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KR100566053B1 - 질산성질소가 다량 함유되어 있는 폐ㆍ하수의 생물학적황탈질 처리장치 및 방법 - Google Patents

질산성질소가 다량 함유되어 있는 폐ㆍ하수의 생물학적황탈질 처리장치 및 방법 Download PDF

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KR100566053B1
KR100566053B1 KR20030100082A KR20030100082A KR100566053B1 KR 100566053 B1 KR100566053 B1 KR 100566053B1 KR 20030100082 A KR20030100082 A KR 20030100082A KR 20030100082 A KR20030100082 A KR 20030100082A KR 100566053 B1 KR100566053 B1 KR 100566053B1
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김정철
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주식회사 디엠퓨어텍
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Abstract

본 발명은 폐ㆍ하수의 생물학적 황탈질 처리장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 질산성질소가 다량 함유되어 있는 폐ㆍ하수를 완전 탈질 처리할 수 있는 폐ㆍ하수의 생물학적 황탈질 처리장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 탄산수소나트륨(NaHCO3)이 수용된 알칼리도 저장탱크와; 상기 알칼리도 저장탱크에 수용된 탄산수소나트륨(NaHCO3)과 원수 저장조에 수용된 원수를 혼합하여 황탈질 반응조로 분배하는 혼합 분배조와; 상기 혼합 분배조의 원수(알칼리도가 혼합된 원수)가 유입되고, 그 내부에 독립영양 황탈질 미생물이 부착된 수불용성의 과립담체, 입상 활성탄 및 입자 황으로 이루어진 생물막(BIO-FILTER)이 충전되고, 하단에는 상기 생물막의 유출을 방지하는 여과체가 설치된 황탈질 반응조;를 포함하여 구성되는 폐ㆍ하수의 생물학적 황탈질 처리장치 및 이를 이용한 황탈질 처리방법을 제공한다. 이에 따라, 본 발명은 탈질처리 효율을 극대화시키고 잉여 유기물 및 부유물질을 흡착 제거할 수 있으며, 응집 침전물의 생성을 방지하여 황탈질 반응조 내부와 배관의 막힘 현상을 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
폐ㆍ하수, 탈질처리, 질산성질소, 과립담체, 미생물, 입자 황, 알칼리도

Description

질산성질소가 다량 함유되어 있는 폐ㆍ하수의 생물학적 황탈질 처리장치 및 방법 {Apparatus and method for treat biologic denitration of wastewater and sewage comprising nitrate nitrogen}
도 1은 종래의 일반적인 기술에 따른 폐ㆍ하수의 생물학적 황탈질 처리방법을 설명하기 위해 도시한 계통도이다.
도 2는 본 발명에 따른 생물학적 황탈질 처리장치의 예시적인 구성도를 보인 것으로, 하향류식 장치를 보인 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 생물학적 황탈질 처리장치의 예시적인 구성도를 보인 것으로, 상향류식 장치를 보인 구성도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 알칼리도 저장탱크 200 : 혼합 분배조
300 : 황탈질 반응조 350 : 생물막
352 : 과립담체 354 : 입상 활성탄
356 : 입자 황 380 : 여과체
400 : 원수 저장조 510 : 메인배관
512 : 제1분기관 514 : 제2분기관
520 : 유입배관 540 : 유출배관
P1 : 알칼리도 유입펌프 P2 : 원수 유입펌프
본 발명은 폐ㆍ하수에 다량 존재하는 질산성질소를 생물학적으로 제거하는 폐ㆍ하수의 생물학적 황탈질 처리장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 질산성산소가 다량 함유되어 있는 폐ㆍ하수(질산화 반응을 거친 원수)를 독립영양 황탈질 미생물이 부착된 수불용성의 과립담체, 입상 활성탄 및 입자 황이 혼합 충전된 황탈질 반응조에 투입하여 처리함으로써 특히 탈질처리 효율을 극대화시킴과 동시에 잉여 유기물 및 부유물질(SS)을 흡착 제거하고, 알칼리도는 외부에서 주입 공급하되 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 사용함으로써 황탈질 반응조 내부와 배관의 막힘 현상을 방지할 수 있는 폐ㆍ하수의 생물학적 황탈질 처리장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 폐ㆍ하수에 존재하는 협잡물, 유기물질, 질소 및 인 등을 처리함에 있어서는 물리적 및 생물학적 방법이 병행되고 있다. 특히 폐ㆍ하수에 존재하는 질소는 폐ㆍ하수처리 시스템 내에 질산화반응을 수행하는 반응조와 탈질반응을 수행하는 반응조를 설치하여 생물학적 방법에 의해 유기질소나 암모니아성 질소를 질산화시킨 다음 질소가스로 환원시켜 처리하고 있다. 이러한 생물학적 질산화/탈질은 침출수나 축산폐수 등과 같은 고농도의 유기물질과 암모니아성 질소를 포함하고 있는 폐ㆍ하수의 처리에도 유용하게 적용되고 있다. 이때 유입 폐ㆍ하수의 C/N (유기물/질소)값이 클 경우에는 더욱 효율적이다. 이러한 질산화/탈질 공정은 원수 중의 유기물을 전자 공여체로 이용하기 위해 폐수 내의 C/N비를 고려하여 유출수 반송이나 내부반송을 이용하는 선탈질/후질산화의 순서로 운전되는 장치가 주로 이용되고 있다.
