KR101291230B1 - 반송 슬러지 분할유입을 이용한 하수고도처리시스템 및 하수고도처리시스템 운영방법 - Google Patents

반송 슬러지 분할유입을 이용한 하수고도처리시스템 및 하수고도처리시스템 운영방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하수를 효과적이고 최적으로 처리할 수 있는 배열 구조를 가지는 생물학적 반응조 및 상기 생물학적 반응조를 구성하는 적어도 두 개의 소조에 유기물을 포함하는 원수 및 슬러지를 동시에 유입하여 사용하는 반송 슬러지 분할유입을 이용한 하수고도처리시스템 및 하수고도처리시스템의 운영방법을 개시(introduce)한다. 상기 본 발명에 따른 반송 슬러지 분할유입을 이용한 하수고도처리시스템은, 생물학적 반응조, 제1펌프, 제2펌프 및 제3펌프를 구비한다. 상기 본 발명에 따른 반송 슬러지 분할유입을 이용한 하수고도처리시스템의 운영방법은, 제1질산성질소 탈질단계, 인 방출단계, 제2질산성질소 탈질단계, 인흡수 및 질산화단계, 처리수 분리단계 및 용존산소제거 단계를 구비한다.

Description

반송 슬러지 분할유입을 이용한 하수고도처리시스템 및 하수고도처리시스템 운영방법 {Advanced sewage treatment system using divided inflow of return sludge and management method of the system}
본 발명은 하수고도처리시스템에 관한 것으로, 특히, 혐기조를 기준으로 전단 및 후단에 각각 무산소조를 설치하고, 유기물을 포함한 원수 및 처리과정에서 생성된 슬러지를 각각의 해당 소조에 분할 반송함으로써, 하수에 포함된 유기물을 최대한 이용하여 질산 및 인을 효과적으로 처리할 수 있는 하수고도처리시스템 및 하수고도처리시스템의 운영방법에 관한 것이다.
가정이나 공장에서 배출하는 하수는 현탁성, 콜로이드성, 용해성 물질을 포함하고 있어서, 그대로 자연 수역에 방류하면 생태계를 파괴하거나 수계전염병을 전파할 수 있으므로 이를 막기 위해 하수를 인위적으로 물리화학적 또는 생물학적 방법으로 정화하는 것을 하수처리(sewage treatment)라고 한다. 하수처리는 공공기관에서 주로 주관하는 작업으로 주로 생활하수를 처리한다. 하수처리는 크게 1차 처리, 2차 처리, 3차 처리 및 슬러지 처리, 처분으로 나눈다.
1차 처리는 선별에 의한 협잡물의 제거, 2차 처리는 미생물 산화에 의한 유기물의 제거(활성오니법), 3차 처리는 활성탄·응집침전 등의 물리화학적 처리에 의한 잔존미량유기물·질소·인 등의 제거, 슬러지 처리는 슬러지의 감량을 목적으로 소화·탈수·소각 등을 한다. 최종적으로 슬러지는 매립하여 처분하지만 최근에는 퇴비화하여 비료로 유효하게 이용하고 있는 곳도 있다. 하수를 3차 처리까지 하면 중수도(잡용수도)로서 재이용할 수 있다.
