KR102047486B1 - 미세기포를 이용하는 질소제거 단일생물반응시스템 및 그 처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시 형태는 격벽없는 내부공간이 형성되어 있어, 일측벽에 인접 위치한 유량 조정조에서 유입되는 하폐수와 미생물이 혼합된 반응조 내액으로서 상기 내부공간에서 미세기포를 이용한 질산화 처리된 후 타측벽에 인접 위치한 침전조로 배출되는 단일반응조; 단일반응조의 내부공간에서 미세기포를 발생시키는 기포발생부; 및 상기 단일반응조의 내부공간으로 질산화 처리될 하폐수의 유입을 제어하며, 상기 단일반응조의 내부공간으로 하폐수의 유입이 있는 동안 상기 기포발생부의 미세기포 발생 제어를 통해 단일반응조 내의 DO 농도 조절을 통해 하폐수를 질산화 처리하는 제어부;를 포함할 수 있다.

Description

미세기포를 이용하는 질소제거 단일생물반응시스템 및 그 처리방법{Biological Nitrogen Removal System in a Single Reactor Using Microbubble, and it's Treatment Method}

본 발명은 단일생물반응시스템 및 그 처리방법으로서, 미세기포를 이용하는 질소제거 단일생물반응시스템 및 그 처리방법에 관한 것이다.

생물학적 처리에서 질소제거를 위해서는 질산화(nitrification)와 탈질화(denitrification) 과정을 거쳐 질소가스로 제거되는 연속된 질산화/탈질화 공정이 필요하다.

국내 하수처리장의 대부분은 활성슬러지 공법으로 설계 및 운전되고 있어 유기물 및 부유물질의 제거율은 90% 정도로 나타나는 반면 질소제거율은 미흡한 실정이다.

재래식 활성슬러지 공법은 호기성 반응조와 무산소 반응조를 분리하여 설치하는 A2O, Bardenpho 공정 등의 공간 분할 공법이나 시간에 따라 반응조 내의 조건을 호기성 조건과 무산소 조건으로 변환시켜 운영하는 SBR(sequencing batch reactor), 간헐폭기 공법 등이 적용되고 있다. 공간분할공법의 경우 독립적인 반응조의 설계로 인해 넓은 부지면적을 필요로 하며, 시간분할공법의 경우 연속적인 처리가 어려운 문제점이 있다.

하수처리공정에서는 질산화 등의 효과적인 처리를 위해 호기성의 DO(dissolved oxygen) 농도를 약 2~4 mg/L로 유지하는 것이 가장 이상적으로 알려져 있다. 적정 DO 농도를 유지하기 위하여 폭기장치를 사용하는데, 하수처리장 총 에너지 사용량의 약 40~60%가 blower 가동을 위한 동력비로 소요되기 때문에 에너지 낭비를 가져오는 문제가 있다.

또한, 기존의 하수처리시설의 경우 혐기조, 무산소조, 호기조 등과 같이 하수처리를 위해 여러 개의 반응조를 필요로 하는 비효율성이 있다.

이에, 현재 하수처리시설의 단점인 넓은 부지면적의 소요와 폭기를 위한 에너지 과소비와 다수의 반응조가 설치된 넓은 부지면적의 비효율성을 해결할 수 있는 새로운 수단의 필요성이 절실하다.

한국공개특허 10-2002-0063052

본 발명의 기술적 과제는 기존의 하수처리시설의 단점을 개선하고자 단일반응조에 미세기포를 공급하여 동시에 질산화/탈질반응을 유도함으로써 질소를 제거하는 수단을 제공하는데 있다.

본 발명의 실시 형태는 격벽없는 내부공간이 형성되어 있어, 일측벽에 인접 위치한 유량 조정조에서 유입되는 하폐수와 미생물이 혼합된 반응조 내액으로서 상기 내부공간에서 미세기포를 이용하여 질산화 처리된 후 타측벽에 인접 위치한 침전조로 배출되는 단일반응조; 단일반응조의 내부공간에서 미세기포를 발생시키는 기포발생부; 및 상기 단일반응조의 내부공간으로 질산화 처리될 하폐수의 유입을 제어하며, 상기 단일반응조의 내부공간으로 하폐수의 유입이 있는 동안 상기 기포발생부의 미세기포 발생 제어를 통해 단일반응조 내의 DO 농도 조절을 통해 하폐수를 질산화 처리하는 제어부;를 포함할 수 있다.

상기 기포발생부는, 미세기포를 발생시키는 자흡식 벤츄리관 형태의 노즐; 및 대기중의 공기가 자연적으로 상기 노즐에 유입되도록 하는 공기 공급관;을 포함할 수 있다.

상기 노즐은, 개구된 일측단으로서 순환수가 유입되는 순환수 유입단과, 개구된 타측단으로서 미세기포가 배출되는 미세기포 배출단을 가지는 노즐 하우징; 순환수 유입단에서 미세기포 배출단까지 연결되도록 노즐 하우징의 내부에서 관통된 내부 관통로; 및 상기 공기 공급관과 연결되어, 공기 공급관을 통해 유입되는 공기를 상기 내부 관통로에 수직으로 공급하는 공기 흡입관;을 포함할 수 있다.

