KR100321363B1 - 연속식과회분식을이용한저농도도시하수의질소및인제거방법(SequencingBiologicalNutrientRemovalSystem). - Google Patents

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Abstract

본 발명은 도시 하수의 질소 및 인 제거방법에 관한 것으로, 종래의 하·폐수 처리공법은 유기물질의 제거를 주된 목적으로 하는 외국의 공법으로, 유기물질 농도가 낮고 질소농도가 상대적으로 높은 우리나라 하수의 특성에 적합하지 않아 부영양화의 요인이 되는 영양염류 제거에는 한계가 있었던 문제점이 있었다.
본 발명은 예시도면 도 1 에서와 같이, 연속유입 SBR(Sequencing Batch Reactor, 회분식) 시스템으로 전탈질 공정과 후탈질공정의 장점을 도입한 것으로, 유기물질과 영양염류를 동시에 제거할 수 있는 적어도 하나 이상의 반응조와 침사지, 접촉조(12)를 직렬로 연결하고 유입하수내 유기물질을 반송 슬러지에 흡착시켜 후속하는 탈질조(16)에서 전자공여체로서 이용하도록 한 것이다. 또한, 접촉조(12)는 협기성 상태로 운영되어 인의 방출을 유도할 수 있고 최종 침전은 제 2 폭기조(18)내에서 연속유입 회분식시스템과 같은 방법으로 시간에 따라 수행하도록 하였으며, 접촉조(12)와 탈질조(16)는 상향류식으로 운영하여 분리효율을 증가시킨 것이다. 이러한 본 발명에 의해 유기물질과 영양염류를 동시에 제거할 수 있을 뿐만아니라 부지활용을 극대화시킬 수 있으며, 외부의 전자공여체를 별도로 마련할 필요가 없어 운영비가 절감되는 것이다

Description

연속식과 회분식을 이용한 저농도 도시하수의 질소 및 인 제거방법{SBNR : Sequencing Biological Nutrient Removal System.}
본 발명은 하·폐수중의 질소 및 인을 제거하는 방법에 관한 것으로, 상세하게는 도시하수, 가축폐수, 산업폐수 중에 존재하는 유기물뿐만 아니라 질소와 인의 제거효율을 현저하게 개선시킴으로써 하천의 부영양화를 방지하는 하·폐수 처리방법에 관한 것이다.
질소와 인이 하천, 연안바다 그리고 저수지 등의 수역에 축적되면 부영양화가 발생되어 이러한 영양염류 등을 먹이로 하는 조류가 과잉 번식하게 됨은 주지된 바와 같다.
이 과정은 자연계에서는 원만하게 진행되지만 생활하수, 축산폐수, 산업폐수 등이 대량으로 유입되면 자연의 자연정화 능력을 넘어서게 되어 결국 녹조, 적조와 같은 부영양화가 급속히 진행되어 하천이나 저수지 등의 수중산소농도를 고갈시켜 수중 생태계의 오염 및 부패를 촉진시키게 된다.
따라서 부영양화를 방지하기 위하여는 하·폐수 내의 영양염류 성분이 하천 등의 수역으로 유입되기 전에 제거되어져야 하는 것이다.
이러한 하·폐수 중의 질소 및 인을 처리하기 위한 방법으로는 물리화학적 처리방법과 생물학적 처리방법이 있다.
물리화학적 처리방법은 폐수의 수소이온농도를 상승시키면서 공기를 주입하여 질소를 암모니아 상태로 형성시키는 방법과 이온교환물질을 사용한 선택적 흡착방법으로 질소를 처리하고 소석회 등의 응집제를 사용하여 인을 침전 처리시키는 방법 등이다.
생물학적 처리방법은 바텐포 공정, A/O, A2O 그리고 회분식(SBR:Sequencing Batch Reactor) 공정 등으로 미생물을 이용하여, 질소의 경우 1차 침전조에서 고형 유기물을 침전 및 분리시킨 다음 용존상태의 암모니아성 질소와 유기물 형태의 질소를 호기성 조건하에서 호기성 미생물에 의해 질산화시키고, 질산염을 탈질화 과정 즉, 준혐기 미생물에 의해 질소기체로 환원시키는 것이다.
