KR20020005521A - 스트루바이트 침전을 이용한 고농도 질소폐수 처리방법 및이를 이용한 폐수 처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스트루바이트[Struvite(Mg NH₄PO₄)] 침전을 이용한 폐수처리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고농도의 질소가 포함된 축산분뇨 및 산업폐수에 마그네슘 또는 인 등의 응집원을 일정한 순서에 따라 순차적으로 주입하거나 응집원을 두 번 이상으로 분할하여 주입함으로써 스트루바이트 결정 효율을 높이는 동시에 응집원 사용량을 줄이는 것을 특징으로 하는 스트루바이트 침전을 이용한 고농도 질소폐수 처리방법에 관한 것이다.

본 발명은 또한 고농도의 질소가 포함된 폐수를 스트루바이트 침전을 이용하여 처리하는 장치에 있어서, 스트루바이트 침전을 위한 응집원 및 알칼리 혼합조, 스트루바이트 결정반응, 침전조 등 모든 반응조를 하나의 장치로 팩키지화 하여 연속적으로 처리할 수 있는 스트루바이트 침전을 이용한 질소폐수 처리장치에 관한 것이다.

또한 본 발명은 고농도의 질소가 포함된 폐수를 스트루바이트 침전을 이용하여 처리하는 방법에 있어서, 고농도의 인을 포함하는 축산분뇨 또는 산업폐수를 스트루바이트 결정을 위한 응집원으로 사용함으로써 고농도의 질소폐수와 인산폐수를 연계하여 처리하는 스트루바이트 침전을 이용한 폐수 처리장치에 관한 것이다.

Description

스트루바이트 침전을 이용한 고농도 질소폐수 처리방법 및 이를 이용한 폐수 처리장치{Process and system for wastewater treatment using struvite(MAP)}

본 발명은 스트루바이트[Struvite(Mg NH₄PO₄)] 침전을 이용한 폐수처리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고농도의 질소가 포함된 축산분뇨 및 산업폐수에 마그네슘(Mg²⁺)과 인(PO₄ ^-3)을 일정한 순서에 따라 주입한 후 스트루바이트 결정반응에 적합한 pH로 조정하기 위해 알칼리(NaOH)를 투입하거나, 응집원인 마그네슘과 인을 두 번 이상으로 분할하여 주입함으로써 스트루바이트 결정 반응율을 높이는 동시에 응집제 사용량을 줄이는 것을 특징으로 하는 스트루바이트 침전을 이용한 고농도 질소폐수 처리방법에 관한 것이다.

본 발명은 또한 고농도의 질소가 포함된 폐수를 스트루바이트 침전을 이용하여 처리하는 장치에 있어서, 응집원 혼합조, 알칼리 혼합조, 스트루바이트 반응조 및 침전조 등 모든 반응조를 하나의 반응장치에 팩키지화 함으로써 적은 부지면적에서도 고농도 질소폐수를 연속적으로 처리할 수 있는 스트루바이트 침전을 이용한 질소폐수 처리장치에 관한 것이다.

본 발명은 또한 고농도의 질소가 포함된 폐수를 스트루바이트 침전을 이용하여 처리하는 방법에 있어서, 고농도의 인을 포함하는 축산분뇨 또는 산업폐수를 스트루바이트 결정을 위한 응집원으로 사용함으로써 질소폐수와 인산폐수를 연계시켜 동시에 처리하는 스트루바이트 침전을 이용한 폐수 처리장치에 관한 것이다.

일반적으로 폐수나 하수 중에 포함되어 있는 질소나 인은 하천이나 호소로 유입되어 부영양화를 일으키고 바다로 흘러들어 해양적조를 일으키는 영양염류이다. 이러한 영양염류는 악취를 유발하고 용존산소를 고갈시켜 어류와 같은 수생생물에 심각한 영향을 주기도 한다. 따라서 방류 폐수 중 암모니아성 질소나 인을 제거하는 것이 반드시 요구되고 있으며 이들 방법으로는 크게 생물학적 처리방법과 화학적 처리방법이 있다.

먼저, 생물학적 처리방법은 암모니아성 질소를 호기성 상태에서 질산성 질소로 전환시킨 다음 무산소 상태에서 유리 질소로 환원시키는 탈질방법과, A/O, A²/O, UCP, VIP 및 Bardenpho 등과 같이 인 과잉섭취와 같은 미생물의 특성을 이용하는 인 제거방법이 있다. 그러나 생물학적 처리방법은 미생물을 이용하기 때문에 큰 용량의 반응조가 필요하여 부지여건과 경제성에서 많은 제약이 따르고 특히, 폐수 중에 고농도의 암모니아가 포함되어 있거나 미생물에 유해한 물질이 함유되어 있는 경우에는 적용이 불가능한 문제가 있었다.

