KR101911504B1 - 연속식회분반응조를 이용한 오/폐수내 유기물 및 질소화합물 제거방법 - Google Patents

Abstract

3차 이상의 유입 단계를 오폐수에 함유된 유기물, 질소, 인을 처리 효율을 높일 수 있으며, 순환관을 이용하여 이용하여 본체 내부의 상등액을 순환시키고 분배관을 통해서 슬러지층에 균등하게 분배하여 유기물의 활성화 및 산화를 촉진시킬 수 있는 오폐수의 질소 처리 장치 및 방법을 제공하고자 한다. 본 발명의 실시예에 따른 오폐수의 질소 처리 장치는 ⅰ) 슬러지층과 상등액을 수용하는 본체, ⅱ) 본체에 오폐수 또는 상등액을 유입하는 유입관, ⅲ) 본체의 하부에 위치하고, 유입관과 연결되는 연결홀을 포함하고, 오폐수 또는 순환된 상등액을 본체에 분배하는 제1 분배관을 포함하고, 제1 분배관은 오폐수 또는 상등액을 슬러지층에 균등하게 분배하고 본체의 하단부 방향으로 형성되는 하나 이상의 분배홀을 포함할 수 있다.

Description

연속식회분반응조를 이용한 오/폐수내 유기물 및 질소화합물 제거방법{A REMOVAL METHOD OF ORGANICS AND NITROGEN COMPOUNDS OF WASTEWATER USING SEQUENCE BATCH REACTOR}

연속식회분반응조를 이용한 오/폐수내 유기물 및 질소화합물 제거방법이 제공된다.

일반적으로, 오수 및 폐수에 함유된 유기물 및 질소화합물을 제거하기 위하여 활성 슬러지 공정을 이용한다. 최근에는 활성 슬러지 공정에 개선된 요소 기술을 접목한 연속식 회분반응조(SBR) 등의 생물학적 처리 공정이 연구되고 있다.

연속식 회분반응조(SBR) 공정은 오폐수의 유입(fill), 반응(reaction), 침전(settle), 유출(draw), 휴지(idle)의 단위공정이 정해진 시간에 따라 연속적으로 처리된다. 연속식 회분반응조 공정은 반응 과정에서의 질산화, 유입 과정 및 침전 과정에서 혐기조건을 적절하게 조성해야 한다. 그러나 연속식 회분반응조 공정은 오폐수 내의 유기물 및 질소화합물의 제거 효율을 높이기 위한 혐기조건을 조성하기가 어려울 수 있으며 이로 인해 처리 효율이 감소될 수 있다.

한국등록특허 329,069는 "연속식회분반응조를 이용한 오/폐수 내 유기물 및 질소화합물 제거방법"에 대한 것으로, 반응기 내의 처리수의 수질 개선을 위한 질소화합물의 제거방법을 개시한다. 그러나, 질소화합물 제거방법은 반응기의 하부가 뿔 형태로 구성되고 상등액의 순환이 어려워 상등액이 침전된 슬러지층을 고르게 통과하지 못할 수 있으므로 제거 효율을 높이기 위한 혐기조건을 조성하기가 어려울 수 있으며, 유출수에 산화되지 못한 암모니아가 함유될 수 있다.

본 발명의 일 실시예는 3차 이상의 유입 단계를 오폐수에 함유된 유기물, 질소, 인을 처리 효율을 높일 수 있으며, 순환관을 이용하여 이용하여 본체 내부의 상등액을 순환시키고 분배관을 통해서 슬러지층에 균등하게 분배하여 유기물의 활성화 및 산화를 촉진시킬 수 있는 오폐수의 질소 처리 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 오폐수의 질소 처리 장치는 ⅰ) 슬러지층과 상등액을 수용하는 본체, ⅱ) 본체에 오폐수 또는 상등액을 유입하는 유입관, ⅲ) 본체의 하부에 위치하고, 유입관과 연결되는 연결홀을 포함하고, 오폐수 또는 순환된 상등액을 본체에 분배하는 제1 분배관을 포함하고, 제1 분배관은 오폐수 또는 상등액을 슬러지층에 균등하게 분배하고 본체의 하단부 방향으로 형성되는 하나 이상의 분배홀을 포함할 수 있다.

하나 이상의 분배홀은 제1 분배관에 연결홀을 중심으로 대칭되어 형성되고, 하나 이상의 분배홀은 연결홀과 이격되어 위치하는 제1 분배홀, 제1 분배홀과 이격되어 위치하는 제2 분배홀, 제2 분배홀과 이격되어 위치하는 제3 분배홀을 포함하고, 그리고 제1 분배홀과 제2 분배홀의 이격거리는 제2 분배홀과 제3 분배홀의 이격거리보다 클 수 있다.

