KR20050006347A - 하수슬러지로부터 생산된 유기산을 이용한고도하수처리시스템및 고도하수 처리방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 고도하수처리 시스템 및 처리방법은, 기존의 하수 및 폐수처리시설에서 발생하는 슬러지를 연속식 유기산 생산장치를 이용하여 분해 산화시켜 슬러지의 배출을 최소화하고 침전, 탈수 등의 물성을 개선하며, 생성된 유기산을 외부 탄소원의 공급 대신 고도하수처리를 위한 탄소원으로 이용하는 고도하수처리시스템 및 처리방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 1차침전지로부터 유출수를 수용하며, 유입수에 포함된 유기물질을 이용하여 2차침전지에서 고액분리된 반송슬러지와 혼합하여 혐기성상태에서 미생물 세포내의 인을 방출시키는 혐기성조; 상기 혐기성조에서 유출된 유출수의 질산성질소를 질소가스로 환원시켜 제거하는 탈질조; 상기 탈질조의 유출수를 질산화시키는 포기조; 상기 포기조에서 생성된 고농도의 질산성 질소를 함유한 내부슬러지를 상기 탈질조로 반송시키는 제1반송수단; 상기 포기조로부터 배출되는 유출수를 수용하여 고액분리시키며, 유기물 농도가 낮은 상부 유출수를 배출시키는 2차침전지; 상기 2차침전지에서 고액분리된 슬러지를 상기 혐기성조로 반송시키는 제2반송수단; 상기 2차침전지에서 고액분리된 슬러지 중 폐기를 위한 잉여슬러지가 제공되는 농축조; 및 내부가 소정의 고온 고압상태를 유지하고, 상기 농축조에서 제공되는 잉여슬러지를 가열한 후 액체상태에서 분해 및 산화시키되, 산화과정에서 생성된 유기산을 상기 탈질조로 제공하는 유기산 생산장치를 포함하는 고도하수처리시스템을 제공하며, 또한, 본 발명은, 유입슬러지에 촉매를 주입하고 열교환수단에 의해 가열하는 제1단계; 상기 가열된 슬러지가 열적산화반응기로 이송되는 제2단계; 상기 열적산화반응기로 유입된 슬러지에 산화제를 주입하고, 일정 온도와 압력, 교반속도 하에서 액체상태로 분해, 산화시키는 제3단계; 상기 열적산화반응기에서 생성된 유기산을 열교환수단에 의해 냉각하여 촉매를 분리하는 제4단계; 촉매분리된 반응물이 저류조로 이송하고, 상기 저류조에서 미반응으로 발생된 부산물은 침전시키며, 유기산을 회수하여 탈질조로 이송시키는 제5단계; 상기 탈질조로 유입된 유기산과 혐기성조에서 이송된 혼합슬러지액을 포기조로 이송하는 제6단계; 상기 포기조에서 유기물 제거 및 질산화가 이루어지며, 질산화된 혼합슬러지액을 탈질조로 반송하는 제7단계; 상기 탈질조에서 슬러지 산화과정중 생성된 유기산을 이용하여 반송된 질산성 질소를 제거하여 질소제거율을 높이는 제8단계; 상기 포기조에서 성장한 미생물을 2차침전지에서 고액분리하여 침전된 슬러지의 일부를 혐기성조로 반송시키는 제9단계; 혐기성 조건에서 유입하수의 유기물 전량을 이용하여 슬러지 내의 인을 방출시켜 호기성 조건인 포기조로 이송하는 제10단계; 및 상기 혐기성조에서 이송된 슬러지를 포기조에서 과잉의 인을 섭취하도록 하는 제11단계를 포함하는 고도하수처리방법을 제공한다.
Description
본 발명은 기존의 하수 및 폐수처리시설에서 발생하는 슬러지를 연속식 유기산 생산장치를 이용하여 분해 산화시켜 슬러지의 배출을 최소화하고 침전, 탈수 등의 물성을 개선하며, 생성된 유기산을 외부 탄소원의 공급 대신 고도하수처리를 위한 탄소원으로 이용하는 고도하수처리시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 질소와 인을 함유한 배출수는 호수와 저수지의 부영양화를 가속시키거나 얕은 하천에서 녹조나 적조와 같은 조류나 수생식물의 성장을 촉진시키는 등 영양물질 또는 제한인자가 되어 수자원의 이용을 저해시키는 요소로 작용하고 있다. 따라서, 부영양화를 방지하기 위하여 하.폐수 내의 영양염류 성분이 하천 등의 수역으로 유입되기 전에 제거되어야 한다.
