KR100425552B1

KR100425552B1 - Sbr공법에 있어서 하수 또는 오·폐수 고도처리의 질소,인 제거방법 및 이에 따르는 슬러지 무배출 시스템

Info

Publication number: KR100425552B1
Application number: KR10-2001-0069620A
Authority: KR
Inventors: 김학로
Original assignee: 김학로
Priority date: 2001-11-08
Filing date: 2001-11-08
Publication date: 2004-04-03
Anticipated expiration: 2021-11-08
Also published as: KR20020007252A

Abstract

[과제]

종래의 기술보다 SBR 반응조에서 단시간에 효과적으로 오염된 하수 또는 오·폐수의 질소와 인을 동시제거하고, 특히, 새로운 슬러지 감량화 기술과 슬러지 무배출 기술을 제공한다.

[해결수단]

본 발명은 여러 단계로 분리된 반응조를 하나의 반응조에서 수행할 수 있다. 낮은 유기물 성상에서도 생물학적으로 질소 와 인을 동시에 제거할 수 있는 단일 SBR(Sequencing Batch Reactor) 반응조는 유입반응공정(Fill ＆ React), 생물반응공정(Bio-React), 슬러지침전공정(Settle), 처리 수배출공정(Decant), 휴지공정(Ideal) 및 슬러지선택공정(Sludge Selection)의 기본적인 5개의 공정이 연속적으로 일어난다. 그 기술적인 구성은 SBR 반응조에 제거능이 우수한 신균주 Bacillus khr-10-mx와 복합균주 khr-5-mx에 포함된 질산화 및 탈질 미생물과 폴리-인 미생물, 생물고분자 응집제를 생산하는 미생물을 일정량 접종 우점적 활성화하는 기술과, SBR 반응조에 DO, pH, ORP, TWL, BWL, 온도 등을 포함하는 검출센서와 검출장치, 상기 센서와 검출장치에 대응하는 펄스 신호를 출력하는 인터페이스 및 마이크로프로세스 제어하에 상기 인터페이스로부터 인가되는 펄스 신호치에 따라 상기 센서 검출치를 예비설정치로 유지하는 Fuzzy ＆ PLC 제어장치와 연동하는 각종 펌프, 브로워, 디캔터 등으로 이루어져 자동제어 되는 무인자동운전 시스템과,상기 SBR 반응조의 슬러지 선택기(Sludge Selection Time)를 설정하고, 슬러지가용화조에서 신균주 미생물 및 옥시던트(Oxident)로부터 가용화한 슬러지를 고도처리에 필요한 탄소원과 유기물로 보충 공급한다. 따라서 세포질의 자기산화 반응을 반복 연속적으로 수행하여 SBR 반응조의 슬러지 볼륨(Sludge Volume)을 일정하게 유지, 잉여슬러지 발생을 감량화 또는 제로화 할 수 있는 기술이다.

Description

SBR공법에 있어서 하수 또는 오·폐수 고도처리의 질소, 인 제거방법 및 이에 따르는 슬러지 무배출 시스템{omitted}

[산업상 이용분야]

본 발명은 새로운 탈질소, 탈인 및 슬러지 감량화 및 무배출 시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 생활계 또는 산업계에서 배출되는 하수 또는 오·폐수에 포함된 각종 오염물질 뿐만 아니라 부영양화의 원인물질인 질소 및 인등의 영양염류를 생물학적으로 동시에 제거하고, 처리과정에서 생성되는 슬러지를 장기간에 걸처 배출하지 않는 슬러지 감량화 및 무배출 시스템의 기술을 제공한다.

[종래 기술]

본 발명은 하수 또는 오·폐수의 영양염류인 질소화합물과 인화합물을 제거하는 프로세스에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 호소, 하천 및 해양 등 수계의 부영양화의 원인이 되는 질소화합물 중에서 암모니아(Ammonia)는 그 자체가 독성이있어 수생 생물에게 독성을 나타내고, 아질산염이온(NO₂)은 혈액중에 혜모글로빈과 결합하여 태아에게 치명적인 메테모글로비네미아(Methemoglobinemia)라는 질병을 유발시키며 또한 아민과 반응하여 발암물질인 니트로스아민(Nitrosamine)을 만든다. 또 질산화 과정을 거치면서 산소를 다량 소모하여 수계의 무산소 상태를 만들기도 한다. 따라서 인산염(PO₄)과 다른 영양염과 같이 존재하면 세포내의 물질로 전환되어 조류의 발생을 유발시킬 수 있다. 이러한 이유로 우리나라를 비롯한 세계 여러나라는 질소와 인을 각 형태별로 기준치를 정하여 수질을 관리하고 있다. 상기와 같은 문제점을 가지고 있는 질소화합물과 인화합물의 영양염류를 제거하기 위한 탈질소 및 탈인 과정을 거처야 한다.

생물학적 처리방법으로 종래의 질소 및 인 제거 방법은 크게 두가지로 나누어지는데, 하나는 연속식(Continuous Flow)과 다른 하나는 회분식(Batch Flow)이다. 이러한 방식으로 질소와 인을 동시 제거하는 방법 중 대표적인 것은 혐기와 호기 조건을 적절히 분리 조합하여 운전하는 혐기-호기공정(A/O), 혐기-무산소-호기 공정(A₂/O), VIP(Virginia Initiative Plant)공정, UTC(University of Cape Town)공정, 바덴포(Bardenpho)공정 등이 있다.

또 하나의 처리방법은 유입방식에 따라 SBR 프로세스로 대표되는 간헐유입 방식과 연속유입 방식으로 분류 된다. 상기 이들 몇 개의 다른 방식은 단일구획 또는 여러 단계로 분리 구성된 반응조에서 호기공정과 무산소공정이 별도로 이루어져 시스템 운영이 복잡하고 숙련기술자를 요구하여 유인관리와 슬러지처리에 따른 건설비용 과 운전관리 비용이 과다하게 상승한다. 또한 질소 및 인을 생물학적으로 동시 제거하기 위한 종래의 SBR 처리방법에 있어서, 우리나라의 하수특성상 질화, 탈질 미생물과 폴리인 미생물의 동시작용에 따른 제거 메카니즘 반응상 처리효율을 기대하기가 어렵다. 따라서 종래의 SBR 고도처리 방법에 있어서 질소, 인 동시제거와 슬러지 감량화 기술은 아직까지 그 처리 기술이 확립되지 못하고 있다.

한편, 상기와 같은 일반적인 종래의 SBR의 고도처리를 위해 변형된 SBR로서 고도처리 방법에 관련된 많은 프로세스가(Fluidyne SBR, CAST SBR, ICEAS SBR, Aqua SBR, Jet Tech Omniflo SBR, CASS SBR, KIDEA SBR 등) 개발되어 있고, 상기와 같은 SBR의 고도처리를 위해 변형된 SBR로서 유출수내의 질소 농도를 10mg/ℓ 이하로 처리할 수 있는 프로세스는 다음과 같은 것들이 알려져 있는데, 이를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

(1)Aqua SBR

Aqua Aerobic Systems,Inc.에서 개발한 것으로, 최대수리학적 부하에도 처리주기 시간을 유지하여 안정적 처리가 가능하다. 운전모드는 혼합-유입(Mixed-Fill)단계, 반응-유입(React-Fill)단계, 반응(React)단계, 침전(Settle)단계, 유출-슬러지처리(Decant-Sludge Wasts)단계, 휴지(Idle)단계로 이루어진다.

(2)CASS(Cyclic Activated Sludge System)

Babcock King-Wilkinson,L.P에서 개발한 것으로, 두 개의 주 반응조를 동시에 운영함으로서 오염농도 부하량 변화에 적응력이 강하고, 유입부에 하나의 선택단계가 구비되어 반송슬러지가 여기로 유입된다. 유기물부하가 높은 선택기를 무산소 상태로 유지함으로서 플록(Floc)형성이 용이할 뿐만 아니라 섬유상 미생물 성장을 억제한다.

(3)Jet Tech Omniflo SBR

Jet Tech Omniflo,Inc.에서 개발한 것으로 폭기장치(Jet Aeration)를 특허로 가지고 있으며, 다양한 농도의 산업폐수 처리시설에 이상적이고, 용존산소(DO)의 측정에 의한 폭기장치 제어로 질산화와 탈질 과정을 최적화한다.

