KR101600578B1

KR101600578B1 - 연속회분식 반응기의 고효율 운전방법 및 장치

Info

Publication number: KR101600578B1
Application number: KR1020160002502A
Authority: KR
Inventors: 윤범석
Original assignee: 주식회사 한일이엔지
Priority date: 2016-01-08
Filing date: 2016-01-08
Publication date: 2016-03-07
Anticipated expiration: 2036-01-08

Abstract

발명은 하수, 폐수 및 오수 중에 포함되어 있는 질소 성분을 효율적 제거할 수 있는 연속회분식 반응기의 고효율 운전방법 및 장치에 관한 것으로, (ⅰ) 소정의 용적을 갖는 연속회분식 반응조로 정화하고자 하는 원수를 공급하는 제1 단계, (ⅱ) 상기 반응조의 암모니아성 질소(NH₄ ⁺-N) 농도를 측정하는 제2 단계, (ⅲ) 상기 반응조 내에서 탈질 공정을 수행하는 제3 단계, (ⅳ) 기포를 상기 반응조로 공급하여 질산화공정을 실시하는 제 4단계, (ⅴ) 상기 반응조의 반응액을 소정시간 정치하는 제5 단계 및 (ⅵ) 상기 반응조로부터 소정량의 반응액을 배출하는 제6 단계를 포함하는 연속회분식 반응기의 운전방법 및 반응장치에 관한 것이다.

Description

연속회분식 반응기의 고효율 운전방법 및 장치 {Operating strategy for high performance - sequencing batch reactor and apparatus}

본 발명은 하수, 폐수 및 오수 중에 포함되어 있는 질소 성분을 효율적으로 제거할 수 있는 연속회분식 반응기의 고효율 운전방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반응조 내의 암모니아성 질소 성분을 측정하고 그 결과를 바탕으로 유입 원수를 분할 주입함으로써 종래 연속회분식 반응기의 운전방법에 비해 질소성분의 제거효율을 향상시킬 수 있는 새로운 개념의 연속회분식 반응기의 운전방법 및 장치에 관한 것이다.

생물학적 하폐수 처리 시스템에서 생물학적 성장 및 플럭 형성을 위해서는 충분한 영양염류가 필요하지만, 과도한 영양염류가 수계 내로 유입되면 용존 산소의 소모, 독성의 영향, 부영양화 현상 등과 같은 많은 문제점을 야기시키기 때문에 이들 영양염류는 수계 내로 방류되기 전에 적절하게 제거되어야 한다(Ghehi et al., 2014).

따라서 하폐수 처리장에서는 적절한 처리를 통하여 영양염류를 제거한후 수계로 방류하고 있으나, 고농도 질소를 함유하고 있는 유기성폐수의 해양투기가 금지되었고, 2013년부터는 국내 방류수 수질기준이 강화됨에 따라 기존 질소 처리시설로는 국내 방류수 수질기준을 만족하기 어려운 실정이다.

고농도 질소를 함유한 폐수들은 하수처리장 혐기성소화조의 탈리액인 반류수, 매립장 침출수, 음폐수, 축산폐수 등이 있는데, 이중 하수처리장 반류수는 별도로 처리하지 않고(유입유량의 1~3%, 질소 부하량 21%~47%) 하수처리장의 유량 조정조나 침사지로 반송되어 하수처리장의 질소부하를 가중시키고 있다.

한편, 질소를 제거하기 위한 수단으로는 물리화학적 처리 방법과 생물학적 처리 방법이 있으며, 이 중 환경 친화적이고 비용이 효율적이기 때문에 생물학적 처리 방법이 주로 사용되고 있다. 생물학적 처리 방법에서의 주된 제거 원리는 호기 조건과 무산소 조건의 순차적인 배열에 있다. 호기 조건에서 암모니아성 질소는 질산염으로 질산화되며, 무산소 조건에서는 산화된 질산염이 질소 가스로 탈질화되어 제거된다.

이러한 생물학적 처리방법 중에서 A₂/O계열과 SBR계열의 질소 제거 시스템이 대표적으로 사용되고 있다.

