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KR20010088714A - 하·폐수로부터 질소와 인의 제거방법 및 그 제거장치 - Google Patents

하·폐수로부터 질소와 인의 제거방법 및 그 제거장치 Download PDF

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KR20010088714A
KR20010088714A KR1020010051391A KR20010051391A KR20010088714A KR 20010088714 A KR20010088714 A KR 20010088714A KR 1020010051391 A KR1020010051391 A KR 1020010051391A KR 20010051391 A KR20010051391 A KR 20010051391A KR 20010088714 A KR20010088714 A KR 20010088714A
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Abstract

본 발명은 하·폐수 중에 용존하고 있는 질소와 인과 같은 영양염류와 유기물을 제거할 수 있도록 하는 부유·부착식 반응조와 주기적 포기방법에 의한 고차처리 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 특히 공간적 배열과 시간적 배열을 조합하고, 처리조내 안정성을 위해 부유 및 부착식을 병행하였으며, 별도의 유기 탄소원(통상 메탄올)을 공급하지 않고 유입 하수의 영양분을 이용하여 유기물·질소·인을 효율적으로 제거할 수 있는 하·폐수로부터 질소와 인의 제거방법 및 그 제거장치에 관한 것이다.
본 발명은 부유·부착 접촉 산화 시스템과 혐기-무산소/호기의 주기적 포기를 조합하고 접촉 연속 포기조를 추가하는 시스템으로 질소와 인을 제거하기 위해 창안되었으며, 공정의 외형적인 구조는 침사 및 스크린조·접촉 혐기조·접촉 주기적/연속 포기조 및 침전조로 이루어지며, 잉여 슬러지를 처리하기 위해 슬러지 저류조를 두었다. 접촉 주기적/연속 포기조는 3단계로 구분되어, 접촉 주기적 포기조 1실과 접촉 주기적 포기조 2실, 그리고 그 후단에 접촉 연속 포기조로 이루어진다.

Description

하·폐수로부터 질소와 인의 제거방법 및 그 제거장치{Method and Apparatus Removing Nitrogen and Phosphorus from Waste Water}
본 발명은 하·폐수로부터 질소와 인의 제거방법 및 장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 하·폐수 중에 용존하고 있는 질소와 인과 같은 영양염류와 유기물을 제거할 수 있도록 하는 부유·부착식 반응조와 주기적 포기방법에 의한 고차처리 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
이하 본 명세서에 사용되는 용어 "폐수", "하수", "유입수" 및 "하·폐수"는동일한 의미로 사용된다.
우리나라는 수처리에 있어 유기물 제거에 초점을 맞추어 2차처리인 활성 슬러지 공정까지 운영하고 있어 하·폐수 중에 용존하고 있는 질소와 인은 거의 처리되지 않은 채, 그대로 하천에 방류되거나 호수 및 저수지로 유입되어 왔기 때문에 영양염류(질소·인)의 호수 유입에 의한 부영양화에 대비해서는 거의 무방비 상태였다.
따라서, 이와 같은 문제점을 해결할 수 있도록 물리적·화학적 또는 생물학적인 단위 공정에 의해 질소 및 인의 영양염류를 동시에 처리하는 공정이 개발되었으나 처리공정이 독립적이며, 공정에서 이를 어떻게 적절하게 응용하느냐가 문제시된다.
먼저, BOD 및 부유물질(SS)을 제거하는 원리를 보면 호기성 조건 하에서 호기성 미생물(산화균)이 오수 중의 유기물들을 산화 분해시켜 에너지를 얻고, 이러한 에너지를 이용하여 새로운 원형질을 합성한다.
또한, 미생물은 자기산화(내생 호흡)에 의해서도 산화 분해가 이루어진다. 여기서 내생 호흡에 의하여 산화 분해되지 않은 세포 물질은 잉여 슬러지로 된다. 이러한 단계를 거쳐서 BOD 및 부유물질(SS)이 제거된다.
한편, 인 제거 원리를 보면 인은 미생물의 번식에 탄소나 질소에 비하여 소량이 필요하므로 세포 합성에 의하여 제거하는 방법으로는 만족할 만한 결과를 얻을 수 없는데, 최근에 많이 연구되고 있는 인의 방출 및 과잉 섭취 현상을 이용하여 미생물의 각종 물질대사에 필요한 생화학적 당량 이상의 인을 효과적으로 제거하는 방안이 연구되고 있다.
인 제거 미생물은 혐기성 조건에서 세포내에 축척되어 있던 무기인(Poly-P)을 분해할 때 발생되는 에너지를 이용하여 초산과 같은 유기산을 섭취한 후에 PHB (Poly-β-Buthylate)로 전환하여 저장하고, 이때에 유리된 정 인산을 용액 내로 방출시키는데, 이 현상을 "인의 방출"이라 한다.
혐기성 조건 다음에 호기성으로 전환하여 주면 인 제거 미생물은 저장되었던 PHB를 분해하여 ATP를 합성하고, 이를 이용하여 용액 내로부터 정 인산을 섭취하여 무기 인으로 합성하여 세포 내에 저장시킨다. 이러한 현상을 "인의 과잉 섭취 (Phosphorus Luxuary Uptake)"라고 한다.
한편, 적절한 생물학적 인 제거를 위해서는 1㎎의 인을 제거하기 위해서 0.8㎎의 휘발성 유기산(VFS, Volatile Fatty Acid)이 필요하다.
원 폐수 자체에서 부족한 경우에는 1차 침전 슬러지를 20∼25℃에서 1∼3일 정도 혐기상에서 가수분해시키며, 약 15%의 COD가 휘발성 유기산으로 전환하는 것을 활용한다.
혐기성 반응조에 유입된 유출수로부터 호기성 상태에서는 인 제거 미생물은 수중의 유기물을 일부 흡수하고 세포 내에 저장된 PHB를 분해하여 세포합성에 필요한 탄소원을 얻게 된다.
