KR20030076549A - Nutrient removal of wastewater using Struvite crystalization - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 스트루바이트(Struvite, MgNH4PO4·6H2O) 침전을 이용한 하·폐수처리장치에 관한 것으로, 특히 스트루바이트 결정화를 위해 투입된 약제와 질소와 인을 제외한 다른 오염물질의 반응에 따라 발생하는 부유물을 농축시켜 처리하기 위한 것이다.The present invention relates to a sewage and wastewater treatment apparatus using struvite (Struvite, MgNH 4 PO 4 · 6H 2 O) precipitation, in particular the reaction of the chemicals and other contaminants other than nitrogen and phosphorus injected for struvite crystallization It is intended to concentrate and process the suspended solids generated in accordance with.
일반적으로 하·폐수에 포함되어 있는 질소나 인과 같은 영양염류를 처리하는 방법으로는 크게 생물학적 처리방법과 화학적 처리방법이 있다. 생물학적 처리방법은 암모니아성 질소를 호기성 상태에서 질산성 질소로 전환시킨 다음 무산소 상태에서 질소가스로 환원시키는 탈질산화에 의해 제거되며, 인은 혐기성 조건에서 인제거 미생물(PAO, Phosphate Accumulate Organisms)에 의한 인의 방출과 호기성 상태에서 인의 과잉섭취 방법에 의해 제거된다. 생물학적으로 영양염류를 제거하는 공법들은 A2/O, UCT, VIP, Bardenpho 등의 공법이 이용되고 있으나, 이는 대규모 폐수처리시 주로 이용되며, 미생물을 이용하기 때문에 독성폐수가 존재한 산업폐수 등에서는 이용이 불가능한 실정이다. 따라서 소규모 처리장이나 수중에 독성물질이 존재하는 산업폐수처리시에는 물리화학적 처리방법이 이용되어지고 있는 것이다.In general, there are two methods of treating nutrients such as nitrogen and phosphorus contained in sewage and wastewater. Biological treatment is removed by denitrification, which converts ammonia nitrogen to aerobic nitrogen in aerobic state and then to nitrogen gas in anoxic state, and phosphorus is removed by POS (Phosphate Accumulate Organisms) under anaerobic conditions. It is removed by the method of overingestion of phosphorus in phosphorus release and aerobic conditions. Biological nutrient removal methods include A 2 / O, UCT, VIP, Bardenpho, etc., but this method is mainly used for large-scale wastewater treatment, and in industrial wastewater where toxic wastewater exists due to the use of microorganisms. It is not available. Therefore, the physicochemical treatment method is used in small-scale treatment plants or industrial wastewater treatment where toxic substances are present in the water.
질소를 제거하기 위한 물리화학적 방법으로는 air stripping, 파과점 염소주입, 선택적 이온교환수지법 및 스투루바이트 결정화방법 등이 있고 인을 제거하기 위한 방법으로는 철염, 알루미늄염 및 마그네슘원의 주입에 의한 응집처리방법이 널리 이용되고 있다. 인의 화학적 처리방법은 상기 열거된 응집제의 주입에 의해 쉽게 제거 가능하지만, 질소(암모니아)를 제거하기 위한 방법으로는 스투루바이트 결정화 방법이 약2분 이내의 신속한 반응에 따라 결정이 생성되고 결정물의 비중이1 이상으로 높아 고액분리가 용이하여 많이 채택되어지고 있는 것이다.Physicochemical methods for removing nitrogen include air stripping, breakthrough chlorine injection, selective ion exchange resins, and sturubit crystallization, and methods for removing phosphorus include iron salts, aluminum salts, and magnesium sources. Coagulation treatment method is widely used. Chemical treatment of phosphorus can be easily removed by injecting the coagulant listed above.However, to remove nitrogen (ammonia), the sturubite crystallization method produces crystals in a rapid reaction within about 2 minutes and The specific gravity is more than 1, so that the solid-liquid separation is easy and is adopted a lot.
