KR102013740B1 - 암모니아 함유 폐수의 처리방법 및 그 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 암모니아 함유 폐수의 처리방법 및 그 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스흡착탑에서 회수된 공기를 순환시켜 원폐수로부터 암모니아를 분리하는데 재사용하는 것을 특징으로 하는 암모니아 함유 폐수의 처리방법 및 그 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 암모니아 탈기탑에서 청정 공기를 사용하지 않고 가스흡착탑으로부터 회수된 공기를 순환하여 사용할 경우, 추가적으로 주입되는 청정 공기의 온도 가열 및 가습에 따른 운전비를 절감할 수 있고, 가온 및 가습된 순환 공기를 사용함으로써 계 외부로 배출되는 배출 가스(Vent Gas)가 없으며, 계절에 상관없이 안정적인 암모니아 제거효율을 보장하는 효과가 있다. 또한, 기/액비를 600 정도로 장치를 구성할 수 있어 필요 부지 및 초기 투자비를 최소화할 수 있다.

Description

암모니아 함유 폐수의 처리방법 및 그 장치{Method of Treating Wastewater Containing Ammonia and Apparatus}
본 발명은 암모니아 함유 폐수의 처리방법 및 그 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스흡착탑에서 회수된 공기를 순환시켜 원폐수로부터 암모니아를 분리하는데 재사용하는 것을 특징으로 하는 암모니아 함유 폐수의 처리방법 및 그 장치에 관한 것이다.
암모니아는 생물의 사체나 배설물과 같은 축산비료 및 비료 등이 분해될 때 발생되며 공장배출수와 기타 하수에도 다량 함유되어 방출되고 있다. 수중 암모니아 농도는 수질오염의 지표로 작용하며, 수중 암모니아 농도가 높은 경우에는 여러가지 심각한 문제를 야기한다.
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 제거하기 위한 기술 개발이 시급하지만 고농도의 암모니아를 효과적으로 처리하는 기술은 아직까지 많은 연구가 필요한 단계이다.
일반적인 하폐수 처리시설에서 암모니아 제거를 위해 가장 널리 이용되는 방법은 생물학적 공정으로, MLE(Modified Ludzack-Ettinger), A20, UCT(University of Cape Town) 공정 등이 주류를 이루고 있다. 하지만, 축산 폐수와 같이 암모니아를 고농도로 함유한 폐수 유입 시 암모니아 자체가 미생물에게 독성물질로 작용하여 생장과 활동을 저해함으로써 처리 효율이 현저히 떨어지는 문제점을 가지고 있으며, 이에 대한 해결책으로써 시설 용량을 늘리고 C/N비 조절을 위한 외부 탄소원을 첨가하는 등 효율적이지 못한 방법으로 대응하고 있는 실정이다. 이런 고농도의 암모니아성 질소 함유 폐수의 경우, 생물학적 공법의 단독 적용보다는 물리화학적인 처리법과 연계하는 것이 효율적이라고 보고되고 있다.
최근에는 이온교환법, 막 분리법, 탈기법 등 물리화학적인 공정이 많이 개발되고 있다. 이온교환법은 비용해성의 교환물질로부터 분리된 이온과 용해상태에 있는 이온을 교환하는 공정으로 소량의 암모니아를 제거하기에 효과적이지만 설치 및 유지관리 비용이 많이 들고, 폐수지의 처리 및 재생에 문제가 있다. 막 분리법은 입자 및 콜로이드성 물질을 액체로부터 분리하는 공정으로 처리 효율이 높지만 설치 및 유지 관리비가 많이 소요되고, 고농도 암모니아 폐수에서는 처리효율이 떨어지기 때문에 적용하기 어려운 문제점이 있다.
