KR0183461B1 - 고정화 담체를 이용한 유기성 폐수의 생물학적 처리 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

유기물 제거 반응조, 상기 유기물 제거 반응조에 연결된 저율 질산화 반응조, 상기 저율 반응조에 연결된 고율 질산화 반응조, 상기 질산화 반응조에 연결된 침전조를 포함하는 유기성 폐수의 생물학적 처리 장치는 유기물 제거와 질산화를 서로 독립시켜 질산화율을 크게 향상시킨 우수한 폐수의 생물학적 처리 장치이다.

Description

고정화 담체를 이용한 유기성 폐수의 생물학적 처리 방법 및 그 장치

본 발명은 유기성 폐수의 생물학적 처리 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유기성 폐수 내에 존재하는 유기 물질, 부유성 물질의 제거 뿐만 아니라 고농도의 질소를 미생물이 고정된 담체를 이용하여 질산 형태로 효과적으로 전환할 수 있는 생물학적 폐수 처리 방법 및 장치에 관한 것이다.

생물학적 폐수 처리법은 물리, 화학적 방법에 비해 매우 경제적이며 안정적인 처리법으로서, 널리 사용되고 있다. 이와 같은 생물학적 처리 방법은 미생물의 다양한 생리적 특성을 이용하여 많은 종류의 유기물을 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 암모니아의 질산화, 질산의 탈질산화, 인산의 과잉 흡수, 중금속의 과잉 흡수 등의 독특한 미생물의 생리적 특성을 이용하여 질산, 인산, 중금속을 함유한 폐수를 처리할 수 있다.

이와 같은 생물학적 폐수 처리 방법 대부분은 미생물의 신진 대사를 이용한 방법으로서 폐수 내에 존재하는 유기물의 분해 혹은 부유성 물질의 흡착을 통해서 이루어진다. 그러나 일반적인 생물학적 폐수 처리법은 유기물 부하 변동에 민감하고 독성 물질에 영향을 받기 쉽고, 또 산소 전달의 한계성 때문에 고농도로 미생물을 유지하기도 힘들다는 단점이 있다. 이러한 단점들을 극복하기 위해 근래에는 미생물을 고농도로 부착시킬 수 있는 불활성 담체를 이용한 새로운 기술들이 개발되고 있다. 이와 같이 미생물이 고정된 담체를 이용하여 폐수를 처리할 경우, 미생물이 고농도로 폐수 처리 시스템 내에 존재하게 되어 폐수 처리율이 증가되며 따라서 폐수 처리장의 부지를 축소할 수 있고 유기물 부하 충격에도 완충력을 가질 수 있다. 이밖에 슬러지 발생량이 감소되고, 슬러지의 침강성이 향상되는 장점을 가질 수 있다.

이러한 특징 이외에 미생물이 고정된 담체를 이용하면 원하는 미생물 군을 고농도로 집적시킬 수 있기 때문에 특정 기능을 수행할 수 있는 생물 반응기에 이용될 수 있다. 유기성 폐수의 생물학적 질산화도 미생물이 고정된 담체를 이용하게 되면 질산화 세균을 담체에 고농도로 집적시킬 수 있기 때문에 이와 같은 기술이 최근에 다수 개발되고 있다.

한편 폐수의 질산화는 생물학적 폐수처리 시스템 내에 존재하는 나이트로조모나스(Nitrosmonas), 나이트로박터(Nitrobacter)군과 같은 질산화 세균에 의해 수행되는 과정으로, 이들 질산화 세균은 생장이 느리기 때문에 시스템을 설계하는데 있어서 고형물 체류 시간(SRT)을 길게 유지하는 것이 매우 중요하다. 미생물이 고정된 담체를 이용할 경우 질산화의 가장 중요한 요소인 고형물 체류 시간을 무한히 길게 유지할 수 있기 때문에, 미생물이 고정된 담체를 이용한 질산화 시스템은 매우 유리한 폐수 처리법으로 각광 받고 있다. 하지만, 유기성 폐수처리 시스템내에서 질산화 세균의 비율은 유입 폐수의 생화학적 산소요구량 : 총질소의 비에 영향을 받는다. 일반적으로 생화학적 산소요구량 : 총질소의 비가 0.5 이상이 되면 질산화세균의 비율이 35% 정도 되나 생화학적 산소요구량 : 총질소의 비가 4 이상이 되면 1% 미만으로 유지된다(Mecalf, Wastewater Engineering, 1979, tablel 2.5). 도시하수와 같이 유입폐수의 생화학적 산소요구량 : 총질소의 비가 4 이상이 되는 유기성 폐수는 고정화된 미생물을 이용하더라도 고농도의 질산화 세균을 집적시키기 곤란하다는 문제점이 있다.

