KR101095576B1 - 가축분뇨를 함유하는 폐수의 처리 장치, 이의 처리방법 및 액비 생산 방법 - Google Patents

가축분뇨를 함유하는 폐수의 처리 장치, 이의 처리방법 및 액비 생산 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고농도 유기성 폐수를 처리하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 입자상 유기물질 함유 폐수를 초음파 단자가 구비된 벤츄리관을 통과시킴으로써 상기 폐수 내 입자상 유기물질을 가용화하는 전처리조를 구비하는 입자상 유기물질 함유 폐수 처리장치 및 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 폐수처리 장치 및 방법은 축산폐수와 같이 입자상 유기 물질이 다량 함유된 고농도 유기성 폐수나 하수 슬러지에서 입자상 유기물질의 가용화를 향상시킴으로써 난분해성 또는 고분자 물질의 파괴에 의한 유기 성분 제거 효과를 가지며 질소, 인 등을 제거하는데 필요한 탄소원을 공급하여 폐수 처리 효율을 향상시킬 수 있다.
Figure R1020080136657
축산폐수, 가축분뇨, 무산소, 호기, 침지막, 초음파, 벤츄리

Description

가축분뇨를 함유하는 폐수의 처리 장치, 이의 처리방법 및 액비 생산 방법{A APPARATUS AND TREATMENT METHOD FOR WASTEWATER INCLUDING EXCREMENTITIOUS MATTER OF DOMESTIC ANIMALS, AND A PRODUCTION METHOD OF LIQUID FERTILIZER USING THE APPARATUS}
본 발명은 폐수처리장치 및 그 방법에 관한 것으로, 상세하게는 가축분뇨(축산폐수) 등을 함유하는 고농도 유기성 폐수를 처리하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
종래에는 가축분뇨 등의 고농도 유기성 폐수를 호기성 미생물을 이용하여 생물학적 방법으로 처리할 경우에는 생물반응조(호기조)및 무산소조 등을 설치하여서 고농도 폐수를 처리하는 것이 일반적이었다.
폐수 속에 들어 있는 질소 성분은 주로 암모니아, 질산(nitrate), 아질산(nitrite) 형태를 취하고 있다. 이러한 질소 화합물은 수생생물에 미치는 독성 뿐만 아니라 해수로 유입되었을 때에 용존 산소 소모를 가져올 수 있는 부영양화(eutrophication)를 촉진시켜 어폐류 폐사의 직접적인 원인이 되는 것으로 알려 져있다.
폐수 내의 질소를 제거하는 중요한 메카니즘 중 하나는 질산화/탈질(nitrification/denitrification)이다. 일반적으로 질산화는 암모니아성 질소 성분이 nitrosomonas, nitrobacter 등의 미생물에 의해 호기조에서 질산성 질소(NO3 -, NO2 -)로 전환된다. 탈질은 상기 질산성 질소 성분을 질소가스로 전환시키는 공정으로 생물학적으로 무산소 상태에서 이루어진다. 탈질과정에 관계되는 미생물은 종류가 다양하며 질산성 질소의 환원과정을 유도하여 질소가스로 전환시킴으로써 탈질을 수행하게 된다. 상기 탈질 과정은 무산소 조건 하에서 이루어져야 하므로 질산화와 반대로 용존 산소 농도가 높으면 반응이 저해된다. 또한 탈질 미생물의 세포 합성과 에너지원으로 유기(탄소) 성분을 필요로 하므로 외부에서 탄소원을 공급해 주어야 원활한 탈질 과정이 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같은 생물학적 처리 공정과 분리막(membrane) 기술의 장점을 결합하여, 기존 생물학적 처리공정의 단점을 해결하고자 중력 침전에 의한 고액분리를 막분리로 치환하는 연구가 진행되어 왔는데, 이러한 방식들을 생물학적 막분리공정 또는 막결합형 생물학적 처리공정이라고도 한다. 일반적인 생물반응조와 막분리공정을 결합시킨 것을 총칭하여 생물반응기(MBR: membrane bio-reactor) 또는 막호기조라 부른다. MBR 공정은 부유 고형물을 100%에 가깝게 제거할 수 있어 슬러지 침강성에 관계없이 안정적인 처리가 가능하고, 반응조 내 미생물을 고농도로 유지 할 수 있어 처리수질이 향상되는 장점이 있다.
