KR100393921B1

KR100393921B1 - 부식화 반응에 의한 오·폐수의 고도처리공정

Info

Publication number: KR100393921B1
Application number: KR10-2001-0003803A
Authority: KR
Inventors: 이성일; 허우영
Original assignee: 이성일; 허우영
Priority date: 2001-01-26
Filing date: 2001-01-26
Publication date: 2003-08-06
Also published as: KR20020063066A

Abstract

본 발명은 유입된 오·폐수를 유량조정조(2)에 도입시키며, 악취제거와 병원균 길항작용을 하도록 농축상등수가 반송배관(61)을 통해 반송유입시키는 스크린조(1); 상기 스크린조(1)로부터 도입된 유입수 BOD당량당 100∼500mg/l의 양으로 활성규산염이 투입되고, 용존산소농도를 1.0mg/l 전후 유지시키며, 침전오니가 반송배관(51)을 통해 반송(반송율 50~100%) 유입되는 유량조정조(2); 상기 유량조정조(2)를 거친 유입수를 용존산소농도 0∼0.1mg/l, 온도 4∼45℃, pH는 6∼8, MLSS는 5000∼8000mg/l로 운전하여 거대분자화, 고분자화 시키는 미혐기조(3); 상기 미혐기조(3)로부터 유입된 처리수를 용존산소농도 0.1∼0.5mg/l, 온도 4∼45℃, pH는 6∼8, MLSS는 5000∼10000mg/l로 운전하여 고분자화(부식 전구단계), 부식화 시키며 처리수를 반송배관(41)을 통해 상기 미혐기조(3)로 반송(반송율 100%)시키는 미호기조(4); 상기 미호기조(4)의 유출수가 고액분리되어 처리수는 방류 또는 재자원화하고, 침전오니는 반송배관(51)을 통하여 상기 유량조정조(2)로 반송되며, 일부는 침전오니 유출배관(52)을 거쳐 농축조로 보내는 침전조(5); 상기 침전오니는 농축되어 상등수는 전량 농축상등수 반송배관(61)을 통해 스크린조(1)로 반송되며, 농축오니의 일부는 농축오니 유출배관(62)을 통해 부식오니 배양조(7)로 유입시키는 농축조(6); 내부에 고형 생물촉매 충진제와 고형 규산충진제가 충진된 고상충진부(13)가 위치하고, 상기 농축조(6)로부터 유입된 농축오니를 부식화시키는 배양조(7); 및 상기 배양조(7)로부터 유입된 부식오니를 저장하고, 상기 부식오니를반송배관(81)을 통해 미혐기조(3)로 반송시키는 저장조(8)을 포함하는 부식화 반응에 의한 오·폐수의 고도처리공정에 관한 것이다. 본 발명은 토양성 미생물군을 농축후 증식하여 부식오니를 생산하고, 상기 부식오니를 처리 시스템계에 반영함으로써 보다 효과적이고 철저한 부식화 반응을 실현하여 유기물, 질소, 인 제거 및 악취, 병원균 제거와 아울러 처리수와 부산물을 재자원화 할 수 있다.

Description

부식화 반응에 의한 오·폐수의 고도처리공정{Process for Sewage treatment by humix reaction}

본 발명은 하수 오.페수의 처리에 있어서 토양부식화 반응을 이용하여 유기물, 질소, 인 제거 및 악취, 병원균 제거와 아울러 처리수와 부산물을 재자원화 할 수 있는 부식화 반응에 의한 오·폐수의 고도처리공정에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 토양성 미생물군을 농축후 증식하여 부식오니를 생산하고, 상기 부식오니를 처리 시스템계에 반영함으로써 보다 효과적이고 철저한 부식화 반응을 실현하여 유기물, 질소, 인 제거 및 악취, 병원균 제거와 아울러 처리수와 부산물을 재자원화 할 수 있는 부식화 반응에 의한 오·폐수의 물리화학 생물학적 고도처리공정에 관한 것이다.

하수 및 오·폐수의 처리방법에 있어서 유기물, 영양염류, 냄새, 병원균 등을 제거하기 위한 많은 공정(Process)이 개발 적용되었다. 그 중 활성오니법은 호기성 산화하여 저분자화시키는 유기물 제거에만 초점이 맞추어져 있는 생물학적 처리방법으로서 개발된후 하수, 오·폐수 처리의 대부분에 적용되어진 근간 기술임에 의심할 여지가 없다.

그러나 이 활성오니법과 그 변법인 장기폭기법, 스텝 에어레이션(StepAeration)법, 접촉산환법, 회전원판법, 살수여상법, 순산소법 등은 호기성 미생물을 이용한 호기성 생물학적 처리방법으로서, 유기물을 분해, 산화, 섭식, 침강시켜 처리함으로 유기물의 변성회로중 가스화, 부패화, 산화 분해하는 저분자 회로로서 유기물 제거효율은 만족하나 처리수의 부패, 질소, 인 제거효율의 미흡, 살균시설 별도 필요, 오니의 부패, 과다한 오니발생량, 및 오니 응집제가 필요하며, 오니의 자원화가 불가하고, 오니의 농축·소화조가 필요하며, 설치비 및 소요부지가 넓고, 처리 시스템이 복잡하며, 운전관리의 어려움, 운전인력 과다, 및 운전경비가 많이 발생하고, 심한 악취, 별도 악취제거시설 필요, 방류하천 생태계의 부영양화 유발 등 여러 단점들이 지적되어 왔다.

또한 하수, 오·폐수의 부영양화 원인 물질인 질소, 인을 제거하기 위한 여러 공법들이 개발되어 왔다. 이를테면, A/O법, A²/O법, UCT법, SBR법, VIP법, MLE법, 바덴포(Bardenpo)법 등이 그것이다.

이러한 공법들은 용존성 및 입자상의 암모니아 또는 유기질소의 형태로 존재하는 질소나 인을 여러 단계의 처리공정을 거치면서 보다 효과적으로 제거될 수 있도록 개발되었다. 그러나 이 대부분의 처리기작은 질소의 경우 호기성 조건에서 질화균에 의해 질산화하고, 무산소 조건에서 탈질균에 의해 탈질하여 대기 방출하고, 인의 경우 혐기성 상태에서 인 방출하고 호기성 상태에서 과잉 인 제거하는 인의 과잉섭취(Luxury Uptake)이론을 채택하고 있다.

