KR20190042249A - 유기물 회수량을 증가시킬 수 있는 용존공기부상 장치 및 이를 이용하는 수처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용존공기부상 장치 및 이를 이용하는 수처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 유기물의 회수량을 증가시킬 수 있는 용존공기부상 장치 및 이를 이용하는 수처리 방법에 관한 것이다. 이를 위해 용존공기부상 장치는 피처리수를 공급받아 플록을 형성 및 성장시키는 응집부; 저부에 구비된 노즐을 통해 미세 기포가 유입되고, 유입된 미세기포가 플록에 부착되면서 플록을 수면으로 부상시켜 제거하는 분리부; 및 분리부에 구비된 노즐로 공기가 용해된 순환수를 공급하는 순환수 공급라인;을 포함하는 용존공기부상(Dissolved Air Flotation, DAF) 장치로서, 응집부 전단에 배치되고, 내부에 교반기를 구비하여 피처리수를 교반하는 혐기조; 분리부에서 제거된 플록을 반송하는 플록 반송라인; 및 일측은 혐기조와 연결되고, 타측은 플록 반송라인과 연결되며, 저부에 구비된 노즐을 이용하여 플록 반송라인을 통해 반송된 플록에 미세기포를 공급한 후, 혐기조로 이송하는 호기조;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

유기물 회수량을 증가시킬 수 있는 용존공기부상 장치 및 이를 이용하는 수처리 방법{DISSOLVED AIR FLOTATION DEVICE CAPABLE OF INCREASING ORGANIC MATTER RECOVERY AND WATER TREATMENT METHOD USING THE SAME}

본 발명은 용존공기부상 장치 및 이를 이용하는 수처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 유기물의 회수량을 증가시킬 수 있는 용존공기부상 장치 및 이를 이용하는 수처리 방법에 관한 것이다.

일반적으로 수처리 공정이나 해수 담수화 공정에서 원수(피처리수)에 포함된 부유물질들은 용수 및 음용수 기준에 적합하도록 제거해야 한다. 이를 위하여 부유성 입자 물질을 제거하기 위해 혼화조(mixing basin), 응집조(coagulation basin) 및 부상조(flotation basin)로 구성된 수처리 공정이 이용되고 있다.

혼화조에서는 약품과 원수를 급속 혼합하여 미세 부유물질을 1차적으로 응집시켜 응집조로 배출하며, 응집조에서는 혼화조에 의해 1차적으로 응집된 부유물질을 부상조에서의 부상분리가 가능한 크기로 성장시켜 후단에 배치된 부상조로 배출하게 된다.

분리조는 응집조에서 성장된 응집체를 부상시켜 제거하는 역할을하는 것으로서, 분산매(disperision medium) 중에 포함된 부유상(suspended phase)에 미세한 기포(bubble)를 부착시켜 분산매와 공기가 접하고 있는 한계 면까지 부상시켜 고액분리를 유도한다.

분리조는 미세기포를 발생시키는 방식에 따라 용존공기부상법(Dissolved Air Flotation, DAF), 분산공기부상법(Dispersed Air or Cavitational Air Flotation, DAF), 유도공기부상법(Induced Air Flotation, IAF), 진공부상법(Vacuum Flotation), 전해부상법(Electro Flotation), 미생물학적 부상법(Microbiological Auto Flotation) 등 다양한 형태로 구현이 가능하다.

그 중 용존공기부상법(DAF)은 고압의 물에 공기를 충분히 용해시켜 이를 분리조 저부에 유입시키면, 수중에서 고압의 물이 감압되면서 과포화된 만큼의 공기가 미세기포로 분출되는 원리를 이용한 것이다. 즉, 분출된 미세기포는 원수 중의 플록에 부착하게 되고, 기포-플록 결합체는 비중이 부력에 의해 수중에서 수 표면으로 상승하면서 고액분리가 달성되는 수처리 방법이다.

한편, 고액분리에 앞서 유기물 흡착공정에서 호기성 공정으로만 진행되는 경우, 공기 주입량 및 시간, 슬러지 체류 시간(sludge retention time, SRT)에 따라 10~65% 정도의 유기물 산화가 진행되어 유기물이 무기화(mineralizaion) 됨으로써 회수율이 떨어진다는 단점이 있었다.

이에 유기물의 회수량을 증가시킬 수 있는 기술에 대한 개발이 요구되고 있다.

대한민국 공개특허공보 제2007-0064246호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 유기물의 회수량을 향상시킬 수 있는 용존공기부상 장치 및 이를 이용하는 수처리 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 분명해질 것이다.

상기 목적은, 피처리수를 공급받아 플록을 형성 및 성장시키는 응집부; 저부에 구비된 노즐을 통해 미세 기포가 유입되고, 유입된 미세기포가 플록에 부착되면서 플록을 수면으로 부상시켜 제거하는 분리부; 및 분리부에 구비된 노즐로 공기가 용해된 순환수를 공급하는 순환수 공급라인;을 포함하는 용존공기부상(Dissolved Air Flotation, DAF) 장치에 있어서, 응집부 전단에 배치되고, 내부에 교반기를 구비하여 피처리수를 교반하는 혐기조; 분리부에서 제거된 플록을 반송하는 플록 반송라인; 및 일측은 혐기조와 연결되고, 타측은 플록 반송라인과 연결되며, 저부에 구비된 노즐을 이용하여 플록 반송라인을 통해 반송된 플록에 미세기포를 공급한 후, 플록을 혐기조로 이송하는 호기조;를 포함하는 용존공기부상 장치에 의해 달성될 수 있다.

