KR100342667B1

KR100342667B1 - 액상부식법에 있어서 축산폐수 또는 분뇨 고도처리의 질소및 인 제거방법

Info

Publication number: KR100342667B1
Application number: KR1020010055367A
Authority: KR
Inventors: 김학로
Original assignee: 김학로
Priority date: 2001-09-08
Filing date: 2001-09-08
Publication date: 2002-07-03
Also published as: KR20010102868A

Abstract

[과제]

종래의 기술보다 본 발명은 축산폐수 및 분뇨에 포함된 광범위 살균성 항생제 및 방역용 소독제 등이 다량으로 포함되어 생물학적으로 필요한 각종 미생물의 증식 및 활성화를 방해하여 처리효율을 감소시키고 처리시간을 길게 요구하는 등, 종래 기술의 구조적 제약 조건과 많은 에너지 소모를 해결하기 위한 방법으로, 항생제와 소독제에 내성이 우수한 신균주 미생물을 접종, 우점적 활성화와 퍼지제어로부터, 적정한 용량의 시설과 짧은 시간에 질소 및 인등의 영양염류 뿐만아니라 각종 유기성 오염 물질을 동시에 제거하는 생물학적 고도처리 기술을 제공한다.

[해결수단]

본 발명은 액상부식법에 있어서 축산폐수 또는 분뇨의 질소 및 인을 제거하는 방법에 관한 것으로서, 액상부식조의 각종 센서 및 퍼지측정장치와 연동된 퍼지제어시스템(Fuzzy Control System)을 이용하여 최적의 운전 조건을 유지하고, 고농도 축산폐수 또는 분뇨에 포함된 광범위 살균성 항생제와 방역용 소독제 등이 다량 포함되어 각종 미생물의 증식 활성화를 저해하고 처리효율을 감소시키는 것으로, 이것을 해결하기 위하여 광범위 항생제와 방역용 소독제에 내성이 우수한 신균주 Bacillus khr-10-mx(한국과학기술연구원 유전자은행 기탁번호 KCTC 8533P)와 복합균주 khr-5-mx(한국과학기술연구원 유전자은행 기탁번호 KCTC 0078BP)에 포함된 산화미생물, 질화, 탈질미생물 및 바이오-인(Bio-P) 미생물, 생물고분자 응집제를 생산하는 미생물 등을 접종하고, 호기성 폭기(Air-on/off) 및 무산소 수중교반 (Mixer-on/off)을 교대로 실시하면서 산소공급량, 폐수의 유입수량과 배출수량을 자동조절하여 생물학적 액상부식을 수행한 후, 응집반응조에서 무기 및 유기 응집제를 첨가하여 고액분리한 후 침전, 여과처리 하여 소독 방류하는 것을 특징으로 하는 본 발명의 방법에 따르면, 고농도 축산폐수 및 분뇨중의 유기오염 물질과 질소와 인을 효율적으로 제거할 수 있다.

Description

액상부식법에 있어서 축산폐수 또는 분뇨 고도처리의 질소 및 인 제거방법{omitted}

[산업상 이용분야]

본 발명은 축산폐수 또는 분뇨 고도처리의 탈질 및 탈인 프로세스에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 호소, 하천 및 해양에 부영양화의 원인 물질인 질소 및 인 등의 각종 오염물질을 생물학적으로 동시에 제거하여 환경오염을 방지하는 폐기물처리 기술을 제공한다.

[종래 기술]

본 발명은 액상부식법에 있어서 축산페수 또는 분뇨 고도처리의 질소, 인 제거방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 호소, 하천 및 해양 등 수계의 부영양화의 원인이 되는 질소화합물과 인화합물 중에서 암모니아(Ammonnia)는 그 자체가 독성이 있어 수생생물에게 독성을 나타내고, 아질산염(NO₂)은 혈액중에 헤모글로빈과 결합하여 태아에게 치명적인 메테모글로비네미아(Methemoglobinemia)라는 질병을 유발시키며 또한 아민과 반응하여 발암물질인 니트로스아민(Nitrosamine)을 만든다. 또 질산화 과정을 거치면서 산소를 다량 소모하여 수계의 무산소 상태를 만들기도 한다. 따라서 인산염(PO₄)과 다른 영양염과 같이 존재하면 세포내의 물질로 전환(동화작용)되어 조류의 발생을 유발시킬 수 있다. 이러한 이유로 우리나라를 비롯한 세계 여러나라는 질소와 인을 각 형태별로 기준치를 정하여 수질을 관리하고 있으며, 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 국내에서도 배출허용 기준을 적용하고 있다.

특히, 인간과 가축의 배설물로써 발생되는 분뇨 또는 축산폐수는 유기물의 농도가 높고 수계에 부영양화를 유발하는 영양염류물질 농도가 높아 적정처리하지 않을 경우 호소 및 하천, 해역의 녹조 또는 적조등의 원인물질로 작용하고 있다.

이러한 수질오염을 방지하기 위하여 지금까지 축산폐수 또는 분뇨처리 기술로는 회분식 활성오니법(Sequencing Batch Reactor)이 주종을 이루고 있으나, 고농도 폐수에 포함된 각종 저해 요소로부터 종래 기술에 2차, 3차 후단처리 시설을 부가하여 처리하는 종래의 방법에 의존하고 있는 실정이다.