상술된 바와 같이 폐수를 정화하기 위한 방법으로는 물리화학적 방법과 생물학적 처리방법 등이 있으며, 이를 통하여 부영양화에 따른 수역의 오염을 방지시키고 있다.
그러나, 물리화학적 처리방법은 처리효율이 온도에 민감하여 일정하지가 않고 처리비용이 많이 소요되는 문제점이 있다.
또한, 생물학적 처리방법에 있어서는 질소처리공정에서 폐수 중의 유기물이 호기성 상태에서 대부분 분해되어 후속되는 준혐기성 탈질공정에서는 유기물이 존재하지 않아 미생물이 내생호흡을 하게되므로 질소제거의 속도가 매우 느리게 되며, 이에 의해 일정량의 질소를 탈질시키기 위하여는 설비 자체가 대형화되어야 하는 문제점이 있었던 것이다.
이는 종래의 하·폐수 공법이 유기물질의 제거를 주된 목적으로 하는 외국의 공법으로, 유기물질의 농도가 낮고 질소농도는 상대적으로 높은 우리나라 하수의 특성에 적합하지 않았던 것이어서 부영양화의 요인이 되는 상기 질소와 인과 같은 영양염류 제거에는 한계가 있었던 것이다.
그 실례로서, 종래의 처리방법에 의할 경우 질소제거율은 10-40% 이고, 인의 제거율은 5-20% 정도인 것으로 확인되었으며, 바텐포 공정, A/O, A2O 공정들은 폐수처리효율을 증가시키기 위해 내적 순환량을 폐수 유입량의 4배가량으로 유지하여야 하기 때문에 운영이 복잡하고 과도한 설비가 요구되며, 회분식 공정은 폭기조 하나로 1차 침전지, 폭기조, 2차 침전지의 역할을 수행하기 때문에 연속적으로 발생하는 대규모 폐수의 처리가 곤란할 뿐더러, 탈질반응에 필요한 유기물질을 공급해주기 위해서는 일부 원수를 사용하거나 외부에서 유기물을 공급해 주어야 하는 문제점이 있었던 것이다.
본 발명은 상술된 문제점을 해소하기 위한 것으로 , 유기물질의 농도가 낮고 질소농도는 상대적으로 높은 우리나라 하수 특성에 맞추어 하·폐수 중의 유기물, 질소, 인을 동시에 처리하는 방법을 제공함에 그 목적이 있는 것이다.
이를 위한 본 발명은 연속식과 회분식의 장점을 혼합하여 전탈질 공정과 후탈질공정의 장점을 채택한 것으로, 유기물질과 염양염류를 동시에 제거할 수 있는 적어도 하나 이상의 반응조와 침사지, 접촉조를 직렬로 연결하고 새로 유입되는 유기물질중 일부를 반송 슬러지에 흡착시켜 후속하는 탈질조에서 전자공여체로서 이용되도록 한 것이다.
또한, 접촉조는 혐기성 조건으로 운영되어 인의 방출을 유도할 수 있고 최종침전은 제 2 폭기조 내에서 회분식과 같은 방식으로 시간에 따라 수행하도록 하였으며, 접촉조와 탈질조는 상향류식으로 운영하여 분리효율을 증가시킨 것이다.
