KR100783790B1 - 다단탈질여과를 이용한 하수처리장치 및 이를 이용한 하수처리방법 - Google Patents

다단탈질여과를 이용한 하수처리장치 및 이를 이용한 하수처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하수처리공정의 탈질효율을 향상시켜 유출수에 질소가 함유되어 수계의 환경을 저해하는 것을 방지하는 다단탈질여과를 이용한 하수처리장치 및 이를 이용한 하수처리방법에 관한 것으로, 하수를 유입시켜 침전시키는 1차침전조와, 상기 1차침전조의 유출수를 미생물을 이용하여 질산화시키는 호기조를 포함하는 미생물반응조와, 상기 미생물반응조의 미생물 슬러지를 침전시키는 2차침전조와, 상기 2차침전조의 유출수에 포함된 질산염을 제거하기 위한 상부의 담체층과 상기 유출수에 포함된 부유물을 제거하기 위한 하부의 여재층이 마련된 제1탈질여과조 및 상기 제1탈질여과조의 유출수에 잔존하는 질산염 및 부유물을 제거하기 위한 제2탈질여과조로 구성되어, 하수처리시 최종 유출수의 질소함유량을 저감시켜 수계의 생태환경에 악영향이 미치는 것을 예방함으로써 안정적인 유출수질을 확보할 수 있는 효과가 있다.
하수처리, 탈질여과조, 담체층, 여재층, 외부탄소원

Description

다단탈질여과를 이용한 하수처리장치 및 이를 이용한 하수처리방법{APPARATUS FOR WASTEWATER TREATMENT WITH MULTI-STAGE DENITIFICATION-FILTRATION AND METHOD FOR WASTEWATER TREATMENT USING THE SAME}
도 1은 본 발명의 다단탈질여과를 이용한 하수처리장치를 나타내는 개념도.
도 2는 단일 탈질여과 및 2단 탈질여과의 제거율을 비교하기 위한 그래프.
도 3a는 여과율에 따른 NO3제거율을 나타내는 그래프.
도 3b는 여과율에 따른 부유물 제거율을 나타내는 그래프.
도 4는 외부탄소원 주입량에 따른 NO3제거율을 나타내는 그래프.
도 5는 온도에 따른 NO3제거율을 나타내는 그래프.
도 6은 여재 높이에 따른 NO3농도를 나타내는 그래프.
도 7은 본 발명의 다단탈질여과를 이용한 하수처리방법을 장기적으로 운전하여 NO3제거율의 변화를 나타내는 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 1차 침전조 20: 혐기조
30: 무산소조 40: 호기조
50: 2차 침전조 60: 제1탈질여과조
70: 제2탈질여과조
본 발명은 다단탈질여과를 이용한 하수처리장치 및 이를 이용한 하수처리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하수처리공정의 탈질효율을 향상시켜 유출수에 질소가 함유되어 수계의 환경을 저해하는 것을 방지 한 다단탈질여과를 이용한 하수처리 및 이를 이용한 하수처리방법에 관한 것이다.
일반적으로, 하수처리는 유입하수를 1차침전 후에 혐기조, 무산소조, 호기조로 구성되는 미생물반응조에서 미생물을 이용하여 처리시킨 후에 다시 2차 침전지에서 침전 방류하는 방법을 택하고 있다.
이때, 미생물반응조에서 생산된 미생물을 슬러지(sludge)라고 하며, 이는 2차 침전조에서 침전된다. 침전된 슬러지는 일부 미생물반응조로 순환되고, 일부는 방출되어 폐슬러지 처리되는 공정으로 이루어진다
한편, 이와 같은 하수처리 흐름에서 수계로 방류되는 유출수에는 유량에 비하여 질소농도가 높아 수계에 생태환경을 저해하는 요인으로 작용하는 문제점이 있 었다.
