KR102174670B1

KR102174670B1 - 소화조 탈리액 반류수의 총질소처리를 통한 하수처리장 방류수 총질소 수질개선 방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR102174670B1
Application number: KR1020150140666A
Authority: KR
Inventors: 정동수; 부진영
Original assignee: 정동수; 부진영
Priority date: 2014-10-10
Filing date: 2015-10-07
Publication date: 2020-11-13
Also published as: KR20160042774A

Abstract

본 발명은, 소화조 탈리액 반류수의 총질소 처리를 통한 하수처리장의 하폐수처리 방법에 관한 것으로,차아염소산나트륨을 포함하는 산화제가 함유된 수용액을 세라믹촉매에 접촉시켜 산화물질이 형성된 촉매산화수를 형성하는 제1 단계; 소화조에서 발생되는 탈리액 반류수와 상기 촉매산화수를 혼합시켜 반류수의 질소성분을 화학적 산화분해시키는 제2단계와; 상기 제2단계의 처리수를 MLE 무산소 탈질공정을 거치는 제3단계와; 제3단계를 거친 혼합액을 미생물이 포함된 폭기설비에서 폭기에 의해 산화분해하는 제4단계와; 제4단계를 거친 처리수 중 일부는 제3단계의 무산소처리조로 반송되고, 나머지는 침전분리공정을 거쳐 상층수와 슬럿지로 분리시키는 제5단계;그리고 상기 제5단계의 상층수를 하수처리장의 초기 하수유입 수조로 반류시키는 제6단계;로 이루어지는 하수처리장 방류수 수질개선 방법을 제공하는 것을 그 기술적 특징으로 하고 있다. 본 발명은 촉매산화수로 암모니아성 질소를 1차 산화분해하고 MLE 생물처리 무산소조에서 2차 환원하여 탈리액의 총질소 농도를 낮춘 후 반류하여 전체적으로 낮아진 유입혼합수의 총질소 부하로 인해 제한된 용량의 폭기조 설비에서 질산화에 필요한 충분한 산소를 얻을 수 있어서 강화된 방류기준을 만족시킬 수 있어 상대적으로 줄어든 유기물 농도와 질소 등의 영양소를 산화하기 위한 송풍량이 줄어들어 설비의 효율적이고 경제적인 운용을 도모할 수 있는 효과가 있다.

Description

소화조 탈리액 반류수의 총질소처리를 통한 하수처리장 방류수 총질소 수질개선 방법 및 그 장치 {Wastewater treatment system improving T-N quality of effluent water through pre-treatment of reducing nitrogen in returning water from dehydration process at the digestion tank of community sewage disposal plant}

본 발명은 하수처리장 방류수의 총질소 수질 개선 및 그 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소화조 슬러지 탈리액이 반류되어서 초기에 유입되는 유입하수와 혼합되기 전에 탈리액의 고농도 총질소를 물리/생,화학 공법으로 미리 처리하여, 반류수 총질소 처리 전과 비교하여 낮아진 혼합된 유입하수를 확보하여 기존의 동일한 용량의 생물처리 폭기설비에서 질산화 부하를 줄임으로써 미생물 처리를 통한 방류수의 총질소 수질을 개선함과 동시에 폭기조에서 질산화에 필요한 공기량을 줄일 수 있어 송풍기의 부하량 저감을 통한 전기에너지 절감을 할 수 있는 하수처리장 방류수 총질소 수질개선 방법 및 그 처리시스템에 관한 것이다.

현재 국가적으로 하수처리장에서 종말처리되어 방류되는 방류수역의 수질개선을 위해 배출허용기준이 점차 강화되고 있고, 특히 2012년부터는 동절기 수질기준이 (T-N : 60 >> 20/mg/l, T-P : 8 >> 2mg/l)로 강화되면서 겨울철의 낮은 수온으로 인해 저하되는 하수처리장 질소처리 효율을 높일 수 있는 방안의 기술 개발이 절실한 현실이다.

도1은 일반적인 하수처리장의 처리공정을 간단히 나타낸 것으로, 하수처리장의 농축-소화-탈수 등 전형적인 슬러지 처리 공정에서 발생하는 농축조 상징액 및 소화조 탈리여액 등은 전체 하수처리공정 내에서 수 처리 계통으로 반송되어 초기에 유입되는 하수와 혼합되기 때문에 반류수로 명명된다.

이러한 반류수는 적은 수량에 비해 고농도 유기물과 영양소를 함유하고 있어 수 처리 계통에 충격부하를 유발하여 전체 하수처리장 처리효율에 심각한 영향을 주는 하수처리장의 운전저해 요소로 평가되고 있으며 이 반류수의 경제적이고 효율적인 처리가 문제로 대두되고 있다. 특히 반류수 중에서도 소화조에서 발생되는 슬러지의 탈리액 반류수가 가장 높은 부하를 가중시키고 있어 부하량이 가장 높은 소화슬러지 탈리액 반류수의 농도를 감소시키며, 효과적으로 처리하기 위한 기술개발이 절실히 요구되고 있다.

국내 기존 하수처리장에서의 질소와 인의 제거효율은 각각 6~42%, 27~52%로 알려져 있으며, 이 경우 처리되지 않은 영양소는 방류되거나 슬러지 처리시설로 보내지고 있다. 유기물 제거만을 목적으로 하는 공정이 아닌 영양소 제거공정의 도입이 활발해질 것을 예상할 때, 슬러지 처리계통에서 발생되는 더 많은 양의 영양소 제거에 대한 관심이 고조 되는 것은 이 계통에서 최종적인 영양소의 제거 또는 무해화가 이루어져야만 처리 시스템의 안정성을 확보할 수 있기 때문이다.

현재 국내 하수처리장에서 발생되는 반류수는 유입유량 대비 1~3%의 적은 유량이지만 BOD와 같은 고농도의 유기물과 질소와 인 등의 많은 양의 영양소를 함유하고 있다. 즉 유기물의 경우에는 유입 BOD 부하의 10~41%, SS 부하의 20~161%이며, 질소와 인의 경우에는 T-N 부하의 21~47%, T-P 부하의 13~46% 가량이 반류수에 의해 증가되고 있다.

또한 각 슬러지 처리계통에서 발생하는 반류수는 하수처리장의 충격부하 시 미처리된 고농도의 암모니아성 질소를 방류하여 인근 방류수 수역의 수질을 악화시키고, 최초침전지의 효율을 저하시켜 후속공정 부하증가의 원인이 되기도 하며 강우 시 by pass로 인하여 유입원수보다 높은 농도의 초침 유출수를 방류하는 등 많은 문제를 야기 시키고 있다. 특히 용해성 질소는 침전분리에 의해 제거가 불가능하여 반류수의 질소제거를 위한 전처리 없이는 유입수와 혼합된 하수를 처리하는 미생물 폭기조에서는 질소부하 증가가 불가피한 실정이다.

현재 반류수 처리를 위한 하수처리장 적용 문제점은 슬러지 처리시설 설계 시 보편적으로 적용되는 고용물 회수율이 실제로 운영되는 수치보다 높으며 유입수질 또한 평균 유입수질을 적용하기 때문에 실제로 하수가 유입될 시에는 슬러지 처리계통의 균형이 깨어지게 된다. 한번 깨진 균형은 슬러지 처리계통에 여유 용량이 부족하여 복원이 어려우며 계속적인 악순환이 연속적으로 발생되는데, 이러한 악순환을 제어하고 반류수로 인한 부하증가를 막을 수 있는 기술은 기존 처리장의 증설효과를 가져올 수 있을 것이다.