이때 필요한 에너지는 TCA 회로에서 ATP를 합성하여 얻게 되며, 이 일련의 과정에서 수중의 인은 인 제거 미생물의 세포내로 흡수하여 폴리인산염 형태로 과잉 섭취하게 되고, 과잉 섭취된 미생물의 일부가 공정에서 잉여 슬러지로 배출됨으로써 인 제거가 이루어지게 된다.
그러나, 인의 방출시 산소이외의 다른 전자수용체, 즉 질산염과 같은 물질이 존재하면 인 방출이 방해를 받게 되어 처리효율이 떨어진다.
또한, 질소 제거 원리를 보면 생물학적 처리에서의 질소는 미생물의 동화작용으로는 일부분 제거되며, 추가적인 질소제거를 위해서는 질산화와 탈질화 과정을 거쳐 질소가스로 제거되는 연속된 질산화-탈질화 반응이 필요하다.
통상 하수속에 용존하고 있는 질산염의 환원형태는 2가지 형태로 일어난다.
즉, 미생물의 동화작용과 일반적으로 잘 알려진 이화작용으로 구분되며, 동화작용은 세포합성에 이용될 암모니아로의 환원과 관련되고 용존 산소와의 유무와는 관계없이 독립적으로 일어나며, 이화작용은 탈질화 반응으로 유기물질 또는 무기물질을 전자 공여체로 질소산화물을 환원시킨다. 특정의 미생물 작용에 의해 질소가스(N2)로 변환시켜 대기 중에 확산시키는 방법이다.
질산화는 질산화균에 의하여 암모니아성 질소가 아질산기를 거쳐서 질산성 질소로 바뀌는 과정을 말하며, 질산화의 과정을 세부적으로 보면 하기 반응식 1과 같다.
- 2NH4+ 3O2+ 4HCO3→2NO2+ 4H2CO3+ 2H2O (니트로조모나스(Nitrosomonas))
- 2NO2+ O2→2NO3(니트로박터(Nitrobacter))
질산화 과정에서 알카리도는 암모니아 1㎎/ℓ당 7.14㎎이 소모되며, 용존 산소는 4.47㎎이 소모된다. 질산화를 유발하기 위한 용존 산소 농도는 2㎎/ℓ이상이며, 최적 PH는 8.4∼9.0이며, PH 6이하에서는 질산화가 저해를 받는다.
탈질화는 질산화 과정에서 생성된 질산기나 아질산기를 전자 수용체로 사용하는 미생물에 의해 질소가스로 환원시키는 과정으로 하기 반응식 2와 같다.
- 3NO3+ CH3OH →3NO2+ 2H2O + H2CO2(슈도모나스(Pseudomonas))
- 2NO2+ CH3OH + H2CO3→N2+ 3HCO3+ H2O
상기 반응식 2에서 보는 바와 같이 탈질화의 공정에서는 미생물의 영양원으로 수소 공여체로서 유기물을 필요로 한다.
한편, 도1a 내지 도1d에 도시한 바와 같이, 질소와 인(영양염류)의 제거원리를 적절히 혼합하여 동시에 처리하는 종래의 생물학적 처리공정, 예를 들어 A2/O 공정(도1a 참조), 수정 바덴포 공정(도1b 참조), UCT공정(도1c 참조) 및 VIP공정 (도1d 참조) 등이 있다.
상기 A2/O 공정은, 기존의 A/O공정에 혐기성조와 호기성조 사이에 무산소조를 첨가하여 질소산화물과 인등을 동시에 제거하는 공정이다.
도1a를 참조하면, 반송 슬러지의 질소 산화물의 함량을 감소시켜 탈인 과정에서의 질소산화물의 영향을 줄일 수 있다. 호기성조로부터 탈질소조로의 순환은 대개 유입수의 100∼300%에 달하며, 인 제거율은 A/O공정에 비해 떨어지나, 40∼ 70%의 질소를 제거할 수 있다.
상기 수정 바덴포(Bandenpho) 공정은 낮은 유기물 부하에서 질소 제거의 효율을 높이기 위해 설계된 것으로, 기존의 바덴포(Bandenpho) 공정에 혐기성조를 첨가해 인을 제거할 수 있게 만든 공정이다.
도1b를 참조하면, 유입수와 반송 슬러지가 혼합되어 혐기성조에서 발효 반응과 인의 방출이 진행되고, 내부에서 반송된 혼합액과 함께 첫 번째 탈질소조에서 공정내부에서 발생된 질소산화물 70%정도가 용해성 BOD와 함께 제거된다.
그 다음, 호기성조에서 BOD·암모니아·인이 제거되고, 두 번째 탈질소조에서 미생물이 분해되어 생성된 탄소원을 이용하여 탈질소화 반응이 일어난다. 두번째 호기성조는 침전조에서 혐기성 상태가 된 미생물로부터 인이 방출되는 것을 막는다.
상기 UCT(University of Cape Town) 공정은 바덴포(Bandenpho) 공정을 변형시켜 만든 공정으로, 도1c를 참조하면, 반송된 슬러지가 혐기성조 대신에 탈질소조에 유입되므로 혐기성조에서 미생물의 인 방출에 대한 질소산화물의 영향을 줄일 수 있다.
질소산화물이 혐기성조에 있으면 탈질균들과 탈인균들 사이에 탄소원인 BOD를 위해 서로 경쟁을 하기 때문에 탈인균들의 인 방출이 감소한다. 탈질소조로부터 혐기성조로 혼합물의 반송은 혐기성조의 BOD를 보충하기 위한 것이지만, 호기성조로부터 탈질소조로 혼합물을 반송할 때는 질소산화물이 혐기성조로 유입될 가능성이 있다.
이를 보완하기 위한 변형 UCT공정은 2개의 탈질소조를 두어 첫 번째 조는 반송 슬러지의 질소 산화물을 줄이고, 두 번째 조는 호기성조로부터 혼합물을 받아 공정 전체의 질소제거를 높이기 위해 설계되었다.
상기 VIP(Virginia lnitiative Plant) 공정은 UCT공정과 비슷하나 고율의 운전을 위해 개발되었다. 도1d를 참조하면, 운전일수(SRT)가 5∼10일로 짧으며 활성 바이오매스(active biomass)의 양을 증가시켜 운전함으로써, 인 제거 효율을 높임과 동시에 반응조의 용량을 감소시킬 수 있는 것에 중점을 두고 있다.
