KR101229455B1 - 고도처리 방류수질 관리 및 에너지 절감 시스템 - Google Patents

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KR101229455B1 KR1020120030667A KR20120030667A KR101229455B1 KR 101229455 B1 KR101229455 B1 KR 101229455B1 KR 1020120030667 A KR1020120030667 A KR 1020120030667A KR 20120030667 A KR20120030667 A KR 20120030667A KR 101229455 B1 KR101229455 B1 KR 101229455B1
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한국바이오시스템(주)
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Abstract

본 발명은 방류수의 암모니아 농도를 측정하여 송풍기 및 내부반송펌프의 가동률을 조절하여 방류수의 수질을 안정적으로 관리할 수 있는 방류 수질 관리시스템을 개시한다.

Description

고도처리 방류수질 관리 및 에너지 절감 시스템{SYSTEM FOR MANAGING WATER QUALITY OF DISCHARGING WATER}
본 발명은 고도처리에 적용되는 방류 수질 관리시스템에 관한 것이다.
각종 하수는 많은 오염 물질이 함유되어 있어 이를 제거하는 방법이 요구되고 있다. 최근에는 하수종말처리장에서 최종적으로 배출되는 방류수의 BOD(biochemical oxygen demand), 인(P) 또는 질소(N)의 배출기준이 더욱 엄격해져 가는 실정이다.
일반적으로 고도처리는 하수가 유입되는 최초침전지, 하수에 포함된 질소, 인 등을 제거하는 생물반응조, 2차 침전되는 최종침전지로 구성되고, 방류수의 배출기준을 만족하기 위하여 생물반응조 내의 용존산소량(MLDO, Mixed Liquor Dissolved Oxygen)을 측정하고 그에 비례하여 송풍기를 가동하였다.
그러나, 생물반응조내의 용존산소량은 수온과 같은 외부환경에 의해 변동이 심하기 때문에 이를 기준으로 송풍량을 조절하지 못하는 문제가 있다.
또한, 일반적으로 생물반응조에는 암모니아 농도를 최소로 조절하기 위하여 암모니아 계측기가 설치되나, 생물반응조 내부는 부유물 농도(MLSS, mixed liquor suspended solid)가 매우 높아 오염도가 심하기 때문에 정확하게 암모니아 농도를 계측할 수 없고, 암모니아 계측기에 별도의 세정장치가 구비되어야 하는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 방류수의 암모니아 농도를 측정하여 송풍기 및 내부반송펌프의 가동률을 조절하여 방류수의 수질을 안정적으로 관리할 수 있는 방류 수질 관리시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방류수질 관리시스템은, 하수가 유입되는 최초침전지; 상기 최초침전지 후단에 배치되는 생물반응조; 상기 생물반응조에 공기를 공급하는 송풍기; 상기 생물반응조의 후단에 배치되는 최종침전지; 상기 최종침전지에서 방류되는 방류수의 암모니아 농도 및 총질소농도를 측정하는 수질측정부; 및 상기 수질측정부에서 수신된 암모니아 농도에 따라 상기 송풍기, 내부반송펌프의 가동률을 조절하는 제어부;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방류수질 관리시스템에서, 제어부는 상기 수질측정부로부터 수신된 암모니아 농도가 2.5mg/L를 초과하면 상기 송풍기의 가동률을 증가시키도록 제어신호를 출력하고, 암모니아의 농도가 0.8mg/L 미만이면 송풍기의 가동률을 감소시키도록 제어신호를 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방류수질 관리시스템에서, 생물반응조는 무산소조와, 호기조, 내부반송라인, 및 내부반송펌프를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방류수질 관리시스템에서, 제어부는 상기 수질측정부로부터 수신된 총질소농도 측정값과 총질소농도 예측값을 비교하여 탈질불량여부를 판단하고 상기 내부반송펌프 가동률을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방류수질 관리시스템에서, 총질소농도 예측값은 하기 관계식 1에 따라 산출될 수 있다.
[관계식 1]
Figure 112012024089987-pat00001
(Y는 총질소농도 예측값, X는 암모니아 농도 평균값)
본 발명의 일 실시예에 따른 방류수질 관리시스템에서, 제어부는 상기 총질소농도 예측값보다 상기 총질소농도 측정값이 2mg/L 이상 크면 상기 내부반송펌프 가동률을 증가시키도록 제어신호를 출력하고, 총질소농도 예측값보다 상기 총질소농도 측정값이 2mg/L 이상 작으면 상기 내부반송펌프의 가동률을 감소시키도록 제어신호를 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방류수질 관리시스템에서, 제어부는 상기 수질측정부로부터 수신된 암모니아 농도에 의해 방류수의 BOD 예측값을 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방류수질 관리시스템에서, 방류수의 BOD 예측값은 하기 관계식 2에 따라 산출될 수 있다.
