KR100487609B1 - 감압증류법과 생물학적 처리공정을 병행한 축산폐수처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축산폐수 등의 고농도 폐수를 진공증발기에 투입하여 감압증류하는 과정을 통해 부유물질(suspended solid: SS)과 총인(T-P)을 제거시킨 후, 응축콘덴서를 통해 응축시킨 응축수를 생물학적 처리공정을 거치도록 병행 처리함으로써 잔존하는 유기오염물질 및 총질소(T-N)를 제거하는 축산폐수의 신규한 처리방법에 관한 것으로서, 상기 진공증발기의 열원으로 폐타이어의 건류가스를 이용함으로써 자원의 재활용 및 경제성을 도모하고 폐수 발생량의 변동이나 폐수 내의 오염물질 부하의 변동에도 안정적인 처리효율을 얻을 수 있으며, 저렴한 비용에 고도처리가 가능한 축산폐수 처리방법을 제공하는 환경산업상 뛰어난 효과가 있다.

Description

감압증류법과 생물학적 처리공정을 병행한 축산폐수 처리방법 { A livestock wastewater treatment process combining a distillation under reduced pressure with a biological treatment}

본 발명은 진공증발기를 이용한 감압증류공법과 이에 후속된 생물학적 처리공정을 이용하는 축산폐수의 신규한 처리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 축산폐수를 진공증발기에 투입하여 감압증류시키는 과정을 통해 농축슬러지의 상태로 부유물질(suspended solid: SS)과 총인(T-P)을 제거하고, 응축콘덴서를 거쳐 생성된 응축수를 생물학적 처리공정을 거치도록 함으로써 감압증류에 의해 제거되지 않은 잔존 유기오염물질 및 총질소(T-N)를 제거하는 축산폐수 처리방법에 관한 것으로서, 상기 진공증발기의 열원으로 폐타이어의 건류가스를 이용하는 것을 특징으로 하는 축산폐수 처리방법에 관한 것이다.

축산폐수란 가축분뇨와 축산폐수 배출시설을 청소한 물이 가축분뇨에 섞인 것을 말하는 것으로서, 국내에서 발생되고 있는 축산폐수의 양은 1999년 말 현재 1일 12만 8461톤인데, 경제성장과 더불어 축산물의 수요가 증가함에 따라 가축 사육두수와 함께 증가하는 추세이다. 가축의 종류별로는 젖소에 의한 폐수가 2만 3929톤으로 전체의 18.6%를 차지하고 있으며, 한육우·말이 3만 602톤으로 23.8%, 돼지 가 7만 3930톤으로 57.6%를 차지하고 있다. 규모별로는 전체 발생량의 25.4%인 3만 2581톤이 신고대상 미만 축산농가에서 발생하고 있어, 이에 대한 특별한 관리가 필요한 실정이어서, 축산시설을 축산폐수 배출시설로 규정하고 '오수·분뇨 및 축산폐수의 처리에 관한 법률'에 의하여 점오염원으로 관리하고 있으며, 이와 같은 규제대상 축산시설에서 배출되는 축산폐수는 대부분 축산농가가 자체에서 퇴비화·액비화 시설 같은 자원화 시설을 통하여 처리하도록 규정하고 있다.

그러나, 일반적으로 축산폐수는 유량 및 오염 특성이 다양하고 고형물의 농도와 유기물 농도가 높지만, 다른 폐수에 비해 상대적으로 탄소/질소비가 낮기 때문에 그 처리에 많은 어려움을 겪고 있다.

이에 따라 현재 축산폐수 처리기술은 고형분 농도가 낮은 축산폐수의 경우로 국한되어 있으며, 고형분 농도가 높은 축산폐수의 처리기술은 그다지 개발되어 있지 못한 실정이다. 또한 국내에서 현재 연구 개발되어 설치 운영 중인 축산폐수 처리시설의 가장 큰 문제점은 유입수 농도변화에 능동적인 대처가 미흡하다는 것이다.