따라서 종래의 기술로는 몇가지 액상부식법 특허기술이 보고되었으나 이들의 상당수가 유기오염물질 및 질소 제거에 주안점을 두고 개발된 것으로, 대한민국 특허 제077897호와, 대한민국 특허 제0178620호와, 대한민국 특허 등록번호 10-0198028호와, 또 다른 대한민국 특허 제0285016호의 축산페수 또는 분뇨의 처리방법이 제시되고 있다.

그러나 상기 종래의 기술은 우리나라의 축산폐수 및 분뇨의 특성상 페수의광범위 살균성 항생제(Enrofloxacn, Oxytetracycline, Kitasamycin 등)와 방역용 소독제(n-Alkyl(C₁₂, C₁₄, C₁₆, C₁₈), Triple salt, Sodiium chloride) 등이 다량 포함되어 각종 미생물의 증식과 활성화를 저해 처리효율을 감소시키는 것은 물론 액상부식조의 크기와 처리시간이 길어지는 것에 따라 건설비 및 운전관리비의 과다 지출로 재정 부담을 가중시키고 있을 뿐만 아니라 연동된 각종 시스템들이 적정으로 운전되지 못하여 방류수 수질검사 항목인 BOD, COD, SS, TN, TP, 대장균 등의 처리수질의 배출허용 기준치 확보가 어려웠다.

본 발명에서 이러한 문제점을 해결하기 위하여 광범위 항생제와 소독제에 내성이 우수하고, 각종 오염물질의 제거 능이 우수한 신균주 Bacillus khr-10-mx(KCTC 8533P)와 복합균주 khr-5-mx(KCTC 0078BP) 미생물을 접종 우점적 활성화로 질화, 탈질, 탈인을 동시에 달성하는 방법과 처리공정을 퍼지제어(Fuzzy Control System)하여 처리시간과 유지관리의 간소화는 물론 처리수의 배출허용 기준치를 확보하기 위한 질소, 인등의 영양염류를 생물학적으로 고도처리하는 방법을 연구 개발하여 본 발명을 완성하였다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 액상부식조에서 호기 반응(Air-on/off)과 무산소 반응(Mixer-on/off)을 연속적으로 반복하고, 광범위 항생제 및 소독제에 내성이 우수한 신균주 Bacillus khr-10-mx와 복합균주 khr-5-mx 미생물을 접종하고, 액상부식조와 연동하여 전체 처리시스템을 퍼지제어(Fuzzy Control System)하므로서, 질화, 탈질, 탈인에 관여하는 다종다양한 미생물을 우점적 활성화로 단시간 내에 질소 및 인을 동시에 제거하여 환경기준에 적합한 처리수를 얻는 방법을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 축산폐수 및 분뇨 고도처리 공정도이고,

도 2는 본 발명에 따라 퍼지제어시스템 구성도이고,

도 3는 본 발명에 따른 퍼지논리제어 구성도이고,

도 4는 본 발명에 따른 액상부식조의 운전제어 타임스케줄도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : ORP Controller 2 : DO 검출센서

3 : MLSS 검출센서 4 : 온도 검출센서

5 : 수중교반기(Submerged Mixer) 6 : 산기관(Diffuser)

7 : 브로워(Blower) 8 : 퍼지(Fuzzy)측정장치

9 : 퍼지(Fuzzy)제어장치 10 : pH Controller

11 : 정량주입 펌프 12 : 신균주 접종장치

13 : TWL(Top Water Level) 14 : BWL(Bottom Water Level)

101 : 투입구 102 : 협잡물제거장치

103 : 침사조 104 : 저류조

105 : 액상부식조 106 : 혼합조

107 : 응집반응조 108 : 탈수기

109 : 중화조 110 : 침전조

111 : 여과수조 112 : 여과장치

113 : 멸균방류조 114 : 퇴비화설비

[과제를 해결하기 위한 수단]

상기 목적을 달성하고자 본 발명에서는, 진보된 액상부식법을 이용하여 축산폐수 또는 분뇨를 처리하는 방법에 있어서 기술적 사상이 첨부된 도면을 참고로 하여 설명하면 다음과 같다. [도 1] 은 본 발명에 따른 축산폐수 및 분뇨 고도처리의 공정도이고, [도 2]는 본 발명에 따른 퍼지제어 시스템 구성도이고, [도 3]은 본 발명의 퍼지논리제어 구성도이고, [도 4] 는 본 발명에 따른 액상부식조의 운전제어 타임스케줄도이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 축산폐수 및 분뇨를 수거차로부터 투입구(101)에 투입하고, 협잡물제거장치(102)에서 협잡물을 제거한 다음 침사조(103)에서 토사를 침전분리하여 저류조(104)에서 일정기간 체류하면서 수질을 균등화하여 일정량 액상부식조(105)에 이송되어 호기성 반응단계(Air-on/off), 무산소 반응단계(Mixer-on/off)를 운전 타임스케줄에 따라 반복 연속적으로 이루어지고, pH, ORP, DO, MLSS, 온도 등을 검출센서를 포함하는 퍼지(Fuzzy)측정장치(8), 상기 센서들의 각각의 검출된 값에 따라 즉시 대응제어 하는 마이크로프로세스 제어 하에 전력펄스 신호를 출력하는 인터페이스로부터 인가되는 전력펄스 신호에 따라 상기 센서들의 검출치를 각각의 예비 설정치로 유지하는 퍼지(Fuzzy)제어장치(9)로이루어지고 액상부식조(105)와 각각의 처리공정에 장착된 공정 제어시스템과 연동 하여, 액상 부식조에서 폐수에 포함된 광범위 살균성 항생제 및 방역용 소독제에 내성이 있는 신균주 Bacillus khr-10- mx(KCTC 8533P)와 복합균주 khr-5-mx(KCTC 0078BP)에 포함된 BOD제거 미생물(Bacillus sp. Zoothamnium sp. Colpoda sp. 등), 질산화 미생물(Monas sp., Lepadella sp., Epistylis sp 등), 탈질 미생물(Bodo sp., Vorticella spp., Amoeba sp., Spirostomum sp. 등) 및 바이오-인(Pseudomonas sp., Acinetobacter sp., Bacillus sp. 등) 미생물을 접종하고, 호기성 폭기(Air-on/off) 및 무산소 수중교반(Mixer-on/off)과 각각의 산화환원전위(ORP)차가 +10mV 내지 +100mV 및 -100mV 내지 -300mV가 되도록 교대로 실시하면서 산소공급량, 미생물 접종량 또는 폐수의 유입, 유출수량을 자동조절하여 생물학적 액상부식을 수행한 후, 혼합조(106)에서 혼합되어, 응집반응조(107)로 일정량 이송, 응집제를 첨가하여 탈수가 용이하게 전처리 하여 탈수기(108)에서 고액분리 한 후 탈리액은 중화조(109)에서 pH를 조정하여 침전조(110)에서 침점분리한 후 상징수는 여과수조(111)에 모아져 여과장치(112)에서 여과처리한 다음 멸균방류조(113)에서 멸균처리 후 방류하는 처리공정과 선택적으로, 탈수된 슬러지 케익을 퇴비화설비(114)로 이송 퇴비화하거나, 소각 또는 매립하는 것을 특징으로 하는, 축산폐수 및 분뇨의 고도처리방법이 제공된다.

