KR100325005B1 - 하폐수의 생물학적 탈질,탈인방법 및 그 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제한된 탄소원을 이용하여 슬러지의 생산량을 감소시킬 뿐만 아니라 반송되는 질산성 질소를 이용하여 인 제거 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 하폐수의 생물학적 탈질,탈인방법 및 그 장치에 관한 것으로, 이러한 하폐수의 생물학적 탈질,탈인방법 및 그 장치는 제1침전조, 혐기성 반응조, 제1무산소 반응조, 제2무산소 반응조, 제2침전조 및 호기성 생물막여과조의 순서로 운영되는 공정을 포함하여 구성됨으로서 탄소원이 높은 경우 및 탄소원이 제한된 경우에도 탈질 및 탈인공정이 원활하게 수행됨과 아울러 슬러지의 생산량을 절감하고, 짧은 체류시간에 안정적인 수질을 얻을 수 있게 되어 폐수처리의 신뢰성을 얻을 수 있는 효과가 있게 되는 것이다.
Description
본 발명은 폐수 중에 현탁 또는 용해되어 있는 오염물질을 제거하는 폐수처리방법 및 그 장치에 관한 것으로, 특히 탄소원이 낮은 경우에도 생물학적 처리방식을 이용하여 하폐수의 유기물과 질소, 인등의 영양염류를 제거할 수 있도록 하는 하폐수의 생물학적 탈질,탈인방법 및 그 장치에 관한 것이다.
근래에 들어 상수원으로 이용되고 있는 호수, 저수지 및 하천 등이 부영양화로 인해 수질이 악화되어 감에 따라 이러한 부영양화의 원인물질인 질소와 인을 하수처리 과정에서 제거시켜 주어야 하나, 현재 대부분의 하수처리장이 2차 처리인 활성슬러지 공정까지 만을 운영하고 있어 문제의 질소와 인은 거의 처리되지 않은 채 그대로 하천에 방류되거나 호수 및 저수지로 유입되고 있는 실정이다.
따라서 농업 반송수뿐만 아니라 인체폐기물, 부엌으로부터 하수도에 방출되는 음식 폐기물, 여러 가지 가정용 세제에 사용되는 농축 무기 인산염 화합물 등에 의해 폐수 중에 발생되어 인 및 질소에 의해 환경수역을 부영양화(Eutrophication)시킬 뿐만 아니라 수생식물의 증식을 촉진시키게 되는 문제점이 있었다.
또한, 상기 질소는 폐수에서 주로 유기질소와 암모니아 질소로 되어 환경에 방출되었을 때, 자연계에서 유기질소와 암모니아 질소가 아질산염으로 전환된 후, 질산염이 되는 데, 이때, 큰 산소요구량을 필요하게 되는 문제점이 있었다.
따라서, 이와 같은 문제점을 해결할 수 있도록 생물학적인 방법에 의해 질소및 인을 동시에 처리하는 제거원리를 살펴보기로 한다. 생물학적인 질소와 인의 제거원리는 다음과 같이 각각 독립적이며, 처리공정에서 이를 어떻게 적절하게 응용하느냐가 문제시된다.
먼저, 인의 반응을 살펴보기로 한다. 생물학적으로 인의 제거는 혐기 및 호기공정에서 인의 방출 및 섭취현상을 이용하는 것으로, 최초 침전조에서 부유 고형물질이 제거되어 혐기성 반응조에 유입된 유출수로부터 혐기성 상태에서 잉여 슬러지 반송펌프에 의하여 반송되어 유입된 미생물 체중에 의해 유기물이 섭취, 저장됨과 동시에 인의 방출이 시작되고, 후속되는 공정의 호기성 상태에서 미생물체 증식과 더불어 폴리인산을 미생물 체내에 축적하면서 인이 제거된다. 즉, 혐기공정에서 세포 내에 저장되어 있던 폴리인(poly-P)으로부터 정인산(ortho-P)이 방출되며, 세포 내에 축적된 폴리인산은 정인산의 선형결합으로, 이 결합의 고리가 에너지원이 된다. 또한, 폴리인산의 가수분해로 PO4 +가 유리되어 액중에 방출되며, 이 현상을 인의방출(phosphorus release)이라고 한다.
이때, 에너지로 세포 외의 유기물을 세포 내로 이동시키는 데, 이를 능동수송(active transport)이라고 하며, 이렇게 흡수된 유기물은 PHB(poly-B-hydroxy buthylate)로 저장된 후, 호기상태가 되면 세포 내로 저장되었던 PHB를 분해시켜 ATP를 합성하고, 이 에너지를 세포 내의 인을 흡수하여 폴리인산으로 저장한다. 이때, 용액 내로부터 과량의 정인산을 섭취하여 무기인산을 합성하는 현상을 인의 과잉섭취(lusuary uptake)가 한다. 인의 생물학적 제거란 결국 호기상태에서 인을 과잉섭취한 미생물을 슬러지의 형태로 배출시킴으로서 이루어진다.
