KR100670231B1 - 되새김 ｓｂｒ 폐수처리시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 되새김 SBR 폐수처리시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우리나라 도시하수처럼 낮은 C/N비(유기물/질소비율)를 가진 폐수에 함유된 유기물, 질소 및 인을 별도의 외부탄소원을 주입하지 않고도 효과적으로 제거할 수 있도록, SBR반응조, 저류조, 질산화조로 구성되어 있으며, 각각의 반응조가 회분식으로 운영되는 것으로, 특히 기존 SBR(Sequencing Batch Reactor)공정에 비해 질소처리효율을 크게 향상시킬 수 있는 폐수처리 시스템에 관한 것이다.

SBR공정, C/N비, 질소, 폐수처리

Description

되새김 ＳＢＲ 폐수처리시스템{SYSTEM FOR PROCESSING WASTE WATER USING RUMINATION SBR}

도 1은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 되새김 SBR 공정 개략도.

도 2는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 되새김 SBR 공정 개략도.

도 3은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 공정도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1-a : 되새김 SBR(a) 반응조 1-b : 되새김 SBR(b) 반응조

1-c : 되새김 SBR(c) 반응조 1-d : 되새김 SBR(d) 반응조

2 : 저류조 3 : 질산화조

본 발명은 되새김 SBR 폐수처리시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우리나라 도시하수처럼 낮은 C/N비(유기물/질소비율)를 가진 폐수에 함유된 유기물, 질소 및 인을 별도의 외부탄소원을 주입하지 않고도 효과적으로 제거할 수 있도록, SBR반응조, 저류조, 질산화조로 구성되어 있으며, 각각의 반응조가 회분식으로 운영되는 것으로, 특히 기존 SBR(Sequencing Batch Reactor)공정에 비해 질소처리효율을 크게 향상시킬 수 있는 폐수처리 시스템에 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 하, 폐수처리는 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 등)에 의해 질산화(암모니아를 질산염형태로 변형)시키고, 질산염을 탈질산화균(ie., Pseudomonas, Paracoccus denitrifiers 등)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 등)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 반응조에서 는 유기물 산화 및 질산화 반응과 미생물이 인을 섭취하도록 유도하고 혐기성 및 무산소 반응조에서는 질산성 질소를 질소가스로 변형시켜 대기중으로 방출시키는 탈질반응과 인의 방출을 유도한다.

생물학적 탈질공정은 1960년 Wuhrmann이 제안한 후탈질 공정인 Wuhrmann process가 최초로 개발되었다. 후-탈질공정은 외부로부터 전자공여체를 주입해 주어 처리효율은 높았지만, 주입하는 외부 전자공여체(Methanol 등)의 비용이 증가함에 따라 Anoxic조를 Oxic조 앞에 두어 폐수 중의 유기물을 탈질에 이용할 수 있는 전탈질 공정인 Ludzack-Ettinger process가 개발되었다. 메탄올 대신 폐수중의 유기물을 사용하는 전탈질 공정은 암모니아 호기 반응조에서 산화되고 반송슬러지를 통해 무산소조로 이송된다. 반송슬러지만으로는 질소제거효율이 매우 낮았다. Barnard는 이 공정의 단점을 보완하기 위해 호기반응조에서 2-4Q의 포기조 혼합액을 무산소조로 반송하여 총질소 제거율을 88%까지 향상시켰고 이후 Modified Ludzack-Ettinger process개념을 기본으로 A2/O process, Modified Bardenpho, UCT, VIP 공정등이 개발되어 실용화 되고 있다. Side Stream의 대표적인 것으로는 Phostrip Process와 국내에서 개발된 PL-Ⅱ Process를 들 수 있다. Phostrip Process는 생물학적 인 제거에 화학적 방법을 조합한 공정으로 Levin에 의해 개발되었다. 기존 Phostrip 공정은 인 제거는 안정적이나, 질소제거를 고려시 질산화 및 탈질시설 설치에 의한 건설비가 많이 소요된다는 문제점이 있다. FPL-ⅡProcess에서는 기존 Phostrip 공정의 2차 침전지와 탈인조 사이에서의 인 방출에는 큰 영향을 받지 않으며 또한 탈인조로의 반송비를 증가시킴으로서 시스템 전체의 질소제 거도 어느 정도 이루어지게 하였다. 폐수의 유입과 산소의 주입을 주기적으로 제어하여 반응조간의 흐름의 방향을 바꾸고 반응조를 호기/혐기로 전환하는 Bio-denitro 공정과 전단에 혐기성 반응조를 두어 인의 제거를 향상시킨 Bio-denipho 공정(일명 Kruger system)이 개발되어 유럽에서 실용화되고 있다. 이 기술은 유로를 변경하는 기술과 간헐포기(Intermittent aeration)를 접목한 기술로서 덴마크에서 개발된 것으로 PID(Phased Isolation Ditch) 공정이라 통칭하며 Dynamic state로 운영되므로 활성슬러지법보다 에너지를 크게 절감할 수 있는 기술로 평가된다.

