KR100454584B1 - 4단계 생물학적 처리와 막분리를 이용한 하폐수 처리 방법및 그 시스템 - Google Patents

4단계 생물학적 처리와 막분리를 이용한 하폐수 처리 방법및 그 시스템 Download PDF

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Abstract

전처리된 하폐수를 무산소 처리 공정, 호기 처리 공정, 간헐 호기 처리 공정 및 호기 처리 공정을 순차적으로 거치면서 질산화된 미생물 혼합액을 소정의 비율로 무산소 처리 공정과 간헐 호기 처리 공정으로 반송시키는 생물학적 처리 공정과 이러한 생물학적 처리 공정을 거친 미생물 혼합액을 분리막에 의해 고액분리하고 분리된 고형물질 함유 혼합액을 무산소 처리 공정으로 반송시키는 막분리 공정을 결합시킨 MBR (Membrane BioReactor) 공정에 의해 유기물과 부유물질, 질소, 인을 고효율로 제거하는 하폐수 처리 방법 및 시스템이 개시된다. 이러한 방법 및 시스템은 시스템의 무희석을 가능하게 하고, 생물반응조 내의 미생물 농도를 고농도로 유지할 수 있어 폭기조의 용량을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 고부하 조건에서도 안정적인 처리 효율을 확보할 수 있으며 슬러지의 생산량도 감소시킬 수 있다. 또한, 이러한 방법 및 시스템은 고효율의 유기물, 부유물질 및 인 제거 이외에도 고효율의 질소 제거가 가능하여 전체적인 처리 효율이 증대되게 한다.

Description

4단계 생물학적 처리와 막분리를 이용한 하폐수 처리 방법 및 그 시스템 {PROCESS AND SYSTEM FOR TREATING SEWAGE AND WASTE WATER BY USING FOUR-STAGE BIOLOGICAL TREATMENT AND MEMBRANE SEPARATION}
본 발명은 하폐수 처리 분야에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전처리 공정을 거친 하폐수, 특히 고농도의 하폐수를 무산소 처리 공정, 호기 처리 공정, 간헐 호기 처리 공정 및 호기 처리 공정을 순차적으로 거치면서 질산화된 미생물 혼합액을 소정의 비율로 소정의 처리 공정에 반송시키는 생물학적 처리 공정과 이러한 생물학적 처리 공정을 거친 미생물 혼합액을 분리막에 의해 고액분리하고 분리된 고형물질 함유 혼합액을 무산소 처리 공정으로 반송시키는 막분리 공정을 결합시킨 MBR (Membrane BioReactor) 공정에 의해 유기물과 부유물질, 질소, 인을 고효율로 제거하는 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.
종래, 하폐수의 생물학적 처리 공정으로, 침전지로부터 반송되는 활성슬러지로부터 인방출반응이 이루어지는 혐기 공정, 탈질반응이 일어나는 무산소 공정, 및 질산화와 유기물 분해 그리고 인의 초과 섭취가 일어나는 호기 공정으로 이루어진 A2O 공법(Anaerobic Anoxic Oxic Process)이 보편적으로 이용되어 왔다. 그러나, 이러한 A2O 공법은 유입 하폐수가 고농도일 때에는 충분치 않으며, 또한 질소 및 인의 제거 효율이 비교적 낮은 것으로 알려져 있다. 또한, 이러한 A2O 공법은 COD와 관련된 유기물질의 제거율이 비교적 낮은 것으로 알려져 있다.
이러한 생물학적 처리 공법을 보완하기 위해, 생물학적 반응(biological reaction)과 막분리 공정(membrane separation)을 결합시킨 공법인 MBR(Membrane Bioreactor) 공법이 개발되어, 일본 등 선진외국에서는 정수 및 하폐수 등의 분야에 오래 전부터 적용되어 운전되고 있으며, 우리나라에서는 초순수제조 분야 및 오폐수 분야에 90년대 이후 상용화되어 현재 정수, 하수, 오수, 축산폐수, 분뇨, 산업폐수 등의 여러분야에 걸쳐 폭넓게 적용되고 있다. 이러한 공법은 기존 생물학적 공정의 문제점을 보완하여 두 공정이 완전히 결합되어진 하나의 공정으로서, 미생물의 플럭이나 적용되는 막의 종류에 따라 유기물까지 상 변화 없이 용액에서 미생물과 처리수를 침전조 없이 직접 분리할 수 있으며, 강제로 분리된 미생물은 생물반응조, 즉, MBR 조에서 그대로 존재하여 기존 생물학적 처리보다 높은 미생물 농도를 유지하여 매우 안정적인 처리수 확보가 가능하다. 그러나, 현재 적용되고 있는 MBR 공법은 생물학적 산소 요구량(Biological Oxygen Demand, BOD) 또는 화학적 산소 요구량(Chemical Oxygen Demend, COD)과 관련된 유기물 제거에는 효율적이나 질소 제거와 같은 고도 처리에는 취약하여 이의 개선이 요구되고 있는 실정이다.
