KR100348528B1 - 하폐수의 생물학적 유기물 및 영양염류 제거방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하폐수의 생물학적 유기물 및 영양염류 제거방법 및 그 장치를 우리나라의 실정에 맞게 유입하수의 유기물 부하가 낮은 상태에서나 계절적인 온도변화에 선택적으로 대응하여 영양염류를 효과적으로 제거할 수 있도록 하는 하폐수의 생물학적 유기물 및 영양염류 제거방법 및 그 장치에 관한 것으로, 이러한 하폐수의 생물학적 유기물 및 영양염류 제거방법 및 그 장치는 유입수에 포함된 모래나 협잡물과 같은 고형물을 걸러 제거하는 침사 및 스크리닝조(10)와 상기 침사 및 스크리닝조(10)에 의해 걸러진 유입수를 저류시켜 유입량 부하를 완화시키는 유량조정조(20)와, 상기 유량조정조(20)에 의해 일정하게 유입되는 유입수의 유기물, 질소 및 인을 처리하도록 연속 및 정치와 폭기를 반복하는 수 개의 반응조를 일련되게 구비하는 폭기반응조(30)와, 상기 폭기반응조(30)에서 처리되어 유출되는 폭기액을 처리수와 미생물로 고액분리하는 최종침전조(40)로 구성됨으로서 폐수처리의 신뢰성을 얻을 수 있는 효과가 있게 되는 것이다.

Description

하폐수의 생물학적 유기물 및 영양염류 제거방법 및 그 장치{Method and Apparatus of Biological Nutrient Removal for the Purification of Wastewater}

본 발명은 배수 중에 용존하고 있는 질소와 인 같은 영양염류와 유기물을 제거할 수 있도록 하는 하폐수의 생물학적 유기물 및 영양염류 제거방법 및 그 장치에 관한 것으로, 특히 물리적 단위공정과 생물학적 단위공정을 일련되게 조합하여 수온이나 유기물의 농도에 상관없이 질소 및 인을 효율적으로 제거할 수 있도록 하는 하폐수의 생물학적 유기물 및 영양염류 제거방법 및 그 장치에 관한 것이다.

최근 우리나라는 인구의 증가 및 도시집중화, 산업의 급속한 발전으로 환경오염이 급속히 진행되어 수질환경의 훼손이 심화되고, 더욱이, 하천, 호수 등의 수자원으로 질소, 인과 같은 영양염류가 유입되어 부영양화를 유발시킴으로서 어패류의 폐사로 인한 수중생태계 파괴, 수자원 활용가치 하락, 상수처리 비용을 상승시키게 되는 문제점이 날로 심화되고 있다.

또한, 상기 질소는 폐수에서 주로 유기질소와 암모니아 질소로 배출되어 환경에 방출되었을 때, 자연계에서 유기질소와 암모니아 질소가 아질산염으로 전환된 후, 질산염이 되는 데, 이때, 큰 산소요구량을 필요하게 되는 문제점이 있다.

이에 따라, 선진국의 경우 이미 이러한 부영양화의 원인물질인 질소와 인을 하수처리 과정에서 제거시키기 위하여 다양한 질소, 인 제거시스템을 연구개발, 실용화하여 그 적용기술을 축적해 가고 있다. 그러나, 이제까지 우리나라는 수처리의 목적을 유기물 제거에 초점을 맞추어 2차 처리인 활성슬러지 공정까지 만을 운영하고 있어 문제의 질소와 인은 거의 처리되지 않은 채 그대로 하천에 방류되거나 호수 및 저수지로 유입되어 왔기 때문에 영양염류(질소, 인)의 호수 유입에 의한 부영양화(eutrophication)에 대해서는 거의 무방비 상태였다.

따라서, 이와 같은 문제점을 해결할 수 있도록 물리적, 화학적 또는 생물학적인 단위공정에 의해 질소 및 인의 영양염류를 동시에 처리하는 공정이 개발되었으나, 여기에서는 적절한 분석과 환경조절을 통해 영양염류의 제거할 수 있는 생물학적 처리공정에 대해서만 살펴보기로 한다. 이러한 생물학적인 영양염류의 처리공정은 다음과 같이 각각 독립적이며, 처리공정에서 이를 어떻게 적절하게 응용하느냐가 문제시된다.

먼저, 도시하수의 성상을 살펴보면, 인 농도는 5∼15㎎/L 정도이며, 이중 합성세제가 50∼70%, 분뇨 및 음식찌꺼기가 30∼50%로 구성되는 것으로, 이러한 인의 제거반응을 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

생물학적으로 인의 제거는 혐기 및 호기공정에서 인의 방출 및 섭취현상을 이용하는 것으로, 최초 침전조에서 부유 고형물질이 제거되어 혐기성 반응조에 유입된 유출수로부터 혐기성 상태에서 Acinetobactor, Pseudomonas, Aeromomas 등의 Bio-P 미생물에 의해 저분자 물질을 PHB(poly-β-hydroxybutyric acid: 폴리-β-히드록시부티르산) 형태로 세포 내에 축적하고, 정인산(Orthophosphates)이 세포외부로 방출된다. 이와 같이 인의 방출을 실시한 Bio-P 미생물은 다시 호기성 상태에서 유기물 및 축적된 PHB를 산화분해하면서 인을 과잉으로 섭취하게 되며, 과잉의 인을 섭취한 미생물을 적절하게 제거함으로서 인 제거 공정이 완수된다. 이때, 상기인의 과잉섭취를 위해서는 우선적으로 인의방출(phosphorus release)이 진행되어야 하는데, 인 방출시 산소 외의 다른 전자수용체(electron acceptor), 즉, NO₃ ^-와 같은 물질이 존재하면, 인 방출이 방해를 받게 되어 효율적인 인 방출을 저해하게 된다.

