KR100327154B1 - 바이오메이커를 이용한 고농도 유기성 폐수의 처리 방법 - Google Patents
바이오메이커를 이용한 고농도 유기성 폐수의 처리 방법 Download PDFInfo
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- Y10S210/908—Organic
Abstract
본 발명은 분뇨 처리장에 유입되는 분뇨와 축산농가에서 배출되는 고농도의 난분해성 축산폐수 등을 처리하기 위한 처리 방법에 관한 것이다. 본 발명의 폐수 처리 방법은 a. 배출되는 고농도의 분뇨 또는 축산 폐수의 농도와 유량을 균등조를 이용하여 균등화하는 단계, b. 상기 (a) 단계에서 균등화된 폐수에 응집제를 가해 유기물 농도와 질소 농도를 원하는 수준으로 조정하는 약품 고액 분리 단계, c. 상기 (b) 단계에서 고액 분리된 피처리물 중의 유기물 농도는 변화시키지 않으면서 암모니아성 질소만을 선택적으로 제거하는 암모니아 스트립핑 단계, d. 상기 (c) 단계에서 처리된 피처리물 중의 난분해성 유기물을 혐기성 미생물을 이용하여 분해함으로써 후속 호기성 미생물이 섭취하기 용이한 형태로 만들며, 하기 (i) 단계로부터 반송된 슬러지를 발효시켜 유기산을 생성시키는 혐기성 발효 단계, e. 하기 (i) 단계로부터 상기 (d) 단계로 반송된 후 혐기성 발효된 슬러지 내에 포함된 질산화물 NO2-N과 폐수 내에 포함된 암모니아를 반응시켜 질소 가스를 발생시키는 아나목스 단계, f. 바이오폰드에 존재하는 고형화된 토양 미생물을 활성화하는 미생물 활성화 단계, g. 상기 (f) 단계에서 활성화된 토양 미생물을 탈질 유도형 폭기조 내에 공급하고 이 미생물과 함께 탈질 유도형 폭기조 내에 서식 중인 호기성 미생물을 이용하여, 상기 (e) 단계에서 처리된 피처리물 중의 유기 물질을 분해하고 암모니아성 질소를 NO3-N으로 질산화한 후 혼합을 통하여 탈질을 유도하는 탈질 유도형 폭기 단계, h. 외부 탄소원의 투입없이 무산소상태에서 미생물의 내생호흡을 이용하여 상기 (g) 단계에서 처리된 피처리물 중의 질산화물을 질소로 환원하는 탈질화 단계, i. (h) 단계로부터 얻은, 유기물이 거의 산화되고 탈질 처리된 피처리물과 미생물을 고액 분리시키며, 침전된 슬러지 일부를 상기 혐기성 발효 단계 (d)로 반송하는 단계, j. 상기 (i) 단계에서 침전 분리된 상등액으로부터 잔여 물질을 응집제거하여 최종 처리수로 방류하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 질소 성분과 인 성분이 많은 고농도의 분뇨 또는 축산 폐수 등 유기성 폐수를 처리하기 위한 폐수 처리 방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 아나목스 단계 및 바이오폰드 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 질소 및 인 농도가 높은 분뇨 또는 축산 폐수의 폐수 처리 방법에 관한 것이다.
분뇨나 축산 폐수의 처리는 우리나라 뿐만 아니라 외국의 경우에도 매우 어렵고 귀찮은 문제로 인식되어 왔다. 분뇨나 축산 폐수의 처리에 다양한 방법이 쓰이고 있음에도 불구하고, 아직까지는 완벽한 처리 기술로서 인정받은 것이 없다. 분뇨나 축산 폐수는 유지 관리와 운영의 편리성을 고려하여 대개는 한 곳에 모아 처리하는 공동 처리장의 건설을 통해 처리되고 있다. 그러나 공동 처리장을 이용하는 폐수 처리 방식을 통해서는, 폐수 중에 존재하는 높은 농도의 유기물과, 유기물질에 비해 월등히 높은 농도의 질소 성분의 처리가 어려운 상황이다.
게다가, 외국의 고농도 분뇨나 축산폐수의 처리는 대부분 희석에 의한 처리 방법이므로 외국의 폐수 처리 방법을 국내 현실에 적용하기는 어렵다. 희석을 통해 폐수를 처리하기 위해서는 희석수를 과도하게 많이 사용할 수밖에 없어, 처리가 비효율적이다. 예를 들어 BOD가 15000 mg/L인 축산 폐수를 희석하는 데에는 축산 폐수의 75 배에 상당하는 희석수가 소요된다. 뿐만 아니라, 소요되는 희석수의 양에 따라 처리 시설도 커지므로, 건설비용이 많이 들고, 폭기시설 및 주변 기기 등의 비용이 증가하는 문제가 있다.
현재 국내에서 시행되는 분뇨나 축산폐수 처리 방식도 유기물 제거에 중점을 두고 있어서, 호소의 부영양화의 주된 물질로 인식되는 질소와 인의 효율적인 제거가 이루어지지 않고 있는 실정이다.
외국에서의 분뇨나 축산 폐수 처리에 대한 연구는 다양한 공법에 대해 이루어지고 있다. 문헌 (Bortone G., Gemeli, S. and Rambaldi, A., 'Nitrification, denitrification and biological phosphate removal in SBR treating piggery waste water', Wat, Sci. Tech, Vol, No. 5-6, p 977-985, 1992)에서는 축산 폐수의 질소 제거와 관련하여 배출 폐수의 부하 변동율을 조사하였는데, 일 평균 유량과 일 최대유량의 비가 1.43이고 시간최소와 시간최대의 유량비는 8배 이상 차이가 나는 것으로 나타났다.