제1 분배관은 양측 단부에 위치하고 제1 분배관 내부의 슬러지를 유출하는 개폐장치를 포함할 수 있다. 제1 분배관과 교차하여 위치하는 제2 분배관을 더 포함할 수 있다. 본체에서 처리된 오폐수를 유출하는 유출관 및 본체와 연결되고 오폐수 또는 상등액의 유입량을 조절하는 수위조절기, 그리고 본체의 하부와 연결되는 산기부를 더 포함하고, 산기부는 본체 내부에 위치하고 산기부와 연결되어 본체에 산소를 공급하는 디퓨져(diffuser)를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 오폐수의 질소 처리 방법은 슬러지층과 상등액을 수용하는 본체, 본체에 오폐수 또는 상등액을 유입시키는 유입관, 유입관과 연결되고 오폐수 또는 상등액을 본체에 분배하는 분배관, 본체에서 처리된 오폐수를 유출하는 유출관, 본체에 산소를 공급하는 산기부를 포함하는 오폐수의 질소 처리 장치를 제공하는 단계, 본체에 오폐수를 1차 유입시키는 단계, 상등액을 1차 순환시켜 분배관을 통해 슬러지층에 균등하게 분배하여 오폐수의 유기물을 산화시키고 잔류하는 질소산화물을 탈질시키는 단계, 분배관의 양측 단부를 열어 분배관에 쌓인 슬러지를 밀어내는 단계, 산기부가 본체에 1차 산소를 공급하여 오폐수에 잔류하는 유기물을 산화 및 질산화시키는 단계, 본체에 오폐수를 2차 유입시키고, 상등액을 분배관을 통해 2차 순환시켜 슬러지층에 균등하게 분배하여 오폐수의 유기물을 산화시키고 잔류하는 질소산화물을 탈질시키는 단계, 산기부가 본체에 2차 산소를 공급하여 오폐수에 잔류하는 유기물을 산화 및 질산화시키는 단계, 본체에 오폐수를 3차 유입시키고, 상등액을 분배관을 통해 3차 순환시켜 슬러지층에 균등하게 분배하여 오폐수의 유기물을 산화시키고 잔류하는 질소산화물을 탈질시키는 단계, 산기부가 본체에 3차 산소를 공급하여 오폐수에 잔류하는 유기물을 산화 및 질산화시키는 단계, 그리고 유출관을 통해 처리된 오폐수를 유출하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 분배관을 통하여 오폐수 또는 상등액이 슬러지층에 균등하게 분배될 수 있으며, 유입수를 본체에 3차 이상으로 다단계 유입하여 유기물을 제거함에 따라 질소화합물의 산화를 가속화하고 오폐수의 유기물질과 질소화합물을 효과적으로 제거할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 오폐수의 질소 처리 장치의 단면도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 오폐수의 질소 처리 장치 내에 설치된 분배관의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 오폐수의 질소 처리 장치 내에 설치된 분배관의 유체 흐름도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 오폐수의 질소 처리 장치 내에 설치된 분배관의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 용존산소의 거동의 실험 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 질소화합물의 거동의 실험 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 질소 제거 양상의 실험 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 인의 농도 변화의 실험 그래프이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다단계 유입 및 내부 순환을 이용한 오폐수의 질소 처리 장치(1)의 단면도를 나타낸다. 도 1의 오폐수의 질소 처리 장치(1)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 오폐수의 질소 처리 장치(1)의 구조를 다른 형태로도 변형할 수 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 오폐수의 질소 처리 장치(1)는 본체(10), 유입관(11), 유출관(12), 수위조절기(13), 산기부(14), 순환관(18) 그리고 제1 분배관(20)을 포함할 수 있다. 본체(10)는 내부에 슬러지층(16)과 상등액(17)을 포함할 수 있다. 슬러지층(16)은 본체(10)에 약 3000mg/L의 MLSS 농도로 일정시간 배양될 수 있다. 본체(10)는 원통형 또는 사각기둥형 등의 형상을 가질 수 있다.

유입관(11)은 본체(10)의 하부와 연결될 수 있다. 유입관(11)은 오폐수를 본체(10)의 내부에 연속적으로 제공할 수 있다. 유입관(11)은 유입펌프(P1)와 연결될 수 있다. 유입펌프(P1)는 본체(10)로 유입되는 오폐수의 양을 조절할 수 있다. 유입펌프(P1)는 수위조절기(13)와 연결될 수 있다. 수위조절기(13)는 유입펌프(P1)의 작동을 온/오프 시킬 수 있다. 수위조절기(13)는 유입펌프(P1)에 의해 제어되는 오폐수의 유량을 일정하게 유지시킬 수 있다.

산기부(14)는 본체(10)의 하부와 연결될 수 있다. 산기부(14)는 본체(10)의 내부에 산소를 공급할 수 있다. 산기부(14)는 타이머(T)와 연결되어 본체(10)에 산소 공급을 온/오프 시켜 작동과 휴지를 반복할 수 있다.

산기부(14)는 디퓨져(15)와 연결될 수 있다. 디퓨져(15)는 본체(10)의 내부에 위치할 수 있다. 디퓨져(15)는 확대관 형상을 가지며 산기부(14)에서 공급된 산소를 확산시킬 수 있다. 산기부(14)를 통해 본체(10)의 내부에 공급된 산소는 오폐수에 잔류하는 유기물의 산화 및 질산화를 유도시킬 수 있다.

유출관(12)은 본체(10)의 내부에서 처리된 오폐수를 본체(10)의 외부로 배출할 수 있다. 유출관(12)은 유출펌프(P3)와 연결될 수 있다. 유출펌프(P3)는 본체(10)의 외부로 배출되는 처리된 오폐수의 양을 조절할 수 있다. 유출펌프(P3)는 타이머(T)와 연결될 수 있다. 타이머(T)는 유출펌프(P3)의 작동을 온/오프 시킬 수 있다.

순환관(18)의 일측은 유입관(11)과 연결되고 타측은 상등액(17)과 연결될 수 있다. 상등액(17)은 순환관(18)을 따라 유입관(11)으로 이동되어 유입관(11)을 따라 본체(10)의 내부로 다시 순환될 수 있다. 순환관(18)은 순환펌프(P2)와 연결될 수 있다. 순환펌프(P2)는 본체(10)로 순환되는 상등액(17)의 양을 조절할 수 있다.

