KR20200028586A - 고농도 유기물, 질소 및 인을 제거하는 수처리 장치 및 이를 이용하는 수처리 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고농도 유기물, 질소 및 인을 제거하는 수처리장치 및 이를 이용하는 수처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 유기물 및 인을 사전에 제거하여 아나목스 공정을 통해 질소를 효과적으로 제거할 수 있는 수처리 장치 및 이를 이용하는 수처리 방법에 관한 것이다. 이를 위해 수처리 장치는 공급되는 피처리수 내에 함유된 현탁부유물질(SS, suspended solid) 및 용해성 COD를 제거하는 고속응집침전조; 고속응집침전조의 후단에 위치하고, 피처리수 내에 함유된 질소를 제거하는 탈질 반응조; 탈질 반응조의 후단에 위치하고, 피처리수 내에 함유된 인(P)을 제거하는 인 처리조; 및 인 처리조의 후단에 위치하고, 피처리수 내에 함유된 질소를 제거하는 아나목스 반응조;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 고농도 유기물, 질소 및 인을 제거하는 수처리장치 및 이를 이용하는 수처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 유기물 및 인을 사전에 제거하여 아나목스 공정을 통해 질소를 효과적으로 제거할 수 있는 수처리 장치 및 이를 이용하는 수처리 방법에 관한 것이다.
수질 오염의 원인으로는 유기물과 질소 및 인과 같은 무기물 등이 있다. 질소는 영양염류의 하나로 부영향화와 적조를 일으켜 유해 부유생물의 발생을 촉진하고 화학적 산소요구량의 증가 원인이 되며, 유기물은 수계의 용존산소량 등을 감소시키기 때문에, 제거되어야 한다.
이러한 각종 오염물질을 함유하는 폐수를 처리하는 방법으로는, 수중미생물의 신진 대사 작용을 이용하고 있다.
일반적인 폐수 처리방법은 반응조에서 폐수 중의 유기물을 호기성 미생물을 이용하여 분해하여 처리하는 형태가 대부분이다. 그러나, 상기와 같은 일반적인 폐수 처리 방법은 반응조 내에 공기를 공급하기 위한 산기관이나 블로워의 운전에 필요한 소비 전력량이 많다고 하는 단점이 있다. 우리나라의 경우 하수처리장 전체 전력 소비량의 약 40% 정도를 블로워 운전에 소모하고 있다고 알려져 있다. 또한 폐수 중의 질소는 일반적으로 질산화/탈질(종속영양탈질) 공정(예: MLE, A2O 공정 등)으로 제거하고 있다.
그러나 일반적인 질산화/탈질 공정으로 질소를 제거할 경우에는 암모니아를 질산염으로 질산화시키기 위해 많은 양의 공기를 공급해야 하며, 탈질시 유기물이 필요하기에 추가적으로 유기물을 첨가해야 하고, 동시에 다량의 슬러지가 발생하여 비용이 증가하는 문제가 있다.
이를 해결하기 위하여 제시된 질소 제거 공정이 아나목스(anammox) 공정이다. 이는 암모니아와 아질산염을 반응시켜 질소 가스를 생성시킴으로써 질소를 제거하는 것으로, 암모니아 산화에 필요한 전력 소모를 줄일 수 있으며, 유기물 첨가가 필요하지 않고, 일반적인 질산화/탈질 공정에 비해 슬러지 발생량의 감소를 도모할 수 있어 매우 경제적이다.
일반적으로 SBR 공법에서 아나목스 공정은 하나의 반응조에서 질소 제거 공정을 실시한다. 하지만 SBR 공법에서는 시간적 분배를 통해 운전되는 운전 특성과, 질산화 및 탈질화를 통하여 제거되는 질소 제거 특성으로 인하여 반응조 대비 배출 비율과 질소 제거율이 반비례하는 단점이 있어, SBR 반응조에서는 질소 제거 효율을 향상시키는 것이 제한되고 있는 것이 현실이다.
또한, 아나목스 공정에 앞서 유기물이나 인 등의 물질이 제거되지 않을 경우, 아나목스 공정의 효율이 떨어진다는 문제점도 있다.
이에, 질소의 제거 효율을 향상시킬 수 있는 기술에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 유기물 및 인을 사전에 제거하여 아나목스 공정을 통해 질소를 효과적으로 제거할 수 있는 수처리 장치 및 이를 이용하는 수처리 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 분명해질 것이다.
상기 목적은, 공급되는 피처리수 내에 함유된 현탁부유물질(SS, suspended solid) 및 용해성 COD를 제거하는 고속응집침전조; 고속응집침전조의 후단에 위치하고, 피처리수 내에 함유된 질소를 제거하는 탈질 반응조; 탈질 반응조의 후단에 위치하고, 피처리수 내에 함유된 인(P)을 제거하는 인 처리조; 및 인 처리조의 후단에 위치하고, 피처리수 내에 함유된 질소를 제거하는 아나목스 반응조;를 포함하는 수처리 장치에 의해 달성될 수 있다.