A₂/O계열은 혐기조, 무산소조, 호기조로 구성되어 있으며 가장 기본적인 고도처리 방법으로 운전 방식은 확립되어 있다고 볼 수 있다. 이 공정은 부유성 미생물을 이용하며, 2차침전지가 있고 내부반송과 슬러지반송을 통하여 하수내 질소와 인을 동시에 제거하는 기술이다. A₂/O 공정은 10,000m³/d 이상의 중대규모 하수처리장에 적합하며 운전이 용이하고, 고농도의 미생물을 이용하기 때문에 유량과 수질 변동에 적응력이 우수한 것으로 알려져 있다.

하지만 혐기조, 무산소조, 호기조 및 침전조로 구성된 반응기의 공간적 배열 특성상 부지가 많이 필요하고, 소규모 하폐수 처리장에는 적용이 어렵다는 단점이 있다. 이 이에도 내부 반송 방식이기 때문에 질산성 질소로 인한 인 방출 효율이 낮으며(제거효율 약 60%), 내부 방송률(1 ~ 3Q_influent)에 따라 질소 제거 효율이 크게 변동(40~70%)는 문제점을 안고 있다.

한편 최근에는 자동 운전 시스템 구축이 용이한 연속회분식반응기(sequencing batch reactor ; SBR)에 대한 연구가 활발하다(Ying-Chih et al., 2007). 국내의 경우 10,000m³/일 규모 미만의 중소규모 하폐수 처리장에 주로 설치되어 운영되고 있으며, SBR 공법의 주요 특징으로는 A₂/O공법과 달리 무산소 구간, 혐기성 구간, 호기성 구간, 침천 구간을 시간적으로 배열함으로써, 질소와 인을 동시에 제거할 수 있고, 유량 증가 또는 급격한 수질 변동시에도 대처능력이 우수하여 지속적으로 안정적인 수질을 담보할 수 있다는 장점이 있다.

그러나 SBR 공법에서는 질소의 제거 효율이 상대적으로 낮다는 점이문제점으로 지적된다. 질소 제거 과정이 질산화와 탈질화라는 연속 반응을 통하여 제거되며, 시간적 배열을 원리로 하는 공법 특성상 질소 제거 효율은 반응기 용량 대비 유입수 주입 비율에 따라 결정된다. 즉, 유입 용량을 반응기 대비 10%로 산정할 경우 질소 제거 효율은 90% 이상의 높은 질소 제거 효율을 달성할 수 있지만 수처리 용량이 감소하여 반응기 용량을 증대시켜야 하는 단점이 있다. 반면에 유입 용량을 반응기 대비 40%로 산정할 경우 수처리 용량은 증가하여 필요 반응기 용량은 감소하지만, 질소 제거 효율은 약 60%로 감소하여 유출수의 방류수 기준을 만족시키기가 어렵다.

또한 질소 제거 효율에 직접적인 영향을 미치는 질산화 속도는 온도에 큰 영향을 받지만, 고정된 시간을 기반으로 운전되는 SBR 공법 특성으로 인하여 계절에 따른 질소의 제거효율과 침전특성을 제어하기가 곤란하다.

즉, 여름철에는 질산화 속도가 높아 반응기내 질소 성분이 모두 산화되지만 용존 산소 농도가 급격히 증가하기 때문에 침전 효율이 나빠질 수 있고, 겨울철에는 질산화 속도가 낮아 산화되지 못한 질소 성분이 방류되어 수계 오염을 유발할 수 있다.

한편, 최근에는 SBR 공법에서 영양염류, 특히 질소의 처리 효율을 증가시키기 위하여 간헐폭기 및 2개의 조에서 교대 포기 방식을 통한 연속 유입과 같은 특허 및 신기술이 개발되어 왔으며, 이들 기술들은 기존 A₂/O 공법에 비하여 높은 질소 제거 효율을 달성하였다. 그러나 원수의 수질을 고려하지 않고 시간적 배열만을 기반으로 하기 때문에, 강우시 등 원수의 수질이 급격하게 변화하는 경우에는 일정한 방류 수질을 확보하기가 어렵다는 문제점은 여전히 존재한다.

