KR20040021147A - 초음파를 이용한 슬러지 무배출 생물학적 고도수처리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생물학적 수처리공정에서 원수 및 슬러지에 일정 시간동안 초음파를 조사하여 고형물 등을 미생물이 분해하기 용이한 물질로 전환시켜 처리공정에 투입하여 탄소원으로 효과적으로 재활용함으로써, 생물학적 오폐수 및 하수처리공정의 오염물질 처리효율을 높이며 슬러지침강성을 개선시키고 슬러지를 발생시키지 않는 초음파를 이용한 하수 및 오·폐수의 생물학적 수처리 시스템에 관한 것으로,

본 발명은 혐기조, 무산소조, 호기조, 침전조 및 상기 침전조의 슬러지를 반송하기 위한 반송 라인을 포함하는 하수 및 오폐수의 생물학적 고도처리 시스템에 있어서, 상기 시스템 공정 중의 반응액에 일정시간 동안 초음파를 조사하여 분해 용이한 물질로 전환시키고, C/N비를 조절하여 공급하기 위한 초음파 반응조를 구비하되, 상기 초음파 반응조는 부식방지와 강도유지를 위한 재질로 무접합 또는 굴곡시키거나 접합부 보강을 하여 반응조를 만들고, 상기 반응조 내부에 초음파 발생장치를 설치하되, 반응조에 다수의 진동자를 설치하며, 상기 초음파 반응조에 의해 처리된 처리 수는 상기 혐기조 또는, 무산소조 또는, 호기조로 주입됨을 특징으로 한다.

Description

초음파를 이용한 슬러지 무배출 생물학적 고도수처리 시스템{The excess sludge treatment system by sonication in biological nutrient removal process}

본 발명은 초음파를 이용한 생물학적 오폐수 및 하수 처리시스템에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 원수 및 슬러지에 일정 시간동안 초음파를 조사하여, 미생물을 적절히 분해하고 대상물질을 분해 및 처리가 용이한 물질로 특성을 전환시켜 공정에 재투입함으로써, 슬러지를 탄소원으로 효과적으로 활용하고 침강성을 개선하여 슬러지의 배출을 억제할 수 있는 초음파를 이용한 생물학적 고도수처리 시스템에 관한 것이다.

원수의 질소와 인을 제거하기 위해 사용하는 생물학적 고도처리공정은 혐기조에서 인을 용출시켜 호기조에서 인을 과잉 섭취하여 슬러지를 제거함으로써 인을 제거하고 질화·탈질 과정을 통하여 질소를 제거하는 공정이다. 하지만, 유입원수의 탄소원이 슬러지의 질산성 질소를 제거하거나, 인을 용출시키는데 사용되고, 난분해성 탄소원의 존재 및, 낮은 C/N비로 인해 탈질·탈인의 탄소원으로 작용하지 못하게 된다. 그러므로, 탈질·탈인을 위한 원수중의 탄소원은 오염물질 제거의 제한인자로 작용하여 추가 투입이 필요하게 된다.

일반적으로, 반송슬러지에 초음파를 조사하면 수없이 많은 공동이 발생하며 공동화 기포들은 부압이 걸려 깨지면서 수천 기압에 달하는 충격파를 발생시킨다. 이때, 높은 온도와 파열 압력이 발생되면서 높은 에너지에 의해 화학 반응이 촉진되어 휘발성유기화합물을 분해 제거하거나 미생물을 살균하게 되는 등 환경분야 수처리 공정에서 다양한 형태의 적용이 가능하다.

이러한 원리를 이용하기 위해, 대한민국 공개특허공보 2001-16310호에는 초음파를 이용해 외부반송슬러지나 내부반송슬러지의 미생물을 파괴하여 질산성질소와 인을 용출시키고 휘발성유기물질을 제거함으로써 유입원수가 충분한 탄소원으로 사용할 수 있도록 하는 폐수처리 공정이 제시되어 있다.

하지만, 이와 같은 종래의 초음파를 이용한 폐수처리 시스템은, 흘러가는 반송 슬러지에 정해진 짧은 시간동안 초음파를 조사하기 때문에, 적절한 초음파 조사량 조절이 불가능하여 다양한 종류의 원수 및, 슬러지의 특성변화에 따라 조사량을 조절할 수 없으며, 반응구조상 미반응 영역이 존재하게 되고 층류 흐름 등 수류에 따라 반응효율을 일정하게 유지할 수 없는 문제가 있으며, 관형설비는 관내 기포의 발생으로 공동현상을 야기하여 관련설비의 내구성을 저하시킬 우려가 있다.

또한, 초음파처리 시 질소성분과 인 성분이 용출되어 수처리 공정의 처리효율을 저하시키며 하수 및 오·폐수의 생물학적 고도처리공정의 주요 문제점인 낮은 C/N비를 해결할 수 없고 미생물 플럭을 파괴하여 고형물의 침강성을 저하시켜 수처리 공정의 전체 성능을 감소시킨다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 대상 원수 및 슬러지에 일정 적정량의 초음파를 반응효율을 극대화 할 수 있는 구조의 별도 반응조를 설치하여 조사하여, 미생물이 분해하기쉽게 특성을 전환시키고 슬러지를 탄소원으로 효과적으로 활용할 수 있도록 적정 C/N비로 변화되게 하여 공정에 재투입하고, 침강성을 개선시킴으로써, 슬러지 배출을 억제하는 초음파를 이용한 하수 및 오폐수의 고도처리 시스템을 제공하는데 있다.

