KR20000063457A - 유량조정 기능을 겸한 부유성 침전지 내장형 산화구 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산화구식 오, 폐수 처리에 간헐폭기 방식과 부유성 내장형 침전조를 채용하여 효율적인 질소, 인 제거가 가능한 고도 처리 기술이다. 이 시스템에서는 산화구내에 부유성 침전조를 설치하여 소요면적을 최소화시키며 기계식 폭기기와 내장형 침전조에 부유장치를 설치하여 일체형으로 유량의 증감에 따라 유량 조정조 역할을 담당한다. 산화구 방식을 채택하여 안정적인 유기물 제거를 유도하고 2개의 산화구를 교대로 폭기/비폭기 운전, 총 질소의 질산화, 탈질화로 질소를 제거하고 또한 낮은 유기물 부하를 유지하여 내생 탈질을 유도하여 완벽한 질소 제거가 가능하다. 또한 총인의 경우는 생물학적 인제거와 더불어 내장형 응집조 일체식 침전조의 유출수에 응집제를 투여하여 화학적인 방법으로 제거가 가능하도록 설계되어 있다. 또한 운전의 용이함을 꾀하기 위하여 두 산화구가 상호간에 반송 될 수 있도록 연결관을 설치하여 자연유하식으로 반송이 가능하도록 하였으며 상호 교란에 의한 영향을 최소화 하기 위하여 정류판을 설치하였다.

본 발명에서는 시간별, 부하별로 산화구의 부피를 자유롭게 조절하여 적극적으로 수질 및 유량에 대처할 수 있도록 설계되어 있어 수질과 유량변화가 심한 중소규모 하수처리시설에 적합한 시스템으로 효율적인 시스템 제어를 위하여 유량계, 용존산소(Dissolved Oxygen), 산화환원전위(Oxidation Reduction Potential), 부유성 현탁 고형물(Mixed Liquid Suspended Solids) 측정기를 설치하여 유량 제어와 질산화, 탈질에 적합한 조건이 되도록 기계식 로터(rotor)와 유량, 반응조 부피 등을 자유로이 제어하여 안정적이고 경제적인 시스템 운전이 가능하다.

Description

유량조정 기능을 겸한 부유성 침전지 내장형 산화구 시스템{Internal clarifier Oxidation ditch system combined with flow control function}

본 발명은 하, 폐수 처리장 및 오수처리시설에서 유기물과 질소, 인 제거방법 및 장치에 관한 것이다. 중요 처리공정으로는 유량조정기능을 가진 2기의 산화구에 부유형 침전조를 내장하고 간헐 폭기 형태로 혐기, 호기를 교차 반응시키며 혐기 상태에서와 무방류 상태에만 유입수가 주입시켜 하, 폐수의 유기물 및 영양물질을 제거하는 시스템에 관한 것이다.

최근 팔당댐 등 상수원 지역의 수질관리에 국가적 관심이 집중되고 있으며 이러한 상황에서 산발적인 점오염원에 의한 상수원의 오염을 막기 위하여 마을단위 오수처리시설 설치 등 중, 소규모 오수처리 시설의 확충이 진행되어지고 있지만 유량과 수질의 변화가 시간별, 계별별로 많은 차이를 보이고 유입수의 성상도 천차만별인 현재 상태에서 적합한 처리 프로세스의 개발이 절실히 요구되어지는 상황이다.

본 발명은 시간별, 계절별로 수질과 유량변화의 차이가 심한 중, 소 규모 하수처리시설에 적합한 부유성 내장형 침전조를 포함한 산화구 프로세스로 유량과 수질에 따라서 반응조의 체적을 자유자제로 변화시켜 적극적이고 능동적으로 대처가 가능하도록 설계되었다. 따라서 기존 중, 소규모 하수처리시설에서 필수적으로 갖추어야 하는 유량조정조의 부피를 1/3이상 줄일 수 있으며 침전조를 내장시키므로 관련 부대 설비가 필요 없게 되므로 경제적이고 능동적인 제어가 가능한 산화구 시스템에 관한 것이다.