[관계식 2]
Figure 112012024089987-pat00002
(Y는 방류수의 BOD 예측값, X는 암모니아 농도 평균값)
본 발명의 일 실시예에 따른 방류수질 관리시스템에서, 방류수의 BOD 예측값, 송풍기 증감 조절여부, 방류수의 총질소농도 예상값, 및 탈질불량여부, 및 내부반송펌프 증감 조절여부가 표시되는 디스플레이부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 방류수의 암모니아 농도에 따라 송풍기와 내부반송펌프의 가동률을 탄력적으로 조절하여 방류수질을 안정적으로 관리할 수 있다.
또한, 방류수의 암모니아 농도에 따라 총질소농도 예측값과 방류수의 BOD 예측값을 도출할 수 있어 BOD 및 총질소(TN)제거 공정운영과 분석업무를 최소화시키고, 자동제어 운전이 가능하여 하수종말처리장의 시설유지비가 절감된다.
또한, 하수 처리의 각종 정보가 디스플레이되어 관리자가 현재 방류수의 상태 및 탈질불량 여부와 같은 하수처리 상태를 전체적으로 파악할 수 있다.
또한, 방류수의 암모니아를 측정하므로 계측기를 세척하기 위한 별도의 장치가 불필요해져 비용이 절감되며 센서의 수명이 증가한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방류 수질 관리시스템의 개략도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방류 수질 관리시스템의 블록도이고,
도 3은 방류수의 암모니아 농도와 송풍량의 시간대별 관계를 보여주는 그래프이고,
도 4는 방류수의 암모니아 농도에 따른 적정 송풍량을 보여주는 그래프이고,
도 5는 방류수의 암모니아 농도와 방류수의 총질소농도와의 관계를 보여주는 그래프이고,
도 6은 방류수의 암모니아 농도와 방류수의 BOD와의 관계를 보여주는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.
이제 본 발명에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 방류 수질 관리시스템의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방류 수질 관리시스템의 블록도이다.
도 1과 도 2를 참조할 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 방류 수질 관리시스템은, 하수가 유입되는 최초침전지(10)와, 상기 최초침전지(10) 후단에 배치되는 생물반응조(20)와, 상기 생물반응조(20)에 공기를 공급하는 송풍기(25)와, 상기 생물반응조(20)의 후단에 배치되는 최종침전지(30)와, 상기 최종침전지(30)에서 방류되는 방류수의 암모니아 농도를 측정하는 수질측정부(40), 및 상기 수질측정부(40)에서 수신된 암모니아 농도에 따라 상기 송풍기(25)의 가동률을 조절하는 제어부(50)를 포함한다.
최초침전지(10)에는 침전물과 고형물이 제거된 하수가 유입된다. 이때 최초침전지(10)에서 침전된 침전물을 생슬러지라고 하며, 생슬러지는 혼합저류조에서 농축된 잉여슬러지와 혼합되어 소화된다.
생물반응조(20)는 공기를 공급하여 호기성 미생물을 빠르게 증식시키고, 증식된 미생물의 대사작용에 의해 하수에 포함된 유기물질을 산화, 분해시켜 미세한 오염물질 및 악취가 제거되도록 구성된다.
구체적으로 생물반응조(20)는 무산소조(21)와 호기조(22)를 포함하는 일반적인 생물반응조(20)의 구성이 모두 적용될 수 있다. 이러한 생물반응조(20)는 공법에 따라 무산소조, 호기조, 혐기조, 막분리 호기조 등이 복수 개로 배치될 수도 있다.
무산소조(21)는 질소가 탈질균(Pseudomonas, Micrococcus, Spirillum, Acaligenes, Bacillus 등)의 질산호흡, 아질산호흡에 의해서 N2O, NO 등의 형태를 거쳐 N2로 환원되어 방출된다. 무산소조(21)에는 유입 오폐수와 반송물의 충분한 혼합 및 고액분리 방지를 위해 수중교반기가 더 설치될 수 있다.