따라서, 본 발명에 의하면 유기물질과 인뿐만 아니라 국내 하·폐수에서 문제가 되고 있는 암모니아성 질소를 동시에 제거할 수 있을 뿐만 아니라 제 2 폭기조는 회분식 형태로 반응조와 침전조로 운영이 가능하여 부지활용을 극대화시킬 수있으며, 유입 유기물질을 탈질반응의 전자공여체로 이용하여 외부의 전자공여체를 별도로 마련할 필요가 없거나 그 양을 상당히 줄일 수 있어 운영비가 절감되는 것이다
도 1 은 본 발명에 따른 도시하수의 질소 및 인 제거방법을 나타낸 설명도이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
8 - 하.폐수, 10 - 침사지,
12 - 접촉조, 14 - 제 1 폭기조(유동상 메디아 충진),
16 - 탈질조, 18 - 제 2 폭기조(침전지겸용),
20 - 반송슬러지, 22 - 처리수,
24, 폐슬러지, 26 - 배출장치,
27 - 슬러지 블랭킷.
본 발명을 첨부된 예시도면과 함께 본 발명을 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 제 2 폭기조(18)로부터 연속적으로 반송슬러지(20)를 반송시키고 이 슬러지(20)와 더불어 침사지(10)에 유입되어 그릿(grit)이 제거된 하·폐수(8)를 접촉조(12)의 하부에서 반송슬러지와 혼합 후 상방향으로 유입시켜 접촉조 중간부에서 슬러지에 흡착된 유기물질을 탈질조(16)로 이송시키면서 암모니아성 질소는 제1폭기조(14)로 유출시키고 또한 인을 용출시키는 단계와; 상기 제1폭기조(14)에서 유출된 암모니아성 질소를 제 1 폭기조(14)에서 메디아상의 고농도 질산화 미생물과의 반응으로 질산하 시키는 단계와; 상기 접촉조(14)에서 반송슬러지(20)에 의해 흡착 분리된 유기물질과 제 1 폭기조(14)에서 산화된 질산성 질소를 반응조 하단에서 서로 혼합하여 준혐기성 반응조인 탈질조(16)에 상방향으로 유입시켜 탈질화시키는 단계와; 상기 탈질화된 하·폐수를 상기 제 2 폭기조(18)에서 폭기시킴과 더불어 침전 및 배출시키는 회분식 시스템으로 병행하여 사용하는 단계와; 상기 제 2 폭기조(18)의 엠엘에스에스(MLSS:Mixed Liquor Suspended Solid)를 상기 접촉조(12)로 반송시키는 단계로 이루어진 하·폐수 처리방법이다.
여기서, 상기 탈질화 단계는 상기 접촉조에서 이송된 유기물 흡착 슬러지를 상향류식으로 유입시키며, 여기에 상기 제 1 폭기조(14)를 통과한 질산화 된 하·폐수를 혼합시켜 수행되어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 접촉조(12)와, 메디아로 충진된 제 1 폭기조(14), 탈질을 위한 준혐기성조인 탈질조(16), 제 2 폭기조(18)인 반응조를 직렬로 연결하는 한편, 상기 제 2 폭기조(18)로부터 상기 접촉조(12)로 반송이 이루어지도록 된 것을 특징으로 한다.
여기서, 제 1 폭기조(14)는 암모니아성 질소를 질산화 시킬 수 있도록 메디아에 부착된 미생물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 제 2 폭기조(18)는 이를 제어하여 폭기조, 준혐기성조 그리고 침전조로 병행하여 사용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 접촉조(12)는 상향류식 준혐기성조인 탈질조(16)와 연결되어 상기 접촉조(12)의 유기물흡착슬러지가 상기 탈질조(16)로 이송되어지는 것을 특징으로 한다.
예시 도면 도 1 은 본 발명에 따른 하·폐수처리 방법을 나타낸 설명도로서, 본 발명은 유기물질의 농도가 낮고 질소농도는 상대적으로 높은 우리나라 하수의 특성에 맞추어 하·폐수 중의 유기물, 질소, 인을 동시에 처리하는 방법을 제공하고 있다.
이를 위한 본 발명은 유기물질과 영양염류를 동시에 저거할 수 있는 적어도 하나 이상의 반응조와 침사지(10), 접촉조(12)를 직렬로 연결하여 따로 침전조를 두지 않고 후단부의 반응조에서 슬러지(20)가 상기 접촉조(12)로 반송되도록 한 것이다.
