KR100304544B1 - 혐기발효조를이용한개량된하·폐수의영양소제거방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 혐기발효조에 고농도 유기성 폐액을 주입하여 혐기성 상태에서 발효시킨 후 생성된 유기산(Volatile Fatty Acid, VFA)을 미생물 처리 공정에 공급시킴으로써 하·폐수중의 질소와 인을 효율적으로 제거하기 위한 것으로, 유입 하·폐수를 혐기조건, 제1무산소조건 및 호기조건의 순서로 미생물처리하는 공정(미생물처리공정), 상기 미생물처리된 방출수를 침전시키는 공정(침전공정), 상기 침전후의 침전미생물(반송슬러지)을 상기 미생물처리공정중의 혐기조건중으로 반송하는 공정(슬러지반송공정)으로 이루어진 하·폐수의 영양소 제거방법에 있어서, 고농도 유기성 폐액을 혐기발효하여 생성된 슬러지를 탈수하여 유기산을 생성하는 공정(유기산생성공정)과, 상기 슬러지반송공정중의 반송슬러지내의 질산화물(NOx-N)을 제거시키기 위하여 상기 생성된 유기산과 상기 침전공정으로부터의 반송슬러지를 제2무산소조건에서 혼합하는 공정(슬러지혼합공정)이 슬러지반송공정전에 부가된 혐기발효조를 이용한 개량된 하·폐수의 영양소 제거방법이다.

Description

혐기발효조를 이용한 개량된 하·폐수의 영양소 제거방법
본 발명은 혐기발효조를 이용한 개량된 하·폐수의 영양소 제거방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 혐기발효조에 고농도 유기성 폐액을 주입하여 혐기성 상태에서 발효시킨 후 생성된 유기산(Volatile Fatty Acid, VFA)을 미생물 처리 공정에 공급시킴으로써 하·폐수중의 질소와 인을 효율적으로 제거하기 위한 혐기발효조를 이용한 하·폐수의 영양소 제거방법에 관한 것이다.
하·폐수에 적용되어야 할 정화처리정도는 처리대상 유입수의 상태에 따라 결정되어야 한다. 우리나라 하수의 경우 외국의 하수와는 달리 하수의 유기물 농도가 낮으며 또한 유기물의 농도에 비해 질소와 인의 농도가 높다. 따라서, 하·폐수를 정화하여 안정적인 수질을 확보하기 위해서는 상대적으로 높은 농도의 질소 및 인을 제거하기 위한 영양소 제거공정의 선택 및 운전조건이 매우 중요하다.
또한, 하수는 시간에 따라 심한 유량 및 농도의 변화가 발생하므로, 이러한 요인들을 고려하여 영양소 제거공정의 선택 및 운전조건을 설계하여야 한다.
도 1은 분류식 하수관거가 설치된 하수처리장의 시간에 따른 유기물부하 및 질소부하 변동양상을 나타낸 것이다. 전체적으로 유기물부하가 질소부하보다 높으며 질소부하가 증가할 때 유기물 부하도 증가하나, 질소부하와 유기물부하가 비숫한 구간도 있다. 그러나, 영양소 제거 측면에서 볼 때 모든 구간에서 질소 및 인의 제거에 필요한 유기물이 부족하며 특히 유기물부하와 질소부하가 비슷한 구간에서는 유기물이 절대적으로 부족하다. 이러한 구간에서는 질소 및 인을 제거할 때 필요한 유기물을 확보하기 위해서 외부탄소원을 주입하는 등의 적절한 조치가 요구된다.
