KR100246024B1 - 폐수처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 혐기성조, 제1산소조, 무산소조, 제2산소조, 침전조의 순으로 배치되어 있고, 원폐수 유입수단이 혐기성조 및 무산소조에 연결되어 있으며, 무산소조와 혐기성조 사이에 제1반송로, 제2산소조와 제1산소조 사이에 제2반송로, 침전조와 무산소조 사이에 제3반송로를 구비하는 폐수처리장치가 제공된다. 본 발명의 폐수처리장치는 탈질, 탈인의 효율이 높고, 폐수처리시간도 단축시킬 수 있어서 반응조의 크기의 축소가 가능하고 이에 따라 설비 비용도 줄일 수 있다. 또한, 각 반응조로 유입되는 유입수의 상태에 따라 외부 탄소원의 주입이 용이하게 이루어질 수 있고, 외부의 환경변화에 쉽게 대응할 수 있다.

Description

폐수처리장치

본 발명은 하,폐수내에 포함된 질소 및 인을 생물학적으로 제거하기 위한 폐수처리장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유입수의 분배량 및 반송량을 조절하여 질소와 인을 선택적 및 효율적으로 제거할 수 있는 폐수처리장치에 관한 것이다.

폐수 중의 질소 성분은 유기성의 유기질소 성분과 암모니아성 및 질산성의 무기질소 성분으로 분류되는데, 이들을 총칭하여 총질소 (T-N)이라 하며, 유기성 질소와 암모니아성 질소를 합하여 TKN (Total Kjeldahl Nitrogen)이라 한다. 하,폐수 중으로 유입되는 질소 성분은 대부분 TKN의 형태로 존재하며, 이러한 질소 성분이 생물학적으로 제거되기 위해서는 질산성 질소 (NO_x)로 전환되어야 한다. 유입되는 질소 성분 중 일부 (유기성 질소)는 미생물의 세포합성에 필요한 영양원으로서 사용됨으로써 제거되고, 나머지 질소 성분은 미생물의 작용으로 질산성 질소 (질산화 반응) 형태로 전환된 후 N₂기체로 되어 (탈질반응) 대기중으로 방출된다. 이러한 탈질반응에는 유기물이 필요하며, 용존산소가 존재하지 않아야 한다.

폐수 중에 존재하는 인을 제거하는 공정이 탈인공정이며, 미생물에 의해 이루어진다. 즉, 혐기성 상태에서는 인을 방출하고 유입수의 용해성 미생물로부터 형성되는 단쇄 지방산 (short chain fatty acid)을 PHB (polyhydroxybutyrate)로 세포내에 저장하며, 호기성 상태에서는 저장된 기질을 사용하면서 인을 섭취하여 폴리포스페이트 형태로 저장함으로써 폐수 중의 인이 제거된다. 혐기성 반응조에서는 미생물에 의한 인 방출을 위해 질산성 질소가 없어야 한다.

따라서, 폐수처리공정 중의 생물학적 탈질, 탈인공정은 미생물이 정상적으로 성장할 때 이들을 영양소로서 이용하는, 미생물의 성장을 기본으로 한다. 즉, 미생물 세포가 C,H,O,N으로 구성되어 있으며, 이러한 세포를 합성하기 위해서는 질소와 인이 필요하다. 따라서, 폐수내의 양분이 미생물을 위해서 적절한 것이라면 용존상태의 모든 질소 및 인은 미생물에 의해서 섭취되어 세포질로 변하게 될 것이다. 그러나, 이때 미생물은 탄소와 에너지의 공급을 위해서 탄수화물이나 기타 유기물을 필요로 하며, 탄소원의 종류에 따라 반응효율이 달라진다. 이와 같이, 탈질, 탈인이 효과적으로 이루어지기 위해서는 적절한 COD (또는 BOD):질소의 비가 유지되어야 한다. 그러므로 제거해야 할 폐수내의 질소와 인의 양에 따라서 필요한 탄소원의 양이 결정된다. 유기탄소원으로는 폐수 중에 존재하는 내부탄소원과 외부에서 추가적으로 주입되는 외부탄소원으로 구분되는데, 외부탄소원의 종류에 따라 반응속도와 처리효율이 달라지기 때문에 반응조의 체류시간이 달라질 수 있다.

생물학적 처리방법에서는 또한 미생물이 온도의 영향을 크게 받으므로, 온도조건에 따라 처리효율이 달라지게 된다. 겨울철과 같이 기온이 낮은 경우에는 질산화 반응속도가 낮아져서 탈질반응에 필요한 질산성 질소의 생성율이 저하된다. 이런 경우, 질산성 질소를 생성하기 위해 용존산소를 충분히 공급하여야 하는데, 용존산소의 농도가 높아지면 혐기성/무산소조의 작동조건을 유지할 수 없으므로 질소 및 인의 제거효율이 낮아지게 된다.

