KR100244376B1 - Cod/tkn 비가 낮은 하.폐수로부터의 질소와 인 제거방법 및 이를수행하는 데 적합한 하.폐수처리 시스템 - Google Patents

Abstract

COD/TKN 비가 낮은 하.폐수의 질소와 인 제거 방법 및 이를 수행하는데 적합한 하.폐수처리 시스템이 개시되어 있다. 하.폐수를 침사지에 유입하여 그릿(grit)을 제거한 후, 1차 침전지에서 반송된 2차 침전 슬러지와 혼합하여 용존성 COD를 미생물 플록에 흡착 침전시켜 암모니아성 질소와 분리한다. 제1폭기조에서 분리된 암모니아성 질소를 소정의 미생물과 반응시켜 질산화시킨 후, 1차 침전지에서 침전 분리된 COD와 무산소조에서 혼합하여 탈질시킨다. 상기 탈질된 하.폐수를 제2폭기조에서 폭기시키고, 상기 제2폭기조를 통과한 하.폐수를 2차 침전지에서 유출수와 2차 침전 슬러지로 분리한 뒤, 이 2차 슬러지를 상기 침사지 또는 상기 1차 침전지로 반송시킨다. 반송 슬러지를 폭기조로 보내는 것이 아니라 침사지나 1차 침전지로 보내고, 기존의 폭기조를 제1폭기조, 무산소조, 제2폭기조로 세분하여 운영하며, 1차 침전 슬러지를 무산소조에 공급함으로써 탈질 효율을 향상시켜 COD뿐만 아니라 영양 염류를 동시에 제거할 수 있다.

Description

COD/TKN 비가 낮은 하.폐수로부터의 질소와 인 제거 방법 및 이를 수행하는데 적합한 하.폐수처리 시스템

본 발명은 COD/TKN 비가 낮은 하.폐수로부터 질소와 인을 제거하는 방법 및 이를 수행하는데 적합한 하.폐수 처리 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 하.폐수 중에 존재하는 유기 물질뿐만 아니라 질소와 인을 동시에 제거할 수 있는 하.폐수 처리 방법 및 이를 수행하는데 적합한 하.폐수 처리 시스템에 관한 것이다.

COD(Chemical Oxygen Demand)란 화학적 산소 요구량을 지칭하는 것으로서, 하.폐수의 유기물 함유도 측정을 위한 중요한 척도이다. COD측정은 BOD와 마찬가지로 유기물을 간접적으로 측정하는 방법인데 이는 유기물을 화학적으로 산화시킬때 얼마만큼의 산소가 화학적으로 소모되는가를 측정하는 방법이다. COD시험은 BOD 시험이 5일이나 걸리는 것과는 달리 2시간으로 측정 가능하다. 이러한 이유로 BOD 값을 모르는 하.폐수에 COD가 흔히 적용된다. TKN이란 질소 및 인의 총 농도를 말한다. 따라서 COD/TKN비가 낮은 하.폐수란 유기 물질에 비해 질소 및 인 성분이 많은 하·폐수를 말한다.

본 발명의 하·폐수 처리 방법 및 그 시스템에 따라 처리하는 하·폐수는 도시 하수, 가축 폐수, 농업 폐수 및 산업 폐수 등을 포함하는 것이다. 이 하·폐수에는 BOD(Biological Oxygen Demand)성분이라고도 불리는 유기 물질뿐만 아니라 질소 및 인을 포함하는 영양 염류 성분이 존재한다.

영양 염류란 유기물 분해를 일으키는 미생물의 생육과 증식에 필요한 무기성 원소로서, 이들중 특히 질소 화합물과 인산염은 생물 세포 형성과 에너지 대사를 위하여 연속적으로 공급되어야 하는 원소이다. 그러나, 이러한 질소나 인등의 영양 염류가 증가하면 생태계의 균형이 파괴되면서 부영양화 현상이 발생하는 문제점이 있다.

