KR100530555B1 - 소규모의 생물학적 오하수 고도 처리 장치 및 방법 - Google Patents

소규모의 생물학적 오하수 고도 처리 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 오·하수 중의 유기물과 질소·인 등의 영양염류를 동시에 제거할 수 있는 생물학적 고도 처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 상기 장치는 단일반응조의 내부에 설치되어 단일반응조를 하단의 무산소조와 상단의 호기조로 구분하는 격벽(18), 반응조의 격벽 상부에 존재하여 호기조 내에 공기를 공급하는 산기관(15), 격벽 상부의 호기조(13), 상기 호기조의 상부에 존재하는 미생물 담체층(14) 및 반응기 하부의 무산소조(12) 및 무산소조 하단에 존재하는 교반기(17)를 포함하는 단일 반응조와, 침전조(19, 29), 침전조로부터 슬러지 및 질산성 질소를 무산소조의 하단에 공급하는 이송 펌프(11b) 및 오하수 유입 펌프(11a)를 포함한다.
본 발명을 이용하여 농어촌 지역의 수질오염을 초기 단계에서 예방함으로써 수생태계 보호 및 부영양화의 방지를 도모할 수 있고, 상기 장치는 이송 펌프 등의 부대시설을 최소화시킨 단일반응조로 그 구성이 매우 간단하여 유지관리가 용이하다. 따라서, 본 발명은 마을 하수 처리시설을 설계 또는 설치함에 있어서 기본적으로 고려해야 할 사항인 유지관리의 편의성 및 경제성을 동시에 만족시킬 수 있는 오·하수 처리방법을 제공한다.

Description

소규모의 생물학적 오하수 고도 처리 장치 및 방법{SMALL-SCALE FACILITY AND METHOD FOR TREATING WASTEWATER BIOLOGICALLY}
본 발명은 마을단위 및 건물, 숙박시설, 오락시설 등에서 발생하는 오·하수 중에 함유된 오염물질을 생물학적으로 고도 처리할 수 있는, 오염물질 제거 효율뿐만 아니라 경제성이 우수하고 유지관리가 용이하여 소규모 처리시설에 적합한 방법 및 장치에 관한 것이다.
마을 하수도라 함은 마을의 생활환경을 개선하고, 공공수역의 수질오염을 초기단계부터 방지하기 위하여 주로 농어촌에 설치하는 하수도 시설의 총체를 말하며, 마을 하수도 시설의 설치 목적은 합리적인 건설비와 유지관리비를 투자하여 농어촌 마을의 건전한 발전과 공중위생의 향상에 기여하고 공공수역의 수질을 보전하여 쾌적한 생활환경을 조성하는데 있다 (하수도 시설 기준 개정안, 1997).
현재까지 하수처리를 위한 생물학적 영양염류 제거공정(Biological Nutrient Removal, BNR)들은 질소·인의 제거를 위해 여러 형태로 개발되어 왔다. 일반적으로 이러한 공정은 인 방출을 위한 혐기조, 질산화액의 내부반송과 함께 탈질화를 유도하기 위한 무산소조 및 질산화를 위한 호기조로 구성되는 공통점을 가지고 있으며, 공정의 흐름도 차이에 따라 연속흐름식 형태의 A2/O, VIP, MUCT, 5단 Bardenpho, 간헐폭기 등과 같은 공법들이 있다. 그러나, 이러한 공법들은 두개 이상의 반응조가 직렬로 연결되어 있어 부지 소요 면적이 크고 다수의 부대설비가 필요하여 설치 및 유지관리면에서 비경제적이며 용이치 않다는 단점이 있다.
한편, 연속회분식 반응조(Sequencing Batch Reactor)는 단일반응조에서 정해진 시간의 배열에 따라 유입, 반응, 침전, 배출, 휴지 공정이 순차적으로 진행됨에 따라 비교적 소규모 하수 처리시설에 적합하나, 상기 공정의 주요 설비이며 처리수를 방출하는 역할을 하는 데칸터(Decanter)가 대부분 수입에 의존하여 고가라는 단점이 있다.
