KR19990069310A

KR19990069310A - 초곡속 응집침전형 오폐수 처리 장치 및 이를 이용한 오폐수의 처리방법

Info

Publication number: KR19990069310A
Application number: KR1019980003462A
Authority: KR
Inventors: 윤태일
Original assignee: 윤태일
Priority date: 1998-02-06
Filing date: 1998-02-06
Publication date: 1999-09-06
Also published as: KR100313187B1

Abstract

본 발명은 건기의 하수는 물론 우기의 우류수를 포함한 모든 오폐수를 응집침전함으로써 호소,하천, 바다로 유입되는 유기물질, 총 인 , 총 질소, 부유물질의 부하량을 삭감하여 호소의 부영양화와 연안의 적조예방에 기여함을 목적으로 한다. 본 발명에 따르면 긴 체류시간의 폭기식 저류조에서 생물학적 처리를 한 후 점토광물계 응집제와 무기응집제와 고분자응집제를 사용하여 응집시킬 때, 스크래퍼가 설치된 경사판 침전조에서 침전된 슬러지를 앞단의 반응조로 1% - 20%반송함으로써 월류 속도를 60m/hr까지 증가시켜 콤팩트한 처리시설로 매우 빠른 속도로 응집침전처리가 가능하게 된다. 본 방법으로 많은 양의 빗물까지 처리하면서 총 인의 농도를 호소의 부영양화 예방을 위해 방류되어야 하는 기준농도인 50 ppb 이내로 낮출 수 있다.

Description

고속 응집형 오폐수 처리 장치 및 이를 이용한 오폐수의 처리 방법

본 발명은 고속 응집형 오폐수 처리 장치 및 이를 이용한 오폐수의 처리 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 오폐수를 응집 처리함에 있어서, 강우시, 통상 처리 속도의 10 배 이상으로 오페수를 신속히 응집 처리할 수 있는 고속 응집형 오폐수 처리 장치 및 이를 이용하여 오폐수중에 함유된 인을 낮은 농도로 처리하는 오폐수의 처리 방법에 관한 것이다.

현재, 오폐수로 인한 환경 오염 정도는 매우 심각한 상황이며, 이를 해결하기 위해 각국 정부에서는 하수 종말처리장, 공단폐수 종말처리장, 분뇨처리장, 축산폐수 종말처리장 등 각종 환경기초시설의 설치에 많은 예산을 투입하고 있으며, 산업폐수의 배출허용기준을 강화하고 수질총량제를 실시하는 등 산업폐수의 배출에 대한 규제를 강화해오고 있는 실정이다. 그러나 상수원으로 사용되고 있는 대규모 하천형 호소들은 유역내 각종 오염물질의 과다한 유입과 긴 체류시간, 호소의 특이한 수리적 특성등으로 인하여 오염의 정도는 날로 악화되고 있다.

한국의 팔당호와 같은 중,하류에 위치한 하천형 호소의 경우 유역내의 점오염원에서 발생되는 하수 및 폐수만을 처리해서는, 설령 이를 거의 전량을 처리한다 해도 부영양화를 피할 수 없게 된다. 왜냐하면 이 경우 부영양화에 대한 제한 인자는 인의 농도이며 인은 갈수기에 하수 및 폐수를 타고 유입되는 양보다 빗물에 씻겨 유입되는 양이 훨씬 더 많기 때문이다. 따라서 점오염원에서 발생되는 하수 및 폐수는 물론 가능한한 대부분의 우류수까지 함께 처리해야 되며 처리수질도 BOD 10 mg/L, COD 10 mg/L 등 유기물질의 농도보다는, 총 질소 7 mg/L, 총 인 0.05 mg/L등 부영양화의 중요한 인자들에 대하여 만족되어야 한다. 특히 총 인의 농도가 하천형 호소의 부영양화의 제한 인자이므로 총 인의 부하량을 삭감하기 위한 처리가 필수적이다.

지금까지 설치된 한국내의 하수처리장은 거의 대부분 표준활성슬러지법 혹은 장기폭기법으로 되어 있는데 이들 처리방법은 총 인의 제거효율이 10 - 20 %로 대단히 낮으며, 특히 강우시에 우류수는 전혀 처리하지 않고 그대로 방류함으로써 문제를 발생시키고 있다.

하수와 우류수중의 총 인을 매우 낮은 농도로 처리하여 총 인의 부하량을 삭감할 수 있고 낮은 유기물 농도를 지닌 하수나 우류수의 처리에 적합한 처리 방법으로는 응집 침전 처리 방법이 있다. 한국에서는 하수의 물리화학적 처리가 거의 시도되고 있지 않지만, 프랑스 등 유럽 각국에서는 도시하수의 응집 침전에 의한 물리화학적 처리가 많이 시행되고 있다. 이러한 물리화학적 처리는, 물리적 처리만 하는 하수처리장의 처리수질 향상을 위한 경우, 하수처리장이 유기물부하나 유량부하에 있어서 과부하인 경우, 강화된 방류수질 기준을 만족시키기 위하여 기존 시설의 개선이 필요한 경우, 신설되는 하수처리장의 경우, 총 인의 제거효율을 높여야 되는 경우, 유량의 변동이 크거나 간헐적으로 유입될 경우 특히 해수욕장처럼 여름 한철에만 하수가 다량 발생되는 경우, 산업폐수가 유입되어 생물학적 처리공정에 충격을 줄 경우, 기온이 낮아서 생물학적 처리가 어려운 기간이 긴 추운 지방의 경우, 부근에서 값싸게 응집제로 사용할 수 있는 약품을 부산물로 얻을 수 있는 경우, 처리수가 바다로 유입되는 경우 등 매우 다양한 경우에 적용되고 있다.