(4)ICEAS(Intermittent Cyclic Extended Aeration System)

Austgen Biojet Waste System,Inc.에서 개발되어 유입수의 연속 주입되는 것이 특징으로 필요한 경우에는 단속주입도 가능하다. 운전모드는 폭기단계, 침전단계, 방류단계로 이루어진다. 반응조 전단의 유입부는 탈질을 수행함과 동시에 주글리드 미생물(Zooglead Microorganism)의 성장을 촉진하고, 섬유상 미생물의 성장을 억제시킴으로서 벌킹(Bulking) 현상을 억제한다.

따라서 국내에서도 SBR 처리방법의 특허와 실용신안 등이 보고되었으나 이들의 상당수가 복잡한 구성의 반응조와 슬러지 처리시설 및 유인관리로 이루어진 것들로는, 대한민국 특허공개번호 특00-0036569호에 개시된 SBR 공법은 질화, 탈질, 인과잉섭취의 기본적 생물학적 원리와 선회와류식 표면폭기기를 특징으로 하고있고, 대한민국 특허공개번호 특01-0028648호는 연속회분식 반응조의 생물학적 질소, 인 제거에 있어서 특기를 중지한 경우에 NO₃-N에 의한 인제거 효율저하를 방지하기 위하여 반응조 내부에 침전 슬러지에 덮게를 만들어 인의 방출을 막는 것이 특징이고, 대한민국 특허공개번호 특00-0033238호는 반응조에 미생물 고정담체를 충진하여 상하로 이동하며 교반기를 작동하는 것이 특징이며, 대한민국 특허 제118160호는 반응조의 상징수 배출에 따른 커튼월 장치와 작동원리 등을 특징으로 하는 방법이고, 대한민국특허 공개번호 특99-015325호의 탈질, 탈인 박테리아를 이용한 하수처리 역시 단일 반응조가 아닌 혐기조, 무산소조, 침전조 등으로 여러단계의 개별 시설을 구비하고 제오라이트 분말을 첨가한 에틸렌그레콜수지에 미생물을 흡착고정한 담체를 이용한 처리방법이다.

슬러지 무배출 또는 감량화 방법에 있어서, 대한민국특허 공개번호 특2000-001771호는 이온화가스 또는 옥시던트를 이용한 가용화 및 무배출방법이고, 일본특허출원공개번호 특개평9-122679호와 특개평9-174098호는 활성탄과 오존 산화를 이용한 슬러지 감용화 방법이고, 일본특허출원공개번호 특개평9-150196호는 알카리제와 전해공정을 이용한 감용화 방법이고, 일본특허출원공개번호 특개2000-312895호는 산, 알카리제를 이용한 감량화 방법이고, 일본특허출원공개번호 특개2001-38397호는 알카리제와 초음파를 이용한 감량화 방법이고, 일본특허출원공개번호 특개2001-149998호는 과산화수소와 교류의 전기분해를 이용한 감량화 방법이고, 일본특허출원공개번호 특개2001-29979호는 차아염소산염 처리를 이용한 감량화 방법이고, 일본특허출원공개번호 특개평9-276887호는 슬러지 가온처리 감량화 방법이고, 일본특허공개번호 특개평10-13778호는 고압 펄스방전을 이용한 감량화 방법이고, 일본특허출원공개번호 특개평11-216500호는 교반시 발생하는 마찰열을 이용한 감용화 방법이고, 일본특출원공개번호 특개2000-202484호는 오존과 호열균을 이용한 감용화 방법이고, 일본특허출원공개번호 특개2000-237795호는 초단주기고압차변압을 이용 감량화 방법이다.

상기 국내외 여러 종류의 SBR 프로세스는 단일 반응조 또는 다수의 반응조를 이용하여 처리되는 종래의 방법은 BOD, SS, T-N은 효과적으로 제거시키는 반면, 인제거에는 상당히 취약하여 질소와 인의 동시제거가 어려울 뿐만아니라, 슬러지 감량화에 따른 장기간의 무배출 기술은 생물학적 또는 물리화학적 고도의 기술이 요구 되는 것으로, 이를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

하수 내에 포함된 질소, 인의 제거에 중요인자는 질산성질소(NO-N)이 N2 가스로 방출될 때뿐만 아니라 인축적 미생물이 폴리-β -히드록시부틸산(PHB)의 형태로 축적하고 인을 방출시킬 때에도 유기물이 필요하게 된다. 즉, 제한된 유기물을 질산화 미생물과 인축적 미생물에게 적절하게 분배 되도록 하는 것이 중요하게 되는 데, 일반적으로 인축적 미생물과 탈질 미생물이 경쟁관계에 있을 때에는 탈질 미생물이 상대적으로 인축적 미생물에 비해 먼저 유기물을 섭취하게 되고 우점종이 된다. 따라서, 인축적 미생물에게 제한된 유기물을 최대한 먼저 공급하도록 하는 것이 인과 질소제거에 필요한 사항으로, 결과적으로 유기물이 제한된 경우 질산성질소(NOx-N)의 독성유발물질의 방해를 줄여주어야 탈질 미생물에 비해 상대적으로 약한 인축적 미생물의 활동을 활성화시킴으로서 동시처리가 보다 손쉽게 일어날 수 있게 된다.

그러나, 상기와 같은 종래의 SBR은 처리 시스템 운영상 상기의 목적을 달성하기가 어렵고, 합류식 하수관거에 따른 우수유입 등의 원인으로 질소와 인을 제거하는데 필요한 유기물 농도가 낮아서 영양소제거 측면에서 불리한 성상을 지니고있는 우리나라의 하수 및 오·폐수 특성상 질소와 인을 동시에 제거하기에는 여러 가지 문제점이 있게된다. 따라서 인을 과잉섭취하는 미생물이 자연적 출연 증식되는 미생물 량으로는 과잉섭취에 따른 인화합물을 총체적으로 처리되지 않을 뿐만 아니라, 섭취된 후 잔존 인화합물과 방출된 인화합물에 대한 처리방법 역시 제시되지 않고 있다.

특히 상기 종래 방법은 질소, 인 동시제거에 필요한 미생물을 우점적으로 증식할 수 있는 시스템 구성이 부족하고, 슬러지 감량화 및 슬러지 처분에 따른 높은 유지관리비를 요구하는 시스템으로 구성되어 중,소규모 하수 또는 오·폐수 고도처리 시스템으로는 적합하지 않다.

상기 종합한 내용의 종래의 기술로써 해결하지 못한 다량의 잉여슬러지 발생에 따른 시설비 및 처리비용이 고가이고, 따라서 제거되지 않은 잔존 질소, 인이 그대로 방류되어 하천, 호소 및 수역의 질산염 및 인산염의 증가를 가져와 부영양화되고 물을 썩게 하여 수돗물의 바이러스 검출과 어류의 폐사 및 농작물의 식생장해 등 수질오염을 가중시키고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로써,

본 발명은 단일 SBR 반응조에서 유입, 반응, 침전, 배출, 휴지등 각각의 처리공정을 순차적, 연속적으로 반복하고, 생물학적으로 제거 능이 우수한 신균주 질산화, 탈질산화 미생물과 폴리-인 미생물, 생물고분자 응집제를 생산하는 미생물을 접종 또는 상기 미생물을 흡착 고정한 다공성 바이오세라믹 볼(Bio-Ceramic Ball)을 이용하여 우점적으로 활성화된 미생물로 부터 단시간 내에 BOD, COD, SS, T-N, T-P 등을 동시에 제거하는 방법을 제공한다

특히, 본 발명을 SBR 반응조에서 슬러지 선택기(Selection Time)를 설정하고, 처리공정에서 생성된 슬러지를 가용화하여 고도처리에 필요한 유기물과 탄소원으로 보충 공급한다. 여기서 생물학적 세포질의 자기산화 공정을 반복 연속적으로 수행하여 잉여슬러지 발생량을 최소화한다. 여기서 궁극적으로는 처리공정에서 슬러지 배출을 적극적으로 줄이는 슬러지 감량화 또는 무배출 시스템과 무인 운전관리 시스템을 제공하여 건설비 및 유지관리비를 절감하는 경제적인 SBR 고도처리 방법을 제공하기 위한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 의한 SBR 프로세스의 고도처리 계통도.

도 2는 본 발명의 실시예 1에 의한 SBR 반응조 연속처리 공정도.

