KR100501307B1

KR100501307B1 - 개량된 하수처리방법

Info

Publication number: KR100501307B1
Application number: KR10-2001-0003772A
Authority: KR
Inventors: 최의소; 이진우
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2001-01-26
Filing date: 2001-01-26
Publication date: 2005-07-25
Also published as: KR20020063052A

Abstract

본 발명은 유기물의 농도가 낮고 질소농도가 상대적으로 높은 하수로부터 질소 및 인을 포함한 영양소를 효율적으로 제거하기 위하여,

하수를 1차침전지로 유입시켜 침전시키는 공정(1차침전공정)과, 상기 1차침전공정후의 처리수를 혐기조, 무산소조 및 호기조의 순서로 미생물처리하는 공정(미생물처리공정)과, 상기 미생물처리된 방출수를 2차침전지에서 침전시키는 공정(2차침전공정)과, 상기 2차침전후의 침전미생물(슬러지)의 일부를 상기 미생물처리공정중의 혐기조로 반송하는 공정(슬러지반송공정)과, 상기 슬러지반송공정에서 제외된 슬러지의 농축, 소화 및 탈수 공정(슬러지처리공정)으로 이루어진 하수처리방법에 있어서, 상기 슬러지처리공정에서 발생되는 농축상징액, 소화상징액, 탈리액 등의 반류수를 무산소조 또는 호기조로 반송시키는 것을 특징으로 하는, 개량된 하수처리방법에 관한 것이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명은 영양소 제거공정의 처리 효율이 우수할 뿐 아니라 하수농도와 부하변동에 따른 영향을 감소시키고 온도 저하로 인한 질산화 효율저하를 방지함으로써 계절에 따른 폐수처리 효율 변동을 감소시켜 목표한 수질을 안정적으로 확보할 수 있는 효과가 있다.

Description

개량된 하수처리방법{Improved method of wastewater treatment}

본 발명은 개량된 하수처리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반류수의 주입 지점을 1차침전지가 아닌 무산소조 또는 호기조로 하고, 무산소조에는 부유성 매체(media)을 투입시켜 탈질반응을 촉진시키며, 호기조의 후단 또는 2차침전지에 응결지를 설치함으로써 하수처리에 있어서 영양소 제거공정의 처리 효율을 향상시킨, 개량된 하수처리방법에 관한 것이다.

일반적으로 하수처리계통은 도 1에 도시된 바와 같이 유입하수를 1차침전후에 혐기조(An), 무산소조(Ax), 호기조(Ox)로 구성되는 생물반응조에서 미생물을 이용하여 처리시킨 후에 다시 2차침전지에서 침전 방류하는 방법을 택하고 있다. 이때에 생산된 찌꺼기를 슬러지라고 하며 이 슬러지는 농축, 소화, 탈수과정을 거쳐 처리되는데, 이러한 슬러지 처리과정에서 생산되는 농축상징액, 소화상징액, 탈리액 등의 반류수는 통상 1차침전지로 반송되고 있다.

일반적으로 하수처리장의 1차침전지는 2~3시간 정도의 체류시간에서 BOD(Biological Oxygen Demand; 생화학적 산소요구량)와 SS(Suspended Solid; 부유물질)가 각각 25-30%와 35-50% 내외로 제거되는 처리효율을 나타내며, 이때 SS에 포함된 org-N 과 org-P도 10%내외의 제거효율을 보인다.

이와 같은 1차침전지의 효율을 고려하면 유입하수가 1차침전지를 거쳐서 생물반응조에 유입되는 1차침전처리수의 농도는 상기 제거율 만큼 낮아져야 하는데 1차침전처리수가 오히려 유입원수보다 높은 농도로 생물반응조에 유입되는 기현상이 발생된다.

이는 슬러지 계통의 농축, 소화 및 탈수 과정에서 발생되는 농축상징액, 소화상징액. 탈리액 등의 반류수를 1차침전지에 반송시키기 때문에 나타나는 현상인데, 상기 반류수는 그 농도가 매우 높고 전제유입부하의 25%가량이나 되기 때문에 단순히 유기 물질인 BOD의 제거를 목표로 했던 종래 하수처리장의 경우 반류수에 의한 영향이 미미하였던 반면 질소와 인을 제거시키는 공정이 도입된 하수처리장의 경우에는 반류수의 영향이 매우 크게 된다.

