KR102315195B1 - 소화슬러지로부터 탈수된 폐수의 화학적 처리를 통한 암모늄 제거 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유기성 폐기물을 처리하여 슬러지(미생물)로 전환하는 혐기성 소화시설에서 배출된 소화슬러지의 탈수여액을 화학적 처리과정에 의해 암모늄을 제거하는 방법으로서, a) 상기 탈수여액 중 중탄산염(bicarbonate,HCO3 -)을 탄산(carbonic acid, H2CO3)로 전환 제거하는 제1 단계; b) 상기 제1 단계를 거친 탈수여액 중 이온상태의 암모늄(NH4 +)을 가스 상태의 암모니아(NH3)로 전환 배출하는 제2 단계; 및 c) 상기 제2 단계를 거친 탈수여액을 중화하는 제3 단계;를 포함하는 암모늄 제거 방법 및 이에 사용되는 장치에 대해 개시한다. 이러한 산성화(acidification), 알칼리화(alkalinization) 및 중화(neutralization)를 포함하는 화학적 처리 방식의 경우, 소요되는 약품량을 최적화 하면서도 높은 화학적 처리 효율 즉 암모늄 제거 효율을 구현할 수 있고, 그 후단에서 이루어지는 폐수에 대한 다른 생물학적 처리 효율도 크게 향상시킬 수 있다.

Description

소화슬러지로부터 탈수된 폐수의 화학적 처리를 통한 암모늄 제거 장치 및 방법{AN APPARATUS AND METHOD FOR AMMONIUM REMOVAL THROUGH THE CHEMICAL TREATMENT OF THE WASTEWATER DEHYDRATED FROM THE DIGESTED SLUDGE}
본 발명은 음식물 쓰레기, 음폐수, 분뇨 등의 고농도 유기성 폐수 또는 폐기물(이하, '유기성 폐기물')에 대한 혐기성 소화 시설에서 배출된 소화슬러지로부터 탈수된 폐수(탈수여액)를 처리하는 장치 및 방법에 관련되며, 특히 상기 폐수에서 암모늄을 제거하는 장치 및 방법에 관련된다.
일반적으로 고농도의 질소가 함유된 유기물에 대한 혐기성 소화는 아래의 화학식 (1)로 설명될 수 있다. 수분이 포함된 유기물 총분자량(MW 285.4)을 기준으로 70%는 혐기성 미생물(메탄생성 박테리아)에 의해 바이오 가스(CH4,CO2)로 전환되고, 이 과정에서 총분자량의 8%가 미생물로 증식되며, 순수한 유기물 중 2.8%에 해당되는 질소만이 미생물 증식에 이용된다. 17%는 중탄산염 이온(bicarbonate, HCO3 -)으로 전환되어 소화조 완충용량(buffer capacity)의 척도인 중탄산염 알칼리도(bicarbonate alkalinity)에 기여하며, 가수분해 과정에서 생성되었지만 증식에 이용되지 못한 질소는 총분자량의 5%로 NH4 +-N 농도 형태로 소화조에서 축적된다.
Figure 112020091844271-pat00001
상기 화학식 (1)은 다음과 같이 설명될 수 있다. 미생물에 의해 유기물(C10H19O3N)이 분해되면서 0.2M의 미생물(C5H7O2N)이 증식되고, 이 과정에서 세포의 증식에 질소(NH4 +)가 관여하게 된다. 최종적으로 유기물은 분해되어 더 이상 분해되지 않는 무기 형태인 중탄산염(bicarbonate, HCO3 -)으로 남게 되며, 미생물 합성에 이용되지 못한 질소는 암모늄(NH4 +)(NH4HCO3)형태로 물속에 잔존한다. 질소(N)가 미생물에 합성되지 못한 이유는 미생물 증식에 필요한 유기물이 부족하기 때문인데, 질소(N)의 농도에 비해서 유기물 농도가 낮은데 기인한다. 이를 C/N ratio가 낮다고 표현한다. 적정한 유기물의 양에 비하여 질소량이 과다한데서 오는 표현이다. 유기물의 분해과정에서는 부산물로 바이오 가스가 생성되는데, 5.74M의 메탄(CH4)과 2.45M의 이산화탄소(CO2)가 생성된다. 그리고 화학식 (1)에서 보는 바와 같이 유기물은 최종단계에서 중탄산염(bicarbonate, HCO3 -)이 생성되어 알칼리도(alkalinity)를 띠게 되는데, 이를 중탄산염 알칼리도(bicarbonate alkalinity)라고 한다. 혐기성 소화조에서 이러한 중탄산염 알칼리도(bicarbonate alkalinity)의 최적 조건은 1,000 ~ 5,000 mg/L as CaCO3의 범위로 알려져 있고, 음식물류 폐기물과 같은 고농도 유기성 폐기물을 혐기성 소화하는 경우 중탄산염 알칼리도(bicarbonate alkalinity)는 15,000 ~ 25,000mg/L as CaCO3의 범위로 나타난다. 이 식에서 보듯이 알칼리도는 유기물의 양에 의존하기 때문이다. 하수슬러지와는 유기물의 농도 차이로 알칼리도의 범위가 다르게 나타나는 것이다. 미국의 경우 음식물을 disposer로 갈아서 하수로 흘려보내기 때문에 우리나라와는 하수처리장 설계기준에 차이가 있지만 이를 제외하면 거의 같다고 할 수 있다.
