KR20010052484A - 폐수의 생물학적 처리 동안 에어레이션을 조절하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 방법은 1) 처리되는 매질의 산화-환원 전위 값을 연속적으로 측정하여, 에어레이션 수단을 활성화시키거나 활성화시키지 않는 단계,

2) 에어레이션 단계 동안, 산소 농도를 측정하고 산소 농도 값을 산화-환원 전위 값과 함께 이용하여,

- 산소 농도가 기준 범위에 상응하는 경우, 에어레이션을 유지시키고,

- 산소 농도가 기준 범위보다 높으면, 에어레이션을 감소시키고,

- 산소 농도가 기준 범위보다 낮으면, 에어레이션을 증가시키는 단계 및

3) 산화-환원 전위의 "부분 질소화에서 전체 질소화" 전이 동안, 실제 산소 농도와 시스템에 대한 기준 범위를 비교하고 당해 시스템의 실제 산소 요구량에 따라 기준 값을 조정함으로써 산소에 대한 기준 값의 자동-조정을 수행하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

Description

폐수의 생물학적 처리 동안 에어레이션을 조절하는 방법{Method for regulating aeration during waste water biological treatment}

본 발명은 탄소 및 질소 오염을 제거하기 위한 생물학적 폐수 처리 플랜트의 에어레이션(aeration) 조절방법에 관한 것이다.

폐수 정제가 큰 문제를 야기하는 것으로 공지되어 있다. 따러서, 유럽 연합은 자연 환경으로의 미처리 폐수의 배출 제한을 결정하는 도시 폐수 처리에 관한 지령(제91/271/EEC호)을 발행하게 되었다. 따라서, 각각의 처리 유니트는 처리 수질과 관련하여 정확한 기준이 있고 이러한 기준에 도달하지 못하는 경우, 과징금 또는 심지어 벌금이 부과된다.

도시 폐수 처리 플랜트의 대부분은 활성화 슬러지 공정을 사용한다. 이 공정의 중요한 단계는 에어레이션 시간을 배치(sequencing)시켜 폐수에 함유된 탄소와 질소를 제거하는 데 있다. 폐수 처리 플랜트에서 나타나는 주요 문제는 처리를 정제할 물의 유입 속도 및 이의 오염 부하량의 변화에 맞추어, 정제수의 수질을 일정하게 하고 자연 환경으로의 오염 배출물의 조절양을 최소화하는 것임이 익히 공지되어 있다. 이러한 목적을 위해, 탄소와 질소의 제거는 이러한 제거가 두가지 요건에 상응해야 한다는 점을 고려하여 에어레이션을 매우 엄격하고 정확하게 제어함을 필요로 한다. 제1 요건에 따라, 에어레이션의 충분한 총 시간은 폐수의 탄소 성분을 산화시키고 슬러지를 안정화시키기 위해 매일 제공되어야 하고, 제2 요건은 질소를 성공적으로 제거하기 위해 에어레이션 단계를 매일 분배하는 것과 더 직접 관련되어 있다. 한편 슬러지가 질소화를 수행하도록 호기 조건하에 충분한 시간이 유지되도록 하고, 또 한편 탈질소화는 무산소 조건하에 적합한 유출 체류 시간을 필요로 한다. 이러한 목적을 위해, 단일 에어레이션 용기(basin)에서 사용된 소량-부하 활성화 슬러지방법(small-load activated sludge process)에서, 질소 화합물의 제거는 에어레이션 배치 및 비-에어레이션(aeration) 배치의 변경을 엄격히 제어하여 이루어진다.

산소 공급 장치의 조건설정 또는 작동에서의 단점은 처리된 유출수의 수질, 정제용 바이오매스(biomass)의 평형 및 생성된 슬러지의 특성에 영향을 주면서 폐수 정수장의 고장을 일으킨다.

따라서, 에어레이션 배치의 적용 부족은 단기적으로는, 이후에 에어레이션 시간이 충분히 길지 않으면, 산화되지 않은 질소 화합물을, 무산소 시간이 너무 짧으면 질산염을 함유할 수 있는 수득된 물의 수질에 영향을 미친다. 이와 대조적으로, 비-에어레이션 시간이 너무 길면, 처리할 유출물이 반드시 피해야 할 혐기 조건을 갖게 된다. 사실, 산화 조건하의 특정 영역에 연결된, 처리 용기 속에서의 혐기성 생활(anaerobiosis) 현상은 장기적으로, 사상 박테리아를 발생시키고, 이들 미생물은 응집체의 구조 변경 및 침착 능력의 감소를 유도하며, 물론 이것은 수질 및 처리 비용에 불리한 영향을 미친다. 불충분한 에어레이션 축적 시간의 또 다른 결과는 슬러지 품질과 관련이 있으며, 특히 이의 안정성을 결정한다.