실제로 기존의 미생물이 고정된 담체를 이용한 린포(Linpor) 공정, 캅토(CAPTOR) 공정은 유기성 폐수를 질산화시키기 위해 하나의 반응조 내에서 유기물 제거와 질산화를 이루고 있으나, 이와 같은 반응조 내에 생화학적 산소요구량 : 총질소 비가 높은 유기성 폐수의 경우에 있어서는 질산화 세균이 낮은 비율로 유지되므로 고정화된 미생물에는 유기물 제거 세균이 우점하게 되어 낮은 질산화율을 보인다는 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 유기물 제거와 질산화를 하나의 반응조에서 이루지 않고 반응조를 유기물 제거 반응조, 저율 질산화 반응조, 고율 질산화 반응조로 나누어, 유기물 제거와 질산화를 서로 독립시켜 질산화율을 크게 향상시킨 폐수의 생물학적 처리 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적을 둔다.

제1도는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐수의 생물학적 처리 시스템의 개략적인 장치도.

제2도는 상기한 제1도의 처리 시스템과 종래의 처리 시스템을 비교하기 위하여 제작한 장치도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 유입 폐수 저류조 2 : 교반 모타

3 : 유입 펌프 4 : 유입 폐수

5 : 폴리우레탄 미생물담체 6 : 질산화 반응조

7 : 질산화 반응조 월류수 8 : 침전조

9 : 반송슬러지 펌프 10 : 반송슬러지

11 : 처리수 12 : 유입폐수

13 : 유기물제거 반응조 14 : 저율 질산화 반응조

15 : 고율 질산화 반응조 16 : 침전조

17 : 반송슬러지 펌프 18 : 반송슬러지

19 : 처리수 27 : 미생물담체

28 : 공기 29 : 스크린

30 : 유기물제거 반응조 월류수 31 : 저율 질산화 반응조 월류수

32 : 고율 질산화 반응조 월류수 33 : 산기관

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 유입된 폐수를 처리하는 미생물이 고정될 수 있는 담체를 각각 독립적으로 포함하는 3개 이상의 반응조와, 상기 반응조로부터의 처리수를 유입하여 침전시키는 침전조를 포함하는 폐수의 생물학적 처리 장치를 제공한다.

상기한 본 발명에 있어서, 상기 3개 이상의 반응조는, 폐수내의 유기물을 제거하는 유기물 제거 반응조와, 폐수내의 질소화합물을 질산화하는 저율 질산화 반응조와, 폐수내의 질소화합물을 질산화하는 고율 질산화 반응조를 포함하는 것이 바람직하다. 또 상기한 본 발명에 있어서, 상기 침전조에 침전된 활성 슬러지를 상기 반응조에 피드백시키는 슬러지 반송 장치를 더욱 포함하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 반응조는 각 반응조내의 담체의 이동을 막는 스크린을 더욱 포함하는 것이 바람직하다.

또 본 발명은, 미생물이 고정될 수 있는 담체를 이용하여 유입된 폐수를 처리하는 폐수의 생물학적 처리 방법에 있어서, 상기 담체를 공간적으로 3개로 구분하여 유입된 폐수가 상기 공간적으로 분리된 담체를 순차적으로 접촉하는 것을 특징으로 하는 폐수의 생물학적 처리 방법을 제공한다.

상기한 본 발명에 있어서, 상기 담체는 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 그 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.

본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위해 유기물제거 반응조, 상기 유기물 제거 반응조에 연결된 저율 질산화 반응조, 상기 저율 반응조에 연결된 고율 질산화 반응조, 상기 질산화 반응조에 연결된 침전조를 포함하는 유기성 폐수의 질산화 방법 및 장치를 제공한다.