도 3은 본 발명의 실시예 1에 의한 SBR 반응조 타임스케줄도.

도 4는 본 발명의 실시예 1에 의한 무인 자동제어 시스템 구성도.

도 5는 본 발명의 실시예 1에 의한 슬러지 무배출 시스템 구성도.

도 6은 본 발명의 실시예 1에 의한 질소 제거율을 나타낸 그래프.

도 7는 본 발명의 실시예 1에 의한 인 제거율을 나타낸 그래프.

도 8은 본 발명의 실시예 1에 의한 슬러지 감량율을 나타낸 그래프.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 스크린 11 : 유입맨홀 펌프피트조

12 : 협잡물제거 및 침사설비 13 : 유입유량계실

14 : SBR 전반응조 15 : SBR 주반응조

16 : 소독조 및 유출유량계실 17 : 슬러지가용화조

101 : 검출장치 102 : Fuzzy ＆ PLC 제어장치

103 : pH Controller 104 : ORP Controller

105 : DO Controller 106 : Temperature Sensor

107 : TWL Sensor 108 : BWL Sensor

200 : 펌프(Pump) 201 : 에어밸브(Air-Valve)

202 : 브로워(Blower) 203 : 디켄터(Decanter)

204 : 산기관(Diffuser) 205 : 슬러지 펌프(Sludge Pump)

206 : 신균주 접종장치 207 : SRS 장치(Sludge Reduction By

208 : 바이오세라믹 볼(Bio-Ceramic Ball) Sludge System)

[과제를 해결하기 위한 수단]

상기 목적을 달성하고자 본 발명에서는 SBR 프로세스를 이용하여 질소와 인을 동시에 처리하는 방법에 있어서 기술적 사상을 첨부된 도면을 참고로 하여 설명하면 다음과 같다. [도 1] 은 본 발명의 실시예 1에 의한 SBR 프로세스 고도처리 계통도 이고, [도 2] 는 본 발명의 실시예 1에 의한 SBR반응조 연속처리 공정도 이고, [도 3] 은 본 발명의 실시예 1에 의한 SBR반응조 타임스케줄도 이고, [도 4] 는 본 발명의 실시예 1에 의한 무인 자동제어 시스템 구성도 이고, [도 5] 는 본 발명의 실시예 1에 의한 슬러지 무배출 시스템 구성도 이고, [도 6] 는 본 발명의 실시예 1에 의한 질소 제거율을 나타낸 그래프이고, [도 7] 은 본 발명의 실시예 1에 의한 인 제거율을 나타낸 그래프 이고, [도 8] 은 본 발명의 실시예 1에 의한슬러지 감량율을 나타낸 그래프 이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 유입된 하수 또는 오·폐수를 스크린(10)에서 고형 협잡물질을 제거하고 침사조 또는 협잡물제거 및 침사설비(12)에서 흙, 모래등을 제거한 후 유입맨홀 펌프피트조(11)에서 유입수량에 따라 일정량을 유입유량계실(13)를 거처 SBR 전반응조(14)로 이송하여 1차반응 후 배플벽(Baffle Wall) 하부를 통과 SBR 주반응조(15)에 유입되어 유입반응단계, 침전단계, 배출단계를 1주기(1 Cycle) 공정을 반복, 연속적으로 고도처리 공정을 제공한다.

여기서 본 발명의 SBR 주반응조(15)에 용존산소(DO)농도, 온도(Temperature), 수소이온(pH)농도, 산화환원전위(ORP), 수위조절센서(TWL, BWL)등의 검출센서를 포함하는 검출장치(101)와 상기 센서들의 검출치에 대응하는 전력펄스 신호를 출력하는 인터페이스 및 마이크로프로세스 제어하에 상기 인터페이스로부터 인가되는 전력펄스 신호치에 따라 상기 센서들의 검출치를 각각의 예비설정치로 유지하는 Fuzzy ＆ PLC 제어장치(102)로 이루어지고, SBR 주반응조(15)에 장착되거나 별도로 연결된 공정 제어시스템 즉, 무인화 자동운전 시스템을 제공한다.

또한 SBR 주반응조(15)에 제거능이 우수한 신균주 바실러스 khr-10-mx(한국과학기술연구원 유전자은행 기탁번호 KCTC 8533P)와 복합균주 khr-5-mx(한국과학기술연구원 유전자은행 기탁번호 KCTC 0078BP)에 포함된 BOD 산화세균(Bacillus sp. Zoothamnium sp. 등), 질산화 미생물(Monassp. Lepadella sp. Epistylis sp. 등), 탈질산화 미생물(Boda sp. Vorticella spp. Amoeba sp. 등), 폴리인(Poly-P) 미생물(Pseudomonas sp. Acinetobactor sp. 등), 생물고분자 응집제를 생산하는 미생물(Bacillus sp. 등)을 신균주 접종장치(206)를 장착하고 일정기간 자동으로 접종하여 활성화 한다. 또한 상기 미생물을 흡착 고정한 다공성 바이오세라믹 볼(208)을 용기에 수납하여 일정량을 SBR 반응조에 침적, 하수 또는 오·폐수와 접촉하므로써 흡착 고정된 상기 미생물의 활성으로 우점화 한다.

여기서 질산화, 탈질소, 탈인의 처리공정과 그 메카니즘은 하기 공정설명 또는 실시예에서 상세하게 설명한다.

따라서 SBR 전반응조(14)에 슬러지 선택기를 설정하여 슬러지가용화조(17)에서 1차 가용화된 슬러지를 다시 SRS 장치(207)를 통과 고도처리에 필요한 유기물과 탄소원으로 보충 공급하고, SBR 주반응조(15)에서 생물학적 세포질의 자기산화 공정을 반복, 연속적으로 실행함으로써 슬러지 발생량을 최소화하여 슬러지가 매일 배출되지 않을 뿐만 아니라 영양소 제거에 필요한 유기물과 탄소원으로 재활용 할 수 있는 슬러지 감량화 시스템을 제공한다.

여기서 SBR 주반응조의 슬러지 볼륨(Sludge Volume)은 일정량으로 유지되며 매일 잉여슬러지를 배출하지 않고 년 1회 내지 2회 일정량 인출하여 반출처리하거나 탈수처리하는 것에 따라 슬러지 감량화 및 무배출 기술이 달성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 대하여 본 발명을 실시하기 위한 처리 공정도가 [도 1] 에 도시되어 있으며, 이를 참고로 하여 본 발명에 대하여 보다 구체적으로 하기와 같이 상세하게 설명한다.

제1처리공정(스크린, 협잡물제거 및 침사설비) : 차집관거를 통해 유입되는하수 중에 포함되어 있는 비교적 큰 협잡물을 제거하기 위하여 조대형 부유협잡물 제거용 바스크린 또는 박스 스크린(10)을 설치하여 협잡물을 1차분리 외부로 반출한다. 2차 흙과 모래(1.0mm이상, 비중 2.65) 및 비부패성 무기물을 등을 협잡물제거 및 침사설비(12)에서 급속침전 분리하고, 모래에 의한 펌프나 기계손상, 관로의 폐쇄 및 조내의 퇴적을 방지하기위한 전처리 공정을 거처 다음 공정으로 이송된다.

제2처리공정(유입맨홀 펌프피트조, 유입유량계실) : 유입된 하수를 연속 이송하여 이후 공정에서 처리할 유량을 감시하는 시설로 유입맨홀 펌프피트조(11)에서 시간최대 수량은 수중모터 펌프에 의해 양수되고, 유량조정은 레벨센서와 연동된 검출장치(101) 및 제어장치(102)에 의해 연속주입 또는 간헐주입의 선택적으로 이루어지고, 유입유량계실(13)을 거처 분배조를 통해 SBR 전반응조(14)로 유입된다. 이때 유량측정은 전자유량계로 자동측정되고 펌프의 가동대수는 유입수량에 따라 자동으로 조절된다. 여기서 처리수량 수질에 따라 유입맨홀 펌프피트조(11)를 유량조정조로 대체할 수 있으며 유입맨홀 펌프피트조로 주기능이 한정되는 것은 아니다.

