KR100474667B1 - 혐기성매립층을 이용한 질소제거 및 메탄가스 생산방법 - Google Patents

혐기성매립층을 이용한 질소제거 및 메탄가스 생산방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폐기물매립지에서 발생하는 침출수의 처리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 매립지로부터 나오는 침출수 내의 질소제거 및 메탄가스 생산 방법을 제공코자 하는 것이다.
즉, 통상의 폐기물매립지를 혐기(嫌氣)처리한 혐기성(무산소)매립층(1)과 이로부터 유출되는 침출수를 이송하는 침출수이송관이 연결 구성된 유량조정조(2)와 암모니아성질소(NH3-N)가 호기성 상태에서 질산화미생물(nitrosomonas, nitrobacter)에 의해 아질산성질소(NO2-N) 또는 질산성질소(NO3-N)로 질산화가 일어나도록 하는 호기성(好氣性)의 질산화조(3) 및 슬러지를 침전시키는 침전조(4)를 거쳐 침출수를 자정하는 침출수 처리방법에 있어서, 상기 질산화조(3) 내에서 질산화된 침출수와 유량조정조(2) 내의 유기물을 함유한 침출수를 혐기성매립층(1)으로 재순환하여 질소를 제거하는 방법과 상기 유량조정조(2) 내의 유기물을 함유한 침출수를 혐기성매립층(1)으로 재순환하여 메탄을 생산하는 방법을 제공함으로써, 질소 제거 시 별도의 약품(메탄올, 에탄올 등)과 약품탱크를 사용치 않으므로 약품비 등과 같은 운영비 및 시설설치비를 절감하는 효과를 득할 수 있고, 유기물을 혐기성매립층(1) 내에서 메탄가스로 생산하여 대체 에너지원으로 사용할 수 있으며, 유기물 제거를 위한 시설설치비 및 유지관리비를 절감할 수 있는 등 다수의 효과를 기대할 수 있는 것이다.

Description

혐기성매립층을 이용한 질소제거 및 메탄가스 생산방법{Method for generating methane gas using anaerobic buried layer}
본 발명은 폐기물매립지에서 발생하는 침출수의 처리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 매립지로부터 나오는 침출수 내의 질소제거 및 메탄가스 생산 방법을 제공코자 하는 것이다.
일반적으로 폐기물매립지는 단순히 오염물질을 처리코자 폐기물을 단순매립하여 혐기처리 하고 있으며 발생되는 침출수는 집수하여 여러 처리공정을 거친 후 하천 등에 방류되고 있다.
그러나 폐기물 매립지에서 발생하는 침출수는 각종 유기물과 무기성 및 암모니아성 질소, 응집제 역할을 방해하는 물질 등을 다량포함하고 있기 때문에 그 처리가 용이하지 않아 수질 및 토양오염의 심각한 원인으로 대두되었다.
통상 매립지에서 발생하는 유해 침출수는 매립폐기물의 성분, 매립지 연령, 강우량, 폐기물 층의 수분함량, 매립지 설계조건, 매립 후 경과년수 및 지역등에 따라서 그 성상이 달라지지만 일반적인 성질은 다음과 같다. 폐기물을 매립하고 2~3년이 경과하면 침출수 농도가 최대가 되고, COD(chemical oxygen demand)는 대략 10,000~30,000㎎/ℓ, BOD/COD는 0.4~0.8 가량으로서(BOD: biochemical oxygen demand), 이 시기는 생분해가 비교적 용이하여 생물학적 처리가 중점이 되는 시기이다. 이후 시간이 경과함에 따라 COD는 1,000~3,000㎎/ℓ가량으로 낮아지고, BOD/COD도 0.4 이하로 낮아져 생분해가 쉽게 일어나지 않고, 특히 침출수내의 질소 성분이 높아져 질소 성분이 완전히 처리되지 않고 유출되는 문제가 발생하며, 매립 후 오랜 시간이 경과한 뒤에는 생물학적으로 처리할 수 있는 성분이 거의 없어 물리, 화학적인 처리가 중심을 이루게 된다. 따라서 침출수를 처리하는 기술은 크게 생물학적 처리법과 물리, 화학적인 처리법으로 대별할 수 있으며, 침출수의 특성에 따라 이들을 적절히 조합하여 운영하고 있다.