이와 같은 부영화를 방지하기 위한 하.폐수 처리시설의 처리공법으로 경제성면에서 우수한 생물학적 처리방법이 많이 적용되는데, 생물학적 처리방법 중에서표준활성슬러지법과 같은 미생물을 이용한 유기물의 제거가 이루어지고 있으나, 유기물 제거과정에서 증식된 미생물들이 폐슬러지로서 발생하게 된다.
유기물 제거과정에서 발생된 슬러지의 처리 및 처분과정은 1차 침전지와 2차 침전지에서 발생한 슬러지가 농축조에 모이게 되며, 농축된 슬러지는 혐기성 소화조로 이송된다.
상기 소화조에서 35℃ 정도의 중온 소화후 고농도의 소화조 상등액은 표준활성슬러지공정의 폭기조로 이송되고, 남은 슬러지는 탈수효율을 높이기 위해서 화학제를 주입하여 적정수분 이하로 탈수후 발생되는 탈수케익은 최종 처분을 위해 운송차량에 의하여 외부의 매립이나 소각에 의해 최종처분된다.
최근들어 매립시설에서 슬러지류의 직매립 금지에 따라 건설폐기물 등 다른 폐기물과 혼합하여 수분함량을 낮춘후, 매립지 복토제로 사용하는 등 임시방편적으로 처분되고 있는 상태로서, 국토면적이 협소한 국내의 경우 매립지의 용량부족이 가속화되고 있으며, 부가적으로 매립시설에서 유출되는 침출수의 처리를 위하여 복잡한 수처리 공정이 요구된다.
상기 슬러지를 소각하기 위해서는 탈수된 슬러지의 수분함량을 20 ∼ 30% 정도로 낮추어야 하고 슬러지의 열량이 부족함에 따라 추가적인 보조연로가 소요되며, 소각시 발생되는 대기오염원을 집진하기 위해 대규모 집진시설이 소요되는 등 많은 문제가 있다.
상기 슬러지의 습식산화가 적용된 실규모 시설은 미국 시카고에 소재한 하수처리시설에 설치된 짐프로공정(Zimpro process)이다. 슬러지에 함유된 유기물을 산화시키기 위한 습식산화시스템은 비교적 고온, 고압하에서 견딜 수 있는 고압반응기, 열교환수단, 산소전달시스템 및 슬러지를 고압반응기에 투입시킬 수 있는 고압펌프로 구성된다.
상기 슬러지 TS 농도는 약 3 ∼ 5% 이며, 산소량은 반응기내 전체 가스량 1 ∼ 2% 정도가 도입되었다. 상기 반응기 내부에 반응물질들을 혼합하기 위한 기계적인 교반시설은 설치되지 않은 상태로 운전되었다.
상기 짐프로공정의 운전인자는 반응온도 260℃ 이상, 압력 70 ∼ 120기압의고온, 고압하에서 40 ∼ 60분 정도의 반응시간을 유지하며, 이 때의 COD 제거율은 대략 70 ∼ 80% 에 달한다.
그러나, 짐프로공정의 주요문제인 반응기 부식과 열교환수단의 스케일(scale) 형성 및 부식정도가 심함에 따라 연간 유지관리비용이 크게 증각되어 고비용의 기술로 취급되었으며, 이러한 이유에 의해 부식을 촉진시키는 기계적인 교반시설을 적용하지 못하는 문제점이 있다.
이와 같이, 지금까지의 하수 및 폐수처리시설은 유기물 및 부유물질만을 처리하는데 그치고 있으나, 하천 및 호소의 부영양화가 심각해짐에 따라 부영양화의 원인물질인 질소와 인의 저감을 위해 하.폐수 중의 질소와 인의 제거를 위한 하수고도처리가 반드시 요구되고 있다.
통상적인 질소와 인의 제거방법에는 물리화학적 처리방법과 생물학적 처리방법이 있는데, 물리화학적 처리방법은 폐수의 수소이온농도(pH)를 증가시키면서 공기를 주입하여 질소를 암모니아 상태로 형성시켜 탈기하는 방법과 이온교환물질을사용한 선택적 흡착방법으로 질소를 처리하고 소석회 등의 응집제를 사용하여 인을 침전처리시키는 방법 등이다.
그러나, 이와 같은 물리화학적 방법의 경우 유지관리비용이 많이 소요되어 경제성측면에서 우수한 생물학적 처리공법이 대다수 적용되고 있다.
