KR20140103693A

KR20140103693A - 질소와 인 회수가 가능한 하·폐수 처리장치 및 이를 이용한 하·폐수 처리방법

Info

Publication number: KR20140103693A
Application number: KR1020130017431A
Authority: KR
Inventors: 나유미; 박용민; 문태훈; 이양우
Original assignee: 코웨이 주식회사
Priority date: 2013-02-19
Filing date: 2013-02-19
Publication date: 2014-08-27

Abstract

본 발명은 질소와 인 회수가 가능한 하·폐수 처리장치에 관한 것으로, 더욱 상게하게는 처리대상이 되는 원수가 유입되어 유기물을 제거하고 암모니아성 질소가 유지되도록 처리하기 위한 산화조; 상기 산화조로부터 유입된 처리수를 고액분리하기 위한 분리막조; 및 상기 분리막조로부터 유입된 처리수를 양이온성 교환막과 음이온성 이온교환막으로 처리하여 암모니아성 질소와 인산염을 따로 분리하기 위한 이온교환막조를 포함하는 질소와 인 회수가 가능한 하·폐수 처리장치이다.

Description

질소와 인 회수가 가능한 하·폐수 처리장치 및 이를 이용한 하·폐수 처리방법{APPARATUS FOR TREATMENT OF WASTEWATER CAPABLE OF RECOVERY OF NITROGEN AND PHOSPHATE AND METHOD FOR TREATMENT OF WASTEWATER}

본 발명은 하·폐수 처리 공정에 있어 질소와 인을 따로 분리하여 이를 고농도로 농축하여 재사용할 수 있도록 한 질소와 인 회수가 가능한 하·폐수 처리장치 및 이를 이용한 하·폐수 처리방법에 관한 것이다.

MBR(Membrane Bio-Reactor) 공법은 기존 활성 슬러지 공법에서 중력 침강에 의한 고액분리 침전조 대신 분리막을 이용하여 고액분리를 달성하는 공법이다.

MBR을 이용한 하·폐수 고도처리장치는 기존의 하수처리법인 활성 슬러지법과 비교해 볼 때 설치 소요면적이 작고 자동운전이 용이하다는 점, 또 침전조를 별도로 포함하지 않아 슬러지 벌킹 등의 문제를 원천적으로 해결할 수 있다는 점 등의 장점이 있어, 소규모 하수처리시설에 많이 활용되어 왔다. 특히, 막의 선택에 따라 처리수질을 필요로 하는 만큼 조절할 수 있기 때문에 최근의 물 재이용에 대한 정책적 배려와 발 맞추어 소규모 중수시설에서도 많이 이용하고 있는 추세이다.

기존의 MBR은 대부분 질소 및 인 제거를 위해 혐기조, 탈질조, 산화조와 분리막조로 이루어져 있다. 하수의 질소는 산화조에서 암모니아성 질소가 질산성 질소로 전환되고, 탈질조에서 질산성 질소가 질소 가스로 전환되어 제거된다. 또한 하수의 인은 혐기조에서 인의 용출이 일어나고 산화조에서 인의 흡수가 일어나 제거된다.

이와 같은 하수의 질소와 인 제거를 위해 혐기조, 탈질조, 산화조가 필요하고 산화조에서 탈질조로의 내부반송 및 탈질조에서 혐기조의 내부 반송이 필요하다.

또한 각 반응조의 미생물과 하수의 혼합을 위해 혼합기가 필요하고 내부 반송을 위해 펌프가 필요하여 많은 동력이 소모된다. 산화조에서는 암모니아성 질소를 질산성 질소로 전환하기 위한 브로워에도 많은 동력이 소모된다.

이렇게 많은 동력을 소모하여 처리된 하수 중 질소는 질소 가스로 탈질되어 대기로 날아가고, 인은 슬러지와 함께 폐기된다.

한편, 최근 화학, 생물, 전자, 제약, 철강 등 산업의 발달과 더불어 각종 산업의 제조 공정에서 다량의 이온성 폐수가 발생되고, 국제적으로 환경 오염물질배출에 대한 규제가 강화되어 이의 처리가 시급한 실정이다.