상기와 같은 구성된 본 발명에 대하여 본 발명을 실시하기 위한 처리공정도가 [도 1] 에 도시되어 있으며, 이를 참고로 하여 본 발명에 대하여 보다 구체적으로 하기와 같이 설명한다.

본 발명에 따른 축산폐수 및 분뇨의 고도처리 공정도가 [도 1] 에 도시되어 있으며, 이를 참고로 하여 본 발명의 처리공정을 하기와 같은 5단계로 나누어 설명한다.

제1처리공정(투입구, 협잡물제거장치, 침사조) : 축산폐수 또는 분뇨의 전처리 공정으로서 투입구(101), 협잡물제거장치(102), 침사조(103)로 구성되고, 수거된 폐수중의 토사, 섬유, 고무, 비닐, 프라스틱, 과일의 씨앗 등에 의해 펌프, 밸브, 배관등의 막힘이나 파손 또는 처리설비의 기능 저하를 미연에 방지하고 액상부식조(105)에 투입되는 폐수 성상의 균질화를 기하기 위해 일정하지 않은 수거량을 감안하여 4-5일의 저류용량을 확보하기 위한 전처리 공정이다.

제2처리공정(저류조, 액상부식조) : 고형협잡물 및 토사를 제거하고 균질화된 폐수를 저류조(104)에서 액상부식조(105)로 일정량 이송하고 폐수에 포함된 다량의 항생제 및 소독제에 내성이 우수한 신균주 Bacillus khr-10-mx와 복합균주 khr-5-mx에 포함된 BOD산화 미생물, 질화, 탈질 미생물 및 바이오-인(Bio-P) 미생물을 신균주 접종장치(12)에 의해 일정량 접종하고 브로워(7)에 의한 호기성 폭기(Air-on/off) 및 수중교반기(5)에 의한 혐기성 수중교반(Mixer-on/off)을 교대로 실시하여 생물학적 액상부식을 수행한다. 이때, BOD제거 미생물은 수중의 산소를 이용하여 폐수 중의 탄수화물, 지방, 단백질 등의 유기물을 CO₂와 H₂O로 변환시키고, 질화, 탈질 미생물은 폐수 중의 질소화합물을 불활성인 질소가스(N₂)로 변환시키며, 바이오-인 미생물은 폐수 중의 인을 과잉섭취하여 다중인산염 형태로 저장한다.

제3처리공정(혼합조, 응집반응조, 탈수기) : 생물학적 반응이 완료된 액상부식 액을 혼합조(106)로 이송한 후 일정시간 저류하고, 여기서 고액분리를 용이하게 하기 위하여 응집반응조(107)에 교반기, pH조절계, 계량조 및 분배조를 갖추고 가성소다(NaOH), 응집제 및 염화제2철 등을 투입함으로써 불순물을 화학적으로 응집처리된 응집반응액을 탈수기(108)에서 고액분리한 다음 탈수 케이크는 제5처리공정에서 퇴비화하거나, 매립 또는 소각처리한다.

제4처리공정(중화조, 침전조, 여과수조, 여과장치, 멸균방류조) : 고액분리된 처리수는 중화조(109)에서 pH를 조정한 후 침전조(110)에서 최종 침전 분리한다.

상징수는 다시 pH를 조정하여 여과수조(111)에 일정량 저류하고 여과장치(112)에서 각종불순물을 제거한 다음 수질검사기준에 적합한 처리수로 멸균방류조(113)에서 멸균하여 방류한다.

제5처리공정(퇴비화설비) : 탈수기에서 처리된 탈수케이크는 퇴비화설비 (114)로 이송되어 수분조절제와 발효제를 투입하고 일정기간 발효 및 건조시켜 토양개량제 또는 유기질 비료화 한다.