일반적으로 상기 중탄산염(bicarbonate)이 적정한 양으로 존재하는 경우 유기물 과부하 등으로 소화조 내의 pH 변화에 대하여 충격을 완화시키는 이로운 역할을 하지만, 지속적으로 유기물이 분해되면서 생성된 중탄산염(bicarbonate HCO3 -)이 소화조에 과다하게 축적되면 오히려 혐기성 소화 과정 자체뿐만 아니라 후단에서 폐수에 대한 처리 효율성이 저하될 수 있다. 즉, 해외 연구에 따르면 유기물의 혐기성 소화 과정에서 생성된 암모늄(NH4 +)과 중탄산염(bicarbonate, HCO3 -)은 중탄산암모늄(NH4HCO3)형태로 강하게 결합되어 있다고 보고된 바 있다. 이 경우 중탄산염(bicarbonate, HCO3 -)은 그 역할이 명확히 밝혀져 있지는 않지만 이 결합은 완충작용을 함과 동시에 pH 10.5~11.0까지의 증가를 억제 내지 방해하기 때문에, 오히려 폐수 처리 목적으로 pH를 증가시킬 필요가 있는 경우에는 약품을 사용하는 경우라도 요구되는 pH까지 증가시키기 어려워서 폐수에 대한 처리 효율성이 저하되는 문제가 있다고 볼 수 있다.
구체적으로, 폐수 즉 소화슬러지의 탈수여액으로부터 암모늄(NH4 +)을 제거하는 과정은 pH를 증가시킨 상태에서 약품을 이용해 화학적으로 처리하여 가스 형태의 암모니아(NH3)로 배출하는 방식으로 이루어지는데, 중탄산염알칼리도(bicarbonate alkalinity)가 과다하면 가성소다(NaOH)에 의한 pH 증가가 어려워 처리 효율성이 떨어지고 사용되는 약품량도 pH 증가에 따라서 기하급수적으로 증가된다. 뿐만 아니라, 후단의 높은 유기물과 알칼리도를 갖는 폐수의 호기성 생물학적 처리 과정에서는, 과다한 공기를 공급하게 되고 그 과정에서 생물반응조의 온도가 40℃ 이상으로 상승해 산소전달력마저 떨어뜨리게 된다. 이에 따라 미생물은 높은 온도에서 그 기능이 떨어지고 침전성도 저하되어 궁극적으로는 탈수성이 악화되는 것은 물론 처리 결과도 나빠지게 되고, 나아가 생물반응조의 증가된 온도를 강제로 낮추는 경우가 빈번하게 발생되고 있어서 경제성이 악화되는 것은 분명한 이치이다.
따라서 혐기성 소화과정을 통해 배출되는 소화슬러지의 탈수여액에 대한 처리와 관련하여 화학적 처리를 통한 암모늄 {(암모니아성 질소, NH3-N) 여기서, NH3-N = [NH4 +-N] + [NH3]} 제거효율을 향상시키기 위해서는 화학적 반응을 방해하는 중탄산염(bicarbonate)에 대한 제거(다른 물질로 변환) 과정이 선행될 필요가 있고, 이 경우 화학적 처리를 통한 암모늄 제거효율 뿐만 아니라 후단의 생물학적 처리 효율에도 유리할 것으로 예상될 수 있으며, 본 발명은 이러한 배경을 바탕으로 이루어졌다.
