KR100869304B1 - 하·폐수 고도 처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하·폐수 내의 질산성 질소를 탈질 처리하는 제1무산소조와, 상기 제1무산소조에 연결되어 유기물의 산화 및 질산화가 일어나는 호기조와, 상기 호기조에 연결되어 질산성 질소를 추가로 탈질 처리하는 제2무산소조와, 상기 제2무산소조에 연결되어 잔류 유기물을 산화시키고, 질산화가 일어나며, 처리수와 미생물의 고액 분리가 일어나는 막분리호기조와, 상기 막분리호기조 내에 설치되어, 처리수와 슬러지를 분리시키는 분리막과, 상기 제1무산소조 전단에 설치하여 일부 질산성 질소 및 잔류 용존산소를 제거하는 슬러지탈질조와, 상기 호기조 내의 활성슬러지를 상기 슬러지탈질조로 반송하는 제1반송라인과, 상기 막분리호기조 내의 활성슬러지를 상기 호기조로 반송하는 제2반송라인을 포함하여 구성되며, 상기 막분리호기조에서 발생하는 과량의 공기를 제2반송라인을 통해 활성슬러지와 함께 호기조로 반송시킴으로써 호기조에 투입되는 공기량을 감소시켜 송풍기 설비의 가동 동력을 줄일 수 있으며, 또한, 막분리호기조와 호기조를 제2반송라인을 통해 연결함으로써 호기조내에서 질산성 미생물이 용존산소를 이용하여 질산화시키고, 제1반송라인을 통해 다시 슬러지탈질조로 내부반송함으로써 탈질효율을 높이는 것을 특징으로 하는 하·폐수수 고도 처리장치에 관한 것이다.

하·폐수 처리, 호기조, 무산소조, 막분리호기조, 분리막, 슬러지탈질조, 반송라인

Description

하·폐수 고도 처리장치{HIGH EFFECTIVE TREATMENT APPARATUS OF SEWAGE AND WASTEWATER}

본 발명은 침지형 분리막을 이용한 하·폐수 고도 처리장치에 관한 것으로, 구체적으로는 제1무산소조, 호기조, 제2무산소조, 막분리호기조를 거치면서, 하·폐수 내의 질소와 인, 유기물을 반복적으로 정화하여 정화효율을 높이는 하·폐수 고도 처리장치에 관한 것이다.

물은 지구상의 모든 생물의 생명을 유지하는 필수 물질이며, 물의 순환을 통하여 지표면에 눈이나 비로 강하하는데 우리나라에서는 지역 또는 계절에 따라 강우량이 편중되어 유한한 자원으로 간주되고 있다. 인간이 사용하고 버린 더러운 물은 자연의 원리인 자정작용으로 깨끗이 정화되고 다시 자연계로 돌아가 생태계를 유지하는 역할을 담당하였으나 산업혁명이후에는 인구집중에 따른 도시화, 산업의 발달로 인하여 수질오염은 심각해졌고, 이에 따라 경제적으로 하·폐수를 재활용할 수 있는 방안에 대한 적극적인 개발의 필요성이 커지고 있다.

하·폐수의 재활용에 있어서 중요한 점은 재활용되는 하·폐수 내의 질소, 인 및 유기물 등의 함유량과, 물의 탁도, pH 등을 필요한 수준으로 처리하고, 병원 성 미생물을 제거하여 환경공학적으로 안정하도록 처리하는 일이다.

주로 농업용 비료, 사람이나 가축의 분뇨, 합성세제로부터 발생되는 질소나 인이 수계로 유입되면, 부영양화, 연안의 적조현상, 암모니아의 어류독소, 수중의 용존산소결핍 등을 야기하게 되며, 상수 중의 암모니아는 염소요구량을 증가시키고, 질산성 질소가 음용수 중에 높은 농도로 존재하는 경우 청색증와 같은 질병을 유발하여 건강에 영향을 주기도 한다. 또한 질소·인 등의 상수원 유입으로 인한 조류의 과잉성장으로 수돗물의 맛과 냄새 등에서 불쾌감을 일으킬 우려가 있고, 정수공정인 모래 여과지의 막힘 현상을 유발하며, 남조류가 과잉 번식한 경우, 독성 물질을 생성하여 사람의 건강에 장애를 주기도 한다.

이와 같이, 수계로의 질소·인 유입은 정수비용의 증가에 따른 경제적인 손실발생, 공중보건상 안전하고 깨끗한 수자원확보의 어려움 등의 문제를 유발시키며, 따라서 수계로의 영양염류 유입을 차단하는 것이 가장 근원적인 해결책이므로 하·폐수 및 축산폐수에서 유기물의 제거와 더불어 질소·인의 처리가 더욱 강조되고 있는 실정이다.

