KR200337077Y1 - 미생물 및 응집제를 이용한 하수의 고도처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 하수처리장이나 폐수 처리장에서 미생물과 응집제를 이용하여 하수 또는 폐수를 고도처리 하는 장치 및 방법에 대한 것이다.

본 고안의 목적은 하수의 고도처리에 생물학적 방법과 화학적 처리방법을 병용하여 하수중의 질소 및 인의 제거율을 높이고 응집제 사용량을 줄이고 슬러지 발생량의 증가가 적은 하수의 고도처리 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 고안은 상기 목적을 달성하기 위하여 혐기조와 호기조를 조합하여 생물학적 고도처리 공정을 구성하고 최종 침전지의 상징수는 혼화지에서 응집제와 혼합한 다음 응집지에서 응집되게 한 후에 마이크로 필터에서 고형물을 제거하고 방류시키고 상기 마이크로 필터는 공기세척을 하게 하고 제거된 고형물은 농축장치에서 최종 침전지의 잉여 슬러지와 함께 농축한 다음 탈수장치에서 탈수하여 탈수 케이크로 반출하게 하였다.

본 고안은 하수중의 질소 및 인의 제거율을 높히고 응집제 사용량과 슬러지 발생량 증가를 최소화하여 경제적이고 처리효과가 안정적인 효과가 있다.

Description

미생물 및 응집제를 이용한 하수의 고도처리 장치{Advanced treatment apparaters of sewage water by use of coagulant chemicals and microorganism.}

본 고안은 하수처리장이나 폐수처리장 등에서 미생물과 응집제를 이용하여 하수를 고도처리 하는 기술이다.

종래에는 하수를 고도 처리하는 경우 혐기조와 호기조를 여러 가지로 배열하고 미생물을 배양하여 혐기조에서 탈질을 하여 하수중의 질소를 제거하고 동시에 미생물이 함유하고 있던 인( 정인산=PO₄)을 하수중에 방출시키고 호기조에서 암모니아를 질산으로 변화시킴과 동시에 미생물이 방출하였던 인을 과량 흡수하게 하여 이 미생물을 최종 침전지에서 침전시키고 이 침전된 슬러지를 잉여 슬러지로 인발하여 제거함으로서 하수 중의 인을 제거하였고 나머지 슬러지는 반송 슬러지로서 다시 혐기조로 이송하면서 하수의 고도처리를 계속하였다.

또 다른 방법은 상기와 같이 혐기조 와 호기조를 여러 가지로 배열하고 미생물을 배양하여 혐기조에서 탈질을 하여 하수중의 질소를 제거하고 호기조에서는 암모니아를 질산으로 변화시키고 이 하수를 최종 침전지에서 보내면서 최종 침전지 입구에서 황산 반토(alum)등의 응집제를 주입하여 하수중의 인과 응집제가 반응하여 인산 알미늄 염(AlPO₄)으로 불용성 침전물을 발생시켜서 이것을 최종 침전지에서 침전시켜 잉여 슬러지로서 제거하여 하수중의 인을 제거하고 나머지 슬러지는 반송 슬러지로서 혐기조로 반송하여 하수의 고도처리를 계속하는 것이 일반적이었다.

상기 고도처리 방법중 전자의 방법은 미생물에 의하여 질소 및 인을 동시에 제거하는 것으로 널리 사용되고 있으나 고도처리를 위 하여는 슬러지의 체류시간(SRT)을 통상 15일 정도나 그 이상으로 유지할 때 생물학적 인제거 효율이 저하되어(통상 60%정도 제거) 하수 중의 인의 농도가 높은 경우에는 방류수질 기준에서 요구하는 농도이하로 인을 제거하지 못하는 경우가 있었다.

상기 고도 처리 방법 중 후자의 경우는 인을 제거하기 위하여 응집제를 주입하면 응집제가 인 이외의 물질과 응집 반응을 하면서 소비되어 실제 필요한 양보다 더 많은 응집제가 소요되어 응집제 소비량이 증가하고 응집제의 상당 부분이 슬러지로 전환되어 슬러지 발생량이 증가하고 응집제의 주입에 의하여 하수의 PH가 저하하여 생물학적 처리에 지장을 주는 경우가 있어 안정적인 하수의 고도처리에 어려움이 있었다.

본 고안이 이루고자 하는 기술적 과제는 응집제 사용량과 슬러지 발생량 증가를 최소화하고 생물학적 처리에 지장을 주지 않아 안정적이고 효율적인 고도처리가 가능하며 소요 부지가 적은 하수의 고도처리장치를 제공하는 것이다.

