KR100350051B1 - 수생식물의 동화작용에 의한 질소, 인 제거 및 수생식물을탈질반응의 전자공여체로 재이용하는 하폐수고도처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하수 또는 폐수를 처리함에 있어서, 호기성의 질산화공정과 무산소조건의 탈질공정 및 고액분리공정으로 구성되는 1단계 고도처리시설에 수생식물을 재배하여 질소와 인을 제거하는 수생식물접촉조를 추가하여 하폐수고도처리시설을 구성하고, 1단계 고도처리시설의 유출수를 수생식물접촉조에 유입시켜서 질소와 인등의 영양염류가 수생식물의 동화작용에 의하여 생체로 합성되어 제거되도록 하며, 잉여수생식물에서 추출되는 유기물을 다시 상기 탈질공정에 투입하여 탈질반응에 소요되는 전자공여체로 이용되도록 하므로써, 수생식물이 탈질반응에 소비되고 다시 재생산되는 순환과정이 반복되어, 수생식물만을 이용하여 하폐수를 처리하는 종래의 생태학적 방법만을 사용하는 경우보다 부지소요면적이 적고 잉여수생식물의 처분문제가 해소되며, 유입수중의 유기물을 이용하는 탈질방법 또는 외부에서 유기물을 공급하는 후탈질방법등의 미생물을 이용하는 종래의 공학적 방법만을 사용하는 경우보다 질소와 인을 경제적이며 매우 높은 효율로 제거할수 있는 하폐수고도처리방법에 관한 것이다.

Description

수생식물의 동화작용에 의한 질소, 인 제거 및 수생식물을 탈질반응의 전자공여체로 재이용하는 하폐수고도처리방법{Removal of nitrogen and phosphorus by metabolism of aquatic plant and method for efficiently treating wastewater by using aquatic plant as electron donor in denitrification reaction}

본 발명은 하수 또는 폐수로부터 영양염류를 제거하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 질산화공정, 탈질공정, 고액분리공정등의 단위공정으로 구성되는 1단계 고도처리시설에 후속하여 수생식물접촉조를 추가로 구성하고, 상기 1단계 고도처리시설에서 유출되는 잔여질소, 인등이 수생식물의 동화작용에 의하여 제거되도록 하는 한편, 잉여수생식물을 수확하여 유기물을 추출하고 추출된 유기물을 상기 탈질공정에서 탈질반응에 소요되는 전자공여체도 이용되도록 하는 하폐수고도처리방법에 관한 것이다.

하수중의 오염물질은 생화학적산소요구량(BOD)으로 표시되는 유기물과 질소와 인과 같은 영양염류등으로 분류될수 있다. 지금까지 하수처리장에서는 유기물을 주된 처리대상으로 하였으며 질소와 인의 상당부분은 제거되지 못하고 그대로 하천과 호소등의 수계로 방류되어 부영양화와 적조발생의 원인이 되었다.

부영양화가 심해지면 악취가 나고 수질오염이 가중되어 식수와 용수로의 사용이 제한되므로 부영양화를 방지하기 위해 하수처리장에서 영양염류인 질소화합물이나 인산염을 충분히 제거하여야 한다.

미생물에 의한 공학적 질소제거원리는 먼저 호기성(Aerobic)조건에서 질산화균에 의해 암모니아성질소를 질산염으로 전환시키고 이를 다시 무산소(Anoxic)조건에서 유리질소로 환원시키는 미생물의 특성에 의하여 하수에서 질소가 제거된다. 질산성질소의 탈질반응에는 이론적으로 1g의 NO^- ₃-N에 대하여 2.86g의 COD에 상당하는 유기물이 소요된다.

무산소조건에서 탈질반응에 소요되는 유기물의 공급방법은 생물학적 탈질공정에서 매우 중요한 사항이다. 하수중의 유기물을 이용하는 탈질방법에는 AO, A₂O, Bardenpho등의 내부순환에 의한 전탈질방법과 생슬러지발효액을 탈질반응에 이용하는 방법, 내생호흡에 의한 유기물도 추가로 이용하는 간헐포기방법등이 있다.