따라서 본 발명에서는 상기와 같은 문제점들을 해결하고 갈수록 강화되고 있는 질소의 방류수 수질기준을 만족시킬 수 있도록, 유입 원수 수질에 능동적으로 대처하여 높은 질소 제거율을 달성할 수 있는 연속회분식 반응기의 고효율 운전방법 및 그 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연속회분식 반응기의 운전방법은 (ⅰ) 소정의 용적을 갖는 연속회분식 반응조로 정화하고자 하는 원수를 공급하는 제1 단계; (ⅱ) 상기 반응조의 암모니아성 질소(NH₄ ⁺-N)농도를 측정하는 제2 단계; (ⅲ) 상기 반응조 내에서 탈질 공정을 수행하는 제3 단계; (ⅳ) 상기 반응조 내의 용존산소 및/또는 암모니아성 질소(NH₄ ⁺-N)농도에 따라 상기 반응조로 공급하는 기포량을 조절하여 질산화공정을 실시하는 제4 단계; (ⅴ) 상기 반응조의 반응액을 소정시간 정치하는 제5 단계; 및 (ⅵ) 상기 반응조로부터 소정량의 반응액을 배출하는 제6 단계를 포함하되, 상기 제2 단계에서 측정한 암모니아성 질소(NH₄ ⁺-N)농도가 설정치 미만인 경우에는 제1 단계를 수행하고, 설정치에 도달한 경우에는 제3 단계를 수행하며, 상기 제4 단계에서의 반응조 내 암모니아성 질소(NH₄ ⁺-N)농도가 2 ㎎/ℓ을 초과하면 제4 단계를 계속 수행하고, 2 ㎎/ℓ 이하이면 제4 단계를 종료하며, 상기 제4 단계가 종료한 후, 반응조 내의 반응액이 상기 반응조 총 용량의 90% 미만인 경우에는 제1 단계를 수행하는 것을 특징으로 한다.

삭제

또한 본 발명에 따른 운전방법에서는, 상기 제2 단계의 암모니아성 질소(NH₄ ⁺-N) 농도 설정치는 0㎎/ℓ 초과 20㎎/ℓ이하, 바람직하게는 0㎎/ℓ 초과 10㎎/ℓ이하, 보다 바람직하게는 0㎎/ℓ 초과 5㎎/ℓ이하 중에서 선택되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 운전방법에서는, 상기 제4 단계에서는 반응조 내의 용존산소 농도가 1.0~5.0㎎/ℓ로 유지되도록 기포 공급량을 조절하는 것을 특징으로 한다.

삭제

본 발명의 연속회분식 반응장치의 운전방법 및 반응장치에 따르면, 연속회분식 반응조의 암모니아성 농도를 실시간으로 측정하고 그 결과를 활용하여 반응조로 공급되는 원수량을 제어함으로써 종래의 연속회분식 반응시스템보다 질소의 제거효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명의 운전방법 및 반응장치에 따르면, 반응조 내의 암모니아성 질소 농도를 실시간으로 측정하고 그 결과를 바탕으로 질산화공정의 계속 유무를 선택할 수 있어, 과다한 폭기로 인해 발생할 수 있는 슬러지 침강성 악화현상을 사전에 방지할 수 있을 뿐만 아니라 탈질 미생물의 활성도를 최적화할 수 있다는 효과를 가진다.

또한 본 발명의 운전방법 및 반응장치에 따르면, 질산화공정이 완료된 반응조 내의 수위를 지속적으로 측정하여 새로운 원수를 공급할 것인지 아니면 처리수를 배출시킬 것인지 선택할 수 있어 처리공정시간의 최적화를 도모할 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 연속회분식 반응장치의 운전방법 흐름도이다.
도 2는 반응조내 암모니아성 질소 농도를 5 ㎎/ℓ로 설정한 경우의 운전방법 세부 흐름도이다.
도 3은 기존 연속 회분 반응장치의 운전방법 세부 흐름도이다.
도 4은 본 발명에 따른 연속회분식 반응장치의 모식도이다.
도 5는 반응조의 암모니아성 질소 농도를 10 ㎎/ℓ로 설정한 경우 질소 성분의 거동결과이다.
도 6은 반응조의 암모니아성 질소 농도는 5 ㎎/ℓ 로 설정한 경우 질소 성분의 거동결과이다.
도 7은 기존 연속 회분식 반응시스템에서의 질소 성분 거동결과이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 1은 본 발명에 따른 연속회분식 반응장치의 운전방법 흐름도, 도2는 반응조의 암모니아성 질소 농도를 5 ㎎/ℓ로 설정한 경우의 운전방법 세부 흐름도, 그리고 도 3은 기존 연속 회분식 반응장치의 운전방법 세부 흐름도이다.

