KR101656665B1 - 다기능 입상 정석재를 이용한 인 제거 또는 회수 시스템 및 이를 이용한 인 제거 또는 회수 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다기능 입상 정석재를 이용한 인 제거 또는 회수 시스템 및 이를 이용한 인 제거 또는 회수 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수처리공정 중 반류수, 반송슬러지, 슬러지 농축설비 상징수, 소화조 상징수, 잉여슬러지 및 방류수, 오폐수 처리공정, 축산폐수 및 분뇨처리 등 여러 수처리 공정에서 발생하거나 오염된 하천수, 호소수, 저수지수 등 다양한 농도 범위의 인을 함유하고 있는 미처리 유입수를 대상으로, 정석법과 응집침전법 및 여과법을 병용할 수 있는 다기능 입상 정석재와 이 정석재를 활용하여 단일한 공정으로 구성되는 정석공정 또는 결정여과공정을 통하여, 칼슘이온의 공급, pH 조정 및 정석재 기능을 한꺼번에 제공할 수 있는 인 제거·회수 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

다기능 입상 정석재를 이용한 인 제거 또는 회수 시스템 및 이를 이용한 인 제거 또는 회수 방법{PHOSPHORUS REMOVAL AND WITHDRAWAL SYSTEM USING MULTIFUNTIONAL GRANULAR SEED CRYSTAL AND PHOSPHORUS REMOVAL OR WITHDRAWAL METHOD USING THE SAME}

본 발명은 다기능 입상 정석재를 이용한 인 제거 또는 회수 시스템 및 이를 이용한 인 제거 또는 회수 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수처리공정 중 반류수, 반송슬러지, 슬러지 농축설비 상징수, 소화조 상징수, 잉여슬러지 및 방류수, 오폐수 처리공정, 축산폐수 및 분뇨처리 등 여러 수처리 공정에서 발생하거나 오염된 하천수, 호소수, 저수지수 등 다양한 농도 범위의 인을 함유하고 있는 미처리 유입수를 대상으로, 정석법과 응집침전법 및 여과법을 병용할 수 있는 다기능 입상 정석재와 이 정석재를 활용하여 단일한 공정으로 구성되는 정석공정 또는 결정여과공정을 통하여, 칼슘이온의 공급, pH 조정 및 정석재 기능을 한꺼번에 제공할 수 있는 인 제거·회수 장치 및 방법에 관한 것이다.

하수처리공정 중 반류수, 반송슬러지, 슬러지 농축설비 상징수, 소화조 상징수, 잉여슬러지 및 방류수, 오폐수 처리공정, 축산폐수 및 분뇨처리 등 여러 수처리 공정에서 발생하거나 오염된 하천수, 호소수, 저수지수 등 다양한 농도 범위의 인을 함유하고 있는 미처리 유입수를 대상으로 인을 제거하는 기존의 수처리 공법으로는 화학적 응집침전법이 일반적이다.

응집침전공정을 이용하면 경제적으로 90% 이상의 인을 제거할 수 있는 장점이 있으나, 슬러지 발생량이 많고, 발생한 슬러지는 탈수처리를 거쳐 건조, 퇴비화, 소각, 자원화 및 매립 등 별도의 처분이 필요하여 이 과정에서 많은 비용이 발생하며, 슬러지에 함유된 인을 회수하지 못한 채 함께 처분해야 한다는 단점이 있다. 인의 제거에 사용되는 약품으로는 Fe^{3 +}, Fe^{2 +}, Al^{3 +} 및 Ca^{2 +} 등이 있다.

여러 화학적 응집침전법 중에서 Ca^{2 +}에 의한 응집침전법을 활용하여 처리수 중의 인 농도를 아주 낮은 수준으로 제거하기 위해서는 pH를 10 이상으로 높여 칼슘 하이드록시 아파타이트(Calcium hydroxyapatite; Ca₅(OH)(PO₄)₃ 또는 Ca₁₀(OH)₂(PO₄)₆, 이하 '아파타이트'라 칭함)의 형태로 응집·침전시켜야 한다.

소석회(Ca(OH)₂)는 Ca^{2 +}에 의한 응집침전법을 활용한 인 제거에 가장 많이 쓰이는 응집제 중의 하나이다. 인을 함유한 유입수에 석회를 첨가하면 pH는 석회의 수산화이온에 의해 상승하고 pH의 상승과 함께 인산이온 형태의 인(PO₄-P)은 칼슘이온과의 반응으로 난용해성 화합물을 형성하며 침전한다.

칼슘이온과 인의 결정체에는 여러 종류가 있고 Ca/P의 몰비는 1.33 ∼ 2.0의 범위에 이르는데, 인과 석회의 최종반응생성물은 아파타이트의 형태로 석출된다. 한편, 칼슘은 오염물질로 작용하지 않기 때문에 반응 종료 후 잔류 성분을 별도로 제거하지 않는 것이 일반적이다.

상기와 같은 응집침전법 이외에 인을 제거하는 기존의 수처리 공법으로서 정석법이 있다. 정석법으로는 pH 8 ∼ 10 및 칼슘이온이 존재하는 조건에서 아파타이트의 석출 속도를 높인 인 제거방법인 정석탈인법(접촉탈인법 또는 HAP 공법)이 대표적이다. 또한, 인산이온 형태의 인(PO₄-P)은 pH 8 ∼ 11 및 마그네슘이온과 암모니아성 질소(NH₄ ⁺-N)가 공존하는 조건에서 스트루바이트(struvite, 인산마그네슘암모늄(magnesium ammonium phosphate), MgNH₄PO₄·6H₂O, 이하 '스트루바이트'라 칭함)의 형태로 석출되기도 한다. pH, 마그네슘이온 및 암모니아성 질소(NH₄ ⁺-N)의 농도를 제어하여 스트루바이트의 석출 속도를 높인 인 제거방법을 스트루바이트 공법 또는 MAP 공법이라고 한다.

용해성 인산염인은 칼슘이온과 수산화이온이 공존하는 조건에서 정석재와 접촉하여 상대적으로 낮은 pH 조건에서 아파타이트의 형태로, 마그네슘이온 및 암모니아성 질소(NH₄ ⁺-N)가 공존하는 조건에서는 스트루바이트의 형태로 정석재 표면에 신속하게 석출됨으로써 제거된다. 이때 정석재는 용해성 인산염인, 칼슘이온 및 수산화이온으로부터는 아파타이트, 용해성 인산염인, 마그네슘이온 및 암모니아성 질소로부터는 스트루바이트의 생성 및 석출 속도를 높이는 촉매로서 거동한다. 이 과정에서 생성되는 아파타이트 또는 스트루바이트는 결정의 표면에서 연속적으로 석출되기 때문에 슬러지의 발생이 거의 없다.

정석탈인법의 정석반응에 영향을 미치는 영향인자로는 크게 화학적 인자와 물리적 인자로 나눌 수 있다. 화학적 인자로는 칼슘이온 농도, pH, 알칼리도 등이 있다. 인산이온과 탄산이온이 공존하는 액 중에서는 아파타이트와 함께 탄산칼슘이 석출된다. 따라서 과도하게 탄산칼슘이 생성되면 정석재 표면을 피복하여 인 제거능력이 저하될 수 있기 때문에 탄산이온농도가 높은 미처리 유입수에 대해서는 탈탄산반응을 검토할 필요가 있다. 물리적 인자로는 공탑속도(Space Velocity; SV), 선속도(Linear Velocity; LV) 및 수온 등이 있다. 수온이 낮을수록 정석반응속도가 저하되기 때문에 동절기에는 이에 대한 대책을 검토할 필요가 있다.

정석법은 인 제거 과정에서 슬러지가 거의 발생하지 않는 기술일 뿐만 아니라 인 자원의 회수라는 관점으로부터도 우수한 기술이다. 기존 정석법에 의한 처리프로세스의 기본적인 공정에서 전처리로 미처리 유입수의 탈탄산반응 및 SS 제거가 실시된다. 탈탄산공정에서는 유입수에 황산을 첨가하여 pH 4.5 정도까지 저하시켜 폭기함으로써 함유되어 있는 탄산물질을 유리탄산의 형태로 스트리핑하여 제거한다(알칼리도 저하). 그 후, 소석회를 첨가하여 결정화(정석)에 필요한 pH와 칼슘이온 농도로 조정하고, 여과공정을 거친 다음 인제거회수조에서 인을 제거하는 흐름이다. 인제거회수조 유출수의 pH 조정은 pH가 방류수 수질기준인 8.6 이상인 경우에 필요하다.