본 발명은 종래 고농도 유기성 폐기물에 대한 혐기성 소화시설 후단의 폐수처리과정에서 질소 농도 처리의 한계점을 감안하여 안출된 것으로, 화학적 처리를 통한 암모늄 제거에 있어서 그 효율이 개선된 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 해결과제와 관련된 본 발명의 요지는 청구범위에 기재된 것과 동일한 아래의 내용이다.
(1) 유기성 폐기물을 처리하여 슬러지(미생물)로 전환하는 혐기성 소화시설에서 배출된 소화슬러지의 탈수여액을 화학적 처리과정에 의해 암모늄을 제거하는 방법으로서, a) 상기 탈수여액 중 중탄산염(bicarbonate,HCO3 -)을 탄산(carbonic acid, H2CO3)로 전환 제거하는 제1 단계; b) 상기 제1 단계를 거친 탈수여액 중 이온상태의 암모늄(NH4 +)을 가스 상태의 암모니아(NH3)로 전환 배출하는 제2 단계; 및 c) 상기 제2 단계를 거친 탈수여액을 중화하는 제3 단계;를 포함하는 암모늄 제거 방법.
(2) 상기 (a) 단계는 황산(H2SO4) 및 염산(HCl)으로부터 선택되는 산성화 약품을 첨가하여 상기 탈수여액을 pH 4.0으로 조절하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 암모늄 제거 방법.
(3) 상기 (b) 단계는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2) 및 소석회(CaO)로부터 선택되는 알칼리 약품을 첨가하여 상기 탈수여액을 pH 10.5 ~ 11.0으로 조절한 상태에서, 공기를 주입하는 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 암모늄 제거 방법.
(4) 상기 (c) 단계는 황산(H2SO4) 및 염산(HCl)으로부터 선택되는 중화 약품을 첨가하여 상기 탈수여액을 pH 8 ~ 9로 조절하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 암모늄 제거 방법.
본 발명에 따라 소화슬러지로부터 탈수된 폐수(탈수여액)를 처리하는 데 있어서 산성화(Acidification),알칼리화(Alkalinization) 및 중화(Neutralization)을 포함하는 화학적 처리 방식의 가스제거 시스템(Degassing System)을 적용하는 경우, 상기 산성화 과정을 통해 중탄산암모늄(NH4HCO3) 형태의 강한 결합을 파괴하여 pH 상승을 저해할 수 있는 중탄산염(bicarbonate, HCO3 -)를 미리 제거함으로써, 상기 알칼리화 과정에서 적정한 양의 약품을 사용하는 것만으로도 pH 10.5 ~ 11.0으로 제어할 수 있고, 이러한 pH 상태에서 적정한 교반과 공기의 주입으로 암모늄(NH4 +) 형태의 질소를 암모니아(NH3)로 변환 배출하여 우 95% 이상의 높은 화학적 처리 효율 즉 암모늄 제거 효율을 구현할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 화학적 처리 장치 및 방법의 경우, 암모늄 제거를 위한 이러한 화학적 처리 과정에서 폐수 중 중탄산염(bicarbonate, HCO3 -)의 농도가 거의 제거된 상태이기 때문에 그 후단에서 이루어지는 폐수에 대한 다른 생물학적 처리 효율도 크게 향상될 수 있고, 음식물류 폐기물, 음폐수, 가축분뇨와 음폐수 병합처리, 가축분뇨 등을 포함한 혐기성 소화 시스템을 적용하는 시설에서 모두 적용이 가능하며, 가축분뇨 공공처리시설, 분뇨처리시설 등 고농도 유기성폐수나 폐기물을 처리하는 공정에도 적용이 가능하다.
도 1은 pH 및 온도 변화에 따른 암모늄(NH4 +)에 대한 암모니아(NH3)의 상대농도(relative concentration)를 나타낸 그래프.
도 2는 pH 변화에 따른 총 이산화탄소(CO2) 중 탄산(H2CO3) 양(%)을 나타낸 그래프.