또한 혐기성, 무산소 및 호기성 반응조에 완전 혼합조를 2개이상 직렬로 연결하도록 설계하여 반응기의 프러그-플로우(plug-flow) 특징을 적용할 수 있도록 하였다.
따라서, 호기성 조건의 완전 혼합조 중의 첫 번째 반응조에서 유기물의 잔류량이 증가되어 인 제거 효율을 증대시킬 수 있는 공정이다.
그러나 상기와 같은 종래의 고도처리 공정은 하수·폐수처리를 위한 기존 처리장 및 신규시설에 적용시는 국내 하수의 성상 및 계절적 조건 등이 우리나라의 실정에 맞지 않는다.
왜냐하면, 국내 유입하수는 외국에 비해 유기물의 농도는 낮고, 질소의 농도는 매우 높으므로 처리 효율면에서 떨어지며, 계절적 영향으로 여름철에는 온도가 높아 침전조에서 슬러지 부상 등의 문제가 발생되며 겨울철에는 저 기온으로 처리효율이 저하된다.
또한, 적용하고 있는 외국 공법은 체류시간이 길어서 기존 시설에 추가적인 용량 증설이 요구되므로 경제적으로 높은 비용이 요구된다.
종래의 기술로서, 대한민국 특허 제165630호에서는 하수의 질소와 인을 처리하는 하수처리장치에 있어서, 다수의 혐기조·다수의 무산소조·다수의 포기조가 순차적으로 수문을 통해 연동되도록 결합되어 이루어진 처리조; 상기 다수의 혐기조 및 다수의 무산소조의 내부하측에 설치한 수중믹서; 상기 제2혐기조와 1차 침전지사에 설치한 유입수장치; 상기 제4포기조의 내부하측에 설치되고 제1무산소조와 연결한 내부반송장치; 상기 다수의 포기조의 내부하측에 설치한 산기장치와 연결된 블로워; 상기 제4포기조의 수문을 통해 연동되는 한편, 상기 처리조의 제4포기조의 수문을 통해 연동되는 침전조; 상기 침전조의 하부에 연결되고 상기 제2혐기조의 사이에 설치된 슬러지 반송장치로 구성된 하수의 질소, 인 고도처리장치를 제공하는 것이 알려져 있다.
또한, 대한민국 특허 제254843호에서는 외부로부터 유입된 하수를 집수하여 교반블레이드로 교반하는 집수로와, 약품탱크로부터 응집제를 공급받아 하수를 응집시키는 응집조와, 응집된 후 약품탱크로부터 응결보조제를 공급받아 교반하에 응결시키는 응결조와, 이 응결조를 거쳐서 COD가 제거되고 탈인된 하수를 침전시키기 위한 1차침전조로 된 제1차처리부와, 상기 1차처리부에서 COD가 제거된 하수를 침전시켜 얻은 오니를 공급받아 발효시켜 BOD화하는 발효조와, 이 발효조에서 적정 BOD화를 달성하여 휘발성 유기산 유기물을 슬러지와 유기산으로 농축 분리하기 위한 농축 분리조와, 이 농축 분리조에서 슬러지는 제거되고 남은 유기산을 저장하는 유기산 저장조로 구성된 2차처리부와; 상기 1차처리부를 거친 후 하수중의 질소를 제거하기 위해 구비된 1차탈질조·1차질산조·2차탈질조·2차질산조가 교대로 배치되어 탈질과 질산화 과정을 행하는 3차처리부로 구성된 하수중의 질소와 인의 동시 제거 시스템 및 방법을 개시하고 있는 것이 알려져 있다.
또한, 대한민국 특허출원 제98-032764호에서는 유기성 폐수의 수량·수질 및 온도 등을 조정하는 조정조와 조정조에서 조정된 폐수중에 폭기를 시행하는 폭기조와 슬러지를 침전시키는 침전조를 이용하며, 침전조의 침전 슬러지를 조정조와 폭기조에 반송시키면서 유기성 폐수를 처리하는 방법에 있어서, 상기 조정조와 폭기조의 폭기중지와 폭기를 상호 교대로 반복하여 간헐적으로 시행하여 혐기 상태와 무산소 상태 및 호기 상태가 반복되도록 함으로써 조정조와 폭기조에서 유기물 제거와 탈질 및 탈인이 이루어지도록 함과 아울러, 조정조에서 탈질이 진행된 처리수를 폭기조에서 처리하므로 폭기조에서의 탈인이 활발하게 이루어지도록 함으로써 별도의 3차처리 시설을 추가로 설치하지 않고서도 유기물은 물론, 인과 질소를 제거할 수 있는 유기성 폐수의 유기물·인 및 질소 제거방법 및 그 장치를 개시하고 있는 것이 알려져 있다.
또한, 대한민국 특허출원 제2000-020730호에서는 하·폐수 속의 질소와 인을 무산소 및 혐기성 조건에서 연속적으로 탈질과 인 방출 반응을 수행하고 연속 회분식 반응조(Sequencing Batch Reactor, SBR)에서 유기물과 영양염류를 연속유입과 간헐배출에 의해 회분 처리하도록 된 하·폐수의 질소 및 인 제거방법 및 그 장치를 개시하고 있는 것이 알려져 있다.
그러나, 상기 특허들에 언급된 방법들은 시설과 장치 및 공정이 복잡하고,그 처리 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 상기 방법들은 소용량의 폐수 처리에는 적합할지 모르지만 대용량의 폐수 처리에는 적용될 수 없는 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 국내 실정에 맞게 유기물 부하가 낮은 상태에서나 계절적인 온도 변화에 적절히 대응하도록 부유·부착식으로 전단에 접촉 혐기조를 두고 반응조 내에서 무산소/호기를 반복하는 형태로 하여 전체 공정을 간소화시키고, 유지관리 비용을 절감할 수 있도록 하는데 기초를 두고 완성되었다.
