KR100513567B1 - 폐수정화장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 C/N 비가 낮은 우리나라의 도시하수나 축산폐수 및 산업폐수 등의 고농도 유기폐수에 함유된 유기물, 질소 및 인을 효과적으로 제거할 수 있는 폐수처리장치에 관한 것이며 특히 탈질효율을 증진시켜 질소처리 효율 향상에 주안점을 둔 공정이라 할 수 있다.

본 폐수처리장치는 기존에 개발된 DEPHANOX 공정의 변형 시스템으로서 DEPHANOX 공정의 단점을 크게 개선한 공정이라 할 수 있다. 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 폐수정화장치에서는 혐기 접촉조, 분리조, 질화반응조, 무산소 상태의 탈질 반응조, 간헐 반응조, 재포기조, 침전조 순으로 하며 유입수를 혐기 접촉조로 직접 유입시키지 않고 침전조에서 혐기 접촉조로 반송되는 반송 활성슬러지에 접촉시켜 유기물 접촉 효율의 극대화와 탈질조 후단에 간헐 반응조를 배치함으로서 기존 DEPHANOX 공정의 탈질조 후단에서 문제시 되었던 유기질소 처리 및 질산성 질소 처리의 극대화를 특징으로 한다. 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 폐수정화장치에서는 반응조 배치 순서는 제 1 실시 예와 같이 그대로 하되 간헐 폭기 반응조 후단의 재포기조를 무산소조로 변경하여 운영하는 동시에 활성슬러지를 무산소조로부터 탈질 반응조로 내부 순환시키는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 가장 큰 장점은 기존 DEPHANOX 공정에서 접촉조에서 흡착된 유기 질소 및 암모니아성 질소가 내부 반송을 통해 분리조로부터 탈질조로 유입되면서 처리되지 않고 방류되는 암모니아성 질소 및 질산성 질소를 간헐 포기조를 두거나 상황에 따라 상기 언급한 제 2 실시예로 운영 모드를 전환함으로써 방류의 총 질소 농도를 감소시킬 있는데 있으며, 제 1 실시예에서처럼 유입수를 슬러지 반송라인으로 유입시켜 유기물 접촉효율을 극대화함으로서 혐기접촉조의 크기를 감소 시킬 수 있을 뿐만 아니라 탈질조에서 탈질 효율을 향상 시킬수 있는데 있다.

Description

폐수정화장치{Wastewater Purification Apparatus}

본 발명은 고농도 유기 폐수정화장치에 관한 것이며, 특히 호수와 하천의 오염, 부영양화의 주요 원인이 되고 있는 도시하수, 축산폐수 및 산업폐수 등의 고농도 유기 폐수에 함유된 유기물, 질소 및 인을 효과적으로 제거할 수 있는 폐수정화장치에 관한 것이다.

일반적으로, 폐수에 포함되어 있는 영양염류 자체는 무기성 원소이나, 이들이 하천이나, 연안바다, 호소(호수 및 저수지)등으로 유입되어 조류의 성장을 촉진시켜 부영양화 현상을 발생시킨다.

또한, 폐수에 포함되어 있는 영양염류가 연안바다로 유입되었을 때는 적조현상의 원인이 되며, 심하면 수저부에서 부패하고 악취가 발생하여 수질오염을 촉진시키는 원인으로 작용됨에 따라, 이러한 영양염류는 하천이나 호소로 유입되기 전에 제거되어야 할 물질이다.

우리나라의 경우 대부분의 하수처리 및 축산폐수 처리 방법은 활성슬러지법에 의존하고 있는 실정이다. 활성슬러지법에 의한 처리시 대부분의 현탁 고형물질과 유기물은 제거될 수 있으나, 질소나 인과 같은 영양염류 물질의 처리는 20-40%에 불과하다.

질소, 인과 같은 영양염류 처리를 위한 공정들로는 물리, 화학적인 처리 방법과 생물학적인 처리 방법이 있다.