이러한 생물학적 처리공법에서, 생물학적 질소제거방법은, 용존산소가 풍부한 호기성 조건에서 하수중의 암모니아성질소(NH4 +-N)를 질산화 박테리아(nitrobactor)에 의해 아질산성질소(NO2 --N) 및 질산성질소(NO3 --N)로 산화시키는 질산화 과정을 거친후, 산소가 없는 무산소 조건에서 질산성질소를 탈질화박테리아(nitrosomonas)에 의해 질소가스로 환원하여 제거되는 탈질화 과정을 거치게 된다.
이러한 생물학적 질소제거는 호기성단계와 무산소단계가 요구되는데 호기성단계인 질산화과정에서는 용존산소가 필요하고, 무산소단계인 탈질화과정에서는 유기탄소원을 요구한다. 이 때, 유기탄소원으로 유입하수중의 유기물 성분인 탄소원을 이용하거나 부족할 경우는 메탄올과 같은 외부탄소원을 주입하여 효율적인 탈질화를 유도한다.
다음으로, 생물학적 인제거 제거방법은, 혐기성과정에서 탈인박테리아에 의해 인이 제거되는데 탈인박테리아는 섭취한 유기물을 세포내의 피에치비(PHB: PolyHydro-β-Butyrate)형태로 저장한다. 이 때, 저장에 필요한 에너지는 세포내의에이티피(ATP: Adenosin Tri Phosphate)가 에이디피(ADP: Adenosin Di Phosphate)로 분해되는 가수분해과정에서 얻게되며, 이러한 과정에서 오르소포스페이트(orthophosphate)(PO4 3--P) 형태의 인이 방출된다.
다음의 호기성단계에서는 탈인박테리아의 증식 및 재합성을 위해 혐기성단계에서 방출한 인의 양보다 수배 이상 많은 양의 인을 흡수함으로써 유입하수중의 인을 제거하게 된다.
통상적으로 생물학적 질소, 인 동시제거 방법은 혐기성조건, 무산소조건, 그리고 호기성조건이 모두 형성된 공정에서 이루어지며, 지금까지 국내외에서 다양한 공법이 개발, 실용화되어 실제 하.폐수처리시설에 적용되고 있다.
현재 하수고도처리시설에 적용된 사례로 생물학적 인, 질소제거공법으로 에이투오(A2/O)공법을 들 수 있다.
상기 에이투오공법은 혐기성조건, 무산소조건 그리고 호기성조건이 순차적으로 구성되어 있다. 생물학적 질소제거방법에서 설명한 바와 같이 호기성반응조에서 방출된 인을 호기성반응조에서 보다 많은 양의 인을 흡수한 미생물 슬러지(sludge)을 적정량 제거함으로서 인을 제거한다.
한편, 상기 인 방출과정은 산소가 없는 혐기성상태에서 이루어지는데 혐기성반응조로 산소분자가 결합된 질산성질소(NO3 --N)가 유입될 경우, 인의 방출이 저해됨에 따라 무산소단계에서의 탈질화과정이 인의 제거에 영향을 미치게 되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 생물학적 하수고도처리공정에서 발생되는 잉여슬러지의 배출을 최소화하여 유지관리비용을 저감시키고, 유입 유기물 부하가 낮은 조건에서도 질소제거효율을 높을 뿐만 아니라, 시스템 전체의 질소 제거율이 향상됨으로써 기존의 고도하수처리보다 질소와 인의 동시 제거율을 높일 수 있는 고도하수처리시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은, 하수 및 폐수의 생물학적 처리시설에서 발생하는 농축슬러지를 연속식 열적산화방법을 이용, 탄소원인 유기산을 생성하여 하수 및 폐수 고도처리시설에서 탈질화를 위한 탄소원으로 이용함으로써 총질소 제거율을 향상시킴과 동시에, 2차침전지에서 혐기성조로 유입되는 질산성 질소의 농도를 낮추어 안정적으로 인을 제거함으로써 시스템 전체의 질소와 인의 동시 제거율을 높일 수 있는 고도하수처리시스템 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
도1은 본 발명에 따른 고도하수처리시스템의 구성 및 처리과정을 개략적으로 도시한 설명도.
