KR100942053B1 - 회분식 생물반응조에 의한 하폐수 고도처리방법 및 처리장치 - Google Patents

회분식 생물반응조에 의한 하폐수 고도처리방법 및 처리장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회분식 활성슬러지법를 이용한 하폐수 처리방법 및 처리장치에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 별도 미생물배양기에서 배양된 활성슬러지가 MLSS 및 MLVSS 농도를 최적화하도록 회분식 생물 반응조로 공급되고 원수 유입유량에 따른 공정조건을 조절하는 회분식 활성슬러지법를 이용한 하폐수 처리방법 및 처리장치에 관한 것으로서, 본 발명의 하폐수 처리방법 및 처리장치를 사용함으로써 원수의 유입유량 및 농도 등 부하변동에 강하며, 슬러지의 플럭이 단단하고 침강성이 개선되어 하폐수 처리효율이 높고 방류수의 수질이 개선되는 장점이 있다.
회분식 활성슬러지법, 미생물 배양기, 하폐수 고도처리

Description

회분식 생물반응조에 의한 하폐수 고도처리방법 및 처리장치{METHOD AND APPARATUS FOR BIOLOGICAL ADVANCED TREATMENT OF SEWAGE AND WASTEWATER USING SEQUENCING BATCH REACTOR}
도 1a 내지 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 활성 슬러지공법의 운전 개념도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 미생물 배양기의 전체 구성을 도시한 개략적인 도면,
도 3는 본 발명의 일실시예에 따른, 유입·포기공정, 침전공정 배출공정의 수행시간과 횟수를 결정하는 제어단계를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 작동모드 모식도,
도 5a는 비교예에 따라 배양된 활성 슬러지를 첨가하지 않고 하폐수를 처리한 포기조내 플럭의 현미경사진이고, 도 5b 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에 따라, 별도의 미생물 배양기에서 배양한 활성 슬러지를 주입한 수행한 하폐수 처리공정의 포기조내 플럭의 미생물 상에 대한 현미경 사진.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 실시예에 따른 하폐수 처리결과 성분분석을 보여주는 그래프,
도 7은 비교예에 따른 하폐수 처리결과 성분분석을 보여주는 그래프이다.
*도면의 주요부호 설명*
20 : 배양조 21 : 투입구
23 : 레벨게이지 24 : 배출관
25 : 단열재 30 : 공급관
31 : 공급펌프 40 : 송풍기
41 : 에어공급호스 50 : 저온히터
51 : 고온히터 52 : 제어수단
60,61 : 분사파이프 62,63 : 분사노즐
본 발명은 회분식 활성슬러지법를 이용한 하폐수 처리방법 및 처리장치에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 별도 미생물배양기에서 배양된 활성슬러지가 회분식 생물 반응조로 공급되고 원수 유입유량에 따른 공정조건을 조절하는 회분식 활성슬러지법를 이용한 하폐수 처리방법 및 처리장치에 관한 것이다.
일반적인 하폐수 처리방법에는 물리화학적 방법과 생물학적 방법이 있다. 이중 물리화학적 방법은 비용이 많이 소요되고 처리후의 생성물을 재처리해야 하는 단점이 있는 반면에, 생물학적 방법은 상당량의 유기물 성분을 이산화탄소 및 메탄가스의 형태로 하폐수내 유기물을 제거함으로써 처리 후 생성물의 양이 비교적 적다. 생물학적 처리방법은 주로 미생물을 이용하여 폐수내의 오염물질을 분해, 및 분리시키는 것으로서, 생활하수의 2차 처리, 유기물을 함유하는 공장폐수 및 이로부터 생성되는 슬러지의 처리에 주로 사용되며 비교적 저렴한 경비와 다양한 공정등으로 세계적으로 가장 널리 사용되고 있는 폐수처리방법이다. 상기 생물학적 처리의 핵심역할을 하는 미생물은 세균류, 진균류, 원생동물 및 후생동물의 각기 다른 개체군의 미생물에 의해서 구성되는 혼합 배양체로서, 폐수중에 녹아있는 용존산소를 이용하고, 유기성 오염물질을 분해 및 제거하여 영양 성분으로 증식하여 하폐수를 정화시킨다.
우리나라의 경우, 대부분의 하수처리 및 축산폐수 처리방법은 활성 슬러지 공법에 의존하고 있는 실정이다. 활성 슬러지 공법을 이용할 경우에, 대부분의 현탁 고형물질과 유기물은 제거될 수 있으나, 질소나 인과 같은 영양염류 물질의 처리는 10∼20%에 불과하다. 하천이나 연안 바다, 호수 등의 수역에 있어서, 질소나 인등의 영양염류가 증가하면 부영양화 현상이 발생된다. 부영양화 현상은 영양염류를 영양소로 하는 생물의 생산을 활성화시켜서 자연의 생태계를 변화시키게 되고, 해역에서는 적조 발생의 한 원인이 되며, 호수에서는 조류 등의 이상증식을 초래하게 된다. 이러한 과정은 자연계에 있어서는 원만하게 진행되지만, 생활하수, 축산폐수, 공장폐수 등이 대량으로 유입되면 영양염이 지나치게 증가하게 되고, 이에 따라 조류의 대량번식으로 수자원으로서의 가치가 없어지게 된다. 그리고, 부영양화 현상이 급속히 진행되고, 심하면 부패물에 의해 악취가 나며, 수질오염이 촉진된다. 따라서, 수계보호를 위한 하폐수 처리의 목적이 질소와 인의 제거에 초점을 맞추고 있으며, 앞으로 더욱 강화될 규제 농도에 부합된 공정을 개발하는 것이 시 급한 실정이다.
