KR100212198B1 - 유기물 및 암모니아성 질소 제거용 메디아 충진형폐수처리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기물 및 암모니아성 질소의 동시제거 시스템에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 폐수처리시스템에 있어서, 벌집모양의 메디아를 이용하여 유기물을 제거하는 혐기 및 호기공정; 침전공정; 및 질산화 미생물이 포괄고정화된 담체에 의해 암모니아성 질소를 제거하는 질산화공정으로 이루어지며, 상기 질산화공정의 처리수의 일부를 상기 혐기공정으로 반송시키는 메디아 충진형 폐수처리 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 혐기→호기→침전→질산화의 4단계 공정을 운영함으로써 유기물과 암모니아성 질소의 동시제거효율을 극대화할 수 있다.

Description

유기물 및 암모니아성 질소 제거용 메디아 충진형 폐수처리 시스템

본 발명은 유기물 및 암모니아성 질소 제거용 메디아 충진형 폐수처리 시스템에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 혐기→호기→침전→질산화 공정으로 이루어진 시스템을 이용하여 유기물 및 암모니아성 질소를 고효율로 처리할 수 있는 메디아 충진형 폐수처리 시스템에 관한 것이다.

오·폐수로 유입되는 암모니아성 질소는 과량 유출시 악취를 유발하고, 수중에서 조류의 증식을 유발하여 호소의 부영양화를 초래하며, 질산화 과정에서 용존산소를 고갈시켜 수중 생태계에 악영향을 미치게 된다.

일반적으로 혐기-호기-침전공정을 이용하는 현탁식 활성슬러지에 의한 폐수처리 공정에서는 질산화가 잘 이루어지지 않아 암모니아성 질소 제거효율이 상당히 낮은데, 이는 질산화에 관여하는 미생물이 다른 미생물과 경쟁적으로 성장하지 못하며, 외부 환경변화에 민감하게 반응하여 쉽게 사멸하는 생물학적 특성에 기인한다. 특히 온도가 미치는 영향이 커서 온도가 낮으면 성장이 더욱 둔화되어 질산화 효율이 급격히 떨어져 겨울철에는 질산화가 거의 일어나지 않아 폐수중의 암모니아성 질소가 처리되지 않고 방류되고 있는 실정이다.

최근 환경 보호가 사회문제로 크게 부각되고 맑은 물 확보에 대한 사회 각계의 관심이 커짐에 따라 수질의 환경규제가 점차 강화될 전망이어서 현재까지 개발된 수처리 공정들의 낮은 질소 제거율을 개선한 새로운 시스템 개발이 요구되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 일반적인 생물학적 폐수처리 방법에서 나타나는 유기물 및 암모니아성 질소의 낮은 처리율을 보완한 메디아 충진형 폐수처리 시스템을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 폐수처리 시스템은 폐수처리시스템에 있어서, 벌집모양의 메디아를 이용하여 유기물을 제거하는 혐기 및 호기공정; 침전공정; 및 미생물이 포괄고정화된 담체에 의해 암모니아성 질소를 제거하는 질산화공정으로 이루어지며, 상기 질산화공정의 처리수의 일부를 상기 혐기공정으로 반송시키는 것으로 이루어진다.

도 1은 본 발명에 따라 질산화 미생물 고정화 담체를 투입한 에어-리프트(air-lift)형 암모니아성 질소 제거용 질산화 반응조의 개략도이다.

도 2는 본 발명의 메디아 충진형 폐수처리 시스템을 나타낸 개략도이다.

도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 벌집모양의 메디아 충진형 생물반응기에 의한 유기물 제거실험 결과를 나타낸 그래프이다.

도 4는 본 발명의 실시예 2에 따라 질산화 담체를 투입한 질산화 반응조의 암모니아성 질소의 질산화 성능을 HRT를 감소시키며 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10,20,20' : 연동펌프 11,21 : 질산화반응조

12,22 : 담체 13,23 : 유로관

14,24 : 스크린 15 : pH조절기

16,26 : 유입구 17,27 : 배출구

28 : 메디아

이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

전술한 바와 같이, 종래의 혐기-호기-침전공정을 이용하는 현탁식 활성슬러지에 의한 폐수처리 공정에서는 질산화가 잘 이루어지지 않았다. 따라서, 본 발명에서는 효율적인 유기물 제거와 별도 탄소원의 공급이 필요없는 탈질공정을 위해 혐기→호기→침전공정을 유지하면서, 혐기 및 호기조의 처리효율을 높이기 위해 미생물이 고농도로 부착가능한 벌집모양의 메디아(28)를 충진하였다. 본 발명에 있어서, 상기 벌집모양의 메디아는 PVC수지를 원료로 하여 요철형태의 PVC 쉬트를 제조한후, 이들을 상호교차되도록 부착시켜 벌집모양으로 제조되며, 이러한 벌집모양은 미생물이 잘 부착할 수 있으므로 반응조내의 미생물 함유량을 높일 수 있다. 상기 벌집모양의 메디아는 PVC수지외에 나무와 같은 다른 소재로도 제조 가능하다. 상기 벌집모양의 메디아(28)의 혐기조 및 호기조에 대한 충진비는 40∼65부피%가 폐수의 원활한 순환을 확보하는 면에서 바람직하다.

