KR100586535B1

KR100586535B1 - 질산화 미생물 그래뉼화 반응기를 이용한 하·폐수의고도처리 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR100586535B1
Application number: KR1020060019146A
Authority: KR
Inventors: 이수철; 김동진
Original assignee: 주식회사 에코비젼
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2006-06-08

Abstract

본 발명은 질산화 미생물 그래뉼화 반응기를 이용한 하·폐수 고도처리 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게 상기 시스템은 1차 침전조, 질산화 미생물 그래뉼화 반응기, 탈질조, 질산화조, 2차 침전조, 농축조, 소화조 및 탈수기로 구성되고, 상기 시스템의 질산화 미생물 그래뉼화 반응기를 이용하여 1차 침전조를 거친 고농도 질소 함유 폐수가 유입되어 질산화 미생물 그래뉼이 형성되거나, 농축조, 소화조 및 탈수기에서 발생되는 반류수가 유입되어 질산화 미생물 그래뉼이 형성되는 것을 특징으로 하는 하·폐수 고도처리 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 질산화 미생물 그래뉼화 반응기를 이용한 하·폐수 고도처리 시스템 및 방법은 질산화 미생물 그래뉼을 형성하여 상기 질산화 미생물 그래뉼을 폭기조 및 질산화조 등에 간헐적으로 유입시켜 우점화시킨 뒤 하·폐수의 질산화 및 탈질화를 수행하여 처리효율이 뛰어나며, 밀도가 높은 다량의 질산화 미생물에 의해 침전성이 우수하여 기존 활성슬러지 공정에 비해 슬러지 발생량이 현저히 저감되는 효과가 있다.

질산화 미생물 그래뉼화 반응기, 하·폐수 고도처리 시스템

Description

질산화 미생물 그래뉼화 반응기를 이용한 하·폐수의 고도처리 시스템 및 방법 {Advanced Wastewater Treatment System and Method using Nitrifying Microorganisms Granule Reactor}

도 1은 본 발명에 따른 질산화 미생물 그래뉼화 반응기가 포함된 고농도 질소함유 하·폐수처리를 위한 주처리 공정을 도시한 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 질산화 미생물 그래뉼화 반응기가 포함된 고농도 질소함유 하·폐수처리를 위한 보조처리 공정을 도시한 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 질산화 미생물 그래뉼화 반응기의 개요도를 도시한 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 질산화 미생물 그래뉼화 반응기에서의 질소 처리 부하를 도시한 그래프이다.

도 5는 본 발명에 따른 질산화 미생물 그래뉼 장치의 운전에 따른 질산화 미생물 그래뉼의 크기 변화를 도시한 사진이다 (a: 반응기 운전 70일 후, b: 반응기 운전 100일 후).

도 6은 본 발명에 따른 그래뉼과 일반 활성슬러지 미생물의 침전특성을 도시한 그래프이다.

도 7은 본 발명에 따른 질산화 미생물 그래뉼 내 질산화 미생물들의 종류 및 분포를 도시한 사진이다 (A: Nitrosomonas spp., B: Nitrosospira spp., C: Nitrobacter spp. D: genus Nitrospira).

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 1차 침전조 20: 질산화 미생물 그래뉼화 반응기

21: 원형관 22: 펌프

23: 솔레노이드 밸브 24: 블로워

25: 인출 밸브 26: 약품 펌프

27: pH 조절기 28: 레벨 스위치

29: 자동운전제어반 30: 탈질조

40: 질산화조 50: 2차 침전조

60: 농축조 70: 소화조

80: 탈수기 100: 하·폐수 고도처리 시스템

발명의 분야

본 발명은 질산화 미생물 그래뉼화 반응기를 이용한 하·폐수 고도처리 시스 템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게 상기 시스템은 1차 침전조(10), 질산화 미생물 그래뉼화 반응기(20), 탈질조(30), 질산화조(40), 2차 침전조(50), 농축조(60), 소화조(70) 및 탈수기(80)로 구성되고, 상기 시스템에서 질산화 미생물 그래뉼화 반응기(20)는 1차 침전조(10)를 거친 고농도 질소 함유 폐수가 유입되어 질산화 미생물 그래뉼이 형성되거나, 농축조(60), 소화조(70) 및 탈수기(80)에서 발생되는 반류수가 유입되어 질산화 미생물 그래뉼이 형성되는 것을 특징으로 하는 하·폐수 고도처리 방법에 관한 것이다.

발명의 배경

호수나 하천, 내해 등에 있어서 질소나 인 성분의 과잉 유입에 의한 부영양화 현상은 수환경 문제나 건강 위해성 문제뿐만 아니라 수자원의 사회적·경제적 가치를 저하시키는 등의 문제를 야기하고 있다. 특히 암모니아(NH₃-N)로 대표되는 질소 성분은 그 자체의 독성으로 인하여 수생생물에 악영향을 끼치고 있으며 인구증가 및 산업발전에 따라 그 발생량이 비례하여 증가하는 특성으로 인해 중요한 오염물질로 인식되어 왔다. 따라서 질소 성분을 제거하기 위한 하·폐수 고도처리기술의 개발은 수환경의 보호와 깨끗한 수자원 확보를 위하여 반드시 필요한 것이다. 일반적으로 질소 성분을 제거하기 위한 하·폐수 고도처리기술로는 기술적·경제적 요인으로 인하여 생물학적 처리 방법이 주로 이용된다.