일반적으로 입자상 유기성 물질이 다량 함유되어 있는 폐수, 예를 들어 축산폐수나 하수처리장의 슬러지 등은 호기 또는 혐기적 생물학적 방법으로 처리 또는 안정화 시킬 때, 분해가 힘든 입자상 유기성 물질이나 거대 유기성 분자의 가수분해가 율속단계로 작용하기 때문에 반응속도가 느리게 되고 장시간의 체류시간이 필요하게 됨으로써 생물학적 반응조의 용적이 커져야 하는 단점을 가지고 있다. 이를 극복하기 위하여 다양한 전처리 방법이 연구되어 왔다. 전처리 방법으로는 볼밀 등의 기계적 처리나 고온의 열을 이용하는 물리적 방법, 알칼리나 오존 등을 이용하는 화학적 방법, 효소 등을 이용하는 생물학적 방법 또는 둘 이상의 방법을 동시에 적용한 혼합처리 방법 등이 제시되었다.
한편, 초음파는 수용액에 조사했을 때 공동화(cavitation) 과정에서 캐비테이션 기포가 생성되었다가 순간적으로 깨어지면서 수천 기압에 달하는 충격파를 생성시켜 이때 발생하는 강한 수리역학적 전단력과, 이와 동시에 발생하는 열에 의한 분해, 그리고 반응성이 큰 수소(H) 및 수산화(OH) 라티칼 등이 생성되어 입자상 물질이 파괴되거나 난분해성 또는 고분자 물질이 분해되는 등의 효과가 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 초음파를 폐수 처리에 적용하여 슬러지 가용화를 촉진시키는 장치 및 방법에 대하여 대한민국 등록특허 제0413775호에 공지되어 있다. 상기 특허는 생물반응조에 별도의 초음파반응조를 설치하고, 침전조로부터 배출되는 잉여슬러지의 20∼50%를 이송받아 초음파를 조사시켜 슬러지(미생물)를 파괴시키고 미생물 체내에 있는 유기물(SCOD)을 용출시켜 생물반응조의 무산소조의 탈질에 필요 한 탄소원으로 재공급시킴으로 별도의 외부 탄소원 공급 없이 탈질, 탈인, 유기물 제거 작업을 수행하도록 하고 있다.
그러나, 종래의 슬러지 가용화 방법은 부가적인 장치를 필요로 하고 공간을 많이 차지할 뿐만 아니라, 일정 이상의 효율을 얻기 위해서는 수 십분 또는 수 시간 등 장시간의 조사시간이 소요되어 효율에 비해 에너지 소모가 크며, 후단에 호기성 처리를 하게 될 경우 폐수는 혐기성 상태로 유지되므로 호기성 처리에 적응시간이 소요되는 문제점이 있다.
본 발명의 기술적 과제는 축산폐수와 같이 입자상 유기 물질이 다량 함유된 고농도 유기성 폐수나 하수 슬러지에서 입자상 유기물질의 가용화를 향상시킴으로써 난분해성 또는 고분자 물질의 파괴에 의한 유기 성분 제거 효과를 갖는 처리 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 축산 폐수 내 함유된 입자상 물질이나 폐수 처리 장치에서 사용된 슬러지를 가용화함으로써, 이를 생물학적으로 처리할 때 율속 단계인 가수분해에 소요되는 체류시간을 단축시킴과 동시에 질소, 인 등을 제거하는데 필요한 탄소원을 공급하는 폐수 처리 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명자들은 상기의 기술적 과제를 달성하고자 연구를 거듭한 결과 초음파와 벤츄리노즐을 복합 적용하는 경우 초음파에 의한 공동화(cavitation) 현상, 열분해 및 라디칼 반응과, 벤츄리 노즐에 의한 공동화 현상의 효과가 증폭되어 입자상 유기 물질의 가용화가 현저히 향상되는 것을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
벤츄리 노즐은 단면적이 급격하게 감소하는 목 부분을 유체가 통과할 경우, 유체의 속도는 급격히 증가하며 그에 따라 유체의 압력은 거의 진공에 가깝게 감소하게 된다. 물의 증기압보다 낮은 압력 조건하에서는 유체 속의 용존 상태의 기체 가 유체로부터 이탈되어 캐비테이션 기포를 생성시킨다. 캐비테이션 기포는 단면적이 다시 확대되어 압력이 회복되는 영역을 지나며 격렬하게 파괴되는데, 이 과정에서 충격파에 의해 입자상 물질의 가용화가 이루어진다. 그러나 벤츄리 단독으로는 가용화시킬 수 있는 입자상 물질의 크기와 종류에 제한이 있을 수 있으므로, 본 발명에서는 벤츄리 노즐과는 서로 다른 기작의 공동화를 유발하는 것으로 인식되는 초음파 단자를 벤츄리노즐 상단에 구비함으로써 가용화시킬 수 있는 입자상 물질의 크기 및 종류를 보다 확대시키는 것을 통하여 가용화 성능의 현저한 상승 효과를 달성할 수 있었다.