이러한 수처리 공정에서 에어레이션 조절이 주요 요점 중의 하나인 이유가 이해될 수 있다. 각종 조절방법이 사용되어 왔다. 그 중에서, 아래의 기술을 언급할 수 있다:

1) 생물학적 용기의 에어레이션 분야에서 가장 간단한 기술은 사용자가 정의하는 프로그램에 따라, 플랜트의 실질적인 요구에 대한 상호관련성 없이 당일의 한정된 횟수로 산소를 전달시킬 수 있는 타이머(timer)이다.

2) 좀더 개선된 기술은 플랜트에서 측정된 산화-환원 전위(레독스 전위)의 높은 임계값(treshold) 및 낮은 임계값을 기준으로 하는 에어레이션의 측정이다: 이러한 측정은 시간 T에서의 정보를 근거로 하여 수행되며, 이러한 정보는 수 초 이후에 잘못된 것으로 밝혀질 수 있다.

3) 보다 강력한 기술은 본 발명자에 의해 개발되었다[참조: 제FR-A-2,724,646호]. 이 방법은 다양한 레독스 전위, 레독스 전위의 변화 유도 및 정수장의 역사를 고려하여 전문 시스템의 개념에 접근한다.

4) 기타 조절 논리는 정제할 물 중의 산소 농도 측정을 기준으로 한다; 이러한 개념이 실제로 사리에 맞지 않는다는 것을 고려하여, 용기의 비-에어레이션 단계 동안, 이어서 산소 농도 측정을 비-에어레이션 시간을 예를 들면 40 내지 60분으로 할당한 후, 예를 들면 단계적으로 에어레이션 터빈을 점차적으로 정지시켜 산소에 대한 기준 값에 대해 효과적으로 조절되는 시간으로 할당하는 타이머로 대체한다.

5) 질소화와 탈질소화를 특징으로 하는 에어레이션 용기 내의 암모니아성 및 니트로 화합물의 농도 및 이어서 정수장의 산소 요구량 측정과 관련하여 조절을 몇가지 시도를 수행한다.

위에 언급된 다양한 선행 기술을 사용하는 경우, 이들의 제한성을 입증하는 많은 단점이 나타난다. 이들 단점 중에서 특히 다음을 언급할 수 있다:

1) 타이머에 의한 자동 제어는 처리할 물 공급의 불규칙성에 의해 정수장에 제공되는 오염 부하량의 변화를 고려하지 않는다.

2) 레독스 임계값 방법은 정수장의 역사, 예를 들면, 일시적인 과부하량, 일시적인 장치 고장 등을 고려하지 않는다.

3) 제FR-A-2,724,464호에 따르는 방법은 질소화 수준 및 탈질소화 수준에서 탄소 오염에 대해 효과적인 탈오염을 제공할 수 있다. 그러나, 당해 방법의 목적은 충분한 에어레이션을 제공하는 것이고, 이는 실제로 항상 산소의 지나친 공급을 초래한다. 그러나, 이러한 지나친 공급은 경제적인 관점에서 단점일 수 있다. 추가로, 수처리 관점에서, 에어레이션 단계는 질산염의 산소 이용을 시작하기 전에 제거해야 하는 7 내지 8mg/ℓ의 비교적 높은 함량의 산소의 존재하에 시작되기 때문에 영향을 받는다. 탈질소화와 동일한 시간 동안, 에어레이션을 중단하는 단계는 상응하게 더 길어지고 효과적인 처리 시간은 1일에 걸쳐서 감소된다.

4) 정제할 물 중의 산소 농도의 간단한 측정을 기본으로 한 기술을 이용하는 경우, 활성화 슬러지 용기 속에서 일어나는 탈질소화 반응의 진행 상태를 제어할 수 없는데, 이는 이 단계를 수행하기 위해서는 산소 농도가 0이어야 하기 때문이다. 추가로, 질소화 반응을 일으키는 데 필요한 산소 농도는, 특히 생물학적 반응기 속에 존재하는 슬러지의 산화 상태에 따라 3 내지 7mg/ℓ의 범위에서 변화시킬 수 있다.