종래에, 총 인을 제거하기 위해서 소석회를 응집제로 사용하는 알카리 응집법이 많이 이용되어 왔다. 소석회는 높은 pH에서 인 뿐만 아니라 입자성 물질과 용해성 오염물질의 일부를 함께 제거해 주기 때문에 매우 효과적인 응집제로 간주되고 있다. 유럽 각국 및 미국에서는, 소석회를 이용하는 도시하수의 응집처리 방식을 기온이 낮은 산악지방, 인구변동이 심한 해안 휴양도시 등의 하수처리에 많이 적용하고 있다. 예컨대, 프랑스에서는 해안선을 따라 깐느, 루앙 등의 비교적 큰 도시를 포함하여 1981년에 이미 80개 이상이 이 방법을 택하여 부유물질과 인의 80 - 95% 와 BOD, COD의 60 -75% 를 처리하고 있다. 특히 스웨덴에서는 하수중의 인의 제거를 법으로 정하여 규제하고 있어 응집처리를 하는 하수처리장이 많이 건설되었다.

그러나 기존의 응집 침전 처리공정으로는 차집되어오는 도시하수를 처리할 수는 있지만, 우기에 건기용량의 10 배 또는 20 배까지 늘어나는 우류수를 포함한 전량을 처리할 수는 없다. 기존의 응집침전처리공정으로 우류수까지 처리하기 위해서는 대단히 큰 규모의 처리시설을 갖추어야 하므로 시설비가 많이 들게되므로 평소의 유량만을 처리하는 데 만족해야 했다. 우류수까지 모두 처리하기 위해서는 따라서 매우 짧은 체류시간으로 응집이 가능하고 매우 빠른 속도로 침전이 일어날 수 있는 매우 콤팩트한 처리공정이 되어야 한다.

소석회와 무기응집제를 사용하는 기존의 응집처리공정으로는 계획시간최대오수량으로 설계하는 경우 계획 1일평균 오수량의 2배까지 처리할 수 있을 뿐 모든 우류수를 처리하는 것은 절대 불가능하다. 예컨대, 응집 처리 공정을 채택하고 있는 하수처리장에 관한 문헌[The MITRE Corporation, Wastewater Tretment Plants Physical-Chemical and Advanced Disinfection Processes, Realisation en quelques chiffres, (1981)]을 참조하면, 응집 침전 처리 조건과 처리 수질을 고려할때, 대부분 인의 제거를 목적으로 하지 않고 유기물질과 부유물질의 제거를 주 목적으로 하고 있으며, 인을 제거하기 위한 경우 소석회를 다량 주입하고 있음을 볼수 있다. 그러나 이 경우에도 처리수중의 총 인의 농도는 1㎎/L정도인 경우도 있으며 0.1㎎/L 이내로는 낮출수가 없었음을 알 수 있다. 또한, 상기 문헌에서, 응집 침전 처리시 발생되는 슬러지 발생량에 관한 자료를 보면, 1 톤의 하수처리시 140-850 g의 건조고형물이 발생되고 슬러지 케이크는 0.9-3.3 L가 발생되며, 따라서, 사용하는 약품에 따라 다르기는 하나, 슬러지 생성량이 과다하고 슬러지 케이크의 함수율이 높아 슬러지 처분비용이 많이 들게됨을 알 수 있다. 특히 인을 충분히 제거하기 위하여 소석회와 무기응집제를 다량 주입하는 처리장에서는 하수 1톤당 370-850 g의 건조고형물이 발생하고 슬러지케이크는 2 L이상 발생된다. 이것은 하루 10000톤을 처리하는 하수처리장에서 20톤의 슬러지 케이크가 발생함을 시사하고 있다.

상기 예시한 기존의 응집 침전 처리공정에서는 소석회와 무기응집제를 주입하는 급속교반조에서 체류시간 3분 - 5분, 응집조에서 10분 - 30분, 침전조에서 월류속도 0.6 m/hr로 설계하는 것이 보통이며 따라서 계획시간 최대수량이 1200 m³인 경우, 급속교반조는 60 m³, 응집조는 200 m³, 침전조는 2000 m³(직경 50 m)로 설계된다. 그러나 이 방법으로는 우기의 빗물과 함께 유입되는 인 등의 오염물질을 처리하는 것이 불가능하다.

하수중에 포함된 인은 물론 비점오염원에 의한 인의 유입을 차단하기 위해서는 우기에 유입되는 빗물마져도 응집침전에 의해 처리할 수 있는 시스템이 구성되어야 한다. 따라서 본 발명자는 가능한 한 콤팩트한 처리시설이 되게 하여 평수기에는 정상적인 처리속도로 응집침전처리를 하고 강우시에는 평수기의 10배까지 빠른 처리속도로 처리함으로써 초기 강우시 우류수중의 비점오염원에 의한 오염물질의 응집침전 처리가 가능하도록 할 수 있도록 하는 처리 공정을 연구하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

도 1 은 본원 발명의 고속 응집형 오폐수 처리 장치를 나타내는 도면이다.

도 2 는 종래의 응집 침전 처리 장치를 나타내는 도면이다.

본 발명에 따르면, 스크린 및 침사지, 폭기형 저류조, 급속 혼화조, 급속 교반조, 고분자 응집조 및 침전조가 순서대로 연결된 고속 응집형 오폐수 처리 장치가 제공된다.

본 발명의 상기, 고속 응집형 오폐수 처리 장치는 스크린 및 침사지, 폭기형 저류조, 급속 혼화조, 급속 교반조, 고분자 응집조 및 침전조가 순서대로 연결되어 있는 구조로 되어 있는바, 종래의 응집 침전 처리 장치와 비교할 때, 폭기형 저류조와 급속 교반조사이에 급속 혼화조가 설치되어 있고, 침전조로부터 급속 혼화조 또는 급속 교반조로 오폐수를 반송하는 라인이 설치되어 있는 것이 특징이다. 본 발명의 상기 오폐수 처리 장치에 사용되는 혼화조는 슬러지 스크래퍼가 설치된 경사판 침전조를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 고속 응집형 오폐수 처리 장치를 이용한 오폐수의 처리 방법이 제공된다.

본 발명의 상기 오폐수 처리 장치를 이용한 오폐수 처리 방법은 장기 체류시간의 폭기식 저류조에서 생물학적 처리를 한 후, 점토광물계 응집제와 무기응집제와 고분자응집제를 사용하여 응집시킬 때, 스크래퍼가 설치된 경사판 침전조에서 침전된 슬러지를 앞단의 반응조(급속 혼화조 또는 급속 교반조)로 1% - 20%반송함으로써 월류 속도를 60m/hr까지 증가시켜 콤팩트한 처리시설로 매우 빠른 속도로 응집침전처리가 가능케 하는 방법이다.