하·폐수의 생물학적 질소 제거 기술은 일반적으로 호기성 조건에서 암모니 아(ammonia)를 아질산으로 산화시키는 암모니아 산화, 아질산을 질산으로 산화시키는 아질산 산화의 질산화 단계와, 무산소(anoxic) 조건에서 산화된 아질산이나 질산을 전자공여체인 유기물의 도움을 받아 질소(N₂)로 환원하는 탈질 단계로 나눌 수 있다. 질산화 단계는 독립영양미생물인 암모니아 산화균과 아질산 산화균에 의해 진행되고, 탈질 단계는 여러 종류의 종속영양미생물에 의해 진행된다.

종래 하·폐수고도처리를 위해 가장 많이 사용된 부유성장식 활성슬러지 공법은 질산화조 내 전체 미생물 중 질산화를 수행하는 미생물의 비율은 2~10% 정도 수준으로 낮아 성공적인 질소 제거를 위해서는 높은 미생물 농도, 큰 반응조 용적 및 긴 체류시간이 필요하게 된다. 또한 질산화 미생물인 독립영양 산화균은 탈질균에 비하여 수율이나 증식속도가 낮아 슬러지 내 미생물의 농도가 낮고 wash out 가능성이 높으며 pH나 온도, 저해물질 등에 활성이 민감하여 대부분 생물학적 질소 제거공정에서 율속(rate limiting) 단계로 알려져 있다. 또한 부유하는 질산화 미생물은 슬러지에 존재하는 고등생물인 윤충류(rotifers) 등에 포식관계에 있어 이의 성장이 제한 받게 된다. 따라서 종래의 기술에서는 질산화 미생물의 이러한 특성을 해결하기 위한 방안으로 부유성장 활성슬러지 내 질산화 미생물의 활성을 증가시킬 수 있는 활성 영양제을 보충하는 방법과 담체에 미생물을 부착시키는 생물막(biofilm) 방법을 사용하였다.

하·폐수 처리시 이용되는 질산화 미생물과 관련된 종래 특허로, '난분해성 폐수의 질소제거용 미생물 활성제 및 그 제조방법'(한국특허출원 출원번호 10- 2003-0095157, 2003.12.23)은 카올리라이트, FeCl₃, 그리고 미분쇄된 쌀겨 등을 포함하는 활성 영양제를 폐수처리 시스템에 적용하여 질산화 미생물의 활성을 증대시키는 방법을 개시하고 있고, '포괄고정 미생물이 충전된 질산화 및 탈질 분리공정을 이용한 하수, 산업폐수, 축산폐수 및 침출수 등의 처리용 생물학적 처리시스템'(한국특허출원 등록번호 10-0430972, 2004.04.29)은 하수, 산업폐수, 축산폐수 및 침출수 등에 함유된 유기물 및 질소를 효율적으로 처리하기 위하여 포괄고정 미생물, 즉 폴리머에 강제 고정된 혼합 미생물에 관하여 개시하고 있다. 또한, '질산화균의 우점배양을 이용한 하·폐수 고도처리 장치'(한국특허출원 10-1999-0009977, 1999.03.24)는 유입수 중에 존재하는 유기물질을 미생물들의 기질로 이용하기 위하여 유입수 우회 흐름을 적용하여 미생물이 성장할 수 있도록 하는 장치에 관하여 개시하고 있고, '슬러지의 혐기성 또는 호기성 소화액으로 배양한 질산화미생물을 이용한 하수고도처리방법'(한국특허출원 10-2002-0022767, 2002.04.25)는 혐기조, 무산소조, 폭기조 및 침전조를 구비하여 생물학적으로 하수를 정화하는 방법에서, 침전조로부터 폐기되는 잉여 슬러지를 질산화균의 배양기질로 사용하는 방법에 관하여 개시하고 있다.

그러나 상기 특허들은 질산화 미생물의 활성을 증가시킬 수 있는 활성 영양제와 포괄고정 미생물, 즉 폴리머에 강제 고정된 혼합 미생물을 이용하고 있으나, 일부 성분이 오염물질로 작용하며, 처리공정의 활용 제한성, 생물반응기 내부의 불균일한 혼합 및 미생물 부착과 탈리 등의 문제점을 갖고 있다.

이에, 본 발명자들은 종래 기술의 단점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 하·폐수를 처리함과 동시에 부유성장 질산화 미생물들을 고가의 담체나 회전체 등의 지지체 없이 강하고 견고한 생물막 형태의 그래뉼로 성장시켜 처리효율이 뛰어나며, 침강성이 우수하고 기존 활성슬러지 공정에 비해 슬러지 발생량을 현저히 저감되는 것을 확인함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 주된 목적은 질산화 미생물 그래뉼화 반응기를 이용한 하·폐수 고도처리 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 시스템을 이용하는 것을 특징으로 하는 하·폐수의 고도처리 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 전처리를 거친 유입수의 고형물을 제거하는 1차 침전조(10), 1차적으로 질산화된 폐수가 N₂가스로 제거되는 탈질조(30), 미처리된 유기질소 및 암모니아성 질소를 아질산 또는 질산으로 산화시키는 질산화조(40) 및 처리된 처리수와 미생물을 고액 분리하는 2차 침전조(50), 잉여 슬러지 농축을 위한 농축조(60), 농축여액을 안정화시키기 위한 소화조(70) 및 소화 여액 탈수를 위한 탈수기(80)를 포함하는 하·폐수 고도처리 시스템에 있어서, 유입공기의 환형순환 및 미생물 전단력을 최대로 형성시키는 원형관(21), 유입수를 유입하는 펌프(22), 질산화 미생물 그래뉼화 반응기를 통해 처리된 처리수를 자동적으로 배출시키는 솔레노이드 벨브(23), 공기를 공급하는 블로워(24), 생산된 질산화 미생물 그래뉼을 질산화조 및 탈질조 또는 농축조로 이송시키는 인출밸브(25), 약품 펌프(26), pH 조절장치(27) 및 자동 운전 및 모니터링을 위한 자동운전제어반(29)으로 구성되고, 질산화 미생물 그래뉼을 형성하는 질산화 미생물 그래뉼화 반응기(20)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 하·폐수 고도처리 시스템을 제공한다.

