KR100422211B1 - 침지식 분리막을 이용한 생물학적 질소 인 제거장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생활하부 및 오수 등을 생물학적 방법으로 처리하기 위한 침지식 분리막을 이용한 생물학적 질소 인 제거장치 및 방법에 관한 것으로, 무산소, 혐기, 호기순으로 생물반응조를 배열하고 호기조 후단에 탈기조를 설치한 후 무산소조로의 내부 반송을 수행함으로써 효율적인 유기물 제거뿐 아니라 영양염류의 처리능력을 극대화시켰고, 기존 생물학적 처리시설에서 고액분리 효율이 침전지의 슬러지 침강성에 직접적으로 영향을 받아 안정된 처리수질 및 유지관리에 어려움이 많았던 점을 고려, 기존 침전 공정 대신 호기조에 침지식 분리막을 설치하여 직접 고액분리를 수행함으로써 상시 고품질의 처리수질을 배출토록 구성함이 특징이다.

또한, 분리막에 의한 여과효과에 의해 반응조내 미생물 농도를 7,000∼15,000mg/L이상 높게 유지하고 별도의 침전시설이 불필요하여 기존 A₂/O공정에 비해 30% 이상의 소요부지 절감효과를 기대할 수 있으며 따라서, 전 공정이 단순하기 때문에 비용이 적게들고 콤팩트한 구성으로 현장에 용이하게 적용할 수 있는 특징을 갖는 분리막 결합형 생물학적 고도 처리 기술이다.

Description

침지식 분리막을 이용한 생물학적 질소 인 제거장치 및 방법{Management Unit and Method of Foul and Waste Water}

본 발명은 국내 유입 하수 특성을 고려하여 생물반응조를 무산소조, 혐기조, 호기조 순으로 배열하고 호기조 후단에 탈기조를 설치한 후 무산소조로의 내부 반송을 수행함으로써 전 공정의 질소제거 효율을 배가토록 하고, 기존 생물학적 처리시설에서 고액분리 효율이 침전지의 슬러지 침강성에 직접적으로 영향을 받아 안정된 처리수질 및 유지 관리에 어려움이 많았던 점을 고려, 기존의 침전 공정 대신에 호기조에 침지식 중공사막을 설치하여 직접 고액분리를 수행함으로써 상시 고품질의 처리수질을 배출함을 물론 반응조내 미생물을 고농도로 유지함으로써 처리효율을 향상시키도록 한 것을 특징으로 하는 침지식 분리막을 이용한 생물학적 질소 인 제거장치 및 방법에 관한 것이다.

현재 가동중인 국내 대부분의 하수처리장은 표준 활성 슬러지 공정이나 그 변법들이 주종을 이루고 있어 호소의 부영양화 방지 및 환경규제 강화에 따른 방류수질 기준을 만족시키기에는 많은 어려움이 있다.

환경부에서 지정한 특별 대책 지역과 잠실 수중보 권역의 방류수 수질 기준은 BOD와 SS가 각각 10㎎/L이하로 강화(1999.12)되었고, 총질소(T-N)와 총인(T-P)도 각각 20㎎/L, 2㎎/L이하로 강화되어 기존 시설이나 재래식 공법으로 대처하기에는 한계가 있는 실정이다.

현재 전국적으로 진행되고 있는 수자원의 양적 부족과 함께 적정 수준으로 처리되지 않고 배출되는 오폐수로 인하여 주요 취수원인 하천이나 호소수의 수질오염 문제가 심각한 국면에 처하게 되었다.

특히, 상수원 보호지역에 위치한 하천의 수질은 각종 유기성 오염물질뿐만 아니라 질소, 인 등 부영양화 물질에 의하여 심하게 오염되어 있어 안심하고 마실 수 있는 수돗물의 생산 및 공급을 위협하고 있으며, 수계의 부영양화를 초래하여 각종 수질문제를 야기시키고 있다.