한편, 국내의 축산폐수 처리 공정은 혐기성 소화 및 액상부식과 같은 화학적 처리 및 생물학적 처리 공정이 복합되어 운용되는 공정이 주로 주로 채택되고 있다. 그러나, 축사 관리와 경제적 환경 변화로 인한 축사 형태가 변화됨에 따라 유입농도가 당초 계획농도를 상회하게 되어 당초 시설로는 안정적으로 처리할 수 없는 상황이며, 이에 따라 유연성이 있으면서도 처리 효율이 충분한 새로운 공법이 요구되는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 하폐수, 특히 축산폐수 또는 분뇨와 같은 고농도의 하폐수를 보강된 생물반응조에 의한 생물학적 처리 공정과 한외여과막(UF, Ultrafiltration)에 의한 막분리 공정이 결합된 MBR 공정으로 처리하여 생물반응조의 미생물 농도를 고농도로 유지시킬 수 있는 MBR 공정의 장점을 그대로 살리면서 유기물, 부유물질 및 인 제거율 뿐만 아니라 질소 제거율도 상당히 향상시킬 수 있는 하폐수 처리 방법 및 그 시스템을 제공하는 데에 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하폐수 처리 공정을 개략적으로 도시한 공정도;
도 2는 도 1에 도시된 본 발명에 따른 공정이 적용되는 하폐수 처리 시스템을 보다 구체적으로 나타낸 도면;
도 3은 본 발명의 막분리 공정에 이용되는 분리막, 특히 관형막(tubular membrane)에서의 고액분리 원리를 나타낸 도면;
도 4는 본 발명의 막분리 공정에 이용되는 분리막 모듈의 사진;
도 5는 유입수와 본 발명의 공정을 거친 처리수의 COD 및 이의 제거효율을 보인 그래프;
도 6은 유입수와 본 발명의 공정을 거친 처리수의 T-N 및 이의 제거효율을 보인 그래프;
도 7은 본 발명의 막분리 공정에서 단위면적당 여과수량인 플럭스 범위와 평균여과처리량을 보인 그래프;
도 8은 본 발명의 공정이 축산폐수처리공정에 도입되는 경우의 전체 처리 공정도;
도 9는 본 발명의 공정에서 간헐 호기 공정을 생략한 공정에서의 질산성 질소의 농도 추이를 나타낸 그래프; 및
도 10은 간헐 호기 공정을 포함하는 본 발명의 공정에서의 질산성 질소의 농도 추이를 나타낸 그래프이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 생물반응조 18 : 1차 처리수(유입수) 유입 라인
20 : 무산소조 22, 62 : 교반기
40 : 제 1 호기조 44 : 폭기장치
60 : 간헐 호기조 64, 86 : 폭기장치
80 : 제 2 호기조 82 : 내부반송펌프
84 : 막분리공급펌프 88 : 제 1 반송라인
90 : 제 2 반송라인 100 : 막분리 장치
102 : 드럼스크린 104 : 완충조
106 : 분리막 가압펌프 108 : 분리막 유니트
110, 114, 116, 120, 122 : 밸브 112 : 세정조
118 : 유량계 124 : 제 3 반송라인
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은,
(A) 전처리된 하폐수를 무산소조에 유입시켜 탈질화시키는 단계;
(B) 상기 탈질화 단계를 거친 하폐수를 호기적으로 처리하여 유기물 분해 및 질산화를 유도하는 단계;
(C) 상기 호기적으로 처리된 하폐수를 간헐적으로 폭기시켜 호기 조건에서는 질산화를 유도하고 무산소 조건에서는 탈질을 유도하는 단계;
(D) 상기 간헐적으로 폭기처리된 하폐수를 다시 호기적으로 처리하여 유기물 분해 및 질산화를 유도한 후, 필요에 따라, 질산화된 미생물 혼합액의 일부를 상기 (A) 단계로 반송시키고 일부를 상기 (C) 단계로 반송시키는 단계; 및
