KR20170014793A

KR20170014793A - 하수반려수 내 질소, 인 제거 시스템

Info

Publication number: KR20170014793A
Application number: KR1020150108685A
Authority: KR
Inventors: 김경희; 박효상
Original assignee: 동명대학교산학협력단; 아쿠아셀 주식회사
Priority date: 2015-07-31
Filing date: 2015-07-31
Publication date: 2017-02-08

Abstract

본 발명은 하수반려수 내 질소, 인 제거 시스템에 관한 것으로, 하수반려수가 저류되는 원수탱크와; 암모니아성 질소(NH₃-N) 및 마그네슘(Mg) 약품이 저장되는 약품탱크와; 상기 원수탱크로부터 공급되는 하수반려수와 약품탱크로부터 공급되는 약품이 혼합된 혼합액을 분사하기 위한 분사노즐과; 상기 분사노즐을 통해 혼합액이 하향유입되도록 설치되며, 혼합액이 반응하여 인결정화 반응을 일으켜 스트러바이트가 생성되도록 4개의 다단으로 형성된 제1 내지 제4 반응조와; 상기 제4 반응조에서 생성된 스트러바이트를 유동현상에 의해 탈수여액과 분리하는 월류웨어와; 상기 제4 반응조에서 발생한 탈수여액이 방출되는 방류조; 및 및 상기 원수탱크에 유입되는 유입수의 총인(T-P) 농도, 총암모니아성 질소(NH₃-N) 농도 및 총 마그네슘(Mg) 농도와 인결정화를 위한 pH를 산정하고, 상기 약품탱크로부터 약품의 공급량을 결정하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의하면 하수처리장 내 고농도 질소, 인을 함유하고 있는 탈수여액의 다량 처리가 가능고, 비료로써 가치가 있는 스트러바이트의 연속 생산이 가능한 효과가 있다.

Description

하수반려수 내 질소, 인 제거 시스템{Recycle water in nitrogen and phosphorus of removal system}

본 발명은 하수반려수 내 질소, 인 제거 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스트러바이트(struvite)를 대량생산하고 탈수여액 내 질소, 인을 저감할 수 있는 하수반려수 내 질소, 인 제거 시스템에 관한 것이다.

질소, 인 성분들은 대표적인 부영양화 유발물질로서 특히 하수처리장 반려수에는 T-N, T-P가 약 40~60배 정도 높게 나타난다.

질소, 인 함량이 높은 반려수 내에 마그네슘이 공존할 경우 스트러바이트라는 결정성 물질이 생성되어 펌프, 배관, fitting 등에 치명적인 스케일 유발물질로 작용한다.

하지만 스트러바이트는 질소와 인이 다량 함유되어 있어 비료로 활용할 수 있는 유용한 자원 물질이다.

국내에는 스트러바이트 관련 기술이 대부분 질소, 인 제거에 연구가 편중되어 있다. 종래기술로서 국내특허출원 제10-2002-0005521호 스트러바이트 침전을 이용한 고농도 질소폐수 처리방법 및 이를 이용한 폐수 처리장치는 축산분뇨 및 산업폐수에 마그네슘 또는 인 등의 응집원을 주입하여 스트루러이트 결정 효율을 높이는 방법에 관하여 개시되어 있다.

또한, 국외에서는 스트러바이트를 폐기물로 보지 않고 식물 성장에 필요한 비료로 판단하여 완효성 비료에 대한 연구가 활발하게 진행 중에 있다. 즉, 국내등록특허 제10-1098890호 유동층 폐수 처리기술은 스트러바이트, 스트러바이트 동족체, 또는 다른 인산염 화합물의 형태 등 비료로 사용될 수 있는 생성물(펠렛)을 회수하는 기술이 개시되어 있다.

그러나, LAB TEST(Jar-test)로는 고농도 질소, 인을 함유하고 있는 탈수여액을 다량으로 처리하기가 어렵다. 또한, 연속식이 아닌 Batch식으로는 비료로써 활용할 수 있는 스트러바이트를 대량 생산하기 어려웠다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 Pilot급의 반응기를 제작, 설치하여 하수처리장 내에 고농도 질소, 인을 함유하는 탈수여액을 다량 처리할 수 있는 하수반려수 내 질소, 인 제거 시스템을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 연속식으로 반응기 내를 통과하며 비료로 활용할 수 있으며, 스트러바이트를 대량 생산할 수 있는 하수반려수 내 질소, 인 제거 시스템을 제공하는 데 있다.

