KR100321680B1 - 유로변경에의한폐수의영양염류처리방법 - Google Patents

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Abstract

간헐적인 폭기와 흐름의 방향을 조절하여 도시하수 및 축산폐수와 같은 고농도 유기성 폐수의 영양염류를 효과적으로 처리하기 위한 방법이 개시되어 있다. 본 발명에 따른 폐수의 영양염류 처리방법은, 폐수의 흐름을 조정함으로써 반응조를 부분적인 회분식(유입 및 유출이 없음)화 하는 공법으로, 유입수의 유량과 농도변화에도 유출수의 안정적인 수질을 기대할 수 있고 완충능력이 매우 큰 폐수처리 방법이다. 본 발명은 특히 질소 및 인의 처리효율이 높기 때문에 대소규모의 도시하수처리장, 축산폐수 공동 처리장 및 산업폐수처리장에 효과적으로 이용될 수 있다.

Description

유로변경에 의한 폐수의 영양염류 처리방법
본 발명은 영양염류를 다량 함유하여 호소·하천의 오염 및 부영양화의 주요 원인이 되고 있는 도시하수 및 축산폐수와 같은 고농도 유기성 폐수의 처리방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 간헐적인 폭기와 흐름의 방향을 조절하여 도시하수 및 축산폐수와 같은 고농도 유기성 폐수의 영양염류를 효과적으로 처리하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명은 “분배유입방식을 이용한 폐수의 정화방법”이라는 발명의 명칭으로 본 발명자가 본 출원과 동일자로 출원한 특허 출원 제 호(번호 미정)와 밀접하게 관련된 것으로, 질소 및 인 처리 효율의 향상과 침전 효율의 증진을 위한 보충 발명이다.
기존의 영양염(질소, 인) 처리를 위한 공정들로는 물리화학적인 방법과 생물학적인 처리 방법이 있다. 그런데, 전자의 경우에는 약품비 및 운전상에 요구되는 환경이 특정적이어서 운영에 어려움이 있으며, 유출수가 불안정하여 처리공정중 생물학적 처리전의 전처리 개념으로 이용되고 있다. 이에 반해서, 후자의 경우에는 유출수가 안정적이고 외부경비(약품비)가 없으며, 운영면에 있어서도 용이하므로 여러측면에서 경제적이다.
영양염류를 처리하기 위한 생물학적 처리방법은 크게 전-탈질 공정과 후-탈질공정으로 나누어 볼 수 있다. 이들 공정들은 현재의 활성슬러지 방법과는 처리시설이 다르므로 영양염을 처리하기 위해서는 기존의 시설물 대신 재건 대체하여야 한다. 질소화합물을 처리하는데 요구되는 반응은 질소화합물들을 산화시키는 호기상태의 질산화 과정과 산화된 상태(NO2 -, NO3 -등)의 질소화합물을 가스상태의 질소가스로 만들어 탈기시키는 혐기상태의 탈질산화 과정이며, 인 화합물을 처리하기 위한 방법은 무산소상태에서 미생물내에 있는 인을 체외로 방출시키는 인방출과 인을 과잉 섭취하는 호기상태가 요구된다.
질소와 인을 동시에 처리하기 위해서는 위에 열거한 요구 환경을 모두 갖추어야 하는데 기존의 방법들은 각각의 반응조로 구분하여 이들을 처리하였다. 또한, 질소화합물을 처리하는데 요구되는 질화반응은 탈질반응보다 시간이 더 걸리기 때문에, 기존의 공정에서는 유입수내의 질소농도가 높아지게 되면 유출수의 질소화합물의 농도가 규제치를 넘을 수 있어 질화반응을 유도하는 호기 반응조의 크기를 증가시키지 않으면 안된다. 이처럼 유입수내의 농도가 변하는 경우 기존의 정상상태(steady-state)운영으로는 안정적인 유출수질을 기대할 수가 없다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 생물학적 처리공정으로서 기존 처리시설의 커다란 변경 없이 폭기조내 간헐적인 폭기방식과 유로의 흐름을 조절하여 보다 질소와 인의 농도를 규제농도 이하로 줄일 수 있는 폐수의 영양염류 처리방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 한 반응조내에서 폭기와 비폭기를 번갈아 함께 수행하며 유기물만을 처리목적으로 했던 기존의 처리장을 크게 변경하지 않고 시간 조절기(time controller) 및 간단한 제어기와 약간의 부대시설(Baffle)만을 