KR19990059469A - 질산화 및 탈질 반응이 분리된 생물여과 처리장치 - Google Patents

Abstract

1. 청구 범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

질산화 및 탈질 반응이 분리된 생물여과 처리장치.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

질산화 및 탈질 처리 능력을 향상시켜 양질의 처리수를 얻고자 함.

3. 발명의 해결방법의 요지

여재가 충진된 여재충진층과 여재의 유출을 방지하기 위한 스트레이너와 공기를 공급하는 공기주입노즐과 슬러지의 배출을 위한 밸브를 포함하는 적어도 두개의 반응조를 구비하되, 전단의 제1반응조는 원수와 후단의 제2반응조로부터 반송된 질산화된 처리수를 유입받아 유기물 산화 및 탈질 반응이 이루어지도록 하고, 상기 제2반응조는 상기 제1반응조로부터 유입된 폐수중 질소 성분을 산화 처리하며, 상기 제2반응조로부터 배출된 처리수는 반송수단에 의해 상기 제1반응조로 반송되도록 한다.

4. 발명의 중요한 용도

폐하수 처리 시스템에 이용됨.

Description

질산화 및 탈질 반응이 분리된 생물여과 처리장치

본 발명은 폐하수 처리 시스템에서 질산화 및 탈질 반응이 분리 수행되도록 한 생물여과 처리장치에 관한 것으로, 특히 폐하수 내에 포함된 질소를 생물학적으로 제거하기 위해 질산화 반응을 유기물 산화 및 탈질 반응과 공간적으로 분리시켜 별도의 반응조 내에서 질산화 및 탈질 반응이 각각 진행되도록 한 폐하수 처리 시스템에서의 생물여과 처리장치에 관한 것이다.

폐하수 처리 시스템에서 생물여과 처리장치는 여재가 충분된 반응조 내에 폐하수를 통과시켜 부유물질을 여과하면서 동시에 여재 표면에 형성된 미생물막의 생물학적 대사작용에 의해서 유기물 등을 분해 제거한다.

도 1은 이러한 생물여과 과정을 설명하기 위한 개략적인 도면으로서, 도면에서 1은 여재, 2는 미생물막, 3은 부유물질, 4는 공기를 각각 나타낸다.

일반적으로 생물여과 처리장치는 여재(1) 표면에 부착된 미생물막(2)에 의해 용존 유기물과 부유 물질이 제거된다. 생물여과 처리장치는 반응조 내의 폐하수의 흐름방향에 따라 하향류와 상향류로 크게 나누어 지며, 폐하수 증의 유기물과 부유물질 외에도 질소(암모니아성 질소, 질산성 질소)성분과 인을 제거할 수 있는 것으로 알려져 있다.

여재(1)가 충진되 여재충진층 사이로 폐수를 흘려 보내고, 공기(4)를 공급하면 여재층 표면에 미생물막(2)이 형성되고, 과잉 성장한 미생물 슬러지나 폐수중의 부유물질(3)이 여재충진층 사이에서 걸러진다. 한편 용존되어 있는 유기물은 미생물막(2)등에 의해 분해 제거된다.

도 2는 종래의 부유성 여재를 사용한 유기물과 질소 성분을 제거하는 상향류 형태의 생물여과 처리장치를 개략적으로 나타낸 도면으로서, 도면에서 5는 여재충진층, 6은 공기주입노즐, 7은 스트레이너, 8은 처리수조, 9는 처리수 재순환라인, 10은 처리수 순환펌프, 11은 슬러지 배출 밸브, 12는 원수 주입 밸브, 13은 처리수 배출 라인을 각각 나타낸다.

생물여과 처리장치내에는 미생물이 부착될 수 있고, 비중(0.03-0.1g/cm³)이 물보다 낮은 부유성 여재(직경이 약 1-10mm 정도)가 2 내지 3m높이로 충진된 여재충진층(5)이 설치된다. 그리고, 원수 주입 밸브(12)를 이용해 폐하수를 여재충진층(5)의 아래에서부터 위로 흘려 보내고, 이와 동시에 여재충진층(5)의 약 중간 지점부터 공기주입노즐(6)을 통해 공기를 공급한다. 이렇게 되면 공기가 공급되는 여재충진조(5) 상단부의 여재 표면에는 호기성(aerobic) 미생물이 주로 성장하고 동시에 고정화되면서 유기물을 산화하는 종속 영양제(heterotroph) 미생물과 암모니아성 질소를 산화시키는 독립 영양체(autotroph) 미생물의 주종인 생물여과층이 형성된다.

