KR200235030Y1 - 폐자재를 이용한 하수의 고도처리장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 정석 탈인장치와 혐기성 조건, 무산소적 조건을 추가하고 슬러지의 반송과정을 배제함으로서 슬러지의 발생량을 최소화하며, 유기물은 물론 질소와 인까지도 동시에 처리할 수 있는 중·소규모의 하수 처리장에 특히 적합한 하수 고도처리방법을 제공하기 위한 것으로서, 하수중의 질소와 인을 동시에 제거하도록 설치된 하수처리설비의 혐기성조(4)와 무산소조(5) 그리고 제1,2 호기조(6,7)에 복수의 탄화활성 접촉여재(15a)를 교축방향으로 엇갈리게 적층시킨 접촉재(15)를 수납하고 상기 혐기성조(4)와 무산소조(5) 그리고 제1,2 호기조(6,7)내에 역세설비(17b)를 설치하여 탄화활성 접촉재(15)의 효율을 높이며, 정석 탈인장치(14)에 인 제거용 폐광재를 투입하여 질소와 인을 동시에 제거하는 하수의 고도처리장치를 제공한다.

Description

폐자재를 이용한 하수의 고도처리장치{The to remove nitrogen and phosphorous from waste water utilizing waste material}

본 고안은 하수 처리공정에 있어서 표준활성슬러지처리법과 접촉산화처리법, 각종 변형처리법의 단점을 보완하기 위하여 폐비닐을 재활용한 접촉여재와 제철소의 폐광재 등의 폐자재를 이용한 하수 처리장치에 관한 것이며, 특히 정석 탈인장치와 혐기성 조건, 무산소적 조건을 추가하고 슬러지의 반송과정을 배제함으로서 슬러지의 발생량을 최소화하며, 유기물은 물론 질소와 인까지도 동시에 처리할 수 있게 한 하수의 고도처리장치에 관한 것이다.

도시의 하수 처리장은 대부분 대규모 선호추세 일변도였으며, 도시에 비해 규모가 작아 상대적으로 수질관리가 소홀할 수밖에 없는 농어촌의 경우 장래의 수질관리를 위하여 마을 하수도 시설을 포함한 중·소규모 하수시설에 대한 정비가 불가피하다.

중·소규모 하수 처리시설은 슬러지 발생량이 적고 유지관리가 간편한 공정이 중요 평가요소로 될 것이 예상된다. 이런 곳에는 부유성장식 하수처리공법에 비해 상대적으로 슬러지 발생량이 적고 부하변동 및 독성 물질에 대한 적응성이 강한 생물막 공법의 적용가능성은 매우 높다.

생물막 공법은 하수처리에 이용되는 미생물을 부착시킬 여재의 특성에 따라 운전방식 및 처리특성이 달라질 여지가 충분하며, 유기물 제거만을 목적으로 하는가 아니면 질소·인 등의 영양염류 제거까지를 목적으로 하는가도 역시 매우 중요한 요소가 된다. 중·소규모 하수처리시설이라 하더라도 상수원 보호구역이라든지 댐, 저수지 상류에 위치할 경우에는 유기물은 물론 질소와 인 등의 영양염류의 제거가 가능한 공정이 필수다. 생물막 공법의 경우 유기물 제거, 질산화 및 탈질 기능을 가진 미생물을 별개의 단에 우점적으로 부착시킴으로서 유기물 및 질소의 효과적인 제거가 가능하지만 혐기 및 호기조간의 미생물 이동이 어렵기 때문에 생물학적 탈인의 원리상 인제거 효과는 부유성장식 공법을 적용한 하수고도처리장치에 비해 다소 떨어지는 게 사실이다.

이러한 경우 인은 물리적 방법으로 처리할 수밖에 없다. 보편적인 물리적 처리방법으로 응집제를 이용한 침전법은 치리비용과 슬러지의 과다발생과 같은 이유로 실제 시설에서의 적용을 꺼리는 경향이 짙다.

기존의 표준활성슬러지처리장치는 가장 보편화된 하수처리장치이다. 이 장치는 최종 침전조로부터 유입 하수량의 20∼40%의 활성슬러지를 폭기조로 반송하여 유입 하수와 활성슬러지를 혼합하고 최종 침전조에서 슬러지를 분리시켜 상등수를 방류하는 것으로서, MLSS는 1,500∼3000, BOD부하 0.2∼0.4kg/m³정도이다.