설치하여순환폭기 및 유로를 변경시켜줌으로써, 기존의 활성 슬러지조를 그대로 이용하여 질소 및 인과 같은 영양염류를 처리할 수 있고 폭기시간을 연속폭기 때보다 줄일 수 있어서 에너지 절감에도 효과가 있는 폐수의 영양염류 처리방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 기존의 정상상태(steady-state)운영에서 탈피하여 유동상태(dynamic-state)를 수행함으로써, 유입수의 농도에 따라 질화조를 시간 조절기로 연장시킬 수 있어서 완충능력이 탁월한 폐수의 영양염류 처리방법을 제공하는데 있다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 바람직한 제 1 실시 예에 따른 폐수의 정화공정을 나타낸 개략도,
도 2a 및 2b는 본 발명의 바람직한 제 2 실시 예에 따른 폐수의 정화공정을 나타낸 개략도, 그리고
도 3a 및 3b는 본 발명의 바람직한 제 3 실시 예에 따른 폐수의 정화공정을 나타낸 개략도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 무산소조 및 혐기조(=관형 흐름형 반응조)
1a: 제 1 무산소조(=완전혼합형 반응조)
1b : 제 1 무산소조(=완전혼합형 반응조)
1c : 혐기조 2: 제 1 간헐폭기 반응조
3 : 제 2 간헐폭기 반응조 4 : 제 3 간헐폭기 반응조
5: 후폭기 반응조 6: 침전조
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은,
무산소조 및 혐기조, 병렬로 배치된 제 1 간헐폭기 반응조와 제 2 간헐폭기 반응조, 제 3 간헐폭기 반응조, 후폭기조 및 침전조의 순서로 하고, 상기 침전조에서 상기 무산소조 및 혐기조로 슬러지를 반송시키며, 상기 무산소조 및 혐기조 내로는 유입폐수가 주입되고, 상기 무산소조 및 혐기조에서는 미생물의 내생호흡에 의한 탈질반응을 이용하여 상기 슬러지에 함유된 질산염의 농도를 줄이며, 이와 동시에 상기 유입폐수중의 유기물을 전자공여체로 이용하여 상기 유입폐수의 탈질반응을 수행하고 상기 유입폐수에 함유된 인을 방출시키며, 상기 무산소조 및 혐기조에서 처리된 유입폐수는 상기 제 1 간헐폭기 반응조 또는 상기 제 2 간헐폭기 반응조로 유입되고, 상기 제 1 간헐폭기 반응조와 상기 제 3 간헐폭기 반응조, 또는 상기 제 2 간헐폭기 반응조와 상기 제 3 간헐폭기 반응조는 유입폐수의 성상에 따라일정시간을 서로 번갈아가며 폭기 및 비폭기시키고, 상기 제 2 간헐폭기 반응조 또는 상기 제 1 간헐폭기 반응조는 폐수의 유입 및 유출이 없는 회분식으로 운영되며 상기 회분식으로 운영시는 호기성 상태를 유지하여 반응속도가 늦은 질산화 반응을 유도하고, 상기 후폭기 반응조에서는 24시간 폭기 형태로 운영되는 것을 특징으로 하는 폐수의 영양염류 처리방법을 제공한다.
상기 무산소조 및 상기 혐기조는 완전 혼합형(Continuous Stirred Tank Reactor; STR) 또는 관형 흐름형(plug flow)으로된 하나의 반응조로 운영될 수 있다.
상기 무산소조 및 혐기조, 상기 제 1 간헐폭기 반응조, 상기 제 2 간헐폭기 반응조, 상기 제 3 간헐폭기 반응조 및 상기 후폭기조 내에는 비폭기시의 교반을 위한 교반시설이 구비된다.
이하, 본 발명의 폐수 정화공정을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1a와 1b는 본 발명의 바람직한 제 1 실시 예에 따른 폐수의 정화공정을 나타낸 개략도이다.
도 1a 및 1b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 제 1 실시 예에 따른 폐수 정화공정을 수행하기 위한 장치는 무산소조 및 혐기조(1), 병렬로 연결된 제 1 간헐폭기 반응조(2)와 제 2 간헐폭기 반응조(3), 제 3 간헐폭기 반응조(4), 후폭기 반응조(5) 및 침전조(6)를 포함한다. 이와같이 구성된 폐수 정화장치의 운영방식은 도 1a와 1b에서 화살표로 각각 나타낸 바와 같은 형태로 계속적으로 반복하여운영된다.