하수고도처리(advanced wastewater treatment)는 하수의 3차 처리를 포함하며, 그것과 같은 정도의 수질의 처리수를 얻는 방법을 말한다. 그 목적은 공공용 수역의 수질 오탁과 관련되는 환경 기준의 준수, 폐쇄 수역 등의 부영양화 방지, 처리수의 재이용 등이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 하수를 효과적이고 최적으로 처리할 수 있는 배열 구조를 가지는 생물학적 반응조 및 상기 생물학적 반응조를 구성하는 적어도 두 개의 소조에 유기물을 포함하는 원수를 분할·유입하고 동시에 생물반응조 후단으로부터 반송되는 슬러지를 적어도 두 개의 해당 소조에 분할·유입시키는 하수고도처리시스템을 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 하수를 효과적이고 최적으로 처리할 수 있는 배열 구조를 가지는 생물학적 반응조 및 상기 생물학적 반응조를 구성하는 적어도 두 개의 소조에 유기물을 포함하는 원수 및 슬러지를 동시에 유입하여 사용하는 반송 슬러지 분할·유입을 이용한 하수고도처리시스템의 운영방법을 제공하는 것에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 반송 슬러지 분할유입을 이용한 하수고도처리시스템은, 생물학적 반응조, 제1펌프, 제2펌프 및 제3펌프를 구비한다. 상기 생물학적 반응조는 처리된 하수를 순서대로 전달하는 제1무산소조, 혐기조, 제2무산소조, 침지형 분리막이 포함된 호기조 및 탈산소조를 구비한다. 상기 제1펌프는 제1공급관을 통해 상기 제1무산소조 및 상기 혐기조에 유기물을 포함한 원수를 공급한다. 상기 제2펌프는 제2공급관을 통해 상기 탈산소조에서 용존산소가 제거된 슬러지를 상기 제1무산소조 및 상기 제2무산소조에 공급한다. 상기 제3펌프는 제3공급관을 통해 상기 분리막으로부터 분리된 처리수를 외부로 배출한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 반송 슬러지 분할유입을 이용한 하수고도처리시스템의 운영방법은, 제1질산성질소 탈질단계, 인 방출단계, 제2질산성질소 탈질단계, 인흡수 및 질산화단계, 처리수 분리단계, 용존산소제거단계 및 슬러지 분할반송단계를 구비한다. 상기 제1질산성질소 탈질단계는 상기 제1무산소조에 인가된 유기물을 포함한 원수를 이용하여, 상기 제1무산소조에 인가된 하수 및 상기 탈산소조로부터 유입되는 반송슬러지에 포함된 질산성질소를 탈질한다. 상기 인 방출단계는 상기 혐기조에 인가된 휘발성유기산, 상기 유기물이 포함된 원수를 이용하여 상기 제1무산소조로부터 상기 혐기조로 전달받은 슬러지에 포함된 인을 방출한다. 상기 제2질산성질소 탈질단계는 상기 혐기조로부터 상기 제2무산소조에 전달된 하수 및 상기 탈산소조로부터 유입되는 반송슬러지에 포함된 질산성질소를 탈질시킨다. 상기 인흡수 및 질산화단계는 상기 제2무산소조로부터 전달받은 하수내의 질소를 질산화하고 잔여유기물을 산화시킨다. 상기 처리수 분리단계는 분리막을 이용하여 상기 호기조 내의 슬러지로부터 처리수를 분리하여 외부로 배출한다. 상기 용존산소제거단계는 상기 호기조로부터 상기 탈산소조에 전달된 슬러지에 포함된 용존산소를 제거한다. 여기서 상기 제1질산성질소 탈질단계 및 상기 제2질산성질소 탈질단계에서 각각 사용되는 상기 반송슬러지는 상기 탈산소조에서 용존산소제거단계를 거쳐 용존산소가 제거된 슬러지를 반송한 것이다.
본 발명에서는 1기의 슬러지 반송펌프를 이용하여 슬러지를 분할 반송함으로서 동력비를 절감하고, 반송되는 슬러지를 혐기조를 기준으로 전단 및 후단에 위치한 각각의 무산소조로 배관분기를 통하여 분할반송하고, 유입원수를 전단 무산소조와 혐기조에 배관분기를 통하여 분할유입하고, 혐기조를 기준으로 전단 및 후단에 무산소조를 두는 생물반응조 공정구성을 이용함으로써 유입유기물을 최대한 탈질 및 탈인에 이용하고, 탈산소조를 두어 활성슬러지내의 용존산소를 저감 시킨 후 질산반송을 시행함으로써, 무산소조에서 탈질 미생물에 의한 탈질시 산소저해, 혐기조에서 인 대사미생물에 의한 인 방출시 질산성 질소 저해 및 호기조에서 질산화미생물에 의한 질산화 시 산소기질 경쟁에 의한 유기물 저해를 각각 방지하여 각각의 생물반응조에서 탈질, 탈인, 질산화를 위한 최적의 조건을 부여함으로써 고도처리효율이 증가하는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 반송 슬러지 분할유입을 이용한 하수고도처리시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 반송 슬러지 분할유입을 이용한 하수고도처리시스템의 운영방법을 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 반송 슬러지 분할유입을 이용한 하수고도처리시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 반송 슬러지 분할유입을 이용한 하수고도처리시스템(100)은 크게 생물학적 반응조(110) 및 3개의 펌프(121, 122, 123)로 이루어진다.
