KR100603182B1 - 폐야쿠르트 용기를 생물막의 담체로 이용한 하수 고도처리공법 - Google Patents
폐야쿠르트 용기를 생물막의 담체로 이용한 하수 고도처리공법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 폐야쿠르트 용기를 생물막의 담체로 이용한 하수 고도처리 공법에 관한 것으로서, 유입 하수 중 협잡물을 스크린조에서 사전에 걸러주는 스크린조 단계와; 상기 스크린조에서 협잡물이 걸러진 하수는 부패방지를 위해 유량 조정조에서 유입된 하수를 교반하면서 유량을 조정하는 유량 조정조 단계와; 상기 유량 조정조에서 유입되는 하수를 고농도 유기물의 혐기성 분해 및 인의 방출을 유도하는 혐기조 단계와; 상기 혐기조로부터 무산소조로 유입되는 하수의 질산성 질소를 탈질하고, 인의 섭취를 유도하는 무산소조 단계와; 상기 무산소조로부터 폐야쿠르트 용기의 밑면을 잘라내어 양단이 관통되도록 재활용된 다수개의 소형관통체가 충진된 접촉 폭기조로 유입되는 하수의 유기물을 미생물에 의해 산화 및 분해 과정을 거쳐 처리하는 접촉 폭기조 단계와; 다수의 접촉 폭기조 단계를 거쳐 정화된 하수를 안정시켜 침강된 슬러지는 유량 조정조 단계로 이송시켜 재순환시키고, 정화된 하수는 침전조로 이송시키는 하수 순환 단계와; 상기 하수 순환 단계에서 정화되어 침전조로 유입되는 처리수에 함유된 슬러지는 침전시키고, 침전된 슬러지는 상기 유량 조정조 단계로 이송시켜 재순환시키는 침전조 단계와; 상기 침전조 단계에서 유입되는 처리수를 U/V살균에 의해 소독하여 방류시키는 소독 및 방류단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 폐야쿠르트 용기를 생물막의 담체로 이용한 하수 고도처리 공법은 폐야쿠르트 용기를 재활용하여 담체로 활용함으로써 담체의 비표면적과 SS 포착성을 향상시켰고, 폐야쿠르트 용기를 불규칙적으로 충진함으로써 산소공급이 불규칙적으로 이루어져서 DO농도 및 수질변화에 따른 호기성 미생물과 무산소 혹은 혐기성 미생물이 모두 공존할 수 있는 환경을 만들어 주어 미생물에 의한 하수 고도처리 효율을 향상시키는 효과가 있다.
그리고 접촉 폭기조 내에 하수를 순환시키는 설비 및 침전된 잉여 슬러지를 재순환시키는 설비를 마련함으로써 담체 폐쇄를 방지하는 동시에 하수 고도처리 효율을 향상시키는 효과가 있다.
하수, 하수 고도처리, 미생물, 폐야쿠르트 용기
Description
도 1은 본 발명에 따른 하수 고도처리 공법의 처리계통도이고,
도 2는 본 발명에 따른 하수 고도처리 공법에 사용되는 접촉 폭기조의 단면도이며,
도 3은 본 발명에 따른 하수 고도처리 공법을 단계적으로 나타내는 플로어차트이고,
도 4 내지 도 9는 본 발명에 따른 하수 고도처리 공법으로 처리되어 채수한 시료의 분석결과를 나타낸 표 및 그래프이다.
본 발명은 폐야쿠르트 용기를 생물막의 담체로 이용한 하수 고도처리 공법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폴리스틸렌 재질인 폐야쿠르트 용기의 밑부분을 도려낸 소형관통체를 각 접촉 폭기조 내에 충진하여 미생물이 담체 표면에 부착 성 장하도록 하고, 각 접촉 폭기조 내의 미생물과 하수 및 산소의 접촉이 원활히 되도록 접촉 폭기조 중앙에 흡출관 형태의 순환 폭기시설을 설치하여 하수를 순환시킴으로써 담체 내외표면에 생성된 미생물막에서의 생물학적 작용에 의하여 하수 중의 유기물과 부영양화 원인 물질인 질소, 인을 제거할 수 있는 폐야쿠르트 용기를 생물막의 담체로 이용한 하수 고도처리 공법에 관한 것이다.
분류식 하수관거의 증가와 고층건물의 중수도 시설 의무화에 따라 점차 국내에서도 소규모 마을 하수 고도처리 시설의 안정적 처리 효율을 보장할 수 있는 시설의 요구와 더불어 그 시설의 수요는 증가일로에 있다. 그러나 경제적이면서도 확실히 안정적인 처리성능을 보장하는 마을 하수 고도처리 시설의 개발은 부진한 상태이다. 또한, 상당한 수의 기술들은 주로 선진국의 기술을 국내의 실정에 맞게 개량하지 않고 그대로 도입한 기술이기 때문에 국내의 마을 하수 고도처리에는 부적절한 현실이다. 그리고 숙련된 기술자의 수가 전반적으로 부족한 국내여건을 감안할 때 사고 발생시 적절한 대응이 불가능하기 때문에 매우 비효율적으로 운전되고 있으며 상당 부분이 선진국 기술에 종속된 상태로 적용되고 있는 형편이다.
