KR20100027907A - 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템 - Google Patents

질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이온 선택성 미소전극을 사용한 질소이온농도의 연속측정 기술을 이용하여 하수 및 폐수처리 공정 내의 질산성 질소의 농도를 측정하고, 그 농도에 비례적으로 외부탄소원이 자동주입되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 장치에 관한 것으로, 따라서 상기의 구성을 갖는 본 발명은 하·폐수처리공정 중의 질소이온농도 연속측정장치를 이용하여 농도를 실시간으로 측정하고, 이를 바탕으로 질소이온농도에 비례하여 무산소조에 외부탄소원의 주입량을 자동제어함으로써 안정적인 질소 제거가 가능하고, 그리고 하수 및 폐수처리공정에서의 질산성 질소의 탈질시 요구되는 외부탄소원의 주입량을 자동제어함에 따른 약품비 등의 운영비를 줄일 수 있으며, 또한 본 발명은 질소이온농도의 연속측정에 의해 주입되는 외부탄소원으로 메탄올뿐만 아니라 다양한 유기성 폐기물의 적용이 가능하므로 폐기물의 재활용으로 인한 경제적인 효과도 있을 것도 기대된다.
질소이온농도, 미소 이온센서. 외부탄소원, 연속 측정, 주입제어 시스템

Description

질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템{System for controlling the dosage of external carbon source using continuous measurement device of nitrogen ion}
본 발명은 하수 및 폐수의 생물학적 질소 제거 과정 중 탈질공정에서 주입되는 외부탄소원 주입량을 제어하는 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이온 선택성 미소전극을 사용한 질소이온농도의 연속측정 기술을 이용하여 하수 및 폐수처리 공정내의 질산성 질소의 농도를 측정하고, 그 농도에 비례하여 외부탄소원이 자동주입되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 장치에 관한 것이다.
현재 수질관리를 효율적으로 제어하기 위한 방안으로 수중의 암모니아성 질소 및 질산성 질소를 측정하는 방법 및 장치에 관한 기술들이 다양하게 개발되고 있다. 이와 같은 방안으로 개발된 기술들이 특허출원된 내용들을 살펴보면, 대한민국 공개특허공보 제10-2004-090356호(2004. 10. 22 공개)의 질산성 질소 및 아질산 성 질소의 간이 분석시약 제조방법과 그리고 대한민국 특허공보 제95-011543호(1995. 10. 6 공고)의 암모니아 측정용 검지제가 제안되고 있으며, 이와 같은 상기 특허들의 경우에는 발색 시약에 오염수를 넣어 일정 시간 경과 후 색도를 측정하여 색도로서 농도를 산정하는 원리에 기초하고 있으며, 휴대가 편리하고 오염수의 질소이온농도의 농도를 간편하게 측정할 수 있는 편리성은 있지만, 연속측정이 되지 않는 단점이 있었다. 또한 대한민국 등록특허공보 제10-0722888호(2007. 5. 22 등록)의 이온 농도 측정 장치와 대한민국 등록특허공보 제 10-0511052호(2005. 8. 22 등록)의 이온 센서 및 그것을 사용한 생화학 자동분석장치가 제안되고 있으며, 상기 특허들의 경우에는 하수 및 폐수 중의 질소이온농도에 대한 측정이 가능하지만, 개별 시료에 대한 농도 분석을 위해 개발된 장치로서 연속측정이 되지 않아 하·폐수처리장의 모니터링 장비로 사용하기에는 한계점이 있는 문제점이 있었다.
따라서 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명자는 이온 선택성 미소전극의 전위 측정 장치(대한민국 등록특허공보 제10-0823117호, 2008. 4. 11 등록)를 특허등록하였고, 이러한 이온 선택성 미소전극의 원리를 이용하여 오염수의 질소이온농도 연속측정 시스템을 특허출원(특허등록출원 제 2007-0128306호, 2007. 12. 11)한 바 있다. 이와 같이 본 출원인이 특허등록 및 출원한 내용들을 살펴보면, 이온 선택성 미소전극은 전극의 표면적이 좁으므로 전극 표면에서 산화나 환원될 분자의 도달 속도가 일반전극보다 느려서 전압이 아주 적게 흐르기 때문에, 낮 은 전위를 측정할 수 있는 이온 선택성 미소전극의 전위 측정 장치를 개발하였으며, 이러한 전위 측정 장치를 이용하여 기존 생물막내 깊이별 특정 성분의 전위 측정에 한정되어 있던 이온 선택성 미소전극을 용액 상에서 연속측정 할 수 있도록 범위를 확대하였다. 본 발명자가 오염수의 질소이온농도를 연속측정 할 수 있는 기술을 개발함에 따라 미소전극을 이용한 외부탄소원의 주입량의 제어가 가능한 바탕이 되었다.
한편, 하수 및 폐수중의 영양염류인 질소는 해양, 하천 및 호소의 부영양화 및 적조의 원인물질로 알려져 있으며, 자연계에서 유기질소, 암모니아성 질소, 아질산성 질소, 질산성 질소 및 질소 가스 등의 다양한 형태로 존재하고 있고, 다양한 종류의 미생물에 의해 순환되고 있다. 수계에서의 질소는 생물학적 질산화 및 탈질 과정을 거쳐 질소가스로 대기 중에 환원된다. 전자는 산소가 존재하는 호기 조건에서 질산화 미생물에 의해 암모니아성 질소가 질산성 질소로 산화되는 과정을, 후자는 무산소 조건에서 종속영양 및 독립영양 탈질미생물에 의하여 질산성 질소가 공기 중의 질소가스로 환원되는 과정을 일컫는다.
종속영양 탈질과정은 다음의 화학양론식에 기초하고 있다.
메탄올의 경우,
6NO3 - + 5CH3OH 3N2 + 5CO2 + 7H2O + 6OH-
아세트산의 경우,
5CH3COOH + 8NO3 - 4N2 + 10CO2 + 6H2O + 8OH-
상기 식들이 자명하듯이, 종속영양 탈질과정에서 탄소원의 공급은 필수적이다. 메탄올을 이용할 경우, 1 g 질산성 질소가 질소가스로 탈질되기 위해서는 이론적으로 3.7 g COD/L가 요구된다. 따라서 COD/N비가 3.7 보다 낮은 하수 및 폐수의 처리시에는 외부탄소원의 공급이 필요하고 외부탄소원의 필요량은 질산성 질소의 농도에 비례적이다.
