KR100410896B1 - 유기물,질소,인의 고도처리를 위한 간헐 폭기 탈수여액 연속 주입방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 간헐폭기 탈수여액 연속주입 방식(IAFI Method)을 이용한 유기물,질소,인의 고도처리 방법과 그 장치에 관한 것으로, 그 장치의 구조는 교반기(10)와 모터(11)를 포함하는 원수조(4) 와, 상기 원수조(4)와 연결하여 설치되며 하부엔 산기관(6)이 설치되고 브로워(5)가 각기 연결되며 내부에 모터(9)에 의한 회전이 가능한 교반기(7)를 갖춘 제 1 간헐폭기조(1) 및 제 2 간헐폭기조(2)와, 상기 폭기조(1,2)에 잉여슬러지를 인출하여 연속탈수하기 위해 설치한 탈수기(12), 상기 제 2 간헐폭기조(2)에 연결되는 침전조(3)를 포함하는 것을 특징으로 하며, 그 간헐폭기 방법은, 폭기조 미생물 농도 3,000-6,200 mg/ℓ, 수리학적 체류시간 15 -24 시간, 간헐시간 전단 반응기 100-140분 비폭기/100-140분 폭기, 후단반응기 100-140분 비폭기/40-80분 폭기로 하고, 슬러지 반송량은 0.3-0.7Q,잉여 슬러지를 폭기조(또는 침전조)에서 인출하여 과량의 응집제(Fe, Al 제제등)를 투입하고 탈수하여 탈수여액을 폭기조 전단으로 정량 연속 유입시키는 것을 특징으로 한다.

Description

유기물,질소,인의 고도처리를 위한 간헐 폭기 탈수여액 연속 주입방법 {Intermittently aerating dewatered filtrate injection method for treatment of organic matter, N and P}

본 발명은 간헐 폭기 탈수여액 연속주입 방식을 이용한 유기물, 질소,인의 고도처리 방법에 관한 것이다.

현재 환경오염 등으로 인하여 하천 호수의 부영양화 문제로 질소, 인의 규제가 강화되고 있는 현실이다. 따라서 고도처리 시설의 보완이나 신규설치가 불가피한 실정이다.

2000년 현재 우리 나라의 하수처리장 150 개소 중에서 고도 처리를 하고 있는 곳은 약 3.3% 에 불과한 실정이다. 고도처리 공법으로는 SBR, A₂O, 바덴포 (Bardenpho)공법 또는 A₂O 공법에 고정상이나 유동상담체를 충진한 시설, 슬러지 탈질조를 추가한 시설 등이 주로 사용되고 있으며, 화학적 방법으로는 약품투입조를 설치하여 폭기조 또는 원수조, 침전조에 응집제를 주입하는 방식이 있다. 이들 방법들은 기존 시설에 적용하려면 시설비와 부지확보비가 추가로 소요되어 경제적이지 못하고 기술적으로 처리수질이 안정되는 못하는 문제가 있다.

또한 SBR, A₂O등의 공법으로 질소 인을 동시에 제거하는 것은 운전관리가 어렵고 처리효율도 낮아 비전문가가 운전하는 소규모 오·하수처리장에 적용하는데 많은 제약이 따른다.

우리 나라에 현재 설치되어 있는 중·소규모 처리시설의 경우 대부분이 유기물 제거를 위한 장기 폭기법으로 운영되고 있는데, 호소 하천의 부영양화 방지 등 수질관리를 위해서 질소, 인을 제거하기 위한 고도처리 시설로의 변경이 불가피한 상황이며, 정부에서도 적극 추진하고있는 실정이다.

그러나 기존 시설을 폐기하고 고도처리시설을 설치하는 것은 지나친 추가 비용이 소요되어 경제적이지 못하다.

이에 본 발명의 목적은 새로이 설치되는 시설은 물론 종래의 처리장을 최대한 이용하고 시설 추가 없이 유기물, 질소, 인 처리가 가능하며 운전 조작이 용이하고 오수의 특성에 따라 운전 조건 변경이 가능한 오 하수 폐수의 고도처리 방식의 발명을 목적으로 한다.

