KR20130041598A - 용존 산소 농도 조절장치를 구비한 폐수 처리 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐수 처리 공정에 따라 생물학적 반응조 내부의 용존 산소 농도를 적절하게 조절할 수 있는 용존 산소 농도 조절장치를 구비한 폐수 처리 시스템을 개시한다. 개시된 본 발명은 폐수 유입구 및 폐수 유출구를 구비하여 폐수를 저류하며, 내부에 미생물을 포함하여 폐수에 함유된 오염물을 분해하는 생물학적 반응조; 상기 생물학적 반응조에 저류된 폐수를 외부적으로 순환시키기 위한 순환유닛; 및 상기 순환유닛을 순환하는 폐수에 공기를 공급하여 산소가 용해된 폐수를 상기 생물학적 반응조에 유입시킴으로써 반응조 내부의 용존 산소 농도를 조절하는 용존산소농도 조절장치;를 포함한다. 상기 순환유닛은, 상기 생물학적 반응조의 폐수 유입구와 폐수 유출구로부터 분기되어 연결된 순환라인; 및 상기 순환라인의 도중에 설치된 순환펌프;를 포함하며, 상기 용존산소농도 조절장치는, 상기 순환라인의 상기 순환펌프 전단에 설치되어 순환라인을 순환하는 폐수를 임시 저류하는 사이드 스트림 챔버; 상기 사이드 스트림 챔버에 공기를 주입하여 산소를 용해시킴으로써 기포없는 용존 산소를 포함하는 폐수가 상기 생물학적 반응조에 공급되도록 하는 공기공급기; 및 상기 공기공급기에 의해 공급되는 공기량을 조절하기 위한 유량계;를 포함하여, 폐수의 순환률과 공기 공급률을 제어하여 반응조 내부의 용존산소농도를 조절한다.

Description

용존 산소 농도 조절장치를 구비한 폐수 처리 시스템 및 방법{WASTE WATER TREATMENT SYSTEM AND METHOD HAVING DISSOLVED OXYGEN LEVEL CONTROLLING APPARATUS}

본 발명은 오폐수 처리 시스템에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 폐수를 미생물에 의하여 분해할 때 필요한 반응조 내의 용존 산소 농도(DO)을 적절하게 조절할 수 있는 용존 산소 농도 조절장치를 구비한 폐수 처리 시스템 및 방법에 관한 것이다.

각종 생활 하수나 축산 폐수 또는 공장 폐수를 처리함에 있어서는, 스크리닝, 침전, 부상 및 여과 등의 물리적 처리방법과, 중화, 산화환원, 응집 및 흡착 등의 화학적 처리방법, 그리고 미생물의 대사 작용에 의하여 오염물질을 제거하는 생물학적 처리방법이 종합적으로 이용된다.

전형적인 폐수 처리 시스템은 1차 침전지-호기조-2차 침전지를 마련하고, 1차 침전지에서 펌프 동작에 영향을 주는 토사나 그 밖의 침전이 가능한 부유물을 침전시켜 제거한 후, 호기조에서 미생물들이 폐수 내의 유기물을 먹이로 하여 호흡과 성장을 통해 분해 또는 흡착하도록 한 후, 이 과정에서 유지, 증가된 활성 슬러지를 2차 침전지에서 비중차에 의해 침전시켜 고액분리하는 구조로 되어 있다.

상기와 같은 호기성 폐수 처리 시스템에서 호기성 미생물은 수중의 용존 산소로 호흡하기 때문에, 호기조에 산소를 공급하기 위한 공기공급장치를 구비한다. 이러한 공기공급장치에 의해 공급되는 공기 중의 산소가 폐수에 용해됨으로써 호기성 미생물들이 사멸하지 않고 오염물질을 분해하게 된다.

한편, 상기 호기조 내의 용존 산소 농도는 공정에 따라 적절하게 조절될 필요가 있다. 예를 들어 폐수의 유기물을 분해하는 경우에는 용존 산소 농도를 수 내지 수 십 mg/L 이상의 고농도로 유지시켜야 한다. 반면 질소 제거를 위한 아나목스(ANAMMOX) 공정에서는 암모니아성 질소를 아질산염까지만 산화시키는 부분 질산화(partial nitrification)를 위해 용존 산소 농도를 0.1 내지 0.3 mg/L 정도로 낮게 유지시킬 필요가 있다. 또한 생물학적으로 황화 수소를 황으로 회수하는 공정에서는, 용존 산소 농도가 높을 경우 황화수소가 더 많은 산소와 결합하여 황산 이온으로 산화될 수 있으므로 이를 방지하기 위하여 용존 산소 농도를 낮게 조절할 필요가 있다.

