KR100392747B1 - 하수로부터의 질소/인 제거 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하수로부터 유기물과 질소와 인을 동시에 제거하는 시스템에 관한 것으로, 내부 반송율이 낮으면서도 내부 탄소원을 완벽하게 사용함으로써 C/N비와 C/P비가 낮은 하수로부터 질소와 인을 동시에 제거할 수 있는 생물학적 하수처리 시스템을 제공하는 것이 목적이다.

일차 침전지(2)와 2개의 무산소조(5,8)와 혐기조(6)와 2개의 호기조(7,9)와 산발효조(3)와 저장조(4)와 이차 침전지(10)로 이루어지며, 폐수가 일차 침전지(2)에서 고액분리되어 상징수는 호기조 I(7)의 질산화수를 무산소조 I(5)로, 이차 침전지(10)의 슬러지의 일부를 호기조 I(7)로 각각 내부반송시키면서 무산소조 I(5), 혐기조(6), 호기조 I(7), 무산소조 II(8), 호기조 II(9)를 순차적으로 거치면서 처리되어 이차 침전지(10)에서 슬러지와 분리된 후 배출되고, 일차 침전지(2)의 고액분리된 일차 슬러지는 저장조(4)의 산발효 상징액을 무산소조 II(8)로 공급하면서 산발효조(3)와 저장조(4)를 순차적으로 거치면서 처리되는 것을 특징으로 한다.

Description

하수로부터의 질소/인 제거 시스템{System for Removal of Nitrogen and Phosphorus from Sewage}

본 발명은 하수의 생물학적 처리 시스템에 관한 것으로 특히, 유기물과 질소와 인을 동시에 제거하는 시스템에 관한 것이다.

현재까지 개발된 생물학적 질소·인 동시제거 시스템은 내부반송을 특징으로 하는 전탈질(pre-denitrification) 공정과 외부에서 탄소원을 공급해주는 것을 특징으로 하는 후탈질(post-denitrification) 공정으로 대별된다.

전탈질 공정에는 변형된 바덴포 5단공정, VIP 공정, UCT 공정, A2/O 공정 등이 있는데 유입 유량의 2∼5배 정도의 양을 내부 반송해야 하므로 반응조의 실체류시간이 감소되어 반응조의 용적이 커야하고 대용량의 펌프시설 등이 소요되는 등 시설비와 운영비가 증가되는 단점이 있다.

또한, 인 제거율이 낮은데 이는 혐기성 조건을 유지하기가 어렵고, 생물학적 인방출이 원활하게 일어나게 하기 위해서는 생물학적으로 분해되기 쉬운 유기물이 존재해야 하는데 내부 반송율을 증가시키면 실체류시간이 짧아지고 유입수 내의 유기물이 희석되어 생물학적 인방출이 어렵게 되기 때문이다. 무엇보다도, C/N비가 낮은 우리나라 하수의 특성상 하수 내에 포함된 유기물 만으로는 만족스러운 수준으로 질소를 제거하기 어렵다는 단점이 있다.

반면에, 후탈질 공정은 질소 및 인 제거율이 높다는 장점이 있으나 유입수 내의 유기물을 탈질과정의 탄소원으로 이용할 수 없어 오로지 외부 탄소원에 의존해야 하므로 운전비가 많이 드는 단점이 있다.

후탈질 공정은 외부 탄소원의 종류에 따라 그 평가가 달라지는데 메탄올이나 그와 유사한 화합물을 외부 탄소원으로 사용할 경우에는 운전의 안정성이 뛰어나고 질소 제거율도 높으며 공정도 간단하다. 반면에 내부 탄소원의 거의 이용하지 않으므로 운전비용이 많이 든다.

일차 슬러지나 음식물 쓰레기 등을 산발효시켜 외부 탄소원으로 사용하는 경우에는 산발효를 위한 추가적인 공정이 필요하여 공정이 복잡하고 운전이 까다롭다. 또한, 산발효액을 과량으로 투입할 경우에는 산발효액 내에 포함되어 있는 암모니아로 인해 질소 제거율을 감소될 우려가 있다.

본 발명의 목적은 내부 반송율이 낮으면서도 내부 탄소원을 완벽하게 사용함으로써 C/N비와 C/P비가 낮은 하수로부터도 질소와 인을 동시에 고효율로 제거할 수 있는 생물학적 하수처리 시스템을 제공하는 것이다.

