KR101537755B1 - 호기성 입상 슬러지를 이용한 매립지 침출수 처리 장치 및 이를 이용한 처리 방법 - Google Patents

호기성 입상 슬러지를 이용한 매립지 침출수 처리 장치 및 이를 이용한 처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 호기성 입상 슬러지를 이용한 매립지 침출수 처리 장치 및 이를 이용한 처리 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 낮은 BOD와 높은 암모니아성 질소를 함유한 매립지 침출수 특징을 고려하여 포기조 및 무산소조를 순차적으로 배열시킨 다음, 양질의 호기성 입상 슬러지를 각각 주입시켜 매립지 침출수를 처리하는 장치 및 이를 이용한 매립지 침출수 처리 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 호기성 입상 슬러지를 이용한 매립지 침출수 처리 장치는 양질의 입상 슬러지를 각각 포기조와 무산소조에 충전시킴으로써 운전 초기부터 안정적으로 매립지 침출수를 처리할 수 있고 이와 동시에 부유 미생물 기반으로 한 종래의 생물학적 수처리 장치 및 방법의 문제점인 벌킹 및 포밍을 해결할 수 있다. 또한 원활한 고액 분리가 가능하여 후처리 공정이 용이하다.

Description

호기성 입상 슬러지를 이용한 매립지 침출수 처리 장치 및 이를 이용한 처리 방법{APPARATUS FOR TREATING LANDFILL LEACHATE USING AEROBIC GRANULAR SLUDGE AND TREATMENT METHOD USING THEREOF}
본 발명은 호기성 입상 슬러지를 이용한 매립지 침출수 처리 장치 및 이를 이용한 처리 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 포기조 및 무산소조에 양질의 호기성 입상 슬러지를 각각 주입시켜 매립지 침출수를 효율적으로 처리하는 장치 및 이를 이용한 매립지 침출수 처리 방법에 관한 것이다.
쓰레기 매립장에서 발생되는 침출수는 매립되는 폐기물의 종류와 매립량, 매립 연한, 매립지형, 매립방법, 강우량, 기후조건, 다짐정도 등에 따라 큰 차이가 있다. 특히 침출수의 발생량은 건기철에 비해 우기철에 최대 200%까지 증가되어 처리시설 용량부족의 원인이 된다.
또한 침출수는 일반 생활하수와는 달리 성상이 매우 다양하고 고농도의 유기물질, 질소 성분 및 무기성염 등을 함유하고 있으며, 매립경과시간에 따라 성상이 다양하게 변하는 특성을 가지고 있다.
매립초기(BOD/CODCr: 0.7~0.8)의 침출수는 대체로 유기물 농도가 높다. 함유된 유기물은 대개 휘발성으로, 주요 구성성분은 유기산, 단백질, 아미노산, 탄수화물 등이며 매립경과시간에 따라 주로 방향족 탄화수소로 구성된 휴믹산이나 펄빅산 등과 같은 난분해성(BOD/CODCr: 0.4)으로 전환된다. 이러한 휴믹 또는 펄빅물질은 유기물의 분해과정에서 생성되는 유기성 착화학물질로 생물학적으로 안정한 유기화합물로 구성되어 있고, 분자량이 800~50,000의 고분자화합물과 침출수의 색을 유발하는 카르복실기 등 각종 기를 함유하고 있다. 반면에 암모니아성 질소 형태로 존재하는 질소는 매립경과시간에 따라 점진적으로 농도가 증가한다. 수도권매립지의 침출수의 경우, 1993년 평균 500mg/L에서 매립시간 경과에 따라 점차 증가하여 2000년에는 평균 2,200mg/L 내외의 고농도를 유지하고 있다. 따라서 급격한 수량변화 및 수질변화를 나타내는 침출수 처리를 위해 매립지에서는 생물학적 처리공정과 화학적 처리공정을 순차적으로 사용하고 있다.
일반적인 침출수 처리공정에서는 침출수를 안정적으로 처리하기 위하여 1단계 혐기성 소화조와 탈질/질산화조로 구성된 생물학적 처리를 거친 후 2단계로 화학응집 및 산화응집공정으로 구성된 화학적 처리를 순차적으로 수행한다. 혐기소화공정에서는 매립초기 침출수의 고농도 난분해성 유기물질을 소화시켜 제거한다. 혐기소화공정은 호기성 처리에 비해 운영비가 저렴하며 잉여슬러지 생성량이 적은 장점을 가진다. 하지만 과도한 유기물의 제거는 질소처리를 병행하는 경우 오히려 탈질에 필요한 유기탄소원의 부족현상을 유발할 수 있다. 탈질/질산화조에서는 소화공정에서 분해된 저분자 유기물과 질소를 제거한다.