도2는 본 발명에 따른 하수슬러지 분해 및 고도하수처리를 위한 연속식 유기산 생산장치의 구성을 개략적으로 도시한 구성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10: 혐기성조 11: 1차침전지
20: 탈질조 30: 포기조
31: 제1반송수단 40: 2차침전지
41: 제2반송수단 50: 농축조
100: 유기산 생산장치 110, 120: 열적산화반응기
111, 121: 가열수단 112, 122: 산화제 분산수단
130: 촉매공급 및 회수수단 140: 온도압력 제어수단
150: 산화제 공급수단 160: 열교환수단
170: 저류조 181: 압력센서
182: 압력조절수단 183, 184: 온도센서
190: 슬러지주입펌프
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 1차침전지로부터 유출수를 수용하며, 유입수에 포함된 유기물질을 이용하여 2차침전지에서 고액분리된 반송슬러지와 혼합하여 혐기성상태에서 미생물 세포내의 인을 방출시키는 혐기성조; 상기 혐기성조에서 유출된 유출수의 질산성질소를 질소가스로 환원시켜 제거하는 탈질조; 상기 탈질조의 유출수를 질산화시키는 포기조; 상기 포기조에서 생성된 고농도의 질산성 질소를 함유한 내부슬러지를 상기 탈질조로 반송시키는 제1반송수단; 상기 포기조로부터 배출되는 유출수를 수용하여 고액분리시키며, 유기물 농도가 낮은 상부 유출수를 배출시키키는 2차침전지; 상기 2차침전지에서 고액분리된 슬러지를 상기 혐기성조로 반송시키는 제2반송수단; 상기 2차침전지에서 고액분리된 슬러지 중 폐기를 위한 잉여슬러지가 제공되는 농축조; 및 내부가 소정의 고온 고압상태를 유지하고, 상기 농축조에서 제공되는 잉여슬러지를 가열한 후 액체상태에서 분해 및 산화시키되, 산화과정에서 생성된 유기산을 상기 탈질조로 제공하는 유기산 생산장치를 포함하는 고도하수처리시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 촉매를 주입하고, 열교환수단에 의해 가열된 슬러지를 열적산화반응기로 이송하는 제1단계; 상기 열적산화반응기로 유입된 슬러지에 산화제를 주입하고, 일정 온도와 압력, 교반속도 하에서 액체상태로 분해, 산화시키는 제2단계; 상기 열적산화반응기에서 생성된 유기산을 열교환수단에 의해 냉각하여 촉매를 분리하는 제3단계; 촉매분리된 반응물이 저류조로 이송하고, 상기 저류조에서 미반응으로 발생된 부산물은 침전시키며, 유기산을 회수하여 탈질조로 이송시키는 제4단계; 상기 탈질조로 유입된 유기산과 혐기성조에서 이송된 혼합슬러지액을 포기조로 이송하는 제5단계; 상기 포기조에서 유기물 제거 및 질산화가 이루어지며, 질산화된 혼합슬러지액을 탈질조로 반송하는 제6단계; 상기 탈질조에서 슬러지 산화과정중 생성된 유기산을 이용하여 반송된 질산성 질소를 제거하여 질소제거율을 높이는 제7단계; 상기 포기조에서 성장한 미생물을 2차침전지에서 고액분리하여 침전된 슬러지의 일부를 혐기성조로 반송시키는 제8단계; 혐기성 조건에서 유입하수의 유기물 전량을 이용하여 슬러지 내의 인을 방출시켜 호기성 조건인 포기조로 이송하는 제9단계; 및 상기 혐기성조에서 이송된 슬러지를 포기조에서 과잉의 인을 섭취하도록 하는 제10단계를 포함하는 고도하수처리방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 고도하수처리시스템 및 고도하수처리방법을 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도1은 본 발명에 따른 고도하수처리시스템의 구성 및 처리과정을 개략적으로 도시한 설명도이다.
도면에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 고도하수처리시스템은, 1차침전지(11)로부터 유출되어 유입되는 유입수중에 포함된 유기물질을 이용하여 후술하는 2차침전지(40)에서 고액분리된 슬러지와 혼합하여 혐기성상태에서 미생물 세포내의 인을 방출시키는 혐기성조(10)와; 상기 혐기성조(10)에서 유출된 유출수 및 후술하는 포기조(30)에서 질산화후 내부반송된 슬러지와 혼합하여 질산성질소를 질소가스로 환원시켜 제거하는 탈질조(20)와; 상기 탈질조(20)의 유출수를 질산화시키고, 상기 탈질조의 유출수와 질산성 질소농도가 높은 혼합슬러지 액을 상기 탈질조로 내부반송시키는 포기조(30)와; 상기 포기조(30)에서 생성된 고농도의 질산성 질소를 함유한 내부슬러지(31)를 상기 탈질조(20)로 반송시키는 제1반송수단(31)과; 상기 포기조(30)로부터 배출되는 유출수를 수용하여 고액분리시키며, 유기물 농도가 낮은 상부 유출수를 배출시키는 2차침전지(40)와; 상기 2차침전지(40)에서 고액분리된 슬러지를 상기 혐기성조(10)로 반송시키는 제2반송수단(41)과; 상기 2차침전지(40)에서 고액분리된 슬러지 중 폐기를 위한 잉여슬러지가 제공되는 농축조(50); 및 내부가 소정의 고온 고압상태를 유지하고, 상기 농축조(50)에서 제공되는 잉여슬러지를 가열한 후 액체상태에서 분해 및 산화시키되, 산화과정에서 생성된 유기산을 상기 탈질조(20)로 제공하는 유기산 생산장치(100)를 포함한다.