도1은 본 발명에 따른 하수 처리 시스템의 개략적인 구성도.

도2는 초음파 조사 시간에 따른 SCOD 변화량을 나타낸 그래프.

도3은 초음파 조사 시간에 따른 SBOD 변화량을 나타낸 그래프.

도4는 초음파 조사 시간에 따른 T-N 변화량을 나타낸 그래프.

도5는 초음파 조사 시간에 따른 C/N비 변화를 나타낸 그래프.

도6은 초음파 조사 시간에 따른 MLSS 1gr 당 SCOD 변화량을 나타낸 그래프.

도7은 초음파 조사 시간에 따른 MLSS 1gr 당 SBOD 변화량을 나타낸 그래프.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 저장탱크2 : 무산소조

3 : 호기조4 : 침전조

5 : 초음파 반응조6 : 외부반송라인

7 : 내부반송라인

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 혐기조, 무산소조, 호기조, 침전조 및 상기 침전조의 슬러지를 반송하기 위한 반송 라인을 포함하는 하수 및 오폐수의 생물학적 고도처리 시스템에 있어서, 상기 시스템 공정 중의 반응액에 일정시간 동안 초음파를 조사하여 분해 용이한 물질로 전환시키고, C/N비를 조절하여 공급하기 위한 초음파 반응조를 구비하되, 상기 초음파 반응조는 부식방지와 강도유지를 위한 재질로 무접합 또는 굴곡시키거나 접합부 보강을 하여 반응조를 만들고, 상기 반응조 내부에 초음파 발생장치를 설치하되, 반응조에 다수의 진동자를 설치하며, 상기 초음파 반응조에 의해 처리된 처리 수는 상기 혐기조 또는, 무산소조 또는, 호기조로 주입됨을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 생물학적 고도수처리 시스템의 개략적인 구성도로서, 도면에서 1은 저장탱크, 2는 무산소조, 3은 호기조, 4는 침전조, 5는 초음파 반응조, 6은 외부반송라인, 7은 내부반송라인을 각각 나타낸다.

본 발명에 따른 하수 및 오폐수처리 시스템의 특징은 무산소조, 호기조, 침전조로 구성된 일반적인 고도처리 시스템에서 원수 및 슬러지에 일정 기간동안 초음파를 조사하기 위한 초음파 반응조를 부가한 것이다.

저장탱크(1)는 유입되는 원수를 저장하기 위한 탱크로, 이는 일반적인 하수 처리 시스템에서 인 방출을 위한 혐기조가 될 수도 있다. 무산소조(2)는 무산소 조건에서 질산화된 하수를 탈질하여 질소를 제거하는 반응조이고, 호기조(3)는 호기 조건에서 무산소조(2)로부터 유입된 하수를 질산화하여 내부 반송 라인(7)을 통해 무산소조(2)로 반송하는 반응조이다. 침전조(4)는 호기조(3)에서 처리된 하수를 일정 시간 동안 체류시켜 슬러지를 침전시키는 반응조이고, 침전조(4)에 침전된 슬러지의 일부는 외부 반송 라인(6)을 통해 무산소조(2)로 반송된다. 이때, 본 발명에서는 반송되는 슬러지에 초음파를 조사하여 미생물을 파괴하기 위해 초음파 반응조(5)를 마련한다. 초음파 반응조(5)의 일실시예는 스텐리스(Stainless) 스틸 재질로 무접합 및 굴곡 또는 접합부를 보강하여 반응조를 만들고, 상기 반응조(5) 내부에 초음파 반응효율을 극대화하도록 발생장치를 설치하는데, 상기 초음파 발생장치는 진동수가 28 kHz인 진동자를 반응기 3면(양면, 바닥)에 각각 5개씩 부착한다. 각 초음파 발생장치는 시간당 최대 출력이 700W이다.

제어부(도시하지 않음)는 무산소조(2)나, 호기조(3) 또는, 침전조(4)로부터 유입되는 반응액에 따라 초음파 발생장치를 제어하여 초음파 조사 시간을 제어한다.

초음파 반응조(5)로 유입되는 반응액의 검사는 각각의 반응조에 연결된 반송라인(6)에 설치되어 동작하는 유량계(도시하지 않음)나 벨브(도시하지 않음)의 개폐 등에 따라 이루어질 수 있다.

즉, 제어부는 외부 반송 라인(6)을 통해 유입된 슬러지에 적정시간 초음파를 조사한 후, 무산소조(2)로 유입시킨다.

