KR100294075B1 - 침출수처리방법및장치 - Google Patents

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Abstract

매립지에서 발생하는 침출수에 포함된 BOD, 총질소, 부유성 고형물 등을 효과적으로 제거하기 위하여 기존의 생물학적 처리공정을 변형시켜 미생물담체와 침지형 중공사분리막을 부가하고 후단에 역삼투막을 설치한 침출수 처리장치는 담체를 이용하여 높은 미생물 농도를 유지시킴으로써 처리효율, 공정효율 및 질소제거율을 향상시킬 수 있고, 호기조 후단에 설치된 침지형 분리막을 통하여 혼합액으로부터 직접 투과수를 얻을 수 있으므로 침전지와 슬러지 반송 등이 필요없고 별도의 역삼투막 전처리 설비 및 부지 없이도 안정적으로 양질의 투과수를 얻을 수 있다.

Description

침출수 처리방법 및 장치
[산업상 이용분야]
본 발명은 침출수 처리방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 매립지에서 발생하는 침출수 내의 용존유기물질, 무기물질 및 부유물질의 제거를 극대화시키기 위한 침출수 처리방법 및 장치에 관한 것이다.
[종래 기술]
매립지에서 발생하는 유해 침출수는 매립폐기물의 성분, 매립지 연령, 강우량, 폐기물 층의 수분함량, 매립지 설계조건, 매립후 경과년수 및 지역 등에 따라서 그 성상이 달라지지만, 일반적인 성질은 다음과 같다. 폐기물을 매립하고 2∼3년이 경과하면 침출수 농도가 최대가 되고, COD(chemical oxygen demand)는 대략 10,000∼30,000㎎/ℓ, BOD/COD는 0.4∼0.8가량으로서(BOD: biochemical oxygen demand), 이 시기는 생분해가 비교적 용이하여 생물학적 처리가 중점이 되는 시기이다. 이후 시간이 경과함에 따라 COD는 1,000∼3,000㎎/ℓ 가량으로 낮아지고, BOD/COD도 0.4 이하로 낮아져 생분해가 쉽게 일어나지 않고, 특히 침출수 내의 질소 성분이 높아져 질소 성분이 완전히 처리되지 않고 유출되는 문제가 발생하며, 매립 후 오랜 시간이 경과한 뒤에는 생물학적으로 처리할 수 있는 성분이 거의 없어 물리, 화학적인 처리가 중심을 이루게 된다. 따라서 침출수를 처리하는 기술은 크게 생물학적 처리법과 물리, 화학적인 처리법으로 대별할 수 있으며, 침출수의 특성에 따라 이들을 적절히 조합하여 운영하고 있다.
이들 중 생물학적 처리법은 주로 미생물을 이용하여 폐수 내의 오염물질을 분해, 해독 및 분리시키는 것으로서, 이때 이용되는 미생물로는 세균, 균류, 조류, 원생동물 등이 있으며 일부 하등동물이 이용되는 경우도 있다. 이러한 생물학적 처리법으로는 활성슬러지법, 접촉포기법, 회전원판법, 혐기성처리법 및 이들의 변형 공정이 있으며, 일반적으로 처리의 전단부에는 혐기성처리법을 사용하고, 최근에는 질소를 제거하기 위한 공정으로의 변형이 많이 이루어지고 있다. 생물학적 처리법은 비교적 저렴한 경비와 다양한 공정 등으로 세계적으로 가장 널리 사용되는 폐수처리방법이지만, 다음과 같은 몇 가지 단점으로 인해 침출수를 처리하기에는 적당하지 않다. 우선, 침출수는 고농도이고 독성물질을 많이 함유하므로 생물학적 처리법은 용적부하를 낮게 유지하기 위해 대규모의 처리부지가 소요되고, 시간이 지남에 따라 점차 난분해성 유기물이 증가하고 혐기조 부분의 역할이 감소하므로 처리효율이 감소한다. 또한, 생물학적 처리법은 질소 제거율이 낮고, 폐수의 양과 수질의 변화 및 유해물질에 의해 영향을 쉽게 받으므로 유기물부하 변동으로 인해 공정효율이 저하된다.