한편, 본 발명에서는 상기 혐기→호기→침전공정 이후에 질산화 반응조(11, 21)를 설치하였다. 질산화 미생물 고정화 담체를 투입한 에어-리프트(air-lift)형 암모니아성 질소 제거용 질산화 반응조(11)를 도 1에 도시하였다. 도 1를 참조하면, 원수는 반응조(11)내에서 충분히 교반이 되도록 연동펌프(10)를 이용하여 반응조(11) 하단의 1/3지점에 형성된 유입구(16)를 통하여 유입되며, 반응조(11)의 중앙에는 외부에서 주입되는 공기가 상승하면서 담체(12)와 유입수를 섞어주는 역할의 유로관(13)이 설치되어 있다. 반응조(11)의 상단에는 스크린(14)을 설치하여 처리수만 배출되도록 설계하였다. 한편, 반응조(11)의 상부에 pH 조절기(15)를 설치하여 반응조(11)의 pH를 7.8로 유지하였다. 상기 pH 조절기(15)는 알카리원으로 K₂CO₃를 이용하여 pH를 조절하며, 상기 K₂CO₃는 미생물의 탄소원으로도 사용된다.

상기 질산화 반응조(11, 21)는 현재 일반적으로 사용되는 현탁식 활성슬러지법에 의한 폐수처리공정에서 낮은 효율을 보이는 질산화율을 높이기 위한 것으로, 본 발명에서는 질산화에 관여하는 미생물중에서 효율이 높은 니트로소모나스 (nitrosomonas) 및 니트로박터(nitrobacter)의 고농축 배양액을 생물에 대해 독성이 적고, 생분해도가 낮은 물성을 갖는 고분자인 폴리비닐알콜(Polyvinylalcohol, 이하 "PVA"라 함)에 포괄고정화한 담체를 사용하였다.

상기 질산화 미생물 고정화 담체는 75∼85중량%의 물에 15∼25중량%의 폴리비닐알콜을 용해시켜 폴리비닐알콜 용액을 제조한 후, 여기에 상기 질산화 미생물 니트로소모나스 및 니트로박터의 농축액을 약 1 : 1의 부피비로 혼합한 다음, 상기 혼합용액을 성형틀에 부은 후 냉동시키고, 이를 동결건조기에서 동결건조시킨 다음, 적당한 크기로 절단하고 식염수 용액으로 세척하는 냉동동결건조법으로 제조된다. 이와 같이, PVA를 물과 함께 혼합하여 냉동동결건조함으로써 불용성 담체로 제조할 수 있을 뿐만 아니라 상기 혼합물에서 물이 제거됨으로써 다공성을 형성한다. 이때 상기 질산화 미생물의 농축액의 농도는 적어도 1×10¹⁰cell/ml 이상이 바람직하며, 상기 농도보다 낮으면 적응기간이 길어져 정상화되는데 기간이 오래 걸리는 단점이 있다.

이렇게 제조한 담체를 유입수와의 반응 효율을 최적으로 유지하기 위하여 질산화반응조(11, 21)에 20∼40부피%로 충진시키고, 도 2에 도시한 바와 같이, 이를 혐기→호기→침전 후단에 설치하여 혐기→호기→침전→질산화 공정을 운영하여 질산화 미생물에 영향을 주는 물질을 혐기, 호기공정에서 미리 제거해 주고, 이렇게 유기물이 제거된 폐수를 질산화반응조에서 질산화 미생물이 고농도로 유지되는 담체와 반응시킴으로써 암모니아성 질소의 제거효율을 극대화하였다.