본 발명에 따르는 방법은, 스크린 및 침사지, 폭기형 저류조, 급속 혼화조, 급속 교반조, 고분자 응집조 및 침전조가 순서대로 연결된 고속 응집형 오폐수 처리 장치를 사용한 오폐수의 처리 방법으로서, 급속 혼화조에 점토광물계 응집제를 투입하고, 급속 교반조에 무기 응집제를 투입하고, 침전조에 침전된 슬러지를 1 - 20 %의 반송비로 급속 혼화조 또는 급속 교반조에 반송함을 특징으로한다.

또한, 본 발명에 따르는 방법은 건기 유량기준 체류시간 6시간 내지 24시간의 폭기식 저류조에서 필요시 pH를 조정하고, 저농도 미생물에 의해 생물학적 처리를 한 후, 응집처리함을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따르는 방법은 슬러지를 반송하여 월류속도가 60m/hr가 되도록 함을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 방법에서 사용된 점토 광물계 응집제로는 당업계에서 통상 사용되고 있는 것들이 포함될 수 있으나, 이중 제올라이트(zeolite)계 응집제가 바람직한 바, 이는 암모니아성 질소와 총 인의 제거율이 우수하고 가중 응집(weighted flocculation)이 가능하기 때문이다. 특히, 본 발명에서는 밀도가 큰 점토광물인 나트로라이트(Natrolite)와 몬모릴로나이트(Montmorillonite)를 주성분으로 한 응집제인 Aqua 219 [제조원: 정광 아쿠아(주)]를 사용하였다.

또한 본 발명의 상기 방법에 사용되는 무기응집제로는 당업계에서 통상 사용되고 있는 것들이 포함될 수 있으나, 이중, alum(황산 반토)를 사용하는 것이 바람직하며, 고분자 응집제로는 당업계에서 통상 사용되고 있는 것들이 포함될 수 있으나, 이중, 음이온성 고분자응집제의 하나인 SA 307을 사용하는 것이 바람직하다.

전술한 바와 같은, 본 발명의 오폐수 처리 방법에서, 점토 광물계 응집제로서 Aqua 219를 사용하고, 무기 응집제로서 alum을 사용하고 고분자 응집제로서 SA 307을 사용하였을 때, 최대 처리속도에서 Aqua 219 주입후 급속혼화조 3분, alum 주입후 급속교반조 1분, 고분자응집제 주입후 응집조 3분으로 응집이 가능하고 슬러지를 1 - 20%의 반송비로 급속혼화조나 급속교반조로 반송시킨 결과 월류속도 60 m/hr로 침전조의 설계가 가능하게 된다. 위의 계획시간 최대오수량이 1200 m³일때의 계획시간 평균오수량은 600 m³이되므로 우기에는 이 유량의 10 배까지 처리한다고 보면 급속혼화조는 300 m³, 급속교반조는 100 m³, 응집조는 300 m³, 침전조는 100 m²(10 m × 10 m)로 설계되어 최대 처리속도에서 총응집시간은 7분으로, 기존의 12분에 비해 약 40% 감소하며 침전조의 월류속도는 100배 증가한다. 이때, 침전조는 플럭의 침전분리를 유리하게 하기 위하여 경사판을 설치하고 슬러지 스크래퍼를 설치한다. 따라서 계획시간 최대오수량에서는 급속혼화조 15분, 급속교반조 5분, 응집조 15분의 여유있는 응집속도로 운전하다가 우기가 되면 하루 144000 m³의 유량을 처리하므로써 우류수까지 모두 처리할 수 있는 처리시스템이 가능하게 된다. 침전지의 유효수심을 4 m로 하면 우류수를 처리하지 못하는 기존의 응집침전 처리시스템의 전체 용적은 8260 m³인 반명에 우류수까지 모두 처리할 수 있는 본 발명은 1100 m³에 불과하므로 본 발명의 경우 우류수까지 모두 처리하면서도 처리시설의 규모는 85%이상 감소하게 되는 장점이 있다. 본 발명의 경우에는 우류수를 처리하기 위하여 계획 1일평균 오수량의 1/2인 7200 m³의 폭기식 저류조가 필요하게 되는데 이를 포함하더라도 기존의 처리시설의 저류조(체류시간 4 -5시간, 2400 - 3000 m³)를 감안하면 기존의 처리시설보다 더 커지지 않는다. 반면 기존의 처리시설에서는 약 100 m³의 용량의 pH 조정조가 응집처리수의 pH 조정을 위해 필요할 경우도 있다.

도 1 은 본 발명의 처리 장치의 측면도와 평면도로 나누어 보여주고 있다. 또한 도 2 는 기존의 응집침전 처리장치의 일례를 보여주고 있다.

위의 제시된 기존의 응집처리방법은 어느 것도 빗물까지 처리하여 총 인의 농도를 0.05mg/L 이내로 낮출수 있는 방법은 없다. 가는 모래를 사용하여 응집속도를 빠르게하고 플럭의 침전속도를 증가시킴으로써 시설을 매우 콤팩트하게 할 수 있는 처리방법이 있으나 이것도 부유물질을 게거하는 것이 주목적이고 총 인의 농도를 0.05 mg/L이하로 낮추지는 못한다. 그러나 본 발명에 의해서는 그것이 가능함을 알 수 있다. 이로 인하여 모든 하천형 호소의 부영양화에 의한 조류번성 문제와 연안해역의 적조발생문제를 해결할 수 있게 된 것이다.

이하의 실시예와 더불어 본 발명을 더 상세히 설명하고자 한다. 이 실시예에 사용된 분석 방법은 환경오염방지법과 미국의 Standard Methods에 준하여 시행하였다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하고자 하는 것이며 본 발명의 사상을 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예 1

경기도 반월 지역의 우수토구의 하수를 취하여 하수의 pH를 7 부근으로 조정하고, Aqua 219 를 50mg/L주입하고, 2분간 교반한 후 20 - 100 mg/L로 Alum을 주입하고, 1분간 교반하고, 고분자응집제를 주입하고, 3분간 응집시킨 결과 표 1과 같은 처리결과를 얻었다.