탈탄산공정은 소석회의 첨가량을 감소시킴과 동시에 탄산칼슘이나 탄산아파타이트(탄산인회석, Ca₁₀(PO₄)₆(CO₃)·H₂O)가 정석재(종결정)의 표면에 석출·피복됨으로써 인의 제거성능이 저하되는 것을 방지하기 위한 공정이다. 여과공정 또한 마찬가지로 인제거회수조 유입수의 SS 및 pH 조정공정에서 형성된 탄산칼슘이 정석재 표면에 부착하여 아파타이트 또는 스트루바이트의 석출가능면적을 피복하는 것을 방지하기 위한 목적으로 실시한다.

한편, 탈탄산공정은 정석재의 인 제거성능의 저하를 방지하기 위하여 도입되었음에도 불구하고, 정석법이 갖는 약품첨가량이 적다는 장점을 상쇄하고 공정의 구성 및 운영을 복잡하게 하는 단점이 있다. 따라서 향후의 정석법에서는 탈탄산반응을 필요로 하지 않는 공정 개발이 시급한 과제라고 할 수 있다.

그리고, 정석법에서 고효율 정석재의 개발 또한 필수적이다. 기존 연구들을 통하여 정석재로 알려져 있는 물질로는 인광석, 골탄, 전로슬래그, 활성알루미나, 방해석 및 조노트라이트(xonotlite) 등이 있으며, 가장 일반적으로는 인광석이 사용되고 있다. 한편 인광석은 원산지에 따라 제거성능이 다르기 때문에 여건에 맞는 인광석을 선정하여 사용해야 한다는 보고도 있다.

그리고, 독일에서는 방해석(calcite)을 정석재로 사용하여 탄산이온의 방해 작용을 큰 폭으로 감소시킴으로써 탈탄산공정을 생략한 정석공정을 도입하여 성공적으로 운영한 결과도 보고되고 있다. 특히, 정석법을 인 제거기술로서뿐만 아니라 인 회수기술로서도 병용하기 위해서는 회수물질의 재이용을 고려해야 한다. 이를 위해 정석재는 회수물의 재이용을 저해하지 않아야 하고, 녹지 및 농지에서 사용할 수 있는 수준으로 비소나 카드뮴 등 유해중금속의 함유율 또한 낮아야 한다.

그러나, 이러한 기존 정석탈인법에 의한 정석법은 별도의 전처리공정을 통하여 알칼리도를 저감하고, 칼슘이온을 첨가하고(스트루바이트 공법의 경우에는 마그네슘이온 및 암모니아성 질소의 농도의 조절), pH를 조정해야 하고, 전처리된 유입수를 대상으로 후속의 본 공정에서 정석재와의 접촉을 실시해야 하는 등 공정 구성의 복잡함에 따른 설계·시공, 운전 및 유지관리 상의 어려움이 있었다. 또한, 정석법에 적합한 pH의 제어범위가 대체로 8.5에서 10.0까지의 범위로 한정되어 있어 운전이 까다롭고 pH 10.0 이상에 해당하는 응집침전법의 범위를 활용하지 않기 때문에 반응속도가 느리고 인의 제거효율을 높이는데 한계가 있었다.

한국등록특허 제10-0313187호 한국등록특허 제10-1312584호

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 정석법과 응집침전법 및 여과법을 병용할 수 있는 다기능 입상 정석재를 이용하여 단일한 공정에 의해 수처리를 할 수 있는 인 제거, 회수 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 본 발명의 다기능 입상 정석재를 이용한 인 제거 또는 회수 시스템은 인을 포함하는 미처리 유입수를 처리하는 수처리시설에 있어서, 석회석 원재료를 고온에서 가열하여 소성하여 일부가 생석회 성분으로 전환되도록 한 후, 냉각시킴으로써 제조되는 다기능 입상 정석재를 활용한 정석공정 또는 결정여과공정을 통해 정석반응, 응집침전반응 및 여과반응을 복합적으로 유도하여 상기 미처리 유입수 내의 인을 제거하고 회수하도록 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 정석공정 또는 결정여과공정의 유출수의 수질 상태에 따라 상기 정석공정 또는 결정여과공정에서 기상 또는 액상의 탄산가스를 직접 주입하거나 별도의 반응조에 주입함으로써 기액반응 또는 액액반응을 유도하는 재탄산화 공정이 선택적으로 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명의 다기능 입상 정석재는 석회석 원재료를 마련하는 원재료 마련 단계; 상기 원재료 마련 단계에서 마련된 원재료를 소정 형상으로 성형하는 성형 단계; 상기 성형 단계에서 성형된 성형품을 700℃~1,250℃의 범위의 고온에서 24시간 이내의 시간에 걸쳐 가열하고 소성하여 일부가 생석회 성분으로 전환되도록 하는 소성 단계; 및 상기 소성 단계에서 소성된 소성품을 냉각시키는 냉각 단계;를 포함하여 제조되는 것이 바람직하다.

본 발명의 다기능 입상 정석재는 상기 원재료 마련 단계에서 마련되는 원재료는 석회석을 주성분으로 하고 돌로마이트, 이산화규소, 산화알루미늄 또는 산화철을 부성분으로 하는 1mm 이하의 입경을 갖는 석회석 미분 또는 1mm에서 수cm의 입경을 갖는 석회석 골재를 원재료로 하여 마련되고, 상기 성형 단계에서 성형되는 성형품은 분말상, 부정형의 입상형, 구형, 펠릿(pellet)형, 각기둥형 또는 다면체형 중 적어도 하나로 성형되며, 상기 소성품 냉각 단계는 소성품을 상온까지 냉각시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 다기능 입상 정석재는 상기 미처리 유입수 1L에 대하여 1,000g/L 이하의 비율로 접촉 또는 여과되고, 상기 미처리 유입수와의 접촉시간이 300분 이내로 제한되는 것이 바람직하다.

본 발명의 다기능 입상 정석재를 이용한 인 제거 또는 회수 시스템은 접촉수조 내부에 상기 다기능 입상 정석재가 담겨서 상기 미처리 유입수와의 정석공정을 통해 인을 제거하는 정석유닛; 상기 정석유닛과 연결되고, 상기 정석유닛 내의 미처리 유입수를 교반하는 교반유닛;및 상기 교반유닛과 연결되고, 상기 정석유닛 유출수의 수질 상태에 따라 상기 교반유닛의 교반 공정 및 상기 정석유닛의 인 제거회수공정을 제어하는 연산유닛을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 연산유닛은 상기 정석유닛 유출수의 pH, 칼슘이온의 농도, 알칼리도 또는 인 농도 및 제거율에 따라 상기 교반유닛의 교반 공정을 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명의 연산유닛은 상기 정석유닛 유출수의 pH가 8.0 미만으로 낮아지면 상기 교반유닛의 교반속도 또는 교반강도를 증가시키고, 상기 정석유닛 유출수의 pH가 12.0 이상으로 높아지면 상기 교반유닛의 교반속도 또는 교반강도를 감소시키거나 중지시키도록 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명의 연산유닛은 상기 정석유닛 유출수의 칼슘이온 농도 또는 알칼리도가 300mg/L 이상이 되면 상기 교반유닛의 교반속도 또는 교반강도를 감소시키거나 중지시키도록 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명의 연산유닛은 상기 정석유닛 유출수의 인 농도가 목표치를 상회하거나 인 제거율이 목표치를 하회하면 상기 교반유닛의 교반속도 또는 교반강도를 증가시키도록 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명의 접촉수조는 상기 다기능 입상 정석재에서 용출되어 공급되는 칼슘이온과 수산화이온을 추가로 조정하고, 마그네슘이온 또는 암모늄이온을 공급하기 위하여 액상 또는 고상의 소석회(Ca(OH)₂), 염화칼슘(CaCl₂), 수산화나트륨(NaOH), 염화마그네슘(MgCl₂), 및 염화암모늄(NH₄Cl) 중 적어도 하나 이상을 포함한 수처리약품이 추가 주입되도록 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 다기능 입상 정석재가 담겨서 상기 미처리 유입수에 대해 정석공정, 응집침전공정 및 여과공정을 통해 인을 제거하는 결정여과유닛;및 상기 결정여과유닛과 연결되고, 상기 결정여과유닛 유출수의 수질 상태에 따라 상기 결정여과유닛의 인 제거회수공정을 제어하는 연산유닛을 포함하고, 상기 결정여과유닛은 상기 결정여과유닛의 하단에서 상단으로 여과가 진행되는 상향류 방식으로 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 결정여과유닛은 물 또는 공기를 이용하여 상기 결정여과유닛의 하단에서 상단으로 주입함으로써, 상기 다기능 입상 정석재를 역세척 및 순환하도록 구성되는 역세척 수단을 포함하고, 역세척 수단은 에어리프트 방식을 적용하는 것을 포함한 것이 바람직하다.