여기서, 상기 적어도 하나 이상인 반응조는 제 1 폭기조(14), 준혐기성 탈질조(16), 제 2 폭기조(18)가 직렬로 연결된 것이며, 제 2 폭기조(18)는 하나의 반응조로 회분식과 같이 침전기 및 폭기조와 준혐기성조로서의 기능을 함께 수행한다.
상기 제 1 폭기조에 준혐기성조가 직렬로 연결되어지며, 이 준혐기성조는 제 1 폭기조에서 유입하는 질산성 질소와 상기 접촉조(12)에서 이송된 유기물흡착슬러지와 반응시켜 탈질화 작용을 수행한다.
탈질화 과정에서는 질산성 질소가 전자수용체로 작용하면서 질소개스로 탈질된다.
특히, 이 반응에서 탄소원으로 종래 메탄올이 이용되었으나 본 발명에서는 접촉조(12)에서 유입하·폐수의 유기물을 제 2 폭기조(18)로부터 반송된 슬러지에 흡착시킨 후 탈질조로 이송하여 탄소원으로 사용한다.
따라서, 본 발명에서는 메탄올과 같은 외부전자공여체의 공급에 따른 운영비용을 절감할 수 있는 것이며, 이는 본 발명이 전탈질 방법과 후탈질 방법의 장점들만을 결합시킨 것이기 때문이다.
이를 좀더 상세히 설명하면, 탈질화 공정은 전탈질공정과 후탈질공정으로 대별되며, 후탈질공정은 반응조의 크기가 작고 유출수의 수질이 균일하다는 장점이 있다.
그러나, 탈질반응조가 질산화 반응조의 후반부에 위치하고 있기 때문에, 탈질반응조내에는 분해되기 쉬운 유기물의 양이 적어 메탄올과 같은 전자공여체를 외부에서 별도로 주입해 주어야 하므로 비경제적이라는 단점이 있다.
반면에, 전탈질공정은 유입되는 폐수내의 유기물을 탈질에 필요한 전자공여체로 이용하기 때문에 별도의 전자공여체를 외부에서 별도로 주입할 필요가 없다는 장점이 있다.
그러나, 메탄올을 사용하는 후탈질공정보다 질산화조가 탈질조(16) 후반부에 위치하므로 질산화조에서 형성된 아질산염을 탈질조(16)로 반송시킬 필요가 있으며 이 경우 반송량이 유입수의 4배까지 이르는 등 많은 동력을 필요로 하는 단점을 가지는 것이다.
이러한 상황 하에 본 발명은 상기 전탈질 방법과 후탈질 방법의 단점을 배제하여 외부 유기물의 공급과 대용량의 반송 없이 하·폐수자체의 유기물질을 이용하여 탈질시킬 수 있도록 한 것이다.
한편, 유입 유기물질이 낮은 국내 하수특성을 고려하여 1 차 짐전지를 생략하고 접촉조(12)가 부유성 및 용존성 유기물질을 반송 슬러지에 흡착 분리하여 제 1 폭기조를 위한 균등조 및 1 차 침전지로서의 역할을 대신하게 되는 것이며, 2 차 침전지는 제 2 폭기조(18)가 대신하며, 이것은 연속회분식으로 운영되기 때문에 침전효율이 높을뿐더러 폭기조로서의 활용으로 부지의 활용성을 배가시킬 수 있는 것이다.
또한, 접촉조(12)는 탈질조(16)와 마찬가지로 상향류식으로 운영하여, 하·폐수의 유기물과 반송된 미생물플록과 충돌 및 접촉빈도를 크게 하여 유기물의 분리효율을 향상시켰다.
제 1 폭기조(14)는 접촉조(12)에서 유기물질을 분리시킨 상징수 내에 포함된암모니아성질소를 질산화시키는 역할을 수행하며 질산화 미생물을 효과적으로 배양할 수 있도록 메디아를 첨가한다.
메디아는 질산화미생물을 고농도로 유지할 수 있어 질산화율을 높일 수 있으며, 독성물질 유입시 부유성 성장 질산화 미생물보다 독성에 강한 특성이 있다.
