KR102073704B1 - 초음파 발생 장치와 열교환 장치가 상호 연계되는 고효율 하이브리드 하폐수 처리 및 슬러지 감량화 처리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미생물을 이용한 하폐수의 생물학적 처리 라인에 더하여 슬러지 처리 라인만으로 구성되어 하수 슬러지 처리 효율이 떨어지고 특히 수온이 내려가는 동절기에 소화 처리 효율이 낮아지게 되고 처리 수질도 불량하여 강화된 방류수 수질기준도 만족시키기 어려운 종래 기술의 슬러지 처리장치가 포함된 폐열 회수 하폐수 처리 및 슬러지 처리 시스템을 지양하여, 폐열 회수 생물학적 하수 처리 라인과 슬러지 처리 라인 및 반송 슬러지 순환 라인에 더하여 잉여 및 농축 슬러지를 감량시키고 탄소원으로 재활용하게끔 공급하는 잉여 슬러지 순환 라인 및 농축 슬러지 순환 라인을 병행시켜 부가적으로 형성하고, 하수 슬러지를 효과적으로 분해 감소시키는 초음파 발생 장치와 열교환장치로 구성되는 상호 보완적 연계 기능 1조 2대 조합의 슬러지 가용화장치를 농축 슬러지 배출라인과 소화 슬러지 배출 라인에 각각 추가적 선택적 구비하여 슬러지 성상에 맞춰 선택적 반복적으로 운용하게 하는 다중의 감량화 공정 라인 구성으로, 계절에 관계없이 하수 중의 유기성 폐기물을 효율적, 경제적으로 처리하면서 열에너지를 회수하고 열교환시켜 환경부담을 감소시키고 에너지 절감에도 기여할 수 있는 슬러지 감량화 기능 확장 구조의 다목적 다용도 초음파 발생 장치와 열교환 장치가 상호 연계되는 고효율 하이브리드 하폐수 처리 및 슬러지 감량화 처리 시스템에 관한 것이다.

Description

초음파 발생 장치와 열교환 장치가 상호 연계되는 고효율 하이브리드 하폐수 처리 및 슬러지 감량화 처리 시스템{HYBRID WASTEWATER AND SLUDGE REDUCTION TREATMENT SYSTEM}

본 발명은 초음파 발생 장치와 열교환 장치가 상호 연계되는 고효율 하이브리드 하폐수 처리 및 슬러지 감량화 처리 시스템에 관한 것으로서,

더욱 자세히는 미생물을 이용한 하폐수의 생물학적 처리 라인에 더하여 슬러지 처리 라인만으로 구성되어 하수 슬러지 처리 효율이 떨어지고 특히 수온이 내려가는 동절기에 소화 처리 효율이 낮아지게 되고 처리 수질도 불량하여 강화된 방류수 수질기준도 만족시키기 어렵고 수열원으로서 종합 용도 요구 특성도 만족시키기 어려운 종래 기술의 슬러지 처리장치가 포함된 폐열 회수 하폐수 처리 및 슬러지 감량화 처리 시스템을 지양하여,

폐열 회수 생물학적 하수 처리 라인과 슬러지 처리 라인 및 반송 슬러지 순환 라인에 더하여 잉여 슬러지 순환 라인 및 농축 슬러지 순환 라인을 병행시켜 부가적으로 형성하고,

하수 슬러지를 효과적으로 분해 감소시키는 초음파 발생 장치와 열교환장치로 구성되는 상호 보완적 연계 기능 1조 2대 조합의 슬러지 가용화장치를 잉여 슬러지 순환 라인 및 농축 슬러지 배출라인과 소화 슬러지 배출 라인에 각각 추가적 선택적 구비하여 슬러지 성상에 맞춰 선택적 반복적으로 운용하게 하는 다중의 감량화 공정 라인 구성으로,

계절에 관계없이 하수 중의 유기성 폐기물을 효율적, 경제적으로 처리하면서 처리 과정에서 필연적으로 발생하는 폐기물 유래의 열에너지를 회수하고 열교환시켜 유용하게 활용하는 방법으로 환경부담을 감소시키고 에너지 절감에도 기여할 수 있는 슬러지 감량화 기능 확장 구조의 다목적 다용도 초음파 발생 장치와 열교환 장치가 상호 연계되는 고효율 하이브리드 하폐수 처리 및 슬러지 감량화 처리 시스템에 관한 것이다.

도시인구의 증가와 산업의 급진적인 발전은 물의 사용량을 증대시키고 이에 따른 폐수의 증가를 가져왔으며, 이러한 가운데 생활하수는 인구의 증가에 비례하여 매우 빠른 속도로 증가되고 있어 각종 하·폐수처리장 증설 및 신설이 지속적으로 이루어지고 있다.

국내의 하수도 보급률은 90%에 달하고 있으며, 하수의 고도처리와 처리기술이 향상된 신기술개발 등으로 수질개선 효과가 크게 개선되어 있고, 전국 각지에 활발하게 하수처리장의 건설이 추진 중에 있지만, 다양한 오염원의 증가와 함께 환경기준은 점차적으로 강화되고 강화된 환경기준을 만족시키기 위하여 새로운 처리법의 도입이 절실히 요구되고 있다

국내에서 주로 이용되는 생물학적 하폐수 처리 기술은 활성 슬러지법으로서 공정이 기술적으로 평이하고 많은 실적 및 축적된 경험으로 인해 하폐수 처리장 설계에 가장 많이 적용되고 있으나 지속적인 오염부하량의 증가와 배출오염원에 대한 기준 강화 및 저조한 질소 인 제거 효율로 인해 많은 문제를 야기하고 있다.