본 발명의 결정여과유닛은 상기 결정여과유닛 내부에 공기방울을 공급하여 상기 다기능 입상 정석재를 공기와 접촉시켜 칼슘이온 및 수산화이온의 용출 작용을 촉진하고, 알칼리도의 상승속도를 낮추는 미세기포 공급 수단을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 정석공정 또는 결정여과공정 유출수의 수질 상태에 따라 상기 정석공정 또는 결정여과공정 이후에 상기 재탄산화 공정이 선택적으로 수행되는 재탄산화 유닛; 상기 재탄산화 유닛으로 탄산수를 공급하는 탄산수 공급유닛;및 상기 재탄산화 유닛 유출수의 pH를 모니터하여 상기 탄산수 공급유닛의 탄산수 공급상태를 제어하는 탄산수 제어유닛을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 탄산수 제어유닛은 상기 재탄산화 유닛 내의 유출수의 pH가 5.8 내지 8.6의 범위를 유지하도록 상기 탄산수 공급유닛의 공급상태를 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명의 정석공정 또는 결정여과공정으로부터 배출되는 처리수가 분기밸브에 의해 후단의 상기 재탄산화 공정이 수행되거나 외부로 배출하도록 구성되고, 상기 연산유닛은 상기 정석공정 또는 결정여과공정의 유출수의 수질 상태에 따라 상기 분기밸브를 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명의 연산유닛은 상기 유출수의 pH값에 연동되어 상기 분기밸브를 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다기능 입상 정석재를 이용한 인 제거 또는 회수 방법은 인을 포함하는 미처리 유입수를 상기 다기능 입상 정석재를 이용하여 수처리하는 방법에 있어서, 상기 다기능 입상 정석재를 이용하여 상기 미처리 유입수를 정석공정 또는 결정여과공정을 거침으로써 상기 미처리 유입수 내의 인을 제거하는 인 제거회수 단계;및 상기 인 제거회수 단계에 의해 처리된 처리수에 탄산수를 공급하여 재탄산화 공정을 수행하는 재탄산화 단계를 포함하고, 상기 재탄산화 단계는 상기 인 제거회수 단계에서 처리된 처리수의 pH값에 따라 선택적으로 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명의 다기능 입상 정석재를 이용한 인 제거 또는 회수 방법은 인 제거회수 단계에서 사용이 완료된 상기 다기능 입상 정석재를 회수하여 상기 다기능 입상 정석재 표면에서 석출된 성분을 채취하거나 다기능 입상 정석재 자체를 인 자원으로 재활용하는 인 재활용 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 인 제거회수 단계는 상기 정석공정 또는 결정여과공정에 있어서, 상기 정석공정 또는 결정여과공정의 유출수의 pH, 칼슘이온의 농도, 알칼리도 또는 인 농도 및 제거율에 따라 교반장치에 의해 교반을 하는 교반단계 또는 미세기포 공급 수단에 의해 미세기포를 공급하는 미세기포 공급 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 교반단계는 상기 정석공정 유출수의 pH가 8.0 미만으로 낮아지거나, 인 농도가 목표치를 상회하거나, 인 제거율이 목표치를 하회하면 교반속도 또는 교반강도를 증가시키고, 상기 정석공정 유출수의 pH가 12.0 이상으로 높아지거나, 칼슘이온의 농도가 300mg/L 이상이 되거나, 알칼리도가 300mg/L 이상이 되면 교반속도 또는 교반강도를 감소시키거나 중지시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 인 제거회수 단계는 상기 결정여과공정에 있어서 물이나 공기를 주입하여 역세척하거나 상기 다기능 입상 정석재를 공기와 접촉시켜 칼슘이온 및 수산화이온의 용출 작용을 촉진하고 알칼리도의 상승속도를 낮추는 미세기포 공급 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 미세기포 공급 단계는 상기 결정여과공정에 있어서 상기 결정여과공정 유출수의 pH가 8.0 미만으로 낮아지거나, 알칼리도가 300mg/L 이상이 되거나, 인 농도가 목표치를 상회하거나, 인 제거율이 목표치를 하회하면 미세기포 공급량을 증가시키고, 상기 결정여과공정 유출수의 pH가 12.0 이상으로 높아지거나, 칼슘이온의 농도가 300mg/L 이상이 되면 미세기포 공급량을 감소시키거나 중지시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 재탄산화 단계는 상기 인 제거회수 단계에서 처리된 처리수의 pH값에 연동되어 상기 재탄산화 단계를 선택적으로 수행할지 여부가 결정되는 것이 바람직하다.

본 발명의 재탄산화 단계는 pH가 5.8 ≤ pH ≤ 8.6를 만족하면 유출수를 외부로 배출하고, pH가 5.8 ≤ pH ≤ 8.6를 만족하지 않으면 상기 재탄산화 공정을 수행하는 방법에 의해 선택적으로 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명의 재탄산화 단계는 처리수의 pH가 5.8 내지 8.6의 범위를 유지하도록 처리수에 탄산수를 공급하는 것이 바람직하다.

이와 같은 본 발명에 의한 다기능 입상 정석재를 이용한 인 제거 또는 회수 시스템 및 이를 이용한 인 제거 또는 회수 방법에 의하면, 정석재를 활용한 정석공정 또는 결정여과공정을 통해 칼슘이온의 공급, pH 조정 및 정석재의 기능을 한꺼번에 제공함으로써 미처리 유입수 내에 포함된 다양한 농도 범위의 인을 제거하고, 정석재에 석출되는 성분을 수거하여 인 자원을 회수하여 재활용할 수 있으며, 설계 및 시공이 간단하고 운전 및 유지관리가 용이하기 때문에 경제적으로 높은 제거율과 회수율을 갖는 인 제거, 회수장치 및 방법을 제공할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명의 다기능 입상 정석재는 인 제거시 필요한 칼슘이온과 수산화이온이 정석재의 내부로부터 지속적으로 용출되어 공급되기 때문에 이들 이온을 별도로 공급하지 않고도 안정적인 인 제거가 가능하고, 정석재는 천연의 석회석 성분을 주원료로 하고 있기 때문에 사용 후 회수하여 정석재의 표면에 석출된 아파타이트 또는 스트루바이트를 녹지 및 농지에서 재이용하고자 할 때에도 중금속의 용출과 같은 문제를 일으키지 않기 때문에 친환경적인 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 다기능 입상 정석재를 이용한 인 제거 또는 회수 시스템의 바람직한 제1 실시예를 보인 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 다기능 입상 정석재를 이용한 인 제거 또는 회수 시스템의 바람직한 제2 실시예를 보인 구성도.
도 3은 본 발명에 의한 다기능 입상 정석재를 이용한 인 제거 또는 회수 시스템의 결정여과유닛의 제1 실시예를 보인 단면도.
도 4는 본 발명에 의한 다기능 입상 정석재를 이용한 인 제거 또는 회수 시스템의 결정여과유닛의 제2 실시예를 보인 단면도.
도 5는 본 발명에 의한 다기능 입상 정석재를 이용한 인 제거 또는 회수 시스템 및 방법을 실험하기 위한 실험장치 도면.
도 6a 내지 도 6e는 도 5의 실험장치에 의해 여층깊이에 따른 각 조건별 pH 변화를 나타낸 그래프.
도 7a 내지 도 7e는 도 5의 실험장치에 의해 여층깊이에 따른 각 조건별 알칼리도 변화를 나타낸 그래프.
도 8a 내지 도 8c는 도 5의 실험장치에 의해 여층깊이에 따른 각 조건별 칼슘이온의 변화를 나타낸 그래프.
도 9a 내지 도 9e는 도 5의 실험장치에 의해 여층깊이에 따른 각 조건별 인 제거 결과를 나타낸 그래프.
도 10a 내지 도 10d는 교반 및 폭기 실험결과를 나타낸 그래프.
도 11은 탄산수 실험조건에 따른 처리수 pH의 변화상태를 나타낸 그래프.

