KR100398061B1

KR100398061B1 - 연계순환 간헐폭기법에 의한 유기물, 고형물, 질소 및인의 동시 제거방법

Info

Publication number: KR100398061B1
Application number: KR10-2000-0066241A
Authority: KR
Inventors: 박대원; 장원석
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2000-11-08
Filing date: 2000-11-08
Publication date: 2003-09-19
Also published as: KR20020036194A

Abstract

본 발명은 연계순환 간헐폭기법에 의한 유기물, 고형물, 질소 및 인의 동시 제거방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래 기술에 비해 별도의 다른 공법의 추가없이 혐기조, 간헐적으로 폭기와 비폭기가 번갈아 진행되어 무산소와 호기성 조건이 병행되는 2대의 침적여상 반응기, 접촉산화조 및 침전조를 이용함으로써 오수 또는 폐수 내의 유기물, 고형물, 질소 및 인을 동시에 제거하는 방법에 관한 것이다.

Description

연계순환 간헐폭기법에 의한 유기물, 고형물, 질소 및 인의 동시 제거방법{Alternatedly circulated process with alternated aeration to simultaneously remove organics, solids, nitrogen and phosphorus}

오늘날 산업이 발전되고 다양화됨에 따라 배출되는 오염물질도 매우 다양해지고 그 발생량도 커져서 이들에 대한 효과적인 처리공법이 큰 문제로 대두되고 있다. 즉, 다양한 오염물을 모두 처리하려면 여러 가지 처리법이 연결된 복합시스템이 필요하고 발생량이 커질수록 반응기 처리용량도 이에 비례하여 증가해야만 하기 때문에 우리 나라와 같이 협소한 부지문제로 제약을 받는 경우는 처리장 설치를 위한 공간은 매우 어렵고 제한을 받는 문제중 하나이다.

그러므로 효과적인 공정으로 한 반응기에서 모든 오염물들의 처리가 가능하고 처리효율이 높아 작은 공간의 콤팩트한 반응기로도 충분히 원하는 배출기준을 맞출 수 있는 공법개발이 절실하게 대두되었다.

우리 나라의 용수원은 대부분 지표수에 의존하며 이중 호소수에 대한 의존도가 40%에 달할 정도로 매우 높다. 하지만 이러한 호소수의 영양상태가 현재 대부분 중영양 상태에서 부영양 상태로 진행되고 있으며 상기와 같은 상태가 계속된다면 금세기 말에는 모든 호소수는 상수원 등 각종 용수원으로 부적합할 것이라는 전망이다. 이러한 호소수의 부영양화의 주원인은 과다한 질소와 인의 존재이다.

질소의 주요 발생원으로는 축산폐수나 비료 등이 있으나 그 부하나 빈도가 일정치 않다. 반면에 도시하수는 거의 일정한 부하와 빈도를 갖고 있어 전체적으로 차지하는 비율이 크며 그 농도는 20 ∼ 50 mg/L 정도가 된다. 특히, 도시하수 중의 질소는 약 60%가 암모니아성 질소이며 이것은 질소에 의한 문제점인 부영양화 촉진 외에도 질산화에 의한 산소결핍을 일으킨다. 상기 현상은 하절기와 같이 수온이 높은 경우에는 더욱 심각해진다.

인의 주요 발생원은 가정생활하수와 비료 제조나 세탁업 및 양모업 등의 산업페수 그리고 농경지 유출수, 축산폐수가 있으며 특히 우리 나라의 경우 한강상류에 분포된 소규모 축산업과 같은 비점오염원에 대한 영양이 매우 심각한 실정이다. 도시하수의 경우 인의 농도가 5 ∼ 15 mg/L정도로 이중 30 ∼ 50%가 분뇨나 음식물 쓰레기로부터 발생되며 합성세제로부터 발생되는 양도 50%에 육박한다.