도 1은 종래의 일반적인 기술에 따른 폐ㆍ하수의 생물학적 황탈질 처리방법을 설명하기 위해 도시한 계통도이다.
일반적으로, 폐ㆍ하수의 처리는 폐ㆍ하수의 수질 균등화를 이루기 위한 유량 조정조, 협잡물을 제거하여 펌프의 오작동이나 막힘을 방지하는 기능을 수행하는 스크린, 모래나 점토 등과 같은 물질이 처리시설에 혼입되어 반응조 내에 퇴적되거나 펌프가 마모되는 것을 방지하도록 모래나 점토를 침적시키는 침사지 그리고 중력침강 작용에 의하여 고형물질을 사전에 제거하는 초기 침전지 등이 설치된 장치를 이용하여 물리적 처리공정을 수행한 다음 유기물, 질소 및 인을 처리하기 위한 생물학적 처리공정을 수행하는데, 이때 도 1에 보인 바와 같이 생물학적 처리대상 유입원수(10)는 혐기조(20), 탈질 반응조(30), 질산화 반응조(40), 최종침전지(50)를 거쳐 처리된다. 혐기조(20)에서는 활성슬러지의 인이 방출되고, 탈질 반응조(30)에서는 종속영양 탈질 미생물에 의한 탈질반응이 진행되며, 질산화 반응조(40)에서는 질산화 반응이 진행됨과 동시에 유기물과 인이 제거된다. 이때, 질산화 반응이 진행되는 질산화 반응조(40)에서의 혼합액의 일정비율은 탈질 반응조(30)로 반송되어 이곳에 서식하는 종속영양 탈질 미생물에 의해 질산성 질소는 질소로 환원되어 대기 중으로 방출된다.
이때 원활한 탈질 반응을 위해서, 즉 질소의 제거효율을 높이기 위해서는 적정 종속영양 탈질 미생물농도가 유지되어야 하는데, 이러한 종속영양 탈질 미생물농도는 내부반송(90)에 의해 결정된다. 즉, 종속영양 미생물의 증식을 위한 활성슬러지가 질산화 반응조(40)로부터 탈질 반응조(30)로 가능한 한 많은 양이 내부반송(90) 되어져야 한다. 이에 따라, 도 1에 보인 바와 같은 종속영양 탈질 미생물을 이용한 생물학적 탈질 처리는 내부반송(90) 등의 복잡한 과정을 거쳐 질소가 제거되므로 소요부지, 내부반송 펌프의 동력비, 제거효율의 한계성 및 반응조(30)(40) 용적 증가 등의 제반 문제점이 수반되었다. 또한, 제거효율을 향상시키기 위해서 유입원수의 유기탄소원(유기물)이 부족할 경우에는 초산염, 메탄올 등의 유기탄소원을 인위적으로 외부에서 주입(11)해야 하는 문제점이 있었다.
이때, 유기탄소원이 과량으로 주입(11)되어 이 유기탄소원이 반응조(30)(40)에 잔류할 경우에는 질산화/탈질 공정에 저해작용을 일으켜 오히려 제거효율을 저하시킬 수 있으며, 유출수의 잔류 유기물 제거와 잉여 슬러지의 처리를 위한 후처리 시설이 필요할 수 있다.
이에 따라, 최근에는 상기와 같은 종속영양 미생물을 이용한 탈질 처리의 한계성 때문에 독립영양 미생물을 이용한 황탈질 처리공정의 관심이 증대되고 있다.
대한민국 특허 제0304068호, 공개특허번호 제10-2002-0001495호, 공개특허번호 제10-2003-0008416호 등에서는 유기탄소원(유기물)이 필요 없는 황을 이용한 탈질처리 장치 및 방법이 제시되어 있다. 이러한 황이용 탈질 처리는 독립영양 황탈질 반응조에 독립영양 황탈질 미생물이 부착된 입자 황을 충전하여 탈질 반응(환원 반응)을 이루어지게 한 것으로서, 구체적으로는 독립영양 황탈질 미생물에 의해 이온화된 황이 질산성 질소로부터 산소를 빼앗아(환원) 자기 자신(황)은 황산이온(SO4 2-)이 되고 질산성 질소(NO3-N)는 질소가스(N2 )로 환원시켜 방출되게 한 것이다.
이러한, 독립영양 황 이용 탈질 처리는 종속영양 탈질 처리와는 달리 질산성 질소(NO3-N)가 탈질되면서 최종 생성물로서 황산이온(SO4 2-) 이외에 수소이온(H +)이 생성되어 독립영양 황탈질 반응조 내의 pH가 낮아지게 된다. 이때, 황탈질 반응조 내의 낮은 pH 조건은 미생물의 성장에 직접적인 영향을 끼쳐 처리효율의 악화를 초래하므로 황 이용 탈질의 원활한 수행을 위해서는 알칼리도를 충분히 공급해 주어야 한다. 이를 위해 종래에는 상기 입자 황을 구성함에 있어서, 알칼리도의 공급을 위해서 액체 황에 탄산칼슘(CaCO3)을 혼합해서 소정의 직경을 갖는 입상으로 성형 가공하여 사용하였다. 즉, 알칼리도를 공급함에 있어 입자 황에 혼합시켜 황탈질 반응조 내에 자체 충전방식으로 내부에서 공급하되, 알칼리도는 탄산칼슘(CaCO3)을 사용하였다.