활성 슬러지법 처리공정은 다양한 형태의 활성슬러지 방법으로 운영되고 있으며, 처리방법의 발전방향은 대부분 유기물 제거와 T-N, T-P제거를 위한 고도처리기술이 대부분을 차지하고 있으나 그 처리과정에서 필연적으로 발생하는 잉여활성슬러지에 대해 적용 또는 개발되고 있는 현재의 처리기술 중 물리화학적 처리방법으로는 오존처리법, 과산화수소 처리법, 초음파에 의한 방법이 있고, 생물학적인 처리방법으로는 호열균에 의한 처리방법, 혐기성처리법 등이 적용되고 있으나 효율이 낮고 경제적이지 못한 문제점이 있어 공정 내 슬러지 감량을 위한 최근 시대적 요구와 더불어 체계적인 연구가 요구되고 있다.

또한 혐기성 소화방법은 슬러지중 유기물을 섭취하여 환원 분해하고, 무용한 무기 화합물을 방출하는 것으로, 일반 활성슬러지공법에서는 완벽한 질산화를 얻기 위해서는 장시간의 수리학적 체류시간(HRT)이 필요하지만 이러한 혐기성 소화는 안정화 속도가 대단히 느리기 때문에 소화조에서의 체류시간이 길어져 소화조 부피가 증가하게 되는 문제점이 있다

그리고 종래의 소화조는 미생물을 슬러지를 섭취하는 과정에서 온도에 따라 혹은 계절에 따라 소화가 이루어지지 않는 문제가 있는데 특히 특히 우리나라는 기후적인 특성으로 인하여 겨울철의 외기온도가 너무 낮아 혹한기에는 소화조의 온도가 떨어져 미생물의 번식률이 급격히 저하되어 소화 효율이 떨어지는 문제가 발생하고 있다.

즉 한국의 경우 겨울철 수온이 저온으로 나타나기 때문에 비교적 효소의 활성이 낮아지게 되고 그 결과 슬러지 반응조 내에서 적절히 질산화작용이 이루어지지 않게 되어 처리수 내 NH₄-N 농도가 높아지게 처리수 내 NH₄-N의 농도 상승은 T-N농도 값의 상승을 초래하게 되며 질산화 효율이 낮아 T-N 방류수 수질기준을 만족하지 못하게 되는 문제점이 있다.

특히 수온이 내려가는 동절기에는 미생물이 충분히 생존하여 유입된 오염물을 최적으로 제거하는데 필요한 수온을 유지하지 못하여 소화 처리 효율이 낮아지게 되고 처리 수질도 불량하여 강화된 방류수 수질기준도 만족시키기 어렵고 재이용하기 위해서 더욱 양호한 수질이 요구되는 히트 펌프 등의 폐수 열원으로서 종합 용도 요구 특성도 만족시키기 어렵다.

따라서 대부분의 하수처리장은 동절기에 저하된 T-N 처리성능의 개선을 위한 대책으로 여러가지 대책을 수립하고 실행하고 있지만 큰 효과를 얻지 못하고 있다.

또한 에너지를 절약할 수 있는 하수 열원 히트펌프 시스템은 혹한기에 외기 온도가 너무 낮아지게 되면 증발 압력 저하와 함께 과도한 압축비로 운전되어 압축기의 운전 효율이 감소하며, 하수 처리 시스템 순환 유량 감소에 따라 난방성능이 떨어지는 문제점이 있으며 형성된 슬러지는 열교환기의 열전달율을 저하시킴과 통시에 열교환기의 부식을 초래하여 수명주기를 단축시키게 된다.

이에 본 발명자는 겨울철 생물학적 고도처리 향상 방안을 찾는 연구를 한 끝에 수온저하 때 질산화 효율이 급격히 감소하는 문제점 등 종래 기술의 하폐수 처리 및 슬러지 감량화 처리 시스템이 가지는 제반 문제점을 해결하고 새로운 구성의 하폐수 처리 및 슬러지 감량화 처리 시스템을 개발하고자 노력한 결과,

동절기 하수처리장 처리효율 문제점을 해결함과 동시에 강화된 방류수 수질기준도 충족시킬 수 있는 본 발명의 초음파 발생 장치와 열교환 장치가 상호 연계되는 고효율 하이브리드 하폐수 처리 및 슬러지 감량화 처리 시스템을 완성하게 된 것이다.

종래의 선행기술들을 소개한 문헌은 다음과 같으며, 이러한 선행기술 역시 종래 기술의 동절기 하수처리장 수처리 및 소화 처리 효율이 떨어지는 제반 문제점들을 공통적으로 가지고 있다.

문헌1 : 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0745201호

(혐기성 소화조의 슬러지 감량장치, 공고일자 2007년08월01일)

문헌2 : 대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2010-0026643호

(슬러지 감량화를 위한 소화조, 공개일자 2010년03월10일)

전술한 바와 같이 종래 기술의 하폐수 처리 및 슬러지 감량화 처리 시스템은 지속적인 오염부하량의 증가와 배출오염원에 대한 기준 강화 대응 및 저조한 질소 인 제거 효율 향상 특히 동절기 수온 저하 때 질산화 효율이 급격히 감소하는 문제점을 종합적으로 해결하지 못하는 제반 문제점이 있는바,

종래 슬러지 처리장치가 포함된 폐열 회수 하폐수 처리 및 슬러지 감량화 처리 시스템을 지양 수온저하 때 질산화 효율이 급격히 감소하는 문제점을 슬러지 초음파 슬러지 분해 및 열교환에 따른 슬러지 가용화 공정의 연속순환처리를 통한 하폐수 슬러지 감량화로 해결하여 계절에 관계없이 하수 중의 유기성 폐기물을 효율적, 경제적으로 처리하면서 처리 과정에서 필연적으로 발생하는 폐기물 유래의 열에너지를 회수하고 열교환시켜 유용하게 활용하는 방법으로 환경부담을 감소시키고 에너지 절감에도 기여할 수 있는 다중의 슬러지 감량화 처리 공정 라인 구성으로,