질소 및 인과 같은 영양염류는 생물에게 필수 영양소이지만 이를 적절히 처리하지 않고 자연계에 과다하게 배출시킬 경우 부영양화를 초래하여 수질오염을 가중시킨다. 부영양화가 진행된 수역은 상수처리시 여과지의 폐쇄 및 상수의 맛을 저하시킴은 물론 심한 악취를 발생하므로 상수원으로서의 가치를 저하시킬 뿐만 아니라 산화과정을 거치면서 수중의 용존산소를 소모하여 하천의 자정작용에 악영향을 끼치고, 또한 조류의 과다번식 문제 등으로 인하여 생태계의 파괴 및 용수의 생산에 막대한 지장을 초래한다.

하·폐수중에 함유되어 있는 질소와 인을 제거하기 위한 방법은 물리화학적 방법과 생물학적 방법으로 대별된다. 질소제거의 경우는 분압을 감소시켜 공기중으로 달려보내는 방법, 산화제를 사용하여 암모니아를 분해하는 방법, 흡착 또는 이온 교환시키는 방법 등이 있는데, 이러한 물리화학적 방법들은 모두 비경제적이고 2차 오염물질을 생성하며, 최종처리가 이뤄지지 못하는 등의 단점이 있다.

인 제거의 경우에는 폐수처리공정에서 알루미늄, 철, 칼슘 등의 화학제를 투입하고 불용성 침전물을 침전지나 여과지에서 제거함으로써 방출수의 인 농도를 낮추는 방법 혹은 인광석 등으로 인 화합물을 석출시켜 인을 제거하는 결정법 외에, 생물학적 처리공정을 통하여 침전이 잘 이루어지는 인(Ortho-Phosphate)으로 변화시킨 후 3차 처리단계에서 화학제를 사용하여 침전, 제거시키는 방법 등이 있다. 그러나 이들 방법은 모두 다량의 화학약품을 필요로 하고, 첨가 약품에 의한 슬러지 발생량이 많으며, 발생하는 슬러지의 탈수성이 나빠 처리에 어려움을 겪고 있다.

이와 같은 물리화학적 처리의 문제를 해결하기 위해 2차 오염물질의 발생이 없고 경제적인 생물학적 처리방법들에 대한 관심이 높아지게 되었다. 생물학적 처리방법으로 질소와 인을 제거하기 위해 개발된 공법들을 보면, A₂O, UCT, MUCT, VIP, Bardenpho법 등이 있다.

A₂O법은 3개의 혐기조, 3개의 무산소조 및 4개의 포기조로 이루어져 있으며 혐기조에서 인 방출, 무산소조에서 탈질화, 포기조에서 질산화 및 인 섭취 등이 일어나게 된다.

그러나 반송 슬러지내의 질산성 질소로 인하여 혐기조에서 인 방출 저해작용을 하게 되어 인 제거율이 떨어지며, 유입수의 부하변동에 매우 민감할 뿐만 아니라 동절기시 질산화 미생물의 활성이 크게 저하되는 단점이 있다.

특히 국내 하수의 경우처럼 저농도 유기물이 유입되는 경우 특히 영향이 심하므로 기술보완없이 현장적용을 수행할 경우 안정적인 처리수질 보장이 매우 어렵다.

이러한 단점을 해결하기 위하여 개발된 UCT공정은 반송슬러지를 혐기조 다음의 무산소조로 유입시켜 질산성 질소를 제거한 후 혐기조로 보내어 인 방출을 방해하는 것을 억제시킨 것이며, MUCT 및 VIP공정은 무산소조를 반송슬러지 내의 질산성 질소를 제거하여 혐기조로 반송하는 무산소조와 내부 반송된 질산성 질소를 탈질시키는 무산소조로 분리하여 보다 완벽한 혐기성 조건을 제공하여 인 제거율을 높인 것이나 내부 반송펌프의 추가 설치 및 유지관리상의 복잡성 등의 단점이 있는 것이다.

바덴포(Bardenpho)공정은 기존의 질소, 인 제거 공정중 효율이 90%정도로 가장 우수하나 체류시간을 10∼24시간으로 길게 운전하여야 하는 것이 단점이다. 특히 하수가 저농도인 경우에는 체류시간이 길어 탈질소화를 위한 유기물 부족으로 전체적인 처리 효율이 낮아지는 문제점이 있었다.

