KR101462033B1 - 인 결정화 장치를 갖는 하·폐수처리시설 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하·폐수처리시설에 관한 것으로서, 본 발명에서는 유입되는 하수 또는 폐수로부터 토사를 제거하는 침사지와, 상기 침사지로부터 유입되는 유입수를 침전시키는 1차 침전지와, 상기 1차 침전지로부터 유입되는 유입수를 미생물을 이용하여 처리하는 생물반응조와, 상기 생물반응조로부터 유입되는 유입수를 침전시키는 2차 침전지를 포함하는 하·폐수처리시설에 있어서, 2차 침전지로부터 발생되는 잉여 슬러지로부터 인산염을 방출시키는 인산염 방출장치와, 인산염 방출장치로부터 입력되는 슬러지로부터 상등액과 슬러지로 고액 분리시키는 고형물 여과시설을 포함하는 것을 특징으로 하는 하·폐수처리시설이 제공된다.

Description

인 결정화 장치를 갖는 하·폐수처리시설{SEWAGE AND WASTEWATER TREATMENT SYSTEM WITH CRYSTALLIZATION APPARATUS FOR PHOSPHORUS RECOVERY}

본 발명은 인 결정화 장치를 갖는 하·폐수처리시설에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 생물학적 고도처리 시설에서 발생하는 고농도 인을 함유한 반류수로부터 난용성 인산염 결정화를 통해 유용한 인자원의 회수, 슬러지 감량 및 인 처리 효율을 개선하기 위한 인 결정화 장치를 갖는 하·폐수처리시설에 관한 것이다.

생물학적 고도처리 시설의 농축조, 혐기성 소화조 및 탈수기에서 발생하는 반류수는 고농도의 질소와 인을 함유하고 있어 적절히 처리되지 않고 해역이나 호소 등에 유입되어 영양염류 농도가 일정 이상을 넘게 되면 부영양화 현상을 일으키게 되므로 수처리 공정으로 반송하여 처리하고 있다.

생물학적 고도처리 시설은 크게 질소 제거와 인 제거 공정으로 나누어져 있다. 질소 제거 공정은 호기성 및 무산소 반응조로 구성되어 있으며, 호기성 조건에서는 질산화균에 의해 암모니아가 아질산성 혹은 질산성 질소로 산화되고 다음 공정인 무산소 조건에서는 탈질균에 의해 전자공여체인 BOD의 산화와 함께 이들 질소화합물이 질소가스로 환원되어 제거된다. 이와 같은 생물학적 질소 제거 공정에서 암모니아성 질소는 비교적 안정적인 처리가 가능한 것으로 알려져 있다.

한편, 인 제거 공정은 혐기성과 호기성 반응조로 구성되어 있으며, 세포 내에 인산염을 폴리인산 형태로 저장하는 인 제거 미생물의 생리학적 특성을 이용한다. 혐기성 조건에서 인 제거 미생물은 세포 내에 축적한 폴리인산을 인산염으로 분해하여 세포 밖으로 방출하는데 이 과정에서 다량의 에너지가 생성되며, 이 에너지를 이용해 하수로부터 BOD를 섭취하여 세포 내에 생분해성 고분자물질인 폴리하이드록시뷰티레이트(Polyhydroxybutyrate, PHB)를 합성하여 저장한다. 호기성 조건에서 인 제거 미생물은 세포 내에 저장한 PHB를 이용하여 에너지를 생성하고 인산염을 세포 내로 섭취하여 폴리인산으로 저장한다. 이때 생물학적 고도처리 공정의 최종 침전지에서 슬러지 형태로 세포 내에 폴리인산을 축적한 미생물을 제거하면 하수로부터 인 제거가 이루어진다.

도 1은 종래 하·폐수처리시설의 공정 블럭도를 도시한 도면으로서, 유입되는 폐수 및 하수의 유입수(1)를 침사지(10)로 유입하여 이를 1차 침전지(20)에서 1차 침전시킨 후, 생물반응조(30)에서 미생물을 이용하여 처리시킨 다음 다시 2차 침전지(50)에서 침전시킨 후 방류수(100)로 방류하게 된다. 이때 2차 침전지(50) 이후 단계와 방류하기 전 단계에 여과지를 추가로 설치하여 여과 방류시키는 방법을 채택할 수도 있다. 이러한 하·폐수를 처리하는 과정에서 1차 침전지(20)에서 발생되는 찌꺼기를 생 슬러지라고 하고, 2차 침전지(50)에서 발생되는 찌꺼기를 잉여 슬러지라 일컫는데, 이들 중 생 슬러지와 잉여 슬러지는 농축조(60), 소화조(70), 소화 농축조(80), 탈수기(90)를 차례로 거치면서 농축, 소화 및 탈수과정을 거쳐 처리된다. 농축조 상등액(61), 소화 농축조 상등액(81) 및 탈수여액(91)은 원수로 다시 유입시킬 수 있다.

이때, 상기 슬러지 처리과정에서 발생되는 농축조 상등액, 소화조 상등액 및 탈수 여액을 반류수라고 하는데, 이러한 반류수는 다시 1차 침전지(20)의 전단으로 보내 재처리하게 된다. 그러나 이러한 종래의 하·폐수처리방법은 슬러지 처리공정에서 발생하는 반류수의 양이 전체 유입유량에 비하여 상대적으로 작은 양이지만 고농도의 질소와 인을 함유하기 때문에 수처리 계통에 충격부하를 유발하므로 처리효율에 심각한 영향을 끼치게 된다.

우리나라의 경우와 같이 질소나 인 농도에 비해 상대적으로 BOD 농도가 낮은 하수에서는 부영양화를 방지할 수 있는 수준까지 인 제거가 곤란한 생물학적 고도처리 공정의 태생적 단점 때문에 화학적 처리를 병행하는 경우가 대부분이다. 더욱이 슬러지 처리 공정의 농축조, 혐기성 소화조, 탈수시설에서 발생하는 고농도의 인을 함유한 반류수를 수처리 공정으로 반송시켜 처리하는 공정상 특징 때문에 인 부하의 증가에 따른 인 제거 능력의 저하가 큰 문제로 대두되고 있다.