부영양화 발생의 한 원인이 되는 질소의 발생원으로는 생활 하수와 공장 폐수 및 농업 폐수를 들 수 있다. 생활 하수에는 유기 질소 화합물로서 단백질, 펩타이드, 아미노산, 및 요소가 포함되어 있으며, 무기 질소 화합물로서 암모늄 이온과 소량의 암모니아가 포함되어 있다. 폐수에 포함되는 질산염 형태의 산화 질소는 공업 폐수 혹은 농업 폐수로부터 나온 것이다. 비료에 사용되어진 질산염과 암모늄 화합물은 대부분 수용성인데, 음이온인 질산 이온은 토양의 이온교환 자리에 약하게 결합되어 있다가 물에 씻겨 냇물 또는 호수로 유입된다.

유기 질소 화합물 형태 혹은 암모니아성 질소는 물 속에서 미생물의 작용으로 아질산염 혹은 질산염으로 산화되면서 물 속의 산소를 소모시킨다. 아질산염 혹은 암모니아는 어류에 치명적인 영향을 미친다.

인산질 비료의 사용량은 질소질 비료의 절반 정도에 지나지 않으며 또한 인산염은 불용성이므로 농업 폐수에 포함되는 인의 함량은 매우 적다. 오히려 인의 주요 발생원은 합성 세제로서 수중 생태계로 흘러드는 인의 30-40%가 이에 속한다. 인산염은 합성 세제의 충진제(builder)로 사용되어 계면활성제와 더불어 세척작용에 상승 효과를 일으키는 것으로 합성 세제의 큰 부분을 차지한다. 합성 세제의 사용량이 날로 늘어감에 따라 인산염이 하수 중에서 차지하는 비중이 점점 증대하고 있다.

이러한 질소나 인이 저수지 등의 수역에 축적되면 부영양화(eutropication)가 일어나는 문제가 발생한다. 부영양화는 질소나 인 성분이 저수지 등의 수역으로 유입되어질 때 이들 질소나 인을 먹이로 하는 조류(algae) 등의 미생물이 과잉 번식되면서 일어나기 시작하는 현상이다. 따라서 부영양화를 근본적으로 방지하기 위해서는 하·폐수 내의 영양 염류 성분이 호수나 하천 등의 수역으로 유입되기 전에 제거되어져야 한다.

그러나, 종래의 하·폐수 처리 방법은 유기 물질을 제거하기 위해 고안되어진 것이므로, 질소 성분과 인 성분을 동시에 제거하기에는 미흡한 점이 있었다. 구체적으로 기존의 처리 방법에 의할 경우 질소 제거율이 10~40%, 인 제거율이 5~20%정도로 아주 낮다.

이하, 첨부된 제1도를 참조하여 종래의 하·폐수 처리 시스템을 상세히 설명한다.

종래의 하·폐수 처리 시스템에서는 원수(10)가 침사지(11)를 거쳐 1차 침전지(12)를 지나면서 침전성이 양호한 부유성 물질(Suspended Solids; SS)이 1차 슬러지(primary sludge)로 침전 제거된다. 이 1차 슬러지는 대략 65% 정도의 유기물을 함유한다. 침전된 1차 슬러지는 슬러지 처리 시설로 이송되어 처리된다(13).

침전되지 않는 용존성 유기 물질은 폭기조(14)에서 미생물에 의하여 2차 슬러지로 합성되어 제거된다. 이 2차 슬러지는 약 90% 정도의 유기물을 함유한다. 이 2차 슬러지를 통상 활성 슬러지라고 한다. 이 활성 슬러지는 혼합액 휘발성 부유고형물(Mixed Liquor Suspended Solids; MLVSS)이라고 불리기도 한다. 상기 활성 슬러지는 2차 침전지(15)에서 고액 분리되면서 상등수는 유출(16)되고 침전된 2차 슬러지의 일부는 반송관(17)을 통하여 폭기조(14)로 반송되며, 나머지 침전 슬러지는 슬러지 처리 시설로 이송되어 처리된다(18). 상기 과정을 연속적으로 반복하면 하·폐수 내 오염 물질이 정화되어 진다.

