KR100990162B1 - 대수층을 이용한 강변여과수의 탈질방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강변 여과수의 탈질방법 관한 기술로서 더욱 자세하게는 강변의 지하 대수층에 수소가스를 공급하여서, 대수층에 있는 자갈이나 모래의 입자에 탈질세균을 증식시키고, 이 세균의 탈질작용을 이용하여 혐기상태에 있는 대수층내의 강변여과수중에 용해되어 있는 질산성 질소를 탈질하기 위한 것이다.

본 발명은 이를 위하여, 강변의 둔치에 수직 우물통을 설치하고 이 수직우물통의 하부 대수층에 방사상으로 수평 집수관을 설치하고, 이 수평 집수관내에 다공성 산기배관을 설치하고, 이 다공성 산기배관에 수소가스를 공급하여 이 수소가스가 대수층을 통하여 상승하면서 대수층내의 강변여과수에 용해되도록 하였다.

지하에 있는 대수층은 혐기상태이므로 강변여과수에 질산성 질소(NO₃-N)가 용해되어 있으면, 탈질세균이 수소가스를 전자공여체로 이용하면서 질산성 질소를 질소가스로 전환시켜서 탈질을 한다.

탈질세균은 대수층내의 모래나 자갈에 부착하여 증식 성장하며, 탈질세균의 량은 대수층내의 질산성질소를 탈질 하는데 충분하게 확보된다.

강변 여과수, 대수층, 수소가스, 수평 집수관, 다공성 산기배관, 탈질.

Description

대수층을 이용한 강변여과수의 탈질방법 및 장치{Denitrification method and apparatus of bank filtered water by use of aquifer.}

본 발명은 강변여과수의 처리에 관한 기술로서 더욱 상세하게는 질산성 질소를 포함한 강변여과수를 대수층에 수소가스를 공급하여 탈질하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

종래의 수돗물은 주로 강이나 하천, 호소, 댐 등의 물을 원수로 하여 정수장에서 물리 화학적 처리를 하여 수돗물로 사용하였다.

그러나 환경오염이 진행됨에 따라 원수의 수질도 악화되는 경향에 있어서, 고도처리 등 많은 투자를 하고 있지만 아직도 국민들이 수돗물에 대하여 신뢰가 낮은 것이 작금의 현실이다.

그리고 산업발전과 생활수준의 향상으로 수돗물 소비량이 늘어서, 일부 지방 도시에서는 상수원수의 확보가 용이한 대형 저수지나 하천이 없어서 상수원수를 확보하기 어려운 곳도 있고, 더 좋은 원수를 사용한 수돗물에 대한 수요도 계속되고 있어 강변 여과수 정수장이 증가하는 추세에 있다.

강변 여과수는 지표수에 비하여 수온이 일정하고, 미생물 작용으로 질산화가 일어나서 암모니아성 질소가 적으며, 수질의 변동이 적으며, 강물 오염시에도 미생물 분해, 흡착등으로 인해 상당량 정화가 이루어져서 원수의 수질이 양호하다.

반면에 원수 중에 일반적으로 철이나 망간이 다량 포함되어 있고, 지역에 따라서는 질산성 질소의 농도도 높은 경우가 있다.

철이나 망간의 제거는 통상적으로 염소에 의한 산화나 이산화망간에 의한 산화가 효과도 좋고 반응속도도 빠르나 염소에 의한 산화는 발암물질인 트리할로메탄이나 그 전구물질을 생성할 가능성이 있고, 이산화망간에 의한 산화는 처리 비용이 상승하고 인공적 화학약품을 사용한다는 점에서 심리적 저항이 있을 수 있고, 상수도 원수와 같이 질산성 질소는 다량 포함되어 있으나 탈질에 필요한 유기물이나 다른 전자공여체가 전혀 없는 경우는 메탄올 주입과 함께 미생물을 이용하여 질소를 제거하거나, 황 탈질, 이온 교환 탈질법을 써서 제거하기도 하는데 전자는 고가의 메탄올이라는 유기물을 다량 주입하여야 하므로 처리비용이 비싸고 과다 투입 시 인체에 해로운 메탄올이 후속 공정에 남는 문제가 있고, 황 탈질의 경우는 처리수중에 다량의 황산기(SO₄ ^2- )가 잔류하게 되어 수돗물처리에는 부적합하며, 이온 교환 탈질법은 설비비의 고가, 이온 교환수지 재생 액의 처리문제와 운전비용이 과다한 경제적인 문제가 있어 실제 적용이 어려운 문제가 있다.

질산성 질소가 다량 포함된 강변 여과수에 수소를 공급하는 방법으로는 산소 포기에 널리 쓰이는 미세 기포 산기관을 사용하여 수소가스를 물에 용해시키는 방법이 있으나, 이렇게 하면 대기압 상온하에서 물의 수소가스 포화농도는 2mg/L로 낮아서 물에 용해가 잘 안되므로, 공급한 수소가스의 대부분이 공기 중으로 방출되어 비경제적이고, 폭발성이 있는 수소가스가 처리장내의 반응조 실내 대기 중으로 방출되면 폭발사고의 위험이 있어, 운전 및 유지관리가 어려운 문제가 있었다.