오수·분뇨 및 축산 폐수 처리의 처리에 관한 법률에서 '오수'라 함은 액체성 또는 고체성의 더러운 물질이 혼합되어 그 상태로는 사람의 생활이나 산업 활동에 사용할 수 없는 물로서 사람의 일상생활과 관련하여 수세식 화장실·목욕탕·주방 등에서 배출되는 것을 말한다.
오수·분뇨 및 축산 폐수의 처리에 관한 법률 시행규칙 제3조(오수 처리시설의 오수 정화 방법) 규정에 의한 오수 처리시설의 오수 정화 방법은 크게 호기성 생물학적 방법, 혐기성 생물학적 방법, 물리·화학적 방법 또는 위의 세 가지 방법을 조합한 방법으로 구분할 수 있다.
주로 사용되는 오수 처리시설의 종류를 살펴보면 우선 활성슬러지법 및 그 변형 방법들로서 부유성장식 공법에 속하는 표준 활성슬러지 방법, 장기폭기 방법, 접촉안정 방법 및 한외여과막법 등이 있으며, 접촉 산화 방법, 살수여상법, 회전 원판 접촉 방법, 현수미생물 접촉 방법, 분리 접촉 폭기 방법 및 혐기여상 접촉 폭기 방법 등은 고정 미생물막 공법으로 분류된다. 그러나, 이러한 공법들의 질소·인 처리효율은 매우 저조하다.
인구증가, 생활수준의 향상 및 도시의 대형화로 인하여 생활오수의 양이 증가하고 있으며 이들을 제거하기 위한 처리시설 역시 증가하고 있다. 그러나, 고도 처리시설의 설치 미비로 여전히 오·하수 처리과정에서 적절히 처리되지 않은 질소와 인 등의 영양성분이 호소와 하천에 흘러들어 부영양화 및 적조현상을 발생시킴으로써 대부분의 국내 하천수질은 지속적으로 악화되고 있다.
특히, 주요 수계와 상수원 보호 지역 인근에 산재되어 있는 소규모 마을, 음식점, 숙박시설 등으로부터 유입되는 생활오수 및 축산분뇨는 호소와 하천수질 오염의 주범이다. 따라서, 농어촌의 지형적 특성을 감안하여 자연마을 단위로 오·하수를 고도 처리할 수 있으며 수질오염물질 배출 사업장에도 적용 가능한 최적 처리방법의 보급이 절실히 요구된다.
본 발명의 목적은 소규모 마을단위에서 발생하는 오·하수 중의 유기물과 영양염류를 효율적으로 규제 농도 이하로 처리하고 처리시설의 신축 및 개축에 따른 비용부담을 절감시키며 설치 지역의 특성상 해당 지역 공무원이나 전문성이 결여된 주민이 관리를 하는 것이 현실이므로 점검, 보수 등의 유지관리가 용이한 처리 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명자들은 단일반응조 내부에 격벽(18)과 산기관(15)의 위치를 적절히 조절함으로써 호기조와 무산소조를 구별하고, 탈질을 위한 내부반송과 슬러지 반송의 역할을 동시에 수행하는 하나의 이송펌프(11b)만을 사용함으로써 반응조의 구조와 부대시설을 최대한 간결화시키고, 반응조 하부(무산소조)는 부유성장식 방법을 채택하고 상부(호기조)에는 담체를 이용하는 고정 미생물막법을 동시에 접목시킴으로써 상호 보완적인 역할을 통하여 다량의 활성도 높은 오염물질 제거 미생물을 확보하여 상기 목적을 달성할 수 있음을 밝혀내었다.