현재 국내 하수처리장 통계지표를 살펴 볼 때 발생되는 반류수는 유입유량 대비 1~3%의 적은 유량으로서 고농도의 유기물을 함유하며 원수대비 부하로는 유기물 농도 부하의 13-33%, 질소부하의 5-47%, 인부하의 13-46% 가량을 증가시키고 있다.

또한, 슬러지 처리 계통에서 발생되는 반류수를 아무런 처리를 하지 않고 수처리 계통으로 보내는 것은 우리나라와 같이 하계에 강우가 집중되는 경우 실제 하수처리장에 유입되는 농도보다 더 높은 수질을 방류시키게 되며, 동계기간에는 저온으로 인해 질산화 효율을 더욱 저하시키는 원인을 제공하게 되는 문제점들이 있었다.

그리고, 생물 반응조에서 생산된 미생물을 침전시키는 2차침전지의 경우 유입되는 슬러지의 플럭(floc) 형성이 용이하지 않은 구조로 되어 있고 침전지에 슬러지가 응결될 수 있는 충분한 체류시간이 확보되지 못하여 침전성이 악화되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 유기물의 농도가 낮고 질소농도가 상대적으로 높은 하수로부터 질소 및 인을 포함한 영양소를 효율적으로 제거할 수 있는 개량된 하수처리방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 하수농도와 부하변동에 따른 영향을 감소시키고 온도 저하로 인한 질산화 효율저하를 방지함으로써 계절에 따른 폐수처리 효율 변동을 감소시켜 목표한 수질을 안정적으로 확보할 수 있는 개량된 하수처리방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 상기와 같은 목적들은 반류수의 주입 지점을 1차침전지가 아닌 무산소조 또는 호기조로 하고, 무산소조에는 부유성 매체(media)을 투입시켜 탈질반응을 촉진시키며, 호기조의 후단 또는 2차침전지에 응결지를 설치하는 개량된 하수처리방법을 제공함으로써 달성된다. 본 발명의 반류수의 처리는 대량의 저농도 폐수 처리보다는 소량의 고농도 폐수 처리가 처리효율 측면에서 훨씬 효과적이라는 수처리 관점에서 착안된 것이다.

따라서, 본 발명 개량된 하수처리방법은 소량의 고농도 반류수를 유입하수로 혼합, 희석하여 대량의 저농도 상태로 만든 후 처리하던 종래 하수처리방법보다 수처리 효율면에서 훨씬 더 효과적이다.

본 발명은 하수를 1차침전지로 유입시켜 침전시키는 공정(1차침전공정)과, 상기 1차침전공정후의 처리수를 혐기조, 무산소조 및 호기조의 순서로 미생물처리하는 공정(미생물처리공정)과, 상기 미생물처리된 방출수를 2차침전지에서 침전시키는 공정(2차침전공정)과, 상기 2차침전후의 침전미생물(슬러지)의 일부를 상기 미생물처리공정중의 혐기조로 반송하는 공정(슬러지반송공정)과, 상기 슬러지반송공정에서 제외된 슬러지의 농축, 소화 및 탈수 공정(슬러지처리공정)으로 이루어진 하수처리방법에 있어서, 상기 슬러지처리공정에서 발생되는 농축상징액, 소화상징액, 탈리액 등의 반류수를 알칼리를 상승시키는 물질(Alkalinity) 및 공기의 주입으로 유기물의 부하를 경감시키고 질소를 질산화시켜 무산소조 또는 호기조로 반송시키는 것을 특징으로 하는, 개량된 하수처리방법에 관한 것이다.

본 발명에 있어서 반류수의 주입 지점은 1차침전지가 아닌 호기조 또는 무산소조로 하여 반송한다. 반류수를 1차침전지로 반송시키는 경우에는 1차침전지에 과부하가 걸릴 수 있으며 특히 1차 처리수를 바이패스(bypass) 하는 경우 방류수의 수질이 매우 높아지므로 고농도인 반류수를 유기물을 경감시키고 질소를 질산화 시킨 후에 무산소조 또는 호기조에 주입하는 것이 1차침전지에 넣는 것 보다 처리효율면에서 더 유리하다.

이 때, 상기 반류수는 질소 농도가 매우 높기 때문에 질산화 시켜 반송하는 것이 바람직한데, 이와 같이 반류수처리조에서 질산화시킨 반류수를 무산소조로 반송시키면 질산성 및 아질산성 질소로부터 질소를 제거하는 탈질이 가능할 뿐 아니라, 무산소조 이후의 호기조로 반송시키면 종균 미생물(질산화 미생물)을 제공하는 역할도 기대 할 수 있다.

