KR100459950B1 - 질산화조가 분리된 변형 연속회분식 하폐수 처리장치 및그 방법 - Google Patents

질산화조가 분리된 변형 연속회분식 하폐수 처리장치 및그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하폐수 중에 함유된 질소와 인을 제거하기 위한 변형된 연속회분식 장치, 특히 질산화를 부유상 반응조가 아닌 별도의 미생물 충진 담체가 배치된 질산화조에서 진행되는 이원 분리 슬러지 시스템으로 운전되는 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 본 발명의 하폐수 처리장치는 원수 유입, 인방출, 탈질, 인흡수, 고액분리, 상징수 방류 및 침전슬러지 인발이 차례로 모두 또는 선택적으로 이루어지며, 교반기가 내부에 설치되어 있는 반응조와, 상기 반응조에서 방류된 상징수를 질산화시키기 위한 질산화조와, 상기 질산화조에서 질산화된 처리수를 상기 변형된 연속회분식 반응조로 반송하는 펌프를 포함하여 이루어진다.
이러한 장치 및 공정을 통하여 종래 SBR의 단점인 다단계 반응조작 및 반응시간의 문제점을 해소할 수 있고, 질산화조에 고정화 미생물 담체를 충진시켜 원수성상변화에 상관없이 독립적인 연속반응조건의 질산화조를 고정화미생물로 유지시켜 최종 침전조 없이 혹은 최종 침전조를 개조하여 하천으로 방류가능한 높은 수질의 질소 및 인제거가 가능토록 연속회분식 반응조의 장점과 연속식 반응조의 장점을 조합한 신개념의 하수처리 방식이다.

Description

질산화조가 분리된 변형 연속회분식 하폐수 처리장치 및 그 방법{APPARATUS AND MODE OF TRANSFORMED SEQUENTIAL BATCH REACTOR WITH SEPARATING NITRIFICATION BASIN FOR PURIFYING SEWAGE AND WASTEWATER}
본 발명은 하폐수 중에 함유된 질소와 인을 제거하기 위한 변형된 연속회분식 장치(sequencing batch reactor, SBR) 및 방법에 관한 것으로, 특히 본 발명의 장치는 원수의 질산화를 연속회분식 반응조가 아닌 별도의 미생물 충진 담체가 배치된 질산화조에서 진행시키는 이원 분리 슬러지 시스템(2-stage sludge system)으로 운전되어 연속회분식반응조에서 유기물질제거, 탈질 및 인흡수가 진행되고 분리된 질산화조에서는 질산화만 진행되도록 하여 원수 C/N비 변화에 상관 없이 높은 질소제거율과 빠른 처리 속도를 나타낸다.
질소(N)는 많은 미생물과 식물이 자라는 데에 꼭 필요한 필수 원소이다. 그러나 다량으로 존재할 때에는 다음과 같은 문제점이 나타난다. 먼저 다른 영양염류, 예를 들어 인산염(PO4 -3)과 같이 존재하면 세포내의 물질로 동화되어 조류의 대량 발생을 유발시킬 수 있으며, 또 질산화(nitrification)과정을 거치면서 산소를 다량 소모하여 수계에서 산소부족 사태를 유발케 한다. 질소화합물 중에서 암모니아는 그 자체가 독성이 있어 1㎎/ℓ이상이면 수생 생물에서 독성을 나타내고 질산염이온(NO3-N)은 헤모글로빈과 결합하여 태아에게 치명적인 메테모글로비네미아 (methemoglobinemia)라는 청색증을 유발시키며 아민과 반응하여 발암물질인 니트로스아민(nitrosamine)을 만든다. 이러한 이유로 세계 각국은 질소를 각 화합물 형태별로 기준치를 정하여 수질을 관리하고 있다.
인(Phosphorus) 또한 질소와 함께 생물 성장의 필수 영양소이지만, 이를 적절히 처리하지 않고 자연계에 과다하게 배출될 경우에는 부영양화(eutrophication)가 초래하여 조류의 증식에 의한 수질오염을 가중시키며 특히 부영양화 수역은 상수 처리시 여과지를 폐쇄시키고 음용수의 맛을 떨어뜨리며 악취를 발생시켜 상수원으로 부적합하게 될 뿐만 아니라 자연적인 산화과정을 거치면서 수중의 용존산소를 소모시켜 하천의 자정작용에 악영향을 끼침으로써 어류와 같은 수중생물의 서식 조차도 힘들게 만든다.
상기와 같은 문제점을 갖고 있는 질소와 인이 다량으로 존재하는 하·폐수는 다음과 같은 질소제거 및 인제거 반응 과정을 거쳐야 한다.
1. 탈질과정
유기성 질소나 암모니아성 질소 형태로 유입된 질소성분은 생물학적 질소제거시 우선 질산화 과정(Nitrification) 을 거쳐야 한다. 질산화 과정이란 일부 국한된 독립영양세균에 의해 이루어지며 암모니아성 질소가 아질산성 질소와 질산선질소로 순차적으로 산화되는 과정을 말한다. 아질산성 질소 생성반응과 질산선질소 생성과정의 2단계 반응으로 이루어지며, 각 단계는 서로 다른 질산화박테리이아에 의해 진행된다. 즉, 질산화 과정은 니트로소모나스(Nitrosomonas)에 의해 아질산성 질소 1단계 산화과정이 진행된 후, 니트로박터(Nitrobactor)에 의해 질산성 질소로 산화된다. 질산화박테리아(Nitrifying bacteria)의 성장속도는 유기물질을에너지원으로 하는 여타 종속영양미생물(Hetrotrophics)에 비해 매우 작아 긴 미생물체류시간(SRT; Sludge retention time))이 필요하다.
또한 질산화반응은 온도에 민감하게 영향을 많이 받기때문에 겨울철에는 질산화반응 속도가 낮아 질산화반응이 일어나기 어려우며 질산화반응에 관여하는 미생물 종이 매우 제한되어 있을 뿐만 아니라 이들 질산화 과정은 환경에 대한 영향을 많이 받는다. 일반적으로 질산화반응은 호기성(Aerobic) 조건에서만 일어나고 무산소(Anoxic) 혹은 혐기성(Anaerobic) 조건에서는 일어나지 않는 것으로 알려져 있다.
암모늄 이온과 같은 양이온이 아질산염, 질산염 이온과 같은 음이온으로 변하기 때문에 질산화는 특히 토양에 있어서 중요한 의미를 가지고 있다. 토양 내에서 양이온은 음이온을 띈 토양입자와 결합되어 있으나, 음이온을 띈 물질은 토양 내 물에 의해 유리되어 이동하므로 질산화는 토양 내에서 영양소의 유동성을 촉진시키는 역할을 한다. 생성된 아질산염과 질산염은 식물체에 의해 유기화합물로 동화되기도 하며 토양층을 통해 지하수로 침출되기도 한다.
또한 질산성질소는 대기 중으로 질소(N2), 아질산성질소(N2O)의 형태로 날아가게 되는데 이를 탈질반응(Denitrification) 이라 한다. 질산염이 최종 전자수용체(electron acceptor)로서 환원되어 아질산염이 되고, 또 이 물질도 전자수용체로 참가하여 이산화질소로 산화된 후 질소 가스까지 환원된다. 이 탈질반응은 토양과 수중에서 비휘발성인 질소 화합물이 기체로 되어 공기 중으로 날아감으로써 토양의 비옥도를 낮추며 폐수처리장에서는 질소 제거하는 방법으로 응용된다.