문헌(Strous, M., heijnen, J., Kuenen, J., G. and Jetten, M. S. M. 'The sequencing barch reactor as a powerful tool for the study of slowly growingabaerobic ammonium-oxidizing microorganism', Appl. Microbiol. Biotechnol., Vol. 50, p 589-596, 1998)에 의하면 아나목스를 유발하는 미생물의 우점종은 순응하는 데 1년 정도가 걸리며, 침전성이 우수하였고, 활성은 0.02 mg NH4 +-N/mg 생물량/hr로 나타났다. 문헌 (Van de Graff, A. A., Mulder, A., de Bruijn, P., Jetten, M. S. M., Robertson, L. A. and Kuenen, J. G., 'Anaerobic oxidation of ammonium in a biologically mediated process', Appl. Environ. Microbiol. Vol. 61 p 1246-1251, 1995)에 따르면, 아나목스의 활성은 66 ng NH4 +-N/mg VS/hr이며, 미생물의 활성은 미량의 O2에도 영향을 받으며, NO3 -에 절대적으로 의존적이고, 미생물의 양은 배양조 내의 생물량(biomass)과 직접적으로 비례하였다.
문헌 (Andy, S., 'Ammonia volatilization from a piggery pond', Wat. Sci. Tech, Vol. 33, No. 7, p 183-199, 1996)에서는 돈사 (piggery pond)의 암모니아 휘발성을 시험하였는데, 휘발율은 0.355-1.534 g/m3/d로 pH에 따라 큰 편차를 보였으며, 암모니아가 휘발제거되면 pH 및 COD가 서서히 감소하는 경향이 나타났다. 문헌 (Bicudo, J. R. and Svoboda, I. F., 'Intermittent aeration of pig slurry-farm scale experiments for carbon and nitrogen nitrogen removal', Wat, Sci. Tech, Vol. 32, No. 12, p 83-90, 1995)에는 간헐 폭기 공정에서 반응조 내의 혼합액 부유고형물 (Mixed Liquor Suspended Solids, MLSS)을 17,000 mg/L로 운전하였을 때 돈사 폐수의 T-N (Total Nitrogen)의 제거 효율이 86%이었다고 기재되어 있다.
본 발명은 질소 함량이 높은 고농도 분뇨나 축산 폐수 등 유기성 폐수를 효율적으로 처리할 수 있는 폐수 처리 방법 및 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 폐수 처리 공정의 구성도이다.
도 2는 바이오폰드(biopond)의 상세도이다.
도 3은 액상 부식조를 사용하는 종래의 축산 폐수 처리 공정의 구성도의 예이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 폐수 처리 공정
2: 균등조
3: 약품 고액 분리조
4: 암모니아 스트립핑조
5: 혐기성 발효조
6: 아나목스조
7: 바이오폰드
8: 탈질 유도형 4단 폭기조
9: 탈질조
10: 침전조
11: 응집 침전조
12: 탈수기
13: 방류수
14: 탈수 케이크
15-20: 혼합용 믹서
30: 바이오메이커
40: 바이오콤프
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 아나목스 단계와 바이오폰드 단계를 포함하는 새로운 폐수 처리 방법을 제공한다. 본 발명의 방법은 폐수를 희석하는 대신, 고액 분리 단계를 사용한다.
보다 구체적으로 본 발명은,
a. 배출되는 고농도의 분뇨 또는 축산 폐수의 농도와 유량을 균등조를 이용하여 균등화하는 단계,
b. 상기 (a) 단계에서 균등화된 폐수에 응집제를 가해 유기물 농도와 질소 농도를 원하는 수준으로 조정하는 약품 고액 분리 단계,
c. 상기 (b) 단계에서 고액 분리된 피처리물 중의 유기물 농도는 변화시키지 않으면서 암모니아성 질소만을 선택적으로 제거하는 암모니아 스트립핑 단계,
d. 상기 (c) 단계에서 처리된 피처리물 중의 난분해성 유기물을 혐기성 미생물을 이용하여 분해함으로써 후속 호기성 미생물이 섭취하기 용이한 형태로 만들며, 하기 (i) 단계로부터 반송된 슬러지를 발효시켜 유기산을 생성시키는 혐기성 발효 단계,
e. 하기 (i) 단계로부터 상기 (d) 단계로 반송된 후 혐기성 발효된 슬러지 내에 포함된 질산화물 NO2-N과 폐수 내에 포함된 암모니아를 반응시켜 질소 가스를 발생시키는 아나목스 단계,
f. 바이오폰드에 존재하는 고형화된 토양 미생물을 활성화하는 미생물 활성화 단계,
g. 상기 (f) 단계에서 활성화된 토양 미생물을 탈질 유도형 폭기조 내에 공급하고 이 미생물과 함께 탈질 유도형 폭기조 내에 서식 중인 호기성 미생물을 이용하여, 상기 (e) 단계에서 처리된 피처리물 중의 유기 물질을 분해하고 암모니아성 질소를 NO3-N으로 질산화한 후 혼합을 통하여 탈질을 유도하는 탈질 유도형 폭기 단계,
h. 외부 탄소원의 투입없이 무산소상태에서 미생물의 내생호흡을 이용하여 상기 (g) 단계에서 처리된 피처리물 중의 질산화물을 질소로 환원하는 탈질화 단계,
i. (h) 단계로부터 얻은, 유기물이 거의 산화되고 탈질 처리된 피처리물과 미생물을 고액 분리시키며, 침전된 슬러지 일부를 상기 혐기성 발효 단계 (d)로 반송하는 단계,
j. 상기 (i) 단계에서 침전 분리된 상등액으로부터 잔여 물질을 응집제거하여 최종 처리수로 방류하는 단계를 포함하는 폐수 처리 방법을 제공한다.
