KR100778296B1

KR100778296B1 - 축산폐수내 질소를 효율적으로 처리하기 위한 방법

Info

Publication number: KR100778296B1
Application number: KR1020030003643A
Authority: KR
Inventors: 현 용 이; 김동진; 최근표
Original assignee: 강원대학교산학협력단
Priority date: 2003-01-20
Filing date: 2003-01-20
Publication date: 2007-11-27
Also published as: KR20040066549A

Abstract

본 발명은 축산 분뇨 처리에 있어서 빠르고 다량처리가 가능한 방법인 여과막을 이용한 물리적 처리방법과, 시간은 소요되지만 보다 환경친화적이며 안전한 폐수 처리방법인 생물학적 처리방법의 장단점을 혼합해 기존처리방법보다 빠르고 환경친화적인 폐수처리 방법에 관한 것이다.

본 발명은 축산 폐수를 1차로 원심분리기를 이용해 잔여 부유물질 등을 제거하고 나온 여액을 100㎛ 구멍 크기의 막분리 장치로 정제 후, 이와 같이 정제된 폐수를 아나목스(Anammox)탈질 배양기에 넣어 2차적인 생물학적인 처리를 통해 축산 폐수내 존재하는 질소원을 폐수 방출기준에 맞추어 방출하는 장치이다. 여기서, 아나목스의 생물학적 장치는 혐기성 미생물인 니트로소모나스(nitrosomonas)을 이용해 폐수내 존재하는 질소원을 제거하는 방법이다.

따라서, 본 발명은 상기의 두 처리방법을 조합 병행설치하여 가장 처리가 힘든 축산 분뇨 폐수를 효율적으로 처리하며 또 관리운영상 경비가 절감되며 효율적으로 관리할 수 있는 시스템을 만들고 이를 이용한 농가 보급형 처리장치를 개발하였다.

유동층 반응기, 멤브레인, 원심 분리기, 1차 처리공정, 2차 처리공정

Description

축산폐수내 질소를 효율적으로 처리하기 위한 방법{Method for treatment to efficiently nitrogen inside the livestock raising waste water}

도 1 은 본 발명에 따른 유동층 아나목스 반응기의 개략도

도 2 는 본 발명의 축산폐수 처리장치 배열도

도 3 은 본 발명의 장치를 이용하여 실험시 운용기간 중의 춘천지역의 온도변화도

도 4 는 실험시 운용기간 중 돈사내에서 시스템을 작동하여 나타난 pH, 총황, 생물학적 질소 요구량의 변화도

도 5 는 실험시 운영기간 중 시스템을 작동하여 처리 후 폐수에서 나타난 총 인과 총 질소의 변화도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 분뇨정수기 (2) : 원심분리기

(3) : 오수 탱크(holding tank) (4) : 멤브레인(membrane)

(5) : 아나목스(anammox) 공정 (6) : 유동층 반응기

(7) : 폐수탱크 (8) : 교반기

(9) : 질소가스 (10) : 담체

(11,11a) : 펌프

본 발명은 축산폐수내 질소의 효율적 처리를 위해 막분리 공정과 아나목스(Anammox) 공정을 결합하여 처리하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 돈분을 1차적으로 원심분리를 통해 고액분리 된 상등액을 여과막으로 여과하는 장치에 아나목스(Anammox) 탈질반응조의 생물학적 처리 공정을 조합하여 폐수 방출 기준에 적합한 폐수 처리 방법에 관한 것이다.

통상 하ㆍ폐수 중의 유기물, 질소, 인의 방류수계 영향은 부영양화 등으로 인한 생태계의 악영향과 용수로 이용시에 문제점을 유발하고 있다.

종래의 공법으로는 유기물, 질소, 인을 동시에 고도처리 하기에는 어려운 점이 많고, 질소, 인의 고도처리 목적으로 도입된 외국의 공법은 국내의 하ㆍ폐수 성상이 외국과는 달리 질소, 인의 농도가 높고 C/N비가 불균일하며 부하변동이 심하여 적용시에 많은 문제점을 안고 있다.