한편, 물리, 화학적 처리법은 망의 사용, 혼합, 응결, 침전, 부상, 세척, 진공여과, 열전달, 건조 등의 물리적인 힘을 사용하여 폐수를 처리하는 물리적 처리법과 화학약품을 사용하여 오염물을 제거하는 화학적 처리법을 포함한다. 물리, 화학적 처리법에는 응집침전법, 오존산화법, 모래여과, 활성탄 흡착, 펜톤(Fenton) 산화 및 분리막법 등이 있다. 이들 중 화학적인 방법으로는 응집침전 또는 펜톤 산화가 가장 일반적으로 사용되는데, 약품비가 다량 소요되고 운전에 주의를 요해야 하며, 슬러지가 많이 발생한다는 단점이 있다. 물리적인 방법으로는 주로 역삼투막(reverse osmosis membrane)을 사용하는데, 일반적으로 역삼투막 전단부에 모래여과, 정밀여과 등의 설비를 두어 전처리를 하고 있다. 역삼투막은 폐수 처리에 상당한 효과를 나타내지만, 유기물 또는 무기물 등의 부착물로 막이 오염되어 막히는 파울링(fouling) 현상을 방지하기 위해 전처리에 상당한 주의가 필요하고, 전처리 설비로 인해 초기 투자비가 많이 소요된다는 문제점이 있다. 또한, 스케일 형성 및 미생물 성장에 의한 막오염과 수명 감소의 문제를 해결하기 위하여 스케일 형성방지 및 미생물 성장방지를 위한 약품설비를 추가해야 하고, 전처리 설비 및 역삼투막 설비의 고압 운전으로 인해 높은 전력비가 소요되는 문제가 있다.
현재의 침출수 처리공정은 상기한 생물학적 공정과 물리, 화학적 공정을 필요에 따라 조합하여 처리하고 있으나, 그 처리효율에 한계가 있어 안정적인 수질을 얻지 못하고, 공정과 설비가 지나치게 복잡하며, 약품비 및 운전비용이 크다는 문제점을 가지고 있다. 또한 경과년수에 따라 침출수의 특성이 달라져 공정이 유연성 있게 운영되어야 하므로 현재의 방식으로는 설비의 낭비 및 운영의 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 첫째로 역삼투막 공정의 전처리 설비를 간소화하여 초기 투자비를 줄이고, 막오염방지 및 수명을 확보하는 것이며, 둘째는 소규모의 부지를 사용하고, 처리효율, 공정효율 및 질소제거율을 높이고, 고가의 약품비를 줄이며, 운전을 용이하게 할 수 있는 침출수 처리방법 및 장치를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 침출수 처리장치의 개략도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 침출수 처리장치 중 생물학적 처리부의 상세도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 침출수 처리장치의 생물학적 처리부 중 호기조 후단의 침지형 중공사막 모듈부 상세도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2: 혐기조 3: 무산소조 4: 호기조
6: 침지형 중공사막 모듈 8: 저류조 9: 역삼투막
15: 담체 17: 산기장치 18: 중공사막
[과제를 해결하기 위한 수단]
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 침출수의 용존 유기물을 분해하는 생물학적 처리조, 상기 생물학적 처리조 내에 포함되어 침출수의 부유고형물을 제거하여 양질의 투과수를 생산하는 침지형 중공사막 모듈 및 상기 침지형 중공사막 모듈에 연결되어 양질의 투과수로부터 처리수를 생산하는 역삼투막을 포함하는 침출수 처리장치를 제공한다.