한편, 생물여과 처리장치 내에는 물 보다 가벼운 여재의 유출을 방지하기 위하여 여재충진층(5) 상부에 스트레이너(7)가 설치되며, 스트레이너(7)의 상부에는 처리수 저장조(8)가 위치한다.

유기물과 암모니아성 질소를 포함한 원수는 생물여과 처리장치에서 산화되어 유기물은 이산화탄소(CO₂)와 미생물로 전환되며, 암모니아성 질소 중 일부는 미생물로 전환되고 나머지는 산화되어 아질산성 질소(NO₂ ^-)를 거쳐 질산성 질소(NO₃ ^-)로 변환되어 배출된다. 암모니아성 질소가 이와 같이 질산성 질소로 변환되는 과정을 질산화(nitrification)라고 한다. 질산성 질소는 여전히 부영양화 등 질소에 의한 피해를 끼칠 수 있기 때문에 최종적으로 질소(N₂)로 환원되어 대기중으로 배출되어야 한다. 이러한 환원 반응은 미생물에 의한 일종의 호기 대사(aerobic metabolism)로 적절한 전자공여체(electron donor)가 제공되어지는 조건하에서 전자수용체(electron acceptor)로 아질산성 이온이나 질산성 이온을 이용하여 종속 영양체(heterotroph) 미생물에 의하여 이루어 지는데, 이러한 과정을 탈질(denitrification) 과정이라 한다.

여기서, 미생물의 성장 속도를 비교해 보면 독립 영양제(autotroph) 미생물인 질산화균은 종속 영양제(heterotroph) 미생물인 유기물 산화균이나 탈질균에 비해 1/5 내지 1/10 정도로 느리게 성장한다. 그리고, 반응속도도 느리기 때문에 대부분의 경우 질산화 단계가 전체 질소 제거 반응의 율속단계가 된다.

한편, 생물여과 처리장치 내에서 공기가 공급되지 않은 여재충진층(5)을 포함하는 아래쪽 부분은 용존 산소가 없는 문산소조 상태에서 원수 주입 밸브(12)를 통해 원수가 유입되면 원수의 유기물이 미생물에 의해 분해되면서 혐기성 상태가 된다.

그러나, 질소 성분을 최종적으로 제거하기 위해서는 처리되어 배출라인(13)을 통해 배출되는 배출수 중 질산성 이온을 탈질시켜야 되는데, 이를 위해 배출수를 처리수 재순환라인(9)과 처리수 순환 펌프(10)를 이용해 무산소조인 반응조의 아래 부분으로 주입시켜 원수와 접촉하면서 탈질이 일어나도록 한다.

한편, 여재충진층(5) 내에서는 부유물의 여과와 함께 여재 표면에서 미생물 대사가 활발히 진행되면서 여재충진층(5)에 부유물과 잉여 미생물 슬러지가 계속 증가된다. 이것이 지속되면 여재충진층(5)을 통과하는 처리수의 수질이 나빠지고 여재충진층(5)내에 압력손실이 유발되어 처리수 양이 감소하게 된다.

따라서, 슬러지 배출 밸브를 조절하여 여재충진층(5) 하부로 처리수를 낙하시켜 부유성 여재의 유동을 유발시켜, 여재충진층(5) 사이에 쌓인 부유 고형물인 슬러지를 여재충진층으로부터 분리시켜 제거하는 역세척 과정을 주기적으로 수행하여야 한다.

이와 같은 종래의 생물여과 처리장치에서는 성장 소도가 느린 질산화균을 적정 농도로 보유하기가 어려운 문제점이 있다. 즉, 유기물 산화나 탈질 미생물인 종속 영양체(heterotroph) 미생물이 질산화 미생물인 독립 영양체(autotroph) 미생물에 비해 성장 속도가 월등히 빠르다. 따라서, 질산화 속도를 높이기 위해서는 질산화균의 농도를 높이는 것이 바람직하나, 하나의 반응조 내에 유기물 산화균과 질산화균이 같이 존재하고, 또한 주기적인 역세척을 수행해야 하므로 질산화균의 농도를 높이는 데에는 문제가 있다. 여기서, 역세척 주기는 주로 여과층 사이의 손실수두의 높이에 따라 결정되고, 손실수두는 제거된 부유물질의 양이나 과잉성장한 미생물의 양에 의해 결정되며, 미생물의 대부분은 유기물 산화균이므로, 질산화균을 안정된 농도로 유기하기 위해서는 긴 슬러지 체류시간이 필요하다. 그러나, 역세척 주기는 유기물 산화균의 성장 속도에 주로 의존하게 되므로 질산화균은 점점 제거되게 되어 질산화 속도는 감소하게 된다. 또한, 질산화 단계의 배출수는 용존 산소 농도가 높아 이를 반송라인을 통해 유입시켜 탈질반응을 시키는 경우 용존 산소에 의해 탈질 반응에 저해 현상을 나타나게 된다.

