KR100291240B1 - 회전원판법에 있어서 하수 및 오·폐수 처리의 질소, 인 제거방법 - Google Patents

Abstract

이 발명은 생활하수를 회전원판법 원리에 의한 원판을 이용 미생물의 생물막을 원판에 형성시켜 오염된 생활하수가 미생물에 정화되어 수질검사 기준에 적합한 수질이 되고, 고액 분리된 슬럿지는 양질의 유기비료가 되도록 처리하는 회전원판법에 의한 유기오수 처리 및 질소(N), 인(P) 제거 방법과 퇴비화 방법에 관한 것으로 스크린조(1)에 유입된 오수의 고형, 협잡물을 제거하고 침사지(2)와 최초 침전지(3)에서 모래와 입자가 큰 물질을 제거한 후 회전원판조(4)에서 원판 면적부하(15g/m²·day) 수량 면적부하(150ℓ/m²·day) 체류시간 2시간 이상 F/M비 0.06-0.1의 조건을 통과시켜 중간침전지(5)에서 침전분리하고, 탈질회전원판조(6)에서 메탄올을 질산농도 3 : 1로 첨가하여 원판 수량부하 (600ℓ/m²·day) 질산면적부하(NO₃- N₃g/m²·day)에서 100분정도 접촉시킨후 유산반토 및 폴리머를 첨가하여 응집시켜 전인(T-P)을 제거하고, 응집조(7)에서 응집시킨후 최종 침전조(8)에서 불순물을 제거한뒤 소독조(9)에서 소독처리하여 재활용하거나 방류하고 발생된 슬럿지는 유기질비료로 제조하는 것이다.

Description

회전원판법에 있어서 하수 및 오·폐수 처리의 질소, 인 제거방법

제1도는 본 발명의 실시예를 나타낸 플로우챠트.

제2도는 본 발명의 회전원판에 대한 설치상태측면도.

제3도는 본 발명의 회전원판에 대한 설치상태도.

제4도는 본 발명의 탈질 원판조에 대한 설치상태도.

제5도는 본 발명의 제3도의 A-A선 단면도.

제6도는 본 발명의 퇴비화장치에 대한 플로우챠트.

제7(a)도는 본 발명과 종래의 유지관리비를 비교한 그래프.

제7(b)도는 본 발명과 종래의 공사비를 비교한 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 스크린조 2 : 침사지

3 : 최초 침전지 4 : 회전원판조

5 : 중간침전지 6 : 탈질회전원판조

7 : 응집조 8 : 최종침전조

9 : 소독조 10 : 농축조

11 : 탈수기 12 : 고속퇴비화설비

20 : 원판조 21 : 원판체

22 : 축베어링 23 : 감속장치

24 : 사절판 25 : 프라스틱공

26 : 구종체인 및 스프로켓 a : 슬럿지

b : 수분조절장치 c : 1차 발효장치

d : 2차 발효장치 e : 건조장치

f : 유기질비료

이 발명은 수질오염의 큰부분을 차지하는 생활하수 또는 기타 유기오수처리에 관하여 회전원판법 원리에 의한 원판을 이용하여 미생물, 즉 세균(Amoeba, Paramecium, Opecularia), 원생동물, 조류 특히 후생동물 등으로 구성된 생물막을 원판에 형성하도록 하여 오염된 유기오수가 미생물에 정화 수질검사기준에 적합한 수질이 되고 고액분리된 슬럿지는 양질의 유기질비료가 되도록 처리하는 회전원판법에 있어서 유기오수의 질소(N), 인(P)제거방법과 퇴비화방법에 관한 것이다.

이 발명의 목적은 기존 하수처리의 단점을 없애기 위한 것으로 생물학적 처리후 생성된 슬럿지(Sudeg)를 토양에서 추출 배양된 호기성 미생물과 접촉시켜 유기농법이나 토양개량제로서 적합한 양질의 유기질비료를 생성함과 동시에 수질검사기준에 합당한 처리수를 만들어 공업용수 또는 농업용수로 재활용 할 수 있게 하므로서, 생활하수로 인한 수질오염의 심각한 문제점을 해결함과 동시에 국민 보건을 일신하는 그 목적과 유기오수의 질소(N), 인(P) 제거방법과 퇴비화 방법을 제공하고자 하는 것이다.