제1 분배관(20)은 본체(10)의 하부에 위치할 수 있다. 제1 분배관(20)은 유입관(11)과 연결되어 오폐수 또는 상등액(17)을 본체(10)의 내부에 분배할 수 있다. 도 1의 확대원에 도시한 바와 같이, 제1 분배관(20)은 분배홀들(21a, 21b), 연결홀(26)을 포함할 수 있다. 연결홀(26)은 유입관(11)과 연결될 수 있다. 오폐수 또는 상등액(17)은 연결홀(26)을 통해 제1 분배관(20)에 유입되어 분배홀들(21a, 21b)을 통과하여 본체(10)의 내부에 균등하게 분배될 수 있다.

오폐수의 질소 처리 장치(1)는 순환관(18)을 이용하여 본체(10)의 상부에 위치하는 상등액(17)을 다시 본체(10)의 하부로 유입시킬 수 있다. 또한 제1 분배관(20)을 이용하여 유입된 상등액(17)을 상향류로 슬러지층(16)에 균등하게 내부 순환이 이루어 지도록 유도할 수 있으므로, 선택류에 의한 불완전한 혐기조건의 조성을 미연에 방지할 수 있다.

분배홀들(21a, 21b)은 본체(10)의 하측 단부를 향한 방향으로 형성될 수 있다. 분배홀들(21a, 21b)은 본체(10)의 하측 단부와 마주보며 위치할 수 있다. 이 경우, 도 1의 확대원의 화살표에 도시한 바와 같이, 오폐수 또는 상등액(17)이 분배홀들(21a, 21b)을 통과하여 슬러지층(16)에 혼합되면서, 본체(10)의 하단부로부터 상부 방향으로 유턴하여 상향류의 흐름을 만들어, 슬러지층(16)의 전체 면에 대하여 슬러지층(16)의 상부를 통과하도록 흐름이 형성될 수 있다.

오폐수의 질소 처리 장치(1)는 오폐수 또는 상등액(17)이 다단계로 유입되어 미처리된 질소화합물의 유출을 방지하고 오폐수에 함유된 유기물질과 질소화합물의 처리 효율을 높일 수 있다.

먼저, 유입관(11)을 통해 오폐수를 본체(10)에 1차 유입시킬 수 있다. 이 때, 산기부(14)는 오프된 상태로 산소 공급이 없고, 유입부하량은 1.925㎥/㎡·hr로 비교적 빠른 유량으로 오폐수를 유입할 수 있다. 다음으로 상등액(17)을 순환관(18)을 통해 1차 순환시키고 제1 분배관(20)을 이용해 슬러지층(16)에 균등하게 분배하여 오폐수의 유기물을 산화시키고 잔류하는 질소산화물을 탈질 시킬 수 있다. 또한 1차 순환이 종료되는 과정에서 일시적으로 약 5분간 제1 분배관(20)의 양측 단부를 열어 제1 분배관(20)에 쌓인 슬러지를 밀어낼 수 있다.

그 다음, 산기부(14)가 본체(10)에 1차 산소를 공급하여 오폐수에 잔류하는 유기물을 산화 및 질산화 시킬 수 있다. 산기부(14)의 산소 공급은 1차 유입이 완료되고 약 1시간 10분 경과 후에 22.5 ㎥/㎡·hr의 유량으로 포기하여 본체(10) 내부의 오폐수에 산소를 공급하고 균일한 활성슬러지가 조성될 수 있도록 유도할 수 있다.

산기부(14)의 산소 공급은 약 5시간 동안 연속적으로 진행될 수 있으며 이 과정 동안 오폐수에 함유된 유기물 및 질소화합물을 이산화탄소, 아질산, 질산이온으로 산화되도록 유도할 수 있다. 산기부(14)의 산소 공급의 용존 산소량은 2 mg/L를 유지할 수 있으며, 만약 용존 산소량이 2 mg/L보다 낮을 경우 산소의 공급을 늘릴 수 있다. 약 5시간 동안의 산소 공급이 종료되면 산기부(14)는 오프 되어 오폐수가 무산소상태가 될 수 있도록 조성할 수 있다.

다음으로, 본체(10)에 1차 유입의 유량의 10%로 오폐수를 2차 유입시키고, 상등액(17)을 제1 분배관(20)을 통해 2차 순환시켜 슬러지층(16)에 균등하게 분배하여 오폐수의 유기물을 산화시키고 잔류하는 질소산화물을 탈질 시킬 수 있다. 그리고 산기부(14)가 본체(10)에 2차 산소를 공급하여 오폐수에 잔류하는 유기물을 산화 및 질산화시킬 수 있다. 오폐수의 2차 유입은 탈질을 위한 탄소원을 확보할 수 있으며 산화된 질소산화물을 환원시키는 과정으로 질산이온이나 아질산이온이 질소가스로 전환될 수 있다.

그 다음, 산기부(14)의 산소 공급을 오프시키고 3시간 30분 경과 후에 유출관(12)을 통해 본체(10)에서 처리된 오폐수를 배출할 수 있다. 이 경우, 유출 유량은 본체(10)의 내부 부피의 66%를 90분 이내에 유출시킬 수 있다. 만약, 오폐수의 1차 유입의 질소화합물 함유량이 40mg/L 이상인 경우, 오폐수의 2차 유입시점에서 2시간이 지난 후 2차 산소 공급을 30분 동안 수행할 수 있으며, 질소화합물의 산화를 유도할 수 있다.

