로 활용될 수 있을 정도로 성장하게 되고, 폐수는 인이 제거된 상태에서 유출된다.
따라서, 본 발명은 1차 MAP 반응조(10) 내에 멤브레인 필터를 설치하여 입자성 인의 유출을 방지하고, 가용화장치를 결합한 가용화조(20)를 설치하여 입자성 인을 용존성 인으로 전환한 후 다시 MAP 반응(2차 MAP 반응조)을 유도함에 따라 종래 기술대비 인 제거 및 회수율을 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 완효성 고순도 MAP 비료를 생산할 수 있으며, 특히, 약품 사용량 측면에 있어서도 종래 기술들은 지속적으로 많은 약품의 투입을 요구하나 본 발명은 폐쇄순환형으로 종래 기술 대비 약품 사용량을 크게 절감할 수 있다. 또한, 유출수 내에는 용존성 인과 입자성 인이 존재하지 않음으로 인을 제거하기 위한 별도의 생물학적 처리시설이나, 화학적 응집시설을 설치하지 않아도 된다.
이하에서는, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 인 제거 및 회수 장치에 따른 인 제거 및 회수 방법을 그 작용과 함께 살펴보겠다.
우선, 멤브레인 필터가 설치된 1차 MAP 반응조(10)에서 1차 MAP 반응조(10)로 유입되는 폐수 내에 존재하는 용존성 인과 암모늄, 마그네슘이 결합되는 MAP 반응을 통해 MAP 결정이 생성된다(S100).
다음으로, 상기 1차 MAP 반응조(10)에서 용존성 인의 농도와 pH에 따라 일정시간 MAP 반응을 유도한 후, 1차 MAP 반응조(10) 내 설치된 멤브레인 필터를 통하여 1차 MAP 반응조(10) 내의 MAP 반응처리된 폐수를 유출한다(S110).
그 다음으로, 상기 멤브레인 필터를 통한 MAP 반응처리된 폐수의 유출 후, 1차 MAP 반응조(10) 내에 잔존하는 MAP 결정과, SS 및 입자성 물질을 포함하는 슬러지가 가용화 장치가 결합된 가용화조(20)로 유입되고, 가용화조(20)에서 SS 및 입자성 물질을 포함하는 슬러지 내에 존재하는 입자성 인이 용존성 인으로 전환된다(S120).
그 다음으로, 상기 가용화조(20)를 거치게 되면서 입자성 인이 대부분 용존성 인으로 전환된 슬러지와 MAP 결정이 2차 MAP 반응조(30) 내로 유입되고, 2차 MAP 반응조(30) 내에서 2차 MAP 반응을 유도하여 상기 1차 MAP 반응조(10)에서 생성된 MAP 결정을 성장시킨다(S130).
그 다음으로, 상기 1,2차 MAP 반응조(10,30)를 거치면서 생성 및 성장된 일정 크기 이상의 MAP 결정들을 회수·분리장치(40)에서 거른다(S140).
추가적으로, 상기 S140 단계에서 일정 크기 미만의 MAP 결정은 잔존하는 슬러지와 함께 다시 상기 S100 단계의 1차 MAP 반응조(10)로 유입되면서, 1차 MAP 반응조 → 가용화조 → 2차 MAP 반응조 → 회수·분리장치를 반복적으로 순환함으로써 MAP 결정은 입상 MAP 비료로 활용될 수 있을 정도로 성장하게 되어 인 회수율이 높아진다.
또한, 상기 S100 단계 또는 S130 단계에서는 폐수 내 존재하는 용존성 인 또는 암모늄의 농도에 따라 마그네슘 또는 용존성 인을 추가로 투입할 수 있고, pH 증가를 통한 MAP 반응효율 향상을 위해 알칼리성 물질을 투입할 수도 있다.