상기한 종래의 하·폐수 처리 시스템은 용존 유기 물질의 제거를 주된 목적으로 설계된 것이기 때문에 수역 부영양화의 요인이 되는 질소나 인과 같은 영양 염류의 제거에는 부적합한 문제점이 있다. 특히, 국내 하수의 BOD가 100mg/ℓ미만으로 낮고 암모니아성 질소(NH₄ ⁺-N)성분의 비율이 30~40mg/ℓ로 높기 때문에 상기 문제점은 더욱 심각한 것이다.

본 발명의 제1의 목적은 COD 성분뿐만 아니라 영양 염류를 동시에 제거할 수 있는 하·폐수 처리 방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 제2의 목적은 상기 하·폐수 처리 방법을 수행하는데 특히 적합한 하·폐수 처리 시스템을 제공하는 데에 있다.

제1도는 종래의 하.폐수 처리 시스템 및 방법을 설명하기 위하여 도시한 공정도.

제2도는 본 발명의 일 실시예에 따른 하.폐수 처리 시스템 및 방법을 설명하기 위하여 도시한 공정도.

상기한 본 발명의 제1의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하·폐수를 침사지에 유입하여 그릿(grit)을 제거하는 단계; 1차 침전지에서 1차 반송된 2차 침전 슬러지에 의해 COD와 암모니아성 질소를 분리하는 단계; 제1폭기조에서 상기 미처리된 COD와 소정의 미생물과의 반응으로 활성 슬러지를 생성시킴과 동시에 하·폐수 중의 암모니아성 질소를 질산화시키는 단계; 상기 제1폭기조를 통과한 하·폐수를 무산소조에서 질산기와 1차 침전지로부터 이송된 COD를 흡착한 활성 슬러지와의 반응으로 탈질소시키는 단계; 상기 탈질소된 하·폐수를 제2폭기조에서 폭기시키는 단계; 상기 제2폭기조를 통과한 하·폐수를 2차 침전지로 유입하여 유출수와 2차 슬러지로 분리한 뒤 이 2차 슬러지를 상기 침사지 또는 상기 1차 침전지로 반송시키는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하·폐수 처리 방법을 제공한다.

상기 탈질소 단계는 상기 1차 침전지의 1차 슬러지와 상기 제2폭기조를 통과한 하·폐수를 혼합하여 교반함으로써 수행되어진다.

본 발명은 침사지, 1차 침전지, COD 성분과 영양 염류를 동시에 제거할 수 있는 적어도 하나 이상인 반응조, 및 2차 침전지가 직렬로 연결되되, 상기 2차 침전지의 2차 슬러지가 상기 침사지 또는 상기 1차 침전지로 반송되도록 구성되어진 것을 특징으로 하는 하·폐수 처리 시스템을 제공한다.

상기 적어도 하나 이상인 반응조는 제1폭기조, 무산소조, 및 제2폭기조가 직렬로 연결되어 구성되는 것이 바람직하다.

상기 제1폭기조에 무산소조가 직렬로 연결되어진다. 이 무산소조는 무산소조건에서 하·폐수의 탈질소 작용을 수행한다. 탈질소 과정에서는 질산기가 산소 수용체로 작용하면서 질소 가스로 탈질된다. 이 반응 과정에서 탄소원으로 종래 메탄올을 이용하였으나 본 발명에서는 1차 침전지에서 반송된 2차 침전 슬러지에 흡착된 유기 물질을 탄소원으로 이용한다. 상기 1차 침전지에서 배출되는 침전 슬러지를 탄소원으로 이용하기 위하여, 본 발명의 시스템에서는 무산소조가 상기 1차 침전지와 연결되어진다. 따라서, 본 발명에 의하면 메탄올 공급에 따른 운영비의 상승이 방지되어질 수 있다.