본 발명은 지하 대수층에 수소가스를 공급함으로서, 대수층내에서의 수소가스 용해율을 높여 수소가스 이용효율을 높이고, 대수층내에 탈질세균을 증식시켜서 강변여과수중의 질산성 질소를 탈질하고, 넓은 개방지역의 대기 중에 극소량의 수소가스만을 방출하여 폭발의 위험성을 제거하는 방법 및 장치을 제공하는 것이다.

본 발명은 수직 우물통의 지하부 대수층에 설치한 수평 집수관내에 다공성 산기배관을 설치하고 이 다공성 산기배관에 수소가스를 공급하여, 이 수소가스가 대수층을 통과하면서 강변여과수에 효과적으로 용해되게 하고, 강변여과수에 용해된 수소가스를 전자공여체로 이용하는 탈질세균을 증식시켜서 질산성 질소를 탈질하는 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명은, 지하 대수층내에 수소가스를 공급함으로서, 높은 압력의 강변여과수에 수소가스가 높은 농도로 용해되게 하여 수소가스 이용효율을 높이고, 자연적으로 존재하는 대수층을 이용하여 탈질을 하므로 별도의 탈질시설이 불필요하여 경제적이고, 인체에 무해한 수소가스를 이용하여 질산성 질소를 탈질하기 때문에 생산된 강변여과수 수돗물에 영향을 주지 않고, 강변여과수 대수층 상부의 넓은 지면에 물에 용해되지 않은 극소량의 수소가스만이 배출되어 폭발의 위험이 없다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

수직 우물통(10)의 하부에, 상층에 4∼ 6개, 하층에 4∼6개의 수평 집수관(20)을 등각도의 방사형으로 설치하고, 수평 집수관의 내부에는 다공성 산기배관(30)을 설치하고 이 다공성 산기배관(30)은 수소가스 공급관(40)에 연결하고 수소가스 공급관(40)은 수소가스 공급장치(50)에 연결한다.

수직 우물통(10)의 중앙 하부에 취수 펌프(100)을 설치하여, 강변 여과수의 원수를 강변여과수 정수장(110)으로 이송한다.

수소가스는 저장탱크에 저장된 것 또는 전기분해장치에서 생산된 것을 사용하며 수소가스 공급장치(50)은 방폭형 압축기를 사용한다.

상기 수소가스 공급장치(50)을 가동하여 수소가스를 수평 집수관(20)내의 다공성 산기배관(30)에 공급하면 수소 가스는 부력에 의하여 상승하면서 대수층(200) 내에 있는 강변여과수에 용해된다.

또한 대수층(200)내에 있는 자갈 및 모래는 매우 큰 표면적을 가지고 있으며 이 큰 표면적에 상승하는 수소가스가 접촉하면서 높은 효율로 물에 용해되고, 지하 대수층내의 강변여과수가 통상 3∼4kg/㎠의 높은 압력을 가지고 있으므로 수소용해농도도 대기압에 비하여 3∼4배 높게 용해되기 때문에 수소가스는 물에 잘 용해되고 용해 효율이 높아지므로, 대수층에서 용해되지 않고 대기중으로 방출되는 수소 가스량은 매우 적다.

또한 대기중으로 방출되는 수소가스량은 공급하는 수소가스량을 조절함으로서, 제로(0)화 하거나 극소화 할 수 있다.

질산성 질소를 용해하고 있는 강변여과수중에 수소가스가 용해되면 혐기상태에서 서식하는 탈질세균이 증식하게 되고 탈질세균은 모래 및 자갈표면에 생물막 형태로 부착하면서 높은 생물농도를 가지게 된다.

수소가스가 물에 용해되는 과정은 [반응식1] 과 같다.

[반응식1]

Wh = 2 × ( f . P -1)

여기서 Wh : 물속에 용해된 수소가스 농도 . mg/L

2 : 20℃ 1기압에서의 수소가스 포화농도. mg/L

f : 압력 P에 있어서의 가스의 포화도. 교반이 있으면 최대 0.8

P : 게이지 운전압력 kg/㎠.G + 1.013

질산성 질소를 제거하는 미생물(세균)은 두 가지가 있는데 하나는 종속영양 탈질세균이고 다른 하나는 독립영양 탈질세균이다.

종속 영양 탈질세균은 혐기성 상태에서, 수중의 유기물을 이용하여 탈질을 하는 세균이고, 독립영양 탈질세균은 전자공여체로 황(S)이나 수소(H₂)와 같은 무기원소를 이용하여 탈질을 하는 세균이다.

강변여과수중에는 유기물이 거의 없기 때문에, 종속영양 탈질세균을 이용하려면 메탄올 등의 유기물을 질산성 질소량의 3배 이상을 인위적으로 공급하여야 하기 때문에 비용이 많이 들고, 수질에도 악영향을 줄 수 있어서 종속 영양 탈질세균을 이용하는 것은 바람직하지 않다.