이러한 외부탄소원의 주입을 제어하기 위해 본 발명자는 하수처리장 영양염류 제거공정에서 외부탄소원 절감을 위한 자동 제어장치(특허 제10-0430931호, 2004. 4. 29 등록)를 개발한 바 있다. 등록특허의 내용을 살펴보면, 하수고도처리 공정중의 무산소조내의 산화환원전위(Oxidation Reduction Potential, 이하 'ORP'라 한다)가 외부탄소원이 주입됨에 따라 감소하는 비례관계를 이용하여 ORP의 set-point를 -120 mV로 설정하여 90% 이상의 안정적인 탈질율을 확보하면서도 기존의 정량주입과 비교하였을 때, 외부탄소원의 주입량이 약 20% 절감됨을 실시예를 통해 확인하였다.
하지만, ORP는 시료 내에 특정 성분의 산화력 또는 환원력의 강도를 측정하는 것으로써, 산화제나 환원제 등의 오염물질의 농도는 알 수 없고, 단지 양자의 농도비만을 알 수 있다. 예를 들면, 용존산소가 존재하는 호기 조건에서 ORP가 +100 mV일 때 유기물은 산화반응을 일으키고, 암모니아성 질소는 질산성 질소로 전환되는 질산화반응이 발생한다는 정보만 알 수 있을 뿐, 반응조 내의 암모니아성 질소 및 질산성 질소의 농도는 알 수 없다. 또한 외부탄소원의 주입은 수중의 질산성 질소를 제거하기 위해 공급하는 것으로, 상기의 기술이 ORP와 외부탄소원의 주입량의 비례관계를 이용한 간접적인 제어방식이므로 직접적인 질산성 질소의 농도를 고려하지 못하는 한계를 지닌다. 따라서 산업폐수 등을 대체 외부탄소원으로 적용하고자 하는 경우에는 어려움이 있다.
상기에서 기술되었듯이, 탈질은 종속영양 탈질과 독립영양 탈질로 나눌 수 있다. 외부탄소원을 사용하는 종속영양 탈질은 고가의 약품비와 높은 슬러지 생산량을 유발하기 때문에 이에 대한 대안으로 본 발명자들은 황을 이용한 독립영양 탈질에 대하여 연구해 왔으며, 이 연구결과를 대한민국 특허출원 제 10-2008-0066043호, 2008.7.8)로 '황함유 폐가성소다액을 적용한 하수고도처리 시스템'에 대하여 이미 특허출원한 바 있으며,상기 특허에 적용되는 황함유 폐가성소다액은 산업폐기물로서 고농도의 황화합물과 알칼리도를 함유하고 있으며, 황을 이용한 독립영양 탈질의 반응식은 다음과 같다.
NO3 - + 1.1S + 0.4CO2 + 0.76H2O + 0.08HCO3 - 0.08CHON + 0.5N2 + 1.1SO4 2 - + 1.28H+
이러한 황함유 폐가성소다액을 ORP 설정값으로 제어할 경우, 폐가성소다액 내 다양한 물질의 화학반응으로 인해, 질산성 질소의 질소가스로 환원될 때의 산화환원전위뿐만 아니라 황화합물의 산화 및 환원 반응에 의해서도 산화환원전위가 측정되어 탈질을 위한 제어인자로 ORP를 사용하기 어려운 한계를 지닌다. 따라서 실제 하수고도처리 공정에 적용시 상기와 같은 다양한 대체 외부탄소원의 주입제어로서 ORP 측정값에 대한 외부탄소원의 주입량의 제어는 적합하지 않다.
따라서 본 발명자들은 이미 등록받은 바 있는 대한민국 등록특허공보 제10-0823117호와 그리고 선출원한 대한민국 특허출원 제10-2007-0128306호를 바탕으로 미소 이온센서를 이용한 질산성 질소의 연속측정이 가능하도록 개발하였고, 이를 이용하여 기존의 간접적인 외부탄소원의 주입제어기술인 대한민국 등록특허공보 제 10-0430931호의 기술적 한계를 극복한 직접적인 질산성 질소의 농도 측정에 기초한 외부탄소원 주입제어기술을 개발함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 방안으로 본 발명자들은 수중 질산성 질소의 농도를 측정하기 위해 미소 이온센서 기술을 이미 개발한바 있다. 미소 이온센서 기술은 종래의 기술과는 달리 사용되는 전극의 표면적이 작으므로 전극 표면에서 산화나 환원될 분자의 도달 속도가 일반전극보다 느려서 전압이 아주 작게 흐르기 때문에, 수중에서 낮은 전위의 모니터링에 의해서도 질산성 질소의 측정을 가능하게 하였다.
따라서, 본 발명은 본 발명자들이 개발한 상기와 같은 전위 측정 장치를 이용하여 기존 생물막내 깊이별 특정 성분의 전위 측정에 한정되어 있던 이온 선택성 미소전극을 용액 상에서 연속측정 할 수 있도록 범위를 확대하고, 연속측정을 가능하게 하기 위하여 미소 이온센서의 유효측정기간을 연장하고 외란에 따른 영양을 방지하기 위해 페러데이 용기 및 무진동 테이블을 도입하여 연속측정이 가능하도록 한 것을 특징으로 하는 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원의 주입제어 시스템을 제공함을 그 과제로 한다.
또한 본 발명은 오염수 중의 질소 이온의 연속측정장치를 사용하여 하수고도처리 공정 중의 질산성 질소의 농도를 연속측정함으로써, 무산소조의 탈질과정 중 요구되는 외부탄소원 및 대체 외부탄소원을 그 농도에 비례하여 주입하는 것이 가 능하고, 또한 외부탄소원의 주입제어뿐만 아니라, 외부탄소원의 주입에 따른 반응조의 농도 변화 및 유출수의 질소이온농도의 연속측정이 가능하도록 한 것을 특징으로 하는 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원의 주입제어 시스템을 제공함을 다른 과제로 한다.
본 발명은 무산소조와 호기조 및 침전조로 이루어지는 하수고도처리공정에 있어서,
상기 무산소조에 외부탄소원을 주입하기 위해 질소이온농도 연속측정장치를 적용한 것을 특징으로 하는 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템을 과제 해결 수단으로 한다.