제1폭기조는 1차 침전지에서 유기 물질을 분리 침전시킨 상징수내에 포함되어 있는 암모니아성 질소를 질산화시키는 역할을 수행한다. 즉 제1폭기조에는 질산화 미생물을 효과적으로 배양할 수 있도록 메디아를 첨가한다. 메디아에는 질산화 미생물과 1차 침전지에서 분리되지 않고 남아 있는 유기 물질을 이용하는 활성슬러지가 부착하여 질산화와 추가적인 BOD제거가 이루어진다.

이상에서 알 수 있듯이, 본 발명에서는 반송 슬러지를 폭기조로 반송하지 않고 침사지나 1차 침전지로 반송함으로써 암모니아성 질소를 분리시킨 다음, 폭기조를 세분하여 운영함으로써 아모니아성 질소를 제거한다.

구체적으로 반송 슬러지와 하·폐수 원수가 침사지 또는 1차 침전지에서 혼합되어짐으로써 암모니아성 질소가 COD성분으로부터 분리되어진다. 하수 원수 중의 COD성분은 먼저 반송 슬러지에 응집 또는 흡착되어 침전된 다음 고액 분리에 의하여 암모니아성 질소와 분리되어진다. 용존 상태로 분리된 암모니아성 질소는 질산화되어 아질산기나 질산기로 산화된 후 1차 침전지에서의 침전 활성 슬러지와 반응하여 탈질화된다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

제2도를 참조하면, 하·폐수 원수(20)는 먼저 침사지(21)를 통과한다. 침사지(grit chamber)에서는 모래와 더러운 덩어리의 혼합체인 그릿(grit)이 침전 제거되어진다. 침사지를 통과한 하수는 1차 침전지(22)로 유입되어지는데, 이때 2차 침전 슬러지를 함께 유입하여 고형 물질과 용존성 COD 성분도 함께 제거되어진다. 따라서, 용존성 COD성분과 침전 가능한 부유 물질(Suspended Solids; SS)이 함께 제거되어진다. 이렇게 제거되어진 물질들은 1차 슬러지로서 1차 침전지로부터 외부로 배출된다.

상기한 바와 같이 배출된 1차 슬러지의 일부는 후속하는 무산소조로 유입되고, 나머지는 폐슬러지로서 슬러지 처리 시설에서 치리되어진다. 상기 폐슬러지 처리는 통상 슬러지 농축, 소화, 슬러지 개량, 슬러지 탈수, 및 최종 처리 등의 일련의 과정을 통하여 이루어진다.

1차 침전지를 통과한 하·폐수에는 흡착 제거되지 않은 미량의 유기 물질과 질소 및 인이 용존되어 있다. 이러한 저 농도의 유기 물질과 영양 염류를 함유하는 하·폐수는 이들 성분을 동시에 처리할 수 있는 일련의 반응조(100)로 유입되어진다. 상기 일련의 반응조는 제1폭기조, 무산소조 및 제2폭기조가 직렬로 연결되어 구성되는 것이 바람직하다. 제1폭기조는 메디아를 이용한 생물막 반응조로 설치하는데 이 폭기조 내에서는 1차 침전지에서 침전되지 않은 암모니아성 질소가 호기성 조건에서 질산화되어 질산기로 바뀌게 된다.

구체적으로 영양 염류 중 암모니아성 질소(NH₄ ⁺-N)는 제1폭기조(24)인 생물막 반응조에서 질산화(nitrification)되어 아질산기(N0₂ ^--N)나 질산기(NO₃ ^-N)로 산화된다. 질산화는 질소 화합물이 질산화 미생물(nitrifying microorganism)에 의해서 산화되는 과정을 말한다. 질산화 미생물로는 통상 니트로소모나스(nitrosomonas)나 니트로박터(nitrobacter) 등의 오트트로픽 박테리아(autotropic bacteria)를 이용한다.