독립영양 탈질세균을 이용하는 경우에도 강변 여과수 중에는 탈질에 필요한 전자 공여체가 없어서, 그대로는 탈질이 불가능하다.

본 발명에서는 수질에 아무런 영향을 미치지 않는 수소가스(H₂)를 전자 공여체로 하는 탈질방법을 사용하였다.

수소가스의 공급방법은 일반적으로 천연가스(CH₄)를 분해하여 제조한, 상업용의 수소가스를 사용하거나 물을 전기분해한 수소가스를 사용할 수 있다.

경우에 따라서는 천연가스(CH₄)를 전자공여체로 사용할 수 있는데 천연가스를 사용하는 경우에는 부산물로 탄산가스가 다량 발생하는 문제점이 있다.

독립 영양 탈질세균은 자연계에 널리 분포하고 있으며, 증식 속도가 빨라서 질산성 질소와 전자공여체가 있는 혐기성 환경에서 일정기간 지나면 저절로 증식하여서, 대수층의 모래나 자갈표면에 부착하여, 수소가스를 전자공여체로 이용하는 탈질 작용으로 강변여과수중의 질산성 질소를 질소가스로 분해하여 대기 중으로 발산시켜서 제거한다.

대수층내의 강변여과수의 이동속도는 매우 느리기 때문에 반응 시간이 길어서 탈질반응을 완전하게 일으키는데 최적의 조건이 된다.

독립 영양 탈질세균의 수소가스를 이용한 탈질의 반응은 다음의 [반응식2] 와 같다.

[ 반응식2]

NO₃ ^- + 2.82H₂ +0.1387CO₂ + 1.0H⁺ = 0.027813C₅H₇O₂N + 0.486N₂ + 3.2228H₂O

위 [반응식2] 에서 제거된 질산성 질소의 중량과 소비된 수소 가스의 중량비는 0.4 g H₂ /g N임을 나타내고 있다.
여기서, NO₃ 는 질산성 질소, H₂ 는 수소가스, CO₂는 수중에 녹아 있는 탄산가스, H⁺는 수소이온, C₅H₇O₂N은 미생물 증식량, N₂는 질소가스, H₂O는 생성된 물이다.

탈질이 오랫동안 계속되면 대수층내의 모래 나 자갈 표면에 미생물이 증식하여 대수층을 막아 투수성이 나빠질 수 있는데 이런 경우는 수소가스 공급을 중단하고 압축공기를 다공성 산기배관에 공급하여 대수층을 진동시키면 미생물 찌꺼기는 강변여과수에 섞여서 나오는데 이 미생물 찌꺼기는 취수펌프로 양수하여 강변여과수 정수장(300)의 침전지에서 침전하여 슬러지로 제거하거나 또는 모래여과지에서 걸러서 제거한다.

도 1은 수직 우물통의 하부 대수층에 설치한 수평 집수관 및 다공성산기배관을 설치한 상태를 나타내는 단면도.

Claims (2)

1. 수직 우물통(10)의 하부 대수층에, 상층에 4∼ 6개, 하층에 4∼6개의 수평 집수관(20)을 방사형으로 설치하고;

   수평 집수관 내에 다공성 산기배관(30)을 설치하고, 다공성 산기배관은 수소가스 공급관(40)을 통하여 수소가스 공급장치(50)에 연결하고;

   수소가스 공급장치(50)을 가동하여 다공성 산기배관(30)에 수소가스를 공급하여 이 수소가스가 대수층을 통과하면서 강변여과수에 용해되게 하고;

   이 용해된 수소가스를 대수층의 모래나 자갈에 부착하여 서식하고 있는 독립영양성 탈질세균의 전자공여체로 제공하여, 탈질세균이 하기의 식과 같은 반응을 하여, 강변여과수중에 포함된 질산성 질소를 질소가스와 물로 전환하여 질소가스를 대기 중으로 발산하여서, 제거하게 하는 것을 특징으로 하는 대수층을 이용한 강변여과수의 탈질방법.

   NO₃ ^- + 2.82H₂ +0.1387CO₂ + 1.0H⁺ = 0.027813C₅H₇O₂N + 0.486N₂ + 3.2228H₂O

   (여기서, NO₃ 는 질산성 질소, H₂ 는 수소가스, CO₂는 수중에 녹아 있는 탄산가스, H⁺는 수소이온, C₅H₇O₂N은 미생물 증식량, N₂는 질소가스, H₂O는 생성된 물 임).
2. 수직 우물통(10)의 하부 대수층(200)에, 상층에 4∼ 6개, 하층에 4∼6개를 수평으로 설치한 방사형의 수평 집수관(20);

   수평 집수관 내에 설치한 다공성 산기배관(30);

   다공성 산기배관과 연결한 수소가스 공급관(40)과 수소가스 공급장치(50)으로 구성한 것을 특징으로 하는 대수층을 이용한 강변여과수의 탈질장치.

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