또한, 광역 상수원 보호구역이 확대됨에 따라 하수처리시설 및 마을단위 하수처리시설에 대한 수요가 증가되고 있는 반면, 현재 국내 적용된 기존의 생물막법은 접촉조 앞부분에서의 접촉제 막힘 현상과 빈약한 생물학적 산화기능, 생물막에 원활한 공기 공급이 어려운 점, 슬러지 배출상의 문제점 등이 있다. 또한, 전반적으로 운전이 난해하며, 질소·인 제거 등의 고도처리의 효율을 향상시키기 위하여 필요한 내부반송이나 슬러지 반송과 같은 운전조작이 쉽지 않기 때문에 공정 개선 등의 유연성이 떨어지는 단점을 포함하고 있을 뿐만 아니라 마을하수처리 설비에 적절한 생물막 반응조의 경우 선진국의 공정을 그대로 사용할 경우 담체 등을 지속적으로 수입하여야 하며 이는 장기적으로 막대한 외화손실을 초래하게 된다. 전술한 바와 같이 현재 국내개발 및 외국도입기술의 하수고도처리시설에 있어 정화효율성과 경제성 및 유지 관리성을 모두 겸비한 기술은 매우 빈약한 실정이다.
본 발명은 상기에서 안출된 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 폐자재인 폐야쿠르트 용기를 활용하여 생물막의 접촉면적을 극대화하고, 접촉 폭기조내의 하수를 순환시켜 하수 고도처리공법의 고효율, 저비용, 유지관리의 용이, 가격 경쟁력의 확보를 통해 하수 고도처리시설의 안정적인 수질 및 가격경쟁력을 확보할 수 있는 폐야쿠르트 용기를 생물막의 담체로 이용한 하수 고도처리 공법을 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 폐야쿠르트 용기를 생물막의 담체로 이용한 하수 고도처리 공법은 유입 하수 중 협잡물을 스크린조에서 사전에 걸러주는 스크린조 단계와; 상기 스크린조에서 걸러진 하수의 부패방지를 위해 유량 조정조에서 유입된 하수를 교반하면서 유량을 조정하는 유량 조정조 단계와; 상기 유량조정조에서 유입된 하수를 고농도 유기물의 혐기성 분해 및 인의 방출을 유도하는 혐기조 단계와; 상기 혐기조로부터 무산소조로 유입되는 하수의 질산성 질소를 탈질하고, 인의 섭취를 유도하는 무산소조 단계와; 상기 무산소조로부터 폐야쿠르트 용기의 밑면을 잘라내어 양단이 관통되도록 재활용 된 다수개의 소형관통체가 충진된 접촉 폭기조로 유입되는 하수의 유기물을 미생물에 의해 산화 및 분해 과정을 거쳐 처리하는 접촉 폭기조 단계와; 다수의 접촉 폭기조 단계를 거쳐 정화된 하수를 안정시켜 침강된 슬러지는 유량 조정조 단계로 이송시켜 재순환시키고, 정화된 하수는 침전조로 이송시키는 하수 순환 단계와; 상기 하수 순환 단계에서 정화되어 침전조로 유입되는 처리수에 함유된 슬러지는 침전시키고, 침전된 슬러지는 상기 유량 조정조 단계로 이송시켜 재순환시키는 침전조 단계와; 상기 침전조 단계에서 유입되는 처리수를 U/V살균에 의해 소독하여 방류시키는 소독 및 방류단계를 포함한다.
이하, 첨부된 도면에 의거 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 하수 고도처리 공법의 처리 계통도이고, 도 2는 본 발명에 따른 하수 고도처리 공법에 사용되는 접촉 폭기조의 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 하수 고도처리 공법을 단계적으로 나타내는 플로어차트이다.
도 1에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 하수 고도처리 공법을 수행하기 위한 장치는 스크린조, 유량 조정조, 혐기조, 무산소조, 다수개의 접촉 폭기 조, 침전조 및 소독·방류조로 구성된다.
상기 스크린조는 하수고도처리장으로 유입되는 하수 중에 포함되어 있는 각종 부유물질 중 조대물질을 제거하여 펌프나 기계설비의 손상을 방지하기 위해 설치되는 설비로서, 하수용 스크린은 침사지 앞에 설치되고, 파쇄장치를 설치하지 않을 경우는 유효 목폭 20mm정도의 세목 스크린이 설치되고, 파쇄장치를 설치할 경우는 유효 목폭 50mm 정도의 조목 스크린이 설치된다.
상기 스크린조와 연결되는 유량 조정조는 처리시설에 유입되는 하수의 시간적 변동을 감안하여 정량적으로 조정하고 처리기능의 부하를 균등화하는 것을 위하여 설치되는 것으로서, 수밀한 콘크리트조 또는 이에 유사한 강도 및 내구성을 갖도록 설비되는 것이 바람직하다
상기 유량조정조와 연결되는 혐기조는 처리시설에 유입되는 하수의 고농도 유기물의 혐기성분해 및 메탄(CH4)의 생성, 저분자 유기탄소원(유기산등)의 생성, 혐기상태에서 인(P)의 방출을 유도하기 위해 설치된다. 상기 혐기조와 연결되는 무산소조는 접촉 폭기조에서 질산화 반응에 의해 생성된 NO3-N(질산성 질소)를 본 무산소조 이송시켜 혐기성균(탈질균)에 의해 N2 gas로 환원시켜 질소성분을 제거하기 위하여 설치되고, 상기 무산소조에는 반드시 탄소원이 존재하여야 한다.
상기 무산소조에서 이루어지는 탈질화 과정에서 용존산소(DO)와 질산성 질소가 함께 존재할 시 유기물의 산화에 있어서 우선적으로 산소를 이용하기 때문에 탈질시 반드시 무산소 조건을 만들어 주어야 한다.