바람직하게, 응집부는, 내부 공간에 제1 난류형성 유도체가 충전되어 투입된 피처리수에 1차적으로 플록을 형성시키기 위하여 고속 난류를 발생시키는 제1 혼화응집부; 및 내부 공간에 제2 난류형성 유도체가 충전되어 제1 혼화응집부를 통과한 피처리수에 2차적으로 플록을 성장시키기 위하여 제1 혼화응집부에 비해 낮은 속도의 완속 난류를 발생시키는 제2 혼화응집부;를 포함할 수 있다. 제1 혼화응집부는 제2 혼화응집부의 상부 측 영역에 구비되어, 제1 혼화응집부를 통과하는 피처리수가 중력에 의해 제2 혼화응집부에 공급되는 것을 특징으로 한다.

이때, 제1 난류형성 유도체는 여러 겹 적층된 메쉬(Mesh) 타입의 재료이거나 서로 얽혀 있는 복수 개의 섬유 다발일 수 있고, 제2 난류형성 유도체는 복수 개의 폴링(Pall Ring) 타입의 재료일 수 있다.

또한, 제2 혼화응집부는 폴링 타입의 재료가 충전된 형태의 단(stage)이 서로 분리되어 복수 개 구비될 수 있고, 복수 개의 단은 하류 측으로 갈수록 폴링 타입의 재료의 충전밀도(Packing Density)가 작아지도록 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 응집부는, 제1 혼화응집부와 제2 혼화응집부 간의 상이한 난류강도를 유지하기 위하여 제1 혼화응집부와 제2 혼화응집부를 구획하는 다공성의 분리막;을 더 포함할 수도 있다.

바람직하게, 분리부는, 피처리수의 유동방향으로 연속적으로 직렬 배치된 복수 개의 부상조를 포함하며, 이웃한 부상조들은 격벽에 의하여 구획되고, 피처리수는 격벽 하부에 형성된 통로를 따라 이웃한 부상조로 이동할 수 있다.

이때, 격벽 상단에 부상한 스컴(scum)을 이웃한 부상조로 넘기기 위한 높이조절 웨어(adjustable weir)가 형성될 수 있고, 부상조의 저부에 미세기포를 상방으로 부상시키기 위한 가이드벽이 형성되며, 가이드 벽의 전면부와 후면부에 각각 미세기포가 유입될 수 있다.

또한, 분리부는, 플록의 응집 및 부상이 동시에 이루어지는 1차 부상조; 및 1차 부상조를 통과한 피처리수에 포함된 플록을 재차 부상 및 제거하는 2차 부상조;를 포함할 수 있다.

바람직하게, 순환수 공급라인을 통해 공급되는 순환수는, 혐기조를 통과한 피처리수일 수 있다.

이때, 순환수 공급라인은, 순환수를 가압하는 펌프; 및 펌프 전단의 소정의 위치에 대기 공기가 유입되는 유입 배관;을 구비할 수 있고, 유입 배관은, 유입되는 대기 양을 조절하기 위하여 공기유량계 및 밸브를 구비할 수 있다.

또한, 순환수 공급라인은, 펌프 후단의 소정의 위치에 순환수 내 미용해된 버블들을 용해시키기 위한 안정화기를 구비할 수도 있다.

또한, 상기 목적은, 피처리수를 공급받아 플록을 형성 및 성장시키는 응집단계; 미세 기포를 공급한 후, 공급된 미세기포가 플록에 부착되면서 플록을 수면으로 부상시켜 제거하는 분리단계; 및 분리단계에서 미세 기포가 공급되도록 공기가 용해된 순환수를 공급하는 순환수 공급단계;를 포함하는 수처리 방법에 있어서, 응집단계 전에, 혐기조건에서 피처리수를 교반하는 교반단계; 분리단계에서 제거된 플록을 반송하는 반송단계; 및 반송단계에서 반송된 플록에 미세기포를 공급한 후, 교반단계로 플록을 이송하는 이송단계;를 포함하는 수처리 방법에 의해 달성될 수 있다.

이때, 응집단계는, 투입된 피처리수에 1차적으로 플록을 형성시키기 위하여, 내부 공간에 충전된 제1 난류형성 유도체를 이용하여 고속 난류를 발생시키는 제1 혼화응집단계; 및 제1 혼화응집단계를 통과한 피처리수에 2차적으로 플록을 성장시키기 위하여, 내부 공간에 충전된 제2 난류형성 유도체를 이용하여 제1 혼화응집단계에 비해 낮은 속도의 완속 난류를 발생시키는 제2 혼화응집단계;를 포함할 수 있다.

또한, 분리단계는, 플록의 응집 및 부상이 동시에 이루어지는 1차 부상단계; 및 1차 부상단계를 통과한 피처리수에 포함된 플록을 재차 부상 및 제거하는 2차 부상단계;를 포함할 수 있다.