이와 같은 본 발명의 폐수 처리 방법은
a. 배출되는 고농도의 분뇨 또는 축산 폐수의 농도와 유량을 균등화하는 균등조,
b. 상기 균등조에서 유입된 폐수의 유기물 농도와 질소 농도를 약품을 가해 원하는 수준으로 조정하는 약품 고액 분리조,
c. 고액 분리된 피처리물 중의 유기물의 농도는 변화시키지 않으면서 암모니아성 질소를 선택적으로 제거하는 암모니아 스트립핑조,
d. 상기 스트립핑조로부터 공급된 피처리물 중의 난분해성 유기물을 혐기성 미생물을 사용하여 분해함으로써 후속 호기성 미생물이 섭취하기 용이한 형태로 만들며, 침전조에서 반송된 슬러리를 발효시켜 유기산을 생성시키는 혐기성 발효조,
e. 탈질 유도형 폭기조에서 질산화된 NO2-N과 피처리물 중의 암모니아가 반응하여 질소 가스화되는 아나목스조,
f. 고형화된 토양 미생물이 장착되어 있으며, 이 미생물을 활성화하고 탈질 유도형 폭기조로 상기 미생물을 공급하는 바이오폰드,
g. 상기 바이오폰드에서 활성화된 토양 미생물 및 자기 내부에 서식 중인 호기성 미생물을 이용하여 피처리물 중의 유기 물질을 분해하고 암모니아성 질소를 NO3-N으로 질산화한 후 탈질을 유도하는 탈질 유도형 폭기조,
h. 외부 탄소원의 투입없이 무산소상태에서 미생물의 내생호흡을 유도하여 상기 탈질 유도형 폭기조에서 처리된 피처리물 중의 질산화물을 질소로 환원하는 탈질조,
i. 유기물이 거의 산화되고 탈질화된 피처리물과 미생물을 고액 분리시키고침전된 슬러지 일부를 상기 혐기성 발효조로 반송시키는 침전조,
j. 상기 침전조에서 침전분리된 상등액으로부터 잔여 물질을 응집제거하여 최종 처리수로 방류하는 응집 침전조, 및
k. 상기 고액 분리조, 혐기성 발효조, 침전조 및 응집 침전조로부터 배출된 슬러지 일부 또는 전부의 수분을 감소시키는 탈수조를 포함하는 폐수 처리용 장치에 의해 수행된다.
본 발명의 상기 폐수 처리용 장치의 제1 특징은 유기물 농도가 높은 부유물의 농도를 적정한 수준으로 희석하는 대신 약품 고액 분리조를 통해 고액 분리한다는 것이다.
상기 장치의 제2 특징은 폐수 중의 유기물 농도는 변화시키지 않으면서 질소 성분인 암모니아만을 선택적으로 제거할 수 있는 암모니아 스트립핑조를 포함한다는 것이다.
본 발명의 제3 특징은 침전 슬러지를 혐기성 발효조에서 유기산으로 발효하여 이 유기산이 인의 제거에 활용되도록 고안된 혐기성 발효조를 포함하는 것이다.
본 발명의 제4 특징은 침전조의 상징액을 반송하여 폐수내의 NH4 +와 NO2N이 산화되어 질소 가스로 처리되도록 고안된 아나목스조를 포함하는 것이다.
본 발명의 제5 특징은 토양 미생물을 고형화한 바이오콤프를 충전하여 바이오메이커를 장착하고, 미생물을 활성화하여 후속 호기성 미생물의 활성을 촉진하여 처리 효율을 향상시킬 수 있도록 고안된 바이오폰드를 포함하는 것이다. 여기서,바이오폰드는 바이오메이커와 산기장치 등으로 이루어진 구조물이며, 바이오메이커란 바이오콤프와 쇄석층을 포함하는 미생물 활성화 장치를 말하며, 바이오콤프란, 토양 미생물을 고정화시킨 미생물 고정체를 의미한다.
본 발명의 제6 특징은 바이오폰드에는 원수의 유입을 차단하여 미생물을 일정기간 먹이를 굶김으로써 탈질 유도형 폭기조에서 유기물 섭취 능력을 극대화 할 수 있도록 고안된 바이오폰드를 포함하는 것이다.
본 발명의 제7 특징은 폭기조를 4단으로 구분하여 미생물과 피처리물의 혼합 및 용존 산소량 조절을 원활히 함으로써 경제적인 운전이 가능하고, 말단에 공기 공급 없이 혼합용 믹서만을 장착하여 탈질과 후속 탈질을 촉진하도록 고안된 탈질유도형 4단 폭기조를 포함하는 것이다.
본 발명의 제8 특징은 침전조의 침전 슬러지를 바이오폰드에 공급하여 미생물 활성을 촉진하고, 상징액을 아나목스조에 반송하여 질소를 제거하도록 고안된 침전조를 포함하는 것이다.
본 발명의 제9 특징은 피처리물에 잔존하는 유기물과 영양소 및 현탁물을 약품으로 처리하여, 안정적이고 효율적인 처리 수질가 가능하도록 고안된 응집 침전조를 포함하는 것이다.
아래에서는 첨부된 도면에 도시된 폐수 처리 공정의 구성도와 시험예를 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 고농도 분뇨나 축산 폐수의 처리 공정의 구성도이다. 폐수 처리 공정 (1)은 고농도의 분뇨나 축산 폐수를 처리하는 장치이며, 다음과 같이 구성된다.
축산 폐수의 성상은 시간과 계절적인 요인 등에 따라 그 유량과 농도가 상당히 큰 폭으로 변화한다. 균등조 (2)는 이렇게 변동이 심한 유량과 농도를 균등화한다. 약품 고액 분리조 (3)에서는 폐수 내의 부유 물질과 유기성 질소를 염철 등의 응집제로 처리하여 후속처리에 적합한 농도가 되게 한다. 폐수 내에 존재하는 질소 함유 성분 중 NH3는 공기를 넣어주면 대기중으로 날아가게 된다. 암모니아 스트립핑조 (4)에서는 이런 원리에 입각해서, 공기 공급을 통해 유기 물질의 손실없이 암모니아성 질소만을 선택적으로 제거한다. 혐기성 발효조 (5)는 유입되는 피처리물 중 난분해성 유기물을 혐기성 미생물을 써서 혐기성 상태에서 가수분해하고, 침전조 (10)으로부터 반송된 슬러지를 발효하여 유기산을 생성한다. 아나목스조 (6)에서는 NO2-N (탈질 유도형 4단 폭기조 (8)에서 생성됨)이 혐기성 상태에서 NH4 +와 반응하여 N2가스를 생성하며, 이 질소 가스는 대기중으로 날아가 제거된다. 바이오폰드 (7)은 고형화된 토양 미생물을 활성화하고 탈질 유도형 4단 폭 기조 (8)에 적용가능한 미생물을 공급한다. 탈질 유도형 4단 폭기조 (8)에는 상기 바이오폰드 (7)에서 활성화되어 공급된 미생물 뿐만 아니라, 연속적으로 공급되는 산소를 이용하여 유기물을 산화하고 암모니아성 질소를 질산화하는 미생물 등의 호기성 미생물이 다량 활동하고 있다. 질산화된 질소는 탈질조 (9)에서 무산소상태에서 질소 가스화되어 대기로 날아간다. 혐기성 발효조 (5)와 폭기조 (8) 및 탈질조 (9)에서 처리된 피처리물과 미생물은 침전조 (10)에서 중력에 의해 고액 분리된다.피처리물에 잔존하는 잔류 부유 물질과 인 및 유기 물질은 응집 침전조 (11)에서 약품을 써서 최종적으로 처리된다. 본 폐수 처리 공정 (1)에서 발생되는 슬러지인 약품 고액 분리조 (3)의 슬러지, 혐기성 발효조 (5)의 슬러지, 침전조 (10)의 폐슬러지, 응집 침전조 (11)의 슬러지는 탈수기 (12)를 통해 수분 함량이 감소된다. 응집 침전조 (11)의 상등수는 방류수 (13)으로서 최종 방류되며, 탈수기 (12)의 탈수 케익 (14)는 퇴비사로 이동하여 퇴비화에 이용되거나 매립 처분된다.
