KR20030028364A

KR20030028364A - 탈질반응조의 수소공여체량 제어방법과 그 장치

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Publication number: KR20030028364A
Application number: KR1020020051773A
Authority: KR
Inventors: 고노요이치로; 마츠나미도요카즈; 오니시아키후사
Original assignee: 신토 브레이터 가부시키가이샤
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2003-04-08
Also published as: JP4321798B2; JP2003071492A; TW550241B

Abstract

본 발명의 목적은 전극을 사용하지 않고, 또한 메탄올 등의 수소공여체의 공급량의 제어를 용이하게 할 수 있는 탈질반응조의 수소공여체 제어방법을 제공하는 것이다.

유입수(오수) 중의 질산성 질소 또는 아질산성 질소를, 유입수 중의 유기탄소원 및 외부로부터 공급되는 수소공여체(유기탄소원)를 이용하여 질소가스로 환원하는 탈질반응조(26)를 가지는 생물화학적 탈질소공정에 있어서의 탈질반응조에 대한 수소공여체 첨가량을 제어하는 방법이다. 탈질반응조(26)로부터 채취한 시료수 중에서 기액분리에 의해 가스성분을 채취한 후, 그 채취가스성분 중의 수소공여체량을 메탄올가스검지기(38)로 검출하고, 그 검출값에 의거하여 수소공여체의 탈질반응조(26)에의 첨가량을 제어한다.

Description

탈질반응조의 수소공여체량 제어방법과 그 장치{METHOD FOR CONTROLLING AMOUNT OF HYDROGEN DONOR IN DENITRIFYING REACTOR AND APPARATUS THEREFOR}

본 발명은 탈질반응조에 대한 수소공여체 첨가량을 제어하는 방법에 관한 것이다. 탈질반응조는 오수 중의 질산성 질소 또는 아질산성 질소를 유입오수 중의 유기탄소원 및 외부로부터 공급되는 수소공여체(유기탄소원)를 이용하여 질소가스로 환원하는 탈질반응을 행하게 하는 반응조이다. 탈질반응조는 생물화학적 탈질소공정에 있어서, 통상 질화반응조 및/ 또는 폭기조와 함께 사용된다.

종래, 상기와 같은 생물화학적 탈질소공정에 있어서는, 통상 질화반응조나 폭기조로부터 탈질반응조로 유입(순환유입)되어 오는 질산성 질소를 포함한 폐수는, 탈질균으로 질소가스까지 환원하기 위한 메탄올 등의 수소공여체(유기탄소원)를 탈질소반응조에 첨가(공급)할 필요가 있다.

이 때, 탈질소반응조에 있어서의 주반응은,

6NO₃ ^-+ 5CH₃OH -> 3N₂↑ + 5CO₂↑ + 7H₂0 + 6OH^-

이고, 부반응은,

6NO₂ ^-+ 3CH₃OH -> 3N₂↑ + 3CO₂↑ + 3H₂O + 6OH^-

이다.

상기 반응식으로부터, 메탄올 첨가량은 질산성 질소화합물 1 질량부에 대하여 메탄올 대략 1.9배가 이론상의 화학당량이다.

그러나 폐수 중의 유기탄소원(수소공여체)의 농도변동, 즉, 원수(原水)의 C/N(탄소/질소)비가 변동하기 때문에, 통상은 상당한 여분(과잉량)의 메탄올을 정량 공급한다.

그러나 메탄올의 과잉공급은 자원의 낭비일 뿐 아니라, 결과적으로 후공정에 있어서의 재폭기조의 용량을 크게 할 필요가 있다.

이 때문에, 탈질반응조에 있어서의 산화환원전위(ORP)를 측정하는 ORP 전극방식이나, 질산성 이온을 직접적으로 측정하는 이온전극방식으로, 메탄올량의 과부족을 판정하여 메탄올 공급량의 제어를 행하고 있었다.

전자의 공지문헌으로서는, 일본국 특개평 6-238293·7-328698·8-24883·8-299987호 공보 등이 있다.