즉, 본 발명에서는 혐기·호기 활성 슬러지법과 생물막법을 적절히 조합시켰으며, 여재가 충진된 반응조에서 혐기·무산소·호기 조건을 수 차례 반복하여 고차처리하는 시스템을 개발하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 하·폐수로부터 유기물, 질소와 인을 효율적으로 제거할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법을 적용할 수 있는 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하·폐수로부터 질소와 인의 제거방법은 유입되는 폐수의 고형물을 침사 및 걸러내는 스크리닝 단계; 상기 스크린된 폐수의 유량부하를 완화시키며 혐기성 상태에서 인 용출 및 유기물 제거를 실시하는 접촉 혐기 단계; 상기 접촉 혐기 처리된 폐수를 주기적인 포기/비포기를 통해 방출된 인 및 유기물을 포기시에 제거되며 비포기시에는 유입된 유기물을 이용하여 탈질반응이 일어나는 접촉 주기적 포기 제1단계; 상기 접촉 주기적 포기 제1단계를 거친 폐수를 주기적인 포기/비포기를 통해 질산화와 탈질화가 일어나는 접촉 주기적 포기 제2단계; 상기 접촉 주기적 포기 제2단계를 거친 폐수의 연속적인 포기를 통해 잔여 유기물과 질산화를 실시하는 접촉 연속 포기단계; 상기 접촉 연속 포기단계에서 질소 및 인을 분해하면서 증식된 슬러지를 침강시켜 상등수는 다음 공정으로 보내고, 소량의 슬러지가 포함된 처리수는 필요에 따라 접촉 주기적 포기조 2실로 반송하며, 잉여 슬러지는 슬러지 저류조로 이송시키는 최종 침전 단계; 상기 최종 침전된 처리폐수를 방류전 소독을 실시할 수 있는 소독 방류 단계; 생성된 잉여 슬러지를 저류시키고 상등수는 접촉 주기적 포기조 2실로 반송시키는 슬러지 저류 단계를 포함한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하·폐수로부터 질소와 인의 제거장치는 폐수에 포함된 모래나 협잡물과 같은 고형물을 걸러 제거하는 침사 및 스크린조; 상기 침사 및 스크린조에 의해 걸러진 유입수의 유량부하를 완화시키며 유기물 제거 및 인 용출을 실시하는 접촉 혐기조; 포기/비포기를 주기적으로 반복하는 접촉 주기적 포기조 1실 및 접촉 주기적 포기조 2실과 연속적으로 포기를 실시하는 접촉 연속 포기조로 구성되어 상기 접촉 혐기조에 의해 유입되는 유입수의 유기물·질소·인을 처리하도록 주기적 포기를 반복하는 접촉 주기적/연속 포기조; 상기 접촉 주기적/연속 포기조에서 처리되어 유출되는 처리수를 고액 분리하는 최종 침전조; 상기 최종 침전조에서 처리되어 유출되는 처리수를 소독/방류하는 소독 방류조; 및 상기 최종 침전조에서 생성되는 잉여 슬러지를 처리할 수 있는 슬러지 저류조를 포함한다.
도1a 내지 도1d는 종래기술에 따른 생물학적 처리공정도로서,
도1a는 종래의 A2/O 공정도,
도1b는 종래의 수정 바덴포(Bandenpho) 공정도,
도1c는 종래의 UCT(University of Cape Town) 공정도,
도1d는 종래의 VIP(Virginia Initiative Plant) 공정도,
도2는 본 발명에 따른 부유·부착식 반응조와 주기적 포기방법에 의한 고차처리 시스템의 공정도,
도3은 본 발명에 따른 부유·부착식 반응조와 주기적 포기방법에 의한 고차처리 시스템의 계통도,
도4는 본 발명에 따른 부유·부착식 반응조와 주기적 포기방법에 의한 고차처리 시스템의 개략적인 블록도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
1a:스크린 1b:PVC 파이프 배관
1c:월류 웨어 1d:센타 월(center wall)
1e:수중펌프 1f:포기장치
1g:정류판 2a:혐기성 여재
2b:PVC 파이프 배관 2c:반송라인(STS 파이프)
3a:접촉 주기적 포기조 여재 10:침사 및 스크린조
20:접촉 혐기조 30:접촉 주기적/연속 포기조
31:접촉 주기적 포기조 1실 32:접촉 주기적 포기조 2실
33:접촉 연속 포기조 40:최종 침전조
50:소독 방류조 60:슬러지 저류조
이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도2는 본 발명의 부유·부착식 반응조와 주기적 포기방법에 의한 고차처리 시스템을 개략적으로 나타낸 공정도이며, 도3은 본 발명의 부유·부착식 반응조와 주기적 포기방법에 의한 고차처리 시스템을 개략적으로 나타낸 계통도이고, 도4는 본 발명의 부유·부착식 반응조와 주기적 포기방법에 의한 고차처리 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도2 및 도3을 참조하면, 본 발명의 장치는 유입수에 포함된 모래나 협잡물과 같은 고형물을 걸러 제거하는 침사 및 스크린조(10); 상기 침사 및 스크린조(10)에 의해 걸러진 유입수의 유량부하를 완화시키며 유기물 제거 및 인 용출을 실시하는 접촉 혐기조(20); 상기 접촉 혐기조(20)에 의해 유입되는 유입수의 유기물·질소·인을 처리하도록 주기적 포기를 반복하는 접촉 주기적/연속 포기조(30); 상기 접촉 주기적/연속 포기조(30)에서 처리되어 유출되는 처리수를 고액 분리하는 최종 침전조(40); 상기 최종 침전조(40)에서 처리되어 유출되는 처리수를 소독/방류하는 소독 방류조(50)로 구성되어 있으며, 또한 최종 침전조(40)에서 생성되는 잉여 슬러지를 처리할 수 있는 슬러지 저류조(60)가 설치된다.
상기 접촉 주기적/연속 포기조(30)는 포기/비포기를 주기적으로 반복하는 접촉 주기적 포기조 1실(31) 및 접촉 주기적 포기조 2실(32)과 연속적으로 포기를 실시하는 접촉 연속 포기조(33)로 구성되어 있다.