유입유기물을 이용하여 질소를 효과적으로 제거하기 위해서는 유기물과 질소의 농도비는 실험에 의하면 5이상이 바람직한 것으로 보고되고 있다. 또한 메탄올등의 외부탄소원을 이용하는 경우 C/N비 3이상의 유기물을 주입하면 비교적 우수한 탈질효율을 얻을수 있는 것으로 보고되고 있는바, 후탈질방법에서 유기물이 보다 효율적으로 이용된다고 할수 있다.

반면에 우리나라의 거의 모든 도시하수의 유기물농도와 C/N비는 낮기 때문에 유입하폐수에 포함되는 유기물만으로는 고효율의 질소, 인제거는 기술적으로 어려우며, 유기물을 외부에서 보충하기 위하여 메탄올을 구입 사용하는 것은 경제적 부담이 과중되는 문제점이 있다.

또한 이와 같이 유입하폐수중의 유기물을 이용하는 전탈질방법, 유입수중의 생슬러지를 발효하여 생성되는 유기산을 이용하는 탈질방법, 내생호흡에 의한 유기물도 추가로 이용하는 간헐포기방법등에서는 상당량의 질소가 제거되지 못하고 유출이 불가피하다.

이와 같은 미생물을 고농도로 증식하는 공학적 하폐수처리방법외에도 습지(Wet Land), 수조등에서 수생식물을 재배하여 하폐수를 처리하는 생태학적 하폐수처리방법이 있으며, 이방법은 유기물과 질소와 인을 매우 높은 효율로 제거할수 있고 동력소요가 적은 환경친화적인 방법이다.

그러나 수생식물을 이용하는 하폐수처리방법은 부지소요면적이 매우 크고 잉여수생식물이 과다하게 발생되어 처리처분에 애로를 겪게된다. 예를 들어 설명하면, 유량 10,000m³/일, 유입질소농도 40mg/ℓ의 하수를 전량 브레옥잠을 이용하여 처리하는 경우 습윤중량 44TON/일(건조중량 기준 13.3TON/일)의 잉여수생식물이 발생된다. 탈질미생물이 유입유기물을 이용하는 공학적방법에 의하여 50%의 질소를 우선 제거하고, 잔여 20mg/ℓ의 질소를 수생식물을 이용하여 제거하는 경우에도 습윤중량 22TON/일(건조중량 6.6TON/일)의 잉여수생식물을 매일 수확하여 처분하는 어려움이 있다. 또한 이와같이 질소농도가 20∼40mg/ℓ로 높기 때문에 단위유량당 부지소요면적이 크게 소요되고 이에 따라 동절기에 보온면적도 증대되므로, 환경친화적이며 처리효율이 매우 우수한 수생식물에 의한 하폐수처리방법도 토지와 에너지가 귀한 우리나라에서는 현실성이 결여되는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상술한 제 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 구체적으로는 호기성의 질산화공정, 무산소조건의 탈질공정 및 고액분리공정 또는 혐기성의 인방출공정으로 구성되는 종래 방식의 1단계 고도처리시설에 수생식물을 재배하여 질소와 인을 제거하는 수생식물접촉조를 추가하여 하폐수고도처리시설을 구성하고, 상기 1단계 고도처리시설의 유출수에 잔존하는 질소와 인이 상기 수생식물접촉조에서 수생식물의 동화작용에 이용되어 생체로 합성 제거되도록 하고, 잉여수생식물을 수확하여 추출된 유기물을 상기 1단계 고도처리시설의 탈질공정에 투입하여 탈질반응의 전자공여체로 이용하는 것이다.

수생식물은 건조중량대비 질소함량은 3%정도이며, C/N비는 COD/N을 기준하여 약 200정도로 매우 높기 때문에 탈질공정에 투입하여 탈질반응에 이용하여도 추가되는 질소량이 매우 적은 우수한 유기물원(Carbon Source)에 해당된다.

즉, 수생식물의 C/N비가 매우 높은 점에 착안하여 수생식물에서 유기물을 추출하여 1단계 고도처리시설에서 탈질반응에 이용하며, 1단계 고도처리시설에서 처리되지 못하거나 수생식물을 통하여 추가된 질소등의 영양염류는 유출된다. 영양염류가 함유된 유출수에서는 계속 수생식물을 증식하여 잔여 영양염류를 제거함은 물론, 수생식물을 재생산하고 1단계 고도처리시설에 순환시켜서 탈질반응에 재사용하므로써 하폐수로부터 영양염류 특히 질소를 고효율로 제거하게 된다.