우선, 물리적인 처리 방법에 있어서는 암모니아 탈기법, 선택적 흡착 방법을 이용하는 이온교환법, 소석회 및 응집제를 사용하여 인을 침전시키는 방법 및 질소와 인을 동시에 침전시키는 스트로바이트(struvite)형성의 침전법 등이 이용되고 있다. 그러나 이와 같은 방법은 그 처리가 선택적으로 이루어지기는 하지만, 온도에 민감하고 비용이 많이 소요되는 등의 단점이 있다. 또한, 약품비 및 운전상에 요구되는 환경이 특정적이어서 그 운영에 어려움이 있으며, 유출수가 불안정하여 세계적으로도 현장에서 사용을 꺼리고 있다.

한편, 생물학적 처리 방법에 있어서는, 질소의 경우 용존상태에 있는 암모니아성 질소와 유기 질소를 호기성 조건에서 질산화균(ie., Nitrosomonas & Nitrobacter)에 의해 질산화(암모니아를 질산염형태로 변형)시키고, 질산염을 탈질산화균(ie., Pseudomonas, Paracoccus denitrifiers)에 의해 무산소 조건에서 산소대신 전자수용체로서 이용하게 하여 질소 기체로 변환하여 대기중으로 방출(탈질산화)시켜 제거하고 있다. 인의 경우 폐수를 교대로 혐기성 조건과 호기성 조건하에 유지시켜 혐기성 조건에서는 인 제거 미생물(ie., Acinetobacter)로부터 인을 방출시키고, 후속되는 호기성 조건에서는 미생물이 인을 과다 섭취하도록 한 다음, 미생물을 일정량씩 제거시키는 방식으로 폐수중의 인을 제거한다.

상기 호기성 조건에서 미생물의 인을 과다 섭취하게 되는 정도는 혐기성 조건으로 유입되는 유기물의 양과 종류에 따라 다르며 특히, 순수한 혐기상태의 유지와 유입되는 유기물이 초산염과 같은 유기산염이 많을 경우 순수한 혐기상태에서 인의 방출량이 증진되며, 후속된 호기상태에서 인의 섭취도가 향상되어 처리율이 증진된다.

따라서, 생물학적 질소 및 인의 제거 공정은 혐기성 - 호기성 - 혐기성 - 호기성 반응조를 적절히 분리 배치하여 각 반응조의 특성에 따라 호기성 반응조에서는 유기물 산화 및 질산화 반응과 미생물이 인을 섭취하도록 유도하고 혐기성 및 무산소 반응조에서는 질산성 질소를 질소가스로 변형시켜 대기중으로 방출시키는 탈질반응과 인의 방출을 유도한다.

상기 전술한 일반적인 형태의 생물학적 영양염류의 처리공정에서는 슬러지의 침전성을 향상시키고 인의 방출을 억제하기 위하여, 침전조 전에 호기성 반응조를 배치시킨다. 이러한 방법의 예로서는, 바너드(Barnard)등에게 수여된 미합중국 특허 제 3,964,988호에 개시되어 있는 바덴포 공정(Bardenpho process), 단일 시스템인 A/O 공정, A²/O 공정등을 들 수 있다. 이들 공정은 산소의 유무에 따라 반응조를 분리, 배치하여 폐수가 혐기조건과 호기조건의 반응조를 통과하도록 정상상태(steady-state)로 운영하는 형태이며 일반적인 폐수의 처리시 양호한 수질을 확보할 수 있는 공정들이나 우리나라와 같이 유기물/질소(C/N) 비가 낮은 하수를 처리하는 경우 탈질반응이나 혐기조의 인 방출시 유기물이 부족하여 질소 및 인 제거 효율이 낮아 질 수 있는 단점을 가지고 있다.