이들 중 생물학적 처리법은 주로 미생물을 이용하여 폐수내의 오염물질을 분해, 해독 및 분리시키는 것으로서, 이때 이용되는 미생물로는 세균, 균류, 조류, 원생동물 등이 있으며 일부 하등동물이 이용되는 경우도 있다. 이러한 생물학적 처리법으로는 활성슬러지법, 접촉포기법, 회전원판법, 혐기성처리법 및 이들의 변형공정이 있으며, 일반적으로 처리의 전단부에는 혐기성처리법을 사용하고, 최근에는 질소를 제거하기 위한 공정으로의 변형이 많이 이루어지고 있다. 생물학적 처리법은 비교적 저렴한 경비와 다양한 공정 등으로 세계적으로 가장 널리 사용되는 폐수처리방법이지만, 다음과 같은 몇 가지 단점으로 인해 침출수를 처리하기에 적당하지 않다. 우선, 침출수는 고농도이고 독성물질을 많이 함유하므로 생물학적 처리법은 용적부하를 낮게 유지하기 위해 대규모의 처리부지가 소요되고, 시간이 지남에 따라 점차 난분해성 유기물이 증가하고 혐기조 부분의 역할이 감소하므로 처리효율이 감소한다. 또한 생물학적 처리법은 질소 제거율이 낮고, 폐수의 양과 수질의 변화 및 유해물질에 의해 영향을 쉽게 받으므로 유기물 부하 변동으로 인해 공정효율이 저하된다.
한편, 물리, 화학적 처리법은 망의 사용, 혼합, 응결, 침전, 부상, 세척, 진공여과, 열전달, 건조 등의 물리적인 힘을 사용하여 폐수를 처리하는 물리적 처리법과 화학약품을 사용하여 오염물을 제거하는 화학적 처리법을 포함한다. 물리, 화학적 처리법에는 응집침전법, 오존산화법, 모래여과, 활성탄 흡착, 펜톤(Fenton) 산화 및 분리막법 등이 있다. 이들 중 화학적인 방법으로는 응집침전 또는 펜톤 산화가 가장 일반적으로 사용되는데, 약품비가 다량 소요되고 운전에 주의를 요해야 하며, 슬러지(sludge)가 많이 발생한다는 단점이 있다. 물리적 방법으로는 주로 역삼투막(reverse osmotic membrane)을 사용하는데, 일반적으로 역삼투막 전단부에 모래여과, 정밀여과 등의 설비를 두어 전처리를 하고 있다. 역삼투막은 폐수처리에 상당한 효과를 나타내지만, 유기물 또는 무기물 등의 부착물로 막이 오염되어 막히는 파울링(fouling)현상을 방지하기 위해 전처리에 상당한 주의가 필요하고, 전처리 설비로 인해 초기 투자비가 많이 소요된다는 문제점이 있다. 또한 스케일 형성 및 미생물 성장에 의한 막오염과 수명 감소의 문제를 해결하기 위하여 스케일 형성방지 및 미생물 성장방지를 위한 약품설비를 추가해야 하고, 전처리 설비 및 역삼투막 설비의 고압 운전으로 인해 높은 전력비가 소요되는 문제가 있다.
현재의 침출수 처리공정은 상기한 생물학적 공정과 물리, 화학적 공정을 필요에 따라 조합하여 처리하고 있으나, 그 처리효율에 한계가 있어 안정적인 수질을 얻지 못하고, 공정과 설비가 지나치게 복잡하며, 약품비 및 운전비용이 크다는 문제점을 가지고 있었던 것이다. 또한 경과년수에 따라 침출수의 특성이 달라져 공정이 유연성 있게 운영되어야함으로 현재의 방식으로는 설비의 낭비 및 운영의 어려움이 있었던 것이다.
이에 본 발명에서는 상기한 바와 같이 토양오염의 주원인이 되는 침출수 내의 유기물과 암모니아성질소를 별도의 제거장치나 화학약품을 사용하지 않고서 혐기성매립층으로 재순환하는 공정만으로 그 제거율을 극대화하여 토양의 안정화를 가져오게 함과 아울러 유량조정조로부터 혐기성매립층으로 재순환하는 공정만으로 침출수 내의 유기물과 혐기성매립층 내의 유기물을 산소가 없는 상태에서 미생물에 의해 분해하여 메탄가스를 생산하는 방법으로 별도의 운전조건 없이 혐기성매립층을 이용한 질소제거 및 메탄가스 생산방법을 제공함에 발명의 기술적 과제를 두고 본 발명을 완성한 것이다.