이러한 질소와 인이 부영양화를 일으키는 것을 막기 위해 정부는 96년 1월 1일부터 하, 폐수 처리시설의 방류수 기준에 질소와 인을 포함시켜 총질소 60 mg/L이하, 총인 8 mg/L이하로 관리하고 있으나 이 수치는 우리 나라의 일반적인 도시하수에 함유된 질소와 인 농도보다 높아 매우 비현실적인 규제치임을 알 수 있다. 하지만 선진 외국의 경우 방류수의 질소, 인 규제치가 엄격하여 미국의 경우 주마다 다르나 평균수치가 각각 3 mg/L, 0.5 mg/L 이하이고 호주의 경우 각각 5 mg/L, 1.0 mg/L이하 또한 가까운 일본의 경우도 역시 지역마다 다르나 평균수치가 각각 12 mg/L, 0.5 mg/L 이하이다.

그러므로 우리 나라 역시 앞으로 한정적인 수자원에 대한 보호정책이 강화되고 세계화되는 흐름을 예상한다면 추후에 질소와 인의 규제치는 더 한층 강화될 것이라 생각된다. 하지만 현재 하, 폐수 처리시설은 획일적으로 표준 활성 슬러지 공법을 적용하고 있는 실정이며 이 처리법은 유기물과 고형물질 제거가 목적이기 때문에 질소와 인의 제거효율은 평균 20 ∼ 30%에 지나지 않는다. 질소와 인을 효과적으로 처리하는 방법에는 여러 가지가 있다. 염소주입법이나 암모니아 스트리핑, 선택적 이온교환법 등은 질소를 제거하기 위한 효과적인 물리, 화학적 방법이며 석회(Lime), 백반(Alum), 염화제이철(FeCl₃), 황산제일철(FeSO₄) 등을 이용하여 인산염 형태로 침전, 제거시키는 응집처리법은 효과적인 화학적 인 처리방법이다. 하지만 이러한 물리, 화학적 처리법은 처리단가가 높고 시설유지비가 매우 많이 소요된다는 단점이 있다.

또한, 생물학적 질소, 인 동시 제거법에는 A²/O공법, 바덴포(Bardenpho) 공법, UCT(University of Cape Town) 공법, VIP(Virginia Initiative Plant) 공법 등이 있으며 이들의 처리 원리는 모두 혐기성, 무산소, 호기성 상태에서 질산화(질산화균에 의해 암모니아성 질소가 질산성 질소로 산화되는 반응), 탈질화(탈질화균에 의해 질산성 질소가 질소가스로 환원되는 반응), 럭슬리 업테이크(Luxury Uptake, 호기성 상태에서 미생물들이 에너지 저장의 개념으로 인을 축적하는 반응), 인 방출(혐기성 상태에서 미생물 내부에 저장하였던 인을 외부로 방출하는 반응)들을 이용하여 대상 폐수 내 질소와 인을 처리하는 것이다. 그러나 상기 공법들은 모두 부유성장 미생물 공법으로 반응기내 미생물량 증가에 한계가 있으며 특히 기본적으로 운전되는 반응기 모듈(module)이 "혐기조 →무산소조 →호기조 →무산소조 →호기조 →침전조"로 매우 많고 반송슬러지 외부반송 '0.5 Q'와 호기조에서 무산소조로 또는 무산소조에서 혐기조로의 내부반송 '1 ∼ 4 Q' 등이 있어 전체 공정이 차지하는 부피가 매우 크며 처리를 위한 운전방법이 매우 복잡하여 고도의 숙련된 운전조작이 필요하다.

그러므로 이러한 단점을 보완하여 반응기 단면적당 높은 미생물량을 유지하여 처리효율을 높이고, 반응기를 콤팩트화시켜 전체부피를 줄이며 또한 반응기 운전방법을 단순화시켜서 숙련된 조작이 없이도 누구나 자동 운전하여 효과적으로 질소와 인을 처리할 수 있는 공법의 필요성이 대두되고 있다.

침적여상법(Submerged Filter process)은 생물막법의 일종으로 반응기내에 입상여재를 충진시켜 한 반응기에서 부착미생물에 의한 유기물의 생물학적 분해와 충진매질에 의한 부유물질의 여과처리가 같이 일어나는 공법이나 탈질이나 탈인에는 효과적이지 못했다. 이는 기존 질소와 인 동시제거 부유성장 공법의 경우 대상폐수와 미생물이 혼합되어 "혐기성 →무산소 →호기성 →무산소 →호기성" 의압출류(plug flow)흐름으로 이동하고, 내부반송에 의해 호기성에서 무산소로 또는 무산소에서 혐기성으로 조건을 바꾸어 주면서 미생물에 의한 유기물산화와 질산화, 탈질화, 탈인 반응을 하는 것으로 생물막 공법은 미생물막 자체가 고정된 상태이기 때문에 이러한 반응이 불가능한 것이다.