상기 혐기성조(10) 및 탈질조(20)는 내부에 수용된 슬러지를 균일하게 혼합시키기 위한 교반수단(12)(21)을 구비한다.
상기 유기산 생산장치(100)를 도2를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도2는 본 발명에 따른 하수슬러지 분해 및 고도하수처리를 위한 연속식 유기산 생산장치를 도시한 구성도이다.
도면에 도시한 바와 같이, 상기 유기산 생산장치(100)는, 농축조(50)의 배출부에 장착되어 상기 농축조(50)를 거친 잉여슬러지를 액체상태로 분해.산화시키는 복수개의 열적산화반응기(110)(120)와; 에너지 절감과 산화율 증대를 위하여 상기 열적산화반응기(110)(120)에 촉매를 주입하고 회수하는 촉매주입 및 회수수단(130)과; 상기 제1 및 제2열적산화반응기(110)(120)를 소정압력 및 온도로 유지되도록 제어하는 온도압력 제어수단(140)과; 상기 각 반응기(110)(120)를 소정온도로 가열하는 가열수단(111)(121)과; 상기 각 반응기에 내재된 슬러지를 산화시키기 위하여 열적산화반응기(110)(120)에 산화제를 공급하는 산화제공급수단(150)과; 상기 각 반응기(110)(120)의 고온생성물과 반응기에 공급되는 저온 농축슬러지를 열교환에 의해 냉각 및 가열하는 열교환수단(160); 및 상기 각 반응기(110)(120)에서 생성된 유기산을 질산성질소를 질소가스로 환원시켜 제거하기 위한 탈질조(20)로 공급하고, 반응과정에서 발생되는 부산물을 하부에서 배출시키는 저류조(170)를 포함한다.
또한, 상기 열적화산화반응기(110)(120) 각각의 하부에 구비되어 상기 산화제공급수단(150)에 의하여 반응기(110)(120)내로 공급된 산화제를 분산시키는 산화제분산수단(112)(122)을 더 포함한다.
상기 열적산화반응기(110)(120)는, 유입된 슬러지가 산화제와 잘 혼합되도록 교반하는 교반수단(112)을 포함하는 연속식 혼합탱크(CSTR: Continuous Stirred Tank Reactor)방식의 제1열적산화반응기(110), 및 유입된 슬러지가 산화제와 잘 혼합되도록 미세 구멍을 통해 산화제를 분산공급하는 산화제분산수단(122)을 포함하여 접촉능력을 높힌 버블컬럼(bubble column) 방식의 제2열적산화반응기(120)로 이루어진다.
상기 온도압력 제어수단(140)은, 상기 제1열적산화반응기(110) 내의 압력을 측정하기 위한 압력센서(181)와, 상기 압력센서(181)에 연결되며, 반응기 내의 압력을 조절하는 압력조절수단(182)과, 상기 제1 및 제2열적산화반응기(110)(120) 내의 온도를 측정하기 위한 온도센서(183)(184), 및 상기 온도센서(183)(184)에 연결되며, 제1 및 제2열적산화반응기(110)(120) 내의 온도를 조절하는 가열수단(111)(121)로 이루어진다.
상기 반응기(110)(120)의 반응조건은 200℃ ∼ 240℃, 40atm 이하로 낮추고,반응시간을 1시간 이내로 하는 것이 바람직하다.
상기 촉매주입 및 회수수단(130)에 의하여 주입되는 촉매는, 전이금속의 질산염 또는 황산염인 CuSO4, FeSO4, Fe(SO4)3, MnSO4, Cu(NO3)2, Mn(NO3)2중 어느 하나로 선택되는 것이 바람직하다.
상기 산화제 공급수단(150)에 의하여 슬러지의 산화효율을 증대시키기 위하여 투입되는 산화제는, 공기, 산소, 과산화수소, 황산 중 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
미설명부호 190은 하수처리공정에서 발생된 슬러지를 반응기로 주입시키기 위한 슬러지 주입펌프이다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 고도하수처리장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 혐기성조(10)에서는, 1차침전지(11)로부터 유입되는 유입수중에 포함된 유기물질을 이용하여 2차침전지(40)에서 고액분리된 슬러지와 혼합하여 혐기성상태에서 미생물 세포내의 인을 방출시킨다.