또한, 순환수 공급단계는, 순환수 내 미용해된 버블들을 용해시키기 위한 안정화단계;를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 분리부에서 제거된 플록(슬러지)을 미세 기포가 공급되는 호기조로 반송하여 미생물이 기아(starvation) 조건 하에서 세포외 폴리머 물질(extracellular polymeric substances, EPS)을 분비할 수 있도록 함으로써, 피처리수에 별도로 공급되는 응집제의 양을 줄일 수 있는 효과를 가진다.

또한, 호기조를 거쳐 반송된 플록을 응집부 전단에 배치된 혐기조로 공급함으로써 유기물의 회수량을 증가시킬 수 있는 효과를 가진다.

또한, 분리부 내에서 피처리수가 원활하게 이동할 수 있도록 분사 노즐을 배치함으로써 플록의 제거 효율을 높일 수 있는 효과를 가진다.

다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용존공기부상 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 일 예에 따른 응집부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 일 예에 따른 응집부를 개략적으로 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.

또한, 달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가지며, 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.

도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 "부"란, 특정 기능을 수행하는 하나의 단위 또는 블록을 의미한다.

각 단계들에 있어 식별부호(제1, 제2, 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용존공기부상 장치(1000)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 용존공기부상 장치(1000)는 피처리수를 공급받아 플록을 형성 및 성장시키는 응집부(100); 저부에 구비된 노즐을 통해 미세 기포가 유입되고, 유입된 미세기포가 플록에 부착되면서 플록을 수면으로 부상시켜 제거하는 분리부(200); 및 분리부(200)에 구비된 노즐로 공기가 용해된 순환수를 공급하는 순환수 공급라인(300);을 포함하는 용존공기부상(Dissolved Air Flotation, DAF) 장치로서, 응집부(100) 전단에 배치되고, 내부에 교반기(410)를 구비하여 피처리수를 교반하는 혐기조(400); 분리부(200)에서 제거된 플록을 반송하는 플록 반송라인(500); 및 일측은 혐기조(400)와 연결되고, 타측은 플록 반송라인(500)과 연결되며, 저부에 구비된 노즐을 이용하여 플록 반송라인(500)을 통해 반송된 플록에 미세기포를 공급한 후, 혐기조(400)로 이송하는 호기조(600);를 포함한다.

본 발명은 플록 반송라인(500)을 구비하여 분리부(200)에서 제거된 플록(슬러지)을 호기조(600)로 반송한다. 호기조(600)는 저부에 노즐을 구비하여 플록 반송라인(500)을 통해 반송된 플록에 미세기포를 공급함으로써, 미생물이 기아(starvation) 조건 하에서 머물도록 한다. 미생물이 기아 조건 상태에 있게 되면, 세포외 폴리머 물질(extracellular polymeric substances, EPS)을 분비하게 되는데, EPS는 후단의 공정에서 응집제(coagulant)로 기능하여 응집제의 공급량을 획기적으로 줄일 수 있는 효과를 가진다.

또한, 본 발명은 호기조(600)를 거쳐 반송된 플록을 응집부(100) 전단에 배치된 혐기조(400)로 공급되는 피처리수와 함께 혐기조(400)로 공급함으로써 유기물을 폴리하이드록시알카노에이트(polyhydroxyalkanoate, PHA) 형태로 저장하여 회수할 수 있는 효과를 가진다. 구체적으로, 호기성 공정에서 유기물의 흡착이 이루어질 경우 공기 주입량 및 시간, 슬러지 체류 시간(sludge retention time, SRT)에 따라 10~65% 정도의 유기물 산화가 진행되어 유기물이 무기화(mineralizaion) 됨으로써 회수율이 떨어질 수 있는데, 본 발명은 이러한 유기물의 산화 과정을 배제하여 인 축적 미생물(phosphate accumulation organisms, PAOs)과 글리코겐 축적 미생물(Glycogen accumulating organisms, GAOs)이 유기물을 효과적으로 폴리하이드록시알카노에이트(polyhydroxyalkanoate, PHA) 형태로 전환할 수 있도록 하고, 이를 통해 유기물의 회수량을 늘릴 수 있는 효과를 가진다.

일 실시예에 있어서, 응집부(100)는 혐기조(400)로부터 이송된 피처리수를 공급받아 플록을 형성 및 성장시키는 것으로서, 이때, 응집제는 전단에서 형성된 EPS를 사용할 수 있다. 적정량의 EPS가 확보되지 않을 경우에는 별도의 응집제를 추가적으로 공급할 수도 있다. 응집부는 단일 응집조로 구성될 수 있고, 종래의 기계식 혼화응집조와 달리 내부에는 난류형성 유도체가 충전되어 난류를 발생시키는 무동력 응집조일 수 있다. 무동력 응집조로 구성할 경우, 에너지 소모율을 최소화 할 수 있다는 장점이 있다.