그래서 프랑스 오티브이(OTV)사의 생물여과법은 라멜라(Lamella) 침전판을 추가하여 유기물외에 질소, 인과 같은 영양물질도 제거하려는 신공정을 개발하였는데 이는 바프(BAF) 반응기앞에 라멜라 침전판을 설치한 후 응집제인 염화제이철(FeCl₃)을 T-P : Fe³⁺= 1 : 2 의 비율로 주입하여 인과 과잉의 고형물(SS)을 제거하였고 이 유출수를 바프(BAF) 공법으로 처리하는데 있어 충진매질은 크기가 3 ∼ 6 mm 인 편암류(Schist)를 사용하여 고농도의 활성 바이오매스(biomass)에 의한 유기물 산화와 부착미생물이므로 슬러지일령에 상관없이 질산화균이 유지되므로 효과적인 질산화를 행할 수 있었으며 최종적으로 유출수의 수질은 생물학적 산소 요구량(BOD)와 고형물이 10 mg/L 이하이고 T-P와 NH⁺ ₄-N 농도가 1 mg/L이하인 처리결과를 얻을 수 있었다고 한다[Rogalla, F., et al., "Nitrification and Phosphrus Precipitation with Biological Aerated Filters.", Reseach Journal WPCF, Vol. 62, No. 2, pp 169∼176 (1990)].

하지만 상기 공정은 생물막 반응기 외에 침전조와 라멜라 침전판이 필요하고 인 제거는 화학적 응집처리를 행하므로 별도의 반응기 및 장치가 요구되고 계속적인 응집약품비용도 추가로 소요되는 많은 단점이 있다. 또한, 처리 효율면에서도 탈질화 반응이 일어나지 않으므로 총질소량은 변화가 없다는 문제점이 있다.

한편 생물막법에 의해 오수 및 폐수를 처리하는 다른 연구결과들 중 대한민국 특허공고 제 94-50620 호의 경우 한 반응기내 섬모형 메디아를 설치하고 미생물을 부착하여 오수 및 폐수를 처리하기 때문에 단지 유기물과 암모니아성 질소만을 처리할 수 있고 총질소나 인을 제거하지 못한다. 또한, 역세척 공정이 없으므로 충진충 막힘현상이 일어나거나 미생물막 탈리현상이 나타나는 문제점을 가지고 있다.

이외에 대한민국 특허공개 제 97-065437호, 제 97-026942 호, 제 94-023807 호, 제 93-016354 호의 경우도 생물막법에서 문제가 되는 막힘현상을 제거하거나 후처리로 활성 슬러지와 연계하여 처리하여 단순히 처리효율을 높이는 공법들로, 한 시스템에서 질산화와 탈질화 및 탈인 반응이 일어나 총질소, 총인을 효과적으로 처리하는 공법이 아니다.

또한, 대한민국 특허등록 제 239887 호에서는 부유성장 미생물을 이용한 방법이 기술되어 있으나, 이 경우도 미생물량에 한계가 있으며, 물의 흐름은 솔레노이드 밸브를 통해 변경하고 반응기 3개를 각각 그 순서와 폭기 유무조건으로 다양한 처리를 행함으로써 조작과 운전이 매우 복잡하다.

