KR100460851B1 - 내부 반송이 필요 없는 하폐수 고도처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하폐수내에 포함된 다양한 농도의 BOD, 질소 및 인을 효율적으로 제거할 수 있도록 하기 위해, 하폐수의 혐기성 처리수를 분할 주입하고, 생물학적 호기/무산소 과정을 반복함으로써, 내부 반송을 제거한 하폐수 고도처리 장치에 관한 것으로,

원수와 반송 슬러지가 유입되는 혐기조와, 상기 혐기조 후단에 위치한 제1 호기조와, 상기 제1 호기조 후단에 위치한 제1 무산소조와, 상기 제1 무산소조 후단에 위치한 제2 호기조와, 상기 제2 호기조 후단에 위치한 제2 무산소조와, 상기 제2 무산소조 후단에 위치한 제3 호기조와, 상기 제3 호기조 후단에 위치한 침전조를 포함하는 하폐수 고도처리 장치에 있어서, 상기 제1 호기조에는 상기 혐기조의 처리수 일부가 유입되어 인 제거가 이루어지고, 상기 제1 무산소조에는 상기 제1 호기조의 처리수 전부와 상기 혐기조의 처리수 일부가 유입되어 탈질 과정이 이루어지며, 상기 제2 무산소조에는 상기 제2 호기조의 처리수 전부와 상기 혐기조의 처리수 일부가 유입되어 탈질 과정이 이루어지도록 한 것을 특징으로 한다.

Description

내부 반송이 필요 없는 하폐수 고도처리 장치{Sewage and wastewater treatment apparatus which is no need internal recycle}

본 발명은 내부 반송이 필요 없는 개선된 하폐수 고도처리 장치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 혐기조의 처리수를 탄소원으로 분할 주입하고, 호기 및 무산소 공정을 반복 도입하는 생물학적 처리방식을 이용하여 하폐수의 유기물과 질소, 인등의 영양염류를 제거할 수 있도록하여, 내부 반송을 위한 구성을 생략한 하폐수의 고도처리 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 질소와 인 즉 영양염류는 자연상태에서도 발생되기도하며, 인간의 활동에 의해 발생하기도 하는데, 자연 활동에 의해 발생되는 것은 유기물 분해를 일으키는 미생물의 생육과 증식에 필요한 무기성 원소로서, 이들 중 특히 질소화합물과 인산염은 생물 세포 형성과 생활 에너지 획득을 위하여 연속적으로 공급되어야 하는 원소이다. 이러한 영양염류는 그 발생량에 있어 자연계에서 자정작용이 원만하게 진행되어 순환되거나 제거될 수 있는 양이지만, 생활 하수, 축산 폐수, 공장 폐수 등 인간의 활동에 의해 대량으로 유입되면 영양염이 지나치게 증가하게 되고, 이에 따라 현탁 물질이 다량으로 섞여 들어 자연의 자정능력을 넘어서게 된다. 결국 부영양화 현상이 급속히 진행되어, 수질 오염이 촉진되므로, 하폐수의 이러한 영양염류는 호소나 하천 등으로 유입되기 전에 제거되어야 하며, 이를 효율적으로 제거하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다.

우리 나라의 경우 초기에는 대부분 활성 슬러지법에 의존하여, 하폐수를 처리하여 왔으나, 현재는 기존의 활성 슬러지법을 변형하여, 질소 및 인을 동시에 처리하고자 하는 기술(Biological Nutrient Removal: BNR)을 도입하고 있는 시점이다. 현재 사용되고 있는 기존의 생물학적 하수처리기술 중 첫째로 활성 슬러지법은 가장 일반적이고 검증된 방법이며 경제적인 장점이 있으나, 질소 및 인의 처리효율이 낮은 단점이 있어, 새로운 질소, 인의 방류수 수질기준에 적합하게 처리할 수 없다.둘째로 고도처리의 일종인 생물학적 영양소 제거법(BNR)은 유기물/질소-인의 동시 제거가 가능하며 대규모 처리시설에 적합하나, 현재의 기술은 장치내 내부반송을 채택하고 있어, 내부반송 펌프 동력비가 증가하게 되며, 내부반송 배관이 필요하여 공사비가 증가되고, 이에 따라 기존 하폐수 처리장을 고도처리용으로 개량 시, 그 적용성에 있어 문제점이 있다. 셋째로, 막활성 슬러지법은 소요 면적 대비 최소 슬러지 발생량, 벌킹 문제 등 많은 장점을 가지고 있으나, 질소 및 인의 처리 효율이 낮고, 막 구입비용 및 막의 폐색에 따른 관리/운전 비용이 증가하는 단점이 있다. 넷째로 기존 활성 슬러지법에 후처리시설을 결합한 공정은 유기물 및 질소-인 동시 제거가 가능하나. 처리 소요 면적 증가, 추가적 설치/운전비용 소요, 화학적 후 처리 시 슬러지 발생량이 증가하는 단점이 있다.

