KR20160101844A - 폐수 처리 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

폐수 처리 장치 및 방법이 제공된다. 상기 폐수 처리 방법은 암모니아성 질소를 포함하는 폐수를 유입하는 단계, 상기 폐수에 공기를 공급하는 포기 단계, 상기 폐수를 유출시켜 고형물 체류시간(Solids retention time, SRT)을 조절하는 단계, 상기 폐수를 침전하는 침전 단계, 및 수리학적 체류시간(Hydraulic retention time, HRT)을 조절하는 단계를 포함하고, 상기 암모니아성 질소의 아질산화 반응을 통하여 아질산성 질소를 형성하는 것을 특징으로 한다.

Description

폐수 처리 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR TREATING WASTEWATER}
본 발명은 폐수 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
인구가 증가하면서 배출되는 오염 물질의 양도 증가하고 있다. 이러한 오염 물질은 환경을 파괴할 뿐만 아니라, 각종 전염병을 유발할 수 있기 때문에 선진국을 중심으로 오염 물질을 처리하는 기술이 관심을 받아왔다. 특히 오염 물질의 하나인 영양염은 하수 및 가축 분뇨 등에서 배출된 질소, 농약 등의 산업 제품에서 유발된 인으로 주로 구성되며, 이들이 하천에 섞이면 부영양화를 발생시켜 수생태계에 악영향을 미친다. 일반적으로 영양염에는 폐수에서 유래한 질소의 양이 많으며, 이러한 질소를 제거하기 위해서는 탈질 기술이 융합된 폐수 처리 기술이 필요하다.
하수처리장에서 질소를 제거하기 위해서는 약품을 투입하여 질소를 제거하는 물리화학적인 방법 및 미생물을 이용한 생물학적 질소 제거 공정을 주로 이용한다. 물리화학적인 방법의 경우, 투입된 약품으로 인한 2차적인 수질 오염이 발생할 수 있어, 최근에는 생물학적 질소 제거 공정을 이용하는 추세이다. 생물학적 질소 제거 공정은 하수 또는 폐수 내의 질소성분을 미생물의 산화-환원 반응을 기반으로 질소가스 형태로 변환시킬 수 있다. 또한 이러한 공정은 호기성 조건에서의 질산화 과정 및 무산소(혐기성) 조건에서의 탈질화 과정을 통해 이루어진다. 질산화 과정에서는 수중에 존재하는 암모니아성 질소를 질산성 질소로 산화시키며, 탈질화 과정에서는 질산성 질소를 질소 기체로 환원시켜 수중의 질소가 제거될 수 있다.
한편, 생물학적 질소 제거를 위한 장치로는 연속 회분식 반응 공정(Sequencing Batch Reactor, SBR)이 많이 이용되며, 다른 장치에 비해 소량의 전기 동력으로 처리수를 배출할 수 있다. 그러나 기존의 연속 회분식 반응 공정은 암모니아성 질소를 질산성 질소로 산화시키는 과정에서 많은 양의 산소를 요구하여, 이를 공급하기 위한 비용의 소모가 크다는 점에 어려움이 있다. 또한 질산화 및 탈질 중에 탄소원이 소비되면서 슬러지가 생성되며, 이러한 슬러지를 처리하기 위한 추가적인 비용이 소모된다는 문제점이 존재한다. 또한 기존의 연속 회분식 처리 공정은 수리학적 체류시간(Hydraulic retention time, HRT) 및 고형물 체류시간(Solids retention time, SRT)을 동시에 제어하여, 질소 제거를 위한 반응을 임의로 조절하기 어렵다는 문제점이 존재하였다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 산소 소모량 및 탄소 소모량이 적어 운영비용을 절감할 수 있는 폐수 처리 방법을 제공한다.
본 발명은 아질산화 반응을 조절할 수 있는 폐수 처리 방법을 제공한다.
본 발명은 상기 폐수 처리 방법이 적용될 수 있는 폐수 처리 장치를 제공한다.