한편, 본 발명은 또한 고농도 질소를 함유한 폐수 내 질소를 제거하거나 회수하기 위한 탈기장치의 동절기 수온저하에 따른 처리효율 저하 문제를 해결하고 탈기 기체 내 암모니아의 흡착율을 향상시키며, 악취물질을 저감하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 도 2에 도시된 바와 같이 초미세기포장치(51)가 설치된 탈기조(50)와 알칼리세정탑(60), 산세정탑(70), 제올라이트반응조(80) 및 MAP 반응조(90)로 구성되어 있다.
먼저, 폐수가 유입되는, 초미세기포장치(51)가 설치된 탈기조(50)는 기존의 탈기조에 비하여 초미세기포장치로 인해 미세기포가 발생됨에 따라 기액 접촉효율이 증가하게 되어 처리효율은 향상되고 유지관리비용은 절감되게 된다. 또한, 탈기조(50)는 외부 열손실이 최소화되도록 하여 수온저하에 따른 탈기효율 저하를 방지할 수 있게 함이 바람직하다.
상기 탈기조(50)에서는 폐수 내의 암모니아를 탈기시키게 되는데, 즉, 폐수 내의 함유된 암모니아를 공기로 전달시켜 분리해 내는 것으로, 본 발명에서는 pH를 높인 폐수에 산기관을 통하여 초미세기포를 불어 넣는 방식을 사용함이 바람직하다. 여기서, 고농도 암모니아성 질소를 함유하고 있는 하·폐수 및 축산분뇨폐수에 석회(lime)나 NaOH, Ca(OH)2 등의 알칼리제를 주입하여 pH를 10.5~11.5의 높은 범위로 하여 암모늄이온(NH4 +)을 탈기가 가능한 암모니아(NH3) 상태로 변환시켜 이 때 생성된 유리 암모니아를 공기나 증기의 비표면과 접촉시켜 폐수 중의 유기물질과 함께 기체상태로 휘산시키게 된다. 도면 부호 52는 탈기조로부터의 유출수가 저장되는 처리수조를 나타낸 것이나 유출수는 후속공정으로 유출될 수도 있고 하천 등으로 방류될 수도 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 탈기조(50)는 상기 1차 MAP 반응조(10)에서의 멤브레인 필터를 통한 유출수가 유입되도록 하여 유출수 내의 암모니아를 탈기시켜 상기 탈기조(50)에서 인과 질소가 제거된 처리수를 유출하게 할 수도 있다.
다음으로, 상기 탈기조(50)에서 탈기된 암모니아 기체가 유입되는 알칼리세정탑(60)에서는 암모니아의 악취성분과 양액의 주성분과의 사이에 비가역적인 화학반응에 의한 탈취를 목적으로 가성소다(NaOH)를 투입하게 되고, 여기서 발생하는 알칼리폐액은 상기 탈기조(50)의 pH 조정제로 활용할 수 있다.
또한, 상기 알칼리세정탑(60)은 상기 1차 MAP 반응조(10)에서 발생하는 자연적인 암모니아 기체 또는 멤브레인 필터의 세정과정에서 세정공기에 의해 탈기되는 암모니아 기체가 유입되도록 연결할 수도 있다.
그 다음으로, 상기 알칼리세정탑(60)으로부터 암모니아 기체가 유입되는 산세정탑(70)에서는 황산(H2SO4)이나 인산(H3PO4) 수용액을 투입하여 기체 내 암모니아를 황산암모늄 또는 인산암모늄으로 회수하여 기체 내 암모니아를 제거하고, 악취가 저감된 배가스가 외부로 배출되어, 암모니아 탈기시 대기 중에 암모니아 기체의 방출로 인해 질소오염을 일으키는 문제점을 보완할 수 있다. 여기서, 상기 1차 MAP 반응조(10)에서 멤브레인 필터의 세정시 발생하는 세정폐산을 암모니아 흡수제로 활용할 수도 있다.