이 장치의 특징은 침전성이 좋은 활성슬러지가 얻어지고 기능이 정상적이나 BOD부하에 대응하는 MLSS의 조정과 활성슬러지의 질과 폭기시간에 좌우되는 흡착작용과 산화작용의 균형 슬러지 및 급기량의 조절에 전문적인 관리가 필요하고, 대규모 시설에서나 경제적 운용이 가능하며, 유입수의 부하변동에 불안정하고 슬러지가 다량 발생하며 유지관리비도 높은 단점이 있다.

접촉산화법은 활성슬러지공정의 단점을 보완하여 폭기조 내에 접촉재를 충전하여 하수를 담체의 표면에 생성된 생물막과 순환 접촉시키면서 하수중의 유기물을 미생물의 분해작용으로 제거하는 것으로서, 폭기조의 미생물 농도 20,000∼50,000mg/L의 고농도 미생물을 접촉재에 부착시킬 수 있어 유입수의 유기물과 수리학적 부하변동에 강하며 반송슬러지가 불필요하므로 운전관리가 용이하고 슬러지는 적게 발생하며 유기물 및 질소 제거효과가 높은 편이다. 그러나 접촉산화법의 특성상 미생물이 호기, 혐기간의 자유로운 이동이 불가능하기 때문에 수리학적 인의 제거가 미흡한 단점을 갖고 있다.

표준활성슬러지처리법과 접촉산화처리법은 2차 처리시설로 주로 유기물만을 제거하는 공정인데, 최근 부영양화현상이 사회적 문제로 대두되면서 질소와 인을 동시에 제거하기 위한 새로운 수처리공법의 필요성이 대두되고 있다. 그 대표적인 생물학적 질소와 인의 동시제거방법으로는 A²/O, 바덴포(Bardenoho), VIP 등이 있다. 이들의 개요 및 문제점은 다음과 같다.

도 1에서, A²/O 공법은 기존 A/O 공법에서의 혐기성조와 호기성조 사이에 무산소조를 설치하여 질소 산화물과 인을 동시에 제거하는 것으로서, F/M비는 0.15∼0.25kg BOD/kg·MLVSS·일(日)이고, SRT(고형물 체류시간)은 4∼27일이다. HRT(수리학적 체류시간)은 혐기성 구간의 경우 0.5∼1.5시간, 무산소 구간은 0.5∼1.0시간, 호기성 구간은 3.5∼6.0시간이며, 폭기조의 MLSS는 평균 3,000∼5,000 mg/L로 유지된다.

A²/O공정은 반송슬러지의 질소산화물(NO₃) 함량을 감소시켜 탈인과정에서의 질소산화물의 영향을 줄일 수 있다. 호기성조로부터 무산소조의 순환은 대개 유입수의 100∼300%에 달하고, 인제거율은 A/O공정에 비해 떨어지나 40∼70%의 질소를 제거할 수 있다. 그러나 A²/O 공법에서도 탈질 반송율로 탈질조절이 어느 정도는 가능하지만 완전한 것은 못된다. 반송 슬러지 내에 NO_x이 잔류하기 때문이다. 이것이 인제거 미생물의 성장을 보장하는 혐기조로 반송되어 인의 제거에 영향을 끼치게 된다. 인을 고도로 처리하기 위해서는 모래여과장치나 화학처리시설을 추가 설치해야 되고 온도에 지대한 영향을 받으므로 동절기에는 운용이 곤란한 것도 문제다.

도 2에서, 5-스테이지 바덴포공법은 낮은 유기물부하에서 질소 제거효율을 높이기 위해 설계된 것으로서 기존의 바덴포공정에다 혐기성조를 추가하여 인을 제거하도록 한 것인데, 그 처리공정은 유입수와 반송슬러지가 혼합되고 혐기성조에서발효반응과 인의 방출이 진행되며, 내부에서 반송된 혼합액과 함께 첫 번째 탈질조에서 발생된 질소산화물의 70% 정도가 용해성 BOD와 함께 제거된다. 그 다음에는 호기성조에서 BOD와 암모니아, 인이 제거되고, 두 번째 탈질조에서 미생물이 분해되어 생성된 탄소원을 이용하여 탈질소화반응이 일어난다. 두 번째 호기성조는 침전조에서 혐기성 상태로 된 미생물로부터 인이 방출되는 것을 막는다. 이 공정에서의 F/M비는 0.1∼0.2kg·BOD/kg·MLVSS·일(日)이고, SRT(고형물 체류시간)은 10∼40일로 운전된다. 폭기조의 MLSS는 평균 2,000∼4,000mg/L로 유지하며, 인을 3mg/L 이하로 방류시킬 수 있고, 질소 80% 이상, 인 60% 내외의 제거효율을 보이는 것으로 알려져 있다.