한편 규모와 여유용량에 한계가 있는 선진 외국의 하수 처리장에서는 대대적인 증설을 피하고 기존 시설의 처리 효율을 적극적으로 향상시키기 위한 기술에 관심이 집중되면서 반류수 처리 문제에 대한 중요성을 인식하고 많은 투자와 연구가 진행되고 있다. 이들은 다양한 처리 공정들을 개발하고 각 처리장 별 대안을 수립하여 실증 실험을 통한 공정 개선과 최적화를 추진함으로써 국제적 경쟁력을 확보해 나가고 있으나 현재까지 국내에서는 슬러지 처리 기술 및 반류수 처리대책이 부족한 실정이다.

반류수는 그 특성상 발생량과 농도의 변화가 매우 심하며, 각 처리장의 슬러지 처리 계통 운전 조건과 방식에 따라 성상도 많이 달라지는데, 특히 소화조 슬러지 탈리액 반류수는 각 처리장 운영 방식에 따라 축산폐수나 음식물 탈리액을 연계처리하고 있어 그 부하량의 변화는 매우 유동적이다. 즉 외국에서 개발된 특정한 공정이나 기술이 우리의 여건에서 양호한 결과를 낼 수 있을지는 예측하기 어려운 면이 있으며 이러한 현황을 감안할 때 여러 가지 악조건에서도 현장 적용성이 뛰어나고, 경제적이면서 처리 신뢰도가 우수한 독자적인 기술의 확보가 절실히 요구되는 것이다.

선진국의 하수처리장은 대개 수 처리계통과 슬러지 처리계통으로 전체 공정을 나누어 운전 관리하고 있는데, 외국에서는 이미 하수처리장의 반류수의 농도를 감소시키며, 또한 발생된 반류수를 효과적으로 처리하기 위한 기술개발에 대한 광범위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 슬러지 처리공정의 반류수 처리기술은 하수처리공정 전체의 공정 자동화를 위한 필수적인 선결기술로 인식되고 있는데, 이는 반류수에 의한 수처리 공정에의 지속적인 영향여부가 검증되어야만 전체적인 처리공정 시뮬레이션과 설계가 가능해기 때문이다.

미국의 경우 1960년대 후반기부터 기존 하수처리장의 슬러지 처리계통에 대한 조사 평가 작업이 진행되었으며, 이 과정에서 반류수의 특성과 영향 및 처리 대칙에 대한 연구가 광범위하게 진행되었다. 1972년에는 슬러지 처리계통의 적절한 설계와 운전 방법등이 발표되었으며, 1980년대에 이르러 반류수의 특성규명, Monitoring Program, Evaluation Algorithms과 Design Modifications에 대한 구체적인 접근 방법을 수립하여 반류수의 영향을 평가하고 적절히 처리하기 위한 기술적 요소들을 분석 정립하게 되었다.

특히 유럽 국가들이 반류수 처리 기술의 개발에 상당한 노력을 기울이고 있는 것으로 조사되고 있는데 이미 이들의 처리장 규모와 용량을 볼 때 유럽국가에서는 신규 처리장의 설계보다는 기존 처리장의 Upgrading 또는 Retrofit 기술을 필요로 하게 되었고 이에 따라 필연적으로 반류수 처리 문제에 대한 연구가 활발히 진행되게 되었다.

국내 하수처리장에서 슬러지 처리공정에서 발생되는 반류수에 의한 처리수질상의 문제점이 부각되기 시작한 시기는 대략 1980년대 후반이다. 대규모 처리장에서 발생되는 잉여슬러지는 흔히 농축-소화-탈수 단계를 거치는데 각 단위공정에서 상징액 및 탈수 여액이 발생하며 이들은 반류되어 1차 침전지 혹은 포기조로 유입되고, 소규모 처리장에서는 잉여슬러지를 농축 또는 탈수 시킨 후 슬러지를 처분하는데 역시 반류수가 발생된다.

기존 하수처리장의 설계 및 운전진단과정에서 처리장 천체의 물질수지분석 결과 상당수 처리장에서 반류수에 의한 설계 및 운전상의 문제점이 야기되고 있는 것으로 나타났다. 기존의 국내 연구진에 의한 연구결과를 보면 대표적인 국내 4개 하수처리장을 대상으로 할 때 처리장 공정내 반류수의 발생유량은 유입유량 대비 평균1~3%에 달하며, 반류수 첨두부하시에는 40~70%에 달하는 경우도 있어 기존 하수처리장 설계기술이 슬러지 처리 및 반류수의 영향에 전혀 대비하고 있지 않은 것으로 나타났다(최의소 등, 1993).

더욱이 우리나라 하수처리장은 유입하수의 농도가 비교적 낮고 유량의 일변화 및 계절변화가 크기 때문에 슬러지 처리 공정으로의 슬러지 유입, 유출이 간헐적으로 이루어지고 있어 반류수에 의해서 수처리 공정에 심한 충격부하를 유발하는 등 막대한 운전상의 문제점들이 지적되고 있다. 특히, 농축조 및 소화조는 설계와 수처리 계통으로 반류시키고 있기 때문에 수처리 계통의 공정자동화를 가로막는 큰 장애요인이 되고 있다(윤주환 등, 1995).

우리나라 하수처리장에서 반류수 처리 기술의 적용 가능성을 파악하기 위하여 물리화학적 처리공정과 생물학적 처리공정을 대상으로 실험실 규모의 기초실험이 수행된 바 있는데 암모니아 탈기 공정이 비교적 우수한 효율을 얻을 수 있는 것으로 나타났으나 경제성이 부족하고, 생물학적 처리 공정은 경제성은 있으나 고농도 질소는 처리효율이 낮아서 새로운 처리공정의 개발과 기술 축적이 시급한 설정이다 (최의소 등, 1993).

현재 반류수의 질소처리공정은 선행특허 등록번호 10-0800550호(유동성 메디아를 이용한 하수처리공정의 반류수 처리방법)과 등록번호 10-0838846호(하수처리의 반류수 처리방법)에 나타난 바와 같이, 미생물을 이용한 생물학적 처리방법으로만 이루어 지고 있다. 그러나 이러한 생물학적 처리방법으로는 계절별변화, 유량변화에 따른 총질소의 경감처리는 한계가 있으며, 충분한 효과를 달성하지 못하는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허 10-0800550호(유동성 메디아를 이용한 하수처리공정의 반류수 처리방법) 대한민국 등록특허 10-0838846호(하수처리의 반류수 처리방법)