이온교환방법은 처리 비용은 물론 효율이 좋고 특히 재생이 가능하며 경제성이 있고, 폐수로부터 이온성 물질의 분리가 용이하여 다른 방법에 비해 유리한 장점을 지니고 있다. 이러한 이온교환을 이용한 하수 처리 시스템은 대체로 금속이온, 질소와 인의 제거를 중점으로 하고 있다.

일예로 대한민국 특허공개 제2003-0061230호는 이온 교환막을 이용한 질소 함유 폐수 처리 시스템에 관한 것으로, 전기 분해 장치의 내부에 전자만 통과하면서 물은 통과하지 못하는 이온 교환막을 설치하여 + 극에서는 산화반응, -극에서는 환원반응만 계속 일어나도록 하여 ?극에서 직접 질소가스와 수소가스의 제거가 이루어지도록 한 이온 교환막을 이용한 질소 함유 폐수처리 시스템을 개시하고 있다.

또한 대한민국 특허공개 제2005-0072342호는 물리 화학적 처리에 의한 질소 처리 장치에 관한 것으로, 활성탄 흡착탑과 이온교환수지로 충진된 이온교환 수지탑을 이용하여 물리 화학적 처리에서 제거되지 않은 질소를 활성탄으로 흡착하고 이어서 이온교환수지로 이온교환 함으로써 제거하는 장치를 제안하고 있다.

이와 같이, 생물학적 공정, 이온교환을 이용한 하수 처리에서는 질소와 인의 제거에만 집중되어 있을 뿐만 아니라, 질소와 인 제거를 위해 많은 동력이 소모되는 문제점이 있다.

특히 수환경 오염에 있어 질소 및 인으로 인한 부영양화 문제는 사회적으로 큰 문제가 되고 있다. 그 가운데 인(phosphorus)은 석유와 마찬가지로 고갈자원으로 최근 그 중요성이 두드러지고 있다. 이러한 이유로 인을 하·폐수에서 효율적으로 제거함은 물론 자원순환이라는 관점에서 회수 및 재이용해야 할 필요성이 높아지고 있다.

이에 질소와 인의 제거에 소요되는 동력소모를 절감할 뿐만 아니라 이를 회수하여 재활용할 수 있는 자원 보존적 기술 개발이 필요하다.

KR

2003-0061230

A

KR

2005-0072342

A

본 발명의 실시예들은 하·폐수에서 효율적으로 질소와 인을 제거함은 물론 자원순환이라는 관점에서 질소와 인을 회수 및 재이용할 수 있도록 한 하·폐수 처리장치 및 그 처리방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 하·폐수 처리장치는,

처리대상이 되는 원수가 유입되어 유기물이 제거되고 암모니아성 질소가 유지되도록 처리하기 위한 산화조;

상기 산화조로부터 유입된 처리수를 고액분리하기 위한 분리막조; 및

상기 분리막조로부터 유입된 처리수를 양이온성 교환막과 음이온성 이온교환막으로 처리하여 암모니아성 질소와 인산염을 따로 분리하기 위한 이온교환막조를 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 하·폐수 처리장치에 있어서, 추가로 상기 양이온성 교환막을 거쳐 고농도의 암모니아성 질소를 함유하는 처리수로부터 암모니아를 탈기하기 위한 스트리핑 반응조; 및 상기 음이온성 교환막을 거쳐 고농도의 인산염을 함유하는 처리수 중 인과 반응하여 인을 결정화하기 위한 결정화 물질을 투입하고 결정화된 인을 침전하여 회수하기 위한 인회수조를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 하·폐수 처리장치에 있어서, 상기 산화조는 암모니아성 질소가 질산성 질소로 산화되지 않도록 슬러지 체류시간과 용존산소가 조절될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 하·폐수 처리방법은,

처리 대상이 되는 원수를 산화조로 유입하여 유기물을 제거하고 암모니아성 질소가 유지되도록 처리하는 단계;

상기 산화조에서 처리된 처리수를 분리막조로 유입하여 고액분리하는 단계; 및

상기 분리막조에서 처리된 처리수를 이온교환막조로 유입하여 양이온성 교환막과 음이온성 이온교환막으로 처리하면서 암모니아성 질소와 인산염을 따로 분리 농축하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 하·폐수 처리방법에 있어서, 추가로 상기 양이온성 교환막을 거쳐 고농도의 암모니아성 질소를 함유하는 처리수가 스트리핑 반응조로 유입되어 암모니아를 탈기하는 단계와,