위와 같이 낮은 C/N 비를 가진 폐수 처리 문제를 극복하기 위한 방법으로 이탈리아에서 개발된 DEPHANOX 공정을 공정을 들 수 있다. 이 공정에서는, 혐기 접촉조 및 분리조를 이용하여 혐기 접촉조에서 미생물이 유기물을 흡착시키고 인의 방출을 유도하며, 분리조에서 흡착된 유기물과 미생물을 분리하여 후속된 탈질조로 유입시키고 흡착되지 않은 질소 화합물을 별개의 반응조에서 질산화 시켜 후속된 탈질조로 보내 유기물을 흡착한 미생물에 의해 탈질 시킨다. 즉, DEPHANOX 공정은 탈질과 질산화가 별개의 슬러지 및 반응조에서 이루어지며 후속된 제 2 호기성 반응조에서 미생물에 의해 인을 과잉 섭취하도록 하는 공정이다.

그러나 DEPHANOX 공정의 이러한 장점에도 불구하고 질산화 공정 이후 후속되는 처리 과정중 분리조로부터 탈질조로 유입되는 유기 질소 및 암모니아성 질소가 충분히 분해 또는 질산화 되지 못하고 방류되며 질화반응조에 후속되는 단일 탈질 반응조에서만 탈질이 이루어지기 때문에, 높은 질소 제거효율을 기대할 수 없는 단점을 가지고 있다.

본 발명의 우리나라의 도시하수 및 산업폐수(독성이 있고 C/N 비가 낮은 폐수)를 포함한 축산폐수 등의 유기물 및 영양염류를 처리하는데 효과적인 처리장치를 제공하는데 있다. 특히 본 발명은 기존 DEPHANOX 공정의 단점을 보완한 것으로서 특히 질소 처리 향상에 주안점을 둔 공정이라 할 수 있다. 기존 DEPHANOX 공정은 탈질조 후속으로 재포기조만이 있어 질산성 질소의 처리가 문제시 될뿐만 아니라 분리조로부터 유입되는 유기질소는 호기조에서 암모니아성 질소로 분해되어 처리되지 않은 상태에서 방류되며 암모니아성 질소 또한 재포기조에서의 수리학적 체류시간이 짧기 때문에 질산화가 충분히 이루어지지 않고 방류되었다. 따라서 이를 보완한 공정을 개발하고자 하였으며,

이를 위한 구체적 수단으로,

제 1 실시 예에 따라 유입폐수를 반송슬러지 라인에 유입시켜 폐수중의 유기물을 활성슬러지에 관 혼합을 통해 사전에 흡착시킴으로 인해 주 기작이 유기물 흡착과 인 방출인 혐기 접촉조의 크기를 줄일 수 있으며 기존 DEPHANOX 공정의 재포기조를 간헐포기조와 재포기조로 분할 배치할 수 있으며, 제 2 실시 예에 따라 기존 DEPHANOX 공정의 재포기조를 간헐 반응조와 무산조로 나눈 뒤 무산소조로부터 탈질조로 내부순환을 시키는 방법이 있다. 제 1, 2 실시예는 모두 기존 DEPHANOX 공정을 효과적으로 개선한 공정으로서 분리조에서 탈질조로 유입되는 암모니아성 질소의 질산화와 분해되지 못한 유기질소의 분해를 촉진시킬 수 있으며 암모니아성 질소의 질산화시 발생한 질산성 질소의 탈질을 도모하여 방류수중의 총질소 농도를 감소시킬 수 있다.

본 발명은 기존 DEPHANOX 공정의 단점을 보완하여 보다 완벽한 질소처리를 위해 안출된 생물학적 처리 공정으로서 도 1은 본 발명의 바람직한 제 1 실시 예에 따른 폐수의 정화공정을 나타낸 개략도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 제 1 실시 예에 따른 폐수 정화공정을 수행하기 위한 장치는 직렬로 배치된 혐기접촉조(2), 분리조(3), 호기 상태의 질산화반응조(4), 유동상 여재(5), 무산소 상태의 탈질반응조(6), 간헐폭기 반응조(7), 재포기조(8)로 하였으며 유입폐수(1)는 반송라인으로 유입된다.