본 발명의 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 폐수 처리 방법은, 암모니아성 질소를 포함하는 폐수를 유입하는 단계, 상기 폐수에 공기를 공급하는 포기 단계, 상기 폐수를 유출시켜 고형물 체류시간(Solids retention time, SRT)을 조절하는 단계, 상기 폐수를 침전하는 침전 단계, 및 수리학적 체류시간(Hydraulic retention time, HRT)을 조절하는 단계를 포함하고, 상기 암모니아성 질소의 아질산화 반응을 통하여 아질산성 질소를 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 암모니아성 질소의 상기 아질산화 비율은 70 내지 100%일 수 있다.
상기 고형물 체류시간은 1 내지 10일(Day)로 조절될 수 있다.
상기 수리학적 체류 시간은 0.5 내지 10일(Day)로 조절될 수 있다.
상기 아질산성 질소의 아탈질 반응을 통하여 질소 기체를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 질소 기체 형성 단계는, 상기 아질산성 질소를 포함하는 폐수 및 상기 암모니아성 질소를 포함하는 폐수를 1:1 내지 2:1로 혼합하는 단계, 및 상기 아질산성 질소 및 상기 암모니아성 질소의 아나목스 반응을 통하여 상기 질소 기체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 폐수 처리 장치는, 암모니아성 질소를 포함하는 폐수에 아질산화 반응을 수행하여 아질산성 질소를 형성하는 연속 회분식 반응 장치를 포함하고, 상기 연속 회분식 반응 장치는, 상기 암모니아성 질소를 포함하는 폐수를 수용할 수 있는 본체부, 상기 폐수에 공기를 공급하는 포기부, 및 상기 폐수를 상기 본체부의 외부로 이동시킬 수 있는 하나 이상의 밸브를 포함하는 유출부를 포함하고, 상기 연속 회분식 반응 장치는 고형물 체류시간(Solids retention time, SRT) 및 수리학적 체류시간(Hydraulic retention time, HRT)을 분리하여 조절하는 것을 특징으로 한다.
상기 고형물 체류시간은 1 내지 10일(Day)로 조절될 수 있다.
상기 수리학적 체류시간은 0.5 내지 10일(Day)로 조절될 수 있다.
상기 아질산성 질소 및 상기 암모니아성 질소의 아탈질 반응을 통하여 질소 기체를 형성하는 아나목스(Anammox) 반응 장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 폐수 처리 방법은 암모니아성 질소의 아질산화 반응을 유도하여 산소 소모량 및 탄소 소모량이 적다. 상기 폐수 처리 방법은 고형물 체류시간 및 수리학적 체류시간을 분리하여 조절하여, 효과적인 아질산화 반응을 유도할 수 있으며, 이로 인한 질소 제거 효율이 높다. 또한 상기 폐수 처리 방법은 반류수에 포함된 고농도의 질소를 고효율로 제거할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 폐수 처리 장치는 상기 고형물 체류시간 및 상기 수리학적 체류시간을 분리하여 조절하여, 효과적인 아질산화 반응을 유도할 수 있으며, 이로 인한 질소 제거 효율이 높다. 또한 상기 폐수 처리 장치는 반류수에 포함된 고농도의 질소를 고효율로 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 폐수 처리 방법을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 아질산성 질소 형성 방법을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 폐수 처리 장치를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 폐수 처리 장치를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 연속 회분식 반응 장치를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 유입 단계일 때의 연속 회분식 반응 장치를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 포기 단계일 때의 연속 회분식 반응 장치를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 SRT 조절 단계일 때의 연속 회분식 반응 장치를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 침전 단계일 때의 연속 회분식 반응 장치를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 HRT 조절 단계일 때의 연속 회분식 반응 장치를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 연속 회분식 반응 장치의 운전 결과를 나타낸다.
이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예들을 통해 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 이하의 실시예들에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 된다.