겨울철 하수처리장 생물학적 처리 공정에서의 소화 처리 효율 향상, 강화된 방류수 수질기준 충족, 폐수열원으로서 종합 용도 요구 특성도 만족시키는 초음파 발생 장치와 열교환 장치가 상호 연계되는 고효율 하이브리드 하폐수 처리 및 슬러지 감량화 처리 시스템을 개발하여야 하는 기술적 과제를 본 발명에서 해결한 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명은 전술한 종래 기술의 하폐수 처리 및 슬러지 감량화 처리 시스템이 가지는 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서,

겨울철 하수처리장 생물학적 처리 공정에서의 소화 처리 효율이 낮아지게 되고 처리 수질도 불량하여 강화된 방류수 수질기준도 만족시키기 어렵고 수열원으로서 종합 용도 요구 특성도 만족시키기 어려운 종래 슬러지 처리장치가 포함된 폐열 회수 하폐수 처리 및 슬러지 처리 시스템을 지양하여,

폐열 회수 생물학적 하수 처리 라인과 슬러지 처리 라인 및 반송 슬러지 순환 라인에 더하여 잉여 슬러지 순환 라인 및 농축 슬러지 순환 라인을 각각 병행시켜 부가적으로 형성하고,

상기 잉여 슬러지 순환 라인 및 농축 슬러지 순환 라인과 폐열 회수 생물학적 하수 처리 라인의 전단에는 하수 슬러지를 효과적으로 분해하여 슬러지를 감소시키면서 열교환용 온도도 승온시키는 초음파 슬러지 처리 장치와 초음파 분해된 슬러지를 가온시켜 미생물 성장에 적절한 적정온도로 미생물의 활성을 높일 수 있게 하는 열교환장치로 구성되는 상호 보완적 연계 기능 1조 2대 조합의 슬러지 가용화장치를 하수처리 라인과 잉여 슬러지 순환 라인 및 잉여 슬러지 순환 라인으로 다원화시켜 각각 소화 전 처리 용도의 슬러지 가용화장치를 추가적으로 구비하되,

상기 열교환장치는 열교환기와 히트 펌프가 연계되어 히트펌프에 의해 열교환 장치의 슬러지 온도를 일정하게 유지시키는 열교환 방식으로 파울링(Fouling)도 저감시키게끔 구성하며,

상기 슬러지 처리 라인과 탈수기 사이 소화조를 거치지 않고 잉여 슬러지를 소화 슬러지 배출 라인에 바이패스시켜 탈수기로 유입 건조 배출시키는 농축 슬러지 배출라인과 혐기 소화 처리된 소화 슬러지를 최종적으로 탈수기 경유 배출시키는 소화 슬러지 배출 라인에도 잉여 슬러지 배출용 슬러지 가용화장치와 소화 슬러지 감량용의 연속적 반복 순환하는 슬러지 가용화장치를 각각 추가적 선택적 구비하는 초음파 발생 장치와 열교환 장치가 상호 연계되어 슬러지 성상에 맞춰 선택적 반복적으로 운용하게 하는 다중의 슬러지 감량화 공정 라인 구성으로 슬러지의 소화효율을 높히고 소화가스의 생산을 극대화하여 동절기 수온의 저하에 따른 생물학적 공정을 개선시키는 고효율 하이브리드 하폐수 처리 및 슬러지 감량화 처리 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

이와 같이 된 본 발명의 하수 슬러지를 효과적으로 분해하여 슬러지를 감소시키는 초음파 발생 장치와 열교환 장치가 상호 연계되는 고효율 하이브리드 하폐수 처리 및 슬러지 감량화 처리 시스템은 생물학적 하폐수 처리 공정에 적용할 때,

하수처리수의 수자원화, 하수슬러지의 슬러지자원화, 메탄 및 열에너지의 회수 이용을 통한 에너지자원화가 가능하며,

저온의 수온으로 비교적 처리수질이 불량한 동절기 내 적정온도를 유지함으로써 효과적인 질소 및 인 등의 유기물 제거 기능을 수행할 수 있으며,

공정 설계 시 온도에 대한 영향을 줄임으로써 필요 HRT 및 SRT의 시간을 단축시킴으로써 결과적으로는 슬러지 반응조의 필요용량을 줄여 하수처리장 설계에 생물반응조에 대한 초기투자비를 저감할 수 있다.

또한 하수슬러지의 초음파에 의한 가용화는 세포벽의 파괴로 인하여 용해성 화학적 산소요구량, 단백질 및 탄수화물의 농도 증가와 입자크기를 감소시키게 되면. 초음파 전처리가 메탄가스 발생량을 증가시키게 되며 초음파 조사시 발생되는 열로 인하여 슬러지의 가온에 필요한 에너지도 절감된다.

그리고 슬러지 및 공정수의 초음파 처리로 에너지 비용을 감소시키면서도 슬러지 분해를 더욱 촉진시켜 슬러지를 감량화시킬 뿐 아니라 열교환기 세정효과로 열교환기 내에서의 파울링(fouling : 오염부착물) 현상을 저감시켜 설비를 부식시키지 않으면서도 슬러지로 인한 열전달율 저하를 방지하여 히트 펌프 냉난방 시스템 등의 용도 요구 특성에 알맞는 하폐수 열원 냉난방 공정수로 공급하여 히트 펌프 장치의 에너지 종합효율을 극대화시킬 수 있으며 수질오염 방지와 수자원의 안정적이고 경제적인 확보가 가능하여 폐자원의 에너지화, 자원화 실행으로 녹색환경을 실현할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 전체 공정 시스템을 개략적으로 도시한 시스템 구성도
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 잉여 및 농축 슬러지 반송 공정에서의 열교환 구조를 개략적으로 도시한 공정도
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 하수 처리 공정에서의 열교환 구조를 개략적으로 도시한 공정도

