KR940004662B1 - 슬러지 침전특성 측정장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

슬러지 침전특성 측정장치

제1도는 본 발명의 개략도.

본 발명은 폐수처리장의 활성슬러지와 같은 플록을 형성하는 슬러지의 침전특성을 한번의 침전 실험으로부터 자동으로 측정하는 장치에 관한 것이다.

이 장치는 높이 700mm, 직경 100mm의 투명한 원통으로 되어있으며 광전소자들(형광 다이오드와 광 트란지스터)로 이루어진 감지기, 펌프, 소형전자계산기, 압축공기 분배기, 세척수 분배기, 감지기를 이동시키는 전동기와 변속장치, 전자변들로 구성되어 있다.

이 측정장치로 얻어진 침전모델의 매개변수들은 활성슬러지를 이용한 폐수처리장에 허용될 수 있는 폐수량, 폐수량이 정해져 있을때는 순환슬러지 비율을 정하는데 사용될 수 있으며, 침전조내에서의 슬러지의 농축비율, 침전조내에서의 슬러지층의 높이 변화 속도 등을 예측할 수 있다.

또한 현재 슬러지의 침전특성을 판별하는 기준으로 많이 사용되고 있는 슬러지 체적지수(SVI)보다 그 활용도가 높고 신속하게 측정될 수 있는 슬러지 침전 특성 판별기준을 얻는 것이다.

활성 슬러지를 이용하는 폐수처리장에서는 폭기조와 침전조의 기능이 상호간에 간섭이 심하기 때문에, 폐수처리장이 제기능을 잘하기 위해서는 슬러지가 유출수에 섞여 나오지 않아야 하며 침전조에서는 슬러지가 적당한 비율로 농축이 되어 폭기조에 재순환이 되어 폭기조내의 바이오매스 농도, 유기물질 농도를 적절하게 유지하고, 또 일정량의 슬러지는 뽑아 버려야 한다.

코우와 클레변저(1916)가 침전조 설계방법을 제시한 이래 고형물 한계 유속이론을 근거로 하여 여러가지 침전조 설계방법이 제시되었는데, 이러한 방법들을 적용하기 위해서는 슬러지의 침전모델을 알아야 하고, 그 모델의 매개 변수를 알아야 한다. 이러한 매개 변수들은 일반적으로 초기 침전속도들과 그에 상응하는 슬러지 농도들과를 상호 연관지어 얻어지게 되는데, 초기 침전속도를 측정하기 위해서는 하나의 슬러지 시료를 가지고 여러가지 서로 다른 농도의 시료로 나누어 유리 원통에 넣고 상징수와 슬러지 사이 계면이 내려가는 속도를 재고, 각 시료의 농도를 측정하기 위해서는 필터나 원심분리를 거친 후 105℃에서 건조시킨후 고형물의 무게를 측정해야 하기 때문에 자동화가 되기도 어렵고 시간도 많이 걸린다.

투명원통과 광전소자를 이용하여 슬러지 침전특성을 신속하게 측정 하기 위해서 시도된 것으로 이탈리아의 "VISER"가 있는데, 이것으로 농도가 묽은 슬러지의 초기 침전속도는 측정할 수 있으나 그 외에 침전모델의 매개 변수 등 필요한 정보를 얻을 수 없다. 일본의 SEKINE등(1988)도 투명 원통과 광전 소자를 이용하는 측정장치를 제안하였으나 역시 침전조의 운전에는 부족한 점이 많다.

그들은 광 분산을 이용하여 농도를 측정하고 상징수와 슬러지 계면의 높이를 측정하여 슬러지 체적지수(SVI)를 측정하였다. 그러나 광전소자를 이용하여 슬러지의 농도를 제는 것은 슬러지의 특성에 따라 오차가 많으며 또 SVI를 정확하게 얻었다 해도 폐수처리장의 모사나 시스템의 자동운전을 하기 위해서는 미흡하다. 따라서 본 발명에서는 투명 원통과 광전소자를 이용한 장치로 고형물 농도를 측정할 필요없이 한번의 침전 실험만으로 슬러지 침전 모델의 매개 변수를 신속히 얻을 수 있는 것을 특징으로 하며, 활성슬러지 시스템의 설계와 운전에 유익하게 사용될 수 있는 정보를 온-라인으로 얻을 수 있다. 따라서 이러한 정보는 생물화학 공정, 특히 폐수처리공정의 자동화에 이용될 수 있다. 이하 발명의 요지를 첨부 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

이 장치는 하부에 압축공기 분배기(2)와 상부에 살수장치(3)를 설치한 높이 70cm 이상, 내경 10cm 이상의 투명 원통(1)으로 되어 있다.

원통 외부에는 광전 소자들(두개의 형광 다이오드(4)와 두개의 광 트랜지스터(5)로 이루어진 슬러지와 상징수 계면 측정 장치가 경우에 따라 회전방향이 바뀌는 전동기(6)에 의하여 원통 측면을 따라 수직방향으로 상하로 움직이도록 설치된다.