고속응집침전조는, 피처리수가 공급되는 호퍼; 호퍼의 하부에 배치되고, 복수 개의 오리피스 홀을 포함하며, 피처리수에 포함된 플럭이 통과하여 슬러지로 침전되는 오리피스 관; 및 오리피스 관을 통과하여 침전된 슬러지가 호퍼의 외부로 배출되는 슬러지 배출구;를 포함할 수 있다.
이때, 오리피스 관은, 복수 개 구비되고, 상하로 배치될 수 있으며, 상부에 위치된 오리피스 관의 직경이 하부에 위치된 오리피스 관의 직경보다 긴 것이 바람직하다.
또한, 고속응집침전조는, 호퍼의 내측면으로부터 일정한 거리가 이격되어 피처리수 내에 포함된 플럭의 흐름을 호퍼의 하부 측으로 유도하는 배플을 구비할 수 있고, 호퍼의 내측면과 배플 사이에는 플럭의 흐름을 분산시켜 슬러지의 재부상을 방지하는 가이드판이 구비될 수 있으며, 오리피스 관의 상부에 위치하고, 침전되는 슬러지의 부상을 방지하기 위한 절곡판이 구비될 수 있다.
탈질 반응조는, 내부로 유입되는 피처리수에 잠기는 막(membrane); 및 막(membrane)과 연결되어 막을 왕복운동시키는 왕복 장치;를 포함할 수 있다.
이때, 왕복 장치는, 막과 연결되는 활주 프레임; 및 축을 경유하여 활주 프레임에 연결되는 회전자;를 포함할 수 있다.
아나목스 반응조는, 피처리수가 공급되는 피처리수 공급관을 구비하고, 내부에 암모늄 산화세균(Ammonium Oxidizing Bacteria, AOB) 및 아나목스 미생물(Annamox bacteria)을 수용하는 챔버; 챔버 내부로 공급되어 수용되는 피처리수 내에 포함된 질소 화합물의 농도를 측정하는 제1제어부; 및 챔버 내부로 공급되어 수용되는 피처리수 내에 포함된 암모늄 이온(NH4 +)의 농도가 소정의 범위를 유지하도록 피처리수의 공급 유량을 제어하는 제2제어부;를 포함할 수 있다.
이때, 아나목스 미생물은, 칸디다투스 쿠에네니아(Candidatus Kuenenia), 칸디다투스 브로카디아(Candidatus Brocadia), 칸디다투스 아나목소글로버스(Candidatus Anammoxoglobus), 칸디다투스 제테니아(Candidatus Jettenia) 및 칸디다투스 스칼리두아(Candidatus Scalindua)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
제1제어부는, 암모늄 이온(NH4 +)의 농도를 측정하는 제1측정부; 아질산염 이온(Nitrite, NO2 -)의 농도를 측정하는 제2측정부; 및 질산염 이온(Nitrate, NO3 -)의 농도를 측정하는 제3측정부;를 포함할 수 있다. 제1측정부는, 단위 시간 내에 암모늄 이온(NH4 +)의 농도 변화를 측정하여 암모늄 이온(NH4 +)의 감소량을 연산하는 제1연산부;를 포함할 수 있고, 제2측정부는, 단위 시간 내에 아질산염 이온(Nitrite, NO2 -)의 농도 변화를 측정하여 아질산염 이온(Nitrite, NO2 -)의 생성량을 연산하는 제2연산부;를 포함할 수 있으며, 제3측정부는, 단위 시간 내에 질산염 이온(Nitrate, NO3 -)의 농도 변화를 측정하여 질산염 이온(Nitrate, NO3 -)의 생성량을 연산하는 제3연산부;를 포함할 수 있다.
제2제어부는, 하기 수학식 1에 의해 계산된 값을 통해 피처리수의 공급 유량을 제어할 수 있다.
[수학식 1]
바람직하게는, 상기 수학식 1에 의해 계산된 값이 0.7 이상인 경우, 챔버 내의 암모늄 이온(NH4 +)의 농도를 50~100mg/L로 유지하도록 피처리수의 유량을 제어할 수 있고, 상기 수학식 1에 의해 계산된 값이 0.7 미만인 경우, 챔버 내의 암모늄 이온(NH4 +)의 농도를 100~250mg/L로 유지하도록 피처리수의 유량을 제어할 수 있다.
[수학식 1]
또한, 수처리 장치는, 아나목스 반응조에서 배출되는 피처리수의 일부를 탈질 반응조로 반송하는 반송관을 더 포함할 수도 있다.
또한, 상기 목적은, 상술한 수처리 장치를 이용한 수처리 방법에 있어서, 공급되는 피처리수 내에 함유된 현탁부유물질(SS, suspended solid) 및 용해성 COD를 제거하는 제1단계; 피처리수 내에 함유된 질소를 제거하는 제2단계; 피처리수 내에 함유된 인(P)을 제거하는 제3단계; 및 아나목스 반응을 통해 피처리수 내에 함유된 질소를 제거하는 제4단계;를 포함하는 수처리 방법에 의해 달성될 수 있다.
바람직하게, 제4단계를 거쳐 배출되는 피처리수의 일부를 탈질 반응조로 반송하는 제5단계;를 더 포함할 수도 있다.
본 발명에 따르면, 아나목스 공정이 안정적으로 운영되어 질소 제거 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.
