KR101961107B1 - 고주파 반응조를 이용한 하수의 질소와 인 제거 공정 - Google Patents

고주파 반응조를 이용한 하수의 질소와 인 제거 공정 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무산소조와 호기조의 생물반응조 이외에, 고주파 반응조를 이용하여 하수로부터 질소와 인을 효과적으로 제거할 수 있는 고주파 반응조를 이용한 하수의 질소와 인 제거 공정에 관한 것으로, 고주파 반응조에서는 무산소조와 호기조로 이루어진 고도처리공정에서 처리되어 배출된 처리수를 유입시켜 1㎒~1㎓의 고주파를 가하여 비분해성 물질 및 색도를 제거한 후 배출한다.

Description

고주파 반응조를 이용한 하수의 질소와 인 제거 공정{METHOD FOR REMOVING NITROGEN AND PHOSPORUS USING HIGH-FREQUENCY REACTOR}
본 발명은 고주파 반응조를 이용한 하수(또는 폐수)의 고도처리 공정에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무산소조와 호기조의 생물반응조 이외에, 고주파 반응조를 이용하여 하수로부터 질소와 인을 효과적으로 제거할 수 있는 고주파 반응조를 이용한 하수의 질소와 인 제거 공정에 관한 것이다.
일반적으로, 종래의 하수의 처리방법은 물리적 처리, 화학적 처리 및 생물학적 처리를 중심으로 시행되고 있으며, 물리적 처리는 하수 중의 고형물을 중력에 의해 액체로부터 분리하거나 또는 기타의 물리적 방법으로 처리하는 공법으로 처리의 한계성이 있고, 화학적 처리는 화학 약품을 하수에 첨가하여 중화 또는 ph조정, 산화 환원, 응집 침전, 흡착등의 처리공법으로 화학약품 비용 및 슬러지 발생량의 증가에 따른 처리비용이 매우 높으며, 상기의 물리·화학적 방법의 단점을 보완하기 위하여 생물학적 고도처리방법을 적용하고 있으나 생물학적 고도 처리방법인 경우 유입수 중의 유기물과 영양염류의 농도에 따라 처리 효율에 큰 영향을 받고 있으며, 이에 활성미생물에 의한 영양염류 제거율의 신뢰도가 낮은 형편이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 방안으로, 본 출원인은 무산소조, 호기조로 구성된 생물반응조에서 질산화 및 탈질작용에 의한 질소제거와 전기분해조에서 철 석출장치 내에 철을 용출시켜 인과 결합하여 인을 제거하고 응집제를 첨가하며 전기분해조를 추가 설치하는 전기분해를 이용한 하수처리 시스템을 제안한 바 있다(등록특허 제10-1543551호).
그러나, 이러한 하수처리 시스템은 한 쌍의 무산소조 및 한 쌍의 전기분해조가 구비되어야 함으로써 처리시간이 기존에 비해 2배 이상으로 증가하기 때문에 비효율적인 측면이 있었다. 또한, 처리수내의 비분해성 물질이나 색도의 제거가 전혀 이루어지지 않는 문제점도 있었다.