이러한 기술적 과제들을 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 한 실시예에 따른 하수반려수 내 질소, 인 제거 시스템은 하수반려수가 저류되는 원수탱크와; 암모니아성 질소(NH₃-N) 및 마그네슘(Mg) 약품이 저장되는 약품탱크와; 상기 원수탱크로부터 공급되는 하수반려수와 약품탱크로부터 공급되는 약품이 혼합된 혼합액을 분사하기 위한 분사노즐과; 상기 분사노즐을 통해 혼합액이 하향유입되도록 설치되며, 혼합액이 반응하여 인결정화 반응을 일으켜 스트러바이트가 생성되도록 4개의 다단으로 형성된 제1 내지 제4 반응조와; 상기 제4 반응조에서 생성된 스트러바이트를 유동현상에 의해 탈수여액과 분리하는 월류웨어와; 상기 제4 반응조에 구비되며 탈수여액이 방출되는 방류구; 및 상기 원수탱크에 유입되는 유입수의 총인(T-P) 농도, 총암모니아성 질소(NH₃-N) 농도 및 총 마그네슘(Mg) 농도와 인결정화를 위한 pH를 산정하고, 상기 약품의 공급량을 결정하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명에 따른 상기 제1 내지 제4 반응조는 각기 다른 4개의 직경을 가지고 있는 다단원기둥형 반응조인 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 하수반려수 내 질소, 인 제거 시스템은 하수처리장 내 고농도 질소, 인을 함유하고 있는 탈수여액의 다량 처리가 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 하수반려수 내 질소, 인 제거 시스템은 비료로써 가치가 있는 스트러바이트의 연속 생산이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 하수반려수 내 질소, 인 제거 시스템의 공정도,
도 2는 본 발명에 따른 월류웨어의 형상을 나타낸 도면, 및
도 3은 도 2의 월류웨어의 전개도를 각각 나타낸 것이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 하수반려수 내 질소, 인 제거 시스템의 공정도이고, 도 2는 본 발명에 따른 월류웨어의 형상을 나타낸 도면, 및 도 3은 도 2의 월류웨어의 전개도를 각각 나타낸 것이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 하수반려수 내 질소, 인 제거 시스템은 원수탱크(10), 약품탱크(20), 정량펌프(30), 제1 내지 제4 반응조(40,50,60,70), 월류웨어(80), 방류구(90), 제어부(미도시)를 포함한다.

원수탱크(10)는 폐수처리 공정에서 원심탈수기 후 발생하는 탈수여액, 농축 후 발생하는 농축여액 등 고농도 질소, 인을 포함하는 하수반려수(Recycle water)가 저류되는 조이다. 원수탱크(10)에는 정량펌프(30)가 결합되는데, 스트러바이트(struvite)가 가장 많이 발생되는 몰비인 N : Mg : P = 1 : 1 : 1 또는 1 : 1.2 : 1.2의 비율을 맞추기 위해서는 정량펌프(30)를 사용한다.

정량펌프(30)는 헤드에 물리는 호스를 실리콘 호스를 사용하는 것이 바람직하다. 정량펌프(30) 헤드에 사용되는 호스 외의 호스는 우레탄 호스를 사용한다. 또한, 원수탱크(10)의 경우 부식 및 유출과 같은 큰 위험이 없기 때문에 일반적인 상수 저장 탱크를 사용해도 무방하다.

약품탱크(20)는 암모니아성 질소(NH₃-N) 및 마그네슘(Mg)을 저장하여 공급하는 탱크이다. 약품탱크(20)에 사용되는 약품은 일 예로 암모니아성 질소 및 마그네슘을 예시하였으나, 질소나 마그네슘이 다량 함유된 물질이면 제한되지 않는다. 약품탱크(20)의 약품호스는 위험성 방지를 위해 부드러운 재질인 실리콘 호스를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 약품탱크(20)의 경우 부식 및 유출이 발생하면 위험하기 때문에 PE 또는 PVC 재질로 된 탱크를 사용하고 연결하는 Fitting류는 PVC 재질을 사용한다. 약품탱크(20)와 약품호스를 연결하는 PVC Fitting류 같은 경우 약간의 충격에도 깨짐현상이 발생해 약품이 누출되면 안전성 문제가 있기 때문에 일전에 pvc 용접으로 단단히 해두는 것이 바람직하다.

