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KR100450037B1 - 자동제어 간헐폭기시스템을 이용한 오폐수 처리공정 및처리시스템 - Google Patents

자동제어 간헐폭기시스템을 이용한 오폐수 처리공정 및처리시스템 Download PDF

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KR100450037B1
KR100450037B1 KR10-2002-0000738A KR20020000738A KR100450037B1 KR 100450037 B1 KR100450037 B1 KR 100450037B1 KR 20020000738 A KR20020000738 A KR 20020000738A KR 100450037 B1 KR100450037 B1 KR 100450037B1
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intermittent aeration
aeration tank
automatic control
intermittent
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주식회사 대명테크
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Abstract

본 발명은 자동제어 간헐폭기시스템을 이용한 오폐수 처리공정 및 처리시스템에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 자동 제어프로그램으로 운영되는 간헐폭기조, 무산소조, 폭기조 및 침전조로 구성된 반응조부; pH 및 ORP를 측정하고 전송하기 위한 전극 및 미터, A/D 또는 D/A 컨버터, PC 및 계전기로 구성된 제어부; 및 상기 계전기를 통해 자동 제어프로그램의 제어를 받는 에어블로어, 전동밸브, 내부 반송펌프, 수중교반기 및 침전 슬러지 반송펌프를 포함하는 반응운전부를 포함하는 자동제어 간헐폭기시스템을 이용한 오폐수 처리공정 및 처리시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 시스템 및 공정에 의해 오폐수 중의 유기물, 질소 및 인을 생물학적으로 제거하는 공정에서 pH와 산화환원전위(ORP) 값을 이용하여 질산화 반응과 탈질산화 반응을 자동적으로 제어함으로써, 유입수 중의 유기물을 최대한 탈질산화 반응에 이용할 수 있으며 단순히 시간간격을 이용하여 질산화 및 탈질산화를 수행하는 종래 간헐폭기조에 비해 질산화 반응 및 탈질화 반응의 시간 단축 또는 연장에 의한 유기물질의 부족이나 혐기화 반응에 따른 악영향을 최소화할 수 있으며 자동제어 프로그램의 도입으로 유입부하의 변동에도 유연히 대처할 수 있다.

Description

자동제어 간헐폭기시스템을 이용한 오폐수 처리공정 및 처리시스템 {Wastewater treatment process and system with auto-controlled Intermittent aeration system}
본 발명은 자동제어 간헐폭기시스템을 이용한 오폐수 처리공정 및 처리시스템에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 자동 제어프로그램으로 운영되는 간헐폭기조, 무산소조, 폭기조 및 침전조로 구성된 반응조부; pH 및 ORP를 측정하고 전송하기 위한 전극 및 미터, A/D 또는 D/A 컨버터, PC 및 계전기로 구성된 제어부; 및 상기 계전기를 통해 자동 제어프로그램의 제어를 받는 에어블로어, 전동밸브, 내부 반송펌프, 수중교반기 및 침전 슬러지 반송펌프를 포함하는 반응운전부를 포함하는 자동제어 간헐폭기시스템을 이용하여 오폐수에 함유된 유기물 및 질소를 효율적으로 처리하기 위한 생물학적 처리공정에 관한 것이다.
현재까지 알려진 대부분의 생물학적 폐수처리 공정은 오폐수 중에 함유된 유기물과 입자성 물질의 처리를 위한 공정이 주를 이루고 있으며 처리과정 중에서 질소와 인의 일부가 세포합성 등에 이용됨에 따라 제거되기는 하지만 상당량의 질소와 인이 처리되지 못하고 하천, 호수 등의 수계로 배출되고 있어 이러한 미처리된 영양염류로 인하여 수계의 부영양화가 발생함에 따라 수자원의 오염을 가중시키고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 하수처리장 및 각종 환경 기초시설에 질소, 인의 제거를 위한 처리공정이 도입되고 있으나 아직까지는 그 실적이 미비한 실정이다. 일반적으로 도입되고 있는 영양염류 제거공정은 다수의 혐기조, 무산소조, 폭기조(호기조)를 상황에 따라 조합한 형태로 구성되어 있으며 내부반송을 통해 탈질산화시키는 공정이 대부분이다. 이와 같이 각 반응조가 미생물의 대사상태에 따라 분리, 운영됨으로써 일정용량으로 고정되어 있어 유입수의 농도변화에 대처하기 어려우며 탈질산화를 위해 막대한 양의 질산화조 혼합액을 탈질조로 내부반송해 주어야 하고 탈질산화에 따른 기질의 부족으로 메탄올과 같은 외부탄소원의 주입이 필요하게 된다. 그러나 내부반송은 유입유량의 200∼400%에 달하는 반송량으로 막대한 펌핑비용(pumping cost)이 요구되며 외부탄소원의 주입은 탄소원의 적정 주입량을 알기 어렵기 때문에 과잉주입에 따른 처리수의 유기물 농도를 높게 하여 재폭기시설이 요구되는 등 전체적인 처리시설의 용량확대를 야기한다.