따라서, 본 발명은 오·하수 중에 함유된 오염물질을 생물학적으로 고도 처리할 수 있는, 오염물질 제거 효율뿐만 아니라 경제성이 우수하고 유지관리가 용이하여 소규모 처리시설에 적합한 방법 및 장치에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명의 생물학적 오하수 고도 처리 장치는 단일반응조의 내부에 설치되어 단일반응조를 하단의 무산소조와 상단의 호기조로 구분하는 격벽, 반응조의 격벽 상부에 존재하여 호기조 내에 공기를 공급하는 산기관, 격벽 상부의 호기조, 상기 호기조의 상부에 존재하는 미생물 담체층과 하단에 교반기가 존재하는 무산소조를 포함하는 단일 반응조와, 침전조, 침전조로부터의 슬러지 및 질산성 질소를 무산소조의 하단에 공급하는 이송 펌프 및 오하수 유입 펌프를 포함한다.
또한, 본 발명은 상기 단일 반응조의 무산소조에 침전조에서 반송되는 슬러지 및 질산성 질소와 함께 유입 오하수를 공급하는 단계, 무산소조에서 탈질화 반응시키는 단계, 호기조의 담체층의 질산화 미생물에 의해 잔류 유기물과 암모니아성 질소를 산화시키는 단계, 하나의 이송펌프를 사용하여 슬러지와 질산성 질소를 침전조로부터 반응조 하부로 반송하는 단계를 포함하는 생물학적 오하수 고도 처리 방법을 제공한다.
본 발명에 의한 오하수 처리 과정을 도 1과 도 2에 의거하여 자세히 설명하면 다음과 같다. 우선 오하수는 단일반응조 하부, 즉 무산소조(12, 22)로 침전조(19, 29)에서 반송되는 슬러지와 질산성 질소(NO3-N)와 함께 유입되며, 이때 탈질화 반응이 일어난다. 상기 반응조의 상부는 잔류 유기물과 암모니아성 질소를 산화시키기 위하여 호기성 상태로 유지하되 호기조의 상층부, 약 40 - 60%(용적대비)는 담체로 충전시켜 성장속도가 느린 질산화 미생물을 고농도로 유지시킨다. 이때 담체는 가격이 저렴하고 공극율이 크며 영구적으로 사용가능한 물질을 사용할 수 있으며, 그 예로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 재질의 면 또는 선 구조 고정상 담체와 폴리우레탄, 폴리비닐알코올 재질의 다공질 유동상 담체 및 폐타이어, 폐플라스틱 등을 재이용하여 성형한 담체 등을 들 수 있다.
인 제거는 가스 상태로의 방출이 없으므로 일부는 미생물의 증식과정에서 체내로 흡수되며 입자(Particle) 상태의 인은 침전 단계에서 바이오 플록(Biofloc)에 흡착 또는 공침(Coprecipitation) 현상을 통하여 최종적으로는 잉여 슬러지를 폐기함으로써 제거된다.
반응조 하부에 교반기(17)를 설치하여 적당한 속도로 회전시키면 중력침강 효과와 더불어 상기 반응조 상하부의 미생물 농도가 알맞게 유지된다. 한편, 산기관(15)의 위치는 상기 반응조 하부로부터 1/2 - 2/3의 지점에 설치함으로써 적절한 용존 산소 농도의 구배가 나타나게 되고, 이때 하부, 중부, 상부로 갈수록 용존 산소 농도가 커지도록 유지된다. 예를 들어, 하부, 중부, 상부의 용존 산소 농도는 각각 0-0.2, 2.0-3.0 및 3.0-3.5 mg/L 범위 내에서 유지될 수 있다.
상기 반응조의 상부(담체 충전층)에서 침전조로 이송되는 슬러지의 농도는 일반적인 부유성장식 공법에 비해 비교적 낮게 되므로 침전조에서 반응조 하부로의 반송은 슬러지보다는 질산성 질소(내부반송)를 이송해 주는 역할을 한다. 따라서, 본 발명에서 질소 제거 효율은 반송 비율을 증가시킴으로써 증가시킬 수 있다.
이와 같이 부유성장식과 고정 미생물막법을 결합시켜 단일반응조를 구성하면 각기 적용한 경우에 비해 다음과 같은 장점이 있다.