질산화는 오트트로픽 박테리아에 의하여 2단계로 진행된다. 구체적으로, 1단계에서 암모니아성 질소가 니트로소모나스에 의하여 아질산기로 산화되고, 그 다음의 2단계에서 상기 아질산기나 니트로박터에 의하여 질산기로 산화된다. 이때, 위2단계의 반응이 1단계의 반응보다 더 쉽게 일어난다. 이는 암모니아성 질소가 아질산기로 변화하는 데에는 2개의 산소 원자가 필요하나, 아질산기가 질산기로 변화하는 데에는 1개의 산소 원자만이 필요하기 때문이다. 따라서, 상기 1단계의 반응에 더욱 많은 양의 에너지가 소요된다. 또한, 1단계에 사용되는 미생물인 니트로소모나스는 2단계의 니트로박터보다 환경에 민감하기 때문에 아질산기가 생성되면 비교적 쉽게 질산기로 변화되어진다.

1단계와 2단계를 합친 전체 반응으로 보면 암모니아성 질소가 질산기로 산화된다. 한편, 암모니아의 일부는 미생물의 세포질로 합성됨으로써 하수로부터 제거된다.

제1폭기조를 거치면서 형성된 질산기는 탈질조인 무산소조(5)에서 탈질소화(denitrification)되어진다. 탈질소화란 질산화와는 반대로 질산기가 미생물에 의하여 아질산기로, 그리고 다시 질소 분자(N₂)로 환원되는 것을 말한다. 탈질소 과정에서는 질산기가 수소 수용체로 작용하므로 혐기성 분위기, 즉 무산소 분위기가 조성되어야 한다. 이때, 공급하는 유기 탄소원으로 통상 메탄올을 사용하나 본 발명에서는 상기 2차 침전 슬러지와 함께 침전된 1차 침전 슬러지를 무산소조로 이송하여 유기 탄소원으로 사용하는 장점이 있다.

탈질조(25)에서 완전히 제거되지 않은 COD 성분이나 암모니아성 질소는 제2폭기조(26)에서 다시 제거되어진다. 제2폭기조는 일반 폭기조로 운영한다.

제2폭기조를 거친 하·폐수는 최종적으로 2차 침전지(27)에서 고액 분리되어 상징수는 방류되고(28) 침전된 활성 슬러지의 일부는 다시 침사지(21)나 1차 침전지(22)로 반송되며(29,30) 나머지 폐슬러지는 슬러지 처리 시설로 보내져서 처리된다(31).

한편, 세포에 합성된 인은 혐기성 상태에서 용출되며 호기성 상태에서는 과잉 섭취되는 현상이 있다. 이를 이용하여 상기 1차 침전지에서 인을 방출시키며, 후속하는 질산화-탈질소 과정에서 인을 효과적으로 섭취하여 제거할 수 있다. 활성슬러지를 구성하는 미생물의 균체 성분의 화학식은 슬러지의 종류나 처리되는 하수의 종류에 따라 C₅H₇NO₂, C₆₀H₈₇O₂₃N₁₂P, C₇H₁₁NO₃등의 식으로 표현될 수 있다. C₆₀H₈₇O₂₃P의 분자식에서 인의 함유율을 구하면 약 2.3%가 된다. 그러나, 본 발명의 하수처리 시스템으로 처리된 활성 슬러지에서는 인의 함유율이 2.3%보다 휠씬 높게 되어 인의 제거가 이루어진다.

인의 축적율이 높은 폐슬러지는 비료로서의 유효 성분이 높아지므로 비료화할 수 있는 장점도 있다.

이하, 본 발명의 하·폐수 처리 시스템 및 방법에 따른 바람직한 실시예를 상술한다.