도 3은 pH 변화에 따른 총 황화물 중 황화수소(H2S)의 농도(몰 %)를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 화학적 처리 방식의 가스제거 시스템 및 그 공정도.
도 5는 도 4의 화학적 처리를 위한 반응조의 구조 및 동작도.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 한편, 도면에서 동일 또는 균등물에 대해서는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하였으며, 또한 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명에서와 같이, 고농도 유기성 폐기물에 대한 혐기성 소화 시설에서 배출된 소화슬러지로부터 탈수된 폐수(탈수여액) 중 암모늄(NH4 +) 농도를 처리하기 위한 대부분의 화학적인 방법은 약품을 투입해 소화조에서 배출된 폐수의 pH를 보통 10 이상으로 증가시킨 상태에서 암모늄(NH4 +)을 암모니아(NH3) 가스의 형태로 분리하는 방법이다. 이 경우 탈수여액 중 중탄산염(bicarbonate, HCO3 -)농도가 과다하면 중성을 유지하려고 하는 bicarbonate의 성질 때문에 pH 증가가 어렵고, pH를 증가시키기 위해 많은 양의 약품을 사용하여도 처리 효율이 좋지 않은 결과를 준다. 이에 본 발명은 폐수 중 과다하게 존재하는 중탄산염(bicarbonate,HCO3 -)을 일종의 전처리 공정인 산화(Acidification) 공정을 통해 미리 제거한 후 가스제거(degassing) 공정을 수행함으로써 해당 가스제거 공정에 수반되는 약품 투입량을 적정하게 유지함과 동시에 그 처리 효율을 향상시키는 것을 기본적인 특징으로 한다.
이 경우 암모늄(NH4 +)을 암모니아(NH3) 가스의 형태로 분리하는 화학적 처리 및 그 효율과 관련해서는, pH 및 온도 변화에 따른 암모늄(NH4 +)과 암모니아(NH3)간 상대농도(relative concentration)에 관련된 화학적 반응 특성에 대한 이해와 함께, 또한 중탄산염(bicarbonate, HCO3 -) 제거 시 수반되는 화학적인 반응 특성에 대한 이해가 전제되어야 한다. 이하, 본 발명에 수반되는 주요 화학적 반응 특성에 대해 설명한 후, 이러한 반응 특성에 기초해 본 발명이 제시하고 있는 화학적 처리 방식의 가스제거 시스템(degassing system) 및 동작 예에 대해 순차적으로 상세히 설명한다.
1. 화학적 처리시 고려되는 주요 반응 특성 (도 1, 도 2)
먼저 도 1은 pH 및 온도 변화에 따른 암모늄(NH4 +)에 대한 암모니아(NH3)의 상대농도(relative concentration)를 나타낸 그래프로서, 온도 및 pH가 증가할수록 이온 상태의 암모늄(NH4 +)은 휘발성 기체 상태의 암모니아(NH3(g))로 변환되는 것을 나타낸다. 특히 pH에 따른 NH4 +와 NH3간 상대농도의 변화를 살펴보면, pH가 증가될수록 암모늄(NH4 +)은 감소되고 암모니아(NH3)는 증가되어 pH 약 9.0인 (b) 지점 부근에 도달해서는 NH4 +와 NH3가 평형을 이루게 되어 각각의 농도가 50% 수준으로 농도가 대략 같은 상태이다. 화학적 처리의 주된 목적은 NH4 +를 가능한 한 많이 NH3 가스 형태로 분리하는 것이다. pH 10인 ⓒ 지점을 지난 pH 10.5 ~ 11.0에서는 95 ~ 98%까지 가스의 형태로 변화시키는 것이 가능하다. 물론 pH 11.0에서는 거의 100%가 NH3로 전환되긴 하지만 오히려 후단의 생물학적 공정에 영양물질이 부족한 조건이 될 수 있기 때문에 95% 정도의 처리가 후단 폐수처리를 위해서 가장 효과적인 방법이 될 수 있다. 한편 이론과 실제의 차이가 발생될 수 있기 때문에, 적정 pH 범위는 10.5 ~ 11.0 범위로 유지하는 것이 합리적이라고 할 수 있다.