호기조(22)는 호기성 미생물의 대사에 의하여 암모니아성 질소(NH4-N)를 분해하여 질산염(NO3)을 발생시킨다. 호기조(22)에서는 공기의 공급이 필요한데, 이는 활성오니 미생물의 동화작용 및 유기물 산화에 필요한 산소공급과 오니 혼합액을 교반하여 활성화하기 위함이다. 따라서 호기조(22)에는 배관을 통해 공기를 공급하는 송풍기(25)가 구비된다. 또한, 송풍기(25)에는 인버터가 설치되어 주파수를 가변시킴으로써 송풍기(25)의 가동률을 조절할 수 있도록 구성된다.
반송라인(24)은 호기조(22)에서 무산소조(21)로 활성슬러지를 반송시키는 역할을 수행하며, 활성슬러지가 반송되는 양은 내부반송라인(24)에 연결된 내부반송펌프(23)의 가동률에 의해 결정된다.
최종침전지(30)는 생물반응조(20)에서 형성된 슬러지가 유입되어 중력침전을 통해 2차 침전 처리된다. 이때, 최종침전지(30)에서 침전된 슬러지 중에서 일부는 슬러지 처리공정으로 이송되어 처리되고, 일부는 생물반응조(20)의 전단으로 반송되어 미생물량을 보충한다. 그리고, 최종침전지(30)의 2차 처리수는 여과시설을 총인처리시설을 거치거나 그대로 방류된다.
수질측정부(40)는 최종침전지(30)에서 방출되는 방류수의 암모니아 농도,총질소농도(TN) 등을 측정한다. 이러한 수질측정부(40)는 방류수의 수질을 연속적으로 측정할 수 있는 수질 원격관제시스템(TMS)일 수 있다.
수질측정부(40)는 방류수의 암모니아 농도를 측정하는 암모니아 계측기와 총질소농도를 측정하는 TN 계측기를 포함할 수 있다. 본 발명에서는 암모니아 계측기가 수질측정부(40) 내에 배치되어 상대적으로 부유물질이 극히 낮은 방류수의 암모니아 농도를 정확하는 것이 측정하고, 또한 기존의 세정장치가 불필요하게 된다. 또한, 암모니아 측정기는 암모니아 농도를 실시간으로 측정할 수 있는 전극식으로 구성되는 것이 바람직하다.
그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 암모니아 농도와 총질소농도를 모두 측정할 수 있는 통합 계측기로 구성될 수도 있다.
제어부(50)는 수질측정부(40)로부터 암모니아 농도 정보를 소정간격으로 수신하고, 측정된 암모니아 농도를 측정하여 송풍기(25)의 가동률을 제어한다. 여기서 암모니아 농도는 소정 간격으로 측정된 암모니아 농도의 평균값일 수 있다.
도 3을 참조할 때, 방류수의 암모니아 농도가 높아지는 구간에서 송풍량을 증가시키면 방류수의 암모니아 농도가 감소함을 알 수 있다. 송풍량이 증가하게되면 호기조(22)에 공기의 공급이 많아지면서 호기성 미생물에 의한 질산화가 촉진되어 상대적으로 암모니아의 농도가 줄어들게 된다.
구체적으로는 측정된 암모니아의 농도가 2.5mg/L를 초과하면 송풍기(25)의 가동률을 증가시킨다. 일반적으로 방류수의 BOD 기준치는 약 10mg/L이고 방류수의 총질소농도 기준치는 약 20mg/L이며, 방류수의 암모니아 농도가 2.5mg/L를 초과하면 방류수의 BOD와 총질소농도가 상기 기준치에 근접하게 된다.
따라서, 송풍기(25)의 송풍량을 조절하여 방류수의 암모니아 농도를 2.5mg/L 이하로 유지하면, 방류수의 BOD와 총질소농도를 기준치 이하로 유지할 수 있다.
또한, 측정된 암모니아의 농도가 0.8mg/L 미만이면 송풍기(25)의 가동률을 감소시킬 수 있다. 암모니아의 농도가 0.8mg/L 미만인 경우 방류수의 BOD와 총질소농도는 기준치 이하로 유지되므로 송풍기를 계속 가동시키는 것은 에너지 효율면에서 바람직하지 않기 때문이다.
이때, 송풍기(25)에는 인버터가 장착되어 있으므로 제어부(50)는 인버터에 구동 주파수(Hz)를 연동제어 또는 수동제어 하여 송풍기(25)의 가동률을 조절할 수 있다. 또한, 호기조(22)에 복수 개의 송풍기(25)가 장착된 경우에는 전체 또는 적어도 1대의 송풍기(25)를 조절하여 공기 공급량을 조절할 수 있다.