우리나라의 경우 탈질/질산화 공정으로 표준 활성 슬러지법이 사용되고 있으며, 대규모의 처리장의 경우에는 연속 흐름식 고도처리 공법이 적용되고 있으며, 중소규모의 경우에는 유입유량의 탄력적인 대응을 목적으로 연속 회분식 반응조(sequencing batch reactor : SBR) 공법이 많이 적용되고 있다. 그러나 부유 미생물을 이용한, 이러한 생물학적 고도 처리 공법은 연속식 흐름 혹은 슬러지 반송 등에 의해 부유 미생물들이 각 조로 계속 이동되기 때문에, 각 조의 조건별 우점화가 어렵고 오염물질의 제거효율성 떨어진다. 또한 유입수의 특성 및 운전방법에 따라 벌킹 및 포밍(foaming)이 빈번히 발생하는 등 고액 분리와 처리 효율상의 여러 문제를 가지고 있다.
이에, 최근 국내에도 이러한 부유 미생물의 단점을 해결하기 위하여 중력침전에 의한 고액 분리를 막분리로 대체하고 반응기내의 미생물 농도를 증가시켜 처리 효율을 향상시키는 침지형 막분리 공정(MBR)이 적용되고 있다. 대한민국 등록특허 제100538126호에서도 침지형 막분리를 이용한 유기오염물질 처리장치 및 그 방법에 대해 개시하고 있으나 침지형 막분리 공정 또한 기존의 막분리 공정과 마찬가지로 막 투과 시간에 따른 막오염현상 발생으로 인한 주기적인 막 교체가 필수적이며 막의 세정을 위해 포기조 내에 과다한 공기를 공급함으로 포기조 내에 필요 이상의 높은 DO농도가 유지되고, 이로 인한 높은 에너지가 소모되는 것이 단점으로 지적되고 있다.
따라서 급격한 수질 및 수량변화에 안정적으로 대처하고 운영비를 절감할 수 있는 컴팩트한 침출수 고도처리공정을 개발하기 위해서는 짧은 수력학적 체류시간으로 운전이 가능한 높은 탈질 및 질산화율 가진 고도처리공정 개발이 필요하다.
대한민국 등록특허 제100538126호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 급격한 수질 및 수량변화에 안정적으로 대처하면서 운영비를 절감할 수 있는 호기성 입상 슬러지를 이용한 매립지 침출수 처리 장치 및 이를 이용한 매립지 침출수 처리 방법을 제공한다.
본 발명은, 외부로부터 유입된 매립지 침출수의 질산화를 수행하는 포기조; 상기 포기조에서 처리되어 유입된 처리수의 탈질 및 유기물 제거를 수행하는 무산소조; 상기 무산소조에서 처리되어 유입된 처리수를 수용하는 처리수조; 및 상기 처리수조에 수용된 처리수를 포기조로 순환시키기 위한 순환펌프가 구비된 내부순환부를 포함하는 호기성 입상 슬러지를 이용한 매립지 침출수 처리 장치로서, 상기 포기조는 내부에 충전된 제 1 호기성 입상슬러지; 상기 제 1 호기성 입상 슬러지에 의해 처리된 처리수를 분리 및 배출하기 위하여 내부 측면에 구비된 디켄터; 및 공기를 공급하기 위하여 하부에 구비된 공기 공급부를 포함하고, 상기 무산소조는 내부에 충전된 제 2 호기성 입상 슬러지; 상기 제 2 호기성 입상 슬러지에 의해 처리된 처리수를 분리 및 배출하기 위하여 내부 측면에 구비된 디켄터; 및 상기 제 2 호기성 입상 슬러지를 교반하기 위하여 상부 또는 하부에 구비된 교반기를 포함하는 것을 특징으로 하는 호기성 입상 슬러지를 이용한 매립지 침출수 처리 장치를 제공한다.