폐수에 포함된 질소를 제거하기 위한 방안으로 암모니아성 질소의 질산화 반응을 통해 질산성 질소를 생성한 후, 상기 질산성 질소의 탈질 반응을 통해 질소 기체를 생성하는 방법이 이용되고 있다. 아래의 반응식 (1)은 질산화 반응을 나타내고, 반응식 (2)는 탈질 반응을 나타낸다. 반응식 (1) 및 반응식 (2)를 참조하면, 상기 질산화 반응 및 상기 탈질 반응은 산소를 많이 필요로 하고, 탄소를 소비하는 과정에서 슬러지가 많이 배출된다는 문제점이 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002

아질산화 반응 및 아탈질 반응은 상기 암모니아성 질소를 상기 질산성 질소로 전환되기 이전 단계인 상기 아질산성 질소의 형태로 전환시킨 후 탈질을 시키는 반응이다. 아래의 반응식 (3)은 아질산화 반응을 나타내고, 반응식 (4)는 아탈질 반응을 나타낸다. 반응식 (3) 및 반응식 (4)를 참조하면, 상기 아질산화 반응은 상기 질산화 반응에 비해 산소의 25%의 절감효과를 나타낼 수 있으며, 상기 아탈질반응은 상기 탈질 반응에 비해 탄소원의 40%의 절감효과를 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
Figure pat00004

상기 아질산화 반응은 상기 질산화 반응에 비해 유도되기 어려우나, 본 발명의 실시예들에 따른 폐수 처리 장치 및/또는 방법을 이용하면 높은 효율로 상기 아질산화 반응을 유도할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 폐수 처리 방법을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 상기 폐수 처리 방법은 암모니아성 질소를 포함하는 폐수를 아질산화 반응시켜 아질산성 질소를 형성하는 단계(S10), 및 상기 아질산성 질소를 포함하는 폐수 및 상기 암모니아성 질소를 포함하는 폐수를 혼합하고 아탈질 반응을 수행하여 질소 기체를 형성하는 단계(S20)를 포함하고, 상기 아질산성 질소를 형성하는 단계는 고형물 체류시간(Solids retention time, SRT) 및 수리학적 체류시간(Hydraulic retention time, HRT)을 다르게 조절할 수 있다.
질소 기체 형성 단계(S20)에서, 상기 아질산성 질소가 아탈질 반응을 통해 질소 기체를 형성할 수 있다. 상기 아질산성 질소를 포함하는 폐수 및 상기 암모니아성 질소를 포함하는 폐수를 1:1 내지 2:1로 혼합하는 단계, 및 상기 아질산성 질소 및 상기 암모니아성 질소를 아나목스 반응을 통하여 상기 질소 기체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 아질산성 질소 형성 방법(S10)을 나타낸다. 도 2를 참조하면, 아질산성 질소 형성 방법(S10)은, 상기 암모니아성 질소를 포함하는 폐수를 유입하는 단계(S11), 상기 암모니아성 질소를 포함하는 폐수에 공기를 공급하는 포기 단계(S12), 상기 폐수를 유출시켜 상기 고형물 체류시간을 조절하는 단계(S13), 상기 유출 후 남은 상기 폐수를 침전시켜 고형물 및 상등액으로 분리하는 단계(S14), 및 상기 상등액을 유출시켜 상기 수리학적 체류시간을 조절하는 단계(S15)를 포함할 수 있다.
상기 암모니아성 질소를 포함하는 폐수를 유입한다(S11). 상기 폐수는 반류수일 수 있다. 상기 반류수는 혐기 소화 상징액, 농축상징액, 탈리액 등을 포함할 수 있다. 상기 암모니아성 질소의 농도 범위는 220 mg/L ~ 300 mg/L일 수 있다. 바람직하게는, 상기 암모니아성 질소의 농도 범위는 평균 260 mg/L 일 수 있다. 상기 유입 전 질산화에 필요한 알칼리도를 보충할 수 있으며, 알칼리도/암모니아성 질소 비는 7.1 ~ 7.2로 조절될 수 있다.
상기 암모니아성 질소를 포함하는 폐수에 공기를 공급한다(S12). 상기 공기는 산소가 풍부한 공기로, 호기성 암모니아 분해 미생물의 활동을 촉진시킬 수 있다.
