KR20050006348A - Facilities and method for the production of organic acids from sewage sludge by thermal oxidation - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 기존의 하수 및 폐수처리시설에서 발생하는 슬러지를 분해 산화시켜 연속적으로 유기산을 생성하고, 이 생성된 유기산을 고도하수처리를 위하여 이용될 수 있도록 하여 고도하수처리공정에서 발생되는 잉여슬러지의 처리, 처분 문제를 해결하고, 외부 탄소원으로 사용되는 메탄올, 에탄올을 내부에서 생상되는 유기산으로 대체할 수 있기 때문에 유지관리비용을 저감시킬 수 있는 유기산생산장치 및 생산방법에 관한 것이다.The present invention continuously produces organic acids by decomposing and oxidizing sludge generated in existing sewage and wastewater treatment facilities, and by using the generated organic acid for advanced sewage treatment, The present invention relates to an organic acid production apparatus and a production method which can reduce the maintenance cost because it can solve the treatment and disposal problems and replace methanol and ethanol, which are used as external carbon sources, with organic acids produced therein.
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.In general, effluents containing nitrogen and phosphorus are nutrients or limiting factors, such as accelerating eutrophication of lakes and reservoirs, or promoting the growth of algae and aquatic plants, such as algae and red algae, in shallow rivers. It acts as an element. Therefore, in order to prevent eutrophication, nutrient components in the sewage and wastewater have to be removed before they enter the body of the river or the like.
이와 같은 부영화를 방지하기 위한 하.폐수 처리시설의 처리공법으로 경제성면에서 우수한 생물학적 처리방법이 많이 적용되는데, 생물학적 처리방법 중에서 표준활성슬러지법과 같은 미생물을 이용한 유기물의 제거가 이루어지고 있으나, 유기물 제거과정에서 증식된 미생물들이 폐슬러지로서 발생하게 된다.As a treatment method of sewage and wastewater treatment facilities to prevent such sublimation, many excellent biological treatment methods are applied in terms of economic efficiency. Among the biological treatment methods, organic matters using microorganisms such as standard activated sludge method are removed. Microorganisms grown during the removal process are generated as waste sludge.
유기물 제거과정에서 발생된 슬러지의 처리 및 처분과정은 1차 침전지와 2차 침전지에서 발생한 슬러지가 농축조에 모이게 되며, 농축된 슬러지는 혐기성 소화조로 이송된다.In the process of sludge generated from organic matter removal and sludge disposal, sludge from primary and secondary sediments is collected in a concentration tank, and the concentrated sludge is transferred to an anaerobic digestion tank.
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 매립시설이나 소각시설로 이송하게 된다.The digester supernatant of high concentration after the medium temperature digestion of about 35 ° C. in the digester is transferred to the aeration tank of the standard activated sludge process, and the remaining sludge is injected into the chemical to increase the dehydration efficiency. For disposal, the vehicle is transported to an external landfill or incineration facility.
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.Recently, due to the ban on landfilling of sludge in landfill facilities, it is being temporarily disposed of by mixing with other waste such as construction waste and using it as a landfill agent. In this case, landfill shortages are accelerating, and additionally, complex water treatment processes are required to treat leachate discharged from landfills.
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.In order to incinerate the sludge, the water content of the dehydrated sludge should be lowered to about 20 to 30%, and additional auxiliary fuel is required as the heat of the sludge is insufficient, and a large dust collection facility is required to collect air pollutants generated during incineration. There are many problems.
또한, 유기성 슬러지는 퇴비화법에 의하여 자원화하여 농경지에 살포하는 토양환원과 관련된 연구가 진행되고 있으나, 슬러지 자체의 열량부족으로 전량퇴비화가 아닌 부분퇴비화 또는 분뇨나 음식물 쓰레기 등의 기타 물질과 혼합후 퇴비화 하고 있는 실정으로, 특히 산업단지내 하수처리시설에서 발생되는 슬러지의 경우는 슬러지내에 함유된 중금속과 같은 유독물질에 의한 영향이 규명되어야 한다.In addition, research on the reduction of the organic sludge is applied by composting and recycling to agricultural land.However, due to the lack of calories of the sludge itself, composting is not composted or mixed with other substances such as manure or food waste. In particular, in the case of sludge generated from sewage treatment facilities in industrial complexes, the effects of toxic substances such as heavy metals contained in the sludge should be identified.