도 1 은 본 고안의 구성상태를 나타낸 평면도

도 2 는 본 고안에 사용한 마이크로 필터의 측 단면도

도 3 은 본 고안에 사용한 마이크로 필터의 정면도

도 4 는 pH와 질산화균 증식 속도 그라프.

도면의 중요부분에 대한 부호의 설명

1. 미생물 반응조 2. 내부 반송장치 3. 최종 침전지

4. 슬러지 반송 장치 5. 슬러지 농축조 6. 혼화지

7. 응집제 주입장치 8. 포리머주입장치 9. 응집지

10. 마이크로 필터 10-1. 외곽 구조물 10-2. 필터본체

10-3. 필터 막 10-4. 중앙 후레임 10-5. 회전 구동축

10-6.지지 베아링 10-7. 구동 장치 10-8. 슬러지 호퍼

10-9.슬러지 이송관 10-10. 입구 통 10-11. 유입구

10-12.압력수 관 10-13. 물 분사 노즐 10-14.압축공기 관

10-15.공기 분사 노즐 10-16.유출구 10-17. 슬러지 유출구

11. 압력수 공급 장치 12. 고압 송풍기

13. 알칼리제 주입장치 14. 슬러지 이송펌프 15. 잉여 슬러지 펌프

가. 침사지 나. 하수 공급 펌프 다. 소독지

라. 농축 슬러지 이송펌프 다. 탈수 장치

본 고안은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여,

혐기조와 호기조, 최종 침전지로 구성하고 내부 반송장치, 슬러지 반송장치, 잉여 슬러지 펌프 및 슬러지 농축조를 포함하는 생물학적 고도처리 장치; 및

최종 침전지의 후단에 설치한 혼화지, 응집제 주입장치, 포리머 주입장치, 응집지, 공기세척과 물세척을 할 수 있는 마이크로 필터, 슬러지 이송펌프를 포함하는 미생물과 응집제를 이용한 하수의 고도처리장치 를 제공한다.

이하 본 고안에 대하여 [도1]∼[도3]에 의하여 상세히 설명하고자 하나 이것은 하나의 실시 예를 설명한 것이고 이것이 본 고안의 범위를 한정하는 것은 아니다.

하수 유입구에 침사지(가)를 설치하고 그 후단에 하수 공급 펌프(나)를 설치한 하수처리장에 미생물 반응조(1)을 설치하고 그 후단에는 최종 침전지(3)을 연결하여 설치하였고 미생물 반응조(1)는 앞쪽의 혐기조와 뒤쪽의 호기로로 구성하고 호기조에서 혐기조로 혼합액을 반송하는 내부 반송장치(2)를 설치하였다.

최종 침전지(3)의 하단에서 미생물 반응조(1)의 입구부까지 연결하도록 슬러지 반송 장치(4)를 설치하고 최종 침전지(3)의 하단에서 슬러지 농축기(5)까지 연결하도록 잉여 슬러지 펌프(15)를 설치하였다.

최종 침전지(3)의 후단에는 최종 침전지(3)의 상징수가 유입되도록 혼화지(6)을 설치하고 혼화지(6)에는 그 내부에 혼화기(도시하지 않음)를 설치하고 혼화지(6)에 응집제 주입장치(7)과 포리머 주입장치(8)을 연결하도록 설치하였다.

혼화지(6)의 후단에는 응집지(9)를 연결하여 설치하였고 응집지(9)의 내부에는 응집기(도시하지 않음)를 설치하였다.

응집지(9)의 후단에는 마이크로 필터(10)를 설치하고 마이크로 필터(10)에는 압력수 공급장치(11)과 고압 송풍기(12)가 연결되도록 설치하였다.

마이크로 필터(10)의 후단에는 소독지(다)를 설치하고 소독지(다)를 통과한 하수는 방류하도록 하였다.

소독지(다)의 입구에는 알칼리제 주입장치(13)이 연결되게 설치하였다.

마이크로 필터(10)의 슬러지 배출구(10-17)에서 슬러지 농축기(5)까지 관으로 연결하고 그 사이에 슬러지 이송펌프(14)를 설치하였다.

슬러지 농축기(5)의 하단에는 농축 슬러지 이송펌프(라)를 설치하여 탈수장치(마)에 연결되게 하였고 슬러지 농축기(5)의 상징수(탈리액)는 침사지 전단으로 이송되게 관으로 연결하였다.

