KR100335761B1

KR100335761B1 - 유기물및질소의제거를위한폐수처리방법

Info

Publication number: KR100335761B1
Application number: KR1019980042373A
Authority: KR
Inventors: 김용환; 조재현; 이용우; 이원권
Original assignee: 양인모; 삼성엔지니어링 주식회사
Priority date: 1998-10-10
Filing date: 1998-10-10
Publication date: 2002-07-18
Also published as: KR20000025335A

Abstract

본 발명은 유기물 및 질소의 제거를 위한 폐수처리방법에 관한 것으로서, 본 발명의 폐수처리방법은 질산화균의 성장을 방해하는 과잉의 유기물을 전단의 폭기조에서 제거하는 한편, 다량의 질산화균을 부착성장시킬 수 있는 질산화용 담체를 사용하여 질산화균이 증식할 수 있는 최적 조건을 형성함으로써, 단시간에 많은 양의 폐수를 처리할 수 있으며, 폐수중의 유기물 부하가 변동되어도 안정적으로 대응할 수 있어서 폐수처리장치의 소형화 및 고성능화가 가능하다. 또한, 질산화균의 활성이 저하되는 동절기에도 안정적인 폐수처리가 가능하기 때문에 대부분의 하수 및 오수처리장, 분뇨처리장, 축산 및 산업폐수처리장 등의 폐수처리장에서 적절하게 이용될 수 있다.

Description

유기물 및 질소의 제거를 위한 폐수처리방법{Waste water treatment process for removing orgnic material and nitrogen}

본 발명은 유기물 및 질소를 함유한 폐수의 처리방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유기물 및 질소의 제거효율을 향상시킬 수 있는 담체를 이용한 폐수처리방법에 관한 것이다.

유기폐수의 처리방법으로서 활성슬러지법이 매우 보편적으로 또한 기본적으로 이용되어 왔는데, 활성슬러지법은 1차 처리된 폐수의 2차 처리를 위해서 또는 1차 처리를 거치지 않은 폐수를 호기적으로 완전처리하기 위하여 채택되는 폐수처리방법이다. 일반적인 활성슬러지법에 따르면, 폐수가 폭기조(aeration tank)로 계속 주입됨에 따라 미생물이 폐수 중의 유기물을 섭취분해하여 성장하게 되고, 이렇게 성장된 미생물은 응결되어 종말침전지에서 침전되는데, 침전체의 일부는 활성슬러지의 형태로 다시 폭기조로 반송되고 일부는 폐슬러지로 폐기됨으로써 폭기조내의 미생물량이 적절한 수준으로 유지되면서 폐수 중의 유기물의 분해와 함께 질소, 인 등의 제거가 이루어지게 된다.

이러한 활성슬러지법은 유기폐수의 처리방법으로서 그 효과가 오랫동안 인정되어 왔다. 그러나, 고농도의 유기물과 질소를 함유한 폐수로부터 유기물과 질소를 동시에 효과적으로 제거하기에는 부적합하고 잉여슬러지의 양도 증가되는 등 많은 문제점을 안고 있으며, 특히 유기물 부하가 높은 폐수가 유입되면 침전조에서 벌킹(bulking)이 발생하여 폐수처리효율이 저하되고 또한 높은 유기물 부하로 인하여 종송영양세균이 과도하게 성장하고 상대적으로 성장속도가 느린 자가영양세균인 질산화균의 성장이 억제되기 때문에 질산화반응이 원활하게 일어날 수 없게 된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 다량의 미생물을 담체에 부착시켜 고정화시킨 상태로 이용하는 생물막공법이 개발되었다. 이 방법에서는, 특히 폭기조내에서 폐수처리에 이용되는 미생물을 적절한 수준으로 계속 유지시켜야 될 필요가 있으며, 이를 위해서는 미생물의 부유성장 또는 부착성장을 위해 미생물 부착용 담체가 필수적이라고 할 수 있다. 이러한 담체로는 여러 가지가 있으며, 그 재질로는 주로 다공성 플라스틱류 (최성용 등, 수질보전학회지, 6권, 1호, 31페이지, 1990), 활성탄소섬유 (일본특허출원 평성5-167820호), 폴리비닐알콜과 활성탄 (일본특허출원 평성5-186723호) 등이 알려져 있다. 이러한 재질의 담체는 친수성이 작거나 그다지 크지 않기 때문에 부유되어 있는 미생물을 부착시키기가 쉽지 않고 부착되지 못한 미생물은 성장속도가 낮아서 폐수처리조를 연속적으로 가동시키는 경우에는 폭기조 밖으로 유출되는 문제가 발생한다.