제1도는 본 발명에 따른 제1 실시예의 개략 공정도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1: 유량 조정조 2: 일차 침전지

3: 산발효조 4: 저장조

5：무산소조 I 6：혐기조

7：호기조 I 8：무산소조 II

9 :호기조 II 10: 이차 침전조

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 질소/인 동시제거 시스템은 일차 침전지(2)와 2개의 무산소조(5,8)와 혐기조(6)와 2개의 호기조(7,9)와 산발효조(3)와 저장조(4)와 이차 침전지(10)로 이루어지며, 폐수가 일차 침전지(2)에서 고액분리되어 상징수는 호기조 I(7)의 질산화수를 무산소조 I(5)로, 이차 침전지(10)의 슬러지의 일부를 호기조 I(7)로 각각 내부반송시키면서 무산소조 I(5), 혐기조(6), 호기조 I(7), 무산소조 II(8), 호기조 II(9)를 순차적으로 거치면서 처리되어 이차 침전지(10)에서 슬러지와 분리된 후 배출되고, 일차 침전지(2)에서 고액분리된 일차 슬러지는 산발효조(3)에서 산발효 된 후, 저장조(4)에서 상징액을 분리하여 혐기조(6)와 무산소조 II(8)로 공급된다.

상기 본 발명의 구성요소를 크게 기능별로 그룹화하면 무산소조 I과 혐기조와 호기조 I로 이루어지며 유기성 질소와 암모니아성 질소가 질산화되고 내부 탄소원을 사용하여 질소가 제거되는 전탈질 공정과; 무산소조 II와 호기조 II로 이루어지며 산발효조에서 공급되는 외부 탄소원을 사용하여 질소가 제거되는 후탈질 공정과; 산발효조와 저장조로 이루어지며 일차 슬러지를 발효시켜 후탈질 공정(및 전탈질 공정)에 탄소원을 공급하는 산발효 공정으로 그룹화된다.

본 발명의 구성을 도 1을 사용하여 폐수의 흐름을 따라가며 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

일차 침전지(2)에서는 유입되는 폐수 원수의 고액분리가 이루어진다. 상징수는 무산소조 I로 유입되고, 일차 슬러지는 산발효조로 유입된다.

무산소조 I(5)에서는 유입폐수 내에 존재하는 탄소원을 이용하여 호기조 I(7)에서 반송된 질산화수의 탈질이 일어난다. 이는 종래기술과 비교할 때 가장 특징적인 차이점으로, 기존의 후탈질 공정은 기존의 후탈질 공정이 외부 탄소원에 전적으로 의존하는데 비하여 본 발명은 폐수에 함유된 탄소원을 사용한다는 점에서 다르고, 기존 전탈질 공정과는 기존의 전탈질 공정의 질산화수 반송율이 원수유량의 200∼400%임에 비하여 본 발명은 반송율 100% 내외라는 점이 다르다. 질산화수의 반송율이 작아지면 반송에 따라 감소되는 실체류시간의 감소폭이 작아지게 되므로 반응기의 용적을 줄일 수 있다. 뿐만 아니라 반송율이 작아지면 무산소조 I(5) 내의 유기물의 농도를 고농도로 유지할 수 있으므로 탈질 반응 속도를 높게 유지할 수 있어 반응조의 용적을 더욱 줄일 수 있다.

혐기조(6)에서는 미생물에 의한 인방출이 일어난다. 혐기조(6)를 무산소조 I(5)의 후단에 설치한 것은 인방출시 질산성 질소와 아질산성 질소의 간섭을 피하고자 함이다. 인제거에 관여하는 미생물은 혐기조건에서 PHB를 축적하면서 인을 방출하는데 이때 구조가 간단하고 분해가 쉬운 유기산을 이용하므로 폐수 내의 유기물보다는 산발효조에서 생성된 유기산이 훨씬 더 효율적으로 이용될 수 있다. 따라서, 선택적으로 저장조(3)의 산발효 상징액의 일부를 혐기조(6)로 공급한다. 일차 슬러지를 산발효시키면 주로 아세트산, 부틸산, 발레르산 등이 생성되는데 이러한 유기산들은 보다 쉽게 인제거 미생물이 이용할 수 있기 때문이다.

