유입흐름제어형 막분리 활성 슬러지 공법의 자동 제어 방법{AN AUTO-CONTROL METHOD OF WASTEWATER TREATMENT BY INFLUENT CONTROLLED MEMBRANE BIOREACTOR}

본 발명은 질소 및 인의 동시처리를 위한 유입흐름제어형 막분리 활성슬러지공법의 자동제어방법 및 장치에 관한 것으로, 상세하게는 병렬로 배치되어 유입수 및 슬러지의 흐름에 따라 무산소와 혐기조 교대운전되는 2개의 준혐기조와 정밀여과막을 침지시킨 막분리호기조로 구성된 막분리 활성슬러지장치를 이용하여 하폐수 중의 유기물 및 질소와 인을 동시에 제거하는 하폐수처리공법의 자동 제어 방법으로서, 준혐기조의 실시간 ORP변화계측을 통해 탈질종료시점을 검출하여 완전혐기조건의 형성여부를 관측하고, 인 방출에 필요한 최소한의 시간이 확보될 수 있도록 유입흐름제어주기를 실시간 제어하는 것을 특징으로 한다.

생물학적 질소 및 인 처리 공정은 반응조의 구성과 운영방식에 따라 여러 가지 방식으로 구분 할 수 있는데, A/O(Anaerobic/Oxic), A2/O(anaerobic/anoxic/oxic), UCT(University of Capetown), Bardenpho와 같이 혐기, 무산소, 호기조등이 직렬로 연결되는 메인 스트림(main stream) 공정과 Phostrip, PL-Ⅱ등과 같이 혐기성 탈인조가 병렬로 연결되는 사이드 스트림(side stream) 공정으로 분류된다. 또한 반응조의 Phase가 고정되어 있는 공간배치형과 반응조의 상(phase)이 시간에 따라 변화되는 시간배치형 공정으로 구분할 수 있다. 상기한 다양한 공정들은 비교적 처리효율이 우수한 공정임에는 분명하나, 기온이나 운전조건 등의 변화로 후속 중력침전조에서 슬러지 팽화, 미세플록, 슬러지부상 등의 문제가 종종 발생하여 생물처리공정을 최적화하였음에도 불구하고, 처리수질이 악화되는 문제점이 드러나곤 한다. 또한 상기한 종래의 공정에서 사용하는 중력침전방식은 반응조 내 미생물농도를 일정수준 이상으로 유지하는 것이 곤란하므로, 고부하에 대한 대처능력이 떨어지며, 수리학적 체류시간을 상대적으로 길게 유지해야하는 한계가 있다. 이에 기존 중력침전에 의한 고액분리를 대신하여 생물학적인 오염물질 제거공정과 일정한 공칭공경을 갖는 분리막을 이용해 안정적으로 고액분리를 달성할 수 있는 막 여과방식을 접목한 막결합형 생물처리공법(Membrane Bio-Reactor, 이하 MBR)이 등장하게 되었다.

그러나 현재까지 국내외에서 개발되고 있는 고도처리용 MBR공법은 "침지식 분리막을 이용한 생물학적 질소, 인 제거장치 및 방법(대한민국 특허공개 2002-44820)"과 같이 A2O계열의 생물반응조와 분리막을 겹합한 형태가 대부분을 차지하고 있는데, 질소 및 인에 비하여 영양원의 농도가 낮은 국내 하폐수에 A2O와 유사한 공법을 적용하면 탄소원의 부족으로 탈질 효율이 떨어지며, 그 결과 질산성 질소가 반송슬러지를 통해 혐기조로 유입되어 혐기조 내에서 Poly-P박테리아와 탈질미생물간의 유기물경쟁이 발생하고, 이로 인해 인 방출이 저조해지는 문제점이 나 타난다.

상기한 종래 기술들의 문제점을 해결하고자, 본 발명자들에 의하여, 원수와 반송슬러지를 2개의 준혐기반응조에 시간주기로 번갈아 유입시켜 무산소 조건과 혐기 조건을 교대로 유도하고, 그 후단에 호기성분리막조를 설치하여 질산화 및 고액분리를 수행하도록 한 것을 특징으로 하는 "유입흐름제어형 막분리 활성슬러지공법을 이용한 하폐수처리공법"이 제안된 바 있다(대한민국 등록특허 제 0555689호).

도 1은 본 발명이 적용되는 "유입흐름제어형 막분리 활성슬러지공법을 이용한 하폐수처리공법"의 공정흐름도를 나타낸 것이다. 도 1에서 유로변경장치(2)는 유입되는 하폐수(1)를 반응조A(3) 및 반응조B(4)에 일정한 간격으로 공급함으로써 두 반응조에 무산소(anoxic), 혐기조건(anarobic)을 교대로 유지시키는 역할을 수행한다. 또한 슬러지가용화조(11)를 연계하여 가용화된 슬러지를 유로변경장치(2)를 통해 유입하수와 함께 생물반응조에 유입시켜 탄소원으로 재분해시킴으로써 슬러지를 감량시키는 공정이다.