또한 본 발명은, 상기 처리 장치를 이용한 매립지 침출수 처리 방법으로서, 제 1 호기성 입상슬러지가 충전된 포기조로 매립지 침출수를 유입시키는 단계(단계 a); 상기 포기조에서 유입된 침출수를 질산화하여 처리수를 얻는 단계(단계 b); 상기 단계 b에서 질산화된 처리수를 제 2 호기성 입상 슬러지가 충전된 무산소조로 유입시켜 탈질 및 유기물 제거를 수행하고 처리수를 얻는 단계(단계 c); 상기 단계 c에서 탈질 및 유기물 제거가 수행된 처리수를 처리수조로 유입시키는 단계(단계 d); 및 상기 처리수조로 유입된 처리수를 내부순환부에 구비된 순환펌프를 이용하여 상기 포기조로 이송시키는 단계(단계 e)를 포함하는 매립지 침출수 처리 방법을 제공한다.
상기 매립지 침출수 처리 방법은 단계 a ~ e를 반복적으로 수행할 수 있고, 상기 단계 b에서 질산화된 처리수를 무산소조로 최초로 유입시킨 이후에는 단계 b의 질산화 공정과 단계 c의 탈질 및 유기물 제거 공정을 동시에 수행할 수 있다. 또한 상기 매립지 침출수 처리 방법은 무산소조에 탈질 반응에 필요한 탄소원을 보충하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 호기성 입상 슬러지를 이용한 매립지 침출수 처리 장치는 양질의 입상 슬러지를 각각 포기조와 무산소조에 충전시킴으로써 운전 초기부터 안정적으로 매립지 침출수를 처리할 수 있고 이와 동시에 부유 미생물 기반으로 한 종래의 생물학적 수처리 장치 및 방법의 문제점인 벌킹 및 포밍을 해결할 수 있다. 또한 원활한 고액 분리가 가능하여 후처리 공정이 용이하다.
본 발명에 따르면, 상기 포기조와 무산소조에 각각 고농도의 입상 슬러지를 유지시킴으로써 충격부하에 강하고, 매립지 침출수를 처리하는데 필요한 수력학적 체류시간이 짧아 장치의 부피를 최소화할 수 있고 이에 따라 설비 및 유지비용을 절감할 수 있다.
아울러 포기조와 무산소조 각각의 조건에 적합한 미생물로 우점종화된 입상 슬러지를 사용함으로써 매립지 침출수에 포함된 유기물 및 질소 처리 효율을 극대화 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 고농도의 난분해성 유기물 및 암모니아성 질소를 포함한 매립지 침출수의 수질특성을 고려하여 일반적인 질소제거공정인 MLE 공정의 무산소조 - 포기조 구성과 달리, 포기조 무산소조로 구성함으로써 총질소 제거 효율을 극대화시킬 수 있고 반송유량을 최소화할 수 있다.
또한 포기조와 무산소조가 각각 연속회분식으로 운전하기 때문에 입상슬러지의 이동을 최소화하여 포기조와 무산소조에 주입된 호기성 입상슬러지가 각각의 조건에 적합한 미생물로 보다 우점종화됨으로써 매립지 침출수에 포함된 유기물 및 질소 처리효율을 극대화 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 매립지 침출수 처리 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 매립지 침출수 처리 장치 운전시간에 대한 유입수 및 유출수의 질소 농도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 매립지 침출수 처리 장치에서 포기조 및 무산소조의 1 사이클 운전동안 질소 및 COD 농도변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 도면 및 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 구체적 내용을 통해 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명되는 내용에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수 있다. 여기서 소개되는 내용은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 된다.
본 발명은, 외부로부터 유입된 매립지 침출수의 질산화를 수행하는 포기조; 상기 포기조에서 처리되어 유입된 처리수의 탈질 및 유기물 제거를 수행하는 무산소조; 상기 무산소조에서 처리되어 유입된 처리수를 수용하는 처리수조; 및 상기 처리수조에 수용된 처리수를 포기조로 순환시키기 위한 순환펌프가 구비된 내부순환부를 포함하는 호기성 입상 슬러지를 이용한 매립지 침출수 처리 장치로서, 상기 포기조는 내부에 충전된 제 1 호기성 입상슬러지; 상기 제 1 호기성 입상 슬러지에 의해 처리된 처리수를 분리 및 배출하기 위하여 내부 측면에 구비된 디켄터; 및 공기를 공급하기 위하여 하부에 구비된 공기 공급부를 포함하고, 상기 무산소조는 내부에 충전된 제 2 호기성 입상 슬러지; 상기 제 2 호기성 입상 슬러지에 의해 처리된 처리수를 분리 및 배출하기 위하여 내부 측면에 구비된 디켄터; 및 상기 제 2 호기성 입상 슬러지를 교반하기 위하여 상부 또는 하부에 구비된 교반기를 포함하는 것을 특징으로 하는 호기성 입상 슬러지를 이용한 매립지 침출수 처리 장치에 관한 것이다.
