KR20060024602A

KR20060024602A - Ｃ/ｎ비가 낮은 폐수의 고도 처리 시스템 및 공정

Info

Publication number: KR20060024602A
Application number: KR20040073406A
Authority: KR
Inventors: 이호상; 박종익; 배성수; 구성회
Original assignee: 에스케이케미칼주식회사
Priority date: 2004-09-14
Filing date: 2004-09-14
Publication date: 2006-03-17

Abstract

본 발명은 C/N비가 낮은 폐수를 대상으로 하는 폐수 처리 시스템 및 이에 따른 고도처리공정에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 폐수 내 함유된 질소를 제거하기 위한 탈질 반응조 내부에 황이 고정화된 다공성의 판상 여재가 소정 각도로 적층되고, 하부가 비중이 높은 슬러지를 제거하기에 적합한 경사형 반응기 형태로 제작된 탈질 반응조가 구비된 탈질 시스템 및 이를 이용한 고도 처리 공정에 관한 것이다. 또한, 상기 탈질 시스템은 폐수 내 함유된 질산성 질소 뿐만 아니라 인을 제거하기 위한 추가의 장치를 더욱 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 탈질 시스템은 탄소원 농도 대비 질산성 질소의 농도가 높고, 부유 물질의 농도가 높은 폐수 내 질소를 효과적으로 제거할 수 있으며, 상기 시스템을 이용한 고도 처리 공정은 특히, 탄소원 농도 대비 질소의 농도가 높은 폐수의 탄소원 및 질소, 인 제거를 효과적으로 수행할 수 있다.

독립영양 탈질 시스템, 질소제거, 황, 독립영양, 부유 물질, 침전, 판상 여재, 탈질, 부유볼, 인 제거, 고도처리

Description

Ｃ/Ｎ비가 낮은 폐수의 고도 처리 시스템 및 공정{ADVANCED TREATING SYSTEM AND A PROCESS FOR WASTEWATER WITH LOW C/N RATIO}

도 1은 일반적인 하, 폐수 처리장의 활성 슬러지법에 의한 폐수처리공정을 보여주는 공정도.

도 2는 본 발명에 따른 탈질 반응조를 모식화한 모식도.

도 3은 본 발명에 따른 판상 여재의 배치를 모식화한 모식도.

도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 폐수 고도처리 공정도.

도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 폐수 고도처리 공정도.

도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 폐수 고도처리 공정도.

도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 폐수 고도처리 공정도.

[산업상 이용 분야]

본 발명은 황이 고정화된 다공성의 판상 여재가 내부에 장착된 탈질 반응조를 이용하여 탄소원 농도 대비 질산성 질소의 농도가 높고, 부유 물질의 농도가 높은 폐수 내 함유된 질소를 제거하기 위한 탈질 시스템 및 이를 이용한 고도 처리 공정에 관한 것이다.

[종래 기술]

유기물을 함유한 하, 폐수의 처리는 대부분 생물학적인 처리방법을 이용하는 데 그 중 가장 널리 보편화되어 있는 방법은 활성 슬러지법이다.

도 1은 일반적인 하, 폐수 처리장의 활성 슬러지법에 의한 폐수처리공정을 보여주는 공정도로, 침사지(10), 1차 침전조(20), 폭기조(30) 및 2차 침전조(40)로 구성되며, 이때 2차 침전조(40)에서 폭기조(30)로의 반송 설비(50)가 구비된다.

먼저, 처리하고자 하는 하, 폐수(또는 원수)를 침사지(10) 및 1차 침전조(20)를 순차적으로 통과시켜 원수 내 협잡물 및 부유 물질의 일부를 제거한다.

상기 1차 침전조(20)에서 처리된 상등액은 산기관(32)이 구비된 폭기조(30)로 이송되어 생물학적 처리를 거쳐 2차 침전조(40)로 이송된다.

상기 2차 침전조(40)로 이송된 처리액 중 침전된 활성 슬러지는 반송 설비 내 구비된 반송 라인(50)을 통해 다시 폭기조(30)로 반송되고 일부는 잉여 슬러지로 농축 및 탈수 처리되어 폐기되며, 상기 2차 침전조(40)의 상등액은 외부로 방류된다.

이러한 활성 슬러지 공정은 폭기조 내 존재하는 처리액이 다량의 부유 물질(활성 슬러지)을 함유하고 있고, 생물학적 산소요구량(BOD)이 매우 낮으며 상기 처리액 내 함유된 질소의 상당 부분이 질산성 질소의 형태를 갖는다. 그리고, 상기 처리액 내 질소 중 암모니아성 질소가 상당량 존재하더라도, 폭기량과 폭기조내 고형물 체류 시간(Solid Retention Time; SRT)의 적절한 조절을 통해 질산화율을 높 여 암모니아성 질소를 효과적으로 제거할 수 있다. 그러나, 이때 활성 슬러지 공정 하에서 완전한 질소제거를 위해서는 질산화 반응으로 인해 발생된 질산성 질소를 제거해야 하며, 이를 위해서는 탈질 반응조가 추가적으로 설치되어야 한다.

허나, 탈질반응 시 전자공여체로 탄소원을 필요로 하므로 폭기조 전단에 탈질 반응조가 위치하더라도 원수 내 C/N비에 의해 탈질 효율이 결정되는 것이 일반적이며, 탈질조와 폭기(질산화)조의 처리 단계가 역순환 공정이므로 완벽한 질소제거를 기대할 수 없다.

