KR101430722B1

KR101430722B1 - 에너지 절감형 하·폐수처리방법 및 처리시스템

Info

Publication number: KR101430722B1
Application number: KR20140025050A
Authority: KR
Inventors: 전윤중; 진창숙
Original assignee: (주)전테크
Priority date: 2014-03-03
Filing date: 2014-03-03
Publication date: 2014-08-18

Abstract

본 발명은 하·폐수처리장의 운영에 필요한 에너지를 하·폐수를 처리하는 과정에서 생산하여 공급·사용함에 의해 에너지의 자급자족이 가능함과 동시에 시스템에 부하를 감소시킬 수 있는 하·폐수처리장의 처리공정에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스크린을 통과해 협잡물이 제거된 하·폐수를 생흡착공정의 생흡착조로 이동시켜 유기물(BOD, COD)성분을 슬러지에 흡착시킨 생슬러지는 생흡착침전조에서 침전시켜 슬러지혐기소화조로 이송하고, 상기 생흡착침전조의 상등수는 생물학적처리공정의 생물학적처리조를 거쳐 유기물, 고형물, 질소, 인 등의 오염물질을 제거한 후 방류하고, 최종침전조에서 분리된 잉여슬러지는 슬러지혐기소화조로 이송하며, 상기 슬러지혐기소화조에서는 유입된 생흡착침전조의 생슬러지와 생물학적처리공정의 최종침전조의 잉여슬러지를 분해하여 유기물을 제거하고 바이오가스(메탄가스)를 생산하며, 상기 슬러지혐기소화조에서 혐기소화가 완료되어 혐기소화액이 배출되면 탈수기에서 수분함량 70~80%까지 탈수하여 탈수케익으로 배출시키며, 상기 탈수기에서 탈수 시 고농도의 질소와 인이 함유된 혐기소화 탈리액의 인은 화학적 응집침전이나 가압부상에 의해 제거하고, 암모니아성 질소(NH₄-N)형태로 존재하는 질소는 아질산화반응과 아나목스반응을 하는 아나목스공정에 의해 제거하며, 상기 아나목스공정의 처리수는 생물학적처리공정으로 반류하는 공정을 통하여, 기존 하·폐수처리장의 질소부하를 저감시키고, 폭기에 소요되는 에너지양을 절감하고 슬러지양을 저감시키면서, 상기 생흡착에 의해 혐기소화에 의한 바이오가스 에너지생산량을 극대화함에 의해 하수처리장의 에너지자립화율을 증대시키는 것을 특징이 있다.

Description

에너지 절감형 하·폐수처리방법 및 처리시스템{Sewage and Wastewater Treatment Method and System for Energy Saving}

본 발명은 하·폐수처리장의 운영에 필요한 에너지를 하·폐수를 처리하는 과정에서 생산하여 공급·사용함에 의해 에너지를 자급 자족가능한 동시에 시스템에 부하를 감소시킬 수 있는 하·폐수처리장의 처리공정에 관한 것이다.

최근, 전 세계적으로 하·폐수처리장에서 소비하는 에너지를 저감하기 위한 다양한 방안이 제시되고 있고, 몇몇 하수처리장에는 신재생 에너지발전사업(태양광발전, 슬러지 혐기소화를 통한 에너지 생산, 소수력발전, 풍력발전 등)이 추진되어 가동하고 있다. 국내에서도 슬러지 혐기소화에 의한 에너지 생산, 태양광발전 등에 설치 및 운영이 진행되고 있다. 이러한 신재생 에너지발전사업을 통해 국내 하수처리장의 에너지 자립율을 현재의 0.8%에서 2030년 50%로 증가시키는 것이 정부의 목표이다.

다양한 신재생 에너지발전설비 중에서 국내에서 가장 많이 적용되고 있는 것은 슬러지혐기소화조이나, 470개소의 전체하수처리장 중에서 슬러지혐기소화조를 보유하고 있는 곳은 67개소이며, 이중 노후화문제로 인해 가동이 중지된 8개소를 제외한 57개소가 운영 중에 있다. 슬러지 혐기소화설비는, 슬러지 감량화가 가장 큰 목적이며, 슬러지는 소화 후 탈수를 거쳐 슬러지케익을 만들어 소각, 매립, 재이용 등의 방법으로 처분되고 있다. 슬러지를 혐기소화하면 30~50%의 슬러지를 저감할 수 있으며, 생슬러지에 비해 발열량은 낮지만 악취발생이 적고 건조공정 시 에너지 소비량이 감소된다.

슬러지의 혐기소화를 통한 감량화에 의해 배출되는 탈수케익의 양은 감소되나, 이 때, 슬러지 내의 수분뿐만 아니라 슬러지 내에 함유되어 있는 질소, 인 등도 함께 용출된다. 즉, 슬러지 감량화와 함께 하수 내의 질소, 인의 부하량이 증가됨에 의해, 하수처리장의 질소, 인의 부하량이 증가되는 문제가 발생된다.