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

본 발명에 의한 다기능 입상 정석재를 이용한 인 제거 또는 회수 시스템 및 이를 이용한 인 제거 또는 회수 방법은 정석법과 응집침전법 및 여과법을 병용할 수 있는 다기능 입상 정석재를 제공하고, 이 정석재를 활용하여 단일한 공정으로 구성되는 정석공정 또는 결정여과공정을 통하여, 칼슘이온의 공급, pH 조정 및 정석재 기능을 한꺼번에 제공함으로써, 하수처리공정 중 반류수, 반송슬러지, 슬러지 농축설비 상징수, 소화조 상징수, 잉여슬러지 및 방류수, 오폐수 처리공정, 축산폐수 및 분뇨처리 등 여러 수처리 공정에서 발생하거나 오염된 하천수, 호소수, 저수지수 등 다양한 농도 범위의 인을 함유하고 있는 미처리 유입수를 대상으로 미처리 유입수 중에 함유되어 있는 인을 제거하고 회수할 수 있는 설계·시공이 간단하고, 운전 및 유지관리가 용이하고, 경제적이면서 높은 제거율과 회수율을 갖는 인 제거·회수 장치 및 방법에 대한 것이다.

특히, 본 발명에서 제안하고 있는 다기능 입상 정석재는 인 제거시 필요한 칼슘이온과 수산화이온이 정석재의 내부로부터 지속적으로 용출되어 공급되기 때문에 이들 이온을 별도로 공급하지 않고도 안정적인 인 제거가 가능하다는 장점을 갖는다. 또한, 상기 정석재는 천연의 석회석 성분을 주원료로 하고 있기 때문에 사용 후 회수하여 정석재의 표면에 석출된 아파타이트 또는 스트루바이트를 녹지 및 농지에서 재이용하고자 할 때에도 중금속의 용출과 같은 문제를 일으키지 않는다.

도 1에는 본 발명에 의한 다기능 입상 정석재를 이용한 인 제거 또는 회수 시스템의 제1 실시예가 도시된 것으로서 시스템 전단에 다기능 입상 정석재 정석유닛이 구비된 상태를 도시한 것이고, 도 2에는 다기능 입상 정석재를 이용한 인 제거 또는 회수 시스템의 제2 실시예가 도시된 것으로서 시스템 전단에 다기능 입상 정석재 결정여과유닛이 구비된 상태를 도시한 것이다.

본 발명에 의한 다기능 입상 정석재를 이용한 인 제거 또는 회수 시스템은 미처리수가 유입되어 다기능 입상 정석재를 접촉하여 정석법, 응집침전법 및 여과법에 의해 인 제거회수공정이 수행되는 다기능 입상 정석재 정석유닛 또는 결정여과유닛; 상기 다기능 입상 정석재 정석유닛 또는 결정여과유닛에 구비되어 내부 미처리 유입수를 교반하는 교반유닛; 상기 다기능 입상 정석재 정석유닛 또는 결정여과유닛 유출수의 수질을 모니터하여 상기 교반유닛의 교반상태 및 처리수의 방류를 제어하는 연산유닛; 상기 정석유닛 또는 결정여과유닛과 연결되어 상기 정석유닛 또는 결정여과유닛에 의해 처리된 처리수를 pH 중화시키는 재탄산화 유닛; 상기 재탄산화 유닛으로 탄산가스를 공급하는 탄산수 공급유닛;및 상기 재탄산화 유닛 내부의 pH를 모니터하여 상기 탄산수 공급유닛의 공급상태를 제어하는 탄산가스 제어유닛을 포함한다.

상기 다기능 입상 정석재 정석유닛(100)은 외부로부터 유입되는 미처리수를 다기능 입상 정석재와 접촉시켜 정석법, 응집침전법 및 여과법에 의해 인 제거회수공정을 수행하는 역할을 한다.

상기 다기능 입상 정석재 정석유닛(100)은 내부에 다기능 입상 정석재(10)가 담지되어 미처리 유입수와 접촉되도록 하기 위한 접촉수조(110)를 포함한다.

상기 접촉수조(110)에는 다기능 입상 정석재(10)가 담기고, 내부로 유입되는 미처리 유입수를 다기능 입상 정석재(10)와 접촉시켜 인 제거회수공정을 수행한다.

상기 접촉수조(110)에서 미처리 유입수와 다기능 입상 정석재(10)의 접촉시간은 공상접촉시간이 300분 이내로 한정되는 것이 바람직하고, 상기 다기능 입상 정석재(10)의 충전높이는 접촉수조(110) 내에서 5m 이내인 것이 바람직하다.

상기 다기능 입상 정석재(10)는 석회석 원료에 기반한 다공성 수처리재의 일종으로서, 석회석 원재료를 마련하는 원재료 마련 단계; 상기 원재료 마련 단계에서 마련된 원재료를 소정 형상으로 성형하는 성형 단계; 상기 성형 단계에서 성형된 성형품을 700℃~1,250℃의 범위의 고온에서 24시간 이내의 시간에 걸쳐 가열하고 소성하여 일부가 생석회 성분으로 전환되도록 하는 소성 단계; 및 상기 소성 단계에서 소성된 소성품을 냉각시키는 냉각단계;를 포함하는 제조공정에 의해 제조된다.

또한, 상기 원재료 마련 단계에서 마련되는 원재료는 석회석을 주성분으로 하고 돌로마이트, 이산화규소, 산화알루미늄 또는 산화철을 부성분으로 하는 1mm 이하의 입경을 갖는 석회석 미분 또는 1mm에서 수cm의 입경을 갖는 석회석 골재를 원재료로 하여 마련되고, 상기 성형 단계에서 성형되는 성형품은 분말상, 부정형의 입상형, 구형, 펠릿(pellet)형, 각기둥형 또는 다면체형 중 적어도 하나로 성형되며, 상기 소성품 냉각 단계는 소성품을 상온까지 냉각시키는 석회석 원료 기반의 다기능 입상 정석재의 제조 방법에 포함된다.

상기 원재료 마련 단계는 상기 소성 단계에서 소성이 과도하게 진행되는 것을 방지하기 위하여 석회석 원재료에 과 소성 방지제인 염화나트륨이 석회석 원재료 대비 1% 이내로 혼합되는 것을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 소성 단계는 상기 소성품의 석회석 성분과 생석회 성분의 중량비가 각각 5% ~ 95%의 범위 내에 분포하도록 소성 조건을 조절하는 것을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 소성 조건의 조절은 소성 온도와 소성 시간의 조절에 의해 이루어지며, 상기 소성 온도는 700℃~1,250℃의 범위이며, 상기 소성 시간은 24시간 이내로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 소성 단계는 소성 과정에서 수증기가 유입되는 것을 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 소성품의 특성을 조절하는 것을 더 포함하되, 상기 소성품의 특성 조절은 상기 소성 단계에서 저온에서부터 단계적으로 승온시키고 소성이 종료된 다음 단계적으로 냉각시킴으로써 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 소성품의 특성을 조절하는 것을 더 포함하되, 상기 소성품의 특성 조절은 돌로마이트, 이산화규소, 산화알루미늄 또는 산화철을 포함하는 부성분의 중량비를 조절함으로써 이루어지는 것이 바람직하다. 부성분의 중량비의 조절은 원재료를 교체하거나 또는 부성분의 함유량이 다른 하나 이상의 재료를 상기 원재료에 혼합함으로써 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 부성분의 중량비는 소성품 전체 중량의 80% 이하의 범위로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 냉각 단계에서 냉각된 소성품에 포함된 생석회 성분을 소석회 성분으로 전환시키는 소석회화 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 소석회화 단계는 냉각된 소성품을 물과 접촉시켜 생석회 성분을 소석회 성분으로 전환하는 수화반응을 유도하여 이루어지는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성되는 다기능 입상 정석재(10)는 정석법, 응집침전법 또는 여과법에 의해 접촉수조(110) 내부로 유입되는 미처리수 내의 인을 제거한다. 정석법의 인 제거 원리는 응집침전법과 동일하게 인산이온이 칼슘이온과 난용해성의 염인 아파타이트를 생성하거나 인산이온이 마그네슘이온 및 암모늄이온과 스트루바이트를 생성하는 반응에 기초를 둔다.

