KR100228739B1 - 고농도 산소를 이용한 고농도 유기성 폐수의 고도 처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고농도 산소를 이용한 고농도 유기성 폐수의 고도처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유기물 부하의 제거, 질소의 제거, 유기성질소의 암모니아성 질소로의 전환 및 질산화반응 등을 가능하게 하는 공정으로서 혐기성 조건에서의 처리와 고농도 산소접촉 및 호기성 조건에서의 처리 등을 거치므로써 고농도의 유기물과 총질소를 함유하는 주정폐수, 식품폐수, 전분폐수, 매립장 침출수 등을 처리할 때 보다 경제적이고도 효과적으로 폐수처리가 가능한 폐수의 고도처리방법에 관한 것이다.

Description

고농도 산소를 이용한 고농도 유기성 폐수의 고도 처리방법

본 발명은 고농도 산소를 이용한 고농도 유기성 폐수의 고도처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유기물 부하의 제거, 질소의 제거, 유기성질소의 암모니아성 질소로의 전환 및 질산화반응 등을 가능하게 하는 공정으로서 혐기성 조건에서의 처리와 고농도 산소접촉 및 호기성 조건에서의 처리 등을 거치므로써 고농도의 유기물과 총질소를 함유하는 주정폐수, 식품폐수, 전분폐수, 매립장 침출수 등을 처리할 때 보다 경제적이고도 효과적으로 폐수처리가 가능한 폐수의 고도처리방법에 관한 것이다.

일반적으로 실시되고 있는 고농도 유기성 폐수의 경우 표준활성오니 법으로만 처리를 하거나 혐기성처리를 한 후 표준활성오니 법에 의존하여 왔다. 그러나, 이러한 처리공정은 단순히 유기물 만의 처리를 위해서는 별다른 문제없이 처리가 가능하나 이러한 공정으로는 폐수내에 포함되어 있는 과잉의 질소인 성분을 제거할 수는 없다. 이러한 처리되지 않은 질소는 호수나 댐에 유입되어 수계의 부영양화(eutrophication)를 초래하여 이러한 수계에서는 조류의 과잉생산으로 녹색, 적색 등으로 혼탁해 질뿐만 아니라, 악취와 불쾌한 맛을 유발하며 조류의 야간 호흡을 통하여 용존산소를 소모함으로써 수중의 용존산소를 고갈시켜 수중 생태계의 균형을 파괴한다.

이러한 현상을 방지하기 위해서는 폐수중에 함유된 질소를 제거하는 공정의 도입이 필수적이라 하겠다.

질소성분의 처리방법으로는 물리화학적 방법과 생물화학적 방법으로 나눌 수 있다. 물리화학적 질소제거 방법으로는 폐수중의 pH를 조정하여 NH₄ ⁺

NH₃

+H⁺의 평형점을 이동시켜 NH₃형태로 제거하는 암모니아 스트리핑(Ammonia stripping)법, 염소의 수화물이 암모니아성 질소(NH₄-N)와 당량점에서 반응하여 N₂로 방출되도록 하는 불연속점 염소처리법, 암모니아 이온에 선택성이 있는 이온교환체를 이용한 이온교환법이 있으나, 상기의 물리화학적 처리는 모든 대상물질이 암모니아성 질소에 국한되는 단점이 있고, 2차 오염의 문제점을 가지고 있다.

이에 반하여 생물학적 질소제거방법은 호기성 조건에서 암모니아성 질소(NH₄-N)를 산화시켜 아질산성 질소(NO₂-N)와 질산성 질소(NO₃-N)로 전환시키는 질산화 공정과 질산성 질소와 아질산성 질소를 무산소 조건하에서 전자수용체로 이용하여 질소가스(N₂) 형태로 제거시키는 탈질공정으로 이루어진다. 이 과정에서 질산화 과정은 니트로 소모나스와 니트로 박터 등의 독립 영양체 미생물에 의하여 반응이 일어나나 탈질반응은 통성 종속 영양체에 의하여 반응이 일어나기 때문에 외부로부터 유기 탄소원의 공급이 필요하다. 이렇게 미생물을 이용한 탈질방법은 모든 질소 화합물이 적용될 뿐만 아니라 처리비용이 저렴한 장점을 가지고 있다.

상기와 같은 원리와 처리방법으로 폐수중의 유기물질과 질소성분의 제거가 이루어지는데, 종래의 유기물질과 질소의 동시 제거방법에는 4단 바덴포법(Bardenpho process)과 산화구법(Oxidation ditch) 등의 생물학적 공정이 있다.