단, 상기 질소이온농도 연속측정장치는 오염수 중의 질소이온농도를 연속적으로 측정하기 위한 측정부(A), 측정센서에서 발생하는 미세 전위를 증폭하는 전위계부(B), 전위계에서 발생하는 디지털 신호를 저장하는 데이터처리부(C)를 구비하고, 상기 측정부(A)는 수중의 질소이온농도를 측정하기 위해 측정조 내부에 설치하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기의 과제 해결 수단에 의해 하·폐수처리공정 중의 질소이온농 도 연속측정장치를 이용하여 농도를 실시간으로 측정하고, 이를 바탕으로 질소이온농도에 비례적으로 무산소조에 외부탄소원의 주입량을 자동제어함으로써 안정적인 질소 제거가 가능하고, 하수 및 폐수처리공정에서의 질산성 질소의 탈질시 요구되는 외부탄소원의 주입량을 자동제어함에 따른 약품비 등의 운영비를 줄일 수 있으며, 또한 본 발명은 질소이온농도의 연속측정에 의해 주입되는 외부탄소원으로 메탄올뿐만 아니라 다양한 유기성 폐기물의 적용이 가능하므로 폐기물의 재활용으로 인한 경제적인 효과도 있을 것도 기대된다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 종래의 외부탄소원 제어 시스템은 ORP 측정값에 의해 외부탄소원을 주입량을 제어하고, 외부탄소원은 질소 제거 과정 중 탈질 시 부족한 탄소원을 공급하는 것으로, 수중의 질산성 질소의 농도와 관련이 깊다. 본 발명은 미소 이온센서를 사용한 질소이온농도의 연속측정기술을 이용하여 수중의 질산성 질소의 농도를 측정하고, 그 농도에 비례하여 무산소조에 외부탄소원이 주입되도록 하는 것이 특징이다.
또한 외부탄소원의 주입제어뿐만 아니라, 외부탄소원의 주입에 따른 반응조의 농도 변화 및 유출수의 질소이온농도의 연속측정이 가능하다는 것이 특징이다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 하기의 설명에서 는 본 발명을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
본 발명에 따른 기술적 사상에 대한 이론적인 구성을 설명하면, 본 발명은 무산소조와 호기조 및 침전조로 이루어지는 하수고도처리공정에 있어서,
상기 무산소조에 외부탄소원을 주입하기 위해 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템을 적용한 것을 특징으로 한다.
상기 외부탄소원 주입제어 시스템에 구비된 질소이온농도 연속측정장치는 본 발명자들이 개발하여 이미 선출원한 대한민국 특허출원 제10-2007-128306호의 질소이온농도 연속측정장치로서, 측정부, 전위계부 및 데이터 처리부를 구비하며, 그리고 상기 측정부는 수중의 질소이온농도를 측정하기 위해 측정조 내부에 설치한다.
본 발명에 따른 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템은 무산소조, 호기조 및 침전조로 이루어진 하수고도처리 공정에서 무산소조가 호기조 전단에 위치한 공정뿐만 아니라, 호기조 후단에 위치한 공정의 외부탄소원 주입제어에도 적용 가능하며 특히 이때에는 무산소조 전단에 별도의 균등조를 필요로 하지 않는 것을 특징으로 한다.
한편, MLE(modified Ludzack-Ettinger)공정은 무산소와 포기단계로 이루어진 Ludzack Ettinger 공정을 개량한 것으로 가장 일반적으로 사용되는 영양염제거공정 중의 하나이다. 또 Bardenpho(BARnard DENitrification PHOsphate) 공정은 전 무산소와 후 무산소 탈질 모두가 도입된 질소제거공정으로 질소와 함께 생물학적 인 제거도 이루어진다고 알려져 있다.
본 발명에 따른 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템을 실험실규모의 Bardenpho공정과 MLE공정에 적용하면 아래와 같이 두가지 공정으로 구분할 수 있다.
1) 바덴포(Bardenpho) 공정은
a) 측정조가 무산소 1조 전단계에 위치한 균등조, 호기 1조 및 침전조에 각각 설치되는 외부탄소원 주입제어 시스템과,
b) 측정조가 무산소 2조 전단계에 위치한 호기 1조 및 침전조에 각각 설치되는 외부탄소원 주입제어 시스템으로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고 2) MLE 공정은 측정조가 균등조 및 침전조에 각각 설치되는 외부탄소원 주입제어 시스템으로 구분된다.
상기 1) a)의 바덴포(Bardenpho) 공정에 적용시킨 외부탄소원 주입제어 시스템은 측정조가 무산소 1조 전단계에 위치한 균등조, 호기 1조 및 침전조에 각각 설 치되는 외부탄소원 주입제어 시스템을 적용시킨 예로서, 무산소 1조에 유입되는 유입수의 질소이온농도를 측정하기 위해 무산소 1조 전단계에 위치한 균등조에 측정조가 설치된다. 즉 2개의 무산소 1, 2조에 외부탄소원 주입량을 제어하기 위해, 무산소 1조의 전단계에 균등조를 설치하고 유입수, 내부반송수 및 외부반송수가 균등조를 통과한 뒤 무산소 1조에 유입되게 하며, 균등조에서는 일정한 유량을 측정부로 유입시킨 후 측정조의 질소이온농도를 측정하여 외부탄소원 주입량 제어에 반영한다.
상기 균등조는 무산소 1, 2조의 외부탄소원 주입량을 제어하기 위해, 무산소 1조의 전단에 균등조를 설치되고 유입수, 내부반송수 및 외부반송수가 유입되도록 한다.
그리고 상기 1) b) 바덴포(Bardenpho) 공정에 적용시킨 외부탄소원 주입제어 시스템은 측정조가 무산소 2조의 전단계에 위치한 질산화 1조 및 침전조에 각각 설
치되는 외부탄소원 주입제어 시스템을 적용시킨 예로서, 호기 1조의 질소이온농도를 측정, 이에 비례하여 무산소 2조에 주입하는 외부탄소원 주입량 제어에 반영한다.
그리고 상기 1) b) 외부탄소원 주입제어 시스템은 무산소 1조에서는 오염수에 존재하는 유기물에 의한 탈질만이 일어나도록 하고, 무산소 2조에서는 호기 1조 의 질소이온농도를 측정하여 필요한 외부탄소원을 주입할 수 있도록 외부탄소원 주입제어 시스템을 적용시킨 예로서, 특히 이때에는 무산소 2조 전단에 별도의 균등조를 필요로 하지 않는 것이 특징이다.
또한, 상기 2) MLE 공정에 적용시킨 외부탄소원 주입제어 시스템은 1개의 무산소조와 2개의 호기조로 이루어진 하수고도처리공정에서, 측정조가 균등조 및 침전조에 각각 설치되는 외부탄소원 주입제어 시스템을 적용시킨 예로서, 균등조의 질소이온농도를 측정, 이에 비례하여 무산소조에 주입하는 외부탄소원 주입량의 제어에 반영한다.
또한 본 발명에 따른 상기 1) a), 1) b) 및 2)의 외부탄소원 주입제어 시스템은 모두 하수고도처리공정에서 유입된 하·폐수를 처리한 다음 최종 방류되는 유출수의 질소이온농도를 측정하기 위해 침전조에도 측정조가 설치된다.
따라서, 하수고도처리공정의 무산소조에 유입되는 유입수의 질소이온농도 뿐만 아니라, 외부탄소원 제어에 따른 유출수 내의 질소이온농도의 연속측정이 가능하여 유출수질을 실시간으로 모니터링할 수 있으며 공정변화에 신속한 대처가 가능하게 한 것이 특징이다.