도 2는 일 예에 따른 응집부(100)를 개략적으로 나타낸 도면으로, 도 2를 참조하여 구체적으로 설명하면, 응집부(100)는, 내부 공간에 제1 난류형성 유도체(111)가 충전되어 투입된 피처리수에 1차적으로 플록을 형성시키기 위하여 고속 난류를 발생시키는 제1 혼화응집부(110); 및 내부 공간에 제2 난류형성 유도체(121)가 충전되어 제1 혼화응집부(110)를 통과한 피처리수에 2차적으로 플록을 성장시키기 위하여 제1 혼화응집부(110)에 비해 낮은 속도의 완속 난류를 발생시키는 제2 혼화응집부(120);를 포함할 수 있다. 이러한 구성을 통하여, 별도의 교반동력 없이 무동력으로 피처리수에 포함된 미립자를 난류에 의해 내부에서 순환시키면서 응집제와 서로 접촉하여 일정 크기로 응집되도록 할 수 있다.

제1 혼화응집부(110)는 제2 혼화응집부(120)의 상부 측 영역에 구비되어, 제1 혼화응집부(110)를 통과하는 피처리수가 중력에 의해 제2 혼화응집부(120)에 공급되는 것이 바람직하다.

무동력 응집조의 작동과정을 보다 구체적으로 살펴보면, 유입관을 통해 직선 수류의 형태로 유입되는 피처리수는 제1 혼화응집부(110) 내부에 충전된 제1 난류형성 유도체(111)를 통과하면서 급속난류를 형성하게 되고, 발생된 난류로 인하여 원수에 포함된 미립자와 응집제가 서로 접촉하면서 플록이 형성된다. 제1 난류형성 유도체(111)는 메쉬(Mesh) 타입의 재료가 여러 겹 적층된 형태이거나, 복수 개의 섬유다발이 서로 얽혀 있는 형태가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 인접한 메쉬 타입의 재료 간에 홀이 수직 방향으로 일치되지 않도록 비대칭으로 적층될 수 있다. 메쉬 타입의 재료 간의 홀이 수직방향으로 비대칭으로 적층되어 있으므로 중력에 의해 피처리수가 메쉬 타입의 재료를 통과하면서 난류를 발생시킬 수 있고, 홀의 크기에 따라 발생되는 난류의 속도를 제어할 수 있다.

제2 혼화응집부(120)는 제1 혼화응집부(110)를 통과한 처리수가 제2 난류형성 유도체(121)를 통과하면서 발생된 완속난류로 인하여 원수에 포함된 플록이 성장시킬 수 있는 공간이다. 제2 난류형성 유도체(121)는 복수 개의 폴링(Pall Ring) 타입의 재료가 충전된 형태가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 복수 개의 폴링 타입의 재료가 충전된 단이 분리된 형태의 복수 개의 단으로 적층된 형태일 수 있으며, 더욱 바람직하게는, 도 3과 같이, 복수 개의 단이 하류 측으로 갈수록 폴링 타입의 재료의 충전밀도(Packing Density)가 작아지도록 구비되는 형태일 수 있다.

즉, 제2 혼화응집부(120)는 피처리수의 상태에 따라 폴링 타입의 재료가 충전된 단의 개수를 제어하여 사용할 수 있으며, 복수 개의 단은 각각이 분리된 형태로 하류측 영역으로 갈수록 충전밀도(Packing Density)가 작아지도록 구성하는 것이 바람직한데, 이는 충전밀도가 낮아질수록 난류속도가 낮아져 플록을 좀 더 큰 덩어리로 성장시킬 수 있기 때문이다.

또한, 응집부(100)는, 제1 혼화응집부(110)와 제2 혼화응집부(120) 간의 상이한 난류강도를 유지하기 위하여 제1 혼화응집부(110)와 제2 혼화응집부(120)를 구획하는 다공성의 분리막(130);을 더 포함할 수도 있다. 즉, 제1 혼화응집부(110)는 급속난류를 발생시키고, 제2 혼화응집부(120)는 완속난류를 발생시켜 피처리수에 포함된 미립자를 응집시켜 플록을 형성 및 성장시키는데 급속난류 또는 완속난류의 속도는 특별히 제한되지 않고, 혼화응집조 내 난류 강도의 상대적인 차이로서 정의될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 분리부(200)는 저부에 구비된 노즐을 통해 미세 기포가 유입되고, 유입된 미세기포가 플록에 부착되면서 플록을 수면으로 부상시켜 제거하는 것으로서, 도 1에 도시된 것처럼, 피처리수의 유동방향으로 연속적으로 직렬 배치된 복수 개의 부상조를 포함할 수 있으며, 이웃한 부상조들은 격벽(230)에 의하여 구획되고, 피처리수는 격벽(230) 하부에 형성된 통로를 따라 이웃한 부상조로 이동한다. 종래의 용존공기부상 장치의 응집부는 응집제와 부유 물질 간의 응집 유도와 응집체의 성장을 위한 순환 수류를 형성시키기 위하여, 내부에 별도로 기계식 교반기(agitator)가 설치되며, 체류 시간을 확보하기 위하여 용량이 커지고 다단으로 구성되는 것이 일반적이었다. 그러나, 이러한 응집부의 구성은 넓은 부지 면적을 필요로 하여 비경제적일 뿐만 아니라 에너지 소모율이 높고 응집부 후단에는 일부 침전 현상까지 발생하여 전체적인 수처리 효율을 낮추는 원인이 되었다. 이에, 본 발명은 응집부(100)를 단일 응집조로 구성하는 대신, 분리부(200)를 피처리수의 유동방향으로 연속적으로 직렬 배치된 복수 개의 부상조로 구성함으로써, 부상조에서 플록의 응집과 부상이 동시에 이루어질 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