구체적으로, 아나목스 반응조 전단에서 피처리수 내에 포함된 고농도의 현탁물질, COD, 인 등을 제거함으로써 아나목스 공정을 안정적으로 운영하고, 이를 통해 질소 제거 효과를 향상시킬 수 있는 효과를 가질 수 있다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 일 예에 따른 고속응집침전조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 일 예에 따른 오리피스 관을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 일 예에 따른 오리피스 관을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 일 예에 따른 탈질 반응조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 일 예에 따른 왕복 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 일 예에 따른 왕복 장치를 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 일 예에 따른 아나목스 반응조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 일 예에 따른 제1제어부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 일 예에 따른 고속응집침전조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 일 예에 따른 오리피스 관을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 일 예에 따른 오리피스 관을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 일 예에 따른 탈질 반응조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 일 예에 따른 왕복 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 일 예에 따른 왕복 장치를 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 일 예에 따른 아나목스 반응조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 일 예에 따른 제1제어부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.
또한, 달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가지며, 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.
도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 "부"란, 특정 기능을 수행하는 하나의 단위 또는 블록을 의미한다.
각 단계들에 있어 식별부호(제1, 제2, 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치(1)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치(1)는 공급되는 피처리수 내에 함유된 현탁부유물질(SS, suspended solid) 및 용해성 COD를 제거하는 고속응집침전조(100); 고속응집침전조(100)의 후단에 위치하고, 피처리수 내에 함유된 질소를 제거하는 탈질 반응조(200); 탈질 반응조(200)의 후단에 위치하고, 피처리수 내에 함유된 인(P)을 제거하는 인 처리조(300); 및 인 처리조(300)의 후단에 위치하고, 피처리수 내에 함유된 질소를 제거하는 아나목스 반응조(400);를 포함한다. 본 발명은 아나목스 공정 전에 유기물, 인 등을 제거함으로써 아나목스 공정을 안정적으로 운영할 수 있고, 이를 통해 질소 제거 효과를 향상시킬 수 있는 효과를 가질 수 있다.
고속응집침전조(100)는 공급되는 피처리수 내에 함유된 현탁부유물질(SS, suspended solid) 및 용해성 COD를 제거하는 것으로서, 피처리수가 공급되는 호퍼(110); 호퍼(110)의 하부에 배치되고, 복수 개의 오리피스(122, 홀)를 포함하며, 피처리수에 포함된 플럭이 통과하여 슬러지로 침전되는 오리피스 관(120, 121); 및 오리피스 관(120, 121)을 통과하여 침전된 슬러지가 호퍼(110)의 외부로 배출되는 슬러지 배출구(130);를 포함할 수 있다.
도 2는 일 예에 따른 고속응집침전조(100)를 개략적으로 나타낸 도면으로, 이를 참조하여 설명하면, 호퍼(110)는 피처리수를 공급받아 내부에 수용하는 것으로서, 호퍼(110)의 형상은 수직 단면이 원형 또는 사각통상 구조를 취할 수 있고, 수평 단면은 콘형을 이룰 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 호퍼(110)의 내측면(111, 112)으로부터 일정한 거리가 이격되어 배플(113, 114)(baffle)이 구비될 수 있다. 호퍼(110)의 내측면(111, 112)과 배플(113, 114) 사이로 플럭을 포함하는 피처리수가 공급되면, 플럭을 포함하는 유체는 중력에 의해 호퍼(110)의 하부로 이동하게 된다. 이때 플럭은 설치된 배플(113, 114)에 의해 호퍼(110)의 상부 또는 중심 부분으로의 이동이 차단되고, 흐름 방향이 내측면(111, 112)을 따라 하부 측으로 안정적으로 유도될 수 있으며, 플럭이 제거된 피처리수는 호퍼(110)의 상부를 통해 배출될 수 있다.
또한, 호퍼(110)의 내측면(111, 112)과 배플(113, 114) 사이에는 가이드판(115, 116)이 추가로 구비될 수 있다. 플럭을 포함하는 유체의 흐름을 분산함에 따라 침전되는 슬러지의 재부상을 최소화할 수 있다. 이때, 가이드판(115, 116)의 개수는 특별히 한정하지는 않으나, 예를 들어 1~3개 포함할 수 있다.
또한, 배플(113, 114)의 말단에는 플럭 또는 슬러지가 호퍼(110)의 상부로 부상하지 않고 안정적으로 원형의 오리피스 관(120, 121) 측으로 향할 수 있도록 경사판(117, 118)을 추가로 포함할 수도 있다. 여기서 경사판(117, 118)의 경사 방향은 경사판(117, 118)의 다른 말단이 호퍼(110)의 중앙을 향할 수 있다.