상기한 본 발명의 처리 방법에 있어서, 상기 유기물제거 반응조에는 유입폐수와 침전조에서 농축된 반송 활성 슬러지와 혼합된다. 또한, 본 발명의 폐수처리 방법에서 각각의 반응조에는 활성 슬러지와 함께 유동할 수 있는 미생물 담체가 반응조 부피의 10~40% 정도 채워지게 된다.

본 발명의 원리는, 유기물 제거 반응조에서 유기물 제거 미생물이 집적된 담체에 의해 50% 이상의 생화학적 산소요구량이 감소되어 다음의 저율 질산화 반응조로 유입되는 폐수의 생화학적 산소요구량 : 총질소의 비를 낮추는 것이다. 상기 생화학적 산소요구량 : 총질소의 비가 낮아진 폐수는 저율 질산화 반응조로 유입되어 질산화세균의 비율을 높이게 되어 저율 질산화 반응조내의 담체에 질산화 세균이 집적된다. 또한, 유기물 제거도 80% 이상 진행되어 다음의 고율 질산화 반응조에는 더욱 생화학적 산소요구량 : 총질소의 비가 낮아져 질산화 세균의 비율을 더욱 높이게 되어 담체에는 고농도의 질산화 세균이 집적되게 된다.

이하 본 발명의 내용을 도 1에 따라 더욱 자세히 설명한다.

침전조(16)에 침강된 시스템의 활성 슬러지는 반송 활성 슬러지(18) 형태로 유입 폐수(12)와 혼합된 뒤 유기물 제거 반응조(13)에 유입된다. 유기물 제거 반응조(13)에는 분산 형태의 활성 슬러지(도시하지 않았음)와 미생물이 고정된 담체(27)가 반응조 하부에 설치된 산기관(33)을 통해서 공기(28)와 서로 혼합되어 미생물의 신진대사를 촉진하게 된다. 분산 형태의 활성 슬러지는 일반 활성 슬러지 공법보다 MLAA 농도를 500~1500㎎/1 더 낮게 유지시켜 슬러지 침강성을 좋게하여 침전조의 효율을 높게 한다. 한편, 미생물 담체에는 15000㎎/1 정도의 고농도 미생물이 집적되게 된다. 또한, 유기물 제거 반응조(13)의 유출구에는 스크린(29)이 설치되어 미생물이 고정된 담체가 반응조 바깥으로 유실되는 것을 방지한다. 유기물 제거 반응조(13)로 유입되는 폐수(12)는 생화학적 산소요구량 : 총질소의 비가 높기 때문에 담체(27)에 부착된 미생물의 대부분은 유기물 제거 미생물로 구성되어 있다. 유기물 제거 반응조(13)에서는 미생물 담체의 고농도 유기물 제거 미생물로 인해 유입 폐수(12)의 생화학적 산소요구량의 50% 이상이 제거된다. 이렇게 생화학적 산소요구량이 대폭 감소하게 되면 저율 질산화 반응조(14)로 유입되는 폐수(30)는 생화학적 산소요구량 : 총질소의 비가 1/2 이상으로 낮아지게 되어 질산화 세균의 생장 가능성이 높아지게 된다. 본 발명의 저율 질산화 반응조(14)의 미생물이 고정된 담체에는 일반 도시 하수의 경우 10% 정도가 질산화 세균이 증식하게 된다. 저율 질산화 반응조(14)에서는 암모니아의 질산화뿐만 아니라 유기물 제거도 진행되어 유입 폐수(12)의 생화학적 산소요구량은 80% 이상 진행된다. 생화학적 산소요구량이 대부분 제거된 폐수(31)는 고율 질산화 반응조(15)로 유입된다. 상기 반응조(15)에서는 생화학적 산소요구량 : 총질소의 비가 매우 적은 비율로 존재하기 때문에 종속영양미생물(heterotroph), 즉 유기물을 분해하는 미생물의 생장보다는 암모니아를 에너지원으로 이용하는 나이트로박터와 같은 독립영양미생물(autotroph)의 생장이 유리하게 되어 질산화세균이 우점하게 된다. 본 발명의 고율 질산화 반응조(15)의 담체에는 도시하수의 경우 35% 정도가 질산화세균이 증식하게 된다. 상기 질산화 미생물의 비율은 일반적인 미생물 담체 질산화 시스템에 비해 3배 이상의 고농도로 집적된 것이다. 고율 질산화 반응조를 거친 폐수(32)는 유입 폐수(12)에 비해 생화학적 산소요구량은 90% 이상 제거되며, 질소의 경우에는 95% 이상의 질산화율을 얻을 수 있다. 침전조(16)에는 시스템내의 분산 형태의 활성 슬러지가 침강되어 처리수(19)와 분산 형태의 활성 슬러지의 고액 분리가 일어난다. 또한, 침강된 슬러지는 유기물 제거 반응조(13)로 반송(18)됨으로써 시스템내의 분산 형태 활성 슬러지의 농도를 일정하게 유지시킨다.