일반적으로 생물학적 처리 공정에서 발생하는 슬러지는 별도의 슬러지 처리 공정을 통해 처리되는데 슬러지 처리뿐만 아니라 에너지 생산을 위해 혐기성 소화가 주로 이용되고 있다. 혐기성 소화는 특성상 소화기간 동안 슬러지의 가수분해와 발효에 의해 유기산이 생성되고 메탄이 생성된다. 이때 슬러지의 가수분해 과정에서 미생물 세포 내에 축적되어 있는 폴리인산이 가수분해되어 인산염의 형태로 용출된다. 따라서 혐기성 소화과정을 거친 슬러지의 상등액과 탈리액은 상당한 고농도의 인산염을 포함한다.

더욱이 최근에는 슬러지의 처리효율을 높이고 메탄 발생량을 증대시키기 위해 열가수분해장치의 도입을 통해 혐기성 소화의 효율을 높이고 있어 반류수 내 총질소 및 총인의 농도가 수백에서 수천 PPM에 이른다. 따라서 이 과정에서 발생하는 반류수를 적절한 전처리 없이 수처리 공정으로 반송시켜 처리하는 것은 혐기성 조건에서 인을 방출시켜 인의 함량이 적은 활성 슬러지가 호기성 조건에서 방출된 양보다 소량의 인을 더 섭취하는 인 제거 미생물의 인 섭취 능력의 한계점 때문에 현행 강화된 하수처리장 방류수 수질기준을 충족시키는 것이 어렵다.

현행 우리나라에서 운영 중인 생물학적 고도처리 공정의 대부분이 이러한 단점을 보완하기 위해 화학적 방법을 이용하여 인을 처리하고 있으나 약품비와 화학적 슬러지의 처리비용 발생이 고도처리 비용을 크게 상승시켜 대안이 필요한 실정이다.

더욱이 인은 유한성을 가진 자원이나 회수되지 못하고 폐기처분되고 있어 자원의 낭비 또한 심각한 실정이다. 해마다 수입이 증가하고 있는 농축산물이나 해산물에 포함되어 수입된 인은 인체나 가축 등을 경유해서 최종적으로 배수에 포함되어 배출되는데 배수처리시설에서 적절히 회수되지 못하고 공공수역으로 배출되어 환경적으로 큰 부담을 일으키고 있는 실정이다. 따라서 하수처리장에서 적절히 회수되지 못하고 국토에 버려지고 있는 인 자원을 회수하여 재이용하므로써 고갈자원에 대한 능동적인 대처능력을 함양하고 공공수역의 부영양화 방지를 도모할 필요가 있다.

이에 생물학적 고도처리 시설의 인 제거 효율을 향상시키고 인을 회수할 수 있는 방법으로 결정화 방법이 가장 현실적이고 경제적이다. 결정화 방법으로는 인산암모늄마그네슘(Magnesium ammonium phosphate, MAP)이나 하이드록실아파타이트(Hydroxylapatite, HAP)와 같은 결정물질로 만드는 방법 등이 있다.

MAP는 스트러바이트(Struvite)로 알려져 있으며, 결정의 화학식은

이다. 물리적 성질은 비중이 1.7로 열을 가하면 분해되고 물에 용해도가 낮지만 산성용액에서는 높은 용해성을 가지며 알칼리성 용액에서는 불용성이다. MAP는 암모니아 1몰과 인산 1몰로 구성되어 있어 인산염과 암모니아성 질소를 동시에 효율적으로 제거할 수 있는 방법이다. MAP법은 인산염과 암모니아 이온을 함유한 처리 대상액에 마그네슘 이온을 첨가하고 소정의 pH영역에서 다음과 같은 결정화 반응을 통해 6수염 결정을 화학식 1과 같이 생성한다.

MAP는 기존 하수처리장의 혐기성 소화조의 라인에 많이 형성되는 것으로 알려져 있는데 이는 혐기성 소화조의 특성상 혐기 소화액이 고농도의 암모니아성 질소와 인산염을 함유하고 결정화가 일어나기에 적절한 pH를 유지하고 있기 때문이다. 따라서 고농도의 암모니아성 질소와 인산염을 함유한 반류수의 경우, 인과 질소를 동시에 회수하여 활용할 수 있는 MAP법이 가장 적절한 결정화 방법 중의 하나이다.

한편 HAP는 칼슘 5몰과 인산염 3몰로 구성되어 있으며, 화학식은 Ca₅(PO₄)₃(OH)으로 결정은 육방정계에 속하고 육각기둥 모양, 육각판 모양으로 산출된다. 물리적 성질은 비중이 3.2로 인광석의 주성분이기 때문 경제적 가치가 높은 광물이다. HAP법은 고농도의 인산염을 함유한 반려수에 칼슘을 첨가하고 소정의 pH 영역에서 화학식 2와 같은 결정화 반응을 통해 HAP를 생성한다.

슬러지 발생량이 적고 장기간 안정적인 효율을 얻을 수 있으며, 소요되는 면적이 적어 기존 처리시설에 도입이 용이한 시설이다.

그러나 혐기성 소화 공정에서 세포 내에 포함된 모든 폴리인산이 가수분해되어 인산염으로 용출되기 어려워 인 자원 회수율을 높이기 위해서는 잉여 슬러지의 전처리 공정이 필요한 실정이다. 더욱이 반류수로부터 회수한 난용성 인산염 결정체을 상업적으로 이용하기 위해서는 고순도의 결정체를 회수하는 것이 필요하다. 그러나 혐기성 소화액은 고농도의 고형물질을 포함하고 있어 고순도의 난용성 인산염 결정체의 회수가 어려운 실정이다.