호퍼(110)의 하부에는 원형의 오리피스 관(120, 121)이 구비되는데, 오리피스 관(120, 121)은 복수 개의 오리피스(122, 홀)를 구비하며, 1개 이상 설치될 수 있다. 호퍼(110)의 내측면(111, 112)을 따라 하부로 유도된 플럭이 원형의 오리피스 관(120, 121)에 도달하면 오리피스(orifice, 122, 홀)를 빠른 속도로 통과하면서 슬러지로 침전되어 호퍼(110)의 하부에 존재하는 슬러지 배출구(130)를 통해 배출될 수 있다. 구체적으로, 일반적으로 일정 시간 동안 일정한 면적을 흐르는 양, 즉 유량은 파이프 단면적과 유속의 곱으로 나타낼 수 있는데, 플럭이 원형의 오리피스 관(120, 121)에 형성된 다수의 오리피스(122, 홀)를 통과하게 되면, 유량은 동일한데 단면적(오리피스 면적)이 급격히 작아짐에 따라 속도가 매우 커지게 된다. 따라서, 플록은 매우 빠른 속도로 오리피스 홀을 통과하면서 슬러지로 침전 및 제거된다.
도 3 및 도 4는 일 예에 따른 오리피스 관(120, 121)을 개략적으로 나타낸 도면으로, 이를 참조하여 오리피스 관(120, 121)을 설명하면, 오리피스 관(120, 121)은 1개 또는 2개 이상의 복수 개일 수 있고, 그 개수를 특별히 한정하지 않으며 호퍼(110)의 규모 또는 침전 대상의 원수 량에 따라 적절히 선택할 수 있으나, 예를 들면 2 ~ 3개가 바람직하다.
원형의 오리피스 관(120, 121)이 복수 개인 경우, 각 오리피스 관(120, 121)의 직경은 같거나 상이할 수 있으며, 바람직하게는 직경이 상이한 복수 개의 원형 오리피스 관(120, 121)을 호퍼(110)의 상부에서 하부측으로 갈수록 직경이 작아지도록 배치함으로써 슬러지 침전 속도를 더욱 향상시킬 수 있다. 단, 본 발명의 명세서에서 상기 원형의 오리피스 관(120, 121)의 "직경"이라 함은 도넛 혹은 튜브 형상의 원형의 오리피스 관(120, 121)의 중심을 지나는 현의 길이를 의미한다.
오리피스 관(120, 121)의 내부에는 오리피스(122, 홀)를 포함하는 분지관을 더 포함할 수 있는데, 이때, 분지관의 형상은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 도 3 또는 도 4에 도시된 바와 같이, 원형의 오리피스 관(120, 121)의 내부에 방사상으로 교호 배열된 형태일 수 있거나 원형의 오리피스 관(120, 121)의 내부를 삼분할하는 형태일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 원형의 오리피스 관(120, 121)의 상부에는 침전되는 슬러지가 호퍼(110)의 상부로 부상하는 것을 방지하기 위한 절곡판(119)이 구비될 수 있으며, 절곡판(119)의 형상은 단면 구조가 'L'자 형상일 수 있다.
오리피스 관(120, 121)을 통과하여 빠른 속도로 호퍼(110)의 하부에 침전된 슬러지는 호퍼(110)의 하부에 위치하는 슬러지 배출구(130)를 통해 호퍼(110)의 외부로 배출될 수 있다. 필요에 따라 슬러지 배출구(130)에 슬러지 배출 펌프를 연결하여 슬러지 배출 속도를 더욱 높일 수도 있다.
도 5는 일 예에 따른 탈질 반응조(200)를 개략적으로 나타낸 도면으로, 이를 참조하여 설명하면, 탈질 반응조(200)는 무산소조로서, 내부로 유입되는 피처리수에 잠기는 막(membrane, 210); 및 막(membrane, 210)과 연결되어 막(210)을 왕복운동시키는 왕복 장치(220);를 포함할 수 있다.
막(membrane, 210)은 완전한 고/액 분리를 위한 물리적 장벽으로 사용되는 것으로서, 저압 정밀여과(MF) 또는 한외여과(UF) 막일 수 있다. 막(210)은 왕복 장치(220)에 기계적으로 서로 연결된다. 도 6 및 도 7은 각각 왕복 장치(220)를 나타낸 도면으로, 이를 참조하여 설명하면, 왕복 장치(220)는 막(210)을 왕복시키는 데 사용되고, 왕복 장치(220)는 회전운동을 왕복운동으로 전환시키기 위한 기계장치를 사용할 수 있다. 막(210)은 활주 프레임(221)에 연결될 수 있다. 회전자(223)는 축(222)을 경유하여 활주 프레임(221)에 연결된다. 회전자(223)의 회전 운동을 활주 프레임(221)의 회전 운동으로 전환시킨다. 왕복의 빈도는 회전자(223)가 회전되는 속도에 의해 좌우될 수 있다.
보다 구체적으로, 벨트(229)를 경유하여 풀리(228)에 연결된 저속 모터(230)와 축(222)을 통해 회전 운동을 활주 프레임(221)의 왕복 운동으로 전환시킨다. 왕복 운동으로 인한 충격 부하는 활주 프레임(221)과 축(222) 사이의 완충기(227)에 의해 감소될 수 있다. 활주 프레임(221)은 선형 베어링과 굴대받이 지지물을 수반하는 활주 레일(224)을 따라 가변될 수 있다.
인 처리조(300)는 탈질 반응조(200)의 후단에 위치하는 것으로서, 피처리수 내부에 함유된 인(P)을 제거한다. 이때, 공지의 다양한 약품 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게, 마그네슘 이온을 피처리수에 투입하여 피처리수 내에 함유된 인을 제거할 수 있다.