따라서, 본 발명은 입자상 유기물질 함유 폐수를 초음파 단자가 구비된 벤츄리관을 통과시킴으로써 상기 폐수 내 입자상 유기물질을 가용화하는 전처리조를 구비하는 입자상 유기물질 함유 폐수 처리장치를 제공한다.
본 발명에서 입자상 유기 물질 함유 폐수에서 입자상 유기 물질은 주로 탄소로 이루어지고 물에 용해되지 않은 상태로 부유하거나 분산된 유기물질을 의미하는 것으로 유기 고분자 물질, 가축 분뇨 등 축산 폐수에 함유된 물질, 하수처리장의 슬러지 등을 포함한다. 본 발명의 실시예에서 구체화 되는 바에 따르면 입자상 유기물질 함유 폐수는 가축분뇨 함유 폐수, 가축분뇨와 막호기조에서 회수된 슬러지를 함유하는 폐수일 수 있다. 입자상 유기물질의 함량은 휘발성 고형물(VSS: volatile suspended solids)을 직접 측정하거나 총화학적 산소 요구량(total chemical oxygen demand, TCOD)에서 용존성 화학적 산소 요구량(souble chemical oxygen demand, SCOD)를 뺀 값으로 간접 추정할 수 있다. 폐수의 종류에 따라 다르 지만 가축분뇨, 특히 돈사폐수의 경우 휘발성 부유성 고형물(volatile suspended solids, VSS)이 5,000~60,000 mg/L의 범위를 가진다.
본 발명에 따른 폐수 처리 장치 및 방법에서 초음파 단자가 구비된 벤츄리관은 벤츄리노즐, 유체의 흐름에 따라 상기 벤츄리노즐 전단에 구비된 초음파 진동자, 상기 벤츄리노즐의 목부에 설치된 공기흡입구, 및 상기 공기흡입구에 연결된 공기흡입밸브를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 벤츄리관을 통해서 입자상 유기 물질 함유 폐수를 통과시키면 벤츄리노즐 전단에 위치한 초음파 단자 및 후단의 벤추리노즐을 통과하면서 공동(cavity)의 순간적 파괴에 의해 생성되는 열과 라디칼에 의해 화학반응성이 좋아짐으로써 냄새 성분이 산화되어 악취가 저감되며 입자상 유기 물질이 분해되어 용해됨으로써 폐기되는 슬러지 발생량을 현저히 감소시킬 수 있다.
또한, 벤츄리노즐의 음압이 발생하는 부위에 외부의 공기를 공급함으로써 유체 내에 용존산소의 농도를 증가시켜 호기성 처리공정에서 원활한 처리가 이루어질 수 있도록 할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 벤츄리 노즐은 유체가 유입되는 축소부의 각도(θ1)와 유체가 유출되는 확장부의 각도(θ2)가 θ1 > θ2를 만족하도록 형성되는 것이 단면 축소부의 미세기포 발생 및 단면 확장부의 미세기포 파괴 작용이 원활하게 이루어져 입자상 물질의 가수분해가 원활히 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 폐수 처리 장치는 입자상 유기물질 함유 폐수를 초음파 단자 가 구비된 벤츄리관을 통과시킴으로써 상기 폐수 내 입자상 유기물질을 가용화하는 전처리조; 상기 전처리조로부터 유입된 유입수를 무산소 조건에서 탈질하는 제1무산소조; 상기 제1무산소조에서 처리된 유입수를 호기성 미생물 하에서 질산화하는 제1호기조; 상기 제1호기조에서 처리된 유입수를 무산소 조건에서 탈질하는 제2무산소조; 상기 제2무산소조에서 처리된 유입수를 호기성 미생물에 의해 질산화하고 침지막에 의해 고액분리하여 막처리수를 제조하는 막호기조; 및 상기 막호기조 하부로부터 유입된 슬러지를 저장하고 전처리조로 피드하는 슬러지조를 주처리부로 구성할 수 있으며, 부가적으로 응집조, 오존처리조 및 여과기를 더 구비할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 폐수 처리장치는 제1호기조에서 처리된 폐수를 제1무산소조로 반송하는 제1반송관, 및 막호기조에서 처리된 폐수를 제1호기조 및 제2무산소조로 반송하는 제2반송관을 더 구비할 수 있다. 호기조에서 생성된 질산화된 반응액을 무산소조로 반송하여 무산소조에서 탈질반응이 잘 일어나도록 하며, 막호기조에서 처리된 폐수를 제1호기조로 반송함으로써 제1호기조의 악취제거 및 호기성 처리효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 다른 일면으로서 전처리조로 유입된 입자상 유기물질 함유 폐수를 초음파 진동자가 구비된 벤츄리관을 통과시켜 상기 폐수 내 입자상 유기물질을 가용화하는 전처리 단계를 포함하는 입자상 유기물질 함유 폐수의 생물학적 처리방법을 제공한다.