또한, 슬러지처리공정에서 발생된 반류수는 일반적으로 유입하수 보다 온도가 더 높고, 특히 혐기성 소화조의 경우 항상 35℃로 가온되기 때문에 여기서 발생되는 소화조 상징액의 수온이 높아 동절기에도 질산화가 가능하게 된다.

반류수를 질산화 시키는 반류수처리공정은 1~2일 정도의 체류기간이면 충분하며 이러한 체류기간은 반류수의 유량을 평준화 시키는 역할도 하여 수처리 계통에 좋은 영향을 준다.

이하, 본 발명의 구성을 실시예에 의하여 상세히 설명하고자 하나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 본 발명은 바람직하게는 하수를 대상으로 하는 것이나 이에 한정하는 것은 물론 아니다.

실시예 1

1. 1차침전공정

J 하수처리장 (Q = 1,000,000 m³/d)의 하수를 1차침전지에 유입시켜 하수내의 부유 고형물질을 침전시킨 다음 처리수를 미생물처리공정중의 혐기조로 방출하였다.

2. 미생물처리공정

혐기조(An), 무산소조(Ax) 및 호기조(Ox)로 구성된 생물반응조에 1차침전지를 통과한 처리수를 유입시켜 인 및 유기물질을 제거하였다.

상기 혐기조에서는 인제거미생물이 활성화되어 그 결과로 인이 방출되며, 무산소조에서는 내부반송(nitrified recycle; NRCY)에 의해 반송되는 질산화물(NO_x-N)이 탈질되고 혐기조에서 미제거된 유기산과 하수내의 유기물질이 제거된다.

또한 호기조에서는 혐기조에서 방출된 인과, 혐기조 및 무산소조에서 미제거된 유기물질이 산화제거되고 질소가 질산화물(NOx-N)로 전환된다.

3. 2차침전공정

상기 미생물처리공정에서 생산된 미생물을 2차침전지에 침전시켜 제거하였다.

이 때 침전된 미생물(슬러지)의 일부는 미생물처리공정중으로 반송(return activated sludge; RAS)시키고 나머지 슬러지는 상기 1차침전지로부터 방출된 슬러지와 함께 농축, 소화 및 탈수 공정을 거쳐 처리하였다.

4. 반류수 처리 공정

상기 슬러지의 농축, 소화 및 탈수 과정에서 발생된 농축상징액, 소화상징액, 탈리액 등의 반류수를 반류수 처리조에서 유기물 농도를 경감시키고 질산화를 유도 한 다음 무산소조 또는 호기조로 유입시켰다.

하기 표 1은 상기 실시예 1의 방법으로 수처리하였을 때의 반류수의 성상을 나타낸 것으로서, 농축상징액, 소화상징액, 탈리액 등의 반류수를 서로 혼합하였을 때 BOD는 973 mg/L, TN(Total Nitrogen; 총질소) = 258 mg/L, TP(Total Phosphorus; 총인)는 53 mg/L 이었으며, 혼합온도는 수온이 10℃일 때 질산화에 커다란 저해효과가 없을 것으로 판단되는 17℃를 나타내었다.

반류수의 성상

구 분	Q(m³/d)	BOD(mg/L)	SS(mg/L)	N(mg/L)	P(mg/L)	Temp.(℃)	Alk(mg/L)
소화상징액	2,200	2,210	7,960	670	120	30	1290
농축상징액	6,800	860	1,830	120	30	10	440
탈리액	3,000	320	1,180	270	56	22	1570
반류수(혼합)	12,000	973	2,791	258	53	17	878

본 발명자는 상기 반류수의 유기물 농도를 경감시키고 질산화를 유도하기 위하여 알칼리를 상승시키는 물질(Alkalinity) 및 공기를 투입시킨 반류수 처리조에서의 체류시간을 2일(17℃ 기준)로 유지하고, 처리조의 MLSS(Mixed Liquor Suspended Solid; 활성슬러지)농도는 24,000㎥의 용적에서 2,200 mg/L(Mv/Mt =0.6)가 되도록 운전하였다.

이 때 상기 반류수의 BOD 제거 및 질산화에 소요되는 공기량과 알칼리를 상승시키는 물질(Alkalinity)은 다음과 같다.