수도모나스(Pseudomonas), 마이크로코커스(Micrococus)와 같은 탈질균들은 환원효소(reductase)를 가지고 있어 질산성 질소를 가스상의 질소로 환원시킬 수 있는데, 이들은 무산소(anoxic) 상태에서 탄소원을 전자공여체(electron donor)로 하고 질산화물을 전자수용체로 이용하여 탈질반응을 유도하는데, 이 때 유리산소(free oxygen)가 존재할 경우에는 이것을 이용하므로 탈질율의 저하를 초래하는 요인이 된다. 이와 같이 최종전자 수용체로서 질산염이온이나 산소를 이용할 수 있기 때문에 이들을 통성 호기성 박테리아라고 부른다. 이들은 하수처리과정에서 충분히 존재하므로 적당한 조건만 만들어지면 탈질이 가능하다.
2. 탈인과정
한편, 인을 생물학적으로 제거하기 위해서는 미생물을 혐기성(Anaerobic)과 호기성(Aerobic)의 연속과정을 거쳐야 한다. 혐기성 기간 중에 인제거 미생물들은 세포내에 축적되어 있던 Poly-P를 분해할 때 생기는 에너지를 이용하여 아세테이트(acetate)와 같은 유기산을 섭취하여 폴리-β-히드록시부틸산(PHB)의 형태로 저장하고 유리된 정인산 (orthophosphate)을 체외 수중으로 방출 하기 때문에 용존성 인농도가 증가한다. 혐기성상태에서 호기성상태로 바뀌면 인제거 미생물은 체내에 저장해 둔 폴리-β-히드록시부틸산(PHB)을 분해하여 ATP를 합성하고 이때 수중의 정인산을 섭취하면서 Poly-P를 합성하며 인을 흡수하는데 이와 같은 기작을 인의 과잉섭취(luxury uptake) 라고 한다.
3. 탈질 및 탈인 방식
생물학적 처리방법으로 종래의 질소 및 인제거 방법은 크게 두 가지로 나누어지는데, 하나는 연속식(continuous flow)이고 다른 하나는 회분식(batch)이다.
연속식 하수처리 방법 은 하수가 반응조 안으로 플러그(plug flow)형태로 흘러 들어가 처리되어지는 방법으로 이러한 방식으로 질소 및 인을 동시에 제거하는 방법중 대표적인 것은 혐기와 호기 조건을 적절히 분리, 조합하여 운전하는 혐기-호기공정(A/O), 혐기-무산소-호기 공정(Anaerobic Anoxic-O법: A2/O법), 바덴포 (Bardenpho)공정, 브이아이피(VIP)공정, 유씨티(UCT)공정 등이 있다.
이 중 혐기-무산소-호기 공정은 혐기-무산소-호기의 반응기로 구성되고, 2차 침전조에서 혐기조로 가는 외부반송라인과 호기조에서 무산소조로 가는 내부반송라인이 있는데, 각각의 반응조의 설치와 반송라인의 설치와 운전에 펌프 등의 부대설비가 필요해 공사비용이 증가하고, 운전비가 증가하는 단점이 있다. 특히 이들 공법들은 탈질이 질산화조 전단에서 진행되는 전탈질공법(Pre Denitrification)이다.
연속유입 공법의 경우에는 대부분 전탈질 공법으로 질산화혼합액을 후단에서 전단 탈질반응조로 원수유량대비 100 ~ 600%까지 반송하기 때문에 반응조 체류시간이 증가하여 소요 부지가 커지는 단점이 있다.
또 하나의 방법인 회분식 방법 은 유입방식에 따라SBR로 대표되는 간헐유입 연속회분식 반응조와ICEAS(Intermittent Cycle Extended Aeration System)로 대표되는 연속유입 회분식반응조로 분류될 수 있다. 이들 방식은 한 반응조에서 반응및 침전이 동시에 일어나므로 초기투자비가 저렴한 장점이 있으나 대규모 처리시설에는 소요부지가 커지고 방류비가 낮아 비경제적인 단점이 있다.
본 발명은 이상에서 살펴 본 바와 같은 하폐수의 질소 및 인 제거 방법 중 생물학적 질소 및 인제거 방법으로 기존 연속회분식 반응조에서 질산화반응 단계를 별도로 분리 운전하는 방식에 따라 독립영양미생물을 고정화 미생물로 충진한 질산화조에서 질산화시킨 후 전단 연속회분식반응조로 반송하는 방식으로 탈질 및 탈인의 반응조를 연속회분식반응조에서 진행시키고 후속반응조에서 질산화하는 이원분리슬러지시스템의 새로운 하수고도처리 방식이다.
종래의 SBR은 소규모의 처리시설에 많이 적용되고 있는 것으로, 유입과정이 균등조 역할을 하기 때문에 충격부하나 변동부하에 강하고, 하나의 반응조에서 모든 과정이 이루어져 부지면적을 줄일 수 있으며, 침전지와 슬러지 반송이 필요없고, 유입공정의 적절한 변화로 섬유상(filamentous) 미생물의 성장을 억제시켜 침전효율이 좋고, 운전의 자동화로 인하여 운전이 간단하고 유입 원수의 성상에 따라 운전에 유연성이 있으며 인력의 손실을 방지할 수 있다.
이러한 일반적인 SBR은 도 1a에 도시된 바와 같이, 단일 반응조에 유입단계, 반응단계, 침전단계, 방류단계 및 대기단계로 일련되게 동작되도록 이루어진 것으로, 이를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 유입단계(fill)(S121)는 하폐수가 반응조 내로 유입되는 것으로,단순히 수위만 상승하는 것이 아닌 인의 방출이나 탈질같은 생물학적 반응이 진행된다. 이 공정 중에는 포기(aeration)하는 경우(호기성 반응), 교반하는 경우(혐기성 반응) 및 방치하는 경우를 선택하여 유기물 제거 및 억제를 폐수의 성상이나 한 사이클의 처리목표에 따라 선택적으로 결정한다.
또한 반응단계(react)(S122)는 최대의 용량을 유지한 상태에서 BOD제거, 질산화 및 인의 섭취를 달성하도록 포기와 교반을 수행한다. 질소제거를 목적으로 하는 경우에는 호기성 반응(포기)에 의하여 질산화시키고, 이후에는 혐기성 반응(교반)에 의하여 탈질시킨다. 또한 그 다음의 침전공정 효율을 높이기 위해서는 반응시간의 마지막에 단시간의 포기를 행하여 슬러지 부근에 있는 질소 가스를 제거한다.
침전단계(settle)(S123)는 포기와 교반을 중지하고 활성슬러지의 플록을 중력으로 침전시켜 활성슬러지와 상징수(上澄水)로 분리한다. 이때 정지침전을 함으로서 침전효율이 높일 수 있다.
상기 방류단계(draw)(S124)는 활성슬러지의 침전 후의 상징수를 방류하여 1사이클의 최저 수위로 복귀한다. 이때 반응조의 하부에 침전된 활성슬러지의 대부분은 반송슬러지로 다음 사이클에 이용되고 그 위의 잉여슬러지는 반출된다.
마지막으로 상기 대기단계(idle)(S125)는 다음 사이클이 시작되기 전까지의 휴지기간으로 필요에 따라 교반이나 포기를 수행한다. 단지 호기성 조건이 되도록 혐기성 조건에서도 간단히 교반하는 것이 에너지 절약이나 슬러지 활성에 바람직하며, 또 인의 제거를 목적으로 하는 경우에도 잉여슬러지의 반출을 대기단계의 처음이나 침전공정의 마지막에 실시되도록 한다.