그리고 상기 외부탄소원은 메탄올, 아세테이트 또는 에탄올과 같은 유기화합 물과 황함유 폐가성소다액의 산업폐수 등 무산소조에서 일어나는 탈질반응에 전자공여체로 작용할 수 있는 화합물이 모두 적용되어 질 수 있다.
본 발명에서 명세서의 기재 내용 중 '무산소조'에서 탈질반응이 되므로 '탈질조'라고도 하며, '호기조'에서 질산화반응이 되므로 '질산화조'라고도 한다, 또한 특허 명세서 내용의 문맥 흐름상 '질산성 질소 농도'와 '질소이온농도'가 혼용되어 사용되더라도 양 용어는 동일한 의미를 갖는 용어로 사용되고 있는 것으로 이해하면 될 것이다.
이하 본 발명의 구성을 상기 두 공정별로 구분하여 첨부된 도면을 중심으로 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 하수고도처리 공정은 실험실규모의 MLE(modified ludzack-ettinger)공정과 바덴포(Bardenpho, BARnard DENitrification PHOsphate) 공정에 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원의 주입제어 시스템을 적용시킨 것이다.
그리고, 도 1a 및 도 1b는 하수고도처리 공정 중 하나인 바덴포(Bardenpho) 공정에 본 발명에 따른 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템을 적용시킨 예시도로서, 도 1a는 무산소 1조 및 2조에 외부탄소원 주입제어 를 실시하기 위한 공정의 예시도에 관한 것이고, 도 1b는 무산소 2조에 주입되는 외부탄소원의 제어를 위한 공정의 예시도에 관한 것이다.
상기 도 1a 및 도 1b에 도시된 바덴포(Bardenpho) 하수처리공정은 2개의 탈질조(무산소조)와 2개의 질산화조(호기조)로 각각 구성되어 있으며, 질소이온농도 연속농도 측정장치의 측정부가 구비된 측정조는 무산소조(탈질조) 전단 앞에 설치하여 질산성 질소의 연속농도측정에 따라 외부탄소원의 주입량을 제어하였으며, 외부탄소원의 주입에 따른 유출수내 질산성 질소의 농도 변화를 살펴보기 위해 연속측정장치를 설치하였다.
본 발명에서, 도 1a에 도시된 바덴포(Bardenpho) 하수고도처리 공정은 상기 a) 외부탄소원 주입제어 시스템을 적용시킨 예로서, 무산소조(3, 5)와 호기조(4, 6) 및 침전조(7)로 이루어지는 하수고도처리공정에 있어서, 상기 하수고도처리공정은 무산소 1조 및 2조(3, 5)에 외부탄소원을 주입하기 위해 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템을 적용한 것이다. 질소이온농도 연속측정장치는 무산소 1조(3)의 전단에 위치한 균등조(2)에 유입되는 유입 하수(1)의 질산성 질소의 농도를 측정하기 위한 측정조(9)가 설치되고, 즉 무산소 1조(3)에 외부탄소원의 주입량을 제어하기 위해, 무산소 1조(3)의 전단에 균등조(2)를 설치하고 유입하수(1), 내부반송수(14) 및 외부반송수(15)가 균등조(2)를 통과한 뒤 무산소 1조(3)에 유입되게 하며, 균등조(2)에서는 일정한 유량을 측정조(9)로 유입시킨 후 측정조(9)의 질소이온농도를 측정하여 외부탄소원 주입량 제어에 반영한다.
그리고 무산소 2조(5)의 외부탄소원 주입량을 제어하기 위해 무산소 2조(5) 전단계에 위치한 호기 1조(4)에 질산성 질소의 농도를 측정하기 위한 측정조(9)를 설치하고, 측정된 질소이온농도를 외부탄소원 주입량 제어에 반영한다.
또한 본 발명에 따른 외부탄소원 주입제어 시스템은 하수고도처리공정에서 유입된 하·폐수를 처리한 다음 최종 방류되는 유출수(8)의 질소이온농도를 측정하기 위해 침전조(7)에도 측정조(9)가 설치된다.
따라서, 하수고도처리공정의 무산소조에 유입되는 유입수의 질소이온농도뿐만 아니라, 외부탄소원 제어에 따른 유출수 내의 질소이온농도의 연속측정이 가능하여 유출수질을 실시간으로 모니터링할 수 있으며 공정변화에 신속한 대처가 가능하게 한 것이 특징이다.
그리고 본 발명에서, 도 1b에 도시된 바덴포(Bardenpho) 하수고도처리 공정은 상기 b) 외부탄소원 주입제어 시스템을 적용시킨 예로서, 무산소조(3, 5)와 호기조(4, 6) 및 침전조(7)로 이루어지는 하수고도처리공정에 있어서, 상기 하수고도처리공정은 무산소 1조에서는 오염수에 존재하는 유기물에 의한 질산성 질소가 탈질되도록 하고 무산소 2조(5)에 외부탄소원을 주입하기 위해 질소이온농도 연속측 정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템을 적용한 것으로서, 도 1a의 공정과 동일한 공정을 채택하지만 도 1a와는 달리 무산소 1조(3)의 전단에 별도의 균등조(2)를 설치하지 않고, 무산소 2조(5) 전단에 위치한 호기 1조(4)와 침전조(7)에 측정조(9)를 각각 설치하여 호기 1조 후단에 위치한 무산소 2조의 외부탄소원 주입제어에도 적용 가능하도록 하였다.
그리고, 도 2는 하수고도처리 공정의 하나인 MLE 공정에 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템을 적용시킨 예시도를 나타낸 도면에 관한 것이다.
상기 도 1a 및 도 1b에 도시된 바덴포(Bardenpho) 하수처리공정은 2개의 무산소조(무산소조)와 2개의 질산화조(호기조)로 각각 구성되어 있으며, 질소이온농도 연속농도 측정장치의 측정부가 구비된 측정조는 무산소조(탈질조) 전단 앞에 설치하여 질산성 질소의 연속농도측정에 따라 외부탄소원의 주입량을 제어하였으며, 외부탄소원의 주입에 따른 유출수내 질산성 질소의 농도 변화를 살펴보기 위해 연속측정장치를 설치하였다.
상기 도 2에 도시된 MLE 하수처리공정은 탈질조(무산소조)와 2개의 질산화조(호기조)로 구성되어 있으며, 무산소조에서는 호기조에서 질산화된 질산성 질소 이온을 질소 가스로 환원시키는 역할을 한다.