그 다음으로, 상기 산세정탑(70)에서 배출된 황산암모늄이나 인산암모늄은 제올라이트 반응조(80)로 유입되는데, 상기 제올라이트 반응조(80)에서는 암모늄을 제올라이트에 치환시켜 제올라이트 비료를 생산하며 이 제올라이트 비료는 완효성 비료로 활용하기에는 매우 적당하고, 제올라이트를 다단으로 중복하여 구성함으로써 회수율을 조정할 수 있다. 여기서, 제올라이트(Zeolite)는 나트륨과 칼륨의 알칼리금속과 칼슘과 마그네슘 등의 알칼리토금속을 함유하고 또한 결정수를 함유한 알류미늄규산염 광물로, 폐수 내 중금속 제거율이 높고 암모니아성 질소의 농도가 매우 높은 폐수에서 유기물과 질소를 동시에 제거할 수 있는데, 상기 제올라이트 반응조(80)에서는 암모늄이온 흡착 제거 등의 목적으로 사용된다. 따라서, 본 발명에서는 2단의 암모니아 흡수탑(산세정탑과 제올라이트반응조)이 적용됨에 따라 암모늄 흡수량이 증가하게 된다.
마지막으로, 상기 제올라이트 반응조(80)에서 발생되는 폐액(제올라이트에서 용출되는 Ca2 +와 Mg2 +, 인산 및 암모니아 포함)은 MAP 반응조(90)로 유입되어 황산암모늄이나 인산암모늄 내에 잔존하는 암모니아를 대상으로 MAP 반응을 통해 입상 MAP를 생산한다. 상기 MAP 반응조(90)에서는 MAP 반응효율을 향상시키기 위하여 가성소다(NaOH)와 인산, MgCl2를 첨가하게 되는데, 상기 제올라이트 반응조(80)에서 기체 암모늄을 치환하는 과정에서 Mg2 + 이온이 용출됨에 따라 종래의 MAP 공정대비 마그네슘 약품량을 감소시킬 수 있다. 상기 MAP 반응조(90)에서 생산된 입상 MAP는 입상 MAP 비료로 활용할 수 있는데, 본 공정에서 제올라이트 비료보다 입상 MAP 비료를 더 많이 생산하고자 하는 경우에는 제올라이트에서 암모늄 치환율을 줄여 제올라이트 반응조(80)에서 발생되는 폐액 내의 암모니아 성분율을 높이면 제올라이트에서 용출되는 Mg2 + 와 인산암모늄에서의 암모늄의 치환 후 잔존하는 인산과 반응하여 MAP 결정의 양이 증가할 것이다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 제올라이트 반응조(80)는 상기 2차 MAP 반응조(30)와 연결되어 2차 MAP 반응조(30)로 제올라이트에서 용출되는 Mg2 +와 인산암모늄에서의 인산을 유입되도록 하여 MAP 반응을 유도하게 할 수도 있다. 이러한 MAP 반응은 질소와 인의 동시제거가 가능하고 침전과정에서 상당부분의 고형물이 제거되기 때문에 암모니아 탈기에서는 불가능했던 상당부분의 유기성 질소를 제거할 수 있는 장점이 있으며, 본 공정에서는 별도의 고농도 암모니아와 인산, 마그네슘 이온의 주입을 감소시킬 수 있는 추가적인 장점이 있다.
이하에서는, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 질소 제거 및 회수 장치에 따른 질소 제거 및 회수 방법을 그 작용과 함께 살펴보겠다.
우선, 초미세기포장치(51)가 설치된 탈기조(50)로 고농도 암모니아성 질소를 함유한 폐수가 유입되면, 암모늄이온(NH4 +)을 탈기가 가능한 암모니아(NH3) 상태로 변환시켜 폐수 내의 암모니아를 탈기시킨다(S200).
다음으로, 상기 탈기조(50)에서 탈기된 암모니아 기체가 알칼리세정탑(60)으로 유입되고, 암모니아의 탈취를 위해 가성소다(NaOH)가 알칼리세정탑(60)에 투입된다(S210).