이를 보다 상세하게 설명하면, 본 발명은 반응조A(3)가 원수와 호기성 분리막조에서 반송되는 슬러지를 공급받아 원수에 포함된 유기물을 탄소원으로 하여 무산소(anoxic)조건에서 생물학적인 탈질 반응을 수행하고, 반응조B(4)는 외부 유입이 단절된 상태에서 회분식으로 운영되어 인방출이 이루어지는 단계(S1);와 반응조B(4)가 원수와 호기성 분리막조에서 반송되는 슬러지를 공급받아 원수에 포함된 유기물을 탄소원으로 하여 무산소(anoxic)조건에서 생물학적인 탈질 반응을 수행하고, 반응조A(3)는 외부 유입이 단절된 상태에서 회분식으로 운영되어 인 방출이 이 루어지는 단계(S2)가 교대로 운영되는 것을 특징으로 한다. 이때 하폐수 및 반송슬러지의 유입이 차단되어 회분식으로 운전되는 반응조는 질산성 질소의 공급이 없는 상태이므로 절대 혐기조건(anarobic)의 유지가 가능해지고 보다 효율적인 인의 방출이 가능해진다.

또한, 상기한 S1 단계 또는 S2 단계에서 무산소 조건으로 유지되는 반응조를 통과하는 처리수는 후단의 호기성 분리막조(5)로 유입되며, 유입된 처리수는 침지형 분리막(6)을 통하여 고농축 슬러지(8)를 남기고 최종 정화수로서 배출(7)된다.

상기 발명에서 S1단계와 S2단계를 조절하는 유로변경장치(2)의 작동주기는 통상 1-3시간 범위에서 적정한 값을 선정하여 타이머에 의해 제어되었다.

그러나, 유입되는 하폐수의 조건 및 반응조 운전 조건에 따라 탈질산화 종료시점이 달라질 수 있으므로 일정한 값으로 유로변경장치의 작동주기를 정한 경우 인 방출에 필요한 충분한 시간이 확보되기 어려운 문제점이 있다.

한편, pH 및 ORP(Oxidation Reduction Potential)변곡점을 단독 혹은 병용하여 질산화 및 탈질의 종료시점을 검출하여 포기-비폭기시간을 실시간 제어하는 방법은 SBR공법 혹은 간헐포기공정을 포함하는 하폐수처리공법에 널리 활용되고 있다. 한국등록특허 제0338510호의 경우는 pH값의 시간에 따른 변화량을 이용해 질산화의 종료로 pH가 갑자기 증가하는 NBP(Nitrogen Break Point)을 검출하여 포기를 중단하고, 탈질산화공정을 시작하며, 비포기기간 중에는 ORP값이 갑자기 감소하는 NKP(Nitrate Knee Point)를 검출해 탈질산화의 완료시점으로 하여 무산소처리를 중단하는 등 송풍기 제어를 통해 질산화 및 탈질산화를 원활히 유도하도록 하고 있 다. 그러나, 상기 특허의 대상 공법은 호기처리공법, 연속회분식공법(SBR) 또는 간헐포기공법으로 탈질산화 시점을 검출하는 것은 무산소 조건에서 침전단계로의 전환을 위한 것이고, 이와는 별개로 인 제거가 필요할 경우 폐수유입 후 2-4시간동안을 유지하고 있다. 즉, 상기 특허의 제어방법에서의 혐기조는 완전 혐기조건의 형성 여부와 관계없이 물리적인 시간만을 확보하고 있으며 실질적으로 유효한 혐기 지속시간을 확보하는 것에 대하여는 인식하지 못하고 있다.

또한 한국등록특허 제0628908호의 경우는 무산소/혐기 교대반응조의 ORP 절대값을 미리 설정해 놓은 ORP값과 비교하는 연산을 통해 내부반송펌프의 가동을 제어하는 방식을 채택하고 있다.

그러나 이와 같은 종래의 계측방법들은 ORP값 혹은 ORP시간적 변화값(dORP/dt)에 대한 기준값을 설정해 높고 이와 비교해 반응단계를 판단하도록 구성되어 있어, 유입부하의 변동이나 반응조 운전조건의 변화에 실시간 대응하기 어려우므로 기준값의 실효성에 의문이 제기되고 있다.