호기조 I(7)에서는 무산소조 I(5)와 혐기조(6)에서 생성된 암모니아성 질소와 유기성 질소의 질산화가 이루어진다. 호기조 I의 질산화수는 무산소조 I(5)로 반송되어 유입수 내에 함유되어 있는 탄소원을 이용하여 탈질된다. 이 때 재순환율은 유입수량의 50∼150%가 되도록 한다. 또한, 호기조 I(7)에서는 혐기조(6)에서 미생물에 의해 방출된 인이 축적되어 제거되는데 호기조 I에서 무산소조 I(5)로 질산화수를 재순환시킴으로써 인의 방출과 축적이 반복적으로 일어나게 하여 인의 과잉섭취가 일어나게 한다. 한편, 이차 슬러지가 이차 침전지(10)로부터 호기조 I(7)로 반송된다. 이는 종래기술과 특징적으로 다른 또 하나의 차이점인데 이는 무산소조 I(5)와 혐기조(6)가 이차슬러지 내에 포함된 DO의 영향을 받지 않게 하고, 반송슬러지에 의한 반응조의 실체류시간 감소를 최소화하기 위함이다.

무산소조 II(8)에서는 저장조(4)에서 공급되는 산발효 상징액에 함유된 유기산을 전자공여체로 사용하여 호기조 I(7)에서 질산화된 질산성 질소와 아질산성 질소의 탈질이 이루어진다. 무산소조 I(5)에서 내부 탄소원을 사용하여 약 50% 정도의 질소가 제거되기 때문에 종래기술에 비하여 약 절반의 외부 탄소원을 공급하는 것만으로도 거의 완벽한 탈질이 가능하게 된다. 따라서, 본 발명에 의하면 산발효조의 용적도 상당히 줄일 수 있는 잇점이 있다.

호기조 II(9)에서는 무산소조 II(8)로부터 유입되는 혼합액의 DO를 2㎎/ℓ이상으로 증가시켜 이차 침전지(10)에서의 슬러지 침강성을 개선하고 인의 축적이 이루어진다. 호기조 II는 폭기조의 형태가 바람직하다.

이차 침전지(10)에서는 호기조 II(9)로부터 유입되는 혼합액이 상징액과 슬러지로 분리된다. 상징액을 최종적으로 방류되고, 침강 슬러지는 일부는 폐기되고 나머지는 전단 호기조 I(7)로 반송된다.

산발효조(3)에서는 일차 침전지(2)에서 유입된 일차 슬러지의 산발효가 이루어진다. 체류시간은 1∼2일 정도이고, 산발효된 혼합액은 고액분리되어 상징액은 저장조(4)에 저장되었다가 무산소조 II(8)[및 혐기조(6)]로 공급된다. 산발효 혼합액은 마이크로시이브(micro sieve)를 사용하여 분리한다.

본 발명의 구성은 다음의 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.

<실시예>

(1) 반응 조건

반응기 용적이 각각 무산소조 I = 8ℓ, 혐기조 = 4ℓ, 호기조 I = 12ℓ, 무산소조 II = 8ℓ, 호기조 = 4ℓ, 산발효조(3) = 2ℓ인 시스템을 구성하여 5회에 걸쳐 실험하였다. 무산소조 I, 혐기조, 무산소조 II 및 산발효조에는 교반장치를 설치하였으며, 폐수와 산발효액은 정량펌프로 공급하였다.

폐수는 시간당 4ℓ씩 공급하였으며 호기조 I로부터 무산소조 I로의 질산화수 반송율은 100%(4ℓ/시간)로 하였다. 이차 침전지의 슬러지는 모두 호기조 I로 반송하였으며(100%), 산발효조(3)로 유입되는 일차 슬러지는 하수처리장의 채취하여 시간당 40㎖씩(폐수 유량의 1%) 별도로 공급하였다.

(2) 폐수 및 일차 슬러지 시료

폐수는 서울시 강서구 가양동에 위치한 가양환경사업소의 일차 침전지를 거친 하수를 사용하였고, 산발효조에 유입되는 일차 슬러지는 경기도 성남시 성남환경사업소의 일차 슬러지를 사용하였다. 그 성상은 각각 [표 1] 및 [표 2]와 같다.