한편 소규모 하수처리시설에서는 1차 및 2차 침전지에서 발생한 슬러지를 고분자 응집제와 혼합하여 탈수한 후 소각하는 경우가 대부분이어서 유한성을 가진 인 자원이 회수되지 못하고 소각에 의해 폐기처분되고 있어 난용성 인산염 결정체의 회수가 곤란한 실정이다. 따라서 생물학적 고도처리 시설의 규모나 혐기성 소화조의 운영 유무와 관계없이 인 제거 공정에서 생성되는 슬러지로부터 인산염을 적절히 용출시켜 난용성 인산염 결정체로 회수할 수 있는 공정개발이 절실한 실정이다.

특허문헌 1: 한국공개특허공보 제10-2000-0001804호 (2000.01.15.)

본 발명은 하·폐수처리시설을 구성하는 장치를 효율적으로 배치하여 고농도 인을 포함하는 반류수로부터 인을 효율적으로 회수하는 인 결정화 장치를 갖는 하·폐수처리시설을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 생물학적 고도처리 시설에서 발생하는 고농도의 인을 함유한 반류수로부터 난용성 인산염 결정현상을 이용해 유용자원인 인을 회수하는 인 결정화 장치를 갖는 하·폐수처리시설을 제공하고자 하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 인 회수를 통해 수처리 공정으로 반송되는 반려수의 인 부하량을 감소시켜 인 제거 효율을 향상시키는 인 결정화 장치를 갖는 하·폐수처리시설을 제공하는데 있다.

본 발명의 상기 목적은 유입되는 하수 또는 폐수로부터 토사를 제거하는 침사지와, 침사지로부터 유입되는 유입수를 침전시키는 1차 침전지와, 1차 침전지로부터 유입되는 유입수를 미생물을 이용하여 처리하는 생물반응조와, 생물반응조로부터 유입되는 유입수를 침전시키는 2차 침전지를 포함하는 하·폐수처리시설에 있어서, 2차 침전지에서 발생하는 제1 잉여 슬러지를 농축하는 슬러지 농축조와, 슬러지 농축조에서 발생되는 제2 잉여 슬러지로부터 인산염을 방출시키는 인산염 방출장치와, 전단(前段)에서 입수되는 슬러지 내에 포함된 부유성 고형물을 여과시설을 통해 최소화하여 인산염 순도를 높인 상등액과 제3 잉여 슬러지로 고액 분리시키는 제1고형물 여과시설 및 제1고형물 여과시설에서 발생되는 상등액을 입수 받은 후 pH 조절액을 투입하여 pH를 조절하고 결정화 약품을 투입하여 인 결정을 생성하는 인 결정화 장치를 포함하는 것을 특징으로 하고, 인산염 방출장치는 열 처리법, 및 마이크로 처리법 중에 선택된 적어도 하나의 방식을 사용하여 구현되는 것을 특징으로 하는 하·폐수처리시설에 의해서 달성 가능하다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 의하면 생물학적 고도처리 시설의 잉여 슬러지와 농축조, 혐기성 소화조, 탈수기에서 발생해 수처리 공정으로 순환되는 반류수로부터 인을 결정화시켜 회수해 부가가치 창출이 가능하게 되었다.

또한 최종적으로 수처리 공정의 인 부하를 경감시켜 생물학적 인 제거 공정의 방류수 수질 개선이 가능하게 되었으며, 기존 화학적 처리시설에 소요되는 약품을 절감하고 화학적 처리에 의해 발생하는 슬러지 발생량을 크게 감소시키는 것이 가능하게 되었다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 의하면 생물학적 고도처리 시설의 잉여 슬러지와 농축조, 혐기성 소화조, 탈수기에서 발생해 수처리 공정으로 순환되는 고농도의 인산염을 포함하는 반류수로부터 고순도 난용성 인산염 결정체의 회수율을 높여 기존 인 결정화 시설보다 높은 부가가치 창출이 가능하게 되었다.

도 1은 종래 하·폐수처리시설의 공정 블럭도.
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예의 하·폐수처리시설의 일부 공정 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예의 하·폐수처리시설의 일부 공정 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예의 하·폐수처리시설의 일부 공정 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 인 회수 시스템 설비의 상세 구성도.
도 6은 본 발명에 따른 일 실시예의 MAP 결정화 반응조를 상세히 도시한 장치 구성도.
도 7은 본 발명에 따른 일 례의 HAP 결정화 반응조를 상세히 도시한 구성도.

본 발명은 하·폐수처리시설에서 발생하는 고농도의 인을 함유한 잉여 슬러지와 반류수를 인산염 방출장치와 고형물 여과시설을 추가하여 난용성 인산염 결정현상을 이용해 인을 회수하여 유용자원으로 재활용하며 더 나아가 인 회수를 통해 수처리 공정으로 반송되는 반류수의 인 부하량을 감소시켜 인 제거 효율향상 및 운영 유지관리비의 절감, 방류수역의 수질개선할 수 있도록 하는 기술 특징을 제시한다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예, 장점 및 특징에 대하여 상세히 설명하도록 한다. 이하의 도면에서 실선은 상등액을 포함한 하수의 흐름을 나타내고, 점선은 슬러지의 이동 경로를 표시하며, 일점 쇄선은 인결정을 나타낸다.

2차 침전지(50)까지의 공정은 종래 하·폐수처리시설의 공정 블럭도와 동일한 공정에 의해 진행되므로 2차 침전지(50) 전(前)단계에 대한 공정을 생략하고, 2차 침전지(50) 이후 단계부터 상세히 설명하기로 한다. 즉, 본 발명에서도 도 1에 도시된 바와 같이 유입되는 폐수 및 하수의 유입수(1)를 침사지(10)로 유입하여 이를 1차 침전지(20)에서 1차 침전시킨 후, 생물반응조(30)에서 미생물을 이용하여 처리시킨 다음 다시 2차 침전지(50)에서 침전시키는 과정까지는 동일하게 수행한다. 따라서 이후 설명에서는 2차 침전지(50) 이후 단계부터 설명하는 것으로 한다. 참고로 말씀 드리면 1차 침전지(10)에서 발생되는 슬러지는 생 슬러지라 불리우며, 2차 침전지(50)에서 발생되는 슬러지는 잉여 슬러지라고 불리어진다.