다음, 질소의 반응을 살펴보기로 한다. 하폐수 중의 질소 성분은 유기성 질소(organic-N), 암모니아성 질소(NH4-N), 아질산성 질소(NO2-N) 및 질산성 질소(NO3-N) 등으로 분류될 수 있으며, 이러한 질소를 제거하기 위하여 질산화공정(nitrification process)과 탈질공정(denitrification process)의 2단계 공정이 필요하다. 상기 질산화공정에서는 호기성 조건에서 질산염의 형태로 전환시키고, 탈질공정에서는 상기 질산염을 질소가스로 전환시킨다. 이때, 상기 탈질공정을 유도하는 데는 수소공급체(hydrogen doner)로, 그리고 생물학적 합성을 위한 탄소를 공급하는 데 유기탄소원(organic carbon source)을 필요로 한다. 즉, 호기성 상태에서 미생물에 의해 처리되는 개방형 순산소 활성슬러지 처리공정을 사용하여 유기물질을 분해 처리함과 동시에 질소의 질산화가 이루어진다. 질산화된 혼합액을 대량으로 무산소 반응조로 반송시키면 무산소 상태에서 질산화물이 미생물에 의해 환원되면서 탈질소 반응을 일으켜서 질소가 제거되는 것으로, 이를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 질소제거과정은 유입수 내의 암모니아와 유기질소 등이 일정조건에서 질산성 질소와 아질산성 질소로 변화되는 질산화(nitrification)단계와, 상기 질산화단계에 의해 질산화된 질산성 질소 등이 처리시스템에 환원되어 탈질소반응을 일으켜 질소를 제거하게 된다.
상술한 바와 같이 질소와 인의 제거원리를 적절히 혼합하여 동시에 처리하는생물학적 처리공정(이하, 고도처리공정이라 함)으로는 A2/O공정, 바덴포(Bandenpho)공정, UCT(University of Cape Town)공정, VIP(Virginia Initiative Plant)공정 등이 있는 것으로, 이를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 A2/O법은, 도1a에 도시된 바와 같이, 1차 침전조(100)에서 침전처리되어 부유 고형물질이 제거된 하수 및 폐수 등의 유입수를 혐기성 반응조(200), 무산소 반응조(300), 호기성 반응조(400), 2차 침전조(500)를 통하여 처리하여 방류하는 것으로, 상기 무산소 반응조(300)의 체류시간은 대략 1시간정도 소요된다. 상기 무산소 반응조(300)에서는 용존산소가 없지만 질산염과 아질산염 형태의 화학적으로 결합된 산소가 호기성 반응조(400)로부터 질산화된 MLSS(Mixed Liquor Suspended Solids: 현탁고형물 혼합액)로 유입되어 질산성 질소의 탈질이 이루어지도록 함으로서 상기 혐기성 반응조(200)에서 방출된 인이 호기성 반응조(400)에서 과잉흡수되도록 함과 아울러 상기 혐기성 반응조(200)에서는 2차 침전조(500)로부터 유입수량 0.5배의 반송슬러지가 반송되어 유입되도록 한다.
또한, 상기 변형 바덴포(Bandenpho)법은, 도1b에 도시된 바와 같이, 인, 질소 및 탄소제거를 위하여 제1침전조(100)를 거친 하폐수 등의 유입수를 혐기성 반응조(200), 제1무산소 반응조(300), 제1호기성 반응조(400), 제2무산소 반응조(500), 제2호기성 반응조(600) 및 제2침전조(700)를 통해 일련되게 처리하여 방류하는 것으로, 이때, 상기 제1호기성 반응조(400)에서는 유입수량의 4배를 반송시키며, 상기 제2침전조(700)에서는 유입수량 0.5배의 반송슬러지를 혐기성반응조(200)로 반송시킨다.
또한, 상기 UTC(University of Cape Town)법은, 도1c에 도시된 바와 같이, 제1침전조(100)를 거친 하폐수 등의 유입수를 혐기성 반응조(200), 무산소 반응조(300), 호기성 반응조(400), 제2침전조(500)를 통해 일련되게 처리하여 방출하는 것으로, 이때, 상기 무산소 반응조(300)에는 유입수량의 1~2배를 혐기성 반응조(200)에 반송하고, 호기성 반응조(400)에서는 유입수량의 1~2배를 무산소 반응조(300)로 반송시킴과 아울러 제2침전조(500)에서는 유입수량의 0.5배의 반송슬러지를 혐기조(200)로 반송시킨다.