1950년대 시작된 유럽에서 시작된 산화구 시스템은 그 처리의 안정성과 운영의 편리성을 이유로 널리 사용되었으나 부지 면적이 많이 소요되는 단점으로 그 후 연구자들은 부지 면적이 적게 사용되고 효율적인 시스템 개발을 위해 연구를 지속해 왔다.

덴마크에 그 본사가 있는 크루거(Kruger)사와 덴마크 공과대학에서 개발된 바이오 디나이트로(BIO-DENITRO) 공법은 혐기조 간헐폭기가 가능한 두 개의 산화구에 침전조 반송슬러지 라인등으로 구성되어 있으며 2단계의 주단계와 2단계의 보조단계로 이루어져 있다. 본 발명과 유사한 점이 많으나 본 발명에서는 보조단계에서 유출을 중단시키고 산화구에 저류시켜 암모니아의 유출을 원천적으로 차단하고 있어 처리 효율상 우수하고 또한 부유성 침전지를 내장시켜 부지면적을 줄일 수 있도록 설계되었다. 또한, 미국의 유나이티드 인더스트리(United Industies)사에서 개발한 보우트 인트라 찬넬 클레리파이어(BOAT intra-channel clarifier)는 산화구에서 내장형 침전지를 사용하여 소요면적을 최소화시키고 침전지 관련 부대설비가 불필요한 시스템을 개발하였다. 그러나 본 발명에서는 내장형 침전지가 자유로이 상하로 부유되어 산화구가 수질과 수량의 변화에 따라 능동적으로 산화구 체적을 변화시킬수 있고, 유량조정조 역할을 담당할 수 있도록 설계되어 있어 다른 프로세스에 비해 우수한 완충능력과 조정능력을 지니고 있다.

국내 관련 특허 002648 '질소, 인 제거를 위한 하, 폐수처리장치 및 방법' 에서도 산화구 내장형 침전조를 설치하고 간헐폭기 방식으로 운전하고 있다. 그러나 침전시 내장형 산화구의 제어가 복잡하게 되어 있으며 유로 조절 밸브를 장착하여 장치를 복잡한 형태로 구성하고 있으나 본 발명에서는 자연유하 연결관과 정류판만을 설치하여 간단한 반송시스템을 구성하고 침전조에 유량조정기능을 겸하고 있으므로 설치비와 동력비를 줄일 수 있는 경제적인 시스템으로 구성되어 있다.

기존 중, 소규모 마을단위 처리장에서 오,폐수를 위한 방법으로는 대표적인 것이 SBR과 접촉산화, 혐기여상조등을 이용하여 왔다. 산화구 형태의 처리방법은 그 처리효율의 우수성과 부하변동에 강하고 완충능력이 뛰어난 장점에도 불구하고 거의 국내에서는 사용되지 않고 있는 실정이다. 그 이유로 가장 우선 시 되는 것이 소요부지 면적이 크다는 것이고, 수면노출면적이 크기 때문에 겨울철 수온변화에 민감하다는 점이다. 본 발명에서는 우수한 처리효율이 입증된 산화구 형태의 단점을 극복하고 중, 소규모 마을 단위 하수처리장에 적용 가능한 중, 소규모 고효율 질소, 인 제거 기술을 개발하였다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 미국, 유럽을 중심으로 소요면적을 줄이고 질소, 인까지 제거할 수 있는 고효율의 산화구가 개발되어 왔다. 일본의 경우에도 협소한 지역 여건에 맞는 산화구를 80년대 중반부터 개발하여 현재 많이 이용되어 오고있다. 본 발명에서도 산화구의 단점을 해소하기 위해 산화구의 완충능력이 뛰어나다는 점을 이용하여 유량조정기능을 부담시켜 유량조정조로서의 역할을 담당시켰다. 중, 소규모 처리장의 경우 유량차이가 계절적, 월별, 일별로 차이가 심하므로 이를 조절해 줄 수 있는 유량 조정조가 필수적으로 설치되어야 하며 유량 조정조가 차지하는 부지 면적은 본 생물학적 반응조 규모정도로 설치되어 지고 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 본 발명에서는 초기 유량조정조의 부피를 최소화 시키고 산화구에서 이 역할을 담당시켜 전체적인 소요 부지 면적을 줄여 우리나라 실정에 맞도록 개선시킨 것이다. 이를 위하여 폭기와 교반용 로터(rotor)와 침전지가 부유장치에 의해 침전조에서 상하로 유입수의 유입의 증감에 따라 이동된다. 이러한 부유성 침전조의 채택으로 전체 산화구 시스템은 유량 및 수질 변화에 따라 산화구 부피를 능동적으로 변화시켜 원활한 대처가 가능하다.