상기와 같은 유기성 폐기물의 처리 및 처분방법 외에 단순히 발생된 슬러지류를 수집하여 바다에 버리는 해양투기방법과 슬러지에 고형화제를 혼합하여 유독물질의 유출을 최소화하여 고형화된 물질을 재이용하는 고형화방법 등이 이용되고 있으나, 해양투기방법의 경우 단순 투기방법으로서 근해의 대규모 적조현상 유발 등과 함께 궁극적인 오염원의 저감방안으로는 재고되어야 하며, 고형화방법의 경우 오염원의 용출을 억제하지만 처분량의 증가와 함께 효과적인 재이용 방안의 부재에 따라 계속적인 처리 및 처분방안이 강구되어야 한다.In addition to the treatment and disposal method of the organic waste as described above, the marine dumping method of simply collecting the generated sludge and throwing it into the sea and the solidification method of recycling the solidified material by minimizing the outflow of toxic substances by mixing the solidifying agent with the sludge However, in the case of the ocean dumping method, as a simple dumping method, it should be reconsidered as a method of reducing the ultimate pollutant along with causing a large red tide phenomenon in the sea.In the case of the solidification method, it is effective to suppress the elution of the pollutant but increase the disposal amount. Continued treatment and disposal measures should be devised in the absence of reuse plans.
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, 열교환기, 산소전달시스템 및 슬러지를 고압반응기에 투입시킬 수 있는 고압펌프로 구성된다.The real scale facility to which wet oxidation of the sludge is applied is a Zimpro process installed in a sewage treatment facility in Chicago, USA. The wet oxidation system for oxidizing the organic matter contained in the sludge is composed of a high pressure reactor that can withstand relatively high temperatures and pressures, a heat exchanger, an oxygen transfer system, and a high pressure pump capable of injecting sludge into the high pressure reactor.
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.The sludge TS concentration is about 3 to 5%, and the oxygen amount is about 1 to 2% of the total gas amount in the reactor. The mechanical stirring system for mixing the reactants inside the reactor was operated without installation.
상기 짐프로공정의 운전인자는 반응온도 260℃ 이상, 압력 70 ∼ 120기압의고온, 고압하에서 40 ∼ 60분 정도의 반응시간을 유지하며, 이 때의 COD 제거율은 대략 70 ∼ 80% 에 달한다.The operation factor of the Zimpro process maintains a reaction time of about 40 to 60 minutes at a reaction temperature of 260 ° C. or higher, a high temperature of 70 to 120 atm, and a high pressure, at which time the COD removal rate reaches approximately 70 to 80%.
그러나, 짐프로공정의 주요문제인 반응기 부식과 열교환기의 스케일(scale) 형성 및 부식정도가 심함에 따라 연간 유지관리비용이 크게 증각되어 고비용의 기술로 취급되었으며, 이러한 이유에 의해 부식을 촉진시키는 기계적인 교반시설을적용하지 못하는 문제점이 있다.However, due to the reactor corrosion, the scale formation of the heat exchanger, and the degree of corrosion, which are the main problems of the Zimpro process, the annual maintenance cost was greatly increased and treated as an expensive technology. There is a problem that can not apply a conventional stirring facility.
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.As such, sewage and wastewater treatment facilities up to now only treat organic matter and suspended solids, but as eutrophication of rivers and lakes becomes severe, nitrogen and phosphorus in wastewater and wastewater are reduced to reduce nitrogen and phosphorus, which are the causes of eutrophication. Sewage treatment is essential for removal.
통상적인 질소와 인의 제거방법에는 물리화학적 처리방법과 생물학적 처리방법이 있는데, 물리화학적 처리방법은 폐수의 수소이온농도(pH)를 증가시키면서 공기를 주입하여 질소를 암모니아 상태로 형성시켜 탈기하는 방법과 이온교환물질을 사용한 선택적 흡착방법으로 질소를 처리하고 소석회 등의 응집제를 사용하여 인을 침전처리시키는 방법 등이다.Conventional nitrogen and phosphorus removal methods include physicochemical treatments and biological treatments. The physicochemical treatments include degassing and denitrifying nitrogen by injecting air while increasing the pH of wastewater. Selective adsorption using ion-exchange materials is a method of treating nitrogen and precipitation of phosphorus using coagulants such as slaked lime.