본 폐수 처리 공정 (1)에서는 피처리물의 이동 경로와 함께 슬러지의 이동 경로도 매우 중요하다. 그러한 슬러지의 이동 경로는 도 1에서 점선으로 나타낸 바와 같다. 구체적으로 설명하자면, 침전조 (10)에서 고액 분리된 침전 슬러지는 경로 A를 따라 혐기 발효조 (5)로 이동하여, 그곳에서 혐기성 발효되어 유기산을 생성하며, 탈질 유도형 4단 폭기조 (8)의 MLSS 농도를 유지하는 역할을 한다. 폭기조 (8)의 MLSS 유지에 불필요한 여분의 폐슬러지는 D 경로를 따라 탈수기 (12)로 보내진다. 또한, 침전조 (10)의 침전 슬러지는 C 경로를 따라 바이오폰드 (7)로도 이송된다. 반면 침전조 (10)의 상등수는 B 경로를 따라 아나목스조 (6)으로 이송된다. 응집 침전조 (11)의 침전 슬러지는 G 경로를 따라 탈수기 (12)로 이송된다. 약품 고액 분리조 (3)의 침전 슬러지도 F 경로를 따라 탈수기 (12)로 이송되고, 혐기 발효조 (5)의 잉여 슬러지도 E 경로를 따라 탈수기(12)로 이송된다. 또한, 탈수기 (12)에서 발생되는 탈수 케익은 퇴비로 사용되거나 매립 처분되며, 탈리액은 H 경로를 통하여 탈질 유도형 4단 폭기조 (8)로 이송된다. 이하 탈질 유도형 4단 폭기조(8)은 폭기조(8)로 명명한다.
본 발명의 폐수 처리 공정 (1)의 각 반응조들의 역할과 작용을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
피처리물인 분뇨나 축산폐수는 매우 다양한 발생 양상을 나타낸다. 발생 장소, 계절적인 요인 및 시간 등에 따라 발생량과 발생 농도가 매우 다양하다. 이와 같이 변동폭이 심한 폐수를 처리하기 위해서는 우선 농도와 유량을 균일하게 하는 것이 원활한 후속 처리를 위해서 필수적이다. 균등조 (2)는 불규칙적으로 발생되는 폐수의 양과 농도를 균등화하는 역할을 한다. 이 균등조의 크기는 일 평균유량을 기준으로 2-3배가 적당하다. 균등조는 냄새의 발생이 심한 곳이므로, 필요에 따라서는 침전조 (10)의 슬러지를 균등조로 일부 반송하여 냄새 발생을 줄일 수도 있다(도시하지는 않음). 균등조에서 균등화된 피처리물은 약품 고액분리조 (3)으로 이송된다. 이송된 피처리물은 부유 물질 및 유기 물질의 농도가 높기 때문에, 효율적인 처리를 위해서는 약품을 사용한 전처리를 거친다. 특히, 축산폐수에는 특성상 유기 물질의 농도도 높지만 더하여 분과 사료찌꺼기에서 배출되는 부유 물질이 매우 많아 폭기조 (8)의 적절한 MLSS 유지가 매우 어렵다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 약품 고액 분리조 (3)에서는 균등조 (2)를 거친 피처리물에 소량의 응집제를 처리하여 약간의 유기물과 부유 물질 및 유기성 질소를 제거한다. 응집제로는 폐수의 성상에 따라, 음이온 또는 양이온 중합체를 사용할 수 있다. 이렇게 제거된 침전 슬러지는 도 1의 F 경로를 통해 탈수기 (12)로 이송되어 최종 탈수처리되게 한다.
약품 고액 분리조 (3)을 거친 피처리물에는 유기 물질에 비해 상당히 많은양의 질소 성분이 함유되어 있다. 이는 후속 처리공정에서 유기 물질의 부족을 낳아 효율적인 처리를 어렵게 한다. 따라서 유기 물질은 손실되지 않게 하면서 질소 성분 중 60-70 %를 차지하는 암모니아성 질소를 선택적으로 제거하기 위해, 피처리물로 하여금 암모니아 스트립핑조 (4)를 거치게 한다.
NH3+ H2O ↔ NH4 ++ OH-
암모니아성 질소는 상기와 같은 평형상태를 유지하고 있는데, 폐수의 pH가 7.0 이상으로 증가하면, 평형은 왼쪽으로 이동하여 NH4 +이온이 NH3으로 전환된다. 이 NH3는 폐수를 휘저어 주면 대기중으로 날아가게 된다. 이와 같은 원리와, 축산 폐수의 자체 pH가 높다는 (pH 9-9.5) 점을 이용하여, 암모니아 스트립핑조 (4)에서는 공기 공급을 통해 축산 폐수 중의 암모니아성 질소를 제거한다.