아울러 하폐수 중에 존재하는 질소와 인을 동시에 제거하기 위해서는 다음과 같은 어려움이 있다. TKN의 질산화 반응을 위해서는 용존 산소가 충분히 존재하여야 하나, 탈질 반응 및 인 방출 반응을 위해서는 용존 산소가 없어야 한다. 또한, 탈질 반응 및 인 제거반응에 관여하는 미생물은 종속영양 미생물이기 때문에, 에너지원으로 유기 탄소원을 필요로 하며, 유기 탄소원의 이론적 필요량은 1g의 질산성 질소 제거 당 2.86 gCOD, 1g의 용해성 인 제거 당 40 gCOD인 것으로 알려져 있다. 그러나, 국내 하수는 유입 유기물 농도가 이보다 낮기 때문에, 질소와 인을 동시에 제거하는데 어려움이 있다. 또한, 외부 탄소원을 별도로 공급하는 경우에는 운전 비용이 많이 들게 되므로, 효율적인 영양염류의 제거를 위해 유기 탄소원을 절약할 수 있는 연구가 필요하다. 또한, 탈질산화 반응은 폐수중의 유기물 농도 및 유기물의 종류에 따라 반응속도가 다양하기 때문에 체류시간을 적절하게 조절하기가 곤란하므로 유기물 성상에 따라 대처 가능 폭이 넓은 처리방법이 요구된다.

상기와 같은 어려움을 갖고 있는 질소와 인을 동시에 제거하기 위한 생물학적 영양소제거법(BNR)은 구미 각국에서 먼저 수행되어 왔다. 그러나, 기존의 생물학적 영양소제거법(BNR)은 대부분 혐기조와 무산소조 및 호기조를 배열하여, 각 조의 운전조건에 따라 각 조들 간에서 내부반송을 하여 질소와 인을 제거하는 역할을 수행하였다. 이러한 기존의 생물학적 영양소제거법(BNR)의 예로는 에이투오(A²/O)공법, 유씨티(UCT)공법, 브이아이피(VIP)공법, 에스비알(SBR)공법 등을 지역적 여건 및 경제성 등을 고려하여 적용공법으로 선정하여 사용하고 있다. 여기서, 에스비알(SBR)공법을 제외하고는 대부분의 공정은 내부반송이 많아 이를 설비하기 위한 공사비용이 증가하고, 시설유지 및 관리비가 상승하게 되는 단점이 있다. 반면에 내부반송이 없는 에스비알(SBR) 공법도 매우 큰 용량의 유량조절설비와 2조를 설치하여 운영하여야 하는 단점을 갖고 있는 공정이다.

상기의 공정들에서 언급한 것처럼 기존 공정들은 하폐수의 처리에서 유기물 및 영양염류인 질소와 인의 제거효율을 향상시키기 위해 내부 반송량을 하폐수 유입량의 3배 가량으로 유지해야 하므로, 시설유지 및 관리비가 상승하게 되는 결점이 있어, 최근에는 내부반송이 없는 공정이 시도되고 있다. 이러한 공정은 혐기, 무산소 및 호기 등의 미생물학적 조건을 달리한 각각의 분리된 반응조를 반복 배치하여 전체 공정을 구성하거나, 여기에 별도의 반응조(분리조 등)를 추가하여 구성하기도 한다. 그리고, 원수의 분할 주입법 등이 고도처리에 적용되는 경우도 있다. 원수의 분할주입방법은 1970년대말 이후 활성슬러지법 등에서 이미 적용된 방식으로, 반송슬러지가 원수와 일시에 희석되지 않고 단계적으로 희석되기 때문에 2차 침전지에서의 고형물부하(SLR)를 감소시켜 2차 침전지의 용량을 감소시킬 수 있는 것으로 보고되고 있다.

도1a는 DEPHANOX 공정을 변형한 대한민국 공개특허공보 특1999-0065434에 개시된 종래의 하수 고도처리 장치의 개략적인 구성도이다.