그러나, CaCO3와 황을 혼합해서 제조한 입자 황의 내부 충전방식은 자체적으로 필요한 알칼리도를 황탈질 반응조에 충분히 공급할 수는 있으나, 시간이 경과함에 따라 입자 황으로부터 불용성 물질인 황산칼슘(CaSO4)이 발생하게 되어 이 황산 칼슘(CaSO4)이 반응조 내부와 배관에 응집 침전되어 반응조 내부와 배관의 막힘 현상이 일어나게 하는 문제점이 있었다.
또한, 황탈질 반응조에서는 충전된 입자 황과 유입원수(질산화된 질산성 질소가 존재하는 폐ㆍ하수)의 접촉이 자유롭도록, 즉 유입원수가 충분히 입자 황의 사이사이를 통과하도록 입자 황과 입자 황 사이사이에는 가능한 한 많은 공극이 존재하여야 하는 데, 상기한 바와 같이 반응 시간이 경과함에 따라 입자 황의 입경이 작아져 공극이 작아지게 되어 입자 황들이 밀집되는 문제점이 있었다. 이는 결국 입자 황과 유입원수의 접촉율을 감소시켜 탈질 효율을 저하시키고, 작아진 입자 황에 의해 반응조가 막히는 문제점을 야기시켰다. 이때, 종래에는 작아진 입자 황에 의해 반응조가 막히는 현상을 방지하기 위해 역세 펌프를 설치하여 역세척을 하고 있으나, 그 회수가 많아 동력비가 상승되고 많은 회수의 역세척에 의해 유입원수와 입자 황의 접촉이 불량하여 탈질 효율이 저하되는 문제점도 있었다.
그리고, 황탈질 반응조에 유입된 유입원수는 잉여의 유기물 및 부유물질(SS)이 존재하고 있는 데, 종래의 황탈질 반응조에는 탈질처리를 위한 생물막(BIO-FILTER), 즉 독립영양 미생물이 부착된 입자 황만 충전되어 있고 유기물이나 부유물질(SS)을 제거하기 위한 별도의 수단이 없어 유출수(처리수)는 유기물 및 부유물질(SS)이 다량 존재한 상태로 유출되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 질산성산소가 다량 함유된 폐ㆍ하수를 독립영양 황탈질 미생물이 부착된 과립담체, 입 상 활성탄 및 입자 황으로 이루어진 생물막(BIO-FILTER)이 충전된 독립영양 황탈질 반응조에 투입하여 처리함으로써 탈질 처리효율을 극대화시킴과 동시에 잉여 유기물 및 부유물질(SS)을 흡착 제거할 수 있고 동력비를 절감할 수 있으며, 알칼리도는 외부에서 주입 공급하되 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 사용함으로써 황탈질 반응조 내부와 배관의 막힘 현상을 방지할 수 있는 폐ㆍ하수의 생물학적 황탈질 처리장치 및 그 방법을 제공하는 데에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 질산성질소가 다량 함유된 폐ㆍ하수가 유입되어 탈질 반응이 진행되도록 독립영양 황탈질 미생물 및 황이 충전된 황탈질 반응조를 가지는 폐ㆍ하수의 생물학적 황탈질 처리장치에 있어서,
탄산수소나트륨(NaHCO3)이 수용된 알칼리도 저장탱크와; 상기 알칼리도 저장탱크에 수용된 탄산수소나트륨(NaHCO3)과 원수 저장조에 수용된 원수(질산성질소가 다량 함유된 폐ㆍ하수)를 혼합하여 황탈질 반응조로 분배하는 혼합 분배조와; 상기 혼합 분배조의 처리대상 원수(질산성질소가 다량 함유된 폐ㆍ하수와 알칼리도(NaHCO3)가 혼합된 원수)가 유입되고, 그 내부에 독립영양 황탈질 미생물이 부착된 수불용성의 과립담체, 입상 활성탄 및 입자 황으로 이루어진 생물막(BIO-FILTER)이 충전되고, 하단에는 상기 생물막의 유출을 방지하는 여과체가 설치된 황탈질 반응조;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐ㆍ하수의 생물학적 황탈질 처리장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 질산성질소가 다량 함유되어 있는 폐ㆍ하수를 독립영양 황탈질 미생물 및 황을 이용하여 탈질 처리하는 폐ㆍ하수의 생물학적 황탈질 처리방법에 있어서,
하단에 여과체가 설치된 황탈질 반응조에 독립영양 황탈질 미생물이 부착된 수불용성의 과립담체, 입상 활성탄 및 입자 황으로 이루어진 생물막(BIO-FILTER)을 충전한 다음, 상기 질산성질소가 다량 함유되어 있는 폐ㆍ하수를 상기 황탈질 반응조에 투입시킴과 동시에 상기 황탈질 반응조에 알칼리도를 외부에서 공급하되 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 사용하는 것을 특징으로 하는 폐ㆍ하수의 생물학적 황탈질 처리방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 예시적인 황탈질 처리장치의 구성도를 보인 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 생물학적 황탈질 처리장치 및 그 방법을 상세히 설명한다.
본 발명의 생물학적 황탈질 처리장치 및 방법은 폐ㆍ하수의 전체적인 처리 공정에서 질산성질소가 다량 함유되어 있는 폐ㆍ하수, 구체적으로는 질산화 반응을 거친 원수(탈질 처리대상 원수)를 처리하는 것으로서, 특히 장치는 그 선단에 물리적 전처리시설 부분인 유량 조정조, 스크린, 침사지 및 초기 침전지 등과 연계되며, 후단에는 통상적인 최종 침전지 등의 후처리 시설이 연계될 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 생물학적 황탈질 처리장치의 예시적인 구성도를 보인 것으로 도 2는 하향류식 장치를 보인 것이고, 도 3은 상향류식 장치를 보인 것이다.