5) 에어레이션 용기 중의 암모니아성 및 니트로 화합물의 농도 측정을 기본으로 하는 기술은 높은 장치 비용을 고려하여 단지 대형 정수장에서 수행할 수 있다. 게다가, 제FR-A-2,724,646호에 따르는 산화-환원 전위 측정은 슬러지의 생리학적 상태의 평가를 가능하게 하는 반면, 이 기술은 슬러지의 산화 상태를 전혀 고려하지 않는다.

따라서, 위에서 언급한 선행 기술의 해결책의 단점으로 인해, 정수장의 에어레이션 용기에 대한 산소 공급을 보다 현명하게 제어하면서 정수장의 에어레이션 용기 속에서의 다양한 반응을 최적화할 수 있는 수단을 찾게 되었다. 이것은 본 발명에 의해 해결되는 문제이다.

따라서, 본 발명은 탄소 제거 단계, 질소화 단계 및 탈질소화 단계를 사용하여 생물학적 폐수 처리 플랜트에서 에어레이션을 조절하는 방법으로서,

1) 처리되는 매질의 산화-환원 전위 값을 연속적으로 측정하여, 에어레이션 수단을 활성화시키거나 활성화시키지 않는 단계,

2) 에어레이션 단계 동안, 산소 농도를 측정하고 산소 농도 값을 산화-환원 전위 값과 함께 이용하여,

- 산소 농도가 기준 범위에 상응하는 경우, 에어레이션을 유지시키고,

- 산소 농도가 기준 범위보다 높으면, 에어레이션을 감소시키고,

- 산소 농도가 기준 범위보다 낮으면, 에어레이션을 증가시키는 단계 및

3) 산화-환원 전위가 "부분 질소화에서 전체 질소화"로 전이되는 동안, 실제 산소 농도와 시스템에 대한 기준 범위를 비교하고 당해 시스템의 실제 산소 요구량에 따라 기준 값을 조정함으로써 산소에 대한 기준 값의 자동-조정을 수행하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, "부분 질소화/전체 질소화"로의 레독스 전이 값이 산소 농도에 대한 기준 범위보다 낮은 영역에 존재하는 경우, 이 기준 값이 감소한다.

본 발명에 따르면, "부분 질소화/전체 질소화"로의 레독스 전이 값이 산소 농도에 대한 기준 범위에 도달하지 않는 경우, 이 기준 값이 증가한다.

본 발명의 방법이 산화-환원 전위 변화의 유도를 모니터링함을 포함하는 제FR-A-2,724,646호에 정의된 바와 같은 방법과 단지 에어레이션 단계 동안에 "산소 농도" 시그널을 모니터링하는 방법을 결합하여 구성되는 이유는 명백하다. 도식적으로, 산화-환원 전위 값을 분석하여 플랜트의 시작 및 정지 배치 시간을 한정할 수 있으며, 산소 농도 값을 분석하여 에어레이션 단계 동안 사용해야 하는 힘을 제어할 수 있다.

본 발명에 따르면, 레독스 전위 측정값 + 절대값으로서의 산소 농도[Q₂]의 측정값의 합이 첨가할 수 있으며, 이들 파라미터들을 연속적으로 비교하여 정수장에 수집된 정보의 일관성을 추론하고 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르는 방법을 사용하여, 정수장의 상태와 관련된 각종 정보 및 주요한 조정 가능성에 접근할 수 있으며, 특히 예를 들면 아래와 같다:

- 레독스 전위 및 산소 농도에 대한 센서의 신뢰성 조절;

- 장치의 신뢰성 조절 또는 오염 과부하량의 확인;

- 슬러지의 생물학적 상태의 정밀 분석;

- 슬러지 성능의 함수로서의 산소 농도에 대한 기준 값의 재조정 가능성;

- 탈질소화 단계에서 비교적 낮은 함량의 잔존 산소를 적재하고 탈질소화 단계의 신속한 개시를 보장함.

본 발명의 기타 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 하기 기재 사항으로부터 나타난다:

- 도 1은 위에 정의된 바와 같은 본 발명의 방법의 각종 단계를 나타내는 도면이고,

- 도 2는 본 발명의 방법의 실행에 대한 이해를 가능하게 하는 도면이고,

- 도 3은 산업 플랜트에서 측정된, 시간의 함수로서의 산소 농도 임계값의 변화를 설명하는 곡선이다.

따라서, 위에 언급된 바와 같이, 도 1로 설명되는 본 발명의 각종 단계는 아래와 같이 요약할 수 있다:

먼저, 출발 단계 동안, 산소를 대량 공급하기 위해 플랜트의 최대 용량으로 에어레이션을 제공한다; 경험에 의하면 이러한 대량 공급은 정제를 양호하게 수행하는 데 유용하다.