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성을 상세하게 설명하면 다음과 같으며 공지의 기술에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

본 발명은 슬러지 감량화 처리 시스템을 구비하는 하폐수의 생물학적 처리 시스템에 있어서,

하폐수 처리장에서 하폐수를 이용하여 유기물질을 분해하는 생물학적인 슬러지 반응조(10)와 슬러지를 포함한 고형물을 중력을 이용하여 침전시키는 침전조(20)를 하폐수 처리 공정 라인 상에 순차적으로 구비하고 하수를 정화시켜 안정적인 처리수질을 확보하면서 대체 에너지 열원으로서 하수의 폐열을 회수하여 히트 펌프 등에 공급하는 수 처리 자원화 공정 라인으로서 폐열 회수 생물학적 하수 처리 라인(L1)에 하수 처리 후 침전조(20)에서 침전되어 고액분리되어 생성되는 활성 슬러지 중 일부를 다시 이용하여 생물학적 슬러지 반응조(10)에서의 적정 미생물 농도를 유지하게 하게끔 단순히 슬러지를 슬러지 반응조에 반송시키는 반송 슬러지 순환 라인(L2)과 나머지 잉여 슬러지 및 잉여 슬러지를 고농도로 농축한 농축 슬러지를 주로 혐기성 미생물을 이용하여 분해하고 메탄이 함유된 바이오 가스를 생성하는 소화조(30) 및 충분히 소화된 잉여 및 농축 슬러지를 매립되거나 소각할 수 있게끔 탈수하여 최종적으로 케이크화되어 부피가 감소된 탈수 케이크를 외부로 배출하는 탈수기(50)만을 부가적으로 구비하는 슬러지 처리 및 자원화 공정 라인으로서 슬러지 처리 라인(L2)만을 구비함으로써 안정화 속도가 대단히 느리기 때문에 소화조(30)에서의 체류시간이 길어져 소화조 부피가 증가하고 혐기성 소화의 하수 슬러지 처리 효율이 떨어져서 감량화처리 되지 못하고 증가되는 하수 슬러지로 인하여 하수 슬러지의 처리부하가 증가하여 많은 시간과 경비 및 에너지가 소요되고 특히 수온이 내려가는 혹한기 등 동절기에는 수온이 저온으로 나타나기 때문에 효소의 활성이 낮아지게 되고 그 결과 포기조 내에서 적절히 질산화작용이 이루어지지 않게 되어 처리수 내 NH₄-N 농도가 높아지게 되어 겨울철 하수처리장 생물학적 처리 공정에서의 소화 처리 효율이 낮아지게 되고 처리 수질도 불량하여 강화된 방류수 수질기준도 만족시키기 어렵고 수열원으로서 종합 용도 요구 특성도 만족시키기 어려운 종래 슬러지 처리장치가 포함된 폐열 회수 하폐수 처리 및 슬러지 처리 시스템을 지양하여,

폐열 회수 생물학적 하수 처리 라인(L1)과 슬러지 처리 라인(L2) 및 반송 슬러지 순환 라인(L3)에 더하여 잉여 및 농축 슬러지를 감량시키고 슬러지 탄소원으로 재활용하게끔 공급하는 잉여 슬러지 순환 라인(L7) 및 농축 슬러지 순환 라인(L4)을 병행시켜 부가적으로 형성하고,

미생물의 활동성이 극도로 저하되어 하폐수에 포함된 오염물 제거 효율이 크게 떨어지는 문제점을 개선하기 위하여 상기 잉여 슬러지 순환 라인(L7) 및 농축 슬러지 순환 라인(L4)과 폐열 회수 생물학적 하수 처리 라인(L1)의 후단에는 하수 슬러지를 효과적으로 분해하여 슬러지를 감소시키는 화학적 가용화 장치로서 초음파 슬러지 발생장치(41)와 초음파 분해된 슬러지를 고온으로 가온시켜 계절에 관계없이 동절기 내 저온일 때도 미생물 성장에 적절한 적정온도를 유지시켜 미생물의 활성을 높일 수 있게 하는 열교환장치(42)로 구성되는 상호 보완적 연계 기능 1조 2대 조합의 슬러지 가용화장치(40)를 다원화시켜 각각 소화 전 처리 용도의 슬러지 가용화장치(40a)(40b)를 추가적으로 구비하되,

상기 열교환장치(42)는 열교환장치(42)와 히트 펌프(60)가 연계되어 히트펌프에 의해 열교환 장치의 슬러지 온도를 일정하게 유지시키는 열교환 방식으로 파울링(Fouling)도 저감시키게끔 구성하며,

상기 슬러지 처리 라인(L2)과 탈수기(50) 사이 소화조(30)를 거치지 않고 잉여 슬러지를 소화 슬러지 배출 라인(L6)에 바이패스시켜 탈수기(50)로 유입 건조 배출시키는 농축 슬러지 배출라인(L5)과 혐기 소화 처리된 소화 슬러지를 최종적으로 탈수기 경유 배출시키는 소화 슬러지 배출 라인(L6) 및 소화 슬러지 배출 라인(L6) 중간에 형성되는 바이 패스 라인에도 슬러지 배출용 슬러지 가용화장치(40c)와 소화 슬러지 감량용의 연속적 반복 순환하는 슬러지 가용화장치(40d)를 각각 추가적 선택으로 구비하여,

슬러지 성상 및 운전조건에 따라 단계적 연속적인 슬러지 분해 및 열교환을 수행할 수 있어 슬러지 성상에 맞춰 선택적으로 운용할 수 있게끔 설비의 확장이 가능한 다원화된 다중의 슬러지 감량화 공정 라인 구성으로,

슬러지 감량화 및 소화 효율을 향상시킬 수 있으며 슬러지 감량화 처리와 동시에 방류수 수질기준을 충족시키는 하수 처리수를 제공함과 동시에 이렇게 처리된 하수처리장의 저온 수열(水熱)을 폐기하지 않고 온도차 에너지로 활용하여 히트펌프의 열원으로 공급함으로써,

계절에 관계없이 하폐수 중의 유기성 폐기물을 효율적, 경제적으로 처리하면서 처리 과정에서 필연적으로 발생하는 폐기물 유래의 열에너지를 회수하고 열교환시켜 유용하게 활용하는 방법으로 환경부담을 감소시키고 에너지 절감에도 기여할 수 있는 다원 슬러지 감량화 기능 확장 구조의 다목적 다용도 초음파 발생 장치와 열교환 장치가 상호 연계되는 고효율 하이브리드 하폐수 처리 및 슬러지 감량화 처리 시스템에 관한 것이다.

