KR100390633B1 - 무산소·혐기형 연속회분식 반응장치와 이를 이용하는 생물학적 질소·인 제거방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질산성 질소를 탈질시켜 후단의 인방출공정이 저해되는 것을 방지함으로써, 높은 탈질 및 탈인효율을 얻기 위한 무산소·혐기형 연속회분식 반응장치 및 이를 이용하는 생물학적 질소·인 제거방법에 관한 것으로, 하·폐수 내의 유기물과 질소의 비가 낮은 우리나라 실정에서도 높은 처리효율을 얻을 수 있는 특성이 있으며, 처리효율을 높이기 위해 별도의 외부 탄소원의 공급이 필요치 않으므로, 질산성 질소농도의 제어가 용이하여 인 제거효율이 안정적으로 유지될 수 있을 뿐만 아니라 시공, 운전 및 유지관리가 용이한 특성이 있는 것으로 환경산업상 유용한 발명이다.

Description

무산소·혐기형 연속회분식 반응장치와 이를 이용하는 생물학적 질소·인 제거방법 {Anoxic-anaerobic sequencing batch reactor and method for nitrogen and phosphorus removal thereby}

본 발명은 하·폐수 내에 존재하는 질소 및 인을 제거하기 위한 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 질산성 질소를 탈질시켜 후단의 인방출공정이 저해되는 것을 방지함으로써, 높은 탈질 및 탈인효율을 얻기 위한 무산소·혐기형 연속회분식 반응장치 및 이를 이용하는 생물학적 질소·인 제거방법에 관한 것이다.

생물학적 하·폐수처리방법에서 일반적으로 질소 및 인은 미생물의 활동 및 증식을 위한 단백질과 핵산합성의 필수 영양소로 작용한다. 그러나 수중에 질소와 인 등의 영양염류가 다량 함유된 경우에는 조류 등의 자가영양미생물(Autotrophic Organism)의 급격한 번식으로 인한 부영양화현상의 발생으로 인하여 수질오염이 유발되고 이용가치가 현저히 저하되는 문제가 발생하게 된다. 이러한 영향으로 최근의 하수처리에는 질소 및 인을 제거할 수 있는 생물학적 고도처리공정이 도입되고 있는 실정이다.

생물학적 고도처리공정의 주요공정의 하나인 질소제거공정은 크게 호기성 상태에서 하·폐수 중에 존재하는 유기질소나 암모니아성 질소를 질산성 질소로 전환시키는 질산화반응과 질산화반응에 의하여 생성된 질산성 질소를 무산소 상태에서 질소가스로 전환시키는 탈질반응으로 나뉘어지며, 이 두 공정을 거쳐 하·폐수 중의 질소가 제거된다.

인제거공정에서는 호기성 상태에서 유기인이 인산염의 형태로 세포 내에 축적되고 혐기성 상태에서는 미생물의 체외로 인산염의 형태로 방출되며, 방출된 인산염은 호기성 상태에서 미생물에 의해 다시 과잉으로 섭취되어 미생물의 체내에 축적되고, 이와 같이 인을 과잉섭취한 미생물을 잉여슬러지로 배출함으로써 하·페수 중의 인이 제거된다.이하, 미생물에 의한 질소 및 인 제거 기작을 설명한다.

질산화반응 : 하·폐수 중에 존재하는 질소는 유기성 질소, 암모니아성 질소(NH₄ ⁺-N), 아질산성 질소(NO₂ ^--N), 질산성 질소(NO₃ ^--N)로 구분되며 유기성 질소는 미생물의 가수분해작용에 의하여 암모니아성 질소로 전환되며, 하·페수 중에 존재하는 암모니아성 질소는 Nitrosomonas에 의해 아질산성 질소로 전환되고, 아질산성 질소는 다시 Nitrobacter에 의해 질산성 질소로 전환된다.