이러한 축산 폐수내 지하수원의 주 오염원인 질소의 처리를 위해 NO₃ ^-(nitrate)의 제거가 중요 대상인데 질산성산소(nitracte)는 물속에서 대부분이 동물성 유기물질이 세균에 의하여 산화분해되어 NH₃-N, NO₂ ^--N을 경유하여 생성된 최종산물로 암모니아로부터 질소가스로 전환된다. 이런 질소원의 제거는 축산 폐수처리의 기본적 조건이지만 기존의 물리적 방법에 의한 처리에 있어서는 분뇨의 오니 등은 빠르게 제거할 수 있었으나 질소원 등의 제거에는 그 한계가 있었다. 또한 기존의 생물학적 탈질과정은 혐기성 미생물 및 화학반응을 이용해 nitrite(NO₂ ^-)로 변환 후 다시 무기질소 형태로 전환시키는 방법을 채택해 오고 있다. 이 방법은 처리 공정상 발생되는 암모니아의 제거가 어렵고 폐수내 NO₃ ^-의 잔존양이 NO₂ ^-보다 빠른 토양침투속도를 가지고 있어 지하수 오염원의 원천적 제거가 어려운 문제가 있다.

그리고, 니트로소모나스(nitrosom)이라는 미생물을 이용한 혐기적으로 폐수내 질소원의 생물학적 처리방법인 아나목스(Anammox)는 가장 안전하게 생태계에 영향을 주지 않고 질소원을 제거하는 기술로 인식되고 있다. 하지만 이런 아나목스 미생물을 이용한 생물학적 처리는 상대적으로 처리속도가 늦고 불안정성 때문에 단독적인 사용에는 한계가 있다.

상기와 같이 축산 분뇨폐수의 처리는 지금까지 가장 난해한 폐수로 분류되어 현재까지는 정확한 처리 방법이 없어, 특히 양돈 농가는 이문제로 인하여 돈수를 늘려 최소 경제성있는 수의 사육을 하려할 때 가장 큰 고민거리였다. 이런 축산 분뇨 폐수 처리방법에는 물리화학적 처리방법과 생물학적 처리방법이 있는데 전자는 분뇨폐수 처리 시 빠르고 고도처리 방법에 주로 이용되며, 후자는 시간이 걸리지만 보다 환경친화적이며 안전한 폐수 처리방법으로 인식되고 있다.

따라서, 본 발명은 이런 두 가지의 장단점을 혼합하여 기존처리방법보다 빠르고 환경친화적인 폐수처리 방법을 해결하고자 기존의 기계적 처리장치에 아나목스 공법을 접목시킨 농가보급형 처리장치를 개발하고자 하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 축산폐수를 1차적으로 물리적 처리로서 100㎛ ∼ 1㎜ 크기의 여과막을 이용한 막분리 방법으로 잔여 부유물질의 제거와 악취 등을 빠르게 제거하고, 2차적으로 이때 얻어진 돈분 폐기물 처리수 중에 존재하는 혐기성 질소산화 미생물인 니트로소모나스를 아나목스 탈질 배양기에 넣어 기존의 악취와 질소오염원의 주원인 물질인 유기성 질소를 생물학적인 처리 기술로서 탈질시킴으로 최종적으로 폐수 방출기준으로 낮춰 처리하는 것이다. 상기의 두 처리법들의 조합 병행설치하여 수질 오염에서 가장 문제가 되는 축산 분뇨 폐수를 효율적으로 처리하며 또 관리운영상 경비가 절감되며 효율적으로 관리할 수 있는 시스템을 만들어 농가에 보급할 수 있는 저가형 장치를 개발하여 효율성을 높이고자 함에 있다.

이하, 본 발명에 따른 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예 1. 아나목스 탈질 정화 장치 및 제반조건

첨부된 도면 도 1 은 본 발명에 사용된 아나목스(anammox) 반응기의 개략도로서, 반응기(6)는 아크릴 소재를 원형관으로 유효부피 1L로 제작하고, 반응기(6) 외부에 워터 바스(Water bath)(도시하지 않음)를 설치하여 온도를 니트로소모나스 미생물의 성장에 최적온도로 알려진 37℃로 유지시켰으며, 반응기(6)내의 담체로 외경 2.0㎜ 크기의 폴리술론 중공섬유(polysulone hollow fiber)를 이중층 생물막 담체(10)로 사용하였다.