1. 소요 공기량

1) BOD 제거: 11,676 kgBOD/d → 11,680 kgO₂/d

2) 질산화: 258 mgN/L × 4.6 kgO₂/kgN = 14,242 kgO₂/d

총소요 공기량: 1) + 2) = 25,920 kgO₂/d

2. 소요 알칼리 상승 물질: 258 kgN/d × 7.14 kgAlk/kgN - 878 kgN/d = 964 kg/d

본원발명에 있어서 알칼리를 상승시키는 물질은, 종래의 공지된 수산화나트륨, 탄산나트륨, 탄산수소나트륨, 수산화칼슘, 수산화칼륨, 탄산칼슘, 산화칼슘, 메탄올, 아세트산나트륨 등이 특별히 한정되지 않고 사용될 수 있다.하루동안 반류수 처리조에 상기 25,920 kgO₂/d의 공기와 964 kg/d의 알칼리를 상승시키는 물질을 주입하여 반류수를 처리한 결과 BOD의 경우 80% 이상의 제거효율을 나타냈으며 질소의 경우 전량 NO₃N으로 전환되었다.

이러한 본 발명의 한 바람직한 특징에 의하면, 상기 무산소조에는 부유성 매체(media)를 투입시켜 탈질반응을 촉진시킬 수 있다.

무산소조는 질산성 및 아질산성 질소로부터 질소를 제거하는 것을 목적으로 하는데, 매체(media)이 있을 경우 매체(media)이 없는 경우 보다 미생물의 농도가 높아 탈질이 잘되므로 짧은 체류기간으로도 높은 질소제거 효과를 얻을 수 있다.

그러나 고정층 매체(media)을 투입시킬 경우에는 슬러지가 축적되어 폐쇄되는 경향이 있으므로 폐쇄현상이 발생되지 않는 부유성 매체(media)을 투입시키는 것이 바람직하며, 이 때 상기 부유성 매체(media)은 플라스틱 바이오필름 캐리어(plastic biofilm carrier)로서 비중(specific gravity)이 0.06g/㎥이며 비표면적(specific surface area)이 90 ㎡/㎥ 이상인 것이 바람직하다.

이와 같은 부유성 매체(media)은 바이오필름(Biofilm)이 형성된 후에도 부유상태를 유지하며 비중이 물보다 작기 때문에 부유성 매체(media)을 무산소조에 설치할 경우 질소의 제거효율은 70%이상을 나타내었다.

또한 본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 호기조의 후단 또는 2차침전지에 응결지를 설치하여 슬러지가 응결될 수 있는 충분한 체류시간을 확보할 수 있다.

일반적으로 생물반응조에서 생산된 미생물을 2차침전지에서 침전시킬 때에는 침전지에 슬러지가 응결될 수 있는 충분한 시간이 확보될 수 있도록 응결시간이 20-30분 이상되게 하는 침전지의 구조가 필요하다.

따라서 2차침전지를 개조하거나 증설하여 응결시간을 확보할 경우 침전성을 향상시킬 수 있으나 2차침전지는 그 개조가 용이하지 않고 비용이 많이 소요되므로, 호기조의 후단에 유사한 역할을 하는 응결지를 두어 처리효율을 높일 수 있다.

즉 호기조의 후단에 응결지 역활을 하는 반응조를 설치하여 20분 가량의 응결시간을 확보하는 것이 2차침전지의 개조보다 상대적으로 비용이 적게 소요되며 개조가 용이한 장점이 있다.

이 때 상기 응결지 역할을 하는 반응조는 하기와 같이 정의되며 유량에 의한 응결지의 크기와 점도에 따른 단위 시간당 혼합강도를 나타내는 속도경사(G)가 15/초 이며, 체류시간이 대략 1,200초(20분)인 조건으로 설계되는 것이 바람직하며, 이 경우 침전효율이 향상되어 유출수질의 SS농도를 4.7∼5.6 mg/L로 일정하게 유지하는 효과가 있는 것으로 나타났다.

P~ :~ 동력의~크기, ~mu~:~액체의~ 동점성~계수, ~V~:~응결지의~부피

한편, 2차침전지를 개조하여 슬러지의 응결시간을 확보하고자 할 경우에는 2차침전지의 형태에 따라 하기와 같은 형태의 응결지를 설치하여 침전효율을 향상시킬 수 있다.

즉, 2차침전지의 형태가 원형 침전지일 경우 종래에는 도 3a에 도시된 바와 같이 측면과 하부가 개방된 유입구(1)가 설치되어 슬러지가 침전지의 측면과 하부로 유출되었으나, 본 발명은 하부가 개방된 원통형의 웰(Flocculation well)(20)과, 바닥이 폐쇄되어 바닥으로는 슬러지가 유출되지 않고 측면에서 접선방향으로 상기 웰(20)로 유입되는 구조의 유입구(10)가 원형침전지 직경의 35%내외의 중앙부분에 전체 침전지 유효깊이의 1/2이상으로 띄워 설치되며, 속도경사(G)가 30∼70/초 이고, 체류시간이 대략 20분 인 조건으로 설계된 것을 특징으로 한다.