먼저 도 1a를 참조하면, 침전조(6)에서 침전된 슬러지가 무산소조 및 혐기조(1)로 반송되고 초기 폐수가 무산소 및 혐기조(1)로 유입되면, 접촉 시간이 증가함에 따라 유기물과 생물학적 인의 방출이 유도된다. 다음으로, 제 1 간헐폭기 반응조(2)가 호기성 상태이면 제 3 간헐폭기 반응조(4)는 혐기성 상태가 되며, 이와는 달리 제 1 간헐폭기 반응조(2)가 혐기성 상태이면 제 3 간헐폭기 반응조(4)는 호기성 상태가 된다. 이와같이, 제 1 간헐폭기 반응조(2)와 제 3 간헐폭기 반응조(4)는 일정시간을 서로 번갈아가며 폭기 및 비폭기시킨다. 폭기 및 비폭기시간은 폐수의 성상에 따라 1시간/1시간, 1시간/2시간, 2시간/2시간 등으로 자유롭게 조정할 수 있게 한다.
이때, 나머지 제 2 간헐폭기 반응조(3)는 폐수의 유입 및 유출이 없는 회분식으로 운영되며, 회분식으로 운영시는 호기성 상태를 유지하여 반응속도가 늦은 질산화 반응을 유도한다.
다음으로 도 1b를 참조하면, 일정시간 후 유로변경 시간이 되면 도 1b에 나타낸 바와 같이 무산소 및 혐기조(1)로부터 배출되는 폐수는 제 2 간헐폭기 반응조(3)로 유입되며 제 1 간헐폭기 반응조(2)는 회분식으로 운영된다. 유로변경 시간은 1, 2, 4시간 등으로 폐수의 성상에 따라 자유롭게 운영될 수 있도록 한다. 이때, 제 3 간헐폭기 반응조(4)는 연속적인 형태의 간헐폭기 방식으로 운영되며, 이는 유입수내 질소 및 인의 농도가 변화함에 따라 질산화 및 탈질반응으로 완충역할을 할 수 있으며 보다 더 깨끗한 유출수의 기대를 가능하게 한다.
계속되는 후폭기 반응조(5)에서는 24시간 폭기 형태로 운영되고, 침전조(6)에서는 침전성을 높여주며 미생물의 활성을 증진시킨다. 후폭기 반응조(5)를 통과한 반응액은 침전조(6)를 거쳐서 유출수는 외부로 방류되고 활성슬러지는 부분적으로 순환 및 배출된다. 침전조(6)를 제외한 모든 반응조내에서 비폭기시에는 교반이 가능하도록 교반시설(기계식, 산기식 등)을 구비한다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 바람직한 제 2 실시 예에 따른 폐수의 정화공정을 나타낸 개략도이다. 본 발명의 바람직한 제 2 실시 예에 따른 폐수 정화공정을 수행하기 위한 장치는 무산소조와 혐기조를 분리하여 배치한 것을 제외하고는 상기 제 1 실시 예에 따른 폐수 정화장치와 유사하게 구성된다.
즉, 본 발명의 바람직한 제 2 실시 예에 따른 폐수 정화공정을 수행하기 위한 장치는 제 1 무산소조(1a), 제 2 무산소조(1b), 혐기조(1c), 제 1 간헐폭기 반응조(2), 제 2 간헐폭기 반응조(3), 제 3 간헐폭기 반응조(4), 후폭기조(5) 및 침전조(6)를 포함한다. 이와같이 구성된 폐수 정화장치의 운영방식은 제 1 무산소조(1a), 제 2 무산소조(1b) 및 혐기조(1c) 내에서의 폐수처리방식을 제외하고는 상기 제 1 실시 예에 따른 폐수 정화공정와 유사하게 진행된다.
먼저, 도 2a를 참조하면, 침전조(6)에서 침전된 슬러지는 제 1 무산소조(1a)로 반송되어 내생호흡에 의한 탈질 반응이 이루어 지고 후속된 제 2 무산소조(1b)로 이송되어 폐수중의 유기물을 이용하여 탈질 반응이 완료되고 일부 인의 방출이 유도된다. 그런후에는, 혐기조(1c)로 이송되어 폐수중 유기물을 이용한 인의 방출(=탈인반응)이 완료된다.
한편, 유입폐수는 제 2 무산소조(1b)와 혐기조(1c)로 적정 비율 분배방식으로 주입된다. 반송되는 슬러지중에는 질산염(NO3 --N)과 아질산염(NO2 --N)도 함께 반송되는데, 이는 미생물의 인방출의 저해를 야기할 수 있다. 따라서, 제 1 무산소조(1a) 및 제 2 무산소조(1b)에서 미생물의 체내에 있는 유기물과 분배식으로 유입되는 폐수중의 유기물을 이용하여 완전 탈질산화시키고, 혐기조(1c)에서는 완전한 순혐기성의 상태를 유지하여 유입되는 폐수의 유기물을 미생물이 흡착하도록 하며 인의 방출이 진행되도록 한다.