이러한 질소와 인의 처리를 위해서, 생물학적 처리공정과, 병원성 미생물 및 부유물질 등에 대한 처리를 위한 분리막을 결합한 MBR(Membrane Bio-Reactor) 공정이 개발되었다.

종래의 MBR 공정은 유기물을 이용하여 질산성 질소를 탈질화 하는 무산소조와, 암모니아성 질소를 질산성 질소로 변화시키는 호기조로 구성되며, 상기 호기조 내에서 분리막을 통과하여 유기물을 제거한 처리수는 저장탱크로 이송되고, 상기 호기조로부터 슬러지가 혼합된 물은 상기 무산소조로 반송된다.

생물학적으로 질소를 제거하기 위하여 대부분의 공정에서는 무산소조, 호기조 순으로 반응조를 배치하고, 호기조에서 발생되는 질산성 질소를 내부 반송펌프 및 배관을 이용하여 무산소조로 이송한다. 하·폐수 내의 유기물량은 제한적이므로, 유입되는 유량의 3∼4배 이내만 추가적인 탈질처리를 위하여 내부 반송되고 나머지는 처리수로 배출되는 것이 일반적이다.

질소제거율은 반응조의 수온, 미생물 농도, 유입수의 성상, 시간, 계절 등에 의해서 크게 영향 받으므로, 처리수의 질소 농도를 규제치 이하로 제어하는 것은 매우 어려우며, 따라서 규제치를 상회하는 경우는 1차적으로 무산소조에 외부 탄소원을 추가로 투입하여 탈질율을 향상시키고 호기조에서 내부반송량을 조절하여 제한적으로 질소를 제거한다. 그러나, 근본적으로 호기조에서 내부 반송되고 남은 질산성 질소는 처리수로 유출되기 때문에 질소제거에 있어 그 한계성을 내포하고 있다. 따라서 유입수의 C/N비가 매우 낮거나, 질소 5mg/L 이하, 인 0.5mg/L 이하 연중상시 안정적 처리가 요구되는 경우, 기존 질소, 인 제거 공정만으로는 처리가 어렵고 추가적인 공정이 필요하며 이에 따라 설치비와 운영비가 추가로 소요된다.

본 발명은 상기와 같이 종래 침지식 분리막 공정에서 내부반송라인에 과량의 용존산소가 포함되는 문제점과 생물학적 질소처리의 한계를 극복하기 위하여 개발된 것으로써, 기존 호기조에 필요한 공기량을 최소화하여 송풍기 설비의 가동동력 을 줄일 수 있고, C/N비가 낮아도 처리수의 질소를 목표수질까지 처리할 수 있으며, 추가의 시설을 설치할 필요 없이 고효율의 질소, 인 및 유기물 제거 효과를 얻을 수 있는 하·폐수수 고도 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 침지식 분리막을 포함하는 생물학적 고도처리 장치로서, 하·폐수 내의 질산성 질소를 탈질 처리하는 제1무산소조(110)와; 상기 제1무산소조(110)에 연결되어 유기물 산화 및 질산화가 일어나는 호기조(120)와; 상기 호기조(120)에 연결되어 질산성 질소를 추가로 탈질 처리하는 제2무산소조(130)와; 상기 제2무산소조(130)에 연결되어 잔류 유기물을 산화시키고, 질산화가 일어나며, 처리수와 미생물의 고액 분리가 일어나는 막분리호기조(140)와; 상기 막분리호기조(140) 내에 설치되어, 처리수와 슬러지를 분리시키는 분리막(150)과; 상기 제1무산소조(110)에 연결되어 일부 질산성 질소 및 잔류 용존산소를 제거하는 슬러지탈질조(160)와; 상기 호기조(120) 내의 활성슬러지를 상기 슬러지탈질조(160)로 반송하는 제1반송라인(170); 및 상기 막분리호기조(140) 내의 활성 슬러지를 상기 호기조(120)로 반송하는 제2반송라인(180)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 하·폐수는 상기 슬러지탈질조(160) 및 제1무산소조(110)로 분배되어 유입될 수 있도록 구성된다.