암모니아 스트립핑조 (4)를 거친 피처리물은 혐기성 발효조 (5)로 유입된다. 혐기성 발효조 (5)에서는 피처리물에 포함된 난분해성 유기물을 혐기성 미생물을 이용해 분해시켜 후속 호기성 미생물이 섭취하기 용이한 형태로 만든다. 혐기성 발효조 (5)에는 가온 시설이 설치되어 있어서 온도를 30 ℃로 일정하게 유지할 수 있다. 따라서 겨울철 온도 저하에 따른 질소 제거 효율의 하락을 방지하고, 혐기성 미생물의 원활한 활동성을 확보할 수 있다. 또한 혐기성 미생물의 유입시 혐기성 미생물이 피처리물과 원활히 혼합되게 하고, 발생되는 가스 (예컨데, CH4, CO2, H2, H2S 등)를 미생물로부터 원활히 탈착되게 하기 위하여 혼합용 믹서 (16)이 설치되어 있다. 또한 혐기성 발효조 (5)의 하부의 슬러지는 정기적으로 뽑아내어 도 1의 E 라인을 통해 탈수기 (12)로 이송되어 처리된다. 혐기성 발효조 (5)는 침전조 (10)에서 반송되는 슬러지를 혐기성 발효하여, 아세트산, 프로피온산, 부틸산, 발레르산, 카프르산 등의 유기산을 형성하고, 슬러지 내에 함유된 탈인 미생물을 혐기성 발효조 (5)의 혐기성 상태에서 활성화시킨다. 탈인 미생물의 활성화는 당분야에 잘 알려진 바와 같이, 적절한 온도, pH, 체류 시간, 농도, 방해 물질의 억제 등 주변 환경을 탈인 미생물의 성장에 적합하게 조성해 줌으로써 이루어진다. 활성화된 미생물은 미생물 세포내의 인(P)을 인산 (PO4 3-)형태로 방출하고 방출된 인보다 휠씬 많은 양의 인을 호기성 상태에서 섭취하게 된다. 이 과정에서 상기 미생물은 혐기성 발효조 (5)에서 발효된 유기산을 체내에 축적하여, 에너지원으로 이용한다. 또한 혐기성 발효조 (5)에서는 완전 탈질되지 못한 질소를 2차로 탈질하는 역할도 담당하게 된다.
혐기성 발효조 (5)에서는 유기산 단계에서 메탄 형성 단계로 넘어가지 않도록 그 내부에서 피처리물의 체류 시간을 2-3일로 제한할 필요가 있다.
혐기성 발효조 (5)를 거친 피처리물과 침전조 (10)의 상징액은 도 1의 B 경로를 따라 아나목스조 (6)에 유입된다. 아나목스(Anammox)란 혐기성 상태에서 암모늄 이온(NH4 +)을 전자 공여체로, 아질산 이온(NO2 -) 또는 질산 이온(NO3 -)을 전자 수용체로, CO2를 유일한 탄소원으로 사용하여, 아나목스 미생물에 의해 암모늄을 N2가스로 산화시키는 과정을 의미한다. 이와 같은 산화 과정의 총괄 반응식은 다음과 같다.
아나목스조 (6)은 이와 같은 원리에 입각해서, 피처리물 내에 존재하는 아나목스 미생물을 통해 침전조 (10)의 상징액에 존재하는 아질산염이나 질산염을 질소 가스로 산화시킨다. 아나목스조 (6)에는 아나목스 미생물을 적정온도로 유지하기 위해 가온 시설이 설치되며, 적정 온도는 20 - 40 ℃이다. 아나목스 미생물은 주로 니트로소모나스 (Nitrosomonas) 계통의 미생물로 알려져 있으며, 대표적인 예로는 플렉시박터 (Flexibacter)가 있다 (Mike S.M. Jetten, et al., The anaerobic oxidation of ammonium, FEMS Microbiology Reviews 22 (1999) 4221-437). 또한 온도 조절 및 미생물과 피처리물의 혼합을 원활히 하기 위하여 혼합용 믹서 (17)을 설치하였다.
도 2의 바이오폰드 (7)은 내부에 바이오콤프(Bio-comp) (40)가 충전된 바이오메이커 (30)가 장착되어 있다. 바이오 메이커 (30)는 그 상부에 여러 미생물을 혼합 고정시킨 바이오콤프 (40)을 포함하며, 그 하부에는 미네랄 성분이 많은 쇄석층이 충전되어 있다. 이 쇄석층은 바이오메이커 (30) 내에 미네랄을 계속 공급하며, 이 공급된 미생물에 의해 바이오콤프의 미생물의 활성이 극대화된다. 바이오콤프는 바실러스(bacillus)계 미생물과 방선균류(actinomycets)가 주종을 이루는 토양 미생물을 다량 고정화시킨 미생물 고정체이다. 바이오콤프에 고정화된 토양미생물은, 침전조 (10)으로부터 반송된 슬러지와, 바이오폰드 내에 조성된 적절한 미생물 성장 조건에 의해 활성화된다. 우선, 미생물은 바이오폰드 (7)에 계속적으로 공급되는 공기에 의해 형성된 호기성 상태에서 활성화된다. 활성화되는 데 소요되는 시간은 2일 정도이다. 바이오폰드 (7) 내의 미생물 활성은 반송된 침전조 (10)의 슬러지에 의해 더욱 촉진된다. 또한, 이렇게 활성화된 미생물에 충분한 먹이를 공급하지 않음으로써 (즉, 바이오폰드에 원수를 공급하지 않아), 이후에 이 미생물들이 폭기조 (8)로 유입되면 보다 왕성한 물질 대사 능력을 발휘하게 된다.