또한, 상기 VIP(Virginia Initiative Plant)법은, 도1d에 도시된 바와 같이, 제1침전조(100)를 거친 하폐수 등의 유입수를 혐기성 반응조(200), 무산소 반응조(300), 호기성 반응조(400), 제2침전조(500)를 통하여 처리한 후 방류하는 것으로, 이때, 상기 무산소 반응조(300)에서는 유입수량의 1~2배를 혐기성 반응조(200)에 반송하며, 상기 호기성 반응조(400) 및 제2침전조(500)에서는 유입수량의 1배의 반송슬러지를 무산소 반응조(300)로 반송시킨다.
표 1. 국내외 하폐수의 성상비교
| 국내 | 국외 | |||||
| 유입수 | 침출수 | 돈사폐수 | 유입수 | 침출수 | 돈사폐수 | |
| pH | 6.5-7.5 | 7.4-8.1 | 6.9-8.4 | - | 3.7-9.0 | 7.8 |
| Alkailnity | 90-180 | 5,400-7,650 | 1,845-3,800 | - | 140-20,900 | - |
| SS | 47-260 | 702-854 | 675-1,625 | - | 5-18,800 | 8,290 |
| CODcr | 74-228 | 4,010-4,855 | 2,025-5,022 | 208-303 | 9-90,000 | 10,580 |
| BOD | 60-112 | 2,854-3,765 | 1,132-1,620 | 75-183 | 2-55,000 | - |
| NH4H | 10-25 | 1,474-1,823 | 398-734 | - | 0-1,100 | 844 |
| TN | 17-31 | 1,540-1,899 | 750-828 | 24.5-36 | 0-2,400 | 1,258 |
| PO4N | 0.8-4.4 | 8.6-16.8 | 27-55.2 | - | - | 19.4 |
| TP | 1.2-6.7 | 2.5-8.4 | 41.3-83 | 7.8-13.4 | 0-155 | 236 |
| COD/TN | 4.3-7.4 | 2.1-3.2 | 2.8-4.1 | 8.4-8.7 | 58이상 | 8.4 |
(pH, COD/N 및 Akalinity를 제외한 모든 단위는 mg/L. )
그러나, 상기와 같이 하.폐수처리에서의 영양염류 제거방법은 호기성 생물막여과조에서 질산화된 질산성 질소 등이 무산성조에 반송됨으로서 질산성 질소의 탈질이 일어나고 혐기성 반응조에서 방출된 인이 호기성 생물막여과조에서 과잉흡수되는 시스템이라 할 수 있지만, 우리나라와 같이(위에 도시된 표 1. 참조) 유기물의 농도가 질소나 인에 비해서 낮은 성상을 가진 하수의 경우 탈질의 효과를 얻을 수 없게 됨으로서 탈질되지 않은 질산성 질소가 침전조의 슬러지 반송을 통해서 10 mg/L 이상 혐기성 반응조에 유입되면, 인의 방출과 유기물의 생체저장이 일어나기 전에 유입수의 유기물이 탈질에 이용되어 결국에는, 인제거 효율이 저하되는 문제점이 있었다.
또한, 유입 하폐수에서 탄소원 즉 유기물이 부족한 경우에 탈질소화 미생물에 의한 탈질작용이 충분하지 않게 되어 질산성 질소가 다량 함유된 반송슬러지가 혐기성 반응조에 반송되면, 인의 방출과 유기물의 생체저장이 일어나기 전에 유입수의 유기물이 탈질에 이용되어 결국에는 인제거 효율이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 특히, 전체 공정상에 소요되는 유기물의 요구량 및 슬러지의 생산량을 감소시킬 뿐만 아니라 반송되는 질산성 질소의 양을 줄여 인제거 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 하폐수의 생물학적 탈질,탈인방법 및 그 장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명은 질소 및 인에 대한 유기물의 농도가 크고 작음에 상관없이 안정적으로 인 및 질소를 제거할 수 있을 뿐만 아니라 반응시간을 단축하여 목표한 수질을 안정적으로 얻을 수 있도록 하는 하폐수의 생물학적 탈질,탈인방법 및 그 장치를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명 하폐수의 생물학적 탈질,탈인방법 및 그 장치는 반송되는 질산성 질소뿐만 아니라 전체 공정상 필요한 유기물의 요구량을 줄일 수 있도록 탈인탈질미생물(XdPAO)을 통해 질소와 인을 동시에 제거할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한 본 발명은 처리용량을 감소시켜 반응시간을 줄일 수 있도록 함과 아울러 무산소 반응조에서 질산성 질소를 전자수용체로 이용하여 연속적인 인의 제거가 이루어질 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명은 슬러지의 생산량을 절감할 수 있도록 무산소 공정을 이용하여 인을 제거할 뿐만 아니라 질산화된 처리수를 계통내에 반송하여 처리시설의 부지를 감소시켜 안정적인 수질을 확보할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명은 후단의 질산화공정을 생물막여과와 같은 막(media)의 채용으로 미생물의 완충능력을 키움으로서 동절기에도 질산화공정의 저해를 저감할 수 있도록 하는 특징으로 하는 것이다
도 1은일반적인 생물학적 탈질, 탈인공정을 개략적으로 보인 계통도로서,
도 1a는 A2/O 공정을 보인 것이고,
도 1b는 바덴포공정을 보인 것이고,
도 1c는 UCT 공정을 보인 것이고,
도 1d는 VIP 공정을 보인 것이다.