도 2는 인제거미생물 및 탈질소화미생물을 이용하여 하·폐수중의 영양소를 제거하는 종래 방법의 흐름도가 도시되어 있다. 상기 종래방법에 의하면, 혐기조(An), 제1무산소조(Ax) 및 호기조(Ox)가 연설되며, 1차침전지를 거쳐 혐기조(An)에 유입되는 하·폐수에 상기 호기조(Ox)와 연결된 2차 침전지로부터 반송된 슬러지를 혼합하여 인제거미생물의 활성을 높임으로써 혐기조(An)와 호기조(Ox)를 거치는 과정에서 인제거 효율을 높이고, 동시에 상기 2차 침전지로 이송되는 호기조(Ox) 방출수의 일부를 제1무산소조(Ax)로 탈질반송하여 탈질소화 작용을 촉진시키는 영양소 제거방법이며, 한편 2차 침전지에서 침전된 일부 슬러지 및 1차 침전지에서 침전된 슬러지는 농축조에서 1일동안 중력식 농축후에 혐기성 소화한 후 탈수시켜 제거하였다. 그러나, 종래 방법은 하수중 탄소물질이 부족하면 탈질반송에 의해서도 탈질소화미생물에 의한 탈질작용이 충분히 이루어지지 않으므로 결과적으로 상기 반송슬러지내에 질산화물(NOx-N)이 과량 존재하게 되며, 이처럼 질산화물(NOx-N)이 남아있는 반송슬러지는 인제거미생물의 성장이 보장되어야 하는 혐기조(An)로 반송되어 인제거미생물의 성장을 저해하는 단점이 있었다. 특히, 국내 하·폐수의 특성은 유기물이 상대적으로 부족하고 질소가 상대적으로 높은 농도로 함유되어 있어, 상기 종래 방법은 효율적인 영양소 처리방법이 되지 못하였다.
본 발명의 목적은 종래 방법의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유기물의 농도가 낮고 질소농도가 상대적으로 높은 하·폐수로부터 질소 및 인을 포함한 영양소를 효율적으로 제거할 수 있는 하·폐수의 영양소 제거방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 하수농도와 부하변동에 적절한 대응이 가능하고 목표한 수질을 안정적으로 확보할 수 있는 하·폐수의 영양소 제거방법을 제공하는 것이다.
도 1은 분류식 하수관거가 설치된 하수처리장의 시간에 따른 유기물부하 및
질소부하 변동 상태도.
도 2는 종래 하·폐수의 영양소 제거방법의 흐름도
도 3은 본 발명의 실시예 1의 흐름도.
도 4는 본 발명에 이용된 혐기발효조에서의 입출력 개략도.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 유입 하·폐수를 혐기조건, 제1무산소조건 및 호기조건의 순서로 미생물처리하는 공정(미생물처리공정), 상기 미생물처리된 방출수를 침전시키는 공정(침전공정), 상기 침전 후의 슬러지를 상기 미생물처리공정중의 혐기조건 처리를 위해 반송하는 공정(슬러지반송공정)으로 이루어진 하·폐수의 영양소 제거방법에 있어서, 고농도 유기성 폐액을 혐기발효하여 생성된 슬러지를 탈수하여 유기산을 생성하는 공정(유기산생성공정)과; 상기 반송되는 슬러지를 상기 유기산과 제2무산소조건에서 혼합하여 반송슬러지내의 질산화물(NOx-N)을 미리 제거시키는 공정(슬러지혼합공정)을 더 포함하여 구성되는, 혐기발효조를 이용한 개량된 하·폐수의 영양소 제거방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 구성을 본 발명의 실시예에 의하여 상세히 설명하고자 하나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 본 발명은 바람직하게는 하·폐수를 대상으로 하는 것이나 이에 한정하는 것은 물론 아니다.
(실시예)
실시예 1
본 발명 실시예 1의 흐름도가 도 3에 도시되어 있다.
상기 도 3에 의하면, 본 발명의 실시예 1은 하·폐수가 유입되어 침전가능부유물질을 제거하기 위한 제1침전공정과, 상기 제1침전공정에서 1차침전슬러지가 제거된 처리수를 대상으로 인제거미생물 및 탈질소화미생물 처리하여 인, 질소 및 유기물질을 제거하기 위한 미생물처리공정과, 상기 미생물처리된 방출수를 2차침전시켜 2차침전슬러지와 외부방출수로 분리하기 위한 2차침전공정과, 상기 1차침전슬러지를 포함한 고농도 유기성 폐액을 혐기발효하여 유기산을 생성하는 공정(유기산생성공정)과, 상기 2차침전미생물(반송슬러지)을 제2무산소조건에서 상기 생성된 유기산과 혼합하여 질산화물(NOx-N)를 제거하는 공정(슬러지혼합공정)과, 상기 질산화물(NOx-N)가 제거된 반송슬러지를 상기 미생물처리공정에 유입시키는 공정을 포함하여 구성된다.