또한, 내부에 반응기(6)의 약 40％(V/V)정도를 담체(10)로 채워 공기에 의해 유동되도록 하였고, 실험에 사용된 미생물 슬러지는 하수 처리장의 활성오니를 접종하여 사용하였으며 담체(10)에는 인위적으로 미생물을 고정화하지 않고 연속 운전을 통하여 질산화 미생물은 호기성 영역인 중공섬유 담체의 외벽에 주로 부착되고 탈질미생물은 용존 산소가 결핍된 중공섬유 내부에 부착하도록 하였다.

특히 유동상 생물막 반응기는 내부의 담체로 외경 2.0mm, 내경 1.0mm인 중공섬유 관을 약 3mm의 길이로 절단하여 사용하여 이 담체의 내부로도 미생물이 존재하도록 하여 산소 농도 구배에 의하여 내부에 혐기적 조건을 유지시켜주어 효율적인 탈질 반응을 유도하여 단일 반응기 내에서 질산화와 탈질화 반응이 동시에 발생할 수 있는 조건을 형성시켜 주었다.

반응기(6) 내부에 질소 가스(9)를 일정량 폭기시켜 주며, 교반기(8)로 충분한 교반이 이루어지도록 하였다. 폐수탱크(7)내의 폐수는 매주 1회씩 펌프(11)를 통해 반응기(6)내로 주입하고 처리된 폐수는 미생물의 유출을 막기 위하여 반응기(6)내에서 30분동안 교반을 멈춘 뒤 담체(10)에 부착된 미생물이 충분히 침전된 후 펌프(11a)를 이용하여 1.0∼2.0L정도를 유출 시켰다. NaHCO₃를 이용하여 반응기(6) 내 pH를 7.0∼7.5로 유지하여 주었다.

상기의 장치를 이용해 폐수내 탄소원과 질소원의 양(C/N 비)을 조절하여 실험한 결과가 아래 표 1 과 같다.

표 1. 도 1을 이용하여 폐수내 C/N비 조절에 의한 유동 생물막 반응기의 운용 결과

	A	B	C	D
운용 기간 (Operation, days)	0 ∼ 56	57 ∼ 84	85 ∼ 116	117 ∼ 143
암모니아성 질소 (NH₄ ⁺-N, mg/L)	100	100	200	50
아세테이트 (Acetate, mg-C/L)	0	100	100	50
암모니아성 질소 부하 (NH₄ ⁺-N load, kg N/m³ d)	0.75 ∼ 1.0	1.0 ∼ 1.26	2.04 ∼ 2.51	0.55 ∼ 0.67
통기 (Aeration, L/min)	0.4 ∼ 4	1 ∼ 2	1 ∼ 2	1 ∼ 2
질산화 효율 (Nitrification efficiency, %)	82	83	68	79
탈질 효율 (N removal efficiency, %)	-	70	66	65
탈탄소 효율 (C removal efficiency, %)	-	100	100	100

상기조건에서 여과된 여액의 탈질을 위한 질소원의 공급은, 공기 부상 반응기에서 C/N 비율에 따른 암모니아성 질소의 질산화 효율과 반응기가 운전되고 있는 동안 암모니아성 질소는 50에서 200mg N/L로 공급되었고 이에 따라 아세테이트는 0에서 100mg/L로 공급되었다.

상기, 표 1의 기간 A는 암모니아성 질소가 100mg N/L로 공급되고 아세테이트는 공급되지 않을 때이다. 이 때 유입되는 암모니아성 질소의 부하는 0.75kg N/m³ㆍd에서 1.0 kg N/m³ㆍd사이로 평균 0.95kg N/m³ㆍd로 공급되었으며 암모니아성 질소의 제거율은 61% 에서 93% 사이로 평균 82% 정도로 높게 유지되었으며 아질산성 질소와 질산성 질소가 각각 평균 50mg/L 정도로 비슷하게 생성되었으며 탈질은 거의 발생하지 않았다.

상기, 표 1의 기간 B는 암모니아성 질소가 100mg N/L로 공급되고 아세테이트는 100mg C/L로 공급될 때이다. 이 때 유입 암모니아성 질소 부하는 1.0kg N/m³ㆍd 에서 1.26kg N/m³ㆍd로 평균 1.12kg N/m³ㆍd 정도로 공급되었으며 암모니아성 질소의 제거율은 62% 에서 98.2% 범위로 평균 83%이상 높은 제거율을 보였으나 아질산성 질소와 질산성 질소의 농도는 각각 평균 4mg/L와 12mg/L정도로 낮게 나타났으며 유출수의 아세테이트 농도는 0 mg C/L 으로 나타났으며 약 70% 정도의 탈질율을 나타내었다.