도 1로부터 pH 10.5 ~ 11.0의 이러한 적정한 범위에서 이론상으로는 95% 이상의 높은 암모늄 제거효율이 예상되지만, 실제 대부분의 화학적 처리 시설은 약 60 ~ 70% 초반 수준의 비교적 낮은 제거효율(약 50%)을 달성하는 것으로 알려져 있다. 그 이유는 과다한 농도의 중탄산염(bicarbonate, HCO3 -),즉 중탄산염에 의한 알칼리도로 인해 pH 9.5 이상으로 증가시키는 것이 어렵기 때문이다. 결과적으로 폐수 중의 알칼리도를 띠는 중탄산염(bicarbonate, HCO3 -)을 제거한다면 높은 암모늄 제거효율을 기대할 수 있다.
한편 도 2는 pH 변화에 따른 총 이산화탄소(CO2) 중 탄산(H2CO3) 양(%)을 나타낸 그래프이고, 도 2로부터 35℃ 폐수의 경우 pH 변화에 따른 화학적 반응은 아래의 화학식 (2)로 표현될 수 있다. 도 2 및 화학식 (2)를 참조할 때, 중탄산염(bicarbonate, HCO3 -)은 pH 4인 ⓐ 지점에서 대부분이 H2CO3로 존재하기 때문에 폐수가 해당 pH 에 놓여진 상태에서 가장 이상적이고, 효과적으로 제거될 수 있음을 알 수 있다.
Figure 112020091844271-pat00002
2. 화학적 처리 방식의 가스제거 시스템(Degassing System) 및 공정도 (도 4)
본 발명에 따른 화학적 처리 방식의 가스제거 시스템(Degassing System)(도 4의 B)은 소화슬러지로부터 탈수된 폐수(탈수여액)를 처리하는 데 관련되며, 특히 산성화(Acidification), 알칼리화(Alkalinization) 및 중화(Neutralization)의 주요 단위 공정을 수행한다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 화학적 처리 방식의 가스제거 시스템 및 그 공정도를 나타낸다.
[STEP I] 산성화(Acidification) - Carbonic acid generation step
본 Step Ⅰ은 탈수여액(폐수) 중 중탄산염(bicarbonate, HCO3 -)을 탄산(carbonic acid, H2CO3)으로 전환 제거하는 단계이다. 소화슬러지로부터 분리된 탈수여액(폐수)에 산성화(acidification)를 위한 약품으로서 예컨대 황산(H2SO4)을 투입 첨가하면, 암모늄(NH4 +)과 결합되어 있던 중탄산염(bicarbonate, HCO3 -)이 분리되어 H2SO4에서 떨어져 나온 수소 이온(H+)과 결합하면서 탄산(carbonicacid, H2CO3)로 전환되며, 이에 따라 암모늄(NH4 +)과 황산염(SO4 2-)은 아래의 화학식 (3)에 따라 분해된 상태로 놓인다. 이 경우 도 2에서 확인될 수 있는 바와 같이 pH 4.0에서 중탄산염(bicarbonate)은 탄산(H2CO3)으로 모두 전환 제거된다. 상기 산성화를 위한 약품으로는 예시된 황산(H2SO4) 이외에 염산(HCl)을 비롯한 다양한 산성 약품으로 대체 사용될 수도 있다.
Figure 112021017358461-pat00011
삭제
[STEP II] 알칼리화(Alkalinization) - Degassing step
본 Step Ⅱ에서는 탈수여액(폐수) 중 이온 상태의 암모늄(NH4 +)을 가스 상태의 암모니아(NH3)로 전환 배출하는 단계이다. 구체적으로 상기 Step I을 거친 탈수여액(폐수)에 알칼리화(alkalinization)를 위한 약품으로서 예컨대 수산화나트륨(NaOH)을 투입 첨가하여 pH 10.5 ~ 11.0의 범위로 조절하면, 암모늄(NH4 +)에 대한 암모니아(NH3)의 상대농도가 증가된 상태에 놓이게 되고, 이 상태에서 공기를 주입함으로써 아래의 화학식 (4)에 따라 가스 상태의 암모니아(NH3)가 외부로 배출된다. 이 경우, 앞서 Step 1에서 중탄산염(bicarbonate, HCO3 -)이 미리 제거된 상태에서 수산화나트륨(NaOH)을 투입하기 때문에 그 투입량을 적정하게 유지하면서 pH가 높은 상태로 신속히 유도할 수 있고, 앞서 도 1에서 확인할 수 있는 바와 같은 pH 10.5 ~ 11.0의 높은 pH 상태에서 95% 이상의 높은 암모늄 제거효율을 달성할 수 있다. 상기 알칼리화를 위한 약품으로는 예시된 수산화나트륨(NaOH) 이외에 수산화칼슘(Ca(OH)2) 및 소석회(CaO)를 비롯한 다양한 양품이 대체 사용될 수도 있다.