도 4는 방류수의 암모니아 농도에 따른 적정 송풍량을 기록한 그래프로서 도 4를 참조할 때, 암모니아 농도별 적정 송풍량은 하기 관계식으로 표현될 수 있다.
[관계식]
Figure 112012024089987-pat00003
(여기서, Y는 적정 송풍량, X는 방류수의 암모니아 농도)
관계식은 소정기간동안 방류수의 암모니아 농도에 따른 적정 송풍량을 측정하여 그래프를 작성하고, 선형 커브 피팅법(linear curve fitting)을 이용하여 각 그래프 좌표들과 거리의 합이 최소가 되는 직선을 구하였다. 이러한 선형 커브 피팅법은 일반적으로 알려진 방법이 모두 적용될 수 있는바 더 이상의 자세한 설명은 생략한다.
따라서, 방류수의 암모니아 농도가 측정되면 상기 관계식을 따라 적정한 송풍량을 산출하고, 산출된 송풍량을 갖도록 송풍기(25)를 구동할 수 있다.
본 발명에 따르면, 방류수의 암모니아 농도를 기초로 송풍기(25)의 가동률을 조절할 수 있어 즉각적인 방류 수질 관리가 가능하게 되고, 효과적인 송풍기(25) 가동으로 에너지 절감효과가 있다.
도 5는 방류수의 암모니아 농도와 방류수의 총질소농도(TN)와의 관계를 보여주는 그래프이다.
제어부(50)는 수질측정부(40)로부터 수신된 총질소농도 측정값과 총질소농도 예측값을 비교하여 탈질불량여부를 판단하고, 그에 따라 상기 내부반송라인(24)의 내부반송펌프(23) 가동률을 제어할 수 있다.
도 5를 참조할 때, 방류수의 암모니아 농도와 총질소농도(TN)의 관계는 하기 관계식 1로 정의될 수 있다.
[관계식 1]
Figure 112012024089987-pat00004
(여기서, Y는 총질소농도 예측값, X는 방류수의 암모니아 농도)
상기 관계식 1은 소정기간동안 방류수의 암모니아 농도와 총질소농도를 측정하여 그래프를 작성하고, 선형 커브 피팅법(linear curve fitting)을 이용하여 각 그래프 좌표들과 거리의 합이 최소가 되는 직선을 구하였다.
제어부(50)는 상기 관계식 1에 의해 방류수의 암모니아 농도값을 이용하여 방류수의 총질소농도 예측값을 산출할 수 있다. 이렇게 산출된 총질소농도 예상값보다 총질소농도 측정값이 2mg/L이상 큰 경우에는 탈질불량으로 판단할 수 있다.
일반적으로 방류수의 총질소농도는 분석시간이 오래걸리는데 반해, 본 발명에 따른 암모니아 계측기는 전극식으로 구성되어 실시간으로 측정이 가능하다. 따라서, 실시간으로 측정되는 암모니아 농도를 기준으로 총질소농도 예상값을 산출하여 이를 총질소농도와 비교함으로써 즉각적이고 선제적인 방류수 수질TMS 총질소농도관리가 가능해진다.
따라서, 총질소농도 예상값보다 측정된 총질소농도가 큰 경우에는 무산소조에서 질산화된 활성슬러지지가 충분히 탈질이 되지 않은 것으로 판단할 수 있다.
탈질불량으로 판단된 경우, 제어부(50)는 무산소조(21)와 호기조(22)에 연결된 내부반송펌프(23)의 가동률을 증가시켜 증가된 내부반송량을 무산소조(21)로 순환시켜 탈질과정을 다시 거치도록 제어한다. 또한, 이외의 방법으로는 생물반응조 유입C/N비를 높게 유지하는 방법이 있고 이는 최초침전지 가동지수 감소 및 슬러지계면층을 높게 유지하는 것으로 이는 운영자가 수동으로 제어한다.
이와 반대로 총질소농도 예측값보다 실제 측정된 방류수의 총질소농도가 2mg/L 이상 작으면 내부반송펌프(23)의 가동률을 감소시킨다.
본 발명에 따르면, 총질소농도 예측값을 이용하여 현재 수처리되는 하수의 탈질여부를 미리 판단할 수 있고, 탈질여부에 따라 내부반송펌프(23)를 제어하여 효과적으로 탈질을 진행할 수 있으므로 방류수의 수질을 안정적으로 확보할 수 있다.