구체적으로, 현재 일반화된 고도 처리 공정은 원수 내에 기 존재하거나 공정 중 유기질소로부터 생성된 암모니아성 질소가 호기조건에서 독립영양 질산화균에 의해 질산성 질소로 산화되는 단계(1단계)와, 이후 무산소 조건에서 종속영양 탈질균이 탄소원을 전자공여체로 사용하여 질산성 질소를 환원시키는 단계(2단계)를 거쳐 최종적으로 기체 상태의 질소로 제거하는 공정으로 이루어진다.

그러나, 이때 유입원수 내 탄소원이 1단계의 호기 조건에서 종속영양균들에 의해 대부분 소모될 수 있으므로 사실상 무산소조가 호기조 전단에 위치하고 호기조에서 무산소조로의 반송과정을 두는 역순환 공정이 대부분이다. 이러한 역순환 공정도 일반적으로 원수 내 C/N 비가 5 이상이 되어야 탈질 반응이 안정적으로 진행될 수 있어, C/N 비가 낮은 경우 메탄올 등의 외부 탄소원을 추가로 투입하여야 하며 이는 운전비 부담으로 작용한다.

우리나라의 경우 일반적으로 하, 폐수의 C/N 비가 낮고 역순환 공정이 대부분이므로 정상적인 생물학적 고도 처리 공정을 거친 하/폐수의 방류수에는 평균적 으로 약 10∼30 mg/L 의 질소가 함유되어 있으며, 그 대부분은 질산성 질소의 형태로 존재한다. 이는 현재 우리나라의 공공 하수처리장에 적용되는 총 질소 규제치인 60 mg/L를 충분히 만족시키는 수치이나 전 세계적으로 상기 질소 규제 수치가 더욱 엄격해지고 있을 뿐만 아니라, 고도 처리된 방류수를 조경 용수 등으로 재이용 하고자 할 때 과도한 녹조 발생을 유발할 우려가 있다. 따라서 향후 더욱 엄격해질 방류수의 질소 규제에 대비하거나 방류수를 재이용하기 위해서 더욱 효율이 높은 탈질 공정이 필요하고, 그에 대한 대안 공정으로서 외부탄소원의 공급이 필요하지 않은 탈질 공정 및 이에 따른 장치가 연구되고 있다.

그 중 황 산화 독립영양세균을 이용한 탈질 공정이 많은 연구자들에 의해 연구되고 있으며 일부 실용화되어 현장 적용된 사례도 있다. 일 예로, 황 입자를 탈질 반응기에 충진하고 원수를 상향 또는 하향 주입하여 황 입자 표면에 독립영양형(autotrophic) 탈질균인 황 산화 독립영양세균의 부착성장(attached growth)을 유도함으로써 탈질반응을 통해 질산성 질소를 제거하는, 상기 충진형 반응기(packed-bed reactor)가 구현되었다.

상기 충진형 반응기에 사용하는 황의 형태는 구형 입자상의 황으로 그 크기는 2∼7 mm가 대부분이며 벌크 상태에서 선별과정을 거치더라도 그 평균크기가 8 mm를 넘지 않는다. 일반적으로 황을 대규모로 소비하는 수요산업에서 대부분 입자의 크기가 작은 상태의 황 입자를 그대로 사용해왔으며, 별도의 성형가공을 하는 경우에는 알칼리도를 높일 수 있는 석회석 등과 혼합한 형태의 구형의 여재로 제조하여 사용하기도 한다.

상기 구형의 입자상 황은 크기가 작아 상기 충진형 반응기에 충진된 여상의 공극률은 평균 30 내지 40% 정도로 매우 낮다. 그 결과, 황 입자에 의한 탈질 반응이 진행되어 황 산화 독립영양세균의 증식과 질소 기포의 생성이 이루어지면 처리하고자 하는 원수가 통과할 수 있는 공극부분은 더욱 작아진다. 이에, 반응이 진행되고 미생물이 증식함에 따라 수리학적인 저항이 증가하며, 결국에는 국부적인 폐색현상이 발생하여 질산성 질소의 물질 전달이 원활하지 못하게 되므로 처리효율이 낮아지는 문제가 발생한다.

이러한 문제를 해결하기 위해서, 기존 공정에서는 여재에 부착성장(Attached Growth)하는 미생물을 주기적으로 탈리시키기 위해 주기적인 역세척을 도입하였다. 또한, 역세척에 따른 비용 증가를 억제하기 위해 사용되는 역세수의 량을 줄이고, 역세척의 효과를 증진하기 위하여 역세시 역세수와 함께 공기를 주입하여 난류(turbulence)를 증진하는 방법도 제시되었다.

그러나, 상향류 또는 하향류식 충진형 반응기는 집수 또는 배수를 위하여 최소 2층 구조를 가져야 하고, 역세척을 위하여 역세수 탱크, 역세 펌프 및 배관 등이 필요하므로 단층구조로 이루어진 일반적인 연속 혼합식 반응기(Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR)에 비하여 높은 건설비가 소요된다. 더욱이, 역세수를 처리해야하는 부가적인 문제를 야기하며, 역세를 수행하기 위하여 추가적인 동력비가 소비되는 문제점을 동반한다.

전술한 바의 문제점은 상기 공정을 운전하면서 지속적으로 심화되는데, 이는 초기 황 입자의 충진 후 시간이 지남에 따라 탈질 반응에 의해 황이 소모되어 황 입자의 크기가 점점 작아진다는 것에 기인한다. 특히, 여상을 구성하는 입자의 크기 및 공극이 작아질수록 여상을 통과하는 수리학적 저항의 크기가 커지므로 점점 더 잦은 역세척을 수행하여야 하고, 그에 따라 탈질 효율은 더욱 낮아지게 되며, 여상층을 통과하는 체류시간이 늘어나게 되고, 하향류식에서는 하부 타공판이 폐색될 우려도 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 적어도 하나 이상의 황이 고정화된 판상 여재를 균일한 간격으로 고정하고, 하부에 슬러지를 반송하기 위한 반송라인이 구비된 탈질 반응조를 포함하는 탈질 시스템과 이를 이용한 고도처리 공정을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 우선적으로 본 발명은 적어도 하나 이상의 황이 고정화된 판상 여재를 구비하고, 하부 형태가 경사형의 구조를 가지며 스크래퍼 장치를 가지는 것을 특징으로 하는 탈질 시스템을 제공한다.