따라서 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한것으로, 소화조의 탈리액을 물리,화학 및 생물학적 복합 방법으로 처리하여 반류수의 총질소 부하를 낮춤으로써 반류 후 유입하수와의 혼합수를 기존의 폭기조 시설 용량으로도 충분하게 질산화시켜서 방류수의 총질소 허용농도를 확보할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 줄어든 혼합수의 총질소 부하에 따른 폭기조의 질산화를 위한 송풍량을 줄임으로써 보다 송풍을 위한 에너지를 보다 절감함으로써 비용절감이 이루어지고 친환경적인 하수처리시스템을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 소화조 탈리액 반류수의 총질소 처리를 통한 하수처리장 방류수 총질소 수질 개선을 하는 하수처리장의 하폐수처리 방법에 있어서, 유리염소를 함유한 차아염소산나트륨 (NaOCl)이 0.1 ~ 500 mg/L 농도로 함유된 수용액을 자성체 및 철을 포함하는 금속산화물을 소결시켜 제조된 세라믹촉매에 접촉시켜 하이드록시 라디컬을 포함한 산화물질이 형성된 촉매산화수를 형성하는 제1 단계; 하수처리장의 처리단계중 소화조에서 발생되는 탈리액 반류수와 상기 촉매산화수를 90 내지 95 : 10 내지 5의 부피비로 혼합시켜 반류수의 질소성분을 화학적 산화분해시키는 제2단계와; 상기 제2단계의 처리수를 탈질균 미생물에 의한 MLE 무산소 탈질공정을 거치는 제3단계와; 제3단계를 거친 혼합액을 니트로소모나스 및 니트로박터 미생물이 포함된 폭기설비에서 폭기에 의해 산화분해하는 제4단계와; 제4단계를 거친 처리수 중 일부는 제3단계의 무산소처리조로 반송되고, 나머지는 침전분리공정을 거쳐 상층수와 슬럿지로 분리시키는 제5단계;그리고 상기 제5단계의 상층수를 하수처리장의 초기 하수유입 수조로 반류시키는 제6단계;로 이루어지는 소화조 탈리액 반류수의 총질소처리를 통한 하수처리장 방류수 총질소 수질개선 방법을 제공하는 것을 그 기술적 특징으로 하고 있다.

바람직 하기로는, 상기 제1단계의 차아염소산나트륨 (NaOCl) 수용액은 1 ~ 100 mg/L 농도로 이루어지도록 하고, 상기 제 1단계는 세라믹촉매가 충진된 촉매탑의 하측으로 차아염소산나트륨 (NaOCl) 수용액을 주입하고 상측으로 통과되면서 촉매 표면과 접촉에 촉매산화수가 형성되도록 한다.

한편 본 발명은,소화조 탈리액 반류수의 총질소 처리를 통한 하수처리장 방류수 총질소 수질 개선을 하는 하수처리장의 하폐수처리 장치에 있어서, 소화조 탈리액의 반류수와 하이드록시 라디컬을 포함하는 산화물질이 함유된 촉매산화수가 90 내지 95 : 10 내지 5의 부피비로 혼합되어 반류수 내의 질소성분을 화학적 산화시키는 하이드록시 라디컬 반응조와; 상기 하이드록시 라디컬 반응조와 연결되고, 탈질 미생물에 의해 질소성분을 탈질 시키는 MLE 무산소 탈질 반응조와; 상기 MLE 무산소 탈질조와 연결되고, 니트로소모나스 및 니트로박터 미생물이 포함되고 폭기에 의해 질소성분을 산화분해하는 MLE 질산화 폭기반응조와; 상기 MLE 질산화 폭기반응조와 연결되고, 상층수와 슬럿지를 분리하는 MLE 침전조와; 상기 MLE 침전조의 상층수를 하수처리장의 초기유입수와 혼합시켜 미생물을 이용한 폭기하는 하수처리장 생물처리 폭기조;를 포함하여 이루어지는 소화조 탈리액 반류수의 총질소처리를 통한 하수처리장 방류수 총질소 수질개선 장치를 제공하는데 다른 기술적 특징이 있다.

바람직 하기로는 상기 하이드록시 라디컬 반응조는, 자성체와 철을 포함하는 금속산화물을 소켤시켜 형성된 세라믹 촉매가 충진된 촉매탑과; 상기 촉매탑의 하측과 연결되고, 차아염소산나트륨 (NaOCl) 을 포함하는 산화물질로 이루어진 약품탱크와; 상기 촉매탑의 하측과 연결되고, 약품탱크에서 제공되는 산화물질과 혼합되는 용수탱크와; 상기 촉매탑과 연결되고 촉매에 의해 산화된 촉매산화수와, 소화조 탈리액에서 제공되는 반류수가 혼합 반응하는 메인 반응조;로 이루어지도록 한다. 그리고상기 촉매탑은, 촉매의 하부 20%와 상부 80%는 다공판으로 분리되어 설치되도록 하고상기 MLE 질산화 폭기반응조는 폭기된 처리수의 일부를 MLE 무산소 탈질 반응조로 내부반송하는 배관이 더 형성되도록 한다.

본 발명은 고농동의 총질소를 함유한 소화조 탈리액을 OH 라디칼을 함유한 촉매산화수로 암모니아성 질소를 질산성 질소로 1차 산화분해하고 산화된 질소를 MLE 생물처리 무산소조에서 2차 환원하여 탈리액의 총질소 농도를 낮춘 후 반류하여 전체적으로 낮아진 유입혼합수의 총질소 부하로 인해 제한된 용량의 폭기조 설비에서 질산화에 필요한 충분한 산소를 얻을 수 있어서 강화된 방류기준을 만족시킬 수 있어 설비의 효율적인 운용을 도모할 수 있는 효과가 있다.

또한 반류되는 소화조 탈리액을 처리 전과 비교하여 질산화에 필요한 산소를 공급하는 송풍기의 에너지가 줄어듦에 따라 폭기조 운전에 필요한 전기에너지 소비량을 줄일 수 있어서 하수처리 비용을 절감하고 하수처리장의 처리수를 재활용하는 효과가 있다.

도 1은 종래 일반적인 하수처리장의 처리과정을 나타낸 도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 세라믹 촉매에 의한 OH 라디컬 발생의 개념을 나타낸 도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 반류수의 총질소처리를 위한 과정을 나타낸 도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 반류수의 총질소처리중 OH 라디컬 발생장치를 나타낸 도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 반류수의 총질소처리를 위한 MLE의 파일럿 장치를 나타낸 도.
도 6은 본 발명에 의한 촉매탑의 구성을 나타낸 도.

본 발명은, 소화조 탈리액 반류수의 총질소 처리를 통한 하수처리장 방류수 총질소 수질 개선의 하폐수처리 시스템에 있어서, 반류수의 질소 제거를 위한 AOP(Advanced Oxidation Process) 공정 중 첫째로 화학적 공법인 세라믹 촉매에 의한 반류수 질소의 산화공정과, 둘째로 생물학적 공법인 산화된 반류수 질소의 탈질 미생물에 의한 질소제거의 환원공정을 연속으로 적용한 것을 특징으로 한다.

먼저, 도시한 도2를 참조하여 세라믹촉매를 이용한 산화공정을 설명하기로 한다.

촉매산화공법은 상온, 상압하에서 산화보조제(차아염소산나트륨,염소가스, 이산화염소 등)를 금속산화물 촉매에 접촉시켜 촉매산화수를 생성시키고, 이 촉매산화수에 포함된 발생기 산소(O), OH 라디칼, Cl기, HOCl, OCl^-, 수화전자, O₂(Super Oxidation Radical) 등이 반류수 중에 포함된 고농도 질소 및 각종 난분해성 유기물질을 완전산화 혹은 부분산화 시키는 기술로써, OH 라디칼은 이 중 강력한 산화력을 가지고 있다.

OH 라디칼 (수산기, hydroxyl radical)은 수소이온과 산소이온이 결합한 불안정한 상태의 이온을 말하는 것으로 중성의 pH를 가지면서 불소 다음으로 강력하고 오존(전위차 : 2.07V)의 약 2000배, 염소 분자의 약 3000배, 태양빛의 자외선보다 약 180배에 해당하는 산화력(전위차 : 2.81V, 살균, 소독, 탈취, 분해하는 능력의 총칭)을 가지지만 불소, 염소, 오존처럼 인체에는 독성이 있거나 인체에 유해한 물질이 아닌 천연 물질로 공기와 물 속의 거의 대부분의 오염물질과 화학적으로 반응하여 산화분해하여 모든 오염물질을 물(H2O)과 이산화탄소(CO2)로 환원시켜 인체에 무해하게 제거할 수 있는 가장 강력한 물질이다.