도 1 은 본 발명에 따른 실험적 반응기의 도시도이고

도 2a 및 도 2b 는 시간 변화에 따른 단계별 BOD 및 COD_Cr의 제거율을 보여 주는 도표이고, 도 3 및 도 4 는 시간 변화에 따른 단계별 T-N 및 T-P 제거율 추이를 보여 주는 도표이고, 도 5 및 6은 IAFI 방식에 의한 유기물질, T-N, T-P 제거율 상태를 보여 주는 도표, 도 7은 기존처리장에 적용방법을 보여주는 도시도이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 교반기(10)와 모터(11)를 포함하는 원수조(4) 와, 상기 원수조(4)와 연결하여 설치되며 하부엔 산기관(6)이 설치되고 브로워(5)가 각기 연결되며 내부에 모터(9)에 의한 회전이 가능한 교반기(7)를 갖춘 제 1 간헐폭기조(1) 및 제 2 간헐폭기조(2)와, 상기 폭기조에 설치한 탈수기(12), 상기 제 2 간헐폭기조(2)에 연결되는 침전조(3)를 포함하는 장치에서, 그 간헐폭기 방법은, 폭기조 미생물 농도 3,000-6,200 mg/ℓ, 수리학적 체류시간 15 -24 시간, 간헐시간 전단 반응기 100-140분 비폭기/100-140분 폭기, 후단반응기 100-140분 비폭기/40-80분 폭기로 하고, 슬러지 반송량은 0.3-0.7Q, 잉여슬러지를 폭기조 또는 침전조에서 인출하고 응집제를 과량 투여하여 탈수시키며, 발생되는 탈수여액을 폭기조 전단에 연속유입 되도록 한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 다른 특징 및 그에 대한 상세한 설명이다.

먼저 본 발명은 생활 오수 하수 폐수 중에 포함되어 있는 유기물, 질소, 인 제거를 위하여, 실험실 규모의 간헐폭기 반응기를 제작하여 작동시켜 최적의 조건을 도출하고, 잉여슬러지 탈수여액을 폭기조에 연속 유입시켜 유기물 질소, 인의 고도처리을 유도한다. 또한 간헐 폭기방식으로 운전되고 있는 실제 오폐수 처리시설에 대한 처리 공정을 분석하여 영양염류의 처리 효율, 설치 및 운전 용이성을 검토하였다.

이를 위한 실제 실험적인 연구는 다음과 같이 시행하였다.

실험에 사용된 유입수의 성상은, 매주 1 회 경기도 소재 하수처리장에서 채수하여 40메시(0.42mm)로 이물질을 제거 후 사용하였다.

유입 원수의 농도는 BOD 85-142mg/ℓ, SS 50-99mg/ℓ, T-N 31-40mg/ℓ, T-P 3-4mg/ℓ, NH3-N 17-23mg/ℓ으로, 1999년 경기도에 설치된 1,000m³/일 이하 하수처리장의 유입수질 평균치인 BOD 91.8 mg/ℓ, COD_Mn54mg/ℓ, SS 77mg/ℓ, T-N 32.4 mg/ℓ, T-P 3.2 mg/ℓ와 비교하면 약간 높은 편이다.

1단계 연구로 간헐폭기 최적조건을 도출하는 실험을 수행한 후 2단계로 간헐폭기와 탈수여액을 이용한 고도처리공법(IAFI Method)을 연구하였다.

본 발명에 따른 1단계 실험 장치는 도 1 에 도시한 바와 같이, 각기 4ℓ용량의 2 개의 간헐폭기조 즉, 제 1 및 제 2 간헐폭기조(1,2)와 5ℓ용량의 침전조(3)를 한 세트로 총 3 세트와, 80ℓ 용량의 원수조(4)로 구성되어 있다.

제 1 및 제 2 간헐 폭기조(1,2)는 전면 폭기 방식으로, 바닥크기의 원판형 멤브레인 산기관(6)을 설치하였고 브로워(BLOWER)(5)는 제 1 및 제 2 각각의 폭기조에 1 개씩 연결하였다.

폭기조에서 비폭기 시간에는 모터(9)에 의하여 교반기(7)가 30 rpm 으로 가동되도록 하였다. 폭기조의 산소 농도는 폭기시 3-6 mg/ℓ, 바람직하기로는 4.5 mg/ℓ 내외로 하고, 교반시 0 mg/ℓ 정도를 유지하도록 하였으며, ORP 미터(8)를 설치하여 1분마다 데이터가 컴퓨터에 저장되도록 하였다.

원수조(4)에도 역시 교반기가 설치되어 있어, 모터(11)에 의하여 60rpm 으로 교반시켜 원수를 균질하게 한다. 원수 주입과 침전조(3) 내의 슬러지 반송은 정량펌프를 사용하였고 내부 반송은 하지 않았다.

