KR100331943B1 - 수처리 시스템 및 이를 이용한 수처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플러그 플로우(plug-flow)형의 생물막 여과조를 이용한 수처리 시스템 및 이를 이용한 수처리방법에 대한 것으로서,

인과 반응하여 침전을 형성하는 화학물질이 투입되는 화학적 반응조와,

내부가 친수성 담체로 충진되어 있고 상기 친수성 담체내에는 질산화 미생물이 부착되어 있는 제1 생물학적 반응조와,

내부가 입상황을 주성분으로 하는 담체로 충진되어 있고 상기 담체내에는 독립영양성 황탈질 미생물이 부착되어 있는 제2 생물학적 반응조를 포함하는 수처리 시스템이 개시된다.

Description

수처리 시스템 및 이를 이용한 수처리 방법{Water treatment system and water treatment method using the same}

본 발명은 하페수처리 시스템 및 이를 이용한 하폐수처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플러그 플로우(plug-flow)형의 생물막 여재를 이용한 수처리 시스템 및 이를 이용한 수처리방법에 대한 것이다.

현재 대도시를 통과하는 하천 또는 주변의 하천유지를 위해 방류수질기준이 강화되었고 특히 식수보호원 지역의 경우 더욱 엄격해진 방류수질기준을 적용할 예정이지만 기존의 부유성장식 활성슬러지법을 채용한 하수처리장치를 살펴보면 처리수질에 한계가 있고, 고도처리공법으로 개선해도 유입부하의 변동, 온도차 및 유입수량 변동 등 외부적 환경 변화에 따라 처리수질의 악화 및 처리효율저하로 인해 처리수를 엄격한 수질관리가 요구되는 상수원 보호구역에 적용하는데 문제가 있다. 즉, 상기한 하수처리장치는 유입수의 대량처리 및 수처리의 효율성에 난점을 갖는 바, 이러한 장치를 거쳐 유출된 처리수를 희석수 없이 하천이나 호소 등으로 방류할 경우 하천의 자정능력이 초과되어, 호소일 경우 부영양화 현상을 초래하게 되는 등의 문제점을 야기하고 있다.

통상, 수처리에 있어서 (i) 침전가능한 부유물질(suspended solid)은 침전에 의해 제거되고, (ii) 원수중에 포함된 유기물은 미생물을 이용한 생물학적 산화 및 세포합성 작용으로 제거하고, (iii) 질소는 미생물에 의한 생물학적 질산화 및 탈질작용으로 제거하며, (iv) 인의 경우 활성슬러지의 환경변화 즉, 산소의 공급유무에 따른 인의 방출과 과잉섭취작용을 응용하여 제거하게 된다.

이때, 생물학적 탈질을 위해서는 질산성 질소성분중의 산소와 결합될 수소를 어떠한 방법으로든지 공급해 주어야 하는데, 종래의 수처리 기술에서는 이러한 수소공여체로서 메탄올과 같은 유기물을 주로 사용해왔다. 유기물을 수소공여체로서 사용한 이유는 외부 탄소원의 존재하에서 증식할 수 있는 다양한 종류의 종속영양형 탈질미생물이 생태계에 널리 분포하며, 이를 배양하는 기술 또한 비교적 용이하기 때문이다. 하지만 이러한 종속영양형 탈질미생물을 이용할 경우 충분한 유기물이 반드시 용존상태로 존재해야 하며, 만약 원수중의 유기물이 부족할 경우 탈질에 필요한 양의 유기물을 외부에서 공급해 주어야 한다. 따라서, 유기물 주입에 필요한 장치가 부가적으로 필요하게 된다.

도 1은 부유성장식 활성슬러지법을 채택하는 종래의 수처리 방법을 도시하는 계통도이다.

전처리설비(미도시)에서 모래 및 토사가 제거된 유입 원수(101)는 유입 펌프장, 1차 침전지(104)에서 침전 가능한 부유물질의 제거, 생물반응조(107)에서 용존 유기물의 제거 및 최종침전지(108)에서 고액분리를 통한 하수처리(111)와 활성슬러지의 반송(109)을 거치게 된다.

이때, 상기 생물반응조(107)에서는 활성슬러지에 포함된 미생물을 이용하여 유기물 제거 및 질산화가 수행된다.

그러나, 질소 및 인은 거의 제거되지 않으므로, 이러한 성분을 제거하기 위해서는 별도의 추가공정을 수반하는 생물학적 고도처리 공법이 사용된다. 생물학적고도처리 공법에 있어서, 인의 제거는 활성슬러지의 혐기, 호기 조건 변경에 의한 인의 방출과 과잉 섭취원리에 기초하며, 탈질반응은 무산소조에 포함된 종속영양 미생물에 의해 진행되기 때문에 메탄올, 아세트산 및 유입하수중의 유기탄소원 등의 투입이 필요하다.

또, 탁도의 개선이 요구될 경우에는 사여과지 등을 추가적으로 설치한다.

도 2는 종래의 또 다른 수처리 방법으로서, 질소 및 인의 제거까지 수행가능한 고도처리공법을 도시하는 계통도이다.