NH₄ ⁺+ 3/20₂→ NO₂ ^-+ H₂O + 2H⁺(Nitrosomonas)

N0₂ ^-+ 1/20₂ ^-→ NO₃ ^-(Nitrobacter)

상기 반응에서 암모니아성 질소가 질산성 질소로 전환되는 과정에서 필요한 산소량은 4.57g/g-N이고 소비되는 알칼리도는 7.14g/g-N(as CaCO₃)이며, 질산화반응을 위한 최적의 수소이온농도는 약 알칼리성인 pH 7.0∼8.0 정도이다. 또한, 질산화반응은 성장속도가 느린 질산화균에 의해 이루어지므로 포기조 내에서의 미생물 체류시간(SRT)이 길어야 하며, 질산화균의 성장속도는 온도에 민감하게 반응하므로 수온이 13℃ 이하에서는 질산화 반응의 속도가 급격히 저하된다.

탈질반응 : 탈질반응은 미생물이 무산소 상태에서 호흡을 하기 위하여 산소대신 질산(NO₃ ^-)과 아질산(NO₂ ^-) 등을 전자수용체로 이용하여 NO, N₂O, N₂로 환원시키는 과정이다. 용존산소가 충분한 상태에서는 산소를 최종 전자수용체로 이용하나, 용존산소가 없는 상태에서는 유기물이나 무기물로부터 전자를 공여받는다.

탈질과정은 혐기성 독립영양 탈질미생물, 탈질가능한 호기성 질산화 미생물, Pseudomonas, Bacillus, Micrococcus 등의 임의성 종속영양 미생물에 의해 진행되며, 대표적인 탈질경로는 다음과 같다.

NO₃ ^-→ NO₂ ^-→NO → N₂O → N₂

탈질반응에서는 환원된 질소 1g 당 2.0∼3.0g의 알칼리도가 생성되어 pH가 상승하게 되며, 최종산물은 반응에 관여한 미생물의 종류 및 pH에 따라 달라지게 되지만, 대부분 N₂상태로 방출되며, NO₃ ^-환원을 위한 전자공여체로는 유기물로서 메탄올이 가장 좋은 것으로 알려져 있다.

탈인반응 : 일반 미생물의 인 함량은 2∼3％로서 기존 활성 슬러지법으로는 슬러지의 합성에 필요한 양의 인만이 제거된다. 그러나, 혐기성 상태 및 호기성 상태를 교대로 운전할 경우에 혐기성 상태에서는 세포 내의 폴리인산을 가수분해하여 정인산으로 방출하면서 에너지를 생산하고, 세포 밖의 유기물을 능동수송하여 세포 내에 PHB(Poly-Hydroxy Buthylate)의 형태로 저장한다. 호기성 상태에서는 세포 내 저장된 기질(PHB)을 산화분해하여 생체 반응을 위한 에너지를 얻고, 이를 이용하여 방출된 정인산을 재흡수하여 폴리인산의 형태로 세포 내에 저장하게 된다.

이러한 과정을 반복하면서 Over-Plus 등의 미생물에 의해 인의 과잉섭취현상이 일어나며, 인을 과잉섭취한 슬러지를 제거함으로써 생물학적 탈인반응이 이루어지게 된다.

생물학적 탈인반응은 온도, 수소이온농도, 산화질소, 미생물 체류시간, 유입수의 성상에 따라 영향을 받는다. 온도는 인방출과 섭취에 영향을 미칠 수 있으나 실제 처리장의 운영결과 10℃에서도 인제거 효율에는 큰 변화가 없는 것으로 보고되고 있으며, 수소이온농도는 중성상태가 최적이고 혐기성 영역에서 산화질소가 존재할 경우에 인방출의 저해현상이 발생한다. 포기조 내의 미생물 체류시간이 길어질수록 인제거효율이 저하되며, 혐기조 체류시간은 0.5∼3.0 시간이 적당하나 혐기조의 체류시간이 길어질수록 인산의 방출효율은 상승하게 된다.