본 발명의 운전방법은 소정의 용적을 갖는 연속회분식 반응조로 정화하고자 하는 원수를 공급하는 제1 단계, 반응조의 암모니아성 질소(NH₄ ⁺-N) 농도를 측정하는 제2 단계, 반응조 내에서 탈질 공정을 수행하는 제3 단계, 기포를 상기 반응조로 공급하여 질산화공정을 실시하는 제 4단계, 반응조의 반응액을 소정시간 정치하는 제5 단계 및 반응조로부터 소정량의 반응액을 배출하는 제6 단계를 포함한다(도 1).

도 2 및 3을 참조하면서, 본 발명에 따른 연속회분식 반응장치의 운전방법과 기존 연속회분식 반응장치의 운전방법과의 가장 큰 차이점에 관하여 간단히 설명하면, 기존 운전방법에서는 침전공정이 완료된 후 최종처리수의 소정량(반응조 용적 대비 약 40%)을 배출하고, 배출로 인하여 발생한 빈 반응공간부만큼 다시 원수를 공급하는 일련의 과정을 반복하게 된다(도 3). 즉, 기존 운전방법에서는 배출량과 연동되도록 유입량을 결정하며, 따라서 배출되는 총 질소 농도는 반응조로 유입되는 원수의 총 질소 농도와 연동되어 변화하므로, 유입 원수의 농도가 높은 경우에는 유출수의 총 질소 농도도 증가하게 된다.

그러나 본 발명의 운전방법에서는 반응조의 암모니아성 질소 농도를 기준으로 유입 원수를 분할 주입하기 때문에, 유출되는 총 질소 농도를 일정하게 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 반응조의 암모니아성 질소 농도 설정치를 변경함으로써 최종 유출수의 총 질소 농도를 조절하는 것도 가능하다(도 2).

이하에서는 다시 도 1을 참조하면서 본 발명의 운전방법에 따른 각 단계별 구성에 관하여 상세히 설명하기로 한다.

상기 제1 단계는 영양염류인 암모니아성 질소와 인, 유기물 등 각종 오염물질이 포함된 하수, 폐수, 오수 등을 연속회분식 반응조로 공급하는 단계이다.

여기서, 연속회분식 반응조로 공급하는 원수의 양은 한번에 공급될 수 있지만, 유입 원수의 수질에 따라 2회 이상 분할되어 반응조로 유입될 수도 있다.

일반적으로 연속회분식 반응시스템에서는, 유입 원수에 충분한 알칼리도와 유기물이 존재하여 완전 질산화 및 탈질화 반응이 일어난다고 가정할 경우, 최종 배출수의 질소 농도와 질소의 제거 효율을 결정하는 것은 제1 단계인 유입 단계이다. 즉, 총 질소 제거 효율은 제1 단계에서 공급된 반응조 내의 암모니아성 질소가 질산염으로 산화되며 산화된 질산염이 탈질과정을 통해 질소가스로 배출 제거된 후 최종적으로 배출되기 때문이다.

종래의 연속회분식 반응시스템에서는 유입 원수의 암모니아성 질소 농도는 고려하지 않고 반응조 부피 만을 고려하여 반응조 유효 부피에 해당되는 원수를 한번에 주입하였고, 따라서 암모니아성 질소 농도가 높은 경우 반응시간을 길게 하거나 배출 단계에서의 최종 배출량을 소량으로 하지 않으면 총 질소 제거율을 높일 수 없었다.

그러나 본 발명에서는 반응조의 암모니아성 질소 농도를 측정하여(제2 단계), 반응조 내의 암모니아성 질소가 소정 농도에 해당될 때까지만 원수를 유입시킨다.

다시 말해서, 반응조 내의 암모니아성 질소 농도를 5㎎/ℓ로 설정한 경우, 질산화와 탈질화를 통하여 암모니아성 질소 농도가 낮은 반응조 내의 반응액과 고농도의 암모니아성 질소를 함유한 원수가 혼합되며, 이들 혼합액의 암모니아성 질소 농도를 측정한 결과 반응조 내의 암모니아성 질소가 5㎎/ℓ가 되면 원수의 공급을 중단하는 것이다.