이때, 접촉 주기적 포기조 1실(31) 및 접촉 주기적 포기조 2실(32)은 유입 부하의 성상에 따라 1∼4시간을 1주기로 0.5∼2/0.5∼2시간을 포기/비포기를 1:1의 비율로 실시한다.
이는 호기상태와 무산소 상태를 적정 조건으로 유지하여, 첫째, 호기상태에서 질산화를 유도하고, 무산소 상태에서 탈질화를 유도하며, 둘째, 전단 접촉 혐기조에서 방출된 인을 호기성 상태에서 제거(인의 과잉섭취)하고, 셋째, 호기성 상태에서 유기물을 제거할 수 있기 때문이다.
또한, 상기 반응에서 미처리된 하수를 완전히 처리하기 위해 접촉 연속 포기조(33)에서 4∼9시간 연속 포기를 실시한다.
한편, 상기 최종 침전조(40)에서는 접촉 주기적/연속 포기조(30)로 내부 반송이 이루어지며, 잉여 슬러지 처리를 위해 슬러지 저류조(60)로 폐기한다.
또한, 본 발명의 방법은 도4를 참조하면, 유입되는 원수의 고형물을 침사 및 걸러내는 스크리닝 단계(ST 100)와; 상기 스크리닝 단계(ST 100)에 걸러진 원수의 유량부하를 완화시키며 혐기성 상태에서 인 방출 및 유기물 제거를 실시하는 접촉혐기 단계(ST 200); 상기 접촉 혐기 단계(ST 200)에서 방출된 인과 미처리된 유기물을 포기시에 제거하며, 비포기시에는 유입된 유기물을 이용하여 탈질반응이 일어나는 접촉 주기적 포기 제1단계(ST 310)와; 상기 접촉 주기적 포기 제1단계(ST 310)에서 유출되는 하수를 주기적인 포기/비포기를 통해 질산화와 탈질화가 일어나는 접촉 주기적 포기 제2단계(ST 320)와; 연속적인 포기를 통해 잔여 유기물과 질산화를 실시하는 접촉 연속 포기 단계(ST 330)와; 상기 단계에서 질소 및 인을 분해하면서 증식된 슬러지를 침전시켜 상등수는 다음 공정으로 보내고, 소량의 슬러지가 포함된 처리수는 필요에 따라 접촉 주기적 포기조 2실(32)로 반송하며, 잉여 슬러지는 슬러지 저류조(60)로 이송시키는 최종 침전 단계(ST 400)와; 상기 최종 침전 단계(ST 400)에서 처리수의 방류전 소독을 실시할 수 있는 소독 방류 단계(ST 500)와; 생성된 잉여 슬러지를 저류시키고, 상등수는 접촉 주기적 포기조 2실(32)로 반송시키는 슬러지 저류 단계(ST 600)를 포함한다.
본 발명에 따르면, 침사 및 스크린조(10)는 폐수의 전처리 단계로서, 유입수 중의 모래 및 대소 종류의 협잡물이 혼합되어 있는데, 후속 공정의 기계장치를 보호하기 위해 비중이 큰 물질은 침사시키고 중대형 고형물은 걸러 제거하는 전처리 공정이다.
또한, 접촉 혐기조(20)는 유입 하수의 유량변동을 완화하여 일정 변동폭 이하로 제어하고 하수 중에 함유된 고형물질을 침전시키며, 섬유질 성분을 분해 산화하여 BOD 부하가 낮게 되며, 인 용출이 일어나 후속공정의 처리효율을 높인다.
접촉 혐기조(20)로 유입된 하수의 유기물은 유입과 동시에 분해가 시작된다. 용존성 유기물은 미생물에 의한 동화·이화작용과 인 제거 미생물의 세포내에 저장되어 많은 부분이 제거된다.
수중에 용존 산소가 존재하지 않는 혐기성 조건에서는 하수중의 유기물은 인 제거 미생물 체내에 PHB(Poly-Hydroxyl Butylate)의 형태로 저장된다. 질산염의 영향을 최소화시키기 위해 전단에 접촉 혐기조를 배치하여 인 용출의 기능 저하를 도모하였으며, 유입수의 인의 농도에 비해 2∼3배의 높은 농도를 유지할 수 있다.
또한, 다음 단계의 탈질 효율을 높이기 위하여 접촉 주기적 포기조에 분할하여 하수를 주입할 수 있는 PVC 파이프 배관(1b)의 구조로 구성되며, 유량 비율은 1:3배(Q)로 한다.
상기 접촉 혐기조(20) 내부는 지지대 및 망으로 고정된 혐기성 여재(2a)로 55부피%이상 충진되고, 스크린조로부터 유입된 하수는 상향류 식으로 처리되는 구조를 갖는다. 상기 혐기성 여재는 혐기성 미생물이 성장할 수 있는 것으로, 폴리에틸렌 또는 폐플라스틱을 발포시킨 공극율이 비교적 큰 고정상 여재가 바람직하다.
또한, 접촉 주기적/연속 포기조(30)는 접촉 주기적 포기조 1실(31) 및 접촉 주기적 포기조 2실(32)과 접촉 연속 포기조(33)로 구성되어 있다. 이때, 운전순서는 접촉 주기적 포기조 1실(31) 및 접촉 주기적 포기조 2실(32)은 유입부하의 성상에 따라 1∼4시간을 1주기로 0.5∼2/0.5∼2시간을 포기/비포기를 1:1의 비율로 실시한다.
이러한 반복 운전을 유입 오·하수의 종류, 운전상태, 부하 변동에 따라2∼24회(cycle), 3hr∼1day 실시한다. 또한, 상기 반응에서 미처리된 하수를 완전히 처리하기 위해 접촉 연속 포기조(33)에서 연속 포기를 한다.
접촉 주기적/연속 포기조(30) 내부는 지지대 및 망으로 고정된 접촉 주기적 포기조 여재(3a)로 55부피%이상 충진된 구조로 하며, 유입된 하수는 상향류 식으로 처리될 수 있는 구조이며, 포기를 할 수 있는 포기장치(1f)로 구성된다.