질산화는 니트로소모나스(Nitrosomonas)가 암모니아를 산소(O₂)를 사용하여아질산으로 변화시키고, 니트로박터(Nitrobactor)가 아질산을 질산으로 변화시키며 그 반응과정은 하기 반응식 1과 같다.

NH₄ ⁺+1.83O₂+1.98HCO₃ ^-→ 0.021C₅H₇NO₂+1.041H₂O+0.98NO₃ ^-+1.88H₂CO₃

탈질은 슈도모나스(Pseudomonas), 미크로코쿠스(Micrococus), 아크로모박터 (Archromobacter), 티오바실루스(Thiobacillus), 바실러스(Bacillus) 등의 미생물이 관여하며 환원효소(Reductase)를 가지고 있어 질소로 환원시킬 수 있다.

이 미생물은 무산소 상태에서 탄소원을 전자공여체로 하고 질산화물을 전자수용체로 이용하는데 이때 유리산소가 존재할 경우 이것을 이용할 수 있으므로 탈질율의 저하를 초래하게 된다. 이와같은 성질 때문에 탈질균을 통성 호기성 박테리아라고 한다. 인의 과잉섭취(Luxury Uptake)는 혐기상태에서 인 제거 미생물이 세포 내에 축적되어 있던 폴리(Poly)-P를 분해하여 에너지를 얻고, 이 에너지를 이용하여 유기산을 섭취하여 폴리-β-히드록시부틸산(PHB)의 형태로 저장하고 유리된 정인산 (Orthophosphate)을 체외로 방출한다. 호기성 상태로 바뀌면 인 제거 미생물은 저장해 두었던 PHB를 분해하여 ATP을 합성하고 이를 이용하여 정인산을 섭취하여 폴리-P를 합성한다. 이 미생물은 아시네토박터(Acinetobacter), 미크로코쿠스, 슈도모나스 등이 있으며, 생물학적 인 제거를 위해서는 충분한 양의 유기물을 필요로 한다. 그러나 이러한 공정들은 공사비용의 증가, 운전비용의 증가, 처리과정의 복잡, 처리효율의 저하 등 여러 단점이 내재해 있었으며, 또한 악취제거를 원천적으로 수행할 수 없었다.

또한 하수·오수 등 유기성 폐수처리에 있어서 토양미생물을 이용한 처리방법과 바실러스균을 이용한 처리방법 등이 알려져 있다. 토양미생물을 이용한 처리방법은 토양미생물을 배양조에서 배양한 후 처리장에 주입시켜 처리하는 방법이다. 이 방법은 토양미생물을 호기성 조건에서 배양하는 것으로서 이것은 토양미생물을 단지 증식과 포자관계에서만 배양함으로써 그 포자오니의 개체수가 적고 정화능이 발휘되지 못함으로서 여러 문제점과 효율적 처리에 한계가 있었다. 그리고 처리장내에서의 처리조건도 토양미생물의 처리기작과 아울러 활성오니법에 의한 호기성 미생물의 처리기능을 합한 형태를 유지함에 따라 완벽한 처리를 할 수가 없었다.

이러한 기술과 관련된 선행기술로는 한국 특허출원 제99-24285호, 제97-22715호, 제97-46746호, 제98-37732호, 제99-1147호, 제99-9977호, 제99-8048호, 제99-12013호, 및 제99-18203호 등이 있다.

한편, 상술한 선행기술의 한계성과 문제점은 완벽한 탈취의 불가, 영양염류인 질소와 인의 처리효율 저하, 처리수의 재자원화 불가, 오니의 퇴비사용의 한계성 내재, 여러단의 폭기조 사용과 폭기조의 용적이 커짐, 불필요하게 폭기를 많이 실시함에 따른 전력비의 증가 등 어려움이 있었다.

상기 방법은 부식화 메카니즘, 즉, 부식화 반응의 원리를 완전히 적용치 못한 것으로서, 토양성 미생물군의 증식과 포자 그리고 발아와 균체증식을 통하여 유기물의 흡착, 분해, 응집, 거대분자화와 이와 관련된 부식전구물질과의 반응, 그리고 규산염과 규산염 분해미생물 또한 이의 존재하에 진행되는 부식화의 단계를 적용치 않고, 단지 토양성 미생물군이 빈 영양 상태에서 자신의 생존을 위하여 분비한 대사산물인 석탄산기(페놀기) 또는 석탄산 노출기(페놀 노출기)의 물리 화학적 성질에 의한 응집, 거대분자화, 고분자화에만 주안점을 두고 있어, 토양미생물의 부식화 반응을 도외시함으로써 그 방법에 한계가 있다고 여겨진다.

아울러, 바실러스균을 배양하여 하수, 오·폐수를 처리하는 방법이 알려져 있는데, 이것은 토양성 미생물군 중 바실러스균을 선별 우점종 증식시켜 처리장에 도입한 후 처리하는 방법으로서, 바실러스균을 사상체, 증식, 포자, 발아 관계를 대체적으로 잘 적용시켜 유기물, 질소, 인의 처리효율은 좋은 편이나, 포기조의 크기가 크고 여러 단이 필요하며, 토양성 미생물군이 복합균으로서 그 효능이 보다 다양하고 광범위하다는 측면을 도외시하게 됨으로서 완벽한 악취제거와 병원균제거, 처리수의 재이용 그리고 오니의 재자원화에 한계성을 갖게 되었다.