(E) 임의로, 상기 (D) 단계를 거친 미생물 혼합액을 분리막에 의해 고액분리하고 분리된 고형물질 함유 혼합액을 상기 (A) 단계로 반송시키는 단계를 포함하는 하폐수 처리 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은,
(A) 전처리된 하폐수를 탈질화시키기 위한 교반기가 구비된 무산소조;
(B) 상기 무산소조로부터의 하폐수를 호기적으로 처리하여 유기물 분해 및 질산화를 유도하기 위한 폭기장치가 구비된 제 1 호기조;
(C) 상기 제 1 호기조에서 호기적으로 처리된 하폐수를 간헐적으로 폭기시키기 위한 폭기장치와 탈질을 위한 교반기가 구비된 간헐 호기조;
(D) 상기 간헐 호기조로부터의 하폐수를 호기적으로 처리하여 유기물 분해 및 질산화를 유도하기 위한 폭기장치가 구비된 제 2 호기조와, 필요에 따라, 상기 제 2 호기조에서 질산화된 미생물 혼합액의 일부를 상기 무산소조와 상기 간헐 호기조로 각각 반송시키기 위한 제 1 반송라인 및 제 2 반송라인; 및
(E) 임의로, 상기 제 2 호기조로부터의 미생물 혼합액을 고액분리하기 위한 분리막과 상기 분리막을 통해 분리된 고형물질 함유 혼합액을 상기 무산소조로 반송시키기 위한 제 3 반송라인을 포함하는 막분리 장치를 포함하는 하폐수 처리 시스템을 제공한다.
이상에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 방법은 하폐수의 처리 공정에 무산소 공정, 제 1 호기 공정, 간헐 호기 공정 및 제 2 호기 공정을 순차적으로 도입하고 제 2 호기 공정으로부터의 질산화된 미생물 혼합액을 소정의 비율로 무산소 공정과 간헐 호기 공정으로 반송시키는 반송 공정을 포함한 생물학적 처리 공정과 제 2 호기 공정으로부터의 미생물 혼합액을 분리막을 이용하여 고액분리하고 분리된 고형물질 함유 혼합액을 소정의 비율로 상기 무산소 공정으로 반송시킴으로써 처리수의 수질 향상과 생물반응조 내의 미생물 농도를 고농도로 유지시키기 위한 막분리 공정을 포함하는 MBR 공정을 도입함으로써, 미생물의 농도를 높게 유지시켜 고부하 조건에서도 안정적인 처리 효율을 확보할 수 있고, 부가적인 탄소원 투입이나 약품 투입 공정이 불필요하여 운전관리가 용이할 뿐만 아니라 유지관리비가 저렴하다.
본원에서 사용되는 용어 "유입수"는 달리 명시하지 않는 한 전처리된 1차 처리수를 의미한다.
본원에서 사용되는 표현 "고농도의 하폐수"에서 "고농도"는 개별적으로 또는 전체적으로 하폐수의 BOD가 8,000mg/L, COD가 3,000mg/L, SS가 3,000mg/L, T-N이 1,000mg/L, T-P가 100mg/L 정도 또는 그 이상일 때를 나타낸다.
이하, 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 각각의 공정별로 상세하게 기술된다.
무산소조(20)에서의 탈질화 공정
도 1 및 2를 참조하여, 협잡물종합처리기(도시되지 않음)에 의해 협잡물만이 제거되거나 협잡물이 제거되고 가압부상조(DAF)에서 처리된(또한, 도 8 참조) 하폐수, 특히 고농도의 하폐수는 1차 처리수(유입수) 유입 라인(18)을 통해 무산소조(20)로 유입(Q)되어 질소산화물을 환원시키는 탈질반응이 이루어진다. 이때, 무산소조(20) 내부에는 유입수와 후술되는 호기조(80)로부터 반송되는 질산화된 미생물 혼합액 및 막분리 공정으로부터 반송되는 고형물질이 가라앉지 않도록 하면서 이들간의 접촉 기회를 많이 부여하기 위해 교반기(22)가 설치되는 것이 유리하다. 무산소조(20)에서의 유입수 HRT(Hydraulic Retention Time, 수리학적 체류시간)는 4일 내지 6일 정도이다.