즉, 하수종말처리시설 운영실태분석 보고서(2005년, 환경부)를 보면, 일반하수처리장에서 유입수와 방류수의 T-N(총질소)평균농도는 각각 32.1; 16.3mg/L로 제거율은 약 49%에 불과하며, 일부 하수처리장에서는 T-N의 연평균 방류수질이 수질기준을 초과하였다.
한편, 고도처리시설로 운영중인 하수처리장 152개소의 평균 T-N 유출수질은 13.0mg/L로 재이용수질 권고기준인 10mg/L를 크게 상회하고 있다. 이는 고도처리시설로 운영되는 하수처리장의 유출수가 하천유지를 위해 수계로 방류되기에도 적합하지 않다는 것을 의미한다. 따라서 추가적인 질소제거의 필요성이 대두되고 있으며, 하수처리장 유출수 중 T-N의 대부분은 질산염(NO3) 형태로 존재하므로 질산염을 추가적으로 제거할 수 있는 후탈질 공정이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 하수처리시 최종 유출수의 질소함유량을 저감시켜 수계의 생태환경에 악영향이 미치는 것을 예방함으로써 안정적인 유출수질을 확보할 수 있는 다단탈질여과를 이용한 하수처리장치 및 이를 이용한 하수처리방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명의 다단탈질여과를 이용한 하수처리장치는, 하수를 유입시켜 침전시키는 1차침전조와, 상기 1차침전조의 유출수를 미생물을 이용하여 질산화시키는 호기조를 포함하는 미생물반응조와, 상기 미생물반응조의 미생물 슬러지를 침전시키는 2차침전조와, 상기 2차침전조의 유출수에 포함된 질산염을 제거하기 위한 상부의 담체층과 상기 유출수에 포함된 부유물을 제거하기 위한 하부의 여재층이 마련된 제1탈질여과조 및 상기 제1탈질여과조의 유출수에 잔존하는 질산염 및 부유물을 제거하기 위한 제2탈질여과조를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다단탈질여과를 이용한 하수처리방법은, 하수를 유입시켜 침전시키는 1차 침전공정과, 상기 1차 침전공정의 유출수를 미생물을 이용하여 호기조건에서 질산화시키는 공정을 포함하는 미생물반응공정과, 상기 미생물반응공정의 미생물 슬러지를 침전시키는 2차 침전공정과, 상기 2차침전공정의 유출수에 포함된 질산염 및 부유물을 제거하는 제1탈질여과공정 및 상기 제1탈질여과공정의 유출수에 잔존하는 질산염 및 부유물을 제거하기 위한 제2탈질여과공정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고로 하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 다단탈질여과를 이용한 하수처리장치를 나타내는 개념도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 다단탈질여과를 이용한 하수처리장치는, 하수를 유입시켜 침전시키는 1차침전조(10)와, 상기 1차침전조(10)의 유출수를 미생물을 이용하여 처리하는 미생물반응조와, 상기 미생물반응조의 유출수를 침전시키는 2차침전조(50)와, 탈질 및 부유물 제거를 위한 제1탈질여과조(60) 및 상기 제1탈질여과조(60)의 유출수에 잔존하는 질산염 및 부유물을 제거하기 위한 제2탈질여과조(70)로 구성된다.
상기 미생물반응조는, 혐기조(20)와 무산소조(30) 및 호기조(40)로 구성된 미생물반응조에 1차침전조(10)를 통과한 처리수를 유입시켜 질소(N), 인(P) 및 유기물질을 제거한다. 즉, 상기 1차 침전공정 이후 혐기조에서 인(P)을 방출하고 무산소조(30)에서 호기조(40)로부터 반송되는 내부반송수 내의 질산염(NO3)을 탈질하며, 호기조(40)에서 유기물 산화, 질산화, 인(P) 축적하는 순서로 미생물을 처리한다.
또한, 상기 미생물반응조는 혐기조(20), 무산소조(30) 및 호기조(40)로 구성된 생물학적 질소, 인 제거공정뿐만 아니라, 표준활성화슬러지공정과 같이 전체가 하나의 호기조(40)로 이루어질 수 있다. 즉, 본 발명은 종래의 생물학적 질소, 인 제거공정뿐만 아니라 표준활성화슬러지공정 등과 같이 호기조(40)를 포함한 공정에 동일하게 적용될 수 있는데, 이하에서는 전자를 중심으로 설명하기로 한다.