도 2는 혐기, 호기, 침전의 메디아 충진형 생물반응조(bioreactor) 후단에 질산화 미생물 고정화 담체를 적용한 유기물 및 암모니아성 질소 동시제거 시스템을 도시한 것이다. 혐기, 호기조에는 벌집모양의 플라스틱 메디아(28)를 충진하였고, 처리속도에 의해 원수와 질산화반응조(21)에서의 반송수가 연동펌프(20, 20')에 의해 혐기조에 공급된다. 공급된 원수의 흐름은 반응조의 높이를 조절하여 자연유화방식에 의해 이루어지도록 설계하였다. 상기 질산화반응조(21)에서 처리수의 일부, 바람직하게는 약 50%는 연동펌프(20)에 의해 혐기조로 반송되며, 나머지는 배출구(27)를 통하여 배출된다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 하기 예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

제조예 1

벌집모양(Honeycomb type)의 플라스틱 메디아의 제조

물결모양의 표면에 요철이 형성된 성형틀에 PVC 수지를 넣고, 프레스를 이용하여 다수개의 PVC 쉬트를 제조한 다음, 상기 쉬트를 상호교차되도록 부착하여 폐수의 통로가 확보되는 벌집모양의 플라스틱 메디아를 제조하였다.

제조예 2

질산화 미생물 고정화 담체 제조공정

80중량%의 물에 20중량%의 폴리비닐알콜을 용해시켜 500ml의 폴리비닐알콜 용액을 제조한 후, 여기에 상품명이 "BI-CHEM 1010N"인 SYBRON사로 부터 구입한 질산화 미생물 니트로소모나스 및 니트로박터의 농축액(약 2×10¹⁰cell/ml) 500ml을 혼합하였다. 상기 혼합용액을 두께 3mm의 성형틀에 부은 후 -20℃에서 4시간 냉동시키고, 이를 동결건조기에서 동결건조시킨 다음, 적당한 크기(3mm×5mm×7mm)로 절단하고 식염수 용액으로 3회 세척하는 냉동동결건조법으로 질산화 미생물 고정화 담체를 제조하였다.

실시예 1

메디아 충진형 반응조의 유기물 제거실험

상기 제조예 1에서 제조한 벌집모양의 메디아를 55부피%로 충진한 탈질 생물 반응조(혐기조 및 호기조)를 제조하였다. 혐기조와 호기조의 상대적인 용량비율은 1 : 6이다. 혐기조는 내부에 수중펌프를 설치하여 교반을 실시하였고, 호기조는 산기관을 통해 나오는 압축공기(1.5 L/min)로 교반과 포기를 동시에 실시하였다.

사용된 활성슬러지는 인공하수에 약 1달 이상 적응시킨 뒤에 생물반응조에 접종하였다. 글루코오즈를 주 탄소원, 황산암모니움을 주 질소원으로 하는 인공하수를 통상의 방법으로 제조하여 유입수로 사용하였다. 그 외에 미생물의 생장에 필요한 영양물질을 공급하기 위해서 박토펩톤(bactopeptone)과 효모추출물(yeast extract)을 보조로 사용하였다. 적당한 농도로 제조된 인공하수를 4℃ 냉장고에 보관한 후 연동펌프를 이용하여 탈질 생물반응조에 주입시켜 유기물 제거 효율을 측정하였다. 유입수의 COD_Cr는 120∼710mg/ℓ, HRT(hydrolic retention time)는 5.3∼13.4hr, 유기물 부하량(organic loading rate, OLR)은 0.18∼3.1kg COD/m³day로 변화시키면서 운전하였다. 유기물 부하량의 변화에 따른 COD 제거 효율을 도 3에 도시하였다. 도 3에서 실선은 유기물 부하량을 나타내고, 유출수(처리수)의 COD_Cr을 사각형의 점으로 표시하였는데 유기물 부하량의 증가에도 안정된 처리수질을 얻을 수 있음을 보여주고 있다. 즉, 용적부하가 3.1kg COD/m³day일 때 95% 정도의 COD 제거효율을 보이고 있어, 현탁방식의 표준활성슬러지 시스템(용적부하 0.6∼1.0kg COD/m³day)보다 높은 유기물 제거효율을 보였다. 유입수 및 유출수의 측정은 통상적인 COD_Cr분석법("Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater" 5220 D, WPCF, 미국)에 기초하였다.

실시예 2

질산화미생물 고정화 담체에 의한 암모니아성 질소 제거실험

담체의 암모니아성 질소제거 성능실험을 위한 생물반응조는 도 1에 도시한 바와 같이 담체의 유동이 원활하여 미생물과 암모니아성 질소의 접촉을 촉진시키기 위해 유동베드형(Fluidized bed type)으로 제조하였다.