도 2는 본 발명에 따른 일 실시예의 하·폐수처리시설의 일부 공정 구성도이다. 도 2에 제시된 본 발명의 실시예를 나타낸 구성도로서 소화조가 설치되지 않은 소규모 고도처리시설의 2차 침전지에서 발생하는 잉여 슬러지를 농축하는 슬러지 농축조(60)와 결정화 저류조(110) 사이에 인산염 방출장치(210)와 고형물 여과시설(220)을 설치하는 것을 특징으로 한다. 2차 침전지(50)에서 처리된 슬러지는 슬러지 농축조(60)로 유입된다. 슬러지 농축조(60)에서 농축된 잉여 슬러지는 인산염 방출장치(210)에 유입되어 인산염이 방출된 후 고형물 여과시설(220)로 유입되어 상등액과 슬러지로 고액 분리되어 여과액은 결정화 저류조(110)로 유입된다. 결정화 저류조(110)에 일정 시간 저장한 상태에서 pH 조절액 투입부(130)를 통해 pH를 조절한 후, pH조절된 용액을 결정화 반응조(120)에 투입한 후 결정화 약품 투입부(140)를 통해 약품을 투입하여 인을 결정화(150)한다. 다시 후술하겠으나 pH 조절액은 반드시 결정화 저류조(110)에 투입될 필요는 없으며, 결정화 반응조(120)에 투입되더라도 무방하다. 결정화 저류조(110)의 고농도 인산염을 포함하는 여과액은 다시 인 결정화 반응조(120)에 난용성 인산염 결정체(150)로 제거된 후 결정화 여액은 침사지로 유입시키게 된다. 이때 생물학적 고도처리 시설의 인 부하량을 더욱 경감시키기 위하여 결정화 여액은 고분자 응집제를 이용하여 인을 완전히 제거한 후 생물학적 고도처리 시설의 처리수와 함께 방류할 수 있다.

고형물 여과시설(220)에서 발생하는 슬러지는 고분자 응집제와 혼화되어 탈수기(90)에서 탈수과정을 거쳐 슬러지 케익으로 반출된다. 탈리여액은 슬러지 농축조(60) 상등액과 함께 인산염의 농도가 높지 않기 때문에 침사지로 유입시켜 수처리 공정에서 처리할 수 있다. 그러나 인산염 회수율을 높이기 위해서 고형물 여과시설(220)로 유입시켜 회수할 수 있다.

인삼염 방출장치(210)에서는 잉여 슬러지로부터 인산염을 방출시키기 위한 전처리 방법으로 열 가수분해법, 열 처리법, 마이크로 처리법, 초음파 처리법, 알칼리 처리법 등 물리화학적 방법을 사용할 수 있다. 생 슬러지는 단순 유기물이 많은 부분을 차지하지만 잉여 슬러지는 생물학적 고도처리 과정에서 생성되는 미생물로 하폐수처리 과정에 제거한 인의 대부분이 인 축적 미생물의 세포 내에 폴리인산의 형태로 축적되어 있다. 이들 미생물들은 세포벽에 의해 보호되고 플록을 형성하고 있어 혐기성 소화와 같은 적절한 가수분해 과정을 거치지 않으면 세포로부터 폴리인산을 인산염 형태로 방출시키기 어렵다. 따라서 생물학적 고도처리 시설에서 인 회수가 가능하고 혐기성 소화조가 설치된 고도처리 시설에서 메탄 발생과 인 회수를 극대화 할 수 있도록 적절한 방법으로 잉여 슬러지 내 폴리인산을 인산염 형태로 용출시킬 필요가 있다. 열 가수분해법은 고온·고압의 조건에서 잉여 슬러지를 가수분해하는 과정에서 폴리인산을 인산염 형태로 분해한다. 열 처리법은 미생물의 세포벽을 파괴하지 않고 잉여 슬러지로부터 폴리인산을 인산염 형태로 용출시킨다. 이 방법은 고온에서 세포 내 인을 방출하는 인 축적 미생물의 생리학적 특성을 이용하는 것으로 최적의 온도는 약 70도 전후이며, 이때 세포 내에 존재하는 인의 약 80%가 인산염 형태로 방출된다. 열처리를 위한 열원으로는 혐기성 소화과정에서 생성되는 메탄을 사용할 수 있다. 이와 같은 효과는 마이크로파 처리법을 통해서도 얻을 수 있다. 마이크로파는 분자간의 마찰을 유도하여 열을 발생시키는데 물질자체에서 발생되는 열로 가열되므로 에너지 손실이 거의 없고 매우 짧은 시간에 가열의 균일성이 좋고 열효율이 높다.

더욱이 초음파 처리로도 잉여 슬러지로부터 인산염 용출이 가능한데 초음파가 매질을 통과할 때 음압에 의해 기포가 발생하는 공동화 현상을 이용한다. 초음파에 의해 발생되는 기포는 단열 팽창과 압축을 반복하여 국부적으로 고온고압의 가스가 순간적으로 방출되는데 열 효과와 OH 라디칼과 같은 강한 산화성 물질이 생성되고 기포의 내파 시 발생되는 충격파에 의한 분자 간의 충돌을 이용한다.