이는 혐기 접촉조, 분리조, 호기 상태하의 질화 반응조인 제 1 반응조, 무산소 상태하의 탈질 반응조인 제 2 반응조, 호기 상태하의 제 3 반응조, 무산소 상태하의 제 4 반응조, 호기 상태하의 제 5 반응조 및 침전로의 순서로 하고, 상기 침전조에서 상기 혐기 접촉조로 슬러지를 반송시키며, 상기 분리조에서 분리된 슬러지는 상기 제 2 반응조 내로 유입시키고, 상기 분리조에서 분리된 유입수는 상기 제 1 반응조로 유입시켜서 반복적으로 운영하는 공정으로 이루어진다.

하지만, 이는 혐기조 후단에 침전조, 부상조, 또는 원심분리형 반응조 등으로 이루어지는 추가적인 분리조를 설치하여야 하는데, 분리조를 침전조 및 부상조만으로 설치할 경우 큰 시설용량이 필요하며, 분리조를 원심분리형 반응조로 설치하는 경우는 설치비 및 관리비가 상승하는 단점이 있다. 그리고, 분리된 상징수만이 제1 호기조로 이송되기 때문에, 인의 과잉섭취에 의한 인 제거 반응이 일어나지 않는다. 또한, 상징수가 전량 호기조로 이송된 후, 탈질 반응에 유용한 용해성(soluble) 유기물이 미리 제거되어버리기 때문에, 무산소조의 탈질 효율에 악영향을 미치게 되며, 제1 호기조로는 슬러지가 공급되지 않으므로, 반응의 효율을 유지하기 위해서는 담체의 사용이 불가피하다. 그리고, 제2 무산소조의 경우 앞선 2개의 호기조에서 내부 탄소원 대부분이 고갈되어 메탄올 및 초산염과 같은 외부 탄소원 주입방식이 채택되어 있다. 분리조에서 분리된 슬러지를 제1 무산소조로 이송하기 위해서는 추가적인 슬러지 펌프가 필요한 단점이 있다.

도1b는 Kayser 등이 연구발표(1992)한 공법으로 혐기/호기조의 반복배치와 원수 분할주입에 의한 하폐수 고도처리 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.

이 공법은 내부반송이 없이 고도처리를 수행할 수 있는 장점이 있으나, 제2, 제3 혐기조의 경우 호기조에서 유입된 질산성 질소로 인해 인방출 반응이 저해되어, 인제거 효율이 불량한 단점이 있다. 본 발명에서는 인방출 반응은 공정 맨앞의 혐기조에서 일괄적으로 수행되도록 하여 질산성질소에 의한 인방출 저해를 방지하였다. 그리고, 위 공정에서의 제2, 제3 혐기조를 탈질기능을 주목적으로 한 무산소조 기능만을 수행하게 하였으며, 원수를 분할 주입하지 않고, 혐기조를 거친 후 분할주입하기 때문에, 탈질에 필요한 저분자화 유기물에 의해 탈질효율을 향상시킬 수 있다.

도1c는 Nolasco 등이 연구발표(1993)한 Step Bio-P Process 공법을 개략적으로 나타낸 것이다.

이 공법은 질산성 질소에 의한 인방출 저해를 방지하여 인제거 효율을 향상시킨 공법이나, 공정이 매우 복잡하고 내부반송이 불가피하며, 많은 수의 펌프가 설치되어야 하는 단점이 있다. 위 공법에서 무산소조와 혐기조의 배치를 바꿀 경우 내부반송을 없앨 수는 있으나, 탈질반응에 유용한 유기산생성반응이 진행되는 혐기조가 무산소조 후단에 배치되게 되어, 탈질효율 감소가 발생할 수 있고, 무산소조에서 유기물이 다량 소모될 경우 혐기조에서 유기물 부족으로 인해 인방출 저해가 일어날 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하여, 하폐수내에 포함된 다양한 농도의 BOD, 질소 및 인을 효율적으로 제거할 수 있도록 하기 위해, 하폐수의 혐기성 처리수를 분할 주입하고, 생물학적 호기/무산소 과정을 반복함으로써, 내부 반송을 제거한 하폐수 고도처리 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도1a 내지 도1c는 종래의 하폐수 고도처리 장치의 개략적인 구성도.

