KR0142723B1 - 막분리를 이용한 고농도 폐수처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축산 폐수와 인분뇨 그리고 고농도 유기성 폐수 등을 가온단계, 혐기성분해(혐기분해)단계, 한외여과(UF)단계, 및 역삼투(RO)막 단계를 거쳐 처리하고 최종 역삼투막 처리단계에서 발생되는 여과폐기물을 액상퇴비로 이용하는 것을 특징으로 하는 막분리를 이용한 폐수처리 방법에 관한 것이다.

Description

막분리를 이용한 고농도 폐수처리 방법

제1도는 가온기의 단면도,

제2도는 조정조의 단면도,

제3도는 혐기분해조의 단면도,

제4도는 가온기에 설치된 탈취장치의 개략도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1:가온기2:가온기 유입관

3:가온기 유출관4:가스 배출관

5:가온기의 흐름판6:가온기의 오철판

7:가온기의 흐름판 받침대10:온탕급수 동매관

12:조정조 유입구13:조정조 유출구

14:반송슬러지 유입구(27 반송슬러지 이송관으로부터)15:슬러지 침전구

16:침전슬러지 유출관17:교반용 감속모터

18:교반기 봉19:조정조의 정량펌프 1

20:조정조의 정량펌프 2 21:조정조의 가스배출구

23:혐기분해조 유입관24:혐기분해조 유출관

25:혐기분해조 내의 슬러지 침전구26:반송슬러지 펌프

27:반송슬러지 이송관28:메탄가스 배출구

29:제1접촉 매질층30:제2접촉 매질층

31:제3접촉 매질층.

본 발명은 막분리 방법을 이용한 폐수 처리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 축산 폐수와 인분뇨 그리고 고농도 유기성 폐수 등을 가온단계, 혐기성분해(혐기분해) 단계, 한외여과(UF :ultra filteration)단계, 및 역삼투(RO : Reverse osmosis)막분리 단계를 거쳐 처리하고 최종 역삼투막 분리단계에서 발생되는 여과폐기물을 액상퇴비로 이용하는 방법에 관한 것이다.

폐수처리를 하기 위한 종래의 여러 가지 방법들은 대부분 비경제적이고 비효율적인 점이 많아 실용적으로 이용되고 있는 것이 많지 않고, 대부분 부분처리에 그쳐 부분처리된 오수가 수계로 유입되므로써 하천의 오염을 증가시키고 있다. 즉 폐수가 방류되어 수계에서 스스로 자정 능력을 발휘하기 위해서는 방류수 수질기준이 BOD 5ppm 이하 이어야 하나, 현재 개발되어 있는 방법들을 보면 생활하수는 수십∼150ppm 수준, 축산 분뇨는 수십∼수만 ppm 수준으로 방류시키고 있어 하천오염은 날로 증대되고 있다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 근본적으로 해결하는 방법으로, 고농도 폐수를 짧은 시간내에 혐기분해를 시키고 혐기분해물을 UF/RO처리하므로써 BOD를 0.1ppm 이하까지 정화시킬 수 있는 획기적인 방법이다.

본 발명에서는 폐수를 고액 분리를 통하여 고상과 액상으로 분리한 뒤, 분리된 액상을 가온하게 되는데, 이 가온단계에서는 혐기분해를 저해하는 암모니아성 질소성분을 제거하며, 핵산(N-hexane)추출물인 지방산 성분을 일부 분해시키고 아울러 폐수의 온도를 33∼35℃ 전후로 조정하므로써 다음 단계인 혐기분해 단계의 효율을 높인다. 혐기분해조로 부터의 배출액은 한외여과(UF)를 거쳐 역삼투(RO)막을 통하여 완전수에 가까운 정화수가 된다. 이때 혐기분해조에서 부수적으로 발생되는 메탄가스는 곧 바로 에너지화 할 수 있는 장점이 있는 한편, UF막을 통과하고 RO막을 통과하지 못한 무균 상태의 유기 및 무기질의 고형물질에 적정한 첨가제를 넣어 액상퇴비로 만든다.