또한, 고정형 담체를 이용하는 기존의 생물막 공법에서는 담체 표면에 과도한 생물막이 형성되기 때문에 성장속도가 상대적으로 느린 질산화균에 용존산소가 충분히 공급되지 못하여 질산화균을 적절한 수준으로 유지하기 어려우며, 더욱이 단일 담체를 이용하는 생물막 공법으로는 제거가능한 질소의 농도에 한계가 있다는 문제점이 있다.

한편, 폐수중의 암모니아성 질소는 일반적으로 질산화-탈질소(nitrification-denitrification)의 2단계 과정에 의한 생물학적 처리방법에 의하여 처리된다. 즉, 질산화 단계에서는 호기성인 질산화균에 의해 암모니아성 질소가 질산성 질소(NO3-N)로 전환되며, 탈질소 단계에서는 탈질 세균이 부족한 산소대신 질산성 질소를 전자수용체로 사용하여 유기물을 산화시키고 질산성 질소는 N2로 환원시키게 된다. 그러나, 상기 질산화균은 온도 저하에 민감하여 동절기에는 질산화균의 활성저하로 인하여 질소 제거효율이 급격하게 저하된다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명에서는 생물막법에 의한 유기폐수의 처리시 담체의 벌킹현상, 미생물막의 탈리현상 및 동절기 처리효율의 감소 문제 등을 해결하며, 고농도의 유기물 및 질소를 함유한 폐수를 안정적이고도 효율적으로 처리할 수 있는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 폐수처리 방법의 개략적인 공정도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10... 무산소조

20... 제1폭기조

30... 제2폭기조

40... 침전조

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 (a) 처리하고자 하는 폐수를 무산소조에 유입시켜 무산소조내의 탈질세균 및 유입 폐수중의 유기물을 이용하여 질산성 질소를 질소기체로 환원시켜 탈질시키는 단계; (b) 상기 탈질단계를 거친 폐수를 제1폭기조에 유입시켜 과잉의 유기물을 호기성 미생물에 의하여 분해함으로써 폐수중의 탄소/질소비가 후속되는 질산화 반응에 적합해지도록 조절하는 단계; (c) 상기 유기물 분해 단계를 거친 폐수를 제2폭기조에 유입시켜 질산화균을 이용하여 폐수중의 암모니아성 질소를 질산성 질소로 전환시키는 단계; (d) 상기 질산화 단계로부터 유출되는 처리수의 일부는 상기 무산소조로 반송시키고 나머지는 침전조로 유입시키는 단계; 및 (e) 상기 침전조로부터 배출되는 슬러지의 일부는 상기 무산소조로 반송시키고 나머지는 잉여 슬러지로서 폐기하며, 슬러지가 침전된 상등액을 처리수로 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수처리방법이 제공된다.

상기 (b) 단계의 호기성 미생물은 미분 활성탄으로 코팅된 폴리우레탄 폼 담체에 부착되어 있는 것이 바람직하다.

상기 폴리우레탄 폼 담체는 상기 제1폭기조 용적에 대하여 5 내지 25 용적% 투입하는 것이 바람직하다.

상기 (c) 단계의 질산화균은 폴리비닐알코올 폼 담체에 부착되어 있는 것이바람직하다.

상기 폴리비닐알코올 폼 담체는 상기 제2폭기조 용적에 대하여 5 내지 30 용적% 투입하는 것이 바람직하다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 폐수처리 과정을 개략적으로 설명하는 공정도이다.