제1탈질여과조(60)는, 2차침전조(50)의 유출수에 포함된 질산염을 제거하기 위한 상부의 담체층과 상기 유출수에 포함된 부유물을 제거하기 위한 하부의 여재층이 마련된다. 여기서, 상기 담체층에는 미생물이 부착됨으로써 상기 미생물이 부유되어 이탈되는 것을 방지함으로써 제1탈질여과조(60) 내의 미생물의 농도를 조절하게 되는데 이러한 미생물에 탄소를 공급하기 위해 외부탄소원을 투입하게 된다.
이때, 외부탄소원은 메탄올로서 상기 미생물의 탈질반응을 촉진시키는 작용 을한다. 또한, 상기 담체층은 일정높이를 갖는 고정형 담체일 수 있으며, 상기 여재층은 일정높이로 적층된 모래층으로 상기 유출수 내에 포함된 부유물을 걸려내는 작용을 한다.
제2탈질여과조(70)는, 제1탈질여과조(60)의 유출수에 포함된 잔존 부유물을 제거하기 위해 내부에 여재층이 마련되어 이루어지는데, 전 공정인 제1탈질여과조(60)에서 투입된 외부탄소원은 제2탈질여과조(70)에서도 일정량이 존재함으로써 미생물에게 지속적으로 탄소원을 공급하는 작용을 하게 되어 제2탈질여과조(70)에서도 추가적은 탈질작용이 이루어지게 된다.
이하, 상기와 같은 구성을 갖는 다단탈질여과를 이용한 하수처리장치의 작용에 대해 설명한다.
전체적인 공정은, 1차 침전공정→ 미생물반응공정→ 2차 침전공정→ 제1탈질여과공정→ 제2탈질여과공정의 순으로 이루어진다.
1) 1차 침전공정은, 하수처리장의 하수를 1차침전조(10)에 유입시켜 하수내의 부유 고형물질을 침전시킨 다음 처리수를 미생물반응공정으로 방출한다.
2) 미생물반응공정은, 혐기조(20)와 무산소조(30) 및 호기조(40)로 구성된 미생물반응조에 1차침전조(10)를 통과한 처리수를 유입시켜 질소(N), 인(P) 및 유기물질을 제거한다. 즉, 상기 1차 침전공정 이후 혐기조에서 인(P)을 방출하고 무산소조(30)에서 질산염(NO3)을 탈질하며, 호기조(40)에서 유기물 산화, 질산화, 인(P) 축적하는 순서로 처리한다.
3) 2차 침전공정은, 상기 미생물반응공정에서 생산된 미생물을 2차침전조(50)에 침전시켜 제거하고, 이때, 침전된 미생물(슬러지)의 일부는 미생물반응공정 중의 혐기조(20)로 반송되고 나머지 슬러지는 폐슬러지처리된다.
4) 제1탈질여과공정은, 상기 2차침전조(50)의 유출수가 수용되는 제1탈질여과조(60)에 외부탄소원을 투입하여 제1탈질여과조(60)에 수용된 미생물에게 탄소원를 공급하여 미생물의 탈질반응을 촉진시키는 작용을 한다.
한편, 제1탈질여과조(60)에는 고정형 담체가 일정높이만큼 적재된 담체층을 이루는데, 상기 담체층에 미생물이 부착됨으로써 상기 미생물이 부유되어 이탈되는 것을 방지하는 작용을 한다. 즉, 상기 미생물은 질산염을 탈질시키는 탈질균의 역할을 수행하는 것이며, 이 탈질균에 외부탄소원인 메탈올을 주입하여 탄소원을 공급함으로써 탈질반응을 활성화시키는 것이다.