도 2는본 발명의 생물학적 탈질, 탈인공정을 개략적으로 보인 계통도.
도 3은 탈질 및 인제거량과 TBOD의 상관관계를 보인 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10:제1침전조 20:혐기성 반응조
30:제1무산소 반응조 40:제2무산소 반응조
50:제2침전조 60:호기성 생물막여과조
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명은 하폐수의 생물학적 탈질,탈인방법 및 그 장치의 기술적 사상에 따른 실시예를 들어 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 도 2는 발명의 생물학적 탈질, 탈인공정을 개략적으로 보인 계통도이고, 도 3은 탈질 및 인제거량과 TBOD의 상관관계를 보인 그래프이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 폐수처리시스템은, 유입수내에 물리적으로 침전가능한 부유물질을 제거시키는 제1침전조(10), 상기 제1침전조(10)로부터 흘러나오는 유입수를 저장하고 유입수내 쉽게 분해되는 유기물(readily biodegradable COD)을 이용하여 인의 방출과 유기물의 가수분해를 촉진시키는 혐기성 반응조(20), 상기 혐기성 반응조(20) 및 호기성 생물막여과조(60)로부터 흘러나오는 유입수 저장하고 질산화된 질산성질소(NO3N)와 용존산소(O2)를 전자수용체로 이용하여 인이 방출된 혐기성 반응조(20)의 유출수가 혼합되어 특수 미생물인 탈진, 탈인 미생물(XdPAO)를 이용한 섭취(uptake)와 탈질(denitrification)을 동시에 진행하는 제1무산소 반응조(30), 제1무산소 반응조(30)에서 섭취되지 못한 인의 섭취와 질산성질소의 탈질을 연속적으로 수행하도록 함과 아울러 호기성 생물막여과조(60)로부터 제1무산소 반응조(30)에 반송되는 전자수용체의 역할을 하는 질산성질소와 용존산소가 부족한 경우 임시적으로 호기성반응조 역할을 하는 제2무산소 반응조(40), 상기 반응조의 활성을 위해 일부(50∼100％)를 상기 혐기성 반응조(20)로 반송하며 미생물의 체류시간을 조절하기 위해 일부를 폐기하는 제2침전조(50), 상기 제2침전조(50)로부터 흘러나오는 유출수에서 질소성분의 질산화와 부유물질을 제거하여 깨끗한 물을 외부로 유출시키는 호기성 생물막여과조(60)의 순서로 운영되는 공정을 포함하는 영양염류 제거방법에 관한 것으로, 이를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 유입수의 유기물을 이용하여 일반 탈질이 이루어질 수 있도록 제1침전조(10)에 유입되는 유입수가 반송관(91)을 통해 제2무산소 반응조(40)로 반송이 수행된다.
또한, 상기 호기성 생물막여과조(60)로부터 제1무산소반응조(30)로 내부반송관(81)을 통해 유기물의 반송이 수행되고, 상기 제2침전조(50)로부터 상기 혐기성 반응조(20)로 슬러지 반송관(71)을 통해 유기물의 반송이 수행된다.
또한, 상기 제2무산소 반응조(40)로 제1침전조(10) 유출수가 유입유량의 20~30%이고, 상기 제2침전조(50)로부터 상기 혐기성 반응조(20)로 반송되는 슬러지 반송량은 50%로 한다.
또한, 제1무산소 반응조(30)에 탈인탈질 미생물(XdPAO)이 사용된다.
또한, 상기 제1,2무산소 반응조(30,40)에서의 탈인공정은 기존에 O2뿐만아니라 전자수용체(electron acceptor)로서 질산성 질소도 함께 전자수용체로 이용하여 인을 제거한다.
또한, 상기 호기성 생물막여과조(60)는 미생물의 완충능력을 키워 질산화 성능을 유지할 수 있도록 생물막여과와 같은 막체(media)를 구비한다.
또한, 상기 제1,2무산소 반응조(30,40)는 유기물의 농도가 낮고 선행공정인 혐기성 반응조(20)에서 미생물내에 유기물이 생체 축적되면, 일반적인 탈질미생물 뿐만 아니라 탈질.탈인 미생물(XdPAO)에 의해 탈질 및 탈인현상이 발현되고, 유기물의 농도가 높은 경우에는 일반 탈질미생물에 의해 탈질 및 탈인현상이 발현된다.