일반적으로 스투르바이트는 Mg2+: NH4 +: PO4 3-가 당량비로 1:1:1로 구성되어 있으므로 세가지 성분중에서 어느 한 성분이 부족하게 되면 스트루바이트 결정이 생성되지 않는다. 스트루바이트 결정반응을 위한 최적 pH는 8.5로 알려져 있기 때문에 일반적으로 NaOH 같은 알칼리 물질을 원수에 첨가되어야 한다.Generally, stubbite is composed of Mg 2+ : NH 4 + : PO 4 3- in an equivalent ratio of 1: 1: 1, so that when one of the three components is insufficient, no struvite crystal is produced. Since the optimal pH for struvite crystallization is known as 8.5, generally alkaline substances such as NaOH should be added to the raw water.
기존에 개발된 스트루바이트 결정화 장치들은 스트루바이트 결정을 생성하기 위한 혼합 반응조와 반응된 스트루바이트 결정의 침전을 일으키기 위한 반응조 본체로 분리되어 있다.The previously developed struvite crystallizers are separated into a mixing vessel for generating struvite crystals and a reactor body for causing precipitation of reacted struvite crystals.
한편, 이를 결합하여 하나의 반응조로 구성된 장치는 최근 특허출원 제10-2001-0056489호(2001.09.13)에 공개된 기술이 있다. 하지만 이 기술은 하나의 반응조로 구성하였으나 침전조 설비가 복잡하여 구조물 설치가 용이하지 않으며, 스트루바이트 반응조의 상단부가 반응조 본체의 수면 아래로 위치되어 있음으로서 차단되지 않아 침전 효율이 떨어지는 단점이 있었다.On the other hand, a device consisting of one reactor in combination with this is a technique disclosed in the recent patent application No. 10-2001-0056489 (2001.09.13). However, this technology consists of one reactor, but the settling tank facility is not easy to install the structure, and the upper part of the struvite reaction tank is located below the water surface of the reactor body, there is a disadvantage that the precipitation efficiency is lowered.
특히, 폐수에는 여러 가지 이온성 물질이 있을 수 있기 때문에 비중이 높은 스트루바이트만이 형성되는 것이 아니고 수중에 Al++, Fe++, Ca++등이 소량이라도 있을 경우에는 Al(OH)2, Fe(OH)2, Ca(OH)2, Ca(PO4) 등이 생성될 수 있으며 스트루바이트를 형성하기 위해 주입된 Mg++이온은 수소이온농도 조건에 따라 스트루바이트 이외에 Mg(OH)2및 Mg(PO4) 등의 부산 물질을 생성하고 이러한 부산물질 중에는 비중이 낮은 물질도 포함되기 때문에 원활하게 침전이 이루어지지 못하고 처리수와 함께 외부로 유출됨으로서 처리수의 수질을 악화시키는 문제점이 있었다.In particular, wastewater may contain a variety of ionic substances, so that not only struvite with a high specific gravity is formed, but Al (OH) when there is a small amount of Al ++ , Fe ++ , or Ca ++ in the water. 2 , Fe (OH) 2 , Ca (OH) 2 , Ca (PO 4 ), etc. may be generated, and Mg ++ ions implanted to form struvite may contain Mg in addition to struvite depending on the hydrogen ion concentration conditions. Since by-products such as (OH) 2 and Mg (PO 4 ) are produced and these by-products include low specific gravity materials, they cannot be precipitated smoothly and flow out to the outside with the treated water, thereby deteriorating the quality of the treated water. There was a problem letting.