이와 같이 구성되어 동작되는 종래의 SBR(변형된 SBR 포함)은 하나의 단일 반응조를 이용하여 반응과 침전을 겸한 공법으로 BOD는 효과적으로 제거시키는 반면, 질소와 인의 제거에는 상당히 취약하여 질소와 인의 동시제거가 곤란하게 되는 것으로, 이를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
하수 내에 포함된 질소/인의 제거에서 중요한 점은 질산성 질소(NO3-N)가 N2로 탈질될 때 뿐만 아니라 인축적 미생물이 PHB를 축적하고 인을 방출시킬 때에도 유기물이 필요하게 된다는 것이다. 다시 말해 제한된 유기물을 질산화 미생물과 인축적 미생물에게 적절하게 분배되도록 하는 것이 중요하게 되는 데, 일반적으로 인축적 미생물과 탈질미생물이 경쟁관계에 있을 때에는 탈질미생물이 상대적으로 인축적 미생물에 비해 먼저 유기물을 섭취하게 되어 우점종이 된다. 이를NO 3 -N 저해(inhibition)라 하는데, 이러한 저해가 진행되지 않도록 공정을 구성해하는 것이 중요하다.
따라서 인축적 미생물에게 제한된 유기물을 최대한 먼저 공급하도록 하는 것이 인과 질소제거에 필요한 사항으로, 결과적으로 유기물이 제한된 경우 NOxN(상기 NOxN은 DO가 높고 반응시간이 질산화에 충분한 조건으로 인해 90% 이상이 NO3-N이고, 아질산성 질소(NO2-N)는 거의 나타나지 않게 된다)의 저해를 줄여야 탈질 미생물에 비해 상대적으로 약한 인축적 미생물의 활동을 활성화시킴으로서 동시처리가 보다 손쉽게 일어날 수 있게 된다.
그러나 상기와 같은 종래의 SBR은 합류식 하수 관거, 하수의 누수, 지하수의 유입 등의 원인으로 질소와 인을 제거하는데 필요한 유기물 농도가 낮아서 영양소제거의 측면에서 다소 불리한 성상을 지니고 있는 우리나라 하수에서는 질소와 인의 동시 제거가 곤란한 문제점이 있게 된다. 이는 연속 공정식의 경우에는 반응조간에 소정의 반송라인을 구비하여 NOxN을 선택적으로 반송시킴으로서 유기물을 공급할 수 있는데 반해, 종래의 SBR은 단일 반응조에 시차를 두고 유기물을 공급할 수 있도록 추가의 유기물이 유입될 만큼의 반응조 여분이 있어야 함으로서 추가로 유기물을 공급하는데 어려움이 있다.
따라서 상기와 같이 유기물의 농도가 낮은 우리나라의 불리한 하수의 성상때문에 질소와 인이 충분히 제거되지 못하고 수계에 영양염류가 그대로 방출되어 부영양화 등의 악영향을 유발하게 되는 문제점이 있었다.
이와 같은 종래 SBR의 문제점을 해결하기 위하여 대한민국 특허공개 제2001-0028648호(2001년 4월 6일) 『연속회분식 반응조의 생물학적 질소와 인 제거장치 및 그 방법』에서는 도 1b에 도시된 바와 같이 유입된 하폐수를 수용하여 처리하는 주반응조(120)와, 상기 주반응조(120)에 파이프로 연결되어 하수 내에 NO3-N에 의해인의 방출저하 현상을 막아 상기 주반응조(120)에 원수 주입시 인의 방출이 먼저 이루어지도록 유출수 내의 NO3-N을 따로 저장시켜 질산성 질소의 영향을 감소시키는 저장반응조(125)와, 상기 저장반응조(125)와 주반응조(120)에 저장되는 하폐수를 혼합하는 믹서(121)와, 상기 주반응조(120)에 공기를 공급하는 송풍기(131)와, 상기 믹서(121)와 송풍기(131)의 구동 및 주반응조(120)와 저장반응조(125)간의 공급과 반송유로를 일련되게 제어하는 시간제어부(50)로 구성된다.
이러한 공개특허 장치의 저장반응조(125)는 주반응조(120)에서 처리된 상징수의 소정 용량을 배출시킨 후, 남아있는 주반응조(120) 내의 상징수의 절반을 저장하여 다음 주기에서 1차원수의 주입시 NO3-N의 영향을 작게 하여 인의 방출을 더욱 원활하게 진행시킨다.
그러나 이러한 공개특허를 비롯한 종래 SBR 공법들은 모두 결국 단일 슬러지 시스템(single sludge system)의 회분식으로 운전되기 때문에 연속 유입 및 방류가 불가능하고, 반응조 생물시간이 기존 전탈질공법의 A2/O공법 및 그 변형법과 후탈질공법에 비해 체류시간이 4~7 시간 길어 중/대규모 설비를 고려할 경우 소요부지 및 시설투자비가 기존 공법보다 높게 소요되고 특히 기계공사 비용이 높게 소요된다.
또한 호기조건의 질산화 단계가 전체 1사이클 6~7시간 중 25~30% 정도의 많은 시간을 필요로 하기 때문에 유입수 질소부하 증가시 적절한 대처가 매우 힘들고, 유기물질과 질소가 혼합된 일차 유기물질을 소진하고 이후 질산화반응이 진행되기 때문에 처리시간 단축이 어려웠다.
SBR은 일반적으로 침전조가 생략된 단일 반응조로 운전되므로 방류단계의 유출수 중에 고형물질이 다량 유실되어 부유물질(suspended solid, SS) 및 인 제거효율이 상대적으로 낮다는 문제점이 있다. 또 침전단계에서 얻어지는 슬러지는 기존에 침전조에서 중력 농축되는 슬러지 농도보다 상대적으로 낮다.
또한 질산화반응은 율속단계로(Rate Limiting Stage) 작용하는데, 이 질산화는 온도에 민감한 영향을 많이 받게 되어 단일 반응조 내에서 일정 시간간격으로 운전환경을 조정하는 단일 슬러지시스템(Single Sludge System)에서는 질산화박테리아와 종속영양미생물이 공존하고 있어 겨울철에 더욱 저해되므로 슬러지 침강성이 낮아지고 유기물질이 소진된 후 질산화반응이 진행되기 때문에 체류시간이 증가하는 단점이 있다. 이러한 저조한 침강성은 방류시 전체 체적대비 방류 (decanting)비가 30% 이하로 낮추는 역할을 하므로 반응조의 예상 설계 용량보다 실제 처리 용량이 적어지고, 이에 따라 많은 체류시간을 필요로 한다.
이들 SBR의 문제는 향후 지속적으로 강화되는 수질기준에 대처함에 있어 계획된 설계용량 대로 운전되지 못하고 실제 보다 낮은 하폐수 용량을 처리하므로, 이를 해결하기 위하여 반응단계를 증가시키거나 체류시간을 증가시켜야 하므로 급작스런 수리학적 부하에 효율적으로 대처하지 못하고 쉽게 충격을 받을 수 있는 문제가 있다.
또한 종래의 SBR은 기존 하수처리장의 활성슬러지시스템으로 운전되는 하수처리장을 SBR방식으로 개보수 하는 것이 불가능하다.