상기 노즐은, 자흡식 벤츄리관 형태의 노즐로서, 노즐 위치는, 상기 순환수 유입단과 미세기포 배출단이 단일반응조의 바닥면에서 횡축으로 위치하도록 하며, 단일반응조의 바닥면 횡측 전체 길이에서 1/5~3/5 범위내의 바닥면에 위치할 수 있다.

상기 내부 관통로는, 상기 순환수 유입단에서 내부로 진입할수록 통로직경이 점차적으로 좁아지도록 형성되는 유입단 구간; 상기 미세기포 배출단에서 내부로 진입할수록 통로직경이 점차적으로 좁아지도록 형성되는 배출단 구간; 및 상기 유입단 구간과 배출단 구간을 잇는 통로로서, 동일한 통로직경으로 형성되는 중심내부 구간;을 포함하며, 상기 공기 흡입관이 상기 중심내부 구간에 연결되어 있어, 상기 중심내부 구간으로 공기가 유입됨을 특징으로 할 수 있다.

상기 질소제거 단일생물반응시스템은, 상기 노즐에 순환수를 공급하는 순환수 공급부;를 포함하며, 상기 순환수 공급부는, 단일반응조의 타측벽에 형성된 제1관통홀과 상기 순환수 유입단간을 통로 연결시킨 공급관으로서, 질산화 처리된 액체인 반응조 내액이 상기 순환수 유입단으로 공급되는 순환수 공급관; 상기 반응조 내액이 순환수 공급관으로 유입되도록 하여 순환수 역할을 하도록 하는 순환수 유입펌프; 상기 순환수 공급관에 흐르는 순환수 유량을 측정하는 순환수 유량계; 및 상기 순환수 공급관에 흐르는 순환수 압력을 가변시키는 순환수 압력계;를 포함하며, 상기 제어부는, 측정되는 순환수 유량에 따라서 순환수 유입 압력을 제어하여, 미세기포 제어를 통해 단일반응조 내의 반응조 내액에 대한 DO 농도 조절을 할 수 있다.

상기 제1관통홀은, 침전조에 연결되는 단일반응조의 타측벽에 형성된 배출홀보다 하측에 위치할 수 있다.

상기 단일반응조는, 반응조 내액의 DO 농도를 측정하는 DO 농도 측정센서; 반응조 내액의 산화환원전위를 측정하는 ORP 측정센서; 및 반응조 내액의 MLSS 농도를 측정하는 MLSS 농도 측정센서;를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 DO 농도 측정센서, ORP 측정센서, 및 MLSS 농도 측정센서를 통해 측정되는 DO, ORP, 및 MLSS 농도에 따라서 순환수 압력을 제어할 수 있다.

상기 제어부는, 반응조 내액의 MLSS 농도가 1,500~4,000m/L의 범위를 가질 때, 0.5Bar 이상으로 순환수 압력을 가지도록 제어할 수 있다.

상기 단일반응조 내부를 횡축을 따라서 동일 간격의 제1,2,3,4구간의 네 개의 구간으로 구획할 때, 상기 DO 농도 측정센서는, 하폐수가 유입되는 제1구간과 마지막 구간인 제4구간에 위치하며, 상기 ORP 측정센서 및 MLSS 농도 측정센서는, 제1,2,3,4구간 각각 위치할 수 있다.

단일반응조의 내부공간이, 미세기포가 발생되는 지점을 기준으로 유량 조정조에 인접한 영역인 무산소 ~ 혐기성 영역과, 미세기포가 발생되는 지점을 기준으로 침전조에 인접한 영역인 호기성 영역으로 정의할 때, 상기 질소제거 단일생물반응시스템은, 상기 호기성 영역에서 질산화 처리된 반응조 내액을 상기 무산소 ~ 혐기성 영역으로 순환시키는 내부순환 공급부;을 포함할 수 있다.

상기 내부순환 공급부는, 상기 순환수 공급부의 제1관통홀보다 하측에 설치된 제2관통홀과 단일반응조의 일측벽을 통로 연결하여, 상기 호기성 영역과 무산소 ~ 혐기성 영역간을 통로 연결하는 내부순환 공급관; 및 상기 내부순환 공급관에 흐르는 내부순환 유량을 측정하는 내부순환 유량계;를 포함하며, 상기 제어부는, 측정되는 내부순환 유량을 제어할 수 있다.

호기성 영역에서 침전조로 배출되는 구비된 배출홀에 덩어리화되어 굳어진 고형물을 걸러내는 메쉬형태의 거름망을 포함할 수 있다.

질소 제거 과정에서 생긴 침전물인 슬러지를 침전조에서 상기 무산소 ~ 혐기성 영역으로 순환시키는 슬러지 반송부;를 포함할 수 있다.

상기 슬러지 반송부는, 침전조 배출단과 무산소 ~ 혐기성 영역간을 통로 연결하는 슬러지 반송관; 슬러지가 상기 슬러지 반송관으로 유입되도록 하는 슬러지 반송펌프; 및 상기 슬러지 반송관에 흐르는 슬러지 유량을 측정하는 반송 유량계;를 포함할 수 있다.