종래의 하수처리방법으로는 활성오니법 또는 산화구법 그것을 부분적으로 응용한 방법이 있었다.

예컨대, 종래의 처리공정을 살펴보면 유입된 생활하수의 각종 협잡물질을 스크린에서 제거한후 다시 침사지에서 모래 등을 침강시킨후 하수는 최초 침전지로 유입된다.

이때 최초 침전지에서 일정시간을 체류시키면 침전 가능한 물질일부가 침전하게 된다.

상등수는 폭기조로 이송되어 송풍기에 의하여 공기를 강제로 하수에 주입접촉시켜 호기성 세균균(활성오니)작용으로 하수가 활성화 되어 유기물질이 산화분해되므로 이를 최초 침전지로 이송시켜 일정시간 그대로 정지하면 고형분이 자연침전되고 상등수는 소독후 방류하고 침전물(슬럿지)은 직접 탈수처리하거나 소화조로 보내어 약15-30 일동안 장시간 소화시킨뒤 탈수기에 의해 탈수처리되어 매립처분하는 방법이 있다.

그러나 이러한 방법은 하수의 다량발생으로 시설비 및 동력비가 증가 할뿐만 아니라 특히 유지관리에 고도의 숙련된 기술을 필요로 하는 단점이 있을 뿐만아니라 불안전하게 처리된 하수를 방류함으로서 수자원을 오염시키고 탈수오니의 매립처분에 따른 운반비 및 부지확보 등 여러가지 문제점이 있었다.

또 PH, BOD, SS, 대장균 균수 등이 수질기준에 적합한 것이라 할지라도 질소화합물 및 인화합물에 의한 부영양화는 벼의 질소과잉에 의한 식생장애와 어업에 큰 피해를 줄 뿐만아니라 음료수나 공업용수로서 이용하기가 적합하지 않은 것이다.

이 발명은 종래의 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로 처리시설의 간소화를 도모하고 시설비, 관리경비, 동력비 등을 절감하여 운전관리의 안이화를 가함과 동시에 과학적인 처리방법으로 수질기준에 적합한 처리수를 얻을 수 있고 따라서 탈수오니를 이용 양질의 유기질 비료로 고속퇴비화함으로서 농촌소득증대는 물론 국가재정에 기여할 수 있는 특징이 있는 것이다.

이 발명의 실시예를 첨부시킨 도면에 따라 상세히 설명하기로 한다.

1) 하수의 전처리

차집관로에 따라 유입된 하수는 스크린조(1)에서 고형, 협잡물이 제거되고 침사지(2)에서 모래 등을 제거한뒤 1차 침전지(3)에 유입되어 급속으로 일정시간을 정치하면 입자가 큰 물질은 대부분 침전된다.

2) 회전원판처리

최초 침전지(3)에서 월류된 상등수는 회전원판조(4)에 유입되면 하수중에 존재하는 생물들이 표면에 부착하여 증식을 시작하게 된다.

원판 표면에 존재하는 생물군(Biomass)은 고형물로 약 50,000-100,000mg/ℓ가 되며 고농도의 미생물이 관여하게 되므로써 비교적 짧은 체류시간에 높은 정화효율을 얻게된다.

고정된 원판이 축과 함께 회전하게 되면 하수는 막상으로 공기중에 노출되어 회전하는 원판표면을 타고 흘러내리면서 공기중에 산소를 취도입하게 된다.

회전원판 표면에 생물군중 미생물들이 액막내 유기물과 산소를 이용하여 유기물을 산화분해시키고 세포질을 형성한다.

액막중에 남게되는 산소는 조내의 혼합액 중에 용존산소의 보급원이 된다.

이렇게 하여 미생물막이 형성되어 원판이 조내를 회전통과할때 과잉생물막은 전단력에 의해 떨어져나가게 하므로서 원판사이의 막힘이나 혐기화 또는 공기유통을 방해하는 일은 없다.

따라서 분리된 곳에 다시 생물막이 형성되어 생물량이 일정하게 유지된다.

또한 회전원판체의 회전과 조내의 혼합액을 교반시키므로 탈리된 생물군이 조바닥에 퇴적되지 않고 그대로 침전조로 운반되어 침전분리하게 된다.

