KR101969769B1 - 동절기 저온 질산화 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 기존 하수처리시설을 있는 그대로 활용하거나 또는 최대한 사용할 수 있는 구조를 가지며, 미생물 활성도가 낮은 저수온에서 질산화 반응을 유지하기 위해 한정된 부피에서 미생물을 고농도로 유지할 수 있는 담체를 사용하고, 담체에 질산화균만을 최대한 우점화하기 위해 유기물 산화 목적의 호기조를 별도로 구성하고, 담체조에서의 질산화 반응 극대화와 안정적 담체 순환을 유지하기 위해 산화환원전위(ORP) 값을 이용한 제어 전략을 적용하여 동절기 저수온에서 안정적인 질산화 반응을 유지할 수 있는 일련의 무산소조, 호기조, 담체조로 구성된 동절기 저온 질산화 장치를 개시한다.

Description

동절기 저온 질산화 장치{Apparatus for winter season nitrification at low temperature}
본 발명은 동절기 저온 질산화 장치에 관한 것이다.
국내 하수처리장은 2014년 기준 587개소이며 이 중 고도처리공정을 도입하고 있는 처리장은 555개소로, 대부분의 하수처리장이 영양염류를 처리할 수 있는 공정으로 운전되고 있다. 고도처리공정은 SBR 계열, A2/O 계열, 담체 계열, 막 및 기타 공정으로 크게 분류할 수 있으며, 이 중 담체 계열은 총 131개소로 전체 하수처리장 중 22.3%에 달한다.
Biostyr, SMMIAR, CNR, DeNipho, BioFOR, Bio-SAC, NPR 공정 등 단일 반응조로 구성된 공정부터 A2/O 계열의 호기조에 담체를 충진한 공정까지 다양한 형태로 실규모 하수처리장에 적용되고 있다(하수도정비기본계획공공하수처리시설 기술검토 사례집, 한국환경공단, 2009). 하지만, 국내의 공정 대부분은 외국 기술의 단순 모방과 변형에 의존하고 있어 기존 처리장과 같이 수리학적 체류시간이 짧고 겨울철 온도가 낮은 경우 질산화 반응이 이루어 지지 않아 동절기 질소처리에 어려움이 존재하고 있는 실정이다. 이는 탈질 미생물(Psudomonas, Micrococcus, Bacillus 등)은 종속영양(heterotrophic) 박테리아로 성장 속도가 0.3~0.5 gVSS/gBOD로 온도 변화에 크게 민감하지 않으나, 질산화 미생물(Nitrosomonas, Nitrobactor)은 독립영양(autotrophic) 박테리아로 성장 속도가 약 0.08 gVSS/gNH3-N로 온도 변화에 크게 민감하여 고도처리 시설의 탈질은 쉽게 일어나나 질산화 반응이 저온에서는 잘 이루어지지 않기 때문이다(김광수 등, 한국수처리학회지 제17권 제1호, 71-70, 2009). 5℃에서의 질산화율은 30℃의 질산화율을 100%로 볼 때 12%로 보고되어 있다((주)디엠퓨어텍 기술연구소, 동절기 질산화 효율증진에 의한 하수처리 시스템 개발, 2003년, 연구보고서, 환경부 환경기술개발사업).
이런 문제를 해결하기 위해 탈수여액을 이용하여 저수온에서의 질산화 향상을 연구한 사례(안광호 등 탈수여액을 이용한 활성슬러지의 저온 질산화 향상, 한국수처리학회지, 2015, 23(1), pp 55~62), 하수처리장 호기조에 질산화균을 일정하게 공급하는 배양조를 연구한 사례((주)디엠퓨어텍 기술연구소, 동절기 질산화 효율증진에 의한 하수처리 시스템 개발, 2003년, 연구보고서, 환경부 환경기술개발사업), zeolite를 사용하여 연구한 사례(Miazga-Rodrigues et al., "Enhancing nitrification at low temperature with zeolite in a mining operations retention pond, frontiers in Microbiology, 3, pp 1~9) 등이 제안되어 있으나, 이들 제안 기술들은 기존 하수처리공정에 추가적인 설치 공사가 필요하여 대규모 시설에 적용하기 어려운 구조이거나, 제품 또는 약품 구매 등으로 인한 유지 관리의 어려움이 존재한다.