이에 본 발명에서는 하수, 오·폐수도 자원이라는 인식에 기초하여, 부식화 메카니즘을 이용한 응집토양화 기술에서, 정확한 토양화 반응을 연속적으로 유지시켜 주는 배양기 및 처리 시스템을 구축함으로서, 유기물질, 질소, 인의 제거, 악취제거 및 무취화 처리장 구현하고, 처리수는 생리활성물질, 성장촉진물질, 항생물질이 함유되어 농업용수, 중수 및 기타용도로 재이용하며, 오니는 부패하지 않도록 병원균과 악취를 제거하고 안정화시켜 각종 오·폐수의 종오니, 매립장의 조기 안정화 및 악취제거 기여, 토양복토제, 토양개량제, 퇴비 등으로 재자원화 할 수 있도록 하는, 부식화 반응을 이용한 고도처리와 그 처리물의 재자원화를 실현할 수있었고, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 하수, 오·폐수도 중요한 자원이라는 인식 하에, 토양성 미생물군을 이용한 부식화 반응을 적용하여, 하수, 오·폐수의 고도처리 및 그 결과물인 처리수와 오니를 재자원화 할 수 있는 부식화 반응에 의한 오·폐수의 고도처리공정을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부식화 반응에 의한 오·폐수의 고도처리공정은 유입된 오·폐수를 유량조정조에 도입시키며, 악취제거와 병원균 길항작용을 하도록 농축상등수가 반송배관을 통해 반송유입시키는 스크린조; 상기 스크린조로부터 도입된 유입수 BOD당량당 100∼500mg/l의 양으로 활성규산염이 투입되고, 용존산소농도를 1.0mg/l 전후 유지시키며, 침전오니가 반송배관을 통해 반송(반송율 50~100%) 유입되는 유량조정조; 상기 유량조정조를 거친 유입수를 용존산소농도 0∼0.1mg/l, 온도 4∼45℃, pH는 6∼8, MLSS는 5000∼8000mg/l로 운전하여 거대분자화, 고분자화 시키는 미혐기조; 상기 미혐기조로부터 유입된 처리수를 용존산소농도 0.1∼0.5mg/l, 온도 4∼45℃, pH는 6∼8, MLSS는 5000∼10000mg/l로 운전하여 고분자화(부식 전구단계), 부식화 시키며, 처리수를 반송배관을 통해 상기 미혐기조로 반송(반송율 100%)시키는 미호기조; 상기 미호기조의 유출수가 고액분리되어 처리수는 방류 또는 재자원화하고, 침전오니는 반송배관을 통하여 상기 유량조정조로 반송되며, 일부는 침전오니 유출배관을 거쳐 농축조로 보내는 침전조; 상기 침전오니는 농축되어 상등수는 전량 농축상등수 반송배관을 통해 스크린조로 반송되며, 농축오니의 일부는 농축오니 유출배관을 통해 부식오니 배양조로 유입시키는 농축조; 내부에 고형 생물촉매 충진제와 고형 규산충진제가 충진된 고상충진부가 위치하고, 상기 농축조로부터 유입된 농축오니를 부식시키는 배양조; 및 상기 배양조로부터 유입된 부식오니를 저장하고, 상기 부식오니를 반송배관을 통해 미혐기조로 반송시키는 저장조을 포함한다.

도 1은 본 발명에 따라 오·폐수를 처리하는 계통을 개략적으로 나타낸 블럭도이다.

도 2는 본 발명에 따른 고도처리공정의 바람직한 일 실시예를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※

1. 스크린조 2. 유량조정조

3. 미혐기조 4. 미호기조

5. 침전조 6. 농축조

7. 부식오니 배양조 8. 부식오니 저장조

9. 첨가제 10. 유량조정조 수중 폭기기

11. 미혐기조 수중 폭기기 12. 미호기조 수중 폭기기

13. 고상충진부 14. 배양조 수중 폭기기

15. 저장조 산기장치 21. 유량조정조 유출배관

41. 미혐기조 반송배관 42. 미혐기조 유출배관

51. 침전오니 반송배관 52. 침전오니 유출배관

61. 농축상등수 반송배관 62. 농축오니 유출배관

63. 잉여오니 유출배관 71. 부식오니 유출배관

81. 부식오니 반송배관

이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따라 오·폐수를 처리하는 계통을 개략적으로 나타낸 블럭도로서, 본 발명의 처리공정은 크게 배양계통과 처리계통으로 대별된다.

도 1을 참조하면, 배양계통은 도 1에서 후단부에 해당하는 과정으로, 농축오니를 배양기에서 토양미생물군의 증식 →포자 →발아 →균체증식을 수행시켜 저장조에 담았다가 일정량씩 24시간 균일하게 처리장의 미혐기조로 반송하는 계통으로서, 여기서의 특징은 침전오니를 배양하는 것이 아니라 농축오니를 배양하며, 배양의 조건이 호기성 상태가 아니고 미호기, 미혐기 생태를 연속적으로 수행한 것으로서 그 균체수와 정화능력을 극대화한 것이다. 본 발명에 있어서, 미호기 또는 미혐기 상태라 함은 완전한 호기 또는 혐기 상태는 아니지만 통상의 호기 또는 혐기 상태에 가까운 조건을 의미한다.

한편, 처리계통은 도 1에서 선단부에 해당하는 과정으로 기본적으로 스크린조 →유량조정조 →미혐기조 또는 미호기조→미호기조 또는 미혐기조 →침전조로 수행되며, 침전오니의 일부는 유량조정조로 반송되고 나머지 침전오니는 농축조로보내진다.

이 계통에서의 특징은 미호기조 또는 미혐기조 즉 후단에서 미혐기조 또는 미호기조 즉 전단으로 반송되고, 유량조정조에는 첨가제가 투입되며, 농축조의 상등수가 스크린조에 반송되는 것이며, 특히 유입하수, 오·폐수의 성상과 중점으로 처리하고자 하는 오염물질의 종류에 따라 그 처리기능을 달리 할 수 있도록 조정 전환할 수 있다. 이는 미혐기조를 미호기조로 전환하고 미호기조를 미혐기조로 동시에 전환함으로써 간단히 해결된다. 또한 유입량의 변화가 극심하여 변동 및 충격부하를 받을 수밖에 없는 경우 2개조 모두를 미호기조로 전환함으로써 안정적인 처리효율을 달성 가능케 하는데 큰 특징이 있다.