이에 따라, 처리 시간이 짧고 부지면적이 작게 소요되는 화학적 처리방법을 생물학적 처리방법과 연계하는 방안이 연구되고 있다. 이러한 화학적 처리방법으로는 파괴점 염소주입, air stripping, 선택적 이온교환 및 금속염을 이용하여 스트루바이트나 hydroxyapatite형태로 침전시켜 질소 및 인을 제거하는 방법이 알려져 있다.

스트루바이트 즉, MAP(Mannesium Ammonium Phosphate) 결정은 질소나 인을 제거하기 위해 사용되는 대표적인 화학적 처리방법의 하나로서 암모니아성 질소를 인(PO₄ ^3-)과 마그네슘(Mg²⁺)을 이용하여 제거하는 방법이다. 이와 같은 스트루바이트 결정반응은 pH가 9.5-11일 때 가장 반응효율이 좋고 pH가 8이하로 떨어지면 스트루바이트 결정 반응이 일어나지 않는 특징이 있다. 또한 일반적으로 스트루바이트는 NH₄ ⁺: Mg⁺²: P0₄ ^-3가 당량비로 1 : 1 : 1로 구성되어 있으므로 어느 한 성분이 부족하게 되면 더 이상 스트루바이트 결정이 형성되지 않는 특성이 있다.

따라서 스트루바이트를 얻기 위해서는 원수에 질소, 인 및 마그네슘이 반드시 존재하는 동시에 그 혼합액이 약알칼리성 상태를 유지하여야 한다. 이렇게 스트루바이트 결정반응을 위해서는 혼합물의 pH가 8이상으로 유지하여야 하므로 일반적으로 Ca(OH)_2,Mg(OH)₂, NaOH 등과 같은 알칼리 물질을 원수에 첨가한다. 특히, NaOH는 정량조절이 용이하고 부반응(side reaction)에 의한 무정형의 부산물(magnesium hydroxide, magnesium hydroxyphosphates)이 형성되는 것을 막을 수 있기 때문에 가장 효율적이다.

이와 같은 스트루바이트 침전방법은 고농도의 질소 또는 인 폐수를 효율적으로 처리할 수 있는 것으로 알려져 있으나 실제적으로 고농도의 질소 또는 인 폐수 처리시설에 스트루바이트 침전법을 적용한 예가 드물고 스트루바이트 결정화 반응에 적합한 장치 또한 개발되어 있지 않은 실정이다.

예를 들어, 도1은 종래 기술에 따른 스트루바이트 침전을 이용한 질소폐수 처리방법을 보여주는 처리공정도로서, 도면에서 보는 바와 같이, 하나 이상의 생물학적반응조(101)와 생물학적침전지(102)로 구성되는 생물학적처리공정을 거쳐 pH조정조(103)에서 상기 생물학적침전지(102)로부터 유입되는 상등수에 알카리를 주입하여 pH를 조정하고, 예비 반응조(105)에서 상기 pH조정조(103)로부터 유입되는 염기성 유입수에 PO₄ ^3-를 주입한 다음 스트루바이트 반응조(106)에서 상기 예비 반응조(105)로부터의 유입수에 Mg²⁺를 주입하여 스트루바이트 결정을 생성시키고,별도의 침전지(107)에서 스트루바이트를 침전시키고 침전된 스트루바이트의 일부를 상기 스트루바이트 반응조(105)로 반송시켜 스트루바이트 결정화를 돕게 하는 공정으로 구성되어 있다.

즉, 종래의 스트루바이트 침전을 이용한 폐수처리 공정은 먼저 암모니아성 질소를 포함하는 원수에 적당량의 알칼리를 투입하여 스트루바이트의 결정화가 용이한 pH범위로 조정한 다음 PO₄ ^3-과 Mg²⁺를 순차적으로 투입하여 스트루바이트 결정반응을 일으키는 것이 특징이다.

이어 도2는 종래 기술에 따른 스트루바이트 침전을 이용한 하폐수 처리장치의 다른 예를 보여주는 공정도로서, 도면에서 보는 바와 같이, 고농도의 질소를 함유한 유입수(110)에서 암모니아성 질소의 함량을 측정하는 동시에 pH저장조(116)에서는 유입수의 pH를 조정하여 스트루바이트 형성조(119)로 보내고, 측정된 암모니아성 질소에 대응하도록 마그네슘과 인산염을 마그네슘 저장탱크(111)와 인산염 저장탱크(112)에서 스트루바이트 형성조(119)에 투입하여 상기 스트루바이트 형성조(119)에서 스트루바이트 결정을 형성시킨 다음 한외여과막(113)으로 여과한 후 농축액은 스트루바이트 저장조(114)에 저장하고 투과수는 pH저장조(118)에서 중성영역으로 조정한 후 최종 유출수(120)로 배출한다.