본 발명에 따른 입자상 유기물질 함유 폐수의 생물학적 처리방법은 보다 구 체적으로는 하기의 제조단계를 포함하여 이루어진다.
전처리조로 유입된 입자상 유기물질 함유 폐수를 초음파 진동자가 구비된 벤츄리관을 통과시켜 상기 폐수 내 입자상 유기물질을 가용화하는 전처리 단계;
전처리된 유입수를 제1무산소조에서 탈질하는 제1 탈질단계;
제1무산소조에서 탈질된 유입수를 제1호기조에서 질산화하는 제1 질산화단계;
제1호기조에서 질산화된 유입수를 제2무산소조에서 탈질하는 제2 탈질단계;
제1무산소조에서 탈질된 유입수를 호기막침지조에서 호기 조건 하에 질산화하고 침지막을 통해 고액분리하는 막처리수 제조 단계; 및
호기막침지조 하부의 슬러지를 슬러지조에 저장하고 전처리조로 피드하는 슬러지 회수 단계.
상기 제1질산화단계는 제1호기조에서 질산화된 처리수를 제1무산소조로 반송하는 제1반송단계를 포함할 수 있으며, 상기 막처리수 제조 단계는 호기막침지조에 질산화된 상등액을 제1호기조 및 제2무산소조로 반송하는 제2반송단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 막처리수 제조단계에서 제조된 막처리수 내에 존재하는 난분해성 유기물, 유기성 질소, 생물학적으로 제거되지 않은 인을 응집조에서 침전하는 단계, 오존처리조에서 난분해성 유기물 및 색도, 및 세균을 제거하는 단계, 및 여과기에서 부유물질을 여과하는 단계를 더 거쳐 최종 처리수로 방류될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 입자상 유기물질 함유 폐수의 생물학적 처리방법에서 제1반송단계 및 제2반송단계를 진행하지 않고 막처리수를 제조하는 경우 호기조에서 호기성 미생물에 의한 질산화와 유기물의 분해는 이루어지지만 질산화된 처리수가 무산소조로 반송되지 않으므로 탈질반응이 잘 이루어지지 않게 되므로 질소 성분이 다량 함유된 유기성 퇴비, 즉 액비가 제조된다. 상기 액비는 질산성 질소 함량과 토양에 유용한 휴믹산 등의 부식물질이 다량 함유되어 있지만 고형물질이 없어 부패되지 않아 장기간 보관이 가능하고 농지 살포시 사용 측면에서 용이한 장점이 있다.
본 발명에 따른 폐수처리 장치 및 방법은 축산폐수와 같이 입자상 유기 물질이 다량 함유된 고농도 유기성 폐수나 하수 슬러지에서 입자상 유기물질의 가용화를 향상시킴으로써 난분해성 또는 고분자 물질의 파괴에 의한 유기 성분 제거 효과를 갖는다. 또한 축산 폐수 내 함유된 입자상 물질이나 폐수 처리 장치에서 사용된 슬러지를 가용화함으로써, 슬러지 발생을 감소시킬 수 있고, 이를 생물학적으로 처리할 때 율속 단계인 가수분해에 소요되는 체류시간을 단축시킴과 동시에 질소, 인 등을 제거하는데 필요한 탄소원을 공급하여 폐수 처리 효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 입자상 유기물질 함유 폐수 처리장치 및 처리방법을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 일 실시예로서 가축분뇨 함유 폐수의 생물학적 처리장치의 주처리부(10)의 구성도이다. 도 1의 가축분뇨 함유 폐수 처리장치는, 전처리조(11), 제1무산소조(2), 제1호기조(13), 제2무산소조(14), 침지막(21)을 갖는 막호기조(15), 및 슬러지조(16)로 이루어진 주처리부(10)를 포함하며, 주처리부(10)에 의해서 막처리수가 제조된 후에는 고도처리된 최종처리수가 배출되도록 응집조, 오존처리조, 및 여과기를 거치도록 구성할 수 있다. 도 1을 참조하면, 막호기조(15)로부터 회수된 슬러지를 저장하는 슬러지조(16)을 구비하여 막호기조에서 회수된 슬러지를 전처리조(11)로 피드하며, 전처리조에서는 유입된 폐수 및 슬러지조에서 피드된 슬러지를 교반기(30)로 교반하면서 혼합하고 혼합물을 벤츄리관(70)을 통과시켜 상부로 순환되도록 한다.
