KR20020033448A - 고농도 폐수의 총질소 제거방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각종 산업체에서 발생되는 폐수 중 현재국내에서 보유하고 있는 기존설비로는 총질소(T-N)량 배출허용기준치(60 mg/L 이하)의 범위를 만족시키기 어려운 고농도 폐수를 저렴한 시설비와 간단한 처리장치 및 공정으로도 처리 가능토록 하는 폐수처리방법과 그 장치에 관한 것이다.

즉, "여과공정 → 탈기공정"으로 하는 기본처리공정으로 하되, 처리코자 하는 폐수의 농도에 따라서 선택공정인 "여과공정 → 화학분해공정 → 탈기공정"으로 선택 처리될 수 있도록 하는 것과; 상기 여과공정을 통하여 여과된 폐수에 대하여 pH 12로 조절하고, 탈기공정에서 온도 60℃로 설정한 후 상기 기본처리공정 또는 선택처리공정을 각 수행토록 함과 동시에 상기 화학분해공정에서는 Decoage C의 화학분해제를 첨가하여 유입되는 폐수중의 총질소(T-N)량을 최소량으로 제거할 수 있음에 따라서 수질오염방지 및 수질환경개선은 물론 각종 산업체에서 저렴한 비용으로 보다 쉽게 고농도 폐수를 처리 가능토록 하는 것이다.

Description

고농도 폐수의 총질소 제거방법 및 그 장치{Method and apparatus for the removal of total nitrogen(T-N) from wastewaters}

본 발명은 고농도 폐수의 총질소 제거방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 각종 산업체에서 발생되는 폐수 중 현재국내에서 보유하고 있는 기존설비로는 총질소(T-N)량 배출허용기준치(60 mg/L 이하)의 범위를 만족시키기 어려운 고농도 폐수를 저렴한 시설비와 간단한 처리장치 및 공정으로도 처리 가능토록 하는 폐수처리방법과 그 장치에 관한 것이다.

현재 국내에서 고농도의 총질소를 효과적으로 제거하기 위한 수처리 장치의 개발은 거의 없는 상태로 총질소를 배출하는 산업체에서는 그 처리에 고심을 하고 있고, 국외에서 기술 및 처리공법을 수입을 할 경우에는 장치가 고가이므로 경제적으로 어려움이 많다.

즉, 선진국에서는 총질소를 제거할 수 있는 수처리 공법으로 A2O, Five-stage, Bardenpho, VIP, UCT 등이 개발되고 있는데, (대한환경공학회지, Vol. 20, No. 2, pp. 161-170, 1998)

이 또한 고농도가 아닌 중 - 저 농도의 총질소 제거에 중점을 두고 있기 때문에 고농도의 총질소 제거에 이들 공법을 적용하기는 부족함이 많아 실제 적용하지 못하고 있는 실정이다.

이러한 문제로 인하여 고농도의 폐수가 지속적으로 발생하는 각 업체에서는 적절한 처리방안을 찾지 못한 나머지 고심 끝에 급기야는 하천 등에 불법으로 배출한다거나 매립하는 등 수질환경을 오염시키는 주요원인이 되었던 것이다.

이에 본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 일소하기 위해 발명한 것으로서, 물리적, 화학적 처리공법인 급속 여과, 화학분해 및 탈기공법과 아울러 그 공법수행 중 회분식, 연속식 공정을 통하여 폐수중의 고농도 충질소를 보다 신속하고도 효과적으로 제거할 수 있도록 하는데, 주안점을 두고 그 기술적 과제로서 완성한 것이다.

도 1은 본 발명의 T-N 제거 폐수처리장치 및 그 공정 개략도

도 2는 pH 변화에 따른 처리수의 총질소 농도 및 pH 변화를 나타낸 도표

도 3은 온도변화에 따른 처리수의 총질소 농도를 나타낸 도표

도 4는 일부 처리공정의 순서를 변화시킴에 따른 총질소 제거효과를 나타낸 도표

도 5는 화학분해탑에 유입된 시료수에 화학 분해제를 첨가하여 반응시켰을 경우의 총질소 제거효율에 미치는 영향을 나타낸 도표

□ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 □

10:원수탱크20:급속모래여과탑

21:모래30:pH조절조

40:탈기탑41:외통

42:내통43:온도조절장치

44:송풍기45:raschig ring

50:조정조60:화학분해탑

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 첨부된 각 도면과 실험결과 도표 등에 의거하여 보다 상세히 설명하면 하기와 같다.