이때, 에너지로 세포 외의 유기물을 세포 내로 이동시키는데, 이를 능동수송(active transport)이라고 하며, 이렇게 흡수된 유기물은 PHB로 저장된 후, 호기상태가 되면 세포 내로 저장되었던 PHB를 분해시켜 ATP(adenosine 5'-triphosphate: 아데노신 5'-삼인산)를 합성하고, 이때 생성된 에너지로 인을 세포 내로 흡수하여 폴리인산으로 저장한다. 이때, 용액 내로부터 과량의 정인산을 섭취하여 무기인산을 합성하는 현상을 인의 과잉섭취(luxury uptake)가 한다. 따라서, 인의 생물학적 제거란 결국 호기상태에서 인을 과잉섭취한 미생물을 슬러지의 형태로 제거함으로서 이루어지는 것으로, 동일한 미생물의 환경변화에 따른 인의 흡수에 의해 제거됨으로 적절한 슬러지 반송이 필요하게 된다.

다음, 질소의 반응을 살펴보기로 한다.

일반적으로, 하폐수의 유입시 질소의 형태는 유기질소(organic-N), 암모니아성 질소(NH₃-N)이며, 이것이 호기성 상태의 활성슬러지 폭기조에서 질산화를 통하여 질산성 질소(NO₃-N)로 바뀌며, 다음 단계의 반응조를 무산소 상태(Anoxic)로 유지시켜 탈질이 되도록 하여 질산성 질소(NO^- ₃-N)를 질소가스로 바꾸어 대기중으로 방출하게 된다. 즉, 이러한 질소 성분을 하폐수에서 제거하는 과정은 유입수 내의 암모니아와 유기질소를 호기성 조건에서 질산염으로 변화시키는 질산화공정(nitrification process)과, 상기 질산화공정에 의해 질산화된 질산염을 혐기성 조건에서 생물학적 환원작용에 의해 질소가스로 전환시키는 탈질공정(denitrification process)으로 구성되는 것으로, 이를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

상기 질산화공정은 생물학적 산화에 의해 암모늄(NH₄ ⁺)이 아질산염(NO₂ ^-)으로, 다시 질산염(NO₃ ^-)의 형태로 전환시키는 것으로, 자연상태에서 이러한 물질대사과정에 관여하는 미생물들은 산소가 풍부한 호기성 상태에서 유기물질이 전환되고, 암모늄이 방출되는 어느 곳에서든지 나타난다.

이와 같은, 두 단계의 물질대사는 서로 다른 종류의 박테리아에 의해 일어나게 되는 데, 상기 암모늄 산화는 Nitrosomonas 과에 속하는 미생물에 의해 수행되고,

2NH₄ ⁺+ 3O₂→ 2NO₂ ^-+2H₂O + 4H⁺+ new cell

아질산염의 산화는 Nitrobacter 과에 속하는 미생물에 의해 수행되어 진다.

2NO₂ ^-+ O₂→ 2NO₃ ^-+ new cell

두 미생물군은 무기성 질소화합물들의 산화로부터 그들의 에너지를 얻는 독립영양미생물인(chemolithoautotrophy) 반면에 활성 슬러지내의 기타 미생물들은 유기성 탄소화합물들의 산화로부터 에너지를 얻는 종속영양미생물(heterotrophy)이다. 따라서, 질산화에 관여하는 미생물이 다른 종속영양미생물보다 성장속도가 느리다.

탈질공정은 산소가 존재하지 않는 조건에서 미생물이 유기물을 분해 할 때 최종 전자수용체(final electron acceptor)로서 산소대신 질산성 질소(NO₃ ^-)를 이용하여 질소가스로 변화시켜 제거하는 것으로, 이러한 탈질에 관여하는 미생물은 질산성 미생물과는 다르게 자연환경에서 존재하며, 활성슬러지 공법의 가장 많은 미생물이 탈질 박테리아로 알려지고 있는데, 이는 탈질 미생물이 임의성으로서 최종의 전자수용체로 산소, 또는 질산성 질소를 모두 사용하기 때문이다.

이와 같이, 탈질공정은 전자공급체(electron doner)로 유도되어 상기 질산화공정에서 얻은 질산염을 생물학적 환원작용에 의해 질소가스로 전환시킨다. 이때, 상기 질산염은 최종전자수용체(terminal electron acceptor)로서 역할하며, 탈질 미생물은 질산염의 중간생성물인 아질산염으로 환원시키며, 최종적으로 질소가스(N₂)를 방출시키게 된다.

NO₃ ^-→ NO₂ ^-→ N_2↑

이때, 상기 탈질공정은 생물학적 합성을 위한 탄소를 요구하는 데 유기탄소원(organic carbon source)을 필요로 하게 된다.