그러나 모두 전극방식이기 때문에, 전극의 오염대책 및 메인터넌스(보수관리)가 필요함과 동시에, 적정한 제어를 행하기 위해서는, 전자의 경우, 폐수의 종류에 대응한 데이터가 필요하고, 또 후자의 경우, 질산이온 뿐 아니라 아질산이온도 측정해야 할 필요가 있었다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 전극을 사용하지 않고, 또한 메탄올 등의 수소공여체의 공급량의 제어를 용이하게 할 수 있는 수소공여체제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명을 적용하는 폐수처리설비의 흐름도,

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 메탄올량 첨가제어방법의 흐름도,

도 3은 메탄올 기화온도와 기화량 안정화 시간과의 관계를 구한 실험결과를 나타내는 그래프도,

도 4는 메탄올 기화온도와 기화 메탄올량과의 관계를 구한 실험결과를 나타내는 그래프도,

도 5는 질화·탈질연속시험에 있어서의 질화반응조 NO3-N과 탈질반응조 NO3-N, 동일 COD의 경시변화를 나타내는 그래프도이다.

※ 도면의 주요 부분에 있어서의 부호의 설명

26 : 탈질반응조 34 : 채취펌프(시료채취수단)

36 : 기화조(기액분리수단)

38 : 메탄올가스검지기(수소공여체 검지수단)

40 : 메탄올펌프(수소공여체 공급수단)

42 : PID 제어부(비례제어수단)

44 : 산기관(산기수단) 50 : 가열기(가열수단)

오수 중의 질소화합물을 호기성 조건하에서 질화처리하는 질화반응조와, 질화에 의해 얻어진 질화액 중의 질산성 질소 또는 아질산성 질소를 유입오수 중의 유기탄소원 및 외부로부터 공급되는 수소공여체를 이용하여 질소가스로 환원하는 탈질반응조를 가지는 생물화학적 탈질소공정에 부착 설치하는 수소공여체첨가 제어장치에 있어서,

탈질반응조로부터 시료수를 채취하는 시료수 채취수단,

상기 채취수단으로부터의 시료수로부터 가스성분을 분리하는 기액분리수단,

상기 기액분리수단으로부터 발생한 가스성분 중에 있어서의 수소공여체량을 검출하는 수소공여체량 검출수단, 및,

수소공여체량 검출수단으로부터의 검지신호를 수소공여체 공급수단의 공급량조작부에 입력시키는 피드백제어수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

상기 구성에 있어서, 기액분리수단은 폭기방식으로 한다.

그리고 폭기방식에 있어서의 기액분리수단이 온도제어 가능한 가열기를 구비하고 있다.

이하, 본 발명의 일 실시형태를 도면에 의거하여 설명한다.

본 발명을 적용하는 생물학적 탈질소공정의 흐름도(처리 플로우도)의 일례를 도 1에 나타낸다.

폐수(오수)는 조정조(12)를 거쳐, 제 1 탈질반응조(14)에 유입 가능하게 되어 있다. 그리고 제 1 탈질반응조(14)는 폭기조(16)와 접속되어, 폭기조(16)에서 폭기(산화)에 의해 발생하는 질산성 화합물(질화액)을 순환시켜 1차 탈질을 행하도록 되어 있다. 이 질화액의 순환은 수소공여체로서의 원수의 BOD를 이용하기 위함이다.

또 제 1· 제 2 폭기조(16, 18)는 오니를 침전시키기 위한 제 1· 제 2 침강조(20, 22)를 설치하고 있다. 제 1·제 2 침강조(20, 22)에서 발생한 오니의 일부는 반송오니로서 제 1·제 2 폭기조(16, 18)로 순환시키게 되어 있다.

그리고 제 1·제 2 침강조(20, 22)로부터의 배수는 질화반응조(24)로 유입된 후, 제 2 탈질반응조(26), 재폭기조(28) 및 최종 침강조(30)를 거쳐 방류되도록 되어 있다.

또한 제 1· 제 2 탈질반응조(14, 26), 제 1·제 2 폭기조(16, 18), 질화반응조(24) 및 재폭기조(28)로부터 발생하는 가스성분은 탈취반응조(32)에 도입되도록 되어 있다.