질소 화합물을 처리하는데 요구되는 반응은 질소화합물들을 산화시키는 호기상태의 질산화과정과 산화된 상태(NO2-, NO3-등)의 질소 화합물을 가스상태의 질소 가스로 만들어 탈기시키는 무산소상태의 탈질산화 과정이며, 인화합물을 처리하기 위한 방법은 혐기성 상태에서 미생물내에 있는 인을 체외로 방출시키는 인방출과 인을 과잉 섭취하는 호기상태가 요구된다. 종래에 질소, 및 인과 같은 영양염류를 처리하는 방법으로는 생물화학적 산소요구량(BOD; 수중 유기물질량의 척도), 및 부유물질(SS; 수중부유물질량)을 제거하기 위한 시설에 영양염류를 제거하기 위한 시설을 부가적으로 설치하고 운전방식의 변형을 통하여 달성되므로, 시설물의 규모가 수배까지 커지는 비경제적이라 할 수 있다. 또한, 질소와 인을 동시에 처리하기 위해서는 상기 호기상태, 및 무산소 혐기성의 요구환경을 모두 갖추어야 하는데 기존의 방법들은 각각의 반응조를 시간적으로 구분하여 이들을 처리하였다. 또한, 질소화합물을 처리하는데 요구되는 질산화 반응은 탈질 반응보다 시간이 더 걸리기 때문에, 기존의 공정에서는 유입수내의 질소농도가 높아지게 되면 유출수의 질소화합물의 농도가 설정값을 초과할 수 있어 질화반응을 유도하는 호기반응조의 크기를 증가시키지 않으면 안된다.
따라서, 종래에 많이 사용하고 있는 회분식 활성슬러지 공법은 포기나 원수 유입방식에 따라 여러 가지가 있으나, 부영양화의 원인물질인 질소나 인의 안정적 처리가 어렵고, 단속적으로 유입(연속 유입의 상대적 개념으로서 한 공정 중 일부 의 시간만 유입되는 형식임)되는 fill-and-draw방식이므로 원수조(포기, 침전, 반응 기간에 유입되는 원수를 모아두는 시설)의 크기가 매우 커지는 단점을 가지고 있다.
질소와 인을 효율적으로 제거하기 위하여, 상기와 같은 회분식 활성슬러지 공법을 개선한 방법이 한국특허공개 1999-0045959호에 기재되어 있다. 구체적으로, 원수의 유량에 따라 유입 및 포기공정에서 하폐수가 반연속적으로 또는 간헐적으로 유입 및 포기함으로써 미생물에 필요한 산소를 단속적으로 주입하여 호기조건(자유산소 및 결합산소(NO2-N, N03-N)가 수중에 존재하는 상태), 무산소조건(결합산소만 존재하는 상태), 혐기조건(자유산소와 결합산소가 존재하는 않는 상태)를 만들어 질소와 인을 제거할 있는 환경을 조정한다.
그러나, 상기 발명은 유량에 따른 원수 유입 및 포기를 간헐적으로 조절할 뿐이므로, 여전히 간헐적 포기로 인해 포기조내의 미생물에 대한 생육 및 활성이 불충분할 수 있고 유입원수의 유량 및 농도에 따른 조절이 어려우므로, 포기조내 활성 슬러지 상태를 최적화할 필요성이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 별도로 배양된 활성슬러지를 반응조에 투입하여 처리함으로서 반응기내의 F/M (ratio of Food to Microorganism)비율을 일정하게 유지하여 폐수의 수질과 유량의 상황 또는 처리목적에 맞게 운용이 가능하고 질소와 인의 처리를 극대화 시킬 수 있고, 포기 동력비를 절감시킬 수 있는 회분식 활성슬러지법을 이용한 하폐수의 처리방법 및 하폐수 처리장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하고자, 본 발명은 하폐수의 유입공정, 포기공정, 침전공정 및 배출공정을 포함하는 회분식 활성슬러지법을 이용한 하폐수의 처리방법에 있어서,
상기 하폐수 유입공정은 원수를 연속적 또는 간헐적으로 하폐수 처리용 회분식 생물 반응조로 주입하고, 상기 포기공정은 미생물배양기에서 증식한 배양 활성슬러지를 반응조에 주입하고 간헐적으로 포기하여 포기조내 휘발성 부유물(MLVSS)값/포기조내 현탁부유물(MLSS)값이 70%이상의 범위로 유지하도록 수행하는 것인, 회분식 활성슬러지법을 이용한 하폐수의 처리방법에 관한 것이다.
바람직하게는, 본 발명은 상기 포기공정에 주입되는 배양 활성슬러지는, 미생물 반응기에 상기 포기공정의 포기액과 미생물 배양물질를 첨가하고 배양하여 증식된 미생물인 하폐수의 처리방법을 제공하다. 또한, 상기 유입공정 및 포기공정은 일정시간 교대로 1회 이상 반복 수행하거나, 상기 유입공정은 간헐적 또는 연속적으로 하폐수를 주입하고, 상기 포기공정은 포기와 비포기를 교대로 1회 이상 반복 수행하고, 상기 침전공정 및 배출공정은 하폐수의 유입을 차단하고 수행할 수 있다.