이 문제를 해결하기 위해서는, 하수처리장의 처리용량을 증대시키거나, 하수반류수의 처리를 통해 하수처리장으로 유입되는 부하량을 저감시켜야만 한다. 그러나 대부분의 하수처리장의 경우, 또한 하수처리용량을 증대시키기 위해서는 수백억의 비용이 필요하므로 처리용량을 증설하는 것은 용이하지 않다.

이에 반해, 하수반류수를 처리하는 방법은, 본 처리용량을 증설하는 것에 비해 간단하고 비용면에서도 경제적이다.

하수반류수의 처리에 대한 연구는 세계적으로는 1990년대 후반부터 진행되어 왔으며, 최근 실용화되고 있으나, 국내에서는 아직 실용화실적이 거의 없다.

하수반류수 처리의 핵심은 1) 질소, 2) 인으로서, 연구초기에는 기존 하수처리공법인 A₂O, 활성슬러지공법 등이 검토되었으나, 하수반류수에 함유된 각 성분의 농도가 하수에 비해 매우 높음에 의해 처리설비의 용량이 커지는 문제로 인해 실용화가 쉽지 않았다.

1. 암모니아성 질소(NH₄-N) 문제를 살펴보면 하수반류수에 함유되어 있는 질소의 대부분이 암모니아성 질소(NH₄-N)임에 의해 질산화-탈질처리가 필요하였기에, 처리설비의 용량을 축소시키기 곤란하였다.

암모니아성 질소(NH₄-N)를 제거할 수 있는 신규기술인 아나목스(ANAMMOX)기술은, 혐기상태에서 암모니아(ＮＨ₄ ⁺)와 아질산(ＮＯ₂ ^－)을 기질로 이용하고, 무기탄소로부터 균체를 합성하는 독립영양균인 ANAMMOX균에 의해 수행되는 반응으로, 혐기성 암모니아 산화(ANaerobic　AMMonium　OXidation)라고도 한다.

아나목스기술은 혐기상태에서 ＮＨ₄ ⁺가 전자공여체, ＮＯ₂ ^－가 전자수용체로서 반응하여 질소가스를 생성하는 독립영양반응이므로, 질산화를 위한 산소와, 탈질을 위한 유기탄소원의 공급이 필요 없어 대폭적인 처리비용 저감이 가능하다.

아나목스반응에 의해 질소성분을 제거하기 위해서는, 처리대상 원수에 암모니아성 질소(NH₄-N)와 아질산성 질소(NO₂-N)가 거의 동일한 몰비로 존재하여야만 한다.

그러나, 대부분의 처리대상 원수에는 암모니아성 질소형태로 존재하므로, 약 50~55%를 아질산성 질소형태로 변환시켜야 하는데, 이 기술을 부분아질산화기술이라고 하며, 암모니아성 질소의 일부만을 아질산성 질소로 전환시킨다.

아질산화와 아나목스반응식은 다음과 같다.

아질산화반응 : 2NH₄ ⁺ + 1.5O₂ → NH₄ ⁺ + NO₂ ^- + H₂O + 2H⁺

아나목스반응 : 1.0NH₄ ⁺ ＋ 1.32NO₂ ^- ＋ 0.066HCO₃ ^- ＋ 0.13H⁺

→ 1.02N₂ ＋ 0.26NO₃ ^- ＋ 0.066CH₂O₀ _.5N₀ _.15(biomass) ＋ 2.03H₂O

여기서, 상기 0.066CH₂O₀ _.5N₀ _.15(biomass)는 ANAMMOX균을 나타낸다.

하수반류수의 암모니아성 질소제거에 아질산화-아나목스기술을 적용시킴에 의해 기존 암모니아성 질소 처리방법에 비해, 초기투자비, 운영비, 부지면적, 에너지사용량, CO₂배출량 등이 전부 30~60%이상 저감된다.

2. 인(T-P) 문제를 살펴보면 하수반류수에 함유되어 있는 인(T-P)은, 화학적 약품처리에 의해 제거가능하다. 최근, 국내에서도 하수반류수의 고농도 인을 가압부상법을 이용하여 제거하는 설비를 설치하고 있다. 운영비에서 약품비용이 증가하고 가압부상에 필요한 폭기 시 에너지사용량이 증가되며, 폐슬러지량이 증가한다는 단점이 있으나, 인을 제거하는 목적은 달성가능하다.

3. 유기물(BOD, COD)의 경우에는, 하수반류수에 함유되어 있는 유기물(BOD, COD)은, 처리대상이기도 하지만, 주처리설비의 생물학적처리에서의 탈질처리에 필요한 성분이기도 하다. 국내의 하수처리장은 대부분 하수에 함유된 유기물이 적어 C/N비가 낮다는 문제를 안고 있다. C/N비가 낮으면 하수처리장의 생물학적처리에서 일반적으로 질소제거에 이용되고 있는 질산화-탈질공정의 탈질(종속영양탈질)공정에서 탈질에 필요한 유기물이 부족하여 메탄올과 같은 외부탄소원을 투입해 줘야한다. 따라서 유기물의 일부는 탈질반응에 이용할 수 있다.

그리고, 유기물은 소화조에서 바이오가스(메탄가스 : CH₄)를 생산할 수 있는 에너지자원이므로 유효하게 이용한다면, 바이오가스 생산량을 증가시킬 수 있다.