상기, 표 1의 기간 C는 암모니아성 질소가 200mg N/L이고 아세테이트는 100mg C/L로 공급하였으며 이 때 암모니아성 질소 부하는 2.04kg N/m³ㆍd에서 2.51kg N/m³ㆍd로 평균 2.2kg N/m³ㆍd정도로 상당히 높게 유지되었다. 이 경우 암모니아성 질소의 제거율은 68% 정도로 나타났고 아질산성 질소와 질산성 질소의 농도는 각각 평균 6mg/L와 4.6mg/L로 낮게 나타났으며 유출수의 아세테이트 농도는 0mg C/L로 나타났으며 탈질율은 66% 정도로 높게 나타났다. 또한, 상기 표 1 의 기간 D는 암모니아성 질소 50mg N/L, 아세테이트 50mg C/L로 공급하였으며, 이 때 암모니아성 질소 부하는 0.55kg N/m³ㆍd에서 0.67kg N/m³ㆍd로 평균 0.59kg N/m³ㆍd 정도로 유지되었다. 이 경우 암모니아성 질소의 제거율은 79% 정도로 높게 나타났으며 아질산성 질소와 질산성 질소의 농도는 각각 평균 약 4mg/L와 8mg/L로 낮게 나타났으며 유출수의 아세테이트 농도는 0mg C/L로 나타났으며 탈질율은 65% 정도를 나타내었다.

실시예 2. 조합 병행 설치된 장치 및 운용조건

첨부된 도면 도 2 는 본 발명의 물리적 처리장치와 친환경적인 생물학적 처리장치인 아나목스 탈질 장치의 효과적인 조합을 위한 배열도로서,

우선 멤브레인(membrane)(4)으로 유입되기 전에 분뇨정수기(1)로부터 투입된 폐수를 원심 고액 분리기(2)에서 고형분 제거 후 멤브레인(4)에서 0.5∼1ton/day의 유속으로 폐수를 흘려 보내며 1차 처리를 시도한다. 이 같이 처리된 액을 오수 탱크(holding tank)(3)에 담아 아나목스(anammox) 공정(5)으로 보내거나 혹은 부피 30∼50%의 액을 재순환(recycle)시켜 처리 효율을 높인다. 회전되어 나오는 1차 처리액을 30∼50L/day의 속도로 유동층 반응기(fuidized bed reactor)(6)로 보내 2차 처리를 실시한다. 즉 폐수의 여과 장치를 고속 원리 분리형으로 교체했으며, 원액의 사용보다는 지하수를 이용한 희석도를 적정 희석배수인 25% 보다 낮은 15%대를 유지하도록 하였다. 또한 멤브레인(4)의 막힘에 의한 전체 공정의 중단(shut down)을 막기 위해 멤브레인(4)의 수를 1개로 하였으며 폐수의 적재(loading) 농도를 부피15%로 낮추어 액 500∼600rpm 정도 회전 속도로 원심분리를 통과 후 멤브레인 장치에 유입되게 했다. 이같이 1차 처리된 폐수를 아나목스 배양 장치로 옮겨 배양이 이루어지도록 했으며 외부의 온도의 변화에 영향을 적게 받기 하기 위해 유동층 형태의 배양조를 부착시켰다. 이 경우 배양조의 전체 용량이 멤브레인 장치를 통해 나오는 용액보다 상대적으로 적어 오수 탱크(holding tank)를 설치했으며 이때 보온을 위해 보온막을 설치했다. 또한 배양조 내의 균체 생육이 느려 전체 처리 속도에 가장 결정적인 영향을 미치는 율속단계(limiting step)로 작용하므로 이의 해결을 위해 생육 속도를 높일 수 있는 방안의 하나로 균체의 최적 생육 조건 유지를 위한 신선한 배지의 공급(전체 부피 10∼15% 정도의 지속적 공급)과 일정 수준의 온도 유지(최저 20℃)를 위해 보온 덮개가 설치된 배양조를 사용했다.