본 발명에서 퍼지 제어 시스템은 퍼지센서부, 퍼지의사결정부, 퍼지논리제어부의 3부분으로 구성된다. 퍼지센서부는 액상부식조의 상태나 처리상태에 대한 퍼지추론 관계를 이용하여 처리 시스템의 상태를 간접적으로 측정한다. 퍼지의사결정부는 유입수의 한계 또는 BOD용적부하, MLSS농도, DO농도 등 액상부식조의 구조적등과 같은 처리시스템의 제약 사항이나 여러 제어 목표치를 동시에 고려하여 제어장치의 새로운 설정치를 결정하는 부분으로서 최적의 운전 조건을 기반으로 의사결정부의 시스템이 구성된다. 여기서 퍼지논리제어부는 크게 두 부분으로 나누너 진다. 한 부분은 퍼지의사결정부에서 결정한 수정된 설정치(Modified set value)를 잘 따라가는(Tracing)부분이고 다른 부분은 최적의 운전과정을 모사하여 제어를 수행하는 부분이다. 액상부식조의 제어를 위한 퍼지(Fuzzy) 제어 시스템의 구성은 [도 2] , [도 3] 과 같다.

본 발명의 상기한 처리공정으로부터 얻어진 수질성적은 하기 [표 1]과 같다.

[표 1]

이하 다음과 같은 실시예를 통하여 본 발명의 특징에 대하여 상세히 설명한다.

[실시예 1]

다음은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예들은 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 통상의 지식을 가진 자에게 있어서자명한 것이다.

[도 1] 과 같이 페수 또는 분뇨를 물리,화학적 및 생물학적으로 고도처리하기 위하여 진보된 액상부식법을 이용 처리하였다. 처리결과는 [표 6] , [표 9] 와 같이 만족할 만한 처리결과를 얻었다. [표 2] 의 성상을 가지는 실제의 축산폐수를 Pilot Plant 및 Lab Test의 실험장치에 실험하였다. 실험장치는 [도 1] 에 나타난 처리공정으로 동일하게 제작하였으며, 질소(N)와 인(P)을 동시 또는 후단에서 잔존하는 인화합물을 처리할 수 있는 공정과 광범위 항생제 및 방역용 소독제에 내성이 우수한신균주 미생물을 일정기간 접종 우점적 실험과 퍼지제어 실험하였다.

처리효율을 극대화 할 수 있는 운전조건을 확립하기 위하여 운전제어 인자인 폐수수질, 제어시간, pH, ORP, DO, MLSS, 온도 등을 측정하여 최적의 운전조건 데이터를 모텔링하여 적용하고, 유기물 및 질소, 인 제거효율을 측정 분석하였다.

또한 퍼지제어(Fuzzy ＆ PLC)시스템을 이용 액상부식조의 DO, pH, MLSS, ORP, 온도 등의 검출센서 및 검출장치에 의한 제어장치로서 브로워(Blower), 수중교반기(Submerged Mixer), 펌프(pump) 등을 자동으로 퍼지제어 하였다.

실험에서 사용된 폐수의 성상은 [표 2] 과 같다.

[표 2]

제1처리공정(투입, 협잡물제거장치, 침사조) : 수거된 분뇨 또는 축산폐수의 전처리 공정으로, 수거차에서 직접 투입구(101)에 투입되고 협잡물제거장치(102)를 통과 페수중에 섬유, 고무, 비닐, 프라스틱, 과일씨앗 등에 의해 펌프, 밸브, 배관등의 막힘이나 파손 또는 처리 설비의 기능을 저하를 미연에 방지하기 위하여 제거하고 침사조(103)에서 또다시 흙과 모래(0.5mm이상, 비중2.65) 및 비부패성 무기물 등을 침사조에서 급속침전 분리하여 모래에 의한 펌프나 기계손상, 관로의 폐쇄 및 조내의 퇴적을 방지하기 위한 전처리 공정을 거처 다음 공정으로 이송한다.

제2처리공정(저류조, 액상부식조) : 폐수의 성상을 균질화하고, 일정하지 않은 수거량을 감안하여 5∼7일의 저류용량을 확보하기 위한 저류조(104)로부터 일정량이 액상부식조(105)로 이송된다. 여기서 폐수에 포함된 다량의 광범위 항생제 및 방역용 소독제로부터 활성이 약한 미생물을 보충하기 위하여, 내성이 우수한 신균주 Bacillus khr-10-mx와 복합균주 khr-5-mx에 포함된 질산화 미생물, 탈질 미생물, 바이오인(Bio-P)미생물 및 생물고분자 응집제를 생산하는 미생물(Bacillussp.)등을 1주내지 2주간 접종 스케줄에 따라 1주간 매일 유입량의 1㎥당 5∼10ppm을, 2주간 매일 유입량의 1㎥당 2∼5ppm으로 신균주 접종장치(12)에 의해 자동으로 접종하고, 호기성(Air-on/off)조건과 무산소(on/off)조건을 운전 타임스케줄에 따라 연속 또는 반복적으로 수행한다.

여기서 BOD, COD 및 NH₄-N, H₃PO₄등이 95%이상 제거되고, 접종된 미생물은 활성화되어 우점적으로 종속영양세균, 아질산균, 질산균, 탈질균, 바이오-인 등의 균수를 보였다. 시료 건조중량 1mg중의 생글수를 Standard Plate Count법으로 각 3회 반복 실험 후 유효숫자 범위내의 CFU 값을 평균으로 하여 [표 3] 과 같다.