본 발명은 상기와 같은 종래 SBR의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은
첫째, SBR을 포함하는 회분식 공법의 장점을 취하면서도 회분식 공법의 단점을 보완하기 위하여 일부 연속식 공법을 도입하여 반응조와 질산화조를 분리한 이원 분리 슬러지 시스템에 따라 운전되는 변형된 연속회분식 반응장치 및 그 공정을 도입하는 것을 목적으로 하고,둘째, 이러한 이원분리 시스템을 통하여 짧은 체류시간 내에 질소 및 인을 제거할 수 있도록 함과 아울러 대한민국의 하수 특성인 낮은 C/N비에서도 높은 질소제거율을 달성하는 것과,셋째, 특히 질산화조를 미생물 담체를 배치한 상태로 운전하도록 하고,넷째, 이러한 반응조와 질산화조의 독립운영과 질산화된 처리수의 적절한 반송을 통하여 종속영양미생물을 별도 우점화시킴으로써 탈질 및 탈인 반응시간을 최소화시키는 것과,다섯째, 특히 혐기조의 별도 분리 및 혐기조로의 슬러지 반송을 통하여 NOxN 저해를 최소화시키는 것과,여섯째, 반응조에서의 인방출 및/또는 침전단계를 생략하여 하폐수 처리시간 단축을 극대화시킬 수 있는 수단을 제공하는 것과,일곱째, 탈질이 질산화반응 전에 진행되는 전탈질공법이면서도 유기물질의 부하 및 유기물질의 농도 의해 질산화반응이 저해받지 않도록 별도 독립적인 운전이 가능하도록 하여 별도의 침전조 없이 매우 낮은 비성장속도를 갖는 고정화미생물로 충진된 질산화조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1a는 종래의 연속회분식 반응조에서의 하폐수 처리 공정도,
도 1b는 특허공개 제2001-0028648호에 개시된 연속회분식 반응 장치의 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 연속회분식 하폐수 처리장치의 개략도,
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 하폐수 처리공정도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 침전조 11: 혐기조
20: 반응조 21: 교반기
30: 질산화조 31: 산기관
40: 여과기 50: 소독조
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연속회분식 하폐수 처리장치는 원수 유입, 인방출, 탈질, 인흡수, 고액분리, 상징수 방류 후 침전슬러지 인발이 차례로 모두 또는 선택적으로 이루어지며, 교반기가 내부에 설치되어 있는 반응조와, 호기조건을 위한 산기관이 구비되어 있으며 상기 반응조에서 방류된 상징수를 질산화시키기 위한 질산화조와, 상기 질산화조에서 질산화된 처리수의 탈질이 이루어지도록 처리수를 상기 반응조로 반송하는 펌프를 포함하여 이루어진다.
이하 본 발명에 따른 연속회분식 하폐수 처리장치 및 그 방법을 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하도록 한다.
1. 하폐수 처리장치
도 2에는 본 발명에 따른 하폐수 처리장치가 개략적으로 도시되어 있는데,본 발명의 이원분리 슬러지 시스템에 따른 하폐수 처리장치는 기본적으로 반응조(20)와 질산화조(30) 및 반송용 펌프(P)만으로 이루어질 수 있다.
상기 반응조(20)에서는 종래의 SBR공정 중 질산화공정을 제외한 원수 유입/인방출(혐기조건), 탈질(무산소조건), 인흡수(호기조건), 고액분리(즉 침전, 무산소조건), 상징수 방류 및 침전슬러지 인발(무산소조건)이 차례로 모두 또는 선택적으로 이루어진다. 이때, 원수유입은 간헐 혹은 연속유입이 가능한 조건의 연속회분식반응조(SBR)이다. 상기 반응조(20)에는 호기조건을 위한 산기관(diffuser)(미도시 됨)과 인방출과 탈질단계에서 작동되는 교반기(21)가 설치되어 있다. 또한 상징수 방류에는 데칸터(decanter, 미도시 됨)가 사용되며, 질산화조(30)가 싸이드스트림(sidestream)의 반응단계로 표현될 경우, 질산화조(30)에서 처리후 방류하지 않고 연속회분식반응조의 상징수방류 단계에서도 최종방류가 가능하다. 이 경우 기존 활성슬러지공법의 고도처리 개보수시 접근 가능한 방법이다.
상기 질산화조(30)는 상기 반응조(20)에서 슬러지와 고액분리된 후 방류된 상징수를 질산화시키기 위한 고정화미생물이 충진된 담체(예 : HBC(Hanging Bio Contactor), 현수 미생물 담체, 40mmD 직경 방사형 담체)가 배치되어 있다. 이러한 담체는 고정상 담체 혹은 유동상 담체일 수 있다. 만약 유동상 담체일 경우에는 수중에어레이터(미도시 됨)와 같은 처리수 회류수단이 필요하다. 또한 질산화에 필요한 호기상태를 위하여 산기관(31)(diffuser)이 설치되어 있다. 이때 질산화조(30)의 방류과정을 회분식과 같이 유지할 경우 데칸타(decanter; 커튼월형, 웨어형; 부표형, 스크류엑추레이터형, 혹은 파이프형)로 수위를 조절하면서 방류가 가능하다.
상기 질산화조(30)는 기존 하수처리장의 활성슬러지공법에 따른 최종침전조를 개보수하여 사용할 수 있다. 이러한 기존 최종침전조가 중앙구동식 중력침전조일 경우에는 침전조 하부에 설치된 슬러지반송펌프를 반송펌프로 활용하여 추가기계설비가 필요 없도록 할 수 있다. 담체의 종류를 유동상 담체로 할 경우 중앙유입부(inlet well)를 중심으로 수중에어레이터로 선회류시켜 담체를 곡선운동으로 유동시키고, 고정상 담체로 할 경우에는 기존 타원형 침전조에 담체를 방사상으로 배치하여 질산화조로 활용할 수 있다. 기존 침전조가 장방형 침전조일 경우 기존 침전지 설비(travelling bridge, scum removal, sludge scraper 등)를 철거하고 반송펌프는 그대로 둔 채 활용가능하며 데칸타를 설치할 경우 개보수가 용이하다.
상기 펌프(P)는 상기 질산화조(30)에서 질산화된 처리수의 탈질이 이루어지도록 일정량(1 ~ 3Q)의 상징수를 상기 반응조(20)로 반송한다.
각 구성요소의 연결은 관거 내지 파이프를 통하여 이루어지며 이하에서 설명하는 구성요소의 연결 역시 마찬가지이다.
이러한 기본 구성요소로 이루어진 하폐수 처리장치에는 다음과 같은 추가 구성요소를 통하여 기능이 강화될 수 있다.
먼저 도 2에 도시된 바와 같이 상기 반응조의 전단에는 유기물질 공급을 위한 일차 침전조(10)가 더 구비될 수 있다. 이 침전조(10)는 최근에 국내 하수의 특성이 유기물질농도가 낮아 적절한 C/N비를 조절할 수 없는 문제를 해결하기 위한 것이다.
특히 이러한 침전조(10)를 강우시 원수의 벌크 유입, 즉 월류부하에 대처하기 위하여 침사지 기능을 갖는 중력식 원형침사지로 구성할 수 있다. 이를 통하여 일시적인 초기강우시 퇴적된 토사 및 저니가 한꺼번에 유입되는 사태에 매우 취약한 종래 SBR의 문제점을 해결할 수 있다. 동시에 3mm이하의 고형물질이 생물 반응조(20)로 유입되어 기존 침전조에서 제거되는 유기물질 손실을 최소화할 수 있고고도처리시 적절한 유기물 원으로 작용할 수 있는 이점이 있다.