OH 라디칼을 생산해 내기 위해서는 태양광의 자외선 또는 인공 UV lamp의 조사 등 특수한 조건이 반드시 병행되어야 되고 또한 장치의 비용도 고가이어서 초기의 AOP 기술은 환경산업 분야에 적용이 느렸으나, 광촉매에 과산화수소 (H₂O₂) 또는 오존 (O₃)과 같은 산화촉진 물질을 병행해서 사용하기 시작하면서 다양하게 발전을 하게 되는데, 본 발명에 사용된 기능성 세라믹으로 만든 촉매는 OH 라디칼을 생산하는데 있어서 기존의 광촉매가 필요로 한 태양광의 자외선 또는 인공 UV lamp의 조사 등의 조건이 필요 없고 과산화수소 (H₂O₂) 또는 오존 (O₃)과 같은 고가의 산화촉진 물질 대신에 저가의 산화촉진 물질인 차아염소산나트륨 (NaOCl)을 사용하여 OH 라디칼 생산을 위한 에너지비용이 획기적으로 절약된 공정을 구성하는 물질이다.

기능성 세라믹 촉매는 성분 농도가 다른 여러 종의 금속산화물을 혼합한 것으로 제 1입자는 페라이트계에 적어도 자성체, 철, 몰리브덴, 코발트, 티타늄, 마그네슘, 알루미늄, 칼륨, 지르코늄, 규소, 텅스텐, 크롬의 금속산화물을 조합시켜 소결하고, 제 2입자는 페라이트계에 적어도 자성체와 철, 망간, 코발트, 티타늄, 마그네슘, 알루미늄, 칼륨, 지르코늄, 규소, 칼슘, 게르마늄의 금속산화물을 조합시켜 소결하고, 제 3입자는 적어도 산화알루미늄, 산화지르코늄, 규조토, 티탄산바륨의 금속산화물을 조합시켜 소결하여 제조한다. 소결온도는 약 1500 내지 1700로 소결하고, 소결된 각 입자를 혼합하여 제조되도록 한다.

기능성 세라믹을 이용한 OH 라디칼을 생산하는 방법은 산화촉진 물질로 유리염소를 함유한 저농도 (1ppm ~ 100ppm)의 차아염소산나트륨 (NaOCl) 수용액을 기능성 세라믹 촉매가 충진된 촉매탑을 통과시키면 중성의 pH인 자연상태에서 반응식 (a)와 같이 존재하는 차아염소산나트륨 (NaOCl) 수용액이 촉매 존재 하에서는 금속전자가 하전대인 촉매의 표면에서 튀어나와 전도대인 수용액으로 이동(여기)해서 촉매의 반응으로 자연 상태에서는 진행이 되지 않는 반응식 (b)로 빠르게 바뀌어 존재하게 되고 연이은 촉매작용에 의해 차아염소산 (HOCl)이 반응식 (c)로 바뀌어 존재하게 되어 OH 라디칼을 생성하기 위한 전구물질이 된다.

이 전구물질인 차아염소산 (HOCl)은 차아염소산 이온 (OCl-)보다 산화력이 300배 이상 강하고 반응식 (b)에 나타난 [O]는 발생기산소로 강력한 산화작용이 있으며 반응식 (c)의 수화전자가 촉매표면의 정공으로 이동하여 환원되어 총괄반응식에서 촉매의 전자발란스는 0이 되므로 자신은 변하지 않고 다른 물질을 산화시키는 역할을 하는 설명이 된다.

반응식 (a) : NaOCl Na+ OCl-

반응식 (b) : e- + H+ OCl- HOCl + e- HCl [O]

반응식 (c) : e- + H₂O H+ + OH+ e-

상기에서 설명한 바와 같이 OH 라디칼은 매우 유용한 물질이지만 인위적인 OH 라디칼 생성에는 높은 에너지가 필요한데, 기능성 세라믹 촉매 등이 반응의 메카니즘을 변화시켜 낮은 온도와 낮은 에너지 조건하에서도 OH 라디칼 생성이 가능하도록 한다. 그리고 상기 염소함유 수용액은 차아염소산나트륨, 차아염소산칼슘, 염소가스, 이산화염소 중 어느 하나를 포함하면 족할 것이고, 농도는 1~100mg/L 이 되도록 한다.

이러한 촉매산화공법은 폐수 온도, 농도, pH 변화 등에 추가설비 및 약품주입 없이 적용가능하고, 기존 폐수처리시설을 최대한 활용가능 하다는 것이 장점이다.

또한 약품비(NaOCl, 공업용수)가 저렴하여 운영비가 매우 적게 소요되며, 소요부지가 적어 협소한 부지에 설치가능 할 뿐 만 아니라, COD, BOD, SS, T-N, n-Heaxne, ABS 등을 동시 저감할 수 있으며, 악취제거(메칠메르캅탄, 황화수소, 암모니아 등) 및 제균효과가 매우 크다.

다음, 두번째로 생물학적 공법을 설명하기로 한다.

생물처리 고도처리 중 대표적인 질소처리 공법은 MLE 공법인데, 이 공법은 약 2~3시간의 무산소조와 약 6~9시간의 폭기조를 운영하는 데 있어서 고농도 질소를 처리 하는 것을 특징으로 한다. 즉, 상기 1차 산해분해 공정으로 고농도의 암모니아성 질소를 질산성 질소로 안정적으로 산화시킨 후, 생물고도처리인 MLE 공정을 촉매산화수 공정의 후단에 연결하여 촉매산화수 공정으로 질산화된 탈리액 처리수를 MLE의 무산소 공정으로 유입시켜서 탈질미생물이 무산소 조건에서 내생호흡 등을 위해 질산성 질소의 산소를 이용하여 질소가스로 환원시켜 제거하도록 한다.

이러한 생물학적 공법은 MLE 무산소탈질반응과 MLE 질산화 폭기반응의 2단계롤 이루어지도록 함으로써 보다 원활한 질소제거가 이루어지도록 할 수있으며, 이러한 구체적인 실시예는 후술하도록 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여, 본 발명인 소화조 탈리액 반류수의 총질소 처리를 통한 하수처리장 방류수 총질소 수질 개선의 하폐수처리 시스템에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 의한 세라믹촉매를 이용한 촉매환원수의 라디컬 발생개념을 도시한 도이고, 도 3은 은 본 발명의 바람직한 실시 예에 소화조 탈리액 반류수의 총질소 처리를 통한 하수처리장 방류수 총질소 수질 개선의 하폐수처리 시스템의 순서도이다. 도4는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 반류수의 총질소 처리 장치를 나타낸 도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명은 고농도의 질소를 함유한 반류수를 OH 라디컬 반응조 - MLE 무산소 탈질반응조 - MLE 질산화폭기 반응조 - MLE 침전조의 네가지 과정을 거치게 하여 질소를 제거하는 것을 주 특징으로 한다. 이하 각 단계를 상세하게 설명하기로 한다.

- OH 라디칼 산화분해공정 -

상기 OH 라디칼 산화분해공정은 소화조 탈리액의 고농도 암모니아성 질소를 OH 라디칼을 이용하여 아질산성 질소와 질산성 질소로 산화하는 공정이다.