한편 알칼리 처리와 같은 화학적 처리로도 잉여 슬러지로부터 인산염 방출이 가능한데 가성소다나 석회 등이 이용 가능하다. 이 방법은 인의 결정화 과정이 높은 pH 조건에서 이루어지므로 알칼리를 절약할 수 있는 잇점을 가진다. 상기에서 설명된 물리화학적 방법들은 효율 향상을 위해 오존과 같은 산화제와 함께 병행하여 사용할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 일 실시예의 하·폐수처리시설의 일부 공정 구성도이다. 도 3은 본 발명의 또 다른 예를 나타낸 구성도로서 소화조(70)가 설치된 고도처리 시설에서 잉여 슬러지 농축조(60)와 혐기성 소화조(70) 사이에 인산염 방출장치(210)를 구비하고 소화조(70)와 인 결정화 저류조(110) 사이에 고형물 여과시설(220)을 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 인산염 방출장치(210)는 잉여 슬러지 내 폴리인산을 인산염 형태로 방출시키고 혐기성 소화조(70)의 메탄발효를 극대화하고 슬러지 발생량을 최소화한다. 더욱이 혐기성 소화 과정에서 인산염 용출을 더욱 향상시켜 인산염 결정화를 통한 인 회수를 극대화한다. 또한 고형물 여과시설(220)은 소화액에 포함된 고형물을 분리하므로 고순도 난용성 인산염 결정체을 생성한다.

이를 실현하기 위하여 슬러지 농축조(60)에서 농축된 잉여 슬러지가 인산염 방출장치(210)로 유입되어 처리되고 1차 침전지의 생 슬러지와 함께 혐기성 소화조(70)로 유입되어 분해된 후 소화 슬러지는 소화 농축조(80)에서 상등액과 분리된다. 농축된 소화 슬러지는 고분자 응집제와 혼화되어 탈수기(90)에서 탈수과정을 거쳐 슬러지 케익으로 반출되고 탈리 여액은 상기에서 전술한 바와 같이 침사지로 유입시켜 인산염 결정화 반응조의 크기를 최소화할 수 있지만 소화 농축조(80)에서 발생하는 소화 농축조 상등액과 함께 고형물 여과시설(220)로 유입되어 고액 분리된 후 여과액은 결정화 저류조(110)로 유입시켜 인 회수율을 극대화할 수 있다. 결정화 저류조(110)의 고농도 인산염을 포함하는 여과액은 다시 인 결정화 반응조(120)에서 난용성 인산염 결정체로 회수된 후 결정화 여액은 침사지로 유입된다.

도 4는 본 발명에 따른 일 실시예의 하·폐수처리시설의 일부 공정 구성도이다. 도 4는 도 3의 변형된 구성도로 인산염 방출장치(210)와 혐기성 소화조(70) 사이에 제1고형물 여과시설(220a)을 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 기존에 소화농축조(80)와 결정화 저류조(110) 사이에 설치되는 고형물 여과시설을 추가되는 제1고형물 여과시설(220a)과 구분하여 명명하기 위하여 제2고형물 여과시설(220b)로 명명하기로 한다. 인산염 방출장치(210)에서 처리된 잉여 슬러지는 제1고형물 여과시설(220a)로 유입되고 회수된 상등액은 결정화 저류조(110)와 결정화 반응조(120)를 거쳐 인 결정체(150)로 회수된다. 제1고형물 여과시설(220a)에서 발생되는 농축 슬러지는 혐기성 소화조(70)로 유입되어 소화된 후 제2고형물 여과시설(220b)에 유입되어 상등액은 인산염 결정화 저류조(110)로 회수된다. 인산염 방출장치(210)에서 처리된 슬러지를 제1고형물 여과시설(220a)에서 고농도 인산염을 포함한 여과액과 슬러지로 분리하여 농축된 슬러지를 혐기성 소화조(70)로 유입시킬 수 있다. 따라서 혐기성 소화조(70) 내 슬러지의 체류시간을 길게 유지할 수 있어 슬러지의 혐기성 가수분해 촉진이 가능해 인산염 방출을 극대화할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 인 결정화 장치의 상세 구성도이다. 인 결정화 장치는 결정화 저류조(110), pH 조절액 투입부(130), 결정화 약품 투입부(140), 결정화 반응조(120) 및 결정체 회수조(160)를 통칭하는 것이다. 인 결정화 장치는 막분리 시설이나 미세스크린 시설과 같은 고형물 분리시설을 갖춘 고형물 여과시설(220)로부터 분리된 인산염 유입수를 유입받는다. 인 결정화 장치는 인산염 유입수를 일시 저류하는 결정화 저류조(110), 결정화 저류조(110)로부터 유입된 유입수를 이용하여 인 결정체를 생성하고 침강 분리하는 결정화 반응조(120)와, pH 조절 약품인 가성소다를 투입하는 pH 조절액 투입부(130) 및 결정화 약품인 염화칼슘 또는 수산화마그네슘 등의 결정화 약품 투입부(140) 및 결정화 반응조(120)에서 생성된 인 결정체를 인발하여 인을 분리하는 결정체 회수조(160)로 구성하는 것을 특징으로 한다.

고형물 여과시설(220)은 고순도의 인산염 결정체를 생성하기 위한 설비로 막분리 시설이나 미세스크린 시설 등 슬러지와 상등액을 분리할 수 있는 시설이 구비된다. 구체적으로 고형물 여과시설(220)은 정밀여과막장치, 섬유상여과기, 마이크로스트레이너, 사여과기 등으로 구현될 수 있다. 정밀여과막장치는 셀루로스, 염화비닐, 폴리카보네이트 등의 재질로 만들어진 여과막으로 직경 10마이크로 이하의 미세공을 갖고 있어 현탁질과 콜로이드, 박테리라 등의 제거가 가능한 장치이며, 섬유상여과기는 나일론이나 폴리에스테르 재질의 섬유 여과포에 통과시켜 섬유여과포의 표면과 내부에 유입수 중의 고형물을 물리적인 필터 기능으로 제거되는 장치이며, 마이크로스트레이너는 체거름 작용으로 고형물질을 제거하는 설비로 그물코가 20~60 마이크로 정도의 금속제 또는 합성섬유제 미세망을 사용하여 비교적 대형의 조류나 부유물질 등을 기계적으로 연속하여 제거하는 장치이며, 사여과기는 모래입자를 여재로 용기에 채운 여과기로 여재에 액체를 통과시켜 미세한 부유물질을 제거해 고액분리를 하는 장치이다. 상기와 같은 예의 고형물 여과시설(220)은 회수물 내 불순물의 최소화와 인 순도를 높이고 효율을 극대화하기 위해 스크린설비 또는 여과설비, 스트레나, 마이크로 디스크 필터 등을 적용하여 인산염 원수에 부유물질인 SS성분을 최대한 제거할 수 있는 설비를 포함하는 것이 바람직하다.