즉, 종래 기술에 따른 스트루바이트 침전을 이용한 질소 또는 인산폐수 처리방법은 원수에 알칼리 물질을 투입하여 원수의 pH를 스트루바이트 결정반응에 적합한 조건으로 만든 다음 인산염 및 마그네슘염을 투입하여 응집원의 투입과 동시에스트루바이트 결정반응이 일어나도록 하는 것이다. 그러나 이러한 종래 방법은 응집원이 완전히 혼합되기 전에 스트루바이트 결정이 생성되어 여러 가지 부반응이 일어나 스트루바이트 결정효율이 떨어지는 문제가 있을 뿐만 아니라 각종 혼합조, 스트루바이트 반응조 및 침전조 등을 각각 별도로 설치하여야 하므로 처리용량에 비해 반응기의 용적이 커지는 문제가 있었다.

또한 종래의 스트루바이트 결정화 장치는 결정효율에 영향을 미치는 영향인자 예를 들어, 응집원의 투입순서 및 투입량 등을 고려하지 않고 단순히 응집원을 투입하여 반응시키는 것이므로 결정화 효율이 떨어지고 응집원이 불필요하게 많이 소요되거나 원치 않는 부작용이 나타나는 문제가 있다.

이에 따라 본 발명자는 스트루바이트 결정반응에 영향을 미치는 각종 영향인자를 면밀히 연구하였으며, 도8에 도시된 바와 같이, pH조절물질인 알칼리의 주입과 마그네슘 및 인의 주입순서를 다양하게 변화시켜 실험한 결과, pH를 약알칼리로 조정한 후 마그네슘과 인을 혼합하는 것보다 마그네슘과 인을 충분히 혼합한 후 약알칼리로 조정하는 것이 스트루바이트 결정화 효율이 높고, 인보다 마그네슘을 먼저 투입하는 것이 보다 효율적이라는 것을 발견하였다. 또한 도9에 도시된 바와 같이, 응집원을 한꺼번에 주입하는 것보다 2회 이상으로 분할하여 주입하는 것이 스트루바이트 결정화 효율을 크게 향상시킬 수 있다는 것을 알게 되었다.

이에 본 발명자는 알칼리 물질을 투입하기 전에 마그네슘과 인을 먼저 혼합함으로써 스트루바이트 결정효율을 향상시킬 뿐만 아니라 혼합액 공급관 등에 스케일이 발생되지 않게 됨으로써 모든 반응조를 하나의 장치로 팩키지화 할 수 있다는것에 착안하여 본 발명을 창안하게 되었다.

즉, 본 발명의 주된 목적은 pH조절물질의 투입시점과 응집원(Mg²⁺, PO₄ ^3--P)의 투입순서를 변화시켜 스트루바이트 결정화 효율을 최대화 하는 동시에 각 응집원의 이론 투입량을 일정한 비율로 분할하여 주입함으로써 부반응을 감소시켜 필요 이상으로 응집원이 소요되는 것을 방지할 수 있는 스트루바이트 침전을 이용한 폐수처리 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 응집원을 투입하기 전에 pH조절물질을 투입함으로써 혼합액의 이송 중에 스케일이 형성되는 것을 방지하고 스트루바이트 반응조 내에 교반기를 설치하여 응집원의 확산 및 교반에 의한 완전 혼합과 반응시간을 증대시키며, 스트루바이트 결정화 반응 및 침전을 하나의 장치에서 연속적으로 달성할 수 있는 스트루바이트 침전을 이용한 폐수처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 또한 고농도의 질소가 포함된 폐수에 마그네슘과 고농도의 인을 포함하는 폐수를 응집원으로 투입함으로써 질소폐수와 인산폐수를 연계하여 동시에 처리하는 스트루바이트 침전을 이용한 폐수 처리장치를 제공하는 것이다.

도1은 종래 기술에 따른 스트루바이트 침전을 이용한 폐수처리 방법을 보여주는 개략적인 공정도,

도2는 종래 기술에 따른 스트루바이트 침전을 이용한 폐수처리 방법의 다른 예을 보여주는 개략적인 공정도,

도3은 본 발명에 따른 스트루바이트 침전을 이용한 폐수처리 방법의 다른 예를 보여주는 개략적인 공정도,

도4는 본 발명에 따라 두 개의 스트루바이트 결정단계가 직렬로 연결된 스트루바이트를 이용한 폐수처리 방법을 보여주는 개략적인 공정도,

도5는 본 발명에 따른 스트루바이트 침전을 이용한 폐수처리 장치를 보여주는 개략적인 단면도,

도6은 본 발명에 따라 마그네슘 혼합조와 인 혼합조가 구획된 스트루바이트 침전을 이용한 폐수처리 장치를 보여주는 개략적인 단면도,

도7은 본 발명에 따라 두 개의 스트루바이트 결정반응장치가 직렬로 연결된 스트루바이트 침전을 이용한 폐수처리 장치를 보여주는 개략적인 단면도,

도8은 스트루바이트 결정반응에 필요한 응집원의 주입순서에 따라 잔류 암모니아성 질소 농도의 변화를 보여주는 그래프,

도9는 스트루바이트 결정반응에 필요한 응집원의 주입회수에 따른 암모니아 제거율의 변화를 보여주는 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