탈질조(16)는 부유 성장 상향류식 반응조로 운영함으로써, 고농도 미생물 유지 및 플러그 플로우(Plug flow)를 유지할 수 있어 접촉조(12)에서 분리된 슬러지 흡착 유기물과 제 1 폭기조(14)에서 유입되는 질산성 질소가 상기 탈질조(16)로 유입될 때 유기물 농도를 크게 할 수 있게 되는 것이다.
제 2 폭기조(18)는 반응하지 않고 잔류된 유기물질과 암모니아성 질소를 제거하고 인을 섭취하여 제거시키며, 미생물을 내생상태로 만들어 접촉조(12)로 유입될 때 유기물을 빨리 흡착시킬 수 있게 하는 것이다.
이러한 본 발명에 의한 하·폐수의 처리작용을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 하·폐수 원수는 침사지(10)를 통과하며, 여기에서 모래와 기타 큰 덩어리 물질이 침전되어 제거하고 인을 용출한다.
침사지(10)를 통과한 하수가 접촉조(12)로 유입되어짐과 동시에, 제 2 폭기조(18)로부터 반송슬러지가 유입 혼합되어 상방향으로 흐르면서 유기물질과 암모니아성 질소를 분리한다.
접촉조(12)에서는 분리된 하·폐수의 유기물질을 흡착한 활성슬러지를 상향류식 탈질조(16)로 이송하며, 접촉조(12)를 통과하여 후단 제1폭기조(14)로 유입되는 하·폐수에는 흡착되지 않은 미량의 유기물질과 질소 및 인이 용존되어 있다.
이러한 저농도의 유기물질과 영양염류를 함유하는 하·폐수는 이들 성분을 동시에 처리할 수 있는 제 1 폭기조(14), 준혐기성조인 탈질조(16), 그리고 제 2 폭기조(18)로 구성된 일련의 반응조로 유입된다.
제 1 폭기조(14)는 메디아를 이용한 생물막 반응조로 설치되어 있는데, 이 폭기조 내에서는 접촉조(12)를 통과한 암모니아성 질소를 호기성 조건 하에서 나이트로소모나스(nitrosomonas)나 나이트로박터(nitrobacrer)와 같은 오토트로픽 박테리아(autotropic bacteria)에 의해 질산성 질소로 산화된다.
제 1 폭기조(14)를 거치면서 형성된 질산성질소는 접촉조(12)에서 약 30 분 정도의 접촉으로 하·폐수의 유기물질을 흡착하게된 활성슬러지를 전자공여체로 사용하여 준혐기성 반응조인 탈질조(16)에서 탈질화가 된다.
이때, 접촉조(12)로부터 이송된 유기물질을 흡착한 활성슬러지는 탈질조(16)에서 상향류식으로 유입된다.
후속되는 제 2 폭기조(18)는 탈질조(16)에서 완전히 제거되지 않은 유기물질이나 암모니아성 질소를 다시 제거하고 인을 섭취하며, 정화된 처리수(22)가 최고 수위에 도달되었을 때 제 2 폭기조(18)의 폭기장치를 제어하여 침전시킨 후 정화된 처리수를 유출시킨다.
이때, 침전이 진행되고, 폐슬러지(24)를 폐기시킴과 아울러 통상의 배출장치(26)를 통하여 처리수(22)를 유출시키는 동안에도 원수가 연속적으로 유입되며, 접촉조(12)로의 반송도 계속된다.
이러한 방법은 접촉조(12)를 혐기상태로 유지하여 인을 용출시키게 되며 후속되는 호기-준혐기-호기 과정에서 인을 효과적으로 섭취하여 제거할 수 잇다.
이와 같이 섭취된 인은 일정한 에스알티(SRT:Solid Retention Time)를 조정하여 제거되는 것이며, 상기 제 2 폭기조(18)에서 침전된 슬러지 폐기가 여기에 속하는 것이다.