생물학적 반응조(110)는 제1무산소조(111), 혐기조(112), 제2무산소조(113), 호기조(114) 및 탈산소조(115) 순서로 배열되어 있으며, 이들은 처리된 하수를 배열된 순서대로 왼쪽으로부터 오른쪽으로 전달한다. 특히 호기조(114)에는 하수에 포함된 처리수를 분리하는데 사용되는 침지형 분리막(130)이 포함된다.
제1펌프(121)는 제1공급관(P1)을 통해 제1무산소조(111) 및 혐기조(112)에 유기물을 포함한 원수를 공급한다. 제1펌프(121)의 말단에는 제1무산소조(111)에 원수를 공급하는 분배관(P11)과 혐기조(112)에 원수를 공급하는 분배관(P12)이 설치되어 있다. 도 1에는 공통의 제1공급관(P1)을 통해 제1무산소조(111) 및 혐기조(112)에 원수를 공급하는 것으로 도시되어 있지만, 공급관을 따로 설치하는 것도 가능하다.
제2펌프(122)는 제2공급관(P2)을 통해 용존산소가 제거되고 질산성 질소가 포함된 탈산소조(115)의 슬러지를 제1무산소조(111) 및 제2무산소조(113)에 반송하여 공급한다. 제2펌프(122)의 말단에는 제1무산소조(111)에 반송 슬러지를 공급하는 분배관(P21)과 제2무산소조(113)에 반송슬러지를 공급하는 분배관(P22)이 설치되어 있다. 도 1에는 공통의 제2공급관(P2)을 통해 제1무산소조(111) 및 제2무산소조(113)에 원수를 공급하는 것으로 도시되어 있지만, 공급관을 따로 설치하는 것이 가능한 것은 제1공급관(P1)의 경우와 동일하다.
제3펌프(123)는 제3공급관(P3)을 통해 분리막(130)으로부터 분리된 처리수를 외부로 배출한다.
여기서 원수는 처리하고자 하는 하수를 의미하는데, 원수에 포함되는 유기물은, 휘발성유기산(Sa), 상기 휘발성유기산으로 전환될 수 있는 유기물(Sf) 및 생분해성이 낮은 유기물(Xs) 중 적어도 하나를 의미한다.
도 2는 본 발명에 따른 반송 슬러지 분할유입을 이용한 하수고도처리시스템의 운영방법을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 반송 슬러지 분할유입을 이용한 하수고도처리시스템의 운영방법(200)은 제1질산성질소 탈질단계(210), 인 방출단계(220), 제2질산성질소 탈질단계(230), 인흡수 및 질산화단계(240), 처리수 분리단계(250), 용존산소 제거단계(260) 및 슬러지 분할반송단계(270)를 구비한다.
제1질산성질소 탈질단계(210)는 제1무산소조(111)에 인가된 유기물을 포함한 원수를 이용하여, 탈산소조(115)로부터 유입되는 반송슬러지에 포함된 질산성질소를 탈질한다. 인 방출단계(220)는 혐기조(112)에 인가된 휘발성유기산을 포함한 원수를 이용하여 제1무산소조(111)로부터 혐기조(112)로 전달받은 하수에 포함된 인을 방출한다. 제2질산성질소 탈질단계(230)는 혐기조(112)로부터 제2무산소조(113)에 전달된 하수내의 잔여유기물을 이용하여 탈산소조(115)로부터 유입되는 반송슬러지에 포함된 질산성질소를 탈질한다.
인흡수 및 질산화단계(240)는 제2무산소조(113)로부터 전달된 하수에 포함된 정인산을 슬러지 내로 흡수시키고 동시에 제2무산소조(113)로부터 전달된 하수에 포함된 질소를 호기조(114)에서 질산화시킨다. 처리수 분리단계(250)는 분리막(130)을 이용하여 제2무산소조(113)으로부터 호기조(114)로 전달된 하수에 포함된 처리수를 분리하여 외부로 배출한다. 용존산소 제거단계(260)는 호기조(114)로부터 탈산소조(115)에 전달된 하수에 포함된 용존산소를 슬러지의 호흡을 통하여 슬러지 내의 용존 산소를 제거한다.
슬러지 분할반송단계(270)는 탈산소단계(260)에서 용존 산소가 제거된 슬러지를 제1무산소조(111) 및 제2무산소조(113)에 반송하며, 제1질산성질소 탈질단계(210) 및 제2질산성질소 탈질단계(220)에서 각각 사용되는 슬러지는 슬러지 분한반송단계(270)를 통해 전달된 반송슬러지이다.