상기 음이온성 교환막을 거쳐 고농도의 인산염을 함유하는 처리수가 인회수조로 유입되어 인을 결정화하기 위한 결정화 물질을 투입하고 결정화된 인을 침전하여 회수하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 하·폐수 처리방법에 있어서, 상기 산화조는 암모니아성 질소가 질산성 질소로 산화되지 않도록 슬러지 체류시간과 용존산소가 조절될 수 있다.

본 발명에 따른 질소와 인 회수가 가능한 하·폐수 처리장치 및 이를 이용한 하·폐수 처리방법은 질소와 인을 따로 고농도로 분리하여 회수할 수 있어 자원을 보존할 수 있을 뿐만 아니라 회수된 질소와 인은 비료 등으로 재활용할 수 있어 경제적이며, 방류수 내 질소와 인의 농도를 저감할 수 있어 환경오염을 최소화할 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질소와 인 회수가 가능한 하·폐수 처리장치를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질소와 인 회수가 가능한 하·폐수 처리장치를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 하·폐수 처리장치(100)는 음용수, 오/폐수, 산업 폐수 등을 정화 처리하기 위한 수처리 장치에 적용될 수 있다.

일반적인 생물학적인 방법인 활성 슬러지법에서는 기본적으로 정화 처리되지 않은 처리수(이하에서는 편의 상 "원수"라 한다)가 슬러지 내의 미생물군이 혐기성 조건에서 인을 용출하고 호기성 조건하에서 슬러지 내의 유기성 물질을 분해하는 과정을 통하여 인축적 미생물이 인을 과잉섭취하는 현상을 이용하여 소모하고 최종적으로 고농도의 인을 함유한 잉여 슬러지를 폐기함으로써 폐수 내의 인이 제거된다.

그러나 본 발명에서는 인의 제거가 아닌 인의 회수를 위하여 인의 용출과 흡수공정이 일어나지 않도록 혐기조 공정을 생략한다. 따라서 원수에 존재하는 인은 미생물 생장에 필요한 만큼만 제거되고 나머지는 MBR 처리수로 배출되어 이온교환을 통해 농축되어 회수된다.

또한, 일반적인 생물학적인 방법인 고도처리공법에서는 호기성 조건하에서 암모니아성 질소가 아질산성 질소와 질산성 질소로 변환되는 질산화 과정과 무산소 조건하에서 탈질 과정을 통해 질산화된 질산성 질소를 질소가스로 방출하여 폐수 내의 질소가 제거되다.

그러나, 본 발명에서는 암모니아성 질소와 인산염의 상태로 질소와 인을 회수하도록 하기 위하여, 산화조에서 암모니아성 질소가 질산성 질소로 변환되는 질산화 과정을 억제하고, 무산소 조건하에서 탈질 과정을 통해 질산화된 질산성 질소를 질소가스로 방출하는 공정을 생략한다. 이를 위해 종래의 MBR 공정에서 탈질조가 생략된다.

이러한 하·폐수 처리장치는 산화조(10), 분리막조(20) 및 이온교환막조(30)가 순차적으로 설치되며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.

상기에서, 산화조(10)는 처리 대상이 되는 원수가 유입되어 호기 상태에서 유기물이 제거된다. 이때 원수의 유기물만 제거되고 암모니아성 질소가 질산성 질소로 산화되지 않고, 암모니아성 질소로 그대로 남아있도록 하기 위해 짧은 슬러지 체류 시간(SRT)을 유지한다. 또한 용존산소(DO)와 산화환원전위(redox potential)를 모니터링하여 공기량을 자동 조절한다.