본 발명에서, 도 2에 도시된 MLE 하수처리공정은 무산소조(3)와 호기조(4, 6) 및 침전조(7)로 이루어지는 하수고도처리공정에 있어서, 상기 하수고도처리공정은 무산소조(3)에 외부탄소원을 주입하기 위해 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템을 적용한 것으로서, 호기 1조(4) 및 호기 2조(6)에서는 암모니아성 질소의 질산성 질소로의 산화뿐만 아니라 유기물을 산화시키는 역할을 한다. 무산소조(3)와 호기 2조(6)는 질산성 질소의 순환을 위해 내부반송에 의해 서로 연결되며, 호기 2조(6)와 침전조(7)의 오염수는 각각 내부 및 외부 반송에 의해 무산소 1조로 유입되며 이는 슬러지 유지를 목적으로 한다.
본 발명에 따른 상기 도 1a, 도 1b 및 도 2의 외부탄소원 주입제어 시스템은 질소이온농도 연속측정장치의 측정부(A)에 의해 질산성 질소 농도를 측정한 미세전위가 전위계부(B)에서 증폭된 다음 컴퓨터의 데이터 처리부(C)로 전달되어, 제어변수 COD/N비의 설정값에 맞게 출력치가 변경되며, 변경된 출력치는 디지털 펌프로 전달되어 외부탄소원 저장탱크에 있는 외부탄소원을 탈질조(무산소조)로 주입하게 된다.
본 발명에 따른 상기의 설명에서 본 발명을 이해하는데 필요한 부분만을 설명하였으며, 그 이외 부분의 내부반송수(14), 외부반송수(15)의 흐름 과정 및 산기관(17) 등의 배관 배열 등에 대한 구조는 첨부된 도면에 상세히 도시되어 있으므로 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략하였다.
그리고, 도 3은 상기의 질소이온농도 연속측정장치의 구성을 나타낸 도면에 관한 것으로, 본 발명자들이 이미 개발하여 특허출원한바 있는 대한민국 특허출원 제10-2007-0128306호(2007. 12. 11 출원)의 오염수중의 질소이온농도 연속 측정 시스템에 적용시킨 질소이온농도 연속측정장치의 구성과 동일한 구성으로, 오염수 중의 질소이온농도를 연속적으로 측정하기 위한 측정부(A), 측정센서에서 발생하는 미세 전위를 증폭하는 전위계부(B), 전위계에서 발생하는 디지털 신호를 저장하는 데이터처리부(C)를 구비한다.
본 발명을 실시하기 위한 전체적인 공정은 측정부(A), 전위계부(B) 및 데이터 처리부(C)로 구성되며, 각 구성 별 특징은 다음과 같다.
본 발명에서 측정부(A)는 도 4에 도시된 바와 같이 오염수 중의 질소이온 농도를 연속적으로 측정하기 위하여 측정센서가 내장된 측정수조(110)와 외부 정전계에 의한 노이즈를 차단하기 위한 측정조 외부에 설치된 패러데이 용기(Faraday cage) (120) 및 진동에 의한 노이즈를 방지하기 위해 패러데이 용기(Faraday cage) 하부를 지지하기 위한 무진동테이블(130)로 구성되어진다.
상기, 도 4의 측정수조(110)는 도 1a, 도 1b 및 도 2에 도시된 측정조(9)와 동일한 것으로서, 명세서 설명의 편의상 여기서는 '측정수조(110)'라 한다.
또한 본 발명에서 측정센서는 오염수 중의 질소이온 농도를 연속적으로 측정하기 위하여 암모니아성 질소 측정용 미소 이온센서(400a)와 질산성 질소 측정용 미소 이온센서(400b) 및 비교 센서(500)로 구성되어지며, 암모니아성 질소 및 질산성 질소 측정용 미소 이온센서(400a, 400b)는 측정수조 내의 시료의 암모니아성 질소 및 질산성 질소를 측정하기 위한 이온센서이며, 비교 센서(500)는 측정조 내 기준전위를 측정하기 위한 센서이다.
상기의 구성을 갖는 오염수 중의 질소이온농도 연속 측정시스템 중 전위계부(B)는 본 출원인이 특허등록한 바 있는 대한민국 특허 제10-0823117호(2008. 04. 11 등록)의 이온 선택성 미소전극의 전위 측정 장치에서와 같이 이온 선택성 미소전극 및 기준전극을 통해 검출된 매우 낮은 전기 신호를 증폭하기 위한 제 1차 증폭부와, 다시 반전 증폭시키는 제 2차 증폭부와, 상기 제 1차 증폭부 및 제 2차 증폭부에서 발생된 증폭된 신호의 노이즈를 제거하여 원하는 신호만을 걸러내는 저역통과필터와, 아날로그 신호를 디지털 신호로 전환시키는 A/D 컨버터를 거쳐 출력 신호를 측정하는 것으로, 이온 농도 측정에 사용되는 이온 선택성 미소전극의 출력 신호를 신속하고 정확하게 처리할 수 있게 한다.
본 발명에서는 미소 이온센서의 교체에 따른 교정 오차를 최소화하기 위해 각 부위에 대해 규격화하였다. 즉, 암모니아성 질소의 이온센서의 경우 전해질은 0.05 M KCl 용액을 사용하였으며, 질산성 질소의 이온센서의 경우 전해질은 0.05 M KCl 과 0.05 M KNO3 용액을 사용하였다. 그리고 일반적인 미소 이온센서의 직경이 1~5㎛인데 반해 본 발명에서는 암모니아성 질소 및 질산성 질소 측정용 미소 이온센서의 팁 직경이 5~10㎛로 하여 응답시간을 단축하여 공정내 오염수의 질소이온 농도변화를 신속하게 측정 가능하도록 한 것이 특징이다.
또한 본 발명에서 측정수조(110)는 공정 중의 오염수의 용존산소(Dossolved Oxygen, DO) 농도에 영향을 받지 않도록 체류시간을 30 ~ 45 초로 조정되도록 유입펌프의 유입유량을 결정하는 것이 바람직하다. 오염수의 체류시간이 상기에서 한정한 시간 이내일 경우에는 오염수에 함유되어있는 질소이온의 농도 변화를 감지하기 어려우며, 오염수의 체류시간이 상기에서 한정한 시간보다 길 경우에는 측정조에서 질산화 및 탈질 반응이 일어날 수 있기 때문에 공정 중의 오염수에 함유되어있는 질소이온농도를 반영하지 못할 우려가 있다.
그리고 본 발명에서 패러데이 용기(Faraday cage)(120)는 외부 정전계의 전자기파의 교란에 의한 노이즈를 차단하기 위해 측정수조(110) 외부에 설치되고, 또한 패러데이 용기(Faraday cage)(120) 하부를 지지하는 무진동테이블(130)은 진동에 의한 노이즈의 발생을 차단시켜 초기 지체시간으로 인한 비연속 측정기간을 없 애고 측정오차를 감소시킬 수 있도록 하였다.