이때, 격벽(230) 상단에는 전단부의 부상조에서 부상한 스컴(scum)을 스키머를 통하여 분리 제거할 수도 있으나, 바람직하게는 도 1과 같이 별도의 스키머를 설치할 필요없이 부상한 스컴(scum)을 이웃한 부상조로 넘기기 위한 높이조절 웨어(adjustable weir, 231)를 형성하여 마지막 부상조에서 스키머를 통하여 분리 제거되도록 하는 것이 효율적이다.

또한, 부상조의 저부에는 미세기포를 상방으로 부상시키기 위한 가이드벽이 형성될 수 있고, 가이드 벽(240)의 전면부와 후면부에 각각 미세기포가 유입될 수 있다. 가이드벽의 전면부와 후면부에 각각 미세기포를 공급함으로써 가이드벽의 전면부에서 미세기포와 접촉하지 못한 플록들도 가이드벽의 후면부에서 다시 미세기포와 충분히 접촉할 수 있도록 하여 플록들의 분리 제거 효율을 향상시킬 수 있다.

바람직하게, 분리부(200)는, 플록의 응집 및 부상이 동시에 이루어지는 1차 부상조(210); 및 1차 부상조(210)를 통과한 피처리수에 포함된 플록을 재차 부상 및 제거하는 2차 부상조(220);를 포함하도록 구성될 수 있다. 이때, 각 부상조를 구획하는 격벽(230)에는 피처리수의 유동방향에 맞게 분사 노즐(232)이 구비될 수 있다. 도 1을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 분리부(200)의 저부에 구비된 노즐에 의해 피처리수는 아래에서 위 방향으로 흐름이 형성될 수 있는데, 이러한 흐름 때문에 피처리수의 수평 이동이 제한되어 처리 효율이 떨어지는 문제점이 생길 수 있다. 이에 격벽(230)에는 피처리수의 수평 이동을 원활하게 제어할 수 있도록 격벽(230)에 비스듬하게 분사 노즐(232)이 설치될 수 있다. 즉, 도 1의 가장 좌측의 격벽(230)에는 오른쪽 대각선 아래 방향으로 분사 노즐(232)이 설치되어 저부에서 발생되는 미세기포에 의해 상승하는 피처리수를 오른쪽 아래 방향으로 이동시킬 수 있다. 또한, 가장 우측의 격벽(230)에는 왼쪽 대각선 아래 방향으로 분사 노즐(232)이 설치되어 피처리수가 후단으로 이동하도록 한다. 또한, 격벽(230)에 설치된 분사 노즐(232)은 저부에 설치된 노즐에 의해 공급되는 미세기포에 더해 분리부(200) 내부로 보다 많은 미세기포를 공급하는 효과도 제공한다.

일 실시예에 있어서, 순환수 공급라인(300)은 분리부(200)에 구비된 노즐로 공기가 용해된 순환수를 공급하는 것으로서, 노즐을 통해 미세기포가 분리부(200)로 공급될 수 있도록 한다. 이때, 순환수 공급라인(300)을 통해 공급되는 순환수는 혐기조(400)를 통과한 피처리수 또는 혐기조(400)를 통과한 피처리수와 응집제를 혼합한 피처리수일 수 있다. 종래에는 순환수로 수처리가 완료된 처리수(생산수)가 사용되는 것이 일반적이었는데, 이 경우 처리수가 부상조들을 순환하면서 수처리 용량의 일부(전체 수처리 용량의 10~20 vol%를 차지)를 계속하여 차지하기 때문에, 이는 결과적으로 수처리가 가능한 원수의 용량을 축소시키고 수처리 효율을 저하시키는 원인이 되었다. 한편, 이를 해결하기 위하여 순환수로 수처리가 되지 않은 피처리수를 사용하게 되면 수처리 용량이 증대하는 효과를 얻을 수 있지만, 응집부를 통과하지 않은 피처리수가 바로 분리부(200)로 유입되는 만큼 피처리수 내 플록의 형성과 성장이 충분히 이루어지지 않아 수처리 효율이 떨어지게 될 수 있다.

이에, 본 발명은 분리부(200)를 종래와 같이 하나의 부상조가 아닌 원수의 유동방향으로 연속적으로 직렬 배치된 복수 개의 부상조로 구성하여 부상조 내에서 응집과 부상이 동시에 이루어지도록 하여, 순환수로 피처리수 또는 응집제가 혼합된 피처리수를 사용하는 경우에도 피처리수 내 플록의 형성과 성장이 충분히 이루어져 수처리 효율이 떨어지는 현상을 방지할 수 있다.