먼저 담체의 충전율을 최소화시킬 수 있어 경제적이며 증식속도가 느린 미생물을 고농도로 유지할 수 있다. 또한, 슬러지 연령(Sludge age)이 길고, 슬러지의 자기산화가 촉진되기 때문에 폐슬러지의 발생량이 적으며, 다양한 다량의 미생물 종이 군집을 형성함으로써 온도, pH, 충격 부하 및 난분해성 물질의 유입에 따른 대처 능력이 향상되고 침전조에서 슬러지 팽화 현상으로 인한 슬러지 유출 등과 같은 문제점을 최소화시킬 수 있다.
침전조는 설치 대상지역의 특성에 따라 단일반응기 내에 존재할 수 있고, 단일반응기 외에 별도로 설치될 수도 있다. 무산소조, 호기조 및 침전조가 모두 단일반응조 내부에 구성되어 있는 도 1은 음식점, 숙박시설 및 기타 소규모 사업장에서 발생하는 오수처리에 적합하며, 활용 가능한 토지가 비교적 넓게 확보되는 마을단위 하수 처리시설에는 도 2에 나타낸 구성이 바람직하다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명의 구체적인 작용을 설명하고자 한다.
<실시예 1> 실험실 규모 반응기 운전 결과
본 실험에서 사용된 반응기는 투명 아크릴을 재료로 하여 도 1에 나타낸 바와 같이 설계, 제작하였으며 반응기의 지름과 높이는 각각 380 ㎜, 450 ㎜이었으며 총 유효용적은 52ℓ이었다. 그리고, 무산소조, 호기조 및 간이 침전조 체류시간은 각각 2시간, 4시간 및 40분 정도로 하였으며 호기조 전체 용적의 약 40% 정도만 폴리프로필렌 재질의 펄링(Pall-Ring)으로 충전시켰다. 본 실험에서는 분유와 글루코스를 탄소원으로, 암모늄 클로라이드를 질소원으로, 그리고, 포타슘 디히드로겐 포스페이트를 유입되는 인원으로 하여 합성 폐수를 제조하여 사용하였다. 한편, 모든 시료의 수질분석은 미국 공중보건협회의 표준시험법(Standard Methods; APHA)에 준하여 실시하였다.
상기 반응조의 무산소조에는 가감속이 가능한 교반기를 설치하여 슬러지의 침전과 정체 지역이 형성되지 않도록 상시 운전하였으며 MLSS (Mixed Liquor Suspended Solids; 혼합액 현탁 고형물) 농도는 2,000-3,500 ㎎/ℓ로 유지하였다. 한편, 호기조의 용존산소량은 3.0 ㎎/ℓ이상으로 유지하였고 반송율과 슬러지 체류시간(Sludge retention time)은 각각 100%(유입유량 대비)와 15-35일로 하였다.
위와 같은 조건에서 수행한 운전결과를 하기 표 1에 기재하였다.
항 목(mg/L) 평균유입농도(범위) 평균유출농도(범위) 제거효율(%)
총 BOD5 142(92-188) 8(5-11) 94.4
총 CODCr 215(128-266) 21(15-26) 90.2
암모니아성 질소 29.7(23.1-33.6) 5.3(3.2-7.6) 82.2
총 질소(T-N) 32.1(27.5-36.4) 12.4(9.8-16.0) 61.4
총 인(T-P) 3.2(2.8-3.9) 1.3(0.9-1.8) 59.4
<실시예 2> 파일럿 규모 반응기 운전 결과
본 실험에서는 서울시 강서구에 위치한 하수처리장에 하루 처리용량이 10톤 정도인 모형시설(도 2 참조)을 설치하여 운전하였으며 운전조건은 실시예 1에 나타낸 바와 동일하며 실험 결과는 히기 표 2에 기재하였다.