오폐수의 1차 유입의 질소화합물 함유량이 40mg/L 이상인 경우, 본체(10)에 1차 유입의 유량의 5%로 오폐수를 3차 유입시키고, 상등액(17)을 제1 분배관(20)을 통해 3차 순환시켜 슬러지층(16)에 균등하게 분배하여 오폐수의 유기물을 산화시키고 잔류하는 질소산화물을 탈질시키고, 산기부(14)가 본체(10)에 3차 산소를 공급하여 오폐수에 잔류하는 유기물을 산화 및 질산화시킬 수 있다. 그리고 유출관(12)을 통해 본체(10)에서 처리된 오폐수를 배출할 수 있다.

만약, 오폐수의 1차 유입의 질소화합물 함유량이 60mg/L 이상인 경우, 본체(10)에 1차 유입의 유량의 5%로 오폐수를 4차 유입시키고, 2차 유입 후 2차 산소 공급 시점과 3차 유입 그리고 90분의 정체 구간을 반복적으로 수행하면서 반복적으로 다단계 유입이 실시되어 오폐수의 처리가 완료된 후 상등액을 배출할 수 있다.

전술한 과정에서 상등액(17)의 순환은 전 구간 동안 가동될 수 있으며 상등액(17)의 유량은 유입 유량의 90% 이상일 수 있다. 상등액(17)은 순환되어 제1 분배관(20)을 통과하며 슬러지층(16)에 균등하게 분배될 수 있으며, 본체(10)의 내부 순환을 통해서 산화와 환원작용을 가속화할 수 있다. 이하에서는 도 2 내지 도 6을 통하여 제1 분배관(20)의 구조를 좀더 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 오폐수의 질소 처리 장치(1)의 분배관들(20, 30, 31)의 단면도를 나타낸다. 분배관들(20, 30, 31)은 본체(10)의 하측 단부와 마주보며 위치할 수 있으므로, 도 2는 분배관들(20, 30, 31)이 뒤집어진 상태를 나타낸다.

도 2에 도시한 바와 같이, 제1 분배관(20)은 제1 분배홀(21a, 21b), 제2 분배홀(22a, 22b), 제3 분배홀(23a, 23b), 제4 분배홀(24a, 24b), 제5 분배홀(25a, 25b), 연결홀(26), 개폐장치(27)를 포함할 수 있다.

연결홀(26)은 유입관(11)과 연결될 수 있다. 오폐수 또는 상등액(17)은 연결홀(26)을 통해 제1 분배관(20)에 유입될 수 있다. 개폐장치(27)는 제1 분배관(20)의 양측 단부에 위치할 수 있다. 개폐장치(27)는 제1 분배관(20)의 내부에 쌓인 슬러지를 배출시킬 수 있다.

제1 분배홀(21a, 21b), 제2 분배홀(22a, 22b), 제3 분배홀(23a, 23b), 제4 분배홀(24a, 24b), 제5 분배홀(25a, 25b)은 본체(10)의 하측 단부과 마주하며 제1 분배관(20)에 형성될 수 있다. 제1 분배홀(21a), 제2 분배홀(22a), 제3 분배홀(23a), 제4 분배홀(24a) 그리고 제5 분배홀(25a)은 연결홀(26)을 중심으로 각각 제1 분배홀(21b), 제2 분배홀(22b), 제3 분배홀(23b), 제4 분배홀(24b) 그리고 제5 분배홀(25b)과 대칭으로 위치할 수 있다. 오폐수 또는 상등액(17)은 분배홀들(21, 22, 23, 24, 25)을 통과하여 본체(10)의 내부의 슬러지층(16)에 균등하게 분배될 수 있다.

제2 분배관(30)은 제1 분배관(20)과 교차하며 위치할 수 있다. 제3 분배관(31)은 제2 분배관(30)과 교차하며 위치할 수 있다. 제1 분배관(20), 제2 분배관(30) 그리고 제3 분배관(31)의 사이의 각도는 상호 동일할 수 있다. 이 경우, 슬러지층(16)에 오폐수 또는 상등액(17)이 분배되는 위치가 일정한 간격으로 형성 될 수 있으므로, 오폐수 또는 상등액(17)의 분배 균등성이 높아져 유기물의 활성화 및 산화를 촉진시킬 수 있다.

있다. 제2 분배관(30)과 제3 분배관(31)은 각각 또 다른 관통홀들과 개폐장치를 포함할 수 있다. 제2 분배관(30)과 제3 분배관(31)은 제1 분배관(20)과 상호 동일한 형상을 가질 수 있으며, 그 상세한 설명을 생략한다.

오폐수의 질소 처리 장치(1)는 제1 분배관(20), 제2 분배관(30) 그리고 제3 분배관(31)이 상호 교차하며 위치하고 오폐수 또는 상등액(17)을 슬러지층(16)으로 균등하고 순환시킬 수 있으므로 오폐수에 함유된 유기물질과 고농도 질소화합물을 효과적으로 처리할 수 있으며 운영비를 절감시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제1 분배관(20)의 단면도를 나타낸다. 도 3에 도시한 바와 같이, 분배홀들(21a, 22a, 23a, 24a, 25a)은 상호 다른 이격거리를 가지며 제1 분배관(20)에 형성될 수 있다. 분배홀들(21a, 22a, 23a, 24a, 25a)은 제1 분배관(20)의 단부를 향해서 상호 이격거리가 작아지며 제1 분배관(20)에 형성될 수 있다.