또한 본 발명의 실시 형태는, 격벽없는 내부공간이 형성되어 있어, 일측벽에 인접 위치한 유량 조정조에서 유입되는 하폐수가 반응조 내액으로서 상기 내부공간에서 미세기포를 이용한 질산화 처리된 후 타측벽에 인접 위치한 침전조로 배출되는 단일반응조와, 단일반응조의 내부공간에서 미세기포를 발생시키는 기포발생부와, 상기 단일반응조의 내부공간으로 질산화 처리될 하폐수의 유입을 제어하며, 상기 단일반응조의 내부공간으로 하폐수의 유입이 있는 동안 상기 기포발생부의 미세기포 발생 제어를 통해 단일반응조 내의 DO 농도 조절을 통해 하폐수를 질산화 처리하는 제어부를 포함하는 질소제거 단일생물반응시스템이 미세기포를 이용하는 질소제거 단일생물반응 처리방법에 있어서, 상기 유량 조정조에서 유입되는 하폐수를 반응조 내액으로서 단일반응조의 내부공간으로 유입시키는 하폐수 유입 과정; 및 단일반응조의 내부공간으로 미세기포를 발생시켜 반응조 내액을 질산화 처리하는 질소 제거 과정;을 포함할 수 있다.

단일반응조의 내부공간이, 미세기포가 발생되는 지점을 기준으로 유량 조정조에 인접한 영역인 무산소 ~ 혐기성 영역과, 미세기포가 발생되는 지점을 기준으로 침전조에 인접한 영역인 호기성 영역으로 정의할 때, 상기 호기성 영역에서 질산화 처리된 반응조 내액을 상기 무산소 ~ 혐기성 영역으로 순환시키는 내부순환 공급부를 질소제거 단일생물반응시스템이 구비하는 경우, 상기 질소 제거 과정이 있은 후, 단일반응조의 타측벽을 통해 배출되는 반응조 내액 중에서 상위 영역의 반응조 내액을 침전조로 배출시키며, 상위 영역보다 아래에 있는 하위 영역의 반응조 내액을 단일반응조의 일측벽을 통해 단일반응조의 내부공간으로 유입시켜 순환되도록 하며, 상기 상위 영역과 하위 영역의 중간에 위한 중위 영역의 반응조 내액을 미세기포 발생에 사용되는 순환수로 공급되도록 하는 배출 및 순환 과정;을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 형태에 따르면 단일반응조에 미세기포를 발생시키기 위한 자흡식 노즐을 설치하고 자흡식 미세기포 발생장치의 압력에 따라 단일반응조에 공급되는 공기량을 제어하여, 단일반응조에서 미세기포에 의한 유체흐름만으로 반응조 내액을 순환하게 하므로 반응조 하부 일측에서 미세기포가 공급되는 지점을 기준으로 미세기포에 직접적으로 영향을 받는 우측 영역은 호기성 조건을 만족할 수 있다. 또한 유입수와 내부순환수가 유입되는 좌측 영역은 무산소 ~ 혐기성의 조건을 만족하게 되므로 시간 및 공간의 분리 없이 연속적으로 질산화 및 탈질화 반응이 수행되어 부지면적 및 운영비용을 절감할 수 있으므로 경제성이 향상될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질소제거 단일생물반응시스템의 구성 블록도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질소제거 단일생물반응시스템의 사시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자흡식 벤츄리 노즐 하우징의 사시도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 단일반응조에 설치된 측정센서 위치를 개략적으로 도시한 그림.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 단일생물반응시스템과 재래식 산기장치를 적용할 경우 측정된 DO 농도의 분포를 비교한 그래프.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 미세기포를 이용하는 질산화/탈질반응이 가능한 질소제거 단일생물반응 시스템에서 암모니아성 질소 제거율을 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 미세기포를 이용하는 질산화/탈질반응이 가능한 질소제거 단일생물반응 시스템에서 총 질소 제거율을 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 미세기포를 이용하는 질소제거 단일생물반응 처리방법을 도시한 플로차트.

이하, 본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은, 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것으로, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질소제거 단일생물반응시스템의 구성 블록도이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질소제거 단일생물반응시스템의 사시도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자흡식 벤츄리 노즐의 하우징의 사시도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 단일반응조에 설치된 측정센서 위치를 개략적으로 도시한 그림이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 단일생물반응시스템과 재래식 산기장치를 적용할 경우 측정된 DO 농도의 분포를 비교한 그래프이며, 도 6은 본 발명의 실시예에 따라 미세기포를 이용하는 질산화/탈질반응이 가능한 질소제거 단일생물반응 시스템에서 암모니아성 질소 제거율을 나타낸 그래프이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 미세기포를 이용하는 질산화/탈질반응이 가능한 질소제거 단일생물반응 시스템에서 총 질소 제거율을 나타낸 그래프이다.

본 발명의 미세기포를 이용하는 질소제거 단일생물반응시스템은, 격벽없는 내부공간을 가지는 반응조 내부에서 미세기포를 발생시켜 하폐수를 질산화(즉,질소를 제거하는 탈질화)처리를 통해 결과적으로 질소를 제거하도록 한다. 따라서 반응조내에서 질산화/탈질화가 동시에 수행될 경우 기존 하수처리시설에서 제시되는 부지 문제와 에너지 과소비의 문제를 해결할 수 있다.

이를 위하여 본 발명의 미세기포를 이용하는 질소제거 단일생물반응시스템은, 도 1에 도시한 바와 같이 단일반응조(110), 기포 발생부(120), 및 제어부(160)를 포함할 수 있다. 이밖에 순환수 공급부(130), 내부순환 공급부(140), 및 슬러지 반송부(150)를 더 포함할 수 있다. 이하 상술하기로 한다.