참고로, 질소 및 인 제거에 관여하는 미생물은 독립 영양생물로서 종속영양생물에 비하여 성장속도가 늦기 때문에 고효율의 영양물질 제거를 유도하기 위해서는 반응조내 고농도의 미생물량 확보가 요구되며, 이를 위해서는 20일 이상의 슬러지 체류시간이 요구되지만, 기존 생물학적 처리시설의 경우 침전지에서의 미생물 유실이 빈번하고 따라서 일정량의 미생물 유지가 매우 어려운 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결코자 하는 것으로,

내부 반송에 의해 고농도 미생물을 무산소, 혐기 및 호기조건을 순환하게 함으로써 각각의 미생물 특성에 맞는 최적반응에 의해 하수중의 유기물 및 영양물질을 동시에 제거할 수 있도록 하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 수단으로,

본 발명은 혐기 및 호기조건하에서 탈인 미생물을 이용하여 인 방출과 인과량 흡수를 유도하여 수중의 인 농도를 저감시키고, 무산소와 호기조건하에서 탈질 및 질산화 미생물을 이용하여 탈질 반응 및 질산화 반응을 유도하여 수중의 질소농도를 저감시키기 위해, 무산소조와 혐기조 및 호기조를 순차로 설치하고;

내부 반송시 반송슬러지내의 용존산호를 최소화시키기 위하여 호기조 후단에 탈기조를 설치한 것을 특징으로 한다.

또한 상기 호기조 후단부에는 슬러지와 처리수의 완벽한 분리를 위하여 흡입여과방식의 침지식 중공사막을 더 설치한 것이 특징이다.

또한 공정흐름에 있어서, 혐기 및 호기조건하에서 탈인 미생물을 이용하여 인방출과 인과량 흡수를 유도하여 수중의 인농도를 저감시키는 단계와,

무산소와 호기조건 하에서 탈질 및 질산화 미생물을 이용하여 탈질 반응 및 질산화 반응을 유도하여 수중의 질소농도를 저감시키는 단계와,

탈기조를 통해 내부 반송시 반송슬러지내의 용존산소를 최소화시키는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 하폐수 처리장치 구성도.

도2는 본 발명의 공정 흐름도.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명에 따른 하폐수 처리장치 구성도로서,

혐기 및 호기조건하에서 탈인 미생물을 이용하여 인방출과 인과량 흡수를 유도하여 수중의 인농도를 저감시키고, 무산소와 호기조건 하에서 탈질 및 질산화 미생물을 이용하여 탈질 반응 및 질산화 반응을 유도하여 수중의 질소농도를 저감시키기 위해, 무산소조와 혐기조 및 호기조를 순차로 설치하고,

내부 반송기 반솔슬러지내의 용존산소를 최소화시키기 위하여 호기조 후단에 탈기조를 설치한 구성을 갖는다.

즉, 본 발명은 무산소조, 혐기조, 분리막 내장형 호기조 및 탈기조로 순차구성하여 내부반송에 의해 고농도 미생물을 무산소, 혐기 및 호기 조건을 순환하게 함으로써 각각의 미생물 특성에 맞는 최적반응에 의해 하수중의 유기물 및 영양물질을 동시에 제거할 수 있도록 구성한 생물학적 처리장치 및 방법을 제공한다.

상기와 같이 구성하는 본 발명에 있어서, 오염원의 제거시작은 먼저 혐기 및 호기조건하에서 탈인 미생물의 인방출 및 인과량흡수를 통해 수중의 인 농도를 저감시키고, 무산소와 호기조건 하에서 각각 탈질 미생물에 의한 탈질과 질산화 미생물에 의한 질산화 반응을 유도함으로써 수중의 질소를 제거한다.

이러한 무산소와 초기조건의 반복과정에서 미생물에 의한 유기물 분해가 어려운 고분자 물질의 경우 분리막에 의해 저지됨으로써 수질이 향상되며, 긴 SRT로 인하여 난분해성 고분자 물질의 상당부를 제거한다.