제3처리공정(SBR 전반응조) : 본 발명의 처리공정은 유출 타임에도 수리학적 선회류 없이 유입수가 SBR 전반응조(14)로 계속해서 유입 될 수 있도록 하기 위하여 SBR 전반응조(14)와 SBR 주반응조(15) 사이에 배플벽(Baffle Wall)을 설치하고 SBR 전반응조(14)의 크기는 전체 반응조의 10%∼15%로 구성된다. 유입하수는 SBR 전반응조(14)에 계속적으로 유입되고 배플벽 바닥의 유입구를 통과하여 SBR 주반응조(15) 저부의 슬러지층 속으로 유입된다. 수리학적 힘에 의해 유입되는 유입하수는 매우 느린 속도로 상부수위로 이동하므로 처리수 유출동안에는 반응조 내의 선회류를 방지할 수 있다. 연속해서 유입되는 유입하수는 SBR 주반응조(15)에 유입되기 전에 SBR 전반응조(14)에서 1차처리 된다. SBR 전반응조(14)에서 적은 용량에서 높은 BOD를 가지므로 높은 F/M비를 유지하며 높은 F/M비는 미생물에 의한 최대 생물흡착과 반응을 시작 한다. 그러므로 SBR 전반응조(14)는 유기물증식을 가장 최적의 상태로 증가시키기 위한 유기물 공급원의 슬러지선택구역(Sludge Selection Zone)으로서 역할을 함으로써 슬러지 선택기(Selection Time)에 슬러지가용화조(17)에서 가용화된 슬러지를 일정량 SRS 장치(207)를 통과 공급한다. 이때, 하수 또는 오·폐수 고도처리에 요구되는 탄소원(C-BOD)으로 공급하여 탈질을 수행함과 동시에 유기물 보충 효과를 얻는다. 특히, SBR 전반응조에서 세포질의 자기산화 미생물 성장을 촉진하고, 벌킹(Bulking)원인이 되는 사상균 성장을 억제시키는 기능을 가진다.

제4처리공정(SBR 주반응조) SBR 전반응조(14)에서는 전처리된 하수가 유입되어 1주기 3단계의 처리공정으로 이루어지며 각 단계의 운전주기는 퍼지(Fuzzy) 및 PLC(Programmable Logic Controller)에 의해 자동으로 제어된다. 1단계는 공기를 주입하거나 주입하지 않은 상태인 호기/무산소의 환경조건이 이루어진다. 호기성(Air-on) 단계는 폭기장치에 따라 반응조내에 산소가 공급되어 호기성 미생물의 활성화로 유기물(BOD)이 제거되며, 무산소(Air-off) 단계는 질소화합물은 질산화 공정을 거처 유기성탄소(C-BOD)의 반응을 일으켜 질소가스(N₂)와이산화탄소(CO₂)로 전환 대기중에 방출되어 질소가 제거된다. 2단계는 침전고형물과 정화된 상징수를 분리하는 침전주기이다. 3단계는 처리수 유출주기로서 처리수 유출장치(Decanter)가 상부 TWL(Top Water Level)에서 하부 BWL(Bottom Water Level)로 이동하므로서 정화된 상징수를 유출장치에 부착되어 있는 웨어(Weir)를 통하여 유출된다. 정상주기 시간은 160min의 호기/무산소 단계, 50min의 침전 단계, 60min의 처리수 유출 단계를 거처 1주기(1 Cycle)의 처리시간은 4.0∼4.8hr이 소요된다. 여기서 유출단계가 완료되면 처리수 유출장치는 정위치에 정지되고 처리주기는 다시 반복된다. 처음부터 처리수의 유출단계까지 SBR 반응조에 연속적으로 유입된다. 우수시 처리주기는 정상시 처리주기보다 짧은 체류시간을 갖는다. 우수시(Storm Flow) 과도한 유량이 유입되면 유입맨홀 펌프피트조(11)내 수위를 검출하는 레벨센서에 의해 자동으로 정상주기는 중단되고 짧은 우수주기의 3.4hr로 자동변환 된다.

여기서 탈인, 질산화, 탈질 공정을 동시 또는 순차적으로 수행하기 위하여 SBR반응조에 신균주 Bacillus khr-10-mx, 복합균주 khr-5-mx 에 포함된 질산화 미생물, 탈질 미생물, 폴리인(Poly-P) 미생물과 생물고분자 응집제를 생산하는 미생물 등을 1주내지 2주간 완성 접종스케줄에 따라 1주간 매일 유입수량의 1㎥당 3∼4ppm을, 2주간 매일 유입수량의 1㎥당 1∼2ppm으로 신균주 접종장치(206)에 의해 일정량 접종 한다. 여기서 유기물이 부족한 상태에서도 우점적 활성화되고 BOD, COD, SS, T-N, T-P제거 작용이 신속하게 진행하게 된다. 또한 SBR반응조에 미생물 접종은 수질에 따라 신균주 미생물은 선택적이며 접종량과 접종일수 역시 가변적으로 활성상태에 따라 축소 또는 연장할 수 있으며, 2주간으로 한정되는 것은 아니다.

또한 미생물의 활성을 적극적으로 촉진하기 위하여 상기 신균주 미생물을 흡착 고정한 다공성 바이오세라믹 볼(208)을 용기에 수납하여 SBR 전반응조(14)와 SBR 주반응조(15)의 저부에 일정 간격으로 설치하고 하수와 접촉 미생물의 활성을 촉진 하였다. 따라서 유입수 성상과 수질에 따라 바이오세라믹 볼(208)의 투입 또는 제거할 수 있으며 바이오세라믹 볼의 사용이 한정되는 것은 아니다.

이때, 하수중의 유기물 일부는 미생물과 접촉하고 유기물의 산화 식에 따라서 탄산가스나 물같은 무기물로 산화되고, 나머지 일부는 세포질의 형성 식에 따라서 미생물의 세포합성에 쓰여지고, 하수 및 오수중의 유기물량이 적게 되면 미생물은 세포질의 산화 즉, 자기산화 식과 같이 자신이 세포질 분해에 의해 에너지를 얻는 공정은 하기의 메카니즘에 따라 오염물질이 제거되고 슬러지 생성을 억제하는 메카니즘은 다음 반응식과 같다.

유기물의 산화(BOD제거)

세포질의 형성(오니생성)

세포질의 산화(오니감량)

1)생물학적 질산화 공정(호기성 산화)

SBR반응조에서 질소 제거방법은 생물학적 방법으로 NH₄-N을 질산화균을 이용하여 NO₃-N으로 변환시킨후, 탈질소균을 이용하여 N₂gas의 형태로 대기중으로 방출하는 방법이다. 질산화가 이루여지기 위해서는 2단계가 필요하다. 첫 번째 단계는 Nitrosomonas가 암모니아를 O₂분자를 사용하여 아질산으로 변환시키는 단계이고, 두 번째 단계는 Nitrobactor가 아질산을 질산으로 변환시키는 단계이다. 질산화의 메카니즘은 다음 반응식과 같다.

1mol의 NH₄ ⁺-N의 산화에 2mol의 산소를 필요로 한다. Nitrosomonas 나 Nitrobacter 등의 질산화균은 증식에 유기물을 필요로 하지않고 NH₄ ⁺나 NO₂ ^-의 산화로 얻은 에너지를 사용하여 CO₂를 환원시켜 균체를 합성하는 독립영양세균으로 균체반응은 다음식과 같은데 다음식으로부터 1kg의 NO₂ ^-가 산화되면 0.47kg의 Nitrosomonas가 합성되고 1kg의 NO₂ ^-가 산화되면 0.02의 Nitrobacter 가 합성된다.

이러한 균체증식율을 BOD산화균 즉, 종속영양미생물에 비해 증식율(0.5∼0.7)매우 낮다는 것을 알수 있다. 여기서 질산화 미생물의 성장과 활성화를 유지키는 것이 필요하다.

여기서 SBR반응조의 우점종 질산화용 생균수를 각 3회 반복 실험 후 유효숫자 범위내의 CFU 값을 평균 측정하였다. 측정된 값은 [표 1]과 같다.

질산화용 우점종 미생물은 [표 2] 와 같다.

2)생물학적 탈인 공정(인 과잉섭취)

SBR 반응조의 무산소 조건에서 유기물(S-BOD)이 저분자지방산(Short Chain Fatty Acid)으로 변화되고 SCFA가 세포내로 이송된다.

세포내에 있는 Polyphosphat가 Orthophosphate로 변화되어 소량이 방출된다. 이때 SCFA는 PHB(C₆H₆O₂)n로 변화되어 축척된다.