여기서 원수에 포함되는 유기물은, 휘발성유기산(Sa), 상기 휘발성유기산으로 전환될 수 있는 유기물(Sf)및 생분해성이 낮은 유기물(Xs) 중 적어도 하나를 포함한다.
이하에서는 생물학적 반응조에서 일어나는 화학반응에 대하여 설명한다.
1) 제1무산소조(111)
종속영양미생물들은 유리산소와 결합산소 모두 호흡에 이용할 수 있으며 유리산소호흡을 선호한다. 따라서 원활한 탈질을 위해서는 유리산소인 용존 산소의 유입이 방지되고 탈질에 필요한 충분한 유기물이 공급되어 질산이온내의 산소를 전자 수용체로 유기물 분해에 이용하면서 질소 가스로 환원시킬 수 있는 무산소 조건이 형성되어야한다. 따라서 무산소조내로의 용존산소가 유입시 탈질은 저해된다. 질산 이온을 환원시킬 수 있는 미생물은 Aerobacter, Bacillus, Micrococcus 등 매우 다양한 종이 알려져 있으며 이들에 의한 탈질은 다음과 같은 과정을 거치는 것으로 알려져 있다.
Figure 112011104895968-pat00001
본 발명의 제2공급관(P2)을 통해 제1무산소조(111)에 반송된 슬러지는 탈산소조(115)내에서 용존산소가 제거되었으므로, 슬러지에 포함된 질산성질소는 제1공급관(P1)을 통해 유입된 유기물을 이용하여 종속 영양탈질 할 때 제1무산소조(111) 내에서의 용존산소 저해가 방지되며, 원수에 포함된 탈질이 빠른 휘발성유기산(Sa)성분과 함께 휘발성유기산으로 쉽게 전환되는 유기물(Sf)과 생분해성이 낮은 유기물(Xs)을 모두 탈질에 이용함에 따라 최적 탈질 조건인 용존산소가 없으면서 충분한 유기물 공급되는 조건을 충족한다.
2) 혐기조(112)
혐기조(112) 내에서의 인방출은, 유리산소와 결합산소가 없는 혐기성 조건에서 인 대사 미생물이 유기물을 흡수하여 PHB로 체내에 저장하면서 동시에 ATP를 분해하여 ADP로 전환 시키면서 생물대사에 필요한 에너지를 얻게 되며, 이 과정에서 정인산을 체외로 배출되는 인 방출이 발생하므로 혐기조(112) 내에 질산성 질소가 존재하면 인방출은 저해된다.
또한 제1무산소조(111)에서 질산성 질소가 제거된 후 혐기조(112)로 전달되는 슬러지 내의 인 대사미생물 및 별도로 분할유입(P12)되는 원수 내의 인 방출 속도가 빠른 휘발성 유기산(Sa) 성분을 이용하여 인 방출이 진행되므로, 질산성 질소가 없으면서 탈질이 빠른 휘발성 유기산(Sa)이 충분히 공급되는 최적 인방출 조건을 충족한다.
3) 제2무산소조(113)
제1무산소조(111)와 혐기조(112)에서 사용되고 잔류하는 잔류유기물(Sf, Xs)을 이용하여 별도로 분할반송(P22)되는 슬러지에 포함된 질산성질소를 탈질함에 따라 최적 탈질 조건인 용존산소가 없으면서 충분한 유기물 공급되는 조건을 충족한다.
4) 호기조(114, 막분리 호기조)
종속영양미생물에 의하여 제1무산소조(111), 혐기조(112), 제2무산소조(113)를 거치면서 탈질과 인방출에 사용되고 잔류하는 유기물을 제거하고, 혐기조(112)에서 방출된 인을 흡수하며, 독립영양미생물에 의하여 하수 유입수에 포함된 질소(유기질소, 암모니아성질소)를 질산화한다.
질산화에는 질산화 미생물로서 Nitrosomonas와 Nitrobactor가 이용되며 질산화 과정은 다음과 같다.