한편, 유기물 제거 반응조, 저율 질산화 반응조, 고율 질산화 반응조의 유출부에는 각각 스크린을 설치하여 각각의 기능을 수행하는 미생물 담체가 유실되지 않도록 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 실시예일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

하기한 표 1의 성상을 갖는 폐수를, 도 2의 하부에 도시한 유기물 제거 반응조, 저율 질산화 반응조, 고율 질산화 반응조로 구성된 시스템에 유입시켰다. 이 반응조는 도 1에 도시한 시스템과 동일한 구성을 갖으며, 그 구체적인 구조는 다음과 같다.

반응조는 10㎜ 두께의 투명한 아크릴을 사용하여 제작하였다. 유기물 제거 반응조(13), 저율 질산화 반응조(14), 고율 질산화 반응조(15)의 용적은 각각 1.5ℓ로 하였다. 유기물 제거 반응조 월류수, 저율 질산화 반응조 월류수, 고율 질산화 반응조 월류수는 자연 유하식으로 하였으며, 유입 폐수(12)와 침전조 활성 슬러지(18)는 정량 주입 펌프를 이용하였다. 유기물 제거 반응조, 저율 질산화 반응조, 고율 질산화 반응조에는 미생물 담체로 크기가 10㎜×10㎜×10㎜이며, 기공 크기가 0.5㎜이며 기공의 격막이 파괴된 에테르계의 폴리우레탄을 각각 용적의 20%인 0.3ℓ로 충진하여 제작하였다. 반응조 하부에는 산기석(도시하지 않았음)을 설치하여 미생물 담체, 분산 상태의 활성슬러지, 공기가 서로 혼합되도록 하였다. 유입 폐수는 T시의 1차 처리수를 이용하였다. 질소원은 인위적으로 NH₄C1로 보충하여 질산화 효과를 비교하였다.

상기 반응조의 운전은 하기한 표 2의 운전 조건으로 운전하였다. 이 때 초기 운전에는 T시 하수 활성 슬러지를 채운 뒤 2일은 운전 조건의 1/5인 5.4ℓ/일의 속도로, 2일은 1/2인 13.5ℓ/일로, 5일은 3/4인 20ℓ/일로 차츰 증가시켜 폐수를 주입함으로써 시스템의 미생물을 순양시켰다. 그 결과 운전 30일이 지나면서 질산화 현상을 보였으며 45일 이후로는 정상상태에 도달하였다.

[비교예]

상기한 실시예에서 폐수 처리 시스템으로 도 2의 상부에 도시한 시스템을 사용한 것을 제외하고는 상기한 실시예와 실질적으로 동일하게 실시하였다. 이 때 시스템의 구체적인 구성은 다음과 같았다.

반응조는 하나로 구성된 일반적인 시스템(6)으로서, 용적이 4.5ℓ이며, 미생물 담체는 상기한 실시예의 담체와 동일한 규격의 것을 용적의 205인 0.9ℓ로 충진하였다. 두 시스템의 비교를 위해서 반응조의 용적은 동일하게 하였으며, 잉여 슬러지 인출도 동일량으로 하였다.

상기한 실시예 및 비교예 두 시스템의 유기물 제거 능력과 질산화율의 비교를 위해서, 정상 상태로 도달한 45일 이후로 60일간 더 운전을 실시하여 평균값을 표 3에 나타내었다.

( )는 평균값을 나타낸다.