일부축사에서 분과 뇨가 분리 배출되지 않아 그 성상의 차이와 변화가 크기 때문에 이러한 현상이 곧바로 처리시설의 안정성에 영향을 주어, 적절한 처리가 이루어지지 않거나 처리의 실패로 이어지고 있다. 아울러 현재 처리시설에서 많이 이용되고 있는 혐기-호기법의 경우 재래식 혐기처리법을 사용함으로써 운전초기 혐기성 미생물의 확보 등의 문제점으로 초기운전에 상당한 어려움을 겪고 있다. 또한, 소화슬러지가 후속 호기처리공정에 유입됨으로써 지나친 유기물 및 고형물 부 하를 가하게 되어 장시간의 체류시간이 필요하게 되고, 반응조의 용량이 커지게 되며 처리비용의 상승요인이 되는 경우가 상당히 많다. 한편, 기타 축산폐수 처리기술의 경우 처리시설에서 발생하는 악취문제와 아울러 기본적으로 저효율로 운전되고 있어 국가 전체적으로 많은 비효율성이 초래되고 있는 실정이다. 현재 개발되어 있는 많은 축산폐수 처리방법은 유입수의 농도가 낮거나 체류시간이 긴 단점을 가지고 있으며 축산폐수의 방류수 수질기준을 만족시키지 못하고 있는 실정이다.

또한, 종래에도 축산폐수 등 악성폐수를 진공증발 농축건조 장치를 거쳐 처리하는 공정 등이 개발되어 있었지만, 생물학적 산소요구량(BOD)과 총질소(T-N)가 법정허용 기준치 이내로 처리되지 않아 이 공법으로 설치된 곳이 철거되는 사태가 있었으며, 폐수를 진공분위기에서 증발시키는 경우에는 막대한 에너지가 필요하기 때문에 경제성 문제가 해결되지 않아 그 운전이 곤란한 문제점을 갖고 있었다.

따라서, 본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 고려하여 안출한 것으로, 기존의 처리방법에 비하여 오염물질 처리효율이 우수하고, 유입폐수의 성상 및 유량의 변화에도 안정적인 운전이 가능한 축산폐수의 처리방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 높은 오염물질 제거효율을 얻을 수 있는 동시에 경제성이 높은 축산폐수 처리방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은, 1차적으로 감압증류, 2차적으로 생물학적 처리공정을 거치도록 설계한 축산폐수의 처리방법 즉, 전처리 공정을 거쳐 유입된 축산폐수가 최초로 체류하는 저류조(1)와; 상기 저류조를 거친 축산폐수를 감압증류시키기 위한 진공증발기(3)와; 상기 진공증발기를 거쳐 증기화된 축산폐수를 응축시키기 위한 응축 콘덴서(9)와; 상기 응축콘덴서를 거쳐 액화된 축산폐수의 유량을 균일하게 조정하기 위한 1차 처리수조(14)와; 상기 1차 처리수조의 유출수가 유입되며 질산화물의 생성과 유기오염물질의 분해가 이루어지는 1차 미생물 접촉폭기조(15)와; 상기 1차 미생물 접촉폭기조의 유출수가 유입되며 유기오염물질의 분해가 이루어지는 2차 미생물 접촉폭기조(16)와; 상기 2차 미생물 접촉폭기조의 유출수가 유입되며 탈질이 이루어지는 무산소조(17)와; 상기 무산소조를 거친 유출수 내에 잔존하는 질소와 유기오염물질을 제거하기 위한 3차 미생물 접촉폭기조(18)와; 상기 3차 미생물 접촉폭기조의 유출수에 포함된 슬러지를 침전시키기 위한 침전조(19)와; 상기 침전조의 상징액을 소독하기 위한 소독방류조(20)로 구성되는 것을 특징으로 하는 축산폐수 처리방법을 제공함으로써 달성하였다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 진공증발기의 열원으로 폐타이어 건류가스를 활용하는 경제적인 축산폐수 처리방법을 제공함으로써 달성하였다.

즉, 본 발명에서는 폐타이어 건류가스를 열원으로 사용하여 경제성을 도모할 뿐만 아니라, 진공증발기의 효과를 최대로 살려 축산폐수 내에 함유된 부유물질(SS)과 총인(T-P) 등의 고농도의 오염물질을 증류과정에서 제거하고, 후속 되는 생물학적 처리공정에 유입되는 고형분량을 감소시킴으로써 생물학적 산소요구량(BOD)과 총질소(T-N)의 처리효율을 극대화할 수 있는 축산폐수 처리방법을 제공하였다.

본 발명에 따른 축산폐수 처리방법은 다양한 축산폐수의 성상에 탄력적으로 대처가능하며 안정된 처리효율을 얻을 수 있다는 장점을 가지고 있다. 기존 축산폐수 처리방법은 설계농도가 실제 유입농도에 비하여 낮아 안정된 처리효율을 확보하지 못한 반면, 본 발명의 방법을 이용하여 고농도 축산폐수를 대상으로 자체 처리한 결과에서는 높은 유기물, 질소 및 인의 제거율을 얻을 수 있었다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 작용 효과를 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예에 의한 축산폐수 처리방법의 공정도이다.