그러나, 이와 같은 물리화학적 방법의 경우 유지관리비용이 많이 소요되어 경제성측면에서 우수한 생물학적 처리공법이 대다수 적용되고 있다.However, in the case of such physicochemical methods, maintenance costs are high, and most biological treatment methods having excellent economical efficiency are applied.
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.In this biological treatment method, the biological nitrogen removal method is a nitrogen-nitrogen (NH 4 + -N) in the sewage in the aerobic condition rich in dissolved oxygen by the nitrifying bacteria (nitrobactor) nitrous nitrogen (NO 2 -- N) And a nitrification step of oxidizing to nitric nitrate (NO 3 -- N), followed by a denitrification process of reducing nitrate nitrate to nitrogen gas by denitrification bacteria (nitrosomonas) in an oxygen-free condition. do.
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.Such biological nitrogen removal requires an aerobic step and an anaerobic step, which requires dissolved oxygen in the aerobic nitrification process and an organic carbon source in the anoxic denitrification step. At this time, when the carbon source, which is an organic component in the influent sewage, is used or insufficient, an external carbon source such as methanol is injected to induce efficient denitrification.
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 세포내의 에이티피(ATP: Adenosin Tri Phosphate)가 에이디피(ADP: Adenosin Di Phosphate)로 분해되는 가수분해과정에서 얻게되며, 이러한 과정에서 오르소포스페이트(orthophosphate)(PO4 3--P) 형태의 인이 방출된다.Next, in the removal method of biological phosphorus, phosphorus is removed by dephosphorus bacteria in anaerobic process, which stores the ingested organic matter in the form of PHH (PolyHydro-β-Butyrate) in the cell. At this time, the energy required for storage is obtained in the hydrolysis process in which ATP (Adenosin Tri Phosphate) in the cell is broken down into Adenosine Di Phosphate (ADP), and in this process, orthophosphate (PO 4 3). - is released is -P) in the form of a.
다음의 호기성단계에서는 탈인박테리아의 증식 및 재합성을 위해 혐기성단계에서 방출한 인의 양보다 수배 이상 많은 양의 인을 흡수함으로써 유입하수중의 인을 제거하게 된다.In the next aerobic phase, the phosphorus in the influent sewage is removed by absorbing an amount of phosphorus several times more than the amount of phosphorus released in the anaerobic stage for the growth and resynthesis of the dephosphorus bacteria.
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.In general, the simultaneous removal of biological nitrogen and phosphorus is carried out in a process in which anaerobic conditions, anoxic conditions, and aerobic conditions are formed, and various methods have been developed and put into practice in domestic wastewater treatment facilities.
현재 하수고도처리시설에 적용된 사례로 생물학적 인, 질소제거공법으로 에이투오(A2/O)공법을 들 수 있다.At present, it is applied to Sewage Advanced Treatment Facility as A2 / O method for biological and nitrogen removal.
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.The A2O method is composed of anaerobic conditions, anoxic conditions and aerobic conditions sequentially. As described in the biological nitrogen removal method, the phosphorus released from the aerobic reactor is removed by appropriately removing the microorganism sludge which absorbed a larger amount of phosphorus in the aerobic reactor.
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.On the other hand, the phosphorus release process is carried out in the anaerobic state without oxygen. When the oxygen molecules are combined with nitrate nitrogen (NO 3 -- N) into the anaerobic reactor, the release of phosphorus inhibits the denitrification in the anoxic stage. There is a problem that the process affects the removal of phosphorus.
따라서, 본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 하수고도처리공정에서 발생되는 잉여슬러지를 이용하여, 이 슬러지를 분해 산화시키면서 연속적으로 유기산을 생성하고, 이 생성된 유기산을 고도하수처리를 위하여 이용될 수 있도록 하여 고도하수처리공정에서 발생되는 잉여슬러지의 처리, 처분 문제를 해결할 수 있도록 한 연속식 유기산 생산장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Therefore, the present invention has been proposed to solve the above problems, by using the excess sludge generated in the sewage treatment process, the organic acid is continuously generated while decomposing and oxidizing the sludge, the resulting organic acid is highly sewage It is an object of the present invention to provide a continuous organic acid production apparatus and method that can be used for treatment to solve the problem of disposal and disposal of excess sludge generated in the advanced sewage treatment process.