그리고, 국내 하수의 특성은 BOD가 60∼120mg/L, T-N 20∼40mg/L 및 T-P 7mg/L로 C(BOD)/N(T-N) 비가 3정도 이므로 탈질시 요구되는 C/N비는 5이상 요구되는 것에 비하여 매우 부족한 실정이므로 일부에서는 메탄올을 외부탄소원으로 첨가하여 운전하기도 하는 바, 본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 무산소조를 혐기조 앞단에 설치하였으며, 호기조 다음 단에 탈기조를 설치하여 용존산소가 없는 상태에서 내부반송을 수행함으로써 유입수 중의 유기 탄소원의 사용을 극대화시켜 효율적 운전을 수행하였다.

따라서, 고농도 미생물을 무산소, 혐기 및 호기조건을 순환하게 하여 유기물 뿐만 아니라 질소와 인을 동시에 제거할 수 있으며, 무산소조를 반응조의 전단에 설치하여 유입수가 직접 무산소 조건에 유입되어 유입수중의 유기물이 탈질에 최대한 이용될 수 있는 장점을 제공한다.

그리고 기존의 A₂O계열 고도처리 기술의 경우 반응조내 미생물 농도를 2,500∼3,500㎎/L정도로 유지하여 공정 전체의 체류시간이 8∼12hr(1,2차 침전조 포함) 정도이다. 본 발명의 경우 생물반응조 미생물농도를 7,000∼15,000㎎/L이상으로 높게 유지하고 별도의 침전시설이 불필요하기 때문에 전 공정의 반응조 소요 용적을 30% 이상 절감시킬 수 있다.

이는 기존 처리장을 고도처리 시설로 개조할 경우 특히 별도의 부지 확보가 불필요하고 용량 증가가 가능하기 때문에 경제적이다.

본 발명에서 처리되는 배출수는 기존의 생물학적 처리공정의 유출수와는 비교할 수 없을 정도의 우수한 처리 수질을 보장하며, 별도의 후처리 시설 없이 중수로의 사용이 가능하고, 수계 방류시 배출수질의 품질이 우수하기 때문에 환경 친화형 친수 공간 확보가 충분히 가능하다.

한편, 본 발명에서는 증식율이 낮아 어려움이 있는 질산화 미생물의 유실 방지와 함께 반응조내에 고농도로 유지함으로써 상시 안정적이면서 고효율의 질소 및 인 제거를 유도하기 위하여 호기조 후단에 중공사막 분리막을 내장하였으며, 따라서 유기물 제거 효율은 물론 완벽한 고액분리에 의해 상시 안정된 처리수질을 보장할 수 있도록 하였다.

즉, 본원발명에서는 호기조 후단에 중공사막 분리막을 설치하여 슬러지의 침전성과 관계없이 SRT(Sludge Retention Time)를 임의로 조절하여 미생물량을 고농도로 유지함으로써 기존기술에 비해 반응조 용적을 20∼30%까지 감소시킬 수 있다.

이때 중공사막 모듈을 호기조에 침지시킴으로써 공정이 단순하고 처리시설의 운전이 용이해진다.

그리고 이렇게 함으로써 증식율이 낮고 침전성이 비교적 불량한 질소 및 인 제거에 관여하는 미생물군을 고농도로 확실하게 확보할 수 있어 동절기에도 안정적인 질소 및 인 제거가 가능하다.

그리고, 중공사막을 이용하여 고체 및 액체 분리를 수행함으로써 별도의 침전조가 필요없는 경제적인 장점이 있으며, 생물 반응존에 고농도(7000∼10,000mg/ℓ)의 미생물을 유지하여 낮은 F/M비로 운전하여 슬러지 발생량을 극소화 할 수 있다.

만약 본 발명의 중공사막을 이용하게 되다면 안정된 처리수질을 보장할 수 있으므로 별도의 처리공정없이 중소로 재이용이 가능하며, 본 발명에 적용되는 중공사막의 평균공극 크기가 0.4㎛이므로, 부유성 입자 크기가 1.2㎛이상, 대장균 크기가 1∼6㎛이므로 본 발명의 중공사막을 통해 완벽하게 제거할 수 있는 장점을 아울러 제공한다.