4단 바덴포법은 1차 무산소, 1차 폭기조, 2차 무산소조, 2차 폭기조 순서로 구성되어 있으며, 폐수와 반송 슬러지가 1차 폭기조에서 반송된 질소 산화물을 포함한 혼합물과 함께 1차 무산소조에서 저분자 유기산 등을 탄소원으로 이용하여 탈질반응이 진행된다. 이때, 1차 무산소조를 통과한 암모니아는 1차 폭기조에서 질산화를 거쳐 산화되며 또 다시 2차 무산소조와 2차 폭기조를 거쳐 잔류 질루프(Loop) 형태의 반응조로써 폐수가 무산소 지역과 호기성 지역을 통과하면서 유기물질과 질소성분이 제거된다. 이 공정은 탈질화 반응을 1회 일으키므로 질소제거율이 4단 바덴포법에 비하여 낮은 단점이 있다. 또한, 4단 바덴포법은 유기물질과 질소성분의 제거율에 있어서 높은 처리율을 보이는 것이 가능하나 공정 전체의 크기가 매우 크며 유기물의 제거가 모두 혼합 반응기에서 이루어짐으로 반응기내 긴 체류기간을 필요로 하며 유기물의 제거나 호기성 조건과 준호기성 조건에서 실시됨에 따라 슬러지의 발생량이 많아 2차 오염원으로 작용한다.

위와같이, 종래의 폐수처리방법은 탈질화가 충분하지 못하고 슬러지 발생이 과다하는 등 여러 가지 문제점을 갖고 있었은 바, 본 발명에서는 이러한 종래의 폐수처리과정, 특히 유기물질과 질소의 동시제거를 가능토록 하는 과정에서 나타나는 문제를 개선하고자 개발한 것이다.

따라서, 본 발명은 폐수처리과정을 혐기성 조건에서의 처리, 고농도 산소접촉, 호기성 조건에서의 처리라는 단계를 거치도록 하므로써, 유기물 부하의 제거와 질소의 제거가 가능토록 하고 특히 유기성 질소를 암모니아성 질소로 전환시키고, 고농도 산소접촉에 의한 질산화 반응과정을 도입하는 등 일련의 공정을 달리하여 고농도의 유기물과 총질소를 함유하는 고농도 폐수를 보다 간단하고 경제적이며 효율적으로 고도처리하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

제1도는 본 발명에 따른 폐수처리방법이 사용되는 폐수처리장치의 일구현예를 개략적으로 나타낸 도면이고,

제2도는 제1도에서의 혐기조를 구체적으로 도시한 단면 개념도이며,

제3도는 제1도에서의 호기조를 구체적으로 도시한 단면 개념도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 유입수 2 : 호기조 반송수

3 : 혐기조 4 : 혐기조 유출구

5 : 고농도 산소 발생장치 6 : 고농도 산소 공급라인

7 : 배기관 8 : 산소접촉조

9 : 호기조 반송수 10 : 산소접촉조 유출수

11 : 호기조 12 : 유출수

21 : 슬러지 베드층 22 : 슬러지 블란케드

24 : 기액분리장치 23 : 메디아층

31 : 슬러지층 33 : 고액분리장치

32 : 잉여슬러지 제거관

본 발명은 고농도 유기물과 질소성분이 함유된 폐수를 정화처리하는 방법에 있어서,

a) 혐기성 조건에서 탈질 반응시킴과 동시에 유기성 질소를 암모니아성 질소로 전환시키고 유기물을 제거하는 단계와,

b) 고농도 산소접촉 단계 및

c) 호기성 조건에서 잔류 유기물 처리와 질산화 반응을 시키는 단계를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

이와같은, 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 유기물과 질소성분이 함유된 고농도 폐수를 처리함에 있어서, 혐기성 조건에서의 처리, 고농도 산소접촉 및 호기성 조건에서의 처리 등을 일련의 공정으로 이행하므로써 탈질반응, 유기성 질소의 암모니아성 질소로의 전환, 질산화반응, 유기물의 제거 등이 가능하게 하여 효과적인 폐수처리가 가능하도록 한 것이다.

이때, 상기 일련의 공정은 필요에 따라서는 그 순서를 달리하여 실시하거나 다른 공정이 첨가되어 수행될 수도 있다.