이러한 부산물질을 제거하여 처리수의 수질을 안정적으로 유지하기 위해서는 일반적으로 행해지는 응집처리공정에서와 같이 급속교반 또는 완속교반 후 30분 이상의 침전시간을 소요로 하게됨으로서 불필요하게 스트루바이트 침전조의 규격을 키워야 하는 문제점이 있었다.In order to remove these by-products and maintain the water quality of the treated water stably, it takes unnecessary time for more than 30 minutes to settle after the rapid or slow stirring as in the coagulation treatment process that is generally performed. There was a problem to grow.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 비교적 짧은 시간에 일어나는 스트루바이트 결정을 신속히 침전시켜 고액분리를 행하고, 낮은 비중을 갖는 부산물질이 처리수와 함께 유출되어 처리수의 수질악화가 일어나지 않도록 한 것으로,The present invention has been made to solve the above problems, the object of the present invention is to rapidly precipitate the struvite crystals occurring in a relatively short time to perform a solid-liquid separation, the by-products having a low specific gravity flows out with the treated water In that the water deterioration of the treated water did not occur,
본 발명의 목적은 반응조 본체의 수표 면에 일정한 두께를 점하도록 부상여재를 이용한 여과층을 형성하여 부산물질의 유출을 방지하고, 상기 반응조 본체의 직경보다 작고 반응조 본체의 내공간 상부 중심에 설치되며 상단은 수표 면의 상부로 노출되고 하단은 반응조 본체의 바닥 면으로부터 일정한 거리만큼 이격되도록 여재 분리관을 형성하여 내측에서 유입된 스트루바이트 결정의 침전이 이루어지도록 한 것이다.An object of the present invention is to form a filtration layer using a flotation filter to have a certain thickness on the surface of the reactor body to prevent the outflow of by-products, is smaller than the diameter of the reactor body and is installed in the upper center of the inner space of the reactor body The upper part is exposed to the upper part of the surface of the water and the lower part is formed to separate the media by separating a predetermined distance from the bottom surface of the reactor body so that the precipitation of the struvite crystal introduced from the inside is achieved.
도 1은 본 발명에 따른 스트루바이트 침전을 이용한 영양염류 처리장치의 예를 보여주는 개략적인 단면도1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a nutrient processing apparatus using struvite precipitation according to the present invention
도 2는 본 발명에 따른 스트루바이트 침전을 이용한 영양염류 처리장치의 다른 예를 보여주는 개략적인 단면도Figure 2 is a schematic cross-sectional view showing another example of the nutrient processing apparatus using struvite precipitation according to the present invention
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
10: 반응조 본체20: 여재 분리관10: reactor body 20: filter medium separation tube
22: 혼합 반응조 24: Struvite 유출부22: mixing reactor 24: Struvite outlet
30: 스트루바이트 결정물 40: 스트루바이트 결정물 배출관30: struvite crystal 40: struvite crystal exhaust pipe
42: 밸브 50: 여과층42: valve 50: filtration layer
60: 위어 70: 하·폐수 유입부60: weir 70: sewage and wastewater inlet
80: 처리수 유출부80: treated water outlet
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 고안의 가장 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 각 도면을 설명함에 있어, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 도시되더라도 가능한 한 동일한 참조부호를 갖는다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the most preferred embodiment of the present invention. First, in describing each of the drawings, only the same components have the same reference numerals as much as possible even if shown on different drawings.
제1도는 본 발명의 실시 예에 따른 스트루바이트 침전을 이용한 영양염류처리장치의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a nutrient salt treatment apparatus using struvite precipitation according to an embodiment of the present invention.