호기성 조건에서 폴리인산염으로 인을 재축적하는데 이때 PHB를 산화하여 증식하고 (호기성 조건에서 인의 과잉섭취) 증식된 (인이 과잉섭취 및 인분해) 미생물 즉, Poly-P 미생물을 가용화하므로서 인 제거가 달성된다.

인섭취 : 호기조건 PHB + PO₄ ^3-→ Poly-P + H₂O + CO₂

여기서 처리되지 않은 나머지 잔존 인화합물은 생물고분자 응집제를 생산하는 미생물(Bacillus sp. 등) 증식에 생물고분자 응집제 활성에 따라 응집흡착 제거된다.

3)생물학적 탈질소 공정(혐기성 환원)

SBR반응조에서 생물학적 탈질 과정는 NO₃-N를 N₂gas의 형태로 환원 시키는 과정으로 가스상 물질은 주로 질소가스인 N₂이지만 Nitrous Oxide(N₂O)혹은 Nitric Oxide(NO)로 변환 되기도 한다. 가스상 질소는 생물학적 성장을 위해 쉽게 이용할 수 있는 형태가 아니므로, 탈질소는 환경에 크게 해를 주지않는 질소 형태로 변환시키는 것이다.

질산화와는 달리, 탈질소에 관여하는 미생물은 상당히 넓은 범위에 걸처 작용하고, 탈질소 능력을 가지고 있는 접종 미생물은 하기와 같다. 여기서 탈질화의 메카니즘을 다음 반응식과 같다.

여기서 무산소 공정의 우점종 탈질 미생물 생균수를 각 3회 반복 실험 후 유효숫자 범위내의 CFU 값을 평균 측정하였다.

측정된 같은 [표 3] 과 우점종 미생물은 [표 4]와 같다.

제5처리공정(소독조 및 유출유량계실)

처리공정에서 상징수로 분리된 처리수에 포함된 병원성 대장균 등을 UV 또는 차염소산나트륨(NaOCl) 등을 이용 소독조를 통과 멸균처리 후 파샬플륨에 의해 처리수량을 계측하고 방류관거를 통해 방류한다.

여기서 처리수를 재활용하기 위해서는 최종적으로 여과조에서 부유물, 난분해성 물질, 악취, 색도 등을 활성탄 및 모래 여과재 층을 통과시켜 안전하게 제거한 다음 재활용 할 수 있다.

이하 다음과 같은 실시예를 통하여 본 발명의 특징에 대하여 상세히 설명한다

[실시예 1]

다음은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다.

그러나 하기의 실시예들은 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다.

[도 1] 과 같이 생활하수를 생물학적 탈질소 및 탈인과 슬러지를 감량화 및 무배출 시스템으로 실험 운전하였다. 처리결과는 [표 7] 과 [도 5] 와 [도 6] 에 나타내었다.

하기한 [표 5] 의 성상을 가지는 실제의 하수를 [도 1] 에 나타난 처리공정 그대로 Pilot Plant 및 Lab Test로 실시하였다. Pilot Plant는 50㎥/day 와 Lab Test는 SBR 반응조 용량을 500ℓ로 제작하였으며, 질소(N)와 인(P)을 동시에 처리할 수 있는 공정과 슬러지 감량화 및 무배출 시스템과 신균주 미생물 접종 및 바이오세라믹 볼을 침적 실험하였다.

처리효율을 최대화 할 수 있는 운전조건을 확립하기 위하여 운전제어 인자인 유입수질, 제어시간, pH, ORP, DO, TWL, BWL등을 설정하여 최적운전 조건을 확립, 유기물 및 질소, 인의 동시제거 효율을 측정 분석하였다. 또한 무인 자동화에 관한실험으로 퍼지(Fuzzy ＆ PLC)제어 시스템을 이용 반응조의 DO, pH, ORP, TWL, BWL, 온도 등의 검출장치에 의한 제어장치로서 ORP Controller, Blower, Air-Velve, Pump, Decanter 등을 자동으로 제어하였다.

실험에서 사용된 하수의 BOD 농도는 120∼259ppm 범위이며, 평균 150ppm으로 일반 아파트 오수에 비하여 농도가 낮게 나타났으며, BOD/TKN Ratio는 3.0으로 역시 낮았다. 또한 하수의 유량과 농도의 일별 변화가 심하게 나타났는데 시간별 농도변화를 분석 실험하였다. 1시간 간격으로 하수를 채수하여 COD농도를 분석한 결과 오전 7시 30분부터 농도가 높아지며 18시가 되면 평균치 이하로 농도가 낮아지는 것을 알 수 있었다.

그리고 요일별로 차이가 심하게 나타났으며, 토요일에 농도가 낮게 나타났다. 일일 변화 폭이 50∼450ppm으로 활동 시간대에는 농도가 높고 그렇지 않을 경우에는 너무 낮은 것을 알 수 있는데 이는 소규모 처리장의 경우 처리공정이 충격부하에 강해야 정상적 기능을 발휘할 수 있으며 요일에 따른 유량 및 농도변화에 적응할 수 있도록 운영되어야 한다는 것을 의미한다.

1단계(부유협잡물 및 모래제거) : 발생하는 하수를 관로를 통하여 유입되면서 스크린(10)에서 조대형 부유고형협잡물을 제거하고, 다시 협잡물제거 및 침사설비(12)로부터 협잡물질과 토사 등을 분리 제거하였다.

2단계(유입 혼합 반응) : 협잡물제거 및 침사설비(12)에서 분리 제거된 하수는 유입맨홀펌프피트조(11)의 수중펌프에의해 유입유량계실(13)과 분배조를거처 SBR 전반응조(14)로 연속 또는 단속유입되고 SBR 주반응조(15)와 연동하여 기본적으로 설정된 수위 TWL(Top Water Level)에 도달되면 브로워(202)가 작동하여 혼합 교반이 시작된다. 여기서 슬러지 선택기(Sludge Selection Time)를 설정하고 슬러지가용화조(17)에서 일정량의 슬러지가 SRS 장치(207)를 거처 유입되면서 동시 유입 하수와 혼합 교반한다.

3단계(호기반응 및 무산소반응) : SBR 전반응조(14)에서 배플벽 저부를 통해 SBR 주반응조(15)로 유입 기본적으로 설정된 수위 TWL(Top Water Level)에 도달하면 브로워(202)가 작동하여 폭기 및 혼합 교반이 시작된다. 정상적인 운전주기는 4.0∼4.8hr으로 설정, 폭기(Air- on/off)가 20∼25min 간격으로 4회 반복 실행하고, 여기서 폭기시간은 DO농도를 자동 측정하여 필요한 DO농도를 최저3mg/ℓ 최고6mg/ℓ 를 유지하여 설정시간과 관계없이 최저와 최고치에 따라 브로워(Air-on/off)를 가동하였다. 무산소주기는 20∼25min 간격으로 3회 반복 실행하고, 침전은 50min, 유출 60min으로 설정 운전하였다. 이때 우수주기(Storm Flow)의 과다유량을 상쇄시키기 위하여 3.0∼3.4hr로 조정운전 하였다.

상기 처리공정 주기는 [도 3]의 타임스케줄도와 같다.

본 실시예의 SBR 주반응조(15)를 1, 2반응조로 구획하고, 운전은 하나의 운전 주기에 의해서 퍼지(Fuzzy) ＆ PLC(Programmable Logic Controller)제어된다. 완벽한 공정의 정상적인 주기는 4.0∼4.8hr으로 각각의 반응조가 동시에 유출하는 것을 방지하기 위하여 유출 단계를 [도 3]과 같이 일정 시간차를 두고 반응조(1 Basin) 중 하나만 폭기 단계이며, 다른 반응조(2 Basin)는 유출단계로 조정 운전하였다.

여기서 ORP Controller(104)에 의해 호기조건 산화환원 전위를 -50∼+300mV로 조절하고 신균주 접종장치(206)를 장착하여 신균주 Bacillus khr-10-mx와 복합균주 khr-5-mx를 접종스케줄에 따라 14일간 접종 완성하였다.

여기서 무산소 단계는 침전된 슬러지의 질산성질소(NO₃-N)는 조내에 접종 우점화 된 탈질 미생물에 의해 N₂Gas로 전환 방출되고, 여기서 ORP Controller(104)에 의해 무산소조건 산화환원 전위를 -50∼-150mV로 조절하였다.