Aqua 219 50 mg/L 주입시 응집 실험 결과
항목 (농도)	원수	1	2	3	4
Alum 주입량 (mg/L)		20	40	60	100
pH	7.15	8.43	7.89	7.53	7.23
총 인 (mg/L)	2.39	0.75	0.06	0.01	0.01
TKN(mg/L)	28.6	22.4	21.3	22.4	23.2
탁도(mg/L)	15	2.9	2.6	1.5	2

상기 표에서 보듯이 Aqua 219를 50 mg/L 주입한 경우에 Alum을 40 mg/L 이상 주입하면 총 인의 농도가 0.1 mg/L 이하로 제거됨을 보이고 있으며, 최적 조건인 60 mg/L 이상에서는 0.01 mg/L까지 제거되어 99% 이상의 제거율을 보였다. 그러나 이때 TKN은 22%의 제거율을 보였다. Aqua 219를 이용하여 총 인을 매우 낮은 농도로 제거할 수 있음을 볼 수 있으나, TKN의 제거율은 그리 좋지 않았다.

실시예 2

반월우수토구의 하수를 취하여 Aqua 219를 100mg/L주입후 5분간 급속교반하는 경우 Alum의 주입량을 변화시켜가며 응집실험을 하였으며 , 그 결과를 하기 표 2 에 나타내었다.

Aqua 219 100 mg/L 주입시 응집 실험 결과
항목 (농도)	원수	1	2	3	4	5	6
Alum 주입량 (mg/L)		25	50	75	100	25	25
고분자응집제 (mg/L)		1	1	1	1	2	2
pH	7.73	7.31	7.11	6.77	6.54	7.35	7.25
총 인 (mg/L)	0.564	0.146	0.111	불검출	0.153	0.010	불검출
TKN(mg/L)	17.1	14.8	12.9	15.1	14.6	14.8	14.3
탁도(mg/L)	19.4	1.55	1.4	1.35	1.05	2.5	1.9
COD(mg/L)	217.6	179.2	176	179.2	176	185.6	182.4

상기 표에서 확인할 수 있는 바와 같이, 최적 주입량에서 총 인의 제거율은 100%로서 0mg/L까지 제거되었으며 TKN도 17.1 mg/L로부터 14.3 mg/L까지 제거되어 16%의 제거율을 보였다. COD는 217.6 mg/L로부터 179.2 mg/L까지 18%의 제거율을 보였다. 따라서 Aqua 219 100 mg/L 주입시에는 총 인은 아주 낮은 농도까지 제거가 가능 하나 질소의 제거율은 좋지 않음을 확인할 수 있었다. COD 제거율이 낮은 것은 이 하수중의 유기물이 생활오수에서 온 것이 아니라 공장 폐수에서 온 용해성의 유기물이기 때문이다.

실시예 3

반월우수토구의 하수를 대상으로 Aqua 219 200 mg/L주입후 5분간 급속교반하는 경우 Alum의 주입량을 변화시켜가며 응집실험을 하였으며, 그 결과를 하기 표 3 에 나타내었다.

Aqua 219 200 mg/L 주입시 응집 실험 결과
항목 (농도)	원수	1	2	3	4	5	6
Alum 주입량 (mg/L)		25	50	75	100	125	75
고분자응집제 (mg/L)		1	1	1	1	1	2
pH	7.73	8.03	7.75	7.51	7.13	6.98	7.48
총 인 (mg/L)	0.564	0.357	0.179	0.093	불검출	불검출	불검출
TKN(mg/L)	17.1	14.8	14.3	16.4	14.8	14.8	13.4
탁도(mg/L)	19.4	5.35	2.8	1.4	1.3	1.65	0.99
COD(mg/L)	217.6	182.4	182.4	176	179.2	176	176

상기 표에서 확인할 수 있는 바와 같이, Alum 주입량이 75 mg/L 이상인 경우, 총 인의 제거율이 우수하였으며, 질소 제거율은 13 - 21 % 로서 높지 않았다. 한편, COD 제거율은 18 - 19 % 로서 Aqua 219 100 mg/L 주입시와 거의 유사하였다.

실시예 4

반월우수토구의 하수를 대상으로 Aqua 219 300 mg/L주입후 5분간 급속교반하는 경우 Alum의 주입량을 변화시켜가며 응집실험을 하였으며, 그 결과를 하기 표 4 에 나타내었다.

Aqua 219 300 mg/L 주입시 응집 실험 결과
항목 (농도)	원수	1	2	3	4	5	6
Alum 주입량 (mg/L)		25	50	75	125	100	75
고분자응집제 (mg/L)		1	1	1	1	2	2
pH	7.73	8.01	7.87	7.61	6.75	6.99	7.57
총 인 (mg/L)	0.564	0.355	0.378	불검출	0.073	0.081	0.055
TKN(mg/L)	17.1	15.4	14.0	15.4	불검출	불검출	0.56
탁도(mg/L)	19.4	4.3	2.45	1.75	0.8	2.5	0.5
COD(mg/L)	217.6	201.6	185.6	179.2	182.4	182.4	179.2

이 경우에는 Alum 주입량 75 mg/L이상에서 매우 낮은 총 인의 농도를 얻을 수 있었으며, Alum 100 mg/L 이상에서는 질소의 제거도 100% 라는 매우 양호한 결과를 보였다. 그러나 같은 75 mg/L를 주입한 경우에는 고분자 응집제의 주입량만을 달리 했을 뿐인데 질소제거율에서 매우 상반된 결과를 보였다. 이것으로 보아 질소의 제거율을 높게 유지하기 위해서는 처리수의 pH를 7.5이하로 유지하도록 충분한 양의 Alum이 주입되어야 할 것으로 보인다. 한편 COD 제거율은 이 경우에도 16 - 18 %로 Aqua 219 200 mg/L 주입시보다도 오히려 낮았다. 따라서 Aqua 219에 의한 응집시, 얻어진 낮은 COD 제거율은 응집제에 의한 것이 아니라 반월우수토구 하수의 특성이 일반적인 도시하수와는 달리 입자상 또는 콜로이드상의 유기물을 많이 지니지 않고 용해성 유기물을 지니고 있기 때문으로 보인다. 따라서 이들 유기물에의한 COD를 낮추기 위해서는 폭기와 같은 다른 수단이 필요할 것으로 판단되었다.