Figure 112021017358461-pat00012
한편 상기 화학식 (4)에 따르면, 가스 상태의 암모니아(NH3)외에 황화수소(H2S), 산소(O2) 및 이산화탄소(CO2) 등의 여러 배출 가스가 수반되며, 이러한 배출 가스 중 암모니아(NH3)외에 황화수소(H2S)는 비료의 원료 성분인 황화수소암모늄((NH4)2SO4)형태로 합성될 수 있다. 또한 배출 가스 중 총 황(sulfide)은 도 3에서 확인할 수 있는 바와 같이 pH 10.5 ~ 11.0의 범위에서 98 ~ 100%가 H2S 가스로 배출되기 때문에 배출 가스들에 대한 처리 시 폐수 중의 악취문제도 함께 해결될 수 있다.
[STEP III] 중화(Neutralization) - Neutralization step
본 Step Ⅲ는 상기 Step Ⅱ를 거친 pH 10.5 ~ 11.0의 범위의 알칼리성 폐수여액(폐수)를 후단의 생물학적 처리를 위해 중화하는 단계이다. 중화를 위한 약품으로는 예컨대 황산(H2SO4)이 사용될 수 있고, 이에 따라 폐수는 pH (pH 8~9)의 중성 부근으로 조절된다. 황산(H2SO4) 투입에 의한 중화반응으로 다음 화학식 (5)로 표현된다. 마찬가지로, 중성화를 위한 약품으로는 예시된 황산(H2SO4) 이외에 염산(HCl)을 비롯한 다양한 약품이 대체 사용될 수도 있다.
Figure 112020091844271-pat00005
이상과 같이 도 4의 화학적 처리 방식의 가스제거 시스템(Degassing System)을 적용하여 소화슬러지 탈수여액(폐수)에 대해 산성화(acidification), 알칼리화(alkalinization) 및 중화(neutralization)의 3단계를 모두 거친다면, 과대한 양의 중탄산염을 제거하여 암모늄(암모니아성 질소)의 화학적 처리 효율을 향상될 수 있고 또한 이러한 방해물질이 제거되면 후단의 생물학적 처리 공정에서의 효율성의 향상도 기대될 수 있다.
3. 화학적 처리 방식의 가스제거 시스템(Degassing System)의 가동예 (도 4 및 도 5)
도 4 및 도 5에 기초해 본 발명의 실시예에 따른 화학적 처리 방식의 가스제거 시스템에 가공 과정에 대해 보다 구체적으로 설명한다. 도 5는 도 4의 화학적 처리를 위한 반응조의 개략적인 구조도를 나타낸다.
a) 가스제거 시스템(B)을 가동하기 위해서는 고형물 제거가 선행되고, 균등조(A)로 이송되고 난 후, 가스제거 시스템(B)의 가동이 시작된다. 균등조(A)에 반입 및 저장된 폐수는 화학적 처리를 위해 펌프로 가스제거 시스템(B)으로 이송된다.
b) 가스제거 시스템(B)의 단위 공정을 수행하기 위한 반응조의 기구적 구성은 도 5에 도시되어 있고, 도면의 주요부분에 대한 기능은 다음과 같다. 상기 반응조(Degassing Reactor)는 완전혼합과 효율적인 화학반응을 위하여 각각 90°방향으로 4개의 배플(baffle, 01), 모터와 교반기(02)가 구성되고, 공기공급시스템(05), 반응 후의 가스는 가스배출배관(11)을 통해 반출되어 액체비료 등의 제조를 위한 후단의 배출가스 처리공정(12)으로 보내질 수 있다. 가스제거 시스템(B)의 단계적인 화학적 반응을 위해서는 산 저장조(03)와 알칼리 저장조(04)가 필요하며, 여기서는 pH 조절에 따른 화학반응을 제어하는데 사용되는 약품으로 산의 경우 황산(H2SO4) 및 염산(HCl)이, 알칼리의 경우 가성소다(NaOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2) 및 소석회(CaO) 등이 사용될 수 있다. 공기공급을 통해 화학반응과정에서 우려되는 온도 저하를 방지하기 위하여 폐수의 온도조절에 보일러(06)가 이용된다. 폐수배출배관(09), 그리고 폐수배출시 반응조(degassing reactor) 내부의 압력이 급격하게 저하되지 않도록 압력조절장치(08) 등이 구비된다.