이하 본 발명에서 제공하는 혐기성매립층을 이용한 질소제거 및 메탄가스 생산 방법에 대하여 첨부도면과 함께 상세히 설명키로 한다.
도 1에서 보는 바와 같이 본 발명의 구성은 전체적으로 차수층과 이를 보호하기 위한 차수막보호층을 가지며 하부에 침출수이송관이 연결 구성된 침출수배출공을 갖는 통상의 폐기물매립지를 혐기(嫌氣)처리한 혐기성(무산소)매립층(1)과 이로부터 유출되는 침출수를 이송하는 침출수이송관이 연결 구성된 유량조정조(2) 및 암모니아성질소를 산화시켜 질산화가 일어나도록 하는 호기성(好氣性)의 질산화조(3), 그리고 슬러지를 침전시키는 침전조(4)로 이루어진다,
상기 유량조정조(2)는 유입되는 침출수의 유기물 농도가 높을 경우 상기 질산화조(3)로부터 혐기성매립층(1)으로 재순환되는 유입수의 질소제거 효율을 향상시키기 위하여 일부의 용량을 무산소조(2a)로 사용할 수 있도록 한다.
상기한 구조를 가지는 본 발명 즉, 혐기성매립층(1)을 이용한 질소제거 및 메탄가스 생산방법을 방법적인측면에서 보면 우선 혐기성매립층(1)을 이용한 질소제거방법에 있어서;
상기 혐기성매립층(1)으로부터 최초로 발생하여 유출되는 침출수를 침출수이송관에 의해 유량조정조(2)로 유입하고 그 침출수를 다시 질산화조(3)로 유입하여 침출수 내의 암모니아성질소(NH3-N)가 호기성 상태에서 질산화미생물(nitrosomonas, nitrobacter)에 의해 아질산성질소(NO2-N) 또는 질산성질소(NO3-N)로 질산화가 일어나도록 하는 공정과;
이를 반응식으로 나타내면 아래와 같다.
상기 운전조건은 아래 표를 기준으로 한 것이다.
상기 질산화된 침출수를 혐기성매립층(1)으로 재순환하여 혐기성매립층(1) 내의 유기물을 이용하여 통성혐기성탈질균(pseudomonas, micrococcus, bacillus 등)에 의해 아질산성질소(NO2-N) 또는 질산성질소(NO3-N)를 질소가스(N2)로 제거(∴미생물이 유기물을 분해할 때 산소 대신 질산성질소를 final electron accepter로 사용하면서 아질산성질소가 질소가스로 변함.)하는 공정으로 이루어진다.
이를 반응식으로 나타내면 아래와 같다.
※ 관여미생물 : pseudomonas, micrococcus, bacillus
특히 유기물농도가 높은 매립지나 매립초기 유기물농도가 높을 경우 상기 유량조정조(2)의 일부를 탈질조로 사용하여 재순환되는 침출수 내 유기물 및 질소의 처리효율이 향상되도록 한다. 즉, 유량조정조(2) 일부의 용량을 무산소조(2a)로 사용하여 유입수 중의 유기물을 이용하여 질소를 제거할 경우 유기물 및 질소의 처리효율을 더욱 높게 유지할 수 있는 것이다.
그리고 도면에서 보는바와 같이 상기 유량조정조(2)와 무산소조(2a) 상간에는 PH 및 알칼리도 조정탱크(5)를 형성하여 재순환되는 침출수의 PH(수소이온농도)나 알칼리도를 조정하는 것은 공지화된 방법이다.
또한 상기한 혐기성매립층(1)을 이용한 메탄가스 생산방법에 있어서;
상기 혐기성매립층(1)으로부터 침출수이송관에 의해 유량조정조(2)로 유입되는 침출수는 유기물 농도가 높아 하천이나 토양오염의 주원인이 되므로 이를 처리하기 위하여 상기 침출수를 다시 혐기성매립층(1)으로 재순환시켜 산소가 없는 상태에서 유기물(탄수화물, 단백질, 지방, 당류, 점분 등)을 분해하여 메탄(CH4)가스를 생산하는 방법으로 침출수 내의 유기물 농도를 최대한 낮추고 메탄가스 생산량을 최대화하여 LFG(Landfill Gas)로 회수하여 에너지원으로 사용할 수 있다. 즉, 유기물 농도가 높은 침출수를 유량조정조(2)로부터 혐기성매립층(1)으로 재순환시켜 혐기성매립층(1) 내에 존재하는 임의성 또는 혐기성미생물인 유기산생성균에 의해 매립층 내의 잔류 유기물과 순환된 침출수 내의 유기물을 유기산과 알코올로 전환시키며, 상기 유기산과 알코올은 혐기성매립층(1) 내의 혐기성미생물인 메탄생성균에 의해 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)로 분해가 이루어진다.