암모니아성 질소를 질산성 질소로 산화시키는 질산화 미생물은 독립영양균으로 유기물을 제거하는 미생물인 종속 영양균 보다 느리게 성장하기 때문에 슬러지 체류시간을 짧게 유지하여 질산화 미생물이 성장하지 못하게 한다. 따라서 슬러지 체류시간을 일반적인 활성슬러지법에 적용하는 10일~20일에서 5~7일 이하로 유지한다. 또한 공기량은 BOD제거에 필요한 산소량 0.9~1.3 kgO₂/kg BOD 만 공급되고 질산화에 필요한 산소량 4.33 kgO₂/kg N은 공급되지 않도록 산화조 용존산소(DO) 농도를 1mg/L이하로 유지시킨다.

분리막조(20)는 침지식 분리막을 통해 슬러지 함유 고형물질과 처리수로 고액 분리가 이루어진다. 이렇게 고액 분리된 유출수에는 유기물만 제거되고 암모니아성 질소(NH₄ ⁺)와 인산염(PO₄ ^3-)이 존재하게 된다.

이온교환막조(30)에는 양이온성 교환막과 음이온성 교환막이 구비되어 있어, 분리막조(20)로부터 유입된 유출수로부터 각각 암모니아성 질소(NH₄ ⁺)와 인산염(PO₄ ^3-)이 분리 농축된다. 즉, 양이온성 교환막은 암모니아성 질소(NH₄ ⁺)를 선택적으로 통과시키고, 음이온성 교환막은 인산염(PO₄ ^3-)을 선택적으로 통과시킴으로써 이들을 따로 분리한다.

이때 상기 산화조(10)에서 암모니아성 질소가 산화되어 질산성 질소(NO₃ ^-)로 변환되는 경우 질산성 질소와 인산염이 모두 음이온성 교환막에 의해 분리 농축되므로, 질소와 인을 따로 분리할 수 없는 문제점이 발생한다.

상기 양이온성 교환막은 암모니아성 질소(NH₄ ⁺)와 같은 1가 양이온의 투과에 유리하고, 음이온성 교환막은 인산염(PO₄ ^3-)과 같은 3가 음이온의 투과에 유리한 것으로서, 유기물의 이동이 제한적인 분리막이면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다.

추가적으로, 본 발명의 실시예에는 상기와 같이 분리 농축된 암모니아성 질소(NH₄ ⁺)와 인산염(PO₄ ^3-)을 회수하기 위해, 스트리핑 반응조(40)와 인회수조(50)을 포함한다.

스트리핑 반응조(40)는 상기 이온교환막조(30)의 양이온성 교환막에 의해 분리 농축된 암모니아성 질소(NH₄ ⁺)를 포함하고 있는 처리수가 스트리핑 반응조(40) 내부에서 발생되는 미세기포의 접촉에 의하여 처리수에 포함된 암모니아가 탈기되도록 한다. 즉, 스트리핑 반응조(20)에는 미세기포가 공급되는데, 용존 암모니아가 이러한 미세기포로 전달됨으로써 암모니아 가스로 형성되어 배출된다.

이때, 교반기를 사용되면 미세기포가 넓게 퍼질 수 있고 이에 따라 미세기포가 용존 암모니아와의 접촉 면적이 증가되어 탈기 효율을 높일 수 있다.

본 실시예에서 스트리핑 반응조(40)의 pH는 9.0 이상으로 유지하는 것이 바람직한데, 이를 위하여 스트리핑 반응조(40) 내에는 pH 메터(미도시)가 마련될 수 있다. 양이온성 교환막조를 거쳐 유입된 처리수는 pH가 특히 높아 스트리핑을 이용한 암모니아 분리에 적합하다. 필요한 경우 pH 메터는 설정된 pH 이하가 감지될 경우, NaOH 펌프(미도시)가 자동으로 동작되도록 하는 신호를 발생시킬 수 있다. 선택적으로 암모니아성 질소의 기체분율을 향상시키기 위해 스트리핑 반응조(40)를 가온할 수도 있다.

상기한 스트피핑 반응조(40)에서 탈기된 암모니아 가스를 저장하기 위한 저장조를 추가로 구비할 수 있다.

인회수조(50)는 상기 이온교환막조(30)의 음이온성 교환막에 의해 분리 농축된 인산염(PO₄ ^3-)을 포함하고 있는 처리수가 유입되어, 처리수에 함유된 인산염(PO₄ ^3-)과 반응하여 인을 결정화하기 위한 것이다. 인의 결정화를 위해 염화칼슘, 수산화나트륨, 수산화칼슘, 제올라이트, 석회석 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1의 결정화 물질을 투입한다.