도 2는 상기 전처리조에 연결된 벤츄리관(70)의 상세 단면도이다. 도 2의 벤츄리관(70)은 벤츄리노즐(73), 유체의 흐름에 따라 상기 벤츄리노즐 전단에 구비된 초음파 진동자(80), 상기 벤츄리노즐의 목부(74)에 설치된 공기흡입구(77), 및 상기 공기흡입구에 연결된 공기흡입밸브(78)를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 벤츄리관(70)은 벤츄리노즐(73)의 전단에 초음파 진동자(80) 이 근접하여 위치하며 도 2에 도시된 바와 같이 막대형 초음파 진동자(80)로서 유체 배관에 삽입이 가능하고 탈부착이 용이하며 벤츄리노즐(73)과 일직선 상에 위치하는 것이 바람직하다.
일반적으로 초음파는 소(rarefacion)와 밀(compression)의 주기가 반복되는 16 kHz 이상의 주파수를 갖는 일종의 음파로 수용액에 조사했을 때 공동화(cavitaion)과정에서 생성된 기포가 소멸될 때 발생하는 강한 수리역학적 전단력으로 인해 화학반응을 촉진시킨다. 지름 2×10-5 ~ 10-6 cm 정도로 액체 중에 이미 존재하던 기포, 먼지 그리고 액체격자 사이의 빈 구조가 공동의 핵으로 작용하며, 이러한 핵이 진동을 하게 되면 매질 분자들간의 평균거리가 액상을 유지하는 임계거리보다 길어져 액상매질이 찢어지게 되고 그 때 공동화 기포(cavitation bubble)라 풀리는 공동(cavity)이 생성되는 핵의 생성단계가 진행된다. 공동은 주위로부터 기체나 증기를 받아들이고, 평균 직경이 2×10-3 ~ 10-2 cm로 증대된다. 생성된 기포는 부(-)압이 최대가 될 때까지 팽창하다가, 순간적으로 깨어지면서 압력이 수천기압에 달하는 충격파를 생성시키는 파열단계로 생성된 이 때 기포 주변물질들이 마모되어 가용화된다.
수용액 중에 초음파를 조사할 경우 유기물 분해 메카니즘은 세부분으로 나눌 수 있다. 첫째, 공동 내부에서의 분해 반응인데 고온, 고압 하에서 유기물을 직집 분해하는 열 반응과 열분해 반응에 의해 물분자가 수소원자와 OH 라티칼로 분해 된 후, OH 라디칼이 유기물을 분해하는 과정이다. 둘째, 기체와 액체의 경계 부분인 공동 껍질(cavitation shell)에서 일어나는 분해과정으로 이 부분에서는 2000K 정도의 상태가 유지되며 역시 열분해 반응과 OH 라티칼에 의한 분해 반응이 일어난다. 셋째, 공동 외부의 수용액상에서의 분해 반응이며 공동에서 발생되어 확산되는 OH 라디칼과 유기물과의 반응에 의해 분해된다.