이렇게 설정한 소정 농도를 갖는 원수는 탈질공정을 수행하게 된다(제3 단계).

즉, 아래 화학식 1과 같이 종속영양 탈질반응을 통하여 잔류하는 질산염이 제거되며, 반응조 내에 구비된 암모니아성 질소 센서 또는 질산성 질소 센서를 통하여 상기 탈질에 필요한 시간이나 조건 등을 설정할 수 있다.

[화학식 1]

6NO₃ ^-+ 5CH₃OH + H₂CO₃ → 3N₂ + 8H₂O + 6HCO₃ ^-

여기서, 반응조 내의 암모니아성 질소 농도를 10㎎/ℓ로 설정한 경우에 대해서만 설명하였으나, 이는 일 예시에 불과한 것으로 반응조 내의 암모니아성 질소 농도는 얼마든지 설정치를 변경할 수 있음은 자명하다.

한편, 상기 탈질 반응에 관여하는 종속 영양 탈질균은 Pseudomonas, Bacillus, Spirillum, Hypomicrobium, Agrobacterium, Acinetobacter, Propionobacterium, Rhizobium, Cornebacterium, CytopHata, Thiobacillus, and Alcaligenes, PseuDOmonas fluorescens, P. Aeruginosa, P. denitrificans and Alcaligenes sp. Curvibacter delicatus, Acidovorax defluvii, Dokdonella koreensis, Dokdonella koreensis, Flavobacterium limicola, Terrimonas ferruginea, Terrimonas lutea 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.

상기 화학식 1로부터 알 수 있듯이, 탈질반응에서는 상기 종속 영양 탈질균에 의해 질산성 질소가 질소 가스로 변화되고 결과적으로는 영양염류인 질소성분이 원수로부터 제거되는 것이다. 그러나 새로이 공급된 원수에 포함된 암모니아성 질소는 여전히 상기 반응조 내에 존재하게 되며, 암모니아성 질소를 제거하기 위해서는 탈질이 가능하도록 암모니아성 질소를 질산성 질소로 변화시키는 질산화공정이 필요하다(제4 단계).

아래 화학식 2는 본 발명의 제4 단계인 질산화공정에서, 암모니아가 질산성 질소로 변화되는 반응식을 나타낸 것으로 질산화공정에서는 산소의 공급을 필요로 한다.

[화학식 2]

NH₄ ⁺ + 2O₂ + HCO₃ ^-→ NO₃ ^- + 1.5H₂O + CO₂

여기서, 산소의 공급방법은 특별히 제한하지 않는다. 즉 반응조 내의반응액을 교반시켜 대기 중에 포함된 산소를 공급할 수 있으며, 반응조 내에 산기 장치를 구비시켜 압축 공기를 공급할 수 있고, 또 압축공기를 대신하여 산소를 공급할 수도 있다.

질산화 공정에서 용존산소 농도는 1.0mg/ℓ ~ 5.0mg/ℓ 범위로 조절하는 것이 바람직하다. 용존산소 농도가 1.0㎎/ℓ미만이면 질산화반응이 잘 진행되지 않고, 5.0㎎/ℓ를 초과하게 되면 과량의 산소 주입으로 인하여 후속 단계인 정치단계에서 슬러지의 침강성이 나빠지게 되므로 용존산소는 상기 범위인 것이 바람직하다.

한편, 질산화공정은 반응조 내의 암모니아성 질소를 측정함으로써 질산화공정을 종료하거나 계속 수행할 수 있도록 결정할 수 있다.

즉, 반응조 내의 반응액에 함유된 암모니아성 질소 농도를 측정한 결과, 소정 농도를 초과하게 되면 추가적인 질산화공정이 필요하다고 판단하여 질산화공정을 계속하고, 소정 농도 미만이면 질산화공정이 종료할 수 있다.