50: 반응조 본체 53: 알칼리 및 공기 주입관

59: 혼합액 분사노즐 60: 스트루바이트 반응조

63: 유입부 65: 교반부

69: 교반 스크류 67: 배출구

73: 유량조정조 74: 암모니아성 질소 측정수단

75: 응집원 혼합조 79: 혼합액 공급관

80: 경사판 침전조 83: 경사판

85: pH 측정기 90: 인 제거컬럼

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 폐수에 포함되어 있는 고농도 질소를 스트루바이트 결정으로 침전시켜 제거하는 방법에 있어서, 원수에 포함된 암모니아성 질소의 함량을 측정하는 측정단계와; 상기 측정단계에서 측정된 암모니아성 질소량에 대응되게 마그네슘과 인을 투입하여 혼합하는 응집원혼합단계와; 응집원이 투여된 혼합액에 알칼리 물질을 투여하는 pH조절단계와; 알칼리 물질이 투여된 혼합액을 교반하여 스트루바이트 결정화 반응을 촉진시키는 교반단계와; 스트루바이트 결정이 완료된 처리수로부터 스트루바이트 결정을 침강시키는 침전단계와; 스트루바이트가 침전된 처리수에 포함되어 있는 인을 제거하기 위한 인 제거단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 응집원혼합단계는 마그네슘을 혼합하는 단계와 인을 혼합하는 단계가 순차적으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 인 혼합단계는 고농도의 인을 포함하는 인산폐수를 주입하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또한 적어도 2개 이상의 스트루바이트 결정 반응공정을 직렬로 설치하고, 제1 스트루바이트 결정 반응공정에서는 측정된 암모니아성 질소량에 대응하여 투입하여야 할 응집원의 이론투입량 중 일부만을 투입하여 스트루바이트 결정을 생성시켜 침전시킨 다음 그 처리수를 다시 제2 스트루바이트 결정 반응공정으로 유입시켜 나머지 암모니아성 질소량에 대응되는 마그네슘과 인을 모두 투입함으로써 전체 스트루바이트 결정화 효율을 향상시킨 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 원통형의 반응조 본체와, 상기 반응조 본체의 중심에 수직하게 설치되며 상기 반응조 본체 보다 작은 직경을 갖는 스트루바이트 반응조를 포함하여 구성된 스트루바이트 침전을 이용한 폐수처리 장치에 있어서, 상기 반응조 본체의 외주면에 일체로 형성된 유량조절조와, 상기 유량조절조에서 유입된 원수에포함된 암모니아성 질소량에 대응하여 투입된 마그네슘과 인을 교반하여 혼합하는 응집원혼합조와, 상기 응집원 혼합액을 혼합액 공급관을 통해 상기 반응조 본체의 하부로 주입하는 동시에 알칼리 물질과 공기를 혼합하여 주입하는 혼합액 분사노즐과, 상기 분사노즐로부터 분사되는 혼합액이 유입되는 유입부 및 상기 유입부보다 큰 직경을 갖는 교반부를 설치하고 그 중앙에 교반 스크류를 설치하여 스트루바이트 결정 반응을 촉진시키는 스트루바이트 반응조와, 처리수로부터 스트루바이트 결정을 침전시킬 수 있도록 상기 스트루바이트 반응조와 상기 반응조 본체 사이에 형성된 침전조와, 상기 침전조 하부에 설치되어 침전된 스트루바이트를 배출시키는 배출관을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또한 상기 스트루바이트 반응조의 하단과 상기 반응조 본체의 바닥 사이에 형성된 틈을 통해 침전된 스트루바이트의 일부가 상기 스트루바이트 반응조로 분사되는 혼합물의 상향류에 의해 다시 상승되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또한 처리수에 포함되어 있는 잉여 응집원을 제거하기 위해 상기 반응조 본체의 외부에 석회석이나 2가 양이온 물질이 충진된 인 제거 컬럼을 더 설치하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 상기 응집원혼합조는 마그네슘 혼합조와 인 혼합조가 구획되어 순차적으로 투입되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또한 전체 암모니아성 질소를 제거하기 위해 주입되어야 할 응집원을 두 번 이상으로 분할하여 주입할 수 있도록 상술한 스트루바이트 침전을 이용한 폐수처리 장치를 두 개 이상 직렬로 배치하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 스트루바이트 침전을 이용한 질산 또는 인산폐수 처리방법을 상세히 설명한다. 도3 및 도4는 본 발명에 따른 스트루바이트 침전을 이용한 질산 또는 인산폐수 처리방법을 개략적으로 나타낸 공정도이다. 도시된 바와 같이, 먼저 축산분뇨나 산업폐수 등과 같은 원수는 유량조정단계(13)로 유입되는데, 이 유량조정단계(13)에는 암모니아성 질소를 측정하기 위한 측정수단(14)이 설치되어 암모니아성 질소의 양을 측정한다. 또한 상기 유량조정단계(13)에는 별도의 인 측정수단를 설치하여 필요한 경우 인의 양을 측정할 수 있다. 이어 원수는 마그네슘 및 인이 혼합되는 응집원혼합단계(15)로 유입된다. 상기 응집원혼합단계(15)에서는 측정된 암모니아성 질소(NH₄ ⁺)에 대응되도록 마그네슘(Mg⁺²)과 인(PO₄ ^-3)이 투입되는데, 일반적으로 NH₄ ⁺: Mg⁺²: P0₄ ^-3은 당량비가 1 : 1 : 1이 되도록 투여된다.