유입수는 첫 번째로 스크린조를 통과하면서 과대 고형물질은 스크린을 통해 걸러지고 곧바로 유량조정조로 유입된다. 이때 오니농축조로부터 상등수가 동시에 유입되는데, 이 농축상등수는 부식화가 진행되었으므로 유입수의 악취제거와 파리와 병원균을 근절하는 효과가 있다.

스크린조의 경우 바람직하게는 하이드라시스(Hydrasieve) 스크린이 유효하다. 유량조정조는 부패방지와 유량의 균등한 조정 역할을 하게되는데 여기에 침전오니의 반송(50∼100%)과 첨가제가 투입된다. 운전조건은 용존산소농도 1.0 mg/l 전후로 호기적 상태로 수행하며 폭기와 교반을 동시에 하되 동력비 절감과 산소효율 증대를 위하여 수중폭기기를 저면에 설치하는 것이 바람직하다. 유량조정조에 도입된 원수는 분해되지 않는 초기상태의 유기물로서, 분해되기 쉬운 부분부터 미생물에 의한 발효 분해를 받게된다. 이 발효 분해는 분해의 개시단계이며, 다음부식화 반응을 위한 사전단계로서 중요한 역할을 하므로, 부패발효와 같은 혐기분해를 하게되면 부식화 반응에 영향을 주기 때문에 용존산소농도를 1.0 mg/l 전후 유지하여, 사전에 호기적 조건에서 미리 분해 처리하여 주는 것이 대단히 중요한 포인트이다.

또한 이 유량조정조에 활성규산염의 첨가제를 투입하는데, 이는 부식화 과정이 반드시 규산염의 존재하에 토양성 미생물군의 작용을 받아 고분자화 및 부식화를 수행하기 때문이며, 그 투입율은 유입 BOD당량당 100∼500 mg/l 이 바람직하다. 좀더 상세하게는 유기물의 부식화는 토양미생물군의 대사기능과 대사기능의 유도에 큰 역할을 하는 규산염의 존재에 의해, 혐기적 조건하에서 방향족 구성물질이 형성되고 고분자화되어 최종적으로는 토양의 안정적 물질로서 부식되는 것이다.

유량조정조에는 원수와 부식화가 진행되어 토양성 통성 혐기성미생물과 토양성 호기성 미생물이 포함된 침전조의 반송오니가 반응하게 되며, 이때 활성규산염을 첨가함으로서 발효 분해와 더불어 사전 부식화 반응도 수행하므로, 전반적으로 악취가 제거되고 30% 정도의 사전 유기물 제거효율도 달성하게 되는 특징이 있다.

그 다음은 유량조정조에서 미혐기조로 유입하게 되는데, 이조의 조작조건은 용존산소농도 0∼0.1mg/l, 온도 4∼45℃, pH는 6∼8, MLSS는 유입부하량에 따라 달리하나 대략 5000∼8000mg/l의 고농도로 수행하게 된다.

이와 같이 유량조정조 다음에 미혐기조를 위치시키는 방법이 본 발명의 특징중 하나인 바, 이것은 부식화 반응을 이용한 수처리 공정에서 가장 배려해야 할 사항이 증식속도가 느린 혐기성 미생물이며 특히 규산염을 분해해 토양화를 시작케하는 세균군이라는 것에 주목한 것이다.

따라서, 규산염을 분해하는 세균군을 중심으로한 편성 혐기성 미생물군이 잘 증식할 수 있게끔 미혐기조를 설치한 것이며, 이로써 후단에서의 부식화 반응이 절정에 이룰 수 있도록 유도된다. 좀더 상세하게는 부식화 초기단계의 환경정화 활동이 미혐기 상태에서 수행되며, 편성 혐기성 미생물의 일종인 규산염 분해세균의 증식 여부에 따라 이 처리시스템이 부패발효(저분자화)가 될지 부식화(고분자화)로 되어갈지 중요한 고비가 되는 것이다.

이 규산염 분해세균은 바실러스 무치자기노서스(Bacillus mucijaginosus), 박테리움 칼도티티서스(Bacterium caldotyticus), 프로티우스 밀라빌리스(Proteus milabilis) 등이 있으며, 규산염을 분해한 후 그 규소와 인 및 각종 미네랄을 원료로 하여 질소와 인을 고정하고 자신의 유기물로 합성하게 된다.

미혐기조를 거친 유입수는 다음 공정인 미호기조로 유입하게 되는데, 모든 반응과 제거 기작이 이 미호기조에서 집중적으로 수행된다. 운전조건은 용존산소농도 0.1∼0.5mg/l, 온도 4∼45℃, pH는 6∼8, MLSS는 5000∼10000mg/l의 고농도 운전이다. 특히 폭기는 간헐폭기방식이 바람직하며 이는 토양성 미생물군의 증식은 혐기적 조건을 주로 하기 때문이다. 수처리내에서의 부식화 메카니즘은 자연의 토양에서 일어나고 있는 유기물의 부식화에 의한 정화기능을 일정 조건하의 폐수 내에서 재현되도록 기법화한 것이다. 따라서 이 기법이 집중적으로 시현되는 미호기조에서의 세균은 방향족 구성대사 기능이 발현된 토양성 호기·혐기 미생물의 복합균이라 할 수 있다.

유입되는 유기물, 즉, 불용성 BOD는 이 운전조건하에서 분해 가능한 BOD로 토양성 미생물군에 의해 산화된다. 즉, 당질은 포도당, 지질은 유기산, 요산은 암모니아, 단백질은 아마노산을 거쳐 H₂S로 산화 분해되어 균체증식으로 합성된다.

그 후 잔존하는 용존성 유기물과 이온성 물질 등은 토양성 미생물이 빈 영양상태에서 생존수단으로 분비하는 점착성의 페놀기 또는 페놀노출기에 의해 결합, 입자화, 중합하게 되고 킬레이트 반응과 함께 축합으로 거대분자화, 즉, 고분자화(부식전구물질)되며, 이때 악취유발 이온성물질과 함께 T-N, T-P도 효율적으로 제거되면서 규산염이 있는 상태에서 서서히 중축합, 부식화되는 것이다.