이때 오수중에 유기물이 완전 산화하는 과정을 살펴보기로 한다.

BOD 산화균에 의하여 유기오수중의 유기물이 섭취되고 산소에 의하여 생화학적으로 산화되어 CO₂와 H₂O로 되는 산화과정과 이때 얻어진 에너지를 이용하여 섭취한 유기물이 미생물의 생체반응으로 균체로 전환하는 동화과정이 동시에 일어난다.

이때 산화과정과 동화과정의 화학식은 다음과 같다.

(1) BOD의 제거반응

호기성 생물처리에 있어서, BOD 제거는 미생물이 공기 또는 산소를 이용하여 오수중의 탄수화물, 지방, 단백질 등의 유기물을 일부는 CO₂와 H₂0로 산화분해시키고 일부는 자신의 세포질 합성에 사용된다.

오수중의 유기물량이 적게되면 다시 자기의 세포질을 분해하여 에너지를 얻게되는데 이러한 메카니즘을 표현하면

1) 유기분의 산화분해

[화학식 1]

2) 세포질의 형성

[화학식 2]

3)세포질의 산화

[화학식 3]

회전원판에 부착되는 생물군(Zooglea, Beggiatoa, Shaerotilus)을 중심으로 하는 세균류(Amoeba, Paramecium, Opecularia)등의 원생동물, 규조류, 염조류, 특히 후생동물과 광범위한 식물연쇄에 의한 슬럿지 발생량의 저하로 생각되어진다.

따라서 이들 생물상은 운전관리상 중요한 하나의 지표가 될수 있다. 또한 부하와 생물상의 관계를 지표생물군으로부터 알 수 있다.

① 적장부하인 경우의 생물상

원생동물(Opecularia, Epistylis)등이 우점적으로 발생하고, 윤충류(Philodina), 선충류(Rhagdolaimiss), 선모류(Chaetogaster) 및 세균류(Zooglearamigereg)등도 많이 출현한다.

생물군의 색상은 전형적인 회색을 띤다.

② 고부하인 경우의 생물상

Beggiatoa, Zoolearamigera가 우점적으로 발생하고 Paramecium, Candatum, Colpidium, Bodo, Cercobodo, Oikomonas 등도 다량 출현한다.

생물군의 색상은 흑색 또는 흑회색을 띠게 된다.

③ 저부하인 경우의 생물상

Euglypa, Arcella 등이 우점적이고 생물막은 갈색을 띤다.

3) 탈질 및 탈인처리

처리수를 재활용하기 위해서나 적합한 방류수 수질기준에 따라 질소(N)와 인(P)을 제거할 필요가 있다.

이때 호기성산화 원판조에서 1차 처리된 유출수는 탈질 원판조(5)로 유입시킨다.

여기서 회전원판체를 모두 침수시켜 혐기적 조건하에서 아질산성 질소나 질산성 질소를 원판체에 부착 증식하는 탈진균(Pseudomons 등)의 작용에 의해 질소가스로 환원하는 공정이다.

[화학식 4]

Pseudomonas 등의 탈질균은 증식에 유기탄소원(수소공여체)을 필요로 하는 종속영양세균으로서 호기적 조건에서는 산소호흡을 행하고 혐기적 조건에서는 MO3-분자중 산소를 사용하여 호흡하는 통성혐기성 세균이다.

탈질공정에서 수소공여체로서 메탄올을 사용토록 하고 첨가량은 다음 식으로 구하여 투입한다.

[화학식 5]

침전지에서 유출된 처리수를 재활용하기 위해서 질소(N)과 인(P)을 제거할 필요가 있다.

수소공여체로서 메탄올(Metand)을 질산농도 3 : 1로 첨가하여 전체가 침수된 원판조(20)에 투입시킨다.

즉 제2도와 제3도에서와 같이 원판조(20)는 콘크리트로 몰딩되어 저부는 평판이고 각각 스테이지(Stage)의 원판체(21)가 연속 설치되어 사절판(24)에 의해 조의 상,하부에서 번갈아가며 개방되어 있는 오수는 아래위로 유입되고, 감속장치(23)에 의해 구동체인 및 스프로켓(26)으로서 축베어링(22)을 회전시킬 수 있도록 되어 있다.