표 3에서 볼 수 있듯이 생화학적 산소요구량(BOD₅), 부유 물질(ss)의 제거는 두 시스템의 처리율이 유사하나 총질소의 제거율은 큰 차이를 보였다. 처리수의 질산 농도(N0₃-N)를 볼 때 본 발명에 따른 실시예의 시스템을 이용한 경우의 농도가 기존 시스템보다 2배 가량 높은 것으로 보아 질산화가 휠씬 용이하게 이루어졌음을 알 수 있다. 질산화 속도로 유추해 본다면 기존시스템이 0.15 NH₃-N 제거/㎥·일인데 비해 본 발명은 60% 정도 향상된 0.27 NH₃-N 제거/㎥·일로서 본 발명이 질산화에 매우 효과적임을 알 수 있었다.

[실시예 2]

상기의 실험이 유입폐수의 유기물 때문에 본 발명이 기존 시스템보다 우수한 결과를 도출하였는지 아니면 다른 효과 때문인지를 알아보려고 유기물이 대부분 제거된 2차 처리수에 NH₄C1을 첨가하여 실시예 1과 동일한 조건하에서 질산화 특성을 관찰하였다. 표 4 및 표 5에 유입 폐수 특성과 운전 결과를 나타내었다.

( )는 평균값을 나타낸다.

표 4에서 볼 때 기존 시스템과 본 발명은 질산화율은 유사한 값을 보였다. 이 결과로 볼 때 발명은 유기물 농도가 낮은 폐수의 질산화의 경우에 있어서는 기존 시스템과 별다른 차이를 보이지 않는다. 하지만, 실시예 1에서와 같이 유기물 농도가 높은 폐수에 있어서는 질산화 효과가 기존 시스템에 비해 우수함을 알 수 있었다. 이는 기존 시스템에 있어서 유기물 제거와 질산화를 동시에 요구할 때 질산화 미생물보다 유기물제거 미생물이 우점하여 미생물담체에 서식하기 때문으로 사료된다.

종래의 미생물 담체를 이용한 유기성 폐수의 질산화 방법은 하나의 반응조에서 유기물 제거와 질산화를 동시에 이루었으나, 본 방법 및 장치는 유기물제거 반응조, 저율 질산화 반응조, 고율 질산화 반응조로 독립하여 질산화 효율을 크게 향상시켰다. 고율 질산화 반응조는 종래의 방법보다 3배 이상의 질산화 세균을 집적시킬 수 있으므로 짧은 체류 시간에도 유기물 제거와 질산화를 이룰 수 있기 때문에 처리 효율 증가 뿐만 아니라, 처리 부지 축소, 건설 비용 절감 등의 부가적인 효과를 기대할 수 있다.

또한, 본 발명의 방법 및 장치를 탈질산화(Denitrification), 혹은 인의 제거 공정과 결합시킨다면 보다 효율적인 질소, 인 제거 공정을 기대할 수 있다.

Claims (6)

1. 유입된 폐수를 처리하는 미생물이 고정될 수 있는 담체를 각각 독립적으로 포함하는 3개 이상의 반응조와; 상기 반응조로부터의 처리수를 유입하여 침전시키는 침전조를; 포함하는 폐수의 생물학적 처리 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 담체는 폴리우레탄 및 그 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 것으로 제조된 것인 장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 반응조는 각 반응조내의 담체의 이동을 막는 스크린을 더욱 포함하는 것인 장치.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 3개 이상의 반응조는, 폐수내의 유기물을 제거하는 유기물 제거 반응조와; 폐수내의 질소화합물을 질산화하는 저율 질산화 반응조와; 폐수내의 질소화합물을 질산화하는 고율 질산화 반응조를; 포함하는 것인 장치.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 침전조에 침전된 활성 슬러지를 상기 반응조에 피드백시키는 슬러지 반송 장치를 더욱 포함하는 장치.
6. 미생물이 고정될 수 있는 담체를 이용하여 유입된 폐수를 처리하는 폐수의 생물학적 처리 방법에 있어서, 상기 담체를 공간적으로 3개 이상으로 구분하여 유입된 폐수가 상기 공간적으로 분리된 담체를 순차적으로 접촉하는 것을 특징으로 하는 폐수의 생물학적 처리 방법.