제 1 호기조(40)에서의 유기물 분해 및 질산화 공정
도 1 및 2를 참조하여, 무산소조(20)에서 탈질화된 하폐수는 도시된 바와 같이 폭기장치(44)가 구비된 제 1 호기조(40)로 유입되어 유기물 분해 및 질산화 반응이 이루어진다. 이 공정에서의 HRT는 3일 내지 4일이다.
간헐 호기조(60)에서의 탈질화 및 질산화 공정
제 1 호기조(40)에서 유기물이 분해되고 질산화 반응을 거친 하폐수는 도시된 바와 같이 교반기(62)와 폭기장치(64)가 구비된 간헐 호기조(60)로 유입되어 간헐적으로 폭기된다. 이때, 폭기장치(64)에 의한 폭기중에 발생되는 호기 조건에서는 질산화가 유도되고, 폭기가 없는 무산소 조건에서는 탈질화가 유도된다(도 10의 ② 부분). 이 공정에서의 HRT는 3일 내지 5일이다.
제 2 호기조(80)에서의 유기물 분해 및 질산화 공정
간헐 호기조(60)에서 질산화 반응과 탈질화 반응을 번갈아가면서 거친 하폐수는 도 2에 도시된 바와 같이 폭기장치(86)가 내부에 구비된 제 2 호기조(80)로 유입되어 상기된 제 1 호기조(44)에서와 같이 유기물 분해 및 질산화가 유도된다. 제 2 호기조(80)에는 상기한 폭기장치(86) 이외에도 질산화된 미생물 혼합액의 일부를 무산소조(20)로 반송시키기 위한 제 1 반송라인(88), 미생물 혼합액의 일부를 간헐 호기조(60)로 반송시키기 위한 제 2 반송라인(90) 및 이러한 반송을 강제적으로 수행하기 위한 내부반송펌프(82), 그리고 미생물 혼합액의 나머지 일부를 후술되는 막분리 공정으로 이송시키기 위한 막분리공급펌프(84)가 구비된다. 처리 대상 하폐수가 고농도인 경우에, 제 1 반송라인(88) 및 제 2 반송라인(90)을 경유하여 무산소조(20) 및 간헐 호기조(60)로 각각 반송되는 미생물 혼합액의 양은 유입수의 양 Q에 대하여 각각 7Q 내지 12Q 및 0.5Q 내지 1Q가 바람직하다. 이러한 내부반송은 고농도의 질산화액을 먹이인 유기물이 풍부한 무산소조(20)에서 충분하게접촉시켜 고효율의 탈질을 획득하기 위한 것으로 내부반송율이 낮으면 질소 제거율이 감소하게 된다. 제 1 반송라인(88)을 통해 무산소조(20)로 반송되는 미생물 혼합액의 양이 유입수의 양에 비하여 7 내지 12배에 해당하므로, 무산소조에 별도의 희석을 위한 시설 또는 공정이 요구되지 않는다. 또한, 이러한 내부반송은 후술되는 막분리 공정으로부터의 고형물질 함유 혼합액 반송과 결부하여 생물반응조에서의 미생물 농도를 용이하게 조절할 수 있게 한다. 한편, 제 2 반송라인(90)을 통해 간헐 호기조(60)로 반송되는 미생물 혼합액의 양은 제 2 호기조(80)로부터의 미생물 혼합액에 먹이원인 유기물이 충분하지 않기 때문에 무산소조(20)로의 내부 반송량에 비하여 상기한 바와 같이 상대적으로 적은 양으로 운용된다. 이 공정에서의 HRT는 3일 내지 5일이다.