다음은 상기와 같이 구성된 본 발명에 대해 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명하면, 제1침전조(10), 혐기성 반응조(20), 제1무산소 반응조(30), 제2무산소 반응조(40), 제2침전조(50) 및 호기성 생물막여과조(60)는 이송로(11,21,31,41,51,61)에 의해 일련되게 연통되며, 상기 호기성 생물막여과조(60)에서 외부로 방류된다.
먼저, 하수 및 오폐수가 제1침전조(10)에 유입되면, 부유 고형물질이 침전 제거된 후 유출수가 혐기성 반응조(20)로 유입된다. 상기 혐기성 반응조(20)에서는 혐기성 상태에서 제2침전조(50)로부터 잉여슬러지 반송관(71)을 통해서 반송된 미생물 체내에 유기물의 섭취, 저장됨과 아울러 인의 방출이 시작된다. 이때, 수중의 인의 함량과 함께 인화합물의 성상에 따라 인 방출 반응시간(체류시간)을 조절한다.
한편, 상기 호기성 생물막여과조(60)내의 유입수에 포함되어 있는 질소는 질산화 되어진다. 그리고, 상기 호기성 생물막여과조(60)가 제2침전조(50) 이후에 구비되어 상기 혐기성 반응조(20)와 제1,2무산소 반응조(30,40) 및 상기 제2침전조(50)를 거치면서 대부분의 유기물과 부유물이 제거된 상태에서 처리수가 유입됨으로서 질산화공정의 반응시간(체류시간)을 줄일 수 있게 된다. 특히, 동절기에는 생물막여과와 같은 막체(media)의 채용으로 미생물의 완충능력을 키워 질산화 성능을 유지할 수 있게 된다. 또한 필요시에는 무산소 반응조에 별도의 외부탄소원을 추가로 투입하여 탈질 및 탈인성능을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 유입수내의 유기물의 탈질을 위해서는 적당량의 유기물이 필요하게 되는 데, 상기 유기물의 농도가 높은 경우에는 상기 제2무산소 반응조(40)에서 일반 탈질현상이 발현되며, 유기물의 농도가 낮고 앞의 공정인 혐기성 반응조(20)에서 미생물내에 유기물이 생체 축적되어지면 탈질미생물 뿐만 아니라 탈질.탈인 미생물이 존재할 수 있게 된다. 따라서, 유기물의 농도가 높은 경우에는 제2무산소 반응조(40)에서 일반 탈질미생물이 우세하고, 후단의 제2침전조(60)의 호기성 생물막여과조(60)에서 질산화와 함께 혐기성 반응조(20)에서 축적되었던 인의 방출이 다시 과잉섭취되어 제거되는 것이다.
한편, 상기 질산화공정에서 질산성 질소중 탈질시킬 부분만 제1무산소 반응조(30)로 반송하여(약 100%내외) 탈질시키게 됨으로서 반송슬러지내의 질산성 질소에 의한 혐기성 반응조(20)내의 탈인 미생물의 활동 저해를 최소화시킬 수 있게 된다. 따라서, 혐기성 반응조(20)에서 인의 방출이 보다 용이하여 무산소 반응조를 거치며 인의 섭취가 가능하게 된다.
또한, 상기 호기성 생물막여과조(60)에서의 질산화공정과 함께 호기성 생물막여과조(60)에서 질산화된 미생물 혼합액을 탈인.탈질 미생물(XdPAO)이 포함된 제1무산소 반응조(30)로 반송시키면, 무산소 상태에서 질산화물이 환원되면서 대기중에 질소가스로 배출되는 탈질과정뿐만 아니라 탈인과정이 동시에 이루어지게 되어 반송되는 질산성 질소의 농도를 줄일 수 있게 된다. 또한, 인 제거를 위해 호기성 반응조 대신 제1무산소 반응조(30)를 이용함으로서 호기성 반응조 구동에 필요한 동력의 절감과 슬러지 생산량을 줄일 수 있게 된다. 또한, 상기 무산소 반응조에서 탈질.탈인 미생물(XdPAO)에 의한 탈인공정은 기존에 O2뿐만아니라 전자수용체(electron acceptor)로서 질산성 질소도 함께 전자수용체로 이용하여 인을 제거하게 된다. 따라서, 유입되는 하폐수의 성상에 따라 반송되는 질산성 질소가 모자랄 때는 후단의 제2무산소 반응조(40)에서 O2를 이용하여 인을 제거하고, 반대의 경우에는 무산소 반응조로 반송된 질산성 질소를 무산소 반응조에서 탈인을 위한 전자수용체로 이용하는 미생물에 의해 이용됨과 아울러 잉여의 질산성 질소는 일반 탈질 미생물을 통해서 독립적으로 제거되기 때문에 침전조에 반송되는 슬러지의 경우 질산성 질소가 적은 양만 반송되므로 혐기성 반응조(20)에 인의 방출현상에 영향을 미치지 않게 된다.