바람직하기로, 상기 황이 고정화된 판상 여재는 탈질 반응조의 수표면(0°)을 기준으로 할 때 상기 수표면에 대하여 수직 방향(90°) 또는 30° 이상의 각도를 이루도록 경사지게 배치한다.

또한, 상기 탈질 반응조는 하부를 경사형 구조를 가지도록 제작되어 비중 차이에 의해 고비중의 슬러지를 침전시키고, 상기 침전된 슬러지를 반송시키기 위한 반송 라인을 구비할 수 있다.

또한, 본 발명은

(ⅰ) 원수를 침사지를 통과시켜 원수 내 고 비중의 협잡물을 제거하는 단계;

(ⅱ) 침사지를 거친 원수를 침전조를 통과시켜 침전 슬러지(생슬러지)와 상등액으로 분리시키는 단계;

(ⅲ) 상기 상등액을 폭기조에 이송하여 폭기를 수행하는 단계; 및

(ⅳ) 상기 폭기조에서 처리된 처리액을 본 발명에 의한 탈질 반응조로 이송하여 탈질 처리된 상등액은 방출시키고, 침전 슬러지는 폭기조로 반송시키고 일부는 잉여 슬러지로 농축 및 탈수과정을 거쳐 폐기 처리하는 단계를 포함하여,

C/N비가 낮은 폐수의 처리에 효과적인 고도처리공정을 제공한다.

이때, 상기 공정의 원수 내 인 농도가 높아 인 제거를 수행해야 할 경우, 단계 (ⅱ)에서 처리된 상등액을 단계 (ⅲ)를 수행하기 이전에 혐기조를 두어 통과시키고 탈질 반응조의 반송라인을 혐기조에 연결하여 생물학적 인 제거를 수행하거나, 단계 (ⅲ)에서 처리된 처리액을 단계 (ⅳ)를 수행하기 이전에 2차 침전조와 응집조와 같은 응집설비를 통과시켜 물리화학적 인 제거를 수행하거나, 단계(ⅳ)에서 처리된 상등액을 응집조와 같은 응집설비와 고액분리장치를 통과시켜 물리화학적 인 제거를 수행할 수 있다.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명의 탈질 시스템은 C/N비가 낮고 고농도의 부유 물질을 함유한 원수를 대상으로 하며, 상기 원수 내 함유된 질산성 질소를 제거하기 위해 탈질 반응조를 구비한다.

도 2는 본 발명에 따른 탈질 반응조를 도식화한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 탈질 반응조(80)는 침전되는 고 비중의 슬러지의 수집을 용이하게 하기 위해 탈질 반응조(80)의 하부를 경사형 구조로 제작하며, 스크래퍼(60)가 구비된 교반 장치(58)를 장착하고, 원수를 주입하기 위한 원수관(68)과, 원수 유입을 하향류로 유도하고 탈질 반응조(80) 내 교란을 막기 위하여 원수관(68)을 둘러싼 형태의 정류통(66)을 구비한다.

또한, 탈질 반응조(80)의 상단에 탈질 처리액의 배출을 위한 유출 위어(52a, 52b)를 원형으로 배치하고, 반응조의 수 표면을 통한 산소 유입 및 동절기 열 손실에 의한 탈질효율의 저하를 최소화하고 하절기 햇빛의 조사에 의한 녹조 성장을 억제하기 위한 부유볼(56)을 원형의 유출 위어(52a, 52b) 내부 수표면 전체에 배치하고, 탈질 반응조(80) 내부 상부층에 황이 고정화된 판상 여재(62)가 세로로 적층된 구조를 가진다.

상기한 구조의 탈질 반응조(80) 내 유입된 원수는 황이 고정화된 판상 여재(62)의 표면에서 황 산화 독립영양세균에 의해 독립영양 탈질 반응을 거쳐 원수 내 함유된 질산성 질소가 제거되며, 이때 독립영양 탈질 반응은 하기 반응식 1에 기재된 바와 같다.

상기 반응식 1에서 보는 바와 같이 독립영양탈질 반응은 무산소 조건하에 진 행되며, 황이 고정화된 판상 여재의 표면에서 부착성장(Attached Growth)하는 황 산화 독립영양세균에 의해 질산성 질소(NO₃-)가 환원되어 질소 가스(N₂)가 발생하고, 이와 동시에 황(S)은 황산염 이온(SO₄ ^2-)으로 산화된다.

상기 황탈질 공정에 적용되는 황 산화 독립영양세균(Sulfur-oxidizing autotroph)은 본 발명에서 한정하지 않으며, 대표적으로 이 분야에서 사용되는 무기독립영양세균(Chemolithoautotroph)이 가능하며, 티오바실러스 디나이트리피칸스(Thiobacillus Denitrificans), 티오마이크로스피라 디나이트리피칸스(Thiomicrospira Denitrificans), 티오바실러스 버수터스(Thiobacillus Versutus), 티오바실러스 타이아시리스(Thiobacillus Thyasiris), 티오스파에라 판토트로파(Thiosphaera Pantotropha) 및 파라코커스 디나이트리피칸스(Paracoccus Denitrificans) 등이 있다.