수집된 축산폐수 등의 고농도 폐수는 폐수 내에 포함되어 있는 협잡물을 제거하는 전처리 공정을 거친 후 저류조(1)로 유입된다. 상기 진공증발기의 내부는 진공펌프(2)에 의하여 진공상태가 유지되며, 이로 인해 액체의 끓는점이 낮아진 상태에서 감압증류가 이루어지게 된다. 진공증발기 내부가 진공상태가 되면, 상기 저류조에 저장되었던 축산폐수는 공급펌프(4)를 통하여 상기 진공증발기 내로 유입되고, 진공증발기 내에 적정량의 원수가 채워지면 폐타이어 건류가스화 장치에 의해 얻어진 건류가스를 열원으로 하는 열매보일러(6)가 가동된다. 열매체유를 전열관 순환펌프(8)를 이용하여 진공증발기 내부에 설치된 전열관(7)에 순환시킴으로써 원수를 승온·증발시키고, 증발된 공기는 진공증발기의 상부를 통해 유출된 후 후단에 연결된 응축콘덴서(9)를 거치면서 응축된다.

상기 진공증발기 내에 스컴(scum)이 축적되는 것을 방지하고, 상기 전열관의 외벽에 부유물질의 침적으로 인한 스케일의 생성을 방지하기 위해 스크래퍼(10)를 설치한다. 유입된 축산폐수의 감압증류 과정에서 발생되는 부유물질과 T-P를 포함하고 있는 농축슬러지는 진공증발기의 하부에 설치된 하부농축슬러지 배출장치(11)를 통하여 슬러지농축조(12)로 배출되고 상기 슬러지농축조를 거쳐 농축된 슬러지는 탈수기(13)에서 탈수된 후 생성된 탈수케이크는 매립·소각 등의 별도처리과정을 거쳐 처리된다.

이 과정에서 축산폐수 내에 함유된 고농도의 부유물질(SS)과 총인(T-P)이 탈수케이크 내에 포함되어 제거되며, 기존의 축산폐수 처리 공정에 있어서 처리효율 저하의 주요인으로 작용했던 고형물이 제거됨으로써 후속 공정인 생물학적 처리방법에 유입되는 유기물의 부하가 감소하게 되어 질소제거에 필요한 이상적인 탄소/질소 비가 유지될 수 있어 폐수 내에 함유된 암모니아성 질소의 제거효율의 상승을 유도하게 된다. 그리고, 증발에 의한 고액분리공정을 거침으로써, 기존의 혐기성 소화공법에 비하여 처리시간이 절약되고 이로 인하여 부가적으로 처리량이 증대되는 효과를 얻을 수 있으며, 유량 변화에도 안정적인 처리가 가능하게 된다. 또한, 총인을 1차적으로 제거함으로 인한 부수적인 효과로서 폐수 내에 포함된 탄소원은 질소제거에 주로 이용되게 되어 종래의 공정들과 달리 메탄올 등의 별도의 탄소원을 주입할 필요가 없는 경제적인 공법인 것이다.

감압증류 과정에서 발생된 수증기는 여전히 유기오염물질을 다량함유하고 있으므로, 응축콘덴서를 거친 응축수 그대로는 생물학적 산소요구량(BOD)과 총질소(T-N) 등의 오염물질 지표가 법정 허용 기준치 이내로 처리되지 않아 2차적인 생물학적 처리방법을 응축콘덴서의 후단에 부가함으로 처리수의 수질이 환경기준치에 적합하도록 하였다. 이 때, 후속되는 생물학적 공정에서는 총인의 제거를 위한 혐기 또는 무산소 공정이 불필요하게 되어 암모니아성 질소 등의 유기성 질소를 질산화시키기 위한 공정이 바로 연결될 수 있는 것이다.

진공증발기를 거쳐 증류된 축산폐수는 응축콘덴서(9)에서 응축되고, 응축수는 1차 처리수조(14)에 유입되어 후속되는 생물학적 처리방법에서의 처리수의 유량 및 오염도가 균일하게 조정될 뿐만 아니라 악취의 탈취가 이루어지게 된다.