상기 폐수를 유출시켜 상기 고형물 체류시간을 조절한다(S13). 상기 폐수에는 상기 암모니아성 질소 및 상기 미생물의 활동으로 인해 생성된 상기 아질산성 질소가 포함될 수 있다. 상기 폐수가 침전되기 전에 먼저 상기 고형물 체류시간을 조절함으로써, 상기 미생물이 상기 아질산성 질소를 질산성 질소로 변화시키는 것을 막을 수 있다. 상기 고형물 체류시간은 1 내지 10일(Day)로 조절될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 상기 폐수의 종류에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 고형물 체류시간은 1 내지 2일로 조절될 수 있다. 상기 고형물 체류시간을 조절하기 위해 상기 폐수는 전체 부피의 10 내지 90% 유출될 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 상기 유출은 상기 폐수의 온도 등의 조건에 따라 달라질 수 있다. 바람직하게는, 상기 폐수는 전체 부피의 50% 유출될 수 있다.
상기 유출 후 남은 상기 폐수를 침전시켜 고형물 및 상등액으로 분리한다(S14). 상기 유출 후 남은 상기 폐수는 상기 암모니아성 질소를 다량 포함할 수 있다. 상기 침전을 통하여, 상기 암모니아성 질소가 상기 아질산성 질소로 형성될 수 있다.
상기 상등액을 유출시켜 상기 수리학적 체류시간을 조절한다(S15). 상기 상등액에는 상기 아질산성 질소가 다량 포함되어 있을 수 있다. 상기 수리학적 체류시간은 0.5 내지 10일(Day)로 조절될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 상기 폐수의 유입량 및/또는 상기 고형물 체류시간에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 수리학적 체류시간은 0.5 내지 1일로 조절될 수 있다.
고형물 체류시간 조절(S13) 및 수리학적 체류시간을 조절(S15)을 분리하여 수행할 수 있기 때문에, 상기 아질산화 반응이 인위적으로 유도 될 수 있다. 상기 폐수에 포함된 상기 암모니아성 질소의 상기 아질산화율은 70 내지 100%일 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 폐수 처리 장치를 나타내고, 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 연속 회분식 반응 장치(100)를 나타낸다. 도 3, 도 4, 및 도 5를을 참조하면, 상기 폐수 처리 장치는 암모니아성 질소를 포함하는 폐수에 아질산화 반응을 수행하여 아질산성 질소를 형성하는 연속 회분식 반응 장치(100), 및 상기 아질산성 질소를 포함하는 폐수 및 상기 암모니아성 질소를 포함하는 폐수를 혼합하고, 아탈질 반응을 수행하여 질소 기체를 형성하는 아나목스 반응 장치(200)를 포함할 수 있다. 연속 회분식 반응 장치(100)는 고형물 체류시간(Solids retention time, SRT) 및 수리학적 체류시간(Hydraulic retention time, HRT)을 분리하여 조절할 수 있다. 상기 고형물 체류시간 및 상기 수리학적 체류시간의 조절을 통하여 상기 아질산화 반응이 자유롭게 조절 될 수 있다.
예를 들어, 상기 암모니아성 질소(NH4+-N)의 농도가 100mg/L인 폐수가 1Q 만큼 저장된 폐수 저장부(108)에서, 0.5Q의 상기 암모니아성 질소가 포함된 폐수인 R1이 연속 회분식 반응 장치(100)로 유입될 수 있다. 이때 나머지 0.5Q의 상기 암모니아성 질소가 포함된 폐수인 R3는 아나목스 반응 장치(200)로 유입될 수 있다. 연속 회분식 반응 장치(100)로 유입된 상기 0.5Q의 폐수는 상기 아질산화 반응을 통하여 상기 아질산성 질소(NO2-N) 농도 100mg/L인 R2 폐수가 될 수 있다. 상기 R2 및 상기 R3 폐수가 아나목스 반응 장치(200)로 유입되면 상기 암모니아성 질소와 상기 질산성 질소의 비율이 1:1이 될 수 있으며, 상기 아탈질 반응이 일어나 상기 질소 기체가 형성될 수 있다.
연속 회분식 반응 장치(100)는, 본체부(101), 포기부(102), 교반부(103), 측정부(104), 유출부(105), 유입부(106), 펌프(107), 폐수 저장부(108), 및 제어부(110)를 포함할 수 있다.