4단계(침전) : 호기반응과 무산소반응이 타임스케줄에 따라 이루어지면 폭기가 중단되고 미생물 응집물인 바이오매스(Biomass)는 침전되고 고액분리가 이루어진다. 여기서 운전주기는 4.0∼4.8hr으로 침전시간을 50min으로 설정 운전하였다.

5단계(처리수 배출) : 고액분리된 상징수는 배출장치인 게이트 (Electromotive Effluent Gate) 또는 디캔터(203)를 통해 배출된다. 디켄터(203)의 작동 시간은 60min으로 설정 운전하였다. 유출단계는 TWL(Top Water Level)로 부터 설정 BWL(Bottom Water Level)수위까지 디켄터(203) 작동 시간은 60min 전후이고BWL에서 약 3min동안 정지한 후 원위치에 정지한다. 여기서 기계식과 부유식을 교대로 장착 실험하였다.

6단계(휴지 및 슬러지배출) : 처리수의 배출이 끝나면 다음 처리공정을 시작하기 위하여 휴지 상태로 대기한다. 본 실험에서 휴지공정을 생략하고 처리수 배출 단계에서 침전된 슬러지 일정량을 인출하여 슬러지가용화조(17)에 저류한다. 이전 슬러지가용화조(17)에서 가용화된 슬러지 일정량을 SRS 장치(207)를 통해 SBR 전반응조(14) 또는 SBR 주반응조(15)로 공급하였다.

다음 싸이클(Cycle)에 설정된 수위 TWL(Top Water Level)에 도달하면 브로워(202)가 작동하고 하수 속의 유기물이 비교적 안정된 유기물 또는 불활성 무기물로 분해하게 된다.

여기서 전처리된 하수는 SBR 전반응조(14)로 다시 유입한다. SBR 반응조는 4면형 수평구조물로 구성되며 하수는 SBR 전반응조(14) 배플벽 하부를 통해 유입되어 상부로 유출되고 연속적으로 타임스케줄에 따라 연속 운전하였다.

여기서 상세하게는 제거 능이 우수한 신균주 바실러스 khr-10-mx(한국과학기술연구원 유전자은행 기탁번호 KCTC 8533P)와 복합균주 khr-5-mx(한국과학기술연구원 유전자은행 기탁번호 KCTC 0078BP)에 포함된 산화미생물(Bacillus sp. Zoothagmium sp. Colpada sp. 등), 질산화 미생물(Monas sp. Lepadella sp. Epistylis sp. 등), 탈질산화 미생물(Boda sp. Vorticella spp. Amoeba sp. 등), 폴리인(Poly-P) 미생물(Pseudomonas sp. Acinetobacter sp. Bacillus sp. 등)을 신균주 접종장치(206)를 이용 정량으로 접종하였다.

접종스케줄은 2주간 총하수 유입량 및 저수량에 제1일에서 7일까지는 3∼5ppm/㎥.day, 7일에서 14일까지는 1∼2ppm/㎥.day로 접종 완성하고, 계절적 동절기와 하절기에 일정량을 투입 보충하였다.

또한 동절기의 처리효율 저하와 하절기의 부패방지를 위하여 접종스케줄과 병행하여 상기 신균주 활성배양균을 흡착 고정한 다공성 바이오세라믹 볼(208)을 용기에 일정량 수납하여 SBR 주반응조 저부에 소정의 간격으로 설치하고 하수와 접촉하였다.

여기서 바이오세라믹 볼(208)에 흡착 고정된 신균주 활성배양균은 여러 종류의 기능을 발휘하는 미생물을 상충작용 없이 공존시키는데 그 특성이 있다. 즉 여러 종류의 미생물을 혼합해 놓으면 변이를 일으키고 상호저해 작용을 하는데, 이것을 유전자 재조합시켜 독립된 격리입자를 형성 생존하도록 한 것으로, 일예로 신균주 미생물은 휴면 상태에서 먹이인 각종 유기오염물질을 만나면 휴면 상태에서 깨어나 유기오염물인 먹이를 섭취하고 분해하여 먹이가 없어지면 다시 휴면 상태로 정지하고, 다시 유기오염물질이 유입되면 다시 활동을 재개하여 오염유기물을 섭취 분해하여 끊임없이 활동하게 된다. 특히 1개의 신균주 미생물은 약 336∼504개까지 분열하면 그 후 분열 능력이 반감하기 시작한다. 1회 분열 시간은 약 20∼30min 으로, 약 7일 동안의 번식 성황기(Peak Time)가 된다. 여기서 1회 분열시간내에서 동일하게 SBR 전반응조(14)와 SBR 주반응조(15)의 Air-on/off 시간을 설정하여 운전하였다.

반응조에 pH Controller(103), DO Controller(105), ORP Controller(104),Temperature Sensor(106), TWL Sensor(107), BWL Sensor(108)를 포함하는 검출장치(101), 상기 센서들의 검출치에 대응하는 펄스 신호를 출력하는 인터페이스 및 마이크로프로세스 제어 하에 상기 인터페이스로부터 인가되는 디지털 신호에 따라 상기 센서들의 검출치를 각각의 예비 설정치로 연산, 유지하는 마이크로프로세스 Fuzzy ＆ PLC 제어장치(102)로 이루어지고, 연동된 ORP Controller(104)에 산화환원 전위를 -50∼+300mV로 조절되고, 브로워(202) 가동을 제어하여 DO량을 3∼6ppm으로 적정 유지하였다.

또한 무인관리 자동경보시스템을 연동하여 관리자가 현장 부재시 처리공정상에서 문제가 발생하면 즉시 자동경보시스템이 작동되어 호스트 컴퓨터 또는 입력된 전화번호 및 휴대전화 번호로 경보를 발신하므로써 즉시 대응할 수 있고, 마이크로프로세서에 의한 제어로 양방향통신을 실시, 각각의 부하를 감지 콘트롤러를 통합제어 할 수 있는 무인자동운점시스템을 통해 운전 데이터(Operating Data ＆ Alarm List)를 원격지의 호스트 컴퓨터에 실시간 전송 테이터 베이스화 하였다.

여기서 생물학적 질소제거 및 인제거의 실시예를 상세하게 설명한

다.

1)생물학적 질산화

유입 암모니아의 농도는 31∼50mg/ℓ 이고 평균농도는 27mg/ℓ 이다 무산소 상태에서 22.45mg/ℓ 이고 호기 상태에서 1.23mg/ℓ 이고 유출수의 평균농도는 0.89mg/ℓ 이다. 평균 암모니아 제거율은 90% 이상으로 거의 모든 암모니아를 제거할 수 있었다. 온도에 관계없이 질산화율이 이처럼 높은 것은, 유기물 농도가 낮아질산화 균들이 Heterotroph와의 경쟁에서 저해를 받지 않는 접종 미생물의 우점적 활성에, Air-On/Off 시간과 충분한 조건을 유지하였기 때문이다.

2)생물학적 탈질소

본 실시예에서 Nitrate는 반응공정에서 생성되므로 유입농도 보다는 유출농도가 의미를 가진다. 유출농도의 범위는 4.27∼16.38mg/ℓ 정도였다. 무산소공정의 평균농도는 3.75mg/ℓ 고, 호기공정의 평균농도는 9.43mg/ℓ이고 최종 방류되는 농도는 호기공정보다 조금 높은 9.48mg/ℓ 이었다. 침전공정에서도 약간의 질산화가 이루어지고 있음을 알수 있었고, 특히 하절기의 경우는 3∼4mg/ℓ 정도의 Nitrate가 원수로 유입되고 있었고, 탈질 미생물은 산소와 Nitrate가 공존하는 상황일 때 당연히 산소를 선호하므로 플록(Floc)의 안쪽에서 산소를 접하기 어려운 미생물들에 의해서 탈질 반응이 일어나게 된다. 이때 유기물 농도가 낮으면 플록의 외부의 미생물이 유기물 모두를 사용하므로 플록의 내부까지 유기물이 전달되지 못한다. 이러한 문제를 극복하기 위하여 본 발명에서는 호기공정의 용존산소량을 과잉공급하지 않고 최적량으로 조절하여 무산소공정에서 외부 유기탄소원(Organic Carbon Source)을 공급하지 않고 슬러지 선택기에 공급하는 슬러지의 자체 C-BOD(유기성탄소원)과 자기산화에 의한 내부탄소원을 이용하는 방법으로, 무산소단계에서 접종된 탈질 미생물의 우점적 활성화로 탈질 반응이 연속적으로 이루어져 N₂gas로 전환된다. 여기서 슬러지가용화조(17)에서 가용화된 슬러지를 다시 SRS 장치(207)를 통과하여 SBR 전반응조(14)의 슬러지선택기(Sludge Selection Time)에 따라 일정량 슬러지를 탄소원으로 보충 공급하여 탈질공정에 도모하고, 또한 자기산화에 의한 슬러지 볼륨을 일정량으로 유지하여, 매일 배출되는 잉여슬러지를 무배출 시스템으로 전환 운전하였다.