본 발명의 실시예의 구성중 본 발명에 의해 개량되어 부가된 공정은 1차침전슬러지 및 고농도 유기성 폐액을 혐기조건하에서 발효하여 유기산을 생성하기 위한 유기산생성공정 및 2차침전슬러지의 반송 중에 제2무산소조건에서 상기 유기산을 혼합시켜 질산화물(NOx-N)를 제거하기 위한 슬러지혼합공정이다.
이하, 상기 각 공정에 대하여 운전조건 및 효율을 언급하면서 설명하도록 한다.
① 1차침전공정
하·폐수내의 침전 가능 부유 물질을 제거시키기 위하여 미생물반응공정이전에 1차 침전을 실시하였다. 1차침전지에서의 체류시간은 약 1시간 내지 1.5시간으로 유지하였다. 본 발명자는 1차침전 체류시간을 가능한 짧게 유지함이, BOD제거를 최소화함으로써 탄소공급을 최대화 할 수 있어 질소 및 인의 제거를 목적으로 하는 경우에 유리한 조건임을 알 수 있었다. 또한, 침전된 슬러지는 후에 설명할 혐기 조건의 발효조로 공급하였다. 1차 침전지에서 1.5시간 체류시킨 결과, BOD 20%, SS 20%, TN 10%, TP10%의 제거효율을 보였으며, 발생된 침전 슬러지 농도는 2% 정도였다.
② 미생물처리공정
혐기조(An), 제1무산소조(Ax) 및 호기조(Ox)로 구성된 미생물반응조에 1차침전지를 통과한 처리수를 유입하여 인 및 유기물질을 제거하는 공정이다. 혐기조에서는 후에 설명될 유기산생성공정으로부터의 유기산을 이용하여 반송슬러지를 처리함으로써 인제거미생물이 활성화되며, 그 결과 인이 방출된다. 혐기조에서의 체류시간은 1∼2시간으로 하였으며, 처리수내의 제거대상 인 농도의 5∼10배의 유기산, 유기물이 소요되었다.
제1무산소조에서는 내부반송에 의해 반송되는 질산화물(NOx-N)을 탈질시키며, 이 때 혐기조로부터 미제거된 유기산과 하수내의 유기물질이 제거된다. 소요체류시간은 2∼3시간(15℃)으로 유지하였으며 이 때 비탈질율은 20℃에서 3.5∼5㎎NOx-N/gMv·hr이며 15℃에서는 2∼3.5㎎NOx-N/gMv·hr이었다.
호기조에서는 혐기조에서 방출된 인과, 혐기 및 제1무산소조에서 미제거된 유기물질을 산화제거시키며 아울러 질소를 질산화물(NOx-N)으로 전환시킨다. 소요 체류시간은 4∼5시간(15∼20℃ 기준)으로 유지하였으며, 이 때 비질산화율은 2.4∼3.4㎎NH4-N/gMv·hr(15∼20℃ 기준)이었다. 반응조의 MLSS농도는 3,500㎎/L로 하며 호기 SRT(고형물질 체류기간)는 7∼10일로 운전하였다. 내부반송율(NRCY : nitrified recycle)은 유입 하수량 대비 100%(질소제거 60% 가능)정도로 하며 추가적인 질소제거를 위해서는 200%(질소제거 70% 가능)까지 증가시켜 운전할 수 있다.
③ 2차침전공정
상기 미생물처리공정에서 생산된 미생물을 침전 제거시키는 공정이다.
침전된 미생물은 미생물처리공정중으로 반송〔슬러지 반송(RAS : return activated sludge)〕시키는데 반송슬러지의 양은 유입 하수량 대비 50%를 표준으로 하였으나 2차 슬러지의 침전 농도와 호기조의 MLSS 농도로부터 계산하여 조정할 수 있다. 이때에 반송슬러지내의 질산화물(NOx-N)은 인 제거 미생물에 위해작용을 하므로 다음의 슬러지반송공정중에서 미리 제거시켜야 한다.