이를 반응식으로 나타내면 아래와 같다.
이때 발생하는 메탄가스는 주변 공장이나 발전소 등의 연료로 사용되거나 아파트 및 주거지 난방연료로도 사용된다.
이하 본 발명의 혐기성매립층(1)을 이용한 질소제거 및 메탄생산 방법을 통하여 질소제거 및 메탄가스발생량을 상세히 설명키로 하되, 질소제거 및 메탄가스발생량 계량하기는 현실적으로 곤란하나 다음과 같은 실험결과와 이론적인 근거에 의거하여 계산해 보기로 한다.
우선 혐기성매립층(1)을 이용한 유기물 및 질소제거 방법은 침출수 내의 질소농도, 질산화정도, 매립폐기물의 성상, 매립폐기물의 경과시간, 기후조건, 다짐밀도, 매립지역 및 매립방법 등에 따라 변동폭이 크므로 정확한 제거량 산정이 곤란하나, 침출수 내의 유기물을 이용한 질소제거 실험(LAP Test) 결과를 이용하여 질소제거량 및 유기물제거량을 추정할 수 있다.
<침출수 내의 유기물을 이용한 질소제거 실험(LAP Test) 결과표>
상기 실험결과에서 보는 바와 같이 실험1, 2의 경우 유기물 농도(BOD5)의 부족으로 질소제거가 중단되어 제거율이 낮은 것에 비해 실험3의 경우 유기물 농도(BOD5)가 충분하여 질소제거율이 97%이상으로 높음을 알 수 있고, 혐기성매립층(1) 내의 질산화된 침출수를 재순환할 경우 질소(T-N) 및 유기물(BOD5) 제거량을 산정해보면 아래 표와 같다.
즉, 실험1에서 보면 재순환된 침출수 1m3당 유기물(BOD5) 1.914kg 및 질소(T-N) 1.679kg이 제거되는 것을 알 수 있다.
단, 상기 실험은 하기와 같은 가정(假定) 하에서의 실험결과이다.
- 모든 질소(T-N)가 아질산성질소 또는 질산성질소로 전환.
- 혐기성매립층에서 완전한 질소제거반응이 일어남.
- BOD5 : 20℃, 5일 (대개의 BOD라 함은 BOD5를 지칭한다)
또 상기 혐기성매립층(1)을 이용한 메탄가스 생산량 역시 매립폐기물의 성상, 재순환수의 유기물 농도, 매립폐기물의 경과시간, 기후조건, 다짐밀도, 매립지역 및 매립방법 등에 따라 달라지므로 정확한 가스발생량 산정은 곤란하나 메탄가스발생량은 이론적 근거에 의거하여 추정할 수 있다.
- 침출수 중의 유기물 농도(BODu) 5,000㎎/ℓ로 가정
- 침출수 중의 유기물을 단백질(Glucose)로 가정
- Glucose(C6H12O6) 1몰은 180g
- 메탄(CH4)의 경우 16g = 22.4ℓ
- BODu : ultimate BOD (도시하수의 경우 BODu ≒ BOD20)
상기 가정 하에서 재순환된 침출수 중의 유기물에 의한 메탄가스 생산량을 추정하면 침출수 1m3당 약 1.87m3의 메탄(CH4)가스가 아래 수학식들에 의해 발생한다.