유기물 및 질소를 함유하는 폐수(1)는 탈질세균이 서식하는 무산소조(10)에 유입된다. 무산소조(10)에서는 유기물의 산화반응과 질산성 질소의 환원반응이 동시에 일어난다. 즉, 유입폐수중의 유기물은 탈질소 반응에서 전자공여체로서 작용하여 산화되며, 유입폐수와 제2폭기조(30)로부터의 반송수(5)내에 존재하는 질산성 질소는 전자를 받아 N2로 환원됨으로써 폐수중의 유기물 및 질소가 제거된다.

그러나, 상기 무산소조(10)에 다량의 유기물을 함유하는 폐수가 유입되는 경우에는 질산성 질소에 비해 유기물이 과잉으로 존재하여 무산소조(10)로부터의 유출수(2)에는 미처 처리되지 못한 유기물이 존재할 수 있다. 이와 같은 유기물이 고농도로 존재하게 되면 후속되는 제2폭기조(30)에 포함된 미생물의 성상을 변화시켜 사상균의 발생을 촉진할 수 있으며, 사상균의 과잉 성장은 침전조(40)에서의 고액 분리시 심각한 문제를 야기할 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 무산소조(10) 다음에 유기물 제거용 담체를 포함하는 제1폭기조(20)를 개재시켜 무산소조(10)에서 미처 처리되지 않고 유입되는 과잉의 유기물이 제거될 수 있도록 하였다. 상기 유기물 제거용 담체에는 다량의 미생물이 부착 성장하면서 고농도의 유기물을 섭취하기 때문에 사상균의 과잉성장을 효과적으로 억제할 수 있다.

상기 유기물 제거용 담체는 미분 활성탄이 접착제에 의해 코팅되어 있는 폴리우레탄 폼 담체로서, 활성탄이 제공하는 넓은 비표면적으로 인하여 많은 양의 미생물이 부착 성장할 수 있다는 특징이 있다.

제1폭기조(20)에 투여되는 상기 담체의 양은 폭기조의 용적에 대해 5 내지 25%가 되도록 한다. 투여량이 이보다 적은 경우에는 미생물의 부착용적이 적합한 수준에 미치지 못하게 되며, 이보다 많은 경우에는 담체가 차지하는 용적이 과도하게 되어 폭기조(20) 내에서 담체의 순환이 원활하게 이루어지기가 곤란하여 유기물의 효율적인 처리가 어렵게 된다.

제1폭기조(20)에서 탄소/질소(C/N)비가 적절하게 조절된 유출수(3)는 질산화용 담체를 포함하는 제2폭기조(30)로 유입되어 질산화 단계를 거치게 된다. 제2폭기조(30)에는 폐수중의 암모니아성 질소를 제거하는 질산화균이 활동하기에 적합한 조건이 형성되어 있다. 즉, 유기물의 농도가 낮기 때문에 다른 미생물에 비해 성장속도가 상대적으로 느린 질산화균도 담체내에 다량으로 성장할 수 있다.

상기 질산화용 담체는 폴리비닐알코올 폼 담체로서, 친수성 작용기인 수산기를 다량 함유하여 물과 접촉하면 쉽게 수화되기 때문에 질산화균을 용이하게 부착시킨다는 특징이 있다.

제2폭기조(30)에 투여되는 상기 담체의 양은 폭기조의 용적에 대해 5 내지 30%가 되도록 한다. 투여량이 이보다 적은 경우에는 미생물의 부착이 가능한 용적이 적합한 수준에 미치지 못하게 되며, 이보다 많은 경우에는 담체가 차지하는 용적이 과도하게 되어 폭기조(30) 내에서 담체의 순환이 원활하게 이루어지기가 곤란하여 효율적인 질산화 반응이 어렵게 된다.

상기 담체에 부착성장된 다량의 질산화균은 원활하게 폐수중의 암모니아성 질소를 호기성 반응에 의해 질산성 질소로 전환시킬 수 있다. 특히, 본 발명의 방법은 질산화균의 활동성이 저하되는 동절기에도 담체내에 부착된 질산화균의 농도가 높기 때문에 미생물이 부유상으로 존재하는 활성 슬러지법에 비하여 질소 제거효율이 매우 높다는 장점이 있다.