벤츄리를 이용한 유기물의 가부순해는 수리동력학적 캐비테이션 기포의 파괴로 인하여 발생하는 강력한 전단력에 의해 이루어진다. 따라서 벤츄리 단면 축소부에서의 미세기포 발생 및 단면 확대부에서의 원활한 미세기포 파괴가 이루어지기 위해서는 벤츄리 확장부의 각도나 형상 등의 조건이 중요하다. 도 2의 벤츄리노즐(73)은 유체가 유입되는 축소부(75)의 각도(θ1)와 유체가 유출되는 확장부(76)의 각도(θ2)가 θ1 > θ2를 만족하도록 형성되어 있다. 상기 조건을 만족하는 경우 단면 축소부(75)의 미세기포 발생 및 단면 확장부(76)의 미세기포 파괴 작용이 원활하게 이루어져 입자상 물질의 가수분해 효율이 향상된다. 상기 벤츄리 축소부(75)의 각도(θ1)는 15˚ < θ1 < 25˚, 상기 확장부(76)의 각도(θ2)는 5˚ < θ2 < 20˚의 범위에서 조절하되, θ1 > θ2를 만족하도록 하는 것이 케비테이션 기포 발생 영역이 넓고 확장부의 압력 회복속도도 적절하여 더욱 바람직하다.
본 발명에 따른 벤츄리관(70)은 벤츄리노즐의 목부(74)에 설치된 공기흡입구(77), 및 상기 공기흡입구에 연결된 공기흡입밸브(78)에 의해 공기가 확장부로 유입될 수 있으며, 이로 인해 전처리조의 폐수 내 산소전달 효율을 높여 호기성 미생물군의 성장을 촉진함으로써 후속 공정인 호기성 생물반응조에 쉽게 적응할 수 있는 상태로 전환된다.
본 발명에 따른 벤츄리관은 벤추리노즐 전단에 초음파 진동자를 근접 위치하도록 구성함으로써 유기물의 가용화도를 현저히 향상시켜 초음파 및 벤츄리를 단독으로 사용하는 경우에 비해 입자상 물질의 가용화도가 현저히 향상되며, 벤츄리의 공기흡입밸브에 의한 산소 전달 효율 증가로 인해 호기성 미생물에 의한 유기물 분해성능이 향상되어 전체적으로 유기물 분해성능이 현저히 향상되는 것을 확인하였다.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로서 가축분뇨 함유 폐수의 생물학적 처리방법(100)에 따른 장치 블록 구성도이다. 도 1 및 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 생물학적 폐수 처리 방법을 상세히 설명한다. 가축분뇨와 같은 고농도 유기성 폐수가 전처리조(11)로 유입된다.
전처리조(11)에 유입되는 가축분뇨 등의 폐수는 슬러지조(16)로부터 유입되는 슬러지와 혼합된다. 상기 혼합물은 전처리조에 연결된 반송펌프(54) 및 벤츄리관(70)을 통과하고 전처리반송관(41)을 통해 전처리조(11) 상부로 순환된다. 벤츄리관은 초음파 진동자(70) 및 벤츄리노즐(73)이 구비되어 초음파 및 벤츄리의 상승작용으로 가축 분뇨 등에 함유된 부유 유기물, 슬러지의 미생물을 효과적으로 가용화된다. 상기 순환과정을 일정 시간 동안 수행한 후 처리된 폐수는 제1무산소조(12)로 유입된다.
제1무산소조(12)에 유입된 폐수는 후단 제1호기조(13)에서 내부 반송 펌프(52) 및 제1반송관(43)을 통과하여 반송된 반송수와 교반기(30)에 의해 혼합된 다. 전처리조를 거쳐 제1무산소조에 유입된 폐수에는 가축분뇨 및 슬러지 부산물로부터 가용화된 유기물(탄소원)이 다량 함유되어 있고 제1호기조에서 반송된 반송수에는 질산성 질소가 함유되어 있어 이를 바탕으로 탈질이 이루어진다. 즉, 반송수에 포함된 질소산화물(NOx -)이 무산소 조건에서 탈질미생물에 의해 질소가스로 환원되어 대기로 방출함으로써 폐수 내 질소 성분을 제거한다. 전처리조(11)에서 슬러지 가용화 및 폐수 내 입자상 유기물질의 가용화가 이루어져 탈질 미생물의 탈질 반응을 위한 탄소원으로 사용되기 적합하며, 축산 폐수 등의 분뇨에는 질소성분이 상대적으로 높은데, 슬러지 가용화 및 입자상 유기물질의 가용화로 탈질을 위한 적정 C/N비를 확보하는데 유리하게 된다. 제1무산소조에서 처리된 처리수는 제1호기조(13)로 유입된다.