통상 원수(201)가 유입되는 전처리 설비(202), 침전가능한 부유성 유기물의 제거를 위한 1차 침전조(204), 혐기조(207), 무산소조(208), 호기조(210), 2차 침전조(212)의 순으로 처리조가 배열된다.

즉, 먼저, 상기 혐기조(207)에서는 활성슬러지에 포함된 미생물이 인을 방출하게 된다. 이어서, 무산소조(208)에서는 탈질미생물에 의한 탈질반응이 진행되고, 호기조(210)에서는 질산화가 진행되는 동시에, 인을 방출한 미생물이 다시 인을 흡수하게 된다. 이때, 호기조(210)에서 흡수되는 인의 양이 혐기조(207)에서 방출되는 인의 양보다 많기 때문에 결과적으로 처리수로부터 인이 감소된다.

그러나, 인의 제거 및 적정 미생물농도를 유지하기 위해서 2차침전조(212)에서의 활성슬러지를 혐기조(207) 또는 무산소조(208)로 반송해야 하고 질소의 경우 호기조(210)에서 혼합액의 형태로 무산소조(208)로 내부반송(211)하여야 하므로, 슬러지 팽화(sludge bulking)문제를 피하기 어려우며, 처리효율 또한 저하된다. 또, 미생물의 농도에 의존하는 처리속도 역시 일정 이상의 향상이 기대하기 어렵다고 할 수 있다.

한편, 혐기조(207), 무산소조(208), 호기조(210)로 이루어진 생물반응조가 혼합형으로 구성되어 있어 일정한 하수량을 처리하는데 있어서, 처리조의 면적이 지나치게 크며, 처리수를 호소등에 직방류시 요구되는 고도의 처리수질을 얻기도 어려워, 종래의 수처리 방법에는 한계가 있다.

본 발명은 하폐수의 처리에 있어서 1차적으로 화학적 침전에 의해 부유물질과 인을 제거하고, 2차로 고정상 미생물들의 신진대사와 활성을 이용하여 유기물을 제거함과 동시에 인,질소 등의 영양염류를 제거하되 기존 부유상 미생물을 이용한 하폐수처리장의 처리수질보다 뛰어나 엄격해진 하폐수 처리수질기준의 만족은 물론이며 소요부지 및 시설 공사비를 획기적으로 절감시킨 하페수 처리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 또한, 상기 수처리 시스템을 이용하는 수처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도1은 종래기술에 따른 표준 활성슬러지법에 의한 수처리 계통도이며,

도2는 종래기술에 따른 생물학적 고도처리법에 의한 수처리 계통도이며,

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 시스템을 설명하기 위한 계통도이며,

도4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수처리 시스템을 설명하기 위한 계통도이다.

<부호의 설명>

301 :유입하수, 302 :전처리 설비 303 :혼합원수,

304 :급속반응조, 305 :응집제, 306 :알카리제,

307 :폴리머, 308 :완속반응조, 309 :고속침전조,

310 :반송슬러지, 311 :폐슬러지, 312 :고속침전조 처리수,

313 :SBF(O)공정, 314 :SBF(O) 처리수, 315 :SBF(N)공정,

316 :알카리제, 317 :SBF(N) 처리수, 318 :SBF(DeN)공정,

319 :SBF(DeN)처리수, 320 :처리수조, 321 :역세척용수,

322 :역세척수, 323 :최종처리수

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 인과 반응하여 침전을 형성하는 화학물질이 투입되는 화학적 반응조와,

내부가 친수성 담체로 충진되어 있고 상기 친수성 담체내에는 질산화 미생물이 부착되어 있는 제1 생물학적 반응조와,

내부가 입상황을 주성분으로 하는 담체로 충진되어 있고 상기 담체내에는 독립영양성 황탈질 미생물이 부착되어 있는 제2 생물학적 반응조를 포함하는 수처리 시스템을 제공한다.

본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위해, (a) 유입수에 응집제를 투입하여 인과 콜로이드성 부유물을 제거하는 공정과,

(b) 상기 처리수를 질산화 미생물이 포함된 친수성 담체내로 통과시키는 제1 여과 공정과,

(c) 상기 처리수를 독립영양성 황탈질 미생물이 포함된 담체내로 통과시키는 제2 여과공정을 포함하는 수처리 방법이 제공된다.

본 발명자들은 화학적 수처리 공정과 생물학적 수처리 공법을 혼용함으로써, 기존의 방법으로는 처리가 어려운 오페수를 효율적으로 처리할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명에 따른 수처리 시스템은 통상 (i)토사 제거용 전처리설비, (ii)부유물질 및 인의 제거를 주 반응으로 하는 고속응집침전시설, (iii) 유기물의 제거를 주 반응으로 하는 호기성 유기물 제거용 생물막 여과조(이하 SBF(O)로 칭함),(iv) 질산화를 주 반응으로 하는 호기성 질산화용 생물막 여과조(이하 SBF(N)로 칭함), (v) 탈질반응을 주 반응으로 하는 무산소 탈질용 생물막여과조(이하 SBF (DeN)로 칭함)및 (vi) 역세척용수 저장을 위한 처리수조를 포함한다.