상술한 바와 같이, 질소와 인(영양염류)의 제거원리를 적절히 혼합하여 동시에 처리하는 생물학적 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, 도 1A에 도시된 바와 같이, 1차 침전조(100)에서 침전처리되어 침전성 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)에서는 용존산소가 없지만 호기성 반응조(400)로부터 질산화된 질산염과 아질산염 형태의 화학적으로 결합된 산소가 유입되어 질산성 질소의 탈질이 이루어지도록 함으로서 질소제거 공정이 이루어지고, 상기 혐기성 반응조(200)에서 방출된 인이 후단의 호기성 반응조(400)에서 과잉흡수되어 슬러지 폐기를 통하여 인 제거가 이루어짐과 함께 아울러 상기 혐기성 반응조(200)에서는 2차 침전조(500)로부터 유입수량 0.5배의 반송슬러지가 반송되어 유입되도록 한다.

또한, 상기 변형 바덴포(Bandenpho)법은, 도 1B에 도시된 바와 같이, 인 및 질소의 제거효율을 증가시키기 위해 상기 A₂/O법을 변형한 것으로, 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 방류하게 된다. 이때, 상기 제1호기성반응조(400)에서는 유입수량의 4배를 반송시키며, 상기 제2침전조(700)에서는 유입수량 0.5배의 반송슬러지를 혐기성 반응조(200)로 반송시킨다.

또한, 상기 UTC(University of Cape Town)법은, 도 1C에 도시된 바와 같이, 슬러지 반송을 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, 반송슬러지의 NOx에 의한 방해현상을 줄이기 위해 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 무산소 반응조(300)로 반송시킨다.

또한, 상기 VIP(Virginia Initiative Plant)법은, 도 1D에 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)에서는 유입수량의 1~2배를 무산소 반응조(300)로 반송시킴과 아울러 제2침전조(500)에서는 유입수량의 0.5배의 반송슬러지를 무산소 반응조(300)로 반송하는 방법은 상기 UCT법과 동일하나, 각각의 반응조가 2개 이상으로 직렬 배치함을 특징으로 한다.

그러나, 상기와 같이 종래의 고도처리공정은 우리나라의 기존처리장 및 신규시설에 적용시에 국내하수의 성상 및 계절적 조건 등이 우리나라의 실정과 맞지 않아 다음과 같은 문제점을 유발시키게 되는 것으로, 이를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

첫째, 유입하수의 유기물(BOD) 부하가 낮아 제거효율이 떨어진다.

즉, 국내의 하수수집시스템은 합류식이 많으며, 하수관거의 정비가 불량하고, 곡물위주의 식생활 문화로 인해 유입하수의 성상이 전반적으로 유기물의 농도는 낮고, 질소의 농도는 매우 높다. 따라서, 현재 도입되고 있는 상기 A₂/O, 바덴포(Bardenpho), UCT, VIP 등의 외국기술은 유기물:질소의 비가 적어도 5:1이상에서 제 기능을 발휘하는 공법이나, 우리나라 하수성상은 유기물:질소의 비가 약 3:1 정도로서 제거율이 상대적으로 떨어지게 된다.

둘째, 계절적인 수온변화에 적응력이 약하다.

즉, 우리나라는 사계절이 뚜렷하게 나타나는 지역으로서 여름철에는 기온이 높으며, 겨울철에는 반대로 기온이 매우 낮다. 그러나, 외국기술은 이에 대한 적응력이 약하여 여름철에는 비교적 온도가 높아 침전조에서 슬러지부상 등의 문제가 발생되며, 겨울철에는 상대적으로 온도가 낮아 제거효율이 급격히 감소하는 경향을 나타낸다.

셋째, 기존 처리장의 적용이 어렵다.

즉, 외국기술의 반응조 체류시간(HRT: hydraulic retention time)은 8∼24시간 이상으로 길게 운전되므로 이를 현재 운전되고 있는 국내 하수처리장에 적용하기 위해서는 불가피하게 반응조의 증설이 필요하게 되며, 이를 위해서는 별도의 부지확보 및 추가시설공사가 필요하게 된다.

넷째, 처리장 신설 및 개조시 공사금액이 상승하며, 유지관리비가 증가된다.