제1호기조(13)에서는 제1무산소조(12)에 의해 처리된 처리수에 포기구(32)에 의해서 포기된 공기를 공급하여 호기성 미생물에 의한 유기물 제거와 질산화미생물에 의한 질산화가 이루어진다. 호기성 공정 시 가축 분뇨의 특성상 악취와 거품이 급속히 발생하여 호기성 처리효율 저하 및 악취에 의한 2차 오염이 발생한다. 본 발명의 실시예에서는 후단 막호기조(15)로부터 안정화된 2차 반송수를 반응조 상단으로 공급하여 악취제거 및 호기성 처리효율을 향상시킬 수 있다. 제1호기조(13)에서 처리된 처리수는 제2무산소조(14)에 유입된다.
제2무산소조(14)에서는 제1무산소조/제1호기조에서 유기물 및 질소가 1차 제거된 처리수와, 후단의 막호기조(15)로부터 내부반송배관(44)을 통해 반송되는 2차 반송수가 혼합되어 탈질이 이루어진다. 2차 반송수에 포함된 질소산화물(NOx -)이 무산소 조건에서 탈질미생물에 의해 질소가스로 환원되어 대기로 방출함으로써 폐수 내 질소 성분을 제거한다. 제2무산소조(14)에서 처리된 처리수는 가축분뇨전용 침지막(21)을 갖는 막호기조(15)로 유입된다.
막호기조(15)에서는 포기구(32)에 의해 포기된 공기를 공급하여 줌으로써 호기성 미생물에 의한 유기물 제거가 이루어지고 동시에 잔여 암모니아에 대한 질산화가 질산화 미생물에 의해 이루어진다. 막호기조(15)에 유입되는 유입수에는 대부분의 유기물이 제거된 상태이다.
막호기조(15)에 침지되어 있는 가축분뇨전용 침지막(21)은 고체와 액체를 분리하는 고액 분리용 중공사막(hollow fiber membrane)으로서, 막호기조(15) 용적의 20∼30%내외로 구성된다. 가축분뇨전용 침지막(21)은 다수 중공사막모듈들을 한 개의 프레임에 장착하고 프레임 상부에 배출관이 위치하고 프레임 하부에는 산기구(22)가 위치한 것으로, 공기와 수류를 이용하여 분리막 표면에 슬러지가 침적되지 않도록 제어함으로써 장기간 세정 없이 연속 사용이 가능하다.
상기 침지막(21)을 구성하는 침지형 중공사막은 기공이 0.1∼1㎛, 바람직하게는 약 0.1~0.4㎛로 된 분획 특성을 갖는다. 막호기조의 침지된 중공사막은 단면에 얇은 퇴적층이 형성되어 동적 막(dynamic membrance)을 형성하므로 본 발명에서와 같이 기공이 0.1∼1㎛, 바람직하게는 약 0.1~0.4㎛의 중공사막을 이용하여도 0.07㎛기공 분리막을 사용한 효과를 얻을 수 있다.
침지막(21)은 처리 대상 폐수 조건에 따라 중공사막모듈의 단수를 조절할 수 있으며, 중공사막 모듈의 탈부탁이 용이하도록 직사각형의 카트리지 형태로 제작할 수 있다. 고농도 유기물 처리용 침지막은 약품 반응시설 없이 고도의 고액 분리가 가능하며 처리수의 부유물질(SS), 세균 등을 간편하며 완벽하게 제거하므로 오염물질을 저감시킨다.
주처리부(10)의 침지막(21)을 통과한 막처리수는, 응집조, 오존처리조, 및 여과기 등을 거치면서 최종 처리수로 방류된다. 상기 응집조는 난분해성 유기물, 유기성 질소, 생물학적으로 제거되지 않은 인(P) 성분을 응집처리제와 반응시켜 침전되게 함으로써 이를 제거한다. 상기 응집처리제로는 가성소다, 고분자응집제, 염화제이철 등을 예로 들 수 있다. 오존처리조에서는 난분해성 유기물 및 색도, 세균 등을 강한 산화력을 지닌 오존으로 산화하여 제거한다. 상기 여과기는 상리 응집조 또는 오존처리조를 거친 후 오염물질이 응결되어 형성된 미량의 부유물질을 여과시킨다.