항 목(mg/L) 평균유입농도(범위) 평균유출농도(범위) 제거효율(%)
총 BOD5 231(182-289) 9(6-17) 96.1
총 CODCr 381(317-435) 34(21-43) 91.1
부유물질(SS) 248(194-310) 6(4-12) 97.6
총 질소(T-N) 35.8(25.9-43.2) 11.8(9.0-15.8) 67.0
총 인(T-P) 3.9(2.8-5.4) 1.2(0.8-1.7) 69.2
상기 결과에 따르면, 본 발명에 의한 처리수질은 수변구역을 제외한 모든 구역에 대한 현행 하수 및 오수 처리시설의 방류수 수질기준을 만족시키는 것으로 나타났다. 단, 설치 대상 지역이 수변구역에 위치하거나 처리수를 재이용하고자 할 경우에는 응집침전법과 사여과 또는 UV 소독을 병행하면 그 목적을 충분히 달성할 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 수질오염원의 유입을 초기단계에서 방지할 수 있어 수생태계 보호 및 부영영화의 방지를 도모할 수 있으며, 폐수 처리 시스템의 구성이 간결하여 운전·유지관리가 용이하고 시설용량당 부지 소요 면적이 적으며 시공이나 시설비의 부담이 적어 농어촌 지역 마을단위 하수 처리시설에 적합할 뿐만 아니라 음식점, 숙박, 레저 시설 등의 소규모 사업장에서 발생하는 오수를 고도로 정화하는데 매우 효과적이다.
우리나라도 물 부족 국가로 분류되고 물 수요량도 끊임없이 증가하는 추세에 있어 향후 물 부족이 예상되므로 정화된 물을 재이용하는 중수도 시설의 확대 보급이 필요한 상황이다. 이러한 경우 상기 시스템의 후단에 응집침전·사여과 시설 또는 UV 소독설비를 추가하면 중수도 수질기준을 충분히 만족시킬 수 있어 농업용수, 하천유지용수, 생활용수 등으로의 활용이 가능하여 21세기 물 부족에 대비한 하나의 대안이 될 수 있다.
도 1은 소규모 사업장에서 발생하는 오하수처리에 적합한 본 발명에 따른 오하수 처리 장치의 모식도.
도 2는 활용 가능한 토지가 비교적 넓게 확보되는 마을단위 하수처리에 적합한 본 발명에 따른 오하수 처리 장치의 모식도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11a. 유입펌프 11b. 이송펌프
12. 무산소조 13. 호기조
14. 호기조 담체층 15. 산기관
16. 블로워 17. 교반기
18. 격벽 19. 침전조
22. 무산소조 23. 호기조
24. 호기조 담체층 29. 침전조

Claims (8)

  1. 단일반응조의 내부에 설치되어 단일반응조를 하단의 무산소조와 상단의 호기조로 구분하는 격벽(18), 반응조의 격벽 상부에 존재하여 호기조 내에 공기를 공급하는 산기관(15), 격벽 상부의 호기조(13), 상기 호기조 용적의 40 내지 60%를 충전하며 호기조의 상층부에 존재하는 미생물 담체층(14) 및 반응기 하부의 무산소조(12) 및 무산소조 하단에 존재하는 교반기(17)를 포함하는 단일 반응조와, 침전조(19, 29), 침전조로부터 슬러지 및 질산성 질소를 무산소조의 하단에 공급하는 이송 펌프(11b) 및 오하수 유입 펌프(11a)를 포함하는 오하수의 생물학적 고도 처리 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 산기관이 반응조 하부로부터 1/2 내지 2/3의 지점에 설치된 것인 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항 기재의 단일 반응조의 무산소조에 침전조에서 반송되는 슬러지 및 질산성 질소와 함께 유입 오하수를 공급하는 단계, 무산소조에서 탈질화 반응시키는 단계, 호기조 용적의 40 내지 60%를 충전하며 호기조 상층부에 존재하는 담체층의 질산화 미생물에 의해 잔류 유기물과 암모니아성 질소를 산화시키는 단계, 하나의 이송펌프를 사용하여 슬러지와 질산성 질소를 침전조로부터 반응조 하부로 반송하는 단계를 포함하는 생물학적 오하수 고도 처리 방법.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서, 산기관이 반응조 하부로부터 1/2 내지 2/3의 지점에 설치된 것인 방법.
  8. 삭제
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