본 발명은 또한, (a) 1차 침전조를 거친 고농도 질소 함유 하·폐수를 질산화 미생물 그래뉼화 반응기에서 1차 질산화하고, 아질산 산화균의 성장을 저해하여 암모니아 산화균이 주로 분포하는 질산화 미생물의 그래뉼을 형성하는 단계; (b) 상기 질산화 미생물의 그래뉼 형성 단계에서 얻어진 아질산 및 질산성 질소를 함유하는 폐수를 탈질조로 유입시켜 탈질 미생물에 의해 질소가스(N₂)로 환원시키는 탈질단계; (c) 상기 탈질단계를 거친 폐수 내 잔존하는 유기질소 및 암모니아성 질소를 질산화조에서 산화시키는 질산화 단계; (d) 상기 질산화 단계에서 생성된 질산을 내부반송을 통해 탈질조로 재주입하여 질소가스로 완전 탈질시키는 내부반송 및 탈질단계; 및 (e) 상기 탈질화된 혼합액을 2차 침전조로 이송하여 처리수 및 미생물 슬러지로 분리시키고, 상기 미생물 슬러지의 일부는 질산화조 또는 질산화 미생물 그래뉼화 반응기로 반송하고, 일부는 슬러지 농축, 소화 및 탈수단계를 거쳐 폐 기하는 단계를 포함하는 상기 시스템을 이용한 하·폐수의 고도처리 방법을 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 (a) 단계는 (ⅰ) 배양기질로 고농도의 암모니아가 함유된 폐수를 질산화 미생물이 포함된 반응기에 연속회분 방식으로 주입하는 단계; (ⅱ) 상기 질산화 미생물 그래뉼화 반응기로 질산화에 필요한 산소를 공급하면서 질산화 미생물의 그래뉼을 형성시키는 단계; (ⅲ) 산소공급을 중단하여 반응기 혼합을 중지시킨 다음, 형성된 질산화 미생물 그래뉼은 침강시키고, 그래뉼이 형성이 되지 않은 슬러지는 배출하는 단계; 및 (ⅳ) 상기 침강된 질산화 미생물 그래뉼을 인출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 또한, (a) 하·폐수처리장 등에서 발생되는 농축여액, 소화여액, 탈수여액 등의 고농도 질소함유 반류수를 이용하여 질산화 미생물 그래뉼화 반응기에서 1차 질산화하고, 아질산 산화균의 성장을 저해하여 암모니아 산화균이 주로 분포하는 질산화 미생물의 그래뉼을 형성하는 단계; (b) 상기 질산화 미생물의 그래뉼을 폭기조 및 질산화조에 유입하여 유기질소 및 암모니아성 질소를 아질산 및 질산성 질소로 산화시키는 질산화 단계; (c) 상기 질산화 단계에서 얻어진 아질산 및 질산성 질소를 함유하는 폐수를 탈질조로 유입시켜 탈질 미생물에 의해 질소가스(N₂)로 환원시키는 탈질단계; 및 (d) 탈질화된 혼합액을 2차 침전조로 이송하여 처리수 및 미생물 슬러지로 분리시키고, 상기 미생물 슬러지의 일부는 질산화조 또는 질산화 미생물 그래뉼화 반응기로 반송하고, 일부는 슬러지 농축, 소화 및 탈수 단계를 거쳐 폐기하는 단계를 포함하는 상기 시스템을 이용한 하·폐수의 고도처리 방법을 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명에 따른 질산화 미생물 그래뉼화 반응기를 이용한 하·폐수 고도처리 시스템은 1차 침전조(10), 질산화 미생물 그래뉼화 반응기(20), 탈질조(30), 질산화조(40), 2차 침전조(50), 농축조(60), 소화조(70) 및 탈수기(80)로 구성된다. (도 1 및 도 2)

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 질산화 반응기(20)는 1차 침전조(10)를 거친 고농도 질소함유 폐수가 유입되어 질산화 미생물 그래뉼이 형성되거나, 상기 농축조(60), 소화조(70), 탈수기(80)에서 발생되는 반류수가 유입되어 질산화 미생물 그래뉼이 형성된다.

상기 질산화 미생물 그래뉼화 반응기(20)는 아크릴 소재의 원형관으로, 내부 에 수리학적 환형의 전단력으로 구형의 그래뉼을 형성할 수 있도록 한 내부 원형관(21), 암모니아를 포함한 하·폐수를 주입하는 펌프(22), 처리수의 배출을 위한 솔레노이드(Solenoid) 밸브(23) 및 그래뉼의 배출을 위한 솔레노이드 밸브(25), 공기공급을 위한 블로워(24), 약품 펌프(26), pH 조절기(27), 반응기 수위 조절을 위한 레벨스위치(28), 그리고 자동운전 제어반(29)으로 구성된다. (도 3)