본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 전체적인 침출수 처리의 개략적인 장치는 도 1에 나타내었고, 생물학적 처리부의 상세도는 도 2에 나타내었다. 본 발명의 침출수 처리장치는 생물학적 처리조 이전에 용존 유기물을 분해하는 혐기조(2)를 더욱 포함하는 것이 바람직하므로, 유입침출수(1)는 먼저 혐기조(2) 내에 유입된다. 혐기조(2) 내부에는 일반적으로 유기산생성세균과 메탄생성세균이 존재하고, 유입된 침출수(1)는 혼합기(13)에 의해 이들 미생물과 혼합된다. 상기 유기산생성세균이 유입침출수(1) 내의 유기물을 발효시켜 유기산을 생성하고, 이 유기산이 메탄생성세균에 의해 분해되어 메탄을 생성하는 2단계의 반응에 의해 고농도의 용존성 유기물이 분해된다.
혐기조(2)에서 유입침출수(1)와 미생물이 혼합된 혼합액은 생물학적 처리조로 유입되는데, 생물학적 처리조는 용존 유기물을 분해하고, 질산성 질소를 탈질시키는 무산소조(3) 및 상기 무산소조(3)와 연결되어 유기물을 분해하고, 암모니아성 질소를 질산화시키는 호기조(4)를 포함한다. 혼합액은 먼저 무산소조(3)로 유입되고, 혼합기(13)에 의해 무산소조(3) 내에 존재하는 혐기성 미생물과 혼합되어 계속적인 유기물 분해가 일어난다.
무산소조(3)를 통과한 혼합액은 후단의 호기조(4)로 유입된다. 호기조(4)는 호기성 미생물과 질산화 미생물을 포함하고 있으므로, 호기성 미생물의 대사작용에 의해 유기물이 이산화탄소와 물로 분해되어 유기물이 제거되고, 질산화 미생물에 의해 암모니아성 질소(NH3)가 질산성 질소(NO3 -)로 전환된다. 또한, 호기조(4)는 그 내부에 담체(15), 산기 장치(17) 및 침지형 중공사막 모듈(6)을 포함한다.
담체(15)는 비중이 20 내지 80㎏/㎥이고, 부피가 0.1 내지 100㎠인 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 그의 유도체로 이루어진 군에서 선택되고, 입방형, 구형 또는 실린더형인 것이 바람직하며, 전체 호기조(4) 부피의 10 내지 30%로 포함되는 것이 바람직하다. 담체(15)는 호기조(4)에 충진되어 미생물을 집적시키는 역할을 하는데, 본 발명에서는 담체(15)로 인하여 호기조(4) 내의 호기성 미생물과 질산화 미생물이 MLSS(mixed-liquor suspended solid) 10,000-20,000㎎/ℓ 정도의 고농도로 유지된다. MLSS는 폭기조 내의 슬러지량을 측정하는 단위로서, 일반적으로 미생물 함량을 나타내는 것으로 인정된다.
산기장치(17)는 호기조(4)로 유입된 혼합액과 미생물을 혼합하므로 담체(15)의 원활한 유동이 일어날 수 있는 구조로 배치되고, 질산화 미생물에 의해 암모니아성 질소를 질산성 질소로 변화시킬 때 필요한 산소와 미생물의 호기성 대사에 필요한 산소를 공급한다.
호기조(4)에서 전환된 질산성 질소는 드래프트 튜브(draft tube)(5)를 이용하여 다시 무산소조(3)로 내부반송된다. 무산소조(3)로 내부반송된 질산성 질소는 질소가스(N2)로 탈질(denitrification)되며 이때 필요한 유기물은 유입되는 침출수로부터 공급된다. 상기한 것과 같이 호기조(4)에서 암모니아성 질소를 질산화시키고, 이를 무산소조(3)로 반송시키는 탈질소-질산화방법은 탈질소시 필요한 탄소원으로 유입침출수를 그대로 사용할 수 있다는 장점이 있다.