상기 포기조 여재는 통기성 미생물이 성장할 수 있는 것으로, 폴리에틸렌 또는 폐플래스틱을 발포시킨 공극율이 비교적 큰 고정상 여재가 바람직하다.
접촉 주기적 포기조 1실(31)은 포기조건에서 탄소 산화 반응과 탈인 반응이 일어나 유기물 및 인이 제거되며, 비포기시에는 전 단계에서 유입된 유기 탄소원을 통해 탈질화 반응이 일어난다.
즉, 접촉 주기적 포기조 1실(31)의 주요 기능은 호기성 상태에서 유기물과 인의 제거가 일어나며, 무산소 상태에서 탈질화가 일어나도록 하는데 주안점을 두고 있다.
접촉 주기적 포기조 2실(32)은 포기조건에서 질산화가 이루어지며 비포기 조건에서 탈질화가 일어난다. 즉, 무산소 상태에서는 탈질화 반응이 일어나며, 호기성 상태에서는 질산화 반응이 일어난다.
또한, 유기 탄소원의 공급을 위하여 접촉 혐기조(20)에서 하수를 주입할 수 있는 PVC 파이프 배관(1b)과 슬러지 저류조(60)에서 상등액을 주입할 수 있는 PVC 파이프 배관(2b)이 되어 있으며, 필요시 동계에 질소 제거의 효율 저하를 방지하기 위하여 반송라인(2c)을 구성하고 있다.
본 발명은 다른 특정 유기물(일반적으로 메탄올)을 첨가하지 않고 자체내의 BOD성 유기물로서 공급되어져서 탈질 및 BOD 제거의 2중 효과를 거두고 있다.
접촉 연속 포기조(33)는 상기 반응에서 미처리된 유기물, 인 제거가 일어나며 완전한 질산화가 일어난다.
본 발명에 따른 장치는 자연 유하식으로 상등수가 이동되며, 접촉 혐기조 (20)에서 접촉 주기적 포기조 2실(32)로 하·폐수를 보내는 배관(20∼40중량%)이 구성된다.
이와 같이, 본 발명의 부착 성장 시스템(Attached Growth System)은 하·폐수의 체류시간과 무관하게 미생물이 증식할 수 있어, 질산화 박테리아 같은 증식속도가 적은 세균도 안전하게 증식할 수 있다. 호기성 상태의 경우에는 산소 전달율이 부유 성장식보다 2.5배가 높다.
이 때문에 생물종이 다양하게 증가하며, 특히 타 공법에 비해 동물성 성분의 점유율이 높고 미소 후생동물의 현존량이 현저하게 크며 먹이 사슬이 길고 복잡해지므로 환경조건의 변동에 대응할 수 있는 능력이 커진다.
또한, 고차원의 영양수준에 있는 생물이 많아지면서 슬러지 연령이 길어지고 에너지로 손실되는 비율도 커지므로 슬러지의 자기 산화가 촉진되기 때문에 슬러지 발생량이 적어지는 결과로 나타난다.
또한, 다양한 미생물 종이 군집(Microconsortia)을 형성함으로써 수량·수질·수온 등의 변동에 강하여 고액분리가 뛰어나며, 사상성 미생물이 상당히 증식해도 여재에 부착되어 있으므로 활성 슬러지 공법과 같은 팽화 현상이나 슬러지 부상과 같은 문제점을 줄일 수 있다.
또한, 최종 침전조(40)는 접촉 혐기조(20), 접촉 주기적/연속 포기조(30)를 통과한 상등수를 센타 월(1d)에서 접선(tangential) 방향으로 유입시킨 후 소량의 슬러지가 포함된 처리수를 필요에 따라 접촉 주기적 포기조 2실(32)로 반송하고, 잉여 슬러지는 슬러지 저류조(60)에 저장하였다가 반출하고, 상등수는 월류 웨어 (1c)를 통해 다음 공정으로 보낸다. 상기 최종 침전 단계(ST 400)에서 내부 반송은 접촉 주기적 포기 제2단계(ST 320)로 80∼90중량% 이송하며, 슬러지 저류 단계(ST 600)로 10∼20중량% 이송한다.
상기 공정은 내부 반송을 위해 수중펌프(1e)와 반송라인(2c)으로 구성되는데, 본 공법은 상기 언급한 바와 같이 발생하는 슬러지 양이 상당히 적기 때문에 슬러지 반송 개념보다는 내부반송 개념이 강하다.
따라서, 하계와 동계를 구분하여 유입수를 기준으로 하계에는 반응조내의 균등화를 위해 4∼8중량%의 내부반송을 실시하며, 동계에는 온도저하에 따라 탈질이 저조하기 때문에 10∼15중량%의 내부반송을 시킨다. 이는 유입되는 질산성 질소의 농도를 저하시켜 동계시 탈질효율의 저하를 방지하기 위함이다.
또한, 소독 방류조(50) 침전조로부터 이송된 상등수가 고형 염소제와 접촉하여 병원성 균의 지표가 되는 대장균 등을 소독하는 역할을 하며, 슬러지 저류조(60)는 잉여 슬러지를 저류했다가 반출하며, 월류 웨어(1c)를 통해 상등수는 접촉 주기적 포기조 2실(32)로 보낼 수 있는 PVC 파이프 배관(2b)으로 구성되어 있다. 이때, 슬러지 저류조의 상등수는 접촉 포기조 2실(32)로 자연 유하식으로 주입된다.
이와 같이, 본 발명은 폐수의 고차처리를 위하여 요구되는 혐기·무산소·호기상의 유지를 공간적인 개념이 아닌 시간적 개념으로 분리 제공하는 것이 종래의 직렬 반응기와 크게 다른 점이고, 이 시간적 개념의 처리장치에 여재를 조합시켜 고차처리의 효율을 탁월하게 만든 것이 기존의 처리방법과는 혁신적으로 차별화된다.