선진국을 중심으로 전술한 공정들이 실용화하여 유기물 및 영양염류처리 목적으로 하수처리 등에 이용되고 있으나 이들 공정들은 비교적 성장이 낮은 질화균을 중심으로 설계되어 수리학적 체류시간이 15-24시간 정도 된다. 선진국에서도 국내와 같이 수리학적 체류시간이 6시간이내의 처리장을 별도 증설 없이 영양염류 처리장화 하는 경우는 없는 실정이다.

미생물의 세포외 폴리머에 의한 유기물 흡착을 이용한 처리공법이 접촉안정 활성슬러지 공정으로 개발되어 지난 40년간 이용되고 있으며 1990년대 이탈리아에서 개발된 Dephanox 공정도 생흡착 기작을 이용하고 있으나 흡착에 영향을 미치는 제반 인자에 대한 규명이 미흡한 실정이며 Dephanox 공정은 유입 유기물이 슬러지의 접촉안정후 침전되어 탈질조로 이동하여 탈질시 유기물로 이용되며 이때 유기성 질소 및 암모니아성 질소가 탈질조로 슬러지와 함께 이동되어 후단에서 이들 질소에 대한 제거가 이루어지지 않아 처리수의 총질소 농도가 높다는 단점이 있다. 따라서 질소제거시 외부탄소원의 투입없이 유입 유기물을 최대한 이용하는 우수한 공 법임에도 불구하고 현재 널리 이용되지 않고 있다.

국내의 경우 하수중 영양염류 처리를 위해 20개 이상의 영양염류 처리공법이 개발되어 현장규모로 적용하기 위해 시공 중에 있으나 이들 공정들의 대부분은 외국 기술의 단순 모방과 변형에 의존하고 있어 기존 처리장과 같이 수리학적 체류시간이 짧고 겨울철 온도가 낮은 경우 이들을 이용하는 데는 많은 문제가 있으며 특히 우리나라 하수와 같이 C/N 비가 낮은 하수를 별도의 외부탄소원 없이 처리하기에는 앞으로 점차 강화되는 수질기준을 고려해 볼 때 많은 문제점을 가지고 있다. 한화 중앙연구소가 대학과 공동으로 개발하여 환경부 신기술 및 특허 등록된 유로변경형 간헐폭기 공정(일명, HDF)은 배관과 폭기장치의 조정으로 기존처리장에 쉽게 적용할 수 있으나 수리학적 체류시간의 문제와 국내 하수의 낮은 C/N 비 문제만은 해결하지 못하고 있다. 국내하수와 같이 C/N비가 낮은 경우 영양염류 처리시 공급되어야 하는 외부 탄소원으로 초산염을 이용하는 연구가 삼성엔지니어링에서 개발되었으며, 폐수중 고형물을 유기산화하여 이용하는 기술이 개발되어 국내 특허등록 되어 김포시등 일부 처리장 건설에 반영된바 있으나 외부 탄소원 주입에 따른 별도의 비용문제를 해결하지 못하고 있다. SBR(Sequencing Batch Reactor)공정은 하나의 반응조에서 일정 시간 간격으로 질산화 반응, 탈질반응, 침전, 배출이 순차적으로 이루어지고, 주로 소규모 처리장에 적용되고 있고 있으나 유입수의 낮은 C/N 비로 인한 TN 제거효율 감소, 질화반응시 유기물 분해로 인해 탈질 반응시 전자공여체의 부족, 낮은 COD 유입시 긴 HRT로 인한 적정 미생물량 유지 곤란, 단일 반응기에 의한 제한적 처리형태 이기 때문에 보다 많은 양의 폐수 관리시 유동적인 처리가 곤란하다는 단점을 가지고 있다.