제조예 2에서 제조한 냉장보관한 담체를 염화암모늄, 인산칼륨, 염화칼슘, 황산마그네슘 등을 포함한 인공하수에 2일간 포기시켜 담체의 활성을 회복시키는 과정을 거친 후, 반응조에 담체를 30%(V/V)로 충진시킨 후 암모니아성 농도가 약 100 mg/ℓ인 인공하수를 이용하여 HRT를 24시간으로 하여 운전하였고 처리수의 암모니아성 질소 농도가 10mg/ℓ이하로 안정되면 HRT를 증가시켜 담체의 성능평가실험을 수행하였다. 이때 공기는 2.5ℓ/min으로 공급하였고, pH는 10%(W/V) K₂CO₃를 이용하여 pH = 7.8을 유지시켰다.

HRT 6시간에서 처리수의 NH₃-N의 농도가 6.3 mg/ℓ로 약 94%의 처리효율을 보였으며, HRT 4시간에서 처리수의 NH₃-N의 농도가 8.6mg/ℓ로 약 92%의 처리효율을 보였다. 암모니아성 질소의 처리결과를 도 4에 도시하였다. 도 4에서 실선은 HRT를 나타내며, 둥근 점은 암모니아성 질소의 농도를 나타내고 있다. 도 4로 부터 담체의 질산화 속도를 환산한 결과 208 NH₃-N mg/ℓ담체·hr로 조사되었다.

실시예 3

질산화미생물 고정화 담체를 이용한 메디아 충진형 반응조의 유기물 및 암모니아성 질소제거실험

도 2에 도시한 바와 같이 실시예 1의 메디아 충진형 생물반응조 후단에 실시예 2의 질산화 반응조를 설치하고, 질산화 반응조에서 처리된 폐수를 원수의 주입속도로 다시 메디아 충진형 생물반응조로 반송시키며, 유기물과 암모니아성 질소의 제거효율을 조사하였다. "환경오염 공정 시험법"상의 측정법으로 측정한 결과, 유기물 제거효율 95%, 암모니아성 질소 제거율이 91%의 높은 처리효율을 보였다.

전술한 바와 같이, 본 발명에서는 생물학적 방법에 의한 폐수처리시 처리 효율을 높이기 위해 처리조내의 혐기 및 호기조에 벌집모양의 메디아를 투입하여 활성슬러지를 고농도로 부착시키고, 질산화 미생물을 폴리비닐알콜 소재로 포괄고정화한 후, 혐기→호기→침전→질산화의 처리공정을 운염함으로써 유기물과 암모니아성 질소를 고효율로 동시에 제거할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 폐수처리시스템에 있어서, 벌집모양의 메디아를 이용하여 유기물을 제거하는 혐기 및 호기공정; 침전공정; 및 질산화 미생물이 포괄고정화된 담체에 의해 암모니아성 질소를 제거하는 질산화공정으로 이루어지며, 상기 질산화공정의 처리수의 일부를 상기 혐기공정으로 반송시키는 것을 특징으로 하는 유기물 및 암모니아성 질소 제거용 메디아 충진형 폐수처리 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 벌집모양의 메디아의 원료가 PVC수지임을 특징으로 하는 유기물 및 암모니아성 질소 제거용 메디아 충진형 폐수처리 시스템.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 메디아가 혐기 및 호기공정에서 사용되는 반응조에 대해 40∼65부피%로 충진됨을 특징으로 하는 유기물 및 암모니아성 질소 제거용 메디아 충진형 폐수처리 시스템.
4. 제 1항에 있어서, 상기 미생물이 포괄고정화된 담체가 75∼85중량%의 물에 15∼25중량%의 폴리비닐알콜을 용해시켜 폴리비닐알콜 용액을 제조한 후, 여기에 질산화 미생물 농축액을 혼합한 다음, 상기 혼합용액을 냉동동결건조시켜 제조됨을 특징으로 하는 유기물 및 암모니아성 질소 제거용 메디아 충진형 폐수처리 시스템.
5. 제 1항 또는 제 4항에 있어서, 상기 질산화 미생물 농축액이 적어도 1×10¹⁰cell/ml 이상의 농도를 갖는 니트로소모나스 및 니트로박터임을 특징으로 하는 유기물 및 암모니아성 질소 제거용 메디아 충진형 폐수처리 시스템.
6. 제 1항에 있어서, 상기 질산화공정에서 사용되는 질산화 반응조가 에어-리프트방식으로 운전되며, 그 내부 중앙에 유로관이 설치되어 담체와 유입수를 반응시키는 것을 특징으로 하는 유기물 및 암모니아성 질소 제거용 메디아 충진형 폐수처리 시스템.
7. 제 6항에 있어서, 상기 담체가 질산화반응조에 20∼40부피%로 충진됨을 특징으로 하는 유기물 및 암모니아성 질소 제거용 메디아 충진형 폐수처리 시스템.

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