본체부(101)는 상기 암모니아성 질소를 포함하는 폐수를 수용할 수 있다. 본체부(101)는 원통형 및 육각형 등의 형상일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 상기 폐수를 수용할 수 있으면 된다. 본체부(101)의 내부에 포기부(102) 및 교반부(103)가 형성될 수 있다. 본체부(101)의 측면에 유출부(105) 및 유입부(106)가 형성될 수 있다.
포기부(102)는 상기 폐수에 공기를 공급할 수 있다. 바람직하게는 포기부(102)는 본체부(101)의 바닥면 또는 하부 측면에 위치하여 상기 폐수에 공기를 공급할 수 있다. 포기부(102)는 제어부(110)에 의해 조절될 수 있다.
교반부(103)는 상기 폐수를 혼합할 수 있다. 바람직하게는 교반부(103)는 하나 이상의 날개를 포함할 수 있다. 교반부(103)는 본체부(101)의 내부에 본체부(101)의 바닥면에 닿지 않는 높이까지 삽입된 형태일 수 있다.
유출부(105)는 상기 폐수를 상기 본체부의 외부로 이동시킬 수 있는 하나 이상의 밸브를 포함할 수 있다. 유출부(105)는 본체부(101)의 바닥면에서 1/4 높이 이상에 하나 이상 형성될 수 있으나, 본체부(101) 바닥에 형성된 슬러지가 유출되지 않는 지점이면 된다. 바람직하게는, 유출부(105)는 본체부(101)의 바닥면에서 1/3 높이 이상에 하나 이상 형성될 수 있다. 예를 들어, 유출부는(105)는 본체부(101)의 바닥면에서 2/3 높이 지점(105a), 1/2 높이 지점(105b), 및 1/3 높이 지점(105c)에 형성될 수 있다. 상기 밸브의 형태는 한정되지 않으며, 유출부(105)를 열고 닫을 수 있으면 된다.
상기 고형물 체류시간은 1 내지 10일(Day)로 조절될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 상기 폐수에 포함된 질소의 종류 및/또는 농도에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 고형물 체류시간은 1 내지 2일로 조절될 수 있다. 상기 고형물 체류시간을 조절하기 위해 상기 폐수는 전체 부피의 10 내지 90% 유출될 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 상기 유출은 상기 폐수의 온도 등의 조건에 따라 달라질 수 있다. 바람직하게는, 상기 폐수는 전체 부피의 50% 유출될 수 있다.
상기 수리학적 체류시간은 0.5 내지 10일(Day)로 조절될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 상기 폐수의 유입량 및/또는 상기 고형물 체류시간에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 수리학적 체류시간은 0.5 내지 1일로 조절될 수 있다.
제어부(110)는 상기 고형물 체류시간 및 상기 수리학적 체류시간을 분리하여 조절할 수 있다. 제어부(110)는 포기부(102), 교반부(103), 측정부(104), 유출부(105), 유입부(106), 펌프(107), 및 아나목스 반응 장치(200) 중에서 선택된 하나 이상을 제어할 수 있다. 상기 제어부(110)는 PLC(programmable Logic Controller)를 포함할 수 있다.