일예로, 알칼리를 투입하여 pH를 상승시킨 후 제강 슬래그를 투입하여 인산칼슘 형태로 결정화함으로써 침전시켜 회수하게 된다.

본 발명의 실시예에서는 상기 스트리핑 반응조(40)과 인회수조(50)을 거쳐 암모니아 가스와 인산칼슘 형태로 각각 분리, 회수된 질소와 인은 비료, 영양염류 등으로 재이용이 가능하다. 따라서, 하·폐수에서 효율적으로 질소와 인을 회수하여 재이용함으로써 자원을 보존하고, 환경오염을 최소화할 수 있다.

10...산화조 20...분리막조
30...이온교환막조 40...스트리핑 반응조
50...인회수조

Claims

처리대상이 되는 원수가 유입되어 유기물이 제거되고 암모니아성 질소가 유지되도록 처리하기 위한 산화조;
상기 산화조로부터 유입된 처리수를 고액분리하기 위한 분리막조; 및
상기 분리막조로부터 유입된 처리수를 양이온성 교환막과 음이온성 이온교환막으로 처리하여 암모니아성 질소와 인산염을 따로 분리하기 위한 이온교환막조
를 포함하는 질소와 인 회수가 가능한 하·폐수 처리장치.
제1항에 있어서, 추가로 상기 장치는
상기 양이온성 교환막으로 처리되어 고농도의 암모니아성 질소를 함유하는 처리수로부터 암모니아를 탈기하기 위한 스트리핑 반응조; 및
상기 음이온성 교환막으로 처리되어 고농도의 인산염을 함유하는 처리수 중 인과 반응하여 결정화하기 위한 결정화 물질을 투입하고 결정화된 인을 침전하여 회수하기 위한 인회수조
를 포함하는 것을 특징으로 하는 질소와 인 회수가 가능한 하·폐수 처리장치.
제1항에 있어서, 상기 산화조는
암모니아성 질소가 질산성 질소로 산화되지 않도록 슬러지 체류시간과 용존산소가 조절되는 것을 특징으로 하는 하·폐수 처리장치.
처리 대상이 되는 원수를 산화조로 유입하여 유기물을 제거하고 암모니아성 질소가 유지되도록 처리하는 단계;
상기 산화조에서 처리된 처리수를 분리막조로 유입하여 고액분리하는 단계; 및
상기 분리막조에서 처리된 처리수를 이온교환막조로 유입하여 양이온성 교환막과 음이온성 이온교환막으로 처리하면서 암모니아성 질소와 인산염을 따로 분리 농축하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 질소와 인 회수가 가능한 하·폐수 처리방법.
제4항에 있어서, 추가로 상기 방법은
상기 양이온성 교환막으로 처리되어 고농도의 암모니아성 질소를 함유하는 처리수를 스트리핑 반응조로 유입하여 암모니아를 탈기하는 단계와,
상기 음이온성 교환막으로 처리되어 고농도의 인산염을 함유하는 처리수를 인회수조로 유입하여 인을 결정화하기 위한 결정화 물질을 투입하고 결정화된 인을 침전하여 회수하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 질소와 인 회수가 가능한 하·폐수 처리방법.
제4항에 있어서, 상기 산화조는
암모니아성 질소가 질산성 질소로 산화되지 않도록 슬러지 체류시간과 용존산소가 조절되는 것을 특징으로 하는 질소와 인 회수가 가능한 하·폐수 처리방법.
제6항에 있어서, 상기 슬러지 체류시간은 5~7일 이하로 조절되는 것을 특징으로 하는 질소와 인 회수가 가능한 하·폐수 처리방법.
제6항에 있어서, 상기 용존산소가 1 mg/L 이하로 유지되는 것을 특징으로 하는 질소와 인 회수가 가능한 하·폐수 처리방법.
제4항에 있어서, 상기 결정화 물질은
염화칼슘, 수산화나트륨, 수산화칼슘, 제올라이트, 석회석 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 질소와 인 회수가 가능한 하·폐수 처리방법.