5) 제2탈질여과공정은, 제1탈질여과조(60)의 유출수에 포함된 부유물을 제2탈질여과조(70)의 여재층를 통해 제거하여 최종 유출시킨다.
이와 같은 공정을 갖는 본 발명의 다단탈질여과를 이용한 하수처리방법의 작용을 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 2는 단일 탈질여과 및 2단 탈질여과의 제거율을 비교하기 위한 그래프이다.
Figure 112007035425000-pat00001
표 1에서 보는 바와 같이, 질삼염(NO3 --N) 제거효율이 다소 감소한 것 이외에는 대부분의 수질인자에 대해 2단 탈질여과가 우수한 제거효율을 보였으며, 특히 도 2와 같이 장기간 운전시에는 단일 탈질여과 보다 2단 탈질여과가 지속적으로 월등한 이물질 제거효율을 갖는 것을 알 수 있다. 이때, SS: 부유물, TKN: Total Kjeldahl Nitrogen, NH4 +: 암모니아성 질소, NO3 -:아질산성 질소, T-P: 인(P)을 나타낸다.
도 3a는 여과율에 따른 NO3제거율을 나타내는 그래프이고, 도 3b는 여과율에 따른 부유물 제거율을 나타내는 그래프이다.
도 3a 및 도 3b와 같이, 제2탈질여과조(70)의 여재층에 대한 여과율을 50 m3/m2ㆍd에서 150 m3/m2ㆍd까지 변화시켰는데 질소 제거율과 부유물 제거율 모두 크게 영향을 받았다.
즉, 여과율이 50~100m3/m2ㆍd일 때 부유물 제거율은 81.5%~75.5%로 거의 변화가 없었으나 150m3/m2ㆍd에서 68.3%로 감소하였다. 따라서, 여재층의 여과율은 중요한 요인으로 작용하며, 요구되는 유출수질에 따라 가변적으로 설정될 수 있다.
도 4는 외부탄소원 주입량에 따른 NO3제거율을 나타내는 그래프이다.
호기조(40)에서 질산화된 유출수의 탈질을 위해 투입되는 외부탄소원의 투입량은, 이론량(이론적 탄소원 요구량)의 0%, 50% 및 100%의 메탈올을 투입하였으며 도 4와 같이, 상기 이론량의 100%에 해당하는 메탄올이 투입되었을 때 탈질율은 74.8%로 가장효율적 것을 알 수 있다. 이때, 상기 이론량은 경험식(McCarty et al., 1969)에 의거하여 산정할 수 있다.
Cm = 2.47 N0 + 1.53 N1 + 0.87 D0
여기서, Cm = 메탄올 요구량(Methanol requirement)(mg/L)이고, N0 = NO3 --N(mg/L)이며, N1 = NO2 --N(mg/L)이고, D0 = DO(mg/L)이다.
즉, 수학식 1에 의해 산출된 값을 이론량(이론적 탄소원 요구량) 100%으로 가정하여 0%, 50% 및 100%를 투입한 것이다.
도 5는 온도에 따른 NO3제거율을 나타내는 그래프이다.
도 4와 같이 제1탈질여과조(60) 및 제2탈질여과조(70)의 반응온도를 18℃에 서 25℃로 변화시켰을 때 NO3제거율은 70.6%~74.8% 사이의 안정적인 범위를 유지하는 것을 알 수 있어 온도는 크게 영향을 끼치지 않는 것을 알 수 있다.
도 6은 여재 높이에 따른 NO3농도를 나타내는 그래프이다.
여재층의 여과율은 50 m3/m2ㆍd로 하고 총높이 90cm(일반적인 여재층 높이) 중 소수성 담체 45cm, 모래(표준사) 45cm; 총유효용량의 50:50 용량을 갖도록 제1탈질여과조(60)를 구성하고 상기 여재층의 높이를 15cm 간격으로 검출장치를 설치하여 시료를 채취한 뒤 실험하였다.