이하 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 초음파 발생 장치와 열교환 장치가 상호 연계되는 고효율 하이브리드 하폐수 처리 및 슬러지 감량화 처리 시스템은,

하수를 정화시켜 안정적인 처리수질을 확보하면서 대체 에너지 열원으로서 하수의 폐열을 회수하여 히트 펌프 등에 공급하는 폐열 회수 생물학적 하수 처리 라인(L1)과 하수 처리 후 침전조(20)에서 침전되어 고액분리되어 생성되는 활성 슬러지 중 일부를 다시 이용하여 생물학적 슬러지 반응조(10)에서의 적정 미생물 농도를 유지하게 하게끔 단순히 슬러지를 슬러지 반응조(10)에 반송시키는 반송 슬러지 순환 라인(L3)이 구비되고 하수 처리 후 생성된 잉여 슬러지를 소화시키고 탈수하여 외부로 배출하는 슬러지 처리 라인(L2)을 기본 구성으로 하는 하폐수 처리 및 슬러지 감량화 처리 시스템을 구성하게 되는데 이러한 시스템 구성은 공지된 종래 기술의 하폐수 처리 및 슬러지 감량화 처리 시스템과 유사한 구성인바,

상기 슬러지 처리 라인(L2)에 부가되는 반송 슬러지 순환 라인(L3)에 더하여 슬러지 가용화 장치(40)로 잉여 슬러지 및 농축 슬러지를 감량화 처리하여 생물학적 슬러지 반응조에 반송시켜 생물학적 슬러지 반응조(10)에서의 적정 미생물 농도를 유지하게 잉여 슬러지 처리 효율을 높이게 하는 잉여 슬러지 순환 라인(L7) 및농축 슬러지 순환 라인(L4)을 병행시켜 부가적으로 형성하고,

슬러지 가용화 장치(40c)를 구비하고 소화조(30)를 거치지 않고 바이패스되는 농축 슬러지를 감량화 처리하여 탈수기에 배출시키는 농축 잉여 슬러지 배출라인(L5)과,

슬러지 가용화 장치(40d)를 구비하고 소화조(30)에서 혐기 소화 처리된 소화 슬러지를 최종적으로 탈수기(50) 경유 배출시키는 소화 슬러지 배출 라인(L6)을 각각 추가적 선택적으로 형성하는 다중 슬러지 감량화 구조의 하폐수 처리 및 슬러지 감량화 처리 시스템을 구성하게 된다.

수 처리 자원화 공정 라인으로서 상기 폐열 회수 생물학적 하수 처리 라인 (L1)은 공정 라인 상에 하폐수를 이용하여 유기물질을 분해하는 생물학적 슬러지 반응조(10)와 슬러지를 포함한 고형물을 중력을 이용하여 침전시키는 침전조(20)를 연속 구비하고 하수를 정화시켜 방류수 수질 기준에 적합하는 안정적인 처리수질을 확보하여 배출시키게 되는데 상기 침전조(20)의 후단 공정 라인에는 초음파 발생 장치(41)와 열교환장치(42)로 구성되어 슬러지를 감량시키고 탄소원으로 재활용하는 상호 보완적 연계 기능 1조 2대 조합의 슬러지 가용화장치(40b)를 구비하고,

슬러지 가용화장치(40b)를 구성하는 초음파 발생 장치(41)로 하수 슬러지를 효과적으로 분해하여 하수 중의 슬러지를 감소시킴과 동시에 승온시키고 초음파 분해되고 가온된 슬러지의 열을 열교환장치(42)에 전달하고 처리하는 열교환 과정에서 계절에 관계없이 히트 펌프(60) 등의 열원으로 공급하여 슬러지 감량화 처리와 동시에 방류수 수질기준을 충족시키는 적정 온도의 하수 처리수를 제공함과 동시에 이렇게 처리된 하수처리장의 저온 수열(水熱)을 폐기하지 않고 온도차 에너지로 활용하여 안정된 히트펌프의 열원으로 공급하게 된다.

상기한 폐열 회수 생물학적 하수 처리 라인(L1) 상에 구비된 열교환장치(42)의 열교환 방법은 도 3에 도시된 바와 같이 감량화되고 가온된 슬러지가 열교환 장치(42)의 전열판 사이를 빠져 나가는 과정에서 히트 펌프(60)에 열을 전달하고 처리되는 열교환 방식이 바람직한데 상기 초음파 발생 장치(41)의 초음파에 의하여 슬러지를 가온시켜 열교환 장치(42)의 슬러지 온도를 일정하게 유지시킴과 동시에 열교환장치의 내부에 초음파를 발사하여 열교환 장치의 내부를 세정하는 초음파 세정기능으로 열교환장치(42)의 파울링(Fouling)도 저감시키게 구성됨으로써 히트 펌프(60)에서 슬러지에 함유된 폐열을 회수하고 온수 및 냉수를 생산하여 열수요처에 공급하게 된다.