그리고 본 발명에서 전위계부(B)는 본 출원인이 특허출원한바 있는 대한민국 특허출원 제10-2006-0080002호(2006. 8. 23 출원)의 이온선택성 미소전극의 전위 측정 장치에서와 같이 이온선택성 미소전극 및 전극의 통해 검출된 매우 낮은 신호를 증폭하기 위한 제1차 증폭부와, 전압 플로워, 제2차 증폭부, 전압 플로워 및 증폭부에서 증폭된 신호의 노이즈를 제거하여 원하는 신호만을 걸러내는 저역 통과 필터와 멀티 플렉스와 증폭부에서 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터를 거쳐 미소 이온센서로부터 발생하는 매우 낮은 전기신호를 노이즈를 제거하여 증폭시키는 역할을 수행한다.
그리고 데이터 처리부(C)에서는 본 측정 데이터를 저장 및 출력하는 역할을 수행하고 이후 제어를 위한 역할을 가능하게 한다.
따라서 본 발명은 오염수 중의 질소이온의 농도를 연속적으로 측정하기 위해 측정부, 전위계부 및 데이터 처리부로 구성된 오염수 내 질소이온의 연속 측정 시스템에 관한 발명으로 외부환경에 따른 노이즈를 최소화 하기 위해 무진동테이블과 패러데이 용기(Faraday cage)를 가진 측정조에서 질소이온의 연속측정이 가능하도록 고안된 장치에 관한 것이 특징이다. 또한 본 발명을 통하여 미소 이온센서의 즉각적인 교체를 통해 정확도가 높은 질소이온의 농도가 측정 가능하며, 실링 처리를 통해 유효측정기간이 7일 이상을 가지도록 한 것이 특징이다.
한편, 본 발명에 따른 제어 시스템을 이용한 제어 방법은 측정수조(110)로 유입되는 질산성 질소의 농도를 측정한 값은 데이터 처리부(C)의 PID 제어기로 전달되고, COD/N ratio 설정값에 따라 펌프 출력치가 변경되고 변경된 출력치는 디지털 펌프로 전달되어, 외부탄소원 저장탱크(10)에 있는 외부탄소원을 무산소조에 주입하게 된다. 측정된 질산성 질소의 농도를 기준으로 COD/N ratio 설정값의 크기에 따라 디지털 펌프의 회전속도(rpm)가 조절된다.
PID 제어는 proportional(비례), integral(적분), differential(미분)의 3가지 조합으로 제어하는 것으로, 유연한 제어가 가능하다는 특징을 가지며 시스템의 조절변수의 제어를 위한 PID 제어기의 수식은 다음과 같다.
상기에서, C(t)는 출력값이며, Kc는 비례이득이고, tI는 적분시간상수로 통상 1회 반복하는데 걸리는 시간이다.
PID 제어의 gain 중 Kc값이 클수록 시스템의 응답이 빠르게 되나, 오버슈트 가 증가하여 진동폭이 커지고 따라서 시스템이 불안정하고, tI는 오프셋을 제거하나 진동폭을 크게 하여 시스템이 불안정하게 되기 때문에 Kc값을 1로 설정하였다.
끝으로, 상기와 같은 구성을 가지는 실험실 규모의 하수고도처리 공정에 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 제어 시스템을 적용하여 성능을 평가하였다.
이하 본 발명의 구성을 아래의 실시예를 통해 상세히 설명하면 다음과 같다.
실시예 1 : 합성하수를 적용한 lab - scale MLE 공정의 운전 및 외부탄소원 주입제어
본 발명에 의한 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원의 주입제어 시스템의 성능을 평가하기 위하여 부산 수영하수처리장 유입수의 특성에 근거한 합성하수를 조제하여 실험실 규모의 반응기에 적용하여 실험을 실시하였다.
질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템을 적용한 하수처리공정은 무산소 1조(탈질조), 호기 1a조(질산화조), 호기 1b조(질산화조)로 구성된 MLE공정이다. 각 반응조의 유효용적은 6 L이며, 질산성 질소 및 슬러지 순환을 위해 내부반송 및 외부반송을 각각 유입수 대비 100%(v/v)와 100%(v/v)로 유 지하였다.
1 g의 NO3 --N의 생물학적 탈질을 위해서 이론적으로 무산소조에 공급되어야 하는 메탄올은 약 3.7 g으로 알려져 있다. 이에 본 실시예에서는 유입수의 NH4 +-N 계산값에 근거하여 탈질에 부족한 메탄올을 주입한 경우와 본 발명의 구성을 공정에 적용하여 유입 메탄올을 제어한 경우를 비교하여 유출수질을 평가하고 메탄올 주입량을 산정하였다. 이때 조절된 COD/N 비는 아래 [표 1]의 내용과 같으며 [표 1]에 나타난 COD/N 비는 유입수 내의 유기물을 고려하지 않은 수치이며, 유입수 내 COD/N 비는 2로 가정하였다. 본 실시예에서 사용한 합성하수의 COD/N비는 1.63~2.72의 범위를 나타냈다.
아래 [표 1]의 내용과 같이 A 조건에서는 메탄올을 주입하지 않았고 B, C, D 조건에서는 유입수 내 NH4 +-N의 농도를 기준으로 COD/N 비가 각각 1.5, 2.0, 2.5가 되도록 메탄올을 주입하였다. E와 F 조건에서는 본 발명에 따른 시스템을 적용, 무산소조에 유입되는 COD/N 비를 각각 1.5, 2.0로 고정하여 메탄올을 주입하였다. 메탄올은 약 10,000 mg/L로 조제하여 외부탄소원 저장탱크로부터 무산소조로 주입되었다.
구 분 A B C D E F
COD/N ratio -a) 1.5 2.0 2.5 1.5 2.0
Methanol supply Constant Control
a) no methanol injection.
합성하수를 적용한 lab-scale MLE공정의 질산화 효율은 약 98% 이상으로써 유입되는 NH4 +-N의 대부분은 호기조에서 NO3 --N로 전환되었다. 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템의 유출수 평균 NO3 --N 농도는 도 7에 나타낸 것과 같이 A, B, C, D, E 그리고 F 조건에서 각각 21.6 mg/L, 11.9 mg/L, 6.6 mg/L, 6.1 mg/L, 9.1 mg/L 그리고 3.1 mg/L였다. 본 발명에 따른 제어시스템의 적용 시 정량주입시보다 유출수의 수질이 안정하게 나타났으며 최적의 조건에서 본 제어시스템의 주입 시 유출수 평균 TN 농도는 3.1 mg/L로 높은 TN 제거효율을 나타냈다.