동절기 안정적인 질산화 반응을 유지하면서, 적용 가능성 및 경제성을 충분히 확보하기 위해서는 기존 하수처리시설을 있는 그대로 활용하거나 또는 최대한 사용할 수 있는 구조이면서, 미생물 활성도가 낮은 저수온에서 질산화 반응을 유지해야 하므로 한정된 부피에서 미생물을 고농도로 유지할 수 있는 담체를 사용하는 방안이 적절하다. 담체 적용 공정은 담체 표면에 형성된 생물막으로 인해 부유성 활성슬러지만으로 측정되는 반응조 내 MLSS 농도보다 활성슬러지 농도를 더 높이는 효과가 있고, 내부에서 진행되는 생물학적 질산화반응은 발열반응으로 생물막내 국소 승온 효과를 동반하여(Weon S-Y. et al., Effect of temperautre and dissolved oxygen on biological nitrification at high ammonia concentrations, Environmental Technology, 25, pp 1211~1219) 특히 저수온에서도 안정적 질산화 반응의 확보가 가능하다. 또한, 담체에 부착한 생물막 미생물은 부유미생물에 비하여 SRT가 길기 때문에 유기물 산화를 하는 종속영양균에 비하여 독립영양균으로서 성장속도가 느린 질산화균만을 최대한 우점화 할 수 있어서 질산화 반응이 더욱 효과적으로 발생하기 때문에 이를 위해 유기물 산화 목적의 호기조를 별도로 구성하는 반응조 구획화 방안이 필요하다. 이와 같은 반응조 구획화는 하수의 흐름을 최대한 플러그 흐름으로 유도할 수 있어 반응조에서 보다 높은 제거 효율을 달성할 수 있다는 장점이 있다.
담체를 사용하는 공정에서는 부유성 슬러지를 사용하는 활성슬러지공정이나 고도처리공정과는 달리 질산화 반응에 필요한 용존산소 (DO)를 유지하기 위한 공기량과 더불어 담체를 순환시킬 수 있는 공기 공급이 필요하다. 이로 인해 과량의 공기가 공급되어 유지 관리 비용이 증가되고, 잔존 용존산소 (DO)로 인해 침전조에서 침전 성능이 저하되는 문제점이 발생하게 된다. 따라서, 질산화 반응과 담체 순환에 필요한 최적 공기량만을 공급할 수 있는 담체 공정에 적합한 제어 전략을 적용할 필요성이 있다.
본 발명은 전술한 바의 배경 하에서 동절기 효율적이고 안정적인 질산화 반응 유지를 위하여 생물학적 저온 질산화(Biological Cryo-Nitrification, BCN) 장치를 개시한다.
본 발명의 목적은 기존 하수처리시설을 있는 그대로 활용하거나 또는 최대한 사용할 수 있는 구조를 가지며, 미생물 활성도가 낮은 저수온에서 질산화 반응을 유지하기 위해 한정된 부피에서 미생물을 고농도로 유지할 수 있는 담체를 사용하고, 담체에 질산화균만을 최대한 우점화하기 위해 유기물 산화 목적의 호기조를 별도로 구성하는 반응조 구획화를 통해 하수의 흐름을 최대한 플러그 흐름으로 유도함과 동시에 질산화 반응 극대화와 안정적 담체 순환을 유지하기 위해 산화환원전위 (ORP)값을 이용한 제어 전략을 적용하여 반응조에서 보다 높은 암모니아 제거 효율을 달성함으로써 동절기 저수온에서 안정적인 질산화 반응을 유지할 수 있는 동절기 저온 질산화 장치를 개시한다.
본 발명의 다른 목적이나 구체적인 목적은 이하에서 제시될 것이다.
본 발명자들은 첨부된 도면의 도 1에서와 같이, 생물학적 저온 질산화 공정을, 하수가 유입되고 탈질 반응이 일어나는 무소산조, 무산소조에서 사용되고 잔류된 하수의 유기성분(COD 성분)을 산화시켜 제거하기 위한 호기조, 담체를 포함하고 질산화 반응이 일어나는 담체 1조 및 담체 2조, 담체조의 질산 성분을 함유하는 하수를 무산소조로 반송할 수 있는 내부반송라인으로 구성하여, 각 개별 조에서의 핵심 반응을 극대화하여 저수온에서의 질산화 반응 등의 처리 효율 상승을 도모하고자 하였다.
또한, 발명자들은 도면의 도 2에서와 같이, 담체 2조에서 측정되는 산화환원전위(ORP) 데이터를 이용, 일련의 제어 전략을 적용하여 안정적 질산화 반응에 필요한 공기 공급량을 지속적으로 공급함과 동시에 담체 순환을 위한 공기량을 감안하여 송풍기를 구동함으로써 동절기 저수온에서의 질산화 반응을 극대화하고자 하였다.
동절기 저온 질산화 장치는 B시 S 하수처리장 내 표준활성슬러지로 운영되고 있는 일부 부지에 실제 적용되었으며, 전술한 바와 같이 토목 구조물의 변경없이 기존 시설물을 있는 그대로 사용하여 현장 적용 가능성 및 경제성을 확보하였다. 생물학적 저온 질산화 공정은 담체조 전단 호기성 반응조를 구역화하여 탄소성 유기물의 산화를 분리하여 용존 산소에 대한 미생물간 경쟁을 해소하고, 후속 유동층 생물막 반응조 담체 표면에 고농도 질산화 미생물을 부착 유지하여 고율의 질소 제거 효율 달성하도록 고안되었고, 담체 표면에 형성된 생물막에서 발열반응인 질산화 반응이 진행되도록 하여 국소 승온 효과를 달성, 저수온에서도 안정적 질산화 반응을 확보하였다. 기존 토목 구조물의 변경 없이 반응조내 유체흐름을 개선, 최대한의 층류 흐름을 유도하여 한정된 반응조에서 추가적 반응 효율 개선을 달성하였다.