아나목스조 (6)을 거친 피처리물과 바이오폰드 (7)에서 활성화된 미생물이 탈질유도형 4단 폭기조 (8)로 유입된다. 폭기조 (8)을 4단으로 구분한 이유는 원활한 혼합과 상이한 용존산소농도를 유지함으로써, 질산화 및 탈질화를 유도하여 알칼리도의 손실과 증가를 균형있게 유지하고, 급격한 pH의 감소로 인한 저해작용을 방지하기 위해서이다. 마지막 4단에는 공기를 공급하지 않고 혼합용 믹서 (19)를 설치하여 용존산소량을 0.5 mg/L이하로 유지함으로써, 후속 공정인 탈질 공정의 효율이 극대화되도록 유도하고, 일부 탈질산화로 인한 알칼리도의 증가를 통해 폭기조의 pH 완충작용을 한다. 폭기조 (8)내에서의 호기성 미생물은 물질대사작용을 통하여 유기물의 산화와 질산화 및 인의 과잉섭취를 통한 인 제거 작용을 수행한다. 이 과정에서 바이오폰드 (7)에서 활성화된 미생물이 보다 왕성한 물질대사 작용을 수행한다. 폭기조 (8)에서의 질산화 반응은 나이트로소모나스(Nitrosomonas)와 나이트로박터(Nitrobacter)에 의해 암모니아성 질소가 NO2 -를 거쳐 NO3 _로 산화되는 과정이며 이 과정에서 알칼리가 소모되어 pH가 떨어지게 되는 원인이 된다. 폭기조 (8)에서의 인 제거반응은 앞의 혐기성 발효조 (5)에서 인을 인산 형태로 방출한 탈인 미생물이 호기성 상태인 폭기조 (8)에서 세포를 합성할 때 기존의 호기성 미생물이 섭취하는 인보다 많은 양의 인을 섭취하는 현상이 일어나는데 이를 인의 과잉섭취(Luxury uptake)현상이라고 하며, 이를 통하여 과잉섭취된 슬러지를 제거함으로써, 인을 제거하는 반응을 말한다. 상기 탈인 미생물은 폐수 처리 분야의 통상적인 탈인 미생물을 통칭하는 것이며, 그 중 가장 일반적으로 알려진 미생물의 예로는 아시네토박터 (Acinetobacter)를 들 수 있다.
폭기조 (8)을 경유한 피처리물은 탈질조 (9)로 유입된다. 탈질조 (9)에서는 이식된 탈질산균(Denitrifier)이 피처리물에 포함된 미처리된 유기물을 이용하여 피처리물 내에 포함된 질산화된 질소 산화물을 NO3→NO2→NO →N2O →N2로 전환하여, 질소를 제거한다. 이와 같은 탈질화 반응은 경우에 따라 전자 공여체로 외부 탄소원인 아세트산, 시트르산, 메탄올 등을 사용하여 탈질화 반응의 효율을 높일수 있다. 그러나, 외부 탄소원의 공급을 위해서는 별도의 장치가 필요하다는 점과, 경제적인 문제를 고려하여 본 처리공정에서는 피처리물과 슬러지 내의 탄소를 사용하는 내생호흡(endogenous respiration)을 이용한 탈질화 반응을 유도하였다. 또한 슬러지를 혐기성 발효하여 유기산을 생산하는 혐기성 발효조 (5)에 침전조 (10) 하부의 침전 슬러지를 반송 (도 1의 A 경로)하여 2차 탈질을 유도하여 완벽한 질소 제거 공정을 구축하였다.
탈질조 (9)는 피처리물이 아래에서 유입되도록 고안하여, 피처리물과 미생물과의 접촉 기회를 늘이고 완전히 혼합될 수 있게 하였다. 또한 미생물과 피처리물의 접촉을 원활히 하고, 탈질균에 의해 발생된 N2가스가 미생물로부터 잘 탈기되도록 기계적인 혼합용 믹서 (19)를 설치, 고안하였다.
탈질조 (9)를 경유한 피처리물은 침전조 (10)에 유입된다. 침전조 (10)에서는 피처리물과 슬러지가 고액 분리된다. 침전조 (10)은 그 내부에서 처리물보다 무거운 미생물이 중력에 의해 침강하면서 자연적으로 분리되게 고안되었다. 침전된 슬러지의 원활한 수집을 위하여 침전조 (10) 내부에는 경사를 두었다. 모아진 침전 슬러지는 도 1의 E 경로를 통하여 바이오폰드 (7)로 일부 반송되고, 도 1의 A 경로를 통하여 혐기성 발효조 (5)로 반송되며, 폭기조 (8)의 MLSS 유지를 위한 반송에서 제외된 양의 폐 슬러지는 도 1의 D 경로를 통하여 탈수기 (12)에 반송되어 처분된다.
침전조 (10)을 거친 피처리물은 응집 침전조 (11)로 유입된다. 응집 침전조 (11)에 유입된 피처리물은 응집제로 처리하여 잔류하는 인과 현탁 고형물 및 일부 유기물을 응집시켜 완전히 처리했다. 사용되는 응집제는 처리 시설에 따라 다양하게 선택 사용되어질 수 있으며(본 실험에서는 염철 사용), 사용량도 방류 수질 기준에 맞춰서 적절히 조절될 수 있다. 응집된 슬러지는 중력에 의해 침전되어 도 1의 G 경로를 통하여 탈수기 (12)로 운송되어 처분된다. 응집 침전조의 상징액은 최종 방류 (13) 된다.
탈수기에 유입된 각종 슬러지 (약품 고액 분리조 (3)의 슬러지, 혐기성 발효조 (5)의 슬러지, 침전조 (10)의 폐슬러지, 응집 침전조 (11)의 슬러지)는 압력이나, 원심력 등의 기계적인 힘에 의해 수분이 슬러지로부터 분리되어, 함수율이 대폭 감소된 케이크 (14) 형태로 배출되어 고형 퇴비화 등으로 재활용된다. 슬러지에서 분리된 탈리액은 도 1의 H 경로를 통하여 폭기조 (8)로 반송되어 재처리된다.
시험예 및 비교예
본 발명의 폐수 처리 공정의 우수함을 다음의 시험예와 비교예를 통해 입증했다.
아래 시험예 및 비교예에서 사용된 약자의 의미는 다음과 같다.
COD (Chemical Oxygen Demand): 화학적 산소요구량을 의미하며, 산화제로서 중크롬산칼륨 (K2Cr2O7)을 사용하여 측정한 화학적 산소 요구량은 CODcr로, 과망간산칼륨(KMnO4)을 산화제로 사용하여 측정한 화학적 산소요구량은 CODmn으로 나타낸다.