특히, "유입흐름제어형 막분리 활성슬러지공법"과 같이 유로변경을 통해 회분식 운영단계에서 절대혐기조건을 형성하여 인방출을 극대화하는 공법에는 적합하지 않으며, 상기 공법을 실기간으로 자동운전하기 위한 계측 방법 내지 자동 제어 시스템은 개발된 바 없다.

국내외에서 개발된 유기물 및 질소, 인 동시처리공법의 대부분은 혐기조 체류시간을 1-2시간으로 고정하여 운영하고 있으나, 실제로는 내부반송슬러지내에 포함되어 있는 질산성질소로 인해 완전혐기조건이 형성되기 어렵고, 그에 따라 인 방출이 저조하였다. 본 발명에서는 탈질이 완료된 후 인방출에 필요한 충분한 시간을 확보해 줄 수 있도록 유로변경시간을 실시간 자동제어하는 "유입흐름제어형 막분리 활성슬러지공법"에 적합한 계측제어방법 및 장치를 제공함으로써, 하수고도처리공정의 오염물질 처리효율을 높이고자 하였다.

본 발명은 회분식으로 운영되는 반응조의 산화환원전위(ORP)의 시간적 변화 값을 통해 완전혐기조건의 형성여부 관측은 물론 인방출에 필요한 충분한 시간을 확보할 수 있도록 유로변경을 실시간 자동제어함으로써 인방출을 극대화하고 최종적으로는 처리수질의 향상을 달성하기 위한 유입흐름제어형 막분리 활성슬러지공법의 자동 제어 방법 및 자동 제어 시스템을 제공한다.

본 발명은 "유입흐름제어형 막분리 활성슬러지공법을 이용한 폐수처리공법"에서 유로변경장치의 가동주기를 실시간 자동적으로 제어하는 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 외부유입이 단절된 상태에서 회분식으로 운영되는 반응조의 ORP를 실시간 계측, ORP의 시간적 변화(dORP/dt)를 계산하여, 탈질산화가 종료되는 시점 을 나타내는 NKP(Nitrate Knee Point;ORP가 갑자기 감소하는 포인트)를 검출하고, NKP가 검출된 시점에서 유효혐기지속시간인 인방출에 필요한 일정시간이 경과한 후에 유로변경장치가 가동되도록 자동적으로 제어하는 기술이다. 탈질과정 중에 발생하는 NKP는 탈질산화과정의 종료시점으로 모든 질산성 질소가 완전히 고갈되었음을 의미하며, 만일 반응조에 유기성 기질(탄소원)이 존재한다면, 반응조의 상태는 무산소상태가 아닌 완전혐기성상태에 돌입하게 된다.

본 발명의 제1면은 유입흐름제어형 막분리 활성슬러지공법의 실시간 자동 제어 방법에 관한 것으로, 상세하게는 유로변경장치(2), 반응조A(3), 반응조B(4), 막분리호기조(5)를 포함하며; 반응조A(3)가 원수와 분리막호기조(5)에서 반송되는 슬러지를 유로변경장치(2)를 통하여 공급받아 원수에 포함된 유기물을 탄소원으로 하여 무산소(anoxic)조건에서 생물학적인 탈질 반응을 수행하고, 반응조B(4)는 외부 유입이 단절된 상태에서 회분식으로 운영되는 단계(S1)와 반응조B(4)가 원수와 분리막호기조(5)에서 반송되는 슬러지를 유로변경장치(2)를 통하여 공급받아 원수에 포함된 유기물을 탄소원으로 하여 무산소(anoxic)조건에서 생물학적인 탈질 반응을 수행하고, 반응조A(3)는 외부 유입이 단절된 상태에서 회분식으로 운영되는 단계(S2)가 교대로 운영되며; 상기 막분리호기조(5)에는 침지형분리막(6)이 설치되어 슬러지를 고농축시킴과 동시에 처리수를 배출시키고, 상기 고농축된 슬러지는 유로변경장치(2)를 통하여 무산소 조건의 반응조로 내부 순환되도록 하는, 무산소조건과 혐기조건을 반복하여 수행함으로서 질소와 인을 동시 제거하는 유입흐름제어형 막분리 활성슬러지공법의 자동 제어 방법으로서,상기 회분식 반응조의 산화환원전 위 변화(dORP/dt)를 계측하여 탈질산화 종료점인 NKP(Nitrate Knee Point)를 검출한 후 일정시간 동안 인 방출이 이루어지도록 한 후 유로변경장치(2)의 유로를 변경함으로써 회분식 운전시간(T)이 외부유입 단절 후 NKP 검출까지 경과 시간(t ₁ )과 설정된 인 방출 시간(t _e )의 합으로 자동제어되며, 동시에 무산소 탈질반응조의 운전시간도 상기 회분식 운전시간(T)과 동일하게 자동제어되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제2면은 유입흐름제어형 막분리 활성슬러지공법의 주기적 자동 제어 방법에 관한 것으로서, 하기의 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