전술한 바와 같이 종래 연속회분식 반응시스템에서는 원수 유입, 탈질, 질산화 등 모든 제어는 고정된 시간을 통하여 제어하였고, 따라서 반응조 내의 암모니아성 질소가 완전히 질산화된 경우에도 계속적으로 산소를 공급하게 되어 탈질반응에 기여하는 미생물의 활성을 떨어뜨려 전체적인 공정의 안정성을 저하시키는 경우가 빈번하였다. 그러나 본 발명에서는 상기와 같이 반응액에 함유된 암모니아성 질소 농도를 실시간으로 측정한 결과를 바탕으로 질산화공정의 종료 유무를 결정하기 때문에 고효율 운전이 가능하다.

상기 제4 단계에서의 암모니아성 질소 소정 농도는 특별히 한정하지 않지만 2 ㎎/ℓ, 바람직하게는 1 ㎎/ℓ, 보다 바람직하게는 0.5 ㎎/ℓ이하인 것이 바람직하다. 즉, 질산화 공정 단계에서 암모니아성 질소의 완전 질산화를 유도하기 위하여 소정 농도를 0 ㎎/ℓ로 설정하는 것이 바람직하지만, 측정 센서의 오차 범위와 측정 농도의 한계를 고려하여 암모니아성 질소 농도는 가급적 낮게 설정하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 반응액의 암모니아성 질소가 소정 농도 미만에 해당되어 질산화 공정을 종료할 경우, 반응조 내에서 반응액이 차지하는 부피에 따라 소정시간 정치하는 제5 단계 또는 원수를 공급하는 제1 단계를 수행할 수 있다.

즉, 반응조의 용적이 반응액 부피보다 크거나 설정치에 도달하지 않은 경우, 반응조는 원수를 더 수용할 수 있으므로 제5 단계를 수행하지 않고 원수를 공급하는 제1 단계를 수행하게 된다. 반대로 반응조의 용적이 반응액 부피와 동일하거나 설정치에 도달한 경우에는 후술할 반응조의 반응액을 정치하는 제5 단계를 수행한다.

상기 제4 단계 이후 제5 단계를 수행할지 아니면 제1 단계를 수행할지를 결정하는 설정치는 특별히 제한하지 않지만, 반응조 내의 원하는 위치에 수위센서를 설치함으로써 제4 단계 이후 수행되는 단계를 결정할 수 있다.

상기 질산화반응에 관여하는 아질산화균은 Nitrosomonas europaea, Nitrosococcus mobilis, Nitrosomonas nitrosa, Nitrosomonas cryotolerans 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.

제5 단계는 탈질공정과 질산화공정이 완료된 반응액을 소정시간 정치시켜 슬러지(미생물)의 침전을 유도하는 단계이다.

여기서, 상기 제5 단계는 반응조 내의 부유물질(SS)을 측정하여 정치시간을 결정할 수도 있다.

즉, 반응조의 슬러지 침전영역에 부유물질 센서를 구비하고, 상기 센서의 측정값이 소정 범위에 해당되는 경우 슬러지가 충분히 침전되었다고 판단하여 정치 단계를 중단한 후 다음 단계인 제6 단계가 수행될 수 있다. 또 다른 실시예로서, 슬러지가 분리된 반응조 상등수 영역에 부유물질 센서를 구비하고, 상기 센서의 측정값이 소정 범위에 해당되는 경우 슬러지가 충분히 침전되었다고 판단하여 정치 단계를 중단한 후 다음 단계인 제6 단계가 수행될 수 있다.

이렇게 정치단계를 통하여 슬러지와 상등수가 분리되면, 반응조로부터 질소성분이 제거된 처리수를 소정량 배출하는 제6 단계를 수행하게 되고, 이후에는 다시 전술한 바와 같은 동일한 방법을 반복적으로 실시하여 하수, 폐수, 오수에 포함된 암모니아성 질소를 제거한다.

여기서, 상기 제6 단계에서 처리수의 배출량은 특별히 한정하지 않지만, 반응조 용적의 40%인 것이 바람직하다.

이하에서는 도 2를 참조하여 연속회분식 반응장치의 운전방법에 사용되는 장치에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명의 연속회분식 반응장치는 처리하고자 하는 원수를 수용하는 소정 부피를 갖는 원수 저류조(10), 상기 원수 저류조(10)로부터 공급된 원수를 정화하는 소정 부피를 갖는 연속회분식 반응조(20) 및 제어부(미도시)를 포함한다.