따라서, 슬러지혐기소화조를 이용하여 바이오가스 에너지생산을 극대화하면서, 위에서 기술한 하수반류수 내의 오염물질의 부하증가문제의 해결 및 하수처리장의 증가되는 부하를 해결하면서 에너지 자립율을 증가시킬 수 있는 개선된 하수처리공정이 절실히 요구되는 실정이다.

1. 등록번호 제10-0566053호 (질산성질소가 다량 함유되어 있는 폐ㆍ하수의 생물학적 황탈질 처리장치 및 방법) 2. 등록번호 제10-0414417호 (호기 및 혐기성 생물막 채널타입 반응기를 이용한 오·하수 처리장치 및 방법) 3. 등록번호 제10-0434858호 (슬러지의 혐기성 또는 호기성 소화액으로 배양한 질산화미생물을 이용한 하수고도처리방법)

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로 질소의 부하증가문제를 해결하고, 혐기소화에 의한 바이오가스 에너지생산량을 극대화함에 의해 하수처리장의 에너지자립화율을 증대시키는 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 스크린을 통과해 협잡물이 제거된 하·폐수를 생흡착공정의 생흡착조로 이동시켜 유기물(BOD, COD)성분을 슬러지에 흡착시킨 후, 유기물이 흡착된 생슬러지는 생흡착침전조에서 침전시켜 슬러지혐기소화조로 이송하고, 상기 생흡착침전조의 상등수는 생물학적처리공정의 생물학적처리조를 거쳐 유기물, 고형물, 질소, 인 등의 오염물질을 제거한 후 방류하고, 생흡착침전조에서 침전·분리된 슬러지와 생물학적처리공정의 최종침전조에서 침전·분리된 잉여슬러지는 혐기소화되도록 슬러지혐기소화조로 이송하며, 상기 슬러지혐기소화조로 유입된 생흡착침전조의 생슬러지와 생물학적처리공정의 생흡착침전조의 잉여슬러지를 분해하여 유기물을 제거하고 슬러지 내부에 함유되어 있던 수분과 질소 및 인 등을 용출시키며, 상기 슬러지혐기소화조에서 혐기소화가 완료되어 혐기소화액이 배출되면 탈수기에서 수분함량 70~80%까지 탈수하여 탈수케익으로 배출시키며, 상기 탈수기에서 탈수 시 고농도의 질소와 인이 함유된 혐기소화탈리액이 발생되며, 상기 혐기소화탈리액의 인은 화학적 응집침전이나 가압부상에 의해 제거하고, 암모니아성 질소(NH₄-N)형태로 존재하는 질소는 아질산화반응과 아나목스반응을 수행하는 아나목스공정에 의해 제거하며, 상기 아나목스공정의 처리수는 생물학적처리공정으로 반류하는 공정을 통하여, 하·폐수처리장의 질소부하를 저감시키고, 폭기에 소요되는 에너지양과 슬러지양을 저감시키면서, 상기 생흡착에 의해 혐기소화에 의한 바이오가스 에너지생산량을 극대화함에 의해 하수처리장의 에너지자립화율을 증대시키는 것을 특징으로 하는 에너지 절감형 하·폐수처리방법 및 처리 시스템을 제공한다.

이상에서와 같이 본 발명은 기존 하·폐수처리장에 비해 전체 처리공정의 반응조 용량은 50%이상 저감되고, 폭기에 필요한 에너지도 50%이상 저감되며, 발생되는 슬러지양도 70%이상 저감되며, 무엇보다도 기존 하·폐수처리장에서 사용하던 에너지사용량을 50%이상 절감되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태인 에너지 절감형 하·폐수 처리시스템의 공정을 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명의 실시 형태인 에너지 절감형 하·폐수 처리시스템의 공정 중에서 하나의 예를 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명의 실시 형태인 에너지 절감형 하·폐수 처리시스템의 공정 중에서 하나의 예를 나타내는 구성도이다.

이에 상기한 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 에너지 절감형 하·폐수처리 시스템은 하·폐수의 협잡물을 제거하는 스크린(10)을 통과해 유기물(BOD, COD)성분을 슬러지에 흡착시키는 생흡착조(21)와 유기물이 흡착된 생슬러지를 침전시키는 생흡착침전조(22)로 이루어지는 생흡착공정(20)을 구성한다.

이때, 상기 생흡착공정(20)의 생흡착조(21)에는 슬러지가 2,000 mg/L의 농도로 존재하며, 유입수가 유입되면 10~30분간 폭기처리한 후 월류되어 생흡착침전조(22)로 이송하도록 구성한다.

여기서, 상기 폭기 시간을 10~30분으로 한정하는 이유는 흡착만을 위한 목적으로 슬러지가 흡착된 유기물을 분해하기 전에 중지시켜야 하는 이유에서 시간의 범위를 한정하는 것이다.

여기서, 상기 생흡착공정(20)의 생흡착침전조(22)에서는 1~3시간정도 침전이 진행되며, 침전된 생슬러지는 생흡착침전조(22) 하부를 통해 배출되어 슬러지혐기소화조(41)로 이송되도록 구성한다.