호기조(4) 내에서 부유미생물과 담체(15)에 부착된 고농도 미생물의 대사작용에 의해 용해성 또는 저분자 유기물 성분이 제거된 혼합액(14)은 호기조(4)의 내부 후단에 설치된 침지형 중공사막 모듈(6)로 보내진다. 이때, 호기조(4) 내부에 스크린(16)이 설치되어 담체(15)가 호기조(4) 후단으로 흐르는 것을 방지하므로, 담체(15)에 집적된 미생물로 인한 침지형 중공사막 모듈(6)의 막오염을 방지할 수 있다. 침지형 중공사막 모듈(6)은 호기조(4)에 잠겨진 하우징이 없는 원통형, 사각형 또는 원추형 구조로서, 오염에 강한 형태의 구조의 모듈을 호기조(4) 후단에 수직으로 구성하는 것이 바람직하고, 처리용량에 따라 하나 또는 둘 이상을 연결하여 사용할 수 있다.
침지형 중공사막 모듈부의 구조는 도 3에 나타내었다. 침지형 중공사막(18)은 공극크기가 0.005 내지 0.5㎛이고, 폴리설폰(polysulfone), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리에틸렌(polyethylene) 및 폴리프로필렌(polypropylene)으로 이루어진 군에서 선택되며, 친수성 처리를 한 재질의 막인 것이 바람직하다. 생물학적 처리조를 거쳐 용존 유기물이 제거된 혼합액은 침지형 중공사막(18)을 투과하여 상부의 집수관(19)을 통해 배출되는 구조를 이루고, 이때 부유고형물(suspended solids) 성분은 침지형 중공사막(18)에 의해 완전히 제거된다.
침지형 분리막 모듈부에는 운전의 자동화를 위하여 중공사막(18)을 투과하는 투과수의 압력을 측정하는 압력계(20), 유량을 측정하는 유량계(21,22), 막으로 공기를 주입할 수 있는 블로워(26), 혼합액을 끌어올려 상부의 집수관(19)을 통해 배출시키기 위한 펌프(23) 및 펌프의 작동을 조절하기 위한 타이머 또는 PLC(programable logic control)(24,25)를 설치하는 것이 바람직하다. 혼합액의 압력은 다음의 공정에 영향을 주지 않도록 0.1-0.4㎏f/㎠ 정도의 낮은 압력으로 조절되는 것이 바람직하다. 펌프(23)는 30분 내지 6시간동안 가동시켜 투과수(7)를 배출하고, 30초 내지 5분간 펌프가동을 중단시키고, 이때 막 내부로 역세를 위한 공기 또는 역세수를 주입함으로써 막의 투과성능을 회복시키는 것이 바람직하다.
투과수(7)를 생산하는 동안에는 제1 타이머 또는 PLC(24)가 작동하여 펌프(23)를 가동시켜 집수관(19)으로부터 투과수(7)를 생산하고, 이때 압력계(20)로 펌프(23)의 흡인압력을 측정하고, 제1 유량계(21)로 처리수량을 측정하며, 이 동안 제2 타이머 또는 PLC(25)는 작동하지 않는다. 역세 기간 동안에는 제1 타이머 또는 PLC(24)를 정지시켜 펌프(23)의 가동을 중단시키고 제2 타이머 또는 PLC(25)를 가동시켜 블로워(26)를 사용해 집수관(19)으로 역세공기를 주입한다. 이때, 펌프(23)의 작동과는 관계없이 블로워(26)를 사용하여 막의 하부로 세정공기를 항상 주입하며, 주입공기의 유량은 제2 유량계(22)로 측정한다. 세정공기는 중공사막(18) 표면에 부착된 고형물을 탈리시키는 역할을 한다.
또한, 막표면에 부착된 고형물은 모듈부 하부의 산기장치(17)에서 방출되는 미세기포(산소)에 의한 요동으로 탈리된다. 분리된 부유고형물은 호기조(4) 내에 계속적으로 축적되므로 미생물을 고농도로 유지시킬 수 있으며, 필요한 양 이상의 미생물은 반출하여 슬러지 처리과정을 거치게 된다.