단일반응조(110)는, 격벽없는 내부공간이 형성된 1개의 반응조이다. 따라서 일측벽에 인접 위치한 유량 조정조(200)에서 유입되는 하폐수가 반응조 내액으로서 내부공간에서 미세기포를 이용한 질산화(탈질화, 질소제거) 처리된 후 타측벽에 인접 위치한 침전조(300)로 배출될 수 있다. 또한 단일반응조(110)의 타측벽에 형성되어 침전조(300)와 연결되는 배출홀(h3)에는, 메쉬 형태의 거름망이 구비되어 호기조내에서 덩어리화되어 굳어진 고형물을 걸러내도록 한다

기포 발생부(120)는, 단일반응조(110)의 내부공간에서 미세기포를 발생시켜 반응조 내액을 질산화/탈질화 처리한다.

최근에 재래식 산기장치에 비하여 에너지 효율성과 산소전달효율이 높은 미세기포를 이용한 공기공급 방식이 주목받고 있는데, 미세기포 발생 방식은 가압 방식과 자흡 방식이 있다. 가압 방식은 외부에서 공기를 인위적으로 공급해 주어야하며 고밀도의 기포가 발생되므로 하수처리장의 반응조에 적용 시 MLSS가 부상되는 현상이 발생된다. 반면에, 자흡 방식은 노즐 내부에서 발생하는 압력강하에 의해 대기 중의 공기를 자동으로 흡입하므로 별도의 공기 주입이 필요 없고 다양한 크기의 미세기포가 발생하는 특징이 있다.

이에 본 발명은, 외부에서 공기를 인위적으로 공급해줄 필요없이 대기중의 공기를 이용할 수 있으며, 다양한 미세기포를 발생시킬 수 있는 자흡식 기포 발생 방식이 적용되도록 한다.

이를 위하여 기포 발생부(120)는, 노즐(121), 및 공기 공급관(122)을 포함할 수 있다.

공기 공급관(122)은, 대기중의 공기가 자연적으로 노즐(121)에 유입되도록 한다. 따라서 별도의 공기 펌프를 필요로 하지 않는다.

노즐(121)은, 미세기포를 발생시키는 자흡식 벤츄리관 형태로 구현된다. 벤츄리관은, 액체가 내부 통로를 지날 때 압력차가 발생하도록 관로폭이 좁아지는 관 형태를 말한다.

따라서 본 발명의 자흡식 벤츄리관 형태의 노즐(121)은, 도 3에 도시한 바와 같이 개구된 일측단으로서 순환수가 유입되는 순환수 유입단과 개구된 타측단으로서 미세기포가 배출되는 미세기포 배출단을 가지는 노즐 하우징과, 순환수 유입단에서 미세기포 배출단까지 연결되도록 노즐 하우징의 내부에서 관통된 내부 관통로와, 공기 공급관(122)과 연결되어 공기 공급관(122)을 통해 유입되는 공기를 내부 관통로에 수직으로 공급하는 공기 흡입관을 구비한다.

여기서 내부 관통로는 내부 압력이 변화하는 벤츄리관 형태를 가져야 하는데, 따라서 내부 관통로는, 순환수 유입단에서 내부로 진입할수록 통로직경이 점차적으로 좁아지도록 형성되는 유입단 구간(P1)과, 미세기포 배출단에서 내부로 진입할수록 통로직경이 점차적으로 좁아지도록 형성되는 배출단 구간(P3)과, 유입단 구간(P1)과 배출단 구간(P3)을 잇는 통로로서 동일한 통로직경으로 형성되는 중심내부 구간(P2)을 가지도록 한다.

이러한 유입단 구간(P1), 배출단 구간(P3), 및 중심내부 구간(P2)을 가지는 내부 관통로의 구조를 가질 때, 공기 흡입관이 중심내부 구간(P2)에 연결되도록 하여, 중심내부 구간(P2)으로 대기중의 공기가 유입되도록 한다. 그리고 노즐(121)을 순환수 유입단과 미세기포 배출단이 단일반응조(110)의 바닥면에서 횡축으로 위치하도록 하여, 미세기포가 발생되도록 한다.

나아가, 노즐(121)은, 반응조 내액의 질산화를 가장 효율적으로 수행할 수 있는 위치에 설치됨이 바람직하다. 실험결과, 하폐수가 단일반응조(110) 내에서 흐르는 방향, 즉, 단일반응조(110)의 바닥면 횡측 방향의 전체 길이에서 1/5~3/5 범위내의 바닥면의 지점에 노즐(121)이 위치하여 미세기포를 발생시킬 때 질산화 효율이 우수함을 알 수 있다. 바람직하게는 단일반응조(110)의 바닥면 횡측 전체 길이의 1/2 지점에 노즐(121)이 위치할 때 질산화 효율이 가장 우수함을 알 수 있다.

순환수 공급부(130)는, 노즐(121)에 순환수를 공급하는 기능을 수행하는데, 순환수 공급관(131), 순환수 유입펌프(132), 순환수 유량계(133), 및 순환수 압력계(134)를 포함한다.