도 8은 일 예에 따른 아나목스 반응조(400)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 8을 참조하여 설명하면, 아나목스 반응조(400)는 피처리수가 공급되는 피처리수 공급관(411)을 구비하고, 내부에 암모늄 산화세균(Ammonium Oxidizing Bacteria, AOB) 및 아나목스 미생물(Annamox bacteria)을 수용하는 챔버(410); 챔버(410) 내부로 공급되어 수용되는 피처리수 내에 포함된 질소 화합물의 농도를 측정하는 제1제어부(420); 및 챔버(410) 내부로 공급되어 수용되는 피처리수 내에 포함된 암모늄 이온(NH4 +)의 농도가 소정의 범위를 유지하도록 피처리수의 공급 유량을 제어하는 제2제어부(430);를 포함할 수 있다.
아나목스(anammox)는 ANaerobic AMMonium OXidation(혐기성 암모늄 산화)의 약자로서, 질소를 이용하여 대사하는 미생물 종 혹은 이를 이용한 공정을 말한다. 질소 화합물을 질소 기체로 최종적으로 환원시켜 방출하는 기술로서, 최근 하수처리분야에서 각광받고 있다. 아나목스 공정은 하기 화학식 1과 같이, 먼저 암모니아 산화 박테리아가 암모늄 이온 중 절반을 산화시켜 아질산염 이온(Nitrite, NO2 -)을 생성한다.
[화학식 1]
이어서 하기 화학식 2와 같이, 아나목스 박테리아(아나목스 미생물)가 암모늄 이온과 아질산 이온을 반응시켜 질소를 발생시킴으로써 질소 화합물을 제거한다. 이때, 암모늄 이온과 아질산염은 약 1:1의 몰 비로 반응한다.
[화학식 2]
챔버(410)는 일측에 피처리수가 유입되는 피처리수 공급관(411)을 구비하고, 내부에 암모늄 산화세균(Ammonium Oxidizing Bacteria, AOB) 및 아나목스 미생물(Annamox bacteria)을 수용한다. 챔버(410)의 형상은 특별히 제한되지 않으며, 원기둥 형상, 사각 기둥 형상 등 수처리 장치의 구조에 맞게 다양하게 설계할 수 있다. 챔버(410) 내에 수용되는 호기성의 암모늄 산화세균(Ammonium Oxidizing Bacteria, AOB)은 니트로소모나스(Nitrosomonas) 또는 니트로소코커스(Nitrosococcus) 등을 사용할 수 있고, 아나목스 미생물은, 칸디다투스 쿠에네니아(Candidatus Kuenenia), 칸디다투스 브로카디아(Candidatus Brocadia), 칸디다투스 아나목소글로버스(Candidatus Anammoxoglobus), 칸디다투스 제테니아(Candidatus Jettenia) 및 칸디다투스 스칼리두아(Candidatus Scalindua)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다.
제1제어부(420)는 챔버(410) 내부로 공급되어 수용되는 피처리수 내에 포함된 질소 화합물의 농도를 측정한다. 이때, 질소 화합물은 암모늄 이온(NH4 +), 아질산염 이온(Nitrite, NO2 -) 및 질산염 이온(Nitrate, NO3 -)과 이를 포함하는 다양한 염 형태를 의미하고, 질소 화합물의 농도는 공지의 다양한 센서 등을 이용할 수 있다. 구체적으로, 도 9에 나타낸 것과 같이, 제1제어부(420)는 암모늄 이온(NH4 +)의 농도를 측정하는 제1측정부(421); 아질산염 이온(Nitrite, NO2 -)의 농도를 측정하는 제2측정부(422); 및 질산염 이온(Nitrate, NO3 -)의 농도를 측정하는 제3측정부(423);를 포함할 수 있다. 제1측정부(421)는 단위 시간 내에 암모늄 이온(NH4 +)의 농도 변화를 측정하여 암모늄 이온(NH4 +)의 감소량을 연산하는 제1연산부;를 포함할 수 있고, 제2측정부(422)는, 단위 시간 내에 아질산염 이온(Nitrite, NO2 -)의 농도 변화를 측정하여 아질산염 이온(Nitrite, NO2 -)의 생성량을 연산하는 제2연산부;를 포함할 수 있으며, 제3측정부(423)는, 단위 시간 내에 질산염 이온(Nitrate, NO3 -)의 농도 변화를 측정하여 질산염 이온(Nitrate, NO3 -)의 생성량을 연산하는 제3연산부;를 포함할 수 있다.
호기성 암모늄 산화세균과 아나목스 미생물이 하나의 반응조에 혼합되어 있는 경우, 두 미생물의 활성도를 적절하게 제어하는 것이 중요한데, 종래의 아나목스 반응조(400)의 경우, 단순히 암모늄 이온(NH4 +)의 감소량 대비 아질산염 이온(Nitrite, NO2 -)의 생성량만으로 공정 조건을 조절하여 질소 제거 효율이 떨어진다는 문제점이 발생했었다. 이를 해결하기 위하여 제1제어부(420)는 제1측정부(421), 제2측정부(422) 및 제3측정부(423)를 이용하여 질산염 이온(Nitrate, NO3 -)을 포함하는 질소 화합물의 농도 변화를 측정하고, 측정된 질소 화합물들의 농도값으로부터 후술할 제2제어부(430)를 통해 챔버(410) 내부로 유입되는 피처리수의 공급량을 제어함으로써 질소 제거 효율을 향상시켰다.