본 발명에서는 폐기물의 발생부터 간이 침전조를 통한 1차 처리 및 고액분리 단계까지는 현재 통상 사용하고 있는 방법을 사용했으며, 이에 가온단계, 분해대기단계(조정단계), 혐기분해단계를 거친 후 최종적으로 UF/RO 막분리단계를 거쳐 정화수를 얻는 데, 이를 단계별로 도시하면 아래와 같다.

본 발명에 따른 폐수처리 방법을 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

(1) 가온단계

폐수 중 고액분리기를 통과한 분리수는 제1도의 가온기(1)에 유입관(2)을 통하여유입된 다음, 약90℃의 온탕 급수 동배관(10)이 깔린 스테인레스재질의 가열판(5) 위를 흐르는 동안 가온된 후, 8단∼13단의 층으로 구성되어 있는 가열판(5)의 일측면에 경사지게 부착된 요철판(세라믹재질)(6)을 거치면서 단계별로 자연낙하되어 유출관(3)으로 흘러 나오게 된다.

이 과정에서 암모니아성 질소는 가스배출관(4)을 통하여 포집기에 포집되어 탈취(제4도의 탈취장치이용 : 본 발명인이 개발한 실용신안등록출권 제 94-1158호) 되고, 지방산성분의 일부가 분해된다. 가온기(1)의 유출관(3)을 통하여 나오는 가온수는 33∼35℃가 유지되도록 보온 단열이 되어 있는 제2도의 조정조(11)(섬유보강 플라스틱(FRP) 또는 스테인레스재질)에서 저장되었다가, 정량 모타펌프(19)(20)를 통하여 일정량씩 혐기분해조(22)에 보내지게 된다.

가온단계에서는 첫째, 폐수를 가온한 다음 다단계 자연낙하방식을 채택하여 혐기발효에 장애를 일으키는 상당량의 암모니아성 질소를 짧은 시간에 효과적으로 제거하게 하였으며, 둘째, 가온수가 가온기(1)의 유출관(3)을 통과한 후, 33∼35℃로 유지되는 조정조(11)를 거쳐 혐기분해조(22)에 유입되도록 하여, 협기분해조(22) 유입시의 가온수의 온도를 33∼35℃가 되도록하므로써 혐기분해에 적합한 중온균(30∼35℃에서 최적)이 짧은 시간에 왕성하게 자랄 수 있도록 하였다. 셋째, 가온처리에 의해 지방산성분의 일부를 미리 분해시켜 주고, 미분해된 일부 지방산성분등은 가열판(5)의 바닥 및 요철판(세라믹 재질로 됨)에 흡착제거되게 하여,혐기분해조(22)에서 나머지 지방산성분이 신속하게 완전히분해될 수 있게 하였으며, UF/RO 분리막의 막 투과성을 낮추는 원인물질인 지방산성분을 가온단계에서 미리 제거하므로써 UF/RO막의 수명이 연장되어, 폐수처리에 UF/RO막 분리방식을 적용하는데 결정적 역할을 하였다.

가온단계에 이용되는 가온기(1)는 가열판(5)마다 분리할수 있도록 하여, 가온시 형성되어 가열판(5) 및 요철판(6)에 흡착된 고형침전물의 제거가 용이하도록 제작되었다.

(2) 혐기발효단계

가온기(1)의 유출관(3)을 통하여 나온 가온수는 보온단열 처리된 조정조(11)에 유입되어 조정과정을 거친 후, 정량펌프(19)(20)로 제3도의 혐기분해조(22)에 유입된다. 혐기분해조(22)의 유입관(23)으로 유입된 가온수는 혐기분해조(22) 하부에서 상향류식으로 혐기분해조(22) 내부의 중앙부에 있는 1차 접촉매질층(29)과 2차접촉매질층(30)을 통과한 다음, 3차접촉매질층(31)을 거쳐 혐기분해조유출관(24)을 통하여 UF,RO 마분리 단계로 도입된다.