혐기조(1c) 앞에 배치된 무산소조(1a,1b)를 통해 반송되는 슬러지에 포함된 질산성 질소 및 아질산성 질소의 제거는 후속된 혐기조(1c)에서 인의 방출시 저해현상이 없도록 해주며, 유입폐수중의 유기물은 제 2 무산소조(1b)에서는 탈질시 전자공여체로 이용되고 혐기조(1c)에서는 인의 방출을 위한 유기물로 이용되어 질소 및 인의 제거효율을 증진시킬 수 있다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 바람직한 제 3 실시 예에 따른 폐수의 정화공정을 나타낸 개략도이다. 본 발명의 바람직한 제 3 실시 예에 따른 폐수 정화공정을 수행하기 위한 장치는 무산소조와 혐기조를 통합하여 관형흐름(plug-flow) 형태로 구성한 것을 제외하고는 상기 제 1 실시 예에 따른 폐수 정화장치와 유사하게 구성된다.
즉, 본 발명의 바람직한 제 3 실시 예에 따른 폐수 정화공정을 수행하기 위한 장치는 관형흐름 형태로 구성된 무산소조 및 혐기조(1), 병렬로 연결된 제 1 간헐폭기 반응조(2)와 제 2 간헐폭기 반응조(3), 제 3 간헐폭기 반응조(4), 후폭기 반응조(5) 및 침전조(6)를 포함한다. 이와같이 구성된 폐수 정화장치의 운영방식은 무산소조 및 혐기조(1) 내에서의 폐수처리방식을 제외하고는 상기 제 1 실시 예에 따른 폐수 정화공정와 유사하게 진행된다.
무산소 및 혐기조(1)내에서의 흐름은 관형흐름(plug-flow) 형태로, 폐수가 구조물을 통해 흐르며 접촉시간에 따라 물질의 농도가 다르다. 초기 폐수와 반송슬러지가 무산소 및 혐기조(1)로 유입되면, 접촉 시간이 증가함에 따라 내생호흡에 이어 폐수중 유기물을 이용하여 질산염은 미생물의 전자 수용체로 이용되어 탈기됨으로 농도가 점차 낮아지며, 이후에는 혐기성 조건이 형성된다. 즉, 질산염 및 아질산염의 농도가 매우 낮아지게 된다. 혐기성 조건이 형성되는 지점은 유입되는 폐수의 성상에 따라 차이가 있으며 혐기성 조건이 형성되는 지점이 유입폐수가 분배되어 주입되는 최적의 지점된다. 따라서, 무산소 및 혐기조(1)가 하나의 관형흐름형태의 구조물로 구성한 경우는 폐수의 성상에 따라 분배유입수의 지점을 다르게 할 수 있다. 혐기성 상태하에서 주입되는 폐수중 유기물은 생물학적인 방출을 극대화시킨다.
실시예 1
무산소 및 혐기조가 하나의 반응조로 이루어진 도 1a 및 1b와 같은 공정을 설치하여 유기폐수인 축산폐수를 처리하는 실험을 행하였다. 실험에 사용한 폐수는 C지역의 양돈단지의 실제폐수를 이용하였다. 이때, 폐수의 성상은 CODcr, NH4 +-N,TKN, TP, Ortho-P가 각각 4700, 420, 550, 98, 58mg/ℓ이었으며, 반응조의 수리학적 체류시간은 36시간으로 미생물의 체류시간은 12일로하여 운영하였다.