그러나, 일반적인 호기성 폐수 처리 시스템은 호기조에 공기공급장치가 연결되어 직접 공기를 주입하기 때문에, 호기조 내부의 용존 산소 농도를 공정에 따라 미세하게 조절하기가 어려워 폐수의 오염물질을 효율적으로 제거하지 못함에 따라 폐수의 정화율이 떨어지는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 폐수 처리 공정에 따라 생물학적 반응조 내부의 용존 산소 농도를 적절하게 조절, 예를 들어 아나목스 공정을 이용한 질산화 처리의 경우 0.1 내지 0.3 mg/L 정도로 낮고 일정하게 조절할 수 있는 용존 산소 농도 조절장치를 구비한 폐수 처리 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 용존 산소 농도 조절장치를 구비한 폐수 처리 시스템은, 폐수 유입구 및 폐수 유출구를 구비하여 폐수를 저류하며, 내부에 미생물을 포함하여 폐수에 함유된 오염물을 분해하는 생물학적 반응조; 상기 생물학적 반응조에 저류된 폐수를 외부적으로 순환시키기 위한 순환유닛; 및 상기 순환유닛을 순환하는 폐수에 공기를 공급하여 산소가 용해된 폐수를 상기 생물학적 반응조에 유입시킴으로써 반응조 내부의 용존 산소 농도를 조절하는 용존산소농도 조절장치;를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 순환유닛은, 상기 생물학적 반응조의 폐수 유입구와 폐수 유출구로부터 분기되어 연결된 순환라인; 및 상기 순환라인의 도중에 설치된 순환펌프;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 용존산소농도 조절장치는, 상기 순환라인의 상기 순환펌프 전단에 설치되어 순환라인을 순환하는 폐수를 임시 저류하는 사이드 스트림 챔버; 상기 사이드 스트림 챔버에 공기를 주입하여 산소를 용해시킴으로써 기포없는 용존 산소를 포함하는 폐수가 상기 생물학적 반응조에 공급되도록 하는 공기공급기; 및 상기 공기공급기에 의해 공급되는 공기량을 조절하기 위한 유량계;를 포함하여, 폐수의 순환률(순환주기 및 순환량)과 공기 공급률을 제어하여 생물학적 반응조 내부의 용존산소농도를 조절할 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 용존산소농도 조절장치는, 상기 사이드 스트림 챔버로 주입되는 공기를 확산시킴으로써 공기 전달률을 높여 용존 산소 농도를 보다 정밀하게 조절하기 위한 공기분산유닛을 더 포함할 수 있다.

상기 공기분산유닛은 공기방울의 크기를 조절할 수 있는 다수의 미세 공극을 갖는 다공관, 멤브레인 또는 세라믹막 등으로 구성될 수 있다.

본 발명의 더욱 바람직한 실시예에 의하면, 상기 생물학적 반응조는 아나목스 반응조를 포함하며, 상기 용존산소농도 조절장치는 상기 아나목스 반응조 내부의 용존 산소 농도를 0.1 내지 0.3 mg/L 범위로 조절할 수 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 용존 산소 농도 조절장치를 구비한 폐수 처리 시스템을 이용한 폐수 처리 방법은, 폐수를 생물학적 반응조에 저류시키고 미생물을 이용하여 폐수 중의 오염물질을 분해하여 유출시키는 단계; 및 상기 생물학적 반응조에 저류된 폐수를 외부적으로 순환시키면서 순환되는 폐수에 공기를 공급하여 산소를 용해시키고 거품없는 용존 산소를 포함하는 폐수를 상기 생물학적 반응조에 유입시킴으로써 반응조 내부의 용존 산소 농도를 조절하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 용존 산소 농도 조절단계는, 상기 폐수의 순환률 및 공기 공급률을 제어하여 생물학적 반응조 내부의 용존 산소 농도를 조절할 수 있다.