상기와 같은 구성요소를 구비한 질산화 미생물 그래뉼화 반응기(20)를 이용한 하·폐수 고도처리 시스템은 다음의 단계를 거쳐 하·폐수를 고도처리하는데, 하·폐수의 고도처리 방법을 살펴보면, (a) 고형물 제거를 위한 1차 침전조를 거친 고농도 질소 함유 하·폐수를 질산화 미생물 그래뉼화 반응기에서 1차 질산화하고,아질산 산화균의 성장을 저해하여 암모니아 산화균이 주로 분포하는 질산화 미생물의 그래뉼을 형성하는 단계; (b) 상기 질산화 미생물의 그래뉼 형성 단계에서 얻어진 아질산 및 질산성 질소를 함유하는 폐수를 탈질조로 유입시켜 탈질 미생물에 의해 질소가스(N₂)로 환원시키는 탈질단계; (c) 상기 탈질단계를 거친 폐수 내 잔존하는 유기질소 및 암모니아성 질소를 질산화조에서 산화시키는 질산화 단계; (d) 상기 질산화 단계에서 생성된 질산을 내부반송을 통해 탈질조로 재주입하여 질소가스로 완전 탈질시키는 내부반송 및 탈질 단계; 및 (e) 상기 탈질화된 혼합액을 2차 침전조로 이송하여 처리수 및 미생물 슬러지로 분리시키고, 상기 미생물 슬러지의 일부는 질산화조 또는 질산화 미생물 그래뉼화 반응기로 반송하고, 일부는 슬러지 농축, 소화 및 탈수단계를 거쳐 폐기하는 단계로 구성되어 있으며, 상기 (a) 단계 는 (ⅰ) 배양기질로 고농도의 암모니아가 함유된 폐수를 질산화 미생물이 포함된 반응기에 연속회분 방식으로 주입하는 단계; (ⅱ) 상기 질산화 미생물 그래뉼화 반응기로 질산화에 필요한 산소를 공급하면서 질산화 미생물의 그래뉼을 형성시키는 단계; (ⅲ) 산소공급을 중단하여 반응기 혼합을 중지시킨 다음, 형성된 질산화 미생물 그래뉼은 침강시키고, 그래뉼이 형성이 되지 않은 슬러지는 배출하는 단계; 및 (ⅳ) 상기 침강된 질산화 미생물 그래뉼을 인출하는 단계를 포함한다.

상기 시스템을 이용한 하·폐수를 고도처리하는 또 다른 방법은 (a) 하·폐수처리장 등에서 발생되는 농축여액, 소화여액, 탈수여액 등의 고농도 질소함유 반류수를 이용하여 질산화 미생물 그래뉼화 반응기에서 1차 질산화 및 아질산 산화균의 성장을 저해하여 암모니아 산화균이 주로 분포하는 질산화 미생물의 그래뉼을 형성하는 단계; (b) 상기 질산화 미생물의 그래뉼을 폭기조 및 질산화조에 유입하여 유기질소 및 암모니아성 질소를 아질산 및 질산성 질소로 산화시키는 질산화 단계; (c) 상기 질산화 단계에서 얻어진 아질산 및 질산성 질소를 함유하는 폐수를 탈질조로 유입시켜 탈질 미생물에 의해 질소가스(N₂)로 환원시키는 탈질단계; 및 (d) 탈질화된 혼합액을 2차 침전조로 이송하여 처리수 및 미생물 슬러지로 분리시키고, 상기 미생물 슬러지의 일부는 질산화조 또는 질산화 미생물 그래뉼화 반응기로 반송하고, 일부는 슬러지 농축, 소화 및 탈수단계를 거쳐 폐기하는 단계로 구성되어 있으며, 상기 (a) 단계는 (ⅰ) 배양기질로 고농도의 암모니아가 함유된 폐수를 질산화 미생물이 포함된 반응기에 연속회분 방식으로 주입하는 단계; (ⅱ) 상기 질산화 미생물 그래뉼화 반응기로 질산화에 필요한 산소를 공급하면서 질산화 미생물의 그래뉼을 형성시키는 단계; (ⅲ) 산소공급을 중단하여 반응기 혼합을 중지시킨 다음, 형성된 질산화 미생물 그래뉼은 침강시키고, 그래뉼이 형성이 되지 않은 슬러지는 배출하는 단계; 및 (ⅳ) 상기 침강된 질산화 미생물 그래뉼을 인출하는 단계를 포함한다.

상기 질산화 미생물의 그래뉼을 형성하는 (a) 단계의 (ⅱ)단계에서 공급되는 산소는 산소가 과잉으로 포함된 공기를 상향류 방식으로 공급하여 접촉시키며, 상기 질산화에 필요한 산소의 공급속도는 0.005~0.2m/s인 것이 바람직하다.

또한, 슬러지의 침강속도를 크게 하여 그래뉼 형성이 되지 않는 슬러지를 선택적으로 반응기에서 배제하며, 상기 침강속도는 10~60 m/h인 것이 바람직하다.

상기 질산화 미생물 그래뉼화 반응기(20)는 연속회분식으로 운전되고, 상기 단계를 반복하여 진행되는 것을 특징으로 한다.

상기 생산된 질산화 미생물을 상기 하·폐수 고도처리 시스템(100)의 질산화조(40)에 반송시켜 상기 질산화 미생물 그래뉼화 반응기(20) 내에 주요 미생물로 우점화시키면, 그래뉼의 밀도가 매우 높아져 침전성이 우수해지는 것을 특징으로 한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않을 것이다.

실시예 1: 질산화 미생물의 그래뉼 방법

도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명에 사용한 질산화 미생물 그래뉼화 반응기(20)는 아크릴 소재의 원형관으로, 내부에 수리학적 환형의 전단력으로 구형의 그래뉼을 형성할 수 있도록 한 내부 원형관(21), 암모니아를 포함한 하·폐수를 주입하는 펌프(22), 처리수의 배출을 위한 솔레노이드(Solenoid) 밸브(23) 및 그래뉼의 배출을 위한 솔레노이드 밸브(25), 공기공급을 위한 블로워(24), 약품 펌프(26), pH 조절기(27), 반응기 수위 조절을 위한 레벨스위치(28), 및 자동운전제어반(29)으로 구성되었다.