초음파의 세정 기능 수행은 상기 열교환장치(42)의 전열관내에 형성되는 스케일의 생성을 억제할 뿐만 아니라 전열관에 이미 생성된 스케일을 케비테이션, 교반, 유화, 분산작용을 이용하여 제거하게 된다.

주지하다시피 초음파 발생 장치는 액체 매질에 초음파를 조사할 때 발생되는 케비테이션(Cavitation 공동화현상)의 힘으로 슬러지 플럭 구조를 파괴하여 난분해성 유기물질을 가용화함으로 소화공정에서 슬러지를 감량하게 되는 것으로서,

초음파를 농축된 잉여 슬러지에 조사하면 초음파 조사 시 발생하는 공동에 의해 슬러지 입자 크기의 감소뿐만 아니라 세포벽 파괴에 의한 세포 내 유기물질을 유출시켜 미생물의 증식과 활성화를 증대시키게 되는데,

특히 소화조 투입 이전에 농축된 농축 슬러지에 초음파를 조사하여 분해함으로써 슬러지 처리 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

또한 슬러지 처리 라인(L2)은 소화조(30) 및 탈수기(50)를 각각 순차 구비하고 하수 처리 후 고액분리되어 생성되는 활성 슬러지 중 슬러지 반응조(10)에 반송되는 반송 슬러지를 제외한 나머지 잉여 슬러지를 지하 매립된 농축조(미도시함)에서 고농도로 농축한 다음 소화조(30)에서 혐기성 미생물을 이용하여 분해하고 메탄이 함유된 바이오 가스를 생성한 다음 충분히 소화된 소화 슬러지를 매립하거나 소각할 수 있게끔 탈수기(50)에서 탈수하여 최종적으로 케이크화되어 부피가 감소된 탈수 케이크를 외부로 배출하는 슬러지 처리 라인(L2)을 구성하게 되는데 소화조(30)에서 슬러지를 분해 처리하는 과정에서 발생하는 소화가스를 발생시켜 열에너지 수요처에 공급하는 슬러지 자원화 공정도 동시에 수행하게 된다.

상기 소화조(30)에도 소화조 내에 수용된 하부 슬러지를 유입하여 소화조의 상부로 투입하는 소화 슬러지 내부 라인(L8)을 더 구비하되 초음파 발생 장치(41)와 열교환 장치(42)로 구성된 상호 보완적 연계 기능 1조 2대 조합의 슬러지 가용화장치(40)를 부가적으로 형성하여 초음파 발생 장치(41)로 소화 슬러지를 효과적으로 분해하여 슬러지를 감소시킴과 동시에 승온시키고 초음파 분해되고 가온된 슬러지의 열을 회수 가용화에 필요한 열을 열교환장치(42)에 전달하여 소화조 소화용 슬러지 가온용으로 열을 공급하는 슬러지 감량화 기능과 소화조의 적정 온도유지기능을 수행하여 계절에 관계없이 동절기 내 저온일 때도 미생물 성장에 적절한 적정온도를 유지시켜 소화조의 미생물 활성도를 높이게 되고 활성이 높아진 미생물의 유기적 작용으로 질산화 작용을 촉진시켜 소화 효율을 향상시키고 소화조의 온도도 일정하게 유지할 수 있어 전체적인 운용 경비가 감소된다.

상기한 슬러지 처리 라인(L2)의 하단 일측 1차측 방향으로는 하수 처리 후 침전조(20)에서 침전되어 고액분리되어 생성되는 활성 슬러지 중 일부를 다시 이용하여 생물학적 슬러지 반응조(10)에서의 적정 미생물 농도를 유지하게 하게끔 슬러지를 슬러지 반응조(10)에 반송시키는 반송 슬러지 순환 라인(L3)이 형성되어 있다.

또한 상기 반송 슬러지 순환 라인(L3)에 더하여 잉여 슬러지 순환 라인(L7)및 농축 슬러지 순환 라인(L4)을 각각 병행시켜 부가적으로 형성하되 하수 슬러지를 효과적으로 분해하여 슬러지를 감소시키는 화학적 가용화 장치로서 초음파 슬러지 처리 장치(41)와 초음파 분해되고 예열된 슬러지를 고온으로 가온시켜 계절에 관계없이 동절기 내 저온일 때도 미생물 성장에 적절한 적정온도를 유지시켜 미생물의 활성을 높일 수 있게 하는 열교환장치(42)로 구성되는 상호 보완적 연계 기능 1조 2대 조합의 슬러지 가용화장치(40a)를 추가 구비하여,

잉여 슬러지 및 농축 슬러지의 감량화 처리와 함께 가용화에 필요한 열을 확보하여 저온의 혹한기에도 미생물 활성에 필요한 슬러지 적정 온도를 유지시켜 하폐수에 포함된 오염물 제거 효율을 향상시키게 된다.

가용화된 하수의 잉여 슬러지 및 농축슬러지는 혐기성 소화공정에서 메탄화 반응을 촉진시켜 혐기성 소화조의 체류시간 및 반응조의 용량을 획기적으로 줄일 수 있고, 기존 혐기성 소화조에 비해 높은 함량의 메탄(CH4) 가스를 추가로 얻을 수 있으며, 높은 감량화율을 달성할 수 있게 된다

상기한 잉여 슬러지 순환 라인(L7) 및 농축 슬러지 순환 라인(L4)에서 동작하는 열교환 방식은 도 2에 도시된 바와 같이 외부의 히트 펌프(60)로부터 공급된 온수가 유입되어 침적식의 열교환 장치(42)에서 열교환되도록 함으로써 가용화에 필요한 열을 확보할 수 있게 하는 열교환장치가 바람직하다.

본 발명에 있어서 히트펌프는 압축기, 응축기 이외에 팽창밸브, 증발기로 구성되어 순환하는 냉매가 액화와 기화를 반복하게 하여 이와 연결된 기타 주변기기들을 통해 냉난방을 수행하도록 되어 있는 공지된 통상의 히트 펌프로서 자세한 설명은 생략한다.