a) 상기 S1 단계 운전시간(T _a ) 및 상기 S2 단계 운전시간(T _b )을 동일하게 설정(T _a =T _b =T)하는 단계;

b) 상기 S1 단계 또는 S2 단계에서 회분식으로 운전되는 반응조의 ORP를 계측하여 탈질산화 종료시점인 NKP를 검출하는 단계;

c) 상기 NKP 검출(t ₁ ) 후 상기 운전시간(T)까지의 경과시간(t ₂ =Tt ₁ )를 측정하는 단계;

d) 상기 경과시간(t ₂ )과 미리 설정되어나 측정하여 얻어지는 인 방출시간(t _e )을 비교하는 단계; 및

e) 상기 경과시간(t ₂ )이 상기 인 방출시간(t _e ) 보다 짧은 경우 경과시간(t ₂ )이 상기 인 방출시간(t _e ) 보다 길어지도록 상기 S1 단계 및 상기 S2 단계의 운전시간(T)을 재설정하는 단계.

본 발명의 제3면은 유입흐름제어형 막분리 활성슬러지공법의 자동 제어 시스템에 관한 것으로서, 상기 S1 단계 또는 S2 단계의 회분식으로 운영되는 반응조의 탈질산화시점을 검출하기 위하여 반응조A 또는 반응조B 중 어느 하나 이상에 설치되어 반응조 내부의 산화환원전위를 측정하는 ORP 센서, 상기 유로변경장치의 개폐 제어용 타이머, 상기 OPR 센서로부터 아날로그/디지털 컨버터를 통하여 입력된 값(dORP/dt)으로부터 탈질산화시점(NKP)을 결정하고 상기 탈질산화시점 및 인 방출에 필요한 유효혐기시간으로부터 상기 개폐 제어용 타이머를 제어하는 프로세서를 포함하는 디지털 입출력 컴퓨터, 및 상기 ORP 센서 및 상기 개폐 제어용 타이머로부터 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 컴퓨터로 입력하고 상기 컴퓨터로부터 출력되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 전환하여 출력하는 아날로그/디지털 컨버터(A/D converter)를 포함한다.

상기 막분리 활성슬러지공법은 상기 막분리호기조(5) 후단에 슬러지가용화조(11)를 더 구비하여 상기 고농축된 슬러지의 일부가 상기 슬러지가용화조(11)에서 가용화된 후 유로변경장치(2)를 통하여 무산소 조건의 반응조로 유입되어 탄소원으로 사용되도록 할 수 있다.

상기 NKP는 상기 회분식 반응조의 산화환원전위 변화(dORP/dt) 값이 최소인 시점에서 검출되며 산화환원전위 변화(dORP/dt) 값이 -2 내지 -20 mV/min인 범위에서 검출된다.

상기 인 방출 시간(t _e )은 1시간 이상, 보다 구체적으로는 1시간 내지 3시간 으로 미리 조절하는 것이 바람직하다. 또한, 반응조A 또는 반응조B 중 어느 하나 이상에 설치되어 반응조 내부의 인 농도를 측정하는 PO ₄ -P 연속측정장치를 설치하여 NKP 검출 후 인 방출량이 통상적인 목표방출량인 7 mg/L 내지 12 mg/L에 도달할 때까지의 회분지속시간으로 조절할 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 2는 본 발명에 따른 ORP계측을 통해 유로의 변경주기를 제어하는 유입흐름제어형 막분리 활성슬러지공법의 자동 제어 시스템에 관한 개략도이다. 유입흐름제어를 특징으로 하는 하폐수 고도처리 MBR공법(1-12)은 유로변경장치(2), 반응조A(3), 반응조B(4), 막분리호기조(5)를 포함하며; 반응조A(3)가 원수와 분리막호기조(5)에서 반송되는 슬러지를 유로변경장치(2)를 통하여 공급받아 원수에 포함된 유기물을 탄소원으로 하여 무산소(anoxic)조건에서 생물학적인 탈질 반응을 수행하고, 반응조B(4)는 외부 유입이 단절된 상태에서 회분식으로 운영되는 단계(S1)와 반응조B(4)가 원수와 분리막호기조(5)에서 반송되는 슬러지를 유로변경장치(2)를 통하여 공급받아 원수에 포함된 유기물을 탄소원으로 하여 무산소(anoxic)조건에서 생물학적인 탈질 반응을 수행하고, 반응조A(3)는 외부 유입이 단절된 상태에서 회분식으로 운영되는 단계(S2)가 교대로 운영되며; 상기 막분리호기조(5)에는 침지형분리막(6)이 설치되어 슬러지를 고농축시킴과 동시에 처리수를 배출시키고, 상기 고농축된 슬러지는 유로변경장치(2)를 통하여 무산소 조건의 반응조로 내부 순환되도록 한다.