도 4는 본 발명에 따른 입자상 유기물질 함유 폐수 처리장치에 의한 유기질 퇴비 생산 방법(200)을 나타난 장치 블록 구성도이다. 도 1 및 도 4를 참조하면, 제1반송관(43)에 설치된 밸브(61) 및 제2반송관(44)에 설치된 밸브(63)을 폐쇄하여 호기조에서 생성되는 질산성 질소가 무산소조로 반송되지 않도록 함으로써 탈질공정이 진행이 이루어지지 않도록 조절할 수 있으며, 이를 통해서 질소성분이 다량 함유된 유기질 퇴비, 즉 액비를 제조할 수 있다. 상기 액비는 질산성 질소 함량과 토양에 유용한 휴믹산 등의 부식물질이 다량 함유되어 있지만 고형물질이 없어 부 패되지 않아 장기간 보관이 가능하고 농지 살포시 사용 측면에서 용이한 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 일 실시예로서 가축분뇨 함유 폐수의 생물학적 처리장치의 주처리부(10)의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예로서 가축분뇨 함유 폐수의 생물학적 처리장치의 전처리조에 연결되어 있는 벤츄리관(70)의 상세 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로서 가축분뇨 함유 폐수의 생물학적 처리방법(100)에 따른 장치 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예로서 유기질 퇴비 생산 방법(200)에 따른 장치 블록 구성도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10: 주처리부 11: 전처리조 12: 제1무산소조
13: 제1호기조 14: 제2무산소조 15: 막호기조
16: 슬러지조 21: 침지막 22: 산기구
30: 교반기 32: 포기구 41: 전처리 회수관
42: 슬러지 회수관 43: 제1 반송관 44: 제2 반송관
51, 52, 53, 54: 펌프 61, 62, 63: 밸브
70: 벤츄리관 71: 유입구 72: 유출구
73: 벤츄리 노즐 74: 벤츄리 목부 75: 벤츄리 축소부
76: 벤츄리 확장부 77: 공기흡입구 78: 공기흡입밸브
80: 초음파 진동자

Claims (5)

  1. 입자상 유기물질 함유 폐수를 초음파 단자가 구비된 벤츄리관을 통과시킴으로써 상기 폐수 내 입자상 유기물질을 가용화하는 전처리조를 구비하며, 상기 벤츄리관은 벤츄리노즐, 유체의 흐름에 따라 상기 벤츄리노즐 전단에 구비된 초음파 진동자 및 상기 벤츄리노즐의 목부에 설치된 공기흡입구를 포함하며,
    상기 전처리조로부터 유입된 유입수를 무산소 조건에서 탈질하는 제1무산소조;
    상기 제1무산소조에서 처리된 유입수를 호기성 미생물 하에서 질산화하는 제1호기조;
    상기 제1호기조에서 처리된 유입수를 무산소 조건에서 탈질하는 제2무산소조;
    상기 제2무산소조에서 처리된 유입수를 호기성 미생물에 의해 질산화하고 침지막에 의해 고액분리하여 막처리수를 제조하는 막호기조;
    상기 막호기조 하부로부터 유입된 슬러지를 저장하고 전처리조로 피드하는 슬러지조;
    제1호기조에서 처리된 폐수를 제1무산소조로 반송하는 제1 반송관; 및
    막호기조에서 처리된 폐수를 제1호기조 및 제2무산소조로 반송하는 제2 반송관;
    을 포함하는, 입자상 유기물질 함유 폐수 처리장치.
  2. 삭제
  3. 전처리조로 유입된 가축분뇨, 또는 가축분뇨와 막호기조에서 회수된 슬러지의 혼합물을 함유하는 폐수를 초음파 진동자가 구비된 벤츄리관을 통과시켜 상기 폐수 내 입자상 유기물질을 가용화하는 전처리 단계;
    전처리된 유입수를 제1무산소조에서 탈질하는 제1 탈질단계;
    제1무산소조에서 탈질된 유입수를 제1호기조에서 질산화하는 제1 질산화단계;
    제1호기조에서 질산화된 유입수를 제2무산소조에서 탈질하는 제2 탈질단계;
    제1무산소조에서 탈질된 유입수를 호기막침지조에서 호기 조건 하에 질산화하고 침지막을 통해 고액분리하는 막처리수 제조 단계; 및
    호기막침지조 하부의 슬러지를 슬러지조에 저장하고 전처리조로 피드하는 슬러지 회수 단계;
    를 포함하는, 입자상 유기물질 함유 폐수의 생물학적 처리방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 처리방법은 제1호기조에서 질산화된 처리수를 제1무산소조로 반송하는 제1 반송단계, 및 호기막침지조에 질산화된 처리수를 제1호기조 및 제2무산소조로 반송하는 제2 반송단계를 더 포함하는 입자상 유기물질 함유 폐수의 생물학적 처리방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 막처리수는 질소 성분을 함유하는 액비인 입자상 유기물질 함유 폐수의 생물학적 처리방법.
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