종래의 생물학적 영양염류 제거방법은 혐기성 및 무산소 반응조를 유지하기 위하여 상기 반응조에 교반기 및 별도의 부대장비의 추가시설이 필요하게 됨으로서 초기 투자비가 증가됨과 아울러, 이를 구동하기 위한 전력소요가 증가되어 유지관리비용이 일반 활성슬러지공법에 비해 상승하게 된다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 특히, 우리나라의 실정에 맞게 유입하수의 유기물 부하가 낮은 상태에서나 계절적인 온도변화에 선택적으로 대응하여 영양염류를 효과적으로 제거할 수 있도록 하는 하폐수의 생물학적 유기물 및 영양염류 제거방법 및 그 장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 기존 처리장의 개,보수가 용이하고 구성이 간소화되어 유지관리비용을 절감할 수 있도록 하는 하폐수의 생물학적 유기물 및 영양염류 제거방법 및 그 장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명 하폐수의 생물학적 유기물 및 영양염류 제거장치는 침사 및 스크리닝조에 의해 걸러진 유입수를 저류시켜 유입량 부하를 완화시키는 유량조정조와, 상기 유량조정조에 의해 일정하게 유입되는 유입수의 유기물, 질소 및 인을 처리하도록 연속 및 정치와 폭기를 반복하는 수 개의 반응조를 일련되게 구비하는 폭기반응조와, 상기 폭기반응조에서 처리되어 유출되는 폭기액을 처리수와 미생물로 고액분리하는 최종침전조를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명 하폐수의 생물학적 유기물 및 영양염류 제거방법은 유입되는 원수의 고형물을 스크리닝단계에 의해 침사 및 걸러낸 원수를 저류시켜 유입수량을 완화하는 유량조정단계와, 상기 유량조정단계를 통해 일정하게 유입되는 원수에 소정구간 나누어 정치 및 폭기를 일련되게 반복하여 상기 폭기구간에는 인의 방출을 위해 필요한 유기물질을 흡착하고 상기 정치구간에는 혐기성 조건하에 인의 방출을 유도하는 제1교대폭기단계와, 상기 제1교대폭기단계에 일련되게 정치 및 폭기를 반복하여 유입된 유기물을 이용하여 연속폭기조에서 반송되는 질산성질소를 무산소상태에서 상기 정치구간에는 탈질이 왕성하게 일어나고 상기 폭기구간에도 탈질 및 슬러지의 교반을 유도하는 제2교대폭기단계와, 상기 제2교대폭기단계에 일련되게 정치 및 폭기 또는 연속폭기를 유입수의 온도에 따라 선택적으로 수행하는 제3교대폭기단계와, 상기 제1교대폭기단계에서 인의 방출을 실시한 미생물을 이용하여 과잉으로 인을 섭취하고, 유입질소를 질산화하여, 질산성 질소를 반송하는 연속폭기단계와, 상기 폭기단계에서 질소 및 인을 분해하면서 증식된 오니를 침강시켜 상등수는 방류하고 슬러지는 반송하는 최종침전단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

도 1은 일반적인 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 2는 본 발명의 생물학적 유기물 및 영양염류 제거장치를 개략적으로 보인 계통도.

도 3은 본 발명의 생물학적 유기물 및 영양염류 제거방법을 개략적으로 보인 블록도.

도 4는 본 발명의 각 단계에서 유기물, 총질소, 질산성 질소 및 총인의 거동을 보인 그래프.

도 5는 본 발명 제1교대폭기조의 운전조건에 따른 거동을 보인 것으로,

도 5A는 반응조 상부의 산화환원전위를 보인 것이고,

도 5B는 반응조 하부의 산화환원전위를 보인 것이고,

도 5C는 반응조 상부의 용존산소를 보인 것이고,

도 5D는 반응조 하부의 용존산소를 보인 것이고,

도 5E는 반응조 상부의 수소이온농도를 보인 것이고,

도 5F는 반응조 하부의 수소이온농도를 보인 것이다.

도 6은 본 발명 제2교대폭기조의 운전조건에 따른 거동을 보인 것으로,

도 6A는 반응조 상부의 산화환원전위를 보인 것이고,

도 6B는 반응조 하부의 산화환원전위를 보인 것이고,

도 6C는 반응조 상부의 용존산소를 보인 것이고,

도 6D는 반응조 하부의 용존산소를 보인 것이고,

도 6E는 반응조 상부의 수소이온농도를 보인 것이고,

도 6F는 반응조 하부의 수소이온농도를 보인 것이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10:침사 및 스크리닝조 20:유량조정조

31:제1교대폭기조 32:제2교대폭기조

33:제3교대폭기조 34:연속폭기조

40:최종침전조

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명 하폐수의 생물학적 유기물 및 영양염류제거방법 및 그 장치의 기술적 사상에 따른 도면을 참고로 하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 2는 본 발명의 생물학적 유기물 및 영양염류 제거장치를 개략적으로 보인 계통도이고, 도 3은 본 발명의 생물학적 유기물 및 영양염류 제거방법을 개략적으로 보인 블록도이고, 도 4는 본 발명의 각 단계에서 유기물, 총질소, 질산성 질소 및 총인의 거동을 보인 그래프이고, 도 5는 본 발명 제1교대폭기조의 운전조건에 따른 거동을 보인 것이고, 도 6은 본 발명 제2교대폭기조의 운전조건에 따른 거동을 보인 것이다.

본 발명은, 도 2에 도시된 바와 같이, 유입수에 포함된 모래나 협잡물과 같은 고형물을 걸러 제거하는 침사 및 스크리닝조(10)와, 상기 침사 및 스크리닝조(10)에 의해 걸러진 유입수를 저류시켜 유입량 부하를 완화시키는 유량조정조(20)와, 상기 유량조정조(20)에 의해 일정하게 유입되는 유입수의 유기물, 질소 및 인을 처리하도록 연속 및 정치와 폭기를 반복하는 수 개의 반응조를 일련되게 구비하는 폭기반응조(30)와, 상기 폭기반응조(30)에서 처리되어 유출되는 폭기액을 처리수와 미생물로 고액분리하는 최종침전조(40)로 구성되는 것으로, 이를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

상기 폭기반응조(30)는 소정시간 폭기와 정치를 반복하는 제1교대폭기조(31), 제2교대폭기조(32) 및 제3교대폭기조(33)와, 계속해서 연속폭기를 실시하는 연속폭기조(34)가 일련되게 구성된다. 이때, 상기 제1교대폭기조(31), 제2교대폭기조(32), 제3교대폭기조(33)는 1시간에 20분 폭기, 40분 정치를 연속적으로 교대운전하며, 폭기 및 정지시 교반을 실시하지 않게 된다.