또한, 본 발명은 원수에 포함된 협잡물을 제거하는 스크린이 내부에 구비된 원수조,
상기 원수조에 연결되며, 포기장치가 구비된 활성슬러지를 이용한 하폐수 처 리용 회분식 반응조,
상기 반응조에 연결되며, 반응조로부터 배출된 처리수에 포함된 미처리 유기물을 분해 및 제거하고 처리수를 배출하는, 미생물이 부착된 담체로 충진된 생물여과기,
상기 반응조에 연결되며, 상기 반응조로부터 배출된 잉여 슬러지를 농축하는 슬러지 농축저류조, 및
상기 반응조에 연결되며, 상기 반응조의 포기액과 배양물질을 혼합하여 배양 활성슬러지를 제조하여 상기 반응조에 공급하는 활성슬러지 배양기,
상기 원수조, 반응조, 생물여과기, 슬러지 농축저류조, 및 활성슬러지 배양기를 제어 작동시키기 위한 제어부를 포함하며,
상기 제어부는 기설정된 설계유량을 기준으로 원수의 유입유량을 측정하여 상기 유입공정, 포기공정, 침전공정 및 배출공정의 수행시간과 수행횟수를 제어하며, 기설정된 반응조내의 MLSS 값 및 MLVSS값을 기준으로 배양 활성슬러지의 배양조건, 및 반응조 주입조건을 제어하는 것인, 활성슬러지를 이용한 하폐수 처리장치에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 더욱 자세히 설명하고자 한다.
종래의 회분식 활성슬러지법을 이용한 하폐수의 처리방법에 있어서, 하폐수 유입공정, 포기고정, 침전공정 및 배출공정의 횟수 및 시간을 조절하여 수행하더라도, 유량변동 또는 원수의 오염정도에 따른 포기조내 활성슬러지의 활성 및 양에 대한 별도 조절이 없어, 포기조의 플럭(floc) 상태가 불량하며 플럭양도 적으며, 고착형 미생물보다는 유영형 미생물상이 관측되며, 포기조내의 미생물에 대한 생육 및 활성이 불충분하다는 문제점이 있다. BOD 및 SS 뿐만 아니라, 질소 및 인를 충분히 제거할 수 있고, 유입수의 부하변동에 따른 하폐수 처리율이 일정하고, 악취가 발생하지 않는 하폐수 처리공법이 필요하다. 본 발명에 따른 회분식 활성슬러지법을 이용한 하폐수의 처리방법은 하폐수의 유입공정, 포기공정, 침전공정 및 배출공정을 포함하며, 상기 포기공정중 미생물배양기에서 증식한 배양 활성슬러지를 반응조에 주입하고 간헐적으로 포기하여 포기조내 현탁부유물의 농도를 일정 수준이상을 조절할 수 있다.
본 발명의 일실시예인 도1을 참조하여 설명하면, 처리시설로 유입시키는 유입단계, 유입된 하폐수에 미생물을 반응시키는 단계로서 호기성균의 대사에 필요한 산소를 공급 시켜주는 포기단계, 반응조내의 미생물과 처리수를 고액 분리시키는 침전단계, 처리수를 배출시켜서 방류하는 배출단계, 및 상기 포기단계에 배양된 활성슬러지를 주입하는 단계를 포함한다.
상기 유입단계에서는, 원수펌프에 의해 원수가 원수조로부터 반응조내로 일정시간 동안 유입된 후 미생물과의 접촉환경이 조성된다. 포기공정에서는, 정해진 시간 동안 반응조내에 산소를 공급하여 호기성 미생물에 의해 유기물의 산화분해 및 질산화가 진행되고, 인이 흡수되어 제거된다.
상기 유입공정 및 포기공정은 일정시간 교대로 1회 이상 반복 수행하고, 상기 침전공정 및 배출공정은 하폐수의 유입을 차단하고 수행할 수 있다. 또는, 상기 유입공정은 간헐적 또는 연속적으로 하폐수를 주입하고, 상기 포기공정은 포기와 비포기를 교대로 1회 이상 반복 수행하고, 상기 침전공정 및 배출공정에서는 하폐수의 유입을 차단하는 방법으로도 수행할 수도 있다. 상기 포기공정중 비포기 구간에는 교반을 수행할 수도 있다.
상기 포기공정은 미생물배양기에서 증식한 배양 활성슬러지를 반응조에 주입하고 간헐적으로 포기하여 포기조내 현탁부유물(MLSS) 및 MLVSS값을 1,500~5,000범위, 더욱 바람직하게는 2,000 ~ 3,000로 유지하도록 수행한다. 본 발명에 따라, 포기조내 농도는 하기 [수학식 1] 값이 70%, 예를 들면 72% 이상, 바람직하게는 75% 이상, 더욱 바람직하게는 80% 이상 값을 가진다.
Figure 712009000471146-pat00001
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상기 배양 활성슬러지는 상기 유입공정, 포기공정, 침전공정 및 배출공정이 2회 이상 반복 수행되는 되는 경우 매 사이클의 포기공정중 1회만 주입하거나, 또는 매 사이클의 포기공정에 반복 주입하거나, 유입수의 유량 및 농도와 포기조의 MLSS 및 MLVSS값을 고려하여 미생물 주입량 및 주입횟수를 적절히 조절할 수 있다. 이는 유입수의 부하가 빈부하 혹은 과부하로 유입될 경우에도 일정한 수준의 MLVSS값을 유지하고 있으므로 큰 변화 없이 안정적인 하폐수를 처리할 수가 있다.
폐수처리 공정중 활성오니조(포기조)는 유입수에 포함된 BOD, 미생물, 반송슬리지등의 혼합되어 있는데, 이 용액을 혼합액(ML: mixed liquor)라고 한다. 활성오니조의 관리항목 중에는 포기조내의 부유고형물(SS) 및 휘발성 부유고형물(VSS) 이 있으며, 이 용어를 MLSS(Mixed Liquor Suspended Solids: 혼합액 부유고형물) 및 MLVSS(Mixed Liquor Volatile Suspended Solids: 혼합용액 휘발성 부유고형물)이라고 한다. MLSS 및 MLVSS의 분석방법은 SS 및 VSS의 분석법과 같다. MLSS 및 MLVSS의 관리목표치는 설비의 설계치 및 자체 운전기준에 따라 각각 달라질 수 있다.