상기 문제를 해결하기 위해 일본 특개평 제10-277543호 및 제10-277536호에는 메탄올과 같은 첨가약품을 필요로 하지 않고 설비를 비교적 소형으로 구성하면서 탈질율을 향상시킬 수 있는 제올라이트 또는 활성탄 흡착조, 질화조, 탈질조, 및 재폭기조를 이용하는 질소함유 폐수의 질화틸질방법이 기재되어 있다.
다른 방법으로 단일 반응조에서 호기성과 무산소성 조건을 이용하여 질산화와 탈질산화 반응을 수행하는 간헐폭기법이 개발되었으며 이러한 간헐폭기법은 폭기를 위한 동력비 및 각 반응조의 운영을 호기성 및 무산소성으로 변경할 수 있어 기존의 용량으로도 폭기조 및 무산소조 등의 반응조 용량을 변동시킬수 있으므로운영의 유연성을 증가시킬수 있는 장점이 있다.
예를 들어, 한국특허 제275563호에는 하수를 하나의 혐기조건과 2개의 교호 간헐폭기조건의 3개의 영역으로 구분된 처리조내에 투입하여 혐기조건에서 1 내지 2시간 동안 교반시켜 인을 방출시키고, 계속하여 2개의 간헐폭기 조건의 각 영역에서 서로 교대로 호기성 및 무산소 조건에서 2 내지 4시간 동안 폭기 또는 교반시켜 질산화, 탈질소화, 인의 과잉섭취의 유도 및 통성 미생물의 침전성 향상을 유도하고 2차 침전조에서 처리된 하폐수를 고액분리하며 슬러지의 일부는 처리조내로 재유입시켜 통성 미생물의 농도를 유지시키고 잔여 슬러지는 배출시키는 단계로 이루어진 혐기 및 2단 교호 간헐폭기를 이용한 하폐수의 처리방법 및 장치가 기재되어 있다.
그러나, 이와 같은 일반적인 간헐폭기 시스템은 폭기와 비폭기 상태를 단순히 시간의 간격을 조절하는 방식으로 운영되고 있기 때문에, 이러한 단순 시간의 조절에 의한 간헐 폭기 공정은 유입수의 특성변화에 대처하기 어려우며, 폭기시간 동안 질산화 반응의 완료 유무와 관계없이 수행되기 때문에 질산화 반응의 완료전에 호기성 상태가 중지될 경우가 발생하거나 질산화가 완료된 이후에도 호기성 상태가 지속되어 탈질반응에 필요한 유입수의 기질이 소모되는 문제가 야기되고 있다. 또한 비폭기 상태에서 탈질반응의 완료 여부와 무관하게 운영되면 탈질반응의 완료전에 폭기를 시작하여 탈질반응의 효율을 저하시키며, 만일 탈질반응의 완료후에도 무산소 상태가 지속되면 반응조의 상태는 혐기성 상태가 됨에 따라 탈질균 및 호기성균에 악영향을 미쳐 폭기가 시작되어 호기성 상태가 되더라도 쉽게 질산화반응이 일어나기 어려워지거나 질산화반응에 악영향을 미쳐 아질산염의 축적이 일어나 결국은 질산화 반응의 정지라는 문제점을 야기시킬 수 있다.
그러므로, 단순 시간 조절로 운영되는 간헐폭기조의 경우, 질산화 및 탈질반응에 문제가 발생하게 되면 후단에 있는 처리시설에 높은 오염부하를 가져오게 되며 이에 따라 전체 공정의 처리효율이 저하되는 결과를 초래하게 되는데 이러한 결과가 간헐폭기 공정의 안정성에 대한 문제점으로 지적되고 있다.
이에 본 발명자는 상기 종래의 간헐폭기 공정의 문제점을 해결하고 간헐폭기조의 호기성과 무산소 상태를 단순히 시간으로 제어하지 않고 간헐폭기조 내의 pH 및 산화환원전위(ORP) 값을 측정하여 자동제어하는 시스템 및 공정을 발견하였으며, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.