또한, 폐수의 BOD·COD·SS는 물론 질소·인의 처리가 가능하며, 유입 하·폐수의 처리가 단계적으로 이루어지며, 유입에 따르는 방류는 자연 유하 시스템으로 진행되며 상등수가 넘어가는 시스템으로 하·폐수의 처리 효율을 상당히 높이고 질산화 및 탈질을 촉진하기 위한 탄소 공여체를 별도로 구매하지 않고 혐기조에서 숙성된 휘발성 유기산을 접촉 주기적 포기조 2실로 투입시켜 C/N 비를 적절히 조성하여 질소 제거를 극대화시킬 수 있다.
아울러, 전단에 접촉 혐기조를 두어 질산염의 영향을 최소화하여 인을 방출하고 접촉 주기적 포기조에서는 접촉 혐기조의 유출수를 유입하면서 포기를 시작하여 인 박테리아 아시네토박터(Acinetobacter)가 과다 섭취하여 인 축적이 되도록 하고 탄소원이 산화하고 질산화가 이루어지며 포기를 중단하여 무산소 상태로 운전하여 탈질이 일어나도록 한다. 이와 같은 시스템으로 계속 회전(cycle)시킨다.
유입 하·폐수는 자연 유하 시스템으로 침사 및 스크린조를 거친 뒤 접촉 혐기조 내의 혐기 상태에서 인이 인산염으로 방출되고 아세트산과 같은 휘발성 유기산이 인 박테리아 아시네토박터(Acinetobacter)에 축적된다.
한편, 본 발명의 혐기조 및 포기조는 접촉여재를 충진하고 있어 활성 슬러지법이나 회분식 반응조(SBR)에 비해 고농도 유기 하·폐수의 처리가 가능하고 잉여 슬러지 발생량도 활성슬러지에 비해 1/4∼1/5 정도이다.
또한, 설비가 대폭 간소화되고, 따라서 전기 사용료가 대폭 절감되어 운영 유지비를 절감시킬 수 있으며, 밀폐형 구조로 소음과 악취를 방지할 수 있고, 또한 유량 조정조가 별도로 필요 없으며, 동계 탈질화의 효율저하를 방지하기 위하여 최종 침전조에서 내부 반송을 접촉 주기적 포기조 2실로 하여 온도저하에 따른 문제점을 해소하였으며 주기적 포기방식의 부유·부착식 반응조로 구성되어 초기 설치비나 유지관리 면에서 효율적이다.
아울러, 전술한 바와 같이 본 발명은 다양한 미생물 종이 군집 (Microconsortia)을 형성함으로써 수량·수질·수온 등의 변동에 강하여 고액분리가 뛰어나며, 사상성 미생물이 상당히 증식해도 여재에 부착되어 있으므로 활성 슬러지 공법과 같은 팽화 현상이나 슬러지 부상과 같은 문제점을 줄일 수 있으며 적용범위가 다양하다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 하기 예에본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.
비교예 1
하기 표 1에 기재된 성상을 갖는 폐수를 국내의 대다수 처리장에서 운영되고 있는 기존의 활성슬러지 공법으로 처리하여 유기물·질소 및 인의 처리효율은 측정하였고, 그 결과는 하기 표 1과 같다.
실시예 1
처리용량이 100㎥/d인 하수처리장에 유입하수의 성상이 BOD 101.7 ㎎/ℓ, SS 125.3㎎/ℓ,T-N 26 ㎎/ℓ, T-P 4.1 ㎎/ℓ인 하수를 첫 번째인 전처리 단계로서, 침사 및 스크린조(10)를 통해 비중이 큰 물질은 침사시키고 중대형 고형물은 걸러 제거하였다.
두 번째 단계로서, 접촉 혐기조(20)는 운전조건을 DO : 0.1 ㎎/ℓ이하, PH 6.5∼7.5, HRT 8hr로 운전하였다.
세 번째 단계로서, 접촉 주기적/연속 포기조(30)는 접촉 주기적 포기조 1실(31), 접촉 주기적 포기조 2실(32), 접촉 연속 포기조(33)로 구성하여, 접촉 주기적 포기조 1실(31), 접촉 주기적 포기조 2실(32)의 운전조건을 포기/비포기 시간에 따라 반응조 내의 호기상태와 무산소 상태를 적정조건으로 유지시켜 주기 위해 포기/비포기의 비율을 1:1로 했으며, 1주기를 2시간으로 60/60분을 포기/비포기 실시하였다.
이러한 반복 운전을 HRT 24시간으로 해서 12회(cycle)/day 실시했다. 전 단계 처리과정에서 미처리된 하ㆍ폐수를 처리하기 위해 접촉 연속 포기조(33)에서는HRT 6hr으로 연속 포기를 했다.
네 번째 단계로서, 최종 침전조(40)는 접촉 혐기조(20), 접촉 주기적/연속 포기조(30)를 통과한 상등수를 센타 월(1d)에서 접선(tangential) 방향으로 유입시킨 후 소량의 슬러지가 포함된 처리수를 접촉 주기적 포기조 2실(32)로 반송하고, 잉여 슬러지는 슬러지 저류조(60)에 저장하였다가 반출하였다.
본 공정 중에서는 내부 반송을 위해 수중펌프(1e)와 반송라인(2c)으로 구성하여 하계와 동계를 구분하여 유입수 기준으로 하계에는 4∼8%, 동계에는 10∼15% 반송을 실시하였다. 또한, 최종 침전조(40)를 거친 처리수는 소독 방류조(50)를 통해 방류하였다.
그 결과, 본 발명의 유기물, 질소와 인의 처리효율은 하기 표 1과 같다.
구 분 비교예 1 실시예 1
유입(㎎/ℓ) 유출(㎎/ℓ) 제거율(%) 유입(㎎/ℓ) 유출(㎎/ℓ) 제거율(%)
BOD 100 21 79 101.7 3.5 96.5
SS 114 22 81 125.3 3 97.6
T-N 25 20 20 26 9 65
T-P 3.9 3.4 13 4.1 1.9 53.6
상기 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 종래의 활성슬러지 공법을 이용한 처리효율은 BOD의 경우 79%, SS는 81%, T-N은 20%, T-P는 13%로 매우 저조한 처리효율을 보이고 있는 반면, 본 발명의 방법으로 처리하면 처리효율이 BOD의 경우96.5%, SS는 97.6%, T-N은 65%, T-P는 53.6%로 매우 안정되게 처리되어진 수질을 얻을 수 있다.