실시예 5

반월우수토구의 하수를 대상으로 Aqua 219 주입량을 50 내지 300 mg/L로 변화시키면서 응집실험을 하였으며, 그 결과를 하기 표 5 에 나타내었다.

Aqua 219 50-300 mg/L 주입시 응집 실험 결과
항목 (농도)	원수	1	2	3	4	5	6
Aqua 219 주입량(mg/L)		50	100	150	200	250	300
Alum 주입량 (mg/L)		13	25	35	50	65	75
고분자응집제 (mg/L)		1.5	1.5	1.5	1.5	1.5	1.5
pH	7.73	7.48	7.33	7.85	7.23	7.83	7.63
총 인 (mg/L)	0.564	0.023	0.1	불검출	0.112	0.104	불검출
TKN(mg/L)	17.1	10.2	13.2	13.2	14.0	13.2	8.5
탁도(mg/L)	19.4	6.9	4.4	4.7	3.4	1.6	0.9
COD(mg/L)	217.6	188.8	176	185.6	182.4	179.2	182.4

위 실험결과를 보면 Aqua 219의 주입량에 상관없이 Alum의 주입량을 적절히 조절하면 총 인의 제거율을 높게 얻을 수 있음을 알 수 있다. 그러나 질소의 제거율은 대부분의 경우 높지 않았다. 질소의 제거율을 높이기 위해서는 Aqua 219의 주입량을 높여야 함을 알 수 있다. 이것은 총 질소중의 암모니아성 질소가 Aqua 219 조성중 제올라이트에 의해 이온교환되어 제거되기 때문이다.

실시예 6

위와 같은 실험실에서의 Aqua 219를 이용한 응집실험결과를 토대로 현장에서의 파일럿(pilot) 실험을 수행하였다. 현장의 파일럿 응집장치는 실제 처리시설을 모사할 수 있도록 집수조, 급속 교반조, 응집조, 경사판 침전조로 구성되어 있으며 집수조의 용적은 600L, 급속교반조의 용적은 32 L, 응집조의 용적은 64 L, 경사판 침전조의 표면적은 0.16 m²으로 설계되어 있다.

첫 번째 실험: Aqua 219 50 mg/L , Alum 60 mg/L, 고분자 응집제 0.5 mg/L를 주입하고 Aqua주입 후 4분, Alum 주입후 4분의 급속교반과 완속교반 16분의 조건에서 총 인은 4.6 mg/L로부터 0.01 mg/L까지 제거되었으나 TKN은 3.2 mg/L로부터 2.9 mg/L로 9%만이 제거되었다.

두 번째 실험: Aqua 219 300 mg/L를 집수조에 미리 넣어 충분히 섞이게 한 후 반응조로 4 L/분의 처리속도로 투입하고 급속교반조에서 Alum 100 mg/L를 주입하고 완속교반조에서 고분자응집제 1 mg/L를 주입하며 수행하였다. 약 2시간이 지난 후 처리수를 취하여 분석한 결과 탁도는 28mg/L에서 2mg/L로 93% 제거되었으며 총 인은 0.656 mg/L에서 불검출까지 100% 제거되었다. 한편 TKN은 10.4 mg/L에서 0.56 mg/L가지 95% 제거율을 보였다. COD는 182.4 mg/L에서 163.2 mg/L로 11%만이 제거되었다. 또한, 8 L/분의 처리속도로 운전한 결과 탁도는 91%, 총 인은 92%, TKN은 85%, COD는 21%의 제거율을 보였다. 이 처리속도에서도 슬러지 반송이 없이도 침전조에서 응집입자들이 전혀 떠오르지 않음을 확인 할 수 있었다.

세 번째 실험: 소석회를 집수조에 미리 넣어 pH를 11까지 조정하고 충분히 섞이게 한후 반응조로 4 L/분의 처리속도로 투입하고 급속교반조에서 Alum 40 mg/L를 주입하고 완속교반조에서 고분자응집제 1 mg/L를 주입하여 수행하였다. 약 2시간이 지난 후 처리수를 취하여 분석한 결과 탁도는 13 mg/L에서 3.5 mg/L로 73% 제거되었으며 총 인은 0.462 mg/L에서 0.098 mg/L까지 79% 제거되었다. 한편 TKN은 8.4 mg/L에서 8.12 mg/L까지 3% 제거율을 보였다. COD는 163.5 mg/L에서 147.2 mg/L로 10%만이 제거되었다. 또한, 6 L/분의 처리속도로 운전한 결과 탁도는 68%, 총 인은 78%, TKN은 3 %, COD는 4%의 제거율을 보였다. 이 경우에는 이 처리속도에서도 침전조에서 작은 응집입자들이 위로 많이 떠오르는 것을 확인 할 수 있었다. 한편 소석회와 Alum에 의한 응집시에는 총 인은 양호한 제거율을 보이고 있으나 TKN은 거의 전혀 제거하지 못함을 확인하였으며 COD 제거율도 Aqua 219에 의한 응집시보다 좋지 않음을 확인하였다. 또한 플럭의 침전성이 양호하지 못하여 소석회와 Alum을 응집제로 사용하는 경우에는 콤팩트한 침전시설을 가져 갈수 없음을 확인하였다. 플럭의 침전속도를 측정한 결과 평균 침전속도는 24 cm/min 으로서 월류속도 1.44 m/hr에 해당하였으며 15.7 - 35.7 cm/min의 속도로 분포되이 있어 월류속도가 0.942 m/hr인 경우 플럭이 침전하지 못하고 끌려가게 된다는 결론을 얻을 수 있다. 그런데 본 발명에 사용된 파일럿 응집장치의 침전조는 6 L/min의 처리속도에서 이미 2.25 m/hr의 월류속도를 지니므로 경사판 침전조로 설계되었지만 플럭이 딸려나가게 되는 것은 당연하다. 또한 이 경우에는 응집처리후의 pH가 10부근이어서 처리수의 pH조정을 해야 하는 단점이 있다.