따라서 본 발명의 목적은 상기 종래의 간헐폭기 공정의 문제점을 해결하고 질산화 반응 및 탈질화 반응의 시간 단축 또는 연장에 의한 유기물질의 부족이나 혐기화 반응에 따른 악영향을 최소화할 수 있으며 자동제어 프로그램의 도입으로 유입부하의 변동에도 유연히 대처할 수 있는 자동제어 간헐폭기시스템을 이용한 오폐수 처리공정 및 처리시스템을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동제어 간헐폭기시스템을 이용한 오폐수 처리공정은, 자동 제어프로그램으로 운영되는 간헐폭기조(R1), 간헐폭기조에서 미반응된 질소산화물을 탈질화시키는 무산소조(R2), 간헐폭기조에서 미반응된 암모니아성 질소를 질산화시키는 폭기조(R3) 및 처리된 하폐수로부터 슬러지를 침강시켜 분리하는 침전조(R4)로 구성된 반응조부; pH 및 ORP를 측정하고 전송하기 위한 전극 및 미터(a와 b, A와 B), 각 전극으로부터 전달된 아날로그 신호를 디지털 신호로 전환하거나 디지털 신호를 아날로그 신호로 전환하여 계전기(E)를 가동하기 위한 A/D 또는 D/A 컨버터(C), 전송된 신호의 수치를 이용하여 자동제어 프로그램을 실행시키는 PC(D) 및 상기 컨버터(C)로부터 받은 신호를 통해 각 운전부들을 제어하는 계전기(E)로 구성된 제어부; 및 상기 계전기(E)를 통해 자동 제어프로그램의 제어를 받는 에어블로어(F), 전동밸브(G), 내부 반송펌프(H), 수중교반기(I) 및 침전 슬러지 반송펌프(J)를 포함하는 반응운전부를 포함하는 오폐수 처리시스템에서, 상기 간헐폭기조(R1)가 호기성인 상태에서 내부의 pH 변동을 시간에 따른 mV의 값으로 연산하여 하기 수학식 1에 의한 질산화 반응의 종료점을 얻어 에어블로어(F)를 통해 폭기를 중단하고 간헐교반기내 수중교반기(I)를 가동하며, 상기 간헐폭기조(R1)가 무산소 상태에서 내부의 ORP 변동을 시간에 따른 mV의 값으로 연산하여 하기 수학식 2에 의한 탈질화 반응의 종료점을 얻어 에어블로어(F)를 통해 폭기를 재기하고 상기 수중교반기(I)를 정지시키며, 상기 폭기조(R3)에서 처리된 폐수는 내부 반송펌프(H) 및 전동밸브(G)를 통해 자동제어 간헐폭기조(R1) 또는 무산소조(R2)로 내부반송되고, 상기 침전조(R4)에서 침전된 슬러지는 상기 자동제어 간헐폭기조(R1)가 무산소 상태로 운영될 때 침전 슬러지 반송펌프(J)를 통해 자동제어 간헐폭기조(R1)로 반송되는 것을 특징으로 한다.
상기 식에서, n은 3이상의 정수이며 X는 2이고, Y는 8이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동제어 간헐폭기시스템은, 자동 제어프로그램으로 운영되는 간헐폭기조(R1), 간헐폭기조에서 미반응된 질소산화물을 탈질화시키는 무산소조(R2), 간헐폭기조에서 미반응된 암모니아성 질소를 질산화시키는 폭기조(R3) 및 처리된 하폐수로부터 슬러지를 침강시켜 분리하는 침전조(R4)로 구성된 반응조부; pH 및 ORP를 측정하고 전송하기 위한 전극 및 미터(a와 b, A와 B), 각 전극으로부터 전달된 아날로그 신호를 디지털 신호로 전환하거나 디지털 신호를 아날로그 신호로 전환하여 계전기(E)를 가동하기 위한 A/D 또는 D/A 컨버터(C), 전송된 신호의 수치를 이용하여 자동제어 프로그램을 실행시키는 PC(D) 및 상기 컨버터(C)로부터 받은 신호를 통해 각 운전부들을 제어하는 계전기(E)로 구성된 제어부; 및 상기 계전기(E)를 통해 자동 제어프로그램의 제어를받는 에어블로어(F), 전동밸브(G), 내부 반송펌프(H), 수중교반기(I) 및 침전 슬러지 반송펌프(J)를 포함하는 반응운전부로 이루어진다.
도 1은 본 발명에 따른 오폐수 처리장치의 개략도이다.