도4에 도시된 바와 같이, 촉매산화수를 만드는데 필요한 설비는, 세라믹촉매가 충진된 촉매탑(10), 산화보조제(차아염소산나트륨 등)가 내장된 약품탱크(20), 약품과 혼합되는 수용액저장탱크(미도시), 촉매산화수를 만드는데 필요한 용수를 저장하는 용수저장탱크(30), 그리고 OH 라디컬 반응조(40)로 크게 이루어지며, 기타 산화보조제(차아염소산나트륨) 수용액공급펌프(미도시), 용수공급펌프(미도시), 전기콘트롤 판넬(미도시) 등으로 이루어진다.

보다 상세히 설명하면, 도 6에 도시된 바와 같이, 산화보조제(차아염소산 나트륨 등) 수용액을 촉매가 충진된 촉매탑(10)의 하부 약액배관(12)으로 정량펌프(미도시)로 공급하고, 촉매산화수를 만드는데 필요한 용수를 용수공급펌프로 촉매탑(10)의 하부 용수배관(14)으로 공급한다. 그리고, 이와 동시에 촉매탑(10)의 하측에 별도의 산기관(16) 을 연결하여 하부측으로 공기가 공급되도록 한다. 또한, 촉매탑(10)의 하부 20%와 상부 80%는 각각 다공판(10a, 10a')으로 구분이 되도록 한다. 이는 본 발명자들의 실험에 따르면, 상기와 같이 촉매탑(10)의 하부 20% 되는 지점에 하부다공판(10a)이 설치되고, 80% 정도 되는 위치에 상부 다공판(10a')이 구비되어야 촉매탑(10)이 원활한 역활을 수행할 수 있음을 알 수 있었다. 이하 자세히 설명하기로 한다.

다공판(10a,10a')의 필요성

촉매탑(10)은 통상적으로 수직으로 설치되므로, 내부에 설치된 촉매는 수직하방으로 하중을 받게 되며, 이에 따라 하부측의 촉매는 더 많은 압력과 하중을 받아 움직임이 극히 제한된다. 기본적으로 촉매탑(10)의 하부에서 상측으로 가면서 촉매와 접촉되어 촉매산화수가 형성되어야 하므로 촉매와의 접촉이 원활히 이루어져야 하므로 촉매의 유동성이 확보되어야 한다. 이를 위해 다공판(10a.10a')으로 격벽을 형성함으로써 촉매가 받는 하중을 분산시킬 수 있어 촉매의 유동이 자유로워 접촉을 원활히 이루어질 수 있도록 하기 위함이다.

또한, 하부다공판(10a)과 상부다공판(10a')를 각각 하측으로 부터 20% 및 80% 정도되는 위치에 두개 설치하는 이유는 촉매의 교환용이성, 원활한 접촉용이성 및 반응용이성을 위한 것이다. 즉, 하중분산 및 유동성 확보를 위해서는 하나의 구획 격벽으로는 부족하고, 2개이상으로 이루어져야 함을 알 수 있었고, 많은 수의 다공판 설치는 비용증가가 발생하므로 본 실시예에서는 2개의 다공판(10a,10a')이 설치되도록 한다.

그리고, 일정시간 사용 후, 촉매의 교환이 이루어져야 하나, 전체를 교환하기에는 비용적인 측면에서 바람직하지 않다, 즉, 촉매탑(10)의 하측에서 상측으로 갈수록 점차 산화된 촉매산화수가 이루어지고, 하측부분일 수록 오염수에 노출정도가 심하므로로 하측부분이 비교적 빨리 교환되어야 한다. 또한, 하부측으로 전달되는 용수 및 산기관의 공기압력등은 상부측으로 갈수록 약화되므로 반응을 위한 충분한 접촉면적 확보를 위한 구간이 확보되어야 하며, 이를 위해서는 하부에서 20%되는 위치에 하부다공판(10a)이 설치되고, 80%정도되는 위치에 상부다공판(10a')이 형성되는 것이 적함함을 알 수있었다.

반응과정중 산기관을 통해 공급되는 공기는 촉매탑(10) 내부에서 폭기하여 주입된 산화제를 촉매탑(10) 내부에서 강제로 순환시켜 OH라디칼을 생성하는 촉매와 산화제와의 접촉 횟수를 증가시킴으로써 OH라디칼 생성효율을 높이는 한편, 최종 방류수로 차아염소산나트륨 용액을 희석하여 촉매탑(10)의 촉매와 반응시키는 경우 촉매표면에 재활용수의 찌꺼기가 코팅되어 반응효율이 낮아지는 것을 공기 방울이 촉매표면을 세척하여 이물질이 촉매표면을 코팅하는 것을 사전에 예방할 수 있게 된다. 따라서 공급되는 공기에 의해 촉매반응을 보다 원활히 이루어 질 수있도록 할 뿐만 아니라 촉매표면의 오염수 제거에 따른 촉매수명의 연장을 할 수 있어 교환시기를 최대한 늦춤으로 따라 수율 향상이 이루어질 수 있을 뿐만 아니라 촉매의 교환 역시 하부다공판(10a) 밑 부분의 촉매, 중간부분 및 상부다공판(10a')의 세부분으로 교환시기를 조정할 수 있게 된다.

다음, 상기와 같은 구조로 이루어진 촉매탑을 이용하여 오염수를 분해하는 과정을 설명하기로 한다.

난분해성 유기물(NBDCOD)은 Non Bio Degradable Chemical Oxygen Demand의 약자로서 미생물이 분해할 수 없는 유기물의 농도를 표시한 것으로, 난분해성 유기물(NBDCOD)는 바로 BDCOD(Bio Degradable Chemical Oxygen Demand 미생물이 분해할 수 있는 유기물의 농도)로 산화분해되지 못하고, 일단 3차원 구조와 같은 복잡한 구조에서 2차원 구조나 간단한 구조로 전환된 다음 고분자에서 저분자로 분해되므로 위의 촉매산화수에 의한 산화분해 공정은 단계별로 진행되어야 한다.

먼저 OH 라디칼 산화분해 반응 첫 단계에서는 난분해성의 고분자 유기물을 3차원 구조와 같은 복잡한 구조에서 2차 구조나 간단한 구조로 전환시킨다. 보다 상세하게 살펴보면, 난분해성의 고분자의 부유물은 복잡하게 구성되어있어 부피가 크고 상대적으로 비중은 작기 때문에 이때 촉매산화수를 투입하여 산화분해하면, 유기물 내의 탄소결합이 끊어지면서 탄소는 촉매산화수 내의 발생기산소와 결합하여 이산화탄소로 떨어져 나가므로 복잡한 3차원구조의 유기물 입자가 2차원구조나 간단한 구조로 바뀌게 된다.

상기 2차원구조나 간단한 구조로 바뀐 유기물는 위아래로 복잡하게 뻗은 가지들의 방해가 없이 나란한 입자구조로 배열되어 부피가 감소하고 이로 인해 상대적으로 비중이 커져 중력침전이 용이하게 된다.