기본 공정은 주공정 a, c단계와 보조공정 b, d단계로 구성되어 있다. 유출이 이루어지지 않는 보조공정 b, d단계에서는 수위가 자동적으로 올라감에 따라 부유형 침전지도 상승하게 된다. 주공정 a, c단계의 경우에는 해당 산화구에 위치한 침전조의 유출구를 개방시켜 방류가 진행됨에 따라 기준선까지 처리수가 유출 되어진다. 또한 유입 유량이 급격히 많아지게 되면 산화구에서 유량조정조의 역할을 담당하게 되는데 이때 보통 고정형 침전지의 경우에는 월류 부하가 급격히 커지므로 침전효율이 떨어져서 제대로 침전되지 못한 상태에서 방류하게 되는데 반해 부유 침전지의 경우에는 유입 유량이 많아지더라도 수위와 함께 부유하므로 일정한 월류 부하를 유지할 수 있게 된다. 또한 급격히 유입부하가 많아지거나 독성물질이 유입되었을 경우에도 산화구의 가용 체적을 증가시켜 전체 체류시간을 늘려 유기물질과 영양물질의 완전 제거후에 방류되어 진다.

도 1은 본 발명에 따른 질소, 인 제거 방법의 흐름도

도 2는 본 발명을 적용할 수 있는 침전지 내장형 부유성 산화구의 단면도

도 1a는 본 발명에 따른 질소, 인 제거장치의 운전중 첫 번째 주공정도

도 1b는 본 발명에 따른 질소, 인 제거장치의 운전중 두 번째 보조공정도

도 1c는 본 발명에 따른 질소, 인 제거장치의 운전중 세 번째 주공정도

도 1d는 본 발명에 따른 질소, 인 제거장치의 운전중 네 번째 보조공정도

＜도면 주요 부분에 대한 부호 설명＞

1 : 제 1 부유성 침전지 내장형 산화구

2 : 제 2 부유성 침전지 내장형 산화구

10 : 제 1 산화구 11 : 제 2 산화구

4 : 제 1 부유성 침전조 4a : 제 2 부유성 침전조

20 : 제 1 부유성 침전조 폭기용 로터(rotor)

20a : 제 2 부유성 침전조 폭기용 로터(rotor)

21 : 제 1 산화구 정류판 21a : 제 2 산화구 정류판

25 : 자연유하식 반송관

30 : 제 1 부유성 침전조 부유기 30a : 제 2 부유성 침전조 부유기

[제 1도 산화구 운전 흐름도]

제 1도는 본 발명에 따른 산화구의 질소, 인 제거 방법을 나타내는 흐름도로서 산화구 1, 2 에 부유성 침전지 3, 4가 내장되어 A부터 D단계까지 두개의 주공정과 두개의 보조공정으로 이루어져 연속적으로 유입 유로 변경과 폭기, 비폭기를 교차 반복하면서 하, 폐수의 질소, 인 제거 공정을 나타낸 것이다.

[ 제 1도의 (a)단계 ]

제 1도의 (a)단계는 유량조정 기능을 겸한 부유성 침전지 내장형 산화구 시스템의 첫번째 주공정 단계로서 산화구 1에서는 유입 유기물을 탄소원으로 하는 탈질 반응과 산화구 2에서는 유기물 분해와 질산화가 동시에 일어난다. 이때 산화구1에서 내부 반송된 유류는 산화구 2를 거치면서 잔류 질소가스가 대기중으로 방출되고 인을 흡착(uptake)하여 산화구 2의 부유성 침전지를 통하여 유출된다 이때 방류하지 않는 침전조는 방류구가 차단되어 유출이 중지된다.