이러한 제거 기작중 악취제거와 각종 병원균의 사멸작용을 기술하면, 용해된 악취물질은 곧바로 부식 전구물질과 미생물 대사산물과 결합하거나 흡착되어 액상에서 제거되고 흡착된 악취성분은 에너지원으로서 미생물의 증식에 이용된다. 한편 대사산물인 페놀기 또는 페놀노출기, 부식 전구물질에 의해 대장균, 부패군, 포도상구균 등이 살균되고 나아가 생체에 유해한 암모니아, 아민, 스카톨 등의 부패성 물질이 산화된다. 구체적으로는 염기성 취기를 발생시키는 우레아제 등의 효소를 불활성화시키며, 산성취기인 H₂S, 중성취기인 메틸메캅탄 등을 산화시켜 탈취하게 된다.

그리고 킬레이트화는 철, 알루미늄, 망간 그 밖의 원소와 부식물질이 내착화물(킬레이트화)이 되는 것으로서 토양화 반응의 특징적인 사항이며 이 내착화물은 그 촉매작용과 탈취작용이 뛰어나고, 여기에 소요되는 알루미늄 등의 금속이온은부식오니 배양조의 충진제에서 용출된다.

본 발명에서 미호기조는 간헐폭기 방식으로서 용존산소 0.1∼0.5mg/l로 운전되며, 예를 들어, 폭기 60분, 교반 60분을 교대로 수행한다. 또한 최고의 용존산소농도를 0.5mg/l으로 유지하게 됨으로서 1mg/l 이상에서 증식 가능한 니트로소모나스(니트로소모나스 유로패아)속 및 니트로박터(니트로박터 위노그라드스키)속 등의 질산화 미생물이 억제되어 질산화가 일어나지 않는 상태에서 전술한 바와 같이 암모니아성 질소 상태로 제거되며, 인 또한 0.5mg/l 부근에서 토양미생물에 의해 최대로 섭식당하게되며, 0.1mg/l 부근에서 거대분자화 및 고분자화되어 후단의 침전조에서 계면분리된다.

그리고, 미호기조에서 전단의 미혐기조로 내부 반송하여 처리되지 못한 유기물, 질소, 인 등의 오염물질을 재순환함으로서 완벽처리 하게되며 이때 처리수의 반송율은 100%정도가 유효하다.

본 발명의 특징은 미혐기 및 미호기의 처리과정에 있어 상호 전환 가능한 시스템(System)으로 구성시킨 것이다. 즉, 첫 번째 구성은 전단의 미혐기조를 미호기조로 전환하는 경우이다. 이것은 미호기조 2개를 병용 처리하게 되는 것인데 불필요하게 많이 진전된 부식화의 실현보다는 부식 전구단계까지만 처리하게 됨으로서 처리수를 농업용수나 식물의 성장촉진제로 재이용 하는 것과 농축오니를 퇴비화하는데 바람직하다.

두 번째 구성은 전단은 미호기조로 후단은 미혐기조로 전환하는 경우로서 이것은 질소농도는 높으나 인 농도는 높지 않은 유입수 즉 질소제거를 주안점으로 하는 경우를 처리하는데 주효하며 이의 처리수는 생물활성수나 중수계통으로 재이용 가능하고, 농축오니는 토양개량제나 토양복토제 또는 매립장의 조기안정제나 탈취제에 효과가 있다.

세 번째 구성으로서 전단은 미혐기조 후단은 미호기조로 전환하는 경우이다. 이것의 적용은 질소농도는 낮으나 인의 농도가 높은 유입수 즉 인제거를 주안점으로 하는 경우를 처리하는데 주효하며, 이의 처리수와 농축오니의 재이용 효과는 두 번째와 동일하다. 단 여기서 2개조 모두 미혐기조로의 전환은 수행하지 않는다.

그리고 첫 번째, 두 번째, 및 세번째 시스템 모두 조 저부의 수중폭기기를 폭기와 교반상태로 필요에 따라 전환함으로서 간단히 해결되며, 반드시 후단조에 전단조로 반송(100%)하여야 한다.

다음은 침전조로서, 전단부에서 고분자화 또는 부식화된 유입수를 고액분리하여 처리수는 방류 또는 재이용하고 침전오니는 유량조정조로 반송(50~100%)하게 되며, 일부 침전오니는 농축조로 보내지게 된다. 침전조에서의 고액분리는 침강속도가 빠르고 계면분리상태가 양호하며, 처리수는 병원균이 사멸되고 부패하지 않아 냄새가 없으며 생리활성물질, 성장촉진물질, 항생물질이 포함되어 있음과 동시에 처리수는 햇빛에 반사시키면 반짝반짝 빛나는 특징이 있다. 좀더 자세하게는 생리활성물질이란 비타민류로서 토양미생물의 생성물질인바, 예를 들면, 슈도모나스속이 생성하는 티아민, 니코친산, 피리토키신, 비치온 외에 효모 및 담자균이 생성하는 비타민 B₁₂, 리보후라빈, 판토덴, 파라아미노벤졸산 등이 있다.

성장촉진제는 호르몬류로서, 예를 들면, 아조토박터(Azotobacter)가 생성하는 오키신은 뿌리의 성장과 가지치기를 촉진시키고, 지베렐라(Gibberella)는 지베레린을 생성하여 식물의 생육과 개화를 촉진하고, 에그로박테리움(Agrobacterium)이 생성하는 사이토카이닌은 세포분열과 신장을 촉진하는 호르몬류이다. 이와 같이 토양성 미생물의 페놀계 대사산물중 방선균, 고등균류가 생성하는 헤트로오키신이나, 사상균, 톨루라(Torlula)속, 마이코톨루아(Mycotorlula)속의 효모 등이 생성하는 시베린, 기타 토양성 미생물이 생성하는 개미산, 조산, 프로피온산, 아스파라긴산, 후르산 등은 식물의 성장촉진기능이 있다. 또한 토양미생물도 그 종족이외에는 항균성을 갖기 위해 항생물질의 대사산물을 배출하게 되는데 그 미생물로는 방선균이 압도적으로 많으며, 토양미생물중의 방선균으로는 셀룰로스를 분해하는 노카디아 (Nocadia), 암모니아와 펙틴(Pectin)을 분해하는 스트렙토마이스(Streptomyces), 키틴(Chitin)을 분해하는 마이크로모너스포라(Micromononaspora) 등이 있고 토양미생물이 생성하는 항생물질의 종류로는 스트렙토마이신, 구로비스포린, 페니실린, 오레오마이신, 테라마이신 등이 있다.