본 발명에서 유입폐수(1)는 반송라인으로 유입됨으로서 침전조(9)로부터 혐기접촉조(2)로 반송되는 활성슬러지에 유기물이 흡착되며 이러한 사전 유기물 흡착 기작을 통해 혐기접촉조(2)의 크기를 줄이는 역할을 하는 동시에 유기물 흡착을 극대화 시킬 수 있다. 혐기접촉조(2)는 폐수중 유입되는 유기물을 활성슬러지가 흡착하여 이를 탈질반응조(6)에서 탈질을 하는데 이용하게끔 하며 또한 인의 방출을 유도하는데 있다. 혐기접촉조(2)의 또 다른 중요한 역할은 독성물질 유입시 독성물질을 흡착하여 후속되는 질산화반응조(4)에서 질산화박테리아가 독성영향을 받지 않고 질산화 과정을 원활히 수행하게끔 하는 역할을 한다.

분리조(3)는 혐기접촉조에서 넘어온 유기물이 흡착된 활성슬러지와 상징액을 분리하는 역할을 하며 암모니아가 다량 함유된 상징액은 질산화반응조(4)로 이송이 되며 활성슬러지에 흡착된 유기물은 탈질반응조(6)로 이송되어 탈질 효율을 높이는데 이용된다.

이때 질산화 반응조(4) 내부에는 부유성 담, 매체(5)를 이용하여 분리조(3)로부터 연속적으로 유입되는 암모니아성 질소의 질산화 효율을 높일 수 있으며 이때 필요에 따라 질산화 반응조(4)를 2단이나 3단으로 분리, 유로의 흐름을 관형흐름으로 유도하여 암모니아성 질소를 더 안정적으로 제거할 수 있다.

탈질반응조(6)는 질산화 반응조(4)로부터 유입되는 질산성 질소의 탈질이 이루어지게 되며 이때 전자공여체는 분리조(3)에서 유입되는 활성슬러지에 흡착된 유기물로부터 제공받는다. 만약 탈질이 충분히 이루어지지 않는다면 외부유기탄소원을 인위적으로 주입함으로서 탈질 효율을 높일 수 있다.

간헐폭기 반응조(7)는 탈질반응조(6)에서 처리되지 않은 질산성 질소의 탈질을 수행하며 분리조(3)로부터 유입되는 유기질소를 암모니아성 질소로 분해하는 역할을 하며 분해된 암모니아성 질소 및 분리조(3)로부터 유입되는 암모니아성 질소의 질산화 및 탈질 기능을 수행하게 되어 기존 DEPHANOX 공정의 재포기조를 간헐폭기 반응조(7)와 재포기조(8)로 분할함으로서 총질소 제거효율을 크게 증가시키는 역할을 한다. 기존 DEPHANOX 공정에서는 탈질반응조(6) 다음에 바로 재포기조(8)가 후속되기 때문에 분리조(3)로부터 탈질조로 유입되는 유기질소 및 암모니아성 질소가 재포기조에서 일부는 질산화가 진행되고 질산화 된 질산성 질소 및 질산화가 되지 않은 유기질소 및 암모니아성 질소는 그냥 방류수로 유출되기 때문에 총질소 제거효율이 낮을 수 밖에 없다.

재포기조(8)에서는 탈질반응조(6) 및 간헐폭기 반응조(7)에서 탈질된 질소가스를 대기중으로 탈기시켜 침전조(9)에서의 슬러지 침전성을 좋게하며 미량의 잔류 암모니아성 질소의 질산화를 수행하게 된다.

침전조(9)의 역할은 재포기조(8)로부터 유입되는 활성슬러지 및 고형성분과 상징액을 분리시키는 역할을 하며 상징액은 방류되게 되며 활성슬러지 및 고형성분은 반송라인을 따라 일부는 폐슬러지로 제거되어지며 일부는 혐기접촉조(2)로 유입되게 된다.