한편, 수중의 질소와 인의 제거 기작에 관하여 살펴보면, 수중에서 질소는 단백질, 아미노산, 요소와 같은 유기질소, 암모니아성 질소, 아질산성 질소 및 질 산성 질소의 상태로 존재하게 된다. 수중에 오염된 유기질소는 미생물의 작용에 의하여 암모니아성 질소로 분해되고 다시 아질산성 질소를 거쳐 질산성 질소로 산화하게 되는데 수중에 살고 있는 미생물은 암모니아성 질소, 아질산성 질소와 질산성 질소 등 무기질소를 영양염류로 이용하여 증식하게 된다. 본 발명에 있어서, 호기조와 막분리호기조는 호기환경을 제공하는 반응조로서, 암모니아성 질소를 질산성 질소로 분해한다. 본 발명에서 제1무산소조, 제2무산소조, 슬러지탈질조는 혐기환경을 제공하는 반응조로서, 질산성 질소를 탈질화하여 질소를 제거하는 역할을 한다.

수중에서, 인은 단백질, ATP 등과 같은 유기계 인, 정인산계 인 및 다인산계 인의 형태로 존재한다. 이와 같은 인은 수중에서 인산염으로 전환되어 조류가 이용하게 되는데 그 양이 지나치게 많으면 조류의 과잉성장으로 COD가 증가하여 수질오염을 가중시키게 된다. 본 발명에서는, 제1무산소조, 제2무산소조, 슬러지탈질조의 혐기환경과 막분리호기조에서 부분적으로 인이 제거되며, 호기조에서 생물학적, 화학적 방법으로 대부분의 인이 제거된다.

이상에서 설명한 것처럼, 본 발명에 따른 하·폐수 고도 처리장치에 의하면, 제1, 2반송라인을 통하여 유입수 내의 질소를 반복적으로 처리함으로써 유입수 내의 C/N비가 낮더라도 처리수의 질소를 5mg/L 이하로 제어할 수 있는 장점이 있다.

또한, 장치의 구성상 별도의 침전지나 후속의 여과장치를 요하지 않으므로 하·폐수수 처리장치의 크기를 줄일 수 있고, 이에 따라 장치 설치를 위한 사용부 지를 최소화시킬 수 있다.

또, 막분리호기조내에 설치된 분리막 표면으로부터 슬러지의 부착을 방지하기 위해 하부산기관을 통해 주입한 과량의 공기를 제2반송라인을 통해 활성슬러지와 함께 호기조로 반송시킴으로써 호기조에 투입되는 공기량을 감소시켜 송풍기 설비의 가동 동력을 줄일 수 있다.

또, 막분리호기조와 호기조를 제2반송라인을 통해 연결하여 반송함으로써 호기조내에서 질산성 미생물이 용존산소를 이용하여 질산화를 시키고, 제1반송라인을 통해 다시 슬러지탈질조로 내부반송함으로써 탈질효율 극대화를 도모할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 하·폐수 고도 처리장치의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 하·폐수 고도 처리 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 개념도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 하·폐수 고도 처리 장치(100)는, 제1무산 소조(110)와, 호기조(120)와, 제2무산소조(130)와, 막분리호기조(140)와, 분리막(150)과, 슬러지탈질조(160)와, 제1반송라인(170) 및 제2반송라인(180)으로 이루어진다.

먼저, 제1무산소조(110)는 하·폐수 내의 질산성 질소를 탈질 처리한다.

그리고, 호기조(120)는 제1무산소조(110)에 연결되어 유기물 산화 및 질산화가 일어난다.

또한, 제2무산소조(130)는 호기조(120)에 연결되어 질산성 질소를 추가로 탈질 처리한다.

또, 막분리호기조(140)는 제2무산소조(130)에 연결되어 잔류 유기물을 산화시키고, 질산화가 일어나며, 처리수와 미생물의 고액 분리가 일어난다.

한편, 분리막(150)은 막분리호기조(140) 내에 설치되어, 처리수와 슬러지를 분리시킨다.

그리고, 슬러지탈질조(160)는 제1무산소조(110)에 연결되어 일부 질산성 질소 및 잔류 용존산소를 제거한다.

또한, 제1반송라인(170)은 호기조(120) 내의 활성슬러지를 슬러지탈질조(160)로 반송한다.

또, 제2반송라인(180)은 막분리호기조(140) 내의 활성 슬러지를 상기 호기조(120)로 반송한다.

그리고, 제1무산소조(110)에는 하·폐수가 유입되기 전에 하·폐수 내에 포함된 협잡물을 걸러내는 스크린(101)을 구비한 스크린조(102)가 더 구비될 수 있 다.

또한, 본 발명에 따른 하·폐수 고도 처리 장치(100)는 스크린조(102)를 통과한 하·폐수가 슬러지탈질조(160) 및 제1무산소조(110)로 유입되도록 하는 유입관(103)과, 유입관(103)으로부터 슬러지탈질조(160) 및 제1무산소조(110)로 유입수를 분배·조절하는 유입밸브(104)를 더 구비할 수 있다.