이때, 상기 침전시간을 1~3시간으로 한정하는 이유는 침전시간이 1시간 이하이면 침전이 제대로 이루어지지 않아 슬러지가 떠서 배출되게 되며, 반면 침전시간이 3시간 이상이 되면 슬러지가 혐기화되면서 혐기분해에 의해 가스가 생성되어 상부로 떠올라 배출되므로 이를 방지하고 흡착된 슬러지의 대부분을 침전시키기 위한 이유이다.

아울러, 상기 생흡착침전조(22)의 상등수는 월류되어 주처리공정으로 이송되고, 생흡착조(21)의 슬러지는 배출된 만큼 주처리공정의 최종침전조(32)에서 배출되는 잉여슬러지의 일부를 이송시켜 보충해 주도록 구성하는 것이다.

그리고, 상기 생흡착침전조(22)의 상등수에 함유된 유기물, 고형물, 질소, 인 등의 오염물질은 생물학적처리조(31)와 최종침전조(32)로 구성된 생물학적처리공정(30)을 통해 제거한다.

아울러, 상기 생흡착침전조(22)에서 분리된 생슬러지는 슬러지혐기소화조(41)로 구성된 혐기소화공정(40)으로 이송되어 유기물을 분해함에 의해 바이오가스(메탄가스)를 생산한다.

더불어, 상기 슬러지혐기소화조(41)에서 혐기소화가 완료되어 배출되는 혐기소화액을 공급받아 수분함량 70~80%까지 탈수하여 탈수케익으로 배출시키는 탈수기(50)를 구성한다.

그리고, 상기 탈수기(50)에서 발생되는 고농도의 질소와 인이 함유된 혐기소화 탈리액이 이송되어 인은 화학적 응집침전이나 가압부상에 의해 제거하고 암모니아성 질소(NH₄-N)형태로 존재하는 질소는 아질산화반응(호기성 암모니아산화반응)과 아나목스반응(혐기성 암모니아산화반응)을 하여 제거하는 아나목스공정(60)을 구성한다.

아울러, 상기 아나목스조(62)의 처리수는 생물학적처리공정(30)으로 반류하는 공정을 통하여, 기존 하·폐수처리장에 비해, 전체 처리공정의 반응조 용량이 50%이상 저감되고, 폭기에 필요한 에너지가 50%이상 저감되며, 발생되는 슬러지양은 70%이상 저감되고, 생흡착을 통해 에너지생산량을 증가시킴에 의해, 하수처리장의 에너지 자립율을 증대시킬 수 있는 처리시스템(100)을 구성한다.

이러한, 상기 아나목스공정(60)은 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 전환시키는 아질산화반응(호기성 암모니아산화반응)과; 상기 암모니아성 질소와 아질산성 질소를 반응시켜 질소가스로 전환시키는 아나목스반응(혐기성 암모니아산화반응)을 각각 수행하도록 아질산화조(61)와 아나목스조(62)로 2조식 방법으로 구성할 수 있다.

여기서, 상기 아질산화조(61)는 암모니아산화균이 우점화될 수 있도록 호기상태를 유지하고, 아나목스조(62)는 아나목스균이 우점화되어 활성을 유지할 수 있도록 혐기상태를 유지시켜주도록 구성하는 것이다.

다른 실시 예로써, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 생흡착공정(20)은 생흡착침전조(22)에서는 1~3시간정도 침전이 진행되며, 침전된 생슬러지는 생흡착침전조(22) 하부를 통해 배출되어 슬러지혐기소화조(41)로 이송되도록 구성할 수도 있다.

이러한, 상기 아나목스공정(60)은 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 전환시키는 아질산화반응(호기성 암모니아산화반응)과; 상기 암모니아성 질소와 아질산성 질소를 반응시켜 질소가스로 전환시키는 아나목스반응(혐기성 암모니아산화반응)을 하나의 반응조에서 동시에 수행하도록 1조식 방법으로 구성할 수 있다.

즉, 상기 아나목스공정(60)은 간헐폭기를 통해 아질산화반응(호기성 암모니아산화반응)과 아나목스반응(혐기성 암모니아산화반응)이 하나의 반응조 내에서 수행되도록 구성하는 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 일 예의 처리시스템(100)은 하수반류수의 높은 농도의 질소를 높은 효율로 제거한다는 것으로, 이때 아나목스공정(60)에서 아질산화반응(호기성 암모니아산화반응)과 아나목스반응(혐기성 암모니아산화반응)에 의해 질소제거가 이루어진다는 것이다.

상기 아나목스공정(60) 공정내에서 수행되는 아질산화반응(호기성 암모니아산화반응)과 아나목스반응(혐기성 암모니아산화반응)은, 분리된 아질산화조(61)와 아나목스조(62)를 통해 수행되거나, 아질산화조와 아나목스조가 통합된 단일 반응조에서 수행되도록 구성된다.