특히 COD/N 비 2.0 기준으로 각각 펌프를 이용하여 주입하였을 때와 본 발명에 따른 외부탄소원 제어시스템을 적용하였을 때, 유출수의 평균 TN 농도는 7.0, 3.2 mg/L으로, 정량주입보다 제어시스템을 적용한 결과 유출수질의 향상은 물론 메탄올 주입량이 약 19.8% 감소하여 효과적인 외부탄소원 주입제어 및 메탄올 비용절감의 효과를 낼 수 있을 것으로 판단된다. 도 5와 6은 각각 COD/N 비 2.0을 기준으로 정량주입하였을 때와 본 발명시스템을 적용하였을 때의 유출수의 NO3 --N 농도를 나타낸다.
구 분 Controlled COD/N ratio TN concentration of effluent (mg/L) Methanol dosage
(L/d) (g/d)
Constant supply of methanol 2.0 7.0 0.486 384
Methanol supply control 2.0 3.2 0.390 308
실시예2 : RO(Reverse Osmosis) 공정에서 발생한 고농도 질소함유 폐수를 적용한 lab-scale 바덴포(Bardenpho) 공정의 운전 및 외부탄소원 주입제어
Lab-scale 바덴포(Bardenpho) 공정에 적용한 RO 폐수는 Reverse Osmosis 공정에서 발생하는 고농도 질소함유 폐수로서 TN이 약 170 mg/L 함유되어 있으며 NH4 +-N:NO3 --N는 약 1:3으로 나타났다.
질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템을 적용한 lab-scale의 바덴포(Bardenpho) 공정은 무산소 1조(탈질조), 호기 1조(질산화조), 무산소 2조(탈질조), 호기 2조(질산화조)로 구성되어 있으며 반응조의 유효용적은 각각 5.3 L이다. 질산성 질소 및 슬러지 순환을 위해 내부반송 및 외부반송을 각각 유입수 대비 100%(v/v)와 100%(v/v)로 유지하였으며, HRT는 하수의 적용시보다 높은 20 hr로 유지해주었다.
본 발명에서 사용한 합성 RO 폐수는 실제 RO 공정에서 발생하는 폐수의 조성을 근거로 조제하였으며 제조한 합성하수의 COD/N 비는 1.81~2.18의 범위를 나타내었다. 실시예 2에서도 역시 TN 계산값에 근거하여 메탄올을 일정하게 주입한 경우와 본 발명의 구성을 공정에 적용하여 유입 메탄올양을 제어한 경우를 비교하여 유출수질을 평가하고 메탄올 주입량을 산정하였다. 이 때 조절된 COD/N 비는 아래 [표 3]의 내용과 같으며 [표 3]에 나타난 COD/N 비는 유입수 내의 유기물을 고려하지 않은 수치이며, 유입수 내 COD/N 비는 2로 가정하였다.
도 8은 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템의 유출수 NO3 --N 평균농도를 나타낸 것으로, 별도의 외부탄소원을 공급해주지 않았던 A 조건에서 유출수의 NO3 --N 농도는 평균 85.2 mg/L로 나타났으며, 유출수의 NO2 --N 농도 또한 34.6 mg/L로 높게 나타났다. 메탄올의 COD/N 비를 각각 2와 2.5로 설정하여 정량주입한 B, C 조건에서 유출수의 NO3 --N 농도는 각각 19.5 mg/L와 14.7 mg/L로 나타났으며 A 조건과는 달리 유출수 내 NO2 --N도 거의 검출되지 않았다. COD/N 비를 각각 2와 2.5로 유지하고 본 발명에 따른 시스템을 적용한 D와 E 조건에서 유출수의 NO3 --N 평균 농도는 각각 8.2 mg/L와 6.3 mg/L였다. 실시예 2에서 최적 COD/N 비는 2.5로 판단되었으며, 본 시스템 적용에 따른 메탄올의 자동주입으로 유입수의 질소가 최대 96.1% 제거되었다.
A B C D E
COD/N ratio -a) 2 2.5 2 2.5
Methanol supply constant supply methanol supply control
a) no methanol injection.
실시예 3 : 산업폐수를 적용한 pilot - scale 바덴포 ( Bardenpho ) 공정의 운전 및 외부탄소원 주입제어
본 실시예에서 외부탄소원으로 적용한 산업폐수는 석유정제공정에서 발생하는 황함유 폐가성소다액으로써, 대한민국 특허등록 출원 제 10-2008-0066043호(2008.7.8)는 황함유 폐가성소다액을 호기조 및 무산소조로 이루어진 하수처리 공정에 주입, 독립영양탈질을 이루게 하여 질소화합물의 제거효율을 높이고, 석유화학공장 액상 폐기물을 처리하고자 하였다. 이에 본 출원인은 대한민국 특허등록 출원 제 10-2008-0066043호, '황함유 폐가성소다액을 적용한 하수고도처리 시스템'에 본 발명의 구성을 도입하여 적용가능성을 평가하고자 하였다.
본 발명에 의한 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원의 주입제어 시스템의 성능을 평가하기 위하여 부산 수영하수처리장 내 설치된 pilot-scale 바덴포(Bardenpho) 공정에 1차침전조 유출수를 주입하여 실험을 실시하였다.
질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템을 적용한 바덴포(Bardenpho) 공정은 무산소 1조(탈질조), 호기 1a조(질산화조), 호기 1b조(질산화조), 무산소 2조(탈질조), 호기 2조로 구성되었다. 각 반응조의 유효용적은 0.59 m3이며, 질산성 질소 및 슬러지 순환을 위해 내부반송 및 외부반송을 각각 유입수 대비 100%(v/v)와 50%(v/v)로 유지하였다.
이론적으로 황이용 독립영양탈질을 위한 S/N 비는 2.5로 알려져 있다. 바덴포(Bardenpho) 공정의 무산소 1조에는 이론적 요구량에 해당하는 황함유 폐가성소다액을 정량폄프를 이용하여 주입하고, 무산소 2조에는 본 발명에 의한 외부탄소원 주입량 제어를 통해 황함유 폐가성소다액을 주입함으로써 제어하지 않은 경우와 유출수질 및 주입량을 비교, 평가하였다. 결과는 아래 [표 4]의 내용과 같다.
S/N ratio TN concentration of effluent (mg/L) SSC dosage (L/d)
SSC supply 2.5 5.8 46.0
SSC supply control 2.5 3.4 28.3
본 발명의 적용결과 유출수의 TN 농도가 5.8 mg/L에서 3.4 mg/L로 감소하였고 SSC 주입량 역시 적용전과 비교 38.5% 감소하였다. 특히 실하수를 사용한 실시예 3에서는 실시예 1과 비교했을 때 더 큰 외부탄소원 절감효과를 보였으며 도 9와 같이 안정한 유출수 수질을 나타내었다.