제1 분배홀(21a)과 제2 분배홀(22a)의 이격거리(d2)는 제2 분배홀(22a)과 제3 분배홀(23a)의 이격거리(d3)보다 클 수 있다. 제2 분배홀(22a)과 제3 분배홀(23a)의 이격거리(d3)은 제3 분배홀(23a)과 제4 분배홀(24a)의 이격거리(d4)보다 클 수 있다. 제3 분배홀(23a)과 제4 분배홀(24a)의 이격거리(d4)은 제4 분배홀(24a)과 제5 분배홀(25a)의 이격거리(d5)보다 클 수 있다.

분배홀들(21a, 22a, 23a, 24a, 25a)은 등압분할법에 따라 제1 분배관(20)에 형성될 수 있다. 제1 분배관(20) 전체에 작용하는 수압이 ωh²/2 (ω=물의 비중, h= 분배관의 길이)이므로 이를 n등분하면 P1=P2=P3=P4=Pn= ωh²/2가 되고 임의의 분배홀, hm까지의 전수압은 P1+P2+P3+Pm = ωh²/2이 되므로 임의의 분배홀까지 거리로 분할하여 분배홀의 위치를 결정할 수 있다.

예를 들면, 제1 분배관(20)의 총 길이(d1)가 10m이고, 5개의 분배홀을 형성할 경우, 연결홀(26)로부터 제1 분배홀(21a)은 4.4m, 제2 분배홀(22a)은 6.3m, 제3 분배홀(23a)은 7.7m, 제4 분배홀(24a)은 8.9m 그리고 제5 분배홀(25a)은 10m에 형성될 수 있다. 이 경우, 분배홀들(21a, 22a, 23a, 24a, 25a)로 배출되는 오폐수 또는 상등액(17)의 배출 압력이 균등하게 배분될 수 있으므로, 상등액(17)이 슬러지층(16)을 전면적으로 통과하도록 순환 흐름이 형성될 수 있다.

도 4는 분배관의 유체의 흐름을 나타낸 그래프이다. 도 4는 슬러지층(16)을 통과하는 상등액(17)의 흐름을 나타낸다. 도 4의 (a)는 분배관에 같은 간격으로 분배홀이 형성되었을 때 분배관에서 분배되는 유체의 흐름을 나타내며, (b)는 제1 분배관(20)에 도 3과 같이 상호 다른 간격으로 분배홀이 형성되었을 때 분배관에서 분배되는 유체의 흐름을 나타낸다.

도 4의 (a)에 도시한 바와 같이, 분배관에 같은 간격으로 분배홀이 형성될 경우, 제1 분배관(20)을 통해 슬러지층으로 유입되는 오폐수 또는 상등액(17)이 균등한 압력을 가지지 못할 수 있으므로, 분배홀에서 배출되는 배출 압력의 균형이 깨져 finger flow 및 funnel flow 등과 같은 선택류(preferential flow)가 발생될 수 있다.

반면에, 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이, 도 3의 상호 다른 간격으로 분배홀이 형성될 경우, 오폐수 또는 상등액(17)의 배출 압력이 균등하게 배분될 수 있으므로, 오폐수 또는 상등액(17)이 균일하게 슬러지층에 전면적으로 순환할 수 있으므로 오폐수의 처리 효율을 높일 수 있다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 오폐수의 질소 처리 장치(1)를 개략적으로 나타낸다. 도 5 및 도 6의 오폐수의 질소 처리 장치(1)의 구조는 제2 분배관(30), 제3 분배관(31) 그리고 제4 분배관(32)을 제외하고는 도 2의 본 발명의 오폐수의 질소 처리 장치(1)와 유사하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면 부호를 사용하며, 그 상세한 설명을 생략한다.

도 5에 도시한 바와 같이, 제2 분배관(30)은 제1 분배관(20)과 직교하며 위치할 수 있다. 오폐수 또는 상등액(17)은 연결홀(26)을 통해 제1 분배관(20)과 제2 분배관(30)에 유입될 수 있다. 이 경우, 오폐수 또는 상등액(17)과 슬러지층(16)이 접하는 면적이 비교적 넓을 수 있으므로 유기물의 산화 또는 질소산화물의 탈질 반응의 반응 면적이 커질 수 있다.

도 6에 도시한 바와 같이, 제2 분배관(30)은 제1 분배관(20)과 교차하며 위치할 수 있다. 제3 분배관(31)은 제2 분배관(30)과 교차하며 위치할 수 있다. 제4 분배관(32)은 제3 분배관(31)과 교차하며 위치할 수 있다. 오폐수 또는 상등액(17)은 연결홀(26)을 통해 제1 분배관(20), 제2 분배관(30), 제3 분배관(31), 그리고 제4 분배관(32)에 유입될 수 있다.

제1 분배관(20), 제2 분배관(30), 제3 분배관(31) 그리고 제4 분배관(32)의 사이의 각도는 상호 동일할 수 있다. 이 경우, 각각의 분배관들(20, 30, 31, 32)에서 분배되는 오폐수 또는 상등액(17)의 양이 커질 수 있으므로 오폐수를 처리할 수 있는 양도 커질 수 있어 대용량의 오폐수 처리에 이용될 수 있다.