무산소조는 장착된 교반기가 유입수와 슬러지를 완전 혼합 및 균등 분산시키며, 산소가 공급되지 않은 반응조로 아래 반응식 1과 같은 탈질 반응이 일어난다.
<반응식 1: 탈질 반응>
NO3 - + 탄소원(H2) → NO2 - + 탄소원(H2) → N2 + CO2 + H2O
무산소조의 체류시간은 1.5~3.0hr의 범위 내에서 전체 반응조의 체류시간을 고려하여 설정되며, 유입 하수 내의 유기물 함량에 따라 필요시 메탄올, 에탄올, 아세테이트 등과 같은 외부탄소원을 공급한다. 유입 하수 내 COD와 무산소조의 NO3 --N 이온과의 C/N 비가 4~5를 유지하지 못한다면, 추가적인 외부탄소원을 무산소조에 주입하는 것이 바람직하다.
호기조는 무산소조에서 탈질 반응을 위해 소비하고 남은 잔류 COD 성분을 부유성 슬러지 내 미생물에 의하여 산화시켜 제거하기 위한 반응조로, 2hr 이내에서 체류시간을 설정하는 것이 바람직하다. 무산소조에서 호기조로 이송되는 잔류 COD 농도가 거의 없다면, 호기조의 체류시간 동안 질산화 반응이 발생할 수 있으나, 저수온에서 부유성 슬러지의 활성도가 높지 않기 때문에 호기조의 체류시간은 최대한 짧게 설정하는 것이 바람직하다. 호기조건 유지를 위해 공기가 공급되어 혼합을 유도하기 때문에 교반조 설치 유무는 적용되는 반응조의 규격 및 형상에 따라 유동적으로 고려할 수 있다. 잔류 생분해 가능한 COD 성분을 산화시키기 위해 반응조 내 용존산소(DO) 농도는 0.5~2.0mg/L를 유지하는 것이 바람직하며, 필요에 따라 반응조 내 용존산소(DO) 농도를 P, PI, PID 등의 제어를 통해 일정 농도로 조절하는 것이 바람직하다.
담체1조 및 2조는 질산화 반응 증진을 위한 담체가 충진되어 반응식 2와 같은 질산화 반응이 발생한다.
<반응식 2: 질산화 반응>
NH4 + + O2 → NO2 - + O2 → NO3
담체의 충진율은 유입 질소의 농도 및 목표 질산화율에 따라 유동적이지만 담체 충진비용, 담체 순환을 위한 송풍 동력비용 등과 같은 경제적인 부분 등을 함께 고려할 때 20% 이상, 특히 20~40% 범위를 유지하는 것이 바람직할 것이다. 담체는 당업계에 공지된 임의의 담체를 사용할 수 있는데, 그러한 담체로서 세라믹 담체, 부유성 플라스틱 담체, PVA gel, 활성탄 분말 첨가 스폰지형 담체 등을 들 수 있다. 실제 사용할 담체의 주재료는 폴리에틸렌이며 미네랄 성분을 추가하여 표면 조도 및 친수성을 향상시켰다. 담체의 직경은 25mm이고, 비표면적인 520m2/m3으로, 비중은 약 0.98 g/cm3이며 생물막 부착시 1에 가깝게 된다. 간혹 공정 운전 상황에 따라 무산소조 및 호기조 체류시간 내에서도 생분해 가능한 COD 성분이 완전 제거가 되지 못하고, 담체1조로 이송될 가능성이 있기 때문에 유기물 산화 반응이 담체1조에서도 발생할 수 있다. 이와 같은 상황을 고려하여 담체1조의 DO 농도는 담체2조보다 조금 높게 유지하는 것이 바람직할 수 있으며, 담체 1조 및 2조 모두 적정 DO 농도는 3~4mg/L 범위에서 유지하도록 한다. 담체1조 및 2조의 총 체류시간은 충진율에 따라 짧아질 수 있지만, 저수온에서의 성장 속도를 고려하여 4hr 이내로 설정하는 것이 바람직하다.