또한, 본 발명은 슬러지발생량 감소와 산화과정에서 생성된 탄소원인 유기산을 생물학적처리공정 중 탈질조에 주입함으로써 저농도에서도 안정적으로 질소.인제거를 도모할 수 있도록 한 연속식 유기산 생산장치 및 방법을 제공하는데 다른목적이 있다.In addition, the present invention provides a continuous organic acid production apparatus and method for stably removing nitrogen and phosphorus even at low concentration by injecting organic acid, a carbon source generated during the sludge generation and oxidation process into the denitrification tank during the biological treatment process. There is another purpose.
도1은 본 발명에 따른 연속식 유기산 생산장치의 구성을 개략적으로 도시한 구성도.1 is a schematic view showing the configuration of a continuous organic acid production apparatus according to the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
110, 120: 열적산화반응기 111, 121: 가열수단110, 120: thermal oxidation reactor 111, 121: heating means
112, 122: 산화제 분산수단 130: 촉매공급 및 회수수단112, 122: oxidant dispersing means 130: catalyst supply and recovery means
140: 온도압력제어수단 150: 산화제 공급수단140: temperature pressure control means 150: oxidant supply means
160: 열교환수단 170: 저류조160: heat exchange means 170: storage tank
181 : 압력센서 182: 압력조절수단181: pressure sensor 182: pressure regulating means
183, 184: 온도센서 190: 슬러지 주입펌프183, 184: temperature sensor 190: sludge injection pump
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 고도하수처리과정에서 발생된 슬러지를 액체상태로 분해.산화시키는 복수개의 열적산화반응기; 상기 열적산화반응기에 촉매를 주입하고 회수하는 촉매주입 및 회수수단; 상기 열적산화반응기를 소정압력 및 온도로 유지되도록 제어하는 가열가압 제어수단; 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 분리된 반응물을 공급받고, 그 반응물을 유기산과 부산물을 분리하는 저류조를 포함하는 연속식 유기산 생산장치를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises a plurality of thermal oxidation reactors for decomposing and oxidizing sludge generated in the advanced sewage treatment into a liquid state; Catalyst injection and recovery means for injecting and recovering a catalyst into the thermal oxidation reactor; Heating pressure control means for controlling the thermal oxidation reactor to be maintained at a predetermined pressure and temperature; Heating means for heating the thermal oxidation reactor to a predetermined temperature; Oxidant supply means for supplying an oxidant to the thermal oxidation reactor to oxidize the sludge contained in the thermal oxidation reactor; Heat exchange means for cooling and heating the high temperature product of the thermal oxidation reactor and the low temperature concentrated sludge supplied to the thermal oxidation reactor by heat exchange; And a storage tank for receiving the reactant separated from the thermal oxidation reactor and separating the reactant from the organic acid and the by-product.
또한, 본 발명은 고도하수처리과정에서 발생된 슬러지에 촉매를 주입하고, 열교환기에 의해 가열하는 제1단계; 상기 가열된 슬러지가 열적산화반응기로 이송되는 제2단계; 상기 열적산화반응기로 유입된 슬러지에 산화제인 공기, 산소 또는 과산화수소를 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 침전시키고, 탄소원인 유기산 전량을 회수하는 제5단계로 이루어지는 연속식 유기산 생산방법을 제공한다.In addition, the present invention is a first step of injecting a catalyst to the sludge generated during the advanced sewage treatment, and heating by a heat exchanger; A second step of transferring the heated sludge to a thermal oxidation reactor; Injecting air, oxygen, or hydrogen peroxide, which is an oxidant, into the sludge introduced into the thermal oxidation reactor, and decomposing and oxidizing the liquid to a liquid state under a predetermined temperature, pressure, and stirring speed; A fourth step of separating the catalyst by cooling the organic acid generated in the thermal oxidation reactor by heat exchange means; It provides a continuous organic acid production method comprising a fifth step of the catalyst-reacted reactant is transferred to the storage tank, the by-products generated by unreacted reaction in the storage tank, and recovering the total amount of the organic acid as a carbon source.
상기 열적산화반응기에서의 반응은 200℃ ∼ 240℃의 온도범위와, 40atm 이하의 압력, 및 1시간 이내의 반응시간 하에서 이루어진다.The reaction in the thermal oxidation reactor is carried out under a temperature range of 200 ° C. to 240 ° C., a pressure of 40 atm or less, and a reaction time within 1 hour.