이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며. 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

도 1과 동일한 구조를 가지는 오폐수의 질소 처리 장치를 제조하고 오폐수 질소 처리 장치를 이용하여 실험을 실시한다. 본체는 가로(40cm)×세로(40cm)×높이(60cm)의 사각기둥형 형상의 반응조이며, 순환관은 본체의 상단부에서 40cm 하단부에 모서리에 위치한다. 유입수는 유입펌프에 의해 30.8 L/h로 공급하여 50분동안 유입한다. 산기부는 0.36 ㎥/h의 유량, 용존산소의 농도는 약 4~6㎎/L으로 유지되며 산소를 공급한다. 유출펌프는 1시간 30분 동안 유입된 유입수만큼 유출될 수 있도록 17.1L/h)로 유량을 조절한다. 순환펌프를 이용한 순환유량은 유입유량의 90%인 27.72L/h로 연속적으로 구동된다. 분배관 말단 부분에 장착된 개폐장치는 표 1 에 개시된 "정지"단계 후반 5분동안만 개방된다. 이하 표 1에는 오폐수의 질소 처리 장치의 반응 시간표를 나타낸다.

	유　 입	정　 지	반　 응	정　 지	유　 출
반응시간	50분	70분	300분	210분	90분
산기장치	OFF	OFF	ON	OFF(120분), ON(30분), OFF(60분)	OFF
유입펌프	ON	OFF	OFF	ON(5분), OFF(145분), ON(5분), OFF(55분)	OFF
유출펌프	OFF	OFF	OFF	OFF	ON
순환펌프	ON	ON	ON	ON	ON

용존산소의 거동 측정 실험

실험예 1

실시예 1에 따른 오폐수의 질소 처리 장치를 준비하고, 이를 이용하여 오폐수의 질소 처리 장치의 운전을 시행하고, 그 결과를 도 7의 점선그래프로 나타낸다.

비교예 1

종래의 연속식회분반응조를 이용한 오/폐수 내 유기물 및 질소화합물 제거장치를 이용하여 운전을 시행하고, 나머지 실험과정은 전술한 실험예 1과 동일하다. 결과는 도 7의 실선그래프로 나타낸다.

실험예 1 및 비교예 1의 실험결과

도 7은 실험예 1 및 비교예 1에 따라 본체 내부의 용존산소의 거동 측정 실험의 결과 그래프를 나타낸다. 도 7의 점선은 실험예 1의 용존산소의 거동 변화를 나타내며, 실선은 비교예 1의 용존산소의 거동 변화를 나타낸다.

도 7에 도시한 바와 같이, 실험예 1의 용존산소의 소비 속도가 비교예 1의 용존산소의 소비 속도보다 빠르다는 것을 알 수 있다. 이러한 무산소 조건의 조성은 산화된 질소화합물의 환원속도를 촉진할 수 있으므로 산화된 질소화합물의 환원(탈질 작용)을 수행할 수 있음을 알 수 있다. 또한 실험예 1은 분배관의 균등한 압력 분배에 의해 오폐수 또는 상등액이 순환되어 침전된 슬러지층을 전면적으로 흐를 수 있어 용존산소의 소비 속도가 빠르다는 것을 확인할 수 있다.

질소화합물의 거동 측정 실험

실험예 2

실시예 1에 따른 오폐수의 질소 처리 장치를 준비하고, 이를 이용하여 오폐수의 질소 처리 장치의 운전을 시행하고, 그 결과를 도 8의 (a)로 나타낸다. 유입수의 암모니아성 질소는 40㎎/L이였고 COD는 500㎎/L이다. 유입수를 본체에 2차로 공급하여 암모니아의 산화와 아질산 및 질산이온의 환원이 수행된다.

비교예 2

종래의 연속식회분반응조를 이용한 오/폐수 내 유기물 및 질소화합물 제거장치를 이용하여 운전을 시행하고, 나머지 실험과정은 전술한 실험예 2와 동일하다. 결과는 도 8의 (b)로 나타낸다.

실험예 2 및 비교예 2의 실험결과

도 8은 실험예 2 및 비교예 2에 따라 본체 내부의 질소화합물의 거동 측정 실험의 결과 그래프를 나타낸다. 도 8의 (a)는 실험예 2의 질소화합물의 거동 변화를 나타내며, 도 8의 (b)는 비교예 2의 질소화합물의 거동 변화를 나타낸다.

도 8에 도시한 바와 같이, 비교예 2는 "반응"구간에서 질산화률이 기3.5 mg as N/L?Ehr인 반면에, 실험예 2는 4.0 mg/L?Ehr인 것을 알 수 있다. 즉, 실험예 2가 "반응" 구간의 이전 단계인 "유입"과 "정지"구간에서 유기물의 제거가 완전하게 일어나 질산화가 가속될 수 있으며, 분배관을 통한 순환과정이 효율적이라는 것을 확인할 수 있다. 또한 비교예 2는 산화된 암모니아가 아질산이나 질산이온으로 산화되는 탈질률이 12 mg as N/L?Ehr 인 반면에, 실험예 2는 27 mg as N/L?Ehr로 125%로 탈질률이 빠르다는 것을 알 수 있다. 그리고 유입수의 농도가 40 mg-N/L일 때, 비교예 2의 총 질소 제거율은 83.0%인 반면에, 실험예 2의 총 질소 제거율은 92.5%로 개선임을 확인할 수 있으므로 분배관이 슬러지층에 오폐수 또는 상등액을 내부순환 및 균등 분배하여 환원작용을 가속화 시키는 것을 알 수 있다.