BOD (Biological Oxygen Demand): 생물학적 산소 요구량
TSS(Total Suspended Solids): 부유물질로 무기물과 유기물을 함유하는 고형물질로 0.1 μmm여과지를 사용하여 여과되지 않는 부유물질을 말한다. 통상 SS로 쓰이며 VSS와 구분시에는 TSS로도 사용된다. 즉, 환경공학 분야에서 SS로 쓰이는 것은 TSS이다. 측정은 0.1 μmm 여과지로 거른 부유물질을 105 ℃ 오븐에서 수분을 증발시킨 잔여물질 무게를 측정하여 mg/L단위로 즉, 액체 1L에 부유물질 무게 mg로 나타낸다.
TKN (total Kjeldhal Nitrogen): 폐수 내의 유기성 질소와 무기성 질소 (NH3-N) 농도의 합을 의미한다.
T-N(Total Nitrogen): 폐수내의 총질소량을 나타내는 것으로 유기성질소와 무기성질소, NO2-N, NO3-N을 합한 값이다.
T-P (total phosphorus): 폐수 내에 존재하는 가용성 인과 비가용성 인을 합한 값이다.
<시험예>
도 1의 폐수 처리 공정을 실험실 규모의 반응기로 제작하고 축산 폐수 공동처리장에서 원수를 채취하여 실험을 실시하였다. 하기 표 1에서는 본 실험에 사용된 폐수처리공정의 반응조 장치 및 규격을 정리하였다.
| 반응기 및 기기 | 규 격 | 비 고 |
| 혐기성 발효조 | 9.0L(φ= 18cm, H= 45cm) | 원통형, 소화슬러지식종, 30℃ |
| 아나목스조 | 6.0L(φ= 18cm, H= 33cm) | 원통형, 소화슬러지식종, 30℃ |
| 전기코일 및 콘트롤러 | 600W | 온도 유지용 |
| 바이오폰드 | 0.45L(φ= 8cm, H= 18cm) | 원통형, 바이오콤프 12 g |
| 폭기조 | 37.50L(φ= 44.0cm,B= 20.3cm, H= 57cm) | 구형 |
| 탈질조 | 1.5L(φ= 10cm, H= 30cm) | 원통형 |
| 침전조 | 1.5L(φ= 18cm, H= 30cm) | 원뿔형, 호퍼경사 60°유지 |
| pH 미터 | Orione 250A | pH, ORP, 온도측정 |
| 이송펌프 | Master-flex pump | 2헤드 |
| 혼합용 믹서 | M6GA30M | 60 rpm |
| 염철 | FeCl3 | 응집제 |
| 브로아 | 코리아다까스끼 SPP-200GJ-H | 210 L/Min 용량 |
상기 실험에서 사용된 각종 장치 중 폭기조나 혐기성 발효조, 아나목스 및 탈질조 등의 pH와 ORP (oxidation Reduction Potential)를 측정하기 위하여 pH 미터를 사용하였고, 브로아는 폭기조와 바이오폰드에 공기를 공급하기 위하여 사용하였다. 원수 공급은 이송펌프를 이용하여 1일 5회 균등하게 주입하였으며, 각 반응조에서의 피처리물 이동은 자연유하에 의해 이송되도록 반응기를 배치하였다.
| 구분 | CODcr | BOD | TSS | TKN/NH3 | NO3-N | T-P |
| 원수 | 54,000 | 19,000 | 27,500 | 4,500/2,900 | - | 830 |
| 고액 분리 유출 | 32,000 | 12,000 | 8,000 | 3,900/2,400 | - | 400 |
| 스트립핑 유출 | 27,000 | 9,900 | 8,000 | 2,500/1,400 | - | 360 |
| 혐기 유출 | 22,800 | 7,700 | 13,500 | 1,440/350 | - | 350 |
| 아나목스 유출 | 20,700 | 7,500 | 10,500 | 950/120 | 1.8 | 330 |
| 침전조 유출 | 1,050 | 65 | 210 | 85/19 | 15 | 68 |
| 응집 유출 | 330 | 30 | 29 | 16/8.5 | 14 | 5.8 |
표 2에 정리한 실험결과치는 실험실 운전기간 중의 평균치이며, 유입원수는 축산폐수 공동처리장인 경기도 Y 처리장에서 직접 채취하여 분석하였고, 전처리인 약품 고액 분리와 스트립핑은 한꺼번에 수행하고, 시료를 4 ℃ 냉장고에 보관하여 혐기성 발효조부터 정량 펌프로 주입 실험하였다. 처리수의 수질은 분뇨나 축산폐수 공동처리장 방류수 수질을 만족하는 매우 양호한 결과치로, BOD가 300 ㎎/L, SS가 29 ㎎/L로 법 기준인 T-N, T-P, 60 ㎎/L, 8 ㎎/L를 만족하였다.
<비교예>
아래 표 3은 도 3에 도시된 종래의 폐수 처리 공정을 통해 폐수 처리한 결과를 보여준다. 도 3의 폐수 처리 공정은 1997년 환경관리공단에서 설계한 연천 축산 폐수 처리 시설 설계 보고서에서 채택된 처리 공정으로서, 본 발명의 공정과 달리 액상 부식조를 이용하는 처리 공정이다.
| 구 분 | CODmn | BOD | SS | T-N | T-P |
| 원 수 | 10,000 | 18,000 | 10,000 | 3,000 | 80 |
| 저류조유출 | 4,952 | 6,830 | 1,353 | 2,032 | 80.4 |
| 최종방류수 | 296 | 199 | 184 | 296 | 15 |
표 2와 표 3의 BOD 값을 비교해 보면, 본 발명의 경우 응집조에서 배출된 방류수의 BOD 값이 30으로 매우 작은데 반해, 상기 표 3의 최종 방류수의 경우엔 199로 6배가 넘는 수치이다. 따라서, 도 3의 공정의 경우, BOD의 허용기준치를 맞추기 위해서는 도 3의 공정 구성도에 나타낸 바와 같이, 폐수 처리된 방류수를 또다시 하수 처리장으로 보내 한 번의 처리를 더 거쳐야만 하천으로의 방류가 가능하다.