원판조(20)의 상부는 밀폐되지 않고 조수면 92％ 정도에 걸쳐서 직경 7-8cm의 검은 프라스틱공(25)을 띄우거나 수지 주머니를 띄워 습입장지와 원판상의 조류발생방지를 위해 일광을 차단한다.

이때 오수의 질소농도에 따라 변하지만 대체로 생활하수처리의 경우 원판수량부하를 600ℓ/m²·day로 하고 질산면적부하를 NO₃-N 3g/m2.day로 접촉시간은 100분 정도로 설정한다.

회전원판조(4)와 탈질회전원판조(6)에서 처리된 오수를 유산반토 및 폴리머를 첨가하여 응집시키면 인화합물이 제거된다.

탈인응집제로서는 알루미늄염이 가장 효율이 높게 나타났고 염화제2철도 사용할 수 있다.

알루미늄염으로서는 보통황산알미늄과 PAC가 이용된다.

[화학식 6]

이 반응은 수중의 올드 인산염이 알미늄이온과 반응하여 불용해성의 인산알미늄을 생성하며 제거된다.

2) 퇴비화처리

하수처리의 최종 폐기물인 슬럿지를 농축조(10)에 모아서 탈수기(11)에 의해 탈수시켜 케이크(Cake)는 퇴비화장치(12) 및 시설에서 톱밥, 왕겨등 수분조정제를 넣거나 퇴비화에 적당한 수분이 되었을때 PH, 온도, 송풍량을 조절하여 새로운 생물조건하에서 고속발효를 하기 위한 미생물 균주를 투입하여 이때 세포연령 및 생활환경전후, 조건차이 등에 따라 시간은 현저하게 짧아진다.

이 발명의 하수슬럿지 퇴비화는 오랜기간과 악취문제를 안고 있는 혐기성방법을 배제하고 고속발효를 하기 위한 안정된 호기적 방법을 채택하여 원판표면에서의 증식된 미생물을 이용하기 때문에 약간의 균주투입만으로도 경제적인 운전과 양질의 퇴비를 빠른 시간내에 생산할 수 있다.

이 발명은 기본적으로 1993년 출원 제7076호의 신균주 미생물을 이용한다.

여기서 퇴비제조과정에서 미생물의 대사작용은 세포가 행하는 물질대사에서는 물질의 분해하는 과정과 합성하는 과정으로 나눌수 있는데 이 두 과정이 상반하면서 세포의 생명이 유지되며 성장을 계속하게 된다.

먼저 물질의 분해와 합성과정을 살펴보면 다음과 같다.

① 탄수화물 분해

Bacillus Subtilis는 탄수화물을 분해하는 Amylase를 분비하여 탄수화물을 분해 용이한 6％ Glucose, 30％의 Maltose, 64％의 Dextrin등으로 분해하여 분해된 단당류는 박테리아의 먹이가 되어 박테리아 증식의 기본요소가 되며, 박테리아는 단당류를 섭취하여 분열증식, 계속해서 Amylase를 분비한다.

결국 단당류는 박테리아의 먹이가 되며 분해하며 물(H₂O) 및 탄산가스(CO₂)로 된다.

[화학식 7]

② 단백질 분해

Bacillus Subtilis 및 Bacillus Polymyxa에서 단백질 분해효소인 Protease를 분비하여 단백질을 분해 용이한 아미노산으로 변화시키어 변환된 N기를 함유한 아미노산은 Bacillus Subtilis 및 Bacillus Polymyxa 증식 성장의 기본 요소인 먹이가 된다.

아미노산류를 섭취, 분해하여 성장분열하여 계속 Protease를 분비한다.

결국, 아미노산 계열의 물질은 박테리아에 의해서 포식되고 분해하여 물(H₂O), 탄산가스(CO₂), 암모니아(NH₃)가 된다.

[화학식 8]

③ 지방질 분해

Rodopseudononss 속과 Bacillus Licheniformis 는 Lipase를 분비하여 지방분을 알코올과 지방산으로 분해하여 알코올과 지방산은 박테리아의 먹이가 되며, 박테리아는 알코올과 지방산을 먹이로 계속 증식하며, Lipase를 분비한다.

결국 알코올과 지방산은 박테리아에 의해 분해하여 물(H₂O)과 탄산가스(CO₂)로 된다.