본 발명의 조정과정 및 혐기분해 과정을 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

첫째, 혐기분해조(22)는 필요에 따라 복수(2∼4기)로 설치하여 유기산 생성단계, 중간단계 그리고 메탄가스 발생단계가 원활히 진행되도록 할 수 있다. 둘째, 조정조(11)에서는 가온당시 미 휘발된 암모니아 가스와 황화수소등이 가스배출관(21)을 통하여 다시 한번 휘발되게 하였다. 또한 혐기분해조(22)에 침전된 입상미생물을 조정조(11)로 반송시킴으로써 미생물이 방출되는 것을 방지하면서 혐기분해가 빠른 시간에 안정화되는데 도움을 주었다. 셋째, 조정조(11)에 감속모터(17)가 부착된 교반기를 설치하여 시간당 6회전의 초저속으로 교반하여(BOD가 높은 폐수의 성상에 따라 가동) 미생물이 쇼크를 받지 않으면서도 활성화되게 하였다. 넷째, 조정조(11)에서 혐기분해조(22)로 유입될 때 가온수의 온도는 33∼35℃로 조정되어 정량펌프(19)(20)를 통하여 일정량씩 혐기발효조(22)에 보내지게 되는데, 이때 유입수의 유속이 빨라 메탄균이 쇼크를 받는 것을 방지하기 위하여 유입관의 직경을 40mm로 하여 횡렬로 배열하여 유입관(23)에 있는 구멍 1개의 시간당 유입량은 10리터정도가 되게 설계하여 안정적으로 유입되게 하였으며, 입상슬러지가 침전되면서 구멍이 막히는 것을 방지하기 위하여 유입구의 구멍을 양옆으로 뚫리게 설계하였다. 또한 정량펌프(19)(20)를 복수로 설치하여 시간별로 교차사용케 하므로써 장시간 사용에 따른 펌프의 부하를 줄이고 고장시에 대비케 하였다. 다섯째, 혐기분해조(22)를 FRP나 스테인레스스틸을 재질로 한 원형모양으로 하여 내부압력에 대해 저항이 크게 하였으며, 보온단열 처리된 3중벽 구조로 하여 -43℃∼47℃의 외부온도에도 혐기분해조(22) 내부는 33℃±1로 보온, 안정된 온도를 유지하게 하였으며, 외부충격으로 인한 메탄균의 쇼크를 방지할 수 있게 설계하였다. 여섯째, 각각의 접촉매질층(폴리프로필렌 재질)은 전체 혐기분해조 높이의 30%정도가 되도록 하여, 제1접촉매질층(29)은 혐기분해조 높이의 5/₁₀∼8/₁₀부분에 설치하였고, 제2접촉매질층(30)은 2/₁₀∼5/₁₀부분에 설치하였으며, 제3접촉매질층(31)은 4/₁₀∼7/₁₀부분에 설치하여 메탄균의 착상을 극대화시켰다. 일곱째, 혐기분해조에서의 폐수의 흐름을 상향류식으로 흐르게하여 제1접촉매질층(29)을 통과 시키므로써 반응조에 유실되기 쉬은 미생물들의 활착을 용이하게 하였고, 다시 자연유하식을 흐르게 하여 제2접촉 매질층(30)을 통과시키고 또 상향류식을 제3접촉매질층(31)을 통과하게 하므로써 미생물의 유실을 방지하면서 메탄균이 최대한으로 활성화되게 하였다. 또한 동일하게 설계된 혐기분해조 4기를 직렬로 연결한 결과 혐기분해의 효율이 극대화되어 혐기분해 시간을 크게 단축하였다. 여덟째, 혐기분해 과정에서 부수적으로 생성되는 메탄가스는 메탄가스 배출관(28)을 통하여 포집조(미도시)에 포집시켜 에너지화 하게 하였다.(메탄가스는 COD 1kg당의 발생량으로 표시하는데 COD 2500∼3000ppm의 페수가 유입될 경우 폐수 1M/T당 약 25∼30kg정도의 COD가 발생하였다. 따라서 폐수 1M/T 처리시 1.2㎥∼1.5㎥의 메탄가스가 발생되는데 본 발명에서는 1일처리량을 10M/T 기준으로 하였으므로 메탄가스 1일 발생량은 1일 12㎥∼15㎥정도였다.) 아홉째, 위에서 설명한 바와 같이 본 발명에서는 혐기분해조 내에서의 혐기분해 과정이 자연유하의 흐름방식으로 조화를 이룸으로써 인위적인 pH조절없이 혐기분해에 적정한 pH(7.2∼7.5)가 되었고, 정상 가동된 이후부터 COD의 수치가 안정적으로 유입될 경우에는 2일간의 처리에 의해서도 혐기분해가 완료되었으며, 계절적 변화나 폐수를 방출하는 변화로 인한 COD 수치의 변화도 매우 안정적이어서 30∼35일이 걸리는 것을 감안 할 때 대단히 효과적인 것이다. 열번째, 본 발명에서의 발효조의 크기는 폐수의 양에 따라 조절될 수 있다.