막분리 장치(100)에서의 막분리 공정
상기한 생물반응조(10)에서는 유입된 하폐수가 상기한 바와 같이 생물학적 처리 공정을 거치게 되고, 다른 한편에서는 제 2 호기조(80)에서 유기물이 분해되고 질산화 반응을 거친 일부의 미생물 혼합액, 즉, 제 1 반송라인(88)을 통해 반송되는 미생물 혼합액과 제 2 반송라인(90)을 통해 반송되는 미생물 혼합액을 제외한 나머지 미생물 혼합액이 막분리공급펌프(84)의 가압에 의해 막분리 장치(100)로 유입되어 고액분리 공정을 거치게 된다. 고액분리 공정에 이용되는 막분리 장치(100)에는 FIBER 물질 및 분리막 위해물질을 제거하기 위한 드럼스크린(102), 분리막의 유입농도를 조절하기 위한 완충조(104), 미생물 혼합액을 소정의 압력으로 분리막 유니트(108)에 공급하기 위한 분리막 가압펌프(106), 고액분리가 수행되는 분리막 유니트(108) 및 주기적인 약품 세정을 위한 세정조(112)가 추가로 구비된다.
분리막 유니트(108)를 통해 분리된 고형물질 함유 혼합액은 밸브(116)에 의한 조절에 의해 완충조(104)로 유입되거나 밸브(110)에 의한 조절에 의해 슬러지 저류조로 이송된다. 분리된 고형물질 함유 혼합액은 분리막 유니트(108)로부터 완충조(104)로 이송되고 도시된 바와 같이 다시 분리막 가압펌프(106)에 의한 가압에 의해 분리막 유니트(108)에 공급된다. 완충조(104)에 유입된 고형물질 함유 혼합액은 완충조(104) 하단의 밸브(120)에 의한 조절에 의해 제 3 반송라인(124)을 경유하여 무산소조(20)로 반송되어 무산소조(20)에서의 미생물 농도가 고농도로 유지되게 한다. 이때의 반송량은 유입수의 양 Q에 대하여 1.5Q 내지 2Q가 바람직하다. 무산소조(20)의 미생물 농도는 제 2 호기조(80)로부터 반송되는 미생물 혼합액의 양과 막분리 장치(100)로부터 반송되는 고형물질 함유 혼합액의 양 그리고 전처리 시설로부터 유입되는 유입수의 양에 의해 조절될 수 있다. 한편, 분리막 유니트(108)를 통해 여과된 여과수는 유량계(118)를 거쳐 후속처리 공정으로 도입된다.
분리막 유니트(108)는 도 4에 도시된 바와 같이 세분화되어 분리막 모듈로 구성되며, 각각의 분리막 모듈은 다시 각각의 분리막으로 구성된다. 이때, 본 발명의 막분리 공정에 이용되는 분리막으로는 관형막(tubular membrane)이 바람직하며, 이외에 침지형 평막도 이용될 수 있다. 본 발명의 공정 및 시스템에 가장 적합하게 운용될 수 있는 분리막인 관형막의 분리 원리는 도 3에 도시되어 있으며,또한 후술되어 있다.
본 발명에 따른 방법 및 시스템은 축산폐수 또는 분뇨와 같은 고농도의 하폐수 처리에 유용하다. 이 경우에, 막분리 공정을 거친 처리수는 도 8에 도시된 공정에 따라 처리될 수 있으며, 이에 대해서는 본 기술분야에 종사하는 자라면 충분히 인지하고 있을 것이다.
이하, 본 발명은 첨부된 도면과 함께 하기의 실시예로 설명된다. 본 발명이 하기의 실시예로 설명되지만, 본 발명이 하기의 실시예로 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
1. 생물반응조에서의 생물학적 처리 공정
본 발명자들은 시설용량이 200㎘/1일인 축산폐수공공처리시설에서 6개월 동안 전처리 설비를 통한 1차 처리수를 대상으로 도 1 및 2에 도시된 처리 공정(무산소, 제 1 호기, 간헐 폭기 및 제 2 호기 공정)에 따라 순차적으로 처리하였다. 이때, 제 2 호기 공정으로부터 무산소 공정 및 간헐 폭기 공정으로의 미생물 혼합액 반송량은 먹이원인 유기물의 농도를 고려하여 유입수 Q에 대하여 각각 약 8.6Q 및 1Q가 되도록 조정하였고, 무산소조에서의 수리학적 체류 시간(HRT : Hydraulic Retention Time)은 5.3일, 제 1 호기조에서의 HRT는 3.3일, 간헐 폭기조에서의 HRT는 5.9일이었으며 제 2 호기조에서의 HRT는 4.2일로서, 전체 HRT는 18.7일이었다.