5Ca^{2 +} + 3PO₄ ^{3 -} + OH^- → Ca₅(OH)(PO₄)₃

Mg^{2 +} + NH₄ ⁺ + PO₄ ^3- → MgNH₄PO₄·6H₂O

정석법에서 아파타이트 및 스트루바이트의 제거 메커니즘은 어느 물질의 과포화용액에 그 물질과 동일하거나 유사한 물질의 결정을 넣으면 용질이 그 결정을 핵으로 하여 석출되는 원리를 응용한 것이다.

인산이온과 칼슘이온이 혼합된 용액은 각 성분의 농도에 따라 아파타이트가 석출되는 경계, 즉 용해도 곡선이 존재한다. 또한, 준안정영역이 존재하여 이 영역의 경계 이상으로 칼슘이온을 첨가하면 아파타이트가 응집·침전되기 시작한다. 응집침전법은 이 불안정영역에서의 반응을 응용한 것이다.

준안정영역 및 불안정영역의 상태에서 그 용질과 동일하거나 유사한 물질의 정석재(종결정)가 존재하면 정석재의 표면에 아파타이트 또는 스트루바이트가 석출되어 그 결과로 인이 제거된다. 준안정영역을 활용하는 정석법에서는 정석재가 필수적이지만, 불안정영역을 활용하는 응집침전법에서는 정석재가 없어도 반응이 일어난다.

정석탈인법 기반의 정석법을 이용한 인 제거 공법의 이점은 응집침전법에 비하여 수처리약품의 주입량을 적게 할 수 있고, 슬러지의 발생 또한 적다는 점을 들 수 있다. 일반적으로 정석법을 이용한 인 제거 공법에서는 총탄산이온의 알칼리도가 정석반응을 방해하기 때문에 전처리로 산을 첨가하여 알칼리도를 저감하는 탈탄산공정을 둔다. 정석반응이 실용적인 속도로 안정적으로 진행되기 위해서는 유입수를 과용해도 부근의 준안정영역의 상태로 유지해야 하기 때문에 칼슘농도와 pH 조정을 실시하고 필요에 따라서 방해물질을 제거하는 전처리공정이 필요하다.

정석탈인법 기반의 정석법에 의한 인 제거 성능은 인 농도, 설정 pH, 알칼리도, 칼슘이온 농도, 수온, 원수 중의 방해물질 유무, 접촉시간 및 조건, 정석재의 성상 등에 따라 달라진다.

정석법에 의한 인 제거회수공정에서는 전처리된 유입수를 상기 다기능 입상 정석재(10)와 접촉시켜 정석재 표면에 아파타이트 또는 스트루바이트를 석출시킴으로써 인을 제거한다. 응집침전법에서도 다기능 입상 정석재(10)와 접촉할 수 있는 적절한 조건이 마련되면 다기능 입상 정석재(10) 표면에 아파타이트가 형성된다.

상기와 같이 제조되는 상기 다기능 입상 정석재(10)는 접촉수조(110) 내에서 미처리 유입수 내의 인 제거시 필요한 칼슘이온과 수산화이온이 정석재의 내부로부터 지속적으로 용출되어 공급되기 때문에 이들 이온을 별도로 공급하지 않고도 안정적인 인 제거가 가능하다.

상기 다기능 입상 정석재(10)에서 용출되어 공급되는 칼슘이온과 수산화이온을 추가로 조정하고, 마그네슘이온 또는 암모늄이온을 공급하기 위하여 액상 또는 고상의 소석회(Ca(OH)₂), 염화칼슘(CaCl₂), 수산화나트륨(NaOH), 염화마그네슘(MgCl₂) 또는 염화암모늄(NH₄Cl)을 포함한 수처리약품을 접촉수조(110)에 추가 주입함으로써 각 이온물질의 농도를 더욱 상세하게 제어할 수 있는 전처리공정을 선택적으로 수행할 수 있다.

또한, 상기 다기능 입상 정석재(10)는 천연의 석회석 성분을 주원료로 하고 있기 때문에 사용 후 회수하여 정석재의 표면에 석출된 아파타이트 또는 스트루바이트를 녹지 및 농지에서 재이용하고자 할 때에도 중금속의 용출과 같은 문제를 일으키지 않는다.

그리고, 상기 다기능 입상 정석재(10)는 칼슘이온의 공급, pH 조정 기능이 유지되는 조건에서 지속적으로 활용하고, 활용이 종료된 정석재는 회수하여 정석재의 표면에 석출된 아파타이트 또는 스트루바이트 성분을 수거하여 인(P) 자원으로 재활용할 수 있다.

상기와 같이 정석법과 응집침전법 및 여과법을 병용하면 수 백 mg/L 이상의 고농도로부터 1mg/L 정도의 비교적 저농도의 광범위한 영역에 걸쳐있는 유입수의 인까지 높은 효율로 제거할 수 있다.

상기와 같은 다기능 입상 정석재(10)가 구비되는 정석유닛(100)에는 접촉수조(110) 내의 미처리수를 교반하기 위한 교반유닛(200)이 연결된다. 상기 교반유닛(200)은 스크류(211)와 회전봉(212)을 포함하는 교반기(210) 및 상기 교반기(210)의 회전속도를 제어하는 교반 제어기(220)를 포함한다.

상기 교반유닛(200)은 연산유닛(300)에 의해 제어되는데, 상기 연산유닛(300)은 접촉수조(110) 내의 수질을 측정한 결과에 따라 상기 교반유닛(200)의 제어속도를 제어할 수 있다.

상기 연산유닛(300)은 접촉수조(110) 내의 처리수의 수질을 측정하는 모니터링부(310)와, 상기 모니터링부(310)의 측정결과에 따라 상기 교반유닛(200) 및 아래에서 설명할 분기밸브(120)를 제어하는 연산부(320)를 포함한다.

상기 연산부(320)는 상기 모니터링부(310)에 의해 측정되는 접촉수조(110) 처리수의 pH, 칼슘이온의 농도, 알칼리도 또는 인 농도 및 제거율에 따라 교반기(210)의 교반속도를 제어한다.

상기 연산부(320)는 처리수의 pH가 8.0 미만으로 낮아질수록 교반속도를 증가시키고, pH가 12.0 이상으로 높아질수록 교반속도를 감소시키거나 교반을 중지하도록 제어할 수 있다.

또한, 상기 연산부(320)는 처리수의 칼슘이온 농도가 300mg/L 이상이 되면 교반속도를 감소시키거나 교반을 중지하도록 제어할 수 있다.

또한, 상기 연산부(320)는 처리수의 알칼리도에 따라 교반기(210)의 교반속도를 제어할 수도 있는데, 처리수의 알칼리도가 300mg/L(CaCO₃의 경우) 이상에 도달하면 교반속도를 감소시키도록 제어할 수 있다.

또한, 상기 연산부(320)는 인 농도가 목표치를 상회하거나 인 제거율이 목표치를 하회하면 상기 교반기(210)의 교반속도를 증가시키도록 제어할 수 있다.

상기 연산부(320)는 모니터링부(310)에 의해 측정되는 처리수의 수질 상태에 따라 정석유닛(100)에서의 인 제거회수공정을 계속 수행할 것인지 여부와, 상기 정석유닛(100)으로부터 배출되는 처리수에 대해 재탄산화 유닛에 의해 재탄산화공정을 수행할 것인지 여부를 결정할 수 있다.

보다 자세하게 설명하면, 상기 연산부(320)는 상기 접촉수조(110)로부터 배출되는 배출관(111)에 구비되는 분기밸브(120)의 분기 상태를 제어할 수 있다. 상기 분기밸브(120)는 상기 배출관(111)을 후단에 연결되는 재탄산화 유닛(400)으로 연결할 것인지 외부로 유출할 것인지를 결정하는 밸브이다.

상기 배출관(111)에서 분기밸브(120)가 연결된 지점에서부터 두 개의 분기관(112)이 연결되고, 어느 하나의 분기관(112)은 후단의 재탄산화 유닛(400)과 연결되고, 다른 하나의 분기관(112)은 외부로 배출되도록 구성될 수 있다.