본 발명의 우리나라의 도시하수처럼 C/N비가 낮은 폐수의 유기물 및 영양염류를 처리하는데 효과적인 처리시스템을 제공하는데 있다. 특히 본 발명은 기존 SBR공정의 단점을 보완한 것으로서, 특히 질소 처리 향상에 주안점을 둔 공정이라 할 수 있다. 기존 SBR 공정은 유입수의 낮은 C/N 비로 인한 TN 제거효율 감소, 질화 반응시 유기물 분해로 인해 탈질 반응시 전자 공여체 부족, 낮은 COD 유입시 긴 수리학적 체류시간으로 인한 적정 미생물량 유지 곤란, 단일반응기에 의한 제한적 처리 형태이기 때문에 많은 양의 폐수를 처리할 수 없다는 문제점을 지니고 있었다. 따라서 이를 보완한 공정을 제공하고자 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 그 구성으로,

활성슬러지에 의해 유기물 흡착과 탈질을 수행할 수 있는 SBR반응조와 별도의 질산화조를 독립적으로 운영하여 유기물이 흡착되어 암모니아성 질소가 농축된 상등수를 별도의 질산화조에서 질산화를 시키고 질산화가 끝난 후 질산염은 첫 번째 SBR반응조에 다시 유입시킴으로서 전단계에서 흡착된 유기물을 이용하여 효과적으로 탈질을 수행 할 수 있게 한다.

본 발명에 따른, 폐수처리장치는 기존 SBR공정의 변형 시스템으로서 기존 SBR공정의 단점을 크게 개선한 공정이라 할 수 있다. 본 폐수 처리 장치는 SBR반응조, 저류조, 질산화조로 구성되어 있으며, 각각의 반응조가 회분식으로 운영이 된다. SBR반응조는 유입 유기물의 흡착과 흡착 후 유기물이 대부분 제거된 상등수를 질산화조에 유입시키는 중간 경로로 이용이 되며, 질산화조에서 질산화된 질산염의 탈질을 흡착된 유기물을 이용하여 효과적으로 수행하게 된다. 또한 질산화조에서는 SBR반응조에서 유기물이 대부분 제거된 상등수가 유입되기 때문에 질산화균이 종속영양박테리아보다 우점할 수 있는 조건이 되어 질산화 효율을 향상 시킬 수 있다.

이하, 도1 내지 도3을 참조하여 보다 구체적으로 되새김 SBR 폐수처리시스템에 살펴보고자 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 폐수 정화공정을 나타낸 개략도로써, 바람직한 제 1 실시예에 따른 폐수 정화 공정을 수행하기 위한 장치는 되새김 SBR(a) 반응조(1-a), 저류조(2), 질산화조(3)로 구성되어 있으며, 각각의 조는 회분식으로 운영된다. 도 1의 바람직한 제 1 실시예에 따른 폐수의 처리 흐름도는 ①→②→③→④→⑨ 순으로 순차적으로 유입되게 되며, 도 3은 바람직한 제 1 실시예에 따른 공정모드를 나타낸 것으로서 SBR(a) 반응조(1-a)로의 폐수의 유입→SBR(a) 반응조(1-a)에서 무산소 상태에서 폐수 중 유기물과 활성슬러지와의 접촉→SBR(a) 반응조(1-a)에서 유기물이 흡착된 활성슬러지의 침전→SBR(a) 반응조(1-a)에서 유기물이 대부분 제거되고 암모니아성 질소가 농축된 상등수를 인발하여 저류조(2)로 유입→질산화조(3)에서 질산화가 끝난 폐수를 SBR(a) 반응조(1-a)로 유입→저류조(2)에서 유기물이 대부분 제거되고 암모니아성 질소가 농축된 상등수를 질산화조(3)로 유입→SBR(a) 반응조(1-a)에서 무산소 상태에서 탈질반응 수행→SBR(a) 반응조(1-a)에서 호기 상태에서 잔류 암모니아의 질산화 및 유기물 분해→SBR(a) 반응조(1-a)에서 무산소 상태에서 질산화된 질산염의 탈질 수행→SBR(a) 반응조(1-a)의 호기상태에서 재포기를 통한 질소가스의 탈기 및 잔류 암모니아성 질소의 질산화 및 유기물 분해→SBR(a) 반응조(1-a)에서 활성슬러지 침전→처리수 방류 과정을 순차적으로 거치게 된다.