질소 제거 양상 측정 실험

실험예 3

실시예 1에 따른 오폐수의 질소 처리 장치를 준비하고, 이를 이용하여 오폐수의 질소 처리 장치의 운전을 시행하고, 그 결과를 도 9의 (a)로 나타낸다. 고농도 질소화합물이 (>40mg/L) 유입되고, 유입수의 암모니아성 질소는 60 ㎎/L이고, COD는 500 ㎎/L이다.

비교예 3

종래의 연속식회분반응조를 이용한 오/폐수 내 유기물 및 질소화합물 제거장치를 이용하여 운전을 시행하고, 나머지 실험과정은 전술한 실험예 3와 동일하다. 결과는 도 9의 (b)로 나타낸다.

실험예 3 및 비교예 3의 실험결과

도 9는 실험예 3 및 비교예 3에 따라 본체 내부의 질소 제거 양상 측정 실험의 결과 그래프를 나타낸다. 도 9의 (a)는 실험예 3의 질소 제거 양상의 변화를 나타내며, 도 9의 (b)는 비교예 3의 질소 제거 양상의 변화를 나타낸다.

도 9에 도시한 바와 같이, 비교예 3의 총 질소 제거율은 69.8%인 반면에, 실험예 3의 다단계 3차 유입을 실시하였을 때 총 질소 제거율은 92.1%인 것을 알 수 있다. 즉, 실험예 3은 다단계 3차 유입을 통해 부가적인 탄소원을 공급할 수 있으며 추가적으로 탈지반응의 매개로 이용될 수 있음을 알 수 있다. 또한 실험예 3은 500 mg/L COD의 농도의 유입수가 처리 된 후 유출수의 COD는 5 mg/L를 넘지 않았으므로(>95% 이상) 다단계 3차 유입을 통해서 미반응된 유기물의 유출이 없음을 확인할 수 있다.

인의 농도 변화 실험

실험예 4

실시예 1에 따른 오폐수의 질소 처리 장치를 준비하고, 이를 이용하여 오폐수의 질소 처리 장치의 운전을 시행하고, 그 결과를 도 10에 나타낸다. 유입수의 COD는 500 mg/L, 인의 농도는 10 mg/L이다.

실험예 4의 실험결과

도 10은 실험예 4에 따라 본체 내부의 인의 농도 변화 측정 실험의 결과 그래프를 나타낸다. 도 10에 도시한 바와 같이, "유입"과 "정지" 구간에서는 혐기조건이 조성됨에 따라 미생물에 의한 인의 방출을 알 수 있고, "반응" 구간에서는 인의 과잉흡수(luxury uptake)를 알 수 있다. 즉, "유입"과 "정지"구간에서 용존산소의 급속한 소모로 인한 혐기조건의 조성과 다단계 유입에 의한 산화된 질소의 처리가 원활히 이루어 지는 것을 확인할 수 있다. 또한 유출수 내의 인의 농도가 0.5 mg/L미만으로 95%이상의 인 제거 효율을 가진다는 것을 알 수 있다.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.

10. 본체 11. 유입관
12. 유출관 13. 수위조절기
14. 산기부 15. 디퓨져
16. 슬러지층 17. 상등액
18. 순환관 20. 제1 분배관
21. 제1 분배홀 22. 제2 분배홀
23. 제3 분배홀 24. 제4 분배홀
25. 제5 분배홀 26. 연결홀
27. 개폐장치 30. 제2 분배관
31. 제3 분배관 32. 제4 분배관

Claims (6)