본 발명에 따른 공정에 이용되는 MBR조에 유입된 하폐수의 성상은 BOD 8,690~17,190(평균 13,514)mg/L, CODMn2,125~8,375(평균 3,981)mg/L, SS(SuspendedSolids, 부유 고형물질) 370~17,650(평균 3,226)mg/L, T-N(Total Nitrogen, 총질소) 2,670~4,730(평균 3,521)mg/L, T-P(Total Phosphorus, 총인) 34~192(평균 98)mg/L이었으며, 유입 하폐수에 대한 C/N비(BOD/T-N)비는 약 3.9 였다.
생물반응조의 미생물 농도는 각 반응조별로 약간의 차이는 있으나, 4,040~11,100(평균 7,452)mg/L이고, 수온은 25.3~40.2(평균 32.7)℃였다. 또한, 평균 슬러지 체류 시간(Sludge Retention Time : SRT)은 약 45일이었다.
2. 막분리 공정의 도입
본 발명의 막분리 공정에 사용된 분리막은 관형막(tubular membrane)으로서, 일정 유속을 가진 미생물 혼합액이 막과 평행하게 흐르는 크로스플로우형(cross flow type) 흐름으로 운전되며, 도 3에 도시된 바와 같이 흐름을 이용하여 높은 투과수량을 유지하며 막면오염(fouling)을 최소화한다. 본 발명의 공정에 적용된 분리막 모듈은 도 4에 제시되어 있으며, 분리막 모듈의 특성으로는 내압식(Inside-out) 운전, 분획 분자량은 30,000dalton, 적용 플럭스는 약 35L/m2·1시간(LMH) 정도이고, 막 재질은 폴리술폰으로서, 비교적 내약품성 및 내열성이 우수한 편이다. 막분리 장치는 80개를 1유니트로 하여 총 6 유니트가 설치되었으며, 각 단위 유니트는 직렬로 8개/1단, 병렬로 10단으로 구성되었다. 분리막 유니트의 수는 원수유입량의 변동에 따라 조정되며, 이는 본 명세서를 숙지한 당업자에 의해 용이하게 조정될 수 있다. 이러한 분리막 유니트 이외에도, 본 발명의 막분리 공정에는 도 2에 도시된 바와 같이 드럼스크린(공경 0.75mm)(102), 완충조(104), 분리막 가압펌프(106) 및 세정조(112)가 이용되었다.
3. 평가
1) 생물학적 처리 성능의 평가
상기한 유입 하폐수를 본 발명에 따른 MBR 공법으로 처리한 결과는 하기 표 1과 같다.
본 발명의 생물학적 처리의 성능 평가
유입 하폐수(mg/L) 본 발명의 공법으로 처리한 결과 (mg/L) 제거효율
농도범위 평균 평균 (%)
BOD 8,690~17,190 13,514 5 99.9
CODMn 2,125~8,375 3,981 319 92.0
SS 370~17,650 3,226 2 99.9
T-N 2,670~4,730 3,521 61 98.3
T-P 34~192 98 17 82.9
상기 표를 통해 알 수 있는 바와 같이, BOD 및 SS 제거율은 99.9% 정도로 안정되고 높게 나타났다. 이러한 제거효율은 고농도 폐수 MBR 공정의 제거효율과 대동소이한 것이다[참고문헌: Stephenson et al.,Membrane Bioreactor for wastewater treatment,2000, IWA publishing, pp. 87-94].
CODMn제거율은 92.0%로 다소 높게 나타났는데, 이는 분리막에 의해 생물반응조 내에서 어느 범위까지 농축이 되고, 제 2 호기조의 용존성 CODMn값과 밀접한 관계가 있었다.
T-N의 처리수는 23~105(평균 61)mg/L로서 유입수의 농도가 상당히 고농도임에도 불구하고 고효율의 안정된 처리효율을 나타내고 있는데, 이는 생물반응조의용량이 적절하고 분리막을 도입함으로써 질산화미생물 및 탈질미생물을 충분히 유지할 수 있는 안정적인 운전 때문인 것으로 추정된다. 동절기인 2월 및 3월에는, 질소처리수가 평균 79mg/L까지 상승하였는데, 이는 비교적 낮은 C/N 비에 의한 탈질율의 감소에 의한 것이다. 질산화율은 유입수의 농도 및 온도와 무관하게 처리수에서 평균 10mg/L(질산화율 99.7%)를 나타냈는데, 이는 MBR을 이용한 질소제거에 있어서 탈질율에 의해 제거효율이 결정되는 것으로 추정된다.