상기 질산화 미생물 그래뉼화 반응기(20)는 높이 200cm, 외경 15cm로 되어 있고, 침전 후 상등액과 그래뉼 배출을 위한 솔레노이드 밸브(23), (25)는 각각 반응기의 중간 높이인 100cm와 반응기 바닥에 설치하였다. 공기량은 조절 밸브를 이용하여 0.005~0.2 m/s 범위에서 조절하였으며 반응기 하단부에서 상향류식으로 공기를 주입하여 주었다. 반응기 내 pH는 pH 조절기(27)를 이용하여 7.0~8.0 범위에서 일정하게 유지하였다.

질산화 미생물이 포함된 하수처리장 잉여슬러지를 반응기에 접종하고 암모니아가 함유된 폐수를 반응기에 주입하면서 운전을 시작하였다. 질산화 미생물 그래뉼화 반응기는 연속회분식으로 운전되며, 운전 순서는 암모니아 폐수의 주입단계, 질산화 및 그래뉼 형성 단계, 그래뉼의 침전단계, 침강성이 불량한 미생물 및 그래뉼이 포함된 상등액 배출 단계의 순으로 반복하여 진행하였으며, 경우에 따라 반응 기의 그래뉼을 상등액 배출 후 인출하였다.

유입 폐수의 암모니아 농도는 100 mg-N/L 이상으로 2,000 mg-N/L까지 운전 가능하며 암모니아 농도가 그 이상일 경우에는 희석하여 사용할 수도 있다. 주입, 폭기, 침전 및 배출 단계에 소요되는 시간은 유입 암모니아성 질소의 농도에 따라 변경하여 주었으며 일반적으로 한 사이클에 3~12시간이 소요되도록 하였다. 암모니아와 더불어 질산화 미생물의 세포구성을 위한 무기탄소원(HCO₃ ^-, CO₃ ^2-)은 NaHCO₃나 Na₂CO₃를 공급하였다. 이들 무기탄소원의 농도는 적어도 500 mg/L 정도가 되어야 하고 여기에 암모니아 농도에 7.13(CaCO₃ 기준)을 곱한 값의 무기탄소원이 더 있어야 질산화에 따라 pH 저하를 막고 세포합성에 필요한 충분한 탄소원을 제공할 수 있다. 그 외 무기물은 하기의 표 1과 같은 조성 범위에서 사용하였다.

표 1. 질산화 미생물 그래뉼을 형성을 위한 폐수의 조성

성분	농도	성분	농도
CaCl_2·2H₂O	7∼70 mg/L	NaHPO_4·12H₂O	20∼200 mg/L
FeCl_3·6H₂O	5∼50 mg/L	MgSO_4·H₂O	5∼100 mg/L
KCl	5∼50 mg/L	KH₂PO₄	10∼100 mg/L

상기 질산화 미생물 그래뉼화 반응기의 운전 시 침전단계의 시간을 짧게 유지하면 침강성이 양호한 그래뉼은 반응기 하단부에 충분히 침강하지만 그래뉼을 형성하지 못하거나 침강 속도가 낮은 부유 미생물들은 배출단계에서 wash out되게 된다. 이러한 조작을 반복할 경우 침강성이 우수한 그래뉼을 형성하는 질산화 미생물 들이 우점종을 차지하는 선택적 압력으로 작용하게 된다. 본 발명에서는 연속회분 반응기의 침강속도를 10~60m/h로 유지하면서 그래뉼이 선택적으로 축적되도록 운전하였다.

실시예 2: 고농도 질소함유 하·폐수 처리를 위한 질산화 미생물 그래뉼화 반응기의 적용

상기 실시예 1의 질산화 미생물 그래뉼화 반응기(20)에서 폐수의 질산화 실험을 수행하였다. 질산화 미생물 그래뉼화 반응기는 유효부피 30L(φ15cm ㅧ H200cm)의 원통형으로 만들어졌고, 암모니아 폐수의 유입(5분)-폭기 및 질산화(5시간 40분)-침전(1~3분)-처리수 배출(5분)-슬러지 인출 및 대기(7~9분)으로 한 싸이클은 6시간이었다. 한 사이클에서 처리수는 전체 반응기 부피의 1/2인 15 L를 배출하여 전체적인 폐수의 수리학적 체류시간은 12시간이다. 실험에 사용된 폐수의 암모니아성 질소 농도는 200~1,000 mg-N/L 이었으며, NaHCO₃ 1.2~6 g/L, MgSO₄·H₂O 5 mg/L, KCl 7 mg/L, NaHPO₄·12H₂O 29 mg/L, CaCl₂·2H₂O 7 mg/L, KH₂PO₄ 11 mg/L, FeCl₃·6H₂O 1 mg/L이며, 반응기의 pH와 온도는 각각 7.3~7.5와 28℃± 1.0로 유지하였다. 질산화에 필요한 용존산소는 2~5 mg/L로 유지하였고 반응기에 질산화 그래뉼은 건조중량기준으로 약 6,000~8,000 mg/L로 유지하였다. 도 4는 상기 질산화 미생물 그래뉼화 반응기에서의 유입 질소부하의 처리를 그래프로 도시하고 있다.