순환수 공급관(131)은, 단일반응조(110)의 타측벽에 형성된 제1관통홀(h1)과 순환수 유입단간을 통로 연결시킨 공급관으로서 질산화 처리된 액체인 반응조 내액이 상기 순환수 유입단으로 공급되는 파이프관이다. 이때 제1관통홀(h1)은, 침전조(300)에 연결되는 단일반응조(110)의 타측벽에 형성된 배출홀(h3)보다 하측에 위치하도록 하여, 상위 영역의 아래에 있는 중간 정도의 중위 영역의 반응조 내액을 미세기포 발생에 사용되는 순환수로 공급되도록 한다.

순환수 유입펌프(132)는, 반응조 내액이 순환수 공급관(131)으로 유입되도록 하여 순환수 역할을 하도록 하는 펌프이다.

순환수 유량계(133)는, 순환수 공급관(131)에 흐르는 순환수 유량을 측정하는 유량계이다.

순환수 압력계(134)는, 순환수 공급관(131)에 흐르는 순환수 압력을 가변시키는 압력계이다.

제어부(160)는, 단일반응조(110)의 내부공간으로 질산화 처리될 하폐수의 유입을 제어한다. 그리고 단일반응조(110)의 내부공간으로 하폐수의 유입이 있는 동안 기포 발생부(120)의 미세기포 발생 제어를 통해 단일반응조(110) 내의 DO 농도 조절을 통해 하폐수를 질산화 처리한다. 즉, 측정되는 순환수 유량에 따라서 순환수 유입 압력을 제어하여, 미세기포 제어를 통해 단일반응조(110) 내의 반응조 내액에 대한 DO 농도 조절을 하도록 한다.

단일반응조에서 질산화와 탈질을 동시에 수행하기 위해서는 HRT(hydraulic retention time), SRT(sludge retention time), DO 농도, 플럭 크기(floc size), C/N비, pH 등이 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며 특히, DO 농도가 중요한 인자로 알려져 있다. 따라서 반응조 내액에 대한 DO 농도 조절을 통하여 질산화와 탈질 처리가 이루어지도록 하는 것이다.

참고로, DO 농도란, 수중의 용존산소(Dissolved Oxygen)의 농도를 말하는 것으로서, 하천에 유기 오염물질이 유입하면 미생물 작용에 의해서, 수중의 용존산소(DO)가 소비되고, 그 소비속도가 유수표면으로부터의 DO의 공급속도를 넘으면, DO가 감소하여 산화가 끝남에 따라 다시 원래의 포화농도로 된다

한편, 단일 반응조는, 도 4에 도시한 바와 같이 반응조 내액의 DO 농도를 측정하는 DO 농도 측정센서(S1)와, 반응조 내액의 산화환원전위를 측정하는 ORP 측정센서(S2)와, 반응조 내액의 MLSS 농도를 측정하는 MLSS 농도 측정센서(S3)를 포함한다.

참고로 ORP라 함은, 산화환원전위(oxidation-reduction potential)를 말하는 것으로서 DO 미터 측정한계 이하의 상태를 평가하는 데 보조적인 기능으로 쓰이며 호기성 및 무산소성, 혐기성 조건의 상태를 표현하는데 유용하다. 또한 MLSS 농도라 함은, 혼합액부유고형물농도(Mixed Liquor Suspended Solid)를 말하는 것으로서 반응조 내액의 부유물(SS) 농도를 말한다.

또한 DO 농도 측정센서(S1), ORP 측정센서(S2), MLSS 농도 측정센서(S3)는, 서로 다른 개수로 설치되는데, 단일반응조(110) 내부를 횡축을 따라서 동일 간격의 제1,2,3,4구간의 네 개의 구간으로 구획할 때, DO 농도 측정센서(S1)는, 하폐수가 유입되는 제1구간과 마지막 구간인 제4구간에 위치하며, ORP 측정센서(S2)와 MLSS 농도 측정센서(S3)는, 제1,2,3,4구간 각각 위치하도록 할 수 있다. DO 농도는, 단일반응조(110) 내부로 하폐수가 유입될 때 측정하고, 미세기포에 의하여 질산화 처리된 후에 측정하기만 하면 되기 때문에, 제1,2,3,4구간 모두 설치할 필요가 없기 때문이다.

제어부(160)는, ORP 측정센서(S2와 MLSS 농도 측정센서(S3)를 통해 측정되는 ORP 및 MLSS 농도에 따라서 순환수 압력을 제어한다. 즉, 반응조 내액의 산화환원전위 및 혼탁함 정도를 파악하여 미세기포 발생에 필요한 순환수 압력을 제어한다. 실험결과, 반응조 내액의 MLSS 농도가 1,500~4,000m/L의 범위를 가질 때, 0.5Bar 이상으로 순환수 압력을 가지도록 할 때 질소 제거 효과가 좋게 나타남을 알 수 있었다.

참고로, 하기의 [표 1]에서는 MLSS 농도 3,000mg/L에서 미세기포 발생장치의 압력을 각각 0.5~1.0 bar로 조절하면서 본 발명에 따른 장치를 이용하여 공기흡입량 및 순환수 유량을 측정하였다.

[표 1]

한편, 단일반응조(110) 내에서의 반응조 내액이 미세기포에 의하여 일시에 질산화 처리되지 않을 수 있다. 처리할 반응조 내액이 많을 경우 한 번의 미세기포 처리에 의하여 질산화 처리가 안되는 경우가 있기 때문이다.