그리고 상기 제 2 탈질반응조(26)에 설치시키는 본 실시형태의 수소공여체첨가 제어장치(메탄올첨가 제어장치)의 일 실시형태에 대하여, 도 2에 나타내는 모델도(플로우도)에 의거하여 설명을 한다. 제 2 탈질반응조(26)에만 메탄올첨가 제어장치를 설치한다. 제 1 탈질반응조(14)는 상기와 같이 BOD 과다이고, 메탄올 등의 수소공여체를 첨가할 필요는 없다.

본 실시형태에서는,

① 탈질반응조(26)로부터 시료수(검수)를 채취하는 채취펌프(시료수 채취수단)(34),

② 채취펌프(시료채취수단)(34)로 채취한 시료수로부터 가스성분을 분리하는기화조(기화기: 기액분리수단)(36),

③ 기화조(기액분리수단)(36)로부터 발생한 가스성분 중에 있어서의 메탄올 (수소공여체)량을 검출하는 메탄올가스검지기(수소공여체량 검출수단)(38),및

④ 메탄올가스검지기(수소공여체량 검출수단)(38)로부터의 검지신호를 메탄올펌프(수소공여체 공급수단)(40)의 공급량 조작부에 입력시키는 PID 제어부(비례제어수단)(42)을 구비하고 있다.

더욱 구체적으로는, 하기와 같다.

상기에 있어서, 본 실시형태의 중요한 요소가 되는 기화조(36)는 산기관(산기장치: 기폭장치)(44)및 온도센서(46)를 구비하고 있다. 여기서는, 기폭장치로서, 공기확산법에 의한 기폭장치의 하나인 산기관(압축공기를 송입 가능한 다공관)을 예로 채용하였으나, 산기판이어도 좋고, 또는 물의 공중낙하에 의한 기폭장치로 하여도 좋다.

기화조(36)의 용량은, 예를 들면, 50 내지 100OmL, 바람직하게는 10OmL 내지 50OmL로 한다. 기화조(36)의 용량이 지나치게 작으면, 메탄올 검지량에 불균일이 발생하기 쉽고, 반대로 지나치게 커도 채취량을 많게 하지 않으면 안되어 낭비이다.

그리고 기화조(36)에의 채취펌프(34)를 구비한 채취배관(48)에 있어서 채취펌프(34)와 기화조(36)와의 사이에는 가열기(50)를 배치하여, 채취수를 승온 가능하게 해 둔다. 또 기화조(36)에 유입된 채취수는 기화조(36)로부터 리턴배관(51)에 의해 탈질반응조(26)로 순환하게 되어 있다.

이 때, 채취펌프(34)로서는, 정량공급이 용이한 튜브펌프를 사용하고, 그 토출량은 상기 크기의 기화조(36)에 있어서, 예를 들면, 50 내지 20O mL/min, 바람직하게는 100 mL 전후로 한다. 토출량이 지나치게 크면, 안정된 기화율을 얻기 어렵고, 반대로 지나치게 작으면, 충분한 기화량을 얻기 어렵다.

또한 채취수를 가열하는 가열기(50)는 기화조(36) 내에 설치하여도 좋다. 가열기(50)의 형태는 특별히 한정되지 않으나, 통상 저항가열에 의한 것이 제어가 용이하다. 당연히 기화조(36) 내에 설치하는 경우는 시즈드 히터로 한다.

그리고 기화조(36)에 있어서 폭기, 필요에 의해 승온시켜 가스화된 가스성분은, 필터부착의 가스유량계(52)를 거쳐 메탄올가스검지기(38)로 유입하도록 되어 있다. 그리고 메탄올가스검지기(38)로 유입된 가스는 산기관(44)으로 유입되어, 다시 가스검지기(38) 내로 유입되도록 되어 있다. 메탄올 검지량의 안정성을 확보하기 위함이다.

상기에 있어서 메탄올가스검지기(38)는 가스성분 중의 메탄올량을 측정할 수 있는 것이면, 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면, 흡인펌프 내장으로 연소방식에의한 것〔신 코스모스전기(주)제 가연성 가스검지경보기 BHM-1형(검지부 흡인식 PE-2CC형)〕을 사용한다.