상기 무산소조와 연결되는 다수개의 접촉 폭기조는 폐야쿠르트 용기의 밑면을 잘라내어 양단이 관통되도록 재활용된 다수개의 소형관통체가 충진되어 접촉 폭기조로 유입되는 하수의 유기물을 미생물에 의해 산화 및 분해 과정을 거쳐 처리하는 설비이다.
이때 소형관통체로 사용되는 폐야쿠르트 용기는 그 밑면을 도려내어 하수의 소통이 원활하도록 개조하고, 130㎡/㎥의 비교적 높은 비표면적과 부유물질(Suspended Solid;SS)의 포착성이 강하여 미생물 담체로서의 충분한 기능을 수행한다. 또한 통수공간을 충분히 제공하게 됨으로써 고정상으로 운전을 하더라도 편류나 미생물 폐색(fouling)에 따라 운전실패 요인을 배제할 수 있다.
상기와 같은 이유로 사용되는 폐야쿠르트 용기를 재활용한 소형관통체는 충진 및 고정방법은 다음과 같다.
상기 접촉 폭기조는 그 저부로부터 40 ~ 50cm 위치에 하부그물을 설치하여 불규칙적으로 수면하 10cm부분까지 소형관통체를 충진하고, 충진된 상기 소형관통체의 상단부도 상부그물로 고정시켜 상기 접촉 폭기조 단계에서 폭기 수류작용과 유입 하수의 유하로 인해 소형관통체의 부상 및 유동을 방지한다.
이때 충진되는 소형관통체는 효율적인 생물막의 생성을 위하여 충진율이 55% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
이와 같이 담체를 불규칙적으로 충진하여 폭기에 의한 수류작용을 시켜 담체 내·외표면과 예각, 둔각, 직각으로 다양한 충돌을 되풀이하는 수류형성으로 인해 산소공급이 원활하게 이루어지는 부분과 아주 적은 양의 산소가 공급되어 용존산소 (DO) 농도 및 수질변화에 따른 다양한 생물상이 출현하고, 특히 간헐 폭기로 인해 동일 접촉 폭기조 내에서 호기성 미생물과 무산소 혹은 혐기성 미생물이 동시 성장한다. 이로 인해 접촉 폭기조 내에서 유기물 및 질소, 인의 제거가 가능하다. 또한, 혐기성 미생물이 접촉 폭기조 내에서 생성됨으로써 접촉 폭기조 내에 축적되는 슬러지의 자산화에 의해 슬러지의 인발량을 줄여 운영비를 줄이는 것이 가능하다.
그리고, 상기 접촉 폭기조 내에는 원활한 하수의 수류작용을 위한 순환폭기 설비가 설치되는데 이 순환폭기 설비를 설명하면 다음과 같다.
상기 순환폭기 설비는 상기 접촉 폭기조의 내부 중앙에 고정 설치되는 원형의 흡출관과, 상기 흡출관의 내부에 설치되는 에어 공급관과, 상기 에어공급관의 상부에 설치되는 원형의 수류반사판으로 구성된다.
상기 흡출관은 그 하단이 접촉 폭기조의 저부로부터 40 ~ 50cm에 설치된 상기 하부그물의 하단보다 낮게 설치되는 것이 바람직하고, 상기 에어공급관은 그 하단부가 막혀있는 상태로 그 하단부로부터 30 ~ 40cm 정도까지의 외주면에는 약 5 ~ 7cm 간격의 "+"자 방향으로 다수의 에어분출공이 형성된다.
그리고, 상기 접촉 폭기조 내에는 담체의 폐쇄 현상의 방지를 위해 잉여 슬러지를 탈리시킬 목적으로 상기 하부그물의 상부에 다공관을 설치하고, 상기 다공관의 외주면에는 에어 분출구를 형성한다. 그래서 상기 에어 분출구를 통해 에어를 분출함으로써 담체로 쓰이는 상기 소형관통체의 표면에 과잉 생성된 잉여슬러지를 탈리시킨 다음 접촉 폭기조의 저부로 탈리된 잉여슬러지를 침전시킨다. 이렇게 침전된 잉여 슬러지는 이송설비를 이용하여 상기 유량 조정조로 이송시켜 유입되는 하수와 함께 하수 고도처리 공정을 재순환시킨다.
상기 다수개의 접촉 폭기조 중 마지막에 위치한 접촉 폭기조와 연결되는 침전조는 접촉 폭기조로부터 이송되어 온 유출수에 함유되어 있는 미세 슬러지를 조속히 침전 분리시키고, 침전된 슬러지를 연속적으로 유량 조정조에 반송시켜 재순환시키고, 상등수는 소독조로 방류시키는 시설이다.
상기 침전조와 연결되는 소독조는 일명 멸균지(滅菌池)라고도 하고, 형상은 장방형을 표준으로 하고, 필요한 만큼의 차벽을 설치하며, 멸균제와 처리수의 혼합접촉이 충분히 될 수 있는 구조를 갖고, 수밀한 콘크리트제 또는 그와 유사한 강도와 내구성을 갖는 것이 바람직하다.