또한, 순환수 공급라인(300)은, 순환수를 가압하는 펌프(310); 및 펌프(310) 전단의 소정의 위치에 대기 공기가 유입되는 유입 배관(320);을 구비할 수도 있다. 즉, 순환수를 가압하는 펌프(310) 전단에 대기공기를 유입시켜 펌프(310) 내에서 순환수의 가압 및 순환수 내 공기의 용해가 동시에 이루어지도록 할 수 있다.

종래에는 순환수를 펌프로 가압한 뒤 가압된 물을 포화장치(saturator)에서 압축공기와 접촉시켜 용해시키는 것이 일반적이었다. 그러나, 이와 같이 압축공기를 사용하는 시스템은 압축공기 생성을 위하여 별도의 복잡한 에어 컴프레서(air compressor) 설비가 필요하며, 플랜트의 서비스 에어(service air)의 용량이 증대되어야 하므로 CAPEX 및 OPEX를 증가시킨다는 문제가 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 압축공기를 사용하는 대신 순환수를 가압하는 펌프(310) 전단에 대기공기를 유입시켜 펌프(310) 내에서 순환수의 가압 및 순환수 내 공기의 용해가 동시에 이루어지도록 할 수 있다.

이때, 대기공기를 유입시키기 위한 유입 배관(320)에 공기유량계 및 밸브를 별도로 설치하여 대기공기의 유입량을 제어함으로써, 펌프(310) 내에 발생할 수 있는 공동현상(cavitation)이나 이상 유체 현상을 최소화할 수 있다.

또한, 종래에는 가압된 순환수에 압축공기를 용해시키기 위하여, 충전물질(packing material)을 채우거나 구조물을 형성하여 내부 표면적을 넓힌 대용량의 포화장치(saturator)가 사용하였다. 그러나, 본 발명은 펌프(310) 내에서 공기의 용해가 이루어지므로 종래와 같은 대용량의 포화장치를 사용할 필요가 없다.

다만, 펌프(310) 내에서의 짧은 머무름 시간(retention time)과 공기 유입량의 변동(air fluctuation)으로 인하여 순환수 내 미용해된 버블들이 형성될 수 있으므로, 이러한 미용해된 버블들을 일정기간 보유하면서 순환수 내에 재용해시키기 위하여, 상기 펌프(310) 후단에는 별도의 안정화기(330)가 형성되는 것이 바람직하다. 안정화기(330)는 순환수 내 미용해된 버블들이 서로 뭉치고 분할되면서 가압된 순환수 내로 완전히 용해되도록 하기 위한 것으로서, 기존 포화장치에 비하여 설비 및 용량이 훨씬 축소된 것을 특징으로 한다.

종래에 원수를 순환수로 사용하는 경우에는 포화장치 내부의 충전재 등에 미생물 형성에 따른 생물오손(biofouling) 문제가 발생하기 쉬웠으며, 이는 높이가 높고 체적이 큰 압력 용기로 구성된 포화 장치의 경우 더욱 치명적이었다. 그러나, 본 발명은 압축공기 및 대용량의 포화장치를 사용하지 않기 때문에 원수를 순환수로 사용하는 경우에도 포화장치 내 생물오손(biofouling) 발생 및 이로 인한 포화효율 감소 문제를 일으키지 않는다.

다음으로, 용존공기부상 장치를 이용한 수처리 방법에 대해 설명한다. 이를 설명하는데 있어, 상술한 용존공기부상 장치(1000)를 이용하여 설명하나, 이에 국한되는 것은 아니다. 또한, 용존공기부상 장치(1000)에 대해서는 상술하였으므로, 중복된 부분에 있어서는 그 설명을 생략한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 방법은, 피처리수를 공급받아 플록을 형성 및 성장시키는 응집단계; 미세 기포를 공급한 후, 공급된 미세기포가 플록에 부착되면서 플록을 수면으로 부상시켜 제거하는 분리단계; 및 분리단계에서 미세 기포가 공급되도록 공기가 용해된 순환수를 공급하는 순환수 공급단계;를 포함하는 수처리 방법에 있어서, 응집단계 전에, 혐기조건에서 피처리수를 교반하는 교반단계; 분리단계에서 제거된 플록을 반송하는 반송단계; 및 반송단계에서 반송된 플록에 미세기포를 공급한 후, 교반단계로 플록을 이송하는 이송단계;를 포함한다.

본 발명은 플록 반송단계를 통해 분리단계에서 제거된 플록(슬러지)을 반송한 후, 반송된 플록에 미세기포를 공급함으로써, 미생물이 기아(starvation) 조건 하에서 머물도록 한다. 미생물이 기아 조건 상태에 있게 되면, 세포외 폴리머 물질(extracellular polymeric substances, EPS)을 분비하게 되는데, EPS는 후단의 수처리 공정에서 응집제(coagulant)로 기능하여 응집제의 공급량을 획기적으로 줄일 수 있는 효과를 가진다.