아나목스 반응 장치(200)는 상기 아질산성 질소를 포함하는 폐수 및 상기 암모니아성 질소를 포함하는 폐수를 혼합하고 아탈질 반응을 수행하여 질소 기체를 형성할 수 있다. 아나목스 반응 장치(200)는, 상기 아질산성 질소를 포함하는 폐수 및 상기 암모니아성 질소를 포함하는 폐수를 1:1 내지 2:1로 혼합하고, 상기 아질산성 질소 및 상기 암모니아성 질소를 아나목스 반응을 통하여 상기 질소 기체를 형성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 유입 단계(S11)일 때의 연속 회분식 반응 장치(100)를 나타낸다. 도 6을 참조하면, 상기 암모니아성 질소를 포함하는 폐수를 유입하는 단계(S11)에서, 유입부(106)가 열리면서 본체부(101)로 상기 폐수가 유입된다. 이때, 유출부(105)는 닫힌 상태이다. 펌프(107)가 동작하면서 폐수 저장부(108)로부터 상기 폐수가 지속적으로 유입되도록 할 수 있다. 측정부(104)는 상기 폐수의 본체부(10)에서의 수위를 측정하며, 상기 수위에 따라 제어부(110)에서 상기 폐수의 추가 유입 또는 유입 중단을 결정할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 포기 단계(S12)일 때의 연속 회분식 반응 장치(100)를 나타낸다. 도 7을 참조하면, 상기 폐수에 공기를 공급하는 포기 단계(S12)에서, 유입부(106)가 닫히고, 본체부(101)에 상기 폐수가 수용될 수 있다. 교반부(103)는 상기 폐수를 혼합하고, 포기부(102)는 상기 폐수에 공기를 공급할 수 있다. 이때, 상기 미생물에 의해 상기 폐수에 포함된 상기 암모니아성 질소의 상기 아질산화가 수행될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 SRT 조절 단계(S13)일 때의 연속 회분식 반응 장치(100)를 나타낸다. 도 8을 참조하면, 상기 고형물 체류시간을 조절하는 단계(S13)에서, 유출부(105) 중에서 가장 위에 위치하는 유출부(105a)가 열리면서 상기 고형물이 유출될 수 있다. 이때, 유출부(105a)는 상기 고형물 체류시간 조절 밸브의 역할을 할 수 있다. 상기 고형물은 상기 폐수의 액체 부분과 함께 유출될 수 있으므로, 이때 상기 수리학적 체류시간도 조절될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 침전 단계(S14)일 때의 연속 회분식 반응 장치(100)를 나타낸다. 도 9를 참조하면, 상기 유출 후 남은 상기 폐수를 침전시켜 고형물 및 상등액으로 분리하는 단계(S14)에서, 유출부(105)가 닫히고, 포기부(102) 및 교반부(103)도 작동이 중지되어 상기 침전을 돕는다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 HRT 조절 단계(S15)일 때의 연속 회분식 반응 장치(100)를 나타낸다. 도 10을 참조하면, 상기 상등액을 유출시켜 상기 수리학적 체류시간을 조절하는 단계(S15)에서, 유출부(105b)가 열리면서 상기 상등액을 유출시킬 수 있다. 이때, 상기 고형물은 슬러지로 침전되어 본체부(101)에 남아있을 수 있다.
<실시예>
본 실시예에서 연속 회분식 반응 장치(100)는 원통형의 아크릴을 이용하여 본체부(101)를 제작하였으나, 본체부(101)의 모형 및 재질은 제한되지 않는다. 본체부(101) 내부에 포기부(102) 및 교반부(103)를 설치하였으며, 수조(Water jacket)를 본체부(101) 외부에 두어 본체부(101) 내부의 온도를 30 내지 40℃로 유지하였다. 제어부(110)는 PLC(programmable Logic Controller)를 이용하였고, 이를 통해 유입(S11), 포기(S12), 침전(S14), 및 유출(S13, S15)이 수행될 수 있다. 또한 상기 고형물 체류시간 및 상기 수리학적 체류시간의 분리된 공정을 위해 완전 혼합 형태가 되는 포기 단계(S12)에서 상기 고형물 체류시간 조절을 위한 유출(S13), 침전(S14) 후 유출 단계에서 상기 수리학적 체류시간 조절을 위한 유출(S15)이 수행될 수 있다. 연속 회분식 반응 장치(100)는 부유성장식 반응조로 배치(Batch) 형태로 운전될 수 있다.