도 3을 참조하여 본 발명에 따른 폐야쿠르트 용기를 생물막의 담체로 이용한 하수 고도처리 공법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 하수는 스크린조로 유입되며 이때 스크린조에 설치된 스크린에 의해 비교적 큰 크기의 협잡물은 사전에 제거되고, 토사류의 유입시에도 퇴적되어 유효용량감소 및 설비의 마모나 고장을 방지한다.(스크린조 단계)
상기 스크린조에서 협잡물이 걸러진 하수는 유량 조정조로 유입되고, 유입된 하수의 유량변동을 완화하여 일정한 변동폭 이하로 제어한다. 이때 유량 조정조에 설치된 교반기의 작동에 의해 유입된 하수가 교반되어 부패가 방지된다.(유량 조정조 단계)
상기 유량조정조에서 유량이 조정되면서 하수는 혐기조로 유입되고, 혐기조 는 고농도 유기물의 혐기성 분해 및 메탄(CH4)의 생성, 저분자 유기탄소원(유기산등)의 생성, 혐기 상태에서 인(P)의 방출을 유도한다.(혐기조 단계) 상기 혐기조를 거친 하수는 무산소조로 유입되고, 무산소조에서는 질산화 반응에 의해 생성된 NO3-N(질산성 질소)가 혐기성균(탈질균)에 의해 질소가스(N2 gas)로 환원되어 질소성분이 제거된다. 이 과정에서 탄산은 중탄산으로 전환된다.(무산소조 단계)
상기 무산소조에서 질소가 제거된 하수는 접촉 폭기조로 유입된다. 본 발명에서는 생물막을 이용한 접촉산화법으로 하수를 고도처리하는데, 이러한 접촉산화법은 폭기조 내에 담체를 충진 시켜 여과상을 형성한 후 폭기시키는 가운데 하수를 순환시키므로서 담체에 생물막을 형성하고, 담체에 부착된 생물막과 하수가 반복 접촉함에 따라 하수 중의 유기물의 제거를 꾀하는 것이다.(접촉 폭기조 단계)
생물막의 형성 과정을 살펴보면 다음과 같다.
먼저 접촉 폭기조 내의 유기성 분자가 담체(media)의 표면에 흡착되고, 그 표면에 미생물이 부착된 후 체외 부착기질을 분비하여 단단히 결합하고, 분비물질 사이에 다른 미생물이나 용해성 또는 부유성 유기물들이 결합하면서 유기물의 분해가 일어난다. 형성되는 생물막의 두께는 환경 조건과 미생물에 의하여 결정되는데 보통 100 ~ 200㎛정도의 막이 형성된다. 이 중 활성이 있는 두께는 표면에서부터 70 ~ 100㎛정도이며 하수처리시에 형성되는 생물막 두께는 1 ~ 2mm정도이다.
이렇게 형성되는 생물막에 의한 하수고도처리과정은 다음과 같다.
하수가 생물막 표면을 흐르면서 폐수 내 용해성 기질은 생물막에 흡수되고, 부유성 기질은 막 표면에 흡착되는 한편, 이때 용존 산소가 생물막 내부로 용해되어 들어간다. 이렇게 막 내부로 확산되는 유기물과 산소를 이용하여 호기성 미생물들이 생성하게 되며, 이산화탄소 및 기타 대사 산물들은 하수층으로 방출되면서 생물막은 점차 두꺼워지게 되며 생물막 표면에서 생물막 내부까지 기질과 산소의 농도 기울기가 생기고 산소나 기질이 전혀 확산되어 들어가지 못하는 부분이 생긴다. 막 내부에서의 반응은 잔여 유기물이 혐기성 분해하여 CH4, H2S나 NH3로 분해됨과 동시에 이미 생성된 일령수가 큰 미생물막은 내생호흡에 의해 자체 산화과정을 밟게 된다. 따라서 담체에 부착된 미생물막의 SRT가 표준 활성 슬러지 공법과 같은 부유 성장법에 비해 길어지게 되므로 잉여 슬러지의 생산량이 상대적으로 적다. 그러나 내생호흡의 발생시 생물막은 결국 부착력을 잃어버리게 되어 폐수 흐름에 따른 전달력에 의해 생물막 탈리가 발생하게 된다.
다음 [그림 1]은 생물막 내의 용존산소 및 기질의 농도변화를 나타낸 것으로 생물막 내부로 갈수록 용존산소 및 기질의 농도가 감소하는 것을 나타낸다.
[그림 1]
질산화 미생물은 종속영양 미생물에 비하여 성장 속도가 상당히 느리기 때문에 질산화반응을 위해서는 긴 시간의 고형물 체류시간이 필요하게 된다. 따라서 생물막을 이용한 공정은 충분한 양의 질산화 미생물을 유지할 수 있다는 장점이 있다.
생물막의 형성과정은 여러 가지 기작이 어우러져 이루어진다. 그러한 생물막의 형성은 크게 막의 형성→성장→탈리 과정을 거치면서 생성을 반복한다.
좀더 자세하게 생물막의 변천과정을 나누어보면 젖은 표면에의 유기물 흡착, 액체 본체로부터 젖은 표면으로 미생물의 이동, 고체표면에의 미생물 부착, 부착된 미생물의 대사 작용 및 성장, 액체의 전단력에 의한 생물막의 탈리 과정을 거치는 것으로 알려져 있다.
미생물의 부착은 담체 표면의 특성에 따라 크게 좌우되는데, 이러한 이유로 담체는 동일 부피 내에서 많은 양의 미생물을 부착시킬 수 있는 표면을 제공해야 한다. 즉, 담체의 비표면적이 커야 한다. 또한 에너지 절감을 위해 통수 저항을 받지 않고, 공극을 갖는 것이어야 한다. 그리고 담체 자체의 내구성과 관련하여 내산 및 내알칼리성과 동시에 물리, 화학, 생물학적으로 비활성인 재질이어야 한다. 또한, 유해 물질이 용출되지 않아야 하고, 경제성이 확보되어야 한다.