상기 구조물 등에서 설명하지 않은 화살표는 하수나 슬러지가 이동하는 관을 표시한 것이다.

본 고안의 작용을 설명하면 다음과 같다.

미생물 반응조(1)내에 미생물을 적당히 배양한 다음 하수처리장에 유입된 하수는 침사지(가)에서 하수 중에 포함된 협잡물과 모래가 제거된 상태로 하수 공급 펌프(나)에 의하여 미생물 반응조(1)로 유입된다.

그리고 최종 침전지(3)에 침전된 슬러지는 슬러지 반송장치(4)의 작용으로 미생물 반응조(1)로 반송된다.

미생물 반응조(1)의 앞쪽은 혐기조이고 뒤쪽은 호기조로 구성하였으므로 미생물 반응조(1)에 유입된 하수와 반송된 반송 슬러지는 미생물 반응조(1)의 혐기조에서 탈질 미생물의 작용으로 탈질이 일어나 반송 슬러지 중의 질산이 질소 가스로 전환되어 대기 중으로 제거된다.(탈질과정)

또한 인을 함유하고 있던 반송 슬러지 중의 미생물은 혐기 상태에서 유입하수 중의 유기물을 포식하면서 인을 방출한다.(인 방출과정)

내부 반송 장치(2)의 작용으로 호기조에서 혐기조로 반송된 혼합액중의 질산도 상기에서 설명한 것과 같은 이유로 탈질이 되면서 하수중의 질소가 제거된다.

시간이 경과함에 따라 유입하수와 반송 슬러지 그리고 내부 순환에 의한 혼합액은 미생물 반응조(1)의 후단에 있는 호기조로 이송하게 되는데 여기서는 미생물의 작용으로 유입하수중의 암모니아가 질산으로 변화하고(질산화 과정) 유기물도 분해되며 혐기 상태에서 인을 방출하였던 미생물은 인을 흡수하는데 이때의 인의 흡수량은 자연 상태의 미생물의 인의 흡수량의 2∼5배까지 더 많이 흡수하게 된다.(인의 과도 흡수과정)

이와 같이 미생물이 인을 과다하게 흡수함에 따라 호기조 내에는 질산은 다량 존재하나 인의 존재 량은 매우 적게 된다.

이와 같은 상태의 혼합액과 하수는 최종 침전지(3)로 유입되어 혼합액 중의 미생물과 고형물이 슬러지로 침전하여 그 대부분은 반송 슬러지로 미생물 반응조(1)의 입구부로 반송되며 나머지는 잉여 슬러지로 잉여 슬러지 펌프(15)에 의하여 슬러지 농축기(5)로 이송되어 농축된 다음 탈수기에서 탈수되고 탈수된 슬러지는 탈수 케이크로 반출 처분된다.

잉여 슬러지는 과도한 양의 인을 흡수한 미생물 덩어리이므로 이 잉여 슬러지의 제거로 하수중의 인은 제거되는 것이다.

상기 와 같은 이유로 최종 침전지(3)의 상징수는 유기물, 질소, 인이 제거되어 매우 깨끗한 상태가 되는데 미생물을 이용한 고도처리 공정에서는 암모니아의 질산화를 위하여 슬러지 체류시간(SRT)를 통상적으로 15일 이상 길게 하는데 슬러지 체류시간이 길어지면 미생물이 인을 흡수하는 기능이 나빠져서 인 제거 효율이 낮아지며 특히 질산화 하는데 낮은 PH와 낮은 수온은 더 긴 슬러지 체류시간을 필요로 하게되어 이런 경우에 미생물에 의한 인의 제거 효율은 더욱 낮아지게 되어 하수중에 포함된 인의 농도가 높으면 방류수질 기준에서 정하고 있는 2mg/ℓ보다 방류수 중의 인의 농도가 높아질 수 있는 문제가 있다.

이런 경우에는 응집제를 사용하여 화학적으로 인을 제거하여야 하는데 응집제를 이용한 인 제거 이론은 다음과 같다.

응집제에 황산 반토를 사용한다고 하면

응집제는 동시에 수중의 알칼리도와 반응하여 침전물을 형성한다.

위 두식을 합산하면

식(3)에서 Aℓ의 원자량은 27, P의 원자량은 31이고 침전물이 되는 AℓPO₄↓의 원자량은 122, Aℓ(OH)₃↓ 의 원자량은 78 이므로 인 1mg을 제거하기 위 하여는 4×27/(31×2)= 1.74mg의 Aℓ 를 주입하여야 하며 이는 순수하게 인과 알미늄(Aℓ)이 반응하는 경우의 0.87 mg비하여 2배가되며 실제 현장에서 주입하는 경험치 1.3∼2.2mg의 범위에 잘 들어맞는다.