또한 상기 반응조(20)의 전단에 반응조에서 이루어지는 인방출단계를 별도로 진행시키기 위한 혐기조(11)를 연속회분식 반응조에서 분리배치하고, 반응조(20)에서 인발되는 슬러지 일부(0.3~0.8Q)를 이 혐기조(11)로 반송하여 슬러지의 인방출 효율을 높일 수 있다. 또한 이러한 혐기조(11)는 처리 용량이 큰 하수처리장에서 반응조(20)를 4기 이상 구성할 경우 단계적인 슬러지 주입을 통해 생물학적 인방출 단계를 연속회분식 반응조(20) 유입전에 수로형식 혹은 분배조 형식으로 선행되도록 하여 연속회분식반응조(20)에서는 생물학적 탈질반응 및 인흡수 과정만 진행되도록 하여 연속회분식 반응시간을 최소화하도록 할 수 있다. 더욱이 연속회분식반응조 단계에서 혐기과정을 원수가 연속 혹은 간헐유입되면서 배플(Baffle)형 막을 통과하도록 하여 인방출의 혐기과정을 수행할 수 있다.
상기 반응조(20)와 질산화조(30) 사이에 상기 반응조(20)에서의 침전단계를 생략하기 위한 중공사형 정밀여과막(Micro filtration)을 설치하여 혐기/인방출 →무산소/탈질 → 호기/인흡수 후 처리수를 이 중공사막으로 여과하여 하폐수 처리단계를 줄이고 시간을 절약할 수 있다. 이는 천톤 미만의 소규모 처리장에 적합한 방식이다.
그 외에도 상기 반응조(20)와 질산화조(30) 후단에는 질산화조에서 유출된 고형물질(SS)과 인을 더욱 제거하여 효율을 높이기 위한 고도처리공법으로 수리학적 체류시간이 최소 1시간 혹은 2시간인 초고속 응집침전조(Accelator)를 설치할수 있다. 이러한 초고속 응집침전조는 침전조고정화 미생물 담체가 충진된 질산화조(30)에서 유출된 처리수 중의 인 및 고형물질을 재차 처리하여 처리수를 중수도로 활용할 수 있는 재이용설비로 역할을 수행한다.
응집침전조는 합류식 하수관거의 하수처리구역에서 초기강우월류수(CSOs, Combined Sewer Overflows)가 유입될 경우 일차침전조가 없는 연속회분식반응조의 단점, 즉 일차 침전조를 생략하기 때문에 초기강우월류수를 일차전처리 하지 않고 유입 Gate에서 처리수조 후단으로 우회(bypass)하는 기존의 문제점을 보완할 수 있다.
더욱 상세하게는 일상적인 운전의 경우 2차 생물처리수를 대상으로 인 및 고형물질 제거용 고도처리를 할 수 있고, 비상시(초기강우 월류수 유입시 등)에는 침사지 월류수를 초고속응집침전지로 우회(bypass)하여 응집제를 주입하면서 1차 전처리 후 처리수조로 방류하여 초기강우 월류수를 동시에 처리할 수 있는 이점이 있다.
만약 상기 반응조(20)에서의 인흡수 단계를 생략할 경우에는 무산소조건의 탈질반응 후 생물학적 인과잉섭취를 위한 호기조건을 만들기 위해서 재폭기 (reaeration) 단계를 거치지 않고 곧바로 침전 후 방류하게 된다. 이러한 호기조건의 인흡수 단계의 생략은 반응조의 운전을 종속영양미생물을 우점화시키는 방식으로 이루어지게 한다. 따라서 반응조에서의 슬러지 침강성이 우수하여 짧은 시간 내에 고액분리가 가능하므로 유입수의 고형물질량, 유기물질량 및 질소 부하 관계없이 반응시간을 단축할 수 있다. 이러한 것은 또한 무산소 조건에서 증식되어 주종을 이루는 종속영양미생물이 탈질반응시에도 인흡수과정을 진행할 수 있기 때문에 인흡수단계 없이도 하폐수의 안정적인 처리가 가능한 것이다.
또 상기 반응조(20) 후단에는 방류수를 고도처리 하기 위한 디스필터, 유니온필터, 사여과지 또는 고압여과기와 같은 여과기(40)와 염소 소독조, 자외선 소독조 또는 오존산화조와 같은 소독조(50)가 더 구비되어 있어, 미세한 고형물질이나 유기물질을 제거하여 고형물질에 의한 질소 및 인부하의 원인을 제거할 수 있다.
2. 하폐수 처리방법
이상과 같은 하폐수 처리장치에 따른 연속회분식 하폐수 처리공정을 이하에서 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명하도록 한다.
도 3a에 도시된 바와 같이 본 발명의 하폐수 처리방법은 침전조에서 이루어지는 선침전(S10), 반응조에서 이루어지는 1차 처리공정(S20), 질산화조에서 이루어지는 2차 처리공정(S30), 펌프를 통한 상징수의 반송공정(S35) 등으로 이루어진다.
그러나 앞서 본 발명의 장치와 관련하여 설명하였듯이 본 발명의 하폐수 처리방법은 기본적으로 1, 2차 처리공정(S20)(S30) 및 반송공정(S35)만으로 달성될수 있다.
또한 본 발명의 1차 처리공정(S20)은 종래의 SBR공정 중 인흡수단계와 질산화단계를 생략하고 혐기下 인방출단계(S21), 무산소하 탈질단계(S22), 무산소하 고액분리단계(S24) 및 상징수방류/슬러지인발 단계(S25)만으로 이루어질 수 있다. 이는 종래 질산화가 반응조에서 이루어지는 것 대신에 본 발명에서는 독립된 질산화조에서 질산화(S30)가 이루어지기 때문이고, 인흡수단계는 앞서 설명한 바와 같이 무산소 상태에서 주종을 이루는 종속영양 미생물이 탈질단계(S22)에서 인흡수를 진행할 수 있기 때문이다. 특히 인흡수단계의 생략은 초고속 응집침전조를 질산화조 후단에 배치하는 방식으로 보완될 수 있음은 이미 설명하였다.
1차 처리공정(S20)에 호기下 인흡수단계(S23)가 포함될 경우, 이는 탈질단계(S22) 다음으로 이루어지게 된다.
처리시간은 1싸이클을 기준으로 인방출 20분, 탈질 80 내지 120분, 인흡수 20 내지 30분, 침전 30 내지 40분(인흡수단계(S23)를 생략할 경우에는 20 내지 30분으로 단축), 방류 20 내지 30분, 방류 후 슬러지 인발 2분 정도이다.
상기 탈질단계(S22) 이하의 1차 처리공정에서 처리되는 하폐수는 실질적으로 다음의 2차 처리공정(S30)인 질산화를 거쳐 반송(S35)된 2차처리수와 초기 유입 원수의 혼합수에 대하여 이루어지는 것이다. 또한 질산화과정인 2차 처리공정(S30)이 싸이드스트림(Sidestream)으로 진행될 경우 1차 처리공정(S20)의 방류단계에서 최종방류가 가능하다.
상기 고액분리단계(S24)는 일반적인 중력 침전방식일 수 있으나 중공사형 정밀여과막을 통하여 침전단계를 생략하여 처리시간을 단축할 수 있다. 침지형 중공사막은 초기 투자비 및 유지관리의 경제성을 고려할 때 1000㎥/day 이하의 처리용량에 적합하다.