이러한 독립영양세균은 황(S)과 여러 종류의 황 화합물을 황산염 이온으로 산화시키면서 동시에 질산성 질소를 질소 가스 형태로 환원시키는 것으로 알려져 있으며, 독립영양세균이므로 메탄올, 에탄올 및 아세테이트 등의 외부 탄소원이 필요 없고, 값이 싼 황을 이용하므로 경제적이며 효과적인 탈질화를 유도할 수 있다.

도 2에 도시된 탈질 반응조를 이용한 탈질 반응은 하기와 같이 수행된다.

먼저, 처리하고자 하는 원수를 원수관(68)을 거쳐 탈질 반응조(80) 내부로 유입시킨다. 이때, 상기 원수관은 편의상 반응기의 중간에 위치한 정류통(66) 내부에서 상부로 향하는 "┘"자 형태로 도시하고 있으나, 이러한 형태로 한정되는 것 은 아니다.

일단, 탈질 반응조 내부로 유입된 원수는 정류통(66) 하부로 이동한 뒤 정류통(66) 밖으로 나와 탈질 반응조(80) 상부로 이동하면서 비중 차에 의해 침전 슬러지와 상등액으로 나뉘어지고, 상기 침전 슬러지는 탈질 반응조(80)의 하부에 위치한 반송 라인(70)으로 배출되고, 상등액은 황이 고정화된 판상 여재(62) 사이를 통과하게 된다.

상기 상등액은 판상여재를 통과하면서 탈질 처리되어 처리수관(72)을 거쳐 외부로 방류되고, 하부에 침전된 슬러지는 반송 설비를 통해 반송되고, 일부는 잉여슬러지로 농축 및 탈수과정을 거쳐 폐기된다.

이때, 탈질 효율을 높이기 위해 황이 고정화된 판상 여재(62)를 세로로 위치시키며, 비중이 큰 슬러지가 탈질 반응기의 하부로 침전되기 위해 상기 판상 여재(62)를 수표면에 대하여 수직 또는 경사지게 배치한다.

도 3은 본 발명에 따른 판상 여재(62)가 탈질 반응조(80)에 배치 시 수표면과 이루는 각도를 모식화한 것이다.

도 3을 참조하면, 상기 판상 여재(62)는 수표면(0°로 함)을 기준으로 할 때 상기 수표면에 대하여 수직 방향(90°) 또는 30° 이상의 각도를 이루도록 경사지게 배치하여, 탈질 반응조(80)에 유입된 원수의 흐름이 판상 여재(62) 사이에서 판상 여재(62) 표면과 세로 방향으로 자연스럽게 유도되도록 한다. 상기의 경사진 배치 형태는 판상 여재(62) 사이를 지나면서 상승하는 부유 물질이 판상 여재(62)에 충돌하면서 상승 속도를 감소시켜 하부로 가라앉는 침전 슬러지의 침전 효율을 더욱 높인다. 그러나, 판상 여재(62)의 배치 각도가 30ㅀ 미만이 되면 탈질 반응조(80)의 하부로 침전되는 슬러지가 판상 여재(62)에 적층되어 탈질 반응이 효율적으로 이루어지지 않는다.

특히, 황에 의한 탈질 공정은 황이 고정화된 판상 여재(62)의 표면에서 황 산화 독립영양세균의 성장이 진행되며, 이러한 성장이 진행됨에 따라 상기 황 산화 독립영양세균에 의한 생물막(biofilm)의 두께가 증가된다. 그 결과, 탈질 공정에서 요구되는 물질 전달이 악화되어 상기 생물막 내부의 혐기화가 진행되면서 일부의 생물막이 탈피되고, 이후 다시 생물막이 성장하는 과정을 반복한다. 이와 같이 탈질 반응이 수행되는 동안 황의 표면에서 탈피된 생물막에 기인한 부유물질이 지속적으로 발생하고, 탈질 반응에 의해 생성된 질소 가스 가 부상함에 따라 탈질 공정 중의 물질 전달을 저해하여, 유입되는 원수 및 탈질 처리된 처리수에 부여되는 수리학적 저항이 증가된다. 상기 전술한 바와 같이 기존 황탈질 공정에서는 상기 문제들이 발생하나, 본 발명에서는 황을 판상 여재(62)에 고정화시키고, 상기 판상여재(62)를 수표면과 30ㅀ에서 90ㅀ 사이의 각도로 경사지게 배치하여 상기 판상 여재(62) 사이로 질소 가스가 부상하고, 상기 탈피된 생물막의 침전이 아무런 저항 없이 진행된다. 그 결과, 역세척과 같은 추가적인 운전방식 없이 생물 막 표면에서의 물질전달 악화로 인한 탈질효율 저해를 막을 수 있다.

상기 황이 고정화된 판상 여재(62)는 별도로 제작한 프레임 형태의 지지 수단에 균일한 간격으로 장착되며, 원수 처리량에 따라 상기 판상 여재(62)의 크기 및 수를 조절한다.

황을 고정화하기 위한 판상 여재(62)는 우수한 물 투과성과 넓은 표면적을 가지는 일정 두께 이하의 다공성 판형 재질이 적합하며, 대표적인 예는 폴리에스터로 제작된 부직포(non-woven fabric)이나, 재질로서는 폴리스티렌, 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 폴리에틸렌테레프탈레이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 고분자를 포함하는 복합재료가 바람직하고, 이때 상기 다공성 판형 재질은 형태상으로는 직포(woven fabric), 메쉬(mesh) 및 발포 판(foamed plate)으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 형태로 제작된다.

상기 판상 여재(62)에 대한 황의 고정화 방법은 본 발명에서 특별히 한정하지는 않으나, 일정 온도 이상으로 가열하여 얻은 용융 상태의 황을 소정 크기의 판상 여재에 도포한 후 냉각시켜 이루어진다.