한편, 본 발명에 따르면, 상기 혐기성 조건의 단계 a)에서는 그 처리되는 폐수에 원수와 함께 호기성 조건의 단계 c)에서 최종 처리된 반송수도 재차 반송유입되는데, 이때 반송수는 원수 총질소 농도의 1/25

1/75의 부피 비율로 유입되도록 한다. 그 이유는 암모니아성 질소의 산화반응시 속도저하 요인을 방지하는 동시에 질소산화물이 혐기성 처리시 처리속도가 저하하는 것을 막을 수 있기 때문이다. 따라서, 반송수의 유입이 1/25의 비율을 초과하면 유기물 처리속도가 떨어지며, 1/75를 초과하면 총질소의 제거율이 떨어진다.

또한, 호기성 조건에서 처리하기 전의 산소접촉 단계 b)에서는 호기성 조건으로 보내지는 유입수의 용존산소를 15

40ppm으로 유지되도록 해야만 안정적인 처리가 가능하다.

그후, 호기성 조건으로 처리된 단계 c)에서 나온 반송수의 경우는 단계 b)로 재순환될 때 용존산소(DO)의 농도가 2

5ppm이 되도록 하는 것이 슬러지의 침전성 향상 및 혐기조 반응시 효율의 저하 요인을 방지하는 면에서 좋다.

본 발명에 따르면, 상기 고농도 산소접촉 단계 b)를 거치게 되면 호기성 조건에서의 처리단계에서 폭기장치를 사용하여 용존산소를 높이는 과정이 불필요하며, 다만 호기성 처리단계에서는 고액분리를 통해 혐기성 처리단계로 유입되는 재순환 반송수내에 슬러지를 제거하여 고효율의 혐기성 처리가 가능토록 한다.

또한, 이때 혐기성 처리단계 a)에서는 슬러지 입자형성을 발생시키는 교반을 행하지 않도록 하므로써, 유기물의 처리속도를 3

5배 정도 상승시킬 수 있으며, 이와 동시에 고농도 산소접촉 단계 b)로 보내지는 유출수의 슬러지 농도를 200ppm 이하로 유지하여 혐기조 슬러리가 호기조에 악영향을 미치는 것을 방지한다.

이와같은, 본 발명에 따른 폐수처리 방법은 생물학적 산소요구량(BOD)이 1000ppm 이상이며 총 질소(T-N)이 100ppm 이상의 고농도 주정 폐수, 식품 폐수, 매립지 침출수 등을 처리함에 있어서 혐기조와 호기조로 구성된 처리장치로서 유기물 부하 제거질소의 제거 및 유기성 질소의 암모니아성 질소로의 전환이 일어나고 호기조에서 잔류 유기물의 처리 및 암모니아성 질소의 질산화가 일어나도록 하는 것이다.

본 발명에서는 교반기가 없고 반응기 내 미생물의 농도가 높은 혐기조를 이용하여 폐수를 처리함으로써 유기물질의 제거속도 향상과 질소산화물의 완벽한 제거가 이루어지도록 하였다.

또한 본 발명에서는 기존 폭조기를 개량하여 반응기 내부에서 폭기가 이루어지지 않고 외부의 산소접촉조에서 용존산소를 높여 반응기내의 용존산소 함유율이 높은 폐수를 이용하여 처리함으로써 침전조를 생략하는 동시에 호기조 유출수중 슬러지 농도가 낮아 고효율적으로 혐기성조의 운전이 가능하도록 하였다.

본 발명에서는 고농도의 유기물질과 총질소를 처리함에 있어서 기존의 방법보다 적은 부지와 적은 공정의 흐름으로 처리가 가능하게 되었으며 슬러지의 생성량 감소로 2차 오염도 줄일 수 있는 폐수처리 방법인 것이다.

본 발명의 폐수처리방법에 사용되는 장치로서는 예컨대 첨부도면 제1도에 도시한 바와같이, 유입수(1)와 처리된 호기조 반송수(2)가 유입되는 혐기조(3)와, 혐기조 유출수(4)가 유입되고 고농도 산소 발생장치(5)로부터 고농도 산소 공급라인(6)을 거쳐 산소가 공급되고 배기관(7)을 구비한 산소접촉조(8)와, 산소접촉조 유출수(10)로 유입되는 폐수처리를 위한 호기조(11)를 포함하고 있는 장치를 사용할 수 있다.

여기서 9는 또 다른 호기조 반송수이고 12는 호기조(11)를 거친 최종 정화된 유출수이다.