다음으로 2차 처리공정(S30)은 1차 처리된 상징수에 대하여 본 발명의 고정화 미생물이 충진된 담체가 배치된 질산화조에서 호기하에서 이루어진다. 이러한 2차 공정은 1차 처리공정에서 유기물질이 제거되고 탈질/탈인되어 낮은 C/N비(1이하) 상태로 후속 2차 공정에서 암모니아성 질소가 질산성 질소로 산화된다. 기존 활성슬러지공법의 개보수 혹은 신설에서 질산화조의 회분식 운전이 필요시 방류단계에서 데칸타를 설치하여 수위조절에 의한 처리수의 방류과정이 가능하다.
질산화조에서의 체류시간은 원수유량 대비 90분 내지 180분 정도이다.
이어서 탈질하기 위하여 내부반송펌프를 통하여 상기 반응조에서의 1차 처리공정(S20) 중 탈질단계(S22)가 진행될 때 2차 처리수를 내부반송하는 반송공정(S35)이 이루어진다. 반송량은 원수유량(Q) 대비 100 내지 300%(1Q ~ 3Q)이다.
도 3a에서 앞서 도 2와 관련하여 설명한 하폐수 처리장치와 마찬가지로 기본 처리공정에 덧붙여 하폐수 처리의 효율성을 높이기 위한 추가공정이 이루어질 수 있다.
먼저 상기 1차 처리공정 전에 침전조를 거쳐 반응조에 유기물질이 공급되도록 원수를 침전시키는 선(先)침전공정(S10)이 이루어질 수 있다. 이 공정은 최근 국내 하수의 특성인 유기물질농도가 낮아 적절한 C/N비를 조절할 수 없다는 것과 관련된 것이다.
다음으로 도 3b에는 도 3a의 공정과 달리 반응조의 전단에 배치된 혐기조에서 선침전공정(S10)과 1차 처리공정(S20) 사이에 이루어지는 인방출 공정(S21a)을 도시하고 있다. 이는 도 3a의 1차 처리공정 중 혐기하 인방출단계(S21)를 대체하기 위한 것으로, 상기 인방출공정(S21a)은 회분식 반응조의 단위 반응단계의 반복을 최소화하고 슬러지의 인방출을 높이기 위하여 반응조에서 인발되는 슬러지 중 일부를 상기 혐기조로 반송하는 슬러지 반송공정(S25a)과 연계되어 이루어진다. 또한 연속회분식반응 단계의 1차처리공정과 연계시 배플(Baffle)형 막을 설치하여 원수 연속유입에 의한 인방출의 혐기과정이 가능하다.
이어서 도 3a 및 도 3b의 처리공정은 질산화조에서 방류되는 처리수를 재차 고도 처리하기 위한 처리공정(S40)이 이루어진다. 이 공정(S40)은 반응조 방류수를 사여과지 또는 고압여과기를 이용하여 여과하고 자외선소독조 또는 오존산화조를 통하여 소독하는 것이다.
이러한 과정을 거쳐 정화된 하폐수는 최종적으로 방류된다(S50).
3. 실시예
이상에서 설명한 본 발명의 하폐수 처리장치 및 처리방법을 다음의 실시예를 통하여 더욱 구체화시키도록 한다.
실시예 (1)
도 2 및 도 3a에 따른 장치 및 공정으로, 일일 처리용량 100L/day의 파일롯 플랜트를 설치하였고, 원수는 T하수처리장 침사지 월류수를 펌프로 일정량씩 공급하였다. 모든 운전 작동 방법은 자동프로그램(PLC)으로 작동되도록 하였다.
원수는 고형물질의 침전 및 농도 균등화를 유지하기 위하여 원수조(120L) 중앙에 설치된 교반기를 회전(40rpm)시키면서 정량펌프로 원수룰 주입하였으며, 반응조(29.2L)와 질산화조(12.5L)는 투명 아크릴판으로 제작하였다.
질산화조에는 HBC(Hanging Bio Contactor) 링담체(40mmD)가 질산화조 용적대비 30%(V/V) 정도가 되도록 충진하였고, 질산화조 내부에 반송펌프를 설치하여 질산화된 상징수가 반송되도록 하였다.
반응조에서 이루어지는 인방출, 탈질, 인흡수, 침전, 방류 및 인발 등의 과정은 PLC 자동 타이머에 의해 각각 20분, 100분, 20분, 20분, 30분씩이 되어, 1싸이클은 총 약 190분으로, 일일 약 7.5Cycle/day이 되도록 반복/작동시켰다. 인방출과 탈질단계어서는 프로펠러형교반기(10rpm)로 휘저어 주었고, 호기조건이 필요한 경우에는 에어콤프레셔를 통하여 공기를 주입하였다.
침전단계에서는 교반기 및 콤프레셔를 정지시키고 중력침전 후 반응조 높이의 1/2 지점에 설치된 방류용 핀치밸브를 개방하여 1차 처리수가 담체가 충진된 질산화조로 유출되도록 하였다. 이때 반응조에서 침전 후 방류된 상징수가 일시에 벌크로 질산화조로 유입되지 않도록 저류조(0.5L)를 거친 후 질산화조로 연속주입되도록 하였다.
반응조의 미생물농도(MLSS)는 1,500~3,000mg/L, MLVSS/MLSS비는 약 0.67~0.72로 나타났다. 원수수질성상은 BOD5 평균 120mg/L, COD 80mg/L, SS 110mg/L, TN 35.5mg/L, TP 4.6mg/L이며, 유기물질 부하량은 0.012kg BOD/㎥day, F/M비는 0.16kgBOD/kgVSSday로 나타났다. 방류 및 침전후 원수유입시 산화환원전위(ORP)는 -250mV ~ -550mV, 탈질반응시 -30mV ~ 350mV범위로 관측되었다. pH 변화는 유입수의 경우 7.2±0.2로 나타났고, 반응조에서 최대 7.5까지 상승한 후 질산화조에서 최소 6.8까지 감소하는 것으로 나타나 외부 알칼리의 주입 없이도 평균 175 CaCO3mg/L의 알칼리도이므로 충분한 완충능력을 가지고 있는 것으로 나타났다. 전체적인 반응시의 온도 범위는 최소 12℃, 최대 23℃로 유지되었으며, 반응조의 경우 인흡수시 용존산소는 2~3mg/L로 유지되었고, 질산화조는 전면 포기를 통해 용존산소를 2mg/L로 유지하였다. 질산화조에서 무산소 조건의 탈질반응단계로 반송시 반송유량은 원수 주입량 대비 100~300%로 유지하여 처리수는 BOD 10mg/L, COD 19mg/L, SS 5mg/L, TN 3.0mg/L, TP 0.6mg/L로 나타났다.
실시예 (2)
실시예(1)에 따른 하폐수 처리공법을 기존의 활성슬러지 공법을 사용하는 하수처리장의 최종 침전조에 적용하기 위하여 원수유량 대비 체류시간이 3시간인 아크릴 원형침전조(13L, 230mm ×D30mmH)를 제작하여 하부에 질산화혼합액을 반송할 수 있도록 유량 조절가능한 반송펌프(12.5L/Hr)를 설치하였다.
질산화된 처리수는 웨어를 통해 유출되도록 하였으며, 담체는 원형 반응조의 중앙부를 중심으로 방사상으로 250mm씩 절단하여 용적대비 30% 정도가 되도록 충진하였다. 반응조 하부는 콘타입으로 설치하여 탈리된 고형물질과 질산화된 혼합액이 동시에 반송되도록 하였다.