도면에 따르면, 본 발명은 하·폐수유입관(70)을 통해 처리를 목적으로 하는 오·폐수의 유입관과 유출관이 형성되고 수소이온농도의 조절을 위한 알카리 주입입장치와 마그네슘/인 주입장치를 포함하는 함체상의 혼합 반응조(22)와 상기 혼합반응조(22)에 후속하면서 생성된 스트루바이트 결정의 침전이 이루어지는 개방된 상면을 갖는 원통형의 반응조 본체(10)로 구성되는 스트루바이트 침전을 이용한 영양염류의 처리장치에 있어서, 상기 반응조 본체(10)의 직경보다 작고 반응조 본체(10)의 내공간 중심에 설치되며 그 개방된 상단은 수표 면의 상부로 노출되고 개방된 하단은 반응조 본체의 바닥 면으로부터 일정한 거리만큼 이격되도록 여재 분리관(20)을 형성하여 상기 여재 분리관(20)의 외측과 반응조 본체(10)의 내측 수표면으로 일정량의 부상여재를 부유시켜 소정의 두께를 갖는 여과층(50)을 형성한 구성이다.According to the drawings, the present invention is formed through the sewage and wastewater inlet pipe 70, the inlet and outlet pipe of the wastewater for the purpose of treatment, and the alkali injection and injection device and magnesium / phosphorus for the control of the hydrogen ion concentration Struvite precipitation consisting of a mixed reactor 22 containing a device and a cylindrical reactor body 10 having an open top surface where precipitation of the generated struvite crystals is made subsequent to the mixed reactor 22. In the nutrient processing apparatus using, the smaller than the diameter of the reactor body 10 is installed in the center of the inner space of the reactor body 10, the open top is exposed to the top of the water surface and the open bottom is the reactor body Forming the media separation pipe 20 so as to be spaced apart from the bottom surface of the filter media by separating a certain amount of floating media to the outer surface of the media separation pipe 20 and the inner surface of the reactor body 10. It floats and the structure which formed the filtration layer 50 which has a predetermined thickness is formed.
이하에서는 상기의 구성으로 이루어진 본 고안의 작용효과에 대해서 상세히 기술하기로 한다. 하·폐수에 포함된 질소와 인은 유입관(70)을 따라 혼합 반응조(22)에 유입되고 이때 필요에 따라 외부에서 pH조정을 위한 알카리제나 마그네슘 및 인을 주입할 수 있도록 한다.Hereinafter will be described in detail with respect to the effect of the present invention made of the above configuration. Nitrogen and phosphorus contained in the sewage and waste water are introduced into the mixing reactor 22 along the inlet pipe 70, and at this time, it is possible to inject alkaline or magnesium and phosphorus for pH adjustment from the outside as necessary.
스트루바이트 반응에 필요한 시간은 2초 내외로 매우 짧기 때문에 혼합 반응조(22)의 크기는 줄일 수 있으며, 혼합 반응조(22)는 반응조 본체(10)의 상부에 설치토록 할 수 있는 것이다.Since the time required for the struvite reaction is very short, about 2 seconds, the size of the mixing reactor 22 can be reduced, and the mixing reactor 22 can be installed on the upper portion of the reactor body 10.
상기 혼합 반응조(22)에 유입된 하·폐수는 스트루바이트 결정의 생성을 위한 최적의 조건으로 맞춰지고 구비된 교반장치에 의해 반응된 후 스트루바이트 결정을 포함하여 생성된 부산물질은 여재 분리관(20) 내측에서 반응조 본체(10) 내로 침전이 일어나게 되는 것이다.The sewage and wastewater introduced into the mixing reactor 22 are adjusted to optimal conditions for the production of struvite crystals and reacted by a stirring device provided, and the by-products including struvite crystals are separated from the media. Precipitation occurs in the reactor body 10 inside the tube 20.
이때, 낮은 비중을 갖는 부산물질은 부상여재로 이루어진 여과층(50)에서 여과되아지는 것이고, 일정시간 운영함에 따라 부상여재에 축적된 부산물질들은 농축되어지게 되고 주기적으로 처리수를 이용한 세척에 따라 탈리되어 침전되어지는 것이다.At this time, the by-products having a low specific gravity are to be filtered in the filtration layer 50 made of flotation media, and by-products accumulated in the flotation media are concentrated for a certain period of time and are periodically washed in the treated water. It is detached and precipitated accordingly.