보다 구체적으로는, 포기조 및 무산소조를 순차적으로 배열한 연속 회분식 처리장치에 관한 것으로, 낮은 BOD와 높은 암모니아성 질소를 함유한 매립지 침출수 특징을 고려하여 포기조 및 무산소조를 순차적으로 배열시킨 다음, 양질의 호기성 입상슬러지를 각각 주입시킴으로써 매립지 침출수에 함유된 유기물 및 질소 등의 오염물질 처리 효율을 극대화시키고, 수력학적 체류시간을 단축하여 이에 따라 장치 부피를 최소화할 수 있는 매립지 침출수 처리하는 장치에 관한 것이다.
본 명세서에 있어서, ‘반응조’라 함은 각각의 포기조 및 무산소조를 일컫는다. '입상 슬러지(granular sludge)'라 함은 고가의 담체, 회전체 등의 생물막 없이 생물학적, 물리적, 화학적 요인 등에 의해서 활성 슬러지에 함유된 미생물들이 서로 자가 고정화 현상을 나타내며 서로 뭉치면서 입상화된 것을 일컫는다.
이하, 도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 호기성 입상 슬러지를 이용한 매립지 침출수 처리 장치에 대하여 상세히 설명한다.
호기성 입상 슬러지를 이용한 매립지 침출수 처리 장치(100)는 포기조(130), 무산소조(140), 처리수조(150) 및 내부순환부(160)를 포함한다.
포기조(100)는 내부에 충전된 제 1 호기성 입상슬러지(132), 제 1 호기성 입상 슬러지(132)에 의해 처리된 처리수를 분리 및 배출하기 위하여 내부 측면에 구비된 디켄터(131) 및 공기를 공급하기 위하여 하부에 구비된 공기 공급부(133)를 포함한다.
포기조(130)는 외부로부터 유입된 매립지 침출수의 질산화가 수행되도록 호기 상태가 유지된다. 이를 위해 제 1 호기성 입상 슬러지(132)가 충전되고, 공기를 공급하는 공기 공급부(133)가 하부에 장착된다. 또한 상기 호기성 입상슬러지에 의해 처리된 처리수를 분리 및 배출을 위한 디켄터(131)가 장착된다.
제 1 호기성 입상 슬러지(132)는 니트로소모나스(Nitrosomonas), 니트로소코커스(Nitrosococcus), 니트로소스피라(Nitrosospira), 니트로박터(Nitrobacter), 니트로코커스(Nitrococcus), 코마모나스(Comamonas), 아시네토박터(Acinetobacter), 애로박터(Aerobacter), 프로테우스 불가리스(Proteusvulgaris), 플라보박테리움(Flavobacterium), 디스고노모나스(Dysgonomonas), 아크로박터(Achrobacter), 아르스로박터(Arthrobacter), 슈도모나스(Pseudomonas), 바실러스(Bacillus), 주글로에아(Zoogloea) 등과 같은 호기성 또는 통성 혐기성 미생물을 이용하여 제조될 수 있고, 바람직하게는 니트로소모나스(Nitrosomonas), 니트로소코커스(Nitrosococcus) 등과 같은 질산화 미생물을 이용하여 제조될 수 있다.
제 1 호기성 입상 슬러지(100)의 평균 직경은 0.5 ~ 2 mm일 수 있다. 제 1 호기성 입상 슬러지의 평균 직경이 0.5 mm 미만인 경우에는 침강성이 떨어지고 높은 혼합액부유고형물(MLSS)을 유지하기 어렵다. 평균 직경이 2 mm를 초과하는 경우에는 제 1 호기성 입상 슬러지 내부에서의 용존 산소 및 질소 제한으로 인해 호기성 입상 슬러지의 구조가 약화될 수 있다.
제 1 호기성 입상 슬러지(132)를 포기조(130)에 충전시키는 양은 매립지 침출수에 포함된 질소 농도에 따라 포기조의 혼합액부유고형물(MLSS)를 조절하여 충전시킨다. 바람직하게는, 제 1 호기성 입상 슬러지가 충전된 포기조의 혼합액부유고형물(MLSS)의 농도가 2,000 ~ 30,000 mg/L가 되도록 충전시킬 수 있다. 혼합액부유고형물(MLSS)의 농도가 2,000mg/L 미만인 경우에는 질산화 및 유기물 산화가 원활히 이루어지지 않고, 혼합액 부유고형물(MLSS)의 농도가 30,000 mg/L를 초과하는 경우에는 유기물 및 질소 부족으로 인해 제 1 호기성 입상 슬러지 구조가 약화되는 문제점이 있다.