등록특허 제10-1543551호(등록일 2015.08.04)
본 발명의 목적은 무산소조와 호기조의 생물반응조 이외에, 고주파 반응조를 이용하여 처리 시간을 감소시키면서 대용량 및 고농도 하수의 부하에 상관없이 질소와 인을 동시에 효과적으로 제거할 수 있도록 하는 고주파 반응조를 이용한 하수의 질소와 인 제거 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다
본 발명의 일측면에 따르면, 1차 침전조, 무산소조, 호기조, 고주파 반응조, 전기분해조, 응집조, 및 2차 침전조로 구성된 하수처리 시스템에서의 고주파 반응조를 이용한 하수의 질소와 인 제거 공정으로서,
1차 침전조에서, 입자크기가 큰 슬러지가 스크린시설에 의해 전처리된 하수가 유입되고, 중력에 의해 슬러지를 침강 시킨 후 배출되는 단계;
무산소조에서, 상기 1차 침전조에서 배출된 처리수를 유입시켜 질산성 질소(NO3)를 질소(N2) 가스로 탈질 처리해 방출하는 단계;
호기조에서, 상기 무산소조에서 방출한 처리수가 유입되어 처리수내 암모니아성 질소는 질산성 질소로 산화된 후 무산소조로 내부 반송시켜 탈질 과정에 의해서 질소 가스로 제거되어 배출되는 단계;
고주파 반응조에서, 무산소조와 호기조로 이루어진 고도처리공정에서 처리되어 배출된 처리수를 유입시키고 양자장 발생부 및 파동 발생부에 의해 발생된 2712MHz대의 고주파의 양자장을 가하여 비분해성 물질 및 색도를 제거한 후 배출하는 단계;
전기분해조에서, 전기분해를 이용하여 철을 용출하는 단계;
응집조에서, 고주파 반응조 및 전기분해조에서 처리되어 배출된 처리수를 유입시켜 고주파 반응조 및 전기분해조에서 반응하지 않고 잔류하는 잔류 인 및 고형성분을 응집을 통해 제거한 후 배출하는 단계; 및
2차 침전조에서, 응집조에서 배출된 처리수내 슬러지를 최종 침강 시켜 제거하되 응집제를 투입하여 제거한 뒤 배출하는 단계를 포함하고,
상기 양자장 발생부는 상용전원을 사용하는 제1전원부, 출력전압을 가변하여 특고압으로 변환하는 고압변환부, 및 정류 및 배압을 통해 특고압의 전자장을 발생시키는 배압회로부를 포함하여 구성되고, 상기 파동 발생부는 가변 가능한 고주파신호를 발생시켜 양자장발생부에 접속시키는 것으로, 제1전원부로부터 전원을 공급받아 직류전원으로 변환하여 고주파 가변발진부의 전원으로 사용하도록 공급하는 제2전원부, 주파수를 조정하여 고주파신호를 발생하기 위한 고주파 가변발진부, 및 고주파 가변발진부에서 출력되는 고주파신호를 증폭하기 위한 파동 증폭부를 포함하여 구성되며, 상기 양자장발생부 및 파동 발생부에서 발생된 고주파의 양자장은 고주파 출력부를 통해 고주파 반응조로 주사되어 하수를 정화처리하며,
고주파 반응조에는 산화제로서 염화제1철(FeCl2) 및 과산화수소(H2O2)가 동시에 투입되며, 이때 H2O2/FeCl2 의 비(ppm/ppm)는 0.6으로 투입되는 것을 특징으로 한다.
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본 발명의 고주파 반응조를 이용한 하수의 질소와 인 제거 공정에 따르면, 처리 시간을 감소시키면서 대용량 및 고농도 하수의 부하에 상관없이 질소와 인을 동시에 효과적으로 제거가능하므로 운영 유지비의 경담 등 많은 경제적 이익이 발생하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고주파 반응조를 이용한 하수의 질소와 인 제거 공정을 설명하기 위한 공정도이다.
도 2는 고주파 반응조에 구비되는 고주파 발생부의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고주파 반응조를 이용한 하수의 질소와 인 제거 공정을 설명하기 위한 공정도이다.
본 발명은 "고주파 반응조를 이용한 하수의 질소와 인 제거 공정"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 관례등에 따라 달라질 수 있고, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다
이하에서는 이러한 본 발명의 일실시예에 따른 고주파 반응조를 이용한 하수의 질소와 인 제거 공정을 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고주파 반응조를 이용한 하수의 질소와 인 제거 공정을 설명하기 위한 공정도이다.
도 1을 참조하면, 고주파 반응조를 이용한 하수의 질소와 인 제거 공정은, 하수의 질소와 인을 동시에 제거할 수 있는 1차 침전조(10), 무산소조(20), 호기조(30), 고주파 반응조(40), 응집조(50) 및 2차 침전조(60)로 구성된 하수처리를 위한 장치에서 수행된다.