따라서, 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 폐하수 내에 포함된 질소를 생물학적으로 제거하기 위해 질산화 반응을 유기물 산화 및 탈질 반응과 공간적으로 분리시켜 별도의 반응조 내에서 질산화 및 탈질 반응이 각각 진행되도록함으로써, 양질의 처리 수질을 얻을 수 있는 생물여과 처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 생물여과방법을 설명하기 위한 개략적인 도면.

도 2는 종래의 유기물 및 질소를 제거하는 생물여과 처리장치의 개략적인 구성도.

도 3은 본 발명에 따른 질산화 및 탈질반응이 분리된 생물여과 처리장치의 개략적인 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 여재2 : 미생물학

3 : 과잉 슬러지, 부유물질4 : 공기

5 : 여재충진층6 : 공기주입노즐

7 : 스트레이너8 : 처리수조

9 : 처리수 재순환라인10 : 처리수 순환 펌프

11 : 슬러지 배출밸브21, 22 : 반응조

23 : 원수 처리수 순환 혼화조24 : 압력계 또는 타이머

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 여재가 충진된 여재충진층과 여재의 유출을 방지하기 위한 스트레이너와 공기를 공급하는 공기주입노즐과 슬러지의 배출을 위한 밸브를 포함하는 적어도 두 개의 반응조를 구비하되, 전단의 제1반응조는 원수와 후단의 제2반응조로부터 반송된 질산화된 처리수를 유입받아 유기물 산화 및 탈질 반응이 이루어지도록 하고, 상기 제2반응조는 상기 제1반응조로부터 유입된 폐수중 질소 성분을 산화처리하며, 상기 제2반응조로부터 배출된 처리수는 반송수단에 의해 상기 제1반응조로 반송되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 질산화 반응조와 탈질 반응조로 별도 분리한 생물 여과 처리장치의 개략적인 구성도이다.

도 3의 도면 부호 중 도 2와 동일한 도면 부호는 동일한 기능 및 부분을 나타내는 것으로, 이하의 설명에서는 그 기능 설명을 생략하기로 한다.

도 3에서 도면 부호 21은 탈질 반응조인 제1 반응조이고, 22는 질산화 반응조인 제2반응조이며, 23은 원수와 처리수 순환 혼화조, 24는 압력계 또는 타이머를 각각 나타낸다.

본 발명의 가장 큰 특징은 유기물 산화와 탈질 반응 단계를 질산화 단계와 공간적으로 분리한 것이다. 즉, 본 발명에서는 여재충진조(5)와 공기주입밸브(6), 스트레이너(7) 및 슬러지 배출 밸브(11)를 각각 구비한 반응조 두 개를 구비하여 제1반응조(21)에서는 유기물 산화 및 탈질 반응이 이루어지도록 하고, 제2반응조(22)에서는 암모니아성 질소의 질산화 반응이 이루어지도록 한다. 또한, 본 발명에서는 각 생물여과 장치의 역세척 과정을 별도 설치된 압력계 혹은 타이머(17)에 의해 각각 처리되도록 하였으며, 따라서 역세척 주기도 두 반응조가 서로 다르게 된다.

제2반응조인 질산화 반응조(22)에서는 제1반응조(21)에서 이미 생물여과 과정이 수행된 폐하수가 도입되므로 상당량의 부유물이 제거되었기 때문에 여재의 크기를 작게 해도 손실수두가 빨리 증가하지 않으며, 좋은 처리 수질을 얻을 수 있다. 마찬가지로, 제1반응조(21)의 여재의 크기를 제2반응조(22)의 여재의 크기에 비해 크게 하여 역세척 주기를 연장할 수 있다. 즉, 본 발명의 가장 바람직한 실시예에서는 제1반응조(21)의 여재 직경을 약 5 내지 20mm로 하였으며, 제2반응조(22)의 여재 직경을 약 1 내지 10mm로 하였다.

또한, 본 발명에서는 질산성 이온이 함유된 제2반응조(22)의 배출수의 용존산소가 높기 때문에 직접 탈질 반응조인 제1반응조(21)에 유입시키지 않고 순환 혼화조(23)에 의해 원수와 처리수를 섞어 용존 산소 농도를 낮춘후 유입시킴으로써, 제1반응조(21)에서의 산소에 의한 탈질 반응의 저해가 발생되지 않도록 방지한다.