네번째 실험: Aqua 219 100 mg/L를 집수조에 미리 넣어 충분히 섞이게 한 후 반응조로 4 L/분의 처리속도로 투입하고 급속교반조에서 Alum 30 mg/L 를 주입하고 완속교반조에서 고분자응집제 1.5 mg/L를 주입하며 수행하였다. 약 2 시간이 지난 후 처리수를 취하여 분석한 결과 탁도는 5 mg/L에서 2.1 mg/L로 57% 제거되었으며 총 인은 0.534 mg/L에서 0.02 mg/L까지 96% 제거되었다. 한편 TKN은 8.96 mg/L에서 7 mg/L까지 22% 제거율을 보였다. COD는 136 mg/L에서 86.8 mg/L로 36%만이 제거되었다.

다섯 번째 실험: Aqua 219 200 mg/L를 집수조에 미리 넣어 충분히 섞이게 한 후 반응조로 8 L/분의 처리속도로 투입하고 급속교반조에서 Alum 87.5 mg/L를 주입하고 완속교반조에서 고분자응집제 1.5 mg/L를 주입하며 수행하였다. 약 1시간이 지난 후 처리수를 취하여 분석한 결과 탁도는 17 mg/L에서 1.8 mg/L로 89% 제거되었으며 총 인은 0.667 mg/L에서 0.07 mg/L까지 89% 제거되었다. 한편 TKN은 9.52 mg/L에서 8.4 mg/L까지 12% 제거율을 보였다. COD는 162.2 mg/L에서 126.1 mg/L로 22%만이 제거되었다.

또한 4 L/분의 처리속도로 운전한 결과 탁도는 91 %, 총 인은 0.01 mg/L까지 99%, TKN은 0 %, COD는 20%의 제거율을 보였는데 이 경우에는 처리수의 pH를 7.5 이하로 유지하였으나 인의 제거율은 양호한 반면 질소의 제거는 얻지 못 하였다.

실시예 1 - 6 의 결과 검토

상기 실시예 1 내지 6의 실험 결과로부터, 질소와 인의 제거율을 높게 얻으려면 Aqua 219의 주입량을 300 mg/L이상으로 하여야 하며, 반응시간도 충분히 제공되어야 함을 알 수 있다. 다행히 질소와 인의 오염도가 놓은 건기에는 최대 처리유량의 10%로 운전할 수 있으므로 각 반응조의 체류시간을 충분하게 길게 가져 갈 수가 있다. 또한 우기에는 질소의 농도가 낮아지므로 인을 제거하는데 초점을 맞춘다면 실시예 1에서 보았듯이 Aqua 219 주입후 반응조에서 체류시간은 2분 정도로 짧아도 충분하며 Alum주입후 반응조에서 1-2분의 체류시간, 고분자 응집제 주입 응집조에서 3분의 체류시간에서 Aqua 219 100-200 mg/L를 주입하면 된다. 실험을 수행한 현장의 수온이 겨우 영상인 정도로 매우 낮아서 모든 반응속도가 대단히 낮을 것이라는 점을 감안 하고, 또한 수온이 찬 겨울에는 건기여서 하수유량이 많지 않다는 점을 감안한다면 큰 무리가 아니라고 판단된다.

실시예 7

빗물까지 모두 응집처리를 하기 위해서는 콤팩트한 처리시설이 되어야 하고 이를 위해서는 플럭의 침전속도가 대단히 빠르지않으면 안된다. 플럭의 침전성을 개선하고 응집처리효율에 미치는 슬러지 반송의 영향을 조사하기 위하여 Aqua 219를 100, 200 과 300 mg/L으로 주입하고 Alum을 각각 20, 30, 50 mg/L를 주입하고, 고분자응집제는 2 mg/L를 주입하며, 쟈 테스트를 수행한 후 침전된 슬러지를 다음 쟈 테스트시 Alum 주입전에 주입하여 슬러지 반송을 모사하는 실험을 수행하였다. 슬러지 반송을 모사하는 쟈 테스트를 6번 반복 수행한 결과 슬러지 반송량이 증가할수록 생성된 플럭의 침전성이 개선됨을 확인하였다. 1000 mL 메스 실린더에서 침전실험을 한 결과 두 번째 반송후부터는 약 1 m/분의 침전속도를 보이는 플럭이 생성되었으며 반응기내의 고형물 농도가 약 2000 mg/L이 되도록 많은 양을 반송한 경우에는 2 m/분의 침전속도를 지니는 플럭이 생성되었다. 이 속도는 120 m/hr에 해당하므로 슬러지 반송을 하여 반응기내의 고형물농도를 2000 mg/L로 유지한다면 60 m/hr의 월류 속도로 침전조를 설계할 수 있을 것으로 보인다. 이렇게 유지하기 위해서는 침전조의 슬러지의 고형물농도가 20000 mg/L라고 가정한다면 슬러지 반송비를 0.1이상으로 유지해야 한다는 결론이 얻어진다.

슬러지 반송을 모사한 실험에 대한 처리수 분석 결과는 하기 표 6 및 7에 나타내었다.

첫 슬러지 반송후 쟈 테스트 결과
항목 (농도)	원수	1	2	3
Aqua:Alum(mg/L)		100:20	200:30	300:50
슬러지 반송후 pH	7.73	7.8	8.48	8.67
Alum 주입후 pH		7.32	7.83	7.86
고분자 응집제 (mg/L)		2	2	2
COD(mg/L)	217.6	208.0	203.1	119.8
TKN(mg/L)	17.1	12.3	15.1	16.8
총 인(mg/L)	0.564	0.075	불검출	불검출
탁도(mg/L)	19.4	4.3	2.9	1.7

위 실험 결과를 보면 세 경우 모두 총 인의 제거율은 우수하나 질소는 2 -28%의 제거율을 보여 제거율이 좋지 않았다.