즉, 하수반류수의 질소를 제거함에 의해 하수 생물학적처리공정(30)의 질소부하가 감소되게 되므로 생물학적처리공정(30)의 안정적인 질소처리와 함께 감소된 질소부하만큼의 생물학적처리공정(30) 용량에 여유가 생기게 되므로, 좀더 많은 양의 질소를 받아서 처리할 수 있다.

주처리공정은, 최초침전공정(70)의 최초침전조(71)와 생물학적처리공정(30)의 생물학적처리조(31)와 최종침전조(32)로 구성된 기존 공정을 그대로 적용한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.

이러한, 상기 처리시스템(100)은 하·폐수가 유입되면 스크린(10)을 통해서 협잡물을 제거된 후 이송되어 생흡착공정(20)의 생흡착조(21)로 이송된다.

이후, 상기 하·폐수는 생흡착조(21)에서 하·폐수에 함유되어 유입되는 유기물(BOD, COD)성분을 슬러지에 흡착시킨다.

다음으로, 상기 생흡착조(21)에서 유기물이 흡착된 생슬러지를 생흡착침전조(22)에서 침전시키며 분리된 생슬러지는 슬러지혐기소화조(41)로 이송된다.

한편, 상기 생흡착침전조(22)의 상등수는 하·폐수처리공정의 생물학적처리공정(30)을 거쳐 유기물, 고형물, 질소, 인 등의 오염물질을 제거한 후 방류되는데, 이 과정에서 생물학적처리공정(30)에 있는 최종침전조(32)에서 분리된 잉여슬러지는 슬러지혐기소화조(41)로 이송된다.

즉, 상기 생흡착공정(20)은 유입되는 하·폐수내의 유기물을 슬러지에 우선적으로 흡착시켜 슬러지혐기소화조(41)로 이송함에 의해 슬러지혐기소화조(41)에 유입되는 유기물농도를 높여서 생산되는 바이오가스량을 증가시킨다.

이후, 상기 슬러지혐기소화조(41)에서는 유입되는 생흡착침전조(22)의 생슬러지와 생물학적처리공정(30)의 최종침전조(32)의 잉여슬러지가 분해되어, 유기물이 제거되면서, 그 산물로서 바이오가스(메탄가스)가 생산된다.

즉, 상기 혐기소화공정(40)의 슬러지혐기소화조(41)에서 발생되는 바이오가스(메탄가스 ; CH₄)를 전기로 전환하거나 스팀으로 사용할 수 있는 것이다.

이때, 상기 생슬러지와 잉여슬러지가 분해되면서 슬러지 내부에 함유되어 있던 수분, 질소 및 인 등이 슬러지밖으로 용출되도록 구성되는 것이다.

이러한, 상기 생흡착조(21)에는 슬러지가 2,000 mg/L정도의 농도로 존재하며, 유입수가 유입되면 10~30분간 폭기처리한 후, 월류되어 생흡착침전조(22)로 이송된다.

다음으로, 상기 생흡착침전조(22)에서는 1~3시간정도 침전시키고, 이때 침전된 생슬러지는 생흡착침전조(22) 하부를 통해 배출되어 슬러지혐기소화조(41)로 이송된다. 생흡착침전조(22)의 상등수는 월류되어 생물학적처리공정(30)으로 이송되도록 구성된다.

더불어, 상기 생흡착조(21)의 슬러지는 배출된 만큼 보충해주는데, 주처리공정의 최종침전조(32)에서 배출되는 잉여슬러지의 일부를 이송시켜 보충해 준다.

그 다음으로, 상기 생흡착공정(20)에서는 유기물이 슬러지에 의해 분해되는 과정에서 1차적으로 슬러지에 흡착되고, 2차적으로 흡착된 유기물이 분해된다는 원리를 이용한 공정으로, 짧은 시간에 유입수에 함유되어 있는 유기물을 슬러지에 급속히 흡착시켜, 분해가 진행되기 전에 침전을 통해 슬러지를 배출시킴으로서 유기물만을 흡착·제거될 수 있다.

이후, 상기 슬러지혐기소화조(41)에서 혐기소화가 완료되면 혐기소화액이 배출되고, 이 혐기소화액을 탈수기(50)를 이용하여 수분함량 70~80%까지 탈수시켜 탈수케익으로서 배출한다.

이때, 상기 탈수기(50)에서 탈수되어 배출되는 고형물인 탈수케익과 함께 탈수여액이 발생되는데, 이 탈수여액을 일반적으로 혐기소화 탈리액이라고 부른다.

다음으로, 상기 혐기소화 탈리액에는 고농도의 질소와 인이 함유되어 있으며, 인은 화학적 응집침전이나 가압부상에 의해 제거되고, 질소는 대부분 암모니아성 질소(NH₄-N)형태로 존재하며, 이 암모니아성 질소는 본 발명의 아나목스공정(60)에서 제거된다.

이러한, 상기 아나목스공정(60) 공정내에서 아질산화반응(호기성 암모니아산화반응)과 아나목스반응(혐기성 암모니아산화반응)이 수행되는데, 이 반응은 분리된 아질산화조(61)와 아나목스조(62)를 통해 수행되거나, 아질산화조와 아나목스조가 통합된 단일 반응조에서 수행되도록 구성된다.