이에, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 연구 노력하였고, 그 결과 별도의 다른 공법의 추가 없이 혐기성조, 재폭기조와 단지 2대의 침적여상 반응기를 서로 연결하여 폐수의 주입위치와 처리 진행방향, 반응기 폭기유무에 의해 호기성조건과 무산소조건을 번갈아 가면서 반복하여 한 반응기에서 유기물 분해, 물리적 여과, 질산화, 탈질화, 탈인 반응이 모두 일어나게 하여 유기물, 고형물, 질소 및 인을 모두 제거함으로써 조작과 운전이 간편할 뿐만 아니라 부착미생물과 부유미생물을 모두 이용함으로써 미생물량이 월등하여 훨씬 효과적인 방법을 개발하여 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명은 유로를 변경치 않고 밸브의 자동 개폐만으로도 물의 흐름을 원하는 대로 행할 수 있으며 단지 2대의 침적여상 반응기를 사용하여 무산소, 호기성 처리를 병행함으로써 유기물, 고형물, 질소 및 인을 모두 효과적으로 제거할 수 있는 연게순환 간헐폭기법에 의한 유기물, 고형물, 질소 및 인의 동시 제거방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연계순환 간헐폭기법의 초기 처리흐름을 나타내며, 그 순서와 처리조건은 제 1 조 ⇒ 제 2 조 ⇒ 제 3 조 ⇒ 제 4 조 ⇒ 제 5 조로 처리되는 공정도이다.

도 2는 정해진 체류시간이 지난 후 도 1 다음으로 변경되는 처리흐름을 나타내며 제 1 조 ⇒ 제 3' 조 ⇒ 제 2' 조 ⇒ 제 4 조 ⇒ 제 5 조로 처리되는 공정도이며, 이후 다시 도 1의 순서로 진행된다.

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

1 : 혐기성조

2,2' : 한 반응기에서 비폭기에 의한 무산소 조건(2)과 폭기에 의한 호기성 조건(2')이 병행되어 나타나는 반응조

3,3' : 한 반응기에서 폭기에 의한 호기성 조건(3)과 비폭기에 의한 무산소 조건(3')이 병행되어 나타나는 반응조

4: 재폭기에 의한 접촉산화조

5: 침전조 6: 슬러지반송

본 발명은 폐수 처리방법에 있어서, 혐기조(제 1 조), 간헐적으로 폭기와 비폭기가 번갈아 진행되어 무산소와 호기성 조건이 병행되는 2대의 침적여상 반응기(제 2 조, 제 3 조), 접촉산화조(제 4 조) 및 침전조(제 5 조)의 처리흐름으로 생활 오, 폐수를 처리하는 연계순환 간헐폭기법에 의한 유기물, 고형물, 질소 및 인 동시 제거방법에 그 특징이 있다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 기본적인 운전원리는 도 1과 같이 서로 연결되어 순환되는 무산소조(제 2 조)와 호기조(제 3 조)가 폭기와 비폭기로 간헐적으로 운전되면서 호기성과 무산소 조건이 물의 흐름에 따라 나타나고 각 반응기에서도 폭기와 비폭기가 진행되어 한 반응기에서도 호기성와 무산소 조건으로 운전이 된다.

본 발명의 침적여상 반응기 내에는 생물막을 부착하기 위한 여재[상자형 충진여재(대한민국 특허등록 제121118호)]를 반응기 깊이에 대해 3/5까지 충진시키므로 나머지 2/5는 부유 미생물이 존재하게 되어 복합적 상승처리 효과를 얻을 수 있다. 즉, 침적여상 반응기는 60%의 부착미생물과 40%의 부유미생물로 구성되게 되므로 혐기성, 무산소, 호기성 조건에서 행해지는 부유미생물의 인 방출, 인 축적, 질산화, 탈질화, 유기물 산화 반응을 행할 수 있으며 또한 루이즈[Wat. Sci. Tech., Vol. 26, No. 3-4, pp 567∼576 (1992)]등에 의해 밝혀진 "생물막 반응기에서의 인 방출(Phosphorus release in biofilm reactors)현상" 즉, 생물막 반응기에서도 운전조건 변화를 주어 인을 방출시킬 수 있다는 이론을 기초로 하여 처리시간에 따라 단계별로 반응기내 조건을 호기성, 혐기성으로 맞추고 이때 유입폐수의 흐름을 다양하게 조절하여 질산화, 탈질화 및 탈인 반응을 할 수 있다. 그러므로 본 발명은 두 종류 미생물군의 복합적인 상승효과를 모두 얻을 수 있다는 장점이 있다.