또한 상기 슬러지 처리 라인(L2)과 탈수기(50) 사이 지점에서 소화조(30)를 거치지 않고 잉여 슬러지를 소화 슬러지 배출 라인(L6)에 바이패스시켜 탈수기로 유입 건조 배출시키는 농축 슬러지 배출라인(L5)과 소화조(30)에서 혐기 소화 처리된 소화 슬러지를 최종적으로 탈수기(50) 경유 배출시키는 소화 슬러지 배출 라인(L6)에도 농축 슬러지 배출용 슬러지 가용화장치(40c)와 소화 슬러지 감량용의 연속적 반복 순환하는 슬러지 가용화장치(40d)를 각각 추가적 선택적으로 구비하여 슬러지가 초음파에 의하여 분해되어 가용화되고 열교환 장치 열교환 작용에 의하여 열을 교환하여 낮은 온도의 물질 수축효과에 의해 고형물 체적이 감소되는 고형물 감량 효과가 구현될 수 있게끔 저온의 상태로 탈수기(50)에 유입되는 양호한 탈수 환경 조성으로 탈수기의 탈수효율이 향상된다.

그리고 최종 부산물로서 생성되는 소화 슬러지 탈수 케익은 외부로 반출되어, 주로 해양투기, 고형화, 소각, 매립, 토양 개량제로서의 투입 등의 방법으로 처리된다.

따라서 본 발명의 초음파 발생 장치와 열교환 장치가 상호 연계되는 고효율 하이브리드 하폐수 처리 및 슬러지 처리 시스템은,

슬러지 성상 및 운전조건에 따라 단계적 연속적인 슬러지 분해 및 열교환을 수행할 수 있어 슬러지 성상에 맞춰 선택적으로 운용하여 슬러지 감량화와 미생물활성에 필요한 적정 소화열 및 적정한 열원용량을 열교환 방법으로 확보하는 등의 복합 상승 효과를 구현할 수 있게끔 설비의 확장이 가능한 다중의 확장형 네트워크 형태 슬러지 감량화 공정 라인 구성으로,

슬러지 감량화 및 소화 효율을 향상시킬 수 있으며 슬러지 감량화 처리와 동시에 방류수 수질기준을 충족시키는 하수 처리수를 제공함과 동시에 이렇게 처리된 하수처리장의 저온 수열(水熱)을 폐기하지 않고 온도차 에너지로 활용하여 히트펌프의 열원으로 공급함으로써,

폐수의 성상에 관계없이 안정적인 수처리가 가능하며 계절에 관계없이 동절기 내 저온일 때도 미생물 성장에 적절한 적정온도를 유지시켜 미생물의 활성을 높일 수 있게 하고 하수 중의 유기성 폐기물을 효율적, 경제적으로 처리하면서 처리 과정에서 필연적으로 발생하는 폐기물 유래의 열에너지를 회수하고 열교환시켜 유용하게 활용하는 방법으로 전체적인 에너지 종합 효율을 향상시켜 환경부담을 감소시키고 에너지 절감에도 기여할 수 있는 슬러지 감량화 기능 확장 구조의 다목적 다용도 초음파 발생 장치와 열교환 장치가 상호 연계되는 고효율 하이브리드 하폐수 처리 및 슬러지 처리 시스템에 관한 것이다.

그리고 상기한 본 발명의 시스템 구조는 도시와 설명의 편의를 위하여 예시한 바람직한 실시예로서, 설치 조건에 맞춰 본 발명의 기술적 요지의 동일성 범위내에서 다양한 변형 실시가 가능하다.

또한 이러한 일련의 공정은 컴퓨터에 의하여 전체적으로 자동 제어하는 제어장치(미도시함)의 운전모드에 따라 제어된다.

그리고 본 발명의 배관상 필요한 요소 위치에는 압력 손실을 예방하는 부스터 펌프나 냉온수 순환용 펌프, 용수나 가스의 유로를 개방 또는 폐쇄시켜 유량을 조절하거나 방향을 전환시키며 역류를 차단하는 다수의 밸브장치가 선택적으로 장착되어 본 발명의 초음파 발생 장치와 열교환 장치가 상호 연계되는 고효율 하이브리드 하폐수 처리 및 슬러지 감량화 처리 시스템을 안정적으로 가동할 수 있게 한다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변경이 가능하므로 전술한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

10:슬러지 반응조 20:침전조
30:소화조 40:슬러지 가용화 장치
41:초음파 발생 장치 42:열 교환장치
50:탈수기 60:히트 펌프
L1: 폐열 회수 생물학적 하수 처리 라인
L2: 슬러지 처리 라인
L3: 반송 슬러지 순환 라인
L4: 농측 슬러지 순환 라인
L5: 농축 슬러지 배출라인
L6: 소화 슬러지 배출라인
L7: 잉여 슬러지 순환라인
L8: 소화 슬러지 순환라인

Claims (3)