활성슬러지 공법은 유기물을 미생물에 의한 산화가 하폐수 처리의 가장 핵심적인 부분이며, 이러한 미생물에 의한 산화를 효율적으로 수행하기 위해서는 박테리아등을 포함하는 활성높은 미생물이 필요하고, 충분한 용존산소, 적정온도 및 pH조건, 충분한 질소 및 인, 미생물 분해 유기물 등이 필요하며, 이러한 요건은 모두 유기물 분해 미생물의 활성 및 양과 밀접한 관계가 있다. 유입수중 BOD가 낮으면 미생물의 숫자가 감소하고 BOD가 너무 높으면 비정상적으로 과도하게 증식하게 되어 완전한 COD 및 BOD 분해가 이루어지지 않아 침전조에서 플럭들이 깨질 수 있으므로 유입수의 BOD와 미생물 양이 큰 변화없이 일정한 것이 좋다. 용조산소는 0.5 내지 2ppm을 유지하는 것이 좋으며, 용존산소가 부족할 경우에 혐기성 박테리아 및 부패성 박테리아의 증식을 유발하게 되고 포기조의 운전상태 악화를 유발하게 된다. 따라서, 실제 유입수의 BOD를 일정하게 조절하기 어려우므로 유입수의 성상 및 유량을 고려하여 포기조내 미생물의 활성 및 양, MLSS, 및 MLVSS을 일정수준으로 조절할 필요가 있다.
본 발명의 배양된 활성 슬러지는, 포기조의 COD 부하에 따라 활성오니를 구성하는 미생물 상이 다르기 때문에 하폐수중 가장 유기물 부하가 높은 포기조의 포 기액내에는 활성이 강한 세균들이 존재하므로, 본 발명에서 목적으로 하는 고활성 세균을 증식시키기 위해서는 유기물 부하가 가장 높은 포기조의 포기액을 시드(seed)로 사용한다. 본 발명에서 사용하는 상기 배양물질로는 미생물의 종류에 따라 적합한 조성을 선택할 수 있으며 특별한 제한은 없다. 본 발명에 따른 배양물질의 일례로 펩톤 0.05∼3중량%, 이스트 추출액 0.01∼2중량%, 포도당 0∼2중량%, KH2PO4 0∼2중량%, K2HPO4 0∼1중량%, 황산마그네슘 0.001∼0.1중량%, 염화철 0.0001∼0.5중량%를 포함하는 배양물질을 사용할 수 있다. 배양물질에 있어서, 탄소원으로 포도당의 함량이 높아지면 24시간 이상 배양시 경우에 따라 포기조내의 세균보다는 곰팡이가 증식할 수도 있으며, 조성이 알맞지 않을 경우에는 균수는 증가시킬 수 있으나, 분리된 세균의 종류가 감소되는 현상이 나타날 수 있다. 상기의 배양물질에서 탄소원 및 완충제 이외의 성분으로 미생물 증식에 필요한 미량원소로 사용하며, 배양물질은 최소배지(minimal media)의 조성과 가깝게 구성함으로써 기존 영양배지에 비해 포기조내 유효 미생물을 배지로 최대한 분리해낼 수 있는 장점이 있다.
기존 포기조 환경에서 적응이 된 균주들로서 하폐수처리장내 포기조에 재투입시 별도의 활성화 과정이 필요 없으며, 하폐수중의 유기물 분해능이 뛰어난 균주들로 구성되어 있으므로 기존의 어떠한 형태의 미생물 처리제보다도 신속하고 효과적으로 하폐수처리에 이용될 수 있는 장점을 가지고 있다. 미생물 처리제를 바로 만들어 재투입함으로써 기존의 하폐수처리용 미생물이 지니고 있는 문제점들 즉, 고체형의 경우 미생물의 활성화로 인한 처리효율저하 및 액체형이 지니고 있는 보관상의 문제점을 동시에 해결할 수 있다. 본 발명에서 제시된 배지의 구성성분 및 조성을 이용하여 미생물 처리제를 제조시, 포기조내의 유효 미생물을 증식시키는 과정에서 하폐수중 공존하는 사상성 세균을 증식시키기보다는 제한된 배양시간 내에 비사상성 세균의 수를 증식시킴으로써, 이를 미생물 처리제로 페수에 유입시킬 때에 이들 두 종류의 세균간의 경쟁에서 비사상성 세균이 우위를 차지함으로써 벌킹성 플록을 정상적인 플록으로 변화시킬 수 있다.
상기 침전공정에서는 교반과 포기를 중단하고 슬러지와 처리수로 분리된다. 상기 배출공정에서는, 분리된 처리수가 배출되거나, 침강슬러지의 일부가 인출되어 슬러지 농축저류조로 이송된다. 상기 반응조에서 배출된 처리수는 그대로 방류하거나, 미생물이 부착된 담체로 충진된 생물여과기로 상기 반응조에서 배출된 처리수에 포함된 미처리 유기물을 분해 및 제거하는 공정을 추가로 수행한 후에 배출할 수 있다.