그 다음으로, 상기 알칼리세정탑(60)으로부터 암모니아 기체가 산세정탑(70)으로 유입되고, 산세정탑(70) 내에 황산(H2SO4)이나 인산(H3PO4) 수용액을 투입하여 기체 내 암모니아를 황산암모늄 또는 인산암모늄으로 회수하여 기체 내 암모니아를 제거하게 된다(S220).
그 다음으로, 상기 산세정탑(70)에서 배출된 황산암모늄이나 인산암모늄이 제올라이트 반응조(80)로 유입되고, 제올라이트 반응조(80) 내에서 암모늄을 제올라이트에 치환시켜 암모늄이온을 흡착 제거하게 된다(S230).
그 다음으로, 상기 제올라이트 반응조(80)에서 발생되는 폐액(제올라이트에서 용출되는 Ca2 +와 Mg2 +, 인산 및 암모니아 포함)이 MAP 반응조(90)로 유입되고, MAP 반응조(90) 내에서 MAP 반응을 통해 입상 MAP를 생산한다(S240).
추가적으로, 상기 S200 단계에서 pH 증가를 위해 상기 탈기조(50)에 알칼리제 또는 상기 알칼리세정탑(60)에서 발생하는 알칼리폐액을 주입할 수도 있고, 상기 S220 단계에서 상기 산세정탑(70)에서 암모니아가 제거되고 악취가 저감된 배가스가 외부로 배출되어 암모니아 탈기시 대기 중에 암모니아 기체의 방출로 인한 질소오염을 방지할 수 있으며, 상기 S240 단계에서 상기 MAP 반응조(90) 내에 MAP 반응효율을 향상시키기 위하여 가성소다(NaOH)와 인산, MgCl2를 첨가할 수도 있다.
또한, 상기 S200 단계의 전처리 단계로서 상기 1차 MAP 반응조(10)에서의 멤브레인 필터를 통한 유출수가 상기 탈기조(50)로 유입되도록 하여 유출수 내의 암모니아를 탈기시켜 상기 탈기조(50)에서 인과 질소가 제거된 처리수를 유출하게 할 수도 있다.
또한, 상기 제올라이트 반응조(80)는 상기 MAP 반응조(90) 대신 상기 2차 MAP 반응조(30)와 연결되어 2차 MAP 반응조(30)로 제올라이트에서 용출되는 Mg2 +와 인산암모늄에서의 인산을 유입되도록 하여 MAP 반응을 유도하게 할 수도 있다.
10: 1차 MAP 반응조 20: 가용화조
30: 2차 MAP 반응조 40: 회수·분리장치
50: 탈기조 51: 초미세기포장치
52: 처리수조 60: 알칼리 세정탑
70: 산세정탑 80: 제올라이트 반응조
90: MAP 반응조
30: 2차 MAP 반응조 40: 회수·분리장치
50: 탈기조 51: 초미세기포장치
52: 처리수조 60: 알칼리 세정탑
70: 산세정탑 80: 제올라이트 반응조
90: MAP 반응조
Claims (9)
- 유입되는 폐수 내에 존재하는 용존성 인과 암모늄, 마그네슘이 결합되는 MAP 반응을 통해 MAP 결정을 생성하는 1차 MAP 반응을 유도하기 위한, 멤브레인 필터가 결합된 1차 MAP 반응조(10);
상기 1차 MAP 반응조(10) 내에 잔존하는 MAP 결정과 SS 및 입자성 물질을 포함하는 슬러지가 유입되고, SS 및 입자성 물질을 포함하는 슬러지 내에 존재하는 입자성 인을 용존성 인으로 전환시키는 가용화 장치가 결합된 가용화조(20);
상기 가용화조(20)를 거치면서 입자성 인이 대부분 용존성 인으로 전환된 슬러지와 MAP 결정이 함께 유입되고, 2차 MAP 반응을 유도하여 상기 1차 MAP 반응조(10)에서 생성된 MAP 결정을 성장시킬 수 있는 2차 MAP 반응조(30); 및,
상기 1,2차 MAP 반응조(10,30)를 거치면서 생성 및 성장된 일정 크기 이상의 MAP 결정들을 거를 수 있는 회수·분리장치(40);로 구성되는 것을 특징으로 하는, 인 제거 및 회수 장치. - 제 1 항에 있어서,
폐수 내 존재하는 용존성 인 또는 암모늄의 농도에 따라 상기 1차 MAP 반응조(10) 또는 2차 MAP 반응조(30) 내에 마그네슘 또는 용존성 인을 추가로 투입하는 것을 특징으로 하는, 인 제거 및 회수 장치. - 제 1 항에 있어서,