호기조(120)와 막분리호기조(140)에는, 송풍기(105)가 연결되어 있어 상기 호기조(120)와 막분리호기조(140) 내에 산소를 공급하는 산기장치가 각각 구비될 수 있으며, 슬러지탈질조(160), 제1무산소조(110) 및 제2무산소조(130)에는, 일측에 사공간이 생기는 것과 슬러지가 하부에 침적되는 것을 방지하는 수중 교반기(106)가 각각 구비될 수도 있다.

도면중 미설명 부호인 109는 막분리호기조(140) 내의 슬러지를 인발하는 슬러지 인발 펌프이다.

이하, 본 발명에 따른 하·폐수 고도 처리 장치를 이용한 하·폐수 정화과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 하·폐수를 스크린(101)을 구비한 스크린조(102)에 통과시킨다. 상기 스크린조(102)에는 하·폐수 내에 포함된 모래 또는 자갈 등의 협잡물을 걸러내는 스크린(101)이 구비되어 제1무산소조(110)와 슬러지탈질조(160)에 유입되기 전에 하·폐수의 오염물질을 걸러내는 역할을 한다. 상기 스크린(101)의 간격은 보통 1∼2mm이며, 스크린(101)의 형태나 간격은 제한이 없다.

상기 스크린조(102)를 통과한 하·폐수는 유입관(103)을 통하여 상기 슬러지 탈질조(160) 및 제1무산소조(110)로 유입되어 처리과정을 거치며, 계속해서 호기조(120), 제2무산소조(130) 및 막분리호기조(140)로 유입되어 반복 처리된다. 상기 유입관(103)은 상기 스크린조(102)를 통과한 하·폐수를 슬러지탈질조(160)와 제1무산소조(110)로 분할하여 유입할 수 있도록 구성되고, 각각의 유입관(103)에는 유입되는 하·폐수의 수량을 조절하는 유입밸브(104)가 설치된다.

또한, 본 발명에 있어서, 슬러지탈질조(160) 내에는 수위를 측정하는 수위 측정 센서(107)가 구비될 수 있는데, 상기 수위 측정 센서(107)에 의해 측정된 수위값과 미리 설정된 수위값에 따라 상기 유입관(103)상에 설치된 유입밸브(104)를 제어하여 제1무산소조(110)와 슬러지탈질조(160) 내로 유입되는 하·폐수의 수량을 조절하는 제어부(미도시)가 더 구비될 수 있다.

상기 스크린조(102)를 거쳐 제1무산소조(110)로 하·폐수수가 유입되면, 상기 제1무산소조(110)에서는 하·폐수수 내의 탄소원을 이용하여 질산성 질소를 질소가스로 분해·처리하는 탈질과정을 거침으로써 질소성분을 제거하는 반응이 일어난다.

또한, 호기조(120)에서 내부 반송된 질산성 질소는 제1반송라인(170)에 포함되어 있는 잔류 용존산소 농도를 낮추기 위해 슬러지탈질조(160)를 거쳐 제1무산소조(110)에서 탈질화하여 제거되고 일부 유기물의 산화 반응도 일어나는데, 이에 따라 대부분의 유기물은 제1무산소조(110)와 호기조(120)를 거치며 제거된다. 이때, 제1무산소조(110) 내에 형성되는 사공간과, 슬러지의 하부 침적을 방지하기 위하여 제1무산소조(110) 내에는 수중 교반기(106)를 설치하는 것이 바람직하다.

상기 호기조(120)에는 제1무산소조(110)로부터 미처리수가 유입되며, 상기 호기조(120)에서는 유입된 미처리수 내의 유기물이 산화되는 반응과 암모니아성 질소가 질산성 질소로 변하는 질산화 반응이 동시에 일어난다.

또한, 상기 호기조(120) 내에서는 인의 제거 반응이 일어나는데, 미처리수 내의 미생물을 이용하여 생물학적으로 인을 제거하며, 이러한 생물학적 방법만으로 미처리수 내의 인 농도가 목표 농도에 미치지 못할 경우, 호기조(120)에 직접 응집제를 주입하여 화학적 방법으로 인을 제거함으로써 목표수질을 달성할 수 있다.

또, 상기 호기조(120)에는 송풍기(105)가 연결되어 있어 상기 호기조(120) 내에 산소를 공급하는 산기장치가 구비되며, 상기 송풍기(105)와 연결된 산기장치에서 발생된 기포는 호기조(120) 내에 용존산소를 공급하여 질산화 반응을 촉진시키는 역할을 수행한다.