인을 제거하기 위하여 응집제를 사용하는 경우 응집제는 상기와 같이 인과의 반응 및 알칼리제와의 반응에 소비되는 이외에도 유기물과 반응하여 다른 생성물을 형성하는 데에도 사용되며 하수의 수질 상태에 따라 실제 주입량은 이론 계산치의 1.5∼2.5배 정도가 되는 것이다.

또한 슬러지 발생량은 인 2 원자를 제거하는데 400mg으로서 제거할 인의 중량 1mg에 대하여 400÷ 62 = 6.45mg의 매우 많은 슬러지가 발생한다.

식(2) 및 식(3)에서와 같이 응집제에 의한 인의 제거에는 많은 양의 알칼리도를 소비함을 알 수 있으며 알칼리도의 소비는 하수의 pH저하를 일으키고 다량의 SO₄기가 수중에 잔류하게 되어 미생물에 악영향을 줄 수 있다.

[도4]에서 알 수 있는바와 같이 질산화를 주도하는 니트로소모나스(nitrosomonas)와 니트로 박터(nitrobactor)는 중성 부근에서 약 알칼리 영역에서 그 증식 속도가 빠르고 산성영역으로 이동할수록 그 증식 속도가 낮아짐을 알 수 있다.

따라서 황산 반토 등의 응집제를 사용한 인의 제거에는 반드시 pH의 저하가 수반되고 SO₄기가 수중에 잔류하게 되어 미생물의 증식이나 활동성에 악영향을 미치게 되므로 이를 방지하기 위하여 응집제 사용량을 줄이면 인제거 효율의 저하를 일으키고 pH의 저하를 방지하기 위하여 알칼리제를 보충할 시는 응집제 사용량이 증가하고 슬러지 발생량도 급격히 증가하는 문제가 있다.

인의 주입위치와 관련하여서는 인을 최종 침전지의 입구에 주입하는 경우가 많은데 이럴 경우 상기에서 설명한 이유로 하수 중으로부터 제게 할 인 의 양에 대한 주입약품의 양이 여러 요인에 의하여 영향을 받으므로 하수의 상태 및 미생물등의 상태가 항상 변화하는 하수처리장의 특성을 고려하면 응집제를 정확하게 주입하는 것이 매우 어려워서 과다 주입 또는 과소주입이 일어나기 쉽고 안정된 인 제거가 어렵고 동시에 최종 침전지에서 pH가 저하된 반송 슬러지가 미생물 반응조로 반송되기 때문에 미생물 공정에도 악영향을 주게 되는 문제가 있다.

본 고안에서는 미생물학적으로 인이 제거된 최종 침전지의 상징수를 혼화지(6)으로 유입시키고 상징수의 인의 농도를 측정하여 기준치를 초과하는 부분만 제거하도록 필요한 양의 응집제를 주입하고 급속 혼화하여 응집제와 상징수를 완전히 혼합하여 하수중의 인과 응집제가 반응을 일으키게 한 다음 포리머를 미량 주입하여 응집이 잘 이루어지게 하여 응집지(9)에서 큰 입자가 되도록 응집을 하고다음 공정인 마이크로 필터(10)에 유입시켜서 고혐물은 필터 막(10-3)에서 걸러내고 상징수는 다음 공정인 소독지(다)에서 대장균 등이 살균 된 후 방류하게 하였다.

마이크로 필터(10)의 필터 막(10-3)에 걸린 고형물은 필터 본체(10-2)가 회전함에 따라 함께 회전하면서 수면위로 이동되면서 고형물 중의 수분 일부가 중력에 의하여 밑으로 흘러 빠져나가면서 농도가 높아지게 되며 이 고형물이 슬러지 호퍼(10-8)을 지나면 이 위치에 설치된 공기 분사 노즐(10-15)에서 분출되는 고압의 공기에 의하여 필터 막(10-3)으로부터 분리되어 고형물은 슬러지 호퍼(10-8)로 떨어지고 이어서 슬러지 이송관(10-9)를 통하여 외부로 이송된 다음 슬러지 배출구(10-17)에서 배관으로 연결된 슬러지 이송펌프(14)에 의하여 슬러지 농축기(5)로 이송되어 여기서 잉여 슬러지와 함께 농축된 후 탈수되어 반출된다.