도 2는 충격부하실험에 사용된 유입수의 특성변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 충격부하실험에 있어서 본 발명에 따른 자동제어 간헐폭기조의 유출수 TN 농도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 충격부하실험에 있어서 종래의 시간제어 간헐폭기조의 유출수 TN 농도의 변화를 나타낸 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
A : pH 미터, a : pH 전극
B : 산화환원전위(ORP) 미터, b : ORP 전극
C : D/A, A/D 컨버터, D : PC (personal computer)
E : 계전기(relay), F : 에어블로어(air blower)
G : 3-웨이 전동밸브, H : 내부 반송펌프
I : 수중교반기, J : 침전 슬러지 반송펌프
R1: 간헐 폭기조, R2: 무산소조
R3: 폭기조, R4: 침전조
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참고하여 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 의한 처리 대상 폐수로는 오수, 하수, 산업폐수, 축산폐수 등 유기물과 질소가 함유된 폐수에 다양하게 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 오폐수 처리장치의 개략도이다. 도 1에서와 같이, 본 발명에 따른 자동제어 간헐폭기시스템을 이용한 오폐수 처리공정은 간헐폭기조의 호기성과 무산소 상태를 단순히 시간으로 제어하지 않고 호기성 상태에서 수행되는 질산화 반응의 종료시점을 반응조 혼합액의 시간에 따른 pH 변화상태를 이용하여 컴퓨터 제어프로그램에서 연속적으로 연산하고 프로그램에서 지정된 수치에 도달하면 에어블로어의 전원이 차단되어 간헐폭기조는 무산소 상태를 유지하게 된다. 이때 호기성 상태에서 생성된 질소산화물은 반응조내의 탈질산화균에 의한 탈질반응이 수행되며, 이때 필요한 유기성 기질은 유입수에 함유된 기질을 이용한다.
즉, 도 1을 참조하면 간헐폭기조(R1)가 폭기상태인 호기조로 운영될 때 발생하는 질산화 반응의 종료점을 인식하기 위하여 반응조 내부에 pH 전극(a)을 설치하고 이를 이용하여 반응조 내부의 pH를 연속으로 측정한 후 pH 미터(meter)(A)의 출력단자를 통해 A/D(Analogue/Digital) 컨버터(C)에서 pH의 아날로그 신호를 디지털신호로 전환한 후 컴퓨터(D)로 전송한다. 이때 컴퓨터에 내장된 자동제어 프로그램을 통해 연산하게 되는데, 연산방법은 1초당 10회에 걸쳐 pH의 mV 수치를 읽고 pH의 순간적인 노이즈(noise) 신호를 배제하기 위하여 최대값과 최소값을 제외한 8회의 mV값의 평균값을 기록하여 총 1분동안 60회의 pH의 mV값을 평균한 후 그 측정값을 1분전에 동일한 방법으로 계산한 평균값과의 차이(ΔmV)를 계산하여 1분 동안의 시간(Δt)으로 미분한 후 그 데이터를 1회의 데이터로서 컴퓨터에 기록한다. 이를 식으로 나타내면 하기 수학식 1로 나타낼 수 있다.
수학식 1
상기 식에서, n은 3이상의 정수이며 X는 2이다.
예를 들어 총 5분동안 5회의 미분값을 이용하여 n=5일 때 제어프로그램에 의해 얻어진 ΔpH(mV)/분(min)의 값이 0≤X≤2의 사이를 유지하면, 컴퓨터의 제어프로그램에서 D/A(Digital/Analogue) 컨버터(C)를 통해 계전기(relay)(E)를 가동하여 간헐폭기조의 에어블로어(F)의 전원을 차단함으로써 간헐폭기조의 질산화 반응을 종료시키며 동시에 비폭기 상태에서 반응조내 슬러지의 침전을 방지하고 유입수와 미생물의 혼합을 원활히 하기 위해 간헐폭기조 내부에 설치한 수중교반기(I)를 가동시킨다.
이의 작용원리를 살펴보면, 간헐폭기조의 질산화 반응에서 발생하는 pH값은폭기가 시작되면 무산소 상태로 운전중에 유입된 오폐수내 암모니아성 질소의 질산화가 시작되면서 짧은 시간내에 pH가 상승되는데, 이는 무산소 상태에서 탈질산화 반응으로 인한 유기물 산화에 의해 누적된 이산화탄소의 탈기에 의한 것이며, 계속해서 암모니아성 질소의 질산화가 진행되면서 pH가 미세하게 감소되기 시작하는데 이러한 현상은 질산화에 따른 반응조내의 알카리도 소모로 인한 현상이다. 반응조내 쉽게 분해되는 암모니아성 질소의 대부분이 산화되면 다시 pH가 상승하기 시작하여 반응조내 유기성 질소의 가수분해가 일어나면서 반응조내의 질산화가 완료되고, 분해가 쉬운 유기성 기질 역시 대부분 산화가 완료되면 pH 변화 또한 안정적으로 평형을 유지한다. 이때의 용존산소 및 산화환원전위도 pH 변화곡선과 같이, 시간에 따른 변화가 거의 없이 유지된다. 그러나 용존산소나 산화환원전위는 질산화 반응의 초기를 제외하면 질산화 과정중에 질산화 반응의 종료를 감지할 수 있는 특별한 변화가 없이 일정하게 증가 곡선상태를 나타내지만 pH 변화곡선은 질산화 과정중에 3차례의 급격한 변곡현상을 나타낸다. 이러한 변곡현상을 이용하여 질산화의 종료점을 찾아내어 제어할 수 있다.