이와 같이, 무산소 반응조에서 질소와 인의 동시제거현상은 혐기성 반응조(20)에 축적된 유기물(미생물이 분해하기 쉬운 유기물: readily biodegradable COD)의 이용이 탈질.탈인 미생물(XdPAO)에 의해 일어나고, 일반 탈질 미생물을 통해서 상대적으로 분해가 어려운 유기물(slowly biodegradable COD)과 혐기성 반응조(20)에서 발효(fermentation)된 유기물 등을 이용하여 탈질함으로서 각각 인제거 미생물과 탈질미생물이 유기물의 독립된 사용으로 전체 공정상에 제거되는 질소와 인에 따른 유기물의 소요량을 줄일 수 있게 된다. 따라서, 도3에 도시된 바와 같이, TBOD가 높은 상태에서는 기존의 공정들도 양호한 탈질 및 탈인성능을 나타내나, TBOD가 낮은 상태에서는 본 공정에 의한 탈질 및 탈인량이 높게 나타난다.
또한, 혐기성 반응조(20)에서의 유기물의 생체저장과 무산소 반응조에서의 일반 탈질미생물에 의한 유기물 등의 이용이 일어남으로서 호기성 생물막여과조(60)에서는 순차적으로 유기물의 산화보다는 질산화공정만을 수행할 수 있게 되어 전체 용량의 절감할 수 있게 된다.
한편, 제2침전조(50)는 생성된 유기물질을 섭취하는 미생물과 탈질 미생물, 탈인 미생물의 침전을 위한 것으로, 일부 슬러지는 폐기시키고, 반송수의 영향을 줄이기 위해 제2침전조(50)의 크기를 일반적인 활성슬러지의 경우보다 1hr 정도 크게 하여 슬러지내 내생탈질(endogenous denitrification)과 지속적인 슬러지의 침전을 유도하게 된다.
따라서, 제2무산소 반응조를 통과한 처리수가 제2침전조(50)를 거쳤기 때문에 미생물과 잔존하는 부유물질 및 부유물질이 유발하는 유기물 등이 호기성 생물막여과조(60)로 공급되지 않게 되어 암모니아성질소와 미량의 유기물만 각각 질산화와 유기물 산화를 하게 된다.
본 발명의 각 반응조별 농도변화는 다음의 표 2.와 같으며, 상기 표 2.를 참고로 본 발명의 동작을 설명하면 다음과 같다.
| 단계 인자 | 유입액 | 제1침전조 | 혐기성반응조 | 제1,2무산소 반응조 | 제2침전조 | 질산화공정(최종유출수) |
| HRT (hr) | - | 2 | 1 | 2-3 | 4 | 1-2 |
| BOD (mg/L) | 100 | 70 | - | - | <10 | <5 |
| COD (mg/L) | 250 | 173 | - | - | <30 | <15 |
| SS (mg/L) | 180 | 108 | - | - | <10 | <5 |
| TN (mg/L) | 40 | 36 | - | - | 30.5 | <15 |
| NH4N (mg/L) | 31 | 28 | - | - | - | <1 |
| NO3N (mg/L) | - | - | - | - | - | 14.2 |
| TP (mg/L) | 5.6 | 5 | - | - | <1 | <1 |
| SP (mg/L) | 4.0 | 3.6 | 7.3 | 1.1 | - | <1 |
본 발명에 사용되는 약자를 풀어쓰면 다음과 같다.
HRT: Hydraulic Retention time 체류시간
BOD: Biological Oxygen Demand 생화학적 산소요구량
COD: Chemical Oxygen Demand 화학적 산소요구량
SS: Suspended Solid 부유물질
TN: Total Nitrogen 총질소
NH4N: Ammonium Nitrogen 암모니아성 질소
NO3N: Nitrate Nitrogen 질산성 질소
TP: Total Phosphorus 총인
SP: Soluble Phosphorus 용해성인
SVI: Sludge Volume Index 슬러지 용량지표
먼저, 본 공정에 사용되는 미생물의 농도는 활성 슬러지농도(MLSS)가 3000mg/L(MLVSS = 2,100)이 되고, 미생물의 세포합성에 필요한 영양소농도는 질소인 경우 제거되는 BOD의 약 5%, 인인 경우 1%가 된다. 또한, 상기 제1침전조는 BOD 제거효율이 30%, SS 제거효율이 40% 그리고 TN 및 TP 제거효율이 10%가 된다.