그러나, 이 공법은 시설부지가 A²/O 공법에 비해 과다하고 실처리규모의 운전결과가 특정 지역에 국한되기 때문에 하수의 유입성상이 다른 곳에 적용하려면 선결되어야 될 과제가 많다.

도 3에서, VIP 공정은 UCT 공정에 비해 운전의 고효율성을 도모하기 위해 제안된 것이다. UCT 공정은 10∼30일의 미생물 체류시간을 위해 설계한 것인 데 대하여 VIP 공정은 5∼10일의 미생물 체류시간으로 설계되었다. VIP 공정은 활성미생물의 양을 증가시켜 운전함으로서 인의 제거효율을 높임과 동시에 반응조의 용량을 감소시키는데 중점을 두고 있다. VIP 공정은 또한 혐기성, 무산소조, 호기성의 각 반응조에 완전 혼합조를 2개 이상 직렬 배치하여 반응기의 연속흐름의 특성을 살린 점이 특징이다. 이 방법에 의하면 호기성 조건의 완전혼합조중에서 첫번째 반응조에서 유기물의 잔류량이 증가하여 인제거효율을 높일 수 있다. 그러나 VIP 공정은 특히 저온대 지역에서 질소의 제거효율이 다른 공정에 비해 급격히 저하되는 단점이 있다.

이와 같이 기존의 하수처리공법은 활성슬러지공법의 변형된 방식으로서, 하수의 성상과 지역적 제한성, 막대한 설치비와 유지관리비의 지출 문제 때문에 널리 적용하는데는 적잖은 문제가 따른다. 기설 하수처리장 대부분은 표준활성슬러지 공법이 적용되었는 바, 이는 질소와 인의 방류수질규제가 시행되기 이전에 설치된 유기물 처리공법이기 때문에 향후 질소와 인의 처리 추가설비에 대한 증설이 시급하다. A²/O, 바덴포, VIP 등의 질소·인 동시제거공법용 설비는 비용과 유지관리면에서도 적잖은 문제점을 안고 있다.

따라서 본 고안은 생물막 공법으로 유기물과 질소 및 인을 제거하고 2차 처리수를 제철소의 폐광재가 투입된 탈인장치에 도입하여 하수처리의 완벽성을 추구할 수 있는 새로운 하수 처리장치를 제공하기 위한 것으로서, 상기한 기존 하수처리공법의 문제점을 해소하여 중·소형 하수처리장에 적합하고, 또한 기설 중소형 분뇨처리장이나 축산폐수처리장의 처리공정 후반부에 탈인장치를 부가하여 독자적으로 질소와 인을 완벽하게 흡수 제거할 수 있는 하수 처리장치를 제공하려는 것이다.

본 고안은 활성슬러지공법에서 변형된 기존 공정의 문제점을 해소하기 위하여 폭기조내의 부유 미생물인 MLSS를 이용하여 처리하는 대신 생물막법의 장점인 다량의 미생물을 담체에 효율적으로 부착시켜 처리효과를 높이고, 혐기성조와 무산소 그리고 제1,2 호기성조를 조합하여 유기물과 질소 및 인을 제거하고, 최종 침전조를 거쳐 2차 처리된 상등수를 탈인장치에 제철소의 폐광재를 투입하여 생물학적 처리에서 미흡한 인을 제거하여 완벽한 고도처리하며, 제1 호기조와 제2 호기조에 역세(逆洗)라인을 설치하여 미생물의 활성화를 촉진하고 인의 처리 효율을 높일 수 있도록 구성한 하수의 고도처리장치를 주된 특징으로 한다.

본 고안에서는 슬러지를 반송하지 않아 슬러지 팽화현상을 배제함으로서 시설관리가 용이하고 슬러지 발생도 최소화할 수 있다.