다음에, 상기 메탄올첨가 제어장치의 사용형태에 대하여, 주로 도 2에 의거하여 설명을 한다.

먼저, 채취펌프(34)를 시동시킴과 동시에, 산기관(44)의 산기펌프(압축기) (54)를 시동시킨다. 이 때의 폭기량은 기화조의 용량이 상기와 같은 크기이고,공기확산법의 경우, 500 내지 200O mL/min, 바람직하게는 1000 mL/min 전후로 한다. 폭기량이 지나치게 작으면, 메탄올의 기화량이 충분하지 않고, 반대로 폭기량이 지나치게 크면, 역시 가스성분 중의 메탄올 비율이 변동하기 쉬워, 각각 안정된 메탄올량 측정(검지)이 곤란하다.

당연히, 탈질반응조(26)에 있어서의 교반기(55) 및, 탈질반응조(26)에 폐수(원수)를 공급하는 폐수펌프(56) 및, 메탄올(수소공여체)을 공급하는 메탄올펌프(40)는 운전상태로 해 둔다.

또 가열기(50)를 온(ON)으로 함과 동시에, 기화조(36) 내의 온도센서(46)로부터의 신호에 의해 가열기(50)의 가열출력을 제어 가능하게 한다.

이 상태에서, 탈질반응조(26)로부터 채취펌프(34)를 거쳐 기화조(36)에 연속적으로 공급하여 기화조(36)에 시료수를 소정량을 유입 순환시킨다. 기화조 10O mL의 경우, 순환량은 10 mL/min로 함과 동시에, 가열기(50)를 제어하여 기화조(36)에 있어서의 시료수 온도를 20 내지 50℃, 바람직하게는 35 내지 45℃의 범위에서 일정온도(± 0.2℃)로 한다. 시료수 온도가 지나치게 낮으면, 메탄올의 기화량이 충분하지 않고, 반대로 온도가 지나치게 높으면, 가스성분 중의 메탄올 비율이 변동하여 쉬워, 각각 안정된 메탄올량 측정(검지)이 곤란하다. 또한 채취펌프(34)에 의한 기화조(36)로의 시료수의 채취는 배치적으로 행하여도 좋다. 순환채취쪽이 안정한 가스량 검지가 가능하게 된다.

그리고 시료수 순환을 20 내지 30분 행한 후, 메탄올가스검지기(38)를 작동시켜 가스성분을 채취한 후, 채취가스성분 중의 메탄올(수소공여체)량을 가스검지하여, 상기 검출값(메탄올량)의 신호를 PID 제어부(비례제어부)(42)에 입력하고, 제어부로부터의 신호를 메탄올 펌프(40)의 토출량 조작부에 입력시킨다.

상기에 있어서 가스성분의 채취는, 본 실시형태에서는 순환채취로 하고, 그 양은 가스검지기(38)의 양에 따라 다르나, 예를 들면, 상기「가연성 가스검지경보기 BHM-1형」의 경우, 1000 mL/min으로 한다.

이와 같이 하여, 탈질반응조(26)로의 메탄올량을 적정값으로 제어할 수 있다. 이 결과, 메탄올의 과잉첨가를 억제할 수 있음과 동시에, 과잉첨가를 상정하여 재폭기조(28)의 능력(용량)을 설정할 필요가 없고, 결과적으로 재폭기조도 소형화할 수 있다.

또한 상기 형태의 메탄올량 제어방법은 충분히 실용화 가능한 것을 실험에 의해 확인하고 있기 때문에, 그것들에 대하여 이하에 설명을 한다.

도 2에 나타내는 플로우도에 있어서, 탈질반응조(26): 100O mL, 기화조(36): 10OmL, 기화조 폭기량: 100O mL/min으로 하고, 메탄올가스검지기(38)는 상기의「가연성 가스검지경보기 BHM-1형」을 사용하였다. 또 가열기(50)는 기화조(36)에 투입하고, 산기펌프(54)는 메탄올가스검지기(38)에 내장되어 있는 것으로 하였다. 또한 기화조(36)에는 투입폐수 중의 질산성 질소(NO3-N) 및 화학적 산소요구량(COD)을 각각 측정하기 위한 이온전극 및 ORP 전극을 세트하였다.