한편 스트루바이트 결정의 침전 및 부산물질의 여과층(50) 통과에 따라 정화되어진 처리수는 반응조 본체(10)의 상단 내주면 또는 외주 면에 형성된 위어(60)를 통하여 처리수 유출구(80)로 방류시킨다.Meanwhile, the treated water purified by precipitation of the struvite crystals and the passage of the filtration layer 50 of the by-products passes through the weir 60 formed on the upper inner circumferential surface or the outer circumferential surface of the reactor body 10 to the treated water outlet 80. Discharge.
유입된 폐수의 수소이온농도(pH)가 8.8∼9.5를 유지하는 알칼리성 폐수인 경우에는 별도의 pH조정은 요구되지 않으며, 질소 및 인이 당량비로 1 : 1인 경우는 마그네슘만을 주입하여 스트루바이트 결정물의 생성이 가능한 것이고 인의 농도가 질소 대비시 1 : 1보다 작은 당량의 농도로 있을 경우에는 외부에서 인을 주입하여 스트루바이트 결정이 일어날 수 있도록 환경을 조성한 후 스트루바이트 결정화를 진행시킨다. 이때, 교반속도는 크게 영향를 미치지 않으나 급속교반 약 150rpm 이상으로 유지시키는 것이 바람직하다. 또한 결정화 반응시 마그네슘은 바닷물 또는 간수도 이용 가능하다(참고문헌 Chemosphere, 51, 2003.4, UK, S.I.Lee, S.Y.Weon,C.W.Lee, B. Koopman, Removal of nitrogen and phosphate from wastewater by addition of bittern, pp.265-271).In case of alkaline wastewater in which the hydrogen ion concentration (pH) of the inflowed wastewater is 8.8 to 9.5, no separate pH adjustment is required, and when nitrogen and phosphorus are 1: 1 in the ratio of 1 When crystallization is possible and the concentration of phosphorus is less than 1: 1 when compared to nitrogen, phosphorus is injected from the outside to create an environment for struvite crystallization and then struvite crystallization. At this time, the stirring speed does not significantly affect, but it is preferable to maintain the stirring at about 150rpm or more. Magnesium is also available in seawater or brine during the crystallization reaction (Ref. Chemosphere, 51, 2003.4, UK, SILee, SYWeon, CWLee, B. Koopman, Removal of nitrogen and phosphate from wastewater by addition of bittern, pp .265-271).
교반에 따라 완전혼합이 이루어진 폐수는 혼합반응조(22)에서 스트루바이트 결정을 포함한 응집물들이 형성되며, 형성된 스트루바이트 및 응집물들은 여재 분리관(20)내측에서 아래로 침전하게 는 것이고 비중이 1보다 큰 스투루바이트는 재부상이 없으나 목화솜(cotton candy)처럼 형성된 기타 부산물질인 응집물(예: Mg(OH)2)들 중에 플럭(floc)강도가 크지 않은 미세 응집물들은 여재 분리관(외측)으로 재부상 되어진다.The wastewater, which is completely mixed by stirring, forms aggregates including struvite crystals in the mixing reactor 22, and the formed struvite and aggregates settle down inside the media separation tube 20 and have a specific gravity of 1. Larger sturubits have no re-injury, but fine aggregates that do not have high floc strength in other coagulants, such as Mg (OH) 2 , that are formed like cotton candy, are not separated from the media separation tube (outer). Resuspended).
이때, 재부상된 부산물질은 반응조 본체(10) 수면에 부유하는 부상여재로 이루어진 여과층(50)에서 여재사이로 형성된 여재공극에 걸림으로서 축적되며 결국 처리수만이 부상여재(50)를 통과하여 처리수 유출구(80)로 배출되도록 한다.At this time, the re-suspended by-products accumulate as caught in the filter medium formed between the filter medium in the filter layer 50 made of floating media floating on the water surface of the reactor body 10, and finally only the treated water passes through the floating filter 50 to be treated. To be discharged to the water outlet (80).