호기조에서 잔류 COD 성분이 거의 제거되었으므로, 담체 1조 및 2조에서는 하수 슬러지 내 독립영양균인 질산화 미생물에 의한 질산화 반응만이 발생하게 되고, 질산화 반응을 통해 슬러지 내 독립영양균만이 우점적으로 증가하게 된다. 이 슬러지가 담체에 부착되어 담체 1조 및 2조에서는 질산화 미생물이 고농도로 유지될 수 있다. 담체 1조 및 2조 전체 부피에서 질산화 반응만이 발생하고, 이에 관여하는 질산화 미생물이 고농도로 존재하기 때문에 동절기 저수온에서도 안정적이고 효율적인 질산화 반응 유지가 가능하게 된다. 추가적으로 담체 1조 및 2조와 같은 담체 충진 반응조의 구획화는 하수의 흐름을 최대한 플러그 흐름으로 유도할 수 있어 동일 부피 반응조에서 보다 높은 제거 효율을 달성할 수 있다.
본 발명의 저온 질산화 장치에는 상기 담체2조에서 질산화 반응 후 질산(NO3-N) 성분 함유 하수를 무산소조로 반송하기 위한 내부 반송라인이 존재하며, 반송 유량은 목표 NH4-N 농도 등에 따라 달라질 수 있으나 유입 유량 대비 100~150%의 유량인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 저온 질산화 장치에는 도 1에 도시된 바와 같이, 담체2조(3) 후단에 담체2조에서 유출되는, 목표 수질을 갖는, 처리된 하수의 고액분리를 위해 장방형 또는 원형의 침전조가 추가로 구비될 수 있으며, 침전조 하부에서 농축된 슬러지를 무산소조로 반송시킬 수 있는 외부 반송라인이 있다. 슬러지 반송 유량은 동절기 저수온 시 반응조 내 MLSS 농도를 2,500~3,000mg/L 범위에서 유지시키기 위해 유입 유량 대비 50~100% 범위의 유량으로 반송하는 것이 바람직하다.
도 2에는 본 발명에서 적용된 산화환원전위 기반 제어에 대한 모식도가 도시되어 있다. 담체 2조에 위치한 계측기기인 산화환원전위(ORP) 센서 및 용존산소(DO) 센서에서 측정된 산화환원전위 값이나 용존산소 농도 값에 대한 데이터가 수집부에서 실시간 수집되고, 제어부는 수집된 데이터에 기반하여 적절한 송풍량을 도출하고, 구동부는 제어부에서 도출된 송풍량을, 송풍기가 공급하도록 한다. 이와 같은 일련의 데이터 수집, 제어 및 구동은 설치된 센서의 신호값 측정 주기에 따라 달라지게 된다.
도 3에 제어부에서 연산하게 되는 제어 로직에 대한 순서도를 나타내었다. 수집부에서 임의 시간 t에서 측정된 담체 2조 질산화 반응 발생 정도에 대한 지표가 되는 산화환원전위(ORP) 값이 수집된 후, 목표로 설정한 산화환원전위(ORPset) 값과의 비교를 통해 ΔDORP가 계산되고, ΔDORP가 0보다 작은, 다시말해 측정된 산화환원전위(ORP) 값이 목표 산화환원전위 값보다 높다면 질산화 반응에 필요한 충분한 송풍량이 공급되고 있으므로, 최소 송풍량을 유지하게 된다. 만약 ΔDORP가 0보다 큰, 다시말해 측정된 산화환원전위(ORP) 값이 목표 산화환원전위 값보다 작다면 질산화 반응에 송풍량이 더 필요한 상황이므로, 송풍량 증가값이 제어부에 의해 계산되어 그 계산된 값에 따라 구동부가 송풍기를 작동시킨다.
설명한 산화환원전위(ORP) 값에 기반한 일련의 제어 적용 후 산환환원전위 센서의 고장이나 오작동 등과 같은 비상 상황에 대비하기 위해 수집된 용존산소(DO) 값에 기반한 제어 로직이 구동된다. 임의 시간 t에서 측정된 담체 2조 용존산소(DO)가 수집된 후, 목표로 설정한 용존산소(DOset)과의 비교를 통해 ΔDDO가 계산되고, ΔDDO가 0보다 작다면, 별도 제어 액션이 수행되지 않고 다음 데이터 수집단계로 진행된다. 만약 ΔDDO가 0보다 큰, 다시말해 측정된 용존산소(ORP) 값이 목표 용존산소 값보다 작다면 담체 순환과 질산화 반응에 송풍량이 더 필요한 상황이므로, 송풍량 증가값이 제어부에 의해 계산되어 그 계산된 값에 따라 구동부가 송풍기를 작동시킨다. 이와 같은 일련의 제어 적용에 필요한 데이터는 담체 2조에서 수집되는 것이 바람직하다.
도 4에는 담체1조 및 2조에 구비된, 산기관, 에어리프트관 및 드럼(원통형) 스크린에 대한 평면도와 함께 담체 순환을 유도하는 에어리프트관의 구조의 단면도가 도시되어 있다.