[표 3]

여기서 액상부식조(105)의 운전은 하나의 운전주기에 의해서 퍼지(Fuzzy) ＆ PLC (Programmable Logic Controller)제어된다. 액상부식조(105)내의 BOD, COD 및 질소 제거의 조건을 충족하기 위하여 일정시간동안 호기성 조건의 폭기와 무산소 조건의 수중교반을 교대로 실시한다. 이때, DO 검출센서에서 검출된 폐수의 DO 농도값은 A/D신호로 변환 제어하는 마이크로프로세스에 전송 연산처리되고 퍼지제어장치(9)에서 인터페이스로부터 인가되는 전력펄스치에 의해 브로워(7)와 수중교반기(5)를 제어한다. 따라서, 액상부식조(105)내가 호기성일 때 ORP 전위차는 +10mV∼+100mV이고 혐기성일 때 ORP 전위차는 -100mV∼-300mV로 ORP Controller(1)에 의해 제어된다.

여기서, 질소부하 0.2 ∼ 0.4kgN/㎥/day, 유기물부하 0.6 ∼ 1.2kg.BOD/㎥ /day로 되고, MLSS 검출센서(3)에서 검출된 값에 따라 MLSS 4,000 ∼ 8,000mg/ℓ로 유지 제어 운전한다. 이때, 미리 조성된 복합균주 khr-5-mx 미생물을 2주간의 접종스케줄에 따라 총폐수 유입량 및 저수량에 제1일에서 7일 5 ∼ 10pput/㎥/day, 제7일에서 14일 2 ∼ 5ppm/㎥/day로 접종 완성하고, 항생제 및 소독제에 내성이 우수하여 바로 활성화 된 미생물에 의한 흡착, 중합, 축합등의 작용에 이한 분자의 거대화와 가용성 유기물의 고형화를 유도하여 정화하는 생물학적 처리과정과 거대화된 분자 및 고형화된 유기물에 무기 및 유기응집제를 첨가하여 전량 강제 고액분리를 거치게 됨으로서 고농도 유기성폐수를 정화하는 방법으로 하기의 메카니즘에 따라 유기오염물질이 제거되면서 BOD가 낮아진다.

여기서 액상부식조에서 질화와 탈질, 탈인을 동시 또는 순차적으로 수행하는 처리공정과 액상부식조를 2개조와 전액상부식조(Pre React Zone)와 주액상부식조 (Main Zone)로 구획하고, 단속유입(Batch Flow)과 연속유입(Continuous Flow)으로 실험하여 처리효율을 측정하였다. 또한 처리효율을 향상시키기 위하여 가압부상조를 별도로 설치하여 처리효율을 극대화할 수 있도록 실험하였다.

따라서 액상부식조(105)의 고농도 페수중의 유기물 일부는 미생물과 접촉하고 유기물은 산화식에 따라서 탄산가스(CO₂)나 물(H₂O)같은 무기물로 산화되고, 나머지 일부는 세포질의 형성에 따라서 미생물의 세포합성에 쓰여지고, 자신의 세포질을 분해에 의해 에너지를 얻는 산화과정과 동화과정의 메카니즘은 다음 식과 같다.

산화과정 : CxHyOz + O₂→ CO₂+ H₂O - △H(35%-40%)

동화과정 : CxHyOz + NH₃+ O₂→ 세포 + CO₂+ H₂O - △H(60%-65%)

1. 생물학적 질소 제거공정

여기서 질산화-탈질소 이론을 상세히 설명하면 대기중에 79%정도로서 가장 많은 부분을 차지하는 질소의 형태는 크게 유기형태와 무기형태로 나눌 수 있으며 산화형태에 따라 [표 4] 에 나타난 것과 같이 NH₃, N₂, NH₄ ⁺, NH₂ ^-, NH₃ ^-등으로 나누어진다.

[표 4]

본 발명의 폐수처리에 있어 질산화(Nitrification)반응은 암모니아성 질소를 아질산성질소(Nitrite)로 산화시키는 Nitrosomonas sp. 와 아질산성질소를 질산성질소(Nitrate)로 산화시키는 Nitrobator sp. 의 두종류 미생물 등에 의하여 이루어진다.

질산화 미생물은 탄소원으로 CO₂, H₂CO₂등을 이용하여 아래와 같이 두 단계의 과정으로 진행된다.

호기성 상태에서, 폐수의 BOD 농도가 낮아지면 급격히 질산화가 진행된다.

BOD 농도가 높은 경우는 타급영양성 미생물인 산화 미생물이 우점종이 되는데 BOD가 낮아지면 자급영양성 미생물인 질산화 미생물이 우점종이 된다.

본 발명의 생물학적인 질산화 방법은 하기 [표 5] 에 나타낸 질산화 미생물을 이용하여 NH₄ ⁺-N을 NO₃ ^--N으로 변화시키는 것이다. 이때 질산화 미생물은 혐기성 독립영양미생물이다. 호기성 조건하에서의 질산화 공정은 폐수중의 암모니아성 질소가 아질산균(예: 니트로조모나스(Nitrosomonas), 니트로조코쿠스(Nitrosococcus) 등)에 의해 아질산성 질소로 산화되고, 아질산성질소가 질산균(니트로박터(Nitrobactor) 등)에 의해 질산성 질소로 산화되는 2단계 공정으로 이루어지며, 질산화 우점종 미생물은 [표 5] 와 같다

[표 5]

유기물 부하가 높은 경우 질산화 미생물은 종속영양 미생물에 비해 성장속도가 낮아 이 종속영양 미생물(Heterotroph)과의 경쟁에서 불리하므로, 높은 질산화율을 얻기 위해서는 액상부식조(105)에 설치된 퍼지측정장치(8) 및 퍼지제어장치 (9)를 이용하여 제어함으로써 유기물 부하, DO, 적정한 산화환원전위 및 온도 등을 조절하여야 한다.