상기 질소와 인을 동시 제거하는 유입흐름제어형 막분리 활성슬러지공법의 자동 제어 시스템으로서, 본 발명에 따른 자동 제어 시스템은 상기 S1 단계 또는 S2 단계의 회분식으로 운영되는 반응조의 탈질산화시점을 검출하기 위하여 반응조A 또는 반응조B 중 어느 하나 이상에 설치되어 반응조 내부의 산화환원전위(ORP)를 측정하는 ORP 센서(21, 22); 상기 유로변경장치의 개폐 제어용 타이머(25); 상기 OPR 센서로부터 아날로그/디지털 컨버터를 통하여 입력된 값(dORP/dt)으로부터 탈질산화시점(NKP)을 결정하고 상기 탈질산화시점 및 인 방출에 필요한 유효혐기시간으로부터 상기 개폐 제어용 타이머(25)를 제어하는 프로세서를 포함하는 디지털 입출력 컴퓨터(24); 및 상기 ORP 센서(21, 22) 및 상기 개폐 제어용 타이머(25)로부터 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 컴퓨터(24)로 입력하고 상기 컴퓨터로부터 출력되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 전환하여 출력하는 아날로그/디지털 컨버터(A/D converter)(23)를 포함한다. 또한 본 발명에 따른 자동 제어 시스템은 상기 S1 단계 또는 S2 단계의 회분식으로 운영되는 반응조의 인 방출시간을 결정하기 위하여 반응조A 또는 반응조B 중 어느 하나 이상에 설치되어 반응조 내부의 인 농도를 측정하는 인 농도 측정 장치를 더 구비할 수 있다.

도 2에서 유로변경장치(2)는 유입되는 하폐수(1)를 반응조A(3) 및 반응조B(4)에 일정한 시간간격으로 공급함으로써 두 반응조에 무산소(anoxic), 혐기조건(anaerobic)을 교대로 유지시키는 역할을 수행한다. 보다 상세하게 설명하면, 반응조A(3)가 원수와 분리막호기조에서 반송되는 슬러지 및 슬러지가용화조에서 가용화된 슬러지를 공급받아 원수 내 포함되어 있는 유기물과 가용화슬러지를 탄소원으로 하여 생물학적인 탈질반응을 수행하고, 반응조 B(4)는 외부유입이 단절된 상태에서 회분식으로 운영되어 잔존하는 질산성질소가 완전탈질되고, 이어 혐기조건이 이루어져 인 방출이 일어나는 혐기조의 기능을 수행한다.

일정시간이 경과한 후에는 유로가 변경되어 유로변경장치로(2)로부터 반응조B(4)로 유입이 이루어지고, 이때 반응조A와 반응조B는 이전 흐름과 반대의 기능을 수행하게 된다. 이때 유입흐름제어주기는 통상적으로 1-3시간 범위에서 파일롯운전 등을 통해 경험적으로 산출되어 왔다.

본 발명은 유입조건에 따라 무산소 및 혐기조건이 교대로 수행되는 반응조A와 반응조B에 ORP미터를 설치하여 실시간 계측하고, 유입이 중단되어 회분식으로 운영되는 단계에서 단위시간동안의 OPR변화(dORP/dt)를 산출하여 탈질산화의 종료점인 NKP를 검출한 후 인 방출에 필요한 시간이 충분히 확보된 후 유입흐로변경장치(2)에서 유로를 변경시킬 수 있도록 구성한다.