상기 혐기성조(10)에서 유출된 유출수는 탈질조(20)에서 제1반송수단(31)에 의해 포기조(30)로부터 질산화후 내부반송된 슬러지와 혼합되어 질산성질소를 질소가스로 환원되어 제거된다. 이 때, 상기 탈질조(20)에서의 유입수의 수리학적체류시간은 1-3시간으로 하는 것이 바람직하다.
상기 포기조(30)로부터 배출되는 유출수는 2차침전지(40)에서 고액분리되고,2차침전지(40)에서 유기물 농도가 낮은 상부 유출수는 외부로 배출되고, 나머지 슬러지는 상기 탈질조(20)로 반송된다.
상기 2차침전지(40)에서 고액분리된 슬러지는 제2반송수단(41)에 의하여 상기 혐기성조(10)로 반송된다.
상기 2차침전지(40)의 슬러지 중 폐기를 위한 잉여슬러지는 농축조(50)로 이송 농축되고, 상기 농축조(50)에서 제공되는 슬러지는 유기산 생산장치(100)로 제공되어 가열된 후, 액체상태에서 분해 산화된다. 이 때, 상기 유기산 생산장치(100)의 산화과정에서 생성된 유기산은 상기 탈질조(20)로 제공된다. 여기에서, 상기 농축조(50)에서 유출되는 슬러지는 총 고형물질 농도가 3% - 4%인 상태로 전처리 없이 유기산 생산장치(100)로 유입된다.
상기 유기산 생산장치(100)로 유입된 슬러지는, 촉매주입 및 회수수단(130)에 의하여 촉매가 주입되고, 열교환수단(150)에 의하여 가열된다.
상기 가열된 슬러지는 각 열적산화반응기(110)(120)로 이송되고, 반응기(110)(120)로 이송된 슬러지에 산화제공급수단(150)에 의하여 공급되는 공기, 산소 또는 과산화수소 중 하나 이상의 산화제가 주입되며, 가열가압 제어수단에 의하여 일정 온도와 압력, 교반속도 하에서 가열수단(111)(121)에 의하여 액체상태로 분해 산화된다.
이 때, 상기 각 반응기(110)(120)의 하부에 구비된 산화제 분산수단(112)(122)는 주입된 산화제의 분산을 촉진시키고, 이에 따라 각 반응기(110)(120)내에서의 슬러지의 분해 산화는 보다 활발히 일어난다.
상기 과정을 통해 반응기(110)(120)에서 생성된 유기산을 열교환수단(160)에 의해 냉각하여 촉매를 분리시키고, 촉매분리된 반응물은 저류조(170)로 이송되어 잔여슬러지와 유기산을 분리한다.
상기 저류조(170)에서는 미반응으로 발생된 부산물은 침전되고, 탄소원인 유기산 전량은 회수되어 탈질조(20)로 이송되어, 일련의 고도하수처리과정을 반복한다.
상기와 같이 동작하는 본 발명에 따른 고도하수처리시스템의 고도하수처리흐름과정을 간략하게 설명하면, 촉매가 주입하고 열교환수단(160)에 의해 가열된 슬러지를 열적산화반응기(110)(120)로 이송하는 제1단계와; 상기 반응기(110)(120)로 유입된 슬러지에 산화제인 공기, 산소 또는 과산화수소를 주입하고, 일정 온도와 압력, 교반속도 하에서 액체상태로 분해, 산화시키는 제2단계와; 상기 열적산화반응기(110)(120)에서 생성된 유기산을 열교환수단(160)에 의해 냉각하여 촉매를 분리하는 제3단계와; 촉매분리된 반응물이 저류조로 이송, 저류조에서 미반응으로 발생된 부산물은 침전시키고 상등액(유기산) 전량을 회수하여 탈질조(20)로 이송시키는 제4단계와; 상기 탈질조(20)에서는 유입된 유기산과 혐기성조(10)에서 이송된 혼합슬러지액을 포기조(30)로 이송하는 제5단계와; 상기 포기조(30)에서는 유기물 제거 및 질산화가 이루어지며, 질산화된 혼합슬러지액을 탈질조(20)로 반송하는 제6단계와; 상기 탈질조(20)에서는 슬러지 산화과정에서 생성된 유기산을 이용하여 반송된 질산성 질소를 제거하여 시스템 전체의 질소제거율을 높이는 제7단계와; 상기 포기조(30)에서 성장한 미생물을 2차침전지(40)에서 고액분리하여 침전된 슬러지의 일부를 혐기성조(10)로 반송시키는 제8단계와; 혐기성 조건에서 유입하수의 유기물 전량을 이용하여 슬러지 내의 인을 방출시켜 호기성 조건인 포기조(30)로 이송하는 제9단계; 및 상기 혐기성조(10)에서 이송된 슬러지를 포기조(30)에서 과잉의 인을 섭취하도록 하는 제10단계를 포함한다.