침출수 1m3당 단백질(Glucose)량(g) = 5,000㎎/ℓ×1m3 = 5kg
C6H12O6 → 3CH4 + 3CO2(180 : 3 ×16 = 5/1000 : X) ∴X = 1.33kg
메탄의 경우 16g = 22.4ℓ(16 : 22.4 = 1.33 : X) ∴X = 1.87m3
상기와 같이 질산화된 침출수와 유기물 농도가 높은 침출수를 혐기성매립층(1) 내부로 재순환시켜 매립층 내의 통성혐기성탈질균을 이용하여 질소를 제거하고, 임의성 또는 혐기성 미생물인 유기산생성균과 혐기성 메탄생성균을 이용하여 메탄가스를 생산함으로써 유량, 수온, 부하 변동에 대하여 매우 유연한 운전이 가능한 등 별도의 운전조건을 필요로 하지 않으나 재순환수(질산화된 침출수, 유기물 농도가 높은 침출수)가 혐기성매립층(1) 내에 균등하게 확산 될 수 있도록 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에서 제공하는 질소제거 및 메탄가스 생산 방법은 혐기성매립층(1)으로 질산화된 침출수를 재순환시켜, 유기물과 질소를 동시에 제거함과 아울러 이로 인하여 질소제거를 위한 별도의 약품(메탄올, 에탄올 등)과 약품탱크를 사용치 않으므로 약품비 등과 같은 운영비 및 시설설치비를 절감하는 효과를 득할 수 있고, 혐기성매립층(1) 내의 유기물과 침출수 중의 유기물을 혐기성매립층(1) 내에서 메탄가스로 생산하여 대체 에너지원으로 사용할 수 있으며, 유기물을 혐기성매립층(1) 내에서 제거함으로써 침출수의 유기물 농도가 현저히 낮아져 유기물 제거를 위한 시설설치비 및 유지관리비를 절감함과 더불어 침출수 내의 고농도 영양염류(N, P)에 의한 호소(湖沼) 또는 연안해역의 부영양화 및 적조현상을 방지하여 어패류 페사 방지 및 국가 환경보전에 기여하는 등 그 기대되는 효과가 다대한 발명이다.
도 1은 본 발명의 일실시예를 보인 공정도
■ 도면의 주요부분에 사용된 부호의 설명 ■
1:혐기성매립층 2:유량조정조
2a:무산소조 3:질산화조
4:침전조 5:PH 및 알칼리도 조정탱크

Claims (3)

  1. 통상의 폐기물매립지를 혐기(嫌氣)처리한 혐기성(무산소)매립층(1)과 이로부터 유출되는 침출수를 이송하는 침출수이송관이 연결 구성된 유량조정조(2)와 암모니아성질소(NH3-N)가 호기성 상태에서 질산화미생물(nitrosomonas, nitrobacter)에 의해 아질산성질소(NO2-N) 또는 질산성질소(NO3-N)로 질산화가 일어나도록 하는 호기성(好氣性)의 질산화조(3) 및 슬러지를 침전시키는 침전조(4)를 거쳐 침출수를 자정하는 침출수 처리방법에 있어서;
    상기 혐기성매립층(1) 내에 존재하는 통성혐기성탈질균(pseudomonas, micrococcus, bacillus 등)에 의해 아질산성질소(NO2-N) 또는 질산성질소(NO3-N)를 질소가스(N2)로 제거하기 위하여 질산화조(3) 내에서 질산화된 침출수를 혐기성매립층(1)으로 재순환하는 것을 특징으로 하는 혐기성매립층을 이용한 질소제거방법.
  2. 제 1항에 있어서;
    유기물 농도가 높은 매립지나 매립초기 유기물농도가 높을 경우 상기 유량조정조(2) 일부의 용량을 무산소조(2a)로 구성하여 질산화조(3) 내에서 질산화된 침출수를 무산소조(2a)로 재순환하는 것을 특징으로 하는 혐기성매립층을 이용한 질소제거방법.
  3. 통상의 폐기물매립지를 혐기(嫌氣)처리한 혐기성(무산소)매립층(1)과 이로부터 유출되는 침출수를 이송하는 침출수이송관이 연결 구성된 유량조정조(2)와 암모니아성질소(NH3-N)가 호기성 상태에서 질산화미생물(nitrosomonas, nitrobacter)에 의해 아질산성질소(NO2-N) 또는 질산성질소(NO3-N)로 질산화가 일어나도록 하는 호기성(好氣性)의 질산화조(3) 및 슬러지를 침전시키는 침전조(4)를 거쳐 침출수를 자정하는 침출수 처리방법에 있어서;
    상기 혐기성매립층(1) 내에 존재하는 유기산생성균과 메탄생성균에 의해 유기물(탄수화물, 단백질, 지방, 당류, 점분 등)을 메탄(CH4)가스로 생산하기 위하여 유량조정조(2) 내의 유기물을 함유한 침출수를 혐기성매립층(1)으로 재순환하는 것을 특징으로 하는 혐기성매립층을 이용한 메탄가스 생산방법.
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