예를 들어 설명하면, 유량 10,000m³/일, 유입질소농도 40mg/ℓ인 하수의 질소부하량은 400kgN/일이다. 유입유기물을 탈질반응에 이용하여 50%를 제거하게 되면 잔여 질소부하량은 200kgN/일이 된다. 따라서, 외부에서 공급하여야 되는 유기물은 약 600kg COD/일이 소요되고, 수생식물의 건조중량 1g당 2.5g COD상당의 유기물을 추출하게 되면 건조중량 240kg/일의 수초가 소요된다.

240kg/일의 수초를 탈질반응에 투입하여 유입하폐수중의 잔여 질소를 전량 제거한다고 가정하면, 수초를 통하여 추가 투입된 7.2kg/일의 질소가 유출되게 되므로 1단계 고도처리시설 유출수의 질소농도는 0.72mg/ℓ에 불과하다. 1단계 고도처리시설의 유출수를 이용하여 수초를 증식하게 되면 최종 처리수의 질소농도가 매우 낮게 정화될수 있으며, 습윤중량기준 약790kg/일의 수초가 증식되어 탈질반응에 소요되는 유기물로 재이용할수 있다.

200kgN/일의 질소를 전량 수생식물로 제거할 때에 발생되는 잉여수생식물량은 6,600kg/일이며, 부지소요면적이 매우 큰데 비하여 수생식물을 탈질반응에 이용하므로써 잉여수생식물이 발생되지 않게 된다. 또한 부지소요면적도 대폭 감소됨은 물론미생물을 이용하는 공학적방법만을 사용하는 경우보다 질소제거효율이 크게 향상될수 있다.

도1은 본 발명에 따른 질소제거원리를 나타내는 개념도이다. 하수를 통하여 유입되는 질소는 1단계 고도처리시설의 질산화공정에서 질산성질소로 산화되고 탈질공정에서 유리질소로 환원되는 질산화 탈질공정을 거치게 된다. 탈질반응에는 유기물이 소요되며, 본 발명에서의 유기물 공급원으로는 1단계 고도처리시설에서 유출되는 영양염류를 섭취하여 증식되는 수생식물을 이용한다. 수생식물에는 3%정도의 유기성질소가 함유되며 수생식물을 통하여 탈질공정에 추가된 질소는 대부분 제거되지 못하고 질산화 탈질공정에서 미처리 유출되는 하폐수중의 잔여 질소와 함께 1단계 고도처리시설에서 유출된다. 질산화 탈질공정에서 유출된 질소는 수생식물의 생체합성에 이용되고 합성된 수생식물은 탈질반응의 전자공여체로 재이용되는 순환과정이 반복되게 된다. 이때 수생식물을 미생물이 쉽게 분해할 수 있는 저분자물질로 가공하고 탈질공정에 투입하므로써 질소제거효율을 향상시키고 유출수의 유기물농도도 낮게 할수 있다.

상기 1단계 고도처리시설의 질산화 탈질공정을 후탈질공정으로 구성하고 탈질반응에 소요되는 유기물을 전량 수생식물을 이용하게 되면 수확, 가공, 주입하여야 되는 물량이 증대되고 수생식물접촉조의 면적도 크게 소요되므로 시설비와 운영비가 증대될수 있다. 따라서 상기 질산화 탈질공정도 유입유기물을 최대한 이용할수 있는 종래의 전탈질방법, 유로변경 및 간헐포기방법등을 종합하여 제한없이 채택할수 있으며, 이러한 공법으로 이미 가동중인 처리장에서도 수생식물접촉조를 추가로 시설하여 본 발명에 의한 질소제거방법을 이용할수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 처리원리의 개념도,

도 2는 본 발명에 따른 제1실시예의 개략 공정도,

도 3은 본 발명에 따른 제2실시예의 개략 공정도,

도 4는 본 발명에 따른 제3실시예의 개략 공정도이다.

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도2는 본 발명에 따른 질소, 인 제거방법의 제1실시예에 관한 개략공정도이며, 유입하폐수는 1단계 고도처리시설과 수생식물접촉조를 거쳐서 유출되며 수생식물접촉조에서 증식되는 수생식물은 가공공정에서 유기물이 추출되고 1단계 고도처리시설의 탈질공정에서 전자공여체로 이용되는 과정을 나타낸 것이다.