탈기법은 고농도 암모니아 함유 폐수의 처리에 적합한 것으로 냉각탑(Cooling Tower)방식과 수중폭기 방식, 탈기탑 방식이 있다. 냉각탑 방식의 경우 상부에 설치된 송풍기에 의해 공기를 상향류로 이동시키고 폐수는 하부로 떨어지면서 충돌판에 의해 수적화되는데 이때 공기와 폐수가 접촉하면서 폐수 중의 암모니아를 대기로 방출시키는 방법이다. 그러나, 이는 암모니아 제거효율이 계절적 편차가 크고 탈기된 암모니아 가스가 대기중으로 방출되어 2차 공해를 발생시킴으로써 실질적인 폐수처리에 있어 주처리 설비로 사용하기에는 적합하지 않다는 문제점이 있다. 수중폭기 방식의 경우에는 수중에 산기관을 설치하여 블로워(Blower)로 고압의 공기를 공급하여 폭기시킴으로써 난류에 의해 폐수 중의 암모니아를 대기로 방출시킨다. 이 또한 냉각탑 방식과 같이 암모니아 기체에 의한 대기오염 문제가 발생하고 블로워 운전에 많은 동력이 소요되는 문제점이 있다. 탈기탑 방식은 탈기탑 상부에서 폐수를 분사시키고 공기를 FAN 에 의해 폐수와 교차시켜 폐수중의 암모니아를 대기중으로 방산시킴으로써 제거하는 방식이다. 이는 밀폐형으로 제작이 가능하여 공해방지 설비를 장착하면 대기오염을 방지할 수 있으며, 교차공기의 공급에 저압의 FAN을 사용함으로써 동력비를 줄일 수 있다. 그러나, 탈기법의 경우에도 90% 이상 폐수 중 암모니아 제거를 위해서는 pH 11이상, 온도 50℃이상 및 기/액비를 최소 1,200 이상 운전이 가능하도록 설비를 구성하여야하므로 운전비가 많이 들고 필요 부지 및 많은 초기 투자비를 필요로 하는 문제점이 있다. 또한, 상기와 같이 설비를 구성하더라도 열손실에 의해 탈기탑 내부 온도를 50℃ 유지하는데 많은 어려움이 있으며, 실제 현장에 적용되어 운전되고 있는 대부분의 시설들이 운전효율 80% 미만을 보이고 있는 주된 원인이 되고 있다.
이에, 대한민국 등록특허 제10-0414917호는 탈기장치와 미생물에 의한 질산화/탈질공법을 조합하여 암모니아를 함유한 폐수를 처리하였으나, 탈기효율을 높이기 위해 고온·고습의 공기를 계속적으로 제공해야하고, 이로 인한 운전비 증가의 문제점이 있다.
이에, 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 원폐수로부터 암모니아를 분리하는데 사용되는 공기를 가스흡착탑으로부터 회수된 공기를 순환하여 사용할 경우, 추가적인 온도 증가 및 가습 없이 암모니아 제거효율의 증가 및 운전비 절감문제를 해결할 수 있다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 암모니아 함유 폐수의 처리공정에서 암모니아 제거효율의 증가 및 운전비 절감을 위해 암모니아 탈기탑에 사용되는 청정 공기의 주입 없이 암모니아를 제거하는 암모니아 함유 폐수의 처리방법 및 그 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 암모니아 함유 폐수를 저장하는 집수조; 상기 집수조에서 공급된 폐수의 pH를 조정하기 위한 선형 혼합기(Line Mixer); 상기 선형 혼합기에서 pH가 조절된 폐수를 설정된 온도로 가열하는 열교환기; 상기 열교환기에서 설정된 온도로 가열된 폐수를 액상의 폐수와 공기 및 암모니아로 이루어진 기체로 분리시키기 위한 암모니아 탈기탑; 상기 암모니아 탈기탑에서 분리된 액상의 폐수를 처리하는 처리수조; 상기 암모니아 탈기탑에서 분리된 암모니아를 황산수용액과 반응시켜 황산암모늄으로 회수하는 가스흡착탑; 상기 가스흡착탑에서 처리된 공기를 암모니아 탈기탑으로 공급하는 송풍기(Blower); 및 상기 송풍기(Blower)를 통해 재순환되지 못한 잉여 공기 중에 잔류하고 있는 암모니아의 대기 방출을 방지하는 흡수세정탑(Wet Scrubber)를 포함하는 암모니아 함유 폐수 처리장치를 제공한다.