2차 침전지로부터 제거시킨 슬러지에는 인이 과량 함유되어 있으므로 기계식 농축 방법을 사용한 후에 소각하여 다시 처리장에 반류되지 않도록 하였다. 2차침전지에서의 체류시간은 4시간 이상으로 하며 깊이는 4∼5m이상으로 하여 시간 최대 유량유입에 대해 안전하게 설계하였다.
2차침전지내에서의 내호흡에 의한 탈질율은 0.12∼1 NOx-N/gMv·hr(20℃ 기준)이며 SRT(고형물질 체류기간)에 따라 변화되었다.
④ 슬러지혼합공정
상기 2차침전공정에서 침전된 미생물로 이루어진 반송슬러지와 후에 설명될 유기산생성공정에서 생성된 유기산과 유기물질을 제2무산소조(Axr)에서 혼합시켜 반송슬러지내의 질산화물(NOx-N)를 제거시키는 공정으로, 질산화물(NOx-N)이 제거된 반송슬러지는 다시 미생물반응공정중 혐기조로 1차침전지를 통과한 처리수와 함께 투입되었다.
제2무산소조(Axr)에서의 체류시간은 0.5시간을 표준으로 하며 제2무산소조(Axr)로 유입시킬 유기산의 소요량은 제2무산소조(Axr)로 유입되는 질산화물(NOx-N) 농도의 약 5(COD 기준)배로 하였다.
비탈질율은 3.6∼10 ㎎NOx-N/gMv·hr(20℃ 기준)이었다.
⑤ 유기산생성공정(또는 혐기발효공정)
1차침전공정에서 제거된 1차침전슬러지, 분뇨, 정화조 폐액, 주방폐기물, 가축분 등의 고농도 유기성 폐액을 혐기발효시켜 유기산을 생성하는 공정이다.
도 4는 1차슬러지, 분뇨, 정화조 폐액, 축분으로부터 유기산을 생성하기 위한 혐기발효조에서의 입출력 개략도이다. 분뇨, 정화조 폐액, 주방폐기물, 가축분 등의 고농도 유기성 폐액으로부터 모래, 협잡물 등을 제거한 후 혐기발효조에서 6일이하의 체류기간동안 발효시켰다. 본 발명자는 혐기발효조에 침전된 슬러지가 상당량의 유기산을 흡착하고 있음을 감안하여 이를 탈수용 폴리머 주입 후 탈수기로 탈수하여 유기산을 효과적으로 이탈시킨 후 발생된 탈리액을 전량 상기 슬러지혼합공정중의 제2무산소조(Axr)에 공급시켜 반송슬러지내의 질산화물(NOx-N)를 제거하였다. 또한, 여분의 유기산은 하수와 함께 혐기조(An)로 유입시켜 인 제거 미생물이 이용할 수도 있다.
혐기발효조를 이용하여 발효를 통하여 얻을 수 있는 유기산의 농도는 유입유량 기준으로 표1과 같으며 하·폐수내에 함유되어 있는 유기산(Volatile Fatty Acid, VFA) 농도를 대략 50% 가량 증가시킬 수 있었다.
혐기발효조에 의한 유기산의 증가 정도(㎎VFA/L)
구 분 기존 농도 혐기발효후의 농도
하수(BOD 150㎎/L 기준) 30 45
분뇨 5,000 7,000
정화조 폐액 1,500 2,300
축분(돈분) - 10,000
실시예 2
본 발명자는 실시예 1의 1차침전공정의 체류시간이 짧을수록 영양소 제거에 유리하다는 실험결과에 근거하여 1차침전공정을 생략하고 하·폐수를 직접 미생물반응조로 유입하고, 유기산생성공정에서 분뇨, 정화조 폐액, 주방폐기물, 가축분 등의 고농도 유기성 폐액만을 혐기발효조에 투입하였다. 이외의 모든 공정은 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
실시예 2는 특히 소규모처리장의 경우에 시설비의 절약 및 유지관리를 위하여 바람직한 방법이다.