이를 보다 상세하게 설명하면, 도 2에서와 같이 반응조 A와 반응조 B 모두 혹은 어느 한 반응조에 ORP 미터를 설치하여 실시간 계측하고, ORP 계측 시간 간격은 10초 내지 5분 간격, 보다 좋게는 30초 내지 3분 간격의 범위에서 이루어질 수 있다. 계측 간격이 상기 범위를 벗어나는 경우 데이터의 양이 너무 많아져서 시스템 운영상 불리할 수 있거나 실시간 값으로서의 반응조 상태를 나타내지 못할 수 있다. 필요에 따라서는 3 내지 10회 이동평균 값의 변화를 계측할 수도 있다. 예를 들어 1분 간격으로 ORP변화값을 산출하면 도 4와 같은 그래프를 얻을 수 있다. 유입이 이루어지는 단계에서는 유입수와 함께 통상 유입유량 대비 100-300%의 반송슬러지가 막분리호기조로부터 유입되는데, 반송되슬러지의 ORP값이 통상 +100 내지 +600mV로 높기 때문에 유입이 진행되는 시간동안 반응조A 혹은 반응조B의 ORP값은 상승하는 패턴을 나타낸다. 반면, 유입이 중단되는 동안에는 잔존하는 질산성질소(NO ₃ -N)가 완전히 고갈되는 시점에서 ORP가 급격히 감소하므로, dORP/dt값은 최소값을 나타내게 된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 dORP/dt 최소값은 -2 내지 -20 mV/min인 범위에서 검출된다. dORP/dt값이 최소인 NKP이 검출된 후에는, 인방출에 필요한 설정시간이 경과된 후에 유로변경장치(2)를 가동시켜 회분식으로 운전되던 반응조 A 혹은 반응조 B에 유입을 개시한다. NKP 이후 실질적인 혐기조건으로 확보해 주어야 하는 경과시간은 유입수질 및 목표수질에 따라 다르나, 통상적으로 1시간 이상, 보다 구체적으로는 1 시간 내지 3시간으로 한다. 도 3을 참조하면, 반응조 A 및 반응조 B에 구비된 인 농도 측정장치(31, 32)를 통하여 NKP 후 인(PO ₄ -P) 농도를 측정하여 목표방출량 값으로 설정된 값에 도달할 때까지 혐기조건을 유지할 수 있다. 이 때 목표방출량은 7mg/L 내지 12mg/L의 범위를 가진다.

본 발명에 따른 자동 제어 방법 중 ORP 변화값에 의해 유로변경주기를 실시 간 제어하는 방법의 일례를 도 5a에 도시하였다.

도 5a를 참조하면, 처음에 유로변경밸브를 작동하여 S1단계를 진행할 때 반응조 A는 원수와 유기물이 유입되면서 무산소 조건에서 탈질반응이 이루어지고 동시에 반응조 B는 유입이 중단되어 회분식으로 반응이 이루어지게 된다. 이 때 S1 단계의 반응시간은 회분식으로 이루어지는 반응조 B에서 ORP 변화를 실시간으로 계측하여 ORP 변화값이 최소인 시점에서 탈질산화시점(NKP)을 검출하고 NKP 검출까지의 경과시간(t _b 1) 이후 유효 혐기시간 즉, 인 방출시간(t _e ) 동안 공정을 지속한다. 따라서, S1 단계의 반응시간은 반응조 B의 유입중단시간과 같고 반응조 A의 유입시간(T _a )과 같으며, T _a 는 t _b 1과 t _e 의 합으로 제어된다. 이후 S2 단계에서는 유로변경장치의 작동으로 유로가 변경되어 반응조 B에 유입이 이루어지고 반응조 A에 유입이 중단된다. 유입이 중단된 반응조 A의 ORP 변화를 실시간으로 계측하여 ORP 변화값이 최소인 시점에서 탈질산화시점(NKP)을 검출하고 NKP 검출까지의 경과시간(t _a 1) 이후 유효 혐기시간 즉, 인 방출시간(t _e ) 동안 공정을 지속한다. 따라서, S2 단계의 반응시간은 반응조 A의 유입중단시간과 같고 반응조 B의 유입시간(T _b )과 같으며, T _b 는 t _a 1과 t _e 의 합으로 제어된다.

상기 인 방출시간(t _e )은 1 내지 3시간으로 미리 설정해 놓을 수도 있고, 유입중단 반응조 즉, 회분식 반응조에 인 농도 측정 장치를 구비하는 경우 인 농도를 측정하여 미리 설정한 목표방출량까지 인 농도가 도달할 때까지의 시간으로 설정할 수 있다.

반응조 내의 조건 유입물질의 변화에 따라 NKP 검출까지의 경과시간(t _b 1, t _a 1)이 달라질 수 있으므로 이를 실시간으로 검출하여 NKP 검출까지의 경과시간(t _a 1) 이후 인 방출이 실질적으로 이루어지는 시간을 확실히 확보함으로써 하폐수 내에 인(P)의 제거 효율을 현저히 향상시킬 수 있으며, 인 농도 측정장치로부터 측정된 인농도를 측정하여 인 방출 시간을 설정하는 경우 인의 제거효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

시스템 운영의 편의성을 고려하고 반응조 A 및 반응조 B의 조건을 동일하게 설정하는 경우 상기 S1단계 및 S2단계의 반응시간을 동일하다고 가정하여도 실질적인 차이가 거의 없다. 따라서 S1단계 및 S2단계의 반응시간을 동일하게 설정(T=T _a =T _b )하여 반응조 A 또는 반응조 B 중 어느 한 반응조의 ORP 만을 계측하여 반응시간을 제어할 수 있다. S1단계 및 S2단계의 반응시간을 동일하게 설정(T=T _a =T _b )한 경우의 제어방법을 도 5b에 도시하였다.