이하, 본 발명에 따른 연속식 유기산 생산장치를 도1을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도1은 본 발명에 따른 하수슬러지 분해 및 고도하수처리를 위한 연속식 유기산 생산장치의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.Hereinafter, a continuous organic acid production apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. Figure 1 is a schematic diagram showing the configuration of a continuous organic acid production apparatus for sewage sludge decomposition and advanced sewage treatment according to the present invention.
도면에 도시한 바와 같이, 본 발명의 연속식 유기산 생산장치는, 고도하수처리과정에서 발생된 슬러지를 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 가열가압 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(미도시)로 공급하고, 반응과정에서 발생되는 부산물을 하부에서 배출시키는 저류조(170)를 포함한다.As shown in the figure, the continuous organic acid production apparatus of the present invention includes a plurality of thermal oxidation reactors 110 and 120 for decomposing and oxidizing sludge generated in the advanced sewage treatment process into a liquid state; Catalyst injection and recovery means (130) for injecting and recovering a catalyst into the thermal oxidation reactor (110) (120) to reduce energy and increase oxidation rate; Heating and pressure control means (140) for controlling the first and second thermal oxidation reactors (110, 120) to be maintained at a predetermined pressure and temperature; Heating means (111, 121) for heating the respective reactors (110, 120) to a predetermined temperature; Oxidant supply means (150) for supplying an oxidant to the thermal oxidation reactor (110) (120) to oxidize the sludge in each reactor; Heat exchange means (160) for cooling and heating the high temperature product of each reactor (110) (120) and the low temperature concentrated sludge supplied to the reactor by heat exchange; And a storage tank for supplying the organic acid generated in each of the reactors 110 and 120 to a denitrification tank (not shown) for reducing and removing nitrate nitrogen with nitrogen gas, and discharging the by-product generated in the reaction process from the bottom ( 170).
또한, 본 발명은 상기 열적화산화반응기(110)(120) 각각의 하부에 구비되어상기 산화제공급수단(150)에 의하여 반응기(110)(120)내로 공급된 산화제를 분산시키는 산화제분산수단(112)(122)을 더 포함한다.In addition, the present invention is provided in the lower portion of each of the thermal oxidation reactor 110, 120 oxidant dispersing means 112 for dispersing the oxidant supplied into the reactor 110, 120 by the oxidant supply means 150 (122) further comprises.
상기 열적산화반응기(110)(120)는, 유입된 슬러지가 산화제와 잘 혼합되도록 교반하는 교반수단(113)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.The thermal oxidation reactor (110, 120), the first thermal oxidation reactor of the continuous mixing tank (CSTR: Continuous Stirred Tank Reactor) including a stirring means 113 for stirring so that the introduced sludge is mixed well with the oxidant (110), and the second column thermal oxidation reactor of the bubble column type (bubble column) to increase the contact capacity, including an oxidant dispersing means (122) for dispersing and supplying the oxidant through the fine pores so that the introduced sludge is mixed with the oxidant ( 120).
상기 가열가압 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(182)(183)에 연결되며, 제1 및 제2열적산화반응기(110)(120) 내의 온도를 조절하는 가열수단(111)(121)로 이루어진다.The heating and pressure control unit 140 is connected to the pressure sensor 181 and the pressure sensor 181 for measuring the pressure in the first thermal oxidation reactor 110, the pressure control to adjust the pressure in the reactor Means 182, temperature sensors 183, 184 for measuring the temperature in the first and second thermal oxidation reactors 110, 120, and the temperature sensors 182, 183, It consists of heating means (111, 121) for controlling the temperature in the first and second thermal oxidation reactor (110, 120).
상기 각 반응기(110)(120)의 반응조건은 200℃ ∼ 240℃, 40atm 이하로 낮추고, 반응시간을 1시간 이내로 하는 것이 바람직하다.The reaction conditions of each of the reactors 110 and 120 are preferably lowered to 200 ° C. to 240 ° C. and 40 atm or less, and the reaction time is preferably within 1 hour.
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.The catalyst injected by the catalyst injection and recovery means 130 is CuSO 4 , FeSO 4 , Fe (SO 4 ) 3 , MnSO 4 , Cu (NO 3 ) 2 , Mn (NO 3 ), which are nitrates or sulfates of transition metals. It is preferable to select one of the two ).