본 발명은 또한, (a) 암모니아 함유 폐수를 집수조에 저장하는 단계; (b) 상기 집수조의 암모니아 함유 폐수에 수산화나트륨을 첨가하여 암모니아 함유 폐수의 pH를 조절하는 단계; (c) 상기 pH가 조절된 암모니아 함유 폐수를 열교환기에서 온수(hot water) 또는 스팀 공급을 통해 설정된 온도까지 조절하는 단계; (d) 상기 온도가 조절된 암모니아 함유 폐수를 암모니아 탈기탑에서 액상의 폐수와 공기 및 암모니아로 이루어진 기체로 분리하는 단계; (e) 상기 분리된 액상의 폐수를 처리수조로 방출시키고, 상기 분리된 공기 및 암모니아로 이루어진 기체를 가스흡착탑으로 이동시킨 다음, 황산수용액을 첨가하여 암모니아를 제거함과 동시에 황산암모늄을 회수하는 단계; 및 (f) 상기 가스흡착탑에서 암모니아를 제거한 공기를 송풍기(Blower)를 통해 암모니아 탈기탑으로 순환시키는 단계를 포함하는 암모니아 함유 폐수의 처리방법을 제공한다.
본 발명에 따른 암모니아 탈기탑에서 청정 공기를 사용하지 않고 가스흡착탑으로부터 회수된 공기를 순환하여 사용할 경우, 추가적으로 주입되는 청정 공기의 온도 가열 및 가습에 따른 운전비를 절감할 수 있고, 가온 및 가습된 순환 공기를 사용함으로써 계 외부로 배출되는 배출가스(vent gas)가 없으며, 계절에 상관없이 안정적인 암모니아 제거효율을 보장하는 효과가 있다. 또한, 기/액비를 600 정도로 장치를 구성할 수 있어 필요 부지 및 초기 투자비를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 함유 폐수 처리장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 암모니아 함유 폐수의 처리방법의 흐름도이다.
본 발명에서는 암모니아 탈기탑에서 청정 공기를 사용하지 않고 가스흡착탑으로부터 회수된 공기를 순환하여 사용할 경우, 추가적으로 주입되는 청정 공기의 온도 가열 및 가습에 따른 운전비를 절감할 수 있고, 가온 및 가습된 순환 공기를 사용함으로써 암모니아 제거효율이 증가함을 확인하고자 하였다.
본 발명에서는, 가스흡착탑으로부터 회수된 공기를 순환하여 암모니아 탈기탑에 사용할 경우, 추가적으로 주입되는 청정 공기의 사용 없이 가온 및 가습 상태의 회수된 공기를 재사용하여 연속적으로 암모니아 함유 폐수를 처리하였다. 그 결과, 가온, 가습된 공기를 사용하지 않고 폐수만 가온시켜 운전하였을 때 폐수 온도 60℃, pH 11 및 기/액비 1,200에서도 80% 정도의 제거효율이 나왔으며, 가온, 가습된 공기를 회수하여 탈기탑으로 순환하였을 때 온도 50℃, pH 10 및 기/액비 600에서 90%이상의 제거효율이 나옴을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명은 일 관점에서, 암모니아 함유 폐수를 저장하는 집수조; 상기 집수조에서 공급된 폐수의 pH를 조정하기 위한 선형 혼합기(Line Mixer); 상기 선형 혼합기에서 pH가 조절된 폐수를 설정된 온도로 가열하는 열교환기; 상기 열교환기에서 설정된 온도로 가열된 폐수를 액상의 폐수와 공기 및 암모니아로 이루어진 기체로 분리시키기 위한 암모니아 탈기탑; 상기 암모니아 탈기탑에서 분리된 액상의 폐수를 처리하는 처리수조; 상기 암모니아 탈기탑에서 분리된 암모니아를 황산수용액과 반응시켜 황산암모늄으로 회수하는 가스흡착탑; 상기 가스흡착탑에서 처리된 공기를 암모니아 탈기탑으로 공급하는 송풍기(Blower); 및 상기 송풍기(Blower)를 통해 재순환되지 못한 잉여 공기 중에 잔류하고 있는 암모니아의 대기 방출을 방지하는 흡수세정탑(Wet Scrubber)를 포함하는 암모니아 함유 폐수 처리장치에 관한 것이다.