한편, 응집원혼합단계(15)는 도3에 도시된 바와 같이, 마그네슘을 혼합하는 혼합단계(16)와 인을 혼합하는 혼합단계(17)가 구분된다. 이와 같이, 마그네슘과 인의 혼합단계(16,17)를 구획하여 마그네슘을 먼저 투입하고 인을 나중에 투입함으로써 스트루바이트 결정효율을 높일 수 있게 된다.

본 발명에 따른 상기 응집원혼합단계(15)에서는 스트루바이트 결정화에 필요한 질소, 마그네슘 및 인이 모두 혼합되어 있으나 투입된 마그네슘에 의해 pH가 5-6으로 떨어져 있기 때문에 스트루바이트 결정화 반응은 일어나지 않는다. 즉, 혼합단계(15)내의 pH를 낮게 유지함으로써 후속공정으로 이송되는 도중에 스트루바이트 결정 반응이 일어나는 것이 방지된다. 이와 같이 응집원을 혼합하기 전에 알카리 조정단계를 설치하지 않음으로써 NH₃의 탈기에 의한 2차 대기오염을 방지하고 탈기된 NH₃의 양만큼 응집원이 과량 투입되는 문제점을 제거할 수 있다.

이어 응집원 혼합액은 알칼리혼합단계(19)로 유입되어 스트루바이트 결정화에 적합한 pH로 조정된다. 이렇게 pH가 조정된 혼합액은 이송펌프나 가압공기에 의해 스트루바이트 반응단계(20)로 유입되어 스트루바이트 결정을 형성한다. 이때 상기 스트루바이트 반응단계(20)에는 교반수단(21)을 설치하여 혼합물과 알칼리를 교반하여 반응을 촉진시킨다. 이렇게 형성된 스트루바이트 결정은 침전단계(23)로 유입되어 중력 침강된다. 이때 침전된 스트루바이트 결정은 배출관을 통해 외부로 배출되거나 일부 회수되어 스트루바이트 반응단계(20)로 순환된다.

한편, 상기 처리수에는 잉여 응집원이 일부 포함되어 있으므로 후속처리 공정에서 스케일 형성할 수 있다. 따라서 3가지 응집원 중 적어도 한 가지 요소를 제거하여 스케일이 형성되는 것을 방지할 필요가 있다. 즉, 본 발명에서는 인을 제거할 수 있도록 석회석이나 2가 양이온 물질이 충진된 컬럼으로 이루어진 인 제거단계(25)를 설치한다.

그리고 본 발명에 따른 스트루바이트 침전을 이용한 폐수 처리방법은 완전한 스트루바이트 결정반응을 위해 투입되어야 할 전체 응집원을 여러 회수로 분할하여 주입함으로써 부반응을 감소시킨다. 즉, 도4에 도시되어 있는 바와 같이, 두 단계의 스트루바이트 결정 반응공정을 연이어 설치하고, 제1 스트루바이트 결정반응공정(A)의 제1 응집원 혼합단계(16,17)에서는 전체 질소 성분의 50%가 스트루바이트 결정을 형성할 수 있을 정도의 응집원(마그네슘, 인)을 투입하여 스트루바이트 결정반응을 거친 다음 스트루바이트를 침전시킨 처리수를 다시 제2 스트루바이트 결정반응공정(B)의 제2 응집원 혼합단계(16',17')로 유입시켜 잔여 질소를 모두 결정화할 수 있도록 나머지 응집원(마그네숨, 인)을 재차 투입한다.

이어 도5, 6, 및 도7을 참조하여 본 발명에 따른 스트루바이트 침전을 이용한 폐수 처리장치를 상세히 설명한다. 도면에서 보는 바와 같이, 본 발명은 응집제 혼합조, 알칼리 혼합조, 스트루바이트 반응조 및 침전조 등을 하나의 원통형 본체에 집합시켜 그 크기를 최소화한 연속 반응조이다.

먼저, 본 발명에 따른 스트루바이트 침전을 이용한 폐수 처리장치는 원통형의 반응조 본체(50)와 상기 반응조 본체(50)의 중심에 수직하게 설치되며 상기 반응조 본체(50)보다 작은 직경을 갖는 스트루바이트 반응조(60)로 크게 구성된다. 따라서 혼합액은 중심부의 하부에서 상부쪽으로 흐르면서 스트루바이트 결정화 반응을 일으키고 반응된 처리수는 다시 하부로 하강하면서 스트루바이트 결정을 침전시키는 구조로 이루어져 있다.