상기 1차 처리수조를 거친 응축수는 미생물이 부착생장하는 접촉미디어가 충전된 1, 2차 미생물 접촉폭기조를 거치게 된다. 1차 미생물 접촉폭기조에서는 질산화균에 의한 질산화반응이 이루어지며, 기타 호기성 미생물이 폐수 내에 존재하는 유기성 오염원을 새로운 미생물의 세포나 최종 산물로 전환시키는 과정을 통해 폐수 중의 유기오염물질의 제거가 이루어지게 된다. 상기 1차 미생물 접촉폭기조의 유출수가 유입되게 되는 2차 미생물 접촉폭기조에서도 이와 유사한 반응이 재차 이루어지게 되며 이를 통하여 BOD 등의 오염 유기물질의 제거효율이 높아진다. 상기 1, 2차 미생물 접촉폭기조에서의 질산화공정에 의하여 형성된 질산이온(NO ₃ ^- )은 무산소조(17) 내에서 탈질균에 의하여 질소가스로 변형됨으로써 탈질반응이 이루어지고 이로 인하여 폐수 중의 총질소가 제거된다. 3차 미생물 접촉폭기조에서는 상기 무산소조의 처리수 내에 포함되어 있는 질소가스가 미생물 플럭 표면에 부착될 경우 슬러지 침전성이 악화되므로 폭기를 통하여 질소가스를 제거하고 잔류 유기오염물질의 부가적인 제거과정이 이루어지게 된다. 상기와 같은 공정을 거치면 이후 침전조의 침강성이 좋아져 제거효율이 높아지게 된다.

상기 3차 미생물 접촉폭기조의 유출수가 유입되는 침전조(19)에서는 미생물 슬러지의 침전이 이루어지고, 상등액은 후단의 소독방류조(20)에 유입되어 감압증류 과정에서도 사멸되지 않은 일반 세균, 병원성 세균 및 대장균을 소독 처리한 후 방류된다. 그리고, 상기 침전조에서 침전에 의하여 농축된 슬러지는 반송라인(21)을 통하여 1차 미생물 접촉폭기조로 반송시킴으로써 반응조 내의 에프엠비(F/M ratio: food-to-microorganism ratio)를 적정 수준으로 유지시키며, 3차 미생물 접촉폭기조로부터 내부반송라인(22)을 통하여 무산소조로 슬러지를 반송시킴으로써 잔존하는 질산(NO ₃ ^- )은 무산소조 내에서 탈질균에 의한 탈질반응에 의하여 제거된다.

또한, 본 발명에서는 종래 진공증발기의 사용에 있어서 부가적인 연료의 사용으로 인한 비경제성의 문제를 해결하기 위하여 폐타이어의 처리방법의 하나인 건류화 장치에서 발생되는 건류가스를 그 열원으로 이용함으로써, 자원의 재활용 및 경제성을 도모한다.

본 발명의 폐타이어 건류가스화 장치는 완전연소가 이루어지도록 유도하여 다이옥신 등의 불완전연소 분해산물로 인한 2차 공해의 발생을 최대로 방지하고, 건류가스화 장치의 후단에는 사이클론(23), 흡입송풍기(24), 흡착탑(25) 등의 부가 적인 오염방지시설을 설치함으로써 입자상 물질 및 유해 가스가 대기 중으로 방출되지 않도록 처리한다.

본 발명은 상기의 병행처리방법을 통하여 폐타이어 열원을 활용하여 경제성을 도모하는 동시에 진공증발장치의 효과를 최대로 살려 통상 BOD 20,000~30,000 ppm, T-N 5,000-10,000 ppm에 이르는 축산폐수 등 고농도폐수의 감압증류 과정을 통하여 SS와 T-P를 완벽하게 처리하고 BOD와 T-N을 1,000 ppm 이내로 처리하고 이를 생물학적 처리방법을 이용하여 최종처리하여 법정 허용기준치 이내로 방류할 수 있도록 한 것이다.

이하, 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명의 축산폐수 처리방법을 보다 상세히 설명한다.