촉매산화수에 대하여 좀 더 살펴보면, 상기 촉매산화수는 세라믹 촉매를 촉매 충진탑에 담고 염소함유 수용액을 상기 촉매충진탑의 하부에서 상부방향으로 통과시키면서 산기관을 통해 공기방울을 공급하여 촉매표면의 이물질을 제거하는 동시에 산화제와 촉매와의 접촉횟수를 증가시켜 자발적인 반응으로 일어나는 촉매작용으로 생성된 OH 라디칼과 발생기 산소를 포함한다. 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 세라믹 촉매는 차아염소산칼슘, 염소가스, 이산화염소 등의 염소함유 수용액과 접촉하며, 그 농도는 0.1 ~ 500 mg/L 정도로 사용되나 바람직하게는 1 ~ 100 mg/L 가 적당하다.

본 발명에서는 이렇게 만들어진 촉매산화수를 OH 라디칼 질산화 반응조에서 소화조 탈리액과 5 내지 10 : 90 내지 95의 부피비로 혼합하고 폭기조건에서 산화반응하여 암모니아성 질소를 질산성 질소로 산화분해한다.

통상 촉매산화수가 부피비로 5보다 적은 량이 사용될 경우에는 생성되는 OH 라디칼과 발생기산소의 농도가 낮아서 (또는 개수가 부족하여) 난분해성 유기물을 충분히 분해할 수 없고, 부피비로 10 이상 사용될 경우에는 OH 라디칼과 발생기산소의 농도가 충분히 높아서 난분해성 유기물의 산화분해 반응효율은 높아지지만, 상대적으로 촉매탑에 충진되어 산화보조제와 접촉하게 되는 촉매량이 많아지게 되어 필연적으로 이에 따른 촉매구매비용 등의 설치비용이 상승하게 된다. 따라서, 처리대상 유기물의 농도와 전체 폐수량 등 현장여건에 맞는 촉매량을 촉매탑에 충진하는 것이 설비의 경제적인 적용방법으로, 부피비로 5 내지 10 정도면 촉매효율 및 설치비용에 가장 경제적임을 알 수 있었다.

- MLE 무산소 탈질공정 -

상기 OH 라디칼 산화분해공정은 소화조 탈리액의 고농도 암모니아성 질소를 강력한 산화력을 가진 OH 라디칼이 함유된 촉매산화수를 이용하여 질산성 질소로 산화시키는 처리공정을 가진 단계이다.

즉, 다시 말해 상기 소화조 탈리액의 고농도 암모니아성 질소가 질산성 질소로 1차산화가 되는 단계로, 이 처리수는 연결된 MLE 미생물 무산소 처리공정으로 연결되어 탈질균 미생물에 의해 질산성 질소를 분해하여 질소로부터 분해된 산소를 내생호흡의 산소원으로 사용하여 질소를 질소가스로 대기중으로 방출하는 2차환원 이 되는 단계로 탈질공정 처리단계이다.

상기 무산소조는 호기조에서 질산화 반응 후 생성된 아질산성질소와 질산성질소를 내부반송을 통하여 무산소조로 반송하여 산소를 공급하지 않은 상태에서 유기물을 이용하여 탈질하는 공정으로 무산소조에서 아질산화 및 질산화된 폐수를 질소가스로 방출하기 위하여는 적정한 C/N비의 구성이 필요하기 때문에 탄소원이 필요하다.

이러한 탄소원은 반류수에 자체 함유된 여러가지 유기물질들을 이용하면 족하므로 별도의 탄소원 공급은 불필요하며, 반류수 자체를 영양원으로 하여 탈질공정이 이루어질 수 있게 된다.

- MLE 미생물 폭기조 산화분해공정 -

상기 1차 산화분해공정과 2차 환원탈질공정에서 미처리된 암모니아성 질소는 연결되는 미생물 폭기설비에서 니트로소모나스 미생물에 의해 아질산성 질소로 산화되고 니트로박터 미생물에 의해 질산성 질소로 산화분해되는 3차산화분해공정 단계이다.

상기 니트로소모나스와 니트로박터 미생물을 질산화 미생물이라 하는데, 이들은 온도, pH 등의 조건 변화에 민감하고, 활성오니 미생물보다 높은 산소 농도를 필요로 하며, 외부 충격에 약해서 쉽게 사멸하는 등 생육조건이 까다롭다.

이러한 어려움으로 인해 1차산화분해공정은 3차산화분해공정에 비해 쉽게 운전을 할 수 있지만, 최종적인 탈질환원은 생물학적 무산소공정에서 일어나므로 무산소 생물처리공정을 운영하기 위해서 3차산화분해공정은 필수불가결하다.

질산화된 처리수는 탈질환원반응을 위해서 OH 라디칼반응조에서 생물처리 무산소조로 유입되는 유량의 0.5배에서 3배의 유량으로 생물처리 무산소조로 내부반송된다.

- 침전분리공정 -

상기 3차 산화분해된 처리수는 일부는 생물처리 무산소조로 내부반송되고, 나머지는 다음 공정인 침전분리공정으로 넘어가서 침전을 통해 상층수가 슬럿지와 쉽게 분리되어 분리된 상층수는 반류수가 되어 초기 하수유입 수조로 이송되어 혼합되고, 하층 침전슬럿지는 농축조로 이송되어 다음 단계로 진행될 수 있다.

- 반류공정 -

이와 같이 초기 하수유입 수조로 이송되는 반류공정을 거친 유입혼합수는 저농도의 질소를 가진 것으로 분석되고 부하량이 줄어들어 기존의 하수처리장 생물처리 설비에서도 질산화에 큰 어려움이 없어서 강화된 방류수 수질을 만족하게 된다.

이와 같이 본 발명의 소화조 탈리액의 총질소처리를 통한 반류수의 수질개선으로 하수처리장은 유입된 원수를 원하는 방류수질 이하로 처리가 가능함은 물론이며 하수처리장의 운전비용을 절감할 수 있고, 하수종말처리장 운전의 안전화에도 기여하는 시스템 이라고 볼 수 있다.

- 실시예 1 : 총질소 처리 파일롯트 결과 -

부산환경공단 수영하수처리장은 동일처리장내 3개 공법(MBR, MLE, 표준활성슬러지)으로 운영하고 있으며, 음식물 하수연계 병합처리로 수처리에 미치는 부하량이 가중되고 있는데 2012년부터 동절기 수질기준이 강화(T-N 6020, T-P 82mg/L)됨에 따라 그 간 분석결과 소화조 탈리액이 방류수의 총질소 수질에 미치는 영향이 가장 큰 것으로 알려졌으며, T-N의 경우 유입수 평균 수질은 50mg/L이고, 소화조 탈리액의 평균 수질은 850mg/L으로 T-N농도 기여도가 큰 것으로 나타났다.

따라서 부산환경공단 수영하수처리장에서는 동절기의 총질소 처리개선을 위해 다양한 연구를 진행하였으며, 하수처리장내 총질소와 총인의 물질수지(방류수에 대한 탈수여액의 총질소의 기여도가 18% 이상임)를 통해 방류수의 총질소 및 총인 농도에 기여도가 가장 높은 대상공정을 선정한 후, 목표수질 농도를 달성하기 위한 방법으로 순간적인 농도부하 변동에도 신속하게 대처가 가능한 생물학적 한계(수온 저하)를 보완하는 경제성이 있는 화학적 처리방법 강구의 필요성이 도출되었다.

고농도폐수 등에 처리효율이 높고 슬러지 발생 등 2차 오염이 발생하지 않은 공법인 화학적 처리방법으로 촉매산화수의 OH 라디칼을 이용한 산화분해공법을 선정하였고, 본 발명의 입증을 위하여 도 5와 같이 파일롯트를 구성하여 실험을 하였으며, 실험장소는 부산환경공단 수영하수처리장이고, 실험기간은 2012년 1월 ~ 2013년 3월까지의 질소처리가 가장 효율이 낮은 동절기를 택하여 현장 파일롯트 실험을 하였다.