종래의 하·폐수 처리장치는 도 1에 도시된 바와 같이 하나의 포기조(1) 내에서 순환펌프(2)를 이용해 하·폐수가 순환되고 무산소 조건과 혐기조건의 순차적 변동으로 탈질 및 탈인반응이 완료되며, 포기공정 및 침전공정을 거쳐 처리수는 부유구(4)를 통해 처리수 배출장치(3)를 거쳐 배출된다. 슬러지는 슬러지 제거장치(5)에 의해 일부 제거되고 나머지는 유입하수와 함께 순환펌프(2)에 의해 포기조에 내부 반송되어 재순환된다.

이와 같이 종래의 일부 고도처리공정에서는 포기액의 내부 반송(Internal recirculation: 질산화조→탈질조)이 필요하여 펌프 및 배관 등 별도의 시설이 추가적으로 설치되어야 하며, 내부순환과 외부순환이 하나의 포기조 내에서 수행되므로 구조가 매우 복잡하여 운전이 어려워 운영비 및 초기 시설비의 상승요인이 되었다.

또, 바덴포(Bardenpho) 공정 등 일부의 공정은 질소 및 인의 제거효율이 90％ 정도로 우수하지만 체류시간을 24시간 정도로 매우 길게 운전해야 하고, 질소와 인의 균형적이고 안정적인 동시 제거가 어려운 문제가 있었다.

또한, 일부 공정(Phostrip, PL)에서는 슬러지가 과다발생하고 안정적인 인제거를 위해서는 약품주입이 필수적이며 질소제거효율이 낮아 운영관리비가 과다하게 상승되는 경우도 있다. 반송 슬러지 내의 질산성 질소 농도의 제어가 다소 어렵고, 반송슬러지 내의 질산성 질소의 농도가 높을 경우에는 인제거 효율이 저하되는 문제가 발생하므로, 안정적인 하·폐수 처리가 곤란한 문제가 있다. 또, 일부 공정의 경우에 반응조가 다단으로 건설되어야 하며 침전지가 별도로 필요하므로 시공, 운전 및 유지관리상의 문제점이 발생할 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 고려하여 안출한 것으로, 질산성 질소에 의하여 탈인미생물의 인방출이 저해되는 현상을 방지함으로써, 높은 탈질 및 탈인효율을 얻기 위한 질소 및 인제거방법과 이를 수행하기 위한 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 하·폐수 처리장치의 예시도,

도 2는 본 발명에 의한 하·폐수 내 질소·인 제거방법의 처리공정도,

도 3은 본 발명에 의한 무산소·혐기형 연속회분식 반응장치의 평면도,

도 4는 본 발명에 의한 무산소·혐기형 연속회분식 반응장치의 단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 무산소조 12, 22, 32, 42 : 격벽

20 : 혐기조 30, 40 : SBR반응조

44 : 호퍼 50 : 순환펌프

60 : 포기장치 70 : 디캔터

72 : 처리수 배관

본 발명의 상기 목적은 무산소 상태에서 질산성 질소의 탈질반응이 진행되는 무산소조(10)와; 상기 무산소조를 거친 하·폐수가 유입되며, 혐기성 상태에서 미생물에 의한 인방출반응이 진행되는 혐기조(20)와; 상기 혐기조를 거친 하·폐수가 분리되어 유입된 후 잔존하는 유기물 제거와 질산화 및 인의 과잉섭취가 이루어지는 2개의 연속회분식반응조(sequencing batch reactor: SBR)(30),(40)로 구성되며, 각각의 연속회분식 반응조에는 처리수의 배출을 위한 부유식 디캔터(70)와, 연속회분식반응조의 혼합액을 농축시키기 위한 격벽(32),(42) 및 호퍼(44)가 설치된 무산소·혐기형 연속회분식 반응장치를 제공함으로써 달성하였다.또한, 본 발명은 상기 무산소조로 유입되는 하·폐수와 연속회분식반응조의 혼합액에 존재하는 질산성 질소를 탈질시키는 탈질공정와; 상기 탈질공정을 거쳐 상기 혐기조로 유입되는 질산성 질소가 제거된 상태의 하·폐수로부터 탈인 미생물에 의해 인을 방출시키는 인방출공정와; 상기 인방출공정을 거친 하·폐수에 존재하는 유기물 제거와 질산화 및 인의 과잉섭취가 이루어지는 연속회분식 반응공정으로 구성되는 무산소·혐기형 연속회분식 반응장치를 이용하는 생물학적 질소·인 제거방법을 제공한다.본 발명에 의한 무산소·혐기형 연속회분식 반응공정 및 반응장치는 무산소공정이 혐기공정 이전에 이루어짐으로써, 질산성 질소의 존재로 인하여 혐기공정에서의 인방출의 저해현상을 방지하도록 하는 데에 그 특징이 있는 것이다.