c) 가스제거 시스템(B)은 밀실의 설치는 지양하고 환기가 많이 이루어지는 가능하면 오픈된 공간에 설치하고 매일 점검이 필요하다.
d) 가스제거 시스템(B)에 구비되는 반응조(degassing reactor)는 단일로 구성되거나 또는 폐수에 존재하는 중탄산염(bicarbonate, HCO3 -)과 암모늄(NH4 +)을 화학적으로 연속성 있는 처리를 위하여 2개 또는 그 이상의 반응조(a, b)가 병렬로 구성될 수 있고 균등분배하여(2개의 반응조의 경오 각각 50%씩) 나누어 처리될 수도 있다. 복수의 반응조(degassing reactor) 각각은 도 4에 도시된 산성화(acidification), 알칼리화(Alkalinization) 및 중화(Neutralization) 의 세 단계를 독립적으로 수행한다.
e) 먼저 도 4 및 도 5의 Step I에 따라 암모늄(NH4 +)과 강하게 결합되어 있는 중탄산염 이온(bicarbonate ion, HCO3 -)을 제거하기 위하여 산 저장조(03)로부터 pH4에 도달할 때까지 황산(H2SO4)이 투입되면, 중탄산염(bicarbonate, HCO3 -)은 탄산(H2CO3)로 전환되면서 제거된다.
f) 다음으로 도 4 및 도 5의 Step Ⅱ에 따라 알칼리 저장조(04)로부터 pH 10.5 ~ 11.0에 도달할 때까지 수산화나트륨(NaOH)이 투입된다. 이 과정에서 공기공급시스템(05)을 통해 공기를 공급하면 이온 상태의 암모늄(NH4 +)이 가스 상태의 암모니아(NH3)로 전환되어 H2S, O2, CO2 등의 다른 배출 가스 및 수분(H2O)이 함께 배출된다. 이 경우, 전체적으로 pH 조절을 위해 모터와 교반설비(02)가 설치되어야 하고 탈기가 잘 이루어질 수 있도록 공기공급시스템(05)을 갖추어야 하며, 공기공급에도 35℃의 온도가 잘 유지될 수 있도록 보일러(06)를 설치하여 자동온도조절이 이루어지도록 한다. 이러한 Step Ⅱ의 가스제거 단계에서는 적정량의 암모늄(NH4 +)이 제거될 수 있도록 최적의 반응시간과 적정량의 산 및 알칼리의 적정량을 도출하여 운전을 최적화한다.
g) 최종적으로 도 4 및 도 5의 Step III의 중화(neutralization) 단계에서는 생물학적 처리를 위해 폐수의 중성 부근의 pH 8 ~ 9에 도달할 때까지 산 저장조(03) 로부터 황산(H2SO4)이 투입된다.
h) 도 4를 참조할 때, 가스제거 시스템(B)에 의한 상술한 Step I ~ Step III의 모든 단계가 완료되어 중성으로 되면, 현탁된 상태가 개선되면서 미세한 고형물이 다시 보이기 시작한다. 이들은 고분자 응집제(07)를 공급하여 가압부상시스템(C)으로 농축하여 탈수기(10)로 이송될 수 있다. 탈수공정 이후에는 생물학적 처리를 위해 균등조(D)로 이송됨으로써, 상술한 가스제거 시스템(B)을 포함해 구성되는 전체 화학적 처리 공정이 완료된다.