[ 제 1도의 (b) 단계 ]

제 1도의 (b) 단계는 인이 방출되고 유기물 제거와 질산화를 이루는 보조 공정이다. 산화구 1, 2에서는 슬러지에서 인이 방출되고 잔류 질소 가스가 제거되어 질산화 공정이 유지된다. 이때는 산화구 2로 원수가 유입되며 잔류 암모니아 성분과 질소 산화물이 유출되지 못하도록 산화구 1, 2모두 방류구를 차단하여 유출을 중지 시킨다. 산화구 1, 2모두 수위는 상승되고 따라서 내장된 침전조 역시 부유장치에 의해 부유 상승 되어진다.

[ 제 1도의 (c) 단계 ]

제 1도의 (c)단계는 3번째 본 공정 단계로 질소 제거를 위한 탈질 공정과 유기물 제거, 질산화 공정으로 이루어지고 침전조에서 방류가 이루어진다. 산화구 1, 2가 호기, 혐기 상태의 역할이 바뀐 것 외에는 도 1a에서의 a단계와 동일하다. 즉 a, b 단계에서 호기성으로 질소 산화물이 축적되어 산화구 2에서는 혐기 상태에서 유입 유기물을 탄소원으로 하여 탈질이 이루어지며 장시간의 폭기로 미생물 분해가 촉진되므로 내생 탈질의 효과도 얻을 수 있다. 산화구 1의 경우는 최종 인이 흡착된 미생물 현탁 부유 물질이 산화구1의 내장형 침전조에서 침전되어 유출관을 거쳐 방류된다. 즉 유입 →제 2산화구(탈질, 질소제거) →제 1산화구(용존성인의 흡착(uptake)) →제 1산화구의 부유형 침전조(침전, 슬러지 제거) →유출관 →방류의 과정을 거치게 된다.

[ 제 1도의 (d) 단계 ]

제1도의 (d)단계는 원수가 산화구 1로 유입되어 제2 산화구를 거쳐 유기물 제거와 질산화 반응을 일으키는 보조 단계이다. 1의 b단계와 같은 반응으로 이때도 부유형 침전지의 유입 웨어는 차단되어 방류되지 않고 조내 수위는 상승함에 따라 부유형 침전지도 수위에 따라 상승한다.

[ 제 2도에 관한 설명 ]

부유형 침전지를 내장한 산화구의 평면도를 그린것이다. 구체적으로 폭기와 교반 역할을 해주는 수중 로터(rotor)가 산화구 1,2에 2대씩 설치되어 있으며 양쪽 산화구를 연결시켜주는 연결관이 상부에 설치되어 있어 자연유하로 수위차에 의해 자유로이 반송이 가능하도록 되어있고 양쪽에 정류판을 설치하여 수류의 교반을 방지 하였다. 부유형 침전조에는 양쪽 단에 부유기를 설치하여 침전조 유입을 차단하였을 경우 수위에 따라 침전조가 부상되며 또한 유입부하가 많아져 유량 조정 역할을 할 경우에도 유입유량을 증가시켜 줘서 침전조가 부상하게 된다 이때 역시 수위와 함께 침전조의 월류 부하는 일정하게 되므로 침전조의 교란은 형성되지 않고 정량만을 방류하게 된다.

기본 운전 방법

[a 단계]

운전시간은 90분으로 기본 설정해두며 유입 유기물 부하에 따라 변화된다. 또한 내부 포기용 로터(rotor)와 교반기는 용존산소농도(DO)와 산화환원전위(ORP)값의 연동치에 따라 회전수의 조절에 의해 변화된다. 산화구 1은 탈질조건으로 혐기성 상태를 유지하고 유입 유기물은 탄소원으로 사용된다. 산화구 2는 호기조건으로 질산화와 인의 흡착(P-uptake)를 유도하면서 방류된다. 내부 연결 통로로 반송이 이루어지며 이때 산화구 1의 침전조 방류구는 차단되고 산화구 2에서 침전과 방류가 이루어 진다.

[b 단계]

산화구 1, 2 모두 호기조건으로 30분으로 기본 운전조건을 유지시킨다. 유입수는 바로 산화구 2로 유입되며 유출되지는 않고 저류되어 유기물 분해와 질산화 과정을 거친다. b단계에서는 고립되어 유기물 분해와 질산화를 일으킨다. 이때 유입수의 암모니아가 미쳐 제거되지 않고 유출되는 것을 막기 위하여 조내에 일시 저류시키게 된다. 이때 유입 부하의 일시적인 증가로 용존산소 농도(DO) 와 산화환원 전위(ORP)값이 일부 유동적이나 이는 산화구의 완충작용으로 전체 공정상에는 큰 영향을 끼치지 않는다.