도 2는 본 발명의 바람직한 제 2 실시 예에 따른 폐수의 정화공정을 나타낸 개략도로서 본 발명의 바람직한 제 1 실시 예를 변형한 공정이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 제 2 실시 예에 따른 폐수 정화공정을 수행하기 위한 장치는 직렬로 배치된 혐기접촉조(2), 분리조(3), 호기 상태의 질산화반응조(4), 유동상 여재(5), 무산소 상태의 탈질반응조(6), 간헐폭기 반응조(7), 무산소조(8-1)로 하였으며 유입수는 혐기접촉조(2)로 직접 유입된다.

제 2 실시예가 제 1 실시예와 다른 점은 제 1 실시예의 재포기조(8)를 제 2 실시예의 무산소조(8-1)로 변형하여 운영하며 제 2 실시예의 무산소조(8-1)로부터 탈질반응조(6)로 일정한 유량으로 내부순환을 시켜주는데 있다.

제 2 실시예에서 혐기접촉조(2), 활성슬러지 분리조(3), 질산화 반응조(4), 부유성 담, 매체(5), 탈질반응조(6), 간헐폭기 반응조(7), 침전조(9)의 역할은 제 1 실시예에서 설명했던 각각의 기작과 같은 역할을 수행 하며 무산소조(8-1)는 간헐폭기 반응조(7)로부터 유입되는 잔류 질산성 질소의 탈질기능을 수행하게 되며 잔류 암모니아성 질소 및 무산소조(8-1)에서 탈질이 되지 않은 질산성 질소를 탈질반응조(6)로 적정 유량(일반적으로 4Q)으로 내부순환을 시켜줌으로서 총질소 제거효율을 증가시켜 준다. 제 2 실시예는 제 1 실시예보다 탈질효율 기능을 더욱 향상시킨 실시예라 할 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명을 적용하여 폐수처리를 할 경우 부영양화의 주요 원인이 되고 있는 질소처리를 극대화 할 수 있다.

본 발명의 생물학적 처리 공정은 기존 DEPHANOX 공정의 단점을 보완한 공정으로서 DEPHANOX 공정의 재포기조를 간헐폭기 반응조(7)와 재포기조(8)로 분할함으로서 분리조(3)로부터 유입되는 유기질소 및 암모니아성 질소의 질산화를 극대화 할수 있고 특히 탈질효율을 향상시킴으로서 총질소 제거효율 향상에 기여하게 된다. 특히 우리나라 여름의 장마철과 같이 유입폐수의 C/N 비가 극도로 낮을때 제 2 실시예와 같이 공정을 운영할 경우 탈질효율 저하를 막을 수 있으며 갈수기시 암모니아성 질소가 높을때에도 유기질소 및 암모니아성 질소가 분리조로부터 간헐폭기조로 유입되어 간헐폭기조에서 질산화가 된 질산성 질소를 무산소조(8-1)에서의 탈질 및 무산소조(8-1)에서 탈질반응조(6)로의 내부순환을 통해 탈질효율을 극대화 함으로서 총질소 제거효율을 향상시킬 수 있다.

독성이 있는 하, 폐수의 경우 혐기접촉조(2)에서 미생물과 접촉시켜 하, 폐수중의 독성물질을 미생물에 흡착시키고, 분리조(3)에서 미생물을 분리하여 농축된 미생물만을 무산소 상태하의 탈질 반응조(6)로만 이송하기 때문에, 비교적 독성에 취약한 질산화 균에 미치는 영향이 줄어들게 되어 질화반응조에서의 질산화 반응을 무리없이 진행시킬 수 있다.

게다가 질화반응조의 경우 기존의 단일 반응조를 2개의 질산화조로 분리함으로서 관형흐름을 유도하고 담체나 매체를 사용함으로서 성장이 느린 질화균을 농축시켜 질산화 효율을 극대화 시킬 수 있다. 이는 국내의 소규모 오, 폐수 뿐만 아니라 축산 및 산업 폐수를 정화하는데 널리 적용 될 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 제 1 실시 예에 따른 폐수처리장치를 도시한 개략도.