즉, 본 발명에서는 고농도의 충질소를 가지는 폐수를 폐수 배출허용기준치인 60㎎/ℓ이하로 제거하는 폐수처리방법과 그 방법에 사용될 수 있는 처리장치를 제공하는 바, 그 장치로는 도 1에 도시된 바와 같이 유입되는 폐수를 저장하는 원수탱크(10)를 구비하고, 그 원수탱크(10)의 일측에 모래(21)가 충진된 급속모래 여과탑(20)을 구성함과 동시에 그 일측으로 교반기를 가진 pH조절조(30), 탈기탑(40), 처리수조로 각각 배관연결 구비하되, 상기 pH조절조(30)와 급속모래 여과탑(20) 사이의 다른 배관으로 연결된 조정조(50), 화학분해탑(60)이 각각 배관으로 연결 구성된다.

상기한 급속모래여과탑(20)은 모래(21)가 충진되어 있어 공급되는 폐수를 1차 여과하여주는 역할을 하며, 상기 pH조절조(30)에서는 상기 급속모래여과탑(20)에서 여과된 폐수에 대하여 교반기를 이용해 교반하면서 NaOH용액으로 pH를 조절하기 위한 것이다.

그리고 상기 탈기탑(40)은 내통(42)과 외통(41)이 2중 원통으로 구성되는데, 그 외통(41)에는 온도조절장치(43)가 설치되어 있어 유입된 폐수가 일정온도를 설정 조절될 수 있도록 하고, 상기 내통(42)의 내부에는 raschig ring(45)을 채워 기체와 액체의 접촉면을 극대화하여 유입되는 폐수의 하향흐름으로 상부에서 분사되게 함과 동시에 하부에는 송풍기(44)가 구비되어 있어 공기를 주입시키면서 폭기토록 함으로 처리코자하는 고농도 폐수를 1차 처리될 수 있도록 하는 것이다.

한편, 상기 급속모래여과탑(20)의 일측 pH조절조(30)와 탈기탑(40) 사이에 는 PUMP가 설치된 조정조(50)와 교반기를 가지는 화학분해탑(50)이 다른 배관으로 연결케 하여 추가 구성함으로서, 상기 급속모래여과탑(20)에서 바로 탈기탑(40)을 거치는 1차 처리공정만으로는 처리가 어려운 고농도 폐수를 상기 추가설비인 화학분해탑(50)으로 유입시켜 교반과 함께 화학분해제(Decoage C)와 반응하게 하여 보다 높은 효율로 분해제거 될 수 있도록 하였다.

상기와 같은 폐수처리장치를 통한 본 발명의 폐수처리공정은 처리코자하는 폐수를 총질소량에 따라서 선택 처리될 수 있도록 하기와 같이 기본공정과 선택공정으로 이루어진다.

즉, 급속모래여과탑(20)을 거치는 "여과공정"과 → pH조절조 (30)및 탈기탑(40)을 거치는"탈기공정"을 거처 폐수를 처리하는 것을 기본공정(여과공정-탈기공정)으로 하되,

위 기본공정만으로는 처리가 불가능한 고농도 폐수를 처리하고자 하는 경우는 상기 "여과공정"과 "탈기공정" 사이에 "화학분해공정"을 포함하는 선택공정(여과공정-화학분해공정, 탈기공정)을 수행하게 되면 폐수에 함유된 총질소량에 대하여 보다 높은 제거율을 얻을 수 있어 총질소량이 높은 고농도의 폐수까지도 처리 가능하다.

이와 같이 기본공정과 선택공정으로 구분하는 것은 상기 원수탱크(10)에서 유입되는 폐수 중에서 총질소량이 다소 낮은 폐수일 경우는 상기 기본처리공정만으로 처리가 가능하지만 농도가 극히 높은 고농도 폐수일 경우는 그 기본공정에 화학분해공정을 포함시킨 선택공정으로 수행하는 것이 보다 높은 처리 효과를 기대할 수 있다.

그리고 상기한 폐수처리장치와 처리공정을 통한 pH, 반응온도 및 탈기시간 등의 변화가 총질소 제거효율에 중요한 반응변수 등을 하기의 실시예와 첨부된 도면의 실험결과표를 각 참고하여 상세히 살펴보면,

실시예)

상기 원수탱크를 통과한 폐수는 유속 60 ml/min 으로 유지되어 급속모래여과탑(20)에 도달시켜 여과하며, 상기 탈기탑(40)에서 시료수 탈기시 공기 주입량을 폐수 유량 1 L 당 500 ml/min 로 하였다.