이러한 미세한 pH 변화를 단순히 pH인 수소농도지수로 측정하기는 어려우나 pH값을 mV 변화로 관찰하면 극명하게 알 수 있다. 이때의 변화수치를 제어프로그램에 입력한 후 이때의 수치에 반응조의 pH 변화값이 입력값의 범위와 일치하면 질산화 반응의 종료점으로서 폭기장치의 전원을 차단하여 간헐폭기조를 탈질반응 상태로 운영한다.
또한 상기 탈질화 반응의 종료는 반응조내에서 측정된 산화환원전위(ORP)의급격한 변화를 이용하며 시간에 따른 ORP 값을 제어프로그램을 통해 연산한 후 지정 수치에 도달하면 에어블로어를 가동하여 간헐폭기조의 상태를 호기성으로 전환한다.
좀 더 상세하게는, 간헐폭기조의 탈질산화 반응의 종료점은 산화환원전위(ORP)의 변화로서 제어되며, 도 1을 참고하면, 질산화 반응에서와 같이 반응조 내부에 ORP 전극(b)을 설치하고 이를 이용하여 연속적으로 ORP 미터(B)의 출력단자를 통해 ORP의 mV신호를 A/D 컨버터(C)에 보내 아날로그 신호를 디지털 신호로 전환 후 컴퓨터(D)에 있는 제어프로그램에서 연산하여 설정된 수치에 도달하면 다시 D/A 컨버터(C)를 통해 계전지(E)를 가동하여 간헐폭기조의 에어블로어(F)를 작동시켜 반응조를 폭기시키고 비폭기 상태에서 반응조의 혼합을 위해 가동하던 수중교반기(I)의 가동을 중지한다. 이때 제어프로그램의 연산도 하기 수학식 2에서와 같이 질산화 반응에서의 pH 연산과 동일한 방법으로 연산되며 단지 pH의 mV값이 아닌 ORP의 mV값이 적용된다.
수학식 2
상기 식에서, n은 3이상의 정수이며 Y는 8의 정수이다.
이의 작용원리를 살펴보면, 질산화 단계에서 반응조의 산화상태를 의미하는 +mV 값을 유지하던 ORP 값은 공기공급장치인 에어블로어가 정지되면 급격히 감소되면서 환원상태인 -mV 값으로 전환된다. 이러한 감소현상은 유입수에 함유된 기질의농도가 높을수록 심해지는데 이는 반응조내의 미생물이 유입된 유기물을 대사하기 위해 반응조내에 잔존하던 용존산소를 전자수용체로 이용하고 용존산소가 모두 소모되면 다음으로 질소산화물을 전자수용체로 이용하는 탈질산화 반응이 발생하면서 이루어진다. 질소산화물이 전자수용체로 모두 소비되면 탈질산화 반응이 종료되는데, 만일 반응조내에 충분한 양의 유기성 기질이 존재한다면 반응조의 상태는 무산소상태가 아니라 혐기성상태로 돌입하게 되며 이때 대사에 관여하는 미생물은 황환원균으로서 일반적인 오폐수에 존재하는 황산화물을 전자수용체로 하는 미생물 대사가 이루어지는데 황환원균에 의해 배출되는 황화수소는 수중의 pH에 따라 황화수소와 같은 용존가스 형태가 아닌 HS-, S2- 와 같은 이온상태로 용존되며 이러한 물질은 강력한 환원성 물질로서 ORP에 영향을 미쳐 ORP의 급격한 변곡현상을 나타내게 한다. 이러한 현상이 발생하는 것은 반응조에는 질소산화물이 더 이상 존재하지 않는 상태를 의미하며 이 시점을 탈질산화 반응의 종료점으로 하여 간헐폭기조의 공기공급장치를 가동하여 질산화 반응을 수행하도록 프로그램하였다. 이를 수치적으로 표현할 때 상기 수학식 2에서 얻어진 Y(ΔORP(mV)/분(min))의 값이 8이상이면 급격한 변곡점을 나타내게 된다.
그러나 만일 정상적인 상태보다 유입수의 기질이 부족한 상태로 유입되는 경우에는 탈질산화의 실패를 야기하기 때문에 ORP의 변곡점이 발생치 않을 수 있는데 이러한 경우를 대비하여 일정시간이 지나도 변곡점이 발생치 않을 경우에는 자동적으로 에어블로어가 가동될 수 있게 일정시간을 임의로 설정할 수 있도록 프로그램하였으며 질산화 반응에서도 동일하게 설정할 수 있고 전체 자동 제어방식을 시간을 이용한 제어 또는 일정 설정시간내에서 운영되는 ORP, pH에 의한 제어방법을 초기에 지정할 수 있도록 제어 프로그램을 개발하였다.