도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 탈질 처리장치를 설명하면, 본 발명의 황탈질 처리장치는 적어도 알칼리도 저장탱크(100), 혼합 분배조(200) 및 황탈질 반응조(300)를 포함하여 구성된다.
상기 알칼리도 저장탱크(100)는 도시된 바와 같이 황탈질 반응조(300)의 외부에 설치되어 황탈질 반응조(300) 내에 알칼리도를 외부에서 공급하며, 여기에는 탄산수소나트륨(NaHCO3)이 수용된다.
상기 혼합 분배조(200)는 알칼리도 저장탱크(100)에 수용된 탄산수소나트륨(NaHCO3)과 원수 저장조(400)에 수용된 원수(질산성질소가 다량 함유된 폐ㆍ하수, 구체적으로는 질산화 반응을 거친 폐ㆍ하수)를 혼합하여 황탈질 반응조(300)로 처리대상 원수, 즉 질산성질소가 다량 함유된 폐ㆍ하수와 알칼리도(NaHCO3)가 혼합된 원수를 분배(투입)하는 것으로서, 여기에는 그 상부에 메인배관(510)이 연결되고, 그 하부에는 처리대상 원수를 황탈질 반응조(300)로 유입시키는 유입배관(520)이 연결된다. 이때, 유입배관(520)의 일측은 상기 혼합 분배조(200)의 하부에 연결되고, 그 타측은 장치가 하향류식일 경우에는 황탈질 반응조(300)의 상부에 연결되며, 상향류식일 경우에는 황탈질 반응조(300)의 하부에 연결된다.
또한, 상기 메인배관(510)에는 알칼리도 저장탱크(100)와 연통된 제1분기관(512)과, 원수 저장조(400)와 연통된 제2분기관(514)이 연결된다. 그리고, 도시된 바와 같이 혼합 분배조(200)의 위치에 따라 알칼리도(NaHCO3)와 원수가 혼합 분배조(200)로 강제 유입되도록 상기 제1분기관(512)과 제2분기관(514)에는 알칼리도 유입펌프(P1) 및 원수 유입펌프(P2)가 설치될 수 있다. 아울러, 상기 혼합 분배조(200)와 황탈질 반응조(300)의 위치에 따라 유입배관(520)에도 펌프(도시하지 않음)가 설치될 수 있다.
상기 원수 저장조(400)에는 질산성질소가 다량 함유된 폐ㆍ하수, 구체적으로는 질산화 반응을 거친 폐ㆍ하수가 수용되어 있으며, 이러한 원수 저장조(400)는 통상의 질산화 반응조(40, 도 1참조)가 될 수 있다.
따라서, 원수 저장조(400)의 원수(질산성질소가 다량 함유된 폐ㆍ하수)와 알칼리도 저장탱크(100)의 알칼리도(NaHCO3)는 메인배관(510)을 통과하는 과정에서 혼합되다가 혼합 분배조(200)에서 완전 혼합된 다음 유입배관(520)을 통과하여 황탈질 반응조(300)로 유입되어 탈질 처리된다.
상기 황탈질 반응조(300)에는 그 내부에 독립영양 황탈질 미생물이 부착된 과립담체(352), 입상 활성탄(354) 그리고 입자 황(356)이 충전된다. 이러한 과립담체(352), 입상 활성탄(354) 및 입자 황(356)은 각각의 입자들이 종류별로 층을 이루면서 충전되거나 상호간 불균일하게 혼합되어 충전되어 황탈질 반응조(300) 내에서 생물막(BIO-FILTER, 350)을 형성하는 데, 적어도 과립담체(352)와 입자 황(356)은 종류별로 층을 이루지 않고 상호간 불규칙적으로 혼합되어 충전된다.
상기 입자 황(356)은 탈질 처리의 에너지원으로 사용되는 것으로서, 본 발명에서 사용되는 입자 황(356)은 종래와 같이 CaCO3와 액체 황을 혼합해서 제조한 입자 황이 아니고, CaCO3이 포함되어 있지 않은 황을 주재료로 한 입자 황이다. 바람 직하게는 재활용 측면에서 원유의 탈황 처리공정에서 발생되는 부산물로 가공한 것을 사용한다. 이러한 입자 황(356)은 특별히 한정하는 것은 아니지만 바람직하게는 대략 5 ~ 10mm의 직경을 갖는 것을 사용한다. 입자 황(356)의 직경이 5mm 미만인 경우에는 빨리 작아져 바람직하지 못하며, 10mm를 초과하는 경우에는 유동성 면에서 바람직하지 못하고 충전 량 대비 전체 표면적이 작아 우수한 탈질 효과를 발휘하지 못할 수 있다. 그리고, 본 발명에서 상기 입자 황(356)은 그 표면에 독립영양 황탈질 미생물이 부착된 것과 부착되지 않은 것을 포함한다.
상기 입상 활성탄(354)은 황탈질 반응조(300)에 부유하여 존재하는 잉여 유기물 및 부유물질(SS)을 흡착함과 동시에 특히 독립영양 황탈질 미생물을 흡착하여 반응조 내에 계속 체류하게 하여 탈질 작용을 할 수 있도록 하는 것으로서, 일례로 8~20mesh의 야자탄을 사용할 수 있다.