또한, 반송된 플록을 이송단계를 통해 용존공기부상 장치(1000)의 초입으로 공급하고, 응집단계 전에 피처리수와 함께 교반하는 교반단계를 거치게 함으로써 유기물을 폴리하이드록시알카노에이트(polyhydroxyalkanoate, PHA) 형태로 저장하여 회수할 수 있는 효과를 가진다. 구체적으로, 호기성 공정에서 유기물의 흡착이 이루어질 경우 공기 주입량 및 시간, 슬러지 체류 시간(sludge retention time, SRT)에 따라 10~65% 정도의 유기물 산화가 진행되어 유기물이 무기화(mineralizaion) 됨으로써 회수율이 떨어질 수 있는데, 본 발명은 이러한 유기물의 산화 과정을 배제하여 인 축적 미생물(phosphate accumulation organisms, PAOs)과 글리코겐 축적 미생물(Glycogen accumulating organisms, GAOs)이 유기물을 효과적으로 폴리하이드록시알카노에이트(polyhydroxyalkanoate, PHA) 형태로 전환할 수 있도록 하고, 이를 통해 유기물의 회수량을 늘릴 수 있는 효과를 가진다.

이때, 응집단계는 피처리수를 공급받아 플록을 형성 및 성장시키는 단계로서, 응집부(100)에 의해 수행될 수 있다. 구체적으로, 응집단계는 내부 공간에 충전된 제1 난류형성 유도체(111)를 이용하여 투입된 피처리수에 1차적으로 플록을 형성시키기 위하여 고속 난류를 발생시키는 제1 혼화응집단계; 및 내부 공간에 충전된 제2 난류형성 유도체(121)를 이용하여 제1 혼화응집단계를 통과한 피처리수에 2차적으로 플록을 성장시키기 위하여 제1 혼화응집단계에 비해 낮은 속도의 완속 난류를 발생시키는 제2 혼화응집단계;를 포함하여 플록을 효과적으로 형성 및 성장시킬 수 있다.

또한, 분리단계는, 응집단계를 거쳐 형성 및 성장된 플록을 부상시킨 후, 제거하는 단계로서, 분리부(200)에 의해 수행될 수 있다. 구체적으로, 분리단계는 플록의 응집 및 부상이 동시에 이루어지는 1차 부상단계; 및 1차 부상단계를 통과한 피처리수에 포함된 플록을 재차 부상 및 제거하는 2차 부상단계;를 포함하여 성장된 플록을 용이하게 제거할 수 있다.

한편, 순환수 공급단계는, 분리단계에 이용되는 미세 기포를 공급하기 위한 단계로서, 혐기조(400)를 통과한 피처리수 일부를 순환수로 사용할 수 있다. 이때, 순환수 내 미용해된 버블들을 용해시키기 위하여 안정화단계;를 포함할 수 있다. 안정화단계는, 순환수 내 미용해된 버블들이 순환수 내에 재용해될 수 있도록 순환수가 일정기간 머무를 수 있도록 하는 것으로서, 기존 포화장치에 비하여 설비 및 용량이 훨씬 축소된 안정화기(330)를 사용할 수 있다.

본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

1000 : 용존공기부상 장치
100 : 응집부
110 : 제1 혼화응집부
111 : 제1 난류형성 유도체
120 : 제2 혼화응집부
121 : 제2 난류형성 유도체
130 : 분리막
200 : 분리부
210 : 1차 부상조
220 : 2차 부상조
230 : 격벽
231 : 높이조절 웨어
232 : 분사 노즐
240 : 가이드 벽
300 : 순환수 공급라인
310 : 펌프
320 : 유입 배관
330 : 안정화기
400 : 혐기조
410 : 교반기
500 : 플록 반송라인
600 : 호기조

Claims (21)