여과층(50)에 축적된 미세 응집물들은 반응조 운영에 따라 계속적으로 축적되며 응집물 크기가 커져 여과층(50)의 막힘현상(clogging)이 발생하기전 처리수를 이용하여 경사를 주어 강하게 분사시킴으로서 여재공극에 있던 응집물을 탈리시킬수 있으며, 탈리된 응집물들은 플럭이 커지고 밀도가 증가되었기 때문에 정체 상태에서 침전이 가능한 것이고, 상기 반응조 본체(10) 바닥에 침전된 스트루바이트 결정물(30) 및 응집물들은 밸브(42)를 이용하여 연속 배출시켜 제거한다.Fine aggregates accumulated in the filtration layer 50 continue to accumulate according to the operation of the reaction tank, and the size of the aggregates increases, so that the fine particles are inclined using the treated water before the clogging of the filtration layer 50 occurs. The aggregates in the pores can be detached, and the desorbed aggregates are allowed to settle in the stagnant state due to the increased flocs and density, and the struvite crystals 30 and the aggregates deposited on the bottom of the reactor body 10 are The valve 42 is used for continuous discharge to remove it.
제2도는 제1도에서 설명된 하·폐수중의 질소 및 인의 제거기작과 동일하나 혼합 반응조(22)를 반응조 본체(10)와 분리하여 구성된 실시 예이다. 이는 두 개의 반응조로 구성되어 있으나, 폐수의 유량이 증가되어 혼합반응조의 크기를 증가시키는 경우를 대비한다면 하나의 반응조로 구성된 제1도의 경우보다 개조 및 보수가 용이한 장점이 있다.2 is the same as the removal mechanism of nitrogen and phosphorus in the sewage and wastewater described in FIG. 1, but the mixing reactor 22 is separated from the reactor body 10, the embodiment is configured. It is composed of two reactors, but in case of increasing the flow rate of the waste water to increase the size of the mixed reaction tank has the advantage that it is easier to retrofit and repair than the case of FIG.
따라서, 본 발명은 부상여재를 이용한 여과층을 형성하여 미세입자까지 제거할 수 있는 기능을 갖추고 있으며 하나의 반응조내에서 스트루바이트 결정화를 진행시킬 수 있어 안정적으로 질소 및 인을 제거할 수 있는 효과가 있는 것이다.Therefore, the present invention has a function to remove the fine particles by forming a filtration layer using the flotation filter and can advance the struvite crystallization in one reaction tank to stably remove nitrogen and phosphorus There is.
이상에서 상술한 바와 같이 본 발명에 의한 폐수의 정화방법은, 폐수중 질소 및 인을 신속하게 처리할 수 있으며, 하나의 구조물을 이용한 팩키지화 공법으로 처리 가능토록 됨으로서 반응조 크기를 최소화하여 설치비 및 운영비를 절감할 수 있는 효과가 있다.As described above, the wastewater purification method according to the present invention can quickly process nitrogen and phosphorus in the wastewater, and can be treated by a packaging method using a single structure, thereby minimizing the size of the reaction tank and thus installing and operating costs. There is an effect to reduce the.
또한, 본 발명은 스트루바이트 결정을 위한 혼합 반응조가 결정후 침전이 일어나는 반응조 본체의 내부에 구분 형성됨으로서 침전효율이 크며, 마그네슘 주입에 의한 스트루바이트 결정화시 부수적으로 발생되는 미세 응집물들은 부상여재를 이용한 여과층에서 완벽하게 제거됨으로서 처리효율이 상승되는 효과가 있는 것이다.In addition, the present invention is because the mixed reaction tank for struvite determination is formed inside the reactor body in which precipitation occurs after crystallization, the precipitation efficiency is high, and the fine aggregates incidentally generated during the struvite crystallization by magnesium injection are floating media By removing completely from the filter layer using the effect that the treatment efficiency is increased.
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