또한, 2차침전지가 장방형 침전지일 경우에는 정류벽(31) 후방에 분당회전수(rpm)가 1.5∼2.8 회/분 인 패들(paddle)형태의 교반기(32)가 하나 이상 설치되고, 속도경사(G)가 30∼70/초 인 조건으로 설계된 응결지(Flocculation zone)(30)가 형성되는 것이 바람직하다.

상기와 같이, 본 발명은 반류수에서 유기물 농도를 경감시키고 질산화 시킨 다음 무산소조 또는 호기조로 반송처리함으로써 유기물의 농도가 낮고 질소농도가 상대적으로 높은 하수로부터 질소 및 인을 포함한 영양소를 효율적으로 제거할 수 있다.

또한, 본 발명은 하수농도와 부하변동에 따른 영향을 감소시키고 온도 저하로 인한 질산화 효율저하를 방지함으로써 계절에 따른 폐수처리 효율 변동을 감소시켜 목표한 수질을 안정적으로 확보할 수 있다.

그리고, 본 발명은 기존의 하수처리장에 간단한 개축만으로도 본 발명의 시스템을 적용시킬 수 있으며, 하수 이외의 고농도 유기성 산업폐수의 처리에도 활용될 수 있다.

도 1은 종래의 하수처리방법의 개략도,

도 2는 본 발명의 하수처리방법의 개략도,

도 3a는 종래의 원형침전지의 단면도,

도 3b는 본 발명의 일 실시예에 적용되는 원형침전지의 단면도,

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 적용되는 요부단면도이다.

Claims

하수를 1차침전지로 유입시켜 침전시키는 공정(1차침전공정)과, 상기 1차침전공정후의 처리수를 혐기조, 무산소조 및 호기조의 순서로 미생물처리하는 공정(미생물처리공정)과, 상기 미생물처리된 방출수를 2차침전지에서 침전시키는 공정(2차침전공정)과, 상기 2차침전후의 침전미생물(슬러지)의 일부를 상기 미생물처리공정중의 혐기조로 반송하는 공정(슬러지반송공정)과, 상기 슬러지반송공정에서 제외된 슬러지의 농축, 소화 및 탈수 공정(슬러지처리공정)으로 이루어지고, 상기 슬러지처리공정에서 발생되는 농축상징액, 소화상징액, 탈리액 등의 반류수를 알칼리를 상승시키는 물질(Alkalinity) 및 공기의 주입으로 유기물의 부하를 경감시키고 질소를 질산화시켜 무산소조 또는 호기조로 반송시키는 것을 특징으로 하는 하수처리방법에 있어서,

상기 호기조의 후단에는 속도경사(G)가 15/초 이며, 체류시간이 대략 1,200초(20분)인 조건으로 설계된, 응결지 역활을 하는 반응조를 더 설치하고,

상기 무산소조에는 플라스틱 바이오필름 캐리어(plastic biofilm carrier)로서 비중(specific gravity)이 0.06g/m³이며 비표면적(specific surface area)이 90 m²/m³ 이상인 부유성 매체(media)를 투입시켜 탈질반응을 촉진시키는 것을 특징으로 하는, 개량된 하수처리방법.
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제1항에 있어서, 상기 2차침전지는 원형 침전지이며; 하부가 개방된 원통형의 웰(Flocculation well)(20)과, 바닥이 폐쇄되어 바닥으로는 슬러지가 유출되지 않고 측면에서 접선방향으로 상기 웰(20)로 유입되는 구조의 유입구(10)가 원형침전지 직경의 35%내외의 중앙부분에 전체 침전지 유효깊이의 1/2이상으로 띄워 설치되고; 속도경사(G)가 30∼70/초 이고, 체류시간이 대략 20분 인 조건으로 설계된 것을 특징으로 하는, 개량된 하수처리방법.
제1항에 있어서, 상기 2차침전지는 장방형 침전지이며; 패들(paddle)형태의 교반기(32)가 하나 이상 설치되고, 속도경사(G)가 30∼70/초 인 조건으로 설계된 응결지(Flocculation zone)(30)가 형성된 것을 특징으로 하는, 개량된 하수처리방법.