본 발명에서는 이러한 담체의 조건을 충족시키기 위하여 폐야쿠르트 용기의 밑면을 도려내어서 소형관통체를 제작하여 담체로 재활용하였다. 이렇게 폐야쿠르트 용기를 재활용한 소형관통체는 비표면적이 매우 커 많은 양의 미생물이 부착될 수 있고, 밑면을 도려낸 상태로 접촉 폭기조에 충진 되기 때문에 통수 저항을 받지 않고 공극율이 크다. 또한 식품의 용기로 사용된 재질이기 때문에 물리, 화학, 생물학적으로 매우 안정한 재질이라 할 수 있으며, 그 내구성도 뛰어나다. 그리고 현재 대부분 수입되어 사용되고 있는 담체와는 달리 본 발명에 사용되는 폐야쿠르트 용기를 재활용한 소형관통체는 어디서나 쉽게 얻을 수 있어서 경제성도 훌륭하고, 자원을 재활용하는 효과를 얻을 수 있다.
상기 소형관통체는 [그림 2]의 형상을 하고, 이것을 불규칙하게 접촉 폭기조에 투입한다.
[그림 2]
따라서 그 집합체는 다음의 [그림 3]과 같은 다공성 담체를 형성한다. 이 담체 1㎥당의 표면적은 130㎡이며 각종 담체와 비교해서 표면적은 매우 넓은 것으로 판명되었다. 더욱이 생물막은 담체의 간극에도 번식하여서 생물 부착량도 많게 된다.
또한, 상기 소형관통체는 원통형의 일반적인 담체보다 수면적이 더 크고, 이러한 이유로 담체의 포착력도 더 좋아지게 된다.
[그림 3]
하지만, 아무리 담체의 성능을 향상시켜도 담체 폐쇄가 발생되면 수질이 더욱 악화된다.
담체 폐쇄를 먼저 설명하면, 생물막 법에서는 BOD 제거의 대분분을 담체에 부착된 생물막에 의해 수행되는데 생물막이 증식되면 담체의 수류에 대한 저항이 증대하여 담체 내의 유속이 낮아져서 BOD 제거가 나쁘게 된다. 이 때문에 폭기액이 BOD가 높게 되고 따라서 생물막이 많아지게 되어 가속적으로 수질이 악화되는데 이것이 담체 폐쇄이다.
이러한 담체 폐쇄를 방지하기 위하여 본 발명에서는 앞에서 설명한 바와 같이 접촉 폭기조 내에 순환 폭기 설비를 마련하여 하수의 수류작용을 원활하게 하였다.
상기 순환폭기 설비의 동작 및 작용을 설명하면, 에어 공급관을 통하여 에어를 분출시켜 내부압력에 의한 상승수류작용으로 인해 접촉 폭기조 내에 유입된 하수가 흡출관을 따라 상승하게 되고, 상승된 하수는 상기 수류반사판에 부딪혀 주변으로 유출되어 소형관통체 내·외부를 매초 1cm내외의 저속도로 하강하여 다시 흡출관의 저부로 돌아온다. 이러한 과정이 순환 폭기 설비를 이용하여 하수를 순환시키는 작용을 유도하는 것이다.
또한, 상기 순환 폭기 설비에 공급되는 에어분출의 주기를 간헐적으로 실시하여 혐기 또는 호기 조건을 교차 반복시킴으로서 다종다양(혐기 및 호기성)의 미생물 생성을 원활히 하고, 폭기 작용시 하수에 유기물 및 부영양화 물질을 소형관통체인 담체의 내외 표면에 생성된 생물막과 접촉시킴으로써 산화 분해 작용에 의한 하수의 고도처리효율을 극대화할 수 있다.
그리고, 담체 폐쇄 현상을 방지하기 위한 다른 방법으로 앞에서 설명한 바와 같이 접촉 폭기조 내의 하부그물의 상부에 설치된 다공관을 통해 에어를 분출하여 담체로 쓰이는 소형관통체의 표면에 형성된 생물막을 탈리시키고, 탈리된 생물막을 침전시켜 침전된 잉여 슬러지를 이송설비를 이용하여 유량 조정조로 이송시켜 유입되는 하수와 함께 재순환시킨다.(하수 순환 단계)
상기와 같은 방법으로 미생물의 생성과 활성화를 유지시켜 안정된 정화 효율을 지속적으로 유지할 수 있고, 담체의 폐쇄현상에 따른 세정 및 교체작업이 필요치 않으며, 담체를 반영구적으로 사용할 수 있도록 하여 경제적 부담과 유지관리에 따른 문제점을 해소한다.
이때 접촉 폭기조는 설비의 규모, 하수의 처리량에 따라 접촉 폭기조의 수를 변경하여 설치함으로써 설치비용 및 유지비용 측면에서 경제성을 유지하면서 하수 고도처리의 효율을 극대화하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 다수개의 접촉 폭기조를 거치는 동안 하수는 생물막에 의해 고도처리 되고, 이렇게 고도처리되어 정화된 하수는 침전조로 이송된다.
침전조에서는 유입되는 처리수에 함유된 슬러지는 침전시키고, 침전된 슬러지는 상기 유량 조정조 단계로 이송시켜 재순환시키고, 상등수는 소독조로 방류시킨다.(침전조 단계)
소독조는 유입된 상등수는 U/V살균에 의해 살균 소독하여 방류된다. (소독 및 방류단계)
이하, 본 발명에 따른 폐야쿠르트 용기를 생물막의 담체로 이용한 하수 고도처리 공법의 특성들을 다양한 실험을 통하여 설명한다.