또한, 탈질의 생물학적 과정은 NO₃ ^--N를 질소가스의 형태로 환원시키는 과정이다. 가스상 물질은 주로 질소가스인 N₂이지만, N₂O 또는 NO로 변환되기도 한다. 가스상 질소는 생물학적 성장을 위해 쉽게 이용할 수 있는 형태가 아니므로, 탈질은 환경에 크게 해를 주지 않는 질소 형태로 변환시키는 것이다.

본 발명에 따르면, 우선적으로 질산성 질소의 존재하에 유기탄소원(C-BOD)으로서 전자공여체(Electron Donor)를 사용하여 무산소 조건을 만들기 위하여, 브로워(7) 가동을 중지하고 수중교반기(5)를 작동한다. 탈질과정은 질산염(Nitrate)을 아질산염(Nitrite)으로 변환시키는 과정과 아질산염(Nitrite)을 두 개의 중간생성물을 거쳐 질소가스로 변환시키는 과정으로 나눌 수 있다. 이들 과정은 분리된 효소에 의해서 촉매되어 진행되며, 이것이 이화(Dissimilation) 과정이다. 탈질능력이 있는 미생물은 동화(Assimilation)과정을 통해 질산성질소를 암모니아로 변환시킬 능력이 있다. 이들 암모니아는 미생물의 성장을 위해 질소원으로 이용이 가능하다. 정상적인 질산화와 탈질화 과정의 생화학적 경로는 아래와 같이 요약할 수 있으며 이 과정을 통해 이루어진다;

탈질용 우점종 미생물은 [표 6] 과 같다.

[표 6]

본 발명에서는 별도의 메탄올을 사용하지 않고 내부 BOD원을 유기탄소원으로 이용하여 탈질반응을 제공한다. 특히, 고농도 유기성폐수를 처리하는 경우 탈질공정에서 문제가 될 수 있는 것은 스컴의 부상이다. 이것을 처리하기 위하여 본 발명에서는 조의 측면에 스컴제거장치를 설치하였다.

상기 질소제거 공정에 따라 [표 7] 과 같이 처리하였다.

[표 7]

2. 생물학적 인 제거공정

인은 수체내에서 부영양화의 원인물질 중의 하나이며, 이에 대한 속도 제한 물질이다. 영양염류가 성장을 시작하기 위해서는 적어도 10㎍/ℓ의 인이 필요하므로, 인을 함유한 물질을 효과적으로 제어하는 것은 부영양화의 제어에 필수적이다.

본 발명의 생물학적 인 제거공정에 따르면, 2주간 접종스케줄에 따라 접종되는 바이오-인(Bio-P) 미생물은, 혐기상태에서 세포내에 축적되어 있던 인을 분해할때 발생하는 에너지를 이용하여 아세테이트와 같은 유기산을 섭취한 후, PHB(폴리-β-하이드록시부티레이트) 및 PHV(폴리-β-하이드록시비닐레이트) 등으로 저장하고 오르토인산염(Orthophosphate)을 세포 밖으로 방출시킨다. 또한, 혐기상태에서 호기상태로 바뀌면, 바이오-인 미생물은 저장해 두었던 PHB 및 PHV를 분해하여 ATP를 합성하고 이를 이용하여 오르토인산염을 섭취하고 바이오-인으로 합성하여 세포내에 저장한다. 이러한 현상을 인의 과잉섭취(Phosphorus Luxury Uptake)라고 한다.

즉, 본 발명에 따르면, 무산소-호기공정을 사용한 공정을 이용한 실험에서스트레스 상태(Stress Condition)를 겪는 미생물은 호기단계로 바뀌면 곧바로 인을 과도하게 섭취한다는 사실을 관찰하였으며, 폴리인산염의 저장은 미생물이 무산소 및 혐기상태에서도 살아남을 수 있는 Bio-P와 신균주 Bacillus khr-10-mx의 또 다른 기능중 생물고분자 물질인 폴리글루탐산(Polyglutamic Acid)를 생산하는 것으로 부유물과 인화합물을 흡착 응집하는 인제거 원동력이라 하겠다. 또한, PHB로 저장된 유기 중합체(Organic Polymer)는 H⁺와 전자를 저장하여 무산소 및 혐기 환경에서도 활성화 되도록 한다.

무산소 조건에서 유기물이 저분자지방산(Short Chain Fatty Acid)으로 변화되고 SCFA가 세포내로 이송된다. 세포내에 있는 Polyphosphate가 Orthophosphate로 변화하여 방출된다. 이때 SCFA는 PHB(C₆H₆O₂O)_n로 변화되어 축척된다.

인방출 : 무산소조건 Bio-P + VFA → PHB = PO PO₄ ³

호기성 조건에서는 폴리인산염으로 인을 재축적하고 이때 PHB를 산화하여 증식하고 (호기성 조건에서 인의 과잉 섭취) 증식된 (인이 과잉 섭취된) 잉여슬러지를 고액분리 하므로서 인 제거가 달성된다.

인섭취 : 호기조건 PHB + PO → Bio-P + H₂O + CO₂

본 발명에 따른 인 제거에 사용되는 우점적 바이오-인 미생물을 하기 [표 8] 에 나타내었다.