도 1을 참조하여 본 발명에 따른 미생물 배양기와 회분식 생물 반응조를 이용한 하폐수 처리 방법을 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 활성 슬러지공법의 운전 개념도이다. 본 발명에 따른 미생물 배양기와 회분식 생물 반응조를 이용한 하폐수 처리 공법은 단일의 반응조로 이루어진 일정용량의 포기 및 비포기조에서 반복적으로 수행되는데, 유입공정과 포기공정 동안에는 유량의 변동상황에 맞춰서 폐수가 반연속적으로 유입되거나 또는 간헐적으로 유입된다. 이 때 하폐수가 반연속 또는 간헐적으로 유입되는 상황에서 미생물 배양기 는 반응조내에 포기액을 흡입하여 미생물 배양공정이 진행되고, 배양된 후에는 다시 반응조로 배양액이 유입된다. 따라서, 유량의 조정 능력을 향상시켰으며, 원수조의 크기를 크게 줄일 수 있었다. 본 발명의 침전공정과 배출공정시에는 폐수의 유입이 이루어지지 않는다.
본 발명의 포기공정 에서는 BOD, SS는 물론, 부영향화의 원인물질인 질소와인을 제거할 수 있도록 간헐 포기 방식을 채용한다. 이때, 간헐 포기 방식은, 미생물에게 필요한 산소를 연속적으로 주입하는 것이 아니고 단속적으로 주입함으로써, 호기조건(자유산소(O2) 및 결합산소(NO2-N, NO3-N)가 수중에 존재하는상태)은 물론, 무산소(자유산소는 없고 결합산소만이 존재하는 상태), 혐기조건(자유산소, 결합산소가 존재하지 않는 상태)을 만들어 질소와 인을 제거할 수 있는 환경을 조성해 주는 방식이다. 이러한 환경속에서 미생물 배양기를 통해 배양된 세균중에 질화 및 탈질세균의 활성이 높아져 질소, 인의 처리효율을 높게 해주는 역할을 한다.
미생물 배양기를 통해 배양된 세균은 일반적인 다른 미생물 보다 활성이 높기 때문에 플록이 크게 형성되며 기존 보다 침강성이 향상된다. 본 발명에 따른 미생물 배양기와 회분식 생물 반응조를 이용한 하폐수 처리공법에서는, 먼저 반응조내로 도입되는 폐수가 미리 설정된 유량으로 도입되는지를 판단한다. 즉, 미리 설정된 설계 유량을 근거로 하여 실제 유입 유량이 어느 정도인지를 육안으로 또는 기계적인 방식으로 판단하여 이 후의 운전작동모드, 즉 유입·포기공정, 침전공정 배출공정의 수행시간과 횟수를 결정한다.
본 발명에 따른 회분식 활성슬러지공법를 이용한 하폐수의 처리방법은, 먼저 반응조 내로 도입되는 폐수가 미리 설정된 유량으로 도입되는지를 판단한다. 상기 제어단계를 도 3을 참조로 하여 설명하면, 미리 설정된 설계 유량을 근거로 하여 실제 유입유량이 어느 정도 인지를 육안으로 또는 기계적 인 방식으로 판단하여 이후의 운전 작동모드, 즉 유입·포기공정, 침전공정 배출공정의 수행시간과 횟수를 결정한다(단계 S1). 만일, 유입유량이 설계 유량으로 유입되면, 하폐수로부터 인, 질소의 제거가 필요한지를 판단한다(단계 S2). 인과 질소의 제거가 필요한 경우에는, 유입유량에 따라 작동모드 2, 3, 4, 5 방식을 선택한다.
도 4를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 작동모드를 설명하면, 기설정된 설계유량을 기준으로 원수의 유입유량을 측정하여 상기 유입공정, 포기공정, 침전공정 및 배출공정의 수행시간과 수행횟수를 조절하며, 상기 유입공정 및 포기공정은 일정시간 교대로 1회 이상 반복 수행하고, 상기 침전공정 및 배출공정은 하폐수의 유입을 차단하고 수행하는 수행할 수 있다.
또는, 상기 기설정된 설계유량을 기준으로 원수의 유입유량을 측정하여 상기 유입공정, 포기공정, 침전공정 및 배출공정의 수행시간과 수행횟수를 조절하며, 상기 유입공정은 간헐적 또는 연속적으로 하폐수를 주입하고, 상기 포기공정은 포기와 비포기를 교대로 1회 이상 반복 수행하고, 상기 침전공정 및 배출공정에서는 하폐수의 유입을 차단하여 수행할 수도 있다.
상기 각 공정의 수행시간 및 수행횟수는 하폐수의 유입유량에 따라 상기 유입공정, 포기공정, 침전공정 및 배출공정을 1일 2사이클의 제 2 작동모드, 1일 3사이클의 제 3 작동모드, 1일 4 사이클의 제 4 작동모드 또는 1일 6 사이클의 제 5 작동모드로 운행할 수 있다. 상기 제 2 작동모드는 상기 유입, 포기, 침전 및 배출공정의 한 사이클이 12시간 소요되며, 상기 유입 및 포기공정은 유입 1시간과 포기 1시간이 교대로 3회 반복되고, 상기 침전공정은 2시간, 상기 배출공정은 총 4시간으로 1시간의 배출과 3시간의 대기단계로 수행할 수 있다. 상기 제 3 작동모드는 상기 유입, 포기, 침전 및 배출공정의 한 사이클이 8시간 소요되며, 상기 유입공정은 간헐적 또는 연속적으로 5시간 동안 수행되고, 상기 포기공정은 1시간의 비포기와 1시간의 포기가 교대로 3회 반복되고, 상기 침전공정과 상기 배출공정은 각 1시간 동안 수행할 수 있다. 상기 제 4 작동모드는 상기 유입, 포기, 침전 및 배출공정의 한 사이클이 6시간 소요되며, 상기 유입공정은 간헐적 또는 연속적으로 4시간 동안 수행되고, 15분의 포기와 45분의 비포기가 교대로 3회 반복되고, 상기 침전공정과 상기 배출공정은 각 1시간 동안 수행할 수 있다. 상기 제 5작동모드는 상기 유입, 포기, 침전 및 배출공정의 한 사이클이 4시간 소요되며, 상기 유입공정은 간헐적 또는 연속적으로 2시간 동안 수행되고, 30분의 포기와 30분의 비포기가 교대로 2회 반복되고, 상기 침전공정과 상기 배출공정은 각 1시간 동안 수행할 수 있다. 상기 포기공정중 비포기 구간에는 교반을 수행할 수도 있다.