상기 고속응집침전시설에서는 유입수중의 인의 농도와 연계하여 최소의 응집제를 투입하여 부유물질과 인을 고속으로 침전시켜 제거한다. 화학적 고속침전의 특성상 저온시의 외부환경에 대해 처리수질이 안정적이고 또한 동일한 양의 처리수를 처리하는데 소요되는 침전조의 크기를 획기적으로 줄일수 있어, 수처리 시스템의 전체 면적을 감소시키는 장점이 있다.

상기 고속응집침전시설로부터 유출된 처리수는 호기성 유기물 제거용 생물막 여과조(SBF(O))를 통과하는 동안 고농도의 부착성 미생물에 의해 유기물이 제거된 후 호기성 질산화용 생물막 여과조(SBF(N))로 유입된다.

SBF(N)의 생물막 상층부에서는 담체에 부착된 호기성 미생물에 의해 잔류 유기물의 추가적 제거가 이루어지고 생물막 하층부에서는 담체에 고농도로 부착하여 서식하는 Nitrobacter sp., Nitrosomonas sp., Nitrosococcus sp., Nitrocystis 등의 질산화 미생물들에 의한 질산화가 이루어진다.

상기한 호기성 유기물 제거용 미생물 및 질산화 미생물은 하,페수내의 활성슬러지내에서 쉽게 추출가능하다.

최종적으로 무산소 탈질용 생물막 여과조(SBF(DeN))내부는 입상황이 담체로 충진되어 있으며, 상기 입상황내에는 입상황의 유리시에 발생되는 수소를 이용하여 탈질반응을 수행하는 Thiobacillus denitrficans, Thiomicrospira denitrficans등의 독립영양성 황탈질 미생물이 서식하고 있어, 이러한 황탈질 미생물에 의해 질소가 제거된다. 상기 황탈질 미생물은 갯벌등에서 추출할 수 있다. 따라서, 종속영양성 탈질미생물을 이용하는 종래의 수처리 방식과 달리, 탈질을 위해 외부로부터 탄소원을 별도로 공급해줄 필요가 없다. 상기 입상황은 입경이 3mm 내지 5mm, 균등계수는 2이하인 것이 바람직하며, 상기 입상황으로 이루어진 여과층의 높이는 1m 내지 3.0m 범위, 지지층의 높이는 0.2 ~ 1.5m인 것이 보다 바람직하다.

이때, 상기 생물학적 반응조는 미생물의 서식에 적합한 형태의 담체를 반응조 내부에 충진하여 이루어진 것으로서, 상기 반응조에서는 처리수와 미생물이 혼합된 헝태로 반응하는 것이 아니라, 처리수가 담체를 통과하면서 담체에 부착된 미생물과 반응하게 된다.

이와 같이, 생물막 여과조를 이용하는 경우에는 담체내에 미생물이 서식하고 있기 때문에 반응조내의 미생물의 농도를 일정하게 유지할 수 있어, 활성슬러지의 내부반송이 불필요하므로, 슬러지 팽화에 따른 문제점을 해결할 수 있다. 또한, 활성슬러지의 내부반송이 불필요해짐에 따라 2차 침전조 또한 불필요하므로 수처리 시스템을 간소화 할 수 있다.

한편, 종래의 혼합형 생물반응조와 달리, 셍물막 여과조는 처리수의 형태가 플러그 플로우( plug flow)형이므로 소요부지가 작고, 또한 반응조의 미생물 농도가 높아 짧은 체류시간에도 불구하고 처리수질이 탁월하다. 기타, 생물막 여과법에 대한 보다 구체적인 내용은 본 출원인의 선행 특허출원 제99-13133에 상세히 기재되어 있는바, 상기 기재내용은 본 발명의 일부를 구성하는 것으로 한다.

또, 질산화 후에 탈질이 수행되는 반응조 배열구조상, 반드시 처리수를 내부 반송해야 할 필요도 없으므로, 전체 시스템이 간소화되고 운전비용이 절감된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 수처리 시스템은 인의 제거를 위해 별도로 화학물질을 첨가하여야 되는 부가공정이 필요하기는 하나, 이는 수처리 시스템의 설치 면적 감소 및 처리수질의 향상, 처리속도의 향상등을 고려할 때, 종래의 수처리 시스템과 비견할 바가 못된다. 또, 화학적 고속침전의 특성상 저온시의 외부환경에대해 처리수질이 안정적인 장점이 있다.

또한, 오폐수중에 포함된 유기물 및 질소등을 제거하기 위해 생물막 여과법을 채택함으로써, 기존의 활성슬러지를 이용한 하폐수처리방법에서 문제되는 슬러지팽화, 유입 부하변동 및 온도 변화에 따른 효율저하를 해결하고 있다 . 또, 사 여과지 없이도 그 이상의 고도처리수질을 얻을 수 있으며, 운전비용을 감소시키는 동시에 우수한 처리수질을 얻을 수 있어, 향후 수처리 시스템의 요구조건에 부응하고 있다.