실시예 3
본 발명자는 실시예 1의 유기산생성공정에서 혐기발효조에서 생성된 유기산이 부족한 경우에는 외부 탄소원으로 초산을 실시예 1의 슬러지혼합공정중에 보충하였다. 이외의 모든 공정은 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
본 발명의 실시에 따라 일반 하수를 처리할 때에, 처리수의 수질은 15℃를 기준으로 BOD 10∼15㎎/L, TN 10∼15㎎/L, TP 0.5∼1.0 ㎎/L이며 사용되는 분뇨, 정화조 폐액, 주방폐기물, 축분 및 초산 사용량에 따라 변화가능하며 안정적인 수질 생산이 가능하다. 특히, TN과 TP의 농도를 상기 농도 이하로 자유롭게 변화시킬 수 있는데, 대체적으로 TN은 5㎎/L, TP는 0.5 ㎎/L 이하의 생산이 가능하다. 표 2에 유입하·폐수의 농도와 반송률에 따른 처리수의 수질을 비교하여 나타내었다.
상기와 같이, 본 발명은 질소가 상대적으로 높은 하·폐수로부터 영양소(질소 및 인)를 효율적으로 제거할 수 있으며, 하수농도와 부하변동에 적절한 대응이 가능하고 목표한 수질을 안정적으로 확보할 수 있는 하·폐수처리방법이다.
또한, 본 발명은 혐기발효조 이용에 의하여 비탈질율이 종래보다 증대되며 액상폐기물인 인분뇨 또는 처리중인 폐수의 일부를 활용함으로써 유지관리가 용이할 뿐 아니라 유지관리비가 저렴하게 소요되는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 유입 하·폐수를 혐기조건, 제1무산소조건 및 호기조건의 순서로 미생물처리하는 공정(미생물처리공정), 상기 미생물처리된 방출수를 침전시키는 공정(침전공정), 상기 침전후의 슬러지를 상기 미생물처리공정중의 혐기조건 처리를 위해 반송하는 공정(슬러지반송공정)으로 이루어진 하·폐수의 영양소 제거방법에 있어서, 고농도 유기성 폐액을 혐기발효하여 생성된 슬러지를 탈수하여 유기산을 생성하는 공정(유기산생성공정)과, 상기 반송되는 슬러지를 상기 유기산과 제2무산소조건에서 혼합하여 반송슬러지내의 질산화물(NOx-N)을 미리 제거시키는 공정(슬러지혼합공정)을 더 포함하여 구성되는, 혐기발효조를 이용한 개량된 하·폐수의 영양소 제거방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 미생물처리공정전에 유입 하·폐수를 1차침전시켜 1차침전슬러지와 상기 미생물처리공정으로 유출되는 처리수로 분류하기 위하여 1차침전공정이 부가된 것을 특징으로 하는 혐기발효조를 이용한 개량된 하·폐수의 영양소 제거방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 1차침전공정의 체류시간을 약 1∼1.5시간으로 하는 것을 특징으로 하는 혐기발효조를 이용한 개량된 하·폐수의 영양소 제거방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 1차침전공정으로부터의 1차침전슬러지를 상기 유기산생성공정에서 혐기발효하는 것을 특징으로 하는 혐기발효조를 이용한 개량된 하·폐수의 영양소 제거방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고농도 유기성 폐액은 분뇨, 정화조 폐액, 주방폐기물 및 가축분으로 구성된 그룹에서 하나 이상이 선택된 것을 특징으로 하는 혐기발효조를 이용한 개량된 하·폐수의 영양소 제거방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 침전공정에서 제거한 슬러지를 기계식 농축 후 탈수하여 소각하는 것을 특징으로 하는 혐기발효조를 이용한 개량된 하·폐수의 영양소 제거방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 슬러지혼합공정에 초산이 더욱 혼합된 것을 특징으로 하는 혐기발효조를 이용한 개량된 하·폐수의 영양소 제거방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유기산생성공정에서 생성된 유기산의 일부가 상기 미생물처리공정중의 혐기조건하에 반송되는 것을 특징으로 하는 혐기발효조를 이용한 개량된 하·폐수의 영양소 제거방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유기산생성공정중 혐기발효되어 생성된 슬러지를 탈수하기 전에 탈수용 폴리머를 상기 슬러지와 혼합하는 공정이 부가된 것을 특징으로 하는 혐기발효조를 이용한 개량된 하·폐수의 영양소 제거방법.
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