도 5는 수영하수처리장에서 실시한 현장 파일롯트 플랜트 실험의 개략도로 이 실험의 목적은 소화조 탈리액의 총질소를 전처리하여 하수처리장의 본처리 설비로 반류함으로써 하수처리장의 동일한 생물학적 처리 능력에서도 안정적인 수처리 환경 확보할 수 있음을 확인하는 것이다. 개략도에서 나타난 바와 같이, 1차적으로 세라믹촉매에 의해 화학적으로 처리된 반류수를 2차 생물학적 공법인 무산소 탈질반응조(50) 질산화 폭기반응조(60) 및 침전조(70)을 순차적으로 거쳐 총질소가 제거된 최종적인 반류수를 생성하는 것으로 실험하였다.

Pilot Plant Test의 목표	Pilot Plant Test의 내용
1) 촉매산화수(OH라디칼) 산화분해 Pilot Plant의 현장 적용	- 촉매산화수(OH라디칼) 산화분해 Pilot Plant를 수영사업소에 설치
2) 촉매산화수(OH라디칼) 산화분해 조건 결정	- 촉매산화수(OH라디칼) 산화분해 Pilot Plant의 조건설정을 통한 유입수와 OH라디칼 처리수의 분석
3) 촉매산화수(OH라디칼) 산화분해 + 생물고도처리의 조건 결정	- 촉매산화수(OH라디칼) 산화분해+생물고도처리의 조건설정을 통한 OH라디칼 처리수와 방류수의분석
4) 분석항목 (총 10개 항목)	- pH(추가), 수온(추가), COD, BOD, SS, T-N, T-P, PO₄-P, NH₄-N, NO₃-N

표 1은 수영하수처리장에서 실시한 현장 파일롯트 플랜트 실험의 목표와 내용을 나타내는 것이다.

표 2는 약 3개월 동안 수영하수처리장에서 실시한 현장 파일롯트 플랜트 실험의 항목별 분석 평균 결과치를 나타내는 것이다. (단위 : mg/L)

구분	소화조탈리액	촉매산화처리수	MLE처리수	처리효율(%)
pH	6.6	7.5	7.2	-
CODMn	531.3	199.4	6.8	98.7
BOD	1722.5	473.6	8.2	99.5
T-N	862.8	315.2	42.7	95.1
NH4-N	797.4	322.9	49.1	93.8
NO3-N	3.7	14.8	18.6	-

상기 표 2에서 나타난 바와 같이, 최초의 소화조 탈리액에 함유된 총질소(T-N)가 촉매산화처리와 MLE처리를 거치면서 확연히 줄어듬을 알 수 있다.

한편, 상기와 같이 반류수의 총질소가 제거됨에 따라 하수처리장의 전체적인 부하를 줄일 수 있는 다른 효과도 있다. 즉, 총질소가 제거된 반류수가 혼합된 하수처리장 초기유입수는 최종방류되기 전에 하수처리장 생물처리 폭기조를 거쳐 BOD를 기준치에 적합하도록 처리 및 질산화반응 처리된 후, 방류하게 된다. 이때, 생물처리폭기조에서는 충분한 산소공급과 질산화반을을 위한 송풍을 하게 되며, 이러한 송풍은 전기에너지를 사용하게 된다. 따라서 본 발명에 의한 반류수는 실질적으로 BOD가 감소되고, 총질소가 제거됨으로서 송풍량이 줄어들게 되고, 이에 따라 에너지 사용량이 대폭 절감되며, 이하 구체적으로 설명하기로 한다.

- 실시예 2 : 송풍량 감소율 계산 -

송풍량 감소를 계산하기 위해 상기 파일롯트 실험 결과를 유입 하수량 600,000/일 규모의 하수처리장을 예로 들어 적용하면, 하수처리에 필요한 공기량은 BOD 제거에 필요한 공기량과 질산화 반응에 필요한 공기량을 합한 양으로 결정되며, BOD 제거에 필요한 공기량은 반류수 BOD를 처리하기 전과 후가 거의 동일하므로 질산화 반응에 필요한 공기량을 비교하여 반류수 NH₄-N을 처리하기 전과 후의 송풍량 감소율을 계산한다.

1. BOD 제거에 필요한 공기량

* Ecnenfelder & O'conner의 소요산소량 계산식

O₂ = a*Lr + b*Sa

a : 미생물 합성에 필요한 공기량

b : 합성된 미생물세포의 내생호흡을 위해 소요되는 산소량

Lr : BOD 제거량

Sa : MLVSS (= Ma + Me + Mi)= (VS/TS) * (MLSS) * V

Ma = 포기조내의 살아있는 미생물농도(mg/l VSS)

Me = 내생호흡상태의 미생물농도(mg/l VSS), 죽어가는 미생물

Mi = 미생물에 의해 분해되지 않는 유기성 SS(mg/l VSS), 죽은 미생물

활성오니 : a = 0.6, b = 0.08

(VS/TS) = 0.6~0.8 = 0.7

MLSS = 2,500ppm

V = 반응조용적 = 600,000m³/일 * 7Hr * 일/24Hr = 175,000m³

* 생물처리 폭기조 BOD 농도

구분	유입 BOD	유출 BOD	처리효율(%)
활성오니폭기조	250	10	96

* 처리용량 : 600,000m³/day 기준 (반류수량 포함)

O₂ = 0.6*(250-10)*10^-3(kg/m³)*600,000m³/day +

0.08*0.7*(2,500*10^-3kg/m³)*175,000m³/day

= 86,400 + 24,500 = 110,900 kg/day

공기량 = 110,900kg/day / (1.2kg/m³ * 0.21 * 0.1)

= 9,241,666.7m³/day

= 6,417.8m³/min

2. 질산화반응에 필요한 공기량

* 질산화반응식

아질산화(니트로소모나스균) : 2NH₄ + 3O₂ 2NO₂ ^- + 2H₂O + 4H⁺

질산화(니트로박터균) : 2NO₂ ^- + O₂ 2NO₃ ^-

총괄반응 : NH₄ + 2O₂ NO₃ ^- + H₂O + 2H⁺

1 kg-mole의 NH₄를 질산화시키는데 2 kg-mole의 산소가 필요.

* 생물처리 폭기조 NH₄ 농도

구분	유입 NH₄	유출 NH₄	처리효율(%)
활성오니폭기조 (반류수 NH₄ 처리전)	59.4	4.7	92.1
활성오니폭기조 (반류수 NH₄ 처리후)	52.6	4.2	92.0

* 처리용량 : 600,000m³/day 기준 (반류수량 포함)

1)반류수 NH₄ 처리 전의 송풍량 계산

* NH₄ 제거량

= 600,000m³/day * (59.4 - 4.7)mg/ * 10^-3kg/m³

= 32,820 kg/day

= 32,820 kg/day * (kg-mole/18kg)

= 1,823.3kg-mole NH₄

* 필요한 산소량

NH₄ 1kg-mole 제거에 O₂는 2*1kg-mole이 필요하므로,

1,823.3kg-mole NH₄/day의 제거를 위해서는

= 2 * 1,823.3kg-mole O₂/day가 필요하다.