상기 산화제 공급수단(150)에 의하여 슬러지의 산화효율을 증대시키기 위하여 투입되는 산화제는, 공기, 산소, 과산화수소, 황산 중 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.The oxidant added to increase the oxidation efficiency of the sludge by the oxidant supply means 150 preferably includes at least one of air, oxygen, hydrogen peroxide, and sulfuric acid.
미설명부호 190은 하수처리공정에서 발생된 슬러지를 반응기로 주입시키기 위한 슬러지 주입펌프이다.Reference numeral 190 is a sludge injection pump for injecting sludge generated in the sewage treatment process into the reactor.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 연속식 유기산 생산장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the continuous organic acid production apparatus according to the present invention configured as described above are as follows.
먼저, 고도하수처리과정에서 발생된 슬러지에 촉매주입 및 회수수단(130)에 의하여 촉매가 주입되고, 슬러지 주입펌프(190)에 의해 이송되어 열교환수단(150)에 의하여 예열된다.First, the catalyst is injected into the sludge generated during the advanced sewage treatment by the catalyst injection and recovery means 130, is transferred by the sludge injection pump 190 is preheated by the heat exchange means 150.
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 액체상태로 분해 산화된다.The heated sludge is sent to each thermal oxidation reactor (110) (120), at least one oxidant of air, oxygen or hydrogen peroxide supplied by the oxidant supply means 150 to the sludge transferred to the reactor (110) (120) Is injected and decomposed and oxidized into a liquid state under a constant temperature, pressure, and stirring speed by a heating and pressure control means.
이 때, 상기 각 반응기(110)(120)의 하부에 구비된 산화제 분산수단(112)(122)은 주입된 산화제의 분산을 촉진시키고, 이에 따라 각 반응기(110)(120)내에서의 슬러지의 분해 산화는 보다 활발히 일어난다.At this time, the oxidant dispersing means (112, 122) provided in the lower portion of each reactor (110, 120) promotes the dispersion of the injected oxidant, thereby sludge in each reactor (110, 120) The decomposition oxidation of is more active.
상기 과정을 통해 반응기(110)(120)에서 생성된 유기산을 열교환기(160)에 의해 냉각하여 촉매를 분리시키고, 촉매분리된 반응물은 저류조(170)로 이송되어 잔여슬러지와 유기산을 분리한다.Through the above process, the organic acid generated in the reactors 110 and 120 is cooled by the heat exchanger 160 to separate the catalyst, and the catalyst-reacted reactant is transferred to the storage tank 170 to separate the residual sludge and the organic acid.
상기 저류조(170)에서는 미반응으로 발생된 부산물은 침전되고, 탄소원인 유기산 전량은 회수되어 고도하수처리과정에서 질산성질소를 질소가스로 환원시켜 제거하기 위한 탈질조로 이송된다.In the storage tank 170, by-products generated by the unreacted precipitate are precipitated, and the entire amount of the organic acid as a carbon source is recovered and transferred to a denitrification tank for reducing and removing nitrate nitrogen with nitrogen gas during the advanced sewage treatment.
상기와 같이 동작하는 본 발명에 따른 연속식 유기산 생산흐름과정을 간략히 설명하면 다음과 같다.Brief description of the continuous organic acid production flow process according to the present invention operating as described above are as follows.