특히 반응조 하부에 상항류식 산기관를 설치하여 공기가 반응조 내부에 균등하게 분출되도록 하였다. 원형반응조에서 질산화조로 유입되는 처리수 용존성 TKN농도는 3.5 ~ 5.5mg/L이고, 원형반응조로 반송되는 질산화조 처리수의 용존성 TKN농도는 0.5mg/L 이하로 나타났다.
질산화조 내 미생물에 부착된 건중량은 HBC Ring Lace 담체 300mm 당 약 3.5g의 고형물질이 부착되었고, 최종 처리수의 경우 상기 실시예(1)에서 보다 고형물질의 경우 10% 정도 낮았고, BOD 13mg/L, COD 20mg/L, SS 12.6mg/L, TN 5.2mg/L, TP 0.8mg/L로 나타났다.
그러므로 기존 하수처리장에 설치된 최종 침전조에서 중앙구동부의 감속기와 스크레퍼 등의 부대설비를 철거하고 고정화미생물담체를 투입하여 침전조 없이 질산화조로 활용가능하고, 특히 반송슬러지펌프를 질산화혼합액반송펌프로 충분히 활용가능하였다.
실시예 (3)
도 3b의 공정에 따른 실시예로, 반응조의 전체 반응 사이클과 반응조의 각 단위 반응단계를 최소화하며 슬러지의 인방출을 높이기 위해 방류/슬러지 인발단계에서 슬러지를 일부를 반응조 전단의 혐기조로 반송하였다. 원수 대 슬러지 반송비를 1 : 0.4로 혼합하여 혐기조건에서 유입수의 유기산을 탄소원으로 하여 PHB를 합성하면서 세포내의 인이 방출되도록 하였다.
이후의 단계는 실시예(1)과 같이 진행된다.
상기 실시예(3)은 유입 원수와 반응조의 침전슬러지에 대하여 별도의 혐기조에서 인방출을 유도함과 아울러 종래 접촉안정화조의 접촉조와 같이 미생물의 유기물질 흡착을 유도하게 되므로 이후의 반응조에서 반송되는 질산화된 처리수와 더불어 보다 높은 탈질율을 유도하게 된다.
이처럼 반응조의 혐기하 인방출 조건을 별도의 혐기조에서 이루어지도록 하므로 처리용량이 큰 하수처리장에서 반응조를 4기 이상 구성할 경우, 싸이클에 알맞게 반응조로의 단계적인 인방출 처리수의 주입이 가능하므로 완충기능이 가능해진다.
혐기조건의 체류시간은 원수유량대비 30분 내외로 운전가능하나 완충기능과 연속주입 및 회분식주입의 연계성을 위해 60분 정도인 것이 바람직하다.
혐기조를 별도 분리할 경우 실시예(1)과 대비하여 인방출 된 처리수의 용존성 인농도(PO4-P)는 7.5mg/L 정도로 약 50%정도 증가되었다. 또한 반응조에서의 탈질반응을 40분, 침전 20분, 방류 20분, 인발 및 슬러지반송을 10분 내에 완료할 수 있어 체류시간을 실시예(1)에 비하여 약 45% 이상 절감할 수 있다.
이와 더불어 슬러지침강성은 실시예(1) 및 실시예(2)에 비해 SV30가300mL/1L로 20% 이상 개선되었다. 본 실시예(3)에서 유입수질은 각각 BOD5 평균 120mg/L, COD 80mg/L, SS 110mg/L, TN 35.5mg/L, TP 4.6mg/L이고 유출수 처리수질은 각각 BOD 15mg/L, COD 22mg/L, SS 14mg/L, TN 3.5mg/L, TP 0.5mg/L로 나타나 질소 및 인 제거효율이 높게 나타났고, 인발슬러지 내의 N/VSS, P/VSS의 비도 각각 7.5~9.6%와 2.5~3.2%로 나타났다.
실시예 (4)
상기 실시예(1)과 비교하여 반응조에서 이루어지는 호기하 인흡수, 침전 및 방류 단계를 통합하기 위하여 중공사형 침지형막을 반응조에 설치하였다. 이로써 별도의 고액분리 및 방류단계를 생략하고 막으로 처리수를 여과시켜 질산화조로 보내는 방식으로 한 싸이클에 소요되는 시간을 약 1시간 정도 단축시켰다.
특히 이러한 중공사막의 이용은 충격부하나 겨울철 침강성 저하에 따른 슬러지침강 불량, 슬러지유출 등의 문제를 해결할 수 있다. 또한 처리수질 변화에 관계없이 물리적 강제여과를 실행하므로 자동제어가 용이해진다.
이와 더불어 슬러지 농도를 7000mg/L까지 높게 유지할 수 있으므로 탈질속도를 높여 반응조의 체류시간을 기존 설비대비 최대 50% 이상 축소하는 것이 가능하다.
연속회분식반응조에 설치된 침지형 중공사막은 막 표면을 친수성으로 개질하므로써 제거효율을 높인 분리막으로 폴리프로필렌(친수화)계로 0.4㎛에 외경 및 내경은 각각 520㎛/360㎛이며, 인장강도는 170 gf/fil, 파단신율은 30%이상으로 순수투과량은 10ml/cm2min(1.0kgf/cm2)이다.
본 실시예(4)에서 유입수질은 각각 BOD5 평균 120mg/L, COD 80mg/L, SS 110mg/L, TN 35.5mg/L, TP 4.6mg/L이었다.
최종 방출수의 수질은 각각 BOD 10mg/L, COD 19mg/L, SS 5mg/L, TN 3.0mg/L, TP 0.6mg/L로 나타나 질소와 인제거효율이 높게 나타났고, 반응조의 MLSS농도는 4,200~8,500mg/L로 높게 유지하였고, 비탈질속도는 수온이 13~15℃일 때 0.15~0.250mgNOx-N/mgVSSday로 높게 나타나 침지형 중공사막을 이용할 경우 높은 수질확보가 가능함을 알 수 있다.
특히 이러한 중공사막의 이용은 담체가 배치된 질산화조에서 고형물질에 의한 충격부하를 방지할 수 있어 안정적인 질산화반응이 가능하였다.
실시예 (5)
상기 실시예(1) 및 (3) 각각에서 고정화미생물로 충진된 질산화조에 침지형 중공사막을 설치하여 부유상 시스템으로 운전하였다. 이 경우 슬러지 발생량(Yobs)이 0.02mgSS/mgCODday로 매우 낮아 별도의 질산화박테리아를 인발하지 않고 유지관리가 가능하였고, 높은 질산화반응이 가능하였다.
특히 질산화박테리아를 Fisher법으로 최대 20% 정도까지 고농도 우점화가 가능하였고, 겨울철 13℃에서도 99%의 질산화효율이 달성되어 처리수질의 용존성 TKN농도가 체류시간 2시간 내에 0.1mg/L 이하로 나타났다.
그러나 원수유량대비 최대 200%까지 내부 반송하기 때문에 높은 플럭스율이 요구된다. 본 실시예(5)에 고정화미생물 담체 HBC RING LACE(40mmD)를 질산화조 용적대비 25~30%가 되도록 설치하여 방류수질만 침지형중공사막으로 막분리하고 질산화조 혼합액을 내부 반송할 경우 최종방류수질은 사여과나 잔류유기물질 제거용 사여과 혹은 응집침전설비가 필요 없고, 곧바로 자외선, 오존 혹은 염소소독을 통해 잔류 대장균을 사멸할 수 있고 처리설비를 단축시킬 수 있다. 침지형 중공사막 처리수질은 각각 BOD 5mg/L, COD 15mg/L, SS 3mg/L, TN 3.0mg/L, TP 0.6mg/L로 나타났고, 별도의 침전조와 같이 슬러지관리가 필요 없다.