그 다음공정으로, 침전조의 오니는 농축조로 유입되어 농축되어진 후, 일부는 배양조에서 토양성미생물로 배양되고 일부는 잉여오니로서 탈수한 후 재이용하게 된다.

그리고 농축조의 상등수는 전량 처리 시스템계의 최초 도입부인 스크린조로 반송함으로서 스크린조의 악취제거와 파리와 모기를 비롯한 병원균을 사전 박멸하고 위생적이고 무취화된 처리장을 구현하는데 이바지 하게된다. 이것은 농축상등수가 부식화가 진행된 산물이므로 악취제거와 살충효과가 있기 때문이다.

부식오니 배양조는 농축되어진 농축오니를 토양성 미생물로 유도하는 기능을 가지고 있으며, 이의 필요성은 고농도의 토양성 미생물군을 사전에 배양한 후 정량적으로 주공정인 미혐기조(전단)에 유입시킴으로서, 휠씬 빨리 토양부식화 반응을 실현하고자 하는데 있으며, 이와 같은 오니 배양조작은 표준활성오니법 등과 같은 저분자 산화처리법에서는 볼 수 없는 커다란 차이점이다.

부식배양조의 내부는 페놀계 대사기능을 하는 미생물의 밀도가 높고 대사산물의 농도가 짙은물질, 즉, 부식토, 토탄, 이탄 등을 부정형 고형화시킨 고형생물촉매충진제와 활성도 높은 불안정한 규산염이 첨가된 고형 규산충진제를 담고 있는 고상충진부가 있고, 그 중간에는 격간이 있으며 격간의 크기는 고상충진부 지름의 1/5정도이다. 부식배양조의 저부에는 폭기와 교반을 수행할 수 있는 수중폭기가 있고, 상부에는 조내부를 밀폐와 오픈(Open)을 유지할 수 있는 벤트 노즐(Vent Nozzle)을 갖고 있다.

배양조작조건은, 예를 들어, 1차 미호기상태, 즉, 용존산소농도 0.1∼0.5mg/l, 반응시간 11시간 30분, MLSS는 7000∼10000mg/l, pH 6∼8로 하여 토양성 미생물군을 증식 포자시킨다. 그 후, 30분 정도 정지상태로 있은 후, 2차로 미혐기상태, 즉, 용존산소농도 0.1mg/l이하, 반응시간 11시간30분, MLSS는 7000∼11000mg/l, pH 6∼8정도로 조작하여 토양성 미생물군을 발아, 균체증식시키게 된다.

상기 미혐기 조작은 상부 벤트노즐을 이용하여 밀봉상태에서 수행하며, 고농도로 균체수가 많아진 미생물 오니는 그 다음의 휴지기간 30분동안 배양조의 1/2을 저장조로 이송한다. 저장조에서는 폭기를 실시하며 조 용량의 1/2을 하루에 걸쳐 균등하게 미혐기조(전단)로 반송하여 부식화반응을 수행하게 된다. 이와 같이 배양된 부식오니, 즉, 토양성 미생물군을 처리 시스템계로 순환하는 공정을 반복함으로서 보다 완벽한 부식화 반응이 달성된다.

이하 본 발명의 바람직한 일 실시예를 도 2를 참조하여 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

하수, 오·폐수 등의 유입수는 스크린조(1)를 거쳐 유량조정조(2)에 도입된다. 스크린조(1)의 유입부에는 농축상등수가 반송배관(61)을 통해 반송유입됨으로서 악취제거와 병원균 길항작용을 하여 위생적이고 무취화처리장 구현이 시작된다. 유량조정조(2)에는 첨가제(9)로서 활성규산염이 투입되며, 투입율은 유입 BOD당량당 100∼500mg/l 이다. 조내의 용존산소농도 1.0mg/l 전후 유지와 균등조정의 역할을 위해 수중폭기기(10)를 설치한다. 첨가제(9)는 사전부식화를 수행하여 효과적인 유기물 부식화 반응으로 유도될 수 있도록 하는 역할을 한다. 또한 침전오니가 반송배관(51)을 통해 반송 유입되며 그 반송율은 50∼100%이다. 이와 같은 사전 부식화 반응을 통해 30%정도의 유기물 제거효율이 달성되며 무취화 처리장이 구현된다.

상기 유량조정조(2)의 유출수는 유량조정조 유출배관(21)을 통해 미혐기조 (3)로 유입된다. 미혐기조(3)의 운전조건은 용존산소농도 0∼0.1mg/l, 온도4∼45℃, pH는 6∼8, MLSS는 5000∼8000mg/l 이다. 미혐기조(3)의 조건은 규산염 분해세균인 편성 혐기성 미생물군이 증식하여 처리시스템 계통이 부패 발효(저분자화)계통으로 흐르지 않고, 부식화(고분자화)계통으로 유도될 수 있도록 하는 것이다. 미혐기조(3)의 저부에는 수중폭기기(11)를 설치하여 이 조건을 맞추도록 가동된다. 또한 후단조인 미호기조(4)에서 반송배관(41)을 통해 처리수를 반송 받게된다.