제2제어부(430)는, 제1제어부(420)와 상호 데이터를 교환하고, 제1제어부(420)에서 측정된 질소 화합물들의 농도를 이용하여 피처리수의 공급 유량을 제어한다. 아나목스 반응조(400) 내에서 암모늄 산화세균(Ammonium Oxidizing Bacteria, AOB) 및 아나목스 미생물(Annamox bacteria)의 활성도는 항상 균일하게 유지될 수 없으므로, 암모늄 이온(NH4 +)의 제거량 : 아질산염 이온(Nitrite, NO2 -)의 생성량의 비는 약 1:1이 되지 않은 경우가 발생하며, 챔버(410) 내에서 암모늄 산화세균(Ammonium Oxidizing Bacteria, AOB)보다 아나목스 미생물(Annamox bacteria)의 활성도가 좋으면, AOB가 암모늄 이온(NH4 +)을 아질산염 이온(Nitrite, NO2 -)으로 전환함과 동시에 아나목스 미생물이 암모늄 이온(NH4 +)과 아질산염 이온(Nitrite, NO2 -)을 반응시켜 질소 기체로 전환해 버리므로, 챔버(410) 내에 아질산염 이온(Nitrite, NO2 -)의 축적이 거의 발생하지 않게 된다. 이 때에는 암모늄 이온(NH4 +)을 늘리는 방향으로 운전을 제어할 필요가 있으며, 제2제어부(430)는 피처리수 공급관(411)에 연결된 펌프, 밸브 등을 제어하여 피처리수 공급량을 늘리게 된다. 이러한 방향으로 공정을 제어하여 챔버(410) 내에서 암모늄 이온(NH4 +)의 농도를 상승시키면 아질산성 질소 산화세균(Nitrite Oxidizing Bacteria, NOB)의 활성도는 1) 높은 프리 암모니아(Free Ammonia)의 농도와 2) 높은 알칼리도(Alkalinity)의 영향으로 저해를 받게 됨으로써 운전 공정의 효율성을 향상시켜 질소 제거 효과를 높일 수 있다.
구체적으로, 제2제어부(430)는 하기 수학식 1을 통해 피처리수의 공급 유량을 제어한다.
[수학식 1]
즉, 하기 수학식 1에 의해 계산된 값이 0.7 이상인 경우, 챔버(410) 내의 암모늄 이온(NH4 +)의 농도를 50~100mg/L로 유지하도록 피처리수의 유량을 제어하고, 하기 수학식 1에 의해 계산된 값이 0.7 미만인 경우, 챔버(410) 내의 암모늄 이온(NH4 +)의 농도를 100~250mg/L로 유지하도록 피처리수의 유량을 제어한다. 이러한 기준 수치는 암모늄 이온의 농도가 600~1,000 ppm인 피처리수가 유입되어 수처리 하는 공정에서 적용할 수 있는 것으로서, 다양한 실험으로부터 산출한 것이다.
한편, 아나목스 반응조(400)에서 배출되는 피처리수의 일부를 탈질 반응조(200)로 반송하는 반송관(500)을 더 포함할 수도 있다. 반송관(500)을 통해 피처리수의 일부를 탈질 반응조(200)로 반송하는 이유는 아나목스 반응에 의해 발생하는 부산물인 질산염 이온(Nitrate, NO3 -)을 제거하기 위함이다. 즉, 이를 통해 질소를 제거할 수 있는 효과를 향상시킬 수 있다.
다음으로, 상술한 수처리 장치를 이용하여 피처리수를 정화하는 수처리 방법에 대해 설명한다. 이를 설명하는데 있어 상술하여 중복된 부분에 대해서는 그 설명을 생략하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 방법은, 상술한 수처리 장치를 이용한 수처리 방법으로서, 공급되는 피처리수 내에 함유된 현탁부유물질(SS, suspended solid) 및 용해성 COD를 제거하는 제1단계; 피처리수 내에 함유된 질소를 제거하는 제2단계; 피처리수 내에 함유된 인(P)을 제거하는 제3단계; 및 아나목스 반응을 통해 피처리수 내에 함유된 질소를 제거하는 제4단계;를 포함한다. 본 발명은 아나목스 공정 전단에서 유기물, 인 등을 제거함으로써 아나목스 공정을 안정적으로 유지하고, 이를 통해 질소 제거 효과를 향상시킬 수 있다.