[실시예]

본 발명의 하·폐수 처리 시스템을 설치한 다음 유입수의 COD_cr, 충질소(T-N) 및 총인(T-P)이 각각 250, 50, 5mg/L인 도시 하수처리 실험을 수행하였다. 이와 같이 COD/TKN 비가 낮은 하수의 경우에 있어 수리학적 체류 시간과 고형물 체류 시간(SRT: Solids Retention Time)을 각각 6시간과 15일로 운영한 결과 유출수의 전체 COD_cr, 총질소, 총인의 농도가 각각 15, 4, 0.9mg/L로 나타났으며, 이의 제거 효율은 94%, 92%, 82%이었다. 또한, 1차침전지후의 COD는 80mg/L로서 68% 정도가 흡착 제고되었으며, 침전된 슬러지는 탈질조로 이송되었다.

따라서, 본 발명의 하수처리 시스템을 이용할 경우 외부 유기물의 주입 없이 충분히 하수 원수 내의 탄소 성분을 이용하여 질소 및 인을 처리할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 하·폐수 처리 시스템 및 방법에 의하면 BOD 성분뿐만 아니라, 특히 국내 하·폐수에서 문제가 되고 있는 암모니아성 질소를 함께 제거할 수 있는 효과가 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

1. 하·폐수를 침사지에 유입하여 그릿(grit)을 제거하는 단계; 그릿이 제거된 하·폐수를 1차 침전지로 도입하고 2차 침전지로부터 상기 1차 침전지로 반송된 2차 침전 슬러지를 이용하여 COD와 암모니아성 질소를 분리하는 단계; 상기 1차 침전지로부터 배출되는 1차 슬러지중 일부를 제1폭기조 내로 도입하고 상기 제1폭기조에서 상기 COD중 미처리된 COD와 소정의 미생물과의 반응으로 활성 슬러지를 생성시킴과 동시에 하·폐수 중의 암모니아성 질소를 질산화시키는 단계; 상기 제1폭기조를 통과한 하·폐수를 무산소조내로 도입하여 탈질시키는 단계; 상기 탈질된 하·폐수를 제2폭기조 내로 도입하여 폭기시키는 단계; 그리고 상기 제2폭기조를 통과한 하·폐수를 상기 2차 침전지 내로 도입하여 유출수와 상기 2차 슬러지로 분리시킨 후, 상기 2차 슬러지를 상기 침사지 또는 상기 1차 침전지로 반송시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하·폐수 처리방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 탈질 단계를 상기 1차 침전지로부터 배출되는 상기 1차 슬러지와 상기 제1폭기조를 통과한 하·폐수를 혼합하여 교반함으로써 수행되어지는 것을 특징으로 하는 하·폐수 처리방법.
3. 침사지, 1차 침전지, 상기 1차 침전지에서 유기 물질을 분리 침전시킨 상등수내에 포함되어 있는 임모니아성 질소를 질산화시키기 위한 제1폭기조, 무산소 조건에서 하·폐수의 탈질작용을 수행하기 위한 무산소조, 상기 무산소조에서 탈질된 하·폐수를 폭기시키기 위한 제2폭기조 및 2차 침전지가 직렬로 연결되며, 상기 2차 침전지로부터 배출되는 침전 슬러지가 상기 침사지 또는 상기 1차 침전지로 반송되도록 구성되어진 것을 특징으로 하는 하·폐수 처리 시스템.
4. 제3항에 있어서, 상기 1차 침전지와 상기 무산소조가 연결되어 상기 1차 침전지로부터 배출되는 침전 슬러지가 상기 무산소조로 이송되어질 수 있도록 된것을 특징으로 하는 하·폐수 처리 시스템.
5. 제3항에 있어서, 상기 제1폭기조는 암모니아성 질소를 질산화시킬 수 있는 미생물을 포함하는 것을 특징으로 하는 하·폐수 처리 시스템.