상기 유입유량이 기설계유량에 부합하는 경우에는, 질소와 인의 제거가 필요한지 여부를 판단하여 질소와 인의 제거가 필요하지 않은 경우, 순착적으로 상기 유입공정을 1시간, 상기 포기공정은 3시간, 상기 침전공정과 배출공정을 각각 1시간으로 수행하는 1일 4사이클의 제1작동모드에 따라 수행할 수 있다.
이 때, 미생물 배양기에 의해 단일 반응조의 포기액을 이용하여 유용세균을 배양한 후 다시 단일 반응조로 포기액을 배출시키는 공정이 이루어 진다. 이 과정에서 단일 반응조내에 유용세균이 우점화 하게 되어 하폐수처리의 효율을 증대시킨다. 침전공정과 배출공정 시에는 하폐수의 유입을 차단하며, 기 설정된 설계 유량을 기준으로 하폐수의 유입유량을 측정하여 운전작동모드를 선택한다. 유입유량이 설계유량에 부합되지 않거나, 또는 설계유량에 부합되고 인과질소의 제거가 필요한 경우에는, 유입 유량에 따라 1일2사이클의 제2작동모드, 1일3사이클의 제3작동모드, 1일 4사이클의 제4 작동모드 또는 1일 6사이클의 제5작동모드 중에서 선택하여 반복적으로 수행한다. 이때, 포기공정은 간헐포기방식으로 운용한다.
상기 작동모드 2 내지 5에 대해서는 도 3을 참조로 하여 설명하면, 상기 제 2 작동모드는 상기 유입, 포기, 침전 및 배출공정의 한 사이클이 12시간 소요되며, 상기 유입 및 포기공정은 유입 1시간과 포기 1시간이 교대로 3회 반복되고, 상기 침전공정은 2시간, 상기 배출공정은 총 4시간으로 1시간의 배출과 3시간의 대기단계로 수행한다.
또한, 본 발명의 구체적인 하폐수 처리장치의 일례를 설명하면, 원수에 포함된 협잡물을 제거하는 스크린이 내부에 구비된 원수조,
상기 원수조에 연결되며, 포기장치가 구비된 활성슬러지를 이용한 오폐수 처리용 회분식 반응조,
상기 반응조에 연결되며, 상기 반응조로부터 배출된 잉여 슬러지를 농축하는 슬러지 농축저류조, 및
상기 반응조에 연결되며, 상기 반응조의 포기액과 배양물질을 혼합하여 배 양 활성슬러지를 제조하여 상기 반응조에 공급하는 활성슬러지 배양기,
상기 원수조, 반응조, 생물여과기, 슬러지 농축저류조, 및 활성슬러지 배양기를 제어 작동시키기 위한 제어부를 포함하며, 상기 제어부는 기설정된 설계유량을 기준으로 원수의 유입유량을 측정하여 상기 유입공정, 포기공정, 침전공정 및 배출공정의 수행시간과 수행횟수를 제어하며, 기설정된 반응조내의 MLSS 값을 기준으로 배양 활성슬러지의 배양조건, 및 반응조 주입조건을 제어하는 것을 포함하는 하폐수 처리장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 배양된 활성 슬러지를 제조하기 위한 미생물 배양기의 통상의 미생물 배양기를 사용할 수 있으며 특별히 제한되지 않는다. 상기 미생물 배양기의 예로는 한국공개특허공보 20002-0094245호 등에 기재되어 있으며, 도 2을 참조하여 미생물 배양기의 일예를 설명하면, 미생물의 배양이 이루어지는 배양조과; 상기 배양조 상부로 연결설치되는 공급관과, 공급관 상에 설치되어 배양액을 배양조로 공급하기 위한 펌프를 포함하여 배양조 내에 배양시키고자 하는 용액 및 유,무기 배지를 공급하기 위한 공급부; 에어공급용 송풍기로부터 공기를 공급받아 배양조 내의 배양액에 공기를 분사하고 배양액을 교반시키기 위한 교반부; 배양조 내부로 설치되는 히터, 히터를 제어작동시키기 위한 제어수단을 포함하여 배양액의 온도유지 및 살균을 수행하기 위한 온도제어부를 포함할 수 있다.
상기 미생물 배양기의 교반부는 송풍기에 연결되어 배양통의 측면을 따라 수직으로 세워져 설치는 에어공급호스와, 에어공급호스에서 배양통 측면을 통해 내부로 연장된 두 개의 분기라인, 각 분기라인 끝단에 연결설치되는 환형의 분사파이 프, 상부 분사파이프의 외주면을 따라 배열되어 분사파이프의 외측방향에서 하부방향의 범위 내를 향하도록 설치되는 분사노즐, 하부 분사파이프의 외주면을 따라 배열되어 분사파이프의 내측방향에서 상부방향의 범위 내를 향하도록 설치되는 분사노즐을 포함할 수 있다. 또한, 상기 온도제어부는 60℃ 이하로 가열되어 배양조건을 충족시키기 위한 저온히터, 60℃ 이상으로 가열되어 배양액을 살균하기 위한 고온히터를 포함할 수 있다.