세번째 슬러지 반송후 쟈 테스트 결과
항목 (농도)	원수	1	2	3
Aqua:Alum(mg/L)		100:20	200:55	300:70
고분자 응집제 (mg/L)		2	2	2
COD(mg/L)	217.6	190.0	191.7	162.2
TKN(mg/L)	17.1	10.9	13.4	13.4
총 인(mg/L)	0.564	불검출	불검출	불검출
탁도(mg/L)	19.4	1.4	1.3	1

위 실험결과를 보면 적당량의 슬러지 반송으로 Aqua 219의 주입량 100 mg/L이상에서 매우 양호한 총 인의 제거율을 얻을 수 있음을 보이고 있다. 질소의 제거율은 앞의 경우보다 약간 개선되었으나 21 - 36%에 그치고 있다.

실시예 8

현장 파일럿 장치를 이용하여 32L/min 의 처리속도로 Aqua 219 100 mg/L를 주입하고 Alum 40 mg/L, 고분자 응집제 2 mg/L 를 주입하며 슬러지를 처리유량의 5%의 비율로 급속교반조로 반송하며 처리한 결과 COD는 220 mg/L에서 163 mg/L 까지 26%, 총 인은 0.874 mg/L에서 0.04 mg/L까지 95% 제거되었다. TKN은 16.1mg/L에서 11.1 mg/L까지 31% 제거되었으며 탁도는 23.4로부터 2.1 까지 91% 제거되었다. 이 처리속도에서도 플럭의 침전은 양호하여 거의 떠오르지 않았다. 이 운전속도에서는 12.0 m/hr의 월류속도가 된다.

같은 현장 파일럿 장치를 이용하여 64L/min의 처리속도로 Aqua 219 100 mg/L를 주입하고 Alum 40 mg/L, 고분자 응집제 2 mg/L를 주입하며 슬러지를 처리유량의 10%의 비율로 급속교반조로 반송하며 처리한 결과 COD는 154 mg/L에서 120 mg/L까지 22%, 총 인은 0.664 mg/L에서 0.05 mg/L까지 92% 제거되었다. TKN은 12.8 mg/L에서 9.7 mg/L까지 24% 제거되었으며 탁도는 18.5로부터 2.3 까지 88% 제거되었다. 이 처리속도에서도 플럭의 침전은 양호하여 거의 떠오르지 않았다. 이 운전속도에서는 24.0 m/hr의 월류속도가 된다.

실시예 9

Aqua 219 주입량 100, 200 , 300 mg/L에서 Alum을 각각 25, 50, 75 mg/L주입하고 고분자 응집제 2 mg/L를 주입하여 응집시킨 후 발생된 슬러지 전량을 진공 여과하여 슬러지케이크 발생량을 결정하고 건조 오븐에서 건조시켜 슬러지의 건조중량과 함수율을 구하였다. 한편 소석회로 pH 11로 조종하고 Alum 35 mg/L를 가하고 고분자응집제 2 mg/L를 주입하여 응집시킨 후 발생된 슬러지에 대해서도 위와 같은 분석을 수행하였다. 이 실험 결과는 하기 표 8에 나타내었다.

응집 조건에 따른 슬러지 건조 중량, 함수율 및 슬러지 발생량
항목 (농도)	슬러지 건조 중량	함수율(%)	슬러지케이크 발생량(g)
Aqua 100 mg/L	0.1528	37	0.244
Aqua 200 mg/L	0.1991	66	0.585
Aqua 300 mg/L	0.2576	72	0.922
소석회	0.2023	86	1.474

위 실험 결과로 볼 때 Aqua 219로 응집할 경우 함수율이 매우 낮은 슬러지 케이크가 얻어지므로 소석회와 Alum으로 응집한 경우보다 슬러지 케이크의 발생량이 상당히 적음을 예상할 수 있다. Aqua 219의 주입량에 따라 함수율이 대단히 상이한 결과를 보였는데 이는 시료중의 고형물의 양의 차이 때문으로 판단되어 현장 실험에서 얻어진 다량의 침전된 슬러지를 취하여 고형물농도와 함수율을 구한 결과 침전된 슬러지의 고형물농도는 4.18%였고 진공여과시킨 슬러지 케이크중의 함수율은 61%였다. 따라서 같은 양의 슬러지 고형물이 발생되는 경우 처분해야 하는 슬러지케이크의 양은 소석회로 응집하는 경우의 약 3분의 1 이 될것으로 예상된다.

실시예 10

응집처리에 의하나 유기물의 제거율이 낮은 하수의 COD 및 BOD 제거율을 높이기 위해 저류조에서 폭기와 미생물의 접종을 하는 경우를 모사한 후 응집실험을 수행하였다. 하기 표 9 는, 미생물을 활성슬러지 반응조에서 순응시킨 후 150 mg/L의 농도가 되도록 접종하고 6시간 또는 12시간 폭기후의 수질의 변화를 나타낸 것이다.

폭기후 원수의 수질 변화
항목 (농도)	원수	6 시간 폭기후	12 시간 폭기후
pH	6.97	7.53	7.8
탁도 (mg/L)	24	23.2	23.6
TKN (mg/L)	5.88	5.68	5.48
총 인 (mg/L)	0.385	0.380	0.366
COD (mg/L)	88.9	59.5	48.2
BOD (mg/L)	46.3	25.6	14.3

위 실험결과를 보면 폭기가 계속되면서 pH는 올라가고 탁도는 약간 감소하였다. COD는 폭기시간이 진행될수록 약간 감소하였으며 BOD는 12시간 폭기후 69%의 제거율을 나타내었다.

표 10에는 12시간 폭기후 응집실험결과와 폭기시키기 않은 원수의 응집실험결과를 보이고 있다.