즉, 본 발명은 하·폐수 중의 질소 및 인을 무산소, 혐기성, 호기성 조건에서 탈질 및 탈인반응을 연속수행하도록 유도한 것으로, 무산소조에서는 탈질 미생물에 의한 탈질반응과 함께 탈인 미생물의 생장·번식이 일어나고, 혐기조에서는 탈인 미생물에 적합한 미생물 조건을 유도하여 탈인 미생물에 의한 인방출을 도모하며, 연속회분식 반응조에서는 상기의 공정들을 거친 하·폐수 내에 잔존하는 유기물 및 영양염류를 연속유입과 간헐배출에 의해 처리되도록 구성된다.이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.도 2는 본 발명에 의한 하·폐수 내의 질소 및 인 제거방법의 공정도이고, 도 3 및 도 4는 본 발명에 의한 무산소·혐기형 연속회분식 반응장치를 나타낸 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 무산소·혐기형 연속회분식 반응장치는, 유입된 하·폐수의 무동력혼합을 위하여 다수개의 격벽(12)이 구성되어 있으며 하·폐수 중의 질산성 질소를 제거하는 탈질 미생물에 의한 탈질반응이 이루어지는 무산소조(10)와, 무동력혼합을 위해 무산소조(10)와는 직교된 형태로 다수의 격벽(22)이 구성된 혐기조(20)와, 무산소조와 혐기조를 거쳐 연속유입된 하·폐수를 양분하여 간헐적인 유입과 배출을 통해 회분처리하는 최소 2개의 연속회분식반응조(30),(40)로 구성되며, 각각의 연속회분식반응조에는 반응조 혼합액을 농축시켜 이를 무산소조 또는 혐기조로 반송하기 위한 격벽(32),(42)과, 호퍼(44) 및 순환펌프(50), 반응조 내에 산소를 공급하기 위한 포기장치(60), 처리수의 배출을 위한 디캔터(70)와 처리수 배관(72)이 구비된다.무산소조에서는 탈질미생물에 의한 탈질반응이 이루어짐과 동시에 후속되는 혐기조에서 인을 제거하기 위해 탈인미생물의 생장에 적합한 번식조건을 유도하고, 연속회분식 반응조에서는 상기 무산소조와 혐기조 내에서의 탈질 및 인방출 반응이 수행된 후 하·폐수에 잔존하는 유기물 제거와 질산화 및 인의 과잉섭취가 일어나게 된다.

본 발명의 무산소·혐기형 연속회분식 반응장치에 의한 하·폐수 내 질소 및 인제거방법에 의하여, 무산소조(10)에서는 유입수(하·폐수) 중에 포함된 질산성 질소성분이 탈질 미생물에 의해 탈질(denitrification)되고, 후단의 혐기조(20)와 연속회분식반응조(30),(40)를 거쳐 반송되는 연속회분식반응조 혼합액(MLSS) 중의 질산성 질소도 탈질된다.

이 때에 무산소조(10)는 탈질 미생물에 의해 탈질이 일어남과 동시에 탈인 미생물(Phosphorus Accumulating Bacteria)을 번식시켜 혐기조(20)에서 인방출에 적합한 미생물 조건을 유도한다.