따라서, 폐수내에 포함된 질소와 인을 생물학적으로 처리하기 위해서는 폐수를 먼저 혐기성조/무산소조에 유입시켜 미생물에 의한 탈질반응과 인방출 반응이 일어나도록 한 후, 포기조에서 과잉 인 섭취와 질산화를 거치게 하는 것이 일반적인 방법이다.

미국특허 4,867,883호에는 1차 침전조, 혐기성조, 무산소조, 산소조, 2차 침전조의 순으로 구성되어 이들 반응조를 순서대로 거치는 한편, 무산소조에서 혐기성조로, 산소조에서 무산소조로, 2차 침전조에서 무산소조로 반송이 이루어지도록 되어 있는 폐수처리장치가 개시되어 있다. 이 폐수처리장치의 혐기성조에서는 1차 침전조의 처리수와 무산조로부터의 반송수가 유입되며, 내부 유기물을 이용하여 미생물들이 인을 방출하는 반응이 일어나는데, 이때 조건은 용존산소가 없어야 하는 것이다. 무산조에서는 2차 침전조로부터의 반송슬러지와 산소조로부터의 반송수 및 혐기성조로부터의 처리수가 유입되는데, 산소조로부터의 반송수에는 질산성 질소가 많이 포함되어 있어서 혐기성조로부터의 유입수에 포함되어 있는 유기물을 이용한 탈질반응이 일어난다. 산소조에서는 무산소조로부터의 처리수가 유입되어 유기물 제거와 질산화 반응을 위해 용존산소가 공급된다. 산소조에서 질산화 반응이 일어나지 않으면 무산소조에서 탈질반응이 일어날 수 없으므로 질소제거를 위해서는 산소조에서 질산화 반응이 일어나야 한다. 2차 침전조에서는 고액분리가 일어나, 침전된 슬러지의 일부는 무산소조로 반송되며 일부는 폐슬러지로서 폐기된다.

미국특허 4,056,465호에는 반응조의 구성은 상기 미국특허 4,867,883호와 동일하지만, 반송에 있어서는 차이를 나타내는 폐수처리장치가 개시되어 있다. 즉, 반송이 산소조에서 무산소조로, 2차 침전조에서 혐기성조로만 이루어지도록 되어 있다.

이와 같이, 종래의 폐수처리장치는 주로 폐수내에 포함된 유기탄소원을 이용하여 질소와 인을 제거하는 공정이 대부분이고, 폐수처리장치의 반응조 구성이 거의 동일성을 유지하는 것이었다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 폐수내의 유기물을 최대한 이용하여 탈질 및 탈인 반응이 일어날 수 있도록 유입수의 분배량 및 반송량을 조절하여 질소와 인을 선택적으로 제거할 수 있는 폐수처리장치를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일태양에 따른 폐수처리장치의 개략적인 구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1, 1a. 원폐수 유입수단 2. 제1반송로

3. 제2반송로 4. 제3반송로

5, 5a. 외부탄소원 공급수단 10. 혐기성조

20. 제1산소조 30. 무산소조

40. 제2산소조 50. 침전조

상기와 같은 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에서는 혐기성조, 제1산소조, 무산소조, 제2산소조, 침전조의 순으로 배치되어 있고, 원폐수 유입수단이 혐기성조 및 무산소조에 연결되어 있으며, 무산소조와 혐기성조 사이에 제1반송로, 제2산소조와 제1산소조 사이에 제2반송로, 침전조와 무산소조 사이에 제3반송로를 구비하는 폐수처리장치가 제공된다.

혐기성조와 무산소조 중 적어도 하나의 반응조에 외부탄소원 공급수단이 연결되어 있는 것이 바람직하다.

외부탄소원으로는 미생물이 이용할 수 있는 것이라면 어느 것이든 무방하다.

상기 각각의 반응조는 다단으로 이루어져 있는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 일태양에 따른 폐수처리장치에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일태양에 따른 폐수처리장치의 개략적인 구성도이다.

도 1의 폐수처리장치는 혐기성조(10), 제1산소조(20), 무산소조(30), 제2산소조(40), 침전조(50)가 이 순서대로 배치되어 있고, 혐기성조(10)와 무산소조(30)에 원폐수 유입수단(1,1a)이 연결되어 있고, 무산소조와 혐기성조 사이에 제1반송로(2), 제2산소조와 제1산소조 사이에 제2반송로(3), 침전조와 무산소조 사이에 제3반송로(4)가 구비되어 있으며, 혐기성조(10)와 무산소조(30)에 외부탄소원 공급수단 (5,5a)이 연결되어 있다.