폭기후 원수의 수질 변화
항목 (농도)	원수	12시간 폭기후
Aqua:Alum(mg/L)	100:40	200:60	300:80	100:50	200:70	300:90
처리수 pH	6.77	7.1	7.44	7.06	7.1	7.15
탁도 (mg/L)	1.4	1.9	1.4	0.4	0.3	0.1
COD (mg/L)	61.4	58.1	48.5	34.5	32.5	31.2
BOD (mg/L)	35.7	34.5	31.4	7.4	6.5	5.4
TKN (mg/L)	5.6	4.76	3.6	3.92	3.0	1.6
총 인 (mg/L)	0.061	0.045	0.068	0.037	0.053	0.033

위 실험결과를 보면 미생물을 접종 후 폭기후에 응집을 하면 처리수의 탁도가 대단히 좋아짐을 알 수 있다. 또한 COD제거율은 큰 차이는 없지만 폭기후에 응집한 것이 30 mg/L대로 더 낮아짐을 확인 할 수 있었다. 미생물의 농도는 낮아도 BOD의 제거는 많이 일어남을 볼수 있는데 처리수의 농도가 10 mg/L이하로 떨어질 수 있음을 보이고 있다. 이것은 폭기시간 12시간인 슬러지반송이 없는 폭기식 라군과 같은 생물학적 처리법과 같은 처리 결과를 보인 것으로 볼 수 있다. 총 인의 농도는 폭기와 상관없이 양호한 제거율을 보였으며 TKN은 예상과 달리 폭기로 크게 개선되지 않았으나 300 mg/L의 Aqua 219 주입에서는 꽤 높은 제거율을 보였다.

실시예 11

응집 후 처리수의 중금속과 양이온의 농도변화를 확인하기 위하여 현장에서 파일럿 응집장치로 처리한 시료와 실험실에서 원수를 직접응집한 시료와 6시간 폭기후 응집한 시료의 중금속 및 양이온의 농도를 분석하였다. 그 결과를 표 11에 나타내었다.

원수와 응집처리수의 중금속 및 양이온 농도
구분	현장시료	실험실 응집
항목	원수	처리수	원수	응집실험	폭기후응집
Aqua:Alum (mg/L)		200:90		300:80	300:80
Mn (mg/L)	0.717	0.502	0.565	0.277	0.210
Pb (mg/L)	0.027	0.047	0.026	0.025	0.026
Cr (mg/L)	0.021	0.015	0.037	0.025	0.024
Zn (mg/L)	0.479	0.284	0.749	0.243	0.145
Cd (mg/L)	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출
Mg (mg/L)	28.35	30.92	17.45	17.25	16.53
Ca (mg/L)	64.19	76.18	43.87	54.83	52.17
K (mg/L)	27.16	24.03	14.86	16.69	15.51
Na (mg/L)	141.8	177.5	88.70	117.0	122.25

위 표의 결과를 볼 때 암모니아의 이온교환속도보다 빠른 교환 속도를 지니는 K가 일반적인 물에서 볼 수 있는 농도인 10㎎/L보다 상당히 높고 Na, Mg, Ca 등 다른 양이온도 매우 높기 때문에 암모니아의 흡착이 덜 일어난 것으로 보인다. 중금속의 농도는 응집처리를 통하여 상당히 제거됨을 보이고 있으며 청정지역 배출허용기준과 비교할 때 기준치보다 크게 낮으므로 전혀 문제가 되지 않는다. 호소의 수질 환경기준과 비교해도 모두 기준치 이하를 보이고 있다.

상기 실시예들에서 볼 수 있는 바와 같이 하수를 폭기식 저류조에서 12시간이상의 체류시간으로 폭기식 라군처럼 처리한 후, 점토광물계 Aqua 219를 사용하고, 무기응집제를 사용하고, 고분자응집제를 사용하여 슬러지를 반응조 또는 급속교반조로 적당량을 반송하는 고속 응집침전처리함으로써 건기에는 하수중의 유기물을 80%이상 제거하고 총 인을 0.05㎎/L 이내로 처리하고 암모니아성 질소를 20-90%제거하고 부유물질을 90%이상 제거하여, 처리수 탁도가 1㎎/L인 맑은 처리수를 얻을 수 있으며 우기에는 건기의 10배이상의 빠른 속도롤 처리하면서도 적어도 총 인의 농도는 0.05㎎/L를 얻을 수 있는 처리공정이 가능함을 확인하였다. 따라서, 처리수의 pH 조정이 더 이상 필요치 않으며 기존의 응집제에 비해 슬러지의 발생량이 적고 슬러지 케이크의 함수율이 낮은 장점이 있다. 결국, 본 방법으로 많은 양의 빗물까지 처리하면서 총 인의 농도를 호소화 부영양화 예방을 위해 방류되어야 하는 기준(호소의 Ⅲ등급 수질기준) 농도인 50 ppb 이내로 낮출수 있다.

하기 특허 청구 범위는 전술한 바와 같은 본원 발명의 사상을 청구하는 것이며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 사상에서 벗어남이 없이 본 발명에 수정과 변형을 가할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서 이러한 수정 및 변형은 이하의 특허 청구의 범위에 포함될 것이다.

Claims

스크린 및 침사지, 폭기형 저류조, 급속 혼화조, 급속 교반조, 고분자 응집조 및 침전조가 순서대로 연결된 고속 응집형 오폐수 처리 장치로서, 폭기형 저류조와 급속 교반조사이에 급속 혼화조가 설치되어 있고, 침전조로부터 급속 혼화조 또는 급속 교반조로 오폐수를 반송하는 라인이 설치되어 있는 것을 특징으로하는 오폐수 처리 장치.
제 1 항에 있어서, 오폐수 처리 장치에 사용되는 혼화조가 슬러지 스크래퍼가 설치된 경사판 침전조임을 특징으로하는 오폐수 처리 장치.
스크린 및 침사지, 폭기형 저류조, 급속 혼화조, 급속 교반조, 고분자 응집조 및 침전조가 순서대로 연결된 고속 응집형 오폐수 처리 장치를 사용한 오폐수의 처리 방법으로서, 급속 혼화조에 점토광물계 응집제를 투입하고, 급속 교반조에 무기 응집제를 투입하고, 침전조에 침전된 슬러지를 1 - 20 %의 반송비로 급속 혼화조 또는 급속 교반조에 반송함을 특징으로하는 오폐수의 처리 방법.
제 3 항에 있어서, 점토광물계 응집제가 Aqua 219 이고, 무기 응집제가 Alum 임을 특징으로하는 오폐수의 처리 방법.
제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 건기 유량기준 체류시간 6시간 내지 24시간의 폭기식 저류조에서 필요시 pH를 조정하고, 저농도 미생물에 의해 생물학적 처리를 한 후, 응집처리함을 특징으로하는 오폐수의 처리 방법.
제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 슬러지를 반송하여 월류속도가 60m/hr가 되도록 함을 특징으로하는 오폐수의 처리 방법.