그리고 도 2는 도시된 바와 같이 급속모래여과탑(20)을 거친 시료수의 수온 20℃, 탈기시간 60 min 실험조건에서 pH 를 일정범위로 변화시켰을 경우의 총질소 제거효율 및 pH 변화를 나타낸 것이다.(pH 변화에 따른 처리수의 총질소 농도 및 pH 변화를 나타낸 것임.)

그 결과 총질소 초기농도 1,014 mg/L 인 시료수는 pH 를 11 로 증가시켰을 경우 약 62 % 의 제거효율을 보이다가, pH 를 12, 12.5 및 13 로 더욱 증가하게 되면 제거효율은 완만한 증가추세를 보여 65%, 68%정도 범위에서 정상상태(steady-state)를 유지하게 됨을 알 수 있었다.

한편, 처리수의 pH 는 시료수 pH 11 에서는 9.1, 12 에서는 9.9 로 크게 감소하고 있으나, 12.5, 13 에서는 감소폭이 크게 줄어든 12.2, 12.7 로 비슷한 범위를 나타나고 있는데, 이것은 시료수중의 암모니아성 질소 (NH3-N) 가 pH 12.5 이전의 영역에서는 거의 다 제거되기 때문이다. 따라서 총질소 제거를 위한 탈기공정의 적당한 pH 범위는 12 ~ 12.5, 탈기시간은 40 ~ 100 min 범위에서 60 min 의 최적값을 제공한다.

도 3 은 급속모래여과탑(20)을 거친 시료수를 탈기공정에서 수온 20℃, pH 12.5, 탈기시간 60min에서 온도를 일정하게 변화시켰을 경우의 실시예를 나타낸 것이다.(온도변화에 따른 처리수의 총질소 농도변화를 나타낸 것임.)

그 실험조건은 총질소 초기농도 1,039 mg/L 인 시료수가 온도 30℃ 에서 355.7 mg/L 로 크게 감소하고 있으며, 온도를 40, 50, 60℃ 로 더욱 증가함에 따라 총질소 농도도 285.6 mg/L, 197 mg/L, 134 mg/L (약 87% 제거효율)로 각각 감소하는 뚜렷한 제거효과를 보여주고 있다. 따라서, 총질소 제거에 대한 온도의 영향은 증가함에 따라 비례하여 증가하는 상관관계를 보여주고 있으나, 온도상승에 필요한 에너지 비용과 배출 허용 기준 40℃ 를 만족시키기 위해 적합한 온도는 60℃ 로 제시된다.

도 4 는 급속모레 여과탑(여과)과 pH조절조(pH조절), 탈기탑(탈기)의 순서로된 처리순서와 장치의 위치를 달리하였을 경우 그 위치변화에 따른 총질소 제거효과를 나타낸 것으로서,

이는 총질소 초기농도 518 mg/L 인 시료수 A 를, B(pH조절 - 여과 - 탈기) 공정으로 처리하면 잔류 농도는 46 mg/L 이며, 이에 반하여 C(여과 - pH조절 - 탈기) 공정으로 처리하면 8.7 mg/L이고, D(pH조절 - 탈기 - 여과) 공정으로 처리하면 26 mg/L 으로 나타났다.

따라서, 시료수를 먼저 여과하고 pH 조절후 탈기시키는 것이 가장 효과적임을 알 수 있으며, 총질소 제거를 위한 정량적 최적조건은 급속모래 여과후 pH 12,온도 40 ℃, 탈기시간 60 min 을 가지는 기술이다. 처리중에 NH3-N 의 탈기에 따라 시료수의 pH 가 감소하는 경향을 나타내므로 총질소 제거효율 향상과 탈기시간 단축 (예, 30 min) 을 위해서 pH 12 를 계속 유지하는 방법을 포함한다.

도 5 는 화학분해탑(60)에서 화학분해제를 첨가하였을 경우의 총질소 제거효율에 미치는 일 예를 나타낸 것으로서,

이는 탈기공정만으로 고농도(>1,000 mg/L)의 총질소를 60 mg/L 이하로 제거하기는 어려우므로, NH3-N 과 달리 org-N 을 분해시킬 수 있는 화학분해제 Decoage C 가 합성, 개발되었다. 총질소 초기농도 1,023 mg/L 를 탈기공정에 의해 254 mg/L 까지 감소시킨 후 전술한 Decoage C 를 10 g/L 첨가후 30 min 분해반응을 시킨 경우 잔류 총질소 농도는 49 mg/L (95% 이상 제거효율) 까지 감소하였다.