유로변경 시간을 4시간으로 하여 처리후 유출수내의 암모니아 농도는 거의 검출되지 않았으며(〈5mg/ℓ), 질산염 농도는 3mg/ℓ정도 검출되어 질소처리효율은 평균적으로 95% 이상이었다. 유기물의 경우는 평균적으로 96%의 제거효율을 얻었으며, 인의 제거효율은 88%이상으로 관찰되었다. 또한, 시스템 운영시 슬러지의 bulking현상은 발생되지 않음이 관찰되었다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따른 폐수의 정화공정에 의하면, 부영양화의 주요 원인이 되고 있는 질소와 인의 처리를 극대화시킬 수 있다. 유입수내의 질소농도가 높을 경우에도 반응조의 확장없이 폭기시간의 조정으로 호기성상태를 길게 유지 함으로서 질산화반응을 보다 더 진행시킬 수 있다. 또한, 기존의 처리공정에서 볼 수 있는 내적순환이 없고, 간헐적으로 공기를 주입하기 때문에 에너지 공급에 소요되는 비용도 절감 할 수 있어서 이용가치가 매우 높다. 게다가, 생물학적 탈인 효율을 증진시키고 침전효율을 증진시키는 장점이 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (6)

  1. 무산소조 및 혐기조, 병렬로 배치된 제 1 간헐폭기 반응조와 제 2 간헐폭기 반응조, 제 3 간헐폭기 반응조, 후폭기조 및 침전조의 순서로 하고, 상기 침전조에서 무산소조 및 혐기조로 슬러지를 반송시키며, 무산소조 및 혐기조 내로는 유입폐수가 주입되어, 미생물의 내생호흡에 의한 탈질반응을 이용하여 슬러지에 함유된 질산염의 농도를 줄이며, 이와 동시에 유입 폐수중의 유기물을 전자공여체로 이용하여 유입폐수의 탈질반응을 수행하고, 유입폐수에 함유된 인을 방출시키며, 무산소조 및 혐기조에서 처리된 유입폐수는 제 1 간헐포기 반응조로 유입되고, 제 1 간헐폭기 반응조와 제 3 간헐폭기 반응조는 유입폐수의 성상에 따라 일정시간을 서로 번갈아가며 폭기 및 비폭기시키고, 제 1 간헐폭기 반응조 및 제 2 간헐폭기 반응조는 폐수의 유입, 유출이 없는 회분식으로 운영되며, 회분식으로 운영시는 호기성 상태를 유지하여 반응속도가 늦은 질산화 반응을 유도하고, 후폭기 반응조에서는 24시간 폭기 형태로 운영되는 것을 특징으로 하는 폐수의 영양염류 처리방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 무산소조, 혐기조가 완전 혼합형(Continuous Stirred Tank Reactor)으로 된 하나의 반응조로 운영되는 것을 특징으로 하는 폐수의 영양염류 처리방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 무산소조, 혐기조가 관형 흐름(plug-flow)의 형태로 구성된 하나의 반응조로 운영되는 것을 특징으로 하는 폐수의 영양 염류 처리방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 무산소조 및 혐기조, 제 1 간헐폭기 반응조, 제 2 간헐폭기 반응조, 제 3 간헐폭기 반응조, 후폭기조 내에는 비폭기시의 교반을 위한 교반시설이 구비된 것을 특징으로 하는 폐수의 영양염류 처리방법.
  5. 제 1 무산소조, 제 2 무산소조, 혐기조, 병렬로 배치된 제 1 간헐폭기 반응조와 제 2 간헐폭기 반응조, 제 3 간헐폭기 반응조, 후폭기조 및 침전조의 순서로 하고, 상기 침전조에서 제 1 무산소조로 슬러지를 반송시키며, 제1 무산소조에서는 미생물의 내생호흡에 의한 탈질반응을 이용하여 슬러지에 함유된 질산염의 농도를 줄이고, 제 2 무산소조와 혐기조 내로는 유입폐수를 적정비율에 따라 분배방식으로 주입하며, 제 2 무산소조에서는 유입폐수중의 유기물을 전자공여체로 이용하여 유입폐수의 탈질반응을 수행하고, 유입폐수에 함유된 인증 일부를 방출시키며, 혐기조에서는 미생물을 이용해서 제 1 간헐폭기 반응조 및 제 2 간헐폭기 반응조로 유입되고, 제 1 간헐폭기 반응조 및 제 2 간헐폭기 반응조와 제 3 간헐폭기반응조는 유입폐수의 성상에 따라 일정시간을 서로 번갈아가며 폭기 및 비폭기시키고, 제 2 간헐폭기 반응조는 폐수의 유입 및 유출이 없는 회분식으로 운영되며 회분식으로 운영시는 호기성 상태를 유지하여 반응속도가 늦은 질산화반응을 유도하고, 후폭기 반응조에서는 24시간 폭기 형태로 운영되는 것을 특징으로 하는 폐수의 영양염류처리방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 제 1 무산소조, 제 2 무산소조, 혐기조, 제 1 간헐폭기 반응조, 제 2 간헐폭기 반응조, 제 3 간헐폭기 반응조 및 후폭기조 내에는 비폭기시의 교반을 위한 교반시설이 구비된 것을 특징으로 하는 폐수의 영양염류 처리방법.
KR1019980058717A 1998-12-23 1998-12-23 유로변경에의한폐수의영양염류처리방법 KR100321680B1 (ko)

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