활성슬러지는 모이노펌프(7)에 의하여 원통 속으로 보내어 진다. 그리고 하나의 소형컴퓨터(8)가 전자변(9)(10)(11)(12) 및 펌프, 그리고 전동기 운전에 사용되고, 계면 측정 장치에서 얻어진 자료를 처리하여 침전 모델의 매개변수, 슬러지 침전 특성 판별 기준 등을 계산한다. 계면 측정장치의 지지대 상하에 접촉스위치(14)를 설치하여 만일의 경우에 대비하여 안전을 도모하였다. 운전방법 및 각 필요한 정보를 계산하는 방법을 설명하면 다음과 같다. 전자변(9)를 열고 펌프(7)를 가동시켜 활성슬러지를 원통속에 보내어 계면 측정장치가 놓여 있는 위치까지 채운다.

슬러지가 측정장치의 소자위치에 도달하면 펌프가 멈추고 전자변(9)는 잠기고 전자변(11)이 열리어 압축 공기가 공급되어 1분 동안 원통내부를 균일화 시킨다. 균일화가 끝나면 계면 측정장치는 정해진 첫번재 높이 H₁으로 내려와 슬러지와 상징수와의 계면이 H₁에 도달하기까지 기다린다. 슬러지와 상징수 사이의 계면이 H₁에 도달하면 그때까지 걸린 시간을 t₁이라하면 저장하고 다음 정해진 위치 H₂에 이동하여 t₂를 얻는다. 이와같은 방법으로 (H_j,t_j)의 데이타를 얻은 다음 측정이 끝나면 전자변(10)을 열어 원통에 들어있는 시료를 버리고 전자변(12)를 열어 세척수를 원통에 살수시켜 원통벽에 묻어있는 고형물을 씻어낸다.

동시에 계면 측정 감지기는 원래의 위치 H₀에 되돌려 놓는다. 이로써 1회의 측정이 끝나는 동시에 침전모델의 매개변수는 다음과 같이 얻어진다.

침전 초기에 혼합 균일화가 끝난 다음 침전이 시작되기전 슬러지의 안정이 이루어질 때까지 느리게 침전이 되며 이 기간이 지나면 슬러지는 점점 농축이 되며 계면의 하강속도는 감소한다.

따라서 침전 초기의 지연 현상을 Hultman과 Hultgren(1980)의 방법에 의하여 수정한 다음 H_j=f(t_j) 커브의 각 시점에서의 접선의 기울기를 구하면 슬러지 계면의 하강 속도를 구할 수 있다.

V_j=dH_j/dt_j

다음에 Kynch의 침전 이론을 적용하여 각 계면의 슬러지 농도와 초기 슬러지 농도와의 비를 R이라하면 R은 다음과 같이 된다.

R_j=H₀/(H_j-V_jt_j)=x_j/x₀

따라서 (V_j,R_j)를 얻을 수 있다. 이들 N쌍의 데이타(V_j,R_j)로부터 최소자승법을 이용하여 침전 모델의 매개변수를 계산한다.

power model(V=k.x^-n)의 경우

V_j=k.x^-n _j=k.(x₀.R_j)^-n=V₀.R^-n

따라서 지수n과 초기 침전 속도 V₀를 얻는다.

exponential model(V=k.exp(-n.x)의 경우,

V_j=k.exp(-n.x_j)=k.exp(-n.x₀.R_j)

여기에서 k와 n.x₀을 얻고, V₀=k.exp(-n.x₀)가 된다.

pseudo-fluid model(V=k.expp(-n.x)/x)의 경우,

V_j=k.exp(-n.x_j)/x_j=(k/x₀)exp(-n.x₀.R_j)/R_j

따라서 n.x₀, k.n을 얻고, V₀=(k/x₀).exp-n.x₀)가 된다.

이런 매개변수들의 값을 얻으면 활성슬러지를 이용한 폐수처리 공정에서는 다음과 같은 값을 계산하여 필요에 따라 공정의 설계나 운전에 사용할 수 있다.

1) 이차 침전조에서 수용할 수 있는 최대 허용 유량과 최소 순환슬러지 비율 고형 물질이 상징수 쪽으로 섞여 나가지 않도록 운전할 수 있는 최대 허용유량은 한계유속이론을 적용하여 다음과 같이 표시된다.

power model의 경우

여기서 α : 슬러지 순환비율, A : 침전조표면적, Q : 폐수량

exponential model의 경우

여기에서

그 외의 범위에서는

pseudo-fluid model의 경우

따라서 위와 같은 방법으로 폐수처리장에 받아들일 수 있는 최대유량을 결정할 수 있으며, 유량이 결정되었을때에는 운전 가능한 최소의 순환슬러지 비율을 알아내어 슬러지 순환에 드는 비용을 최소화 할 수 있다.