이와 같은 실시예를 통하여 상기 급속모래여과탑(20)을 통과한(여과공정) 시료수를 pH 조절조(30)에서 pH 12로 조절한 다음, 상기 탈기탑(40)의 온도조절장치(43)에서 온도 60℃로 설정하게되면,(탈기공정) 500 mg/ℓ정도의 총질소(T-N)량을 가지는 고농도 폐수를 배출허용기준 60 mg/ℓ이하로 제거 처리할 수 있다는 것을 알 수 있었고,(즉, 여과공정-탈기공정, 2개의 공정수행만으로 가능) ----기본처리공정

또, 상기 탈기공정에 의하여 처리된 처리수에서 잔류하는 충질소에 대해서는 그 충질소의 대부분이 org-N임에 따라서 상기 org-N을 분해하는데 탁월한 기능을가진 Decoage C의 화학 분해제를 상기 화학분해탑(60)에서 반응시킴(화학분해공정)과 1000 mg/ℓ정도의 총질소(T-N)량을 가지는 잔류 충질소를 배출허용기준 60 mg/ℓ이하로 제거 처리할 수 있다는 것을 알 수 있었다.(즉, 여과 - 화학분해- 탈기, 중간에 화학분해공정이 포함됨.)→ 선택처리공정

상기한 결과를 볼 때 처리코자 하는 고농도 폐수의 총질소 농도가 500 mg/ℓ정도일 경우는 상기 기본공정만으로 배출허용기준치를 달성할 수 있었지만 1000 mg/ℓ이상일 경우는 상기 중간에 화학공정을 포함한 선택처리공정으로 처리되어야만 가능하다는 것을 알 수 있었다.

이상 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허 청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

상기 설명한 바와 같이 본 발명은 폐수중의 총질소(T-N)의 효과적 제거방법에 있어서, 급속모래여과, 화학분해 및 탈기공정이 복합적으로 구성된 물리, 화학적 처리방법을 제공함과 동시에 각 처리공정에서 여과 유속, pH 조절범위, 시료수 온도, 탈기시간 및 화학분해제 주입량 등에 대한 최적 반응조건을 제시함으로써,고농도 폐수가 가지는 총질소량을 배출허용기준 60 mg/L을 만족시킬 수 있어 지금까지 각종 산업체에서 처리하는데 상당한 어려움 가지고 있었던 고농도의 폐수를 용이하게 처리할 수 있음은 물론 이로 인하여 수질오염 예방 및 수질환경개선에도 크게 도움을 줄 수 있는 등 그 기대되는 바가 다대한 발명이다.

Claims (4)

1. 원수탱크(10)와 모래(21)가 충진된 급속모래여과탑(20)과, 교반기를 이용해 교반하면서 NaOH용액으로 pH를 조절하는 pH조절조(30)와, 내통(42)과 외통(41)이 2중 원통으로 구성하면서 상기 내통(42)의 내부에 raschig ring(45)을 채워진 탈기탑(40)을 각 배관 연결 구비시킨 것과;

   상기 pH조절조(30)와 탈기탑(40) 사이에는 교반기를 가지는 화학분해탑(60)을 별도 배관으로 연결설치되는 것을 특징으로 하는 고농도 폐수의 총질소 제거장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 탈기탑(40)의 외통(41)에는 온도조절장치(43)를 구비하고, 내통(42)의 하측에는 공기를 주입할 수 있는 송풍기(44)를 설치하는 것을 특징으로 하는 고농도 폐수의 총질소 제거장치.
3. "여과공정 →탈기공정"으로 하는 기본처리공정으로 하되, 처리코자 하는 폐수의 농도에 따라서 선택공정인 "여과공정 → 화학분해공정 → 탈기공정"으로 선택 처리될 수 있도록 하는 것과;

   상기 여과공정을 통하여 여과된 폐수에 대하여 pH 12로 조절하고, 탈기공정에서 온도 60℃로 설정한 후 상기 기본처리공정 또는 선택처리공정을 각 수행하는 것을 특징으로 하는 고농도 폐수의 총질소 제거방법.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 화학분해공정에서 Decoage C의 화학분해제를 첨가하여 유입되는 폐수중의 T-N( 특히, org-N)을 다량 분해/제거시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 한 고농도 폐수의 총질소 제거방법.