상기 원수 저류조(10)는 원수를 일시적으로 수용할 수 있도록 소정 부피를 갖고 있으며, 상기 저류조(10)는 원수의 수질 변동을 최소화할 수 있는 균등화조의 역할을 함께 수행할 수 있다.

상기 연속회분식 반응조(20)는 전술한 바와 같이, 탈질 반응, 질산화반응이 수행되는 공간을 제공하며, 상기 반응조(20)에는 탈질 반응 또는 질산화반응에 필요한 교반 장치(24)와 폭기 장치(26)가 소정 위치에 구비될 수 있다.

또 상기 반응조(20)의 소정 위치에는 원수의 공급과 질산화공정제어를 위한 암모니아성 질소 측정센서(21), 용존산소 측정센서(22) 그리고 정치공정 제어를 위한 부유물질 측정센서(23)가 구비될 수 있다.

또 상기 반응조(20)에는 정치단계를 수행할 것인지 아니면 원수의 공급단계를 수행할 것인지 확인할 수 있도록 수위센서가 소정 위치에 구비될 수 있다.

한편 상기 제어부(미도시)는 상기 측정센서들로부터 송신된 전기적 신호를 수신하여 원수 공급 단계, 탈질 단계, 질산화 단계, 정치 단계 및 배출 단계를 결정하고, 각 단계 수행에 필요한 교반장치(24)와 폭기장치(26)의 작동, 배관의 개폐밸브(미도시) 등 연속회분식 반응장치의 작동을 제어하는 역할을 수행한다.

이하, 본 발명의 실시예를 통하여 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 실시예로 한정되는 것은 아니다.

< 실시예 1>

하수를 원수로 사용하여 연속회분식 운전을 실시하였다. 반응조로 원수를 공급하면서 반응조 내의 암모니아성 질소 농도를 연속적으로 측정하여, 암모니아성 질소 농도가 10㎎/ℓ에 도달하면 원수의 공급을 중단하였다. 이어서 교반을 동반한 탈질반응과 폭기를 동반한 질산화반응을 수행하였다. 질산화반응 종료 후 반응조 내의 반응액이 설정한 수위(반응조 부피의 90% 위치)에 도달하였는지 수위센서로 측정하여, 반응액이 설정한 수위에 도달하지 않은 경우에는 다시 원수 공급 - 반응조의 암모니아성 질소 측정 - 탈질반응 - 질산화반응 - 수위측정 단계를 반복적으로 수행하였다.

질산화반응 종료 후, 반응액이 설정한 수위에 도달한 경우에는 소정 시간 정치시킨 후, 최종 반응액의 40%(부피기준)에 해당되는 처리수(상등수)를 배출하고, 다시 원수 공급 - 반응조의 암모니아성 질소 측정 - 탈질반응 - 질산화반응 - 수위측정 단계를 반복적으로 수행하였다.

< 실시예 2>

반응조로 원수를 공급하면서 반응조 내의 암모니아성 질소 농도를 연속적으로 측정하여, 암모니아성 질소 농도가 5㎎/ℓ에 도달하면 원수의 공급을 중단한 것 외에는 실시예 1과 동일한 조건에서 운전하였다.

< 비교예 >

실시예 1 및 2와는 달리, 반응조의 암모니아성 질소 농도 측정결과와는 관계없이, 실시예 1 및 2와 동일한 수위(반응조 부피의 90% 위치)에 도달할 때까지 원수를 공급하였다. 이어서 탈질반응, 질산화반응, 정치 및 배출단계(부피기준으로 최종 반응액의 40%에 해당되는 처리수 배출)를 실시하였다.

아래 <표 1>은 실시예 1, 2 및 비교예에 따른 질소 성분 결과, 도 5 내지 7은 각 단계별 질소 성분의 농도 분포이다.

	실시예 1	실시예 2	비교예
유입 농도 T-N(mg/L)	27.5 (17.9 - 30.8)	30.1 (18.1 - 33.1)	28.9 (15.1 - 35.1)
유출 농도 T-N(mg/L)	9.5 (8.9 - 9.7)	4.4 (4.1 - 4.7)	11.8 (6.1 - 14.3)
T-N 제거율(%)	65.4 (56.2 - 69.8)	85.4 (80.6 - 86.1)	59.9 (58.1 - 62.6)

표 1 및 도 7로부터 알 수 있듯이, 종래의 연속회분식 반응시스템인 비교예에서는 유입 원수의 평균 질소 농도가 28.9㎎/ℓ였으며, 이 때 유출수 평균 농도는 11.8 ㎎/ℓ로서 평균 제거율은 59.9%(58.1~62.6%)에 불과하였고, 또 유출 농도는 최저 6.1㎎/ℓ에서 최고 14.3 ㎎/ℓ로 큰 폭으로 변화하였다.