도 3은 본 발명의 일예에 따른 수처리 시스템을 나타내는 계통도이다.

전처리 설비(302)는 통상 스크린(screen), 침사지 및 유입펌프장으로 구성되고 유입하수(301)중의 협잡물, 토사류 등이 제거된다.

급속반응조(304)는 유입하수 중의 인을 제거하기 위한 약품(305)을 투입하고, 기존의 중력에 의한 침전으로는 침전되지 않는 콜로이드성 부유물질(colloidal suspended solids)을 제거하기 위한 응집제(306)를 투입하여 플럭(floc)을 형성시키는 반응조이다. 본 공정의 특징은 생물막 여과조(313, 315, 318)의 역세척수(322)와 유입하수(301)내의 부유물질과 인을 동시 제거하는 것으로 부유물질과 인의 양에 따라 약품투입량을 조절한다.

급속반응조(304)에 투입되는 응집제의 양은 유입수중 인의 농도와 연계하여 결정하며, 인의 농도가 5 ㎎/ℓ이하인 하수처리에 있어서 황산알루미늄 및 PAC (Polyaluminiumchloride)의 경우 알루미늄 함량기준으로 최대 10㎎/ℓ이하, 염화철의 경우 철함량기준으로 최대 10㎎/ℓ이하로 투입된다.

완속반응조(308)는 상기 급속반응조(304)의 후속공정으로 음이온 폴리머 (307)를 투입하여 상기 급속반응조(304)에서 유입된 플럭(Floc)의 크기를 증대시켜 침전속도를 빠르게 한다.

한편, 고속반응조(304) 또는 완속반응조(308)의 효율의 증대 또는 투입되는 약품량을 줄이기 위해 고속침전조(309)의 침전슬러지를 유입하수량 대비 1 내지 10%로 급속반응조(304)로 반송할 수도 있다.

고속침전조(309)에서는 상기 완속반응조(308)에서 형성된 플럭(Floc)을 침전에 의해 고액분리하는 반응조로서, 처리수는 생물막여과조로 유입되며, 침전된 슬러지의 일부는 급속반응조(304)로 일부 내부반송(310)되고, 나머지는 탈수설비(311)로 이송된다. 종래의 1차, 2차 침전지의 경우 표면부하률이 각각 25 ~40 ㎥/㎡·일, 20 ~ 30㎥/㎡·일 정도인데 반해 본 반응에 따른 고속침전조는 70㎥/㎡·일 이상이므로 크기가 작으면서 침전효율이 좋고 기존의 2차 침전조 기능까지 동시에 수행한다.

호기성 유기물 제거용 생물막 여과조(SBF(O))(313)는 상기 고속침전조(309)의 처리수내 포함된 용존유기물을 주로 제거한다. SBF(O) (313)은 내부가 친수성 여재로 충진되어 있으며, 상기 친수성 여재내에 유기물을 분해하는 종속영양성 미생물이 서식하고 있는 형태로 구성되어 있으므로, 반응조의 크기가 작고 미생물의 농도가 높기 때문에 짧은 시간에 유기물의 제거가 가능하다.

친수성 여재로는 안스라사이트 및 활성탄이 주로 사용되며, 친수성 여재의 입경은 3 내지 25㎜, 균등계수는 1.1 내지 2.0 범위이며, 여재의 충진높이가 1m 내지 3.0m 범위인 것이 미생물의 활성에 보다 바람직하다. 또, 여재하부는 0.2 ~ 1.5m의 자갈층으로 구성할 수도 있으며, 호기성 상태를 유지하기 위해 공기의 공급이 필요하다. 유기물을 분해하는 종속영양성 미생물은 통상의 하폐수 슬러지로부터 얻을 수 있다. 한편, 상기 SBF(O) (313)내에서 처리수의 이동방향은 상향류의 형태를 가질 수도 있으며, 하향류의 형태를 가져도 좋다.

SBF(N)(315)에서는 상기 SBF(O)(313)의 처리수에 존재하는 암모니아성 질소를 질산화 시키는 공정이 진행된다. SBF(N) 역시 내부에 친수성 담체가 충진되고, 상기 친수성 담체내에 유기물 분해성 미생물 및 질산화 미생물이 서식하는 형태로 구성되어 있으므로, 반응조의 크기가 작고 미생물의 농도가 높기 때문에 짧은 시간에 유기물의 제거 및 질산화가 가능하다. SBF(O)와 마찬가지로 친수성 여재로는 안스라사이트 및 활성탄이 주로 사용되며, 입경은 1 내지 10mm 범위, 균등계수는 1.1 내지 2.0범위인 것이 바람직하다. 하향류식의 경우, 본 반응조의 여재 상층부에서는 잔류 유기물이 제거되고 여재 하층부에서는 질산화균에 의한 질산화반응이 진행된다.