(3) 막분리 단계

혐기분해조를 거친 폐수중에 분산되어 있는 미립자 고형물을 분리하기 위하여 한외여과(ultra filtration; 0.01∼0.05μm)한 다음, 역삼투(reversed osmosis; 0.002∼0.005um) 처리하였다. 본 발명에서는 한외여과로 콜로이드성 분자와 용해성 고분자물질들을 제거하여, 이를 액상퇴비로 사용한다. 본 발명의 막분리단계에 사용되는 한외여과 막의 재질로는 셀룰로오스계와 폴리아크릴로니트릴계, 폴리올레핀계 및 폴리설폰계를 사용할 수 있다.

역삼투막으로는 무기염류, 당류와 같은 분자량 350이하의 물질들이 제거되는데, 역삼투막의 재질로는 아세트산 셀룰로오스와 지방족 폴리아미드계 및 복합막을 모두 사용할 수 있다.

본 발명의 막분리단계에서의 여과방법은 크로스-플로우(cross-filw)여과법을 사용했으며, 그로 인해 막표면에 축적된 용질입자가 일정 두께 이상 층을 이루지 않아 연속적으로 대량처리가 가능하여 막의 청소가 자동으로 이루어질 수 있게 역세척장치가 부착된 제품을 사용하였다.

(4) 액상퇴비제조

본 발명의 각 처리단계를 보면 폐수가 고액분리단계와 가온단계 그리고 혐기발효단계를 거쳐오면서 정화되어 UF/RO 분리막을 통과하여 완전히 가까운 정화를 이루게 되는데, 이때 UF 분리막을 통과하고 RO분리막을 통과하지 못한 분자량 약 130이상 5000이하의 유기 및 무기성분 등이 포함된 폐액을 얻게 된다. 이 폐액으로부터 순수한 물 성분만을 RO를 반복이용하여 일부 제거하면 질소성분이 약 2%정도 함유된 액상퇴비로서의 가치가 있는 농축액상퇴비를 얻게 된다. 특히 이 액상퇴비는 UF를 통화하여 세균과 효모가 제거된 상태이므로 엽면시비에도 적합하다. 이 액상퇴비에 사용기간 중에 발생될 수 있는 미생물의 오염을 막기 위애 쑥 추출농축액(성분중의 크로제닉산(chlorgenic acid)등은 미생물의 생욕을 억제하는 작용이 크다)을 액상퇴비의 약 0.05% 또는 치토산(chitosan) 과립을 약 0.1%되도록 첨가 혼합 시켜 사용한다. 특히 쑥 추출물은 미량으로 남아있는 돈분취를 제거하는 데에도 효과가 있다.

본 발명에서 사용되는 쑥 추출농축액으로는 메탄올을 용매로 하여 추출, 농축한 것을 사용할 수 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

[실시예]

(1) 가온단계

농가에서 채취한 축산폐수와 처리장에서 수거한 인분뇨를 5 : 5의 비율로 혼합한 고농도 폐수 10t을 고액분리하고, 여기서 얻어진 분리수를 상술한 가온단계의 공정에 따라 제1도에 도시된 바와 같이 13단의 가열판이 설치된 가온기를 이용하여 가온처리하였다. 가온기의 유출관을 통해 나오는 가온수를 일부 채취하여, 가온처리에 의한 오염물질제거 효과를 분석하였고, 그 결과는 표 1과 같다.