pH 증가를 통한 MAP 반응효율 향상을 위해 상기 1차 MAP 반응조(10) 또는 2차 MAP 반응조(30) 내에 알칼리성 물질을 투입하는 것을 특징으로 하는, 인 제거 및 회수 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 가용화 장치는 초음파 케비테이션인 것을 특징으로 하는, 인 제거 및 회수 장치. - (a) 멤브레인 필터가 설치된 1차 MAP 반응조(10)에서 1차 MAP 반응조(10)로 유입되는 폐수 내에 존재하는 용존성 인과 암모늄, 마그네슘이 결합되는 MAP 반응을 통해 MAP 결정이 생성되는 단계;
(b) 상기 1차 MAP 반응조(10)에서 용존성 인의 농도와 pH에 따라 일정시간 MAP 반응을 유도한 후, 1차 MAP 반응조(10) 내 설치된 멤브레인 필터를 통하여 1차 MAP 반응조(10) 내의 MAP 반응처리된 폐수를 유출하는 단계;
(c) 상기 멤브레인 필터를 통한 MAP 반응처리된 폐수의 유출 후, 1차 MAP 반응조(10) 내에 잔존하는 MAP 결정과, SS 및 입자성 물질을 포함하는 슬러지가 가용화 장치가 결합된 가용화조(20)로 유입되고, 가용화조(20)에서 SS 및 입자성 물질을 포함하는 슬러지 내에 존재하는 입자성 인이 용존성 인으로 전환되는 단계;
(d) 상기 가용화조(20)를 거치게 되면서 입자성 인이 대부분 용존성 인으로 전환된 슬러지와 MAP 결정이 2차 MAP 반응조(30) 내로 유입되고, 2차 MAP 반응조(30) 내에서 2차 MAP 반응을 유도하여 상기 1차 MAP 반응조(10)에서 생성된 MAP 결정을 성장시키는 단계; 및,
(e) 상기 1,2차 MAP 반응조(10,30)를 거치면서 생성 및 성장된 일정 크기 이상의 MAP 결정들을 회수·분리장치(40)에서 거르는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 인 제거 및 회수 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 단계(a) 또는 단계(d)에서 폐수 내 존재하는 용존성 인 또는 암모늄의 농도에 따라 마그네슘 또는 용존성 인을 추가로 투입하는 것을 특징으로 하는, 인 제거 및 회수 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 단계(a) 또는 단계(d)에서 pH 증가를 통한 MAP 반응효율 향상을 위해 알칼리성 물질을 투입하는 것을 특징으로 하는, 인 제거 및 회수 방법. - 삭제
- 제 5 항에 있어서,
상기 단계(e)에서 일정 크기 미만의 MAP 결정은 잔존하는 슬러지와 함께 다시 상기 단계(a)의 1차 MAP 반응조로 유입되면서, 1차 MAP 반응조 → 가용화조 → 2차 MAP 반응조 → 회수·분리장치를 반복적으로 순환함으로써 MAP 결정은 입상 MAP 비료로 활용될 수 있을 정도로 성장하게 되는 것을 특징으로 하는, 인 제거 및 회수 방법.
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| KR101864178B1 (ko) * | 2017-12-11 | 2018-07-13 | 한국건설기술연구원 | 이단 공기부상 방식의 결정형성조와 입경 분리가 가능한 결정회수장치가 도입된 인과 질소의 회수 시스템 및 이를 이용한 인과 질소의 회수 방법 |
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-
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