SBF(DeN)(318)에서는 SBF(N)(315)로부터 유입된 처리수내에 존재하는 질산성 질소를 탈질시켜 질소를 제거하는 공정이 수행된다. 기존의 부유성 활성슬러지 공법의 경우 종속영양 미생물을 이용하여 탈질공정을 수행하는데 반해, 본 반응조에서는 독립영양 미생물이 주종을 이룬다. 즉, SBF(DeN) 반응조는 내부가 입상황으로 이루어진 담재로 충진되어 있으며, 상기 담채내에는 입상황을 이용하여 탈질반응을 수행하는 독립영양성 탈질미생물이 부착되어 있다. 따라서, 탈질시 기존 공법의 경우 메탄올등 유기 탄소원이 필요하지만 본 반응조의 경우 담체인 입상황을 이용하는 독립영양 미생물에 의해 탈질이 이루어지므로, 별도의 탄소원 공급이 불필요하다. SBF(DeN)(318) 역시 생물막 여과조이므로 반응조의 크기가 작고, 처리 효율이 우수하다.

pH, 알카리도 등의 수질기준값을 조절하기 위해 SBF(N)(315) 및 SBF(DeN)(318)에 약품주입관(316)를 통하여 약품을 주입할 수도 있다.

처리수조(320)에서는 상기 일련의 생물 반응조를 거친 최종 처리수(323)를 일시 저류하여 잡용수로 재이용하는 한편, 필요한 경우에는 생물막 여과조(315, 318)로 반송하여 역세척 용수(321)로 사용한다.

한편, 상기 도 3에 개시된 수처리 시스템은 일련의 단위 반응조, 즉, 고속응집침전시설, 호기성 유기물 제거용 생물막 여과조(SBF(O)), 질산화용 생물막 여과조(SBF(N)), 무산소 탈질용 생물막여과조(SBF(DeN)) 및 처리수조가 체계적으로 배열된 형태를 가지고 있으나, 본 발명에 따른 각 단위 반응조는 독자적인 특징을 갖는 것인 바, 수처리 시스템의 용도 및 목적에 따라 특정 단위공정만을 취사 선택하여 조합함으로써 특정한 수처리 시스템으로 구성하는 것도 가능하다.

또, 종래의 수처리 시스템에 있어서, 본 발명에 따른 특정 단위공정을 선택적으로 도입하는 것도 가능하다. 즉, 종래의 1차 침전지(104, 202)를 본 발명에 따른 고속응집침전을 위한 화학적 단위 반응조(304, 308, 309)로 대체한다든지, 종래의 생물학적 반응조(107, 108)(207, 208, 210, 212)를 본 발명에 따른 일련의 생물학적 반응조(313, 315, 316)의 1 이상 조합으로 대체하는 등의 응용이 가능하다.

또, 본 발명에 따른 특정 단위공정의 일부를 생략한 상태로 수처리 시스템을 구성하는 것도 가능하다. 예를 들어, 유기성 오탁성분의 농도가 낮은 경우에는 호기성 유기물 제거용 생물막 여과조(SBF(O))가 생략된 시스템을 사용할 수 있으며, 도 4는 이러한 형태의 수처리 시스템을 도시하는 계통도이다.

즉, 원수(401)는 전처리 설비(402), 급속반응조(404), 완속반응조(408) 및 고속침전조(409)를 거친 처리수는 SBF(N)(413) 및 SBF(DeN) (416)를 거쳐 처리수조(418)로 이동되며, 상기 SBF(N) (413)에서 유기물 제거 및 질산화 반응이 동시에 진행된다. 기타, 각 단위설비의 구조 및 기능은 상기 도 3에 도시된 시스템과 동일하다.

이하, 구체적인 실험예를 들어, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

(실시예 1)

도 3에 도시된 본 발명에 따른 수처리 시스템을 이용하여 암모니아성 질소성분과 유기물을 함유하고 있는 생활 하수를 처리 하였다.

유입하수(301)의 양은 2.7㎥/일로서 일단 전처리설비(302)에 저장되었다가, 펌프를 통하여 급속반응조 (304), 완속반응조 (308) 및 고속침전조(309)의 공정을 통해 1차 처리된다. 1차 처리수(312)를 SBF(O)공정(313), SBF(N)공정(315) 및 SBF(DeN)공정(318)을 통해 최종처리수(323)가 얻어지고 역세척용수(321)는 각 생물막 여과조(313, 315, 318)를 역세척한후 전처리 설비(302)로 이송(322)된다.

각 단위공정별 사양은 급속반응조(304)가 가로 세로 125mm, 유효높이 125mm, 완속반응조(308)가 가로 세로 225mm, 유효높이 225mm, 고속침전조(309)가 직경400mm, 유효높이 400mm의 투명 PVC로 제작되었으며, 운전조건은 급속반응조(304) 200 rpm, 완속반응조(308) 60rpm으로 하였고 각각의 반응조에 응집제로 황산알루미늄(305) 40ppm과 음이온 폴리머(307) 0.8ppm을 각각 주입했다. 또한 약품투입량을 최소화하기 위해 고속침전조 슬러지의 약 3%를 상기 급속반응조(304)로 반송(310)하였다.