여기서, 상기 1단계 고도처리시설은 전탈질방법, 간헐포기방법, 후탈질방법 또는 생물학적 질소, 인 동시 제거방법등 질산화, 탈질공정이 포함되는 종래의 생물학적 질소제거방법은 제한없이 사용될수 있다. 그러나 유기물 공급량을 최소로 하기 위해서는 생슬러지 발효액을 함께 이용하는 방법이 바람직하며, 전탈질방법 및 후탈질방법이 병행되는 방법 즉, 전탈질반응조→질산화반응조→후탈질반응조의 순으로 반응조를 구성하고 질산화반응조에서 전탈질반응조로 내부순환이 이루어지며 후탈질반응조에는 수생식물에서 추출된 유기물을 투입하는 방법이 유리하다.

상기 수생식물접촉조는 습지 또는 수조등 수생식물을 재배할수 있는 수단은 제한없이 사용될수 있으며, 수생식물의 종류는 가급적 우리나라의 기후에 잘 적응하는 것이 유리하다. 수생식물접촉조의 설치면적을 절약하기 위하여 2차 침전지의 수면에 부레옥잠, 개구리밥등 부유성 수초를 증식할 수도 있으며, 동절기에는 온실등을 만들어 보온을 하거나 잔반, 야채폐기물등으로 수생식물을 대체하거나 단기적으로는 메탄올을 구입하여 사용할수 있다.

상기 가공공정에서는 수생식물을 압착 탈수하여 고형물은 슬러지, 음식쓰레기, 분뇨등의 퇴비화에 소요되는 Bulking재로 사용할수 있으며, 탈수여액은 유기물농도가 높고 비교적 쉽게 분해되므로 상기 1단계 고도처리시설의 탈질공정에서 전자공여체로 직접 이용하거나, 또는 분해성을 높이기 위하여 유기산으로 발효하여 탈질반응에 이용하기도 한다.

도3은 본 발명에 따른 질소, 인 제거방법의 제2실시예에 관한 개량공정도이다.

제2실시예에서는 수생식물은 분쇄공정과 발효공정을 거치고 발효된 발효액을 상기 탈질공정에서 탈질반응에 이용한다. 발효액에는 난분해성의 입자상 물질도 포함되므로 탈수 또는 여과공정에서 여액만을 분리하여 탈질공정에 이용하고, 고형물은 발효미생물도 포함되어 있으므로 퇴비화공정에서 Bulking재 겸 Seeding재로 이용될수 있다. 가공공정을 제외한 여타의 처리공정은 제1실시예에서와 동일하다.

도4는 본 발명에 따른 질소,인 제거방법의 제3실시예에 관한 개략공정도이다.

제3실시예에서는 수생식물접촉조의 면적을 줄이거나 또는 수생식물이 잘 증식되지 못하는 동절기에 야채폐기물을 수생식물에 보충하여 사용하거나 대체하는 방법에 관한 것이다.

야채폐기물은 수생식물과 같이 C/N비가 높기 때문에 탈질반응에 바람직한 유기물원이 될 수 있으며 야채폐기물의 조달이 용이한 여건에서는 수생식물접촉조의 설치를 생략하고 야채폐기물을 주로 이용할 수도 있다.

수생식물접촉조는 상기 1단계 고도처리시설의 상부에 축조하여 부지면적을 감소시키거나, 야간과 동절기에는 보온 및 조명을 하여 생산성을 증대시키거나, 질산화공정등의 호기성반응조에서 발생되는 이산화탄소분압이 높은 배기를 이용하여 광합성 효율을 증대시키는 등 종래의 일반적으로 사용되는 방법들을 다양하게 이용할수 있다.

이와 같이 미생물에 의한 공학적 질소제거방법에 추가하여 수생식물을 이용하는 생태학적방법을 동시에 병행하고 잉여수생식물을 탈질반응에 소요되는 전자공여체로 이용하게 되면, 종래의 수생식물에 의한 하폐수처리방법인 Marsh Filter등의 방법에서보다 부지소요면적이 매우 적고 수생식물의 처분문제가 해소되며, 또한 유입수중의 유기물을 이용하는 탈질방법 또는 메탄올등의 외부탄소원을 주입하는 후탈질방법등의 미생물을 이용하는 종래의 공학적 하폐수처리방법만을 이용하는 경우 보다 처리효율이 매우 높고 경제적이며, 환경친화적인 하폐수처리방법을 제공할수 있게 된다.