또한, 질산화된 폭기액을 탈질시키기 위해 상기 연속폭기조(34)로부터 제2교대폭기조(32)로 내부반송이 수행되고, 상기 최종침전조(40)로부터 상기 제1교대폭기조(31)로 침전된 슬러지 반송이 수행된다.

또한, 상기 제1교대폭기조(31), 제2교대폭기조(32), 제3교대폭기조(33) 및 연속폭기조(34)의 용량비율은 순차적으로 15∼25%, 25∼35%, 5∼15%, 25∼35%로 구비된다.

또한, 상기 연속폭기조(34)에서 제2교대폭기조(32)로의 반송량은 유입유량의 150∼250%로 반송되고, 상기 침전슬러지를 반송하기 위한 최종침전조(40)에서 상기 제1교대폭기조(31)로의 반송량은 유입유량의 50∼100%로 반송된다.

또한, 본 발명은, 도 3에 도시된 바와 같이, 유입되는 원수의 고형물을 침사 및 걸러내는 스크리닝단계(ST100)와, 상기 스크리닝단계(ST100)에 걸러진 원수를 저류시켜 유입수량을 완화하는 유량조정단계(ST200)와, 상기 유량조정단계(ST200)를 통해 일정하게 유입되는 원수에 소정구간 나누어 정치 및 폭기를 일련되게 반복하여 상기 폭기구간에는 인의 방출을 위해 필요한 유기물질을 흡착하고 상기 정치구간에는 혐기성 조건하에 인의 방출을 유도하는 제1교대폭기단계(ST300)와, 상기 제1교대폭기단계(ST300)에 일련되게 정치 및 폭기를 반복하여 유입된 유기물을 이용하여 무산소상태에서 상기 정치구간에는 탈질이 왕성하게 일어나고 상기 폭기구간에도 탈질 및 슬러지의 교반을 유도하는 제2교대폭기단계(ST400)와, 상기 제2교대폭기단계(ST400)에 일련되게 정치 및 폭기 또는 연속폭기를 유입수의 온도에 따라 선택적으로 수행하는 제3교대폭기단계(ST500)와, 상기 제1교대폭기단계(ST300)에서 인의 방출을 실시한 미생물을 이용하여 과잉으로 인을 섭취하고, 질산성 질소를 반송하는 연속폭기단계(ST600)와, 상기 폭기단계(ST300∼ST600)에서 질소 및 인을 분해하면서 증식된 오니를 침강시켜 상등수는 방류하고 슬러지는 반송하는 최종침전단계(ST700)를 포함하여 구성된다.

다음은 상기와 같이 구성된 본 발명에 대해 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다.

도 2는 본 발명의 생물학적 유기물 및 영양염류 제거공정을 구현하기 위한 장치의 개략도로서, 도면에서 10은 침사 및 스크리닝조, 20은 유량조정조, 31은 제1교대폭기조, 32는 제2교대폭기조, 33은 제3교대폭기조, 34는 연속폭기조 및 40은 최종침전조이다.

침사 및 스크리닝조(10)는 유입수 중의 모래 및 협잡물 등의 고형물을 제거하는 것으로, 공정의 맨 처음에 위치하여 다음 공정의 기계장치를 보호하기 위한 전처리 공정이다. 상기 침사 및 스크리닝조(10)에서 모래 등의 비중이 큰 물질을 침전뿐만 아니라 중대형의 고형물을 걸러 제거한다.

또한, 유량조정조(20)는 생물학적 처리에 있어서 부하변동을 줄일 수 있도록 유입수량의 시간변동을 완화함과 아울러 생물학적 처리의 효과를 향상시키기 위해 과도한 원수 발생시 유입 오수량을 시간적으로 저류하게 된다. 이때, 상기 유량조정조(20)에서는 일정량의 수량을 후처리 공정으로 이송하기 위한 펌프가 설치됨과 아울러 부유물질의 침전 및 오수의 부패를 방지하기 위하여 폭기를 실시한다.