즉, 상기 아나목스공정(60)에서 수행되는 아질산화반응을 통해 하·폐수에 함유되어 있는 암모니아성 질소가 아질산성 질소(NO₂-N)으로 전환되며, 전환된 아질산성 질소와 잔류하고 있는 암모니아성 질소는 아나목스반응을 통해 질소가스(N₂)로 전환됨에 의해 질소가 제거되는 것이다.

이러한, 상기 아질산화반응과 아나목스반응은 특수한 미생물에 의해 수행되는데, 아질산화반응은 아질산화균(AOB ; 호기성 암모니아산화균이라고도 한다), 아나목스반응은 아나목스균(혐기성 암모니아산화균)에 의해서만 수행된다.

그리고, 상기 아나목스공정(60)의 처리수는 생물학적처리공정(30)으로 반류된다.

여기서, 상기 아나목스공정(60)은 2가지로 구성될 수 있는데, 우선적으로 2조식 방법은 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 전환시키는 아질산화반응과 암모니아성 질소와 아질산성 질소를 반응시켜 질소가스로 전환시키는 아나목스반응을 각각 수행하게 된다.

이러한, 상기 2조식 방법은 각각의 반응조의 환경을 각각의 반응이 극대화할 수 있도록 상기 아질산화조(61)는 아질산화균(AOB ; 호기성 암모니아산화균)이 우점화될 수 있도록 호기상태를 유지하고, 아나목스조(62)는 아나목스균(혐기성 암모니아산화균)이 우점화되어 활성을 유지할 수 있도록 혐기상태를 유지한다.

한편, 상기 아나목스공정(60)의 1조식 방법은 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 전환시키는 아질산화반응과 암모니아성 질소와 아질산성 질소를 반응시켜 질소가스로 전환시키는 아나목스반응을 하나의 반응조에서 동시에 수행하는 것이다.

이러한, 상기 1조식 방법은 생육환경이 다른 2종류의 균이 공존할 수 있도록 호기와 혐기환경을 분배하여 유지해주는 것이 필요한데 간헐폭기에 의해 조절한다.

이때, 상기 아질산화균은 일반적인 하수처리장의 활성슬러지내에 존재하므로 활성슬러지를 식종하여 환경을 조절해주면 우점화된다.

이에 반해, 아나목스균은, 일반적인 활성슬러지나 혐기성 슬러지를 이용하여 우점화하기 어려우므로 별도로 배양하여 식종한 후, 환경을 조절하여 우점화시킬 수 있다.

이러한, 상기 처리시스템(100)은 생물학적처리공정(30)으로 반류하는 공정을 통하여, 기존 하·폐수처리장에 비해, 전체 처리공정의 반응조 용량이 50%이상 저감되고, 폭기에 필요한 에너지가 50%이상 저감되며, 발생되는 슬러지양은 70%이상 저감되고, 생흡착을 통해 에너지생산량을 증가시킴에 의해, 하수처리장의 에너지 자립율을 증대시킬 수 있는 특징이 있다.

즉, 상기 처리시스템(100)은 생흡착공정(20)의 흡착작용을 통해 유기물을 50%이상 제거한 후, 이 흡착된 유기물을 혐기소화조에서 바이오가스 생산에 사용함으로 기존의 바이오가스 생산량보다 많은 양이 생산된다.

아울러, 상기 처리시스템(100)은 생흡착공정(20)의 흡착작용을 통해 유기물을 50%이상 제거하므로 다음 단계인 생물학적처리공정(30)에서 제거해야할 유기물양이 50%이상 감소되므로 기존에 설치되어 있는 생물학적처리공정의 반응조가 50%이상 필요 없게 되므로 반응조 용량이 50%이상 절감되는 것이다.

더불어, 상기 아나목스공정(50)에 이용되는 미생물은 독립영양균들로 이들 균을 반류수처리에서 사용하고, 일부는 생물학적처리공정(30)으로 이송하여 재 사용함으로써 시간이 경과하면 많은 양의 돌립영양균들이 존재하게 된다. 이로 인하여 생물학적처리공정(30)에 존재하는 종속영양균의 비해 증식속도가 느리므로 발생되는 슬러지양이 종속영양균의 1/10정도로 발생되는 슬러지량이 70%이상 감소되는 것이다.

또한, 상기 처리시스템(100)에서 필요로 하는 에너지의 50~60%는 폭기 시 사용되는 에너지로써 반류수처리의 아나목스공정(60)의 균들이 생물학적처리공정(30)으로 이송되므로 시간이 경과하면 생물학적처리공정(30)에서도 반류수의 아나목스공정(60)과 유사하게 아질산화까지만 수행(필요산소량 : 1.9kg-O₂/kg-N)하게 되므로 기존의 질산화까지 수행하는 공정(필요산소량 : 4.57kg-O₂/kg-N)에 비해 폭기량이 60% 저감되고, 또한 간헐적으로 폭기하므로 기존 폭기량의 50%정도가 저감되어 폭기에 사용되는 에너지가 50%이상 절감되는 것이다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