1. 유입수 및 유출수의 SS 제거 효율
본 발명에 따라 폐야쿠르트 용기를 재활용하여 담체로 사용한 하수 고도처리 공법을 이용하여 KIST 사원아파트 발생 하수를 대상으로 50일간의 운전기간 동안 유입수 및 유출수의 SS제거 효율을 조사하였고, 이때 유입수의 평균 SS 농도는 45.6mg/L로 측정되었고, 그 실험결과는 표 1에 나타내었다.
표 1에서 도시된 바와같이 유출수의 SS 농도는 유입 SCOD(용해성의 화학적 산소요구량)의 부하 0.274, 0.411, 0.658 kg-SCOD/m3·day에 대하여 각각 4.7mg/L, 4mg/L, 3.5mg/L로 나타났고, 평균 SS 제거효율은 각각 90%, 91%, 92%를 보였다.
여기서 알 수 있듯이 모든 경우에서 유출수 SS의 농도가 5mg/L 이하로 유지되므로 본 발명에 따른 하수 고도처리 공정은 유입부하에 관계없이 SS의 제거에 탁월한 효과를 나타내는 것을 알 수 있다. 이것은 전술한 바와 같이 폐야쿠르트 용기의 비표면적이 커서 접촉 폭기조 내의 침전, 포착성이 우수하기 때문으로 판단된다.
2. 계절의 변화에 따른 유출수의 부유물질 농도
연평균 약 56mg/L 농도의 부유물질이 유입수로 유입되었으며, 이의 유출수 농도는 0.8mg/L ~ 16.0mg/L로 측정되었다. 표 2는 계절에 따른 부유물질의 제거효율을 나타낸 것으로서, 표 2에 의하면 겨울철과 가을철의 제거효율이 다른 계절에 비하여 약간 낮게 나오는데 겨울철의 경우 운전이 시작된 지 얼마 되지 않았기 때문이고, 가을의 경우 유입수의 농도가 낮아 제거효율이 낮게 측정된 것으로 판단된다.
3. 유입수 및 유출수의 TCOD 제거 효율
KIST 사원 아파트 발생 하수를 대상으로 운전한 경우의 총 유기물질의 제거효율은 표 3에 나타내었다.
운전기간 동안 유입수의 평균 TCOD 농도는 215mg/L로 측정되었다. 그리고 유출수의 평균 TCOD 농도는 유입수의 TCOD 부하 0.1032, 0.645, 0.430 kg-TCOD/m3·day에 대하여 각각 32mg/L, 29mg/L, 24mg/L로 나타났다. 그리고, 평균 TCOD 제거효율은 각각 85%, 86%, 90%로 나타났다. 그리고 유입수의 TCOD 부하가 0.454kg-TCOD/m3·day인 경우에는 유출수의 평균 TCOD 농도는 24mg/L로 나타났으며, 제거효율은 87%로 나타났다.
유입수의 유기물 부하에 따른 총 유기물의 제거 경향을 살펴보면 네 경우가 큰 차이를 나타내지는 않았다. 총 유기물질의 농도 역시 부유물질의 경우와 같이 유입부하가 높아짐에 따라 농도가 약간씩 증가하는 것으로 나타났는데, 이는 부유물질의 농도 변화와 관련이 있는 것으로 판단된다.
그리고, 유출수의 제거효율 변화를 살펴보면 유입수의 농도 변화에 따라 제거효율은 큰 차이를 나타내지는 않았으며 시간이 흐를수록 제거효율이 약간씩 증가하는 경향을 나타내었다. 즉, 본 발명에 따른 하수 고도처리공법에서는 유입부하가 증가함에 따라 총 유기물질의 제거효율은 약간 감소하였지만, 그 차이는 크지 않았다.
4. 폭기조에서 유기물 부하량과 TKN 제거율의 관계
질산화 미생물은 그들이 성장을 위해 용존 상태의 암모니아성 질소를 사용하기 때문에 질산화의 효율은 폭기조로 유입되는 유기물 부하량과 밀접한 관계가 있다. 즉, 종속영양 박테리아가 자가 영양 박테리아보다 성장률이 훨씬 높기 때문에 유기물의 부하량이 높으면 자가 영양 미생물보다 유기물을 사용하는 종속영양 미생물의 성장이 우세하여 질산화율은 감소하게 된다. RBC(Rotating Biological Contactor)와 같은 공정의 경우, 일반적으로 폭기조에서의 용존성 BOD5가 15mg/L 이하의 조건에서 질산화 미생물의 분포가 종속영양 미생물의 분포보다 우세하여 완전한 질산화를 일으킬 수 있다.
폐야쿠르트 용기를 담체로 이용한 본 공법에서도 접촉 폭기조로 유입되는 SCOD의 농도가 25mg/L 이하인 경우에선 95%이상의 질산화율을 보였다.
다음의 표 4는 반응조에 유입되는 유기물의 부하량과 전체 TKN 제거율 사이의 상관관계를 나타낸 그래프로서, 95% 이상의 질산화율을 이루기 위해서는 접촉 폭기조에서의 유기물의 부하량이 0.46Kg/m3/d 이하가 요구된다는 것을 나타내고 있다.