또한 잉여 슬러지 발생량은 미생물이 여재에 부착 성장하므로 미생물 체류시간을 길게 유지할 수 있으며 유기물질을 미생물 생존에너지 및 성장에너지 등의 형태로 소비하고 미생물의 자산화 현상 등에 의하여 유기물이 제거되므로 슬러지 발생량이 상당히 줄어들게 된다. 즉 활성슬러지 공법의 경우 8.5Kg/100㎥이고, 본 발명은 2Kg/100㎥으로 약 4∼5배 이상의 차이가 있었다.
한편, 운전비용과 관련된 항목을 활성 슬러지법과 비교하면 하기 표 2와 같다.
운 전 활성 슬러지 공법 본 공법
관리비 상주관리 무인운전
약품비 있음 없음
전기료 30∼40만원/월 8∼10만원/월
슬러지 발생량(일일) 8.5㎏/100㎥ 2㎏/100㎥
아울러 본 발명의 운전비용은 주기적 포기를 실시함으로 전력비가 줄고 무인운전으로 비용을 절감하여 100톤 기준으로 활성 슬러지 공법의 경우 관리비를 제외하고 전력비만 30∼40만원/월인 반면에, 본 발명은 전력비만 10만원/월 정도로 3∼4배의 절감 효과가 있었다.

Claims (7)

  1. 유입되는 폐수의 고형물을 침사 및 걸러내는 스크리닝 단계;
    상기 스크린된 폐수의 유량부하를 완화시키며 혐기성 상태에서 인 방출 및 유기물 제거를 실시하는 접촉 혐기 단계;
    상기 접촉 혐기 단계에서 방출된 인과 미처리된 유기물을 포기시에 제거하며 비포기시에는 유입된 유기물을 이용하여 탈질반응이 일어나는 접촉 주기적 포기 제1단계;
    상기 접촉 주기적 포기 제1단계를 거친 폐수를 주기적인 포기/비포기를 통해 질산화와 탈질화가 일어나는 접촉 주기적 포기 제2단계;
    상기 접촉 주기적 포기 제2단계를 거친 폐수의 연속적인 포기를 통해 잔여 유기물과 질산화를 실시하는 접촉 연속 포기 단계;
    상기 포기 단계에서 질소 및 인을 분해하면서 증식된 슬러지를 침전시켜 상등수는 다음공정으로 보내고, 소량의 슬러지가 포함된 처리수는 접촉 주기적 포기조 2실로 반송하고 잉여 슬러지는 슬러지 저류조로 이송시키는 최종 침전 단계;
    상기 최종 침전된 처리폐수를 방류전 소독을 실시할 수 있는 소독 방류 단계; 및
    생성된 잉여 슬러지를 저류시키고, 상등수는 접촉 주기적 포기조 2실로 반송시키는 슬러지 저류 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하·폐수로부터 질소와 인의 제거방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 접촉 주기적 포기 제1단계 및 접촉 주기적 포기 제2단계는 유입 폐수의 성상에 따라 포기/비포기 비율을 1:1로 하며, 1∼4시간을 1주기로 0.5∼2/0.5∼2시간을 포기/비포기를 수행하는 것을 특징으로 하는 하·폐수로부터 질소와 인의 제거방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 최종 침전단계에서 내부 반송은 접촉 주기적 포기 제2단계로 80∼90중량% 이송하며, 슬러지 저류 단계로 10∼20중량% 이송하는 것을 특징으로 하는 하·폐수로부터 질소와 인의 제거방법.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 내부 반송은 하계와 동계를 구분하여 유입수를 기준으로 하계에는 4∼8중량%의 반송 및 동계에는 10∼15중량%의 반송을 실시하는 것을 특징으로 하는 하·폐수로부터 질소와 인의 제거방법.
  5. 폐수에 포함된 모래나 협잡물과 같은 고형물을 걸러 제거하는 침사 및 스크린조;
    상기 침사 및 스크린조에 의해 걸러진 유입수의 유량부하를 완화시키며 유기물 제거 및 인 방출을 실시하는 접촉 혐기조;
    포기/비포기를 주기적으로 반복하는 접촉 주기적 포기조 1실 및 접촉 주기적 포기조 2실과 연속적으로 포기를 실시하는 접촉 연속 포기조로 구성되어 상기 접촉혐기조에 의해 유입되는 유입수의 유기물·질소·인을 처리하도록 주기적 포기를 반복하는 접촉 주기적/연속 포기조;
    상기 접촉 주기적/연속 포기조에서 처리되어 유출되는 처리수를 고액 분리하는 최종 침전조;
    상기 최종 침전조에서 처리되어 유출되는 처리수를 소독/방류하는 소독 방류조; 및
    상기 최종 침전조에서 생성되는 잉여 슬러지를 처리할 수 있는 슬러지 저류조를 포함하는 것을 특징으로 하는 하·폐수로부터 질소와 인의 제거장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 접촉 혐기조내에는 혐기성 미생물이 성장할 수 있는 지지대 및 망으로 구성된 여재가 55부피%이상 충진되며, 상기 접촉 주기적/연속 포기조내에는 통기성 미생물이 성장할 수 있는 지지대 및 망으로 구성된 여재가 55부피%이상 충진된 것을 특징으로 하는 하·폐수로부터 질소와 인의 제거장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 장치는 자연 유하식으로 상등수가 이동되며, 접촉 혐기조에서 접촉 주기적 포기조 2실로 하·폐수를 보내는 배관(20∼40중량%)이 구성되며, 슬러지 저류조의 상등수가 접촉 포기조 2실로 자연 유하식으로 주입되는 것을 특징으로 하는 하·폐수로부터 질소와 인의 제거장치.
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