도 6은 방류수의 암모니아 농도와 방류수의 BOD와의 관계를 보여주는 그래프이다.
제어부(50)는 측정된 암모니아 농도를 이용하여 방류수의 예상 BOD값을 산출할 수 있다. 도 6을 참조할 때, 방류수의 암모니아 농도와 BOD는 하기 관계식 2의 관계를 갖는다.
[관계식 2]
Figure 112012024089987-pat00005
(Y는 방류수의 BOD 예측값, X는 방류수의 암모니아 농도)
상기 관계식 2 역시 관계식 1과 동일하게 선형 커브 피팅법(linear curve fitting)을 이용하여 각 그래프 좌표들과 거리의 합이 최소가 되는 직선을 구하였다.
제어부(50)는 관계식 2를 이용하여 방류수의 BOD 예측값을 산출할 수 있다.
또한, 본 발명에는 방류수의 암모니아 농도, 방류수의 BOD 예측값, 방류수의 총질소농도, 송풍기(25) 증감여부(가동률), 내부반송펌프(23) 증감여부(가동률), 및 탈질불량여부는 표시할 수 있는 디스플레이부(60)를 더 포함한다. 미 설명된 부호는 수질측정부에 의해 측정된 정보, 내부반송펌프의 가동률, 및 송풍기의 가동률 등의 정보가 저장된 메모리부(70)이다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
20: 생물반응조 21: 무산소조
22: 호기조 23: 내부반송펌프
25: 송풍기 40: 수질측정부
50: 제어부 60: 디스플레이부

Claims (10)

  1. 하수가 유입되는 최초침전지;
    상기 최초침전지 후단에 배치되고, 무산소조, 호기조, 및 상기 호기조의 활성슬러지를 상기 무산소조로 반송하는 내부반송펌프를 포함하는 생물반응조;
    상기 생물반응조에 공기를 공급하는 송풍기;
    상기 생물반응조의 후단에 배치되는 최종침전지;
    상기 최종침전지 등에서 최종으로 방류되는 방류수의 암모니아 농도 및 총질소농도를 측정하는 수질측정부; 및
    상기 수질측정부에서 수신된 암모니아 농도에 따라 상기 송풍기의 가동률을 조절하는 제어부;를 포함하되,
    상기 제어부는 상기 수질측정부로부터 수신된 총질소농도 측정값과 총질소농도 예측값을 비교하여 탈질불량여부를 판단하고 상기 내부반송펌프의 가동률을 제어하며,
    상기 총질소농도 예측값은 하기 관계식 1에 따라 산출되는 방류수질 관리시스템.
    [관계식 1]
    Figure 112012063789796-pat00014

    (Y는 총질소농도 예측값, X는 방류수의 암모니아 농도)
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 상기 수질측정부로부터 수신된 방류수의 암모니아 농도가 2.5mg/L를 초과하면 상기 송풍기의 가동률을 증가시키도록 제어신호를 출력하는 방류수질 관리시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어부는 상기 수질측정부로부터 수신된 방류수의 암모니아 농도가 0.8mg/L 미만이면 상기 송풍기의 가동률을 감소시키도록 제어신호를 출력하는 방류수질 관리시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 상기 총질소농도 예측값보다 상기 총질소농도의 측정값이 2mg/L 이상 크면 상기 내부반송펌프 가동률을 증가시키도록 제어신호를 출력하고, 상기 총질소농도 측정값이 상기 총질소농도 예측값보다 수질TMS 총질소농도가 2mg/L 이상 작으면 상기 내부반송펌프의 가동률을 감소시키도록 제어신호를 출력하는 방류수질 관리시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 상기 수질측정부로부터 수신된 암모니아 농도에 의해 방류수의 BOD 예측값을 산출하는 방류수질 관리시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 방류수의 BOD 예측값은 하기 관계식 2에 따라 산출되는 방류수질 관리시스템.
    [관계식 2]
    Figure 112012024089987-pat00007

    (Y는 방류수의 BOD 예측값, X는 방류수의 암모니아 농도)
  10. 제8항에 있어서, 상기 방류수의 암모니아 농도, 상기 방류수의 BOD 예측값, 송풍기 증감 조절여부, 방류수의 총질소농도 예상값, 및 탈질불량여부, 및 내부반송펌프 증감 조절여부가 표시되는 디스플레이부를 더 포함하는 방류수질 관리시스템.
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