(2) 혐기발효단계

상기 가온단계에서 가온처리되어, 가온기의 유출구를 통하여 유출되는 가온수를 제2도에 도시된 바와 같은 조정조에 유입하여 저장한 후, 조정조의 정량모타펌프를 이용하여 시간당 0.5t씩 제3도에 도시된 바와 같은 혐기분해조로 유입시킨 다음, 상술한 혐기분해 단계의 공정에 따라, 체류시간을 5일로 설정하여 혐기분해 처리하였다. 혐기분해조내의 접촉매질층으로는 SAMHWAN RASCH RING(상품명)을 사용하였다. 혐기분해조의 유출관을 통해 나오는 혐기분해처리된 처리수를 일부 채취하여 가온처리 및 혐기분해처리에 의한 오염물질 제거효과를 분석하고, 그 결과를 표2에 나타내었다.

혐기분해처리 자체에 의한 효과를 알아보기 위하여, 가온처리를 거치지 않은 폐수를 그대로 혐기분해 처리하여 분석한 결과도 표2에 함께 나타내었다.

(3) 막분리단계

하기 표 3의 막의 운전조건하에서 분리막의 종류에 따른 효과 및 막의 수명에 관해 실험하여, 그 결과를 표 4 및 표 5에 나타내었다.

이와 같은 실혐결과를 기초로 하여, 상기 혐기분해단계에서 혐기분해처리된 처리수를 한외여과 처리(표4의 UF(B)막 사용) 및 역삼투처리(표4의 RO(D) 막 사용)한 후, 오염물질제거 효과를 분석하였고, 본 발명에 따른 처리방법의 단계별 효과를 표6에 요약하였다.

(4) 액상퇴비 제조단계

상기 막분리단계에서 UF막을 통과하고, RO막을 통과하지 못한 폐액을 회수한 후, RO처리를 반복하여 물성분을 일부 제거하여 농축액상퇴비 1.8t을 얻고, 여기에 쑥추출 농축액을 액상퇴비의 0.05중량%로 첨가혼합한 후 물로 300∼800배로 희석하여 액상퇴비를 제조하였다. 이때 사용된 쑥추출농축액은 쑥 1kg을 메탄올로 추출한 후 100ml가 되도록 농축한 것이다.

이 액상토비를 채소,화훼 등 원예용으로 엽면시비하여 본 결과 생육증진, 착생증진 및 품질향상에 좋은 효과(표7)가 있음을 확인할 수 있었다.

Claims (2)

1. 고농도 폐수를 고액분리단계, 가온단계, 혐기분해단계, 한외여과단계 및 역삼투막분리 단계를 거쳐 처리하며, 상기 가온단계에서는 폐수를 고액분리하여 얻은 분리수를 제1도에 도시된 바와 같은 가온기에 유입하여, 온탕급수배관(10)이 깔린 가열판(5) 위를 흐르게 하고, 가열판(5)의 일측면에 경사지게 부착된 세라믹 요철판(6)을 거쳐 단계별로 자연낙하하게 한 다음, 유출관(3)으로 흘러나오도록 처리하고 : 상기 혐기분해단계에서는 제3도에 도시된 바와 같은 혐기분해조에 가온 처리된 폐수를 유입한 후, 상향류식으로 흐르게 하여 폐수를 1차 접촉매질층(29)에 상류시킨 다음, 자연낙하식으로 흐르게 하여 2차 접촉매질층(30) 및 3차 접촉매질층(30)을 차례로 통과시키는 것을 특징으로 하는 막분리를 이용한 고농도 폐수처리방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 가온단계에서 가온처리된 폐수를 혐기분해 처리하기전에, 33∼35℃로 보온단열된 조정조(11)에 저장하여 조정처리하는 것을 특징으로 하는 막분리를 이용한 고농도 폐수처리방법.