1차 고속응집침전을 거친 처리수(312)는 SBF(O)(313)의 상부로 유입된다. SBF(O)(313)는 호기조로서 투명PVC로 제작된 150mm 내경의 칼럼을 이용하였으며, 내부의 여과층에는 미생물의 부착이 가능한 유효입경 10mm의 무연탄을 2m의 높이로 충진한 후, 활성슬러지 2,000mg/l을 투입하여 1주일간 배양하여 MLSS 10,000mg/l를 유지하도록 하였다.

그리고, 반응조내를 호기상태로 유지하기 위하여 반응조의 하부에 설치된 산기관(A)를 통하여 공기를 1.5리터/분의 유량으로 주입하였다. 본 반응조에서는 COD, BOD에 영향을 미치는 유기물과 침전가능한 부유성 물질 SS(suspended solid)가 제거되고 그 처리수(314)가 SBF(N)(315)으로 유입된다.

SBF(N)(315)의 내부는 유효입경 3mm의 무연탄이 2m의 높이로 충진되어 있으며, 그 외 사항은 SBF(O)(313)의 구조와 동일하게 적용하였다. 질산화 미생물은 활성슬러지 2,000mg/l을 투입하여 1주일간 배양하여 MLSS 10,000mg/l를 유지하도록 하였다.

본 반응조(313)에서는 여재 상층부에서는 잔류유기물을 제거하고 하층부로 갈수록 질산화 미생물의 농도가 높아져 암모니아성 질소가 산화되어 질산성질소로변환된다. SBF(N)(315)의 처리수(317)는 무산소조인 SBF(DeN)공정(318)으로 유입된다.

SBF(DeN)(318) 역시 두께 5mm의 투명PVC로 제작된 150mm내경의 칼럼을 이용하여 제작하였으며, 내부의 여과층에는 담체의 기능과 수소공여체의 기능을 동시에 수행할 유효입경 3mm의 입상황을 2.0m의 높이로 충진하였으며, 호기조와 달리 반응조내의 무산소상태를 유지하기 위하여 반응조에 공기는 주입하지 않았다.

단, 장시간의 처리로 인하여 여과지의 폐색이 발생한 경우에는 하부에 설치된 산기관과 역세펌프를 이용하여 역세척을 수행하였다. 탈질조 SBF(DeN)(318)에서는 질산성질소가 환원되어 질소가스로 방출되는 질소제거가 일어나며, SBF(N)(315)에서 유출된 SS성분이 최종 제거된다.

SBF(DeN)(318)에서 정화된 처리수(319)는 처리수조(320)로 유입되고 일시 저류되었다가 최종 방류(323)된다. 수처리가 수행되는 동안 pH, 알카리도 등의 수질기준값은 약품주입관(316)를 통하여 조절하였다.

처리의 안정화에 필요한 초기운전시간을 최소화하기 위해, 호기조에는 인근의 하수종말처리장으로부터 입수한 MLSS 2000mg/l의 농도의 활성슬러지를 원수 유입량의 5분의 1 비율로 3일간 연속 주입하여 일주일간 배양함으로써 MLSS 농도 10,000mg/l를 유지하도록 하였다. 그리고, 탈질조에는 갯벌 등에서 추출하여 농축한 Thiobacillus denitrficans 및 Thiomicrospira denitrficans가 혼합된 미생물 분리액을 주입하여 MLSS 3,000 mg/l를 유지하도록 하였다. 본 발명 시스템을 이용하여 8주간 실험을 수행하고, 그 중에서 정상상태에 도달한 7주간의 평균 처리성적을 표1에 나타낸다.

<표 1> 실시예 1의 수처리 결과

(비교예1)

실시예 1에서 사용된 본 발명에 따른 수처리 시스템과 수처리 성능을 비교하기 위해서, 동일 원수를 기존의 활성슬러지를 이용한 고도처리법(도 2 참조)으로 수처리하였다.

유입하수(201)는 우선 전처리설비(202)에서 1차 침전조(204)로 유입되어 침강성 고형물(205)이 제거된다. 1차침전조(204)의 처리수(206)는 생물반응조의 혐기조(207)에 유입되고 동시에 2차 침전조(212)의 활성슬러지가 반송(213) 유입된다.

혐기조(207)에서는 슬러지 내의 축적된 인을 방출하고 후속 무산소조(208)로 이송된다. 이와 함께 호기조(210)의 혼합액도 동시에 반송(211) 유입된다.

후단의 호기조(210)에서 암모니아성 질소가 질산성 질소로 변환되고 그 혼합액을 무산소조(208)로 반송(211)시키면 무산소조(208)에서는 질산성 질소가 환원되어 질소로 변환된다. 질산성 질소의 탈질 반응을 위해 탄소원으로 메탄올(209)을 적정량 주입하였다.