[표 8]

본 발명의 생물학적 인 제거공정에 따르면, 호기성 조건에서 DO가 2mg O₂/ℓ일 때 최고 인 섭취가 이루어지고 유기물 부하가 높은 경우 0.1mg O₂/ℓ이하에서 인 방출이 시작되는 것을 알 수 있고, 미생물 중 애시네토박터 칼코아세티커스 (Acinetobacter calcoaceticus)가 우점종이 되었을 경우 DO가 인섭취에 미치는 영향은 하기 [표 9] 와 같다.

[표 9]

아울러, [도 5] 는 본 발명에 따른 액상부식조의 운전제어 타임스케줄도로서, 호기 및 무산소조건에 따른 질산화와 탈질 공정, 및 인섭취와 탈인 공정을 보여주고 있다. 따라서, [표 10] 은 본 발명 액상부식조에서의 인(P) 처리 효율을 얻었다.

[표 10]

3. 화학적 인 제거공정

폐수중에는 정인산염(H₃PO₄, H₂PO₄ ^-등), 폴리인산염(H₄P₂O₇, H₃P₂O₄ ^-등), 유기 인산염 등 여러 형태의 인이 존재한다. 액상부식조내(105)의 생물학적 처리수는 미생물과 접촉한 후이기 때문에 복합 인산염이 정인산염의 형태로 존재하며, 이러한 정인산염은 생물학적으로는 완전히 제거되기 어려운 특성을 갖는다.

따라서, 액상부식조(105)에서 제2처리공정을 거친 처리액을 제3처리공정의 응집반응조(107)로 이송하고 pH를 조절한 후 무기응집제, 바람직하게는 알루미늄염 또는 철염을 첨가하여 불순물, 특히 인산염 형태의 인을 화학적으로 응집 시킨다.

폐수의 인 제거에 일반적으로 사용되는 Fe²⁺, Fe³⁺이온은 황산 제1철, 황산 제2철, 염화 제1철, 염화 제2철 등의 형태로 사용된다. 이들 형태 중 염화 제1철 및 황산 제1철은 폐수중의 알칼리도(alkalinity) 저하와 pH의 감소를 유발시킨다. 인에 관계되는 염화 제1철과 인산염 사이에는 다음의 관계식이 성립한다;

PeCl₃+ PO₄ ^3-→ FePO₄↓ + 3Cl^-

Fe : P의 화학양론적인 무게비는 1.8 : 1인 반면, FeCl₃와 P의 무게비는 5.2 : 1이다. 철염을 이용한 반응은 하기 반응에 의해서도 지배적으로 이루어지며, 실제에 있어서는 매우 복잡한 반응의 경로를 거치게 된다;

3FeCl₂+ 2PO₄ ^3-→ Fe₃(PO₄)₂↓ + 6Cl^-

3FeSO₄+ 2PO₄ ^3-→ Fe₃(PO₄)₂↓ + 3SO₄ ^2-

철염으로 인을 제거하는 것에는 pH의 영향이 많고 최적 PH는 4.5∼5.0이다. 그러나, 본 발명에서는 인의 제거가 높은 pH에서 달성될 수 있는데 Fe²⁺이온은 최적 pH가 대략 8.0 정도이다.

수용액속에 함유된 O₂는 철을 산화시키는 기회를 많이 제공하여 산화 과정을 거치게 되는데 가장 간단한 예는 Fe₃O₄이 Fe₂O₃로 변화되는 산화를 말할 수 있다.

이러한 산화 과정은 다음의 반응을 따른다;

4Fe₃O₄+ O₂→ 6Fe₂O₃

이러한 Fe₂O₄는 수용액상에서 수화 작용을 받아 Fe(OH)₃로 변화하게 된다.

Fe₂O₄+ 3H₂O → 2Fe(OH)₃

4FeCO₃+ O₂→ 2Fe₂O₃+ 4CO₂↑

이러한 산화철을 이용한 인제거 원리는 인의 흡수 및 고정으로 말할 수 있으며, 수화된 Fe의 이삼산화물의 (-) ion 치환에 의한 인(P)의 고정의 반응식을 정리하면 다음과 같다;

Fe₃(OH)₃+ 2KH₂PO₄→ Fe₃(OH)₃(PO₄)₂+ 2KOH + H₂O

Fe₂O₃· H₂O + H₂PO₄→ Fe₂(OH)₃PO₄+ H₂O

전단계인 제2처리공정을 거친 폐수를 고액분리하기 위하여 3종류의 응집제를 투입한 후 측정된 BOD, COD 및 TP 제거율을 하기 [표 11] 와 같다.

[표 11]

4. 퇴비화 공정

탈수기에서 고액분리된 탈수케이크를 퇴비화 설비로 운반한 후 수분조절제와 발효제를 투입하여 수분을 조정한 다음, 1차 발효에 이어 2차 발효조에서 완전 발효시키고 스크리닝 장치에서 선별하여 양질의 퇴비 또는 토양개량제로 전환시킨다.

생성된 퇴비 및 토양개량제는 보관 및 저장이 용이하도록 함수율 약 15% 정도로 조절되어 포장 출하한다.

본 발명의 축산폐수 또는 분뇨의 질소 및 인 제거방법에 따르면, 고농도 폐수인 축산폐수 및 분뇨중의 질소와 인을 효율적으로 제거함으로써 수질검사 기준에 적합한 처리수를 얻고, 폐기물로 생성된 슬러지는 양질의 유기질 비료로 만들어 유기농법이나 토양개량제로서 리사이클링할 수 있어 농촌소득 증대에 기여할 수 있다.