이하 본 발명을 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.
도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 암모니아 함유 폐수 처리장치는 선형 혼합기(10), 수산화나트륨(NaOH) 탱크(20), 열교환기(30), 암모니아 탈기탑(40), 처리수조(50), 가스흡착탑(60), 황산암모늄((NH4)2SO4) 탱크(70), 황산(H2SO4) 탱크(80), 흡수세정탑(90) 및 송풍기(100)를 포함한다.
상기 선형 혼합기(10)는 원폐수(암모니아 함유 폐수)의 pH를 조절하기 위한 수산화나트륨을 수산화나트륨(NaOH) 탱크(20)로 공급받아 혼합하기 위한 것으로, 선형 혼합기 및 pH 미터(pH Meter)로 구성할 수 있다. 이때, pH가 조절된 폐수는 pH값이 10이상으로 사용할 수 있고, 바람직하게는 pH 11로 사용할 수 있다. pH값이 10 미만일 경우, 암모니아 탈기 효율 저하의 문제점이 있다.
상기 열교환기(30)는 선형 혼합기(10)에서 pH가 조절된 폐수를 설정된 온도로 가열하여 암모니아 탈기탑(40)으로 이동시키기 위한 것이다.
상기 암모니아 탈기탑(40)은 온도가 조절된 암모니아 함유 폐수를 액상의 폐수와 공기 및 암모니아로 이루어진 기체로 분리시키기 위한 것으로, 분리된 액상의 폐수를 처리하는 처리수조(50)와 분리된 공기 및 암모니아로 이루어진 기체를 처리하는 가스흡착탑(60)과 연결되어 있다.
상기 가스흡착탑(60)은 황산(H2SO4) 탱크(80)로부터 공급되는 황산 수용액과 암모니아 가스와 반응하여 생성된 황산암모늄을 황산암모늄((NH4)2SO4) 탱크(70)로 이동시키고, 암모니아가 제거된 배출가스(vent gas)는 암모니아 탈기탑으로 재순환된다. 정상 운전시 계 외부로 배출되는 배출가스(vent gas)는 없으며, 운전 조작 또는 비상 운전 발생으로 인하여 계 외부로의 배출이 필요할 시에는 대기 오염 방지를 위하여 주변 공기와 함께 흡수세정탑(90)으로 유입한다.
상기 흡수세정탑(90)은 물을 공급받을 수 있는 설비와 저수조 물을 탑 상부로 분무(spray)할 수 있는 순환펌프로 구성되어 있다.
상기 송풍기(100)는 가스흡착탑(60)으로부터 회수된 가온 및 가습된 상태의 공기를 암모니아 탈기탑(40)으로 이동시켜 재사용한다.
본 발명은 다른 관점에서, (a) 암모니아 함유 폐수를 집수조에 저장하는 단계; (b) 상기 집수조의 암모니아 함유 폐수에 수산화나트륨을 첨가하여 암모니아 함유 폐수의 pH를 조절하는 단계; (c) 상기 pH가 조절된 암모니아 함유 폐수를 열교환기에서 온수(hot water) 또는 스팀 공급을 통해 설정된 온도까지 조절하는 단계; (d) 상기 온도가 조절된 암모니아 함유 폐수를 암모니아 탈기탑에서 액상의 폐수와 공기 및 암모니아로 이루어진 기체로 분리하는 단계; (e) 상기 분리된 액상의 폐수를 처리수조로 방출시키고, 상기 분리된 공기 및 암모니아로 이루어진 기체를 가스흡착탑으로 이동시킨 다음, 황산수용액을 첨가하여 암모니아를 제거함과 동시에 황산암모늄을 회수하는 단계; 및 (f) 상기 가스흡착탑에서 암모니아를 제거한 공기를 송풍기(Blower)를 통해 암모니아 탈기탑으로 순환시키는 단계를 포함하는 암모니아 함유 폐수의 처리방법에 관한 것이다.
이하 본 발명을 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.