1차 침전조(10)에서는 입자크기가 큰 슬러지가 스크린시설에 의해 전처리된 하수가 유입되고, 중력에 의해 슬러지를 침강 시킨 후 배출된다.
무산소조(20)에서는 상기 1차 침전조(10)에서 배출된 처리수를 유입시켜 질산성 질소(NO3)를 질소(N2) 가스로 탈질 처리해 방출한다. 즉, 산소가 전혀 없는 무산소조(20)에서는 탈질 작용으로 하수로부터 총질소(T-N) 감량을 위한 질소(N)를 제거하고 남아있는 유기물을 제거한다. 참고로, 탈질작용은 미생물이 산소가 부족하면 질산성 질소에 포함되어 있는 산소를 이용함으로써 질산성 질소는 산소를 잃고 질소 가스로 환원되어 대기 중으로 방출되는 것이다.
호기조(30)에서는 상기 무산소조(20)에서 방출한 처리수가 유입되어 처리수내 암모니아성 질소는 질산성 질소로 산화된 후 무산소조(20)로 내부 반송시켜 탈질 과정에 의해서 질소 가스로 제거되어 배출된다. 호기조(30)에는 유기물이 거의 없는 처리수(즉, 무산소조(20)를 거친 처리수)가 유입되므로 질산화율이 높아 체류시간이 단축될 수 있고, 산소가 별도로 공급될 수 있다.
고주파 반응조(40)에서는 무산소조(20)와 호기조(30)에서 처리되어 배출된 처리수를 유입시켜 1㎒~1㎓의 고주파를 가하여 비분해성 물질 및 색도를 제거한 후 배출한다.
도 2는 고주파 반응조에 구비되는 고주파 발생부의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 고주파 발생부는 양자장 발생부(42), 파동 발생부(44) 및 고주파 출력부(46)를 포함한다.
양자장 발생부(42)는 특고압의 양자장을 발생시키기 위한 것으로, 상용전원(AC 220V, 60Hz)를 사용하는 제1전원부(42a), 출력전압을 가변하여 특고압으로 변환하는 고압변환부(42b), 및 정류 및 배압을 통해 특고압의 전자장을 발생시키는 배압회로부(42c)를 포함하여 구성된다.
파동 발생부(44)는 가변 가능한 고주파신호를 발생시켜 양자장발생부(44a)에 접속시키는 것으로, 제1전원부(42a)로부터 전원을 공급받아 직류전원으로 변환하여 고주파 가변발진부(44b)의 전원으로 사용하도록 공급하는 제2전원부(44a), 주파수를 조정하여 고주파신호를 발생하기 위한 고주파 가변발진부(44b), 및 고주파 가변발진부(44b)에서 출력되는 고주파신호를 증폭하기 위한 파동 증폭부(44c)를 포함하여 구성된다.
양자장발생부(42) 및 파동 발생부(44)에서 발생된 고주파의 양자장은 고주파 출력부(46)를 통해 고주파 반응조(40)로 주사되어 하수를 정화처리한다.
본 실시예에 있어서, 고주파 발생부는 3 내지 10Kw급 ISM Band 주파수 대역에 사용가능한 1356MHz, 2712MHz대의 고주파 발생부인 것이 바람직하다.
고주파 반응조(40) 공정시, 고주파 반응조(40)에 산화제를 투입하고, 공기 주입관(미도시)을 통해 공기가 주입될 수 있다.
고주파 반응조(40)에는 산화제로서 염화제1철(FeCl2) 및 과산화수소(H2O2)가 동시에 투입되며, 이때 H2O2/FeCl2 의 비(ppm/ppm)는 0.6으로 투입되는 것이 바람직하다.
상기 H2O2/FeCl2의 비(ppm/ppm)가 0.6일때 COD 및 색도의 제거 효율이 56% 이상으로 증가하나, 0.6 미만 또는 초과할때는 제거 효율이 감소하는 경향이 있으므로 0.6의 비로 유지하는 것이 바람직하다.