결정화 저류조(110)는 슬러지 처리공정에서 발생하는 소량의 여과액이 일시 저류하기 위한 설비로 여과액 유입밸브 및 pH 조절을 위한 pH 조정액 투입부(130)와 결정화 반응조(120)로 유출하기 위한 유출밸브가 구비되고 수위를 파악할 수 있는 수위계(LIT)가 구비된다. 결정화 저류조(110)의 형태는 교반장치가 부착된 사각형 혹은 원형이 바람직하고 체류시간은 15~20분 정도가 적당하다.

도 5의 실시예에서는 pH 조정액 투입부(130)가 결정화 반응조(120)로 pH 조정액을 투입하는 것으로 도시되었으나, pH 조정액은 반드시 결정화 반응조(120)에 투입될 필요가 없이 결정화 저류조(110)에 투입되어도 무방하다. 나아가서 pH 조정액은 결정화 반응조(120) 및 결정화 저류조(110) 양자 모두에 투입될 수 있음은 물론이다.

약품공급시설은 결정화 반응조에 최적의 pH 범위를 조절하기 위한 pH 조정액 투입부(130)와 인산염 결정화를 위한 마그네슘 또는 칼슘 등을 공급하는 결정화 약품 투입부(140)로 구비된다. pH 조정액 투입부(130)의 pH 조정제의 공급은 결정화 저류조와 결정화 반응조에 공급이 가능토록 주입설비를 구비하여 현장 여건에 따라 결정화 저류조를 사용하지 않을 경우에도 운영이 가능하도록 한다. pH 조절액 투입부(130) 및 결정화 약품 투입부(140)에는 약품의 응고나 침전을 방지하기 위하여 교반시설을 갖추는 것이 바람직하며, 약품에 대하여 내알칼리, 내식 및 내구성이 뛰어난 재질을 사용한다. pH 조절액 투입부(130) 및 결정화 약품 투입부(140)로 구성된 약품의 주입시설은 주입량의 조절이 용이하고 신뢰성이 있으며, 또한 적당한 범위에서 자유롭게 조정할 수 있는 약품정량 주입펌프 등 약품주입시설을 갖춘다.

결정화 반응조(120)는 MAP와 HAP의 인산염 결정체 종류에 따라 2중 혹은 3중 구조의 탱크로 구성되며, 도 6과 도 7을 이용하여 상세히 설명하기로 한다.

결정체 회수조(160)는 결정화 반응조(120)에서 생성된 인산염 결정체를 인발하여 분리회수하는 시설로 펌프에 의해 인발된 결정체가 간이 스크린으로 수집되고 간이 스크린은 크레인에 의해 최종 인출하여 인 회수가 수행된다. 인 회수조의 구성은 간이 스크린을 지지하는 지지대와 간이 스크린에서 탈수되는 처리수를 배수할 수 있는 배수공을 포함하는 처리수 유출조를 구비하고 처리수는 유출조를 통해 후속 처리공정인 수처리 시설로 반송하는 구조를 구비한다.

도 6은 본 발명에 따른 일 실시예의 MAP 결정화 반응조를 상세히 도시한 장치 구성도이다. 도면상에서 원내에 표시된 LIT는 수위센서, B는 송풍기, P는 펌프, T는 온도센서를 각각 표시하며, 수위는 참조번호 141로 표시하였다.

결정화 반응조에서는 인산염의 결정화가 일어나기 위한 최적의 pH와 온도가 유지되며, 부속장치로는 인산염 결정화 저류조 내 반류수가 결정화 반응조로 유입되는 유입밸브와 인산염 결정화에 따른 처리수가 수처리 공정으로 반송되는 반류수 유출밸브가 구비된다. 또한 생성된 인산염 결정체를 침전인발하여 인 회수조로 이송하는 유출부가 하부에 구비된다. 더욱이 결정화 현상을 위해 인 결정화 반응 약품탱크로부터 약품이 유입되고 유입된 약품을 이용하여 결정화를 위해 일정한 속도로 여과액을 휘저으며 섞어주는 교반기가 결정화 반응조 내부에 장착된다. 또한 수위를 파악할 수 있는 수위계와 결정화 반응시간을 조절하는 타임 조절기를 더 구비한다.

인 결정화 반응조의 형태는 사각형 및 원형으로 하는 것이 바람직하며, 일반적으로 콘크리트구조나 철판 탱크 등 산이나 알칼리에 부식되지 않는 재질로 이루어져 내식성 및 내구성의 안정화된 재질이 사용된다. 반응조의 용량은 20~30분 정도의 체류시간을 확보하면 가능하나 안정성을 고려하여 1~2시간의 체류시간을 확보하여 인 결정화 반응조를 설치하는 것이 바람직하다.

인 결정화 반응조의 구조는 3중 구조의 탱크로 구성된다. 제1 탱크는 혼화부(121)를 구성하는 탱크로서 제1격벽(152)을 가지며 가장 내측에 구비되는 상부 및 하부가 개방된 원통 또는 사각 형상의 탱크이며, 제2 탱크는 반응부(123)를 형성하는 중간에 설치되는 탱크로서 제2격벽(154)을 가지며 상부 및 하부가 개방된 원통 또는 사각 형상의 탱크이다. 마지막으로 제3 탱크는 분리부(125)를 형성하며 상부 및 하부가 개방되며 인 결정화 반응조의 외벽을 형성한다. 3중 구조의 탱크의 바닥면은 도 6에 도시된 바와 같이 제1 탱크, 제2 탱크 및 제3 탱크의 바닥부와 일정한 거리를 두고 중앙으로 갈수록 폭을 좁게 형성하여 하부 중앙에 인 결정이 모아지도록 형성되는 침강부(129)를 형성하도록 구성하였다.