상기 반응기 장치의 운전은, 먼저 수리학적 체류시간(HRT), 폭기조 미생물농도(MLSS)를 고정시킨 상태에서 간헐 폭기 조건 실험을 하였고, 또 간헐시간을 고정시킨 상태에서 폭기조 미생물농도 조건과 적정 수리학적체류시간을 구하여 안정적으로 유기물질과 질소를 제거하였다.

2단계 연구로 폭기조에서 연속 인출한 잉여 슬러지에 응집제(FeSO₄)를 투입하여 탈수하고 탈수 여액을 폭기조로 정량 연속 유입시켜 "인"을 제거하고자 하였다.

그 결과를 고찰하여 보면, 유기물, 질소, 인 고도처리를 위한 운전 조건은,

간헐 폭기의 중요 운전 인자인, 수리학적 체류시간, 폭기 및 비폭기(교반) 시간, 폭기조 미생물 농도 조건을 구하기 위하여 4 단계로 실험하였다.

먼저 단계 1 실험에서는 아래의 표 1 에서 보듯이,

반응조 3 개 즉, 반응조 1,2,3 에, 모든 반응조건을 동일하게 주고, 단 반응조의 폭기 및 비폭기 시간에만 변화를 주어 적정 간헐 폭기 조건을 구하는 실험을 실시하였다.

그 결과, 폭기조 미생물 농도를 5,000 - 6,000mg/ℓ로 유지한 상태에서, 간헐폭기조건이, 전단 100분 비폭기/20분 폭기, 후단 100분 비폭기/40분 폭기 조건인반응조-3 에서 가장 우수한 처리 수질을 얻었다.

다음, 단계 2 실험은, 단계 1 에서 구한 간헐폭기 조건을 3 개의 반응조 모두에 동일하게 적용하고, 반응조의 폭기조 미생물농도의 변화에 따른 수처리의 안정도를 검토하여 보았다.

즉, 아래의 표 2 에서 보듯이, 반응조 1,2,3 각각에 폭기조 미생물농도를 4,000-4,800, 3,400-4,100, 5,500-6,200 mg/ℓ로 각각 설정하여 시험하였다.

그 결과, 폭기조 미생물농도가 저농도일때 처리 수질이 불안정한 것으로 나타났다.

상기한 단계 2 에서는 처리 수질이 불안정한 관계로, 간헐폭기 시간을, 120분 간을 비폭기 시간으로 고정하고 그리고 60 분에서 180분까지 폭기 시간을 조절하여 실험을 한 결과, 아래의 표 3 에서 보듯이, 반응조 1 에서의 비폭기/폭기 시간 즉, 전단 120분 비폭기/120분 폭기, 후단 120분 비폭기/60분 폭기에서 폭기미생물농도 변화에 상관없이 안정된 수질을 보였다.

다음 단계 4 에서는, 상기한 단계 3 에서 구한 간헐 폭기 조건에 즉, 비폭기/폭기 시간을 3 개의 반응조에 모두 동일하게 적용시켜 두고, 일일 처리량을 늘리기 위해 수리학적 체류시간을 24시간에서 15 시간으로 줄이고 실험한 결과 유입 유량 증가에 따른 더 이상의 처리수질의 악화는 없었다.

상기와 같은 단계 1 내지 단계 4 의 실험을 통해 살펴 본 최적의 반응기는, 단계 4 의 반응조 3 으로 나타났고, 그 운전 조건은 수리학적 체류시간 15 시간, 폭기조 미생물 농도 5,080-5,480 mg/ℓ, 간헐시간 전단 반응기 120분 비폭기/120분 폭기, 후단반응기 120분 비폭기/60분 폭기, 슬러지 반송량 0.5Q 이었다.

상기한 결과로 처리수질을 평가해 본 결과, BOD 및 COD_Cr제거율은, 도 2a 및 도 2b 에 도시한 도표에서 보듯이, 시간 변화에 따른 단계별 BOD 및 COD_Cr제거율은, 실험 기간동안 BOD 3.5 mg/ℓ(제거율 97%), COD_Cr23mg/ℓ(제거율 84%)로 나타나 높은 처리수질을 얻었다.

반응기 운전의 초기의 불안정 상태를 감안한다면 COD_Cr제거율도 90%를 넘는다. 이러한 처리 수질 유지는 15-24 시간의 긴 수리학적 체류시간, 3,000-6,200 mg/ℓ 의 높은 폭기조 미생물농도와 간헐 폭기에 의한 사상균 및 핀플록(pinfloc) 발생 억제 효과 그리고 효율적인 탈질 효과로 슬러지 부상을 방지한 것이 큰 역할을 했다고 판단된다.