상기 과립담체(352)는 독립영양 황탈질 미생물이 부착 성장할 수 있는 수류에 유동이 자유로운 수불용성의 과립상으로서, 예를 들어 플라스틱제의 과립담체가 될 수 있다. 여기서, 플라스틱은 기공(pore)이 형성된 발포 플라스틱 및 폐플라스틱을 포함한다. 이러한 과립담체(352)는 황탈질 반응조(300) 내에서 입자 황(356)과 혼합된 상태로 충전되어 처리대상 원수와 입자 황(356)의 접촉이 양호하도록 공극을 형성한다. 즉, 탈질 반응 시간이 경과함에 따라 입자 황(356)의 직경이 작아져 공극이 감소되는데, 이때 상기 수불용성의 과립담체(352)는 황탈질 반응조(300) 내에 공극을 형성시켜 처리대상 원수와 입자 황(356)의 접촉율을 증가시켜 탈질 효율을 극대화시킨다. 또한, 상기 과립담체(352)는 작아진 입자 황(356)이 부착될 수 있는 담체적 역할을 하여 작아진 입자 황(356)에 의해 황탈질 반응조(356)가 막히는 현상을 방지한다. 이러한 과립담체(352)는 5 ~ 10mm의 직경을 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 직경이 5mm 보다 작으면 공극 형성 면에서 바람직하지 못하며, 10mm 보다 크게 되면 유동에 많은 에너지가 필요하게 되고 유동범위가 작아져 반응조(356)의 바닥에 쌓이게 되는 현상이 발생할 수 있어 바람직하지 않다.
또한, 상기 과립담체(352)는 그 표면에 독립영양 황탈질 미생물이 부착된 상태로 황탈질 반응조(300)에 충전된다. 독립영양 황탈질 미생물은 티오바실러스 디니트리피칸스(Thiobacillus denifrificans), 티오마이크로스피라 디니트리피칸스(Thiomicrospira denifrificans) 등을 사용할 수 있으며, 이들은 독자적으로 선택 배양되어 과립담체(352)의 표면에 부착된다.
상기 독립영양 황탈질 미생물은 과립담체(352)에서 성장 증식하여 입자 황(356)에 부착되어 탈질 반응에 참여한다. 즉, 본 발명에서 상기 입자 황(356)은 독립영양 황탈질 미생물이 부착되지 않은 상태로 충전될 수 있는 데, 이때 과립담체(352)에 부착된 독립영양 황탈질 미생물이 황탈질 반응조(300)에서 성장 증식하여 입장 황(352)에 부착되어 탈질 반응에 참여한다. 그리고, 황탈질 반응조(300) 내에 다량의 독립영양 황탈질 미생물이 함유될 수 있도록 과립담체(352)와 더불어 입자 황(356)에도 독립영양 황탈질 미생물을 부착시킨 상태로 황탈질 반응조(300)에 충전될 수 있다.
또한, 상기 과립담체(352)는 폐폴리에틸렌, 제올라이트, 분말활성탄을 일정비율로 혼합하여 직경이 5 ~ 10mm이고, 진비중이 1 ~ 1.19 범위를 갖도록 제조한 것을 사용한 것이 바람직하다. 이러한 과립담체(352)는 다양한 종류의 미생물 부착 성장이 양호하고, 수류에 따라 원활히 유동되며, 폐폴리에틸렌이 주원료로 사용되어 경제성이 높은 장점이 있다. 이와 같은 특징을 갖는 과립담체 및 그 제조방법에 대하여 본 출원인은 대한민국 특허출원 제10-2003-0019093호(2003년 3월 27일 출원)에 상세히 제시하였다.
본 발명에서 사용되는 과립담체(352)는 상기 특허출원 제10-2003-0019093호에 제시된 과립담체를 포함한다. 이를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
과립담체(352)는 폐폴리에틸렌 또는 그 유도체와, 제올라이트 그리고 분말 활성탄을 혼합한 혼합물을 과립상으로 압출 성형하여 직경이 5 ~ 10mm이고, 진비중이 1 ~ 1.19 범위를 갖게 제조한다. 구체적인 제조방법의 예를 들면, 폐폴리에틸렌(또는 그 유도체) 50 ~ 70중량%와, 제올라이트 분말 10 ~ 31중량% 그리고 분말 활성탄 5 ~ 24 중량%를 혼합하여 조성하고, 교반기에 넣어 75 ~ 80rpm의 회전속도로 30 ~ 60분 교반 혼합하여 용융 압출기로 용융 압출하는데 이때 혼합물의 용융온도는 200 ~ 250℃가 유지되도록 하며, 압출 압력은 0.2 ~ 0.4 kgf/㎠로 유지되도록 한다. 그리고, 압출 성형기에서 압출과 동시에 5 ~ 10 mm의 크기로 절단하여 과립상으로 성형하되, 절단 시에는 물 분사기로 10 ~ 16℃의 물을 분사시키면서 절단함으로써 성형된 담체를 급냉시켜 성형된 담체끼리 재접착되지 않도록 한다.
위와 같이 제조된 과립담체(352)는 직경이 5 ~ 10mm이고, 진비중이 1 ~ 1.19 이며, 겉보기 비중이 0.45 ~ 0.60kg/L로서 상기한 바와 같이 다양한 종류의 미생물이 부착 성장하기에 양호하고, 수류에 따라 원활히 유동되어 담체의 정체현상이 없 는 장점이 있으며, 폐폴리에틸렌이 주원료로 사용되어 경제성이 높은 특성을 갖는다. 그리고, 많은 미생물의 부착 성장에 적합한 큰 비표면적을 가지므로 탈질의 고속처리를 가능하게 하고, 영양염류, 유기물 및 부유물질(SS)을 흡착 제거할 수 있다.