도 4에서 확인되는 바와 같이, 담체1조 및 2조 하부에는 산기관(300)이 설치되는데, 산기관(300)은 전체 구조가 사각형 고리 형태 내에 일자형 연결관이 일정 간격으로 배치된 구성을 갖도록 형성되어 있으며, 복수의 다공이 구비된 다공성 재질로 형성되어 비중이 하수보다 높아 가라앉는 담체를 부상시킴과 동시에 폭기를 통하여 담체에 공기를 공급하는 기능을 수행한다.
드럼스크린(400)은 담체1조 및 2조에서 하수가 유출되는 유출구(410)의 전방에 배치되어 하수는 여과되고 담체는 반응조에 유지시키며, 담체나 하수 내 협잡물에 의한 유출구(410)나 그 드럼스크린(400) 폐색을 방지하기 위해 원통으로 제작되어 담체가 스크린 표면에서 떨어져 나갈 수 있도록 한다. 아울러, 드럼스크린(400)에 형성된 복수의 타공(401)은 담체의 직경보다 상대적으로 작은 직경을 갖도록 형성된다.
한편 에어리프트관(200)은 도 2에 도시된 바와 같이, 담체 1조 또는 담체 2조(100, 이하 "담체조")의 내부에 일부 영역이 직립된 형태로 설치되고, 나머지 영역이 상기 일부 영역과 "U"자 형태를 이루면서 담체조(100) 내부 또는 외부에 상기 하수가 유입되는 방향과 대향되는 방향으로 연장 형성되어, 담체조(100)의 수용공간에서 하수의 유출구(410)쪽으로 쏠리는 담체(1)가 상기 하수의 유입 방향과 대향되는 방향인 담체조(100) 전방으로 강제적으로 이동되도록 하는 관상의 부재이다.
이러한 에어리프트관(200)는 담체조(100)의 내부에 위치한, 직립된 일부 영역의 단부에 있는 담체(1) 유입구를 통해 담체(1)가 유입되도록 하고, 담체조(100) 내부 또는 외부에 위치한 나머지 영역의 단부에 있는 담체(1) 유출구를 통해 담체(1)가 유출도록 한다.
담체(1)는 하수의 흐름 방향인 담체조(100) 후방 즉 하수의 유출구쪽으로 쏠리지만, 담체조(100) 하부에 산기관이 설치되어 있어 이 산기관의 폭기에 의하여, 담체(1) 대부분은 담체조(100) 후방의 수심 중·상부로 쏠리게 된다. 따라서 에어리프트관(200)는 담체(1)가 쏠리는 위치에서 담체(1)를 유입시킬 수 있도록 그 담체(1) 유입구가 담체조(100) 후방의 수심 중·상부에 위치되도록 설치된다.
이러한 에어리프트관(200)에는 그 하부 일측에, 송풍기를 통하여 공급되는 공기를 에어리프트관(200) 내부로 주입할 수 있는 공기주입관(201)이 연결되어 있다. 이 공기주입관(201)은 에어리프트관(200) 하측에 연결되어 있기 때문에, 공기주입관(201)을 통하여 일정 압력으로 공기가 주입되면, 이 주입된 공기의 부력과 에어리프트관(200)의 담체(1) 유입구로 가해지는 하수의 하방 수압에 의하여, 담체(1)와 하수가 에어리프트관(200)의 담체(1) 유출구쪽으로 강제로 이동하여 유출되게 된다. 이와 같은 작용이 용이하도록 에어리프트관(200) 담체(1) 유입구는 담체(1) 유출구보다 낮은 높이에 위치하도록 설치된다.
이렇게 공기 주입을 통하여 담체(1)를 강제로 이동시켜 유출시키면, 담체(1)에 공기를 전달하는 폭기 효과도 아울러 가질 수 있다. 담체는 담체조(100) 후방의 수심 중·상부로 쏠리기 때문에, 이 쏠려 있는 상태의 내부에 존재하는 담체(1)와 그 외부에 존재하는 담체(1) 사이에는 산기관에 의하여 전달되는 공기와의 접촉 정도에서 불균일이 발생할 수밖에 없는데, 공기 주입을 통한 담체(1)의 강제 이동은 그 폭기 효과로 인하여 이러한 뷸균일을 해소할 수 있다.
에어리프트관(200)에서 공기주입관(201)은 에어리프트관(200) 하부 외측에 주입되는 공기가 그 공기 부력에 의하여 담체(1) 유출구로 이동하도록 연결되어 설치되거나, 또는 에어리프트관(200)의 담체(1) 유입구를 통하여 에어리프트(200)의 하부까지 연장되어 설치될 수 있다. 에어리프트관(200)의 담체(1) 유입구를 통하여 공기주입관(201)이 에어리프트(200)의 하부까지 연장되어 설치되면, 담체(1) 유입구를 통한 담체(1) 유입이 보다 용이하게 이루어질 수 효과가 있다. 이 경우 주입되는 공기가 그 공기 부력에 의하여 담체(1) 유출구로 이동할 수 있도록 충분한 압력으로 주입될 필요가 있다.