2) 이차 침전조내에서 슬러지 농축 비율 계산

이차 침전조에서는 고형물이 상징수에 섞여 나가지 않도록 하는 기능도 중요하지만 활성슬러지를 농축시켜서 폭기조로 순환시킴으로써 폭기조 내의 활성슬러지 농도를 조절시켜 주는 기능도 중요하다. 이차침전조 안에서 활성슬러지의 농축비율(C)은 다음과 같이 계산될 수 있다.

power model을 쓸 때

exponential model을 쓸 때

이때 r은 다음 식으로부터 얻어진다.

그 외의 범위에서는

pseudo-fluid model을 쓸 때

그 외의 경우

여기에서 β는 슬러지 폐기율

그러나 이차 침전조에 유입되는 활성슬러지 유속(flux)이 이차 침전조 내의 한계유속보다 작을때는 언제나 C=(1+α)/(α+β)로 된다.

3) 이차 침전조 내에서 활성슬러지 층의 증감속도

침전조 내에서 활성슬러지의 체류시간이나 체류량 등을 조절한다든가 폐수처리공정을 운전할때 침전조 내의 활성슬러지 층의 높이 변화는 중요성을 가진다. 이 측정장치를 사용하여 활성슬러지 층의 높이 변화 속도도 다음과 같이 즉시 알 수 있다.

power model을 쓸 때

exponential model을 쓸 때

pseudo-fluid model을 쓸 때

4) 슬러지 침전특성 판별 기준

일반적으로 활성슬러지의 침전특성을 판별하기 위하여 슬러지 체적지수(Sludge volume Index ; SVI)를 사용한다. 만약 슬러지 체적지수가 100보다 작으면 침전특성이 좋다고 하고, 이 값이 150보다 크면 침전특성이 나쁘다고 한다. 이 슬러지 체적지수는 1ℓ들이 유리 원통에 활성슬러지 시료를 넣고 30분 동안 침전시킨후 슬러지가 차지하는 부피를 슬러지의 초기 농도로 나눈 수치로, 이 농도를 구하기 위해서는 앞에서 설명한 바와 같이 자동 측정이 어렵고, 부정확하며 시간이 많이 요구된다.

또한 이 값을 구하였다 하여도 이 값으로는 직접적으로 폐수처리장의 침전장치에서 침전이 어떻게 될 것인지 추측하기가 쉽지 않다.

본 발명에서는 상기 설명한 측정장치를 이용하여 한번의 침전 시험이 끝나면 취득한 침전모델의 매개변수를 이용하여 슬러지의 농도를 알 필요없이 침전조의 기능을 고려하여 한계유속 이론으로부터 정의되는 폐수 처리장의 허용되는 최대유속(maximum flux)을 MF라고 하고 이 값을 판별기준으로 다음과 같이 정의한다.

예를 들면 어느 슬러지의 판별 기준을 측정하여 1.5m/hr가 얻어졌다면 이 슬러지의 침전특성은 보통이며 침전조 상부, 즉 정수기(clarifier) 부분에서 flux를 최대로 1.5m/hr되도록까지 폐수를 처리하여도 슬러지 즉 고형물이 상징수 쪽으로 섞여 나가지는 않는다는 것을 의미한다.

그러므로 슬러지 체적지수보다 더 짧은 시간에 침전조의 운전에 더욱 참고가 될 수 있는 슬러지 침전특성을 자동적으로 얻을 수 있다고 할 수 있다.

각 침전 모델의 대하여 침전특성 판별 기준은 슬러지 순환비율을 1로 정하여 아래와 같이 표시될 수 있다.

power model

exponential model

peuso-fluid model

이상과 같이 된 본 발명으로 폐수의 슬러지 침전특성을 효율적으로 측정함으로써 폐수처리의 기준을 확립하여 해당산업분야에서 널리 활용할 수 있는 것이다.

Claims (1)

1. 높이 50cm 이상, 직경 5cm 이상의 투명한 원통(1)의 하부에는 압축공기 분배기(2), 상부에는 살수장치를 설치하고 원통의 외부에는 두개 이상의 형광 다이오드(4)와 두개 이상의 광 트랜지스터(5)로 이루어진 슬러지 계면측정장치로 이루어지며 이 계면측정장치는 자동적으로 회전 방향이 바뀌는 전동기(6)에 의하여 상하로 움직이게 하거나 또는 여러개의 계면측정장치를 원통벽에 고정시키고, 슬러지의 공급을 위한 펌프 (7) 및 각 전자변(9)(10)(11)(12)들이 자동조절되어 한번의 침적 측정 실험으로 슬러지의 농도에 대한 정보 없이 침전 모델의 매개 빈수를 얻는 것을 특징으로 하는 슬러지 침전특성 측정장치.

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