(1) 기화온도와 기화 메탄올량과의 관계:

메탄올(용액농도 800O mg/L)을 기화조(36)〔탈질반응조(26)와 접속되어 있지 않음〕에 100 mL를 넣어 20 내지 50℃의 범위에서 5℃마다 각 온도로 유지하여 메탄올을 기화순환(유량: 100O mL/min)시켜, 0 내지 30분의 범위에서 5분마다의 기화 메탄올량을 구하였다.

그 결과를 나타내는 도 3으로부터, 기화 메탄올량은 기화온도가 30 내지 45℃에서 안정하고, 기화온도는 15분 이상, 바람직하게는 20 내지 30분의 범위에서 안정한 것을 알 수 있다.

상기 측정결과에 대하여, 기화온도와 기화 메탄올량(온도안정기에 있어서의 평균값)과의 관계를 도 4에 나타내나, 기화온도와 기화 메탄올과의 상관관계는 R²(상관계수)= 0.993으로 높은 것을 알 수 있다.

(2) 연속적 질화·탈질공정에 있어서의 효과의 확인

전단에 질화반응조를 설치하여, 연속적으로 질산암모늄용액을 24h 연속 투입하고, 미생물(질화균)으로 암모니아성 질소를 pH 7.8이 되도록 자동 pH 조정을 행하여 소화시킨 후, 탈질반응조에서는 순양한 미생물(탈질균)을 사용하여 탈질반응을 행하였다.

탈질반응조 내액을 튜브펌프로 인출하고, 가열기로 PID 제어에 의해 일정수온으로 하고, 잉여 메탄올을 기화장치로 기화시켜, 그 가스를 메탄올가스검지기로 측정하였다. 얻어진 검출값으로부터 PID 제어에 의해 메탄올 펌프의 제어를 행하여, 자동 첨가시켰다. 검출값의 제어는 하기 표 1에 나타내는 일정한 미터값을 사용하였다. 질화반응조 및 탈질반응조 내의 NH₄-N, NO₃-N, COD를 하루 한 번 측정하였다.

실험으로서는 황산암모늄용액의 농도를 변화시켜, 질화반응조에 있어서 미생물반응으로 생성(질화)된 질산이온과 첨가 메탄올량의 변화 및 탈질량을 조사하였다.

질화반응조로의 유입 황산암모늄용액의 농도를 변화시킨(240 mg-N/L, 370 mg-N/L, 480 mg-N/L) 바, 표 1에 나타내는 조건하에서, 표 2 및 도 5에 나타내는 바와 같은 질화반응조 질산성 질소(NO₃-N) 질화반응조, 탈질반응조 질산성 질소(NO₃-N) 및 COD의 경시변화 결과를 얻었다.

실험조건

질화반응조 용적	2L
탈질반응조 용적	1L
탈질반응조 시료 채취속도	20ml/min
기화온도	35℃(PID 제어)
폭기량(가스센서 흡인속도)	1000ml/min
메탄올가스센서에 의한 제어설정값	0.1
초기 오니농도(질화반응조·탈질반응조)	6000mg/l
질산암모늄용액의 농도변화	240->480 NH₃-N-mg/l
시료용액 첨가량	2L/일

질화·탈질연속시험결과

	원수	질화반응조	탈질반응조	탈질량mg/일	메탄올mg/일
	투입량L/일	NH₄-Nmg/L	NH₄-Nmg/L	탈질량mg/일	메탄올mg/일	NH₃-Nmg/L	NH₄-Nmg/L	NO₃-Nmg/L	CODmg/L
7월2일	2.16	130.0	22.0	115.0	24.0	17.3
7월3일	2.16	240.0	52.0	148.5	26.0	28.8	42.8	235
7월4일	2.16	240.0	64.0	146.3	6.0	2.5	55.6	285	904
7월5일	1.94	370.0	84.0	157.5	16.0	2.0	11.2	291	731
7월6일	1.94	370.0	140.0	185.0	31.0	15.8	18.2	316	880
7월9일	2.02	370.0	0.0	338.8	30.0	0.0	14.0	512
7월10일	2.02	370.0	5.0	278.8	8.0	11.2	8.6	611	2138
7월12일	2.02	480.0	120.0	280.0	31.0	11.5	18.0	541
7월14일	2.02	480.0	7.0	395.0	9.5	12.5	15.0	658
7월16일	2.02	480.0	6.0	362.5	6.0	31.0	5.0	604
7월17일	2.02	480.0	36.0	385.0	0.0	22.0	54.0	700	3160
7월18일	2.02	460.0	4.0	385.0	0.0	31.0	23.2	723	2390
7월19일	2.02	460.0	4.0	340.0	0.0	11.0	9.0	688	2248
평균	2.04	379.23	41.85	270.57	14.42	15.12	22.88	514	1779