도 6과 같이, 전체 질산염(NO3) 제거 중 약 70% 가량이 여재층 상단에 위치한 담체층의 30cm 내에서 수행된 것을 알 수 있다. 이는 담체층에 많은 탈질균(미생물)이 분포하고 있다는 것을 보여주는 것으로, 상기 여재층의 높이가 45cm(총유효용량의 50%)이내로 이루어져 상기 담체층의 높이가 30cm이상(총유효용량의 1/3이상)을 갖도록 이루어짐으로써 담체층의 탈질균을 통한 원활한 탈질효과를 얻도록 구성하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 다단탈질여과를 이용한 하수처리방법을 장기적으로 운전하여 NO3제거율의 변화를 나타내는 그래프이다.
Figure 112007035425000-pat00002
표 2와 같이, 상술한 바와 같은 조건으로 장기적으로 운전한 경우 여과율이 지나치게 높았던 경우(Mode 3)와 외부탄소원이 요구량보다 적게 주입된 경우(Mode 4, 5) 이외에, 정상적인 운전 조건(Mode 6, 7, 8, 9)에서는 80% 내외의 높은 탈질율을 보이는 것을 알 수 있다.(도 7과 같이) 즉, 여과율이 100m3/m2ㆍd이고, 외부탄소원 투입량이 100%의 조건으로 운전한 Mode 6 내지 Mode 9가 가장 효율적인 NO3제거율을 보이는 것을 알 수 있으며, 제1탈질여과조(60) 이후의 제2탈질여과조(70)에서도 탈질작용이 이루어짐에 따라 제2탈질여과조(70)에서 높은 질산염 제거효과를 기대할 수 있는 것을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 다단탈질여과를 이용한 하수처리장치 및 이를 이용한 하수처리방법은, 하수처리시 제1탈질여과조에서 탈질 및 부유물을 제거하고 제2탈질여과조에서 잔존하는 질산염을 탈질하는 동시에 부유물을 제거함으로써, 최종 유출수의 총질소 농도를 저감시켜 수계의 생태환경에 악영향이 미치는 것을 예방할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 하수를 유입시켜 침전시키는 1차침전조;
    상기 1차침전조의 유출수를 미생물을 이용하여 질산화시키는 호기조를 포함하는 미생물반응조;
    상기 미생물반응조의 미생물 슬러지를 침전시키는 2차침전조;
    상기 2차침전조의 유출수에 포함된 질산염을 제거하기 위한 상부의 담체층과 상기 유출수에 포함된 부유물을 제거하기 위한 하부의 여재층이 마련된 제1탈질여과조; 및
    상기 제1탈질여과조의 유출수에 잔존하는 질산염 및 부유물을 제거하기 위한 제2탈질여과조를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 다단탈질여과를 이용한 하수처리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 담체층의 용량은, 제1탈질여과조의 유효용량의 1/3 내지 2/3로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다단탈질여과를 이용한 하수처리장치.
  3. 하수를 유입시켜 침전시키는 1차 침전공정;
    상기 1차 침전공정의 유출수를 미생물을 이용하여 호기조건에서 질산화시키는 공정을 포함하는 미생물반응공정;
    상기 미생물반응공정의 미생물 슬러지를 침전시키는 2차 침전공정;
    상기 2차침전공정의 유출수에 포함된 질산염 및 부유물을 제거하는 제1탈질여과공정; 및
    상기 제1탈질여과공정의 유출수에 잔존하는 질산염 및 부유물을 제거하기 위한 제2탈질여과공정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 다단탈질여과를 이용한 하수처리방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 외부탄소원은 메탈올로서, 이론량 대비 100%가 투입되며,
    상기 이론량은, 하기 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 다단탈질여과를 이용한 하수처리방법:
    Cm = 2.47 N0 + 1.53 N1 + 0.87 D0
    {여기서, Cm = 메탈올 요구량(mg/L), N0 = NO3 --N(mg/L), N1 = NO2 --N(mg/L), D0 = DO(mg/L)}
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CN101698557B (zh) * 2009-11-09 2012-09-26 中国海洋石油总公司 一种高碳高氮废水的组合处理方法
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