본 발명의 황이 고정화된 판상 여재(62)를 이용하여 탈질 공정을 수행할 때, 탈질 반응에 의해 황이 지속적으로 소모되므로 기 장착된 판상 여재(62)가 고정된 구조물의 일부를 적정 주기에 따라 순차적으로 새로운 판상 여재가 장착된 구조물로 교체하여 탈질 효율의 저하를 최소화할 수 있다. 이러한 교체 주기는 탈질 반응기의 질산성 질소의 제거 속도 및 처리 유량을 통해 간단히 예측할 수 있다.

상기 탈질 반응조(80)는 탈질 반응 및 고비중의 슬러리의 침전을 용이하게 하기 위해 교반 모터(58) 및 스크래퍼(60)가 구비된 교반 장치와, 침전 슬러지를 배출하기 위한 반송 설비를 구비한다. 이러한 반송 설비는 탈질 반응조(80)의 하부와 연통되는 반송 라인(70)과, 침전 슬러리를 반송하기 위한 펌프(미도시)로 이루어진다.

이때, 침전 슬러지의 수집을 용이하게 하기 위해 상기 탈질 반응조(80)의 하부가 중앙으로 경사진 원뿔 형태로 제작하는 것이 바람직하나, 이러한 형태의 제작은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 적절히 변형이 가능하다.

또한, 상기 판상 여재(62)의 장착에 의한 처리수의 편재를 해소하기 위해 상기 탈질 반응조(80)의 유출 부분을 전면에 골고루 분포하도록 원형의 유출 위어(52a, 52b)를 설치한다. 여기서, 유출위어(52a, 52b)로 부유볼(56)이 유출되는 것을 막기 위해 상기 도 2에서는 원형의 유출위어(52a, 52b)로 둘러싸인 탈질 반응조(80)의 안쪽 수표면에는 부유볼(floating ball, 56)을 띄우고, 바깥쪽 수표면에서 탈질 반응조(80)의 상등액이 위어를 통과하여 처리수관(72)을 통해 방류되도록 하였으며, 유출 위어(52a, 52b)의 형태 및 크기는 탈질 반응조(80)의 크기 및 원수의 유속 등을 고려하여 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 적절히 설치 및 조절된다.

이와 더불어, 탈질 반응조(80)의 수 표면에 산소의 유입을 차단하여 용존산소에 의한 탈질 저해를 최소화함과 동시에 햇빛의 조사를 방해하여 녹조 성장을 억제하는 역할을 하는 부유볼(56)을 띄움으로써 탈질 효율을 극대화 할 수 있다. 상기 부유볼(56)은 폴리프로필렌(PP) 또는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 등의 재질로 내부가 비어 있는 것으로, 부가적으로 반응기의 수 표면에서의 열 손실을 억제할 수 있으므로 동절기 시 상기 탈질 반응조(80) 수 표면의 온도 저하에 의한 탈질효율 저감을 최소화 할 수 있으며, 또한, 탈질 반응조(80) 내부의 대류 현상에 의한 침전효율 악화도 방지할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 탈질 반응조(80)는 황이 고정화된 판상 여재(62)가 구비되어 종래 탈질 공정에 사용되던 입상 황에 비해 높은 공극률을 가지고, 상기 판상 여재(62) 사이로 질소 가스가 부상하고 부유물질이 침강하여 수리학적 저항이 증가되지 않고, 역세척이 불필요하여 처리비용이 저감된다. 또한, 반송 설비를 구비하여 일반적인 활성슬러지 공법에서의 2차 침전조 역할을 겸할 수 있다.

도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 탈질 시스템을 이용한 고도처리공정을 보여주는 공정도이다.

도 4를 참조하면, 제1실시예에 따른 고도처리공정은

(a) 원수 내 협잡물 및 부유 물질을 제거하기 위한 침사지(120)와,

(b) 상기 침사지(120)에서 처리된 원수가 유입되고, 상기 원수 내 침전 슬러지(생 슬러지)와 상등액을 분리시키기 위한 침전조(140)와,

(c) 상기 침전조(140)에서 상등액이 유입되고, 상기 상등액 내 BOD 제거 및 질소를 질산성 질소로 전환하는 반응을 수행하기 위한 폭기조(160)와,

(d) 상기 폭기조(160)에서 포기된 처리액이 유입되고, 상기 처리액의 탈질 반응을 통해 질산성 질소를 제거하기 위한 탈질 반응조(180)를 구비하며,

(e) 상기 폭기조(160)와 탈질 반응조 사이에 탈질 공정 후 얻어진 침전 슬러지를 반송하기 위한 반송 설비를 구비하여,

C/N비가 낮은 원수 내 탄소원 및 질소를 효과적으로 처리한다.

먼저, 처리하고자 하는 원수(또는 폐수)를 침사지(120)를 통과시켜 비중이 비교적 큰 침강성 물질을 제거한다. 상기 침전조(140)에 이송된 원수는 비중 차 이에 의해 비중이 큰 슬러지는 침전조(140)의 하부로 침전되어 폐기되고, 상등액은 폭기조(160)로 이송되며 통상적인 스크래퍼 장치(142)가 구비되어 있다.

침전조(140)로부터 폭기조(160)로 이송된 상기 상등액은 공기 또는 산소를 발생하는 산기관(162)이 구비된 상기 폭기조(160) 내부에 유입되며, 적절한 폭기를 통해 상기 상등액 내에 존재하는 BOD가 종속영양 미생물에 의해 제거되며, 암모니아성 질소가 질산성 산소로 산화된다. 이러한 공기 공급은 상기 폭기조(160)의 일측에 별도의 공기 펌프(미도시) 및 이와 산기관(162)을 연결하는 공기 공급 라인(미도시)을 거쳐 이루어진다.