따라서 상기 반응조 본체(50)의 중심에 설치된 스트루바이트 반응조(60)는 혼합액이 상부로 이송되는 통로를 형성하는 동시에 최적의 스트루바이트 결정반응환경을 조성한다. 그리고 상기 스트루바이트 반응조(60)와 상기 반응조 본체(50) 사이에는 침전물이 중력에 의해 하강할 수 있도록 충분한 면적을 확보하여 주고 바닥에는 경사면(52)을 설치하여 침전된 스트루바이트를 쉽게 수집할 수 있도록 되어 있다.

그리고 상기 반응조 본체(50)의 외주면에는 유입된 원수에 함유된 암모니아성 질소나 인을 측정하기 위한 측정수단(74)이 설치된 유량조절조(73)와, 측정된 암모니아성 질소량에 대응하여 마그네슘과 인을 투입하고 교반기(76)로 혼합하는 응집원 혼합조(75)가 설치되어 있다. 상기 응집원 혼합조(75)는 도6에 도시된 바와 같이, 마그네슘 혼합조(77)와 인 혼합조(78)로 구획되어 마그네슘을 먼저 혼합한 다음 인을 순차적으로 투입할 수 있다. 이때 상기 응입원 혼합조(75)는 마그네슘에 의해 pH가 5-6으로 저하되기 있기 때문에 스트루바이트 결정화 반응은 일어나지 않는다.

이어 응집제가 혼합된 혼합액은 혼합액 공급관(79)을 통해 반응조 본체(50)의 하부로 유입된다. 이때 상기 반응조 본체(50)의 하부에는 공기와 알칼리 물질을 주입하기 위한 알칼리 및 공기 주입관(53)이 설치되어 있다. 따라서 상기 혼합액 공급관(79)은 상기 알칼리 및 공기 주입관(53)과 연통되어 알칼리 물질이 혼합되는 동시에 공기압에 의해 상기 스트루바이트 반응조(60)로 분사되게 된다. 즉, 응집원 혼합액은 알칼리 물질이 혼합되어 스트루바이트 반응에 적합한 pH로 조정되는 동시에 공기압에 의해 스트루바이트 반응조(60)로 분사되어 상향류를 형성하게 된다. 이때 상기 혼합액은 상기 혼합액 공급관(79)에 설치된 이송펌프(71)의 작동에 의해 이송될 수도 있다. 그리고 미설명 부호 59는 혼합액을 분사하기 위한 분사노즐이다.

따라서 스트루바이트 반응조(60)로 유입된 혼합액은 NaOH 등 알칼리 물질에 의해 적정 pH로 조정되어 있으므로 본격적인 스트루바이트 결정화 반응이 진행되게 된다. 이때 상기 스트루바이트 반응조(60)는 소정의 직경을 갖는 유입부(63)와 상기 유입부(63)보다 큰 직경을 갖는 교반부(65)가 일체로 형성되어 있으며, 상기 교반부(65)의 중심에는 교반 스크류(69)가 설치된다. 그리고 상기 교반부(65)는 스트루바이트 반응조(50)의 하단부, 예를 들어 1/3지점에서부터 확장부가 형성되어 있으므로 혼합물을 충분히 교반시킬 수 있게 된다. 따라서 알칼리 주입으로 적정 pH조건이 달성된 혼합액은 약 3~10분의 결정화 반응시간을 거친 후 상단의 배출구(67)를 통해 다시 밑으로 하강하게 된다. 이때 상기 스트루바이트 반응조(60)의 상단에는 이물질 등의 유입을 방지하고 배출구(67)가 형성된 덮개부(68)가 설치되어 있다.

한편, NaOH 주입량을 결정하기 위한 pH 측정기(85)는 처리수가 배출되는 스트루바이트 반응조(60)의 외부에 설치하는 것이 바람직하다. 즉, 스트루바이트 결정반응 전에 pH 측정기를 설치할 경우 결정화 반응이 진행되며 pH 측정기에 스케일이 형성될 수 있고, NaOH의 주입에 따른 pH오류가 발생할 수도 있기 때문이다.

이어 처리수에 포함되어 있던 스트루바이트는 중력에 의해 반응조 본체(50) 바닥으로 침전되고 침전된 스트루바이트의 일부는 반응조 본체(50)의 하부에 설치되어 있는 스트루바이트 배출관(57)을 통해 외부로 배출되고 일부 스트루바이트는 다시 스트루바이트 반응조(60)로 유입되어 반응핵으로 이용된다. 이때, 상기 스트루바이트 반응조(60)는 반응조 본체(50)로부터 약간 이격되어 있고 혼합액 분사노즐(59)에 비해 상기 유입부(63)의 직경이 크기 때문에 공기압에 의해 상승되는 혼합액의 상승류에 의해 스트루바이트의 일부가 자연스럽게 상승되게 된다.