5. 유기물질의 제거
실험기간 동안의 유기물질의 제거는 표 5에서 보는 바와 같이 매우 안정적인 결과들을 보여주고 있다. 특히 유출수 COD는 거의 25mg/L를 넘지 않았으며 평균 23.8mg/L의 농도를 유지하였다. 특히 유입수의 COD 농도가 368mg/L에서부터 100mg/L까지 상당히 변화하고 있음에도 매우 안정적인 결과를 보여주고 있었다. 특히 이러한 안정된 결과는 유출수의 용존성 유기물의 지표인 SCOD 농도가 평균 16.5mg/L로서 전체 유출수 COD농도의 70% 이상을 차지하고 있는 것으로 볼 때 유출수 중에 포함된 유기물질의 대부분이 용존상태로 유출수 중에 부유물질의 유출이 거의 이루어지지 않았던 것으로 이는 실험기간 동안의 유출수의 부유고형물이 농도가 5mg/L이하를 유지하였던 것으로도 알 수 있다. 이러한 결과는 본 폐 유산균 음료 담체를 이용한 공정의 특징으로서 담체 상에서의 부유성물질의 흐름속도가 매우 낮아져 부유성물질의 유출이 거의 없는 깨끗한 유출수를 유지할 수 있으며 이것은 본 발명에 따른 하수 고도처리 공법의 특징을 극명히 보여주는 결과라 할 수 있다.
약 20일간의 적응기간 동안에도 이후의 정상운전 기간과 비교하여 거의 제거효율에 변화가 없을 정도로 우수한 수질을 유지하였다. 이것은 초기 담체 상에 미생물들이 완벽하게 부착되어 성장하기 전까지의 적응기간 동안에도 어느 정도 이상의 유기물 제거효율을 유지함으로써 일반적인 부착성장 공정에서 보여주는 초기의 처리효율 저하에도 강한 장점을 가지고 있다.
6. 질소의 제거
표 6은 실험기간 동안 본 발명에 따른 하수 고도처리 공법이 적용된 하수 처리설비의 유출수와 유입수의 질소농도의 변화를 보여주고 있다. 운전기간 동안의 유입수의 총질소(TN: Total Nitrogen)는 20mg/L에서 60mg/L의 농도 범위로 다소 변동을 보였으며 평균농도는 36.9mg/L를 보였다.
적응기간이 경과한 후 110일까지의 기간에 질소제거율을 살펴보면, 유출수의 총 질소 농도가 20mg/L 이하를 유지함으로써 최고 83%에 달하는 총 질소 제거효율을 보여주었으며 평균 64.2%의 매우 안정적인 총 질소 제거효율을 나타내었다.
7. 반응조내 질산화 및 탈질 미생물의 활성
폐야쿠르트 용기가 생물막 공정의 담체로서 가지는 여러 장점들은 전술한 바와 같고, 이에 덧붙여 하수내 질소의 제거와 관련하여 폐야쿠르트 용기에 부착된 생물막의 미생물이 어느 정도 질산화 및 탈질 효율이 우수한지 조사하였다. 고도처리를 위하여 운전한 소규모 실험장치에 설치된 폐야쿠르트 용기에 부착된 미생물을 채취하여 질산화 및 탈질율을 측정하였다.
질산화율은 1L의 비커에 폐야쿠르트 용기의 생물막에 부착된 부착미생물을 주입하고 20mg의 암모니아성 질소를 주입하여 시간에 따른 암모니아성 질소의 감소를 측정하였다. 그리고, 질산성 미생물이 쉽게 성장할 수 있도록 호기상태를 유지시켜 주었다.
시간에 따른 암모니아성 질소의 농도는 표 7에 나타내었다.
측정결과 폐야쿠르트 용기에 부착된 미생물의 질산화율은 4.25 mg NH4-N/g VSS/hr로 측정되었다.
탈질율은 질산화율의 분석과 비슷한 방식으로 분석하였으며, 암모니아성 질소 대신 질산성 질소를 20mg 주입하여 질산성 질소의 감소를 분석하였다. 탈질율 측정에서 탈질 미생물의 탄소원으로는 아세트산을 C/N비 5로 주입하였으며, 시간에 따른 탄소원의 감소도 함께 측정하였다.
표 8은 탈질율 측정 실험에 의한 시간에 따른 질산성 질소와 탄소원의 소모를 나타낸 그래프이다.
표 8에 의하면 질산성 질소의 소모는 크게 탄소원의 소모에 의한 탈질과정과 내생탈질의 2단계로 일어난다. 여기서의 탈질율은 탄소원의 소모에 의한 탈질율을 나타내는 것으로 부착미생물의 경우 4.87 mg NO3-N/g VSS/hr로 나타났다.
8. 김천시 노곡마을 하수처리시설을 대상으로 하수 고도처리 공법 실험(6회)
도 4 내지 도 9는 본 발명에 따른 폐야쿠르트 용기를 생물막의 담체로 이용한 하수 고도처리 공법으로 설치되어 운전되고 있는 노곡리 마을하수처리시설을 6회간 채수한 시료의 분설결과를 나타낸 표 및 그래프이다.
실험기간 동안 유입수의 부유물질의 농도는 35mg/L에서 85mg/L까지 다양한 농도의 유입수가 유입되었으며 평균 농도는 57.5mg/L로 나타났다. 유출수의 부유물질 농도는 평균 2.51mg/L로 매우 낮게 나타났으며, 제거효율 역시 95.6%이상으로 상당히 높은 값을 나타내었다.
유입수의 BOD 농도는 69.5mg/L에서 114mg/L 농도의 유입수가 유입되었고, 유출수의 평균 BOD 농도는 4.11mg/L, 평균 제거효율은 91.8%로 높게 나타났다.
COD의 경우 유입수의 농도는 34.1mg/L에서 94.7mg/L 농도의 유입수가 유입되었고, 유출수의 농도는 매우 안정적으로 관찰되었다. 유출수의 COD 평균 농도는 12.65mg/L로 나타났으며, 평균 제거효율은 80.3% 였다.