[화학식 9]

④ 유화수소가스(H₂O)의 분해

Autotrophic Bacteria류인 Beggiatoacea에 의하여 SO4로 변환되므로 H₂S가스의 악취를 제거한다.

[화학식 10]

⑤ 암모니아의 분해

Nitrobactor, Pasudomonas에 의하여 암모니아(NH₃)를 NO₂로 변환시켜 결국 NO₃를 N₂로 날려보낸다.

암모니아에 의한 악취 및 자극성을 해소한다.

[화학식 11]

⑥ 셀룰로우즈의 분해

셀룰로우즈는 Tricchoderma Viride가 cellulase C1 효소를 강하게 분비하여 고분자 탄수화물 구조인 셀룰로우즈(섬유질)의 비결정형 부분의 분자구조를 공격하고 연결을 단절하면 Cellulase Cx형 효소에 의하여 결정부분이 분해되어 결국 분해 용이한 단당류로 전환된다.

단당류는 다시 박테리아에 의하여 가수분해되고 탄소의 대부분은 부식되어 남는다.

따라서 퇴비화에 호기성 분해미생물(Bacteria, Fungi, Yeast, Actinomycete)등이 있다.

특히, Bacteria는 당에 대해서 선택적이고 Fungi, Yeast, Actinomycete는 Cellulose계통에 선택적으로 작용한다.

이 발명의 고속퇴비(Cooposting)화 방법은 제4도와 같은 플로우 챠트를 갖는다.

이 발명은 상술한 바와같이 각 공정에 의하여 처리되는 것이나 도시 하수 경우를 실험운전한 실시예는 실험파이롯트 스케일의 처리시스템을 제작하여 이의 데이타를 이용하여 최종상용 및 데몬스트레이션용의 처리시설을 건설하는 전단게를 연구실험한 것으로 다음과 같다.

[표 1]

본 발명과 종래의 처리법 특성 비교

[표 2]

이 발명에 의하여 기대되는 효과는 다음과 같다.

생물학적 처리후 생성된 미생물군을 토양에서 추출 배양된 호기성 미생물과 접촉시켜 유기농법이나 토양개량제로서 적합한 양질의 유기질 비료로 고속 퇴비화하여 농춘소득 증대는 물론 국가제정에 기여하게 된다.

회전원판을 이용 미생물 즉 세균류 등의 원생동물, 조류 특히 후생동물 등으로 구성된 생물막을 원판에 형성하도록 하여 오염된 생활 하수가 미생물에 정화되어 수질검사 기준에 처리수를 공업용 또는 농업용수로 재활용할 수 있도록 하므로써 생활하스로 인한 수질오염의 심각한 문제를 해결하게 된다.

처리시설의 간소화를 도모하고 시설비, 관리경비, 동력비 등을 절감하여 운전관리비용 및 재활용 기술의 어려운 문제점을 해결함과 동시에 국민보건을 일신하는 것이다.

Claims (2)

1. 회전원판법을 이용하여 하수 또는 오폐수를 처리하는 방법에 있어서, 입자가 큰 고형물이 스크린조 및 최초 침전지에서 제거된 원수에 대해 회전원판조에서 직렬로 배열된 원판체들을 회전시켜 호기성 조건에서 원판에 부착된 산화세균에 의한 BOD의 제거를 수행한 후, 중간침전지를 거쳐, 탈질 회전원판조에서 직렬로 배열되고 완전침수된 원판체들을 회전시켜 혐기성 조건에서 원판에 부착된 탈질세균에 의한 질소의 제거를 수행하고(이때 탈질 회전원판조에 유효량의 메탄올을 탄소원으로서 첨가한다), 이어 얻어진 중간처리수에 대한 응집조에서 무기응집제를 첨가하여 인화합물을 흡착응집 제거한 다음 최종 침전지에서 불순물을 제거하고, 소독조에서 멸균처리하여 최종 방류하거나 농업용수 또는 공업용수로 재활용하는 것을 특징으로 하는, 하수 또는 오폐수의 질소 및 인 제거방법.
2. 제1항에 있어서, 침전지에서 발생된 슬럿지를 농축 및 탈수처리한 후 분리된 탈수케이크에 수분조절제와 발효제를 투입하여 일정기간 발효 및 건조시켜 유기질 비료화하는 것을 특징으로 하는 방법.

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