그리고 스트루바이트가 제거된 처리수는 침전 단면적을 크게 하기 위해 다수의 경사판(83)이 설치되며 상기 반응조 본체(50)의 내주면에 설치된 경사판 침전조(80)를 거쳐 상승류로서 외부로 배출되게 된다. 따라서 상기 경사판 침전조(80)에서는 처리수에 포함된 미세입자의 약80% 이상이 제거되게 된다.

그러나 상기 경사판 침전조(80)를 통과한 처리수에도 약20% 내외의 응집원이 포함되어 있으므로 본 발명에서는 응집원인 인과 미세입자를 제거할 수 있는 석회석이나 2가 양이온물질이 충진된 인 제거컬럼(90)을 더 설치하였다. 예를 들어 석회석이 충진된 인 제거컬럼(90)은 잔류된 PO₄ ^3--P를 제거함으로써 후속된 처리공정에서 스트루바이트 스케일이 형성되어 관로가 막히는 등의 문제점을 해결할 수 있으며, 여과효과로 인해 미세입자가 제거되어 SS의 농도를 감소시킬 수 있다.

또한 본 발명에 따른 폐수처리 장치는 장기간의 결정화 반응에 따라 혼합액 분사노즐에 스케일의 형성되는 것을 방지하거나 형성된 스케일의 제거를 위해 분사노즐, 경사판 및 각종 배관에 열선(87)을 설치하여 스케일의 형성을 방지하고 형성된 스케일을 제거할 수 있다. 또한 혼합액 분사노즐에 스케일이 형성되는 것을 방지하기 위해 주기적으로 산(HCl)을 주입하여 스케일을 제거할 수도 있다.

한편, 도7은 본 발명에 따른 고농도 질소 및 인을 함유한 산업폐수 처리장치의 다른 예를 보여주는 공정도이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예는 도5 내지 도6에서 설명된 폐수처리 장치를 연이어 설치한 구조를 갖는다. 즉, 제1 스트루바이트 반응장치(Ⅰ)에서 배출된 처리수를 다시 제2 스트루바이트 반응장치(Ⅱ)로 유입시켜 스트루바이트 결정화 반응을 다단계로 실시하는 것이다. 본 실시예는 전체 암모니아성 질소을 완전히 제거하기 위해 주입되어야 할 응집원을 두 번으로 분할하여 주입하는 것이다. 즉, 2개의 스트루바이트 반응장치(Ⅰ,Ⅱ)를 연속하여 설치하는 경우에 제1 스트루바이트 반응장치(Ⅰ)에서는 암모니아성 질소 농도의 1/2를 결정화 할 수 있는 양이 응집원을 주입하고 제2 스트루바이트 반응장치(Ⅱ)에서는 나머지 질소를 모두 결정화 할 수 있는 응집원을 주입함으로써 전체 스트루바이트 결정화 반응이 단계적으로 이루어지도록 한 것이다.

이와 같이, 응집원을 나누어 주입하는 경우에는 과량의 응집원이 일시에 주입됨으로써 발생할 수 있는 부반응 또는 부작용을 감소시켜 응집원의 소모량을 감소시킬 수 있고 스트루바이트 결정효율을 향상시킬 수 있다. 또한 1개의 반응장치에 비해 절반 용량의 반응장치 2대 이상을 설치함으로서 안정적인 결정화 효율을 기대할 수 있다.

이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 스트루바이트 침전을 이용한 폐수 처리방법은 pH조절물질의 투입시점과 응집원(Mg²⁺, PO₄ ^3--P)의 투입순서를 변화시켜 스트루바이트 결정화 효율을 최대화하는 동시에 각 응집원의 이론 투입량을 일정한 비율로 분할하여 주입함으로써 부반응을 감소시켜 필요 이상으로 응집원이 소요되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 또한 질소 등이 포함된 원수에 pH조절물질을 혼합하기 전에 응집원을 먼저 혼합하여 혼합액의 이송 중에 스케일이 형성되는 것을 방지하고 pH조절물질이 혼합된 혼합액을 스트루바이트 반응조의 교반부로 분사시키는 동시에 고속으로 교반시켜 응집원의 확산 및 교반에 의한 완전혼합과 반응시간을 증대시킴으로써 하나의 장치에서 스트루바이트 결정화 반응을 연속적으로 실시할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 또한 고농도의 질소가 포함된 폐수에 고농도의 인을 포함하는 폐수를 응집원으로 투입함으로써 질소폐수와 인산폐수를 연계하여 동시에 처리할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따른 스트루바이트 침전을 이용한 폐수처리 장치는 스트루바이트 결정 반응조와 스트루바이트 침전조를 하나의 반응조에 설치함으로써 전체 반응장치의 크기를 최소화하여 설치 및 운영비를 절감할 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

1. 폐수에 포함되어 있는 고농도 질소를 스트루바이트 결정으로 침전시켜 제거하는 방법에 있어서,

   원수에 포함된 암모니아성 질소의 함량을 측정하는 측정단계와;