상기 호기조(120)에서 처리된 미처리수는 제2무산소조(130)로 유입된다. 제2무산소조(130)에서는 내생탈질 또는 외부 탄소원을 이용하여 상기 호기조(120)로부터 유입된 질산성 질소를 제거하므로, 외부 탄소원 투입량에 따라, 처리수의 질소농도를 제어할 수 있다. 이 경우, 제2무산소조(130)에도 제1무산소조(110)에서와 같이, 사공간이 형성되는 것과 슬러지 제2무산소조(130)의 하부에 침적되는 것을 방지하기 위하여 수중 교반기(106)가 구비되는 것이 바람직하다.

이와 같이, 상기 호기조(120)에 연결되는 제2무산소조(130)를 구비함으로써, 제1무산소조(110)에서 제거하지 못한 질산성 질소를 추가적으로 탈질할 수 있어, 고효율의 질소 제거가 가능하다.

상기 제2무산소조(130)에서 탈질 처리된 미처리수는 막분리호기조(140)에 유입된다.

상기 막분리호기조(140) 내에는 다수의 미세막이 구비된 분리막(150)이 설치되는데, 유입수는 상기 분리막(150)의 하부로부터 상부로 통과하면서 미세막에 의해 수중의 입자성 물질이 걸러지고, 추가적인 유기물 제거 반응과, 질산화 및 탈인 처리반응이 일어난다.

상기 분리막(150)의 상부에는 상기 분리막(150)을 통과한 처리수를 유출관을 통하여 처리수 탱크로 이동시키는 여과펌프(108)가 구비된다.

이때, 상기 막분리호기조(140)의 하단 또는 상기 분리막(150)의 하단에 산기장치가 설치될 수 있다. 상기 산기장치는 송풍기(105)와 연결되어, 막분리호기조(140) 내에 기포를 발생시킴으로써 용존산소를 공급하여 질산화 반응을 촉진시키는 역할을 한다. 또한, 분리막(150)의 하부에서 상부로 통과하면서 상기 분리막(150)의 막표면에 슬러지가 부착되는 것을 방지한다. 상기 막분리호기조(140)에 연결되는 송풍기(105)는 상기 호기조(120)에 연결된 송풍기(105)와 동일 라인으로 연결하거나 복수의 라인으로 연결할 수 있다.

상기한 바와 같이, 막분리호기조(140)의 미처리수는 제2반송라인(180)을 통해 호기조(120)로 반송된다. 상기 막분리호기조(140)에서 발생한 과량의 용존산소를 호기조(120)로 반송함으로써 호기조(120)내 질산성 미생물에 필요한 용존산소의 일부를 보충할 수 있기 때문에 호기조(120)에 산소 공급을 위한 송풍기 가동 전력을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 하·폐수 고도 처리 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 개념도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : 제1무산소조 120 : 호기조

130 : 제2무산소조 140 : 막분리호기조

150 : 분리막 160 : 슬러지탈질조

170 : 제1반송라인 180 : 제2반송라인

Claims (2)

1. 침지식 분리막을 포함하는 생물학적 고도처리 장치로서,

   하·폐수 내의 질산성 질소를 탈질 처리하는 제1무산소조(110)와;

   상기 제1무산소조(110)에 연결되어 유기물 산화 및 질산화가 일어나는 호기조(120)와;

   상기 호기조(120)에 연결되어 질산성 질소를 추가로 탈질 처리하는 제2무산소조(130)와;

   상기 제2무산소조(130)에 연결되어 잔류 유기물을 산화시키고, 질산화가 일어나며, 처리수와 미생물의 고액 분리가 일어나는 막분리호기조(140)와;

   상기 막분리호기조(140) 내에 설치되어, 처리수와 슬러지를 분리시키는 분리막(150)과;

   상기 제1무산소조(110)에 연결되어 일부 질산성 질소 및 잔류 용존산소를 제거하는 슬러지탈질조(160)와;

   상기 호기조(120) 내의 활성슬러지를 상기 슬러지탈질조(160)로 반송하는 제1반송라인(170); 및

   상기 막분리호기조(140) 내의 활성 슬러지를 상기 호기조(120)로 반송하는 제2반송라인(180)을 포함하는 것을 특징으로 하는 하·폐수 고도 처리장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 하·폐수는,

   상기 슬러지탈질조(160) 및 제1무산소조(110)로 분배되어 유입될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 하·폐수 고도 처리 장치.

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