도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 암모니아 함유 폐수의 처리방법은 암모니아 함유 폐수를 집수조에 저장하는 단계(S10); 상기 저장된 집수조의 원폐수를 pH 및 온도 조절 후, 암모니아 탈기탑에서 액상의 폐수와 공기 및 암모니아로 이루어진 기체로 분리하는 단계(S20); 상기 분리된 액상의 폐수를 처리수조로 방출시키는 단계(S30); 상기 분리된 공기 및 암모니아로 이루어진 기체를 가스흡착탑으로 이동시킨 다음, 황산수용액을 첨가하여 암모니아를 제거함과 동시에 황산암모늄을 회수하는 단계(S40); 상기 가스흡착탑에서 암모니아를 제거한 공기를 송풍기(Blower)를 통해 암모니아 탈기탑으로 순환시키는 단계(S60)를 포함한다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
10 : 선형 혼합기 20 : 수산화나트륨(NaOH) 탱크
30 : 열교환기 40 : 암모니아 탈기탑
50 : 처리수조 60 : 가스흡착탑
70 : 황산암모늄((NH4)2SO4) 탱크 80 : 황산(H2SO4) 탱크
90 : 흡수세정탑(Wet Scrubber) 100 : 송풍기(Blower)

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 암모니아 함유 폐수를 저장하는 집수조;
    상기 집수조에서 공급된 폐수의 pH를 조정하기 위한 선형 혼합기(Line Mixer);
    상기 선형 혼합기에서 pH가 조절된 폐수를 설정된 온도로 가열하는 열교환기;
    상기 열교환기에서 설정된 온도로 가열된 폐수를 액상의 폐수와 공기 및 암모니아로 이루어진 기체로 분리시키고, 추가적으로 청정공기가 주입되지 않는 것을 특징으로 하는 암모니아 탈기탑;
    상기 암모니아 탈기탑에서 분리된 액상의 폐수를 처리하는 처리수조;
    상기 암모니아 탈기탑에서 분리된 암모니아를 황산수용액과 반응시켜 황산암모늄으로 회수하는 가스흡착탑;
    상기 가스흡착탑에서 처리된 공기를 암모니아 탈기탑으로 공급하는 송풍기(Blower); 및
    상기 송풍기(Blower)를 통해 재순환되지 못한 잉여 공기 중에 잔류하고 있는 암모니아의 대기 방출을 방지하는 흡수세정탑(Wet Scrubber);
    를 포함하는 암모니아 함유 폐수 처리장치를 이용하여, 다음 단계를 거처 암모니아 함유 폐수를 처리하는 방법 :
    (a) 암모니아 함유 폐수를 집수조에 저장하는 단계;
    (b) 상기 집수조의 암모니아 함유 폐수에 수산화나트륨을 첨가하여 암모니아 함유 폐수의 pH를 10~11로 조절하는 단계;
    (c) 상기 pH가 조절된 암모니아 함유 폐수를 열교환기에서 온수(hot water) 또는 스팀 공급을 통해 50~60℃까지 조절하여 기/액비를 600~1,200으로 조절하는 단계;
    (d) 상기 온도가 조절된 암모니아 함유 폐수를 암모니아 탈기탑에서 액상의 폐수와 공기 및 암모니아로 이루어진 기체로 분리하는 단계;
    (e) 상기 분리된 액상의 폐수를 처리수조로 방출시키고, 상기 분리된 공기 및 암모니아로 이루어진 기체를 가스흡착탑으로 이동시킨 다음, 황산수용액을 첨가하여 암모니아를 제거함과 동시에 황산암모늄을 회수하는 단계; 및
    (f) 상기 가스흡착탑에서 암모니아를 제거한 공기를 가온 및 가습된 상태로 송풍기(Blower)를 통해 암모니아 탈기탑으로 순환시키고, 추가적으로 청정공기를 주입하지 않는 단계.
  6. 제5항에 있어서, 상기 흡수세정탑(Wet Scrubber)은 물을 공급받을 수 있는 설비와 저수조 물을 탑 상부로 분무(spray)할 수 있는 순환펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아 함유 폐수의 처리방법.
  7. 삭제
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