단계 1:

처리되는 매질에 대한 레독스 전위(EH) 값을 연속적으로 측정하여 에어레이션 수단을 활성화시키거나 활성화시키지 않는다.

단계 2:

레독스 전위의 조사: 레독스 전위 값이 높은 경우, 탄소의 질소화 및 제거가 양호하게 일어나고; 레독스 전위 값이 낮은 경우, 이는 탄소의 질소화 및 제거가 불충분하기 때문이며, 이는 조절되는 산소 성분을 조사함을 필요로 한다.

단계 3:

처리되는 매질의 산소 농도 측정 및 이 농도의 조사를 수행하는 단계(참조: 도 2). 아래의 경우로 제시될 수 있다:

a) 산소 농도 [O₂] 값이 "산소 기준 범위"라 지칭된 도 2의 영역에 위치하는 경우: 에어레이션력이 유지되어야 한다.

b) 산소 농도 [O₂] 값이 도 2의 번호 2로 나타낸 영역(즉, [O₂]에 대한 기준 값 아래쪽)에 위치하는 경우: 필요량의 산소를 공급하기 위해, 산화력이 증가되어야 하고, 그렇지 못한 경우, 에어레이션 부스터(booster)가 최대로 계속 작동되어야 한다.

c) [O₂] 값이 도 2의 번호 3으로 나타낸 영역(즉, [O₂]에 대한 기준 값 위쪽)에 위치하고, 레독스 전위는 불충분할 수 있지만, 산소에 대한 기준 값이 초과되는 경우: 에어레이션이 감소되거나, 그렇지 못한 경우, 에어레이션 부스터가 최소로 계속 작동된다.

d) [O₂] 값이 도 2의 번호 1로 나타낸 영역(레독스 전위 및 산소 농도가 매우 낮다)에 위치하는 경우로서 이러한 상황은 정수장의 과부하(슬러지의 높은 호흡)에 상응하거나 장치 또는 센서의 고장에 상응할 수 있다: 이 경우, 본 발명에서는 경보가 작동된다,

e) [O₂] 값이 도 2의 번호 4로 나타낸 영역에 위치하는 경우: 높은 함량의 산소와평균 레독스 전위의 결합은 센서 고장 또는 바이오매스 성능 감소(슬러지의 저 호흡)를 나타낼 수 있다: 이 경우, 본 발명에서는 또한 경보가 작동된다.

최종 단계:

상기로부터 본 발명은 산소 농도에 대한 기준 값을 자동-조정하는 추가의 단계를 포함함을 알 수 있다.

"부분 질소화" 영역으로부터 "전체 질소화" 영역으로 산화-환원 전위가 전이되는 동안, 본 발명은 수행할 시스템 내의 산소 농도를 측정하여 산소 기준 값을 변경함으로써, 수행할 질소화반응 및 슬러지 구성 성분의 완전한 산화에 필요한 산소의 실제 요구량을 재평가할 수 있다.

산소 농도 값의 영역 1 또는 2(도2)에서 이러한 레독스 전위가 나타나는 경우, 바이오매스가 필요로 하는 산소 요구량이 낮고, 본 발명에 따라, 산소 기준 값이 감소됨으로써, 에어레이션과 관련된 에너지 절감을 증진시킬 수 있다.

역으로, 레독스 전위 값이 제안된 기준 산소 농도 조건하에 규칙적으로 도달하지 않는 경우, 산소 요구량이 높아서 [O₂] 기준 값을 증가시켜야 한다. 이러한 증가는 당해 공정을 보장할 수 있으며 이 경우 슬러지의 재산화를 증진시킬 수 있다.

첨부된 도면 중 도 3에서, 시간의 함수로서의 산소 농도 임계값의 변화가 제시되어 있고, 도 3은, 본 발명의 방법을 사용하여 [O₂] 기준 임계값 값을 자동-조정하는 방법을 나타낸다.

도 3은 연구 기간(필수적으로 1년) 동안에 걸친 산소 임계값의 변화를 나타낸다. 점 □로 나타낸 실제 값은 레독스 전위가 "단계 3"에서 "부분 질소화"에서 "완전 질소화"로 통과되는 경우에 도달된 용존 산소량을 나타낸다. 연속적이고 보다 안정한 직선은 실제 값을 기준으로 하여 제어 논리에 의해 한정된 산소 기준 값을 나타낸다. 여기서 변화를 감소시켜 당해 방법에 신뢰성을 부여하면서 기준 값의 변화를 제한한다.