내부 구조는 유입수와 결정체를 형성하는 약품을 신속하게 분산시켜 급속히 혼화할 수 있는 혼화부(121)와, 인 결정체가 생성되는 반응부(123)가 구비되며, 외부의 구조는 인 결정체의 고액분리를 위한 분리부(125)와, 인산염이 제거된 처리수의 유출을 위한 유출웨어(127)가 설치된다. 또한 반응조의 하부에는 인산염 결정체의 원활한 인출을 위해 고액 분리가 가능하도록 결정체가 침강하는 결정체 침강부(129)를 구비한다.

하부 중앙에서 공급되는 인 원수는 혼화부(121)에서 상승하다가 좌우에 형성되는 반응부(123)로 유입된다. 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이 혼화부(121)와 반응부(123) 사이에 형성되는 제1격벽(152)은 상부에서는 수위(141)보다 낮게 형성되어야 하며 하부에서는 반응부(123)에서 역류되지 못하도록 길게 형성하여야 한다. 반응부(123)에서는 대부분의 인 결정체가 생성되며, 미처 반응하지 못하고 남는 인 결정체는 분리부(125)에서 고액분리되면서 침강부(129)로 인 결정이 쌓이게 되며, 인이 제거된 처리수는 유출웨어(127)을 통해 배출된다. 반응부(123)에서 약품이 혼합된 인 원수가 분리부(125)로 원활하게 넘어가도록 하기 위해서 반응부(123)와 분리부(125) 사이에 설치되는 제2격벽(154)은 상부의 설치 높이가 수위(141)보다 높도록 형성하여야 하고, 하부의 설치 높이는 제1격벽(152)보다 낮게 형성하여야 한다.

MAP는 비중이 약 1.7로 비교적 낮기 때문에 침전된 난용성 인산염 결정체의 부상으로 유출웨어(127)를 통해 유출될 수 있다. 이를 극복하기 위해 본 발명에서는 반응조를 혼화부(121), 반응부(123) 및 분리부(125)로 나누어 구성하되 분리부(125)를 반응조의 하단까지 연장하여 결정체의 부상을 방지한다. 하단에는 침전된 결정체를 용이하게 인발할 수 있도록 침강부(129)의 구조를 콘 모양으로 설치한다.

인산염 결정화 반응조의 설비로는 결정화 현상을 위하여 인 결정화 반응 약품탱크에서 약품이 유입되는 약품 유입부(140)와 유입된 약품이 유입수와 반응하여 결정화가 일어나도록 일정한 속도로 휘저으며 섞어주는 교반기나 공기교반을 위한 설비 등이 장착된다.

도 7은 본 발명에 따른 일 례의 HAP 결정화 반응조를 상세히 도시한 구성도이다. HAP의 결정체는 비중이 약 3.2로 MAP와 비교하여 무겁기 때문에 인산염 결정체의 침전이 용이하고 반응조의 유출웨어(127)로 외부에 유출되는 경우가 드물다. 따라서 HAP의 반응조는 보다 간편한 2중 구조의 탱크로 구성된다. 고농도의 인산염을 포함한 유입수가 pH 조정 및 결정화 약품들과 신속히 반응할 수 있는 혼화부(121)를 구비하고, 하부에는 반응부(123)가 형성된다. 도면에 도시된 바와 같이 하나의 탱크 내에 혼화부(121)와 반응부(123)가 구비되므로 특별히 영역을 구분하지 않고 혼화 반응부라 불러도 무방하다. 반응부(123)에서 대부분의 인결정이 추출되고 남아있는 인 결정은 분리부(125)로 넘어와서 상승하면서 고액 분리된다. 인 결정이 쌓이는 침강부(129)와, 인산염이 결정체로 생성 제거된 처리수의 유출웨어(127)이 구비된다. 반응조 내부 하부에 인 결정체 생성을 위한 교반시설인 교반기(M)와 인 결정체를 인발하는 펌프(P)를 구성하고 인 결정체를 침강분리된 처리수는 상부에 유출웨어(127)를 설치하여 인을 제거한 처리수를 일정하게 유출하는 설비를 포함하는 것을 특징으로 한다.

내부 탱크 중앙 상단부에 인 원수가 유입되면, 혼화부(121)와 반응부(123)를 거치면서 하강하면서 인 결정이 추출되고, 인 결정이 대부분 추출된 약품과 혼합된 인 원수는 내부 탱크의 하부 개방된 하면을 통해 외부 탱크로 인출되면서 상승된다. 분리부(125)에서는 나머지 인 결정이 고체화되어 침강부(129)로 떨어지고, 인산염이 결정체로 생성 제거된 처리수는 유출웨어(127)을 통해 유출된다.

상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시 되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 상상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.

예를 들어, 본 발명은 하·폐수처리에 관한 설명하였으나, 음식물 쓰레기 처리 및 축산분뇨 처리에 본 발명의 인 회수 장치를 적용할 수 있음은 물론이다. 이는 음식물쓰레기처리시설과 축산분뇨처리시설의 처리공정이 하·폐수처리시설의 슬러지 처리공정과 동일하거나 매우 유사하기 때문이다.

음식물쓰레기와 축산분뇨의 처리공정은 크게 전처리, 혐기성 소화 그리고 생물학적 수처리 과정으로 나누어진다. 수거되어 처리시설로 반입된 음식물쓰레기나 축산 분뇨는 우선 전처리 과정을 거치게 된다. 전처리 과정에서 음식물쓰레기는 이물질 제거와 원하는 입경의 크기로 만드는 공정을 통해 액상 슬러리 상태로 만들어지고, 축산분뇨는 토사제거와 고액분리를 통해 분과 뇨로 분리된다. 전처리 과정에서 발생하는 슬러리와 상등액을 도 2 내지 도 4에 제시된 공정과 유사한 공정을 이용하여 처리할 수 있다.