도2는 본 발명에 따른 하폐수 고도처리 장치의 개략적인 구성도.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 원수와 반송 슬러지가 유입되는 혐기조와, 상기 혐기조 후단에 위치한 제1 호기조와, 상기 제1 호기조 후단에 위치한 제1 무산소조와, 상기 제1 무산소조 후단에 위치한 제2 호기조와, 상기 제2 호기조 후단에 위치한 제2 무산소조와, 상기 제2 무산소조 후단에 위치한 제3 호기조와, 상기 제3 호기조 후단에 위치한 침전조를 포함하는 하폐수 고도처리 장치에 있어서, 상기 제1 호기조에는 상기 혐기조의 처리수 일부가 유입되어 인 제거가 이루어지고, 상기 제1 무산소조에는 상기 제1 호기조의 처리수 전부와 상기 혐기조의 처리수 일부가 유입되어 탈질 과정이 이루어지며, 상기 제2 무산소조에는 상기 제2 호기조의 처리수 전부와 상기 혐기조의 처리수 일부가 유입되어 탈질 과정이 이루어지도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 질소와 인을 동시에 처리하는 하폐수 고도처리 장치에 있어서 원수의 혐기성 처리수를 분할 주입하고, 호기/무산소 과정의 반복 처리를 통해, 질산화 및 탈질화 반응을 유도하여 하수 중 질소 처리를 촉진하고 에너지 효율을 극대화한 하폐수 고도처리 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 내부반송을 채택하고 있는 기존의 고도처리 장치 대신 원수유입, 혐기, 호기, 무산소 공정을 적절히 조합 또는 연결함으로써, 질소 제거에 필요한 탈질화 및 질산화 공정과 탈인을 위한 인방출 공정이 내부 반송을 채택하지 않고 이루어질 수 있도록 한다.

이하, 첨부된 도2를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

원수와 반송 슬러지는 일차적으로 혐기조로 보내진다. 혐기조는 총 체류시간(HRT)이 1.5 hr 내외가 되도록 설계되며, 기계식 믹서를 이용하여 반응조 내액을 교반시킨다. 혐기조에서는 유기물이 산발효에 의해 활발하게 유기산으로 전환되어 높은 인방출을 유도하게 된다. 그리고, 유기산(VFAs)과 같은 탈질에 유용한 유기물이 매우 풍부하므로, 슬러지에 함유된 질산성 질소가 빠르게 제거된다. 필요한 경우 혐기조를 연속되는 2개의 반응조로 분리하여 반송 슬러지에 함유된 질산성 질소의 탈질반응과 인방출반응의 분리를 통한 각 반응의 효율극대화를 도모할 수도 있다.

호기조 1에는 혐기조 유출수의 일부가 분할 유입된다. 즉, 호기조 1에는 혐기조를 거친 총 유출수 중 50∼60%가 분할 주입되며, 총 체류시간(HRT)이 2 hr 내외가 되도록 설계된다. 또한, 호기조 1 내에서는 산소를 공급하기 위한 산기장치와 송풍기를 통해 산소공급 및 교반이 동시에 수행된다. 호기조 1에서는 혐기조에서 방출된 인의 과잉섭취를 통해 인 제거가 이루어지며, 유기물제거 및 질산화가 진행된다. 호기조 1의 반응조 크기는 원수의 유기물 농도에 따라 달라지며, 질산화를 유도할 수 있는 체류시간을 유지하도록 한다.

무산소조 1에는 호기조 1 유출수 전량과 혐기조 유출수의 일부가 유입된다. 즉, 무산소조 1에는 호기조 1 유출수 전량과 혐기조를 거친 총 유출수 중 20∼30%가 분할 주입되며, 총 체류시간(HRT)이 0.75 hr 내외가 되도록 설계된다. 무산소조 1에는 기계식 믹서가 설치되어 반응조 내액을 교반시키게 된다. 무산소조 1에서는 호기조 1 유출수의 질산성 질소 탈질반응이 진행되며, 이 반응에서 필요로 하는 유기물은 혐기조 유출수에서 공급된다. 혐기조 유출수에는 탈질에 유용한 유기산을 함유하고 있어, 탈질반응을 촉진하게 된다. 또한, 질산성질소를 전자수용체로 하여 인을 흡수하는 미생물에 의한 인 제거도 진행된다. 필요한 경우 무산소조를 연속되는 2개의 반응조로 분리하여 산소소비반응과 탈질반응의 분리를 통한 탈질효율 극대화를 도모할 수도 있다.

무산소조 1에서 일어나는 주요 반응을 처리 대상 물질로 구분하여 요약하면 다음과 같다.

- 질산성 질소 (NO₂-N, NO₃-N)가 탈질화 미생물에 의해 N₂가스로 전환되어 제거된다.

- 탈질반응을 통해 유기물이 제거되며 생분해성이 낮은 유기물의 저분자화가진행된다.

- 유기성 질소가 암모니아성 질소로 변환된다.