유입수는 미혐기조(3)의 처리후 미호기조(4)로 유입시킨다. 미호기조(4)의 운전조건은 용존산소농도 0.1∼0.5mg/l, 온도 4∼45℃, pH는 6∼8, MLSS는 5000∼10000mg/l이다. 폭기방식도 저부에 설치되어 있는 수중폭기기(12)를 통하여 간헐폭기 하게되며, 예를 들어, 폭기 60분, 교반 60분을 교대로 수행한다. 용존산소농도는 0.5mg/l에서 불용성 BOD의 산화와 미생물의 증식 및 유기성 질소성분과 인의 합성이 이루어진다. 즉, 토양성 미생물군에 의한 유기물 산화와 증식 및 응집 중합 작용이 시작된다. 그리고 용존산소농도 0.1mg/l에서 용존성 BOD, 이온성 물질, 악취 물질 등이 토양성 미생물이 내놓는 페놀기 또는 페놀노출기에 의해 중합·축합되고, 킬레이트화 반응에 의해 거대분자화 및 고분자화(부식 전구단계)된다. 이때 대사산물중의 항생물질에 의해 공생하던 대장균, 포도상구균, 살모넬라균 등의 비페놀성 균류가 사멸되고, 킬레이트(내착화물)화 반응에 의해 나머지 악취 물질과 이온물질이 제거되어 미생물의 먹이가 된다. 이와 같이 하여 유기물, 질소, 인, 악취, 부패균 등이 간헐포기에 의한 변화되는 용존산소 조건 속에서 효과적으로 제거되며, 특히 이 부식전구단계(고분자화)까지의 반응시간은 매우 짧다. 또한 미호기조에서 전단의 미혐기조(3)로 배관(41)을 통하여 처리수를 반송하게 되는데 이로서 부식화반응은 더욱 촉진된다. 이때의 반송율은 100%로 운전한다. 이때 토양성 미생물군의 대사산물중에 포함된 성장촉진물질, 생리활성물질 및 항생물질은 처리수와 오니의 재자원화에 기여한다.

본 발명은 미혐기조(3)와 미호기조(4)의 연계 수행에 있어서 처리코자 하는 유입수의 성상과 재자원화 하고자 하는 목적에 따라서 첫째 방법은 미혐기조(3)와 미호기조(4)를 모두 미호기조로 구성하기도 하고, 둘째 방법은 미호기조와 미혐기조로 구성하기도 하며, 셋째 방법은 미혐기조와 미호기조로 필요에 따라 신속히 구성할 수 있다는데 특징이 있다.

전술한 바와 같이, 첫째 방법은 처리수를 농업용수나 식물성장촉진제, 오니를 퇴비화 하고자 하는 목적에 부합되며, 둘째 방법은 유입수가 질소농도는 높으나 인 농도는 높지 않은 경우에 주효하며, 이의 처리수는 생물활성수, 중수 계통, 재이용오니는 토양개량제나 토양복토제 또는 매립장의 조기안정제, 탈취제에 효과 있으며, 셋째 방법은 유입수가 질소농도는 낮으나 인의 농도가 높은 유입수를 처리하는데 주효하며, 처리수와 오니의 재자원화 용도는 둘째 방법과 동일하다.

이 세가지 방법은 모두 미호기조(4)에서 미혐기조(3)로 처리수를 반드시 100% 반송하여야 하며 수중폭기기(11 및 12)는 각 조에서 요구되는 폭기 또는 교반상태를 선택적으로 수행하게 된다. 미호기조(4)의 유출수는 배관(42)을 통해 침전조(5)로 유입하여 고액분리하게되며, 처리수는 방류 또는 재자원화하고 그 침전오니는 반송배관(51)을 통하여 유량조정조(2)로 반송하고, 일부는 침전오니유출배관(52)을 거쳐 농축조로 보내진다. 침전조(5)에서는 계면분리가 확연할 정도로 침전이 급속히 확실히 수행되며, 처리수는 악취와 살균 및 안정화가 진행되었고, 햇빛에 반사되면 반짝반짝 빛나는 특징을 가지고 있다.

배관(52)을 통해 유입된 침전오니는 농축조(6)에서 농축되며, 농축오니는 탈수를 위하여 잉여오니 배출배관(63)을 통해 탈수기로 유입된 후 재자원화 된다. 농축오니는 부식화가 진행되었으므로 탈수를 위한 응집제 투여는 필요없다. 그리고 농축조의 상등수는 전량 농축상등수 반송배관(61)을 통해 유입수의 최초도입부 스크린조(1)로 반송된다.

상기 농축오니의 일부는 농축오니 유출배관(62)을 통해 부식오니 배양조(7)로 유입되어 다시 토양미생물로 우점 증식되게 된다. 배양조(7)은 내부에 고상충진부 (13)가 위치하고, 고상충진부(13)의 내부에는 고형 생물촉매충진제와 고형 규산충진제가 충진되어 있으며, 이 두충진제 사이에는 격간이 있고 격간의 크기는 고상충진부(13)의 1/5정도이고, 저부에는 수중폭기기(14)가 설치된다.

부식오니 배양조(7)의 배양조작조건은 용존산소농도 0.1∼0.5mg/l, 반응시간 약 11시간 30분, MLSS농도 7000∼10000mg/l, pH 6∼8로 하여 토양성 미생물군의 증식과 포자를 유도하고, 약 30분 휴지한 후 밀봉상태에서 용존산소농도 0.1mg/l이하, 반응시간 약 11시간 30분, MLSS농도 7000∼11000mg/l, pH 6∼8로 조작하여 토양성 미생물군의 발아와 균체증식을 유도한 후, 약 30분간 휴지한다. 이 30분 휴지기간 동안 배양조(7)의 1/2량을 부식오니 저장조(8)로 부식오니 유출배관(71)을 통해 보낸다. 부식오니 저장조(8)에서는 저부의 산기장치(15)를 이용하여 폭기를하면서 저장조(8)의 1/2량을 약 24시간 균등하게 부식오니 반송배관(81)을 통해 미혐기조 (3)로 반송시킨다.

본 발명은 유량조정조에 첨가제 투입, 폭기조를 2개조로 나누되 2조 모두 미호기조로 구성하거나, 미호기조 및 미혐기조, 또는 미혐기조 및 미호기조로 구성하여, 유입조건과 처리목적에 따라 운전할 수 있고, 배양조의 도입 오니가 농축 분리된 오니라는 것과, 최초의 유입수 도입부에 농축상등수를 반송하는 특징을 갖고 있으며, 이 처리시스템 구성으로 인하여 당초의 목적인 고도처리로 부터 처리수와 오니의 재자원화까지를 본 발명에 의하여 달성할 수 있다.