먼저, 고도하수처리과정에서 발생된 슬러지에 촉매를 주입하고, 열교환수단(160)으로 가열하는 제1단계와; 상기 가열된 슬러지가 열적산화반응기(110)(120)로 이송되는 제2단계와; 상기 반응기(110)(120)로 유입된 슬러지에 산화제인 공기, 산소 또는 과산화수소를 주입하고, 일정 온도와 압력, 교반속도 하에서 액체상태로 분해, 산화시키는 제3단계와; 상기 열적산화반응기(110)(120)에서 생성된 유기산을 열교환수단(160)에 의해 냉각하여 촉매를 분리하는 제4단계와; 촉매분리된 반응물이 저류조(170)로 이송되고, 저류조(170)에서 미반응으로 발생된 부산물은 침전시키고, 탄소원인 유기산 전량을 회수하는 제5단계로 이루어진다.First, a first step of injecting a catalyst into the sludge generated during the advanced sewage treatment, and heating the heat exchange means 160; A second step in which the heated sludge is transferred to a thermal oxidation reactor (110) (120); Injecting air, oxygen, or hydrogen peroxide, which is an oxidant, into the sludge introduced into the reactors 110 and 120, and decomposing and oxidizing the liquid to a liquid state under a predetermined temperature, pressure, and stirring speed; A fourth step of separating the catalyst by cooling the organic acid generated in the thermal oxidation reactor (110) (120) by heat exchange means (160); The reactant separated from the catalyst is transferred to the storage tank 170, and the by-product generated by the unreacted reaction in the storage tank 170 is precipitated, and a fifth step of recovering the total amount of the organic acid as a carbon source.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 유기산 생산장치 및 방법은, 종래 생물학적 하.폐수 처리시설에서 발생하는 폐슬러지의 열적산화로 배출 부피를 최소화하고 잔여 슬러지의 물성을 개선하며, 하수고도처리시 탈질화를 위한 유용한 탄소원을 생성한다.As described above, the organic acid production apparatus and method according to the present invention, minimizing the discharge volume by improving the thermal oxidation of the waste sludge generated in the conventional biological sewage and wastewater treatment facilities, improve the properties of the residual sludge, denitrification during sewage advanced treatment Produces a useful carbon source for the
또한, 유기산생산과정에서 열적산화반응기의 반응조건을 200℃ ∼ 240℃, 40atm 이하로 낮추고, 반응시간을 1시간 이내로 단축시킴에 따라 반응기의 부식억제와 유지관리비용의 저감 등 열적산화공정의 주요 문제점을 해결할 수 있다.In addition, by lowering the reaction conditions of the thermal oxidation reactor to 200 ° C. to 240 ° C. and 40 atm or less in the organic acid production process, and reducing the reaction time to less than 1 hour, the main steps of the thermal oxidation process such as suppressing the corrosion of the reactor and reducing the maintenance cost. The problem can be solved.
또한, 하수고도처리시 탈질화를 위한 유용한 탄소원(유기산)을 생성하여 생성된 탄소원을 고도하수처리시스템의 탈질조에 투입할 수 있도록 적용시킴으로써, 고도하수처리시스템 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.In addition, by generating a useful carbon source (organic acid) for the denitrification in the advanced sewage treatment to apply the generated carbon source to the denitrification tank of the advanced sewage treatment system, it is possible to improve the nitrogen removal rate of the entire advanced sewage treatment system, As a result, the concentration of nitrate nitrogen in the mixed sludge returned from the secondary sedimentation cell is reduced, and the total amount of organic matter from the influent sewage is consumed in the anaerobic tank to release phosphorus. Nitrogen and phosphorus removal rates can be significantly improved even under low load conditions, and sludge treatment and disposal costs can be reduced.
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.The present invention described above is not limited to the above-described embodiment and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible within the scope without departing from the technical spirit of the present invention. It will be evident to those who have knowledge of.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연속식 유기산 생산장치 및 방법은, 종래 생물학적 하.폐수처리시설에서 발생하는 폐슬러지의 열적산화로 슬러지의 배출부피를 최소화하고 잔여 슬러지의 물성을 개선하며, 하수고도처리시 탈질화를 위한 유용한 탄소원을 생성하는 효과가 있다.As described above, the continuous organic acid production apparatus and method according to the present invention, by minimizing the discharge volume of the sludge by thermal oxidation of waste sludge generated in the conventional biological sewage and wastewater treatment facilities, improve the properties of the remaining sludge, sewage It has the effect of producing a useful carbon source for denitrification in advanced processing.
또한, 본 발명은 연속식 유기산생산에 이용되는 열적산화반응기의 부식을 억제할 수 있고, 이에 따라 유지관리비용을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention can suppress the corrosion of the thermal oxidation reactor used for continuous organic acid production, thereby reducing the maintenance cost.
또한, 본 발명은 연속식 유기산생산장치에서 생성된 유기산을 고도하수처리시스템의 탈질조에 투입할 수 있도록 적용시킴으로써, 외부탄소원 대체에 따른 비용감소와 고도하수처리시스템 전체의 질소제거율을 향상시킬 수 있다.In addition, the present invention by applying the organic acid generated in the continuous organic acid production apparatus to be introduced into the denitrification tank of the advanced sewage treatment system, it is possible to reduce the cost of replacing the external carbon source and improve the nitrogen removal rate of the entire advanced sewage treatment system. .
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