항목	유입하수성상
pH	7.1∼7.4
DO(mg/L)	0.7∼0.9
Alkalinity(mgCaCO3/L)	125∼220
TSS(mg/L)	80∼180
VSS(mg/L)	60∼150
TCODCr(mg/L)	130∼180
SCODCr(mg/L)	60∼120
BOD5(mg/L)	55∼105
TKN(mgN/L)	22∼29
Ammonia(mgN/L)	14∼20
T-P(mg/L)	1.3∼3.1

항목	유입슬러지 성상
pH	5.3∼6.2
ORP(mV)	-233∼-38
Alkalinity(mgCaCO3/L)	425∼1570
TS(mg/L)	16,000∼39,000
VS(mg/L)	11,650∼21,450
TSS(mg/L)	15,900∼34,800
VSS(mg/L)	11,400∼18,700
TCODCr(mg/L)	22,300∼45,000
SCODCr(mg/L)	2,300∼4,340

상기 조건(체류시간 = 9시간)에서 내부 반송율을 100%로 하여 시료 폐수를 처리한 결과, 다음 [표 3]에서 보는 바와 같이 5회 평균 제거율을 보면 유기물(BOD5)의 약 94%, 총질소(TKN)의 84%, 총인(T-P)의 75%가 제거되었다. 이는 종래의 방법(전탈질 공정)에 의한 질소 제거율 70%보다 높은 것이다.

유출수의 성분은 다음 [표 3]에 기재하였다.

항목	처리수 성상	5회 평균제거율(%)
pH	7.6∼7.9	-
DO(mg/L)	2.8∼4.5	-
Alkalinity(mgCaCO3/L)	118∼135	-
TSS(mg/L)	6∼12	92
VSS(mg/L)	4∼10	90
TCODCr(mg/L)	14∼21	88
SCODCr(mg/L)	11∼15	86
BOD5(mg/L)	2∼4	94
TKN(mgN/L)	2∼4	84
Ammonia(mgN/L)	2∼3	82
T-P(mg/L)	0.5∼0.8	75

종래의 후탈질 공정과는 달리 외부에서 탄소원을 별도로 공급하지 않고, 종래의 전탈질 공정과는 달리 내부 반송율이 높지 않음에도 불구하고(50∼150%) 고효율로 C/N비 및 C/P비가 낮은 하수로부터 유기물과 질소와 인을 제거할 수 있다. 따라서, 유지비 및 시설비가 적게 들어 경제적이다.

Claims (4)

1. 일차 침전지(2)와 2개의 무산소조(5,8)와 혐기조(6)와 2개의 호기조(7,9)와 산발효조(3)와 저장조(4)와 이차 침전지(10)로 이루어지며, 폐수가 일차 침전지(2)에서 고액분리되어 상징수는 호기조 I(7)의 질산화수를 무산소조 I(5)로, 이차 침전지(10)의 슬러지의 일부를 호기조 I(7)로 각각 내부반송시키면서 무산소조 I(5), 혐기조(6), 호기조 I(7), 무산소조 II(8), 호기조 II(9)를 순차적으로 거치면서 처리되어 이차 침전지(10)에서 슬러지와 분리된 후 배출되고, 일차 침전지(2)에서 고액분리된 일차 슬러지는 산발효조(3)에서 산발효된 후, 저장조(4)에서 상징액을 분리하여 혐기조(6)와 무산소조 II(8)로 공급 것을 특징으로 하는 질소/인 동시제거 시스템.
2. 제1항에 있어서, 저장조(3)로부터 무산소조 II(8)로 공급하는 산발효 상징액의 일부를 혐기조(6)로 공급하는 것을 특징으로 하는 질소/인 동시제거 시스템.
3. 제1항에 있어서, 호기조 I(7)에서 무산소조 I(5)로 반송하는 질산화수의 유량이 유입폐수유량의 50∼150%인 것을 특징으로 하는 질소/인 동시제거 시스템.
4. 제1항에 있어서, 산발효조(3)에서 마이크로 시브(micro sieve)를 사용하여 고액분리를 하는 것을 특징으로 하는 질소/인 동시제거 시스템.