시간 변화에 따른 단계별 T-N 제거율에 있어서는,

도 3 의 표에서 보듯이, 단계 1 실험에서는 수리학적 체류시간 24 시간, 폭기조 미생물 농도 5,000-6,000mg/ℓ에서 간헐 폭기 시간을 다르게 주어 운전한 결과, 전단 100분 교반/20분 폭기, 후단 80분 교반/40분 폭기에서 70-88% 의 제거율로 가장 높은 처리 효율을 보였다.

단계 2 실험에서는 폭기조 미생물 농도 5,000-6,000mg/ℓ를 유지한 반응기에서 제거율이 65% 내외를 보였으나 폭기조미생물 농도 3,400-4,100 mg/ℓ을 유지한 반응기는 제거 효율이 50-60%로 낮았다.

전단 반응기에서 폭기 시간이 짧아 질산화가 불규칙하게 일어난 것으로 판단된다.

단계 3,4 실험에서는 폭기조 미생물농도 5,000-5,600 mg/ℓ를 유지한 반응기에서 T-N 제거율 70-74%로 안정적인 처리수질을 보였고 2900-4400mg/ℓ의 다른 폭기조미생물 농도에서도 제거율 60% 이상으로 안정화되었다.

시간 변화에 따른 단계별 T-P 의 제거율에 있어서는,

도 4 의 표에서 보듯이, 단계 1 에서는 20-68%, 단계 2 에서는 30-61%, 단계 3 에서는 35-70%, 단계 4 에서는 40-71% 로 나타났다.

단계 1,2,3,4 실험을 통해 T-P 제거율이 낮은 이유는, 내생탈질 유도를 위해 폭기조미생물 농도를 높여 충분한 슬러지 인출을 하지 못한 것과 질소 제거에 초점을 맞춰 후단 반응기에서 비폭기 시간이 많아 인 방출이 일어난 것으로 판단된다.

따라서, 단계 1,2,3,4 의 생물학적 실험 조건에서 안정적인 처리 수질을 얻을 수 없었다.

이에 탈수여액에는 과량의 응집제를 함유되어있는 것을 이용하여 경제적이고 효율적으로 T-P를 제거하고자 시도하였다.

본 방식의 "인"제거 메카니즘은 다음과 같다.

T-P는 간헐폭기과정에서 PO₄ ^2-형태로 이온화되며, 이온화된 "인(PO₄ ^2-)은 탈수여액에 함유되어 있는 응집제 중의 Al³⁺, Fe²⁺, Fe³⁺이온과 결합하여, AlPO_4,Fe(PO₄),Fe₃(PO₄)₂형태로 제거된다. 실제 처리장의 유입수중의 인은 4mg/ℓ정도로 유입되며, 이중 30% 는 미생물 증식에 이용되어 제거되고, 70%인 2.8mg/ℓ은 탈수여액중의 철에 의해 제거된다. (탈수여액은 150mg/ℓ의 Fe을 함유하고 있고, 탈수액은 유입수의 3%정도의 양이 주입됨으로 간헐폭기조에 유입후 Fe 농도는 4.5mg/ℓ으로 인을 제거하기에 충분함)

탈수여액 연속주입 모사 실험은 상기한 단계 4 조건을 유지하면서 무기응집제인 FeSO₄를 사용하여 Fe²⁺이온 농도를 T-P 농도인 3-4 mg/ℓ와 당량 계산하여 약 6.5mg/ℓ농도가 되게 투입하였다. (실제 탈수여액중의 철이온(또는 알루미늄 이온)은 오·하수 중의 인 당량보다 대부분 많은 것으로 조사되었다.)

그 결과, 도 5, 7에서 보듯이, 단계 4 에서의 40-70% 보다 향상된 83-90%(0.01∼0.05mg/l)의 아주 높은 T-P 제거율을 얻었다.

이와 같은 T-P 제거 실험 결과를 이용하여 현장에 적용하는 방법으로 도 7 에 도시한 바와 같이, 슬러지 탈수액을 이용하여 T-P 를 고도 처리하는 방안을 모색하였다.

이 방법은 탈수 여액에 응집제, 예를 들어FeSO₄를 과량 투입하여 생물·화학적으로 인을 추가 제거하는 방식이다.