또한, ORP 변화값에 의해 유로변경주기를 실시간 제어하는 방식 이외에도 특정 시간 동안 정해진 주기로 운영하여 주기를 산출하고, 산출된 주기가 현재 운전 중인 주기와 현저한 차이를 보일 경우 다시 유로변경주기를 변경하는 방법도 가능하며, 이러한 주기적인 자동제어 방법은 하기의 단계를 포함한다.

a) 상기 S1 단계 운전시간(T _a ) 및 상기 S2 단계 운전시간(T _b )을 동일하게 설 정(T _a =T _b =T)하는 단계;

b) 상기 S1 단계 또는 S2 단계에서 회분식으로 운전되는 반응조의 ORP를 계측하여 탈질산화 종료시점인 NKP를 검출하는 단계;

c) 상기 NKP 검출(t ₁ ) 후 상기 운전시간(T)까지의 경과시간(t ₂ =Tt ₁ )를 측정하는 단계;

d) 상기 경과시간(t ₂ )과 미리 설정해놓거나 측정하여 얻어지는 인 방출시간(t _e )을 비교하는 단계; 및

e) 상기 경과시간(t ₂ )이 상기 인 방출시간(t _e ) 보다 짧은 경우 경과시간(t ₂ )이 상기 인 방출시간(t _e ) 보다 길어지도록 상기 S1 단계 및 상기 S2 단계의 운전시간(T)을 재설정하는 단계.

상술한 바와 같은 주기적인 자동 제어방법에 대한 일례를 도 6에 도시하였다. 도 6을 참조하면, 상기 S1단계 반응시간과 S2단계의 반응시간을 동일하게 설정하고, 유로변경주기를 위한 주기 산출 기간을 1일(1440분)으로 하여 미리 정해는 유로변경주기(S1단계반응시간=S2단계반응시간=T)로 1일 동안 운전을 진행하면서 반응조 A에서 ORP 변화를 모니터링한다. 반응조 A가 무산소조건으로 운전되는 S1단계(T) 및 반응조 A가 회분식으로 운전되는 S2단계(T)가 이루어지는 공정시간은 각 단계의 운전시간의 합(2T)이다. 상기 공정주기(2T)를 1일 동안 진행하였을 때 설정된 운전시간(T)가 실시간으로 계측되는 NKP 검출까지의 경과시간(ta1)과 미리 설정 해놓거나 측정하여 얻어지는 인 방출 시간(Te)의 합보다 큰 경우 정상 공정으로 간주하여 정상공정 수(n)을 산출한다. 상기 인 방출 시간에 대하여는 앞에서 설명한 바와 같이 미리 시간값으로 설정하거나, 인농도측정장치를 통한 인농도 측정값으로부터 정해질 수 있다. 1일 동안 운전이 완료된 후 상기 정상공정 수(n)가 진행된 공정수(m)의 50% 이상인 경우에는 운전주기(T)를 변경하지 않고 그대로 진행하며, 50% 미만인 경우에는 30분을 더하여 운전주기를 재설정(T=T+30)하여 익일 운전이 진행되도록 한다. 상기 산출 기간이나 1일 동안 진행된 공정 중 정상공정 수가 몇 %미만일 때 운전주기를 재설정할 것인지, 그리고 재설정시 추가하는 시간은 어느 정도로 할 것인지 등은 공정 조건, 유입 하폐수 조건 등을 고려하여 변경할 수 있다.

하폐수 처리를 위한 유기물 및 질소, 인 동시처리 공법의 대부분이 질소제거를 위한 탈질조 및 질산화조의 적정 체류시간에 대한 설계기법이나 실제 공정운영상에서 자동제어기술이 활용되고 있으나, 인 방출을 위한 혐기조의 체류시간의 경우는 통상적으로 1-2시간 범위에서 일괄적으로 적용하고 있으며, 특히 기능적인 측면에서도 슬러지반송흐름에 따라 용존산소 혹은 질산성질소가 잔존하여 실질적인 혐기조건이 이루어지지 못해 인 방출이 저조한 문제점이 있다.

본 발명에서는 유로에 따라 무산소 및 혐기조건을 교대로 수행하는 반응조를 두고 실시간 ORP 계측을 통해 탈질반응 진행상태를 모니터링하고, 실제 완전혐기조 건이 조성된 후에 인방출에 필요한 실질적인 시간을 확보해 줄 수 있도록 공정을 자동제어함으로써, 인 방출을 극대화하고, 궁극적으로는 질소 뿐 아니라 인 제거효율을 높일 수 있다. 또한 계측인자로 ORP미터의 범용계측기를 활용함으로써, 저렴한 가격으로 자동제어프로세스를 구성할 수 있으며, 유지관리비용도 절약할 수 있다.