   상기 측정단계에서 측정된 암모니아성 질소량에 대응되게 마그네슘과 인을 투입하여 혼합하는 응집원혼합단계와;

   응집원이 투여된 혼합액에 알칼리 물질을 투여하는 pH조절단계와;

   알칼리 물질이 투여된 혼합액을 교반하여 스트루바이트 결정화 반응을 촉진시키는 교반단계와;

   스트루바이트 결정이 완료된 처리수로부터 스트루바이트를 침강시키는 침전단계와;

   스트루바이트가 침전된 처리수에 포함되어 있는 인을 제거하기 위한 인 제거단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 스트루바이트 침전을 이용한 고농도 질소폐수 처리방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 응집원혼합단계는 마그네슘을 혼합하는 단계와 인을 혼합하는 단계가 순차적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스트루바이트 침전을 이용한 고농도 질소폐수 처리방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 인 혼합단계는 고농도의 인을 포함하는 인산폐수를 주입하는 것을 특징으로 하는 스트루바이트 침전을 이용한 고농도 질소폐수 처리방법.
4. 제1항에서 상술된 2개의 상기 스트루바이트 결정반응공정을 직렬로 설치하고, 상기 제1 스트루바이트 결정반응공정(A)에서는 측정된 암모니아성 질소량에 대응하여 투입하여야 할 응집원의 이론 투입량의 일부만을 투입하여 스트루바이트 결정을 형성시킨 후 스트루바이트가 침전된 처리수를 다시 제2 스트루바이트 결정반응공정(B)으로 유입시켜 잔류 암모니아성 질소량에 대응되는 응집원을 투입함으로써 전체 스트루바이트 결정화 효율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 스트루바이트 침전을 이용한 고농도 질소폐수 처리방법.
5. 원통형의 반응조 본체와, 상기 반응조 본체의 중심에 수직하게 설치되며 상기 반응조 본체보다 작은 직경을 갖는 스트루바이트 반응조를 포함하여 구성된 스트루바이트 침전을 이용한 폐수처리 장치에 있어서,

   상기 반응조 본체의 외주면에 일체로 형성된 유량조절조와;

   상기 유량조절조에서 유입된 원수에 포함된 암모니아성 질소량에 대응하여 투입된 마그네슘과 인을 교반하여 혼합하는 응집원혼합조와;

   상기 응집원 혼합액을 혼합액 공급관을 통해 상기 반응조 본체의 하부로 주입하는 동시에 알칼리 물질을 혼합하여 주입하는 혼합액 분사노즐과;

   상기 분사노즐로부터 분사되는 혼합액이 유입되는 유입부 및 상기 유입부보다 큰 직경을 갖는 교반부를 설치하고 그 중앙에는 교반 스크류가 설치되어 스트루바이트 결정 반응을 촉진시키는 스트루바이트 반응조와;

   상기 스트루바이트 반응조와 상기 반응조 본체 사이에 형성되어 처리수로부터 스트루바이트를 침전시키는 침전조와;

   상기 침전조 하부에 설치되어 침전된 스트루바이트를 배출시키는 배출관을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 스트루바이트 침전을 이용한 고농도 질소폐수 처리장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 스트루바이트 반응조의 하단과 상기 반응조 본체의 바닥 사이에 형성된 틈을 통해 침전된 스트루바이트의 일부가 상기 스트루바이트 반응조로 분사되는 혼합물의 상승류에 의해 다시 회수되는 것을 특징으로 하는 스트루바이트 침전을 이용한 고농도 질소폐수 처리장치.
7. 제5항에 있어서,

   처리수에 포함되어 있는 잉여 응집원을 제거하기 위해 상기 반응조 본체의 외부에 석회석이나 2가 양이온물질이 충진된 인 제거컬럼을 더 설치하는 것을 특징으로 하는 스트루바이트 침전을 이용한 고농도 질소페수 처리장치.
8. 제5항에 있어서,

   상기 응집원혼합조는 마그네슘 혼합조와 인 혼합조가 구획된 것을 특징으로 하는 스트루바이트 침전을 이용한 고농도 질소폐수 처리장치.
9. 제5항에 있어서,

   상기 혼합액 분사노즐, 경사판 및 각종 배관에 스케일이 형성되거나 형성된 스케일을 제거하기 위해 열선을 설치하는 것을 특징으로 하는 스트루바이트 침전을 이용한 고농도 질소폐수 처리장치.
10. 스트루바이트 침전을 이용한 고농도 질소폐수 처리장치에 있어서,

    전체 암모니아성 질소를 제거하기 위해 주입되어야 할 응집원을 두 번 이상으로 분할하여 주입할 수 있도록 제5항에서 상술된 스트루바이트 결정반응장치를 두 개 이상 연이어 설치하는 것을 특징으로 하는 스트루바이트 침전을 이용한 고농도 질소폐수 처리장치.