혐기성조(10)에서는 원폐수 유입수단(1)을 통해 유입된 원폐수와 무산소조(30)로부터 제1반송로(2)를 통해 반송되는 슬러지가 혼합되며, 경우에 따라 외부탄소원 공급수단(5)을 통해 외부탄소원의 주입이 이루어질 수 있다. 혐기성조(10)에는 용존산소가 없어야 되며, 질산성 질소도 없어야 인의 방출반응이 효율적으로 일어날 수 있다. 인의 방출현상은 미생물 세포내의 ATP가 ADP로 되면서 발생되는 에너지를 이용하여 유기물질을 세포내 PHB (폴리하이드록시 부티레이트)의 형태로 저장한다. 폐수내에 질산성 질소가 존재하면 전자수용체로서 질산성 질소를 이용하기 때문에 인의 방출반응은 일어나지 않게 된다. 인의 방출반응이 일어나지 않게 되면 다음 반응조인 제1산소조(20)에서 인의 과잉섭취반응이 일어나지 않게 되므로 인의 제거가 이루어지지 않게 된다, 인의 방출반응에는 PHB 등의 형태로 변화될 수 있는 유기물질이 있어야 하므로 혐기성조로 외부탄소원의 공급이 이루어지는 것이 바람직하다. 유기물질의 형태에 따라 반응속도가 다르므로, 반응조의 크기도 이에 따라 조절될 수 있다.

제1산소조(20)에서는 혐기성조(10)로부터의 유입수와 제2산소조(40)로부터의 반송수가 혼합되며, 용존산소가 존재해야 한다. 혐기성조(10)에서 방출된 인이 미생물에 의한 과잉섭취로 제거되며, 질산화 반응도 일어나게 된다.

무산소조(30)에서는 원폐수의 일부가 원폐수 유입수단(1a)을 통해 유입되어 산소조(20)로부터의 유입수 및 침전조(50)로부터의 반송슬러지와 혼합된다. 무산소조(30)에서는 산소조(2)로부터의 유입수에 포함된 질산성 질소와 원폐수 유입수단(1a)을 통해 유입된 원폐수 내의 탄소원 또는 외부탄소원 공급수단(5a)을 통해 주입된 외부탄소원을 이용하여 탈질반응이 이루어진다. 이러한 탈질반응에서는 1g의 질산성 질소를 제거하기 위해 3-4.5g의 유기물질이 필요하게 된다. 따라서, 유입수내의 탄소원만으로 부족한 경우에는 외부에서 추가적으로 탄소원이 공급되어야 한다. 탄소원의 종류에 따라 미생물의 탈질반응 속도와 이용효율이 다르기 때문에 외부에서 탄소원을 공급하는 경우에는 이러한 점을 충분히 고려하여 반응조를 설계하는 것이 바람직하다.

제2산소조(40)에서는 무산소조(30)로부터의 처리수에 대해 유기물질의 제거와 암모니아성 질소와 유기성 질소의 제거가 이루어지게 된다. 이때, 니트로조모나스 (Nitrosomonas)와 니트로박터 (Nitrobactor) 등의 미생물에 의해 질산화가 일어난다. 질산화반응에 관여하는 미생물은 자가영양 세균 (autotrophic bacteria)으로서 용존산소와 pH에 의한 영향을 많이 받으므로, 제2산소조(40)내에는 항상 용존산소가 풍부해야 한다. 질산화 반응에 의해 전환된 질산성 질소가 포함된 처리수가 탈질반응을 위해 제2반송로(3)를 통해 제1산소조(20)로 반송된다.

침전조(50)에서는 제2산소조(40)로부터의 처리수가 유입되어 고액분리가 이루어지게 되고, 침전된 슬러지는 제3반송로(4)를 통해 무산소조(30)로 반송된다.

본 발명의 폐수처리장치를 이용하게 되면 상기와 같은 과정을 통해 폐수처리가 이루어짐으로써 탈질과 탈인이 효율적으로 이루어질 수 있게 된다.

이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 본 발명의 범위가 하기 실시예로만 제한되는 것이 아님은 물론이다.

<실시예 1>

도 1에 도시되어 있는 폐수처리장치를 사용하여 혐기성조(10)와 무산소조(30)에 각각 원폐수를 50%씩 유입시켰다. 슬러지 반송율은 침전조(50)에서 무산소로(30)로는 50%, 제2산소조(40)에서 제1산소조(20)로는 100%, 무산소조(30)에서 혐기성조(10)로는 25%가 되게 하였으며, 침전조를 포함한 총 반응조 체류시간을 8-14시간으로 하였다.