이러한 에어리프트관(200)은 전술한 바와 같이 공기 주입을 통해 담체를 강제로 하수 흐름 방향과 반대 방향으로 이동시킬 수 있는 한, 그 형태나 설치되는 개수는 담체조(100)의 규격 및 형태에 따라 적절히 선택·조절할 수 있다.
이와 같은 에어리프트관(220)은 담체조(100) 내벽과 연결된 지지대(202)를 통해 담체조(100) 내부에서 고정되며, 그 재질은 산화됨을 방지할 수 있도록 스테인리스강 재질로 형성되는 것이 효과적이다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 안정적이고 효율적인 동절기 저온 질산화 반응을 유지할 수 있는 장치를 제공할 수 있다.
본 발명을 통해, 표준활성슬러지 및 A2/O, MLE 공정 계열 등으로 운전되고 있는 고도처리공정에서 기존 호기조의 구조에서, 담체 이송 장치, 스크린과 같은 담체 순환 및 유실 방지 장치만을 설치하여 호기조 내 담체 충진을 통해 겨울철 저수온에서도 높은 질산화율을 유지할 수 있다.
본 발명을 통해, 기존 하수처리시설을 있는 그대로 활용하거나 또는 최대한 사용할 수 있는 구조를 가짐으로써, 공정 개선에 소요되는 비용의 절감 및 유지 관리 비용 절감이 가능해진다.
미생물 활성도가 낮은 저수온에서 질산화 반응을 유지하기 위해 한정된 부피에서 미생물을 고농도로 유지할 수 있는 담체를 사용하고, 담체에 질산화균만을 최대한 우점화하기 위해 유기물 산화 목적의 호기조를 별도로 구성하는 반응조 구획화를 통해 하수의 흐름을 최대한 플러그 흐름으로 유도할 수 있어 한정된 반응조 부피에서 보다 높은 암모니아 제거 효율을 달성할 수 있다.
담체 공정에 최적화된 산화환원전위 기반 제어를 적용함으로써 저수온에서도 질산화 반응 및 담체 순환에 필요한 안정적인 공기 공급이 가능하고, 최적의 공기량 주입으로 인해 유지 관리 비용의 절감 효과를 달성할 수 있다.
도 1은 동절기 저온 질산화 장치의 모식도 및 각 반응조 구획별 핵심 반응을 나타낸 것이다.
도 2에는 적용된 산화환원전위 기반 제어에 대한 모식도가 도시되어 있다.
도 3에 제어부에서 연산하게 되는 제어 로직에 대한 순서도를 나타내었다.
도 4는 실시예에서 적용된 실제 공정에서 담체1조 및 2조의 산기관, 에어리프트관 및 드럼스크린의 평면도 및 담체조에 설치된 에어리프트관의 단면도이다.
도 5는 실시예의 실제 공정 중 담체1조 및 2조의 에어리프트관의 현장 설치 사진이다.
도 6은 동절기 저수온에서 저온 질산화 장치로 유입되는 월류수 및 처리된 방류수의 일간 TN, NH4-N, NO3-N 농도 그래프이다.
도 7은 호기조, 담체1 및 담체2조에서 제거된 NH4-N 농도에 대한 제거율 그래프이다.
도 8은 담체 2조에 설정한 산화환원전위(ORP)값과 실제 측정된 산화환원전위값에 대한 그래프이다.
도 9는 동절기 저수온에서 저온 질산화 장치로 유입되는 월류수 및 처리된 방류수의 2시간 간격 TN, NH4-N, NO3-N 농도 그래프이다.
도 10은 동절기 저수온에서 저온 질산화 장치로 유입 및 방류되는 CODMn, TP, SS의 2시간 간격 농도 그래프이다.
이하 본 발명을 실시예를 참조하여 설명한다. 그러나 본 발명의 범위가 이러한 실시예에 의해 제한되는 것을 아니다.
<실시예> 저온 질산화 공정의 성능 평가
본 발명의 동절기 저온 질산화 장치는 도 1의 모식도 형태로 P시 S 하수처리장 내 일부 공정을 개조하여 현장에 적용하였다. 적용된 처리 공정 사양은 표 1과 같다.
Figure 112018085449014-pat00001
상기 표 1에 기술한 바와 같이, P시 S 하수처리장 내 일부 공정에 적용된 동절기 저온 질산화 장치의 유량은 6,750m3/d 였으며, 무산소조, 호기조, 담체1 및 2조의 체류시간은 본 발명에서 제안한 범위 내에서 각각 2.55, 1.71, 1.71, 1.71hr으로 설정하였다.
담체1 및 2조 내에는 도 4의 평면도에서 나타낸 바와 같이, 산기관, 에어리프트관 및 드럼스크린을 제작하여 설치하였으며, 실제 설치된 현장 사진을 도 3에 나타내었다.