1. 하폐수 처리장에서 하폐수를 이용하여 유기물질을 분해하는 생물학적인 슬러지 반응조(10)와 슬러지를 포함한 고형물을 중력을 이용하여 침전시키는 침전조(20)를 순차적으로 구비하고 하수를 정화시켜 안정적인 처리수질을 확보하면서 하수의 폐열을 회수하여 히트 펌프에 공급하는 폐열 회수 생물학적 하수 처리 라인(L1)에 하수 처리 후 침전조(20)에서 침전되어 고액분리되어 생성되는 활성 슬러지 중 일부를 생물학적 슬러지 반응조(10)에 반송시키는 반송 슬러지 순환 라인(L3)과,
   잉여 슬러지를 고농도로 농축한 농축 슬러지를 혐기성 미생물을 이용하여 분해하고 바이오 가스를 생성하는 소화조(30) 및 소화된 소화 슬러지를 탈수하여 최종적으로 부피가 감소된 탈수 케이크를 외부로 배출하는 탈수기(50)를 구비하는 슬러지 처리 라인(L2)에 잉여 및 농축 슬러지를 감량시키고 탄소원으로 재활용하게끔 공급하는 잉여 슬러지 순환 라인(L7)과 농축 슬러지 순환 라인(L4)을 병행시켜 부가적으로 형성하고,
   상기 잉여 슬러지 순환 라인(L7)과 농축 슬러지 순환 라인(L4) 및 폐열 회수 생물학적 하수 처리 라인(L1)의 후단에 하수 슬러지를 효과적으로 분해하여 슬러지를 감소시키고 슬러지를 고온으로 가온시켜 계절에 관계없이 동절기 내 저온일 때도 미생물 성장에 적절한 적정온도를 유지시켜 미생물의 활성을 높일 수 있게 하는 슬러지 가용화장치(40)를 다원화시켜 각각 추가적으로 구비한 데 더하여,
   슬러지 가용화 장치(40c)를 구비하고 소화조(30)를 거치지 않고 바이패스되는 농축 슬러지를 감량화 처리하여 탈수기에 배출시키는 농축 슬러지 배출라인(L5)과,
   슬러지 가용화 장치(40d)가 구비된 내부 순환 라인을 중도에 구비하고 소화조(30)에서 혐기 소화 처리된 소화 슬러지를 최종적으로 탈수기(50) 경유 배출시키는 소화 슬러지 배출 라인(L6) 및,
   상기 소화조(30)내에 수용된 하부 슬러지를 유입하여 소화조의 상부로 투입하는 소화 슬러지 내부 라인(L8)을 각각 추가적 선택적으로 형성하여 인접한 루프의 상호 보완적 기능 슬러지 감량화 공정 라인 상호간에 다단계의 순차적으로 열을 공유하고 슬러지 처리 부하를 분담하여 상호 보완적으로 사용하게끔 최적의 다중 루프(loop) 슬러지 감량화 공정 라인을 확장형 네트워크로 형성하여,
   환경부담을 감소시키고 에너지 절감에도 기여할 수 있는 슬러지 감량화 기능 확장 구조로서 슬러지 성상 및 운전조건에 따라 단계적 연속적인 슬러지 분해 및 열교환을 수행하는 다중의 슬러지 감량화 공정 라인 구성의 초음파 발생 장치와 열교환 장치가 상호 유기적으로 연계되는 고효율 하이브리드 하폐수 처리 및 슬러지 감량화 처리 시스템으로서,
   상기 슬러지 가용화 장치는 화학적 가용화 장치로서 슬러지를 초음파로 분해시키는 초음파 발생장치(41)와 초음파 분해된 슬러지를 고온으로 가온시켜 계절에 관계없이 동절기 내 저온일 때도 미생물 성장에 적절한 적정온도를 유지시켜 미생물의 활성을 높일 수 있게끔 가용화에 필요한 열을 확보시키는 열교환 장치(42)로 구성하여 열교환 장치에서 발생되는 열에 더하여 초음파 조사에 의하여 발생된 열이 부가되어 증가된 열에너지로 슬러지의 분해 효율도 향상되고 가온에 필요한 에너지가 절감되어 가용화 에너지 효율도 향상시키는 초음파 발생 장치와 열교환 장치 상호 보완적 연계 기능의 1조 2대 조합으로 통합 형성되는 초음파 발생 장치와 열교환 장치가 상호 유기적으로 연계되는 고효율 하이브리드 하폐수 처리 및 슬러지 감량화 처리 시스템에 있어서,
   상기 슬러지 가용화 장치를 상기 침전조(20)의 후단 폐열 회수 생물학적 하수 처리 라인(L1)에 형성시키고 관로에 초음파를 조사하여 슬러지 분해와 동시에 하폐수를 정화시켜 안정적인 처리수질을 확보하여 방류수 수질기준을 만족시키면서 하수의 폐열을 회수하여 히트 펌프에 공급하고,
   또한 상기 잉여 슬러지 순환 라인(L7) 및 농축 슬러지 순환 라인(L4)에도 슬러지 가용화 장치를 관로상에 장착하여 반류수 초음파조사로 잉여 및 농축 슬러지를 가용화시켜 감량시키고 가용화된 슬러지를 생물학적 탈질공정에서 다단계의 반복적인 탄소원으로 재활용하여 유기물 부족을 보충하고 방류수 수질기준도 만족시키게끔 슬러지 반응조(10)에 공급하고,
   상기 슬러지 처리 과정에서 전처리되어 적정 함수율로 농축된 농축 슬러지는 초음파로 가용화되어 소화조(30)로 직접 투입하거나 소화조를 거치지 않고 바이패스되어 탈수기(50)로 이송되는데,
   농축 슬러지 배출라인(L5)에는 슬러지를 초음파로 분해해 탈수시키기 위하여 슬러지 가용화 장치(40c)를 구비하고,
   농축 슬러지는 소화효율 개선과 슬러지 감량을 위해 초음파 처리하고 분해시켜 소화조(30)로 직접 투입하고 소화 슬러지를 배츨하되 소화슬러지를 바로 배출하는 소화 슬러지 배출 라인(L6) 및 소화효율 개선을 통한 슬러지 감량화를 위하여 소화조(30)내에 수용된 하부 소화 슬러지를 유입하여 소화조의 상부로 투입하는 소화 슬러지 내부 라인(L8)에도 슬러지 가용화 장치를 각각 용도별로 구비하여 형성됨을 특징으로 하는 초음파 발생 장치와 열교환 장치가 상호 연계되는 고효율 하이브리드 하폐수 처리 및 슬러지 감량화 처리 시스템
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