1. 슬러지층과 상등액을 수용하는 본체,
   상기 본체에 오폐수 또는 상기 상등액을 유입하는 유입관,
   상기 유입관과 연결되고 상기 상등액을 순환시키는 순환관, 그리고
   상기 본체의 하부에 위치하고, 상기 유입관과 연결되는 연결홀을 포함하고, 상기 오폐수 또는 상기 순환된 상등액을 상기 본체에 분배하는 제1 분배관
   을 포함하고,
   상기 제1 분배관은 상기 오폐수 또는 상기 상등액을 상기 슬러지층에 균등하게 분배하고 상기 본체의 하단부 방향으로 형성되는 하나 이상의 분배홀을 포함하고
   상기 하나 이상의 분배홀은 상기 제1 분배관에 상기 연결홀을 중심으로 대칭되어 형성되고, 상기 하나 이상의 분배홀은 상기 연결홀과 이격되어 위치하는 제1 분배홀, 상기 제1 분배홀과 이격되어 위치하는 제2 분배홀, 상기 제2 분배홀과 이격되어 위치하는 제3 분배홀을 포함하고, 그리고
   상기 제1 분배홀과 상기 제2 분배홀의 이격거리는 상기 제2 분배홀과 상기 제3 분배홀의 이격거리보다 크고,
   상기 제1 분배홀, 상기 제2 분배홀 그리고 상기 제3 분배홀은 상기 본체의 하측 단부와 마주보며 위치하고, 상기 오폐수 또는 상기 상등액은 상기 유입관을 통과하고 상기 제1 분배홀, 상기 제2 분배홀 그리고 상기 제3 분배홀을 통과하여 상기 슬러지층에 혼합되면서, 상기 본체의 하단부로부터 상부 방향으로 유턴하여 상향류의 흐름을 만들어, 상기 슬러지층의 전체 면에 대하여 상기 슬러지층의 상부를 통과하고, 상기 오폐수 또는 상기 상등액의 배출 압력을 조절하여 상기 슬러지층에서 내부 순환을 유도하고
   상기 제1 분배관과 교차하여 위치하는 제2 분배관을 더 포함하고 상기 제2 분배관은 상기 오폐수 또는 상기 상등액을 상기 슬러지층에 분배하고 상기 본체의 하단부 방향으로 형성되는 하나 이상의 분배홀을 포함하고,
   상기 오폐수 또는 상기 상등액은 상기 제1 분배관의 상기 제1 분배홀, 상기 제2 분배홀, 상기 제3 분배홀 및 상기 제2 분배관의 상기 하나 이상의 분배홀들에서 배출되어, 상기 오폐수 또는 상기 상등액의 상기 슬러지층에서의 분배 균등성이 높고
   상기 제1 분배관은 양측 단부에 위치하고 상기 제1 분배관 내부의 슬러지를 유출하는 개폐장치를 포함하고, 상기 개폐장치가 열렸을 때 슬러지가 배출되는 오폐수의 질소 처리 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에서,
   상기 본체에서 처리된 오폐수를 유출하는 유출관 및 상기 본체와 연결되고 상기 오폐수 또는 상기 상등액의 유입량을 조절하는 수위조절기, 그리고 상기 본체의 하부와 연결되는 산기부를 더 포함하고,
   상기 산기부는 상기 본체 내부에 위치하고 상기 산기부와 연결되어 상기 본체에 산소를 공급하는 디퓨져(diffuser)를 포함하는 오폐수의 질소 처리 장치.
6. 슬러지층과 상등액을 수용하는 본체, 상기 본체에 오폐수 또는 상기 상등액을 유입시키는 유입관, 상기 유입관과 연결되고 상기 오폐수 또는 상기 상등액을 본체에 분배하는 제1 분배관, 상기 본체에서 처리된 오폐수를 유출하는 유출관, 상기
   본체에 산소를 공급하는 산기부를 포함하는 오폐수의 질소 처리 장치를 제공하는 단계,
   상기 본체에 오폐수를 1차 유입시키는 단계,
   상기 상등액을 1차 순환시켜 상기 제1 분배관을 통해 상기 슬러지층에 균등하게 분배하여 상기 오폐수의 유기물을 산화시키고 잔류하는 질소산화물을 탈질시키는 단계,
   상기 제1 분배관의 양측 단부를 열어 상기 제1 분배관에 쌓인 슬러지를 밀어내는 단계,
   상기 산기부가 상기 본체에 1차 산소를 공급하여 상기 오폐수에 잔류하는 유기물을 산화 및 질산화시키는 단계,
   상기 본체에 오폐수를 2차 유입시키고, 상기 상등액을 상기 제1 분배관을 통해 2차 순환시켜 상기 슬러지층에 균등하게 분배하여 상기 오폐수의 유기물을 산화시키고 잔류하는 질소산화물을 탈질시키는 단계,
   상기 산기부가 상기 본체에 2차 산소를 공급하여 상기 오폐수에 잔류하는 유기물을 산화 및 질산화시키는 단계,
   상기 본체에 오폐수를 3차 유입시키고, 상기 상등액을 상기 제1 분배관을 통해 3차 순환시켜 상기 슬러지층에 균등하게 분배하여 상기 오폐수의 유기물을 산화시키고 잔류하는 질소산화물을 탈질시키는 단계,
   상기 산기부가 상기 본체에 3차 산소를 공급하여 상기 오폐수에 잔류하는 유기물을 산화 및 질산화시키는 단계, 그리고
   상기 유출관을 통해 처리된 오폐수를 유출하는 단계
   를 포함하고
   상기 제1 분배관은 상기 오폐수 또는 상기 상등액을 상기 슬러지층에 분배하고 상기 본체의 하단부 방향으로 형성되는 하나 이상의 분배홀을 포함하고, 상기 오폐수 또는 상기 상등액은 상기 유입관을 통과하고 상기 분배홀을 통과하여 상기 슬러지층에 혼합되면서, 상기 본체의 하단부로부터 상부 방향으로 유턴하여 상향류의 흐름을 만들어, 상기 슬러지층의 전체 면에 대하여 상기 슬러지층의 상부를 통과하고, 상기 오폐수 또는 상기 상등액의 배출 압력을 조절하여 상기 슬러지층에서 내부 순환을 유도하고
   상기 제1 분배관과 교차하여 위치하는 제2 분배관을 더 포함하고, 상기 제2 분배관은 상기 본체의 하단부 방향으로 형성되는 하나 이상의 분배홀을 포함하고, 상기 오폐수 또는 상기 상등액은 상기 제1 분배관의 상기 분배홀 및 상기 제2 분배관의 상기 분배홀에서 배출되어, 상기 오폐수 또는 상기 상등액의 상기 슬러지층에서의 분배 균등성이 높고
   상기 상등액을 상기 제1 분배관을 통해 3차 순환시켜 상기 슬러지층에 분배하는 단계는, 상기 제1 분배관과 상기 제2 분배관을 통해 상기 상등액이 순환되어 상기 슬러지층에 분배되어 상기 본체의 내부 순환을 통해서 산화와 환원작용을 가속화하고
   상기 제1 분배관은 양측 단부에 위치하고 상기 제1 분배관 내부의 슬러지를 유출하는 개폐장치를 포함하고, 상기 개폐장치가 열렸을 때 슬러지가 배출되는 오폐수의 질소 처리 방법.

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