본 고안은 또한 역세라인을 설치함으로서 생물막법의 문제점으로 지적돼 온 여재의 막힘 현상, 슬러지의 탈리 및 축적현상을 개선하고, 각 반응조 내에 미생물막의 활착과 활발한 증식을 돕는 탄화활성 반응체를 사용하여 접촉여재의 적치방법을 개선하여 원활한 수류의 흐름과 독특한 여재의 형상으로 슬러지 자산화를 최대한 유도함으로서 슬러지 발생량을 최소화한다.

생물막공법의 경우 유기물 제거, 질산화 및 탈질기능을 가진 미생물을 별개의 단에 우점적으로 부착시킴으로서 유기물 및 질소제거효과는 우수하지만 혐기조 및 호기조간의 미생물 이동이 어려우므로 생물학적 탈인의 원리상 인제거 효과가 부족한 단점이 있는 데, 본 고안에서는 탈인장치를 최종 침전조에서 월류한 상등수에 대하여 제철소의 폐광재를 투입하는 탈인공정을 통하여 인 제거효율을 극대화하며, 운전 및 관리가 용이하여 중·소규모의 하수처리시설, 특히 기존의 하수 처리장, 위생 처리장, 침출수 처리장의 신축 및 증개축에 적합한 중·소규모 하수처리시설용 하수처리장치를 제공한다.

도 1은 A²/O공법의 하수처리공정도

도 2는 5-스테이지 바덴포공법의 하수처리공정도

도 3은 VIP공법의 하수처리공정도

도 4는 본 고안에 의한 하수 처리장치도

도 5는 본 고안에 의한 접촉여재의 적층도

도 6은 역세라인의 평면도

도 7은 도 7의 종단정면도

도 8은 탈인조의 정면도

도 9는 탈인조의 부분절개 정면도

도 10은 도 9의 A-A선 단면도

도 11은 탈인조의 전기계통과 운전계통도

＜도면의 주요 부분에 대한 부호설명＞

1 : 침사 및 스크린 2 : 분배조

3 : 1차 침전조 4 : 혐기성조

5 : 무산소조 6 : 제1 호기조

7 : 제2 호기조 8 : 2차 침전조

9 : 소포수조 10 : 집수조

11 : 방류조 12 : 오니농축 및 저류조

13 : 탈수기 14 : 탈인장치

15 : 접촉여재 16 : 송풍기

17a : 산기장치 17b : 역세라인

다음으로, 도 4 이하의 첨부도면에 따라 본 고안을 구체적으로 설명한다.

도 4에서, 유입된 하수는 스크린(1a)이 설치된 침사 및 스크린조(1)를 거치는 동안 유입수중의 모래나 협잡물을 제거하여 후속 처리부의 기능저하를 방지한다. 침사 및 스크린조(1)에 이어 분배조(2)를 설치한다. 분배조(2)는 1차 침전조(3)를 거쳐가는 유량을 균등 배분하기 위하여 원수펌프(2a)를 이용해 1차 침전조(3)로 이송하며, 1차 침전조(3)는 스크래퍼(3a)로 무기성 슬러지를 슬러지 펌프(3b)로 양수하여 오니농축 및 저류조(12)로 보내고 상등수는 혐기성조(4)로 이송한다.

혐기성조(4)의 후위에는 무산소조(5), 제1 및 제2 호기조(6,7)를 설치한다. 혐기성조(4)와 무산소조(5) 및 제1,2 호기조(6,7)에는 탄화활성반응 접촉여재(15)를 설치하고 호기성조(6,7)에는 송풍기(16)를 가진 산기장치(17a)를 활용하여 산소를 공급함으로서 유기물을 제거하고 암모니아성 질소를 질산성 질소로 변화시킨 후 제2 호기조(7)의 내부 순환펌프(7a)를 이용하여 무산소조(5)로 반송, 탈질시킨 후 반응조를 통하여 최종 침전조(8)로 이송한다.

혐기성조(4) 및 무산소조(5)에는 오니의 퇴적을 방지하기 위하여 수중믹서(4a)를 설치한다. 혐기성조(4)에서는 인을 방출하고 제1,2 호기조(6,7)에서는 미생물이 인을 섭취하여 제거한다. 이때, 제1,2 호기조(6,7)에는 탄화활성 접촉재(15)의 구성요소인 모든 접촉여재(15a)의 기능을 최대화하기 위하여 설치된 역세라인(17b)을 간헐적으로 가동한다.