배경기술에서 언급한 바와 같이 황함유 폐가성소다액은 고농도의 황화합물과 높은 COD 그리고 미량 유해물질 등을 함유하고 있고 이들의 화학반응으로 인해 탈질반응 시 측정되는 ORP(-160 mV ~ -140 mV)가 일반적인 탈질반응 시 나타나는 ORP 값(-120 mV~ -100 mV)보다 낮은 경향을 나타내었다. 따라서 ORP값에 영향을 줄 수 있는 조성을 가진 산업폐수의 적용 시 ORP 값에 의한 주입제어는 공정의 상태를 정확히 반영하지 못한다는 점에서 한계가 있다.
반면 본 발명에 의한 주입제어 시스템은 유입수의 농도변화에 따라 무산소조 유입 NO3 --N의 변화를 실시간으로 측정하여 제어에 반영함으로써 요구되는 만큼의 외부탄소원이 시간의 흐름에 따라 정확하게 주입될 수 있다. 실시예 3을 통해 특히 유입수 및 공정환경의 변화가 큰 하·폐수의 처리 시 본 시스템의 적용이 매우 효과적임을 알 수 있었다.
본 발명의 구성은 실시예에서 살펴본 바와 같이 하수 뿐만 아니라 고농도 질소함유 폐수, 산업폐수 등의 질소제거공정에 변형하여 적용가능하며 실시예를 통해 본 발명의 우수성은 입증되었다.
특히 본 시스템은 무산소조로 유입되는 NO3 --N의 농도를 실시간으로 측정하여 이에 따른 외부탄소원 주입량을 제어하는 것으로써, 종래에 외부탄소원 주입제어시 주로 사용되던 ORP에 의한 제어보다 정확한 용량의 외부탄소원을 주입가능하게 하고 따라서 외부탄소원 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 많은 인자의 영향을 받는 ORP보다 정확한 제어인자를 제공할 수 있다.
상기에서와 같이 본 발명에 따른 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템의 우수성에 대해서는 상기의 실시예에 의해 입증되었지만 본 발명의 구성이 상기의 실시예에 의해서만 반드시 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 바덴포(Bardenpho) 공정과 MLE 공정과 같은 고도하수처리공정에 여러 가지 치환 및 변형시켜 적용하는 것이 가능하다.
도 1a는 일반적인 하수고도처리 공정 중 하나인 바덴포(Bardenpho) 공정의 무산소 1조 및 무산소 2조에 외부탄소원 주입제어를 실시하기 위해 본 발명에 따른 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템을 적용시킨 예시도를 나타낸 도면;
도 1b는 일반적인 하수고도처리 공정 중 하나인 바덴포(Bardenpho) 공정의 무산소 2조에 주입되는 외부탄소원 주입제어를 위해 본 발명에 따른 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템을 적용시킨 예시도를 나타낸 도면;
도 2는 일반적인 하수고도처리 공정 중 하나인 MLE 공정에 본 발명에 따른 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템을 적용시킨 예시도를 나타낸 도면;
도 3은 본 발명에 따른 질소이온농도 연속측정장치의 구성을 나타낸 도면;
도 4는 본 발명에 따른 질소이온농도 연속측정장치 중 측정부의 구성을 나타낸 도면;
도 5는 본 발명에 따른 lab-scale MLE 공정에서 메탄올을 COD/N 비 2.0으로 정량주입하였을 때의 무산소조 유입수 및 유출수 NO3 --N 농도를 나타낸 도면;
도 6은 본 발명에 따른 lab-scale MLE 공정에서 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원의 주입제어 시스템을 이용하여 COD/N 비 2.0을 기준으로 메 탄올 주입제어를 실시하였을 때 무산소조 유입수 및 유출수 NO3 --N 농도를 나타낸 도면;
도 7은 본 발명 구성의 성능을 평가하기 위한 lab-scale MLE 공정의 운전 및 외부탄소원 주입제어 결과에 따른 각 조건의 유출수 NO3 --N 농도를 나타낸 도면;
도 8은 본 발명에 따라 고농도 질소함유 폐수를 적용한 lab-scale 바덴포(Bardenpho) 공정에 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템을 도입하였을 때 유출수의 NO3 --N 농도를 나타낸 도면;
도 9는 본 발명에 따른 pilot-scale 바덴포(Bardenpho) 공정의 무산소조에 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원의 주입제어 시스템을 이용한 황함유 폐가성소다액의 주입제어 결과에 따른 유출수의 NO3 --N 농도를 나타낸 도면에 관한 것이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
A : 측정부 B : 전위계부
C : 데이터 처리부 1 : 유입하수
2 : 균등조 3 : 무산소 1조(탈질 1조),
4 : 호기 1조(질산화 1조) 5 : 무산소 2조(탈질 2조)
6 : 호기 2조(질산화 2조) 7 : 침전조
8 : 유출수 9 : 측정조
10 : 외부탄소원 저장 탱크 13 : 교반기
14 : 내부반송수 15 : 외부반송수
16 : 폐기슬러지 17 : 산기관
110 : 측정수조 120 : 패러데이 용기
130 : 무진동테이블 400a : 암모니아성 질소 측정용 센서
400b : 질산성 질소 측정용 센서 500 : 비교 센서

Claims (8)

  1. 무산소조와 호기조 및 침전조로 이루어지는 하수고도처리공정에 있어서,
    상기 무산소조에 외부탄소원을 주입하기 위해 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템을 적용한 것을 특징으로 하는 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 질소이온농도 연속측정장치는 오염수 중의 질소이온농도를 연속적으로 측정하기 위한 측정부(A), 측정센서에서 발생하는 미세 전위를 증폭하는 전위계부(B), 전위계에서 발생하는 디지털 신호를 저장하는 데이터처리부(C)를 구비하는 것을 특징으로 하는 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 하수고도처리공정은 바덴포(Bardenpho) 공정인 것을 특징으로 하는 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 바덴포(Bardenpho) 공정은 측정조가 무산소 1조 전단계에 위치한 균등조, 호기 1조 및 침전조에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 바덴포(Bardenpho) 공정은 측정조가 무산소 2조 전단계에 위치한 호기 1조 및 침전조에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 하수고도처리공정은 MLE 공정인 것을 특징으로 하는 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 MLE 공정은 측정조가 균등조 및 침전조에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 외부탄소원은 메탄올, 아세테이트 또는 에탄올과 같은 유기화합물과 황함유 폐가성소다액의 산업폐수 등 무산소조에서 일어나는 탈질반응에 전자공여체로 작용할 수 있는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 질소이온농도 연속측정장치를 이용한 외부탄소원 주입제어 시스템.
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