또한, 상기의 혐기조(3)는 제2도에 도시한 바와같은 단면구조를 갖는 바, 하단부에는 슬러지 베드층(21)과 슬러지 블란케드(22)를, 상단부에는 메디아층(23)을 각각 가지며 그 중간부에는 기액분리장치(24)가 구비되어 있다.

그리고, 상기 호기조(11)는 제3도에 도시한 바와같은 단면구조를 갖는 바, 하부에 슬러지층(31)과 잉여 슬러지 제거관(32)을 가지며, 상부에는 고액분리장치(33)가 구비되어 있다.

이러한 폐수처리장치에 의한 폐수처리과정을 자세히 설명하면, 고농도의 유기물과 총질소를 함유한 유입수(1)와 질산화가 이루어진 호기조 반송수(2)를 혐기조(3)에 유입시켜 유기물질의 제거 및 질소산화물의 탈질소화가 이루어지도록 한다. 이때, 기존의 탈질장치는 질산화조와 탈질조 사이의 슬러지 이동이 있으므로 탈질조의 반응기 형태가 교반기가 포함되어 있는 방식을 이용함으로써, 유기물질의 처리효율이 하락하여 전체적인 반응기의 크기가 커지는데 반하여 본 발명에서의 혐기조(3)는 입상슬러지를 이용하여 유기물의 제거속도를 기존의 무산소 탈질조에 비해 3

5배 빠르게 하고, 혐기성 반응도중 생성되는 유기산을 이용하여 질산화물의 제거가 완전히 이루어지도록 하며, 유기물 제거과정에서 유기성 질소형태의 질소성분을 암모니아성 질소로의 전환이 이루어지도록 한다.

이때 호기조 반송수(2)는 원수중의 총질소 농도에 비해 1/25

1/75의 반송비를 유지하여 호기조 반송수(2) 중의 질소산화물의 혐기성 처리시 처리속도가 하락하는 것을 방지하고 혐기조내 유기물 부하를 3

7

COD/

으로 운전하여 유기물의 제거율을 높여 유기물이 호기조에서 분해되는 양을 최소가 되도록 처리하므로써 호기조에서 암모니아성 질소의 산화를 촉진시킨다. 혐기조 유출수(4)와 호기조 반송수(9)를 산소 접촉조(8)에서 PSA(pressure swing adsorption) 장치 등으로 제조된 고농도의 산소(85

95

)와 접촉시켜 용존산소의 농도를 15

40ppm까지 상승시키며 이때 산소접촉조(8)의 반응기 내 체류시간은 30분

1시간으로 한다.

또한 산소접촉조 유출수(10)을 호기조(11)의 하부로 유입시켜 상하류가 되도록 운전하며 유입되는 접촉조 유출수(10)의 용존산소의 양이 15

40ppm 정도가 되도록 유입시킨 후 슬러지층(31)에서 잔존 유기물의 제거와 질소성분의 질산화가 일어나도록 하며, 슬러지층(31)에서 30,000

50,000ppm의 농도를 유지하여 유기물 제거속도를 같은 크기의 표준활성오니 법에 의한 처리 효율보다 유기물 제거속도 및 질산화가 2

4배 상승되도록 한다. 호기조 반송수(9)의 반송비는 유출수의 용존산소를 2

5ppm 범위로 하여 반송비를 조절한다. 이때 호기조(11)는 반응기 상부에 슬러지 제거장치가 있을 뿐 폭기장치가 없으며 후단에 침전조를 생략할 수 있는 것이다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거 상세히 설명하는 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

[참고 실시예 1]

[혐기조 효과 실험]

주류 제조폐수를 이용하여 혐기조(3)내의 부하량을 변형시켜 가며 유기물 제거량 및 총질소의 변화에 관하여 측정하고 그 결과는 다음 표 1에 나타내었다(질산성 질소 인위적으로 첨가했음).

상기 표 1에서 보면, 혐기조(3) 내의 부하량이 3

7

COD/

의 영역에서 유기성 질소의 암모니아성 질소로 전환이 거의 완벽하게 이루어졌으며 질산성 질소는 모두 부하에서도 제거된다.

위의 결과로부터, 3

7

COD/

의 부하에서 유기성 질소의 제거와 암모니아성 질소의 생성이 우수하게 나타났으며, 7

COD/

D를 초과하고 있는 과부하 상태에서는 그 효과가 떨어지는 것으로 나타났다.

[참고 실시예 2]

[호기조의 효과 실험]

조제폐수를 이용하여 호기조 반송수(9)의 용존산소(DO)에 따라 질산화 및 유기물 제거율을 측정하고 그 결과는 다음 표 2에 나타내었다.