전단계에서 탈질을 통하여 질산성 질소의 농도를 낮춤으로써 탈인 저해인자를 최소화한 상태에서 후속하는 혐기조(20)에서는 탈인 미생물이 유입수 내에 포함된 유기물을 이용하여 미생물의 인방출(Phosphorus release)을 도모한다.

이 때에 탈인과정에는 유입하는 하·폐수 및 오수 내에 존재하는 분해가 용이한 유기물(Readily biodegradable organics : acetic 등의 Volatile fatty acids)이 이용된다.

상기 무산소조(10)와 혐기조(20)는 유입수 및 반송되는 연속회분식반응조 혼합액을 무산소 또는 혐기성 상태로 유지하고 무동력 혼합을 위하여 각 연속회분식반응조(30),(40)는 서로 직각의 격벽을 설치하거나 각각에 전동기로 가동되는 혼합기를 설치하여 기계적인 교반도 가능한 구조로 한다.

한편, 유입수의 성상 및 각 연속회분식반응조(30),(40)의 운전형태, 운전의 용이성, 처리효율 및 유출수의 특성을 고려하여 무산소조(10)에 별도의 포기장치를 설치하고 처리특성을 종합적으로 판단하여 무산소조(10)를 생흡착(Biosorption)조로 전환하여 운전할 수 있다. 이 경우 생흡착조에서 생흡착된 용존성 유기물은 유기물제거와 동시에 탈질 및 탈인에 필요한 탄소원으로 이용된다.

상기 무산소조(10)에서 탈질이 용이하지 않아 후속하는 혐기조(20)에서의 인방출에 영향을 미칠 경우에 무산소조(10)와 혐기조(20)에 개구부를 설치하여 혐기조(20)의 혼합액(MLSS)을 무산소조(10)로 반송하며, 전체 공정의 각 반응조를 혐기조(20) - 무산소조(10) - 각 SBR반응조(30),(40)의 형태로 변경하여 질소 및 인을 제거하는 방법을 이용할 수 있다.

하·폐수 내에 포함된 미처리 유기물의 산화와 질산화 및 인의 과잉섭취가 일어나는 주된 생물학적 처리공정인 연속회분식반응조의 혼합액은 혐기조(20)에서 자연유하로 유입되며, 혼합액의 난류상태를 최소화하기 위해 유입부에 정류벽, 격벽 또는 유입구를 설치할 수 있다.

상기 각 연속회분식반응조(30),(40)의 운전형태는 유입수 성상에 따라 다양하게 구성될 수 있으며, 그 공정구성은 하기와 같은 연속(sequencing)공정을 그 기본 골격으로 한다.

하·폐수 유입(fill) ▷ 반응(react) ▷ 침전(settle) ▷ 배출(draw)

상기 각 연속회분식반응조(30),(40)는 전형적인 체류시간을 기준으로 용량의 50％씩 나눈 것을 각기 제 1의 연속회분식 반응조(30)와 제 2의 연속회분식 반응조(40)의 기본 용량으로 하여 회분처리한다.

본 발명의 무산소·혐기형 연속회분식 반응장치에 의한 질소 및 인제거방법에서 하·폐수는 무산소조 및 혐기조에 연속유입되고 2개의 연속회분식반응조에서 교대로 연속배출되는 방식이다. 그러나, 연속회분식반응조(30),(40)는 연속유입 및 간헐배출, 간헐유입과 간헐배출방식을 택할 수 있다.

연속유입-간헐배출은 강우 등으로 유량부하가 높을 경우에 적용되는 방식으로 각각의 연속회분식반응조(30),(40)의 반응, 침전, 배출단계에 혐기조(20)의 혼합액이 연속유입되고 처리수는 배출시간에만 간헐적으로 배출되며, 포기조 혼합액은 무산소조(10)에 연속반송된다.