상기 포기조(30)에서는 그 포기조(30)에서 발생된 질산성 질소를 탈질조(20)에서 유입원수 유기물과 유기산을 포함한 상등액을 이용하여 처리함으로써, 2차침전지(40)에서 혐기성조(10)로 반송슬러지에 함유된 질산성질소를 감소시켜, 혐기성조(10)에서 인방출에 영향을 주지 않도록 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 유기산 생산장치를 갖는 고도하수처리장치 및 방법은, 종래 생물학적 하.폐수 처리시설에서 발생하는 폐슬러지의 열적산화로 배출 부피를 최소화하고 잔여 슬러지의 물성을 개선하며, 하수고도처리시 탈질화를 위한 유용한 탄소원을 생성한다. 반응조건을 200℃ ∼ 240℃, 40atm 이하로 낮추고, 반응시간을 1시간 이내로 단축시킴에 따라 반응기의 부식억제와 유지관리비용의 저감 등 열적산화공정의 주요 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 하수고도처리시 탈질화를 위한 유용한 탄소원을 생성하여 생성된 탄소원을 하수고도처리시설의 탈질조에 투입함으로써 시스템 전체의 질소제거율을 향상시킬 수 있고, 그 결과 2차침전지에서 반송되는 혼합슬러지액 중 질산성 질소 농도가 저감되고, 유입하수의 유기물 전량을 혐기성조에서 인 방출에 소요되도록 함으로써 기존의 에이투오공법과 같이 하수고도처리시설의 유입하수의 부하가 낮은 조건에서도 질소 및 인 제거율이 월등히 향상될 뿐만 아니라, 슬러지 처리 및 처분비용을 저감시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고도하수처리시스템 및 처리방법은, 탈질화를 위한 유용한 탄소원인 유기산을 생성하는 반응기의 부식을 억제할 수 있고, 유지관리비용을 저감시키는 효과가 있다.
또한, 하수고도처리공정에서 발생되는 잉여슬러지의 배출을 최소화하여 유지관리비용을 저감시키며, 유입 유기물 부하가 낮은 조건에서도 질소제거효율을 높을 뿐만 아니라, 시스템 전체의 질소 제거율이 향상됨으로써 질소와 인의 동시 제거율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 하수 및 폐수의 생물학적 처리시설에서 발생하는 농축슬러지를 연속식 열적산화방법을 이용하여, 탄소원인 유기산을 생성함으로써 하수 및 폐수 고도처리시설에서 탈질화를 위한 탄소원으로 이용함으로써 외부 탄소원 대체에 따른 비용 감소와 총질소 제거율을 향상시킴과 동시에, 2차침전지에서 혐기성조로 유입되는 질산성 질소의 농도를 낮추어 안정적으로 인을 제거함으로써 시스템 전체의 질소와 인의 동시 제거율을 높일 수 있는 효과가 있다.
Claims (9)
1차침전지로부터 유출수를 수용하며, 유입수에 포함된 유기물질을 이용하여 2차침전지에서 고액분리된 반송슬러지와 혼합하여 혐기성상태에서 미생물 세포내의 인을 방출시키는 혐기성조;
상기 혐기성조에서 유출된 유출수의 질산성질소를 질소가스로 환원시켜 제거하는 탈질조;
상기 탈질조의 유출수를 질산화시키는 포기조;
상기 포기조에서 생성된 고농도의 질산성 질소를 함유한 내부슬러지를 상기 탈질조로 반송시키는 제1반송수단;
상기 포기조로부터 배출되는 유출수를 수용하여 고액분리시키며, 생성되는 슬러지 중 농도가 낮은 상태의 슬러지는 외부로 배출시키는 2차침전지;
상기 2차침전지에서 고액분리된 슬러지 중 농도가 높은 슬러지를 상기 혐기성조로 반송시키는 제2반송수단;
상기 2차침전지에서 고액분리된 슬러지 중 폐기를 위한 잉여슬러지가 제공되는 농축조;
상기 농축조로부터 제공되는 잉여슬러지를 액체상태로 분해.산화시키는 복수개의 열적산화반응기;
상기 열적산화반응기에 촉매를 주입하고 회수하는 촉매주입 및 회수수단;
상기 열적산화반응기를 소정압력 및 온도로 유지되도록 제어하는 가열가압제어수단;
상기 열적산화반응기를 소정온도로 가열하는 가열수단;
상기 열적산화반응기에 내재된 슬러지를 산화시키기 위하여 열적산화반응기에 산화제를 공급하는 산화제공급수단;
상기 열적산화반응기의 고온생성물과, 상기 열적산화반응기에 공급되는 저온 농축슬러지를 열교환에 의해 냉각 및 가열하는 열교환수단; 및
상기 열적산화반응기에서 생성된 유기산을 탈질조로 공급하고, 반응과정에서 발생되는 부산물을 하부로 배출시키는 저류조
를 포함하는 고도하수처리시스템.