본 발명에 의하면, 생물학적 반응조 용존 산소 농도를 처리 공정에 따라 적절하게 조절하여 유지시킬 수 있기 때문에, 예를 들어 아나목스 공정을 이용하여 폐수 중의 질소를 제거하는 부분 질산화 공정에서 적합한 0.1 내지 0.3 mg/L 정도의 용존 산소 농도를 정밀하게 조절하여 유지시킬 수 있기 때문에, 폐수 정화율을 대폭 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 용존 산소 농도 조절장치를 구비한 폐수 처리 시스템의 요부를 발췌하여 나타낸 도면, 그리고,
도 2는 도 1에 나타낸 용존 산소 농도 조절장치를 구비한 폐수 처리 시스템을 이용하여 폐수를 처리하는 과정을 나타낸 플로우챠트이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 실시예들을 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.

또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 용존 산소 농도 조절장치를 구비한 폐수 처리 시스템의 요부를 나타낸 도면으로서, 도면에서 부호 10은 생물학적 반응조, 20은 순환유닛, 그리고, 부호 30은 용존산소농도 조절장치를 지칭한다.

상기 생물학적 반응조(10)는 폐수 유입구(11) 및 폐수 유출구(12)를 구비하며 폐수가 공급되어 일정시간 저류된다. 상기 생물학적 반응조(10)에는 저류된 폐수 중의 유기물, 질소, 황 등과 같은 오염물질을 분해하여 제거하는 미생물이 포함되어 있어, 폐수 중의 오염물질과 화학적 및 생물학적 반응으로 제거하여 정화하고 오염물질이 제거된 유출수는 상기 폐수 유출구(12)로 배출된다.

상기 미생물 중 일부는 수중의 용존 산소로 호흡하기 때문에, 생물학적 반응조에는 적절한 용존 산소가 필요하며, 이러한 반응조 내부의 용존 산소 농도는 처리 공정에 따라 적절한 농도로 유지되어야 한다. 예컨대, 유기물 분해를 위해서는 수 내지 수 십 mg/L의 용존 산소 농도가 필요하지만, 아나목스 공정을 이용하여 질소를 제거하는 부분 질산화 공정(아질산염 생산)에서는 용존 산소 농도를 0.1 내지 0.3 mg/L 정도로 낮게 조절하여 유지시킬 필요가 있다. 만일, 그 이상으로 용존 산소 농도가 유지되면, 아질산염이 질산염으로 산화되어 아나목스 반응이 일어나지 못한다. 또한, 미생물이 황화수소를 황으로 회수하는 공정에서는, 용존 산소 농도가 높을 경우 황화수소가 더 많은 산소와 결합하여 황산 이온으로 산화될 수 있으므로 이를 방지하기 위하여 용존 산소 농도를 낮게 조절할 필요가 있다.

일반적인 폐수 처리 시스템의 경우, 생물학적 반응조에 공기 공급장치를 직접 연결하여 공기를 주입함으로써 반응조 내부의 기포 발생 등으로 인해 용존 산소의 농도를 정밀하게 조절하는 것이 어려웠다. 특히 용존 산소 농도를 낮게 유지시킬 필요가 있는 공정에서 용존 산소 농도의 조절은 더욱 어려웠다.

본 발명에서는 생물학적 반응조 내부의 폐수를 외부적으로 순환시키면서 이 순환라인에 공기를 주입하여 폐수에 산소를 용해시킨 후, 이와 같이 용존 산소를 포함하는 폐수를 생물학적 반응조에 주입시킴으로써 반응조 내에서 기포가 발생하지 않도록 하고, 폐수의 순환률(순환주기 및/또는 순환량)과 공기 공급률을 적절히 제어하여 반응조 내의 용존 산소 농도를 정밀하게 조절하는 것이 가능하다. 이를 살펴보면 다음과 같다.

상기 순환유닛(20)은 상기 생물학적 반응조(10)의 폐수 유입구(11)와 폐수 유출구(12)로부터 분기되어 연결된 순환라인(21) 및 이 순환라인(21)의 도중에 설치된 순환펌프(22)를 구비한다. 상기 순환펌프(22)가 구동됨에 따라 생물학적 반응조(10)에 저류된 폐수가 상기 순환라인(22)을 따라 순환한다.

상기 용존산소농도 조절장치(30)는 상기와 같이 순환라인(21)을 순환하는 폐수에 공기를 주입하여 산소가 용해된 폐수가 생물학적 반응조(10)로 유입되도록 한다. 이러한 용존산소농도 조절장치(30)는 상기 순환라인(21)의 상기 순환펌프(22) 후단에 설치된 사이드 스트림 챔버(31), 상기 사이드 스트림 챔버(31)에 공기를 주입하는 공기 공급기(32) 및 상기 공기 공급기(32)에 의해 공급되는 공기량을 제어하기 위한 유량계(33)를 구비한다.