T-P 제거율은 비교적 높게 운전된 SRT (Sludge Retention Time ; 슬러지 체류 시간)의 영향으로 다소 낮게 나타났다.
COD와 T-N에 대한 유입수, 처리수 및 처리효율을 도 4 및 도 5에 그래프로 도시하였다.
2) 막분리 공정의 성능 평가
도 7에 도시된 그래프를 통해 알 수 있듯이, 단위면적당 여과수량인 플럭스 범위는 27.5~47.7(평균 36.5)L/m2·시간이었으며, 평균적인 여과처리량은 162.5m3/일이었다. 막분리 장치에 적용된 유입평균압력은 3.8bar, 유출평균압력은 0.4bar, 평균 막간차압(TMP, TransMembrane Pressure)은 2.1bar 정도로서 안정적으로 유지 및 운전되었다. 또한, 막분리 장치는 계획 플럭스량을 장시간 동안 안정되게 생산하였으며, 더욱이, 분리막 운전에서 우려되는 유지관리상의 문제인 막면오염 현상도 적어 전체 MBR 시스템 운전을 원활하게 하였다.
실시예 2
무산소 공정 + 호기 공정 + 막분리 공정과 본 발명의 공정인 무산소 공정 + 호기 공정 + 간헐 호기 공정 + 호기 공정 + 막분리 공정의 비교 실험
본 발명자들은 본 발명의 공정에 간헐 호기 처리 공정이 질산화율 및 탈질율에 어떠한 영향을 미치는 지 평가하기 위해, 한편에서는 생물학적 공정 중 간헐 호기 공정을 생략한 공정, 즉, 무산소 공정, 호기 공정 및 막분리 공정을 순차적으로 수행하였고(도 9에 도시된 그래프 참조), 다른 한편에서는 간헐 호기 공정을 포함시킨 본 발명의 공정을 수행하였다(도 10에 도시된 그래프 참조).
평가
간헐 호기 공정을 생략한 공정에서는 무산소조에서 탈질이 된 후 유입수 중의 암모니아성 질소가 각각의 호기조를 거치면서 질산화되어 질산성 질소가 계속적으로 증가하였으며, 간헐 호기 공정 적용전의 ① 부분에서도 질산성 질소의 농도가 높았으나(도 9 그래프 참조), 간헐 호기 공정이 도입된 본 발명의 공정에서는 간헐 호기조에서 탈질반응이 발생하여 질산성 질소 농도(②)가 감소되었다(도 10 그래프 참조).
이로써, 마지막 단계의 호기 공정과 막분리 공정에서의 질산성 질소의 농도가 낮아져 안정적인 질소 제거 효율을 획득할 수 있었다(도 10 그래프 참조).
이상에서와 같이, 본 발명에 따른 하폐수 처리 방법 및 시스템은 제 2 호기조로부터의 질산화액이 포함된 미생물 혼합액을 무산소조로 반송시킴으로써 시스템의 무희석을 가능하게 하며 분리막에 의해 분리된 고형물질 함유 혼합액을 무산소조로 반송시킴으로써 생물반응조 내의 미생물 농도가 고농도로 유지될 수 있어 폭기조의 용량을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 고부하 조건에서도 안정적인 처리 효율을 확보할 수 있고 슬러지의 생산량을 감소시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 생물반응조 내의 간헐 호기조에 의해 고효율의 유기물 및 인 제거 이외에도 고효율의 질소 제거가 가능하여 전체적인 처리 효율이 증대된다. 또한, 하폐수 처리 시스템의 컴팩트화로 인해 부지가 적게 소요된다. 게다가, SRT(슬러지연령)가 길어짐에 따라 성장이 느린 질산화균이 호기조에 농축되므로 종래의 시스템보다 빠른 질산화가 진행되며, 안정적인 고도처리를 행할 수 있다. 더욱이, 중수처리의 경우에, 분리막에 의해 대장균군이 대부분 제거되고 처리 수질이 양호하여 특별한 3차 처리 없이도 처리수의 재이용이 가능하다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (17)

  1. 하폐수를 처리하는 방법에 있어서,
    (A) 전처리된 하폐수를 무산소조에 유입시켜 탈질화시키는 단계;
    (B) 상기 탈질화 단계를 거친 하폐수를 호기적으로 처리하여 유기물 분해 및 질산화를 유도하는 단계;
    (C) 상기 호기적으로 처리된 하폐수를 간헐적으로 폭기시켜 호기 조건에서는 질산화를 유도하고 무산소 조건에서는 탈질을 유도하는 단계; 및