제1항에 있어서,
상기 혐기성조 및 탈질조는 내부에 수용된 슬러지를 균일하게 혼합시키기 위한 교반수단을 구비하는
고도하수처리시스템.
제1항에 있어서,
상기 열적산화반응기는,
유입된 슬러지가 산화제와 잘 혼합되도록 교반하는 교반수단을 포함하는 연속식 혼합탱크방식의 제1열적산화반응기; 및
유입된 슬러지가 산화제와 잘 혼합되도록 미세 구멍을 통해 산화제를 공급하여 접촉능력을 높힌 버블컬럼방식의 제2열적산화반응기로 이루어지는
고도하수처리시스템.
제1항에 있어서,
상기 온도압력제어수단은,
상기 반응기 내의 압력을 측정하기 위한 압력센서;
상기 압력센서에 연결되며, 열적산화반응기 내의 압력을 조절하는 압력조절수단;
상기 열적산화반응기 내의 온도를 측정하기 위한 온도센서; 및
상기 온도센서에 연결되며, 열적산화반응기 내의 온도를 조절하는 온도조절수단으로 이루어지는
고도하수처리시스템.
제1항에 있어서,
상기 열적산화반응기는
200℃ ∼ 240℃, 40atm 이하로 낮추고, 반응시간을 1시간 이내로 하는 반응조건을 갖는 것을 특징으로 하는
고도하수처리시스템.
제1항에 있어서,
상기 산화제는 공기, 산소, 과산화수소, 황산 중 하나 이상을 포함하는
고도하수처리시스템.
제1항에 있어서,
상기 촉매는 전이금속의 질산염 또는 황산염인 CuSO4, FeSO4, Fe(SO4)3, MnSO4, Cu(NO3)2, Mn(NO3)2중 어느 하나로 선택되는
고도하수처리시스템.
슬러지에 촉매를 주입하고 열교환수단에 의해 가열하여 열적산화반응기로 이송시키는 제1단계;
상기 열적산화반응기로 유입된 슬러지에 산화제를 주입하고, 일정 온도와 압력, 교반속도 하에서 액체상태로 분해, 산화시키는 제2단계;
상기 열적산화반응기에서 생성된 유기산을 열교환수단에 의해 냉각하여 촉매를 분리하는 제3단계;
촉매분리된 반응물이 저류조로 이송하고, 상기 저류조에서 미반응으로 발생된 부산물은 침전시키며, 유기산을 회수하여 탈질조로 이송시키는 제4단계;
상기 탈질조로 유입된 유기산과 혐기성조에서 이송된 혼합슬러지액을 포기조로 이송하는 제5단계;
상기 포기조에서 유기물 제거 및 질산화가 이루어지며, 질산화된 혼합슬러지액을 탈질조로 반송하는 제6단계;
상기 탈질조에서 슬러지 산화과정중 생성된 유기산을 이용하여 반송된 질산성 질소를 제거하여 질소제거율을 높이는 제7단계;
상기 포기조에서 성장한 미생물을 2차침전지에서 고액분리하여 침전된 슬러지의 일부를 혐기성조로 반송시키는 제8단계;
혐기성 조건에서 유입하수의 유기물 전량을 이용하여 슬러지 내의 인을 방출시켜 호기성 조건인 포기조로 이송하는 제9단계; 및
상기 혐기성조에서 이송된 슬러지를 포기조에서 과잉의 인을 섭취하도록 하는 제10단계
를 포함하는 고도하수처리방법.
제8항에 있어서,
상기 10단계는,
상기 포기조에서 발생되는 질산성 질소를 탈질조에서 유입원수 유기물과 유기산을 포함한 상등액을 이용하여 처리하여, 2차침전지에서 혐기성조로 반응슬러지에 함유된 질산성질소를 감소시켜, 혐기성조에서 인방출에 영향을 주지 않도록 하는
고도하수처리방법.
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