응집조(50)에서는 고주파 반응조(40)에서 처리되어 배출된 처리수를 유입시켜 고주파 반응조(40)에서 반응하지 않고 잔류하는 잔류 인 및 고형성분을 응집을 통해 제거한 후 배출한다.
2차 침전조(60)에서는 응집조(50)에서 배출된 처리수내 슬러지를 최종 침강 시켜 제거하되, 응집제를 투입하여 제거한 뒤 배출한다.
한편, 도 3은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 고주파 반응조를 이용한 하수의 질소와 인 제거 공정을 설명하기 위한 공정도이다.
도 3을 참조하면, 고주파 반응조를 이용한 하수의 질소와 인 제거 공정은, 도 1의 1차 침전조(10), 무산소조(20), 호기조(30), 고주파 반응조(40), 응집조(50) 및 2차 침전조(60)로 구성된 하수처리 시스템에서, 고주파 반응조(40)와 응집조(50) 사이에 전기분해조(70)가 추가로 구비된다.
1차 침전조(10)에서는 입자크기가 큰 슬러지가 스크린시설에 의해 전처리된 하수가 유입되고, 중력에 의해 슬러지를 침강 시킨 후 배출된다.
무산소조(20)에서는 상기 1차 침전조(10)에서 배출된 처리수를 유입시켜 질산성 질소(NO3)를 질소(N2) 가스로 탈질 처리해 방출한다. 즉, 산소가 전혀 없는 무산소조(20)에서는 탈질 작용으로 하수로부터 총질소(T-N) 감량을 위한 질소(N)를 제거하고 남아있는 유기물을 제거한다. 참고로, 탈질작용은 미생물이 산소가 부족하면 질산성 질소에 포함되어 있는 산소를 이용함으로써 질산성 질소는 산소를 잃고 질소 가스로 환원되어 대기 중으로 방출되는 것이다.
호기조(30)에서는 상기 무산소조(20)에서 방출한 처리수가 유입되어 처리수내 암모니아성 질소는 질산성 질소로 산화된 후 무산소조(20)로 내부 반송시켜 탈질 과정에 의해서 질소 가스로 제거되어 배출된다. 호기조(30)에는 유기물이 거의 없는 처리수(즉, 무산소조(20)를 거친 처리수)가 유입되므로 질산화율이 높아 체류시간이 단축될 수 있고, 산소가 별도로 공급될 수 있다.
고주파 반응조(40)에서는 무산소조(20)와 호기조(30)로 이루어진 고도처리공정에서 처리되어 배출된 처리수를 유입시켜 1㎒~1㎓의 고주파를 가하여 비분해성 물질 및 색도를 제거한 후 배출한다.
고주파 반응조(40) 공정시, 고주파 반응조(40)에 산화제를 투입하고, 공기 주입관(미도시)을 통해 공기가 주입될 수 있다.
고주파 반응조(40)에는 산화제로서 염화제1철(FeCl2) 및 과산화수소(H2O2)가 동시에 투입되며, 이때 H2O2/FeCl2 의 비(ppm/ppm)는 0.6으로 투입되는 것이 바람직하다.
상기 H2O2/FeCl2의 비(ppm/ppm)가 0.6일때 COD 및 색도의 제거 효율이 56% 이상으로 증가하나, 0.6 미만 또는 초과할때는 제거 효율이 감소하는 경향이 있으므로 0.6의 비로 유지하는 것이 바람직하다.
전기분해조(70)에서는 전기분해를 이용하여 철을 용출한다. 전기분해조(70)는 양극의 철(Fe)전극 표면에서 생성된 2가 철이온이 수용액에서 전류의 흐름에 따라 음극의 철전극 표면으로 이동하면서 전기분해조 내 용전산소와 반응하여 3가 철로 산화되고 인과 결합하여 인이 제거된다.
전기분해조(70)의 철 석출장치에 장착된 철판 표면에 DC/DC Converter에 의한 전류를 통하게 하여 철이 석출되게 하는 전기화학적 산화법으로 철 전극을 사용하였을 때의 금속 수산화물 생성 메커니즘은 다음과 같다.