Nitrosomonas:
Figure 112011104895968-pat00002
Nitrobactor:
Figure 112011104895968-pat00003
독립영양미생물(질산화)과 종속영양미생물(유기물제거)은 호기조(114) 내에서 공통기질인 용존산소에 대하여 경쟁관계에 있으며 종속영양미생물의 성장률이 독립영양미생물의 성장률보다 높으므로 과다한 유기물은 질산화를 저해한다. 본 발명의 호기조(114)는 호기조 전단에 제1무산소조(111), 혐기조(112), 제2무산소조(113)가 위치하여 원수내 유기물이 최대한 탈질과 탈인에 이용됨에 따라, 유기물이 최대한 감소된 상태로 호기조(114)에 유입되므로 최적질산화 조건인 유기물의 유입이 최소화되어 독립영양미생물과 종속영양미생물 간의 산소기질경쟁이 없는 최적 질산화조건을 충족한다.
5) 탈산소조(115)
호기조(114)의 폭기(산소공급)에 의해 슬러지에 포함된 용존 산소를 미생물의 호흡(산소소비)현상을 이용하여 제거함으로써, 슬러지가 이송되어 제1무산소조(111)와 제2무산소조(113)로 유입될 때 용존산소 유입을 방지 함에 따라 제1무산소조(111)와 제2무산소조(113)에서의 탈질에 대한 산소저해가 방지된다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방 가능함은 명백한 사실이다.
110: 생물학적 반응조 121, 122, 123: 펌프
130: 침지형 분리막

Claims (4)

  1. 처리된 하수를 순서대로 전달하는 제1무산소조(111), 혐기조(112), 제2무산소조(113), 침지형 분리막(130)이 포함된 호기조(114) 및 탈산소조(115)를 구비하는 생물학적 반응조(110);
    제1공급관(P1)을 통해 상기 제1무산소조(111) 및 상기 혐기조(112)에 유기물을 포함한 원수를 공급하는 제1펌프(121);
    제2공급관(P2)을 통해 상기 탈산소조(115)에 축적된 질산화된 슬러지를 상기 제1무산소조(111) 및 상기 제2무산소조(113)에 공급하는 제2펌프(122); 및
    제3공급관(P3)을 통해 상기 분리막(130)으로부터 분리된 처리수를 외부로 배출하는 제3펌프(123);를
    구비하는 것을 특징으로 하는 하수고도처리시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 원수에 포함되는 유기물은,
    휘발성유기산, 상기 휘발성유기산으로 전환될 수 있는 유기물 및 생분해성이 낮은 유기물 중 적어도 하나가 포함되는 것을 특징으로 하는 하수고도처리시스템.
  3. 제2항에 기재된 하수고도처리시스템의 운영방법에 있어서,
    상기 제1무산소조(111)에 인가된 유기물을 포함한 원수를 이용하여, 상기 제1무산소조(111)에 인가된 하수 및 상기 탈산소조(115)로부터 유입되는 반송슬러지에 포함된 질산성질소를 탈질하는 제1질산성질소 탈질단계(210);
    상기 혐기조(112)에 인가된 휘발성유기산, 상기 유기물을 원수를 이용하여 상기 제1무산소조(111)로부터 상기 혐기조(112)로 전달받은 슬러지에 포함된 인을 방출하는 인 방출단계(220);
    상기 혐기조(112)로부터 상기 제2무산소조(113)에 전달된 하수 및 상기 탈산소조(115)로부터 유입되는 반송슬러지에 포함된 질산성질소를 탈질하는 제2질산성질소 탈질단계(230);
    상기 제2무산소조로부터 전달된 하수와 슬러지에 포함된 인을 흡수하고 슬러지를 질산화하는 인흡수 및 질산화단계(240);
    상기 분리막(130)을 이용하여 상기 제2무산소조(113)로부터 상기 호기조(114)로 전달된 하수에 포함된 처리수를 분리하여 외부로 배출하는 처리수 분리단계(250); 및
    상기 호기조(114)로부터 상기 탈산소조(115)에 전달된 하수에 포함된 용존산소를 슬러지의 호흡을 통하여 제거하는 용존산소 제거단계(260)를 포함하며,
    상기 제1질산성질소 탈질단계(210) 및 상기 제2질산성질소 탈질단계(230)에서 각각 사용되는 상기 반송슬러지는 상기 용존산소 제거단계(260)에서 용존 산소가 제거된 슬러지(270)를 반송한 것을 특징으로 하는 하수고도처리시스템의 운영방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 원수에 포함되는 유기물은,
    휘발성유기산, 상기 휘발성유기산으로 전환될 수 있는 유기물 및 생분해성이 낮은 유기물 중 적어도 하나가 포함되는 것을 특징으로 하는 하수고도처리시스템의 운영방법.
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