상기 폭기조(160)에서 포기 처리된 처리액은 황이 고정화된 판상 여재(182) 및 스크래퍼 장치(184)가 구비된 탈질 반응조(180)로 이송되고, 상기 판상 여재(182)의 표면에서 황 산화 독립영양세균에 의한 탈질 반응을 거쳐 질산성 질소를 질소 기체로 전환시켜 처리액 내 함유된 질소가 효과적으로 제거된다.

탈질 공정 처리된 처리액은 탈질 반응조(180) 내 구비된 처리수관(도 1의 72)을 통해 외부로 방류되고, 비중이 커 침전된 슬러지는 반송 설비를 통해 반송 라인(190)을 거쳐 다시 폭기조(160)로 반송시키고, 일부는 잉여슬러지로 농축 및 탈수처리를 통해 폐기한다.

한편, 암모니아성 질소와 더불어 폐수 내 함유된 인의 농도가 높을 경우, 소정의 질소 처리 공정뿐만 아니라 인 제거 공정이 추가적으로 수반되어야 한다.

도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 탈질 시스템을 이용한 고도처리공정을 보여주는 것으로, 질소와 더불어 폐수 내 함유된 인을 생물학적 방법을 통해 제거 하기 위한 고도처리공정이다.

도 5를 참조하면, 제 2실시예에 따른 고도처리공정은

(a) 원수 내 협잡물 및 부유 물질을 제거하기 위한 침사지(220)와,

(b) 상기 침사지(220)에서 처리된 원수가 유입되고, 상기 원수 내 침전 슬러지(생 슬러지)와 상등액을 분리시키기 위한 침전조(240)와,

(c) 상기 침전조(240)에서 상등액이 유입되고, 상기 상등액을 혐기성 상태에서 미생물에 의한 인 방출 반응을 수행하는 혐기조(250)와,

(d) 상기 혐기조(250)에서 처리된 처리액이 유입되고, 상기 처리액 내 BOD제거 및 미생물의 인 과잉 섭취, 그리고 암모니아성 질소를 질산성 질소로 전환시키는 산화반응을 수행하기 위한 폭기조(260)와,

(e) 상기 폭기조(260)에서 포기된 처리액이 유입되고, 상기 처리액의 탈질 반응 및 고액분리(슬러지 인발)를 통한 처리수 내 인 제거를 수행하기 위한 탈질 반응조(280)를 구비하며,

(f) 상기 혐기조(250)와 탈질 반응조(280) 사이에 탈질 공정 후 얻어진 침전 슬러지를 반송하기 위한 반송 설비(290)를 구비하여,

C/N비가 낮은 원수 내 탄소원 및 질소, 인을 동시에 처리한다.

미생물을 이용한 인의 제거는 일반적으로 용존 산소와 질산성 질소가 없는 혐기적(Anaerobic) 조건하에 미생물이 세포 내에 가지고 있는 인을 방출하고, 이어 호기적(Aerobic) 조건에서 상기 미생물이 방출한 인의 양보다 더 많은 과잉의 양을 섭취하는 현상(Luxury Uptake)를 이용한다. 따라서, 미생물을 이용한 통상적인 인 의 제거는 혐기적 조건 후 호기적 조건을 반드시 거쳐야 하므로, 본 발명에 따른 고도처리공정은 혐기조(250) 이후 폭기조(260)를 배치시킨다.

먼저, 처리하고자 하는 원수를 침사지(220) 및 통상적인 스크래퍼 장치(242)가 구비된 침전조(240)를 거쳐 비중이 비교적 큰 부유 물질을 제거한 다음 얻어진 상등액을 혐기조(250)로 이송시킨다.

혐기조(250)에서는 생물학적 인 제거기작에 공지된 바의 인 제거 미생물(PAOs, Phosphorous Accumulating Organisms)이 인 방출 기작을 수행함으로써, 상기 미생물의 체내의 인이 방출되어 혐기조 내의 인 농도는 유입원수 내 인 농도보다 높아지게 된다. 이때, 혐기조 내 원활한 물질전달을 위해 교반 장치(252)를 구비하는 것이 일반적이다.

이어서, 상기 혐기조(250)에서 처리된 처리액을 폭기조(260)로 이송하고, 상기 폭기조(260) 내의 산기관(262)을 통해 산소를 충분히 주입함으로써 BOD를 제거하고 처리액 내의 암모니아성 질소를 질산성 질소로 산화시키며, 상기 인 방출 기작을 수행한 인 제거 미생물의 인 과잉 섭취 반응을 유도한다.

계속해서, 상기 폭기조(260)에서 처리된 처리액을 황이 고정화된 판상 여재(282) 및 스크래퍼 장치(284)가 구비된 탈질 반응조(280)로 이송하여 탈질 반응 및 슬러지 인발을 통한 인 제거를 수행한다. 이때, 탈질 반응조(282)에서 탈질 처리된 상등액은 처리수관(도 1의 72)을 통해 외부로 방류되고, 비중이 커 침전된 슬러지는 대부분 반송 라인(290)을 통해 다시 혐기조(250)로 반송시키고 일부를 잉여슬러지로 농축 및 탈수과정을 거쳐 폐기함으로써 인이 공정 상에서 제거된다.

도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 탈질 시스템을 이용한 고도처리공정을 보여주는 것으로, 질소와 더불어 폐수 내 함유된 인을 물리화학적인 방법을 통해 제거하기 위한 시스템이다.