최종 침전조(8)에서는 앞의 각 반응조에서 탈리되어 월류한 슬러지를 스크래퍼(8a)로 중력 침강시킨 후 슬러지 펌프(8b)에 의해 인출되는 슬러지를 오니농축조 및 저류조(12)로 이송하며, 이송된 슬러지는 스크래퍼(12a)로 중력 침강시켜 슬러지 펌프(12b)를 이용하여 탈수기(13)로 보내고 케이크는 외부로 반출한다. 최종 침전조(8)에서 슬러지를 제거한 후의 상등수는 정석 탈인장치(14)로 이송하여 전단부에서 미제거된 인을 완벽하게 제거하며, 이때 투입된 제철소 폐광재에서 자연 용출되는 칼슘의 영향으로 인의 결합이 이루어지게 되며, 결합된 인을 주기적인 역세와 콤프레서(14a)를 이용한 공기 청소로 인을 오니농축조(12)로 이송하여 완벽한 인의 제거가 이루어진다. 이후 인이 제거된 처리수는 소포수조(10)로 이송되어 비상시 제1,2 호기조(6,7)에서 발생하는 거품을 소포펌프(10a)를 이용하여 제거하는 역할을 하며, 소포수조를 거친 후 방류조(11)를 거쳐 최종 방류된다.

도 7 및 도 8에서, 정석 탈인장치(14)는 탱크내 하부에 스트레이너(14b)를 설치하고 폐광재를 충진하여 펌프(10a)로 급속히 통과시키면 인 성분이 폐광재에 흡착되고 스트레이너(14b)로 정수된 하수만 통과하게 되며, 주기적 역세일 경우에는 하부의 역세라인을 통하여 폐광재를 콤프레서에서 주입되는 공기의 압력에 의하여 에어 퍼지되어 역세된 역세수는 농축 및 저류조(12)로 이송된다. 이때의 운전방법은 아래 표와 같고, 전기계통 및 운전계통은 도 9에 도시한 바와 같다.

이상 설명한대로 탄화활성 접촉여재와 정석탈인장치를 이용한 고도 하수처리방법은 질소와 인을 동시에 제거하는 공법으로서 슬러지를 반송할 필요가 없고 또한 기존의 공법과는 달리 F/M비나 MLSS 등의 인자를 생략할 수 있으므로 슬러지의 팽화현상 등이 일어나지 않아 전문 관리요원이 불필할만큼 유지관리가 용이하고 그에 따른 소요비용도 대폭 절감된다.

탄화활성 접촉여재는 밭작물 경작 후 폐기되는 폐합성수지(HDPE)로 제조된 고효율의 담채를 사용하고 정석재로는 제철소에서 폐기되는 폐광재를 사용하므로 폐기물의 재활용과 수처리라는 일석이조의 실시효과를 얻을 수 있다. 또, 하수처리의 성상에 맞춰 질소와 인을 별개로 처리할 수 있어 하수처리의 건설과 유지관리에 많은 문제점이 노출되어 오염발생원 단위의 중·소형 처리방식으로의 전환이 모색되는 추세에 따라 질소와 인의 방류수질강화가 예상될 것으로 보이는 현실을 고려할 때 본 고안은 하수 처리장의 유지관리상의 편의와 수처리효율의 안정성 제고 등 영양염류의 방류수질기준에 부합되는 하수처리장치다.

Claims (3)

1. 하수중의 질소와 인을 동시에 제거하도록 설치된 하수처리설비의 혐기성조(4)와 무산소조(5) 그리고 제1,2 호기조(6,7)에 복수의 탄화활성 접촉여재(15a)로 이루어진 접촉재(15)를 수납하고, 정석 탈인장치(14)에 인 제거용 폐광재를 투입하여 질소와 인을 동시에 고효율로 제거하는 것을 특징으로 하는 폐자재를 이용한 하수의 고도처리장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 탄화활성 접촉재(15)는 접촉여재(15a)를 교축방향으로 엇갈리게 적층한 것으로 하는 폐자재를 이용한 하수의 고도처리장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 혐기성조(4)와 무산소조(5) 그리고 제1,2 호기조(6,7)내에 역세설비(17b)를 설치하여 탄화활성 접촉재(15)의 효율을 높인 폐자재를 이용한 하수의 고도처리장치.