도 5는 상기 질산화 미생물 그래뉼화 반응기 운전 70일 후와 100일 후의 반 응기 내 미생물들을 현미경으로 관찰한 사진을 도시한 것으로, 상기 질산화 미생물 그래뉼은 슬러지를 접종하고 3~4주가 지나면서 100~500㎛ 크기로 성장하고 10주가 지나면서 큰 것은 1,000~1,500㎛까지 성장하였다. 그 결과 질산화 미생물 그래뉼화 반응기(20)에서 70일 후의 그래뉼은 구형 및 타원형의 모양으로 800~1,200㎛의 크기를 보였으며(도 5-a) 100일 후의 그래뉼은 구형에 가깝고 1,500~2,000㎛의 크기를 보였다(도 5-b).

그 결과, 본 발명에 의한 질산화 미생물 그래뉼화 반응기를 통해 담체, 회전체 등의 지지체가 없이도 호기성 상태에서 부유미생물들이 생물막 형태로 존재하고 있음을 알 수 있다. 그러므로 일반적인 활성슬러지 공법에서 주요 질산화 미생물들이 로티퍼와 같은 윤충류에 의한 포식으로 그 개체수가 감소하는데 반해 본 발명에 의한 질산화 미생물 그래뉼은 윤충류에 의한 포식을 방지할 수 있으므로 안정적인 질산화 미생물의 유지가 가능하였으며, 외부 환경변화에 대한 완충능력이 매우 뛰어났다.

도 6은 일반 하수처리장 폭기조 내 미생물과 본 발명에 의한 질산화 미생물 그래뉼화 반응기를 통해 제조된 질산화 미생물 그래뉼의 단위 무게당 부피를 나타내는 SVI(Sludge Volume Index) 값을 도시한 것으로, 운전기간동안 비교 조사된 일반 하수처리장 폭기조 내 미생물의 SVI 값은 140~210(평균 ≒190)을 나타낸 반면 질산화 미생물 그래뉼의 SVI 값은 38~75(평균 ≒55)로 침강 농축성이 매우 우수한 것으로 나타났다. 일반적으로 SVI 값이 50~150일 때 침강성이 양호하며 200 이상이면 최종 침전조에서 슬러지 팽화가 발생하여 처리수질을 악화시키는 주원인이 된 다. 그러므로 본 발명에 의해 생산된 질산화 미생물 그래뉼을 질산화조로 반송시켜 주요 미생물로 우점화시킴으로써, 그래뉼의 밀도가 매우 높아 높은 슬러지 침전성 및 슬러지 팽화 문제를 해결할 수 있었다.

실시예 3 : 질산화 미생물 그래뉼화 반응기에서의 슬러지 발생 저감 효과

표 2 및 도 7에 본 질산화 미생물 그래뉼화 반응기의 운전 기간동안 FISH(Fluorescent In Situ Hybridization) 분석을 통한 질산화 미생물 그래뉼 내 질산화 미생물의 군집구조를 도시하고 있다. 주요 질산화 미생물로는 암모니아 산화균인 Nitrosomonas spp.는 운전 초기 약 6%에서 운전 100일 후 약 31%까지 증가하였으며 Nitrosospira spp.는 약 2%에서 약 8%까지 증가하였다. 아질산 산화균의 경우 Nitrobacter spp.는 운전 초기 약 1%에서 약 11%까지 증가하였으며 genus Nitrospira는 약 0.05%에서 약 1%정도로 증가하였다. 이 외에도 다수의 질산화 미생물들이 그래뉼 내에 분포한다. 이와 같은 결과는 종속영양 미생물들은 성장속도가 빨라 밀도가 낮은 느슨한 플록을 형성하여 빠른 침전 속도를 요구하는 질산화 미생물 그래뉼화 반응기에서 대부분 wash out되고 성장속도는 느리지만 상대적으로 강하고 견고한 구조의 큰 밀도를 가지는 질산화 미생물들은 그래뉼을 형성하여 빠른 침전 시간에도 반응기에 침전되어 유지되기 때문이었다.

그러므로 기존 활성슬러지 공법의 질산화조 내 질산화 미생물의 분포가 전체 미생물 중 2~10% 정도인 반면 본 발명에 의한 질산화 미생물 그래뉼화 반응기를 이용한 하·폐수 고도처리 시스템 및 고도처리방법의 경우, 전체미생물 중 질산화 미 생물 농도는 기존 활성슬러지에 비해 2~4배 더 많이 존재하게 되며, 같은 미생물량에서의 질산화 효율은 기존 활성슬러지공정에 비해 그래뉼 반응기에서 최소 2~4배 이상 증가함을 의미하는 것이다. 또한 종래의 활성슬러지법을 이용한 고농도 암모니아 폐수를 처리할 경우 높은 미생물 농도, 큰 질산화조 용량, 긴 체류시간이 필요로 하게 되어 슬러지 발생량 및 초기 건설비용, 유지관리 비용이 많이 소요되는데 반해, 본 발명에 따른 본 발명에 의한 질산화 미생물 그래뉼화 반응기를 이용한 하·폐수 고도처리 시스템 및 고도처리방법의 처리 시 기존 공정에 비해 필요한 미생물량이 30% 이상 감소되므로 슬러지 발생량이 저감되며, 짧은 체류시간에서도 질산화조 용적을 최대 1/4 수준으로 줄일 수 있다.