또한, 제1교대폭기조(31)는 후단측에 구성된 연속폭기조(34)에서의 인의 과잉흡수를 위한 인 방출을 유도하게 되는 것으로, 이를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

상기 제1교대폭기조(31)에서는, 도 5에 도시된 바와 같이, 폭기방식을 20분 폭기에 40분 정치로 운전하는데, 20분간의 폭기시간에 미생물의 인 방출을 위해 필요한 유기물의 흡착반응이 유발되고, 유기물을 흡착한 슬러지는 정치시간동안 하부로 침전됨으로서 반응조 하부는 현탁고형물(MLSS: Mixed Liquor Suspended Solids)이 약 15,000ppm 내외의 고농도 상태가 된다. 이러한 상태가 되면 상기 제1교대폭기조(31)는 흡착된 풍부한 유기물과 고농도의 현탁고형물(MLSS)로 인해 용존산소 및 질산성 질소가 존재하지 않는 완전 혐기에 가까운 상태가 유지됨으로서 산화환원전위(ORP: oxidation-reduction potential)가 매우 낮게 유지됨과 아울러, NO_x-N의 영향을 받지 않게 된다. 예를 들어, 반응조 하부의 산화환원전위 거동을 보여주는 도 4B에 도시된 바와 같이, 상기 제1교대폭기조(31)의 하부 산화환원전위는 -600정도까지 떨어지게 되는 데, 이는 일반적인 혐기조의 산화환원전위 -200∼-300보다 낮아 완전혐기에 가까운 것을 알 수 있다. 즉, 상기 제1교대폭기조(31)는 미생물의 유기물 흡착반응을 이용하여 폭기시간동안 유기물이 흡착된 슬러지를 침강시켜 고농도의 농축슬러지 내부에서 혐기성 인 방출이 유도됨으로서 용존산소(DO:dissolved oxygen) 및 질산성 질소의 영향이 적으며, 미량의 용존산소 및 질산성 질소가 존재하여도 유기물을 흡착한 슬러지가 침전되면서 하부로 농축되어 미생물의 절대량은 변함이 없으나, 상기 제1교대폭기조(31)의 전체용량에 농축슬러지가 차지하는 비율이 20% 정도로 반응조의 용존산소 및 질산성 질소 총량의 1/5과 접촉함으로서 그 영향이 1/5로 감소할 수 있게 된다. 이때, 필수적으로 필요한 탄소원인 BOD는 미생물의 흡착반응으로 슬러지의 침전과 함께 하부에 농축되므로 완전혐기에 가까워진다. 또한, 농축슬러지 내부의 용존산소는 상대적으로 미생물량이 매우 높으므로 빠른 시간내에 소비되어 농축슬러지내의 용존산소는 존재하지 않게 된다.

결과적으로, 적정시간 폭기 후에 침전을 통하여 미생물의 주변조건이 유기물과 미생물은 농축되고, 상대적으로 용존산소나 질산성 질소는 회석되는 조건으로 조성됨으로서 질산성 질소의 영향없이 낮은 유기물 농도에서도 인 방출이 원활하게 일어난다. 이때, 4배 이상의 인 방출현상이 유도되어 인 제거효율이 향상된 결과가 실험적으로 나타난다.

하기의 표 1은 상기 제1교대폭기조(31)에서 폭기시 유기물과 질산성 질소의 거동을 보인 것이고, 표 2는 제1교대폭기조(31)의 인 방출 정도를 보인 것이다. 표 1에 보는 바와 같이, 20분 폭기시 유기물은 50%이상을 흡착하는 것으로 나타난 반면, 질산성 질소는 흡착이 이루어지지 않는 것으로 나타난다. 따라서, 유기물을 흡착한 슬러지가 침전되면서 반응조 하부에서 인 방출 반응이 원활하게 유도됨으로서 질산성 질소에 대한 영향은 상대적으로 낮아 효율적인 인 방출이 이루어지게 된다.이때, 유입원수에 비해 상기 제1교대폭기조(31)에서 방출되는 인 농도는, 표 2에 보는 바와 같이, 4.38배 증가되어 나타나게 된다.

제1교대폭기조에서 폭기시간동안의 유기물 및 질산성 질소의 거동

구 분	원 수	10분 폭기	20분 폭기	30분 폭기
BOD	58	30	27	23
흡착율(%)	-	48	53	60
NO3 --N	33	38	33	29
흡착율(%)	-	△15	0	▽12

제1교대폭기조의 인의 거동

구 분	원 수	폭기 20분	정치 20분	정치 40분
인 농도(T-P, ㎎/L)	4.32	10.67	14.97	18.94

또한, 제2교대폭기조(32)는 후단의 연속폭기조(34)에서 지속적으로 내부반송되는 질산성 질소에 의해 무산소조건(즉, 용존산소는 존재하지 않으나 전자수용체인 질산성 질소가 존재하는 상태)에 가깝게 되는 정치구간에 상기 제1교대폭기조(31)에서 흡착되고 남은 용존성 유기물을 탄소원으로 이용하여 상기 질산성 질소를 탈질시키게 된다.

이러한 제2교대폭기조(32)는 상기 제1교대폭기조(31)와 일련되게 간헐폭기를 실시함으로서 정치구간에는 탈질이 왕성하게 일어나고, 폭기구간 역시, 탈질반응이 일시 정지하는 것이 아니라 폭기를 실시하여도 15∼20분간은 탈질반응이 이어지는 것으로 나타나 전체적으로 탈질공정을 수행하게 된다. 따라서, 상기제2교대폭기조(32)는 정치시 하부침전으로 현탁고형물(MLSS)이 매우 높아지게 됨으로서 탈질효율이 높아지게 됨과 아울러 내생탈질을 기대할 수 있다. 즉, 상기 제1,2,3교대폭기조(31,32,33)의 정치시에는 상기 반응조 하부의 현탁고형물(MLSS) 농도가 15,000ppm 내외로 상승되어 고농도 반송오니의 내생탈질과 내생 인 방출이 유도됨으로서 낮은 유기물/질소(C/N)비에서도 적정한 제거효율을 얻을 수 있다. 더욱이, 정치시에는 다음 반응조로 미생물이 함유된 슬러지가 원활히 이송되지 않게 되어 후단의 연속폭기조(34)에 비해 현탁고형물(MLSS)의 농도가 높게 유지되는 장점도 있다.