이상과 같이 본 발명에 따라 소화슬러지로부터 탈수된 폐수(탈수여액)를 처리하는 데 있어서 산성화(acidification), 알칼리화(alkalinization) 및 중화(neutralization)를 포함하는 화학적 처리 방식의 가스제거 시스템(degassing system)을 적용하는 경우, 상기 산성화 과정을 통해 중탄산 암모늄(NH4 +)과 중탄산염(HCO3 -)의 강한 결합을 파괴하여 pH 상승을 저해하는 중탄산염(bicarbonate, HCO3 -)을 미리 제거하게 된다. 상기 알칼리화 과정에서는 적정량의 약품을 사용하여 pH 10.5 ~ 11.0으로 제어할 수 있다. 이러한 pH 상태에서 공기를 주입해 암모니아(NH3)로 배출하여 질소를 제거하는 경우 95% 이상의 높은 화학적 처리 효율 즉 암모늄 제거 효율을 구현할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 화학적 처리 장치 및 방법의 경우, 암모늄 제거를 위한 이러한 화학적 처리 과정에서 폐수 중 중탄산염(bicarbonate, HCO3 -)의 농도가 대부분 제거된 상태이기 때문에 그 후단에서 이루어지는 폐수에 대한 다른 생물학적 처리 효율도 크게 향상될 수 있고, 음식물류 폐기물, 음폐수, 가축분뇨와 음폐수 병합처리, 가축분뇨 등을 포함한 혐기성소화 시스템을 적용하는 시설에서 모두 적용이 가능하며, 가축분뇨 공공처리시설, 분뇨처리시설 등 고농도 유기성폐수나 폐기물을 처리하는 공정에도 적용이 가능하다.
이상의 설명은, 본 발명의 구체적인 실시예에 관한 것이다. 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 상기 실시예는 설명의 목적으로 개시된 사항으로서 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되지는 않으며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질을 벗어나지 아니하고 다양한 변경 및 수정이 가능한 것으로 이해되어야 한다. 따라서 이러한 모든 수정과 변경은 특허청구범위에 개시된 발명의 범위 또는 이들의 균등물에 해당하는 것으로 이해될 수 있다.
A: 균등조
B: 가스제거 시스템
C: 가압부상 시스템
D: 생물학적 처리용 균등조
01: 배플
02: 모터 및 교반기
03: 산 저장조
04: 알칼리 저장조
05: 공기공급시스템
06: 보일러
07: 고분자응집제
08: 압력조절장치
09: 폐수배출배관
10: 탈수기
11: 가스배출배관
12: 배출가스처리공정

Claims (4)

  1. 유기성 폐기물을 처리하여 슬러지로 전환하는 혐기성 소화시설에서 배출된 소화슬러지의 탈수여액을 화학적 처리과정에 의해 암모늄을 제거하는 방법으로서,
    a) 상기 탈수여액 중 중탄산염(bicarbonate,HCO3 -)을 탄산(carbonic acid, H2CO3)로 전환 제거하는 제1 단계;
    b) 상기 제1 단계를 거친 탈수여액 중 이온상태의 암모늄(NH4 +)을 가스 상태의 암모니아(NH3)로 전환 배출하는 제2 단계; 및
    c) 상기 제2 단계를 거친 탈수여액을 중화하는 제3 단계
    를 포함하고,
    상기 제1 단계는,
    상기 탈수여액에 황산(H2SO4)을 첨가하여 pH를 4.0으로 조절함으로써, 하기의 화학식
    Figure 112021066694389-pat00013

    에 따라, 탈수여액에 포함된 암모늄(NH4 +)과 결합되어 있던 중탄산염(HCO3 -)이 분리되어 황산(H2SO4)에서 떨어져 나온 수소 이온(H+)과 결합하면서 탄산(H2CO3)으로 전환되고,
    상기 제2 단계는,
    상기 (a) 단계를 거친 탈수여액에 pH 10.5 ~ 11.0에 도달할 때까지 수산화나트륨(NaOH)을 투입하면서 공기를 주입함으로써, 하기의 화학식
    Figure 112021066694389-pat00014

    에 따라, 이온 상태의 암모늄(NH4 +)을 가스 상태의 암모니아(NH3)로 전환 배출하고, 이와 함께 황화수소(H2S)를 배출하는 것을 특징으로 하는 암모늄 제거 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제3 단계는 황산(H2SO4) 및 염산(HCl)으로부터 선택되는 중화 약품을 첨가하여 상기 탈수여액을 pH 8 ~ 9로 조절하는 것을 특징으로 하는 암모늄 제거 방법.
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