본 발명 공법의 처리순서는 우선 도 1에서와 같이 처리하고자 하는 대상 오수 및 폐수가 혐기성 상태인 혐기조(제 1 조)에서 인 방출, 유기물 제거, 반송수의 탈질 반응이 발생하며 다음으로 무산소조(제 2 조)의 무산소 조건에서 유기물제거와 탈질 반응이 계속해서 나타나 확실한 질소제거가 가능하다. 이후 호기조(제 3 조)에서는 호기성 조건으로 질산화, 유기물 산화, 과잉 인 축적 반응이 나타나 완벽한 인 제거가 가능하며 다음으로 접촉산화조(제 4 조)에서는 접촉산화효과를 위해 재폭기로 호기성 조건이므로 다시 한번 완전하게 유기물 산화, 질산화, 인 축적 반응이 진행되면서 처리된다. 그 다음으로는 침전조에서 슬러지가 침전되어 맑고 고형물이 없는 깨끗한 상등수가 처리수로 유출되고 슬러지는 1 Q만큼 혐기조(제 1 조) 중간부로 반송되어 일정한 활성 미생물을 보충하고 반송수내 질산성 질소를 탈질화된다.

특히, 본 발명에서는 상기와 같은 단계와 순서로 체류시간(2 ∼ 8시간)만큼 처리가 행하여진 후에, 도 2에서와 같이 변경되는 처리흐름이 진행되어 제 1 조(혐기조)에서 인 방출, 유기물 제거, 반송수의 탈질 반응이 발생하며 제 1 조(혐기조)를 거친 물의 흐름은 제 3 조(호기조)로 진행되는데 이와 같은 물의 흐름변환은 파이프 밸브의 자동 개폐로 작동된다. 이때 반응기는 그 전까지 폭기상태에서 비폭기로 변환되어서 무산소 조건이 되어 계속해서 유기물제거와 탈질 반응으로 처리가 되고 기존에 존재하던 물속의 질산화된 것들도 탈질 반응으로 처리가 된다. 다음의 흐름은 제 2 조(무산소조)로 유입되는데 이때 반응기 조건은 그 전까지 비폭기에서 폭기상태로 변환되어 호기성 조건으로 처리되면서 유기물 산화, 인 축적, 질산화 반응이 진행된다. 또한, 기존에 반응기에 존재하던 것들도 이러한 반응들로 처리가 행하여진다. 다음으로 제 4 조(접촉산화조)에서 재폭기에 의한 호기성 조건이므로 다시 한번 유기물 산화, 질산화, 인 축적 반응이 진행되면서 완벽한 처리가 된다. 제 4 조는 없어도 처리가 가능하며, 있으면 더욱 효율적인 처리를 할 수 있는 옵션(option)인 반응조이다. 역시 이후 침전조에서 슬러지가 침전되어 맑고 고형물이 없는 깨끗한 상등수가 처리수로 유출되고 반송 슬러지는 1 Q만큼 순환되어 일정한 활성 미생물을 보충하여주고 반송수내 질산성 질소를 탈질화된다.

또한, 반응기 형태는 깊이 : 폭 : 길이의 비가 각각 1 : 1 : 3으로 길이부분이 긴 형태이므로 상대적으로 압출류 흐름으로 처리를 행하므로 질산화, 탈질화 및 탈인 반응에 대한 효율이 기존 완전혼합형 공법보다 매우 높게 나타나는 장점이 있다.

특히 제 2 조, 제 3 조, 제 4 조 등에는 충진여재에 의한 고형물 여과효과가 있으므로 고형물제거도 원활하고 효과적으로 행하여진다. 통상 총 체류시간이 2 ∼ 8 시간으로 기존 처리공정보다 빠르게 처리할 수 있으며 기존의 질소·인 처리공정보다 반응기 용적 소모율이 1/3정도로 감속하면서도 보다 효과적인 처리를 할 수 있다.

결국 처리흐름은 항상 "혐기조 →무산소조 →호기조 →접촉산화조 →침전조"의 순서로 행하여지고 무산소조와 호기조는 체류시간에 따라 주기적으로 폭기와 비폭기 상태가 번갈아 행하여지며 처리가 된다. 이때 침전조에서 슬러지는 1 Q만큼 앞의 혐기조로 반송이 된다.