[c 단계]

기본 반응 시간은 90분으로 유지시킨다. 산화구 2에서 혐기(anoxic)조건이 형성되면서 이전 a, b단계에서 발생되었던 질산성 질소가 질소 가스로 제거되는 탈질 작용이 이루어 진다. 산화구 1은 호기조건으로 질산화가 이루어지고 침전지로 유출이 이루어 진다.

[d 단계]

반응 설정 시간은 호기조건으로 30분 유지되며 b 단계와 유사한 동작을 한다. d 단계를 끝으로 1싸이클이 완전히 끝나면서 다시 전 과정이 반복된다. 이때도 b단계의 경우와 마찬가지로 방류는 잠시 중단되며 질산화와 탈질 작용으로 생성된 질소가스의 방출과 인 흡착(P-uptake)이 이루어 진다..

보통 1회의 체류시간(HRT : Hydraulic Retention Time)동안 4-6회의 싸이클이 반복된다. 또한 유출은 항상 호기조건에서 이루어지므로 암모니아 성분의 유출을 극소화 시킨다. 1 싸이클 4시간동안 호기 조건은 150분 이고 혐기조건은 90분으로 이루어지며 전체 산화구 부피중 호기조건은 대략 63%이고 혐기 조건은 37%이다. 따라서 phase시간을 조절하면서 질산화와 탈질조건이 제어 가능하다. 이는 호기 조건과 혐기조건에서 산화환원 전위(ORP)측정값과 농존산소 농도(DO)를 이용하여 단계별 시간조절과 기계식 폭기장치의 회전수(RPM) 조절로 적합한 조건의 자동제어가 가능하도록 한다. 예를 들어 주공정인 (a, c단계)의 시간제어를 60분으로 한다면 전체 반응조중 호기조건은 75%로 증가하며, 혐기 조건은 25%로 감소하게 된다. 따라서 일별, 달별, 계절별로 적합하게 운전제어를 유지할 있다. 여름철에는 일반적으로 공기공급량을 줄여 호기시간을 줄이고 겨울철 경우에는 질산화 미생물이 성장이 느리므로 질산화를 촉진시키기 위하여 호기시간을 증가시킨다. 산소 요구량은 유입부하에 따라 다양하게 나타나지만 일반적으로 산소공급량은 요구되는 최대량으로 공급하게 되어 과포기와 에너지 소비가 발생된다. 그러나 요구되는 산소 소모량에 적합하도록 공급한다면 에너지 소비량이 감소되고 처리효율은 증대되어지므로 용존산소 측정기에 의해 일정농도를 유지시키고 산소소모속도를 측정하여 적합하도록 용존산소를 공급시킨다. 또한 미생물 현탁 부유물질(MLSS(Mixed Liquid Suspended Solids)) 측정기를 이용하여 자동적으로 내부에 4000mg/L정도의 적당한 농도를 유지시켜 준다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 질소, 인제거를 위한 마을 단위 중, 소규모 하수처리장치 및 방법을 이용하게 되면 계절별, 시간별 부하에 관계없이 안정적인 기준치 이하의 방류수질을 확보하게 되며 종래의 기술들인 바이오 디나이트로(BIO-DENITRO), 보우트 인트라챤넬 클레리파이어(BOAT intra-channel clarifier)와 국내에서 특허 출원된 침전지 내장형 산화구(출원번호 특1997-020666)에 비하여 다음과 같은 장점을 보유한 처리시스템을 제공할 수 있게 된다.

- 영양염류의 제거효율이 우수하고 안정적이다.

- 유량조정조의 부피를 최대 30% 감소시킬 수 있고 산화구가 침전지가 일체형이며 마을단위 하수처리장에 적용 시 부지면적을 최소화시킬 수 있다.