그리고 필터 막(10-3)이 장시간 사용되는 중에 만약에 공기 분사 노즐(10-15)에서 분사되는 고압의 공기에 의하여 행하는 세척에 의하여 완전하게 세척이 안 되는 경우가 발생하면(거의 가능성은 낮음) 슬러지 호퍼(10-8)의 후단부에 설치된 물 분사 노즐(10-13)으로부터 분사되는 고압의 압력수에 의하여 세척을 하여 완전한 세척을 한다.

정상적인 운전을 하는 통상의 경우에는 필터 막(10-3)은 고압의 압축공기에 의하여 세척되므로 필터 막(10-3)에서 제거된 고형물의 농도는 3∼4%로 높아서 그 발생부피가 매우 적어 슬러지 농축기(5)에서 직접 농축이 가능하다.

혼화지(6)의 수리학적 체류시간(HRT)은 1∼3초로 매우 짧게하고 속도구배(G)값은 630∼2,000으로 하면 적은 동력과 작은 혼화지 체적에서 완전한 혼합을 얻을수 있다.

응집지는 상수도 등에서는 통상 수리학적 체류시간을 10∼20분으로 정하고 있으나 본 고안의 경우는 응집제에 황산반토와 포리머를 함께 사용하므로 응집시간이 매우 빨라서 수리학적 체류시간은 2∼5분으로 하고 속도구배(G)값은 20∼60정도로 하였다.

그리고 마이크로 필터의 필터 막(10-3)의 통수 능력은 20∼30㎥/시간으로 매우 크고 필터 막은 여러개가 병렬로 설치할 수 있어 매우 작은 부지 및 체적으로 많은 하수를 처리할 수 있다.

따라서 혼화 응집, 필터에 필요한 부지 면적은 종래의 침전지에 비하여 약 10%미만으로 거의 무시할 정도로 작게되어 건설부지로 인한 제한이 없고 건설비도 매우 저렴하다.

알칼리제 주입장치(13)은 특히 인의 농도가 많은 경우 방류수의 pH가 너무 낮아지는 경우에 한하여 중화의 목적으로 설치한 것이며 알칼리제로는 침전물이나 고형물을 형성하지 않고 물에 완전히 용해하는 수요성의 가성소다(NaOH)를 사용하여 알칼리제 사용에 의한 SS(고형물)증가를 방지하였다.

실제 하수처리장에 본 고안의 기술을 적용한 경우와 일반 응집제 사용 인제거 공정을 비교하면 다음과 같다.

유량 : 10,000㎥/일. 인 농도 : 8mg/ℓ 인 경우

〈표1〉고도처리 공정의 비교

위의 〈표1〉의 예에서 보는 바와 같이 본 고안의 고도 처리 장치에서는 인제거를 위한 응집제 사용량이 적고 슬러지 발생량의 증가도 매우 적은 것을 알 수 있다.

그리고 마이크로 필터(10)의 고형물 제거율은 응집제 사용시 85%이상이므로 위의 예와 같은 경우 최종 침전지에서의 유출 SS농도가 20 mg/ℓ이고 응집제 사용에 의한 인제거시 발생하는 SS(고형물)농도가 14.2 mg/ℓ이므로 합산하면 34.2 mg/ℓ의 SS가 마이크로 필터(10)에 유입되어 필터 막(10-3)에서 85%가 제거되므로 방류수 중의 SS 농도는 34.2 ×(100-85)/100 = 5.13mg/ℓ이 되어 강화된 방류수질 기준인 10mg/ℓ보다 훨씬 낮아 안전한 방류수질을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

본 고안의 미생물과 응집제를 이용한 하수의 고도 처리 장치 및 방법은 인제거에 필요한 응집제 사용량을 감소시키고 슬러지 발생 량 증가를 감소시키며 인 제거 시 발생하는 pH저하가 생물공정에 영향을 미치지 않게 하여 미생물 공정의 처리가 안정되고 미이크로 필터의 세척에 공기를 사용하여 슬러지 처리시설이 간단하여 경제적인 효과가 있다.

Claims (1)

1. 혐기조와 호기조, 최종 침전지로 구성하고 내부 반송장치, 슬러지 반송장치, 잉여 슬러지 펌프 및 슬러지 농축조를 포함하는 생물학적 고도처리 장치; 및

   최종 침전지의 후단에 설치한 혼화지, 응집제 주입장치, 포리머 주입장치, 응집지, 공기세척과 물 세척을 할 수 있는 마이크로 필터, 슬러지 이송펌프를 포함하는 미생물과 응집제를 이용한 하수의 고도처리장치 .