제2폭기조(30)를 거친 유출수(4)의 일부는 질산성 질소를 포함하는 반송수(5)로서 무산소조(10)로 반송시켜 탈질소 반응을 거치게 하고, 나머지는 침전조(40)로 보낸다. 침전된 슬러지(6)의 일부는 반송 슬러지(7)로서 무산소조(10)로 반송시키고, 나머지는 잉여 슬러지(8)로서 폐기시킨다. 따라서, 슬러지가 제거된 상등액을 처리수(9)로서 얻을 수 있다.

한편, 담체가 투여되는 폭기조에는 당업계에 일반적으로 공지된 바와 같이 담체의 월류를 방지하기 위한 타공판을 설치하거나, 담체가 유출구 쪽으로 편향되는 현상을 방지하기 위한 담체 반송장치(airlift pump)를 설치할 수 있다.

본 발명의 폐수처리방법에 의하면, 질산화균의 성장을 방해하는 과잉의 유기물을 전단의 폭기조에서 제거하는 한편, 다량의 질산화균을 부착성장시킬 수 있는 질산화용 담체를 사용하여 질산화균이 증식할 수 있는 최적조건을 형성함으로써, 종래에 활성슬러지법에서 가장 문제가 되었던 슬러지 벌킹문제가 없을 뿐 아니라, 단시간에 많은 양의 폐수를 처리할 수 있으며, 폐수중의 유기물 부하가 변동되어도안정적으로 대응할 수 있어서 폐수처리장치의 소형화 및 고성능화가 가능하다. 또한, 미생물의 활성 저하로 질소제거율이 저하되기 마련인 동절기에도 안정된 질소 제거율을 얻을 수 있다.

이하, 실시예를 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 하는데, 본 발명의 범위가 하기 실시예로만 제한되는 것은 아니다.

<실시예 1>

무산소조, 제1폭기조 및 제2폭기조의 용적비가 1:1:1이며, 제1폭기조에는 유기물 제거용 담체를, 제2폭기조에는 질산화용 담체를 각각 10용적%의 양으로 투입한 폐수처리장치를 사용하였다.

이어서, 상기 폐수처리장치에 폐수를 유입시켜 폐수를 상온(25℃)에서 처리하였는데, 이 때 유입폐수의 BOD(생물학적 산소요구량)는 120mg/ℓ, TKN(Total Kjeldahl Nitrogen)은 60mg/ℓ로 하였고, 체류시간(HRT)은 초기에는 6시간으로 시작하여 최종적으로는 3시간으로 감소시켜 유입폐수의 유량을 점차적으로 증대시켰다.

폐수처리장치를 통과하여 유출되는 유출수의 BOD 및 TKN을 측정하여 체류시간 변화에 따른 BOD 및 TKN의 제거율을 계산하여 하기 표 1에 나타내었는데, BOD 및 TKN은 표준공정시험방법에 따라 측정하였다.

<비교예 1>

일반적인 부유상 미생물을 이용하는 MLE(Modified Ludzack Ettinger)법에 따라 실시예 1과 동일한 조건하에 유기폐수를 처리하여 그 처리결과를 하기 표 1에나타내었다. 폭기조의 용적은 실시예 1의 제1폭기조 및 제2폭기조의 용적의 합과 동일하게 하였다.

체류시간(시간)	BOD 제거율(%)	TKN 제거율(%)
체류시간(시간)	실시예 1	비교예 1	실시예 1	비교예 1
8	95	95	99	95
6	95	93	99	90
4	93	85	95	75
3	92	70	95	50

상기 표 1에 나타나 있는 바와 같이, 본 발명의 방법에 따라 폐수를 처리하는 경우 유입폐수의 체류시간이 감소할수록 기존의 MLE 공정에 비하여 BOD 제거율 및 TKN 제거율이 매우 높아진다. 이와 같이 유입폐수의 유량이 크게 증가하는 경우에도 높은 제거율이 유지될 수 있는 것은 담체내에 많은 미생물이 부착할 수 있기 때문이다. 폭기조내 미생물의 농도를 측정한 결과, 실시예1의 경우는 부유상 미생물 2000mg/ℓ 및 생물막으로 부착된 미생물 2500mg/ℓ로서 합계 4500mg/ℓ인 반면, 비교예 1의 경우는 2000mg/ℓ에 불과하였다.