Figure 112018057548428-pat00001
응집조(50)에서는 고주파 반응조(40)에서 처리되어 배출된 처리수를 유입시켜 고주파 반응조(40)에서 반응하지 않고 잔류하는 잔류 인 및 고형성분을 응집을 통해 제거한 후 배출한다.
2차 침전조(60)에서는 응집조(50)에서 배출된 처리수내 슬러지를 최종 침강 시켜 제거하되, 응집제를 투입하여 제거한 뒤 배출한다.
본 발명은 고도처리에 의한 하수를 처리하여 수계로 바로 배출하거나 다른 한편으로 하수를 화장실의 세척 용수나 작물 재배용으로 재활용할 수 있다.
상기와 같이 본 발명은 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.
10 : 1차 침전조 20 : 무산소조
30 : 호기조 40 : 고주파 반응조
50 : 응집조 60 : 2차 침전조(60)

Claims (6)

1차 침전조, 무산소조, 호기조, 고주파 반응조, 전기분해조, 응집조, 및 2차 침전조로 구성된 하수처리 시스템에서의 고주파 반응조를 이용한 하수의 질소와 인 제거 공정으로서,
1차 침전조에서, 입자크기가 큰 슬러지가 스크린시설에 의해 전처리된 하수가 유입되고, 중력에 의해 슬러지를 침강 시킨 후 배출되는 단계;
무산소조에서, 상기 1차 침전조에서 배출된 처리수를 유입시켜 질산성 질소(NO3)를 질소(N2) 가스로 탈질 처리해 방출하는 단계;
호기조에서, 상기 무산소조에서 방출한 처리수가 유입되어 처리수내 암모니아성 질소는 질산성 질소로 산화된 후 무산소조로 내부 반송시켜 탈질 과정에 의해서 질소 가스로 제거되어 배출되는 단계;
고주파 반응조에서, 무산소조와 호기조로 이루어진 고도처리공정에서 처리되어 배출된 처리수를 유입시키고 양자장 발생부 및 파동 발생부에 의해 발생된 2712MHz대의 고주파의 양자장을 가하여 비분해성 물질 및 색도를 제거한 후 배출하는 단계;
전기분해조에서, 전기분해를 이용하여 철을 용출하는 단계;
응집조에서, 고주파 반응조 및 전기분해조에서 처리되어 배출된 처리수를 유입시켜 고주파 반응조 및 전기분해조에서 반응하지 않고 잔류하는 잔류 인 및 고형성분을 응집을 통해 제거한 후 배출하는 단계; 및
2차 침전조에서, 응집조에서 배출된 처리수내 슬러지를 최종 침강 시켜 제거하되 응집제를 투입하여 제거한 뒤 배출하는 단계를 포함하고,
상기 양자장 발생부는 상용전원을 사용하는 제1전원부, 출력전압을 가변하여 특고압으로 변환하는 고압변환부, 및 정류 및 배압을 통해 특고압의 전자장을 발생시키는 배압회로부를 포함하여 구성되고, 상기 파동 발생부는 가변 가능한 고주파신호를 발생시켜 양자장발생부에 접속시키는 것으로, 제1전원부로부터 전원을 공급받아 직류전원으로 변환하여 고주파 가변발진부의 전원으로 사용하도록 공급하는 제2전원부, 주파수를 조정하여 고주파신호를 발생하기 위한 고주파 가변발진부, 및 고주파 가변발진부에서 출력되는 고주파신호를 증폭하기 위한 파동 증폭부를 포함하여 구성되며, 상기 양자장발생부 및 파동 발생부에서 발생된 고주파의 양자장은 고주파 출력부를 통해 고주파 반응조로 주사되어 하수를 정화처리하며,
고주파 반응조에는 산화제로서 염화제1철(FeCl2) 및 과산화수소(H2O2)가 동시에 투입되며, 이때 H2O2/FeCl2 의 비(ppm/ppm)는 0.6으로 투입되는 것을 특징으로 하는 고주파 반응조를 이용한 하수의 질소와 인 제거 공정.
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