또한, 제3교대폭기조(33)는 기온의 변화가 심한 우리나라의 실정에 맞추어 완충작용을 하는 것으로, 기온이 낮은 겨울철에는 후단의 연속폭기조와 동일한 운전조건으로 반응을 실시하여 수온 하강에 따른 질산화율 저하를 보충하는 역할을 수행하는 반면, 기온이 높은 여름철에는 상기 제1,2교대폭기조(31,32)와 동일한 운전조건으로 반응을 실시하여 후단의 연속폭기조(34)에서 과다하게 질산화되는 질산성 질소를 탈질시켜 잔류 질산성 질소에 의한 인 방출 저하를 방지함과 아울러, 질소제거 효율을 향상시키게 된다. 즉, 상기 제3교대폭기조(33)는 수온의 변화에 선택적으로 대응하여 질산화 및 탈질산화의 밸런스를 조정하게 되는 것으로, 수온이 내려갈 경우 전반적인 미생물의 활동력이 떨어지나, 그 중에서도 질산화와 인 흡수효율이 현저히 떨어진다. 따라서, 본 공법은 수온이 18℃ 이하로 떨어지는 동절기에는 제3교대폭기조(33)를 연속폭기 모드로 전환하여 질산화와 인 흡수효율을 유지토록 한다. 반면, 수온이 18℃ 이상인 하절기에는 질산화가 과도하게 진행되어 인방출을 저해하며, 침전조에서 슬러지 부상현상이 유발되므로, 상기 제3교대폭기조(33)를 교대폭기 모드(20분 폭기/40분 정치)로 운전함으로서, 인 제거 효율을 유지하고, 탈질 및 질산화의 균형을 유지한다.

질산화에 관여하는 미생물은 일반적으로 성장속도가 느리며, 온도에 의한 영향이 매우 커 온도가 감소함에 따라 질산화율은 급격히 감소하는 것으로, 실험결과, 수온이 20℃ 내외에서 10℃ 내외로 강하할 경우 즉, 탈질효율은 90% 정도로 감소하고 질산화효율은 23.5% 정도로 감소한다. 즉, 수온 강하시 질산화효율 감소 정도가 월등히 높은 것으로 나타났다.

또한, 연속폭기조(34)는 제1교대폭기조(31)에서 인 방출을 실시한 미생물을 이용하여 과잉으로 인을 흡수함과 아울러 상기 제2교대폭기조(32)로 질산성 질소를 내부반송하기 위한 질산화 역할을 수행한다.

또한, 상기 최종침전조(40)는 전단의 공정에서 유기물 및 질소, 인을 분해하면서 증식된 미생물군인 오니를 침강시켜 깨끗한 상등수는 방류하고, 하부에 침전된 슬러지는 분리되어 일부는 공정의 원활한 유지를 위하여 제1교대폭기조(31)로 반송됨과 아울러 일부는 폐기함으로서 인을 제거하는 역할을 수행한다.

실험예: 영양염류 제거효율

본 발명의 영양염류 제거효율은, 표 3에 도시된 바와 같이, BOD는 93%이상, SS는 95%이상, T-N은 70%∼80% , T-P 는 80%∼90%인 것으로, 수온변화에 따른 제거효율을 파악하기 위하여 동절기인 1월에서 하절기에 접어드는 6월까지 2개월 단위로 나누어 최고, 최저 및 평균을 나타내었다. 이때, C/N비는 국내 하수의 성상과비슷한 3.5로 유지되었다.

영양염류 제거효율

구분	BOD (㎎/L)	SS (㎎/L)	T-N (㎎/L)	T-P (㎎/L)	C/N비	수온(℃)
	원수	처리수	원수	처리수			원수	처리수	원수	처리수
1월∼2월	최고	230.7	21.7	188	11.5	57.3	18.7	7.5	1.07	4.7	11
	최저	126.9	5.4	136	1	42.9	12.3	4.9	0.43	3.1	13.5
	평균	167.7	10.5	157.2	7.6	47.1	14.9	5.8	0.7	3.5	12.4
	제거율(%)	-	93.7	-	95.2	-	68.4	-	87.9	-	-
3월∼4월	최고	221.6	22.7	232	18.7	54.9	17.9	7.9	1.9	4.6	14
	최저	98.3	3.1	60	1	36.3	6.3	4.7	0.4	2.0	18.6
	평균	153.5	9.7	138.5	5.3	45.8	11.8	5.9	1.1	3.4	16.8
	제거율(%)	-	93.7	-	96.2	-	74.2	-	81.4	-	-
5월∼6월	최고	208.2	11.4	144	9.5	53.7	18.9	6.7	1.9	5.2	19
	최저	75.6	2.5	72	1.5	30.7	7	4.1	0.2	1.8	23
	평균	141.3	6.49	111.3	4.9	42.4	10.8	5.3	0.7	3.4	21.4
	제거율(%)	-	95.4	-	95.6	-	74.5	-	86.8	-	-

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명 하폐수의 생물학적 영양염류 및 유기물 제거방법 및 그 장치는 우리나라의 실정에 맞게 유입하수의 유기물의 부하가 낮은 상태에서나 계절적인 온도변화에 선택적으로 대응하여 영양염류를 효과적으로 제거할 수 있도록 함으로서 폐수처리의 신뢰성을 얻을 수 있는 효과가 있게 되는 것이다.