여기서, 스트러바이트가 생성되기 위해서는 하수반려수(탈수여액)와 약품이 혼합되어야 한다. 유동현상으로 스트러바이트를 생성함으로 원수의 유입은 상향유입보다는 하향유입이 바람직하다.

하수반려수와 약품이 혼합되게 하는 방법은 두 가지가 있는데 원수 배관과 약품 배관을 따로 두어 유입시켜 반응기 안쪽에서 혼합되게 하는 방법과 원수 배관과 약품 배관을 함께 두어 배관으로부터 반응을 시켜 반응기 내부로 유입하는 방법이다. 첫 번째 방법의 경우는 반응기 내부에서 만나게 되면 혼합이 덜되어서 스트러바이트 발생량 및 질소, 인 제거율이 떨어진다. 두 번째 방법의 경우는 혼합은 잘 되겠지만 배관으로부터 반응이 일어나기 때문에 배관 내 스트러바이트가 생성되어 배관 막힘 현상이 빈번하게 발생될 수 있다.

제1 내지 제4 반응조(40,50,60,70)는 각기 다른 4개의 직경을 가지고 있는 다단원기둥형 스트러바이트 반응조로서, 다단으로 연결된 각각의 영역에서 유동층이 형성되어 원수(탈수여액)와 생성된 입자간의 계속적인 반응으로 인해 질소, 인의 제거율이 상승된다.

즉, 제1 내지 제4 반응조(40,50,60,70)는 원수탱크(10)로부터 공급되는 하수반려수에 약품탱크(20)로부터 공급되는 암모니아성 질소(NH₃-N) 및 마그네슘(Mg)이 하기 화학식 1과 같은 대표반응을 일으켜 결정화 반응을 일으키는 반응조이다.

[화학식 1]

4개의 다단으로 형성된 반응조 내에서 미세입자와 조대입자의 형성지역을 달리하면 교반기를 사용하지 않고 유동현상으로 인해 스트러바이트 생성 및 질소, 인 제거율이 상승된다. 따라서 교반기를 사용하지 않기 때문에 교반기 사용 비용이 절감되는 효과가 있다.

이러한 결정화 반응에 의해 생성되는 스트러바이트는 예를 들면, 비료로서 경제적 가치가 높은 광물이다.

제4 반응조(70)에서는 스트러바이트와 상수를 분리한다. 핵생성 촉진을 위해 seed 물질로서 스트러바이트 입자를 사용하는 것이 바람직하다. 스트러바이트는 유동 현상에 의해 뜨게 되고, 상수는 하부에 위치하게 된다. 여기서, 제4 반응조(70)에서 처리된 탈수여액이 자동적으로 드레인될 때 비료로써 활용될 수 있는 스트러바이트가 함께 유출될 가능성이 있으므로 제4 반응조(70)에서 드레인되기 전 월류웨어(80)를 설치한다.

웰류웨어(80)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 길고 상부가 톱니와 같은 홈이 연속적으로 형성된 형상을 갖는다.

상기 제4 반응조(70)에서 발생한 탈수여액은 방류구(90)로 방출된다.

제어부(미도시)는 상기 원수탱크(10)에 유입되는 유입수의 총인(T-P) 농도, 총암모니아성 질소(NH₃-N) 농도 및 총마그네슘(Mg) 농도와 인결정화를 위한 pH를 산정하고, 상기 약품의 공급량을 결정한다.

이하에서는 본 발명에 따른 하수반려수 내 질소, 인 제거 시스템의 운영방법에 대해 설명한다.