다음 도 3을 참조하여 본 발명의 구성을 보다 상세히 살펴보면, 제1반응조(21)는 종래의 반응조와 같이 여재충진층(5)의 중간 지점에 반응조내에 공기를 공급하기 위한 공기 주입노즐(6)이 설치되며, 여재충진층(5)의 상부에는 여재의 유출을 방지하기 위한 스트레이너(7)가 설치된다. 그리고, 제1반응조(21)의 맨 하위 부분에는 역세척 및 슬러지 배출을 위한 밸브(11)가 설치되며, 또한 역세척 시기를 결정하기 위한 압력계(24)가 설치된다. 한편, 이 압력계는 타이머로 대체되어 시간 주기에 따라 역세척이 이루어지도록 할 수 있다.

제1반응조(21)로 유입되는 물은 순환 혼화조(23)에 의해 원수와 제2반응조(22)에서 배출되어 반송되는 처리수가 혼합된 물이다.

제1반응조(21)에서 처리된 물은 제2반응조(22)의 유입되어 질산화 과정이 수행된다.

제2반응조(22)는 제1반응조(21)와 동일한 구성을 갖되, 다른점은 공기주입노즐(6)이 여재충진층(5)의 아래 부분에 설치되어, 여재충진층(5)이 모두 호기성 반응조가 되도록 한다. 제2반응조(22)에서 배출된 배출수는 탈질 반응을 위해 재순환라인(9)과 순환펌프(10)에 의해 순환 혼화조(23)로 유입된다.

본 발명의 출원인은 본 발명의 효과를 검증하기 위해 원수의 수질이 BOD 200mg/L, SS 200mg/L, 총질소 40mg/L인 폐수를 기준으로 하루 50톤의 처리용량을 갖는 생물여과장치를 다음의 표 1과 같은 크기로 설계, 제작하여 실험하였다.

[표 1]

이와 같은 장치에서 평균 공기 공급 속도는 0.1m³/m²·min였고, 실험기간 동안 평균 수온은 15℃였다. 이때 처리 장치에 도입되는 원수의 각 단계의 배출 수질은 다음의 표 2와 같다.

[표 2]

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 종래 생물여과장치의 구조를 개량 질산화 반응을 유기물 산화 및 탈질 반응과 공간적으로 분리시켜 별도의 반응조 내에서 질산화 및 탈질 반응이 각각 진행되도록함으로써, 종래에 비해 질소 제거 처리 능력이 월등히 우수한 효과가 있다.

Claims (8)

1. 여재가 충진된 여재충진층과 여재의 유출을 방지하기 위한 스트레이너와 공기를 공급하는 공기주입노즐과 슬러지의 배출을 위한 밸브를 포함하는 적어도 두개의 반응조를 구비하되, 전단의 제1반응조는 원수와 후단의 제2반응조로부터 반송된 질산화된 처리수를 유입받아 유기물 산화 및 탈질 반응이 이루어지도록 하고, 상기 제2반응조는 상기 제1반응조로부터 유입된 폐수중 질소 성분을 산화 처리하며, 상기 제2반응조로부터 배출된 처리수는 반송수단에 의해 상기 제1반응조로 반송되는 것을 특징으로 하는 생물여과 처리장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 및 제2반응조에는 손실 수두에 따라 역세척이 수행되도록 각각 입력계가 설치된 것을 특징으로 하는 생물여과 처리장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1 및 제2반응조에는 소정의 시간 주기에 따라 역세척이 수행되도록 각각 타이머가 설치된 것을 특징으로 하는 생물여과 처리장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 반송수단에 의해 반송된 상기 제2반응조의 배출수를 유입되는 원수와 혼합시켜 상기 제1반응조로 유입시키는 순환 혼화조를 더 구비한 것을 특징으로 하는 생물여과 처리장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 제2반응조는 상기 여재충진층의 맨 하단에 상기 공기주입노즐이 설치되어 호기성 반응조로 동작되도록 구성된 것을 특징으로 하는 생물여과 처리장치.
6. 제4항에 있어서,

   상기 제1반응조에 충진된 여재의 직경을 상기 제2반응조에 충진된 여재의 직경보다 크게 하여 반응조내의 공극율을 높임으로써, 역세척 주기를 길게 갖도록 한 것을 특징으로 하는 생물여과 처리장치.
7. 제6항에 있어서,

   상기 제1반응조에 충진된 여재의 직경을 약 5 내지 20mm로 한 것을 특징으로 하는 생물여과 처리장치.
8. 제6항에 있어서,

   상기 제2반응조에 충진된 여재의 직경을 약 1 내지 10mm로 한 것을 특징으로 하는 생물여과 처리장치.