본 발명의 인하여 파급되는 효과로서, 우선 하수, 오·폐수처리장 자체에 대하여는 용적부하가 크고, 특히 고농도 처리에도 희석이 필요치 않으며, 부지면적 작고, 설비투자 적으며, 응집제가 필요치 않고, 변동부하나 충격부하에 강하고, 전력소비량 운전관리비가 기존활성오니법의 30%정도 경감되며, 기존처리장을 손쉽게 개조할 수 있으며 소화조, 소독조, 스컴제거장치, 별도의 탈취장치가 필요치 않으며 특히 악취가 없는 무취화 처리장을 실현함에 따라 근무자의 건강 위생적 근무환경이 향상되는 효과가 있다.

또한 유기물제거와 방류하천 생태계의 녹.적조원인 영양물질인 질소와 인을 효과적으로 제거할 수 있음은 물론, 그 처리수는 부식화 반응으로 대장균 등의 부패용 병원균이 사멸되고 악취가 제거되었으므로 오랜 기간 방치하여도 썩지 않고 오히려 생리활성물질, 성정촉진물질, 항생물질이 포함되어 있으므로 방류할 경우하천 생태계의 정화능력 향상, 농업용수, 중수, 생물활성수,기타 재이용수로 재자원화 가능하며 수환경 복원제로서의 효과가 있다.

또한, 농축조의 잉여오니는 각종 하수, 오·폐수 처리장의 종오니와 생쓰레기의 비료화 종오니, 탈수한 케이크는 토양복토제, 토양개량제, 매립장의 복토제로 사용 경우 탈취 및 조기안정화에 기여하며 퇴비화할 경우 별도의 발효공정 필요없고 토양환원후 2차 공해 없으며, 토양의 지력증진, 토양미생물의 영양공급원, 산성토양개량 등의 효과가 있는 등 토양환경복원제로의 가치가 있다.

아울러, 활성오니법과 그 변법(고도처리)으로 생물학적 호기산화(저분자화)처리하는 대다수의 국내외 하수, 오·폐수 처리장에서는 처리 공정상 CO₂, CH₄, N₂가스를 필연적으로 대기중에 방출하게 되는데, 이로 인해 지구의 온난화 현상이 더욱 가중된다. 대기중의 온실효과 유발능력(온난화 포텐셜)은 CO₂가 1일 경우, CH₄은 20∼30배, N₂O는 200∼300배가 되는데, 이는 부영양화에 의한 수질오염을 줄이기 위하여 대기오염을 2차로 유발시키는 역기능으로서 이에 대한 제어대책이 극히 요구되는 시점이다. 그러나, 본 발명은 질소, 인을 효과적으로 제거함과 동시에 탈질의 과정이나 혐기소화조의 과정 등이 없이 고분자 및 부식화하여 안정화함으로써 CH₄, N₂가스를 대기중에 방출하지 않으므로 지구 온난화 현상에 순기능으로 작용하는 또다른 커다란 효과가 있다.

Claims

유입된 오·폐수를 유량조정조(2)에 도입시키며, 악취제거와 병원균 길항작용을 하도록 농축상등수가 반송배관(61)을 통해 반송유입시키는 스크린조(1);

상기 스크린조(1)로부터 도입된 유입수 BOD당량당 100∼500mg/l의 양으로 활성규산염이 투입되고, 용존산소농도를 1.0mg/l 전후 유지시키며, 침전오니가 반송배관(51)을 통해 반송(반송율 50~100%) 유입되는 유량조정조(2);

상기 유량조정조(2)를 거친 유입수를 용존산소농도 0∼0.1mg/l, 온도 4∼45℃, pH는 6∼8, MLSS는 5000∼8000mg/l로 운전하여 부식화(고분자화)시키는 미혐기조(3);

상기 미혐기조(3)로부터 유입된 처리수를 용존산소농도 0.1∼0.5mg/l, 온도 4∼45℃, pH는 6∼8, MLSS는 5000∼10000mg/l로 운전하여 거대분자화 및 고분자화(부식 전구단계) 및 부식화 시키며, 처리수를 반송배관(41)을 통해 상기 미혐기조(3)로 반송(반송율 100%)시키는 미호기조(4);

상기 미호기조(4)의 유출수가 고액분리되어 처리수는 방류 또는 재자원화하고, 침전오니는 반송배관(51)을 통하여 상기 유량조정조(2)로 반송(반송율 50~100%)되며, 일부는 침전오니 유출배관(52)을 거쳐 농축조로 보내는 침전조(5);

상기 침전오니는 농축되어 상등수는 전량 농축상등수 반송배관(61)을 통해 스크린조(1)로 반송되며, 농축오니의 일부는 농축오니 유출배관(62)을 통해 부식오니 배양조(7)로 유입시키는 농축조(6);

내부에 고형 생물촉매 충진제와 고형 규산충진제가 충진된 고상충진부(13)가 위치하고, 상기 농축조(6)로부터 유입된 농축오니를 부식시켜 배양시키는 배양조(7); 및

상기 배양조(7)로부터 유입된 부식오니를 저장하고, 상기 부식오니를 반송배관(81)을 통해 미혐기조(3)로 반송시키는 저장조(8)을 포함하는 부식화 반응에 의한 오·폐수의 고도처리공정.
제1항에 있어서, 상기 미혐기조(3)를 용존산소농도 0.1∼0.5mg/l, 온도 4∼45℃, pH는 6∼8, MLSS는 5000∼10000mg/l로 운전되는 미호기조로 구성하는 것을 특징으로 하는 부식화 반응에 의한 오·폐수의 고도처리공정.
제1항에 있어서, 상기 미혐기조(3)를 용존산소농도 0.1∼0.5mg/l, 온도 4∼45℃, pH는 6∼8, MLSS는 5000∼10000mg/l로 운전되는 미호기조로 구성하고, 상기 미호기조(4)를 용존산소농도 0∼0.1mg/l, 온도 4∼45℃, pH는 6∼8, MLSS는 5000∼8000mg/l로 운전되는 미혐기조로 구성하는 것을 특징으로 하는 부식화 반응에 의한 오·폐수의 고도처리공정.