본 발명에 따라서 황탈질 반응조(300) 내에는 상기와 같은 과립담체(352), 입상 활성탄(354) 및 입자 황(356)이 충전되어 생물막(350)이 형성되는 데, 이때 상기와 같은 3가지 물질로 이루어진 생물막(350)은 그 전체 중량을 기준으로 하여 과립담체(352) 40 ∼ 60중량%, 입상 활성탄(354) 5 ~ 15중량% 그리고 입자 황(356) 30 ∼ 50중량%의 혼합 비율로 구성되도록 충전하는 것이 바람직하다. 이러한 범위에서 공극의 형성, 과립담체(352)의 원활한 유동, 탈질 효과, 부유물질(SS) 흡착 제거 효과 등에서 양호한 특성을 갖는다.
또한, 상기 황탈질 반응조(300)의 하단에는 상기 입상으로 이루어진 생물막(350)이 유출배관(540)을 통하여 반응조(300) 외부로 유출되지 않도록 여과체(380)가 설치된다. 이러한 여과체(380)는 과립담체(352), 입상 활성탄(354) 및 입자 황(356)이 빠져나가지 않도록 이들의 직경보다 작은 구멍이 형성된 것으로서, 반응조(300)의 형상과 대응한 원반형의 망이거나 육면체의 망통체 및 원통형의 망통체를 포함한다. 아울러, 여과체(380)는 수류의 유동에 흔들리지 않도록 반응조(300)의 하단에 견고하게 고정된다.
따라서, 황탈질 반응조(300)에서는 과립담체(352) 및 입상 활성탄(354)에 의해 잉여 유기물 및 부유물질(SS)이 흡착 제거되며, 과립담체(352)에 의해 형성된 공극에 의해 입자 황과 원수의 접촉율이 높아 탈질 반응이 원활히 진행됨과 동시에 과립담체(352)에 미생물의 성장 증식이 향상되어 빠른 탈질 반응이 진행된다. 이때, 황탈질 반응조(300)에서는 처리대상 원수에 존재하는 총질소(T-N), 질산성 질소(NO3-N) 등이 질소가스(N2)로 환원되어 제거되는 데, 일례로 질산상 질소(NO 3-N)의 제거는 다음과 같은 화학 반응 양론식으로 표현되어 제거될 수 있다.
[화학 반응 양론식]
NO3 - + 1.1S + 0.76H2O + 0.4CO2 + 0.08NH4 +
→ 0.08C5H7NO2 + 0.5N2 + 1.1SO 4 2- + 1.28H+
이때, 상기 반응식의 생성물에 포함되어 있는 황산이온(SO4 2-)과 수소이온(H+)에 의한 반응조(300)의 pH 저하는 외부에서 원수와 함께 공급되는 알칼리도(NaHCO3)에 의해 상승된다.
또한, 본 발명에 따른 생물학적 황탈질 처리장치는 시간이 경과함에 따라 작아진 입자 황(356)이 반응조(300) 하부에 일부 축적되는 것을 방지하도록 통상과 같이 역세척을 위한 역세 펌프(도시하지 않음)가 설치된다. 그러나, 본 발명에 따른 황탈질 처리장치는 과립담체(352)에 의해 충분한 공극이 형성되어 있고, 작아진 입자 황(356)의 일부는 과립담체(352)에 부착되어 있으므로 역세 펌프(도시하지 않음)의 가동 회수는 종래보다 훨씬 제한된다.
본 발명에 따른 생물학적 황탈질 처리장치는 하향류식 및 상향류식을 포함한다. 도 2는 혼합 분배조(200)에 수용된 처리대상 원수(질산화 반응을 거친 폐ㆍ하수와 알칼리도(NaHCO3)가 혼합된 원수)가 황탈질 반응조(300)의 상부로 유입되어 하향하는 과정에서 처리되는 하향류식 처리 장치를 보인 것이고, 도 3은 처리대상 원수가 황탈질 반응조(300)의 하부로 유입되어 상향하는 과정에서 처리되는 상향류식 처리 장치를 보인 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 탈질 처리장치가 하향류식일 경우에는 탈질 처리된 처리수를 외부로 유출할 수 있도록 황탈질 반응조(300)의 하부에 처리수 유출배관(540)이 연결되며, 도 3에 도시된 바와 같이 상향류식일 경우에는 처리수 유출배관(540)이 황탈질 반응조(300)의 상부에 연결된다.