동절기 운영 인자로 본 발명에서 제안한 바와 같이, 호기조 DO 농도는 0.5~2.0mg/L를 유지하였고, 담체1 및 2조의 DO 농도는 산화환원전위(ORP) 기반 제어 적용을 통해 3~4mg/L가 유지되도록 하였다. 부유성 MLSS 농도는 3,000mg/L를 유지하였다. 담체 1 및 2조의 충진율은 37.5%로 각각 180m3가 충진되었다. 유입수 내 COD 성분이 충분하지 않아 외부탄소원을 사용하였고, 침전조 전단에 PAC(Poly Aluminum Chloride)를 사용, Al/P 몰비≒2.0으로 주입하여 방류수 총인 농도를 범정 기준 아래로 유지하였다.
도 6에 동절기 저수온에서 저온 질산화 장치로 유입되는 월류수 및 처리된 방류수의 일간 TN, NH4-N, NO3-N 농도 그래프를 나타내었다. 최초침전지 월류수 TN 농도는 25.2~41.5 mg/L 범위에서 평균 35.2 mg/L로 유입되었으며, 최소 유입수온 8.3℃에서 최대 유입수온 13.8℃로 높은 수온 변동과 관계없이 방류수 TN 농도는 15mg/L 이하로 법정 수질 기준인 20mg/L 보다 낮게 안정적으로 유지되었다. 저수온임에도 담체 1 및 2조에서 안정적인 질산화 반응이 유지되었고, 외부탄소원 주입으로 인해 탈질 반응도 충분히 유지되어 평균 TN 제거율 72.3% (최초침전지 월류수 대상)를 달성하였고, 호기조-담체1조-담체2조의 공정 구성을 통해 평균 NH4-N 제거율은 92.6% (최초침전지 월류수 대상)를 달성하였다.
도 7에 호기조, 담체1 및 담체2조에서 제거된 NH4-N 농도에 대한 제거율 그래프를 나타내었다. 제거율은 각 단위 반응조의 유입 및 유출 NH4-N 농도를 통해 계산되었다. 호기조에서는 유기물 산화가 핵심 반응이므로 체류시간의 대부분을 유기물 제거에 소비하여 질산화 반응이 미약하게 발생하는 것을 확인할 수 있다. 담체에 부착된 미생물에 의해 담체1조 및 2조의 활성슬러지 농도는 증가하였고, 부착 미생물의 긴 SRT(슬러지 체류 시간)로 인해 성장속도가 느린 독립영양균인 질산화균만이 최대한 우점화될 수 있어서 담체 1조 및 2조의 NH4-N 농도 제거율은 높게 확인되었다.
담체1조의 NH4-N 농도 제거율보다 담체2조의 NH4-N 농도 제거율이 높은 것은 담체2조에서 질산화 미생물이 보다 우점적으로 고농도로 유지되기 때문이다. 이를 통해 담체 충진조를 두 개조로 분리하여 저수온에서 고효율의 질산화 반응 확보가 가능함을 확인할 수 있다.
도 8에 담체 2조에 설정한 산화환원전위(ORP) 값과 실제 측정된 산화환원전위값에 대한 그래프를 나타내었다. 산화환원전위(ORP) 기반 제어 적용을 통해 설정된 산화환원전위(ORP )값과의 차이를 계산하여, 주입 송풍량에 변화를 가함으로써 실제 측정된 산환환원전위(ORP) 값이 설정된 값에 수렴하여 운전되고 있는 것을 확인할 수 있다.
일간 수질 분석 외에 보다 상세하게 2시간 간격으로 연속 분석을 진행하여 본 발명에서 제안하는 동절기 저온 질산화 장치의 성능을 검증하였다. 총 7일간 2시간 간격으로 유입 및 유출수를 샘플링하여 분석하였다. 분석 기간 동안 유입 수온은 12.1~13.9℃로 평균 12.8℃였다.
도 9에 동절기 저수온에서 저온 질산화 장치로 유입되는 월류수 및 처리된 방류수의 2시간 간격 TN, NH4-N, NO3-N 농도 그래프를 나타내었다. 월류수 TN은 19.96~52.32mg/L 범위에서 평균 34.07mg/L가 유입되었으며, 방류수는 2.53~11.36mg/L 범위에서 평균 7.39mg/L로 최초침전지 월류수 대상 평균 TN 제거율은 78.3%로 확인되었다. 월류수 NH4-N는 14.60~41.70mg/L 범위에서 평균 30.27mg/L가 유입되었으며, 방류수는 0.29~8.24mg/L 범위에서 평균 2.81mg/L로 최초침전지 월류수 대상 평균 NH4-N 제거율 90.7% 달성하였다. 도 6에서 확인할 수 있듯이, 동절기 저온 질산화 장치를 통해 안정적인 질산화 반응이 지속적으로 유지될 수 있음을 확인할 수 있다.