상기 연산부(320)는 모니터링부(310)에 의해 측정되는 처리수의 수질 상태에 따라 상기 분기밸브(120)의 분기 상태를 제어하는데, 상기 모니터링부(310)에 의해 측정되는 수질 인자는 유량, pH, 수온, 칼슘이온농도, 알칼리도, 인 농도 등을 포함한다.

상기 인 제거회수공정이 수행된 처리수의 pH가 일정범위 내에 포함되면 외부로 방류하고, 일정범위 내에 포함되지 않으면 후단의 재탄산화 유닛(400)에 의해 재탄산화 공정이 더 수행되도록 제어하는 역할을 한다.

상기 재탄산화 유닛(400)은 전단의 정석유닛(100)에 의해 처리된 처리수가 이동하여 재탄산화 공정이 수행되는 장치로서, 처리수가 저장되기 위한 재탄산화 수조(410)와, 상기 재탄산화 수조(410)로 유입되는 입구에 설치되는 탄산수 주입기(420)를 포함한다.

그리고, 상기 재탄산화 수조(410) 내부에는 다수개의 격벽(411)이 형성되어, 상기 격벽(411)이 단락류의 발생을 방지하여 처리수와 지속적으로 재탄산화 반응이 수행될 수 있다.

상기 재탄산화 유닛(400)에서 수행되는 후처리공정은 처리수를 중화하는 등 처리수의 pH가 방류수 수질기준인 8.6 이하를 만족하지 못할 때 필요하다. 이러한 재탄산화 공정은 기상 또는 액상의 탄산가스를 이용하여 처리수와 기액반응을 유도하거나, 기상 또는 액상의 탄산가스를 고농도로 용존시킨 탄산수를 제조한 다음 고농도 탄산수를 재탄산화 수조(410) 내에 주입하여 액액반응을 유도하여 유출수의 pH와 알칼리도 및 경도를 조정하는 공정에 해당한다.

상기와 같이 중화에 사용되는 탄산가스는 황산에 비해 안전하고 취급이 용이할 뿐 아니라 과잉으로 공급하더라도 pH의 과도한 저하가 발생하지 않는다. 더구나 처리시간이 짧기 때문에 설비를 콤팩트화 할 수 있고 조작성도 뛰어나기 때문에 황산을 대체하여 사용하는 경우가 많아지고 있다.

탄산가스에 의한 기액반응의 중화는 황산에 의한 액액반응의 중화와 달리 탄산가스를 기포화하여 수중에 공급하고, 기포 중의 탄산가스가 액체에 용해된 다음 용해된 탄산가스와 액체가 반응하기 때문에 탄산가스 전부가 기액반응에 활용되지는 않는다.

탄산가스를 혼합하면 용해 후 탄산이 되어 산성을 띠지만 약산이기 때문에 과잉으로 첨가하더라도 pH는 급격하게 저하되지 않는다. 이 때문에 용이하게 pH를 기준 내로 제어할 수 있게 된다.

상기와 같이 구성되는 재탄산화 유닛(400)에는 상기 탄산수 주입기(420)로 탄산수를 주입하는 탄산수 공급유닛(500)과, 상기 재탄산화 유닛 내부의 pH를 모니터하여 상기 탄산수 공급유닛(500)의 탄산수 공급상태를 제어하는 탄산수 제어유닛(600)이 연결된다.

상기 탄산수 공급유닛(500)은 탄산가스를 저장하는 탄산가스 저장탱크(510); 상기 탄산가스 저장탱크(510)와 연결되어 탄산가스를 용해수에 용해시키는 탄산가스 용해펌프(520); 상기 탄산가스 용해펌프(520)에 의해 탄산가스가 용해된 탄산수를 저장하는 탄산수 저장조(530);및 상기 탄산수 저장조(530)에 저장된 탄산수를 탄산수 주입기(420)에 공급하는 탄산수 주입펌프(540)를 포함한다.

그리고, 상기 탄산수 공급유닛(500)은 탄산수 제어유닛(600)에 의해 제어되는데, 상기 탄산수 제어유닛(600)은 재탄산화 수조(410) 내의 pH를 측정하는 pH 모니터부(610)와, 상기 pH 모니터부(610)에 의해 측정된 처리수의 pH값에 의해 상기 탄산수 주입펌프(540)를 제어하는 펌프 제어기(620)를 포함한다.

상기 펌프 제어기(620)는 pH 모니터부(610)에 의해 측정된 pH값과 연동되어 탄산수 주입펌프(540)의 주입량을 제어하는데, 상기 pH 값이 5.8 ~ 8.6의 범위를 유지하도록 제어할 수 있고, 바람직하게는 pH 값이 7.5 ~ 8.6의 범위를 유지하도록 제어할 수 있다.

도 2에는 다기능 입상 정석재를 이용한 인 제거 또는 회수 시스템의 제2 실시예로서 시스템 전단에 정석유닛 대신에 다기능 입상 정석재 결정여과유닛이 구비된 상태를 도시한 것이다.

제2 실시예에 의한 인 제거 또는 회수 시스템은 미처리수를 유입하여 하단에서 상방으로 여과가 진행되는 상향류 방식의 결정여과유닛(700)을 포함한다. 도 3에는 상기 결정여과유닛(700)에 대한 구성이 단면도로 도시되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 결정여과유닛(700)은 미처리수가 유입되는 여과수조(710); 상기 여과수조(710)의 하단에 연결되는 유입관(711); 상기 여과수조(710)의 내부 하단에 구비되는 하부 집수부(720); 상기 여과수조(710)의 내부 상단에 구비되는 트로프 수단(730); 상기 여과수조(710)의 상단에 연결되는 출수관(712);및 상기 여과수조(710)의 하단에 연결되는 역세척 수단(740)을 포함한다.

상기 여과수조(710)의 하단에는 유입관(711)이 연결되어 유입관(711)을 통해 미처리수가 여과수조(710)의 하단으로 유입된다. 그리고, 상기 여과수조(710)의 하단으로 유입된 미처리수는 여과수조(710) 내부 하단에 구비되는 하부 집수부(720)에 일시 집수되고, 상기 하부 집수부(720)의 상면에 적재되는 다기능 입상 정석재(10)를 통과하면서 인 제거회수공정이 수행된다. 상기 다기능 입상 정석재(10)와의 접촉에 의한 정석법, 응집침전법 및 여과법에 의한 결정여과작용은 상기에서 설명한 바와 동일하다.

상기 여과수조(710)의 하방으로 유입된 미처리수는 다기능 입상 정석재(10)와 접촉하면서 상부로 이동하는데, 상기 여과수조(710)의 내부 상단에는 인 제거회수공정이 수행된 처리수만 출수관(712)을 통해 배출되도록 하는 트로프 수단(730)이 구비된다.

상기 트로프 수단(730)은 상기 여과수조(710)의 내주면을 따라 형성되는 일종의 “ㄴ”자형 선반으로, 상기 트로프 수단(730)을 타고 월류하는 처리수만 출수관(712)을 통해 배출되도록 하기 위한 역할을 한다.

상기 여과수조(710)의 하방에는 역세척 수단(740)이 구비되는데 물을 이용하여 역세척하는 물 역세척 수단(741)과, 공기를 이용하여 역세척하는 공기 역세척 수단(742)을 포함할 수 있다. 상기 역세척 수단(740)은 별도의 공급펌프 등에 의해 물이나 공기를 여과수조(710) 하방에서 상부로 방출시킴으로써 정석재 외부에 부착되는 이물질을 제거하는 역할을 할 수 있다.

도 4에는 결정여과유닛의 다른 실시예가 도시되어 있다. 다른 실시예에 의한 결정여과유닛(800)은 에어리프트 수단을 포함하도록 구성될 수 있다.

상기 결정여과유닛(800)은 여과수조(810); 상기 여과수조(810) 내부로 미처리수를 유입시키는 미처리수 유입수단(820); 상기 여과수조(810) 내부에 구비되는 에어리프트 수단(830); 상기 여과수조(810) 내부에 구비되는 미세기포 공급 수단(840); 상기 여과수조(810)의 상단에 구비되는 트로프 수단(850);및 상기 여과수조(810) 내부의 처리수를 배출하는 출수관(860)을 포함한다.