상기 사이드 스트림 챔버(31)에는 순환라인(21)을 순환하는 폐수가 일정량 임시 저류하며, 이와 같은 사이드 스트림 챔버(31)에 공기 공급기(32)로부터 공기를 주입하면, 공기 중의 산소가 폐수에 용해되고, 이와 같이 산소가 용해된 폐수가 생물학적 반응조(10)로 공급됨으로써 생물학적 반응조(10)에는 기포없는 용존 산소가 포함된 폐수가 저류하면서 미생물과 유기물이 소정의 화학 또는 생물학적으로 반응하여 유기물을 제거하게 된다.

이 때, 상기 폐수의 순환율(순환 주기 또는 순환량) 및/또는 공기 공급기(32)로부터 공급되는 공기량을 유량계(33)로 제어함으로써 폐수의 용존 산소 농도를 정밀하게 조절할 수 있다. 예컨대 폐수 순환 주기를 빠르게 또는 느리게 함으로써 원하는 용존 산소 농도로 조절할 수 있고, 폐수 순환량을 많게 또는 적게 함으로써 용존 산소 농도를 조절할 수 있으며, 또한, 공기 공급량을 많게 또는 적게 제어함으로써 용존 산소 농도를 정밀하게 조절할 수 있다.

한편, 도면에 도시하지는 않았으나, 상기 용존산소농도 조절장치(30)는 상기 사이드 스트림 챔버(31)에 공급되는 공기를 확산시켜서 공기의 전달률을 높임으로써 산소의 용해를 용이하게 하여 용존 산소 농도를 더욱 정밀하게 조절할 수 있도록 하기 위한 공기분산유닛을 더 구비할 수 있다.

상기와 같은 공기분산유닛은 공기 공급기(32)로부터 사이드 스트림 챔버(32)에 공급되는 공기의 방울들을 미세하게 조절함과 아울러 확산시키기 위한 다수의 미세 공극을 구비한 다공관, 멤브레인 또는 세라믹막 등으로 구성될 수 있다. 이러한 공기분산유닛에 의하면, 사이드 스트림 챔버로 공급되는 공기가 미세한 공기방울로 분산되어 고르게 주입됨으로써 공기 전달률이 높아져 용존 산소 농도를 더욱 정밀하게 제어할 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 의한 용존산소농도 조절장치를 구비한 폐수 처리 시스템을 이용한 폐수 처리방법은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 폐수를 생물학적 반응조에 유입하여 일정량 저류한다(S110). 여기서, 폐수는 부유물 등이 1차 제거된 유기물 등의 오염물질을 포함하는 폐수일 수도 있고, 유기물이 제거된 폐수의 질소를 제거하나 황을 회수하기 위한 폐수 일 수도 있다.

다음, 상기 생물학적 반응조에 저류된 폐수를 순환유닛을 이용하여 외부적으로 순환시키면서 공기를 주입하여 순환하는 폐수에 산소를 용해시키고, 이와 같이 산소가 용해된 폐수를 생물학적 반응조에 다시 주입시키는 방법으로 반응조 내의 용존 산소 농도를 공정에 따라 원하는 농도로 조절한다. 즉, 폐수의 유기물 제거를 위한 공정에서는 용존 산소 농도를 수 내지 수 십 mg/L 높게 조절하여 유지시키고, 아나목스 공정을 이용하여 폐수의 질소를 제거하는 부분 질산화 공정에서는 용존 산소 농도를 0.1 내지 0.3 mg/L 정도로 낮고 일정하게 조절한다(S120). 상기 황 회수 공정에서는 또 다른 범위의 용존산소농도로 조절할 수 있다.

이러한 용존 산소 농도의 조절은 앞서도 설명한 바와 같이, 순환유닛을 순환하는 폐수의 순환율 및/또는 공급되는 공기량을 적절하게 제어하는 것으로 정밀하게 조절할 수 있다. 즉, 폐수의 순환 주기를 조절하거나 순환량을 조절하거나 또는 상기 유량계를 이용하여 상기 사이드 스트림 챔버로 공급되는 공기량을 제어하여 정밀하게 조절할 수 있다.