인 방출이 일어나는 상기 혐기성 반응조는 인 방출이 일어나기 전에 상기 제2침전조로부터 반송된 슬러지는 질산성 질소에 의해 인 방출에 영향을 받지 않게 되는 것으로, 협기성 반응조에서의 인 방출율 SPRR은 시간당 1.1mgP/gVSS이고, HRT은 1시간이므로 혐기성 반응조에서 방출되는 인의 농도 An eff. P = 유입인농도 + 반송되는 인농도 + 인방출농도에 의해 상기 An eff. P는 7.3mg/L가 된다.
또한, 상기 제1,2무산소 반응조에 유입되는 질산성 질소(NO3N)의 농도 = 혐기조 유출수(100%) + 질산화공정 반송수(100% 내부반송) + 슬러지반송(50%) = (질산화 가능량 - 세포합성에 필요한 질소량)/2.5가 되어 제1,2무산소 반응조에 유입되는 질산성 질소(NO3N)의 농도는 (36-3.5)/2.5 = 14.2 mg/L가 된다.
또한, 상기 제1,2무산소 반응조에 유입되는 인농도 = 혐기조 유출수(100%) + 질산화공정 반송수(100% 내부반송)가 되어 제1,2무산소 반응조에 유입되는 인농도는 (7.3 + 1.0)/2 = 4.15 mg/L이 된다. 또한, 과잉섭취율 SPUR이 시간당 0.84 mgP/gVSS이고, HRT가 2시간이므로 인제거에 필요한 질산성 질소의 필요량 △(NO3N)/△(P) = 4.6 gNO3Nreq./gPrem 이 된다. 따라서, 인제거 가능량은 14.2/4.6=3.04 mgP/L이 되고, 상기 제1,2무산소조의 유출 인농도는 4.15 - 3.04 = 1.1 mg/L이 되고, 제1,2무산소 반응조 유출 질산성 질소의 농도는 14.2 - 3.04*4.6 = 0.216이 되어 상기 제1,2무산소 반응조에서 질산성 질소는 검출되지 않은 정도의 미량만이 유출되게 된다.
또한, 본 발명에 의해 상기 무산소조에서 인을 제거함으로서 발생되는 슬러지양은 0.2 ~ 0.46 gVSS/gCOD가 되어 일반적인 호기조에서 인을 제거하는 데 발생되는 슬러지양 0.35~0.67 gVSS/gCOD보다 약 30~40% 절감할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은, 도 3에 도시된 바와 같이, 기존의 공정에 비해 탈질량 + 인제거량이 약 7~10 mg/L정도 증가하여 적은 유기탄소원에서도 높은 탈질 및 탈인성능을 가지게 된다. 이때, 본 발명에 의해 절감되는 유기탄소원은, 질산성 질소의 탈질과 인제거에 필요한 유기물을 5 mgCOD로 가정하면, 7~10 mg(N+P)/L * 5 (mgCOD/L)/mg(N+P)rem = 35 ~ 50 mgCOD/L정도 된다.
이에 따라 제2침전조는 SVI가 80~100이고, 내생탈질률 SDNRe는 시간당 0.5 mgN/gVSS이고, 제2침전조의 슬러지 높이가 0.5m이고, 슬러지 HRT는 0.5시간이고, 슬러지농도는 10,000mg/L(VSS = 7500 mg/L)이므로 제2침전조에서의 질산성 질소 제거량 = 내생탈질률 * 슬러지농도 * 슬러지 HRT = 0.5 * 7.5 * 0.5 =1.875 mg/L가 된다.
또한, 상기 호기성 생물막여과조에서 질산화 공정은 생물막을 적용할 경우 공극률이 50%이고, 단위체적당 공기주입률이 시간당 3.97 m3air/m3= 0.97 m3O2/m3이 되고, 질산화율은 1.0 N/m3/d이 되어 시간당 41.7 mgN/L이 된다. 이때, 상기 생물막여과의 질산화농도는 26.3 mg/L이고, 생물막여과의 EBCT는 0.58에서 1시간이 되고, 생물막여과의 HRT는 대략 30분 정도로 역세주기는 5일 간격으로 1회 수행하게 된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명 하폐수의 생물학적 탈질,탈인방법 및 그 장치는 탄소원이 제한된 경우에도 탈질 및 탈인이 원활하게 수행됨과 아울러 슬러지의 생산량을 절감하고, 짧은 체류시간에 안정적인 수질을 얻을 수 있게 되어 폐수처리의 신뢰성을 얻을 수 있는 효과가 있게 되는 것이다.
또한, 본 발명은 인제거를 호기성 생물막여과조대신 무산소성 반응조에서 수행함으로서 호기성 생물막여과조의 구동에 필요한 동력을 절감할 수 있게 되어 유지비를 절감할 수 있는 효과가 있게 되는 것이다.