상기 미처리수 유입수단(820)은 외부로부터 유입되는 미처리수를 상기 여과수조(810) 내부의 하단으로 유도하는 유도관(821)과, 상기 유도관(821)의 말단에 구비되어 미처리수를 여과수조(810) 내부로 공급하는 공급 노즐관(822)을 포함한다.

상기 여과수조(810) 내부에는 다기능 입상 정석재(10)가 적재되어 있기 때문에, 상기 여과수조(810) 내부의 공급 노즐관(822)을 통해 공급되는 미처리수는 정석재(10)에 의해 인 제거회수공정이 수행된다.

그리고, 상기 여과수조(810) 내부 중앙에는 에어리프트 수단(830)이 구비되는데, 상기 에어리프트 수단(830)은 여과수조(810)의 하단으로부터 공급되는 공기에 의해 형성되는 공기방울을 여과수조(810)의 하단으로부터 상단으로 제공함으로써 다기능 입상 정석재(10)의 세정작용 및 순환 작용이 수행된다. 다기능 입상 정석재(10)는 에어리프트 수단(830)에 의해 공급되는 공기방울과 함께 상부까지 이송되는 과정에서 세정된 다음 여과수조(810)의 상층부로 순환 이동한다.

상기 에어리프트 수단(830)의 하단부에는 대략 호퍼 형태의 커튼수단(831)이 더 구비될 수 있다. 상기 커튼수단(831)은 상부 공간과 하부 공간을 분리하는 기능을 함으로써 수류에 의한 혼합과 다기능 입상 정석재(10)의 하중에 의한 압밀을 방지하는 역할을 한다.

그리고, 상기 여과수조(810) 내부에는 미세기포 공급 수단(840)이 구비되어 처리수의 pH, 칼슘이온의 농도, 알칼리도 또는 인 농도 및 제거율에 따라 미세기포 공급유량을 제어하는 수단을 제공한다.

상기 여과수조(810)의 상단에는 트로프 수단(850)이 구비되어 처리수가 월류하여 출수관(860)을 통해 배출된다.

상기와 같이 정석유닛(100) 또는 결정여과유닛(700, 800) 내부에서 사용되는 다기능 입상 정석재(10)는 정석공정 또는 결정여과공정에서의 사용이 종료된 이후에 회수하여 정석재 표면에 석출된 아파타이트 또는 스트루바이트 성분을 회수하여 인(P) 자원으로 재활용할 수 있다.

도 5에는 본 발명의 다기능 입상 정석재를 이용한 인 제거 또는 회수 시스템에 적용되는 다기능 입상 정석재를 이용한 인 제거 실험장치가 도시되어 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 다기능 입상 정석재를 충전한 충분한 칼럼을 준비하고, 그 칼럼에 미처리 유입수를 통과시켜 통수시켰을 때 유입수의 조건에 따라 pH, 알칼리도 및 칼슘이온의 증가 및 인 제거 성능을 실험분석한 결과는 다음과 같다.

상기 결과로부터 본 발명에서 본 다기능 입상 정석재를 사용하여 달성하고자 하는 복수의 목적인 pH, 알칼리도 및 경도(Ca^{2 +} 증가)를 증가시키고 이를 통하여 정석반응, 응집침전반응 및 여과반응을 유도함으로써 인 제거·회수가 효율적으로 진행됨을 알 수 있다.

먼저, 다양한 미처리 유입수에 대한 각 실험조건은 아래의 [표 1]과 같다.

[표 1] 각 실험 유입수의 실험조건

실험방법은 다음과 같다. ① 칼럼에 세척한 다기능 입상 정석재를 충전한다. ② 원수를 칼럼에 공급한다. ③ 여층의 깊이별로 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0, 1.2, 1.4m 에서 채수한다. ④ 여층의 깊이에 따른 측정항목의 변화 특성을 분석한다.

다음과 같은 조건에서의 실험결과(pH의 변화)는 다음의 [표 2]와 같다.

[표 2] pH 변화

상기 결과에 따르면 pH는 낮은 여층에서 급격히 증가하다가 그 후 증가폭이 감소하는 것을 알 수 있다. 그리고, 실험 1 내지 실험 5에서의 개별적인 pH 변화 실험 결과는 도 6a 내지 6e에 도시되어 있다.

그리고, 여층 깊이에 따른 알칼리도의 변화에 대한 실험 결과가 아래의 표 3에 기재되어 있다.

[표 3] 알칼리도의 변화(Alkalinity, mg/L as CaCO₃)

상기 실험결과에 의하면, 알칼리도는 모든 여층 깊이에서 지속적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 그리고, 실험 1 내지 실험 5에서의 개별적인 알칼리도 변화가 도 7a 내지 7e에 도시되어 있다.

그리고, 여층깊이에 대한 칼슘이온 변화에 대한 실험결과는 아래의 표 4와 같다.

[표 4] Ca^{2 +} 이온의 변화(mg/L)

상기 실험결과에 의하면, 칼슘이온은 원수의 수질에 따라 낮은 여층 깊이에서 증가하다가 중간층에서 부분적으로 감소한 다음 다시 증가하는 특성을 나타내었는데, 이는 다기능 입상 정석재에 의해 응집침전 및 결정화가 진행되는 단계에서 일시적으로 농도가 저하되는 현상을 나타낸다. 그리고, 실험 1 내지 실험 3에서의 개별적인 칼슘이온 변화가 도 8a 내지 8c에 도시되어 있다.

인(PO₄-P)은 다양한 실험조건에서 뚜렷한 제거효율이 나타나 여층의 깊이 및 입상 정석재의 입경 등 운전조건을 변화시킴으로써 목표로 하는 처리효율의 달성이 가능하다는 사실을 알 수 있었다. 이와 같은 여층깊이에 대한 인 제거 실험결과는 아래의 표 5와 같다.

[표 5] 인(PO₄-P) 제거 실험결과 (단위 : mg/L)

상기 실험결과에 의하면, 저농도 유입수(0.59mg/L)를 대상으로 한 실험 3에서는 98%의 제거효율을 나타내었으며, 실험 5에서는 여층의 깊이는 1.4m로 실험 1 ∼ 실험 4까지의 조건과 동일하나 입상 정석재의 입경을 10mm에서 7mm로 축소함으로써 고농도의 유입수(1.63mg/L)를 대상으로 90% 이상의 인 제거효율을 얻을 수 있었다. 여층깊이에 따른 각 실험조건에서의 인 제거 결과가 도 9a 내지 도 9e에 도시되어 있다.

한편, 본 발명의 접촉수조에서의 교반 및 폭기에 대한 성능을 평가하기 위하여, 다기능 입상 정석재의 교반 및 폭기 등 물리적 운전조건 변화에 따른 반응특성을 분석한 결과가 아래의 표 6과 같다.

[표 6] 교반 및 폭기 실험조건과 주요 실험결과

상기 실험결과에서, 실험원수의 초기 알칼리도는 74.0mg/L였다. 각 실험에 다기능 입상 정석재를 300g/L의 농도로 투입한 다음 반응시간(30, 60, 90, 120min)에 따른 수질의 변화를 측정한 결과 120분의 반응시간 후, 알칼리도는 대조실험에 비해 교반실험(stirring)에서 약 40mg/L 높았고, 폭기실험(aeration)에서는 약 30mg/L 낮았다.

pH의 상승속도는 교반 및 폭기 등 물리적 운전조건을 병행했을 때 더 빠른 것으로 나타났다. 인 제거특성은 교반 및 폭기 등 물리적 운전조건 조작을 통하여 뚜렷하게 개선되는 것으로 나타났다.

상기 결과로부터 교반 및 폭기가 반응속도를 향상시킨다는 사실이 확인되었으며, 폭기는 반응속도를 향상시킬 뿐만 아니라 알칼리도의 상승폭을 줄이는 효과도 갖는 것으로 나타났다. 이에 대한 세부 실험결과가 도 10a 내지 도 10d에 도시되어 있다.

그리고, 본 발명의 재탄산화 유닛의 성능을 평가하기 위하여 이산화탄소를 이용한 pH 조정 실험결과를 수행한 결과는 아래의 표 7과 같다.

[표 7] 탄산수 실험조건에 따른 처리수의 pH

상기 실험결과는 pH가 11.7 이상인 원수를 대상으로 하여 CO₂를 용해시킨 탄산수(pH 4.5 이하)를 주입하여 중성에 가까운 pH를 갖는 처리수를 안정적으로 확보할 수 있음을 보여준다.