    (D) 상기 간헐적으로 폭기처리된 하폐수를 다시 호기적으로 처리하여 유기물 분해 및 질산화를 유도하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, (E) 상기 (D) 단계를 거쳐 질산화된 미생물 혼합액을 분리막에 의해 고액분리하고 분리된 고형물질 함유 혼합액을 상기 (A) 단계로 반송시키는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 (E) 단계에서 (A) 단계로의 고형물질 함유 혼합액 반송량이 유입수의 양 Q에 대하여 1.5Q 내지 2Q임을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 분리막이 관형막임을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 분리막이 침지형 평막임을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 (D) 단계를 거쳐 질산화된 미생물 혼합액의 일부를 상기 (A) 단계로 반송시키고 일부를 상기 (C) 단계로 반송시키는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 (A) 단계로의 질산화된 미생물 혼합액의 반송량이 유입수의 양 Q에 대하여 7 내지 12Q이고, 상기 (C) 단계로의 질산화된 미생물 혼합액의 반송량이 유입수의 양 Q에 대하여 0.5Q 내지 1Q임을 특징으로 하는 방법.
  8. 하폐수를 처리하는 시스템에 있어서,
    (A) 전처리된 하폐수를 탈질화시키기 위한 교반기가 구비된 무산소조;
    (B) 상기 무산소조로부터의 하폐수를 호기적으로 처리하여 유기물 분해 및 질산화를 유도하기 위한 폭기장치가 구비된 제 1 호기조;
    (C) 상기 제 1 호기조에서 호기적으로 처리된 하폐수를 간헐적으로 폭기시키기 위한 폭기장치와 탈질을 위한 교반기가 구비된 간헐 호기조; 및
    (D) 상기 간헐 호기조로부터의 하폐수를 호기적으로 처리하여 유기물 분해 및 질산화를 유도하기 위한 폭기장치가 구비된 제 2 호기조를 포함함을 특징으로 하는 하폐수 처리 시스템.
  9. 제 8항에 있어서, (E) 상기 제 2 호기조로부터의 미생물 혼합액을 고액분리하기 위한 분리막과 상기 분리막을 통해 분리된 고형물질 함유 혼합액을 상기 무산소조로 반송시키기 위한 제 3 반송라인을 포함하는 막분리 장치를 더 포함함을 특징으로 하는 하폐수 처리 시스템.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 분리막이 관형막임을 특징으로 하는 하폐수 처리 시스템.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 분리막이 침지형 평막임을 특징으로 하는 하폐수 처리 시스템.
  12. 제 9항에 있어서, 상기 막분리 장치에 상기 분리막의 내부 압력을 조절하기 위한 분리막 가압펌프가 추가로 구비됨을 특징으로 하는 하폐수 처리 시스템.
  13. 제 9항에 있어서, 상기 막분리 장치에 FIBER 물질 및 분리막 위해물질을 선별하기 위한 드럼스크린이 추가로 구비됨을 특징으로 하는 하폐수 처리 시스템.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 드럼스크린의 공경이 0.75mm 이하임을 특징으로 하는 하폐수 처리 시스템.
  15. 제 9항에 있어서, 상기 막분리 장치에 분리막의 유입농도를 조절하기 위한 완충조가 추가로 구비됨을 특징으로 하는 하폐수 처리 시스템.
  16. 제 9항에 있어서, 상기 막분리 장치에 주기적인 약품 세정을 위한 세정조가 추가로 구비됨을 특징으로 하는 하폐수 처리 시스템.
  17. 제 8항 내지 제 16항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 호기조로부터 질산화된 미생물 혼합액의 일부를 상기 무산소조로 반송시키기 위한 제 1 반송라인과 일부를 간헐 호기조로 반송시키기 위한 제 2 반송라인 및 상기 제 1 반송라인과 제 2 반송라인으로 상기 미생물 혼합액을 공급하기 위한 펌프가 구비됨을 특징으로 하는 하폐수 처리 시스템.
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