실시예 (6)
실시예(1)과 실시예(5) 각각에 초고속응집침전조(accelator)를 설치하여 잔류고형물질 제거를 통한 입자상 유기물질, 입자상질소, 입자상 인의 제거효율을 개선하였다.
특히 고정화미생물담체로 충진된 질산화조의 유출수 중에 잔류한 인을 제거하고자 응집제를 처리수질 농도에 대해 약 2.2~2.7mg/L범위로 주입하고 체류시간 1.0㎥/㎡Hr 급속응집침전 시킨 결과 질산화조에서의 유출수, 즉 3차 고도처리 전의 농도는 각각 BOD 15mg/L, COD 25mg/L, SS 16mg/L, TN 7.5mg/L, TP 1.5mg/L이었고,3차 고도 처리 후의 농도는 각각 BOD 10mg/L, COD 17mg/L, SS 8mg/L, TN 5.1mg/L, TP 0.4mg/L이었다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 변형된 연속회분식 하폐수 처리장치 및 처리방법은
첫째, 반응조와 질산화조를 분리한 이원 분리 슬러지 시스템에 따라 운전되는 변형된 연속회분식 반응장치 및 그 공정을 도입하여 종래 SBR의 단점을 해소할 수 있고,
둘째, 이러한 이원분리 시스템을 통하여 짧은 체류시간 내에 질소 및 인을 제거할 수 있도록 함과 아울러 대한민국의 하폐수의 특성인 낮은 C/N비에서도 높은 질소 제거율을 달성할 수 있고, 반응조에서 고액분리되어 상징수만이 질산화조로 유입되므로 유기물질 부하에 의한 질산화 반응억제 문제가 없으며 슬러지 발생량이 적고,
셋째, 특히 질산화조에 고정화미생물이 충진된 담체에 질산화박테리아를 부착시키므로 비성장속도가 느린 질산화박테리아의 부착이 쉬울 뿐 아니라 질산화조의 유지/관리/교체를 용이하게 하였으며, 질산화조에 데칸타를 설치할 경우 회분식 운전이 가능하며,
넷째, 이러한 반응조와 질산화조의 독립운영과 질산화된 처리수의 적절한 반송을 통하여 종속 영양생물을 별도 우점화시킴으로써 NOxN 저해문제를 해결하여 탈인효율을 극대화시킬 수 있으며,
다섯째, 특히 혐기조의 별도 분리 및 혐기조로의 슬러지 반송을 통하여 슬러지의 인방출 효율을 높이고 완충기능을 하도록 함과 아울러 NOxN 저해를 최소화시킬수 있으며,
여섯째, 이와 같은 본 발명의 장치 및 방법을 통하여 전체적인 반응시간을 크게 단축하는 것 외에도, 초고속 응집침전응조를 통하여 인방출 및/또는 침전단계를 생략하여 하폐수 처리시간 단축을 극대화시킬 수 있으며,
일곱째, 반응조 전단에 배치된 중력식 원형침사를 통하여 적절한 C/N비를 위한 탄소원 제공에 활용함과 아울러, 강우시 토사 및 저니가 일시에 유입으로 인한 초기강우월류수를 비상시 초고속응집침전조에 유입시켜 처리함으로써 초기강우 전처리가 가능하다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 하폐수 처리장치 및 처리방법에서는 하폐수 처리와 관련된 통상의 공지된 기술은 생략되어 있으나, 당업자라면 이러한 것들을 인지하고 추측/추론 할 수 있을 것이다.
또한 이상의 설명이 각 처리장치 및 처리방법을 제한적인 연관 관계속에서 설명하였으나, 이러한 장치 및 공정들은 당업자에 의하여 다양한 조합으로 실시될 수 있으며, 이러한 조합들은 본 발명의 사상에 따른 것이며, 따라서 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (14)

  1. 원수 유입, 인방출, 탈질, 인흡수, 고액분리, 상징수 방류 후 침전슬러지 인발이 차례로 모두 또는 차례로 선택적으로 이루어지며, 교반기가 내부에 설치되어 있는 반응조와,
    호기조건을 위한 산기관이 구비되어 있으며, 상기 반응조에서 방류된 상징수를 질산화시키기 위한 질산화조와,
    상기 질산화조에서 질산화된 처리수의 탈질이 이루어지도록 처리수를 상기 반응조로 반송하는 펌프를 포함하여 이루어지는 변형된 연속회분식 하폐수 처리장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 질산화조에는 고정화미생물이 충진된 담체가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 변형된 연속회분식 하폐수 처리장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응조의 전단에는 유기물질 공급을 위한 일차 침전조가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 변형된 연속회분식 하폐수 처리장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응조의 전단에는 유기물질 공급과 강우시 원수의 벌크 유입을 방지하기 위한 중력식 원형 침사지가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 변형된 연속회분식 하폐수 처리장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응조의 전단에는 혐기조가 더 구비되어 있어, 반응조에서 인발되는 슬러지 일부가 유입되어 슬러지의 인방출 효율을 높이면서 완충기능을 하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 변형된 연속회분식 하폐수 처리장치.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응조와 질산화조 사이에는 상기 반응조에서의 침전단계를 대체하기 위한 침지형 중공사막이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 변형된 연속회분식 하폐수 처리장치.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응조 후단에는 상기 반응조에서의 인흡수 단계를 생략하고 질산화조 후단에 초고속응집 침전조가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 변형된 연속회분식 하폐수 처리장치.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응조 후단에는 방류수를 처리하기 위한 여과기와 소독조가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 변형된 연속회분식 하폐수 처리장치.
  9. 혐기하 인방출, 무산소하 탈질단계, 무산소하 고액분리단계 및 상징수방류 후 슬러지인발 단계를 포함하여 이루어지는, 반응조에 유입된 원수에 대한 1차 처리공정;
    질산화조에서 1차 처리 상징수에 대하여 고정화 미생물이 충진된 담체를 통하여 질산화시키는 2차 처리공정;
    2차 처리수를 탈질하기 위하여 펌프를 통하여 상기 반응조로 되돌려 보내는 내부반송공정을 포함하여 이루어지는 변형된 연속회분식 하폐수 처리방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 1차 처리공정 전에 침전조를 거쳐 반응조에 유기물질이 공급되도록 원수를 침전시키는 선(先)침전공정을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 변형된 연속회분식 하폐수 처리방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 1차 처리공정은 탈질단계 다음으로 호기하 인흡수단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 변형된 연속회분식 하폐수 처리방법.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응조의 전단에는 혐기조를 별도로 분리하여, 반응조에서 인발되는 슬러지 중 일부가 이 혐기조로 유입되어 인방출효율을 높이게 되는 슬러지 반송공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 변형된 연속회분식 하폐수 처리방법.
  13. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1차 처리공정의 고액분리단계는 중공사막을 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 변형된 연속회분식 하폐수 처리방법.
  14. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 질산화조에서 방류되는 처리수를 재차 고도 처리하기 위하여 여과하고 소독하는 3차 처리공정을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 변형된 연속회분식 하폐수 처리방법.
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