하기 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 더욱 자세히 설명할 것이나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 보호범위가 하기 실시예로 한정되는 의도는 아니다.
실시예
충북 제천시에 소재하는 청풍문화지구에서 얻은 하수를 원수로 하여 9월 1일부터 9월 9일까지 9일간 폐수 처리를 하였다.
배양된 액상 활성 슬러지의 제조는 펩톤 0.3중량%, 이스트 추출액 0.05중량%, 인산수소이칼륨(K2HPO4) 0.02중량%, 황산마그네슘 0.005중량% 및 염화철 0.0001중량%를 혼합한 후, 감마선 조사(선량 10KGY)에 의해 배지를 멸균한 다음 이 고형분 혼합물질을 포기조의 포기액에 넣고 30℃에서 24시간 배양한 후 미생물상의 변화 및 균종을 관찰하였다. 상기 생물반응조의 포기액 400L를 24시간 동안 미생물을 배양하였을 때, 실시예의 경우에는 24시간 이후에도 곰팡이 및 효모의 성장이 관찰되지 않았으며 분리된 세균의 종류도 많음을 알 수 있었다.
상기 원수에 대해 9월 1일부터 9월 9일까지 9일간 처리를 하여, 400 L 용량의 미생물 반응기가 연결된 회분식 생물반응조(경우 크린텍)에 280톤/1일의 유입량으로 작동모드 4로 처리하였다. 원수 유입, 포기, 침전 및 배출공정의 한 사이클이 6시간 소요되며, 한 사이클의 초기 4시간 동안에는 연속적으로 원수가 유입되면서 동시에 15분의 포기와 45분의 비포기가 교대로 3회 반복하고, 이후 1시간의 침전공정과 1시간의 배출공정을 수행하여 한 사이클을 완성하였다. 미생물은 1일 동안 첫번째 사이클 시점에서 미생물 배양기에서 활성슬러지를 배양하여 네번째 사이클의 시점의 포기공정에서 배양된 활성슬러지를 포기조에 400리터로 투입하였다. 다만, 유입원수를 고려하여 9월 1일, 2일, 3일, 및 7일에 투입하였다.
운전후 8일째인 9월 8일에 포기조의 시료를 채취하여 현미경하에서 미생물의 성상을 조사하였으며 그 현미경 사진을 도 5b 및 도 5c에 나타냈다. 상기 도면에 나타낸 바와 같이, 포기조내의 플럭양이 증가되고, 고착형 미생물(Vorticella)상이 다량으로 관측됨을 알 수 있었다.
또한, 폐수처리 동안 매일 유입수, 방류수, 및 포기조내 하기 물질의 값을 측정하여 표 1 및 표 2에 나타냈다. 폐수, 및 처리수의 각종 분석방법은 수질환경보전법 제7조의 규정에 의하여 수질오염공정시험방법에 따라 수행하였다.
SS(Suspended solids): GF/C (1.2 마이크로미터)여과 전/후 무게차 측정
VSS(Volatile Suspended Solids): SS측정후 550℃에서 회화 전/후 무게차 측정
CODCr(Chemical Oxygen Demand):중크롬산칼륨(K2CrO7) 분해법
CODMn(Chemical Oxygen Demand):과망간산칼륨(KMnO4) 분해법
BOD(Biochemical Oxygen Demand): 20℃에서, 5일배양후 측정
T-N (Total Nitrogen): 알칼리성 과황산칼륨 분해, 220nm에서의 흡광도법
T-P (Total Phosphorous): 과황산칼륨 분해, 810nm에서의 흡광도법
날짜 BOD COD COD SS T-N NH3-N NO2-N NO3-N T-P
(Cr) (Mn)
9. 1 유입 295 1,050 244 800 19 16 N.D 3 1.9
방류 13 24 11 5 10 6 0.7 3 1.5
9. 2 유입 130 400 97 275 21 17 N.D 3 1.9
방류 14 28 12 4 10 6 0.4 3 0.8
9. 3 유입 300 1,100 250 845 20 18 N.D 2 1.6
방류 12 22 9 2 8 5 0.4 2 0.4
9. 5 유입 145 440 105 325 21 19 N.D 2 2.2
방류 10 20 9 2 6 4 0.3 1 0.4
9. 6 유입 125 410 103 310 24 15 N.D 9 2.9
방류 10 18 9 3 6 4 0.4 2 1.6
9. 7 유입 48 130 32 75 23 8 0.4 14 3
방류 8 16 7 1 7 3 0.4 4 1.6
9. 8 유입 130 580 155 550 22 6 N.D 16 2.2
방류 8 18 8 2 6 2 0.4 4 2.0
9. 9 유입 110 510 125 420 21 3 0.1 17 2.5
방류 10 20 9 4 8 2 0.4 6 1.7
　 MLSS(ppm) MLVSS(ppm) 　MLVSS/MLSS*100(%)
9. 1 450 300 66.7
9. 2 645 425 65.9
9. 3 1,350 980 72.6
9. 5 890 610 68.5
9. 6 700 500 71.4
9. 7 650 480 73.8
9. 8 1480 1270 85.8
9. 9 1650 1430 86.7
상기 표에서 나타낸 바와 같이, 또한 미생물 반응기가 구비되지 않은 비교예에 비해 미생물 활성화에 따른 악취제거 효과가 우수하며, 포기조내 MLSS 및 MLVSS를 일정 수준으로 유지하여, 유입수 부하 변동으로 인한 처리수 수질 악화 방지하는 효과가 있다. 또한 상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 운전초기에는 미생물을 주입하여 안정화되는 시기로서 운전시행 1일 내지 5일까지는 MLVSS/MLSS * 100 % 값이 변동되나 6일째는 70%를 넣어서 지속적으로 증가하여 80% 이상의 수치에서 회분식 반응조에서 지속적으로 하수의 처리가 계속 진행됨을 알 수 있었다.