3)생물학적 탈인

본 발명의 고도처리 생물학적 인제거 공정(EBPR:Biological Phosphorus Removing)은 인을 생리학적 필요량보다 과도하게 세포내에 축적시켜 제거하는 방법으로, 인을 축적하는 미생물 즉 폴리인 미생물은 혐기상태에서 쉽게 분해되는 유기물을 체내에 흡수하여 폴리-β -히드록시부틸산(PHB:Poly-β-Hydroxybutyrate)와 PHV(Poly-β-Hydroxyvalerate)등을 합성하는데, 이때 필요한 에너지는 세포내의 Polyphosphate를 분해하는 것에 의해 얻어진다. 이 과정에서 인을 방출한다. SBR 반응조의 호기(Air-on) 공정에서는 Poly-P 미생물들은 에너지를 생성하기 위해 체내에 합성해 두었던 유기물을 분해하여 에너지를 만들어 체내에 Polyphosphate의 형태로 저장한다.

무산소(Air-off) 공정에서 유기물(S-BOD)이 저분자 지방산(SCFA : Short Chain Fatty Acid)으로 변화되고 SCFA가 세포내로 이송된다.

세포내에 있는 Polyphosphate가 정인산(Orthophosphate)으로 변화되어 방출된다. 이때 SCFA는 폴리-β -히드록시부틸산(PHB)로 변화되어 축척된다. 실시예의 실험결과 무산소공정과 호기공정에서 인섭취 속도를 비교하였는데 무산소공정에서 인섭취 속도가 느림을 보였다.

다음 호기(Air-on) 공정에서는 폴리인산염으로 인을 재축척하는데 이때 PHB를 산화하여 증식하고 호기성 조건에서 인을 과잉섭취된 슬러지를 처리하므로서 생물학적 인제거가 달성된다.

따라서 생물학적 인 제거에 관여하는 미생물 즉, Poly-P 미생물로 제거가 안된 잔존 인화합물은 생물고분자 응집제를 생산하는 미생물의 활성화에 따라 생산된 응집제에 의해 흡착, 응집 제거하였다.

여기서 총인 유입 농도는 3∼11mg/ℓ 범위이고 평균은 5.8mg/ℓ 였다. 이 농도는 유입되는 COD 수준을 생각될 때 선진국과 비슷한 경향이라 생각된다. 운전조건에 따른 SBR 반응조의 인거동을 살펴보면 Air-on/off 상태에서 인의 방출 및 인섭취 기작이 활발하게 진행되었다. 가장 큰 영향을 미치는 요소는 무산소 상태의 유기물양, NO^- ₃,DO가 있다. 이들 중 NO^- ₃와 DO가 높은 경우, 탈질 미생물들에 의해 유기물들이 소모되어 Poly-P 미생물들이 이용가능한 유기물양은 줄어들게 되므로 이와 같은 환경에서 무산소공정 및 침전공정에서 적은 유기물 양을 극복하는 균주의 활성으로 80%이상의 제거율을 나타내었으며 종래의 다른 SBR 프로세스에 비해 처리특성의 안정성 및 충격부하에 대한 저항도 크기 때문에 질소와 인을 동시제거 할 수 있는 기술을 확립하였다.

우점종으로 Poly-P 미생물은 [표 6]과 같다.

4)낮은 유기물질 양을 극복하는 기술

질소와 인을 동시에 제거해야 하는 단일 반응조에서 Poly-P 미생물의 작용에 의해 탈질효율이 저하될 가능성이 있다. 유기물질을 두고 Poly-P 미생물과 탈질 미생물이 경쟁을 하기 때문이다. 종래의 SBR 프로세스의 경우 무산소공정에서 탈질에 이용될 유기물이 많이 제거되기 때문이다. 그러나 이러한 가정은 Poly-P 미생물이 탈질능이 없다는 가정에서 나온 것인데 실제로는 Poly-P 미생물이 탈질능이 있는 종과 없는 종이 있다.

실제로 앞에서 언급한 것처럼 본 실험에서 사용한 복합균주 khr-5-mx의 특성은 무산소공정에서 인과잉섭취 미생물들이 인을 섭취하면서 탈질소 능을 가지고 있다. 다중 인산염을 저장할 수 있는 미생물 중 탈질소능을 가진 종을 DPB(Denitrifying Phosphorus Removing Bacteria)라고 명하고, 본 발명에서 유전자 재조합 복합균주에 포함된 DPB를 이용하며 탈소질, 탈인의 복수기능을 갖는 것과, 국내 하수의 문제점인 낮은 유기물 농도를 극복하기 위한 수단으로 SBR 전반응조에 슬러지 선택기(Sludge Selection Time)를 설정함에 있어, 슬러지 감량화 시스템을 이용 슬러지가용화조에서 가용화된 슬러지를 SRS 장치를 통해 SBR 전반응조에 일정량을 공급 유기물과 탄소원으로 보충하여 낮은 유기물 문제를 극복할 수 있다.

5)슬러지 감량화 및 무배출 기술

상기 SBR 주반응조의 휴지 또는 배출공정에서 1회 인출하였다. 인출된 슬러지는 구획된 슬러지가용화조로 이송하여 일정시간 체류하면서 슬러지에 Air-on/off 단계를 유지하면서 신균주 미생물을 접종 활성화하여 슬러지에 포함된 유기물 종류의 탄수화물은 당류나 유기산으로, 단백질은 아미노산으로, 지방은 지방산이나 그리세린으로 분해되어 다시 작은 분자로 분해되어 슬러지의 볼륨(Sludge Volume)을 적극적으로 줄이는 단계로부터, 최후에는 무기질인 물과 미네랄 탄산가스 등으로 물과 함께 배출되거나 대기중에 방출되어 소멸한다. 여기서 다시 구획된 슬러지가용화조로 이송 옥시던트(Oxident)와 접촉, 산화 분해되어 가용화된 나머지 슬러지는 SRS 장치를 거처 SBR 전반응조에 일정량 공급하여 부족한 유기물과 탄소원으로 보충한다. SBR 주반응조에서 생물반응에 따라 반복 연속적으로 상기 메카니즘과 같이 오니균의 세포 일부를 자기산화하여 감량되므로써, SBR 주반응조의 슬러지볼륨(Sludge Volume)을 일정량으로 유지, 슬러지 감량화 기술과 장기간의 걸처 슬러지 배출량을 획기적으로 줄이는 제로(Zero)화 기술이 달성된다.

가용화 또는 분해 메카니즘은 하기와 같다.

가)탄수화물 분해

Bacillus Subtilis 는 탄수화물을 분해하는 Amylase를 분비하여 탄수화물을 분해 용이한 6% Glucose, 30% Maltose, 64%의 Dextrin 등으로 분해하여 분해된 단당류는 미생물의 먹이가 되어 미생물 증식의 기본 요소가 되며 미생물은 단당류를 섭취하여 분열 증식하고 게속해서 Amylase를 분비하여 결국 단당류는 미생물의 먹이가 되며 분해하여 물 (H₂O) 및 탄산가스(CO₂)로 된다.

나)단백질 분해

Bacllus Subtilis 및 Bacillus Polymyxa에서 단백질 분해효소인 Protease를 분비하여 단백질을 분해 용이한 아미노산으로 변화시켜 변화된 N기를 함유한 아미노산은 Bacillus Subtilis 및 Bacillus Polymyxa의 증식성장에 기본 요소인 먹이가 된다. 아미노산류를 섭취분해하며 성장분열하여 계속 Protease를 분비한다. 결국 아미노산 계열의 물질은 미생물에 의해 포식되고 분해하여 물 (H₂O), 탄산가스(CO₂), 암모니아가 된다.