도 6을 참조하면, 제3실시예에 따른 고도처리공정은

(a) 원수 내 협잡물 및 부유 물질을 제거하기 위한 침사지(320)와,

(b) 상기 침사지(320)에서 처리된 원수가 유입되고, 상기 원수 내 침전 슬러지(생슬러지)와 상등액을 분리시키기 위한 1차 침전조(340)와,

(c) 상기 1차 침전조(340)에서 얻어진 상등액이 유입되고, 상기 상등액 내 BOD제거 및 암모니아성 질소를 질산성 질소로 전환시키는 산화반응을 수행하기 위한 폭기조(360)와,

(d) 상기 폭기조(360)에서 처리액이 유입되고, 상기 처리액 중 침전 슬러지와 상등액을 분리시키기 위한 2차 침전조(344)와,

(e) 상기 폭기조(360)와 2차 침전조(344) 사이에 침전 슬러지를 반송하기 위한 반송 설비(390)를 구비하며,

(f) 상기 2차 침전조(344)에서 처리된 상등액이 유입되면, 응집제를 투입하고 교반을 수행하여 인을 포함하는 유기물질 및 화합물을 응집시키기 위한 응집제 투입설비(미도시)와 교반장치(372)가 구비된 응집조(370)와,

(g) 상기 응집조(370)에서 처리된 처리액이 유입되고, 상기 처리액의 탈질 반응 및 중력에 의한 플럭 등의 고형물 제거를 수행하기 위한 탈질 반응조(280)를 구비하여,

이때, 1차 침전조(20)와 2차 침전조(40)의 각 역할을 살펴보면, 상기 1차 침전조(20)는 상기 고도처리공정에 유입되는 유입원수 내 침강성이 양호한 부유물질을 생슬러지 형태로 제거하여 상기 고도처리공정 내 부유물질부하를 본격적인 생물학적 처리 이전에 최소화시키는 역할을 한다.

또한, 상기 2차 침전조(40)는 상기 폭기조(30)를 거친 처리액 내 활성슬러지를 분리하여 폭기조(30)로 다시 반송시킴으로써, 폭기조(30) 내 활성슬러지 농도를 일정하게 유지시키는 역할을 하며, 활성슬러지가 배재된 처리액(상등액)은 방류하게 된다.

한편, 물리화학적인 방법을 이용한 인의 제거는 원수 또는 처리액에 인과 결합하여 응집되어 침전 가능한 응집제를 주입하여 이루어진다.

이러한 인의 응집처리는 침사지(320), 1차 침전조(340), 폭기조(360) 및 2차 침전조(344)를 거친 처리액을 응집조(370)로 이송하고, 상기 응집조(370) 내부로 적정량의 응집제를 주입하여 적정한 교반을 통해 인을 포함하는 여러 부유물 및 유기물질들의 플록(floc) 형성을 유도한다. 또한, 공정을 보다 단순화하기 위해 상기 응집조(370) 대신 이송라인 상에 라인 믹서(Line Mixer)를 이용한 인 라인(In-Line) 응집설비를 이용할 수 있다.

사용 가능한 응집제는 공지된 바의 알루미늄염, 염화제2철 및 고분자 응집제로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종 이상의 물질이 사용 가능하다.

이어서, 상기 응집조(370)에서 얻어진 처리액을 탈질 반응조(380)로 이송하 여 황이 고정화된 판상 여재(382)를 통과시켜 탈질 반응을 수행한다.

이때 탈질 반응조(380)에서 하부에 침전된 플럭은 폐기과정을 거치면서 인이 공정 상에서 제거되며, 상기 탈질 반응조(380)의 여재층에서 질산성 질소를 제거함으로써 생물학적 질소 및 물리화학적 인 제거가 동시에 이루어지도록 구성한다.

도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 탈질 시스템을 이용한 고도처리공정을 보여주는 것으로, 질소와 더불어 폐수 내 함유된 인을 물리화학적인 방법을 통해 제거하기 위한 시스템이다.

도 7을 참조하면, 제4실시예에 따른 고도처리공정은

(a) 원수 내 협잡물 및 부유 물질을 제거하기 위한 침사지(420)와,

(b) 상기 침사지(420)에서 처리된 원수가 유입되고, 상기 원수 내 침전 슬러지(생 슬러지)와 상등액을 분리시키기 위한 침전조(440)와,

(c) 상기 침전조(440)에서 상등액이 유입되고, 상기 상등액 내 BOD제거 및 질소를 질산성 질소로 전환하는 반응을 수행하기 위한 폭기조(460)와,

(d) 상기 폭기조(460)에서 포기된 처리액이 유입되고, 상기 처리액의 탈질 반응을 통해 질산성 질소를 제거하기 위한 탈질 반응조(480)와,

(e) 상기 폭기조(460)와 탈질 반응조 사이에 탈질 공정 후 얻어진 침전 슬러지를 반송하기 위한 반송 설비(490)를 구비하며,

(f) 상기 탈질 반응조(480)에서 처리된 상등액이 유입되면, 응집제를 투입하고 교반을 수행하여 인을 포함하는 유기물질 및 화합물을 응집시키기 위한 응집제 투입설비(미도시)와 교반장치(472)가 구비된 응집조(470)와,

(g) 상기 응집조(470) 처리 후 얻어진 처리액이 유입되고, 상기 처리액의 플럭 등의 고형물 제거를 수행하기 위한 고액분리장치(474)를 구비하여,

먼저, 처리하고자 하는 원수를 상기 전술한 제1실시예에 따른 고도처리공정과 동일한 과정을 통해 원수 내 탄소원 및 질소를 제거하고, 탈질반응조(480)에서 처리된 상등액을 응집조(470)로 이송시킨다.

상기 응집조(470) 내부로 적정량의 응집제를 주입하여 적정한 교반을 통해 인을 포함하는 여러 부유물 및 유기물질들의 플록(floc) 형성을 유도한다. 이때, 공정을 보다 단순화하기 위해 상기 응집조(470) 대신 이송라인 상에 라인 믹서(Line Mixer)를 이용한 인 라인(In-Line) 응집설비를 이용할 수 있다.