Claims (12)
- 제1침전조, 혐기성 반응조, 제1무산소 반응조, 제2무산소 반응조, 제2침전조 및 호기성 생물막여과조를 구비한 하폐수의 생물학적 탈질,탈인방법에 있어서,상기 제1침전조 유입된 유입수에서 부유물질을 제거하는 단계와;상기 제1침전조로부터 흘러나오는 유출수를 혐기성 반응조에 저장하고 유기물을 이용하여 인의 방출과 유기물의 가수분해를 촉진시키는 단계와;상기 혐기성 반응조로부터 흘러나오는 유출수를 제1무산소 반응조에 저장하고 호기성 생물막여과조로부터 반송되는 질산화된 질산성질소와 용존산소를 전자수용체로 이용하여 인이 방출된 혐기성 반응조의 유출수가 혼합되어 특수 미생물을 이용하여 인의 섭취와 탈질이 동시에 진행하는 단계와;상기 제1무산소 반응조로부터 흘러나오는 유출수를 제2무산소 반응조에 저장하고 상기 제1무산소 반응조에서 섭취되지 못한 인의 섭취와 질산성질소의 탈질을 연속적으로 수행하도록 함과 아울러 호기성 생물막여과조로부터 제1무산소 반응조에 반송되는 전자수용체의 역할을 하는 질산성질소와 용존산소가 부족한 경우 임시적으로 호기성 반응조의 역활도 동시에 수행하는 단계와;상기 제2무산소 반응조로부터 흘러나오는 유출수를 제2침전조에 저장하고 미생물의 활성을 위해 일부를 혐기성 반응조로 반송하는 단계와;상기 제2침전조로부터 흘러나오는 유출수에서 호기성 생물막여과조에 저장하고 질소성분의 질산화를 유도하며 부유물질을 제거하여 깨끗한 물을 외부로 유출시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하폐수의 생물학적 탈질,탈인방법.
- 제1항에 있어서,상기 제1침전조에 유출수가 제2무산소 반응조로 일부(20∼30％)유입되는 것을 특징으로 하는 하폐수의 생물학적 탈질,탈인방법.
- 제1항에 있어서,상기 호기성 생물막여과조로부터 제1무산소반응조로 내부반송이 수행되고, 상기 제2침전조로부터 상기 혐기성 반응조로 슬러지 반송이 수행되는 것을 특징으로 하는 하폐수의 생물학적 탈질,탈인방법.
- 제1항 또는 제3항에 있어서,상기 제1무산소 반응조에 탈질.탈인 미생물(XdPAO)이 사용되는 것을 특징으로 하는 하폐수의 생물학적 탈질,탈인방법.
- 제1항 또는 제3항에 있어서,상기 제1무산소 반응조에서의 탈인공정은 질산성 질소를 전자수용체로 이용하여 인을 제거하는 것을 특징으로 하는 하폐수의 생물학적 탈질,탈인방법.
- 제1항 또는 제3항에 있어서,상기 호기성 생물막여과조는 생물막여과와 같은 막체(media)를 구비한 것을 특징으로 하는 하폐수의 생물학적 탈질,탈인방법.
- 제1항에 있어서,유기물의 농도가 낮고 앞의 공정인 혐기성 반응조에서 미생물내에 유기물이 생체 축적되어지면 탈질미생물 뿐만 아니라 탈질.탈인 미생물(XdPAO)에 의해 탈질 및 탈인현상이 발현되고, 유기물의 농도가 높은 경우에는 제2무산소 반응조에서 일반 탈질미생물에 의해 탈질 및 탈인현상이 발현되는 것을 특징으로 하는 하폐수의 생물학적 탈질,탈인방법.
- 제1항 또는 제2항 또는 제3항에 있어서,상기 제2무산소 반응조로 유입되는 유입수는 20~30%이고, 상기 제2침전조로부터 상기 혐기성 반응조로 반송되는 슬러지 반송량이 50~100%인 것을 특징으로 하는 하폐수의 생물학적 탈질,탈인방법.
- 제1침전조, 혐기성 반응조, 제1무산소 반응조, 제2무산소 반응조, 제2침전조 및 호기성 생물막여과조를 구비한 하폐수의 생물학적 탈질,탈인장치에 있어서,상기 호기성 생물막여과조는,생물막여과와 같은 막체(media)를 구비한 것을 특징으로 하는 하폐수의 생물학적 탈질,탈인장치.
- 삭제
- 제9항에 있어서,상기 호기성 생물막여과조로부터 제1무산소반응조로 내부반송이 수행되고, 상기 제2침전조로부터 상기 혐기성 반응조로 슬러지 반송이 수행되는 것을 특징으로 하는 하폐수의 생물학적 탈질,탈인장치.
- 삭제
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1999
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