다)지방질 분해

Rodopseudmonss 속과 Bacillus Licheniformis는 Lipase를 분비하여 지방분을 알콜과 지방산으로 분해하여 알콜과 지방산은 미생물의 먹이가 되며 미생물은 알콜과 지방산을 먹이로 계속 증식하며 Lipase를 분비한다. 결국 알콜과 지방산은 미생물에 의해 분해하여 물 (H₂O)과 탄산가스 (CO₂)로 된다.

라)유화수소 가스 (H₂S)의 분해

Autotrophic Bacteria류인 Beggiatoacea에 의하여 HO₄로 변환되므로 유화수소 가스의 악취를 제거한다.

마)암모니아의 분해

Nitrobactor, Pseudomonas에 의하여 암모니아를 NO₂로 변환시켜 결국 NO₃를N₂gas로 방출하여 암모니아에 의한 악취 및 자극성을 해소한다.

바)셀루로우즈의 분해

셀루로우즈는 Tricchoderma Viride가 Cellulase C₁효소를 강하게 분비하여 고분자 탄수화물 구조인 셀루로우즈의 비결정형 부분의 분자 구조를 공격하고 연결을 단절하면 다시 Cellulase Cx형 효소에 의하여 결정부분이 분해되어 결국 분해 용이한 단당류로 전환된다. 단당류는 다시 미생물에 의하여 가수분해되고 유기성 탄소의 대부분은 부식되어 남는다.

상기 각 처리공정을 거친 처리수를 환경오염공정시헙법과 Standard Methods를 이용하여 BOD, CODcr, CODmn, SS, TN, TP, 우점종 생균수 등을 측정하고 [표 7]과 같은 만족한 처리결과를 얻었다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 SBR 반응조에서 질소와 인을 동시에 제거하여 배출허용 기준치를 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 신균주 미생물에 의한 세포질의 자기산화 공정을 반복 연속적으로 수행하여 슬러지 발생량을 최소화한다. 여기서 생성된 슬러지를 일정량 가용화한 후 슬러지선택기(Selection Time)를 설정한 SBR 반응조에서 유기물과 탄소원으로 공급한다. 이것을 반복 연속적으로 수행, 장기간에 걸처 슬러지 배출량을 획기적으로 줄이는 슬러지 감량화 및 무배출 시스템과 무인 자동운전 시스템을 제공하여 유지관리비용을 큰폭으로 절감하는 효과를 제공한다.

Claims

SBR공법에 있어서 하수 또는 오·폐수 고도처리의 질소, 인 제거 방법 및 이에 따르는 슬러지 무배출 시스템에 있어서, 스크린(10)에서 오염된 하수 또는 오·폐수에 포함된 부유 협잡물을 제거하는 단계와; 협잡물제거 및 침사설비(12)에서 오염된 하수 또는 오·폐수에 포함된 흙과 모래등 미세입자나 비부식성 무기물질 기타 부유 협잡물을 제거하는 단계와; 상기 점처리 단계로부터 유입맨홀 펌프피트조(11)와 유입유량계실(13)에서 하수 또는 오·폐수의 균등 혼합과 유량을 조절하고 측정하는 단계와; 상기 유입맨홀 펌프피트조(11)로부터 이송 유입된 하수 또는 오·폐수에 포함된 각종 유기오염물질을 다종다양한 신균주 미생물의 우점적 활성으로부터 유기물의 산화분해, 질산화, 탈질산화, 인과잉섭취 등이 이루어지도록 호기반응과 무산소반응을 일정시간 반복하는 SBR 전반응조(14)와 SBR 주반응조(15)의 유입반응(fill-react) 및 생물반응(bio-react) 단계와; 상기 생물반응 단계를 거친 다음 슬러지와 상징수로 침전 분리하는 침전(settle) 단계와; 상기 침전 단계에서 분리된 상징수를 디켄터(203)로부터 일정량을 배출(decant)하는 단계와; 다음 주기를 대기하는 휴지(ideal) 단계로부터; 1주기의 정상주기(1 cycle) 처리시간을 4.0∼4.8시간으로 설정 운전하는 처리공정과; 유량변동(storm flow)의 1주기 처리시간을 3.0∼3.4시간으로 설정 운전하는 처리공정을 상기 정상주기와 우수주기는 유입수량 변동에 따라 자동 변환되고; 상기 배출된 상징수를 여과 또는 소독처리하고, 유량을 측정하는 소독조 및 유출유량계실(16)로부토 정화된 처리수를 최종 배출하는 단계와; 상기 SBR 주반응조(15)의 휴지 또는 배출 단계에서 슬러지를 일정량 인출하여 슬러지 가용화조(17)에서 가용화한 다음, 가용화된 슬러지를 SRS장치(207)를 거처 SBR 반응조(14, 15)에 유기물(S-BOD)과 탄소원(organic carbon source)으로 일정량 공급하는 단계와; 슬러지 가용화조(17)의 처리효율을 증대시키기 위하여 슬러지를 연 1회 내지 2회 인출하여, 반출처리 또는 탈수처리 단계를; 포함하는 SBR공법에 있어서 하수 또는 오·폐수 고도처리의 질소, 인 제거방법 및 이에 따르는 슬러지 무배출 시스템
상기 SBR 반응조(14, 15)에서 유입반응 공정(fill-react), 생물반응 공정(bio-react), 슬러지침전 공정(settle), 처리수배출 공정(decant), 휴지 공정(ideal) 및 슬러지인발 공정이 반복 연속적으로 이루어지는 1주기(1 cycle) 처리 공정으로부터; 상기 SBR 반응조(14, 15)에 신균주 접촉장치(206)를 일정시간 장착하고, 상기 신균주 접촉장치로부터 신균주 미생물 Bacillus khr-10-mx(KCTC 8533P)와, Mixture khr-5-mx(KCTC 0078BP)에 포함된 질산화 미생물, 탈질산화 미생물, 폴리인 미생물, 생물고분자 응집제를 생산하는 미생물로 구성된 군 중에서 선택된 적어도 하나의 것을 접종 스케줄에 따라 1일에서 7일까지는 매일 유입수량 1㎥당 3∼4ppm을 접종하고, 7일에서 14일까지는 유입수량 1㎥당 1∼2ppm을 접종하여 우점적 활성화하는 단계와; 상기 SBR 반응조의 세포질의 합성 및 자기산화 단계의 활성화로부터 슬러지 생성을 억제, SBR반응조의 슬러지 볼륨(sludge volume)을 일정량으로 유지하는 자기산화 단계와; 상기 DO, pH, ORP, TWL, BWL, 온도 등의 검출센서를 포함하는 검출장치(101)와 검출된 값에 따라 제어하는 PLC 제어장치(102)와, 상기 제어장치로부터 각각의 펌프(200), 브로워(202), 에어밸브(201), 디캔터(203), SRS 장치(207)와 검출된 값에 따라 대응하는 펄스신호를 출력하는 인터페이스 및 마이크로프로세스 제어하에 상기 인터페이스로부터 인가되는 펄스 신호치에 따라 상기 센서의 검출치를 예비 설정치로 유지하는 PLC 제어장치를; 포함하는 상기 무인 자동제어 시스템에 있어서, 자동경보 장치를 부가하여 운전중 어느 공정상에 문제가 발생하면 자동경보 시스템이 즉시 작동되어 호스트 컴퓨터와 휴대 단말기로 경보를 발신하므로서 원격에서 즉시 대응하는 것과; 운전 데이터(operating data ＆ alarm list)를 실시간 호스트 컴퓨터에 전송 데이터베이스화하는 것을 특징으로 하는 무인 자동제어 시스템
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상기 신균주 미생물 Bacillus khr-10-mx(KCTC 8533P)와 Mixture khr-5-mx(KCTC 0078BP)에 포함된 질산화 미생물, 탈질산화 미생물, 폴리인 미생물, 생물고분자 응집제를 생산하는 미생물로 구성된 군 중에서 선택된 적어도 하나의 것을 흡착 고정한 다공성 바이오 세라믹 볼(208)을 일정량 용기에 충진하여 SBR 반응조(14, 15) 내의 저부에 소정의 간격으로 배치하고, 하수 또는 오·폐수를 접촉함으로서, 상기 바이오 세라믹 볼(208)로부터 미생물의 고농도 활성화를 증진하는 것을 특징으로 하는 방법.