상기와 같이 폐수를 순환시키면서 처리 공정에 적합한 용존 산소 농도로 조절하여 유지시키면 생물학적 반응조 내의 미생물들이 폐수의 오염물과 생물학적 반응을 하여 오염물질을 분해하여 정화한다. 이 때, 처리 공정에 따라 적합한 용존 산소 농도가 일정하게 유지되므로, 반응조 내에서 생물학적 반응에 의한 오염물 분해가 효율적으로 이루어지면서 폐수의 정화율을 향상시킬 수 있다. 한편, 생물학적 반응조에서 용존 산소 농도를 고르게 분포시키기 위해서 반응조 내부에 적절한 교반이 필요할 수 있다.

상기와 같이 생물학적 반응조에서 오염물이 제거된 유출수는 폐수 유출구를 통하여 외부로 배출되거나 후속 공정을 위하여 다음 공정으로 이송된다(S130).

이상에서 본 발명은 특정 실시예에 대하여 설명되었으나, 본 발명의 본질적 특성들을 벗어남이 없이 본 발명이 다른 특정 형태들로 실시될 수 있음이 당업자에게 자명하다. 따라서 나타내어진 실시예들은 모든 관점에서 예시적이며 비제한적인 것으로 고려되어야 하며, 따라서 당업자들에게 자명한 모든 변경들은 그 안에 포함되는 것이다.

10;생물학적 반응조 11,12;반응조의 폐수 유입구 및 유출구
20;순환유닛 21;순환라인
22;순환펌프 30;용존산소농도 조절장치
31;사이드 스트림 챔버 32;공기 공급기
33;유량계

Claims (8)

1. 폐수 유입구 및 폐수 유출구를 구비하여 폐수를 저류하며, 내부에 미생물을 포함하여 폐수에 함유된 오염물을 분해하는 생물학적 반응조;
   상기 생물학적 반응조에 저류된 폐수를 외부적으로 순환시키기 위한 순환유닛; 및
   상기 순환유닛을 순환하는 폐수에 공기를 공급하여 산소가 용해된 폐수를 상기 생물학적 반응조에 유입시킴으로써 반응조 내부의 용존 산소 농도를 조절하는 용존산소농도 조절장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 순환유닛은,
   상기 생물학적 반응조의 폐수 유입구와 폐수 유출구로부터 분기되어 연결된 순환라인; 및
   상기 순환라인의 도중에 설치된 순환펌프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 용존산소농도 조절장치는,
   상기 순환라인의 상기 순환펌프 전단에 설치되어 순환라인을 순환하는 폐수를 임시 저류하는 사이드 스트림 챔버;
   상기 사이드 스트림 챔버에 공기를 주입하여 산소를 용해시킴으로써 기포없는 용존 산소를 포함하는 폐수가 상기 생물학적 반응조에 공급되도록 하는 공기공급기; 및
   상기 공기공급기에 의해 공급되는 공기량을 조절하기 위한 유량계;를 포함하여, 폐수의 순환률과 공기 공급률을 제어하여 반응조 내부의 용존산소농도를 조절하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
4. 제2항에 있어서, 상기 용존산소농도 조절장치는,
   상기 공기공급기로부터 상기 사이드 스트림 챔버로 공급되는 공기를 분산시켜 공기의 전달률을 향상시키기 위한 공기분산유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
5. 제4항에 있어서, 상기 공기분산유닛은,
   상기 공기공급기로부터 공급되는 공기의 방울 크기를 미세하게 조절할 수 있는 다수의 미세 공극을 갖는 다공관, 멤브레인 또는 세라믹막으로 구성된 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 생물학적 반응조는 아나목스 반응을 일으키는 미생물을 포함하며,
   상기 용존산소농도 조절장치는 상기 아나목스 반응을 위해 필요한 아질산염 생성을 위해 용존 산소 농도를 0.1 내지 0.3 mg/L으로 조절하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
7. 폐수를 생물학적 반응조에 저류시키고 미생물을 이용하여 폐수 중의 오염물질을 분해하여 유출시키는 단계를 포함하는 폐수 처리 방법에 있어서,
   상기 생물학적 반응조에 저류된 폐수를 외부적으로 순환시키면서 순환되는 폐수에 공기를 공급하여 산소를 용해시키고 거품없는 용존 산소를 포함하는 폐수를 상기 생물학적 반응조에 유입시킴으로써 반응조 내부의 용존 산소 농도를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 방법.
8. 제5항에 있어서,
   상기 용존 산소 농도 조절단계는, 상기 폐수의 순환률 및 공기 공급률을 제어하여 생물학적 반응조 내부의 용존 산소 농도를 조절하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 방법.

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