본 발명의 바람직한 제 1 실시예에서 되새김 SBR(a) 반응조(1-a)는 반응조 내의 활성슬러지가 폐수중 유입되는 유기물을 흡착하는 역할을 하며 이때 흡착된 유기물은 질산화조(3)로부터 유입된 질산염을 탈질시키는데 이용하게 된다. 유기물 흡착이 끝나면 침전을 통해 유기물이 흡착된 활성슬러지는 침강하게 되며 침강이 끝난 후 유기물의 80 ~ 90% 제거되고 암모니아성 질소가 농축된 상등수는 저류조(2)로 이송되게 된다. 되새김 SBR(a) 반응조(1-a)의 또 다른 중요한 역할은 독성물질 유입시 독성물질을 흡착하여 후속되는 질산화조(3)에서 질산화박테리아가 독성영향을 받지 않고 질산화 과정을 원활히 수행하게끔 하는 역할을 한다. 되새김 SBR(a) 반응조(1-a)는 회분식으로 운전이 되며 폐수 유입, 유기물 접촉(20분), 침전(40분), 저류조(2)로의 상등수 인발이 순차적으로 진행되고 탈질 반응이 끝난 후에는 포기 과정을 통한 잔류 암모니아성 질소의 질산화 및 유기물 분해→질산염의 탈질→재포기를 통한 질소(N₂)가스 탈기 및 잔류 암모니아성 질소의 질산화 및 유기물 분해→활성슬러지의 침전 및 방류가 순차적으로 진행되게 된다.

저류조(2)는 되새김 SBR(a) 반응조(1-a)에서 흡착이 끝난 유기물은 제거되고 암모니아성 질소가 농축된 상등수를 질화조(3)에서 질산화가 끝난 폐수가 SBR(a) 반응조(1-a)로 유입이 끝날때까지 임시로 보관하는 중간 매개 역할을 한다.

질산화조(3)에서는 저류조(2)에서 체류하고 있던 유기물의 대부분이 제거되고 암모니아가 농축된 폐수가 유입되어 질산화가 일어나게 되며 이때 질산화 미생물은 메디아에 부착 성장함으로서 질산화 시간을 단축시켜 결과적으로 전 공정의 체류시간을 감소시키고 온도 변화시에도 안정적인 질산화가 일어날 수 있도록 한다. 질산화가 끝나고 질산염으로 농축된 폐수는 SBR(a) 반응조(1-a)로 유입되게 된다.

도 2는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 폐수의 정화공정을 나타낸 개략도로서 처리하고자 하는 물량이 증가할 때 사용 가능한 실시예이다. 도 1의 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에서 전체 공정의 체류시간이 약 8시간 정도 예상 되므로 도 1에서의 SBR(a) 반응조(1-a)와 같은 크기와 기능을 가진 SBR(b) 반응조(1-b)와 SBR(c) 반응조(1-c)를 각각 더 운영함으로서 기존 SBR 공정보다 처리 물량을 세배로 증가시킬 수 있으며 최적조건에서는 SBR(d) 반응조(1-d)를 하나 더 운영함으로서 네배까지 처리물량을 증가 시킬 수 있을 것으로 사료된다. 도 2의 바람직한 제 2 실시예에서 SBR(b) 반응조(1-b), SBR(c) 반응조(1-c), SBR(d) 반응조(1-d)의 기능은 SBR(a) 반응조(1-a)와 같으며 SBR(b) 반응조(1-b)가 하나 더 추가 되었을 경우 폐수의 흐름도는 도 2에서처럼 ①→②→③→④→⑤→⑥→⑦→⑧→⑨→⑩과 같이 된다.

전술한 바와 같이 본 폐수의 정화공정에 의하면, 기존 SBR 공정에 비해 부영양화의 주요 원인이 되고 있는 질소 처리를 극대화 할 수 있다.