탈질반응조에서의 질산성 질소는 안정하게 처리되어 있고, 또한 메탄올의 잉여농도의 지표로서 측정한 COD에 대해서도 평균 22.8mg/L 로 낮은 농도를 유지할 수 있었다.

이상 설명한 본 발명에 의해, 전극을 사용하지 않고, 또한 메탄올 등의 수소공여체의 공급량의 제어를 용이하게 할 수 있다.

Claims

유입수(오수) 중의 질산성 질소 또는 아질산성 질소를, 상기 유입수중의 유기탄소원 및 외부로부터 공급되는 수소공여체(유기탄소원)를 이용하여 질소가스로 환원하는 탈질반응조를 가지는 생물화학적 탈질소공정에 있어서의 탈질반응조에 대한 수소공여체 첨가량을 제어하는 방법에 있어서,

상기 탈질반응조로부터 채취한 시료수 중에서 기액분리에 의해 가스성분을 채취한 후, 그 채취가스성분 중의 수소공여체량을 검출하여, 상기 검출값에 의거하여 상기 수소공여체의 상기 탈질반응조에의 첨가량을 제어하는 것을 특징으로 하는 탈질반응조의 수소공여체량 제어방법.
제 1항에 있어서,

상기 시료수(검사수)로부터의 가스성분의 기액분리를, 폭기방식으로 행하는 것을 특징으로 하는 탈질반응조의 수소공여체량 제어방법.
제 2항에 있어서,

상기 기액분리에 의한 가스성분채취를, 상기 시료수를 30 내지 50℃로 가열한 상태에서 행하는 것을 특징으로 하는 탈질반응조의 수소공여체량 제어방법.
제 3항에 있어서,

상기 기액분리에 의한 가스성분채취를, 상기 시료수를 35 내지 45℃로 가열한 상태에서 행하는 것을 특징으로 하는 탈질반응조의 수소공여체량 제어방법.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 수소공여체가 메탄올인 것을 특징으로 하는 탈질반응조의 수소공여체량 제어방법.
유입수(오수) 중의 질산성 질소 또는 아질산성 질소를, 상기 유입수 중의 유기탄소원 및 외부로부터 공급되는 수소공여체(유기탄소원)를 이용하여 질소가스로 환원하는 탈질반응조를 가지는 생물화학적 탈질소공정에 있어서의 탈질반응조에 대한 수소공여체 첨가량을 제어하기 위하여 사용하는 수소공여체첨가 제어장치로서,

상기 탈질반응조로부터 시료수를 채취하는 시료수 채취수단,

상기 채취수단으로부터의 시료수로부터 가스성분을 분리하는 기액분리수단,

상기 기액분리수단으로부터 발생한 가스성분 중에 있어서의 수소공여체량을 검출하는 수소공여체량 검출수단, 및,

수소공여체량 검출수단으로부터의 검지신호를 수소공여체 공급수단의 공급량 조작부에 입력시키는 비례제어수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 탈질반응조용 수소공여체첨가 제어장치.
제 6항에 있어서,

상기 기액분리수단이 폭기방식인 것을 특징으로 하는 탈질반응조용 수소공여체첨가 제어장치.
제 7항에 있어서,

상기 기액분리수단이 온도제어 가능한 가열기를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 탈질반응조용 수소공여체첨가 제어장치.
제 6항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 수소공여체가 메탄올인 것을 특징으로 하는 탈질반응조용 수소공여체첨가 제어장치.