- 유량과 수질의 변화에 따라 산화구의 부피를 자유로이 변화시켜 체류시간을 증가시킬 수 있으므로 미처리된 방류수가 유출되지 않고 적극적이고 능동적으로 유입부하에 대처가 가능하다.

- 유량조정기능을 위하여 기존 산화구보다 수심이 깊게 유지되므로 수온변화에 강하다.

- 산화구가 호기성 상태에서 침전조로 유입, 방류되므로 인의 재용출에 의해 처리수질이 악화될 가능상이 적다.

- 계절, 시간적 변화에 따라 유입유량, 운전시간, DO농도를 자동제어 할 수 있으므로 유입부하변동에 완충능력이 뛰어나다.

- 기존 질소, 인제거 시스템들보다 운전비용이 감소되며 비교적 제어가 간편하고 효과적으로 설계되어있다.

Claims (4)

1. 수심이 깊어져도 산소전달력이 우수하도록 폭기와 교반을 동시에 시켜주는 로터(rotor)와 부유기를 장착한 침전조를 내장하여 유량조정 기능을 구비한 두개의 산화구에 자연유하로 반송을 시킬수 있는 연결관을 설치하여 간헐폭기와 유입수를 통하여 질소, 인을 제거 할 수 있는 마을단위 중,소 규모 하,폐수처리 시스템.
2. 제 1항에 있어서 산화구내에 부유성 침전지를 설치하여 유량조정 및 충격부하에 대처가 가능하다. 조내 침전지 좌우변에 부유기를 설치하여 침전지를 수위 변동에 무관하도록 일정하게 월류부하를 유지시켜 항상 정량만을 방류시킬 수 있도록 유지시켜 준다. 평상시 b, d단계에서 방류가 중지되었을 경우에는 그 유량 증가분만큼 침전조가 상승되고 a, c단계에서 침전조 방류구가 열려 방류될 때는 침전조로 유입이 이루어지며 기준선까지 내려온다. 또한 유량 조정조로 유입유량이 급격히 증가한 경우와 고농도의 유입수가 들어왔을 경우에는 산화구내의 처리 용적을 증가시켜 체류시간을 증가시켜 줌으로써 유출수의 악화를 사전에 예방할 수 있는 하, 폐수처리 시스템.
3. 제 1항과 2항에 있어서 오, 폐수의 주 처리공정(a, c단계)중 a단계는 유입 →제 1 산화구(탈질, 질소제거) →제 2 산화구(용존성인의 흡착(uptake)) →제 2 산화구의 부유형 침전조(침전, 슬러지 제거) →유출관 →방류 와 보조 처리공정 (b, d단계) 유입 →제1산화구(유기물 제거) →반송 연결관 통과 →제2산화구(질산화) 거치며 보조 처리공정(b, d단계)에서는 침전조의 방류관을 차단시켜 잔류 암모니아 성분과 산화성 질소 성분의 유출을 막아 유출수의 수질 악화를 차단하는 하, 폐수 처리 시스템
4. 제 2항과 3항에 있어서 유량계, 산화환원전위측정기(ORP meter), 용존산소농도측정기(DO meter), 현탁부유물질 농도 측정기(MLSS meter)를 이용하여 산화구 시스템을 제어하는 시스템. 구체적인 제어인자로는 용존산소농도, 산화환원전위값, 유입유량으로 제어대상은 호기, 혐기시간, 폭기 로터 및 교반기의 회전수를 이용한다. 주 처리공정(a, c단계)과 보조처리공정(b, d단계)의 운전시간을 조절하여 전체 공정에서 호기와 혐기시간을 조절한다. 또한 유입 유량을 유량계로 자동 측정하여 유량조정조가 일정 수위에 도달하면 수중펌프의 회전수를 증가시켜 산화구로의 유입유량을 자동으로 늘려주어 산화구에서 일시 저류상태가 되도록 유도한다. 또한 용존산소농도와 산화환원전위의 측정값을 계속 측정하여 만일 용존산소농도가 적정값이하로 나타날 경우 폭기 로터(rotor)의 회전수를 증가시켜 용존산소의 적정값을 유지하고 산화환원전위 역시 산소 공급 개시 시간을 알려줄 수 있도록 운전시간을 변동시켜 운전조건을 유지시켜 줄 수 있는 자동제어 시스템.