침지형 중공사막 모듈(6)을 거친 투과수(7)는 역삼투막(9)으로 보내지기 전에 저류조(8)로 유입된다. 역삼투막(9) 공정은 고압의 운전이 필요하므로 연속적으로 막에 공급할 수량을 확보하여야 하는데, 저류조(8)는 침지형 중공사막 모듈(6)로부터 주기적으로 생산되는 투과수(7)를 저장하여 다음의 역삼투막(9)으로 일정량(30분 내지 1시간 분량)의 투과수(7)를 공급하는 역할을 한다.
저류조(8)를 통과한 혼합액은 역삼투막(9)으로 보내지고, 역삼투막(9)에서는 저류조(8)까지의 처리공정에서 처리되지 못한 난분해성 유기물과 무기 영양소가 제거되어 최종적으로 안정적인 수질의 최종 처리수(10)를 생산하게 된다. 이 공정에서 발생되는 농축수(11)는 증발농축기(12)에서 처리되거나 경우에 따라서는 매립지로 직접 살포된다.
본 발명에 의한 침출수 처리방법 및 장치는 기존의 생물학적 처리장치에 미생물 담체 및 침지형 분리막을 결합함으로써, 고농도의 미생물을 집적시켜 기존 공정에 비해 3-10배 높은 유기물부하(3-10㎏ BOD/㎥/일)를 처리할 수 있으며, 질소 제거율을 향상시킬 수 있으므로 기존 침출수 공정에 소요되는 폭기조를 ⅓ 이상 줄일 수 있고, 호기조 내부의 침지형 분리막을 통하여 저압으로 양질의 투과수를 얻음으로써 별도의 전처리 부지와 설비 없이 후단 역삼투막 공정의 안정성과 수명을 유지할 수 있다.

Claims (2)

  1. 침출수를 미생물을 집적하는 담체를 포함하는 생물학적 처리조에 투입하여 용존 유기물 및 질소를 제거하고; 상기 용존 유기물 및 질소를 분해한 침출수를 상기 생물학적 처리조 내에 포함된 침지형 중공사막 모듈에 0.1 내지 0.4 kgf/cm2의 압력으로 통과시켜 부유 고형물을 제거하여 양질의 투과수를 얻고; 상기 양질의 투과수를 역삼투막을 직접 통과시켜 최종 처리수를 생산하는; 공정을 포함하는 침출수의 처리방법으로서, 상기 담체는 비중이 20 내지 80 kg/m3이고 부피가 0.1 내지 100 cm2이며, 폴리우레탄, 폴리에틸렌 및 그 유도체로 이루어진 군에서 선택되며, 상기 중공사막 모듈은 폴리설폰, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌으로 이루어진 군에서 선택되며, 친수성 처리를 한 재질의 막으로 이루어지고, 막 내부로의 주기적인 공기역세 및 수역세가 가능한 구조를 가지며, 상기 생물학적 처리조 내 미생물의 농도가 10,000 내지 20,000 mg/ℓ로 유지되는 것을 특징으로 하는 침출수의 처리방법.
  2. 미생물을 집적하는 담체를 포함하며 침출수의 용존 유기물을 제거하는 생물학적 처리조; 상기 생물학적 처리조 내에 포함되어 침출수의 부유고형물을 제거하여 양질의 투과수를 생산하는 침지형 중공사막 모듈; 및 상기 침지형 중공사막 모듈에 연결되어 양질의 투과수로부터 직접 최종 처리수를 생산하는 역삼투막을 포함하는 침출수 처리장치로서, 상기 담체는 비중이 20 내지 80 kg/m3이고 부피가 0.1 내지 100 cm2이며, 폴리우레탄, 폴리에틸렌 및 그 유도체로 이루어진 군에서 선택되며, 상기 중공사막 모듈은 폴리설폰, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌으로 이루어진 군에서 선택되며, 친수성 처리를 한 재질의 막으로 이루어지고, 막 내부로의 주기적인 공기역세 및 수역세가 가능한 구조를 가지며, 상기 생물학적 처리조 내 미생물의 농도가 10,000 내지 20,000 mg/ℓ로 유지되는 것을 특징으로 하는 침출수의 처리장치.
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