본 무산소조(208)를 거친 처리수는 호기조(210)로 유입되고 여기서 유기물의 산화 제거, 잔류 메탄올의 제거 및 질산화 반응이 일어난다. 본 반응조(210)의 혼합액의 일부는 무산소조(208)로 반송되고 나머지는 2차 침전조(212)로 이송되어 침전에 의한 고액분리가 이루어져 하수가 처리된다.

여기서 1차(204) 및 2차 침전조(212)는 각각 직경 400mm, 유효높이 400mm이고, 혐기조(207), 무산소조(208) 및 호기조(210)는 각각 폭 30㎝, 길이 40㎝, 유효수심 30㎝의 크기로서 두께 5㎜의 투명 PVC를 사용하여 제작하였다.

호기조(210)의 경우 하부에 설치된 산기관를 통하여 공기(A)를 1.5리터/분의 유량으로 주입하였다. 혐기조(207) 및 무산소조(208)의 경우 공기는 주입하지 않고 단지 교반기를 이용하여 혼합만을 유지해 주었다.

생물반응조내의 미생물농도, 즉 MLSS(Mixed Liquor Suspended Solids)농도는 반송슬러지(213)의 양으로 조절되었고, 실험 실시기간을 통하여 평균 3,000㎎/ℓ로 유지하였다.

실시예 1과의 비교를 용이하게 하기위해서 처리에 관련되는 반응조, 즉 호기조와 탈질조의 유효용적을 실시예 1의 반응조와 동일하도록 하였으며 유입하수(201)의 양 역시 2.7㎥/일로 동일하게 설정하였다. 다시 말하면, 생물반응조의 경우, 반응조 내부가 미생물이 부착된 생물담체인 것(실시예 1)과 부유성 활성슬러지인 것(비교예 1)의 차이만 있을 뿐, 그 외의 조건은 두 방법에서 동일하도록 설정하였다.

본 장치를 이용하여 8주간 실험을 수행하고, 그 중에서 정상상태에 도달한 7주간의 평균 처리성적을 표 2의 비교예 1-1에 나타낸다.

그리고 비교예 1의 내부 반송(211) 및 슬러지반송(213)에 의한 체류시간의 축소 효과를 없애기 위해 유입수의 유량만 1.0㎥/일로 줄이고, 즉 반응조의 용적을 2.7배 확대하여 7주간의 추가 실험을 행하고 처리기간중 평균수질변화를 표 2의 비교예 1-2에 나타내었다.

<표 2> 비교예 1의 수처리 결과

실시예 1 및 비교예 1의 수처리 결과를 살펴보면, 처리수의 수질에 관한 전 항목에 있어서, 실시예 1에 따른 수처리 방법이 비교예에 비해 탁월하였다. 특히, 유기물 및 질소의 제거속도와 처리효율이 뛰어나며 인과 부유물질의 경우는 현저히뛰어났다.

또한 비교예 1-2의 경우처럼 반응조 용적을 2.7배로 확대한 경우에서도 본 발명의 처리수질보다 떨어짐을 알수 있다.

(실시예 2)

유기성 오탁성분의 농도가 낮은 생활오수에 대한 처리성능을 조사하기 위하여 도 4에 도시된 수처리 시스템을 이용하여 실험을 실시하였다. SBF(O)가 생략된 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 시스템 구조 및 조건으로 8주간의 실험을 수행하고 정상상태에 도달한 7주간의 평균 처리성적을 표 3에 나타내었다.

(비교예2)

실시예 2와의 비교를 위해, 동일 원수를 기존의 활성슬러지법(도 1 참조)을 이용하여 수처리 하였다.

유입하수(101)는 우선 전처리설비에서 1차침전조(104)로 유입되어 침강성 고형물이 제거된다. 1차침전조의 처리수(106)는 생물반응조인 포기조(107)에 유입되고 포기조(107)에는 2차침전조(108)의 침전슬러지가 반송(109) 유입된다. 포기조의 혼합액은 2차침전조(108)에서 고액 분리되어 최종처리수(111)가 얻어진다.

여기서 1차(104) 및 2차 침전조(108)는 각각 직경 400mm, 유효높이 400mm이며, 포기조(107)는 폭 30㎝, 길이 40㎝, 유효수심 30㎝의 크기로서 두께 5㎜의 투명 PVC를 사용하여 제작하였으며, 포기조(107)의 경우 하부에 설치된 산기관를 통하여 공기(A)를 1.5리터/분의 유량으로 주입하였다.

생물반응조내의 미생물농도, 즉 MLSS(Mixed Liquor Suspended Solids)농도는반송슬러지(109)의 양으로 조절하였고, 실험기간 동안 평균 2,000㎎/ℓ로 유지하였다.

실시예 2와 비교를 용이하게 하기 위해서 처리에 관련하는 반응조의 유효용적과 유입하수(101)의 양을 동일하게 설정하였으며 유입하수량은 2.7㎥/일로 실험하였다.

상기의 조건으로 8주간 실험을 수행하고, 그 중에서 정상상태에 도달한 7주간의 평균 처리성적을 표 3에 나타낸다.