10 : 스크린 20 : 생흡착공정
21 : 생흡착조 22 : 생흡착침전조
30 : 생물학적처리공정 31 : 생물학적처리조
32 : 최종침전조 40 : 혐기소화공정
41 : 슬러지혐기소화조 50 : 탈수기
60 : 아나목스공정 61 : 아질산화조
62 : 아나목스조 70 : 최초침전공정
71 : 최초침전조 100 : 처리시스템

Claims

스크린(10)을 통과해 협잡물이 제거된 하·폐수를 생흡착공정(20)의 생흡착조(21)로 이동시켜 유기물(BOD, COD)성분을 슬러지에 흡착시킨 후, 유기물이 흡착된 생슬러지는 생흡착침전조(22)에서 침전시켜 슬러지혐기소화조(41)로 이송하고,
상기 생흡착침전조(22)의 상등수는 생물학적처리공정(30)의 생물학적처리조(31)를 거쳐 유기물, 고형물, 질소, 인 등의 오염물질을 제거한 후 방류하고, 생흡착침전조(22)에서 침전·분리된 슬러지와 생물학적처리공정(30)의 최종침전조(32)에서 침전·분리된 잉여슬러지는 혐기소화되도록 슬러지혐기소화조(41)로 이송하며,
상기 슬러지혐기소화조(41)로 유입된 생흡착침전조(22)의 생슬러지와 생물학적처리공정(30)의 생흡착침전조(22)의 잉여슬러지를 분해하여 유기물을 제거하고 슬러지 내부에 함유되어 있던 수분과 질소 및 인 등을 용출시키며,
상기 슬러지혐기소화조(41)에서 혐기소화가 완료되어 혐기소화액이 배출되면 탈수기(50)에서 수분함량 70~80%까지 탈수하여 탈수케익으로 배출시키며,
상기 탈수기(50)에서 탈수 시 고농도의 질소와 인이 함유된 혐기소화탈리액이 발생되며, 상기 혐기소화탈리액의 인은 화학적 응집침전이나 가압부상에 의해 제거하고, 암모니아성 질소(NH₄-N)형태로 존재하는 질소는 아질산화반응과 아나목스반응을 수행하는 아나목스공정(60)에 의해 제거하며,
상기 아나목스공정(60)의 처리수는 생물학적처리공정(30)으로 반류하는 공정을 통하여, 하·폐수처리장의 질소부하를 저감시키고, 폭기에 소요되는 에너지양과 슬러지양을 저감시키면서, 상기 생흡착에 의해 혐기소화에 의한 바이오가스 에너지생산량을 극대화함에 의해 하수처리장의 에너지자립화율을 증대시키는 것을 특징으로 하는 에너지 절감형 하·폐수처리방법.
제 1항에 있어서, 상기 생흡착공정(20)은 유기물이 슬러지에 의해 분해되는 과정 중에서 1차과정인, 슬러지에 유기물을 흡착시키는 것을 목적으로 하는 공정으로,
상기 생흡착공정(20)의 생흡착조(21)에는 슬러지가 2,000 mg/L의 농도로 존재하며, 유입수가 유입되면 10~30분간 폭기처리한 후 상등수는 월류되어 생흡착침전조(22)로 이송하고,
상기 생흡착공정(20)의 생흡착침전조(22)에서는 1~3시간정도 침전이 진행되며, 침전된 생슬러지는 생흡착침전조(22) 하부를 통해 배출되어 슬러지혐기소화조(41)로 이송되며,
상기 생흡착침전조(22)의 상등수는 월류되어 생물학적처리공정(30)으로 이송되고, 생흡착조(21)의 슬러지는 배출된 만큼 생물학적처리공정(30)의 최종침전조(32)에서 배출되는 잉여슬러지의 일부를 이송시켜 보충해 주도록 구성하는 것을 특징으로 하는 에너지 절감형 하·폐수처리방법.
제 1항에 있어서, 상기 아나목스공정(60)은 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 전환시키는 아질산화반응(호기성 암모니아산화반응)과;
상기 암모니아성 질소와 아질산성 질소를 반응시켜 질소가스로 전환시키는 아나목스반응(혐기성 암모니아산화반응)을 각각 수행하도록 아질산화조(61)와 아나목스조(62)로 2조식 방법으로 구성하여,
상기 아질산화조(61)는 암모니아산화균이 우점화될 수 있도록 호기상태를 유지하고, 상기 아나목스조(62)는 아나목스균이 우점화되어 활성을 유지할 수 있도록 혐기상태를 유지시켜주도록 구성하는 것을 특징으로 하는 에너지 절감형 하·폐수처리방법.
제 1항에 있어서, 상기 아나목스공정(60)은 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 전환시키는 아질산화반응(호기성 암모니아산화반응)과;
상기 암모니아성 질소와 아질산성 질소를 반응시켜 질소가스로 전환시키는 아나목스반응(혐기성 암모니아산화반응)을 하나의 반응조에서 동시에 수행하도록 1조식 방법으로 구성하여,
간헐폭기를 통해 아질산화반응(호기성 암모니아산화반응)과 아나목스반응(혐기성 암모니아산화반응)이 하나의 반응조 내에서 수행되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 에너지 절감형 하·폐수처리방법.