이에 반해, 반응조의 암모니아성 질소 농도를 10 ㎎/ℓ로 설정한 실시예 1의 경우, 질소제거효율이 향상(65.4%)되었을 뿐만 아니라 유출수의 총 질소 농도도 8.9~9.7 ㎎/ℓ로 안정되었음을 확인할 수 있다. 특히, 반응조의 암모니아성 질소 농도를 5 ㎎/ℓ로 설정한 실시예 2에서는, 유출수의 총 질소 농도가 4.1~4.7 ㎎/ℓ로서 비교예보다 약 25.5% 향상된 85.4%의 높은 질소 제거효율을 달성할 수 있었다.

즉, 반응조의 암모니아성 질소 농도를 소정의 범위로 설정하여 유입원수를 분할 주입한 본 발명의 운전방법에 따르면, 기존 연속회분식 운전방법보다 질소의 제거효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 유출수의 질소농도를 일정한 범위로 조절할 수 있어, 안정적인 처리수질을 담보할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.

10 : 원수 저류조
20 : 연속회분식 반응조
21 : 암모니아성 질소 측정센서 22 : 용존산소 측정센서
23 : 부유물질 측정센서 24 : 교반장치
25 : 수위센서 26 : 폭기장치
100 : 연속회분식 반응장치

Claims

(ⅰ) 소정의 용적을 갖는 연속회분식 반응조로 정화하고자 하는 원수를 공급하는 제1 단계;
(ⅱ) 상기 반응조의 암모니아성 질소(NH₄ ⁺-N)농도를 측정하는 제2 단계;
(ⅲ) 상기 반응조 내에서 탈질 공정을 수행하는 제3 단계;
(ⅳ) 상기 반응조 내의 용존산소 및/또는 암모니아성 질소(NH₄ ⁺-N)농도에 따라 상기 반응조로 공급하는 기포량을 조절하여 질산화공정을 실시하는 제4 단계;
(ⅴ) 상기 반응조의 반응액을 소정시간 정치하는 제5 단계; 및
(ⅵ) 상기 반응조로부터 소정량의 반응액을 배출하는 제6 단계를 포함하되,
상기 제2 단계에서 측정한 암모니아성 질소(NH₄ ⁺-N)농도가 설정치 미만인 경우에는 제1 단계를 수행하고, 설정치에 도달한 경우에는 제3 단계를 수행하며,
상기 제4 단계에서의 반응조 내 암모니아성 질소(NH₄ ⁺-N)농도가 2 ㎎/ℓ을 초과하면 제4 단계를 계속 수행하고, 2 ㎎/ℓ 이하이면 제4 단계를 종료하며,
상기 제4 단계가 종료한 후, 반응조 내의 반응액이 상기 반응조 총 용량의 90% 미만인 경우에는 제1 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 연속회분식 반응기의 운전방법.
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제1항에 있어서,
상기 제2 단계의 암모니아성 질소(NH₄ ⁺-N) 농도 설정치는 0㎎/ℓ 초과 20㎎/ℓ이하 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 연속회분식 반응기의 운전방법.
제3항에 있어서,
상기 암모니아성 질소(NH₄ ⁺-N) 농도의 설정치는 0㎎/ℓ 초과 10㎎/ℓ이하 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 연속회분식 반응기의 운전방법.
제3항에 있어서,
상기 암모니아성 질소(NH₄ ⁺-N) 농도의 설정치는 0㎎/ℓ 초과 5㎎/ℓ이하 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 연속회분식 반응기의 운전방법.
제1항에 있어서,
상기 제4 단계에서는 반응조 내의 용존산소 농도가 1.0~5.0㎎/ℓ로 유지되도록 기포 공급량을 조절하는 것을 특징으로 하는 연속회분식 반응기의 운전방법.
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