하수반려수(탈수여액) 등의 하수반류수가 저류된 원수탱크(10)에서 하수반려수가 정량펌프(30)에 의해 제1 반응조로 유입된다. 스트러바이트가 가장 많이 발생되는 몰비인 N : Mg : P = 1 : 1 : 1 또는 1 : 1.2 : 1.2의 비율을 맞추기 위해서는 정량펌프(30)를 사용한다.

또한, 약품탱크(20)에서 pH를 조절하기 위한 암모니아성 질소(NH₃-N) 및 마그네슘(Mg)을 정량펌프(30)에 의해 공급한다.

탈수여액 원수의 pH는 8정도로 이 이하에서는 스트러바이트 생성이 잘되지 않고 pH 조건은 9이상에서 많이 발생된다. pH도 9이상 올라가기 위해선 약품 투입량이 증가하기 때문에 9부근이 적정하다.

원수 내 N 함유량에 따라 인과 마그네슘을 과량으로 많이 투입하여 효과가 더 뛰어날 것이라 생각할 수 있으나 인과 마그네슘을 과량 주입하게 되면 인/마그네슘의 잔류량이 높아진다. 그에 따른 인의 법적 기준치를 초과할 수 있다.

따라서, 제어부(미도시)에서 원수 내 N 함유량에 따라 인과 마그네슘의 공급량이 결정되도록 제어한다.

제2 반응조(50), 제3 반응조(60)를 거쳐 제4 반응조(70)에서 결정화 반응에 의해 스트러바이트가 생성되고, 스트러바이트는 유동 현상에 의해 뜨게 되고 상수는 하부에 위치하게 된다. 이때 스트러바이트는 월류웨어(80)에 의해 분리하게 된다.

본 발명에 따른 하수반려수 내 질소, 인 제거 시스템에 따라 실험을 실시하여 표 1과 같이 정리하였다.

구분	원수 성분 분석 (mg/L)	반응기 통과 후 분석(mg/L)	제거효율(%)
T-P	56(5배 희석)	8.5	84.8
NH₃-N	698(20배 희석)	134	80.8
Mg	18.2(20배 희석)	8.5	53.3

이에 따르면 높은 N, P 제거효율을 보이는 것을 알 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예들에 대해 설명하였으나, 본 발명은 상술한 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 개념을 벗어나지 않고 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

전술한 발명에 대한 권리범위는 이하의 청구범위에서 정해지는 것으로서, 명세서 본문의 기재에 구속되지 않으며, 청구범위의 균등범위에 속하는 변형과 변경은 모두 본 발명의 범위에 속할 것이다.

10. 원수탱크 20. 약품탱크
30. 정량펌프 32. 분사노즐
40. 제1 반응조 50. 제2 반응조
60. 제3 반응조 70. 제4 반응조
80. 월류웨어 90. 방류구

Claims

하수반려수가 저류되는 원수탱크(10);
암모니아성 질소(NH₃-N) 및 마그네슘(Mg) 약품이 저장되는 약품탱크(20);
상기 원수탱크(10)로부터 공급되는 하수반려수와 상기 약품탱크(20)로부터 공급되는 약품이 혼합된 혼합액을 분사하기 위한 분사노즐(32)을 갖는 정량펌프(30);
상기 정량펌프(30)를 통해 혼합액이 하향유입되도록 설치되며, 혼합액이 반응하여 인결정화 반응을 일으켜 스트러바이트(struvite)가 생성되도록 4개의 다단으로 형성된 제1 내지 제4 반응조(40,50,60,70);
상기 제4 반응조(70)에서 생성된 스트러바이트를 유동현상에 의해 탈수여액과 분리하는 월류웨어(80);
상기 제4 반응조(70)에 구비되며 탈수여액이 방출되는 방류구(90); 및
상기 원수탱크(10)에 유입되는 유입수의 총인(T-P) 농도, 총암모니아성 질소(NH₃-N) 농도 및 총 마그네슘(Mg) 농도와 인결정화를 위한 pH를 산정하고, 상기 약품탱크(20)로부터의 약품의 공급량을 결정하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하수반려수 내 질소, 인 제거 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 제1 내지 제4 반응조(40,50,60,70)는
각기 다른 4개의 직경을 가지고 있는 다단원기둥형 반응조로 형성된 것을 특징으로 하는 하수반려수 내 질소, 인 제거 시스템.