비교예
상기 실시예와 동일한 하수를 원수로 하여, 8월 29일부터 8월 31일까지 3일간 폐수 처리를 하였다.
실시예와 달리 미생물 배양기에 배치되지 않으며, 생물막 여과조가 구비된 회분식 생물반응조(경우 크린텍)를 사용하여 3일간 작동모드 4로 하수처리를 하였다. 상기 실시예와 같이 8월 30일자로 포기로의 시료를 채취하여 현미경 사진을 찍어 도 6a에 나타내고, 성분분석을 수행하여 표 3 및 4에 나타냈다.
　 BOD COD(Cr) COD(Mn) SS T-N NH3-N NO2-N NO3-N T-P
8.29 유입 125 430 110 330 21 3 N.D 17 1.9
방류 11 25 10 6 8 1 N.D 7 ND　
8.30 유입 320 1,050 280 850 25 4 N.D 21 1.8
방류 15 28 11 7 9 2 N.D 7 0.8
8.31 유입 110 510 124 440 23 5 0.1 17 2.5
방류 12 26 10 6 8 2 0.4 6 1.7
MLSS MLVSS MLVSS/MLSS * 100 (%)
8.29 520 315 60.6
8.30 610 370 60.6
8.31 580 390 67.3
비교예에서 얻어진 플럭은 포기조의 플럭의 양이 매우 적었으며, 고착형 미생물 상 보다는 유영형 미생물 상이 관측되고, 포기조 내에 플럭 상태가 불량하고, 포기조 내 슬러지가 대부분 무기성 슬러지로 구성되었다. 실시예에서는 회분식 반응기를 사용하였으나, 비교예에서는 생물막여과조가 추가로 구비되어 공정 말단에 생물막 여과조를 통과한 처리수질임에도 불구하고 처리수의 수질이 실시예에 비해 낮음을 알 수 있었다.
따라서, 유량 변동식 생물식 반응조를 이용한 처리방법의 경우에도 유입수의 유량 및 부하에 어느 정도 안정성은 갖고 있으나, 보다 안정적인 수질 관리를 위해서 미생물 반응기를 이용하여 반응조의 MLSS 및 MLVSS의 수치를 증가시킬 수 있기 때문에 유입수 부하 및 유량 변동에도 보다 안정적인 처리 수질을 얻을 수가 있었다. 또한, 도 5a에서 나타낸 바와 같이, 포기액 내의 원생동물의 상태 및 플럭의 형태가 실시예 및 비교예간에 큰 차이를 보이고 있어, 미생물 반응기를 이용하여 배양한 활성슬러지를 포기조에 적절히 공급하여 처리함으로써 플럭의 침강성이 좋아지기 때문에 방류수의 SS 수치가 기존보다 낮게 유지됨을 알 수가 있었다.
앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 별도의 미생물배양기에서 배양된 활성슬러지가 회분식 반응조로 공급되고 원수 유입유량에 따른 공정조건을 조절함으로써, 원수의 유입유량 및 농도 등 부하변동에 강하며, 슬러지의 플럭이 단단하고 침강성이 개선되어 하폐수 처리효율이 높고 방류수의 수질이 개선되는 장점이 있다.

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  11. 원수에 포함된 협잡물을 제거하는 스크린이 내부에 구비된 원수조,
    상기 원수조에 연결되며, 포기장치가 구비된 활성슬러지를 이용한 하폐수 처리용 회분식 반응조,
    상기 반응조에 연결되며, 상기 반응조로부터 배출된 잉여 슬러지를 농축하는 슬러지 농축저류조, 및
    상기 반응조에 연결되며, 상기 반응조의 포기액과 배양물질을 혼합하여 배양 활성슬러지를 제조하여 상기 반응조에 공급하는 활성슬러지 배양기,
    상기 원수조, 반응조, 생물여과기, 슬러지 농축저류조, 및 활성슬러지 배양기를 제어 작동시키기 위한 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는 기설정된 설계유량을 기준으로 원수의 유입유량을 측정하여 유입공정, 포기공정, 침전공정 및 배출공정의 수행시간과 수행횟수를 제어하며, 기설정된 반응조내의 MLSS 및 MLVSS값을 기준으로 배양 활성슬러지의 배양조건, 및 반응조 주입조건을 제어하는 것인 활성슬러지를 이용한 하폐수 고도 처리장치.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 활성슬러지 배양기는 미생물 배양조,
    상기 배양조 상부로 연결 설치되는 공급관과, 상기 공급관 상에 설치되어 배양물질 및 포기액을 배양조로 공급하기 위한 펌프를 포함하는 공급부,
    에어공급용 송풍기로부터 공기를 공급받아 배양조내로 공기를 분사하고 배양액을 교반시키기 위한 교반부,
    상기 배양조 내부에 설치되는 히터, 상기 히터를 제어작동하기 위한 제어수단을 포함하여 배양액의 온도유지 및 살균을 수행하기 위한 온도제어부를 포함하는 것인, 활성슬러지를 이용한 하폐수 고도처리장치.
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