이하, 본 발명을 다음 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예

경기도 L군의 농촌 생활오수를 본 발명의 처리방법으로 설치하여 8개월간 가동실험하였으며, 8시간 및 2시간 운전한 결과 평균 오염도의 감소는 다음 표 1과 같다.

상기 표 1에 보는 바와 같이, 8 시간 처리한 결과는 높은 유기물, 고형물, 질소, 인의 제거율을 나타내며 맑고 청정한 처리수를 얻었다. 또한, 2 시간 급속 처리한 결과도 우수한 효과를 나타냄을 알 수 있었다.

한편 반응기의 조건이 호기성에서 혐기성으로 변화한 후 용존산소를 측정해 본 결과 호기성 상태시 3.0 ∼ 5.0 ppm 이었던 농도는 한 반응기 체류시간 8 시간에서는 폭기 정지 후 1 시간 53 분부터, 체류시간 4 시간에서는 1 시간 12 분부터, 체류시간 2 시간에서는 54 분부터, 체류시간 1 시간에서는 38 분부터 0.5 ppm이하의 농도를 나타내어 본 발명의 처리 특성인 한 반응기에서 폭기 유무에 따른 확실한 호기성, 혐기성 조건변화를 확인할 수 있었다.

본 발명은 생활오수나 영양염류가 많은 다양한 폐수 내 유기물, 고형물, 질소, 인 등을 효과적으로 처리하는 방법에 관한 것이다. 상기 기술한 종래 기술에 비해 별도의 다른 공법의 추가 없이 혐기조, 재폭기조와 단지 2대의 침적여상 반응기를 서로 연결하여 폐수의 주입위치와 처리 진행방향, 반응기 폭기 유무에 의해 호기성조건과 무산소 조건을 번갈아 가면서 반복하여 한 반응기에서 확실하게 유기물 분해, 물리적 여과, 질산화, 탈질화, 탈인화 반응이 모두 일어나게 하여 유기물, 고형물, 질소 및 인을 모두 제거할 수 있다.

한편 침적여상 반응기(제 2 조, 제 3 조 및 제 4 조)에는 깊이의 3/5만큼 충진여재를 채워 60%의 부착미생물과 40%의 부유미생물의 복합적 상승처리 효과를 얻을 수 있으며 반응기는 깊이와 폭에 비해 길이가 3배 크므로 압출류흐름으로 질산화, 탈질화 및 탈인화 반응이 보다 효과적으로 나타난다. 또한, 반응기내 부착미생물과 충진여재는 효과적인 고형물 여과처리를 행할 수 있다.

Claims

간헐폭기법에 의한 폐수 처리방법에 있어서,

혐기조(제 1 조), 규칙적으로 폭기와 비폭기가 번갈아 진행되어 무산소와 호기성 조건이 동일한 주기로 병행되는 2대의 침적여상 반응기(제 2 조, 제 3 조), 접촉산화조(제 4 조) 및 침전조(제 5 조)의 처리흐름으로 생활 오ㆍ폐수를 처리하며, 상기 제 1 조 내지 제 4 조는 깊이 : 폭 : 길이의 비가 1 : 1 : 3인 긴 장방형의 형태이며, 상기 제 2 조 내지 제 4 조에는 충진여재(부착 미생물)와 부유 미생물이 충진되어 있는 것을 특징으로 하는 연계순환 간헐폭기법에 의한 유기물, 고형물, 질소 및 인 동시 제거방법.
제 1 항에 있어서, 상기 2대의 침적여상 반응기는 체류시간에 따른 1 싸이클이 진행된 후, 파이프 밸브의 자동 개폐작동에 의해 각각 무산소와 호기성 조건으로 변환되어 폭기와 비폭기가 번갈아 전환되는 것을 특징으로 하는 연계순환 간헐폭기법에 의한 유기물, 고형물, 질소 및 인 동시 제거방법.
제 1 항에 있어서, 상기 제 2 조 내지 제 4 조에는 충진여재(부착 미생물) 60%와, 부유 미생물 40% 충진되어 있는 것을 특징으로 하는 연계순환 간헐폭기법에 의한 유기물, 고형물, 질소 및 인 동시 제거방법.
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