<실시예 2>

동절기의 폐수처리 효율을 비교하기 위하여, 체류시간을 6시간으로 일정하게 유지하고 수온을 25, 20, 15, 8℃로 변화시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 폐수처리장치를 사용하여 폐수를 처리하였다.

폐수처리장치를 통과하여 유출되는 유출수의 BOD 및 TKN을 측정하여 체류시간 변화에 따른 BOD 및 TKN의 제거율을 계산하여 하기 표 2에 나타내었는데, BOD 및 TKN은 표준공정시험방법에 따라 측정하였다.

<비교예 2>

비교예 1의 MLE 장치를 사용하여 실시예 2와 동일한 조건에서 폐수를 처리 하여 그 처리 결과를 표 2에 나타내었다.

온도(℃)	BOD 제거율(%)	TKN 제거율(%)
온도(℃)	실시예 2	비교예 2	실시예 2	비교예 2
25	95	95	99	95
20	94	90	97	93
15	93	84	95	80
8	90	80	90	50

상기 표 2에 나타나 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 폐수처리방법은 폭기조 전단에서의 유기물 제거 및 질산화용 담체를 사용하여 질산화균의 부착성장에 적합한 조건을 형성함으로써 저온에서도 매우 높은 TKN 제거율을 유지할 수 있으며, BOD 제거율 또한 향상시킬 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 폐수처리방법은 질산화균의 성장을 방해하는 과잉의 유기물을 전단의 폭기조에서 제거하는 한편, 다량의 질산화균을 부착성장시킬 수 있는 질산화용 담체를 사용하여 질산화균이 증식할 수 있는 최적 조건을 형성함으로써, 단시간에 많은 양의 폐수를 처리할 수 있으며, 폐수중의 유기물 부하가 변동되어도 안정적으로 대응할 수 있어서 폐수처리장치의 소형화 및 고성능화가 가능하다. 또한, 질산화균의 활성이 저하되는 동절기에도 안정적인 폐수처리가 가능하기 때문에 대부분의 하수 및 오수처리장, 분뇨처리장, 축산 및 산업폐수처리장 등의 폐수처리장에서 적절하게 이용될 수 있다.

Claims

(a) 처리하고자 하는 폐수를 무산소조에 유입시켜 무산소조내의 탈질세균 및 유입 폐수중의 유기물을 이용하여 질산성 질소를 질소기체로 환원시켜 탈질시키는 단계;

(b) 상기 탈질단계를 거친 폐수를 제1폭기조에 유입시켜 과잉의 유기물을, 미분 활성탄으로 코팅된 폴리우레탄 폼 담체에 부착된 호기성 미생물에 의하여 분해함으로써 폐수중의 탄소/질소비가 후속되는 질산화 반응에 적합해지도록 조절하는 단계;

(c) 상기 유기물 분해 단계를 거친 폐수를 제2폭기조에 유입시켜, 폴리비닐알코올 폼 담체에 부착된 질산화균을 이용하여 폐수중의 암모니아성 질소를 질산성 질소로 전환시키는 단계;

(d) 상기 질산화 단계로부터 유출되는 처리수의 일부는 상기 무산소조로 반송시키고 나머지는 침전조로 유입시키는 단계; 및

(e) 상기 침전조로부터 배출되는 슬러지의 일부는 상기 무산소조로 반송시키고 나머지는 잉여 슬러지로서 폐기하며, 슬러지가 침전된 상등액을 처리수로 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수처리방법.
제1항에 있어서, 상기 폴리우레탄 폼 담체를 상기 제1폭기조 용적에 대하여 5 내지 25 용적% 투입하는 것을 특징으로 하는 폐수처리방법.
제1항에 있어서, 상기 폴리비닐알코올 폼 담체를 상기 제2폭기조 용적에 대하여 5 내지 30 용적% 투입하는 것을 특징으로 하는 폐수처리방법.