제 1항에 있어서, 상기 생흡착공정(20)은 생흡착침전조(22)에서는 1~3시간정도 침전이 진행되며, 침전된 생슬러지는 생흡착침전조(22) 하부를 통해 배출되어 슬러지혐기소화조(41)로 이송되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 에너지 절감형 하·폐수처리방법.
하·폐수의 협잡물을 제거하는 스크린(10)을 통과해 유기물(BOD, COD)성분을 슬러지에 흡착시키는 생흡착조(21)와 유기물이 흡착된 생슬러지를 침전시키는 생흡착침전조(22)로 이루어지는 생흡착공정(20)을 구성하고,
상기 생흡착침전조(22)의 상등수에 함유된 유기물, 고형물, 질소, 인 등의 오염물질을 제거 후 방류하는 생물학적처리조(31)와 최종침전조(32)로 생물학적처리공정(30)을 구성하며,
상기 생흡착침전조(22)에서 분리된 생슬러지가 이동 후 분해되어 유기물을 제거하고 바이오가스(메탄가스)를 생산하는 슬러지혐기소화조(41)로 혐기소화공정(40)을 구성하고,
상기 슬러지혐기소화조(41)에서 혐기소화가 완료되어 배출되는 혐기소화액을 공급받아 수분함량 70~80%까지 탈수하여 탈수케익으로 배출시키는 탈수기(50)를 구성하며,
상기 탈수기(50)에서 발생되는 고농도의 질소와 인이 함유된 혐기소화 탈리액이 이송되어 인은 화학적 응집침전이나 가압부상에 의해 제거하고 암모니아성 질소(NH₄-N)형태로 존재하는 질소는 아질산화반응(호기성 암모니아산화반응)과 아나목스반응(혐기성 암모니아산화반응)을 하여 제거하는 아나목스공정(60)을 구성하고,
상기 아나목스공정(60)의 처리수는 생물학적처리공정(30)으로 반류하는 공정을 통하여, 기존 하·폐수처리장의 질소부하를 저감시키고, 폭기에 소요되는 에너지양을 50%이상 절감하고 슬러지양을 70%이상 저감시키면서, 상기 생흡착에 의해 혐기소화에 의한 바이오가스 에너지생산량을 극대화함에 의해 하수처리장의 에너지자립화율을 증대시키는 것을 특징으로 하는 에너지 절감형 하·폐수 처리시스템.
제 6항에 있어서, 상기 생흡착공정(20)의 생흡착조(21)에는 슬러지가 2,000 mg/L의 농도로 존재하며, 유입수가 유입되면 10~30분간 폭기처리한 후 상등수는 월류되어 생흡착침전조(22)로 이송하도록 구성하고,
상기 생흡착공정(20)의 생흡착침전조(22)에서는 1~3시간정도 침전이 진행되며, 침전된 생슬러지는 생흡착침전조(22) 하부를 통해 배출되어 슬러지혐기소화조(41)로 이송되도록 구성하며,
상기 생흡착침전조(22)의 상등수는 월류되어 주처리공정으로 이송되고, 생흡착조(21)의 슬러지는 배출된 만큼 주처리공정의 최종침전조(32)에서 배출되는 잉여슬러지의 일부를 이송시켜 보충해 주도록 구성하는 것을 특징으로 하는 에너지 절감형 하·폐수 처리시스템.
제 6항에 있어서, 상기 아나목스공정(60)은 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 전환시키는 아질산화반응(호기성 암모니아산화반응)과;
상기 암모니아성 질소와 아질산성 질소를 반응시켜 질소가스로 전환시키는 아나목스반응(혐기성 암모니아산화반응)을 각각 수행하도록 아질산화조(61)와 아나목스조(62)로 2조식 방법으로 구성하여,
상기 아질산화조(61)는 아질산화균(호기성 암모니아산화균)이 우점화될 수 있도록 호기상태를 유지하고, 아나목스조(62)는 아나목스균(혐기성 암모니아산화균)이 우점화되어 활성을 유지할 수 있도록 혐기상태를 유지시켜주도록 구성하는 것을 특징으로 하는 에너지 절감형 하·폐수 처리시스템.
제 6항에 있어서, 상기 아나목스공정(60)은 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 전환시키는 아질산화반응(호기성 암모니아산화반응)과;
상기 암모니아성 질소와 아질산성 질소를 반응시켜 질소가스로 전환시키는 아나목스반응(혐기성 암모니아산화반응)을 하나의 반응조에서 동시에 수행하도록 1조식 방법으로 구성하여,
간헐폭기를 통해 아질산화반응(호기성 암모니아산화반응)과 아나목스반응(혐기성 암모니아산화반응)이 하나의 반응조 내에서 수행되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 에너지 절감형 하·폐수 처리시스템.
제 6항에 있어서, 상기 생흡착공정(20)은 생흡착침전조(22)에서는 1~3시간정도 침전이 진행되며, 침전된 생슬러지는 생흡착침전조(22) 하부를 통해 배출되어 슬러지혐기소화조(41)로 이송되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 에너지 절감형 하·폐수 처리시스템.