상기 표 2에 의하면, 본 발명에 따른 호기조 반송수(9)의 용존산소가 2

5ppm 범위일 때 질산화 및 유기물제거 효과, 경제성 및 혐기조 반송시 탈질 효과가 우수함을 알 수 있다.

[참고 실시예 3]

[질소제거 실험]

질산화가 이루어진 호기조 반송수(2)를 혐기조에 다시 유입시켜서 유기물질의 제거 및 질산화물의 탈질소화가 이루어지도록 하였으며, 다음 표 3에 호기조 반송수의 반송비에 따른 처리 결과를 나타내었다.

상기 표 3에서 알 수 있는 바와 같이 반송비가 총질소 농도의 1/25

1/75의 범위인 6배

14배에서 우수한 효율을 보이고 있다.

[실시예, 비교예]

주류 제조폐수를 대상으로 본 발명에서의 폐수처리 장치를 이용하되 혐기조 체류시간 18시간, 고농도 산소접촉조 1시간, 호기조 체류시간 7시간으로 각각 운전조건을 설정하여 총 26시간동안 운전하였으며, 이때 호기조 반송수(2)의 반송비를 바꾸어가며 운전하였다(본 발명에서 호기조 반송수(9)의 용존산소는 2

5 범위를 유지하도록 반송비를 조절하였다).

한편, 이와 대비되는 비교예로서 기존의 혐기/호기 공정을 이용하였으며(혐기조에 교반기가 부착되어있음), 혐기조 체류시간을 1일, 폭기조 체류시간을 2일로 조절된 처리장치를 이용하여 총 3일(72시간)동안 운전하였으며 그 반송비를 원수의 8배로 유지하였다.

그 결과는 다음 표 4에 나타내었다.

상기 표 4에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 실시예의 경우 고효율 혐기조와 고농도 산소 접촉조로 인해 비교예에 비하여 약 1/3의 체류시간(실시예 26시간, 비교예 72시간)임에도 불구하고 유기물과 질소제거에 있어서 뚜렷한 효과가 있음을 확인할 수 있다.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 BOD 1000 이상, 총질소의 함량이 높은 주정폐수, 식품폐수, 전분폐수, 매립지 침출수 등의 처리에 매우 적합하며, 필요에 따라서는 질소의 함량이 낮은 고농도의 폐수처리시에는 중간공정 중의 반송을 생략하고 처리할 수도 있다.

이러한, 본 발명의 특징을 종합하면

1) 반응장치의 고 효율화로 장치를 최소화하며

2) 유기물 처리를 혐기조에서 주로 이루어지도록 하여 슬러지 발생이 적고

3) 부지 축소와 질소 제거공정의 단순화에 있다.

Claims (5)

1. 고농도 유기물과 질소성분이 함유된 폐수를 정화처리하는 방법에 있어서, a) 유입수(1)와 호기조반송수(2)를 상향류 혐기조(3)에서 혐기성 조건으로 탈질반응시킴과 동시에 유기성 질소를 암모니아성 질소로 전환시키고 유기물을 제거하는 단계와, b) 상기 혐기조(3)에서 유출되는 혐기조유출수(4)를 산소접촉조(8)에서 고농도 산소와 접촉시켜 산소로 과포화시키는 단계 및 c) 고액 분리장치(33)가 구비된 상향류형의 호기조(11)를 이용하여 내부폭기 공정없이 호기성 조건에서 잔류 유기물 처리와 질산화 반응을 시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고농도 산소를 이용한 고농도 유기성 폐수의 고도 처리방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 단계 a)에는 원수 이외에 단계 c)에서 유출되는 반송수가 원수 총 질소 농도(ppm)의 1/25

   

   1/75의 부피 비율로 유입되는 것을 특징으로 하는 고농도 유기성 폐수의 고도 처리방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 단계 a)는 혐기조의 부하량이 3

   

   7

   

   COD/

   

   인 조건에서 시행함을 특징으로 하는 고농도 유기성 폐수의 고도 처리방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 단계 b)를 지나 단계 c)로 보내지는 유입수는 용존산소가 15

   

   40ppm으로 유지되는 것을 특징으로 하는 고농도 유기성 폐수의 고도 처리방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 단계 c)에서 단계 b)로 유입되는 반송수는 용존산소 농도가 2

   

   5ppm이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 고농도 유기성 폐수의 고도 처리방법.

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