이때, 본 발명에 따른 장치가 하향류식일 경우에는 생물막(350)을 적층 구성함에 있어서, 즉 독립영양 황탈질 미생물이 부착된 과립담체(352), 입상 활성탄(354) 그리고 입자 황(356)을 충전함에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 입상 활성탄(354)은 황탈질 반응조(300)의 하측에 위치되도록 충전하고, 이 입상 활성탄(354)의 위에 과립담체(352)와 입자 황(356)의 혼합 입자들이 위치되도록 충전하는 것이 바람직하다. 이는 황탈질 반응조(300)의 하부에 연결되어 있는 처리수 유출배관(540)에 근접하여 입상 활성탄(354)이 위치되도록 하여 유출되는 처리수의 유기물 및 부유물질(SS)이 입상 활성탄(354)에 최종적으로 흡착 제거되게 하기 위함이다. 또한, 상향류식일 경우에는 상기 생물막(350)을 적층 구성함에 있어서, 위와 같은 이유로 도 3에 도시된 바와 같이 상기 입상 활성탄(354)은 황탈질 반응조(300)의 상측에 위치되도록 충전하고, 이 입상 활성탄(354)의 아래에 과립담체(352)와 입자 황(356)의 혼합 입자들이 위치되도록 충전하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 생물학적 황탈질 처리방법은 상기와 같은 황탈질 반응조(300)를 이용하여 처리하되, 알칼리도를 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 사용하여 황탈질 반응조(300)의 외부에서 공급하는 것으로서,
하단에 여과체(380)가 설치된 황탈질 반응조(300)에 독립영양 황탈질 미생물이 부착된 수불용성의 과립담체(352), 입상 활성탄(354) 및 입자 황(356)으로 이루어진 생물막(BIO-FILTER, 350)을 충전하는 단계와;
질산화 반응을 거친 원수를 상기 황탈질 반응조(300)에 투입시키는 단계와;
상기 황탈질 반응조(300)에 알칼리도를 외부에서 공급하되 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 사용하는 단계;를 포함한다.
바람직하게는 상기 본 발명에 따른 황탈질 처리장치를 사용하여 처리한다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명한다.
[실시예]
도 2에 보인 바와 같은 하향류식 장치를 시험 설치하고, 황탈질 반응조(300)에는 생물막(350)을 충전하였다. 이때, 생물막(350)은 과립담체(352) 40중량%, 입상 활성탄(354) 10중량%, 입자 황(356) 50중량%의 비율로 이루어지게 하되, 상기 과립담체(352)는 폐폴리에틸렌 70중량%와 제올라이트 20중량% 및 분말 활성탄 10중량%를 혼합하여 압출 성형하여 제조한 것으로서 직경분포 5 ~ 10mm을 가지며 진비 중이 1.09, 겉보기비중이 0.46kg/L인 것을 사용하였다. 그리고 이 과립담체(352)의 표면에는 본 발명자들이 독자적으로 독립 배양한 Thiobacillus denifrificans를 부착하였다.
먼저, 황탈질 반응조(300)의 하부에 상기 입상 활성탄(354)을 충전한 다음 그 위에 독립영양 탈질 미생물이 부착된 과립담체(352)와 입자 황(356)의 혼합 입자를 적층하였다. 이때, 입자 황(356)은 원유의 탈황 처리공정에서 발생된 부산물로 가공한 것으로서, 평균 직경 6mm인 것을 사용하였으며, Thiobacillus denifrificans를 부착하지 않은 상태로 충전하였다.
그리고, 원수는 반도체 폐수를 사용하였으며 약 2개월 동안 운전하여 원수 및 처리수에 대한 총질소(T-N), 질산성 질소(NO3-N)의 함량을 수회 반복 분석하여 하기 [표 1] 및 [표 2]에 나타내었다. [표 1]은 총질소(T-N)의 분석 결과이고, [표 2]는 질산성 질소(NO3-N)의 분석 결과이다. 분석 결과는 수질오염 공정시험방법에 따라 측정된 결과이다.
< T-N 분석 결과 >
구 분 원수 (mg/L) 처리수 (mg/L) 처리율 (%)
평균 30.0 5.8 81.4
표준편차 4.7 3.5 10.0
최소값 24.0 0.8 68.5
최대값 38.8 11.1 96.6
< NO3-N 분석 결과 >
구 분 원수 (mg/L) 처리수 (mg/L) 처리율 (%)
평균 24.8 1.6 94.5
표준편차 4.7 2.1 7.0
최소값 19.0 0.0 81.8
최대값 33.8 6.2 100.0
상기 [표 1] 및 [표 2]에 보인 바와 같이 평균 80% 이상의 우수한 처리율을 가짐을 알 수 있으며, 특히 질산성 질소(NO3-N)는 94% 이상의 처리율을 가짐을 알 수 있다.
따라서, 본 발명은 질산성질소가 다량 함유된 폐ㆍ하수를 황탈질 처리함에 있어서, 독립영양 황탈질 미생물이 부착된 수불용성의 과립담체(352), 입상 활성탄(354) 및 입자 황(356)으로 이루어진 생물막(350)이 충전된 황탈질 반응조(300)에 투입하여 처리함으로써 공극 형성에 의한 접촉율을 증가시켜 탈질처리 효율을 극대화시키고 잉여 유기물 및 부유물질(SS)을 흡착 제거하는 효과를 갖는다.
또한, 알칼리도는 외부에서 주입 공급하되 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 사용함으로써 응집 침전물(CaSO4)의 생성을 방지하여 황탈질 반응조(300) 내부와 배관의 막힘 현상을 방지하는 효과를 갖는다.