즉, 상기 일련의 호기성과 무산소성 반응조 운전을 1주기(cycle)로 하면서 pH와 ORP 값을 이용하여 제어하지만, 유입수의 특성변화에 따른 기질의 부족으로 탈질반응의 완료점이 발생하지 않을 경우를 대비하여 질산화 및 탈질화 반응에 필요한 소정 시간을 설정한 후 설정시간내에 질산화와 탈질산화 반응의 종료점이 발생되지 않으면 상기 설정시간 이후에는 자동으로 폭기시켜 반응조 상태를 호기성으로 유지하거나 폭기를 중지시켜 무산소 상태를 유지함으로써 폭기상태나 비폭기상태가 무한정 이루어지는 것을 방지하도록 하게 된다. 이때의 설정시간은 실험을 통해 결정된 것으로서, 1시간∼2시간으로 설정하는 것이 바람직하다. 상기 설정시간을 1시간 미만으로 설정할 경우에는 질산화 반응의 완료가 이루어지기 어려우며 2시간을 초과하도록 설정할 경우에는 탈질반응의 과정에서 장시간 무산소 상태로 운영되어 미생물의 종이나 효소체계가 변하여 다시 질산화 단계에 들어가더라도 질산화 반응에 적응시간이 오래 걸리기 때문이며, 일반적으로 효소체계가 정상화되기까지는 30분∼50분 정도가 소요된다고 알려져 있다.
또한 본 발명에 따른 시스템에 있어서, 자동제어 간헐폭기조의 유출수는 반응조의 운전상태에 따라 무산소 상태에서는 질산화가 안된 암모니아성 질소를 함유한 유출수가 배출되고 호기성 상태에서는 질산화된 질소산화물을 배출하기 때문에, 간헐폭기조의 다음 단계로 질소산화물의 탈질반응을 위한 무산소조와 암모니아성 질소의 질산화를 위한 폭기조를 순차적으로 배열하여 간헐폭기조에서 미처리된 잔류 암모니아성 질소나 질소산화물을 처리하도록 구성한다.
이때 폭기조에서 질산화된 질소산화물은 앞단에 설치된 무산소조나 간헐폭기조로 내부반송이 이루어지는데 자동제어 프로그램에 의해 간헐폭기조가 호기성으로 운영될 때에는 무산소조로 전량 반송이 이루어지며 간헐폭기조가 무산소 상태로 운전될 때에는 유입수의 기질을 최대한 탈질반응에 이용하기 위하여 간헐폭기조로 전량 반송이 되며, 이때의 유로 변경은 제어프로그램을 통해 전동벨브를 이용하여 유로를 변경하도록 한다.
또한 폭기조 다음 단계에 설치된 침전조 하부의 침전 슬러지는 고형물 체류시간에 따른 폐기량을 제외하고 전량 간헐폭기조로 반송되며 반송은 간헐폭기조가 무산소상태로 운영될 때 이루어진다. 이는 슬러지가 침전조 하부에 침전되는 동안 기질 흡수에 제한을 받은 상태이기 때문에 간헐폭기조가 무산소 상태로 운영될 때 반송되면 유입수의 기질 흡수를 촉진하여 탈질반응을 원활히 할 수 있게 된다.
즉, 도 1을 참조하면, 폭기조(R3)는 미처리된 암모니아성 질소와 유기성 질소의 질산화를 수행하며 이때 형성된 질소산화물은 내부 반송펌프(H)를 통해 3-웨이 전동벨브(G)에 의해 무산소조(R2)나 간헐폭기조(R1)로 반송되는데, 내부 반송흐름의 결정은 제어프로그램에 의해 간헐폭기조(R1)가 무산소 상태이면 유입수의 유기물을 탈질산화 반응에 최대한 이용하기 위하여 간헐폭기조(R1)로 전량 반송하며 간헐폭기조(R1)가 호기성 상태이면 내부반송은 탈질산화 반응을 위해 무산소조(R2)로전량 반송되도록 전동벨브의 흐름을 제어하게 된다.
또한 침전조(R4)의 운영은 침전된 슬러지를 고형물 체류시간에 의한 폐기량을 제외하고는 전량 간헐폭기조(R1)로 반송되도록 하고 있는데 이러한 반송은 간헐폭기조가 무산소 상태로 운전될 때만 제어프로그램으로 반송펌프(J)를 가동한다. 이는 전술한 바와 같이 침전조에 침전된 슬러지가 상당 시간동안 유기성 기질에 제한된 상태이기 때문에 간헐폭기조(R1)가 무산소 상태일 때 반송하면 미생물 대사를 위해 높은 기질 흡수 속도를 유지할 수 있어 탈질산화 반응을 수행할 수 있기 때문이다.
하기 실시예를 통해 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만 이에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.