<실시예 2>

도 1에 도시되어 있는 폐수처리장치를 사용하여 혐기성조(10)와 무산소조(30)에 각각 원폐수를 25%와 75% 유입시켰다. 슬러지 반송율은 침전조(50)에서 무산소로(30)로는 50%, 제2산소조(40)에서 제1산소조(20)로는 100%, 무산소조(30)에서 혐기성조(10)로는 25%가 되게 하였으며, 침전조를 포함한 총 반응조 체류시간을 8-14시간으로 하였다.

<실시예 3>

도 1에 도시되어 있는 폐수처리장치를 사용하여 혐기성조(10)와 무산소조(30)에 각각 원폐수를 25%, 75% 유입시켰다. 슬러지 반송율은 침전조(50)에서 무산소로(30)로는 50%, 제2산소조(40)에서 제1산소조(20)로는 150%, 무산소조(30)에서 혐기성조(10)로는 50%가 되게 하였으며, 침전조를 포함한 총 반응조 체류시간을 8-14시간으로 하였다.

<실시예 4>

도 1에 도시되어 있는 폐수처리장치를 사용하여 혐기성조(10)와 무산소조(30)에 각각 원폐수를 25%, 75% 유입시켰다. 슬러지 반송율은 침전조(50)에서 무산소로(30)로는 50%, 제2산소조(40)에서 제1산소조(20)로는 200%, 무산소조(30)에서 혐기성조(10)로는 25%가 되게 하였으며, 침전조를 포함한 총 반응조 체류시간을 8-14시간으로 하였다.

<실시예 5>

상기 실시예 1-4의 각 경우에 대해 무산소조(30)에 외부탄소원을 공급하였다. 외부탄소원으로는 아세트산, 메탄올, 휘발성 지방산 (VFA: volatile fatty acid)을 50ppm, 100ppm, 150ppm의 농도가 되도록 주입하였다. 이때, 혐기성조(10)와 무산소조(30)의 상태를 ORP (oxidation reduction potential) 측정을 통해 모니터링하면서, 외부탄소원의 주입량을 조절하였다. 혐기성조(10)에서의 ORP값은 -200 이하가 되도록 하고, 무산소조(30)에서의 ORP값은 -50 내지 +100이 되도록 하였다.

<실시예 6>

실시예 5를 반복하되, 혐기성조(10)에도 외부탄소원을 주입하였다.

<평가방법>

상기 실시예 1 내지 6에서의 폐수처리효율과 동일한 조건의 유입수에 대해 통상의 폐수처리장치 (종래기술분야에 기재된 구성으로 되어 있는 폐수처리장치)를 이용한 경우의 폐수처리효율을 하기 표 1에 기재된 항목별로 비교하여 하기 표 1에 나타내었다. 질소 및 인의 농도에 대한 측정은 표준방법에 따라 실시하였다.

구 분	실시예 1-6	종래 폐수처리장치
처리수 수질: 질소	≤ 3-5mg/l	10mg/l
처리수 수질: 총인	≤ 0.5mg/l	≤0.5-1mg/l
질소제거율	≥ 90%	60-80%
총인제거율	≥ 90%	89%
총반응조 체류시간	6-14시간	8-24시간

상기 표 1에 나타나 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 폐수처리장치를 이용하는 경우에는 질소 및 총인의 제거율이 90% 이상으로 높아서 종래의 폐수처리장치를 이용하는 경우에 비해 증가된 것을 알 수 있으며, 처리시간도 크게 단축시킬 수 있다.

이상 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 폐수처리장치는 탈질, 탈인의 효율이 높고, 폐수처리시간도 단축시킬 수 있어서 반응조의 크기의 축소가 가능하고 이에 따라 비용도 줄일 수 있다. 게다가, 기존의 일반적인 폐수처리장치를 개조하고 일부 장치만을 추가함으로써 기존의 설비를 이용할 수 있으므로 공정전환으로 인한 추가 비용 발생도 최소화될 수 있다. 또한, 각 반응조로 유입되는 유입수의 상태에 따라 외부 탄소원의 주입이 용이하게 이루어질 수 있고, 외부의 환경변화에 쉽게 대응할 수 있다.

Claims (4)

1. 혐기성조, 제1산소조, 무산소조, 제2산소조, 침전조의 순으로 배치되어 있고, 원폐수 유입수단이 상기 혐기성조 및 무산소조에 연결되어 있으며, 상기 무산소조와 상기 혐기성조 사이에 제1반송로, 상기 제2산소조와 상기 제1산소조 사이에 제2반송로, 상기 침전조와 상기 무산소조 사이에 제3반송로를 구비하는 폐수처리장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 각각의 반응조는 다단으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 폐수처리장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 혐기성조와 상기 무산소조 중 하나 이상의 반응조에 외부탄소원 공급수단이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 폐수처리장치.
4. 제 3항에 있어서, 외부탄소원이 미생물이 이용할 수 있는 것임을 특징으로 하는 폐수처리장치.