따라서 미세기포에 의하여 처리되는 반응조 내액 중에서 질산화 처리된 반응조 내액은 침전조(300)로 배출시키며, 일정한 유량(1Q~2Q)으로 반응조 내액을 순환하여 탈질시킬 필요가 있다.

즉, 단일반응조(110)의 내부공간이, 미세기포가 발생되는 지점을 기준으로 유량 조정조(200)에 인접한 영역인 무산소 ~ 혐기성 영역과, 미세기포가 발생되는 지점을 기준으로 침전조(300)에 인접한 영역인 호기성 영역으로 정의할 때, DO 농도가 0.5 mg/L 이하로 유지되는 무산소~혐기성 영역, 반응조 우측은 DO농도가 1.0 mg/L 이상으로 유지되는 호기성 영역이 자연스럽게 형성되며, 호기성 영역에서 질산화 처리된 내액을 단일반응조(110) 좌측의 무산소 ~ 혐기성 영역으로 순환시켜 질소 제거를 유도하는 것이다.

따라서 단일반응조(110)의 타측벽을 통해 배출되는 반응조 내액 중에서 상위 영역의 반응조 내액을 침전조(300)로 배출시키며, 상위 영역보다 아래에 있는 하위 영역의 반응조 내액을 단일반응조(110)의 일측벽을 통해 단일반응조(110)의 내부공간으로 유입시켜 순환되도록 할 수 있다.

이를 위해 본 발명의 단일생물반응시스템은, 내부순환 공급부(140)를 포함할 수 있다.

내부순환 공급부(140)는, 호기성 영역에서 질산화 처리된 반응조 내액을 무산소 ~ 혐기성 영역으로 순환시키는 기능을 수행한다.

상술하면, 내부순환 공급부(140)는, 순환수 공급모듈의 제1관통홀(h1)보다 하측에 설치된 제2관통홀(h2)과 단일반응조(110)의 일측벽을 통로 연결하여, 호기성 영역과 무산소 ~ 혐기성 영역간을 통로 연결하는 내부순환 공급관(141)과 내부순환 공급관(141)에 흐르는 내부순환 유량을 측정하는 내부순환 유량계(142)와 내부순환 펌프(143)을 포함한다.

따라서 제어부(160)는, 내부순환 유량계(142)를 확인하여 내부순환 유량을 제어할 수 있게 된다.

나아가, 본 발명의 단일생물반응시스템은, 질소 제거 과정(S820)에서 생긴 침전물인 슬러지를 침전조(300)에서 무산소 ~ 혐기성 영역으로 순환시키는 슬러지 반송부(150)를 포함할 수 있다. 단일반응조(110)의 상위 영역에서 침전조(300)로 배출되었지만, 아직 질소제거되지 않은 혼탁한 침전물인 슬러지를 다시 반송시켜 질소제거하는 질산화 처리가 이루어지도록 하기 위함이다.

이를 위해 슬러지 반송부(150)는, 침전조 배출단과 무산소~ 혐기성 영역간을 통로 연결하는 슬러지 반송관(151)과, 슬러지가 슬러지 반송관으로 유입되도록 하는 슬러지 반송펌프(153)와, 슬러지 반송관에 흐르는 슬러지 유량을 측정하는 반송 유량계(152)를 포함할 수 있다.

결국, 본 발명의 미세기포를 이용하는 질소제거 단일생물반응시스템은, 단일반응조(110), 기포 발생부(120), 순환수 공급부(130), 내부순환 공급부(140), 슬러지 반송부(150), 및 제어부(160)를 구비함으로서, 단일반응조(110)의 타측벽을 통해 배출되는 반응조 내액 중에서 상위 영역의 반응조 내액을 침전조(300)로 배출시키며, 상위 영역보다 아래에 있는 하위 영역의 반응조 내액을 단일반응조(110)의 일측벽을 통해 단일반응조(110)의 내부공간으로 유입시켜 순환되도록 하며, 상위 영역과 하위 영역의 중간에 위치한 중위 영역의 반응조 내액을 미세기포 발생에 사용되는 순환수로 공급되도록 하여, 단일반응조(110) 내부를 흐르는 내액을 질산화/탈질화 할 수 있게 된다.

하기는, 미세기포 발생장치 압력변화에 따른 DO 농도 측정값과, MLSS 농도에 따른 질소제거 특성의 실험 결과를 기재한다.

실험 1) 미세기포 발생장치 압력변화에 따른 DO 농도 측정

본 발명에 따른 장치를 이용하여 MLSS 농도 3,000mg/L에서 압력에 따른 DO 농도를 측정하였다. 실험은 회분식으로 수행되었고 DO 농도 분포 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5(a)에 따르면, MLSS 농도 3,000 mg/L에서는 운전압력 0.5 bar, 미세기포 공급위치 반응조 1/2지점에서 생물반응조 내 영역분리 현상을 확인하였다. 도 5(b)에 따르면, 재래식 산기장치를 이용한 비교실험에서는 MLSS 농도 3,000 mg/L에서 자흡 방식의 공기 흡입량을 기준으로 동일한 공기량 주입했을 때 모든 영역에서 DO 농도가 0.5 mg/L 이하로 측정되었다.