실시예 및 비교예
도 2에서는 본 발명에 따른 자동제어공법을 이용한 간헐폭기조(실시예)와 종래의 시간제어에 의한 간헐폭기조(비교예)의 성능비교 실험을 위해 사용하는 폐수의 유입수 농도를 나타내고 있다. 이때 사용된 유입수의 유기물 농도는 CODCr으로 25,000∼35,000mg/L의 범위이며 질소의 농도는 TKN으로 2,000∼6,000mg/L인 축산폐수를 사용하였다. 본 발명에 따른 간헐폭기공법과 종래의 간헐폭기공법의 성능을 비교하기 위하여, 각 반응조에 정상적인 유입부하를 유지하다가 유기물 부하를 급격히 증가시키는 충격부하를 가해 각 반응조의 유출수의 상태를 측정하여 도 3 및도 4에 나타내었고, 각 반응조에 가해진 유기물 부하는 3.3∼9.1KgTCODCr/m3/day로 변화시키면서 유출수의 상태를 나타내었다.
도 3 및 도 4를 비교해 보면 본 발명에 따른 자동제어 간헐폭기조의 유출수의 농도는 충격부하에도 안정적인 유출수 농도를 나타내었지만, 종래의 시간제어 간헐폭기조의 경우 충격부하가 가해질 경우 유출수 농도가 안정적이지 못하고 충격부하가 중지된 후에도 정상적인 상태를 유지하지 못하며 정상화되는데 상당한 시간이 소요되는 것으로 나타났다. 따라서, 본 발명에 따른 자동제어를 이용한 간헐폭기법이 시간제어에 의한 간헐폭기법에 비해 우수한 공법임을 확인할 수 있었다.
종래의 간헐폭기법은 질산화 반응 및 탈질산화 반응의 완료여부에 관계없이 시간에 따라 수행되기 때문에 안정적인 처리효율을 얻을 수 없으며 유입수의 유입부하가 변동될 경우 이에 대처하기 어려워 종래에는 공정 운영의 실패를 빈번히 초래하였으나, 본 발명에 따른 자동제어 간헐폭기공정은 반응조 내부의 질산화와 탈질산화 반응의 종료 여부에 따라 운영되기 때문에 안정적인 처리효율을 얻을 수 있으며 유입수의 충격부하와 같은 유입부하의 변동에도 대처할 수 있어 안정적 처리가 가능하며 무산소조 및 폭기조와 같은 후처리 시설의 설치로 잔류하고 있는 암모니아성 질소나 유기성질소 및 질소산화물의 안정적 처리가 가능하다. 특히 폭기조에서 생성된 질소산화물의 탈질산화를 위해 내부반송의 흐름을 변동하여 유입수의 유기물을 최대한 탈질산화에 이용할 수 있어 외부탄소원의 사용을 중지하거나 최소화 할 수 있다.
또한 컴퓨터 모니터 상에서 간헐폭기조의 운영상태를 실시간으로 파악할 수 있어 처리공정의 탈질산화의 유무를 확인하여 공정운영상 문제점에 쉽게 대처할 수 있으며 기타 고도 처리 공정에 비해 전체적인 반응조의 수를 감소시킬 수 있고 동력비, 외부탄소원 등과 같은 운영비를 줄일 수 있다.

Claims (4)

  1. 자동 제어프로그램으로 운영되는 간헐폭기조(R1), 간헐폭기조에서 미반응된 질소산화물을 탈질화시키는 무산소조(R2), 간헐폭기조에서 미반응된 암모니아성 질소를 질산화시키는 폭기조(R3) 및 처리된 하폐수로부터 슬러지를 침강시켜 분리하는 침전조(R4)로 구성된 반응조부; pH 및 ORP를 측정하고 전송하기 위한 전극 및 미터(a와 b, A와 B), 각 전극으로부터 전달된 아날로그 신호를 디지털 신호로 전환하거나 디지털 신호를 아날로그 신호로 전환하여 계전기(E)를 가동하기 위한 A/D 또는 D/A 컨버터(C), 전송된 신호의 수치를 이용하여 자동제어 프로그램을 실행시키는 PC(D) 및 상기 컨버터(C)로부터 받은 신호를 통해 각 운전부들을 제어하는 계전기(E)로 구성된 제어부; 및 상기 계전기(E)를 통해 자동 제어프로그램의 제어를 받는 에어블로어(F), 전동밸브(G), 내부 반송펌프(H), 수중교반기(I) 및 침전 슬러지 반송펌프(J)를 포함하는 반응운전부를 포함하는 오폐수 처리시스템에서,
    상기 간헐폭기조(R1)가 호기성인 상태에서 내부의 pH 변동을 시간에 따른 mV의 값으로 연산하여 하기 수학식 1에 의한 질산화 반응의 종료점을 얻어 에어블로어(F)를 통해 폭기를 중단하고 간헐교반기내 수중교반기(I)를 가동하며,
    상기 간헐폭기조(R1)가 무산소 상태에서 내부의 ORP 변동을 시간에 따른 mV의 값으로 연산하여 하기 수학식 2에 의한 탈질화 반응의 종료점을 얻어 에어블로어(F)를 통해 폭기를 재기하고 상기 수중교반기(I)를 정지시키며,
    상기 폭기조(R3)에서 처리된 폐수는 내부 반송펌프(H) 및 전동밸브(G)를 통해 자동제어 간헐폭기조(R1) 또는 무산소조(R2)로 내부반송되고,
    상기 침전조(R4)에서 침전된 슬러지는 상기 자동제어 간헐폭기조(R1)가 무산소 상태로 운영될 때 침전 슬러지 반송펌프(J)를 통해 자동제어 간헐폭기조(R1)로 반송되는 것을 특징으로 하는 자동제어 간헐폭기시스템을 이용한 오폐수 처리공정:
    수학식 1
    수학식 2
    상기 식에서, n은 3이상의 정수이며 X는 2이고, Y는 8이다.