상기 응집조(470)에서 처리된 처리액은 고액분리장치(474)로 이송되며, 상기 고액분리장치(474)에서 플록을 포함한 고형물질을 제거함으로써 최종적으로 인이 공정 상에서 제거되어, 탈질 반응조(380)의 탈질 반응을 포함하여 생물학적 질소 및 물리화학적 인 제거가 이루어지도록 구성한다.

상기 고액분리장치(474)는 상기 응집조(470) 처리액 내의 플록을 포함한 고형물질 제거를 목적으로 하므로, 통상적인 고액분리에 사용되는 공지된 바의 침전설비, 가압부상설비, 필터 혹은 멤브레인에 의한 여과설비 등으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1가지 설비 혹은 그 이상의 조합공정이 적용 가능하다.

전술한 바의 본 발명에 따른 고도처리공정은 C/N비가 낮은 하, 폐수를 그 대상으로 하고, 상기 대상에 따라 반응조 각각의 수리학적 체류시간과 침전조, 혐기 조, 포기조, 응집조 및 탈질 반응조의 수리학적 체류시간 비율을 결정하도록 하고, 혐기조, 응집조 및 탈질 반응조로 처리액의 주입비율을 변화시켜 실험함으로서 질소와 인의 처리효율을 검토하며, 슬러지 반송비 또한 다양하게 변화시켜 최적의 운전인자를 확보한 다음 설계에 반영하도록 한다.

이러한 본 발명에 따른 고도처리공정으로 처리된 처리수는 일반적인 고도처리공정의 방류수 내 질소 및 인 농도와 비교하여 상당히 낮은 수준으로 유지할 수 있으므로, 방류수 수질기준에 부합시킬 뿐만 아니라, 공정용수, 청소용수, 화장실 세정수 및 조경용수 등의 여러 가지 용도로 재이용하기 위한 중수도 공정의 용도에 적합하며, 유입되는 탄소원의 농도에 비하여 질소의 농도가 상대적으로 높아 질소의 완벽한 제거가 어려운 침출수, 축산폐수 등의 처리에도 바람직하게 적용할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 황이 고정화 된 판상 여재 및 슬러지 스크래퍼가 구비된 침전조 형태의 탈질 반응조를 이용한 탈질 시스템을 제공함으로써 기본적으로 별도의 탄소원을 첨가하지 않고 C/N비가 낮은 원수 내 질산성 질소를 효과적으로 제거할 수 있게 되었다.

또한, 기존 입상 황을 이용한 생물학적 독립영양 탈질 공정이 낮은 공극율과 필연적인 역세 과정으로 인해 적용하기 어려웠던 고농도 부유 물질을 함유한 원수 내 질산성 질소제거가 가능하게 되었으며, 역세 과정을 필요로 하지 않아 설치의 단순화 및 비용을 저감시킬 수 있고, 기존 생물학적 하, 폐수 처리 공정에 용이하 게 적용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 탈질 시스템을 이용하여, 유입원수 내 질소 및 인을 완벽하게 제거할 수 있는 실시 예에 따른 고도처리공정을 제공하여 기본적으로 방류수 수질기준을 부합시킬 뿐만 아니라 완벽한 질소 및 인 제거를 통해 처리수의 재이용 또한 용이하도록 하였다.

Claims

(a) 원수 내 협잡물 및 부유 물질을 제거하기 위한 침사지와,

(b) 상기 침사지에서 상등액이 유입되고, 상기 상등액 내 침전 슬러지와 상등액을 분리시키기 위한 침전조와,

(c) 상기 침전조에서 처리된 상등액이 유입되고, 상기 처리액 내 BOD제거 및 암모니아성 질소를 질산성 질소로 전환하는 질산화반응을 수행하기 위한 폭기조와,

(d) 상기 폭기조에서 처리액이 유입되고, 상기 처리액 내 함유된 질소를 제거하기 위한 탈질 반응조를 구비하고,

상기 탈질 반응조는 스크래퍼 장치 및 적어도 하나 이상의 황이 고정화된 판상 여재를 구비하고, 하부 형태가 경사형의 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 황이 고정화된 판상 여재는 탈질 반응조의 수표면(0°로 함)을 기준으로 할 때 상기 수표면에 대하여 30° 내지 90°의 각도를 이루도록 경사지도록 배치하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 판상 여재는 황을 가열한 다음, 용융 상태의 황을 판상 여재에 도포 후 냉각시켜 제작하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 판상 여재는 다공성의 판형 재질인 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 다공성의 판형 재질은 폴리에스터 직포(woven), 폴리에스터 패브릭(fabric) 및 폴리에스터 부직포(non-woven fabric)와, 폴리스티렌, 폴리우레탄, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌의 발포 플라스틱(foamed plastic)으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 판상 여재는 지지 수단에 의해 고정화되는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 탈질 반응조는 수 표면 전면에 걸쳐 부유볼(floating ball)을 배치하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 침전조와 폭기조 사이에 혐기조를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 폭기조와 탈질 반응조 사이에 추가의 침전조 및 응집조를 포함하는 응집설비를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 탈질 반응조 후단에 응집조를 포함하는 응집설비와 고액분리장치를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 폐수 처리 시스템은 반송 설비를 더욱 구비하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
제 11항에 있어서, 상기 반송 설비는 폭기조와 탈질 반응조에 연결되는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
제 11항에 있어서, 상기 반송 설비는 혐기조와 탈질 반응조에 연결되는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
제 11항에 있어서, 상기 반송 설비는 폭기조와 추가 침전조에 연결되는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.