바이오매스의 실제 요구(집단을 보다 새롭게 만드는 등)의 큰 변화를 반영하는 이러한 [O₂] 기준 값의 변화 범위를 주목하는 것이 중요하다. 사실, 도 3의 곡선은 생물학적 시스템이 2 내지 3mg/ℓ("오래된" 슬러지의 경우)의 용존 산소량으로 전체 질소화에서 매우 양호하게 기능할 수 있는 반면, 특정의 경우("새로운" 슬러지), 5 내지 6mg/ℓ의 함량이 전체 질소화를 보장하는데 불충분한 것으로 나타남을 교시한다. 본 발명에 따라 이러한 어려움을 극복할 수 있고 작동 조건의 자동-조정을 유도할 수 있다.

아래의 표에는, 3개의 플랜트에서, 자동 조절을 하지 않는 생물학적 폐수 처리방법(A), 레독스 전위(EH) 만을 자동 조절하는 생물학적 폐수 처리방법(B), 및 본 발명에 따라 레독스 전위(EH)와 산소 농도를 자동 조절하는 생물학적 폐수 처리방법(C)을 각각 사용하여 수득된 비교용 결과가 나타나 있다. 이 표는 본 발명의 방법을 사용함으로써 제공되는 이점, 특히 경제적 이점을 명확히 보여준다.

	플랜트 1	플랜트 2	플랜트 3
용량(EH)	40,000	12,000	100,000
사용된 방법	A	B	C	B	C	C
만족스러운 BOD 평가만족스러운 총 질소 평가BOD 및 총 질소 컴플라이언스(compliance)	2/20/2없음	11/1111/11있음	5/55/5있음	8/88/8있음	16/1616/16있음	57/5756/57있음
감소율(BOD)(%)감소율(총 질소)(%)	8662	9790	9788	9790	9790	9885
경제적 평가(C/B)			-20%		-15%

본 발명의 방법에 의해 제공되는 이점 중에서, 특히 다음을 언급할 수 있다:

- 탄소 및 질소 오염물을 처리하기 위한 반응을 수행하는 데 필요한, 제공된 에어레이션력의 조절;

- 수집된 정보의 일관성을 입증하고 정수장에서 발생하는 제한된 사건(event)를 검출할 수 있음;

- 시스템에 신뢰성을 부여하기 위해 시스템을 조절하기 위한 실제 기준 값의 자동-조정을 수행할 수 있음(예를 들면, 슬러지의 요구조건에 대한 세밀한 기술).

본 발명은 위에 기재 및/또는 언급된 예시적인 양태로 제한되는 것이 아니라, 청구의 범위의 범주안에 포함될 수 있는 모든 변수를 포함하는 것으로 명백히 이해된다.

Claims (5)

1. 탄소 제거 단계, 질소화 단계 및 탈질소화 단계를 사용하여 생물학적 폐수 처리 플랜트에서 에어레이션을 조절하는 방법으로서,

   1) 처리되는 매질의 산화-환원 전위 값을 연속적으로 측정하여, 에어레이션 수단을 활성화시키거나 활성화시키지 않는 단계,

   2) 에어레이션 단계 동안, 산소 농도를 측정하고 산소 농도 값을 산화-환원 전위 값과 함께 이용하여,

   - 산소 농도가 기준 범위에 상응하는 경우, 에어레이션을 유지시키고,

   - 산소 농도가 기준 범위보다 높으면, 에어레이션을 감소시키고,

   - 산소 농도가 기준 범위보다 낮으면, 에어레이션을 증가시키는 단계 및

   3) 산화-환원 전위가 "부분 질소화에서 전체 질소화"로 전이되는 동안, 실제 산소 농도와 시스템에 대한 기준 범위를 비교하고 당해 시스템의 실제 산소 요구량에 따라 기준 값을 조정함으로써 산소에 대한 기준 값의 자동-조정을 수행하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 부분 질소화 영역으로부터 전체 질소화 영역으로의 산화-환원 전위의 전이 값이 산소 농도에 대한 기준 범위보다 낮은 영역에 존재하는 경우, 당해 기준 값이 감소함을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 부분 질소화 영역으로부터 전체 질소화 영역으로의 산화-환원 전위의 전이 값이 산소 농도에 대한 기준 값에 도달되지 않는 경우, 당해 기준 값이 증가함을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 산소 농도 값이 산화-환원 전위와 같이 매우 낮은 경우, 경보가 작동됨을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 높은 산소 함량과 낮은 산화-환원 전위가 함께 나타나는 동안, 경보가 작동됨을 특징으로 하는 방법.