1. 피처리수를 공급받아 플록을 형성 및 성장시키는 응집부; 저부에 구비된 노즐을 통해 미세 기포가 유입되고, 유입된 미세기포가 플록에 부착되면서 플록을 수면으로 부상시켜 제거하는 분리부; 및 분리부에 구비된 노즐로 공기가 용해된 순환수를 공급하는 순환수 공급라인;을 포함하는 용존공기부상(Dissolved Air Flotation, DAF) 장치에 있어서,
   응집부 전단에 배치되고, 내부에 교반기를 구비하여 피처리수를 교반하는 혐기조;
   분리부에서 제거된 플록을 반송하는 플록 반송라인; 및
   일측은 혐기조와 연결되고, 타측은 플록 반송라인과 연결되며, 저부에 구비된 노즐을 이용하여 플록 반송라인을 통해 반송된 플록에 미세기포를 공급한 후, 혐기조로 이송하는 호기조;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 용존공기부상 장치.
2. 제1항에 있어서, 응집부는,
   내부 공간에 제1 난류형성 유도체가 충전되어 투입된 피처리수에 1차적으로 플록을 형성시키기 위하여 고속 난류를 발생시키는 제1 혼화응집부; 및
   내부 공간에 제2 난류형성 유도체가 충전되어 제1 혼화응집부를 통과한 피처리수에 2차적으로 플록을 성장시키기 위하여 제1 혼화응집부에 비해 낮은 속도의 완속 난류를 발생시키는 제2 혼화응집부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 용존공기부상 장치.
3. 제2항에 있어서,
   제1 혼화응집부는 제2 혼화응집부의 상부 측 영역에 구비되어, 제1 혼화응집부를 통과하는 피처리수가 중력에 의해 제2 혼화응집부에 공급되는 것을 특징으로 하는, 용존공기부상 장치.
4. 제2항에 있어서,
   제1 난류형성 유도체는 여러 겹 적층된 메쉬(Mesh) 타입의 재료인 것을 특징으로 하는, 용존공기부상 장치.
5. 제2항에 있어서,
   제1 난류형성 유도체는 서로 얽혀 있는 복수 개의 섬유 다발인 것을 특징으로 하는, 용존공기부상 장치.
6. 제2항에 있어서,
   제2 난류형성 유도체는 복수 개의 폴링(Pall Ring) 타입의 재료인 것을 특징으로 하는, 용존공기부상 장치.
7. 제6항에 있어서,
   제2 혼화응집부는 폴링 타입의 재료가 충전된 형태의 단(stage)이 서로 분리되어 복수 개 구비되는 것을 특징으로 하는, 용존공기부상 장치.
8. 제7항에 있어서,
   복수 개의 단은 하류 측으로 갈수록 폴링 타입의 재료의 충전밀도(Packing Density)가 작아지도록 구비되는 것을 특징으로 하는, 용존공기부상 장치.
9. 제2항에 있어서, 응집부는,
   제1 혼화응집부와 제2 혼화응집부 간의 상이한 난류강도를 유지하기 위하여 제1 혼화응집부와 제2 혼화응집부를 구획하는 다공성의 분리막;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 용존공기부상 장치.
10. 제1항에 있어서, 분리부는,
    피처리수의 유동방향으로 연속적으로 직렬 배치된 복수 개의 부상조를 포함하며, 이웃한 부상조들은 격벽에 의하여 구획되고, 피처리수는 격벽 하부에 형성된 통로를 따라 이웃한 부상조로 이동하는 것을 특징으로 하는, 용존공기부상 장치.
11. 제10항에 있어서,
    격벽 상단에 부상한 스컴(scum)을 이웃한 부상조로 넘기기 위한 높이조절 웨어(adjustable weir)가 형성되는 것을 특징으로 하는, 용존공기부상 장치.
12. 제10항에 있어서,
    부상조의 저부에 미세기포를 상방으로 부상시키기 위한 가이드벽이 형성되며, 가이드 벽의 전면부와 후면부에 각각 미세기포가 유입되는 것을 특징으로 하는, 용존공기부상 장치.
13. 제10항에 있어서, 분리부는,
    플록의 응집 및 부상이 동시에 이루어지는 1차 부상조; 및
    1차 부상조를 통과한 피처리수에 포함된 플록을 재차 부상 및 제거하는 2차 부상조;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 용존공기부상 장치.
14. 제1항에 있어서, 순환수 공급라인을 통해 공급되는 순환수는,
    혐기조를 통과한 피처리수인 것을 특징으로 하는, 용존공기부상 장치.
15. 제1항에 있어서, 순환수 공급라인은,
    순환수를 가압하는 펌프; 및
    펌프 전단의 소정의 위치에 대기 공기가 유입되는 유입 배관;을 구비하는 것을 특징으로 하는, 용존공기부상 장치.
16. 제15항에 있어서, 유입 배관은,
    유입되는 대기 양을 조절하기 위하여 공기유량계 및 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는, 용존공기부상 장치.
17. 제15항에 있어서, 순환수 공급라인은,
    펌프 후단의 소정의 위치에 순환수 내 미용해된 버블들을 용해시키기 위한 안정화기를 구비하는 것을 특징으로 하는, 용존공기부상 장치.
18. 피처리수를 공급받아 플록을 형성 및 성장시키는 응집단계; 미세 기포를 공급한 후, 공급된 미세기포가 플록에 부착되면서 플록을 수면으로 부상시켜 제거하는 분리단계; 및 분리단계에서 미세 기포가 공급되도록 공기가 용해된 순환수를 공급하는 순환수 공급단계;를 포함하는 수처리 방법에 있어서,
    응집단계 전에, 혐기조건에서 피처리수를 교반하는 교반단계;
    분리단계에서 제거된 플록을 반송하는 반송단계; 및
    반송단계에서 반송된 플록에 미세기포를 공급한 후, 교반단계로 플록을 이송하는 이송단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수처리 방법.
19. 제18항에 있어서, 응집단계는,
    투입된 피처리수에 1차적으로 플록을 형성시키기 위하여, 내부 공간에 충전된 제1 난류형성 유도체를 이용하여 고속 난류를 발생시키는 제1 혼화응집단계; 및
    제1 혼화응집단계를 통과한 피처리수에 2차적으로 플록을 성장시키기 위하여, 내부 공간에 충전된 제2 난류형성 유도체를 이용하여 제1 혼화응집단계에 비해 낮은 속도의 완속 난류를 발생시키는 제2 혼화응집단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수처리 방법.
20. 제18항에 있어서, 분리단계는,
    플록의 응집 및 부상이 동시에 이루어지는 1차 부상단계; 및
    1차 부상단계를 통과한 피처리수에 포함된 플록을 재차 부상 및 제거하는 2차 부상단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수처리 방법.
21. 제18항에 있어서, 순환수 공급단계는,
    순환수 내 미용해된 버블들을 용해시키기 위한 안정화단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수처리 방법.
    
    
    

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