1: 유입수 10: 침사지
20: 1차 침전지 21: 생 슬러지
30: 생물반응조 51: 잉여 슬러지
50: 2차 침전지 60: 슬러지 농축조
61: 농축조 상등액 65: 열가수분해장치
70: 소화조 80: 소화 농축조
81: 소화 농축조 상등액 90: 탈수기
91: 탈수여액 100: 방류수(처리수)
110: 결정화 저류조 120: 결정화 반응조
121: 혼화부 123: 반응부
125: 분리부 127: 유출웨어
130: pH 조절액 투입부 140: 결정화 약품 투입부
150: 인 결정 160: 결정체 회수조
152: 제1격벽 154: 제2격벽
210: 인산염 방출장치 220: 고형물 여과시설
220a: 제1고형물 여과시설 220b: 제2고형물 여과시설

Claims (12)

1. 삭제
2. 유입되는 하수 또는 폐수로부터 토사를 제거하는 침사지와, 상기 침사지로부터 유입되는 유입수를 침전시키는 1차 침전지와, 상기 1차 침전지로부터 유입되는 유입수를 미생물을 이용하여 처리하는 생물반응조와, 상기 생물반응조로부터 유입되는 유입수를 침전시키는 2차 침전지를 포함하는 하·폐수처리시설에 있어서,
   상기 2차 침전지에서 발생하는 제1 잉여 슬러지를 농축하는 슬러지 농축조와,
   상기 슬러지 농축조에서 발생되는 제2 잉여 슬러지로부터 인산염을 방출시키는 인산염 방출장치와,
   전단(前段)에서 입수되는 슬러지 내에 포함된 부유성 고형물을 여과시설을 통해 최소화하여 인산염 순도를 높인 상등액과 제3 잉여 슬러지로 고액 분리시키는 제1고형물 여과시설 및
   상기 제1고형물 여과시설에서 발생되는 상등액을 입수 받은 후 pH 조절액을 투입하여 pH를 조절하고 결정화 약품을 투입하여 인 결정을 생성하는 인 결정화 장치를 포함하는 것을 특징으로 하고,
   상기 인산염 방출장치는 열 처리법 및 마이크로 처리법 중에 선택된 적어도 하나의 방식을 사용하여 구현되는 것을 특징으로 하는 하·폐수처리시설.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 인산염 방출장치에서 발생되는 슬러지는 상기 제1고형물 여과시설로 입수되는 것을 특징으로 하는 하·폐수처리시설.
   
4. 제 2항에 있어서,
   상기 인산염 방출장치에서 발생되는 슬러지를 소화시키는 소화조와,
   상기 소화조에서 소화된 슬러지를 입력받아 이를 농축시키는 소화 농축조와,
   상기 소화 농축조에서 발생되는 소화 농축조 상등액을 상기 제1고형물 여과시설로 입수되는 것을 특징으로 하는 하·폐수처리시설.
   
5. 제 3항에 있어서,
   상기 제1고형물 여과시설에서 발생되는 잉여 슬러지를 소화시키는 소화조와,
   상기 소화조에서 소화된 슬러지를 입력받아 이를 농축시키는 소화 농축조와,
   상기 소화 농축조에서 발생되는 소화 농축조 상등액을 고액 분리시키는 제2고형물 여과시설을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하·폐수처리시설.
   
6. 제 2항 내지 제 5항 중에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
   상기 인 결정화 장치는
   유입되는 유입수를 일시 저장하는 결정화 저류조와,
   pH 조절액을 저장하고 상기 결정화 저류조에 유입된 유입수에 pH 조절액을 투입하는 pH 조절액 투입부와,
   상기 결정화 저류조로부터 유입되는 유입수로부터 인산염 결정을 생성하는 결정화 반응조, 및
   인산염 결정을 생성하는 약품을 저장하고 상기 결정화 반응조에 결정화 약품을 투입하는 결정화 약품 투입부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하·폐수처리시설.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 결정화 반응조는 내부부터 제1탱크, 제2탱크 및 제3탱크 순으로 구성되는 삼중 탱크 구조로 구비되며, 상기 제1탱크와 상기 제2탱크를 구분짓는 격벽의 상단 높이는 수위보다 낮게 형성되고, 상기 제2탱크와 상기 제3탱크를 구분짓는 격벽의 상단 높이는 수위보다 높게 형성되며, 상기 제1탱크와 상기 제2탱크의 밑면은 개방되게 형성되는 것을 특징으로 하는 하·폐수처리시설.
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 결정화 반응조의 하부면은 가운데 부분으로 갈수록 폭이 좁은 형상을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 하·폐수처리시설.
   
9. 제 8항에 있어서,
   전단(前段)에서 입수되는 상기 유입수는 상기 제1탱크의 하부로부터 상부 방향으로 유입되는 것을 특징으로 하는 하·폐수처리시설.
   
10. 제 6항에 있어서,
    상기 결정화 반응조는 내부부터 제1탱크, 및 제2탱크 순으로 구성되는 이중 탱크 구조로 구비되며, 상기 제1탱크와 상기 제2탱크를 구분짓는 격벽의 상단 높이는 수위보다 높게 형성되고, 상기 제1탱크의 밑면은 개방되게 형성되는 것을 특징으로 하는 하·폐수처리시설.
    
11. 제 10항에 있어서,
    전단(前段)에서 입수되는 상기 유입수는 상기 제1탱크의 상부로부터 하부 방향으로 유입되는 것을 특징으로 하는 하·폐수처리시설.
12. 제 2항에 있어서,
    상기 제1고형물 여과시설은 정밀여과막장치, 섬유상여과기, 마이크로스트레이너, 및 사여과기 중에서 선택된 하나의 여과시설로 구성되는 것을 특징으로 하는 하·폐수처리시설.

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