도 10에 동절기 저수온에서 저온 질산화 장치로 유입 및 방류되는 CODMn, TP, SS의 2시간 간격 농도 그래프를 나타내었다. COD 항목은 외부탄소원 주입량 조절 및 순응을 통해 법정수질 40 mg/L 이하의 안정적 방류수질 (평균 제거율 : 71.1%)을 달성하였고, TP 항목은 적정 몰비 응집제 사용으로 법정수질 2 mg/L 이하로 유지하며 평균 제거율 91.8%를 달성하였다. 방류수 SS 농도는 적정 슬러지 계면 유지 및 공정 안정화로 평균 6.13mg/L (법정수질 10 mg/L)의 농도를 유지하였다.

Claims (8)

  1. 유입되는 하폐수를 탈질시키기 위한 무산소조,
    무산소조에서 유입되는 탈질된 하폐수 중의 유기성분을 산화시켜 제거하기 위한 호기조,
    호기조에서 유입되는 유기성분이 제거된 하폐수 중의 질소 성분을 질산화 미생물에 의하여 질산화시키기 위한, 질산화 미생물 부착 담체를 포함하는 담체조, 및
    담체조의 질산 성분을 함유하는 하폐수를 무산소조로 반송시키기 위한 반송라인을 포함하되,
    상기 담체조는 2개로 분할되어 담체 1조 및 담체 2조로 구성됨으로써, 담체 2조에서는 담체 1조에 비해 질산화 미생물이 보다 우점적으로 고농도로 유지되도록 하고,
    상기 담체 1조 및 담체 2조에는, 단부에 담체 유입구가 있는 일부 영역이 상기 각 담체 1조 및 담체 2조의 내부에 직립된 형태로 설치되고 단부에 담체 유출구가 있는 나머지 영역이 상기 일부 영역과 "U"자 형태를 이루면서 상기 각 담체 1조 및 담체 2조 내부 또는 외부에 상기 하폐수가 유입되는 방향과 대향되는 방향으로 연장 형성되어 상기 각 담체1조 및 담체2조에 수용된 담체가 상기 하폐수의 유입 방향과 대향되는 방향으로 이동되도록 하는 관상의 에어리프트관이 추가로 구비되고,
    상기 에어리프트관에는 상기 에어리프트관의 내부로 공기를 주입할 수 있는 공기주입관이 연결되고, 이 공기주입관은 그 주입된 공기가 부력에 의하여 상기 에어리프트관의 유출구로 이동하도록 상기 에어리프트관 하부 일측에 연결되며,
    상기 에어리프트관은 그 담체 유입구가 하폐수의 흐름 방향인 반응조 후방의 수심 중·상부에 위치하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 동절기 저수온에서 질산화 효율을 높일 수 있는 것을 특징으로 하는 동절기 저온 질산화 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 담체는 상기 담체 1조 및 담체 2조에 30% 이상 충진되어 있는 것을 특징으로 하는 동절기 저온 질산화 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 담체 1조 및 담체 2조에는 하부로 가라앉는 담체를 부상시키고 담체에 공기를 전달하기 위한 산기관이 추가로 구비되고,
    상기 산기관에는 그 산기관에 공기를 공급하기 위한 송풍기가 연결되어 있으며,
    상기 담체 2조에는, 그 담체 2조에서의 용존산소 농도를 측정할 수 있는 용존산소 센서 또는 그 담체 2조에서의 질산화 반응 정도 지표인 산화환원전위 값을 측정할 수 산화환원전위 센서가 연결되어 상기 담체 2의 용존산소의 농도 값 또는 산화환원전위 값을 실시간 측정함으로써, 그 측정된 값에 기초하여 상기 송풍기의 공기 공급량을 조절하기 위한 제어부가 추가가 구비된 것을 특징으로 하는 동절기 저온 질산화 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 용존산소의 농도 값 또는 산화환원전위 값을 수집하는 수집부가 추가로 구비되고,
    상기 제어부는 상기 수집 부의 수집된 값에 기초하여 상기 송풍기의 공기 공급량을 결정하고,
    그 결정된 공기 공급량을 상기 송풍기가 담체 2조에 공급하도록 하는 구동부가 추가로 구비된 것을 특징으로 하는 동절기 저온 질산화 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 담체 1조 및 담체 2조에는,
    상기 산기관 이외에,
    상기 담체의 유실을 방지하도록 상기 하폐수가 상기 반응조의 외부로 유출되는 유출구의 전방에 배치되어 상기 담체가 여과되도록 하는 원통형 스크린이 추가로 구비된 것을 특징으로 하는 동절기 저온 질산화 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 공기주입관은 에어리프트관의 담체 유입구를 통하여 에어리프트관의 하부까지 연장되어 설치되는 것을 특징으로 하는 동절기 저온 질산화 장치.

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