Claims (10)

1. 호기성의 질산화공정과 무산소조건의 탈질공정 및 고액분리공정으로 구성되는 1단계 고도처리시설과 수생식물을 재배하여 질소와 인을 제거하는 수생식물접촉조로 구성되는 하폐수고도처리시설에서, 상기 1단계 고도처리시설의 유출수를 상기 수생식물접촉조에 유입시켜서 유출수중의 질소와 인이 수생식물의 증식에 이용되어 제거되도록 하고, 상기 수생식물접촉조에서 증식되어 수확되는 수생식물은 가공공정에서 유기물을 추출하고, 상기 추출된 유기물을 상기 1단계 고도처리시설의 탈질공정에 투입하여 탈질반응에 소요되는 전자공여체로 이용되도록 하는 것을 특징으로 하는 하폐수고도처리방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 가공공정은 압착탈수공정으로 구성하고, 수생식물을 상기 압착탈수공정에서 압착탈수하고 발생되는 고형물은 슬러지 또는 음식쓰레기등의 유기성폐기물의 퇴비화공정에서 벌킹(Bulking)재로 이용하고, 상기 압착탈수공정에서 발생되는 고농도의 탈수여액은 상기 1단계 고도처리시설의 탈질공정에 투입하여 탈질반응에 소요되는 전자공여체로 이용되도록 하는 것을 특징으로 하는 하폐수고도처리방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 압착탈수공정에서 발생되는 고농도의 탈수여액을 발효공정에서 발효시켜서 생성되는 유기산을 상기 1단계 고도처리시설의 탈질공정에 투입하여 탈질반응에 소요되는 전자공여체로 이용되도록 하는 것을 특징으로 하는 하폐수고도처리방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 가공공정은 분쇄공정과 발효공정으로 구성하고, 수생식물을 상기 분쇄공정과 발효공정에서 분쇄 및 발효하여 생성되는 유기산형태의 유기물이 함유되는 발효액을 상기 1단계 고도처리시설의 탈질공정에 투입하여 탈질반응에 소요되는 전자공여체로 이용되도록 하는 것을 특징으로 하는 하폐수고도처리방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 분쇄공정과 발효공정에서의 발효액을 침전, 여과, 탈수등의 고액분리공정에서 고액분리하고, 주로 유기산이 함유된 액상의 여액은 상기 1단계 고도처리시설의 탈질공정에 투입하여 탈질반응에 소요되는 전자공여체로 이용되도록하고, 잔여 고형물은 슬러지 또는 음식쓰레기등의 유기성폐기물의 퇴비화공정에서 Bulking재 겸 퇴비화의 Seeding재로 이용하는 것을 특징으로 하는 하폐수고도처리방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 고액분리공정은 중력식 침전지이며, 상기 침전지의 수면에는 부유성 수생식물을 재배하고, 재배된 상기 수생식물을 수확하여 상기 가공공정에서 가공하여 추출되는 유기물을 상기 탈질공정에 투입하여 탈질반응에 소요되는 전자공여체로 이용되도록 하는 것을 특징으로 하는 하폐수고도처리방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 수생식물의 가공공정에는 수생식물접촉조에서 수확되는 수생식물에 추가하여 수거된 야채폐기물을 상기 가공공정에서 가공하여 추출되는 유기물을 상기 1단계 고도처리시설의 탈질공정에 투입하여 탈질반응에 소요되는 전자공여체로 이용되도록 하는 것을 특징으로 하는 하폐수고도처리방법.
8. 삭제
9. 제1항에 있어서, 상기 수생식물접촉공정은 수조 또는 습지인 것을 특징으로 하는 하폐수고도처리방법.
10. 호기성의 질산화공정과 무산소조건의 탈질공정 및 고액분리공정으로 구성되는 1단계 고도처리시설을 포함하는 하폐수고도처리시설에서, 야채폐기물을 가공공정에서 분쇄가공하여 추출한 유기물을 상기 1단계 고도처리시설의 탈질공정에 투입하여 탈질반응에 소요되는 전자공여체로 이용되도록 하는 것을 특징으로 하는 하폐수고도처리방법.