도 2는 본 발명의 바람직한 제 2 실시 예에 따른 폐수의 정화공정을 나타낸 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 유입폐수 2 : 혐기접촉조 3 : 활성슬러지 분리조

4 : 질산화 반응조 5 : 부유성 담, 매체 6 : 탈질 반응조

7 : 간헐폭기 반응조 8: 재포기조 8-1 : 무산소조 9 : 침전조

Claims (2)

1. 유입폐수(1)를 반송라인으로 직접 유입시켜 유기물 흡착 효율의 극대화와 혐기접촉조(2)의 크기를 줄일수 있는 유입수 유입 시스템과,

   폐수중 유기물 및 독성물질을 흡착을 담당하고 인 방출을 유도하는 혐기접촉조(2)와,

   고형물과 용존물로 분리하는 분리조(3)와,

   분리조(3)와 연결되며 질산화를 수행하는 질산화반응조(4)와 ,

   질산화반응조(4)와 연결되며 분리조(3)로부터 유입되는 활성슬러지에 흡착된 유기물을 이용하며 필요시 외부유기탄소원을 이용하여 질산화반응조(4)로부터 유입되는 질산염의 탈질이 진행되는 탈질반응조(6)와,

   탈질반응조(6)와 연결되며 분리조(3)로부터 유입되는 유기질소를 암모니아성 질소로 분해하고 분해된 암모니아성 질소 및 분리조(3)로부터 유입되는 암모니아성 질소의 질산화 및 질산화된 질산성 질소의 탈질 및 탈질반응조(6)에서 처리되지 않은 질산성 질소의 탈질을 담당하는 간헐폭기 반응조(7)와,

   간헐폭기 반응조(7)와 연결되며 탈질된 질소가스의 탈기가 수행되며 잔류 암모니아성 질소의 질산화가 이루어지는 재포기조(8)와,

   재포기조(8)와 연결되며 재포기조(8)로부터 유입되는 활성슬러지와 상징액을 분리하여 상징액은 방류되며 활성슬러지는 혐기접촉조(2)로 반송되는 침전조(9)로 구성됨을 특징으로 하는 폐수정화장치.
2. 유입된 폐수중 유기물 및 독성물질을 흡착을 담당하고 인 방출을 유도하는 혐기접촉조(2)와,

   고형물과 용존물로 분리하는 분리조(3)와,

   분리조(3)와 연결되며 질산화를 수행하는 질산화반응조(4)와 ,

   질산화반응조(4)와 연결되며 분리조(3)로부터 유입되는 활성슬러지에 흡착된 유기물을 이용하며 필요시 외부유기탄소원을 별도로 주입하여 질산화반응조(4)와 내부순환 과정에서 무산소조(8-1)로부터 유입되는 질산염의 탈질이 진행되는 탈질반응조(6)와,

   탈질반응조(6)와 연결되며 무산소조(8-1)에서 탈질반응조(6)로의 내부순환을 통해 탈질반응조(6)로부터 유입되는 분해되지 않은 유기질소의 분해 및 질산성 질소의 탈질이 일어나며 분리조(3)로부터 유입되는 유기질소의 분해와 암모니아성 질소의 질산화 및 탈질이 효율적으로 이루어지는 간헐폭기 반응조(7)와,

   간헐폭기 반응조(7)와 연결되며 간헐폭기 반응조(7)에서 질산화된 질산염의 탈질이 일어나며 탈질이 안된 질산염과 분해되지 않은 유기질소 및 암모니아성 질소를 내부순환을 통해 탈질반응조로 순환시키는 역할을 하는 무산소조(8-1)와,

   무산소조(8-1)와 연결되며 유입되는 활성슬러지와 상징액을 분리하여 상징액은 방류되며 활성슬러지는 혐기접촉조(2)로 반송되는 침전조(9)로 구성됨을 특징으로 하는 폐수정화장치.