  2. 제1항에 있어서, 상기 pH 및 OPR 값으로 연산된 질산화 또는 탈질화 반응의 종료점이 출현하지 않을 경우 미리 설정, 변경가능한 폭기시간 또는 비폭기시간이 경과한 후에 에어블로어를 중지 또는 가동시키는 것을 특징으로 하는 자동제어 간헐폭기시스템을 이용한 오폐수 처리공정.
  3. 제2항에 있어서, 상기 설정, 변경가능한 폭기 또는 비폭기시간은 1∼2시간으로 설정되는 것을 특징으로 하는 자동제어 간헐폭기시스템을 이용한 오폐수 처리공정
  4. 자동 제어프로그램으로 운영되는 간헐폭기조(R1), 간헐폭기조에서 미반응된 질소산화물을 탈질화시키는 무산소조(R2), 간헐폭기조에서 미반응된 암모니아성 질소를 질산화시키는 폭기조(R3) 및 처리된 하폐수로부터 슬러지를 침강시켜 분리하는 침전조(R4)로 구성된 반응조부;
    pH 및 ORP를 측정하고 전송하기 위한 전극 및 미터(a와 b, A와 B), 각 전극으로부터 전달된 아날로그 신호를 디지털 신호로 전환하거나 디지털 신호를 아날로그 신호로 전환하여 계전기(E)를 가동하기 위한 A/D 또는 D/A 컨버터(C), 전송된 신호의 수치를 이용하여 자동제어 프로그램을 실행시키는 PC(D) 및 상기 컨버터(C)로부터 받은 신호를 통해 각 운전부들을 제어하는 계전기(E)로 구성된 제어부; 및
    상기 계전기(E)를 통해 자동 제어프로그램의 제어를 받는 에어블로어(F), 전동밸브(G), 내부 반송펌프(H), 수중교반기(I) 및 침전 슬러지 반송펌프(J)를 포함하는 반응운전부;
    를 포함하고,
    상기 pH 전극(a)을 이용하여 측정된 간헐폭기조(R1) 내부의 pH 변화값 및 상기 ORP 전극(b)을 이용하여 측정된 간헐폭기조(R1) 내부의 OPR 변화값은 mV의 변화값으로 측정되며,
    상기 측정된 pH의 mV 신호를 A/D 컨버터(C)에서 디지탈 신호값으로 전환한 후 PC(D)로 전송하며, PC(D)에서 0≤ΔpH(mV)/min ≤2이면 D/A 컨버터(C)를 통해 계전기(E)를 가동하여 간헐폭기조(R1)의 에어블로어(F)의 전원을 차단함으로써 간헐폭기조(R1)의 질산화 반응을 종료시킴과 동시에, 비폭기 상태의 반응조내 슬러지의 침전을 방지하고 유입수와 미생물의 혼합을 원활히 하기 위해 수중교반기(I)를 가동시키며,
    상기 측정된 ORP의 mV 신호를 A/D 컨버터(C)에서 디지탈 신호값으로 전환한 후 PC(D)로 전송하며, PC(D)에서 8≤ΔORP(mV)/min이면 D/A 컨버터(C)를 통해 계전기(E)를 가동하여 간헐폭기조(R1)의 에어블로어(F)를 작동시켜 간헐폭기조(R1)를 폭기하고, 가동중이던 수중교반기(I)를 중지시키고,
    상기 폭기조(R3)에서 형성된 질소산화물은 탈질산화 반응을 이용하기 위하여 전동밸브를 통해, 간헐폭기조(R1)가 무산소 상태이면 간헐폭기조(R1)로 전량 반송되며, 간헐폭기조(R1)가 호기성 상태이면 무산소조(R2)로 전량 반송되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 오폐수 처리시스템.
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