참고로, 질소 및 인 제거에 관여하는 미생물의 경우 독립 영양생물로서 종속영양생물에 비하여 성장속도가 늦기 때문에 고효율의 영양물질 제거를 유도하기 위해서는 고농도의 미생물이 요구되며, 이를 위해서는 20일 이상의 슬러지 체류시간이 요구되지만, 국내 유입하수과 계적적 인자 및 기타 기계 설비에 의해 그 변화의 폭이 심하여 충격부하가 큰 특성을 가지고 있으므로, 기존의 생물학적 처리 공정으로는 슬러지 벌킹 및 부상문제를 야기하게 되어 이의 효율적 처리가 요구되고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 흡입여과방식의 미세 여과막의 일종인 침지식 중공사막을 이용하였으며, 슬러지와 처리수를 완벽하게 분리하는 동시에 연속적 세정방법 및간헐 흡입 방법을 통하여 투과유속을 향상시키는 진보된 생물학적 하수처리 기술이다.

상술한 바와 같이 본 발명은 일반하수 및 오폐수는 물론 처리에 많은 어려움이 있는 난분해성 유기물 및 고농도 질소함유 공장폐수의 경우에도 용이하게 적용함으로써 안정된 처리수질을 만족시킬 수 있는 장점을 제공하게 된다.

Claims (5)

1. 혐기 및 호기조건하에서 탈인 미생물을 이용하여 인방출과 인과량 흡수를 유도하여 수중의 인 농도를 저감시키고, 무산소와 호기조건하에서 탈질 및 질산화 미생물을 이용하여 탈질 반응 및 질산화 반응을 유도하여 수중의 질소농도를 저감시키기 위한 생물학적 질소 인 제거장치에 있어서,

   원수가 유입되고 탈질 반응이 일어나는 무산소조와, 인방출 반응이 일어나는 혐기조, 질산화 반응 및 인과량 흡수 반응이 일어나는 호기조를 순차적으로 설치하고; 상기 호기조에는 슬러지와 처리수의 분리를 위하여 침지식 분리막을 설치하며; 상기 호기조 후단에는 질산화용액 및 슬러지내의 용존산소를 최소화시키기 위한 탈기조를 설치하고; 상기 탈기조와 무산소조 사이에는 용존산소가 최소화된 질산화용액 및 슬러지를 상기 무산소조로 반송하기 위한 질산화용액 및 슬러지 반송수단을 설치한 것을 특징으로 하는 침지식 분리막을 이용한 생물학적 질소 인 제거장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 침지식 분리막은 흡인여과방식의 침지식 중공사막인 것을 특징으로 하는 침지식 분리막을 이용한 생물학적 질소 인 제거장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 중공사막의 평균 공극 크기는 0.4㎛이하인 것을 특징으로 하는 침지식 분리막을 이용한 생물학적 질소 인 제거장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 생물학적 반응조내 미생물 농도는 7,000∼15,000mg/L인 것을 특징으로 하는 침지식 분리막을 이용한 생물학적 질소 인 제거장치.
5. 혐기 및 호기조건하에서 탈인 미생물을 이용하여 인방출과 인과량 흡수를 유도하여 수중의 인 농도를 저감시키는 단계와;

   무산소와 호기조건하에서 탈질 및 질산화 미생물을 이용하여 탈질 반응 및 질산화 반응을 유도하여 수중의 질소농도를 저감시키는 단계와;

   호기조에 설치된 흡입여과방식의 침지식 중공사막을 이용하여 슬러지와 처리수를 고액분리시키는 단계;

   호기조의 후단에 설치된 탈기조로 질산화용액 및 슬러지를 인발시킨 후 상기 탈기조와 원수가 유입되고 탈질 반응이 일어나는 무산소조 사이에 설치된 질산화용액 및 슬러지 반송수단을 이용하여 용존산소가 최소화된 질산화용액 및 슬러지를 상기 무산소조로 반송하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 침지식 분리막을 이용한 생물학적 질소 인 제거장치.