이러한 본 발명의 하·폐수 처리방법에 따라 유기물질(COD) 300mg/l, 총질소 30 mg/l, 총인10 mg/l의 농도인 함성폐수를 유입시킨 결과, 유기물질(COD)은 12mg/l 이고 총질소는 2.5mg/l 이며 총인은 1.2mg/l으로 농도가 감소된 것을 확인할 수 있었으며, 그 제거효율은 각각 96%, 92%, 88% 였다.
또한, 접촉조의 유기물질(COD)은 24mg/l로 92% 정도가 흡착 제거되었음을 확인할 수 있었다.
상술된 바와 같이 본 발명에 따르면, 유기물질과 인뿐만 아니라 국내 하·폐수에서 문제가 되고 있는 암모니아성 질소를 동시에 제거할 수 있는 효과가 있으며, 제 2 폭기조는 반응조와 침전조로 운영이 가능하여 부지활용을 극대화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 유입 유기물질을 탈질반응의 전자공여체로 이용하여 외부의 전자공여체를 별도로 마련할 필요가 없거나 그 양을 상당히 줄일 수 있어 운영비가 절감되는 효과가 있는 것이다.

Claims (6)

  1. 제 2 폭기조(18)로부터 반송슬러지(20)를 반송시키고 이 슬러지와 더불어 침사지(10)에 유입되어 그릿(grit)이 제거된 하·폐수를 접촉조(12)에 상방향으로 유입시켜 유기물질과 암모니아성 질소를 분리시키는 단계와; 상기 암모니아성 질소를 제 1 폭기조(14)에서 메디아상의 고농도 질산화 미생물과의 반응으로 질산화 시키는 단계와; 상기 접촉조(12)에서 탈질조(16)로 이송한 반송슬러지에 흡착된 유기물질과 질산성 질소를 이용하여 상기 제 1 폭기조(14)를 통과한 하·폐수를 준혐기성 반응조인 탈질조(16)에 상방향으로 유입시켜 탈질화시키는 단계와; 상기 탈질화된 하·폐수를 상기 제 2 폭기조(18)에서 폭기시킴과 더불어 상기 제 2 폭기조(18)를 폭기조와 침전조로 병행하여 사용하는 단계와; 상기 제 2 폭기조(18)의 엠엘에스에스(MLSS:Mixed Liquor Suspended Solid)를 상기 접촉조(12)로 반송시키는 단계로 이루어진 저농도 도시하수의 질소 및 인 제거방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 탈질화 단계는 상기 유기물흡착 슬러지를 상향류식으로 유입시키며, 여기에 상기 제 1 폭기조(14)를 통과한 하·폐수를 혼합시켜 수행되어지는 것을 특징으로 하는 저농도 도시하수의 질소 및 인 제거방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 접촉조(12)와, 유기성분과 영양염류를 동시에 제거할 수 있는 적어도 하나 이상으로 된 제 1 폭기조(14)이고 준혐기성조이며 제 2 폭기조(18)인 반응조를 직렬로 연결하는 한편, 상기 제 2 폭기조(18)로부터 상기 접촉조(12)로 반송이 이루어지도록 된 것을 특징으로 하는 저농도 도시하수의 질소 및 인 제거방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 제 2 폭기조(18)는 폭기조, 준혐기성조 그리고 침전조로 병행하여 사용되는 것을 특징으로 하는 저농도 도시하수의 질소 및 인 제거 방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 접촉조(12)는 상향류식인 준혐기성조인 탈질조(16)와 연결되어 상기 접촉조(12)의 슬러지가 상기 탈질조(16)로 이송되어지는 것을 특징으로 하는 저농도 도시하수의 질소 및 인 제거방법.
  6. 제 3 항에 있어서, 제 1 폭기조(14)는 암모니아성 질소를 질산화 시킬 수 있도록 메디아에 부착된 미생물을 포함하는 것을 특징으로 하는 저농도 도시하수의 질소 및 인 제거방법.
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