이 방법은 응집제 농도를 일정하게 유지하고 연속적으로 폭기조 전단에 유입시키는 것이 중요한데, 폭기조에서 슬러지를 연속 인출하여 탈수기(12)에서 탈수함으로서 일정한 응집제 농도가 가능하고 별도의 시설 없이 폭기조로 연속유입을 할 수 있다. 침전조에서 잉여슬러지를 인출할 때는 응집제 농도 조절과 폭기조에 연속유입은 가능하나, 연속유입을 위한 펌프류 등 시설이 추가로 필요함으로 전자의 방법보다 효율적이지 못하다.

탈수 여액 중에 함유된 Fe²⁺이온은 간헐 폭기조에서 PO₄ ^2-와 당량적으로 결합하여 인을 완벽하게 제거하게 된다. 또한 탈수 여액을 재이용함으로서 경제적이고 기존의 모든 생물학적 처리시설에서도 최소의 시설 변경만으로 적용이 가능한 매우 효율적인 방법이다. 또한 대부분의 오·하수처리장의 잉여 슬러지 탈수여액중의 Fe²⁺당량이 유입수의 "인"당량보다 훨씬 높게 조사되어 본 방법으로 오·하수를 처리할 때 응집제의 추가 소요는 발생하지 않는 것으로 판단된다.

상기한 실험적 조건에 따른 결론은, 2 단 간헐 폭기조, 즉 제 1,2 간헐폭기조(1,2)를 수리학적 체류시간 15 시간, 간헐 시간 전단 120분 비폭기/120분 폭기, 후단 120분 비폭기/60분 폭기, 폭기조미생물 농도 5,000-5,500 mg/ℓ로 운전하고, 잉여슬러지 탈수여액을 폭기조 전단에 연속 주입하여 T-N 이 7.6-10.3mg/ℓ(제거율75%), T-P 가 0.4-0.9mg/ℓ(제거율 85%)가 되었고, BOD가 1.1-1.8mg/ℓ(제거율97%), COD_Cr13.2-17.4mg/ℓ(제거율92%)의 결과를 얻었다. 기존 처리방법과의 비교하면 표 5 에서 보는 바와 같이 적용성과 경제성 수처리 효율면에서 우수한 것으로 나타났다.

폭기조(간헐폭기조에서 더욱 우수함)에서 슬러지를 연속 인출한 후, 탈수한 여액 중의 Fe²⁺를 이용하여 T-P 를 85%처(처리후 인 농도 0.5mg/l, 배출허용기준2.0mg/l ) 정도로 완벽하게 제거할수 있는바, 이 방법은 현장 적용이 쉽고 기존 생물학적 처리장에도 활용할 수 있는 방법으로 나타났다.

이상에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 간헐 폭기 탈수여액 연속주입방식(IAFI method)에 의하면, 시설이 간단하여 다른 고도처리에 비해 시설비가 적게 소요되고, 운전이 용이하며, 추가적인 응집제 사용없이 인을 제거할 수 있어 운전비용이 적고, 생물 화학적 방법에 의한 고도처리로 안정적인 유기물, 질소와 인 처리효율을 기대할 수 있다. 또한 기존처리장에 시설 변경 없이 적용이 용이한 환경친화적이고 에너지절약형 방법으로 이를 보급하면 호소 및 하천에 가장 문제가 되는 부영양화 방지 등 수질개선에 투자 비용효과가 클 것으로 판단된다.

Claims (4)

1. 삭제
2. 폭기조에서 간헐 폭기 방식을 이용한 고도처리 방법에 있어서,

   폭기조 미생물 농도 3,000-6,200 mg/ℓ, 수리학적 체류시간 15 -24 시간, 간헐시간 전단 반응기 100-140분 비폭기/100-140분 폭기, 후단반응기 100-140분 비폭기/40-80분 폭기로 하고, 슬러지 반송량은 0.3-0.7Q 가 되도록 하는 것을 특징으로하는 유기물, 질소, 인의 고도처리를 위한 간헐 폭기 탈수여액 연속주입방법
3. 제 2 항에 있어서,

   상기한 폭기조에서 잉여 슬러지를 연속 인출하여 응집제를 투입하여 탈수하고 탈수여액을 정량적으로 간헐폭기조 전단에 연속 유입시켜 생화학적 인을 제거하는 것을 특징으로 하는 유기물·질소·인의 고도처리를 위한 간헐 폭기 탈수여액 연속주입 방법
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기한 응집제는 Fe, Al제제를 사용하며, 이를 간헐폭기조 전단에 연속 투입하여 간헐폭기로 인해 PO₄ ^2-이 형태로 전환된 인과 당량적 결합하여 제거하는 특징으로 하는 유기물, 질소, 인의 고도처리를 위한 간헐 폭기 탈수여액 연속 주입방법