표 2. 질산화 미생물 그래뉼화 반응기 내 질산화 미생물의 종류 및 분포

비고	Nitrosomonas spp.	Nitrosospira spp.	Nirtrobacter spp.	genus Nitrospira
운전초기	6 ± 1.5 %	2 ± 0.2 %	1 ± 0.5 %	0.05 ± 0.01 %
운전 70일	26 ± 2.0 %	5 ± 0.5 %	8 ± 0.5 %	0.2 ± 0.05 %
운전 100일	31 ± 1.5 %	8 ± 0.2 %	11 ± 1.0 %	1.0 ± 0.15 %

실시예 4 : 질산화 미생물 그래뉼화 반응기에서의 폐수의 질산화 및 아질산 축적 특성 확인

상기 실시예 1에 의해 제조된 질산화 미생물 그래뉼을 별도의 연속회분식 생물반응조에 우점화시킨 후 짧은 체류시간 하에서 질산화 특성을 알아보는 실험을 하였다. 생물반응조의 운전은 암모니아 폐수의 유입(5분)-폭기 및 질산화(2시간 40분)-침전(1~3분)-처리수 배출(5분)-슬러지 인출 및 대기(7~9분)로 하여 한 싸이클 시간을 3시간으로 하였다. 용존 산소 농도는 2mg/L로 유지하였고 다른 조건은 실시예 2에서와 동일하게 유지하였다. 연속회분식 생물반응조 내에서는 유입되는 100mg-N/L 암모니아성 질소는 빠르게 아질산성 질소로 전환시킴을 확인할 수 있었으나 암모니아성 질소의 대부분이 아질산성 질소로 산화될 때까지 아질산 산화균의 활성은 낮은 상태로 5mg/L 정도의 질산성 질소가 생성되었다. 이는 그래뉼 내 높은 밀도로 존재하는 암모니아 산화균에 의해 빠르게 암모니아의 산화는 이루어지지만 다음 단계의 아질산 산화는 짧은 체류시간에 의해 미처 이루어지지 않았다. 이처럼 암모니아를 아질산으로까지만 부분 질산화시킬 경우, 질산으로의 완전 질산화 시보다 약 25%의 산소 절약 효과가 있고 탈질시 40%의 외부탄소원 절약효과가 있었다. 상기 질산화 미생물 그래뉼에 의해 암모니아의 약 90% 정도는 아질산으로 축적되고, 10% 정도만이 질산으로 완전 질산화되었다. 따라서 순 산소 소모량은 25%의 90% 만큼인 22.5%가 절약될 수 있고 탈질에 필요한 외부탄소원의 경우 40%의 90%인 36%가 절약될 수 있다.

상기의 질산화 미생물 그래뉼에서 아질산 산화균의 활성저하 현상은 세가지로 설명될 수 있다. 첫째, 아질산 산화균의 개체수가 암모니아 산화균에 비해 적어 상대적으로 아질산 산화균의 활성이 낮을 수 있다. 둘째, 폐수 내 암모니아성 질소에 의한 자유 암모니아의 경우 암모니아 산화균에 비해 아질산 산화균이 더 많은 저해를 받기 때문에 활성이 낮을 수 있다. 셋째, 그래뉼에서의 질산화 미생물 분포를 보면 아질산 산화균은 암모니아 산화균보다 더 그래뉼 내부에 주로 분포하고 있고 그래뉼 외부에서 공급되는 산소를 이용할 수 있는 기회가 암모니아 산화균보다 더 낮고 또한 산소에 대한 기질 친화도(K_s)도 암모니아 산화균에 비해 낮아서 같은 조건에서 산소를 이용하기 위한 경쟁에서 암모니아 산화균보다 불리한 위치에 놓여 있다. 용존산소의 농도를 2 mg/L 이하로 유지할 때 이러한 아질산 축적 특성을 확인할 수 있다. 상기 이유들로 인해 먼저 암모니아가 아질산으로 산화되고 암모니아 산화가 완결된 후에 아질산이 질산성 질소로 산화되었다. 따라서 연속회분 반응기에서 포기 시간을 암모니아 산화가 끝나는 시간까지로 제한하면 암모니아는 대부분 아질산성 질소로 산화된 후 바로 탈질될 수 있다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 높은 처리효율을 가지는 질산화 미생물 그래뉼화 반응기를 이용한 하·폐수 고도처리 시스템 및 상기 시스템을 이용한 하·폐수의 고도처리 방법을 제공하는 효과가 있다. 본 발명에 따른 질산화 미생물 그래뉼화 반응기를 이용한 하·폐수 고도처리 시스템은 고농도의 질소를 함 유한 하·폐수를 질산화 미생물 그래뉼화 반응기에 주입하여 처리함과 동시에 환경변화에 민감한 질산화 미생물들을 고가의 담체, 회전체, 폴리머, 응집제 등의 사용 없이 강하고 견고한 생물막 형태의 질산화 미생물 그래뉼로 성장시키고, 상기 질산화 미생물 그래뉼을 폭기조 및 질산화조 등에 간헐적으로 유입시켜 우점화시킨 뒤, 하·폐수의 질산화 및 탈질화를 수행하여 처리효율이 뛰어나며, 밀도가 높은 다량의 질산화 미생물에 의해 침전성이 우수하여 기존 활성슬러지 공정에 비해 슬러지 발생량이 30% 이상 저감되고, 슬러지 벌킹 방지의 효과가 있다. 뿐만 아니라, 암모니아 산화균 위주의 선택적 질산화 방법을 적용하는 경우, 질산화에 필요한 산소 소비량 및 탈질에 필요한 유기물의 양이 현저히 감소되며, 우수한 침강성 및 다량의 질산화 미생물을 반응조에 유지시키므로 질산화조 부피를 절감시키는 효과가 있다.