이상의 실험 결과로 볼 때, 본 폐수 처리 공정은 유기물질 제거 효율과 영양소 제거 효율이 매우 우수한 처리시설로 입증되었다.
본 발명에 따른 폐수 처리 공정은 고농도의 유기성 폐수인 분뇨나 축산폐수의 효율적인 유기물 처리와 영양소인 질소와 인을 효과적으로 처리할 수 있는 우수한 처리시설이다. 현재 전국적으로 문제되고 있는 분뇨나 축산폐수의 원활한 처리를 보장할 수 있어서 축산농가의 경제적인 어려움을 해소할 수 있고, 주변 농가에 대한 피해를 주지 않고 안정적인 축산업 경영이 가능하며, 소하천 및 호수 수질오염의 주범으로 인식되어온 분뇨나 축산폐수에 대한 대 주민 인식제고 등에도 커다란 역할을 담당할 수 있을 것으로 기대된다.
Claims (3)
- a. 배출되는 고농도의 분뇨 또는 축산 폐수의 농도와 유량을 균등조를 이용하여 균등화하는 단계,b. 상기 (a) 단계에서 균등화된 폐수에 응집제를 가해 유기물 농도와 질소 농도를 원하는 수준으로 조정하는 약품 고액 분리 단계,c. 상기 (b) 단계에서 고액 분리된 피처리물 중의 유기물 농도는 변화시키지 않으면서 암모니아성 질소만을 선택적으로 제거하는 암모니아 스트립핑 단계,d. 상기 (c) 단계에서 처리된 피처리물 중의 난분해성 유기물을 혐기성 미생물을 이용하여 분해함으로써 후속 호기성 미생물이 섭취하기 용이한 형태로 만들며, 하기 (i) 단계로부터 반송된 슬러지를 발효시켜 유기산을 생성시키는 혐기성 발효 단계,e. 하기 (i) 단계로부터 상기 (d) 단계로 반송된 후 혐기성 발효된 슬러지 내에 포함된 질산화물 NO2-N과 폐수 내에 포함된 암모니아를 반응시켜 질소 가스를 발생시키는 아나목스 단계,f. 바이오폰드에 존재하는 고형화된 토양 미생물을 활성화하는 미생물 활성화 단계,g. 상기 (f) 단계에서 활성화된 토양 미생물을 탈질 유도형 폭기조 내에 공급하고 이 미생물과 함께 탈질 유도형 폭기조 내에 서식 중인 호기성 미생물을 이용하여, 상기 (e) 단계에서 처리된 피처리물 중의 유기 물질을 분해하고 암모니아성 질소를 NO3-N으로 질산화한 후 혼합을 통하여 탈질을 유도하는 탈질 유도형 폭기 단계,h. 외부 탄소원의 투입없이 무산소상태에서 미생물의 내생호흡을 이용하여 상기 (g) 단계에서 처리된 피처리물 중의 질산화물을 질소로 환원하는 탈질화 단계,i. (h) 단계로부터 얻은, 유기물이 거의 산화되고 탈질 처리된 피처리물과 미생물을 고액 분리시키며, 침전된 슬러지 일부를 상기 혐기성 발효 단계 (d)로 반송하는 단계,j. 상기 (i) 단계에서 침전 분리된 상등액으로부터 잔여 물질을 응집제거하여 최종 처리수로 방류하는 단계를 포함하는 폐수 처리 방법.
- a. 배출되는 고농도의 분뇨 또는 축산 폐수의 농도와 유량을 균등화하는 균등조,b. 상기 균등조에서 유입된 폐수의 유기물 농도와 질소 농도를 약품을 가해 원하는 수준으로 조정하는 약품 고액 분리조,c. 고액 분리된 피처리물 중의 유기물의 농도는 변화시키지 않으면서 암모니아성 질소를 선택적으로 제거하는 암모니아 스트립핑조,d. 상기 스트립핑조로부터 공급된 피처리물 중의 난분해성 유기물을 혐기성 미생물을 사용하여 분해함으로써 후속 호기성 미생물이 섭취하기 용이한 형태로 만들며, 침전조에서 반송된 슬러리를 발효시켜 유기산을 생성시키는 혐기성 발효조,e. 탈질 유도형 폭기조에서 질산화된 NO2-N과 피처리물 중의 암모니아가 반응하여 질소 가스화되는 아나목스조,f. 고형화된 토양 미생물이 장착되어 있으며, 이를 활성화하고 탈질 유도형 폭기조로 상기 미생물을 공급하는 바이오폰드,g. 상기 바이오폰드에서 활성화된 토양 미생물 및 자기 내부에 서식 중인 호기성 미생물을 이용하여 피처리물 중의 유기 물질을 분해하고 암모니아성 질소를 NO3-N으로 질산화한 후 탈질을 유도하는 탈질 유도형 폭기조,h. 외부 탄소원의 투입없이 무산소상태에서 미생물의 내생호흡을 유도하여 상기 탈질 유도형 폭기조에서 처리된 피처리물 중의 질산화물을 질소로 환원하는 탈질조,i. 유기물이 거의 산화되고 탈질화된 피처리물과 미생물을 고액 분리시키고 침전된 슬러지 일부를 상기 혐기성 발효조로 반송시키는 침전조,j. 상기 침전조에서 침전분리된 상등액으로부터 잔여 물질을 응집제거하여 최종 처리수로 방류하는 응집 침전조, 및k. 상기 고액 분리조, 혐기성 발효조, 침전조 및 응집 침전조로부터 배출된 슬러지 일부 또는 전부의 수분을 감소시키는 탈수조를 포함하는 폐수 처리용 장치.
- 제2항에 있어서, 상기 탈질 유도형 폭기조가 4단으로 구분되어 있어서, 혼합과 용존산소량을 조절할 수 있고, 말단에 공기 공급없이 혼합용 믹서만 장착하여 폭기조 내의 탈질 및 이후 탈질을 촉진할 수 있는 것인 폐수 처리용 장치.
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