또한, 본 발명은 수 개의 폭기반응조가 정치 및 폭기공정을 교대로 일련되게 반복함으로서 폭기에 필요한 공기투입량을 줄일 수 있게 되어 공기공급장치의 규모 및 구동에 필요한 동력이 감소되어 유지비를 절감할 수 있는 효과가 있게 되는 것이다.

또한, 본 발명은 반응조 체류시간(HRT: hydraulic Retention time)이 8∼9시간으로 구성됨으로서 기존 처리장을 부지 및 별도시설의 증설없이 반응조의 구분으로 간단하게 개조가 가능하게 됨으로서 기존 처리장에 저렴한 비용으로 적용할 수 있는 효과가 있게 되는 것이다.

Claims (8)

1. 삭제
2. 하폐수의 생물학적 유기물 및 영양염류 처리장치에 있어서,

   유입수에 포함된 모래나 협잡물과 같은 고형물을 걸러 제거하는 침사 및 스크리닝조(10)와; 상기 침사 및 스크리닝조(10)에 의해 걸러진 유입수를 저류시켜 유입량 부하를 완화시키는 유량조정조(20)와; 상기 유량조정조(20)에 의해 일정하게 유입되는 유입수의 유기물, 질소 및 인을 처리하도록 연속 및 정치와 폭기를 반복하는 수 개의 반응조를 일련되게 구비하는 폭기반응조(30)와; 상기 폭기반응조(30)에서 처리되어 유출되는 폭기액을 처리수와 미생물로 고액분리하는 최종침전조(40)를 포함하여 구성되며,

   상기 폭기반응조(30)는, 소정시간 폭기와 정치를 반복하는 제1교대폭기조(31), 제2교대폭기조(32) 및 제3교대폭기조(33)와, 계속해서 연속폭기를 실시하는 연속폭기조(34)가 일련되게 구성되는 것을 특징으로 하는, 하폐수의 생물학적 유기물 및 영양염류 처리장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 제1교대폭기조(31), 제2교대폭기조(32), 제3교대폭기조(33)는 1시간에 20분 폭기, 40분 정치를 연속적으로 교대운전하는 것을 특징으로 하는 하폐수의 생물학적 유기물 및 영양염류 처리장치.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   폭기정지시에는 교반을 실시하지 않는 것을 특징으로 하는 하폐수의 생물학적 유기물 및 영양염류 처리장치.
5. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   질산화된 폭기액을 탈질시키기 위해 상기 연속폭기조(34)로부터 제2교대폭기조(32)로 내부반송이 수행되고, 상기 최종침전조(40)로부터 상기 제1교대폭기조(31)로 침전된 슬러지 반송이 수행되는 것을 특징으로 하는 하폐수의 생물학적 유기물 및 영양염류 처리장치.
6. 삭제
7. 삭제
8. 유기물 및 영양염류 제거방법에 있어서,

   유입되는 원수의 고형물을 침사 및 걸러내는 스크리닝단계(ST100)와;

   상기 스크리닝단계(ST100)에 걸러진 원수를 저류시켜 유입수량을 완화하는 유량조정단계(ST200)와;

   상기 유량조정단계(ST200)를 통해 일정하게 유입되는 원수에 소정구간 나누어 정치 및 폭기를 일련되게 반복하여 상기 폭기구간에는 인의 방출을 위해 필요한 유기물질을 흡착하고 상기 정치구간에는 혐기성 조건하에 인의 방출을 유도하는 제1교대폭기단계(ST300)와;

   상기 제1교대폭기단계(ST300)에 일련되게 정치 및 폭기를 반복하여 유입된 유기물을 이용하여 무산소상태에서 상기 정치구간에는 탈질이 왕성하게 일어나고 상기 폭기구간에도 탈질 및 슬러지의 침전을 유도하는 제2교대폭기단계(ST400)와;

   상기 제2교대폭기단계(ST400)에 일련되게 정치 및 폭기 또는 연속폭기를 유입수의 온도에 따라 선택적으로 수행하는 제3교대폭기단계(ST500)와;

   상기 제1교대폭기단계(ST300)에서 인의 방출을 실시한 미생물을 이용하여 과잉으로 인을 섭취하고, 질산성 질소를 반송하는 연속폭기단계(ST600)와;

   상기 폭기단계(ST300∼ST600)에서 질소 및 인을 분해하면서 증식된 오니를 침강시켜 상등수는 방류하고 슬러지는 반송하는 최종침전단계(ST700)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 생물학적 유기물 및 영양염류 제거방법.