CO₂의 용해속도와 용해율을 높이기 위하여 기체 상태의 CO₂를 50μm 이하의 입경을 갖는 마이크로버블 형태로 주입하여 pH 4.5 이하의 탄산수를 안정적으로 형성시킨 다음, 이 탄산수를 원수의 pH(feed-forward 제어)와 처리수의 pH(feed-back 제어)를 고려하여 적정량 주입함으로써 목표 pH를 달성하였다. 그리고, 이에 대한 실험결과가 도 11에 도시되어 있다.

본 발명에서는 정석법과 응집침전법 및 여과법을 병용할 수 있는 다기능 입상 정석재를 제공하고, 이 정석재를 활용하여 단일한 공정으로 구성되는 정석공정 또는 결정여과공정을 통하여, 칼슘이온의 공급, pH 조정 및 정석재 기능을 한꺼번에 제공함으로써, 하수처리공정 중 반류수, 반송슬러지, 슬러지 농축설비 상징수, 소화조 상징수, 잉여슬러지 및 방류수, 오폐수 처리공정, 축산폐수 및 분뇨처리 등 여러 수처리 공정에서 발생하거나 오염된 하천수, 호소수, 저수지수 등 다양한 농도 범위의 인을 함유하고 있는 미처리 유입수를 대상으로 미처리 유입수 중에 함유되어 있는 인을 제거하고 회수할 수 있는 설계·시공이 간단하고, 운전 및 유지관리가 용이하고, 경제적이면서 높은 제거율과 회수율을 갖는 인 제거·회수 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히, 본 발명에서 제안하고 있는 다기능 입상 정석재는 인 제거시 필요한 칼슘이온과 수산화이온이 정석재의 내부로부터 지속적으로 용출되어 공급되기 때문에 이들 이온을 별도로 공급하지 않고도 안정적인 인 제거가 가능하다는 장점을 갖는다. 또한, 이 정석재는 천연의 석회석 성분을 주원료로 하고 있기 때문에 사용 후 회수하여 정석재의 표면에 석출된 아파타이트 또는 스트루바이트를 녹지 및 농지에서 재이용하고자 할 때에도 중금속의 용출과 같은 문제를 일으키지 않는다.

상기에서는 본 출원의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

[부호의 설명]

100 : 정석유닛 110 : 접촉수조

200 : 교반유닛 210 : 교반기

220 : 교반제어기 300 : 연산유닛

310 : 모니터링부 320 : 연산부

400 : 재탄산화 유닛 410 : 재탄산화 수조

420 : 탄산수 주입기 500 : 탄산수 공급유닛

510 : 탄산가스 저장탱크 520 : 탄산가스 용해펌프

530 : 탄산수 저장조 540 : 탄산수 주입펌프

600 : 탄산수 제어유닛 610 : pH 모니터부

620 : 펌프 제어기 700, 800 : 결정여과유닛

710, 810 : 여과수조 720 : 하부 집수부

730, 850 : 트로프 수단 740 : 역세척 수단

820 : 미처리수 유입수단 830 : 에어리프트 수단

840 : 미세기포 공급 수단

Claims (27)

1. 인을 포함하는 미처리 유입수를 처리하는 수처리시설에 있어서,
   천연의 석회석 원재료를 고온에서 가열하여 소성하여 일부가 생석회 성분으로 전환되도록 한 후, 냉각시킴으로써 제조되는 다기능 입상 정석재를 활용한 정석공정 또는 결정여과공정을 통해 정석반응, 응집침전반응 및 여과반응을 복합적으로 유도하여 상기 미처리 유입수 내의 인을 제거하고 회수하도록 구성되고,
   상기 다기능 입상 정석재가 담겨서 상기 미처리 유입수에 대해 정석공정, 응집침전공정 및 여과공정을 통해 인을 제거하는 결정여과유닛;
   상기 결정여과유닛과 연결되고, 상기 결정여과유닛 유출수의 수질 상태에 따라 상기 결정여과유닛의 인 제거회수공정을 제어하는 연산유닛;
   상기 정석공정 또는 결정여과공정 유출수의 수질 상태에 따라 상기 정석공정 또는 결정여과공정 이후에 재탄산화 공정이 선택적으로 수행되는 재탄산화 유닛;
   상기 재탄산화 유닛으로 탄산수를 공급하는 탄산수 공급유닛;및
   상기 재탄산화 유닛 유출수의 pH를 모니터하여 상기 탄산수 공급유닛의 탄산수 공급상태를 제어하는 탄산수 제어유닛을 포함하고,
   상기 결정여과유닛은
   상기 결정여과유닛의 하단에서 상단으로 여과가 진행되는 상향류 방식으로 구성되는 여과수조;
   상기 여과수조의 하단에 연결되는 유입관;
   상기 여과수조의 내부 하단에 구비되는 하부 집수부;
   상기 여과수조의 내부 상단에 구비되는 트로프 수단;
   상기 여과수조의 상단에 연결되는 출수관;
   상기 여과수조의 하단에 연결되어 물 또는 공기를 이용하여 상기 결정여과유닛의 하단에서 상단으로 주입함으로써, 상기 다기능 입상 정석재를 역세척 및 순환하도록 구성되는 에어리프트 방식의 역세척 수단;및
   상기 역세척 수단의 하단부에 연결되는 호퍼 형상의 커튼수단을 포함하고,
   상기 정석공정 또는 결정여과공정으로부터 배출되는 처리수가 분기밸브에 의해 후단의 상기 재탄산화 공정이 수행되거나 외부로 바이패스 배출하도록 구성되고,
   상기 연산유닛은 상기 정석공정 또는 결정여과공정의 유출수의 pH값에 연동되어 상기 분기밸브를 제어하는
   다기능 입상 정석재를 이용한 인 제거 또는 회수 시스템.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 다기능 입상 정석재는
   천연의 석회석 원재료를 마련하는 원재료 마련 단계;
   상기 원재료 마련 단계에서 마련된 원재료를 소정 형상으로 성형하는 성형 단계;
   상기 성형 단계에서 성형된 성형품을 700℃~1,250℃의 범위의 고온에서 24시간 이내의 시간에 걸쳐 가열하고 소성하여 일부가 생석회 성분으로 전환되도록 하는 소성 단계; 및
   상기 소성 단계에서 소성된 소성품을 냉각시키는 냉각 단계;를 포함하여 제조되는
   다기능 입상 정석재를 이용한 인 제거 또는 회수 시스템.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 다기능 입상 정석재는
   상기 원재료 마련 단계에서 마련되는 원재료는 석회석, 돌로마이트, 이산화규소, 산화알루미늄 및 산화철을 구성성분으로 하는 1mm 이하의 입경을 갖는 석회석 미분 또는 1mm에서 수cm의 입경을 갖는 석회석 골재를 원재료로 하여 마련되고,
   상기 성형 단계에서 성형되는 성형품은 분말상, 부정형의 입상형, 구형, 펠릿(pellet)형, 각기둥형 또는 다면체형 중 적어도 하나로 성형되며,
   상기 소성품 냉각 단계는 소성품을 상온까지 냉각시키는
   다기능 입상 정석재를 이용한 인 제거 또는 회수 시스템.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 다기능 입상 정석재는
   상기 미처리 유입수 1L에 대하여 1,000g/L 이하의 비율로 접촉 또는 여과되고, 상기 미처리 유입수와의 접촉시간이 300분 이내로 제한되는
   다기능 입상 정석재를 이용한 인 제거 또는 회수 시스템.
   
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 제1항에 있어서,
    상기 결정여과유닛은
    상기 결정여과유닛 내부에 공기방울을 공급하여 상기 다기능 입상 정석재를 공기와 접촉시켜 칼슘이온 및 수산화이온의 용출 작용을 촉진하고, 알칼리도의 상승속도를 낮추는 미세기포 공급 수단을 포함하는
    다기능 입상 정석재를 이용한 인 제거 또는 회수 시스템.
    
15. 삭제
16. 제1항에 있어서,
    상기 탄산수 제어유닛은
    상기 재탄산화 유닛 내의 유출수의 pH가 5.8 내지 8.6의 범위를 유지하도록 상기 탄산수 공급유닛의 공급상태를 제어하는
    다기능 입상 정석재를 이용한 인 제거 또는 회수 시스템.
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
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