대상 시료는 서울 A하수처리장의 혐기 소화조 상징액으로 하수처리장에서 취수한 혐기 소화조 상징액을 실험실에서 4℃이하로 냉장 보관하였다. 유입수의 상기 암모니아성 질소의 농도 범위는 220 mg/L ~ 300 mg/L로 운전 기간 동안 평균 260 mg/L의 농도로 본체부(101)에 유입될 수 있다. 본체부(101) 유입 전 질산화에 필요한 알칼리도를 보충하여 알칼리도/암모니아성 질소 비를 7.1 ~ 7.2를 유지할 수 있다. 분석을 위한 실험은 표준방법에 의거하여 상기 암모니아성 질소는 네슬러 방법(Nessler's method)으로 측정될 수 있고, 상기 아질산성 질소와 상기 질산성 질소는 IC (Ioc chromatography)를 이용하여 측정될 수 있다. 연속 회분식 반응 장치(100)의 운전은 기존에 안정적인 반응이 유도된 아질산화 반응조의 미생물을 이용하여 빠른 안정화를 도모할 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 연속 회분식 반응 장치(100)의 운전 결과를 나타낸다. 도 11을 참조하면, 상기 고형물 체류시간 및 상기 수리학적 체류시간에 따른 상기 아질산화율을 알 수 있다. 운전 조건 별로 O1 ~ O5 구간으로 구분하였으며, 표 1을 통해 확인 할 수 있다. 상기 고형물 체류시간은 SRT로 표시되며, 상기 수리학적 체류시간은 HRT로 표시되었다. 상기 유입수의 상기 암모니아성 질소 농도는 샘플링 시기에 의해 다소 차이를 보였으나 상기 운전 기간 동안 평균 260 mg/L로 유입되었다. 도 11 및 표 1에 나타난 결과는 상기 암모니아성 질소의 농도와 같은 상기 유입수의 특성에 따라 달라질 수 있으며, SRT 및 HRT 또한 상기 유입수의 특성에 따라 조절될 수 있다.
O1 구간에서는 SRT를 1일로 하여 운전하였으며, O1 구간의 상기 암모니아성 질소 제거 효율은 90%, 상기 아질산화율은 76%를 보였다. O2 구간에서는 SRT를 증가시켜 SRT를 4일로 설정하였다. O2 구간은 전체 운전 기간 중 가장 긴 SRT로 운전된 구간으로 상기 암모니아성 질소 제거 효율은 90%의 높은 제거 효율을 보였으나, 본 연구의 목적인 상기 아질산화 반응이 아닌 완전 질산화 반응이 유도된 것으로 나타났다.
O3 구간은 상기 아질산화 반응을 안정적으로 유도하기 위해 HRT는 일정하게 유지시키고, SRT를 감소시켜 2일로 조절하였다. O3 구간의 운전 결과 O2 구간과 유사하게 높은 상기 암모니아성 질소 제거 효율을 보였으나, 상기 유입수에 대한 O2 구간의 운전 조건은 상기 아질산화 반응의 수행에 바람직하지 않은 것으로 나타났다.
O4 구간은 O1 구간과 동일한 운전 조건으로 하여, O1 구간의 운전 조건으로 인해 상기 아질산화 반응이 안정적으로 유도되었다는 것을 확인하였다. O3 구간이 앞선 O2 운전 조건에 영향에 의해 완전질산화가 유도되었는지 확인하기 위해, O5 구간은 O3 구간의 상기 운전 조건과 동일한 SRT로 운전하였다. O5 구간의 운전 결과, 상기 완전질산화 반응이 유도된 것을 확인할 수 있었다. 이는 O3 구간이 O2 구간에 영향을 받지 않았다는 것을 의미하며, 상기 유입수에 대한 O3 구간의 운전 조건은 상기 아질산화 반응이 유도되기에 바람직하지 않은 것으로 나타났다.
O6 구간은 다시 O1 구간과 동일한 상기 운전 조건으로 운전하였으며, 상기 아질산화 반응이 인위적으로 유도 될 수 있다는 것을 확인하였다. 즉, 본 발명의 실시예들에 따른 연속 회분식 반응 장치(100)는 SRT 및 HRT를 자유롭게 분리하여 조절할 수 있고, 상기 조절을 통하여 상기 아질산화 반응이 인위적으로 유도 될 수 있다.
O1 구간, O4 구간, O5 구간, 및 O6 구간은 동일한 HRT로 조절되었으나, O5 구간은 다른 구간에 비해 긴 SRT로 조절되었다. 그 결과, O5 구간을 제외한 나머지 구간에서는 상기 아질산화율이 75% 이상으로 우수한 상기 아질산화 반응 효율을 나타내었다. 이를 통해 상기 아질산화 반응은 SRT와 밀접한 관계가 있음을 확인 할 수 있다.