도2와 도3은 초음파 조사시간에 따른 SCOD와 SBOD의 변화량을 나타낸 그래프로, 반응 시간은 5분 간격으로 60분 동안 수행하였다. SCOD는 슬러지 농도가 4467mg/L인 시료의 경우, 초기 SCOD 농도가 10mg/L에서 5 분일 때 79mg/L로, 10분일 때 130mg/L, 20분일 때 220mg/L, 30분일 때 340mg/L로 크게 증가하였으며, 반응시간 60분일 때는 570mg/L로 500배 이상 증가하였다. 이러한 경향은 초기 슬러지 농도가 8400, 8700mg/L인 시료에서도 동일하게 나타났으며, 초기 슬러지 농도가 높은 시료일수록 SCOD 변화량이 크게 나타났으며 SBOD도 유사한 경향을 나타냈다. 이로써 초음파 조사시간에 따라 고형물이 분해 용이한 물질로써 전환이 일어남을 확인 할 수 있었으나, 도4에서와 같이 T-N도 함께 증가하여 수처리 공정에서 원수 및 슬러지를 적정량 제어 없이 초음파처리 시 질소와 인성분 등의 용출로 처리수질이 악화되는 원인이 되었다.

도5는 초음파 조사시간에 따른 △C/N비의 변화를 나타낸 것으로 약 10분간 조사 후에 가장 큰 △C/N비를 나타내어, 조사강도를 적절히 조정하면 원수 및 슬러지 조건에 따라 경제적이고 높은 C/N비를 갖는 초음파 최적의 조사점을 도출하여 처리공정에 재주입 함으로써 오폐수 및 하수의 고도처리 시 처리효율을 높이고 슬러지의 배출을 억제할 수 있었다.

도6 및 도7은 슬러지의 초음파 조사시간에 따른 MLSS 1gr 당 SCOD 및 SBOD 변화량을 나타낸 그래프로서, 초음파 조사시간이 증가함에 따라 SCOD 및 SBOD는 크게 증가하는 것으로 나타났다.

초음파 처리된 슬러지를 첨가한 본 발명의 호기조에서 질산화율은 1.44 mg N/L-hr, 무산소조에서 탈질율은 1.53 mg N/L-hr로 나타났으나, 기존 재래식 공정 조건에서 운전되는 시스템의 경우는 질산화율과 탈질율이 각각 0.94 mg N/L-hr과 0.99 mg N/L-hr으로 낮게 나타났다. 초음파 처리된 슬러지의 첨가는 기존 공정보다 질산화율과 탈질율을 각각 35%씩 향상시켰다. 이는 슬러지에서 용출된 생분해성 유기물이 탈질과 질산화에 필요한, 처리와 분해가 용이한 탄소원으로 작용하였기 때문이다.

또한, 생물학적 연속공정 반응기로 운전한 종래의 시스템의 평균 슬러지발생량은 7.1 g/d였으나, 발생 슬러지를 전량 초음파로 전 처리한 후 무산소조에 재투입시킨 본 발명은 잉여 슬러지의 발생량이 전혀 없었으며, FSS/MLSS는 0.33으로 종래 시스템의 0.29보다 높게 나타났다.

전술한 본 발명의 일 실시 예에서는 호기조와 침전조의 슬러지를 무산소조나 혐기조로 반송하는 것으로 설명하고 있으나, 본 발명의 특징은 다른 형태의 수처리 시스템에도 적용이 가능한 것으로, 전술한 본 발명의 실시 예에 의해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것이 아니라 할 것이다.

따라서, 상기와 같은 본 발명에 의하면, 생물학적 수처리 공정에서 별도의 초음파 반응조를 설치하고 원수 및 슬러지에 일정 시간동안 초음파를 조사하여, 분해 용이한 물질로 전환시키고 C/N비를 적절하게 조절하여 공정에 재투입함으로써 침강성을 개선하고 탄소원으로 재활용하여 하수 및 오폐수의 처리 효율을 향상시키고, 잉여 슬러지 발생을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 혐기조, 무산소조, 호기조, 침전조 및 상기 침전조의 슬러지를 반송하기 위한 반송 라인을 포함하는 하수 및 오폐수의 생물학적 고도처리 시스템에 있어서,

   상기 시스템 공정 중의 반응액에 일정시간 동안 초음파를 조사하여 분해 용이한 물질로 전환시키고, C/N비를 조절하여 공급하기 위한 초음파 반응조를 구비하되,

   상기 초음파 반응조는 부식방지와 강도유지를 위한 재질로 무접합 및 굴곡시키거나 또는 접합부 보강을 하여 반응조를 만들고, 상기 반응조 내부에 초음파 발생장치를 설치하되, 상기 반응조에 다수의 진동자를 설치하며, 상기 초음파 반응조에 의해 처리된 처리 수는 상기 혐기조 또는, 무산소조 또는, 호기조로 주입됨을 특징으로 하는 초음파를 이용한 슬러지 무배출 생물학적 고도수처리 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 제어부는,

   반응액이 상기 초음파 반응조로 유입되기 위한 반송라인 상에 설치된 유량계나 벨브의 개폐에 의해 상기 초음파 발생장치를 제어함을 특징으로 하는 초음파를 이용한 슬러지 무배출 생물학적 고도수처리 시스템.