아래에 실시예를 통하여 본 발명을 더 구체적으로 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명의 예시에 불과한 것으로서 본 발명의 특허 청구 범위가 이에 따라 한정되는 것은 아니다.

실시 예

본 발명에 의거하여, 60m ³ /일 처리규모의 유입흐름제어형 막분리 활성슬러지공법 파일롯을 운전하였다. 각 반응조의 HRT는 반응조A 및 반응조B 각각 1.5시간, 막분리호기조 3.0시간으로 하였고, 호알칼리 유효균주에 의해 잉여슬러지의 가용화를 유도하는 슬러지가용화조의 체류시간은 24시간 내외로 하였다. 유입원수는 D시 생활하수이고, 분리막은 c-PVC재질로 공칭공경이 0.4㎛인 평판형 정밀여과막을 적용하였다. 도 5b를 적용한 PC-PLC기반의 자동제어프로그램을 연계하여 실시간으로 유로변경주기가 산출되어 자동운전되도록 구성하였으며, 운전 조건은 하기 표 1과 같다. 도 7은 PC-PLC기반의 자동제어프로그램에서 공정운전제어용 MMI화면을 나타 낸 것이고, 도 8은 PC-PLC기반의 자동제어프로그램에서 ORP 및 ORP 변화량의 실시간변동 모니터링을 통한 NKP검출화면을 나타낸 것이다.

[표 1] 유입흐름제어형 막분리활성슬러지시스템 운전조건

반응조 A에 ORP미터를 설치하였고, 도 4와 같이 1분 간격으로 dORP/dt가 계산되고 전 시간대 dORP/dt과의 비교를 통해 최소값을 검출하도록 구성되었다. 본 실시예에서 회분식 운전기간동안 반응조 A의 최저 ORP값은 -260mV±50mV이었으며, dORP/dt의 최저값은 대략 -5 에서 -8사이에서 검출되었다.

또한 도 9는 유로변경 자동제어에 따른 각 반응조의 질소, 인 이온의 내부거동을 나타낸 그래프이다. 유입이 차단된 기간 동안 초기 20분 이내에서 잔존된 질산성 질소농도가 0.5mg/L이하로 고갈되고, 이 시점부터 인 방출이 일어나 혐기조건에서 최대 8mg/L까지 인산염 인 농도가 증가하는 것으로 나타나 유로변경 자동제어를 통해 질소, 인 제거 기작이 효과적으로 이루어지는 것으로 나타났다.

본 실시 예를 통해 얻은 오염물질 처리효율은 아래 표 2와 같다.

[표 2] 오염물질 처리효율

도 1은 질소 및 인의 동시처리를 위한 유입흐름제어형 막분리 활성슬러지공법의 개략도이다.

도 2는 본 발명에 따른 유입흐름제어형 막분리 활성슬러지공법의 자동제어시스템 구성도이다.

도 3은 인농도 측정 장치를 더 구비한 본 발명에 따른 유입흐름제어형 막분리 활성슬러지공법의 자동제어시스템 구성도이다.

도 4는 유입흐름제어형 막분리 활성슬러지공법의 유로변경에 따른 반응조에서의 ORP값 및 단위시간동안의 변화량(dORP/dt)으로 나타낸 그래프이다.

도 5는 ORP변화값을 통해 유로변경주기를 실시간 자동제어(Real-Time Control)하는 플로우차트로서, 도 5a는 S1단계 반응시간과 S2단계의 반응시간을 다르게 운영할 경우이고, 도 5b는 S1단계 반응시간과 S2단계의 반응시간을 동일하게 운영할 경우이다.

도 6은 ORP변화값을 통해 유로변경주기의 수정여부를 검토(Pre-Time Control하는 플로우차트이다.

도 7은 본 발명의 실시예로서 공정운전제어용 MMI화면이다.

도 8은 본 발명의 실시예로서 ORP 및 ORP 변화량의 실시간변동 모니터링을 통한 NKP검출화면이다.

도 9는 본 발명의 실시예로서 시간주기에 따른 반응조 내부의 질소 및 인 이동농도의 변화를 나타내는 그래프이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1:유입되는 하폐수 2:유입흐름변경장치 3:반응조A

4:반응조B 5:막분리호기조 6:침지형분리막

7:고농도 슬러지 9:잉여슬러지 배출 10:슬러지반송

11:슬러지가용화조 12:가용화된 슬러지반송경로

23:AC/DC 컨버터 24:연산제어용 컴퓨터

25:유로변경장치개폐제어용 타이머 21, 22 : ORP미터

31, 32 :인 농도 측정장치