제1단계는 현탁부유물질(SS, suspended solid) 및 용해성 COD를 제거하는 단계로서, 고속침전반응조에서 수행된다. 제2단계는 1차적으로 탈질 반응이 일어나는 단계로서, 왕복 장치에 의해 왕복 운동하는 막(membrane)을 이용하여 피처리수 내에 포함된 질소를 제거할 수 있다. 제3단계는 피처리수 내에 함유된 인(P)을 제거하는 단계로서, 공지의 여러가지 방법을 사용할 수 있지만, 바람직하게, 피처리수에 마그네슘 이온을 투입하여 인(P)을 제거할 수 있다. 제4단계는 아나목스 반응을 통해 2차적으로 질소를 제거하는 단계로서, 챔버 내에 함유된 각 질소 화합물의 농도 변화량을 통해 피처리수 내에 함유된 암모늄 이온의 농도를 조절함으로써 질소 제거 효과를 높일 수 있다. 또한, 제4단계의 뒤에는 아나목스 반응조에서 배출되는 피처리수의 일부를 탈질 반응조로 반송하는 제5단계를 포함할 수도 있다. 아나목스 반응에 의해 일부 질산염 이온이 부산물로 생성되는데, 피처리수의 반송 단계를 통해 탈질 반응조에서 질산염 이온을 효과적으로 제거할 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
1 : 수처리 장치
100 : 고속응집침전조
101 : 플럭
102 : 슬러지
103 : 플럭이 제거된 피처리수
110 : 호퍼
111, 112 : 호퍼의 내측면
113, 114: 배플
115, 116: 가이드판
117, 118: 경사판
119 : 절곡판
120, 121 : 오리피스 관
122 : 오리피스
130 : 슬러지 배출구
200 : 탈질 반응조
210 : 막(membrane)
220 : 왕복 장치
221 : 활주 프레임
222 : 축
223 : 회전자
224 : 활주 레일
225 : 굴대받이를 수반하는 선형 베어링
226 : 막 카셋트 연결점
227 : 완충기
228 : 풀리
229 : 벨트
230 : 저속 모터
300 : 인 처리조
400 : 아나목스 반응조
410 : 챔버
420 : 제1제어부
421 : 제1측정부
422 : 제2측정부
423 : 제3측정부
430 : 제2제어부
500 : 반송관
100 : 고속응집침전조
101 : 플럭
102 : 슬러지
103 : 플럭이 제거된 피처리수
110 : 호퍼
111, 112 : 호퍼의 내측면
113, 114: 배플
115, 116: 가이드판
117, 118: 경사판
119 : 절곡판
120, 121 : 오리피스 관
122 : 오리피스
130 : 슬러지 배출구
200 : 탈질 반응조
210 : 막(membrane)
220 : 왕복 장치
221 : 활주 프레임
222 : 축
223 : 회전자
224 : 활주 레일
225 : 굴대받이를 수반하는 선형 베어링
226 : 막 카셋트 연결점
227 : 완충기
228 : 풀리
229 : 벨트
230 : 저속 모터
300 : 인 처리조
400 : 아나목스 반응조
410 : 챔버
420 : 제1제어부
421 : 제1측정부
422 : 제2측정부
423 : 제3측정부
430 : 제2제어부
500 : 반송관
Claims (21)
- 공급되는 피처리수 내에 함유된 현탁부유물질(SS, suspended solid) 및 용해성 COD를 제거하는 고속응집침전조;
고속응집침전조의 후단에 위치하고, 피처리수 내에 함유된 질소를 제거하는 탈질 반응조;
탈질 반응조의 후단에 위치하고, 피처리수 내에 함유된 인(P)을 제거하는 인 처리조; 및
인 처리조의 후단에 위치하고, 피처리수 내에 함유된 질소를 제거하는 아나목스 반응조;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수처리 장치. - 제1항에 있어서, 고속응집침전조는,
피처리수가 공급되는 호퍼;
호퍼의 하부에 배치되고, 복수 개의 오리피스 홀을 포함하며, 피처리수에 포함된 플럭이 통과하여 슬러지로 침전되는 오리피스 관; 및
오리피스 관을 통과하여 침전된 슬러지가 호퍼의 외부로 배출되는 슬러지 배출구;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수처리 장치. - 제2항에 있어서, 오리피스 관은,
복수 개 구비되고, 상하로 배치되는 것을 특징으로 하는, 수처리 장치. - 제3항에 있어서,
상부에 위치된 오리피스 관의 직경이 하부에 위치된 오리피스 관의 직경보다 긴 것을 특징으로 하는, 수처리 장치. - 제2항에 있어서, 고속응집침전조는,
호퍼의 내측면으로부터 일정한 거리가 이격되어 피처리수 내에 포함된 플럭의 흐름을 호퍼의 하부 측으로 유도하는 배플을 구비하는 것을 특징으로 하는, 수처리 장치. - 제5항에 있어서,
호퍼의 내측면과 배플 사이에는 플럭의 흐름을 분산시켜 슬러지의 재부상을 방지하는 가이드판이 구비되는 것을 특징으로 하는, 수처리 장치. - 제2항에 있어서, 고속응집침전조는,
오리피스 관의 상부에 위치하고, 침전되는 슬러지의 부상을 방지하기 위한 절곡판이 구비되는 것을 특징으로 하는, 수처리 장치. - 제1항에 있어서, 탈질 반응조는,
내부로 유입되는 피처리수에 잠기는 막(membrane); 및
막(membrane)과 연결되어 막을 왕복운동시키는 왕복 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수처리 장치. - 제8항에 있어서, 왕복 장치는,
막과 연결되는 활주 프레임; 및
축을 경유하여 활주 프레임에 연결되는 회전자;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수처리 장치. - 제1항에 있어서, 아나목스 반응조는,
피처리수가 공급되는 피처리수 공급관을 구비하고, 내부에 암모늄 산화세균(Ammonium Oxidizing Bacteria, AOB) 및 아나목스 미생물(Annamox bacteria)을 수용하는 챔버;
챔버 내부로 공급되어 수용되는 피처리수 내에 포함된 질소 화합물의 농도를 측정하는 제1제어부; 및
챔버 내부로 공급되어 수용되는 피처리수 내에 포함된 암모늄 이온(NH4 +)의 농도가 소정의 범위를 유지하도록 피처리수의 공급 유량을 제어하는 제2제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수처리 장치. - 제10항에 있어서, 아나목스 미생물은,