= 3,646.6kg-mole O₂/day

= 3,646.6kg-mole O₂/day * 32kg/kg-mole O₂

= 116,691.2kg O₂

* 필요한 공기량

= 116,691.2kg/day / (1.2kg/m³ * 0.21 * 0.1)

= 4,630,603.2m³/day

= 3,215.7m³/min

2)반류수 NH₄ 처리 후의 송풍량 계산

* NH₄ 제거량

= 600,000m³/day * (52.6 - 4.2)mg/ * 10^-3kg/m³

= 29,040 kg/day

= 29,040 kg/day * (kg-mole/18kg)

= 1,613.3kg-mole NH₄

* 필요한 산소량

NH₄ 1kg-mole 제거에 O₂는 2*1kg-mole이 필요하므로,

1,613.3kg-mole NH₄/day의 제거를 위해서는

= 2 * 1,613.3kg-mole O₂/day가 필요하다.

= 3,226.6kg-mole O₂/day

= 3,226.6kg-mole O₂/day * 32kg/kg-mole O₂

= 103,251.2kg O₂

* 필요한 공기량

= 103,251.2kg/day / (1.2kg/m³ * 0.21 * 0.1)

= 4,097,269.8m³/day

= 2,845.3m³/min

3)반류수 NH₄ 처리 전 후의 송풍량 비교

처리 전 송풍량 = 3,215.7m³/min

처리 후 송풍량 = 2,845.3m³/min

송풍량 절감 = 11.5%

상기 식에서 나타나듯이, 송풍량은 약 10%이상 절감이 되며, 이는 에너지의 효율적 사용이 가능함을 알 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부한 도면에 의해 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서, 치환, 변형 및 변환이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서, 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 명백할 것이다.

10 : 촉매탑 20 : 약품탱크
30 : 용수탱크 40 : OH 라디컬 반응조
50 : MLE 무산소조 60 : MLE 질산화폭기조
70 : MLE 침전조

Claims

소화조 탈리액 반류수의 총질소 처리를 통한 하수처리장 방류수 총질소 수질 개선을 하는 하수처리장의 하폐수처리 방법에 있어서,
유리염소를 함유한 차아염소산나트륨 (NaOCl)이 0.1 ~ 500 mg/L 농도로 함유된 수용액을 자성체 및 철을 포함하는 금속산화물을 소결시켜 제조된 세라믹촉매에 접촉시켜 하이드록시 라디컬이 포함된 산화물질이 형성된 촉매산화수를 형성하는 제1 단계;
하수처리장의 처리단계중 소화조에서 발생되는 탈리액 반류수와 상기 촉매산화수를 90 내지 95 : 10 내지 5의 부피비로 혼합시켜 반류수의 질소성분을 화학적 산화분해시키되,
상기 세라믹 촉매는 촉매탑의 내부에서 하측에서 20%되는 위치와 80%되는 위치에 다공판이 설치되어 촉매를 구획 분리하고, 촉매탑의 다른 하측으로 산기관이 구비되어 공기를 공급하여 배출되는 공기방울이 다공판의 상측으로 통과되면서 촉매 표면에 붙어 있는 재활용수의 이물질을 청소하는 동시에 촉매 표면과 산화제가 더욱 많은 접촉을 가지도록 강제하는 것을 특징으로 하는 제2단계와;
상기 제2단계의 처리수를 탈질균 미생물에 의한 MLE 무산소 탈질공정을 거치는 제3단계와;
제3단계를 거친 혼합액을 니트로소모나스 및 니트로박터 미생물이 포함된 폭기설비에서 폭기에 의해 산화분해하는 제4단계와;
제4단계를 거친 처리수 중 일부는 제3단계의 MLE 무산소 탈질공정으로 반송되고, 나머지는 침전분리공정을 거쳐 상층수와 슬럿지로 분리시키는 제5단계;그리고
상기 제5단계의 상층수를 하수처리장의 초기 하수유입 수조로 반류시키는 제6단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소화조 탈리액 반류수의 총질소처리를 통한 하수처리장 방류수 총질소 수질개선 방법.
제 1항에 있어서,
상기 제1단계의 차아염소산나트륨 (NaOCl) 수용액은 1 ~ 100 mg/L 농도로 이루어짐을 특징으로 하는 소화조 탈리액 반류수의 총질소처리를 통한 하수처리장 방류수 총질소 수질개선 방법.
제 1항에 있어서,
상기 제 1단계는,
세라믹촉매가 충진된 촉매탑의 하측으로 차아염소산나트륨 (NaOCl) 수용액을 주입하고, 상측으로 통과되면서 촉매 표면과 접촉에 촉매산화수가 형성되는 것을 특징으로 하는 소화조 탈리액 반류수의 총질소처리를 통한 하수처리장 방류수 총질소 수질개선 방법.
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소화조 탈리액 반류수의 총질소 처리를 통한 하수처리장 방류수 총질소 수질 개선을 하는 하수처리장의 하폐수처리 장치에 있어서,
소화조 탈리액의 반류수와 하이드록시 라디컬을 포함하는 산화물질이 함유된 촉매산화수가 90 내지 95 : 10 내지 5의 부피비로 혼합되어 반류수 내의 질소성분을 화학적 산화시키되, 자성체와 철을 포함하는 금속산화물을 소결시켜 형성된 세라믹 촉매가 충진된 촉매탑과, 상기 촉매탑의 하측과 연결되고, 차아염소산나트륨 (NaOCl) 을 포함하는 산화물질로 이루어진 약품탱크와, 상기 촉매탑의 하측과 연결되고, 약품탱크에서 제공되는 산화물질과 혼합되는 용수탱크와, 상기 촉매탑의 하측과 연결되고, 공기를 강제로 주입하는 산기관과, 상기 촉매탑과 연결되고 촉매에 의해 산화된 촉매산화수와, 소화조 탈리액에서 제공되는 반류수가 혼합 반응하는 메인 반응조로 이루어지는 하이드록시 라디컬 반응조와;
상기 하이드록시 라디컬 반응조와 연결되고, 탈질 미생물에 의해 질소성분을 탈질 시키는 MLE 무산소 탈질 반응조와;
상기 MLE 무산소 탈질조와 연결되고, 니트로소모나스 및 니트로박터 미생물이 포함되고 폭기에 의해 질소성분을 산화분해하는 MLE 질산화 폭기반응조와;
상기 MLE 질산화 폭기반응조와 연결되고, 상층수와 슬럿지를 분리하는 MLE 침전조와;
상기 MLE 침전조의 상층수를 하수처리장의 초기유입수와 혼합시켜 미생물을 이용한 폭기하는 하수처리장 생물처리 폭기조;를 포함하되,
상기 촉매탑은, 촉매의 하부 20%와 상부 80%는 다공판으로 분리되고, 다공판 하부의 한쪽 하측면으로부터 산화제 수용액이 유입되고 다른 하측면으로부터 공기가 공급되어 산기관에서 배출되는 공기방울이 다공판의 상측으로 통과되면서 촉매 표면에 붙어 있는 재활용수의 이물질을 청소하는 동시에 촉매 표면과 산화제가 더욱 많은 접촉을 가지도록 강제하는 것을 특징으로 하는 소화조 탈리액 반류수의 총질소처리를 통한 하수처리장 방류수 총질소 수질개선 장치.
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제 5항에 있어서,
상기 MLE 질산화 폭기반응조는 폭기된 처리수의 일부를 MLE 무산소 탈질 반응조로 내부반송하는 배관이 더 형성됨을 특징으로 하는 소화조 탈리액 반류수의 총질소처리를 통한 하수처리장 방류수 총질소 수질개선 장치.