본 발명의 SBR 생물학적 처리 공정은 기존 SBR 공정의 단점을 보완한 공정으로서 기존의 단일 반응조 형태의 SBR 반응조를 SBR(a) 반응조(1-a)와 질산화조(3)로 분리하여 이를 각각 회분식으로 운영함으로서 SBR(a) 반응조(1-a)에서는 유기물 흡착을 수행하고 질산화조(3)에서는 농축부착 질화균에 의해 질산화된 질산염을 SBR(a) 반응조(1-a)로 되새김함으로서 유기물 이용을 최대로 하여 낮은 C/N 비를 가진 하수의 탈질 효율을 극대화 시킬 수 있는 장점을 가지고 있다.

또한 중금속과 같은 독성물질을 함유한 폐수가 공정내로 유입이 될 경우 SBR(a) 반응조(1-a)에서 독성물질을 흡착 시킨 후 암모니아성 질소가 농축된 상등수가 별도의 질산화조(3)에서 질산화를 수행하기 때문에 독성물질로부터 질화균을 보호할 수 있는 장점을 가지고 있는 동시에 메디아를 이용한 농축부착 질화균에 의해 질산화를 수행하기 때문에 부유성장에 비해 온도의 영향을 덜 받는 장점이 있고, 게다가 하·폐수의 유량이 많을 시에는 SBR(a) 반응조(1-a)와 함께 SBR(b) 반응조(1-b), SBR(c) 반응조(1-c), SBR(d) 반응조(1-d)를 필요에 따라 추가로 운영함 으로서 기존 SBR 공정에 비해 보다 많은 양의 폐수를 처리할 수 있는 장점이 있다.

본 장치의 장점은 크게 네가지로 요약될 수 있다.

첫째, 기존 연속식 폐수처리 공정에서나 볼 수 있는 유기물을 흡착하여 이를 탈질에 활용하는 기법을 SBR 공정에 도입하여 낮은 C/N 비를 가진 하수의 영양염류 처리효율을 기존 SBR 공정보다 향상시킬 수 있으며,

둘째, 유기물이 흡착된 상등수를 별도의 질산화조에서 질산화 시킴으로서 질산화 속도를 증진 시키는 동시에 전체 공정의 수리학적 체류시간을 줄일 수 있는데 있으며,

셋째, 중금속과 같은 독성물질이 유입될 경우 유기물이 흡착되는 과정에서 독성물질도 같이 흡착되어 제거되므로 독성물질로부터 질화균을 보호하여 질화반응에 영향을 주지 않으며,

넷째, 질산화조에 담, 매체를 충진하여 질화박테리아를 부착성장상태에 있게 함으로서 부유 성장에 비해 온도 영향을 덜 받을 수 있다.

Claims (3)

1. SBR(a)반응조(1-a)로 폐수가 유입;

   무산소 상태에서 폐수 중 유기물과 활성슬러지가 접촉하여, 유기물이 흡착된 활성슬러지는 침전되고, 유기물이 대부분 제거되고 암모니아성 질소가 농축된 상등수를 인발하여 저류조(2)로 유입;

   질산화조(3)에서 질산화가 끝난 폐수를 SBR(a) 반응조(1-a)로 유입;

   상기 저류조(2)에서 유기물이 대부분 제거되고 암모니아성 질소가 농축된 상등수를 질산화조(3)로 유입;

   SBR(a) 반응조(1-a)에서 무산소 상태에서 탈질반응 수행하고, 호기 상태에서 잔류 암모니아의 질산화 및 유기물분해, 무산소 상태에서 질산화된 질산염의 탈질 수행, 호기상태에서 재포기(4)를 통한 질소가스의 탈기 및 잔류 암모니아성 질소의 질산화 및 유기물 분해, 활성슬러지의 침전 후 처리수 방류;

   과정을 순차적으로 거쳐 폐수가 처리 되는 것을 특징으로 하는 되새김 SBR 폐수처리방법.
2. 제 1항에 있어서,

   SBR(a)반응조(1-a)는 처리할 폐수의 양이 많을 경우 필요에 따라, SBR(b)(1-b), SBR(c)(1-c), SBR(d)(1-d)와 병용 운영가능한 것을 특징으로 하는 되새김 SBR 폐수처리방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   SBR반응조, 저류조, 질산화조는 회분식으로 운영되는 것을 특징으로 하는 되새김 SBR 폐수처리방법.

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