칸디다투스 쿠에네니아(Candidatus Kuenenia), 칸디다투스 브로카디아(Candidatus Brocadia), 칸디다투스 아나목소글로버스(Candidatus Anammoxoglobus), 칸디다투스 제테니아(Candidatus Jettenia) 및 칸디다투스 스칼리두아(Candidatus Scalindua)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 수처리 장치. - 제10항에 있어서, 제1제어부는,
암모늄 이온(NH4 +)의 농도를 측정하는 제1측정부;
아질산염 이온(Nitrite, NO2 -)의 농도를 측정하는 제2측정부; 및
질산염 이온(Nitrate, NO3 -)의 농도를 측정하는 제3측정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수처리 장치. - 제12항에 있어서, 제1측정부는,
단위 시간 내에 암모늄 이온(NH4 +)의 농도 변화를 측정하여 암모늄 이온(NH4 +)의 감소량을 연산하는 제1연산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수처리 장치. - 제12항에 있어서, 제2측정부는,
단위 시간 내에 아질산염 이온(Nitrite, NO2 -)의 농도 변화를 측정하여 아질산염 이온(Nitrite, NO2 -)의 생성량을 연산하는 제2연산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수처리 장치. - 제12항에 있어서, 제3측정부는,
단위 시간 내에 질산염 이온(Nitrate, NO3 -)의 농도 변화를 측정하여 질산염 이온(Nitrate, NO3 -)의 생성량을 연산하는 제3연산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수처리 장치. - 제12항에 있어서, 제2제어부는,
하기 수학식 1에 의해 계산된 값을 통해 피처리수의 공급 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는, 수처리 장치.
[수학식 1]
- 제16항에 있어서, 제2제어부는,
하기 수학식 1에 의해 계산된 값이 0.7 이상인 경우, 챔버 내의 암모늄 이온(NH4 +)의 농도를 50~100mg/L로 유지하도록 피처리수의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는, 수처리 장치.
[수학식 1]
- 제16항에 있어서, 제2제어부는,
하기 수학식 1에 의해 계산된 값이 0.7 미만인 경우, 챔버 내의 암모늄 이온(NH4 +)의 농도를 100~250mg/L로 유지하도록 피처리수의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는, 수처리 장치.
[수학식 1]
- 제1항에 있어서,
아나목스 반응조에서 배출되는 피처리수의 일부를 탈질 반응조로 반송하는 반송관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 수처리 장치. - 제1항의 수처리 장치를 이용한 수처리 방법에 있어서,
공급되는 피처리수 내에 함유된 현탁부유물질(SS, suspended solid) 및 용해성 COD를 제거하는 제1단계;
피처리수 내에 함유된 질소를 제거하는 제2단계;
피처리수 내에 함유된 인(P)을 제거하는 제3단계; 및
아나목스 반응을 통해 피처리수 내에 함유된 질소를 제거하는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수처리 방법. - 제20항에 있어서,
제4단계를 거쳐 배출되는 피처리수의 일부를 탈질 반응조로 반송하는 제5단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 수처리 방법.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180106813A KR102250419B1 (ko) | 2018-09-07 | 2018-09-07 | 고농도 유기물, 질소 및 인을 제거하는 수처리 장치 및 이를 이용하는 수처리 방법 |
| CN201910603741.1A CN110885160B (zh) | 2018-09-07 | 2019-07-05 | 除去在待处理水内包含的氮的水处理装置及其方法 |
| US16/557,989 US10927024B2 (en) | 2018-09-07 | 2019-08-30 | Water treatment apparatus for removing nitrogen contained in raw water and water treatment method using the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180106813A KR102250419B1 (ko) | 2018-09-07 | 2018-09-07 | 고농도 유기물, 질소 및 인을 제거하는 수처리 장치 및 이를 이용하는 수처리 방법 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102020127800A1 (de) | 2020-03-06 | 2021-09-09 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Ein-chip-system und verfahren zu dessen betrieb |
| CN114191964A (zh) * | 2021-12-29 | 2022-03-18 | 北京交通大学 | 一种烟气脱硝的方法 |
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2018
- 2018-09-07 KR KR1020180106813A patent/KR102250419B1/ko active IP Right Grant
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