그리고, 과립담체(352)에 의해 충분한 공극을 형성시키고, 작아진 입자 황(356)의 일부는 과립담체(352)에 부착되게 함으로써 작아진 입자 황(356)에 의한 반응조(300) 내부의 막힘 현상을 방지함은 물론 역세펌프의 가동 회수를 종래보다 훨씬 줄일 수 있어 동력비를 절감할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (10)

  1. 질산성질소가 다량 함유된 폐ㆍ하수가 유입되어 탈질 반응이 진행되도록 독립영양 황탈질 미생물 및 황이 충전된 황탈질 반응조를 가지는 폐ㆍ하수의 생물학적 황탈질 처리장치에 있어서,
    탄산수소나트륨(NaHCO3)이 수용된 알칼리도 저장탱크(100)와;
    상기 알칼리도 저장탱크(100)에 수용된 탄산수소나트륨(NaHCO3)과 원수 저장조(400)에 수용된 원수(질산성질소가 다량 함유된 폐ㆍ하수)를 혼합하여 황탈질 반응조(300)로 분배하는 혼합 분배조(200)와;
    상기 혼합 분배조(200)의 처리대상 원수(질산성질소가 다량 함유된 폐ㆍ하수와 알칼리도(NaHCO3)가 혼합된 원수)가 유입되고, 그 내부에 독립영양 황탈질 미생물이 부착된 과립담체(352), 입상 활성탄(354) 및 입자 황(356)으로 이루어진 생물막(BIO-FILTER, 350)이 충전되고, 하단에는 상기 생물막(BIO-FILTER, 350)의 유출을 방지하는 여과체(380)가 설치된 황탈질 반응조(300);를 포함하여 구성되고,
    상기 과립담체(352)는 직경이 5 ~ 10mm이고, 진비중이 1 ~ 1.19의 범위를 갖는 수불용성의 과립상인 것을 특징으로 하는 폐ㆍ하수의 생물학적 황탈질 처리장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 황탈질 처리장치는 혼합 분배조(200)에 수용된 처리대상 원수(질산성질소가 다량 함유된 폐ㆍ하수와 알칼리도(NaHCO3)가 혼합된 원수)가 황탈질 반응조(300)의 상부로 유입되어 하향하는 과정에서 처리되어 배출되도록 혼합 분배조(200)에 연결된 유입배관(520)은 황탈질 반응조(300)의 상부에 연결되고, 처리수 유출배관(540)은 황탈질 반응조(300)의 하부에 연결된 하향류식 장치이고, 상기 생물막(BIO-FILTER, 350)을 이루는 입상 활성탄(354)은 황탈질 반응조(300)의 하측에 충전되고, 이 입상 활성탄(354)의 위에 과립담체(352)와 입자 황(356)의 혼합 입자들이 충전된 것을 특징으로 하는 폐ㆍ하수의 생물학적 황탈질 처리장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 황탈질 처리장치는 혼합 분배조(200)에 수용된 처리대상 원수(질산성질소가 다량 함유된 폐ㆍ하수와 알칼리도(NaHCO3)가 혼합된 원수)가 황탈질 반응조(300)의 하부로 유입되어 상향하는 과정에서 처리되어 배출되도록 혼합 분배조(200)에 연결된 유입배관(520)은 황탈질 반응조(300)의 하부에 연결되고, 처리수 유출배관(540)은 황탈질 반응조(300)의 상부에 연결된 상향류식 장치이고, 상기 생물막(BIO-FILTER, 350)을 이루는 입상 활성탄(354)은 황탈질 반응조(300)의 상측에 충전되고, 이 입상 활성탄(354)의 아래에 과립담체(352)와 입자 황(356)의 혼합 입자들이 충전된 것을 특징으로 하는 폐ㆍ하수의 생물학적 황탈질 처리장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 생물막(BIO-FILTER, 350)은 과립담체(352) 40 ∼ 60중량%, 입상 활성탄(354) 5 ~ 15중량% 및 입자 황(356) 30 ∼ 50중량%의 비율로 이루어진 것을 특징으로 하는 폐ㆍ하수의 생물학적 황탈질 처리장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 입자 황(356)은 원유의 탈황 처리공정에서 발생되는 부산물로 가공한 것을 특징으로 하는 폐ㆍ하수의 생물학적 황탈질 처리장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 입자 황(356)은 그 표면에 독립영양 황탈질 미생물이 부착된 것을 특징으로 하는 폐ㆍ하수의 생물학적 황탈질 처리장치.
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 과립담체(352)는 폐폴리에틸렌(또는 그 유도체) 70중량%, 제올라이트 분말 20중량% 그리고 분말 활성탄 10중량%로 혼합된 혼합물을 압출 성형하여 제조된 것을 특징으로 하는 폐ㆍ하수의 생물학적 황탈질 처리장치.
  9. 질산성질소가 다량 함유되어 있는 폐ㆍ하수를 독립영양 황탈질 미생물 및 황을 이용하여 탈질 처리하는 폐ㆍ하수의 생물학적 황탈질 처리방법에 있어서,
    하단에 여과체(380)가 설치된 황탈질 반응조(300)에 독립영양 황탈질 미생물이 부착된 과립담체(352), 입상 활성탄(354) 및 입자 황(356)으로 이루어진 생물막(BIO-FILTER, 350)을 충전한 다음, 상기 질산성질소가 다량 함유되어 있는 폐ㆍ하수를 상기 황탈질 반응조(300)에 투입시킴과 동시에 상기 황탈질 반응조(300)에 알칼리도를 외부에서 공급하되 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 사용하고, 상기 과립담체(352)는 직경이 5 ~ 10mm이고, 진비중이 1 ~ 1.19의 범위를 갖는 수불용성의 과립상을 사용하여 처리하는 것을 특징으로 하는 폐ㆍ하수의 생물학적 황탈질 처리방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 황탈질 처리방법은 제1항 내지 제6항, 및 제8항 중 어느 하나의 항에 기재된 황탈질 처리장치를 사용하여 처리하는 것을 특징으로 하는 폐ㆍ하수의 생물학적 황탈질 처리방법.
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