운전 조건 HRT(일) SRT(일) 암모니아성 질소 제거율 (%) 아질산화율(%)
O1 0.5 1 91 76
O2 1 4 90 20
O3 1 2 88 16
O4 0.5 1 92 80
O5 0.5 2 82 22
O6 0.5 1 91 85
본 실시예를 통하여, 전체 운전 기간 동안 상기 운전 조건을 조절하여 상기 아질산화 반응을 안정적으로 유도할 수 있음을 확인 할 수 있었다. 상기 아질산화 반응이 유도된 SRT 조건에서, HRT를 조절하면 동일한 규모의 연속 회분식 반응 장치(100)에서 상기 유입수의 처리 용량을 증가 시킬 수 있다.
본 실시예에서, 연속 회분식 반응 장치(100)를 운전한 결과, 상기 아질산화 반응을 유도하기 위한 바람직한 SRT는 1일로 나타났으며, SRT가 상기 아질산화 반응에 중요한 인자인 것으로 나타났다. 또한 기존의 연속 회분식 반응조에서는 안정적인 아질산화 반응이 유도되지 않았으나, 본 발명의 실시예들에 따른 연속 회분식 반응 장치(100)에서는 안정적인 아질산화 반응을 유도 할 수 있음을 확인하였다. 따라서 상기 아질산화 반응을 하수처리장에 도입할 때, 본 발명의 실시예들에 따른 폐수 처리 방법 또는 연속 회분식 반응 장치(100)를 적용될 수 있으며, HRT와 SRT를 분리하여 운전하기 때문에, 상기 아질산화 반응 효율이 증가되어 상기 유입수의 처리 용량을 증가시킬 수 있다.
이제까지 본 발명에 대한 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 연속 회분식 반응 장치 101: 본체부
102: 포기부 103: 교반부
104: 측정부 105: 유출부
106: 유입부 107: 펌프
108: 폐수 저장부 110: 제어부
200: 아나목스 반응 장치

Claims (10)

  1. 암모니아성 질소를 포함하는 폐수를 유입하는 단계;
    상기 폐수에 공기를 공급하는 포기 단계;
    상기 폐수를 유출시켜 고형물 체류시간(Solids retention time, SRT)을 조절하는 단계;
    상기 폐수를 침전하는 침전 단계; 및
    수리학적 체류시간(Hydraulic retention time, HRT)을 조절하는 단계를 포함하고,
    상기 암모니아성 질소의 아질산화 반응을 통하여 아질산성 질소를 형성하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 암모니아성 질소의 상기 아질산화 비율은 70 내지 100%인 것을 특징으로 하는 폐수 처리 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 고형물 체류시간은 1 내지 10일(Day)로 조절되는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수리학적 체류 시간은 0.5 내지 10일(Day)로 조절되는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 아질산성 질소의 아탈질 반응을 통하여 질소 기체를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 질소 기체 형성 단계는,
    상기 아질산성 질소를 포함하는 폐수 및 상기 암모니아성 질소를 포함하는 폐수를 1:1 내지 2:1로 혼합하는 단계, 및
    상기 아질산성 질소 및 상기 암모니아성 질소의 아나목스 반응을 통하여 상기 질소 기체를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 방법.
  7. 암모니아성 질소를 포함하는 폐수에 아질산화 반응을 수행하여 아질산성 질소를 형성하는 연속 회분식 반응 장치를 포함하고,
    상기 연속 회분식 반응 장치는,
    상기 암모니아성 질소를 포함하는 폐수를 수용할 수 있는 본체부;
    상기 폐수에 공기를 공급하는 포기부; 및
    상기 폐수를 상기 본체부의 외부로 이동시킬 수 있는 하나 이상의 밸브를 포함하는 유출부를 포함하고,
    상기 연속 회분식 반응 장치는 고형물 체류시간(Solids retention time, SRT) 및 수리학적 체류시간(Hydraulic retention time, HRT)을 분리하여 조절하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 고형물 체류시간은 1 내지 10일(Day)로 조절되는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 수리학적 체류시간은 0.5 내지 10일(Day)로 조절되는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 아질산성 질소 및 상기 암모니아성 질소의 아탈질 반응을 통하여 질소 기체를 형성하는 아나목스(Anammox) 반응 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 장치.
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