실험2) MLSS 농도에 따른 질소제거 실험값 특성

상기의 실험 1의 DO 농도 측정 결과로 연속식 실험을 진행하였다. 단일반응조의 수리학적체류시간(HRT) 8시간, 내부반송과 슬러지반송은 각각 유입유량의 1Q, 0.8Q이었다. 도 6 및 도 7에 따르면 MLSS 3,000mg/L, 운전압력 1 bar에서 암모니아성 질소의 제거율은 81.91%를 나타내었다. 총 질소는 46.51% 제거율을 나타내었다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 미세기포를 이용하는 질소제거 단일생물반응 처리방법을 도시한 플로차트이다.

격벽없는 내부공간이 형성되어 있어 일측벽에 인접 위치한 유량 조정조(200)에서 유입되는 하폐수가 반응조 내액으로서 내부공간에서 미세기포를 이용한 질산화 처리된 후 타측벽에 인접 위치한 침전조(300)로 배출되는 단일반응조(110)와, 단일반응조(110)의 내부공간에서 미세기포를 발생시키는 기포 발생부(120)와, 단일반응조(110)의 내부공간으로 질산화 처리될 하폐수의 유입을 제어하며 단일반응조(110)의 내부공간으로 하폐수의 유입이 있는 동안 상기 기포 발생부(120)의 미세기포 발생 제어를 통해 단일반응조(110) 내의 DO 농도 조절을 통해 하폐수를 질산화 처리하는 제어부(160)를 포함하는 질소제거 단일생물반응시스템이 미세기포를 이용하는 본 발명의 질소제거 단일생물반응 처리방법은, 도 8에 도시한 바와 같이 하폐수 유입 과정(S810), 및 질소 제거 과정(S820)을 가질 수 있다. 또한 배출 및 순환 과정(S830)을 더 가질 수 있다.

하폐수 유입 과정(S810)은, 유량 조정조(200)에서 유입되는 하폐수를 반응조 내액으로서 단일반응조(110)의 내부공간으로 유입시키는 과정이다.

질소 제거 과정(S820)은, 단일반응조(110)의 내부공간으로 미세기포를 발생시켜 반응조 내액을 질산화 처리하는 과정이다.

따라서 이러한 하폐수 유입 과정(S810)과 질소 제거 과정(S820)을 통하여 반응조 내액이 질산화 처리되어 질소 제거될 수 있다.

한편, 단일반응조(110) 내에서의 반응조 내액이 미세기포에 의하여 일시에 질산화 처리되지 않을 수 있다. 처리할 반응조 내액이 많을 경우 한 번의 미세기포 처리에 의하여 질산화 처리가 안되는 경우가 있기 때문이다. 따라서 미세기포에 의하여 처리되는 반응조 내액 중에서 질산화 처리된 반응조 내액은 침전조(300)로 배출시키며, 그렇지 않은 반응조 내액은 순환하여 미세기포에 의한 질산화 처리를 반복시킬 필요가 있다.

이를 위하여 단일반응조(110)의 내부공간이, 미세기포가 발생되는 지점을 기준으로 유량 조정조(200)에 인접한 영역인 무산소 ~ 혐기성 영역과, 미세기포가 발생되는 지점을 기준으로 침전조(300)에 인접한 영역인 호기성 영역으로 정의할 때, 호기성 영역에서 질산화 처리된 반응조 내액을 무산소 ~ 혐기성 영역으로 순환시키는 내부순환 공급부(140)를 질소제거 단일생물반응시스템이 구비하도록 한다.

이럴 경우, 질소 제거 과정(S820)이 있은 후, 단일반응조(110)의 타측벽을 통해 배출되는 반응조 내액 중에서 상위 영역의 반응조 내액을 침전조(300)로 배출시키며, 상위 영역보다 아래에 있는 하위 영역의 반응조 내액을 단일반응조(110)의 일측벽을 통해 단일반응조(110)의 내부공간으로 유입시켜 순환되도록 하며, 상위 영역과 하위 영역의 중간에 위한 중위 영역의 반응조 내액을 미세기포 발생에 사용되는 순환수로 공급되도록 하는 배출 및 순환 과정(S830)을 더 가지도록 한다.

상술한 본 발명의 설명에서의 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 예를 선정하여 제시한 것으로, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 변경 및 균등한 타의 실시예가 가능한 것이다.

110:단일반응조 120:기포 발생부
130:순환수 공급부 140:내부순환 공급부
150:슬러지 반송부 160:제어부

Claims (7)