<표 3> 실시예 2 및 비교예 2에 따른 수처리 결과

표 3에 나타낸 바와 같이, 실시예 2에 따른 BOD 및 COD의 제거효율이 비교예 2에서 사용된 활성슬러지법에 비해 2배 이상 우월한 것으로 나타났다.

본 발명에 따른 수처리 시스템은 질소와 인을 함유하는 하폐수처리에 있어 종래의 처리방법보다 처리수질이 우수하고 처리속도가 빠르며 오염부하 변동에도 처리수질이 안정적이다. 또한, 질소 제거시 종래와 같이 수소공여체, 즉 유기탄소원의 공급이 필요없기 때문에 혼합액의 내부 반송 공정이 없고, 최종 2차침전조 또한 필요 없으므로 설치면적의 절감, 운전비용의 절감 및 장치의 소형화가 가능하다.

Claims (19)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 인과 반응하여 침전을 형성하는 화학물질이 투입되는 화학적 반응조와,

   내부가 친수성 담체로 충진되어 있고 상기 친수성 담체내에는 질산화 미생물이 부착되어 있는 제1 생물학적 반응조와,

   내부가 입상황을 주성분으로 하는 담체로 충진되어 있고 상기 담체내에는 독립영양성 황탈질 미생물이 부착되어 있는 제2 생물학적 반응조를 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리 시스템.
5. 제4항에 있어서,

   상기 제1 생물학적 반응조의 친수성 담체는 아스라사이트 또는 활성탄인 것을 특징으로 하는 수처리 시스템.
6. 제4항에 있어서,

   상기 제1 생물학적 반응조내에는 외부로부터 산소가 공급되며, 유기물을 제거하는 호기성 미생물이 더 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 수처리 시스템.
7. 제4항에 있어서,

   상기 제1 생물학적 반응조는 (i) 유기물을 제거하는 호기성 미생물이 우점종인 호기성 유기물 제거용 생물막 여과조(SBF(O))와 (ii) 질산화 미생물이 우점종인 호기성 질산화용 생물막 여과조(SBF(N))를 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리 시스템.
8. 유입수에 응집제가 투입되는 급속반응조와,

   상기 급속반응조로부터 유입된 처리수에 음이온 폴리머를 투입하는 완속반응조와,

   상기 완속반응조로부터 유입된 처리수를 침전시켜 침전물을 제거하는 고속침전조와,

   내부가 친수성 담체로 충진되어 있고 상기 친수성 담체내에는 질산화 미생물이 부착되어 있으며, 상기 고속침전조의 처리수가 유입되는 제1 생물학적 반응조와,

   내부가 입상황을 주성분으로 하는 담체로 충진되어 있고 상기 담체내에는 독립영양성 황탈질 미생물이 부착되어 있으며, 상기 제1 생물학적 반응조의 처리수가 유입되는 제2 생물학적 반응조를 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리 시스템.
9. 제8항에 있어서,

   상기 제1 생물학적 반응조는 (i) 유기물을 제거하는 호기성 미생물이 우점종인 호기성 유기물 제거용 생물막 여과조(SBF(O))와 (ii) 질산화 미생물이 우점종인 호기성 질산화용 생물막 여과조(SBF(N))를 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리 시스템.
10. 제8항에 있어서,

    스크린(screen) 및 침사지를 포함하고 있으며, 원수내에 포함된 협잡물과 토사류를 제거한 후, 처리수를 상기 급속반응조로 공급하는 전처리 설비를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리 시스템.
11. 제8항에 있어서,

    상기 고속침전조의 침전물에 포함된 슬러지중 일부는 상기 급속반응조로 반송되는 것을 특징으로 하는 수처리 시스템.
12. 제8항에 있어서,

    상기 제2 생물학적 반응조의 처리수를 유입받아 일시 저장하는 처리수조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리 시스템.
13. 제12항에 있어서,

    상기 처리수조내의 저장수의 일부를 상기 제1 및 제2 생물학적 반응조로 반송하여 역세척 용수로 사용하는 것을 특징으로 하는 수처리 시스템
14. 제8항에 있어서,

    상기 처리수의 흐름은 상향류식인 것을 특징으로 하는 수처리 시스템.
15. 삭제
16. (a) 유입수에 응집제를 투입하여 인과 콜로이드성 부유물을 제거하는 공정과,

    (b) 상기 처리수를 질산화 미생물이 포함된 친수성 담체내로 통과시키는 제1 여과 공정과,

    (c) 상기 처리수를 독립영양성 황탈질 미생물이 포함된 담체내로 통과시키는 제2 여과공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
17. 제16항에 있어서,

    상기 (a)단게는 음이온 폴리머를 투입하여 침전물의 크기를 증대시키는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제16항에 있어서,

    상기 (b)단계의 친수성 담체에는 유기물 산화용 미생물이 더 포함되어 있으며, 상기 유기물 산화용 미생물에 의해 유기물 산화공정이 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제8항에 있어서,

    상기 처먕수의 흐름은 하향류식인 것을 특징으로 하는 수처먕 시스템.