폐야쿠르트 용기를 담체로 이용하는 경우 유산균 음료용기의 특성상 부유물질과 유기물 제거에 탁월한 성능을 가지는 것으로 알려져 있는데 실험결과 알려진 바와 같이 부유물질과 유기물 제거에 높은 성능을 나타내었다.
총 질소의 경우 평균 유입수는 32.68mg/L 농도의 유입수가 유입되었고, 유출수의 총질소의 평균 농도는 12.95 mg/L로 나타났으며, 평균 제거효율은 60.4%였다.
하지만, 유출수에서의 농도는 유입수의 농도와 무관하게 비교적 안정적으로 나타났다. 총 인의 경우에도 총 질소의 경우와 같이 유입수의 농도변화가 크게 나타났으며, 총인의 평균 유입수는 3.51mg/L로 유입되었고, 유출수에서의 농도는 안정적으로 평균 0.95mg/L로 나타났다. 그리고 6회간의 평균 제거효율은 73%로 매우 높게 나타났다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 폐야쿠르트 용기를 생물막의 담체로 이용한 하수 고도처리 공법은 폐야쿠르트 용기를 재활용하여 담체로 활용함으로써 담체의 비표면적과 SS포착성을 향상시켰고, 폐야쿠르트 용기를 불규칙적으로 충진함으로써 산소공급이 불규칙적으로 이루어져서 DO농도 및 수질변화에 따른 호기성 미생물과 무산소 혹은 혐기성 미생물이 모두 공존할 수 있는 환경을 만들어 주어 미생물에 의한 하수 고도처리 효율을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 폐야쿠르트 용기의 재활용으로 인해 타 담체에 비하여 친환경적이고, 저렴하여 경제적인 부담을 크게 감소시키며, 반영구적인 사용이 가능하다는 효과가 있다.
그리고, 접촉 폭기조 내에 하수를 순환시키는 설비 및 침전된 잉여 슬러지를 재순환시키는 설비를 마련함으로써 담체 폐쇄를 방지하는 동시에 하수 고도처리 효율을 향상시키는 효과가 있다.
Claims (4)
- 유입 하수 증 협잡물을 스크린조에서 사전에 걸러주는 스크린조 단계와;상기 스크린조에서 걸러진 하수의 부패방지를 위해 유량 조정조에서 유입된 하수를 교반하면서 유량을 조정하는 유량 조정조 단계와;상기 유량조정조에서 유량이 조정되면서 유입되는 하수의 고농도 유기물의 혐기성 분해 및 메탄(CH4)의 생성, 저분자 유기탄소원(유기산등)의 생성, 혐기 상태에서 인(P)의 방출을 유도하는 혐기조 단계와;상기 혐기조로부터 무산소조로 유입되는 하수를 유기탄소원을 이용한 종속 미생물(탈질미생물)의 성장과 질산성질소(NO3-N)를 탈질균에 의해 분해하는 무산소조 단계와;상기 무산소조로부터 접촉 폭기조로 유입되는 하수의 유기물을 미생물에 의해 산화 및 분해 과정을 거쳐 처리하되, 상기 접촉 폭기조는 그 저부로부터 40 ~ 50cm 위치에 하부그물을 설치하여 불규칙적으로 수면하 10cm부분까지 폐야쿠르트 용기의 밑면을 잘라내어 양단이 관통되도록 재활용된 다수개의 소형관통체를 충진하여 미생물의 담체로 사용하고, 충진된 상기 소형관통체의 상단부도 상부그물로 고정시켜 상기 접촉 폭기조 단계에서 폭기 수류작용과 유입 하수의 유하로 인해 소형관통체의 부상 및 유동을 방지하며, 내부 중앙에 원형 흡출관을 고정 설치하되, 상기 흡출관은 접촉 폭기조내 설치된 상기 하부그물의 하단보다 낮게 설치되고, 상기 흡출관의 내부에는 에어공급관이 설치되며, 그 상부에는 원형의 수류반사판이 설치되고, 그 하단부는 막혀있는 상태로 외주면에 다수의 에어분출공이 형성되어 상기 접촉 폭기조에 유입된 하수의 순환(수류작용)을 유도하는 동시에 상기 에어 공급관 및 에어분출공에서의 에어분출의 주기를 간헐적으로 실시하여 상기 접촉 폭기조 내를 혐기 또는 호기 조건으로 교차시켜며 조성하는 접촉 폭기조 단계와;다수의 접촉 폭기조 단계를 거쳐 정화된 하수를 안정시켜 침강된 슬러지는 유량 조정조 단계로 이송시켜 재순환시키고, 정화된 하수는 침전조로 이송시키는 하수 순환 단계와;상기 하수 순환 단계에서 정화되어 침전조로 유입되는 처리수에 함유된 슬러지는 침전시키고, 침전된 슬러지는 상기 유량 조정조 단계로 이송시켜 재순환시키는 침전조 단계와;상기 침전조 단계에서 유입되는 처리수를 U/V살균에 의해 소독하여 방류시키는 소독 및 방류단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐야쿠르트 용기를 생물막의 담체로 이용한 하수 고도처리 공법.
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- 제 1항에 있어서,상기 접촉 폭기조는 하부그물의 상부에 다공관을 설치하고, 상기 다공관의 외주면에는 에어 분출구를 형성하여 상기 에어 분출구를 통해 에어를 분출함으로써 상기 소형관통체의 표면에 과잉 생성된 잉여슬러지를 탈리 시킨 다음 접촉 폭기조의 저부로 침전된 잉여슬러지는 상기 유량 조정조 단계로 재순환시키는 것을 특징으로 하는 폐야쿠르트 용기를 생물막의 담체로 이용한 하수 고도처리 공법.
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