호기조 2에는 무산소조 1의 후단에 설치되는데, 호기조 2에는 혐기조를 거친 유출수가 분할 주입되지 않으며, 무산소조 1의 유출수만 유입되고, 총 체류시간(HRT)이 1.5∼2 hr 정도가 되도록 설계된다. 또한, 호기조 2 내에서는 산소를 공급하기 위한 산기장치와 송풍기를 통해 포기와 교반이 동시에 수행된다. 호기조 2에서는 무산소조 1에서 분할 유입된 혐기조 유출수에 함유된 유기물 및 인의 제거와 더불어 질산화 반응이 재차 진행된다.

무산소조 2는 호기조 2의 후단에 설치되며, 호기조 2의 유출수 전량과 혐기조를 거친 총 유출수 중 10∼20%가 분할 유입되며, 총 체류시간(HRT)이 0.75 hr 내외가 되도록 설계된다. 또한, 무산소조 2 내에서는 호기조 2의 유출수 전량과 혐기조 유출수의 일부가 분할 유입된다. 무산소조 2에는 기계식 믹서를 설치하여 반응조 내액을 교반시킨다. 무산소조 2에서는 호기조 2 유출수의 질산성 질소 탈질반응이 진행되며, 이 반응에서 필요로 하는 유기물은 혐기조 유출수에서 공급된다. 혐기조 유출수에는 탈질에 유용한 유기산을 함유하고 있어 탈질반응을 촉진하게 된다. 또한, 질산성질소를 전자수용체로 하여 인을 흡수하는 미생물에 의한 인제거도 진행된다. 필요한 경우 무산소조를 연속되는 2개의 반응조로 분리하여 산소소비반응과 탈질반응의 분리를 통한 탈질효율 극대화를 도모할 수도 있다.

무산소조 2의 후단에 위치한 호기조 3에는 무산소조 2의 유출수만 유입되고, 총 체류시간(HRT)이 1.5∼2 hr 정도가 되도록 설계된다. 또한, 호기조 3 내에서는산소를 공급하기 위한 산기장치와 송풍기를 통해 포기와 교반이 동시에 수행된다. 호기조 3에서는 무산소조 2로 분할 유입된 혐기조 유출수에 함유된 유기물 및 인의 제거와 더불어 잔존하는 암모니아성 질소의 최종 질산화 반응이 진행된다.

상기와 같은 본 발명에 의하면, 모든 원수가 1차로 혐기 반응을 거친후 탈질반응의 유기원으로 분할공급되기 때문에, 고농도의 슬러지 및 유기물 조건을 유지할 수 있어 탈질, 산발효, 인방출이 촉진되고, 원수 분할 주입방법에 비해 내부반송 없이 탈질에 유용한 유기산 공급이 가능하며, 내부 반송이 필요 없기 때문에 동력비 사용이 절감되고, 내부반송 펌프 및 배관이 필요 없어 공사비가 절감되며, 기존 하,폐수 처리장을 고도처리용으로 개량시 적용성이 탁월한 효과가 있다.

Claims (3)

1. 하폐수고도처리 장치에 있어서,

   유기물 공급을 위한 반송 슬러지와 원수가 유입되는 혐기조;

   상기 혐기조 후단에 위치하여 상기 혐기조의 처리수 일부가 유입되어 인 제거가 이루어지는 제1 호기조;

   상기 제1 호기조 후단에 위치하여 상기 제1 호기조의 처리수 전부와 상기 혐기조의 처리수 일부가 유입되어 탈질 과정이 이루어지는 제1 무산소조;

   상기 제1 무산소조 후단에 위치한 제2 호기조;

   상기 제2 호기조 후단에 위치하여 상기 제2 호기조의 처리수 전부와 상기 혐기조의 처리수 일부가 유입되어 탈질 과정이 이루어지는 제2 무산소조;

   상기 제2 무산소조 후단에 위치한 제3 호기조; 및,

   상기 제3 호기조 후단에 위치하며 퇴적된 일부 슬러지를 상기 혐기조로 외부 반송하는 침전조

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 내부 반송이 필요 없는 하폐수 고도처리 장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 제1 호기조에는 상기 혐기조의 처리수 50 ∼ 60%가 유입되고,

   상기 제1 무산소조에는 상기 혐기조의 처리수 20 ∼ 30%가 유입되며,

   상기 제2 무산소조에는 상기 혐기조의 처리수 10 ∼ 20%가 유입되는 것을 특징으로 하는 내부 반송이 필요 없는 하폐수 고도처리 장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 제1 및 제2 무산소조는,

   연속되는 2개의 반응조로 분리되어, 산소소비반응과 탈질반응이 각 반응조에서 분리되어 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 내부 반송이 필요 없는 하폐수 고도처리 장치.