실시예 3. 실시예 2의 장치를 이용한 돈사 폐수의 탈질 처리 예시

상기, 실시예 2의 장치를 이용하여 춘천 근교의 100 두 규모의 양돈 축사에서 나오는 폐수를 옆의 콘크리트 탱크에 받아 이를 오수 탱크(holding tank)로 사용하여 일정 양의 폐수를 처리장치에 유입시키며 실험을 실시했다. 또한 폐수의 희석을 위해 사용한 물은 지하수로서 외부온도에 관계없이 13∼15℃를 유지했으며 오수 탱크(holding tank)에 직접 연결해 펌프를 통해 유입되는 지하수의 양에 따라 희석율을 조절했다. 2001년 4월부터 2001년 11월까지 약 8개월간 돈사옆에 설치해 실지(field) 실험을 수행하였다.

상기에서의 여과막 분리와 미생물에 의한 탈질공정한 장치를 이용하여 4월에서 10월까지 실제 운영을 통한 축산폐수내 탈질 및 pH의 변화를 살펴본 결과는 도 4 및 도 5 에 나타낸 바와 같으며, 이 기간 내 춘천지역의 온도변화는 도 3 에서와 같다.

상기와 같은 본 발명 장치를 이용하여 실제 폐수를 처리하여 각 성분을 비교한 결과는 아래 표 2와 같다.

표 2. 최적 조건하에서 세 가지 다른 조건에서의 돈분폐수 처리 효율의 비교

		pH	BOD	SS	Total phosphate	Total Nitrogen
처리전		5.4	12000	1750	960	1860
막분리 단일	ppm	7.4	110	63	18	280
막분리 단일	%	-	99.9	96.4	98.1	84.9
아나목스 단일	ppm	6.2	896	1100	11	13
아나목스 단일	%	-	92.5	37.1	98.8	99.3
복합처리	ppm	7.2	214	23	4	2
복합처리	%	-	98.2	98.6	99.6	99.8

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

따라서 본 발명에 의한 복합 결합 장치(hybrid system)는 기존의 악취와 질소 오염원의 주 원인인 유기성질소(주로 암모니아)의 처리에 대한 개념을 근본적으로 고치게 하는 획기적인 접근 방식으로 아직 어느나라도 산업적으로 시도하지 않고 있는 것이다. 따라서 본 발명은 지하수 오염의 가장 중요한 오염원인 축산폐수의 처리를 위해 축산농가에서 저가로 쉽게 설치하여 환경개선에 크게 기여할 수 있 는 효과가 있다.

Claims

분뇨정수기(1)를 통해 유입된 축산폐수를 원심 고액 분리기(2)에서 고형분 제거하고, 고형분이 제거된 축산폐수를 0.5 ∼ 1ton/day의 유속으로 멤브레인(4)에 보내 여과 처리하고 30∼50％ 부피의 여액은 재순환시키는 1차 처리공정과,

상기 1차 공정을 통해 처리된 액을 30∼50L/day의 속도로 유동층 반응기(6)로 보내 아나목스 공정(5)으로 2차 처리공정으로 이루어지며, 상기 반응기(6)내에 폴리술론 중공섬유를 이용한 이중층 생물막 담체(10)를 사용하고, 인위적으로 미생물을 고정화하지 않고 연속운전을 통하여 질산화미생물은 담체 외벽에 부착되고 탈질미생물은 용존산소가 결핍된 담체 내부에 부착하도록 하는 것을 특징으로 하는 축산폐수내 질소를 효율적으로 처리하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,

상기, 2차 처리공정의 반응기(6) 내부에 질소가스(9)를 일정량 폭기시켜주고, 반응기(6) 내부에 교반기(8)를 설치하여 충분한 교반이 이루어지도록 하며, 폐수 탱크(7)내의 폐수는 펌프(11)를 통해 매주 1회씩 반응기(6)내로 주입하고 이때 처리된 폐수는 미생물의 유출을 막기 위하여 반응기(6)내에서 30분 동안 교반을 멈춘 뒤 담체(10)에 부착된 미생물이 충분히 침전된 후 펌프(11a)를 이용하여 1.0∼2.0L를 유출시키는 것을 특징으로 하는 축산폐수내 질소를 효율적으로 처리하기 위한 방법.