간헐유입-간헐배출은 일반적인 상태에서 적용되는 방식으로 혐기조(20)를 거친 혼합액이 연속회분식반응조(30)의 반응단계에서 호기 유입되며, 반응이 완료된 후에 침전단계를 거쳐 배출단계에서만 처리수가 배출되므로 연속회분식 반응조(30)는 간헐유입 및 간헐배출방식으로 운전된다. 이 경우에 혐기조 혼합액이 유입되는 반응단계는 전체 주기의 50％이고, 침전→배출, 또는 침전→배출→휴지기간이 전체 공정의 50％를 차지하게 된다.

이와 같은 방식으로 두 개의 연속회분식 반응조(30),(40)이 서로 교차적인 주기로 간헐유입 및 간헐배출되므로 전체 공정은 연속유입에 간헐배출의 형태로 운전되게 된다.

상기 처리수의 배출은 기존에 개발된 동력 및 무동력식 기계배출장치인 디캔터(70)를 기본으로 하며, 자연유하할 수 있는 구조가 가능한 경우에는 자연유하로 배출함을 원칙으로 한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 무산소·혐기형 연속회분식 반응장치와 이를 이용하는 하·폐수 내 질소 및 인 제거방법은 무산소조와 혐기조에서 탈질 및 탈인 미생물의 번식을 유도하고 탈질 및 탈인반응을 통하여 질소를 제거하고 인을 방출시키며, 하·폐수 내에 잔존하는 유기물 제거와 질산화 및 인의 과잉섭취를 위해 연속회분식 반응조로 유입량을 양분하여 연속반응에 의해 회분처리되며,연속회분식 반응조 혼합액은 격벽에서 일부 농축된 후에 무산소조와 혐기조로 반송되는 일련의 공정이 연속수행되도록 구성된 것으로서, 본 발명에 의한 무산소·혐기형 연속회분식 반응조에 의한 생물학적 질소·인 제거방법은 하·폐수중의 유기물과 질소의 비가 낮은 우리나라 실정에서도 높은 처리효율을 얻을 수 있는 특성이 있다. 또, 처리효율을 높이기 위해 별도의 외부 탄소원의 공급이 필요치 않으므로, 질산성 질소농도의 제어가 용이하여 인 제거효율이 안정적으로 유지될 수 있을 뿐만 아니라 시공, 운전 및 유지관리가 용이한 특성이 있는 것으로 환경산업상 유용한 발명이다.

Claims (3)

1. 무산소 상태에서 질산성 질소의 탈질반응이 진행되며 내부에 혼합기 또는 다수개의 격벽이 형성된 무산소조(10);

   상기 무산소조를 거친 하·폐수가 유입되며, 혐기성 상태에서 미생물에 의한 인방출반응이 진행되며 내부에 혼합기 또는 다수개의 격벽이 형성된 혐기조(20);

   상기 혐기조를 거친 하·폐수가 분리되어 유입된 후 잔존하는 유기물 제거와 질산화 및 인의 과잉섭취가 이루어지는 2개의 연속회분식반응조(sequencing batch reactor)(30),(40)로 구성되며, 각각의 연속회분식 반응조에는 처리수의 배출을 위한 부유식 디캔터(70)와, 연속회분식반응조의 혼합액을 농축시키기 위한 격벽(32),(42) 및 호퍼(44)가 설치되는 것을 특징으로 하는 무산소·혐기형 연속회분식 반응장치.
2. 상기 무산소조로 유입되는 하·폐수와 연속회분식반응조의 혼합액에 존재하는 질산성 질소를 탈질시키는 탈질공정;

   상기 탈질공정을 거쳐 상기 혐기조로 유입되는 질산성 질소가 제거된 상태의 하·폐수로부터 탈인 미생물에 의해 인을 방출시키는 인방출공정;

   상기 인방출공정을 거친 하·폐수에 존재하는 유기물 제거와 질산화 및 인의 과잉섭취가 이루어지는 연속회분식 반응공정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 무산소·혐기형 연속회분식 반응장치를 이용하는 생물학적 질소·인 제거방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 혐기조의 혼합액을 상기 무산소조로 반송하는 공정이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 무산소·혐기형 연속회분식 반응장치를 이용하는 생물학적 질소·인 제거방법.