실시예

대경대학교 환경문제연구소에서는 본 발명의 처리방법을 이용하여 2002년 2월 9일부터 4월 15일까지 8주일에 거쳐 5회를 반복하여 축산폐수의 처리효율에 대한 실험을 수행하였으며, 오염물질의 분석은 염색기술연구소에서 KS M0111법을 이용하여 수행하였다. 유입수로는 협잡물 등을 제거하는 통상적인 전처리공정을 거친 축산폐수를 사용하였다. 아래의 표 1에 유입된 축산폐수, 처리수에 포함된 오염물질의 농도를 나타내었으며, 참고를 위하여 환경 기준치를 병기하였다. 아래의 표 1에 나타낸 바와 같이, 감압증류를 거친 후의 부유물질과 총인의 제거율을 보면, 부유물질은 98.7%, 총인은 99.9%의 제거율을 보여, 후속되는 생물학적 처리공 정으로 유입되는 고형분의 부하가 매우 낮게 유지되는 것을 알 수 있었다. 또한, 방류수에 포함된 총질소의 농도도 19.5ppm으로 환경기준치인 60ppm에 비해 현저히 낮았다.

축산폐수의 처리과정에 따른 오염물질의 농도

구분	축산폐수원액	증류후의 응축수	생물학적 처리 후의 방류수	환경기준치
생물학적 산소요구량(BOD: ppm))	20,000	1,030	10	≤30
부유물질(SS: mg/L)	2,900	38	50	≤50
총질소(T-N: ppm)	9,570	1,000	19.5	≤60
총인(T-P: ppm)	650	0.45	0.45	≤8

상술한 바와 같이, 본 발명의 진공증발기를 이용한 축산폐수 처리방법은 감압증류를 통하여 부유물질과 총인의 효율적 처리가 가능하고, 후속된 생물학적 처리공정을 통하여 유기오염물질 및 총질소를 제거하는 통합적인 처리방법으로써, 진공증발기의 이용을 통하여 처리시간을 저감시켜 다른 공정에 비하여 처리량이 현저히 상승하는 효과를 얻을 수 있으며, 부유물질의 1차적 제거를 통해 후속 공정에의 유입부하를 감소시키는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 폐타이어의 건류가스를 진공증발기의 열원으로 이용함으로써 자원의 재활용 및 경제적 측면에서 뛰어난 효과가 있다. 즉, 폐수 발생량의 변동이나 폐수 내 함유된 오염물질 부하의 변동에도 안정적인 처리효율을 얻을 수 있으며, 저렴한 비용에 고도처리가 가능한 축산폐수 처리방법을 제공할 수 있는 환경산업상 유용한 발명인 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 폐수처리방법을 나타낸 플로차트이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1. 저류조 2. 진공펌프

3. 진공증발기 4. 공급펌프

5. 폐타이어 건류가스화 장치 6. 열매보일러

7. 전열관 8. 순환펌프

9. 응축콘덴서 10. 스크래퍼

11. 하부농축슬러지 배출장치 12. 농축조

13. 탈수기 14. 1차 처리수조

15. 1차 미생물 접촉폭기조 16. 2차 미생물 접촉폭기조

17. 무산소조 18. 3차 미생물 접촉폭기조

19. 침전조 20. 소독방류조

21. 슬러지 반송라인 22. 내부반송라인

23. 사이클론 24. 흡입송풍기

25. 흡착탑

Claims (2)

1. 전처리 공정을 거쳐 유입된 축산폐수가 최초로 체류하는 저류조(1)와;

   상기 저류조를 거친 축산폐수를 감압증류시키기 위한 진공증발기(3)와;

   상기 진공증발기를 거쳐 증기화된 축산폐수를 응축시키기 위한 응축 콘덴서(9)와;

   상기 응축콘덴서를 거쳐 액화된 축산폐수의 유량을 균일하게 조정하기 위한 1차 처리수조(14)와;

   상기 1차 처리수조의 유출수가 유입되며 질산화물의 생성과 유기오염물질의 분해가 이루어지는 1차 미생물 접촉폭기조(15)와;

   상기 1차 미생물 접촉폭기조의 유출수가 유입되며 유기오염물질의 분해가 이루어지는 2차 미생물 접촉폭기조(16)와;

   상기 2차 미생물 접촉폭기조의 유출수가 유입되며 탈질이 이루어지는 무산소조(17)와;

   상기 무산소조를 거친 유출수 내에 잔존하는 질소와 유기오염물질을 제거하기 위한 3차 미생물 접촉폭기조(18)와;

   상기 3차 미생물 접촉폭기조의 유출수에 포함된 슬러지를 침전시키기 위한 침전조(19)와;

   상기 침전조의 상징액을 소독하기 위한 소독방류조(20)로 구성되는 것을 특징으로 하는 축산폐수 처리방법.
2. 제 1항에 있어서, 진공증발기의 열원으로 폐타이어를 건류화한 건류가스를 이용하는 것을 특징으로 하는 축산폐수 처리방법.