1. 격벽없는 내부공간이 형성되어 있어, 일측벽에 인접 위치한 유량 조정조에서 유입되는 하폐수와 미생물이 혼합된 반응조 내액으로서 상기 내부공간에서 미세기포를 이용하여 질산화 처리된 후 타측벽에 인접 위치한 침전조로 배출되는 단일반응조;
   단일반응조의 내부공간에서 미세기포를 발생시키기 위하여, 미세기포를 발생시키는 자흡식 벤츄리관 형태의 노즐과, 대기중의 공기가 상기 노즐에 유입되도록 하는 공기 공급관을 포함하는 기포발생부;
   상기 단일반응조의 내부공간으로 질산화 처리될 하폐수의 유입을 제어하며, 상기 단일반응조의 내부공간으로 하폐수의 유입이 있는 동안 상기 기포발생부의 미세기포 발생 제어를 통해 단일반응조 내의 DO 농도 조절을 통해 하폐수를 질산화 처리하는 제어부;
   상기 노즐에 순환수를 공급하는 순환수 공급부;
   단일반응조의 내부공간이, 미세기포가 발생되는 지점을 기준으로 유량 조정조에 인접한 영역인 무산소 ~ 혐기성 영역과, 미세기포가 발생되는 지점을 기준으로 침전조에 인접한 영역인 호기성 영역으로 정의할 때, 상기 호기성 영역에서 질산화 처리된 반응조 내액을 상기 무산소 ~ 혐기성 영역으로 순환시키는 내부순환 공급부;
   질소 제거 과정에서 생긴 침전물인 슬러지를 침전조에서 상기 무산소 ~ 혐기성 영역으로 순환시키는 슬러지 반송부; 및
   상기 단일반응조의 타측벽에 형성되어 침전조와 연결되는 배출홀에 형성된 메쉬 형태의 거름망;을 포함하며,
   상기 슬러지 반송부는, 침전조 배출단과 무산소 ~ 혐기성 영역간을 통로 연결하는 슬러지 반송관; 슬러지가 상기 슬러지 반송관으로 유입되도록 하는 슬러지 반송펌프; 및 상기 슬러지 반송관에 흐르는 슬러지 유량을 측정하는 반송 유량계;를 포함하며,
   상기 순환수 공급부는,
   단일반응조의 타측벽에 형성된 제1관통홀과 순환수 유입단간을 통로 연결시킨 공급관으로서, 질산화 처리된 액체인 반응조 내액이 순환수 유입단으로 공급되는 순환수 공급관을 포함하며,
   상기 내부순환 공급부는,
   상기 순환수 공급부의 제1관통홀보다 하측에 설치된 제2관통홀과 단일반응조의 일측벽을 통로 연결하여, 상기 호기성 영역과 무산소 ~ 혐기성 영역간을 통로 연결하는 내부순환 공급관; 및 상기 내부순환 공급관에 흐르는 내부순환 유량을 측정하는 내부순환 유량계;를 포함하며, 상기 제어부는 측정되는 내부순환 유량을 제어하며,
   상기 기포발생부의 노즐 위치는 순환수 유입단과 미세기포 배출단이 단일반응조의 바닥면에서 횡축으로 위치하도록 형성되며,
   상기 단일반응조는,
   반응조 내액의 DO 농도를 측정하는 DO 농도 측정센서; 반응조 내액의 산화환원전위를 측정하는 ORP 측정센서; 및 반응조 내액의 MLSS 농도를 측정하는 MLSS 농도 측정센서;를 포함하며,
   상기 단일반응조 내부를 횡축을 따라서 동일 간격의 제1,2,3,4구간의 네 개의 구간으로 구획할 때, 상기 DO 농도 측정센서는, 하폐수가 유입되는 제1구간과 마지막 구간인 제4구간에 위치하며, 상기 ORP 측정센서 및 MLSS 농도 측정센서는, 제1,2,3,4구간 각각 위치하며,
   상기 제어부는 상기 DO 농도 측정센서, ORP 측정센서, MLSS 농도 측정센서를 통해 측정되는 DO, ORP, MLSS 농도에 따라서 순환수 압력을 제어하고,
   상기 제어부는 반응조 내액의 MLSS 농도가 1,500~4,000m/L의 범위를 가질 때, 0.5Bar 이상으로 순환수 압력을 가지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 미세기포를 이용하는 질소제거 단일생물반응시스템.
   
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3. 청구항 1에 있어서, 상기 노즐은,
   개구된 일측단으로서 순환수가 유입되는 순환수 유입단과, 개구된 타측단으로서 미세기포가 배출되는 미세기포 배출단을 가지는 노즐 하우징;
   순환수 유입단에서 미세기포 배출단까지 연결되도록 노즐 하우징의 내부에서 관통된 내부 관통로; 및
   상기 공기 공급관과 연결되어, 공기 공급관을 통해 유입되는 공기를 상기 내부 관통로에 수직으로 공급하는 공기 흡입관;
   을 포함하는 미세기포를 이용하는 질소제거 단일생물반응시스템.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 노즐 위치는 상기 단일반응조의 바닥면 횡측 전체 길이에서 1/5~3/5 범위내의 바닥면에 위치함을 특징으로 하는 미세기포를 이용하는 질소제거 단일생물반응시스템.
   
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 질소제거 단일생물반응시스템은,
   상기 순환수 공급부는,
   상기 반응조 내액이 순환수 공급관으로 유입되도록 하여 순환수 역할을 하도록 하는 순환수 유입펌프;
   상기 순환수 공급관에 흐르는 순환수 유량을 측정하는 순환수 유량계; 및
   상기 순환수 공급관에 흐르는 순환수 압력을 가변시키는 순환수 압력계;를 더 포함하며,
   상기 제어부는, 측정되는 순환수 유량에 따라서 순환수 유입 압력을 제어하여, 미세기포 제어를 통해 단일반응조 내의 반응조 내액에 대한 DO 농도 조절을 하는 미세기포를 이용하는 질소제거 단일생물반응시스템.
   
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