또한, 본 발명의 방법을 수행함에 있어서 광범위 항생제 및 소독제에 내성이 우수한 신균주 미생물과 퍼지제어시스템을 사용함으로써 축산폐수 또는 분뇨 처리효율을 높이고, 시설의 간소화로 유지관리비를 절감할 수 있다.

Claims

액상부식법에 있어서 축산폐수 또는 분뇨 고도처리의 질소, 인 제거방법에 있어서,

수거된 축산폐수 및 분뇨를 안정적으로 고도처리 하기 위한 투입구(101),협잡물제거장치(102), 침사조(103), 저류조(104), 액상부식조(105), 혼합조(106), 응집반응조(107), 탈수기(108), 중화조(109), 침전조(110), 여과수조(111), 여과장치(112), 멸균방류조(113)과 퇴비화설비(114) 등 각각의 조(Tank)와 단위(Unit)장치를 조합 연결하고;

상기 투입구, 협잡물제거장치, 저류조에서 전처리된 폐수를 연속유입 (Continuous Flow) 또는 단속유입(Batch Flow)을 선택적으로 구비하고, 액상부식조(105)의 생물반응공정에서 호기공정(Air-on/off)과 무산소공정(Mixer-on/off)을 운전타임스케줄에 따라 반복 연속적으로 이루어지고, 미생물에 의한 흡착, 중합, 축합등의 작용에 의한 분자의 거대화와 가용성 유기물의 고형화를 유도하여 질산화, 탈질, 탈인을 동시 처리하는 1주기(1 Cycle) 처리 공정과;

상기 액상부식조(105)에 광범위 항생제 및 소독제에 내성이 우수한 신균주 미생물 Bacillus khr-10-mx와 복합균주 khr-5-mx에 포함한 질화, 탈질 미생물, 바이오인 미생물 생물고분자 응집제를 생산하는 미생물 등을 접종 스케줄에 따라 1주간 매일 유입수량의 1㎥당 5∼10ppm을, 2주간 매일 유입수량의 1㎥당 2∼5ppm으로 신균주 접종장치(12)에 의해 접종 우점적 활성화하고, 호기공정과 무산소공정에서ORP Controller(1)로부터 산화환원전위차가 +10mV∼+100mV 및 -100mV∼-300mV가 되도록 교대로 실시하는 공정과;

수소이온농도(pH), 산화환원전위(ORP), 용존산소(DO), 온도 및 혼합액현탁고형물(MLSS) 농도 검출센서를 포함하는 퍼지측정장치(8), 상기 센서들의 검출치에 대응하는 전력펄스 신호를 출력하는 인터페이스 및 마이크로프로세스 제어 하에 상기 인터페이스로부터 인가되는 전력펄스 신호치에 따라 상기 센서들의 검출치를 각각의 예비설정치로 유지하는 퍼지제어장치(9)로부터 각종 단위(Unit)장치인 Blower, Submerged Mixer, ORP Controller, Pump등을 자동 제어하는 공정과;

생물학적 처리과정을 수행한 후, 거대화된 유기물을 일정량 응집반응조(107)에서 무기 및 유기응집제를 첨가, 탈수기(108)에서 전량 불순물을 고액분리 한 다음 중화조(109)에서 pH를 조절하여, 다시 침전조(110)를 거처 침전분리하고, 상징수는 여과장치(112)에서 여과처리한 후, 처리수를 멸균방류조(113)에서 최종적으로 소독방류하는 것을 특징으로 하는 축산폐수 또는 분뇨 고도처리 방법.
제 1 항에 있어서,

액상부식조를 전반응조(Pre React Zone)와 주반응조(Main Zone)로 구획하여 전반응조의 배플(baffle)벽 저부로 유입된 폐수는 운전 타임스케줄에 따라 호기공정(Air-on/off)과 무산소공정(Mixer-on/off)을 순차적으로 수행하여, 질산화 및 탈질 미생물에 의한 탈질, 인과잉섭취 미생물에 의한 탈인, 생물고분자 응집제를 생산하는 미생물로부터 흡착, 응집을 동시 순차적으로 수행하는 고도처리 방법
제 1항에 있어서,

여과장치(112)에 있어서 공지된 여과장치 중 한외여과막장치 (Ultrafiltration) 또는 나노여과장치(Nanofiltration)을 선택적으로 사용하여 천연유기물인 색도(푸민산류, 풀보산류 등의 부식질) 원충, 녹조류, 대장균 등과, 합성유기물인 농약, 냄새물질, 계면활성제 등 각종 오염물질을 고도처리 하는 것을 특징으로 하는 여과방법
제 2항에 있어서

상기 생물학적 인제거에 관여하는 Bio-P 미생물로부터 호기(Air-on) 공정에서 폴리인산염으로 인을 재축적하고 이때 PHB(폴리-β-하이드록시부티레이티)를 산화하여 증식하고 인을 과잉섭취한 슬러지를 처분하는 인제거 공정과;

생물고분자 응집제를 생산하는 미생물의 활성에 따라 생산된 응집제로부터 잔존 인화합물이 흡착, 응집된 슬러지를 처분하는 인제거 공정과;

최종적으로 탈수공정의 전처리 화학적 응집반응으로부터 인화합물을 흡착, 응집, 고액분리하는 인화합물의 3단계 제거방법
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