Claims

전처리를 거친 유입수의 고형물을 제거하는 1차 침전조(10), 1차적으로 질산화된 폐수가 N₂가스로 제거되는 탈질조(30), 미처리된 유기질소 및 암모니아성 질소를 아질산 또는 질산으로 산화시키는 질산화조(40) 및 처리된 처리수와 미생물의 고액 분리하는 2차 침전조(50), 잉여 슬러지 농축을 위한 농축조(60), 농축여액을 안정화시키기 위한 소화조(70) 및 소화 여액 탈수를 위한 탈수기(80)를 포함하는 하·폐수 고도처리 시스템에 있어서,

유입공기의 환형순환 및 미생물 전단력을 최대로 형성시키는 원형관(21), 유입수를 유입하는 펌프(22), 질산화 미생물 그래뉼화 반응기를 통해 처리된 처리수를 자동적으로 배출시키는 솔레노이드 벨브(23), 공기를 공급하는 블로워(24), 생산된 질산화 미생물 그래뉼을 질산화조 및 탈질조 또는 농축조로 이송시키는 인출밸브(25), 약품 펌프(26), pH 조절장치 (27) 및 자동 운전 및 모니터링을 위한 자동운전제어반(29)으로 구성되고, 질산화 미생물 그래뉼을 형성하는 질산화 미생물 그래뉼화 반응기(20)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 하·폐수 고도처리 시스템.
다음의 단계를 포함하는, 제1항의 하·폐수 고도처리 시스템을 이용한 하· 폐수의 고도처리 방법:

(a) 1차 침전조를 거친 고농도 질소 함유 하·폐수를 질산화 미생물 그래뉼화 반응기에서 1차 질산화하고, 아질산 산화균의 성장을 저해하여 암모니아 산화균이 주로 분포하는 질산화 미생물의 그래뉼을 형성하는 단계;

(b) 상기 질산화 미생물의 그래뉼 형성 단계에서 얻어진 아질산 및 질산성 질소를 함유하는 폐수를 탈질조로 유입시켜 탈질 미생물에 의해 질소가스(N₂)로 환원시키는 탈질단계;

(c) 상기 탈질단계를 거친 폐수 내 잔존하는 유기질소 및 암모니아성 질소를 질산화조에서 산화시키는 질산화 단계;

(d) 상기 질산화 단계에서 생성된 질산을 내부반송을 통해 탈질조로 재주입하여 질소가스로 완전 탈질시키는 내부반송 및 탈질단계; 및

(e) 상기 탈질화된 혼합액을 2차 침전조로 이송하여 처리수 및 미생물 슬러지로 분리시키고, 상기 미생물 슬러지의 일부는 질산화조 또는 질산화 미생물 그래뉼화 반응기로 반송하고, 일부는 슬러지 농축, 소화 및 탈수단계를 거쳐 폐기하는 단계.
제2항에 있어서, 상기 (a) 단계는 다음의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:

(ⅰ) 배양기질로 고농도의 암모니아가 함유된 폐수를 질산화 미생물이 포함된 반응기에 연속회분 방식으로 주입하는 단계;

(ⅱ) 상기 질산화 미생물 그래뉼화 반응기로 질산화에 필요한 산소를 공급하면서 질산화 미생물의 그래뉼을 형성시키는 단계;

(ⅲ) 산소공급을 중단하여 반응기 혼합을 중지시킨 다음, 형성된 질산화 미생물 그래뉼은 침강시키고, 그래뉼이 형성이 되지 않은 슬러지는 배출하는 단계; 및

(ⅳ) 상기 침강된 질산화 미생물 그래뉼을 인출하는 단계.
다음의 단계를 포함하는, 제1항의 하·폐수 고도처리 시스템을 이용한 하·폐수의 고도처리 방법:

(a) 하·폐수처리장 등에서 발생되는 농축여액, 소화여액, 탈수여액 등의 고농도 질소함유 반류수를 이용하여 질산화 미생물 그래뉼화 반응기에서 1차 질산화하고, 아질산 산화균의 성장을 저해하여 암모니아 산화균이 주로 분포하는 질산화 미생물의 그래뉼을 형성하는 단계;

(b) 상기 질산화 미생물의 그래뉼을 폭기조 및 질산화조에 유입하여 유기질소 및 암모니아성 질소를 아질산 및 질산성 질소로 산화시키는 질산화 단계;

(c) 상기 질산화 단계에서 얻어진 아질산 및 질산성 질소를 함유하는 폐수를 탈질조로 유입시켜 탈질 미생물에 의해 질소가스(N₂)로 환원시키는 탈질단계; 및

(d) 탈질화된 혼합액을 2차 침전조로 이송하여 처리수 및 미생물 슬러지로 분리시키고, 상기 미생물 슬러지의 일부는 질산화조 또는 질산화 미생물 그래뉼화 반응기로 반송하고, 일부는 슬러지 농축, 소화 및 탈수단계를 거쳐 폐기하는 단계.
제4항에 있어서, 상기 (a) 단계는 다음의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:

(ⅰ) 배양기질로 고농도의 암모니아가 함유된 폐수를 질산화 미생물이 포함된 반응기에 연속회분 방식으로 주입하는 단계;

(ⅱ) 상기 질산화 미생물 그래뉼화 반응기로 질산화에 필요한 산소를 공급하면서 질산화 미생물의 그래뉼을 형성시키는 단계;

(ⅲ) 산소공급을 중단하여 반응기 혼합을 중지시킨 다음, 형성된 질산화 미생물 그래뉼은 침강시키고, 그래뉼이 형성이 되지 않은 슬러지는 배출하는 단계; 및

(ⅳ) 상기 침강된 질산화 미생물 그래뉼을 인출하는 단계.