포기조(130)에서의 질산화 반응은 매립지 침출수에 함유된 암모니아성 질소(NH4 +-N)가 제1 호기성 입상 슬러지에 함유된 호기성 미생물[니트로소모나스(Nitrosomonas), 니트로박터(Nitrobacter) 등 호기성 독립 영양 미생물(Aerobic Autotrophic Bacteria)]의 분해 작용에 의해 산성 질소(NO3 --N)로 전환된다. 즉 NH4 +- N은 이를 산화시키는 미생물에 의해 아질산성 질소(NO2 --N)를 거쳐 질산성 질소(NO3 --N)로 된다. 이러한 미생물은 산소로 암모니아를 산화시키며 생장한다. 수중에서 암모니아 이온(NH4 +) 형태로 존재하는 암모니아의 질산화 과정을 식으로 나타내면 다음과 같다.
22NH4 ++ 37O2 + 4CO2 + HCO3 -→ C5H7O2N + 21NO3 -+ 20H2O+ 42H+
한편, 포기조(130)는 상기 제1 호기성 입상 슬러지(132)를 상부로 부상시키고, 호기 상태를 유지하기 위해 공기를 공급하는 공기 공급부(133)가 하부에 장착되어 있다. 공기 공급부(133)는 수처리에 사용되는 공기를 공급시키기 위한 통상적인 부재이면 사용 가능하고, 포기조(130) 하부에서 상부로 공기를 공급시킨다. 또한, 포기조(130)에는 제 1 호기성 입상 슬러지(132)에 의해 처리된 처리수를 분리 및 배출을 위한 디켄터(131)가 장착되어 있다. 디켄터(131)는 연속회분식 반응조에서 처리수의 분리 및 배출을 위하여 사용되는 통상적인 부재이면 제한 없이 적용될 수 있다.
무산소조(140)는 내부에 충전된 제 2 호기성 입상 슬러지(142), 제 2 호기성 입상 슬러지(142)에 의해 처리된 처리수를 분리 및 배출하기 위하여 내부 측면에 구비된 디켄터(141); 및 제 2 호기성 입상 슬러지(142)를 교반하기 위하여 상부 또는 하부에 구비된 교반기(143)를 포함한다.
무산소조(140)는 포기조(130)에서 처리된 처리수의 탈질 및 유기물제거가 수행되도록 무산소 상태가 유지된다. 무산소조(140) 내부에는 제 2 호기성 입상 슬러지(142)가 충전되며, 제 2 호기성 입상 슬러지(142)를 교반시키는 교반기가 장착된다. 또한 제 2 호기성 입상슬러지(142)에 의해 처리된 처리수를 분리 및 배출을 위한 디켄터(141)가 장착된다.
제 2 호기성 입상 슬러지(142)는 마이크로코쿠스(Micrococcus), 아시네토박터(Acinetobacter), 바실러스(Bacillus), 아르스로박터(Arthrobacter), 아크로박터(Achrobacter), 아그로박테리움(Agrobacterium), 슈도모나스(Pseudomonas), 아코모박터(Archomobacter), 크로모박테리움(Chromobacterium), 플라보박테리움(Flavobacterium), 주글로에아(Zoogloea) 등과 같은 호기성 또는 통성 혐기성 미생물을 이용하여 제조될 수 있고, 바람직하게는 마이크로코쿠스(Micrococcus), 슈도모나스(Pseudomonas), 아코모박터(Archomobacter), 바실러스(Bacillus), 아시네토박터(Acinetobacter) 등과 같은 탈질 미생물(또는 탈질 및 유기물 제거 미생물)이 사용될 수 있다. 본 명세서에서 탈질미생물과 탈질 및 유기물 제거 미생물은 동일한 의미로 간주한다.
제 2 호기성 입상 슬러지(142)의 평균 직경은 0.5 ~ 2mm일 수 있다. 제 2 호기성 입상 슬러지(142)의 평균 직경이 0.5mm 미만인 경우에는 침강성이 떨어지고 높은 혼합액 부유고형물(MLSS)를 유지하기 어렵다. 평균 직경이 2mm를 초과하는 경우에는 제 2 호기성 입상 슬러지(142) 내부에서의 유기물 및 질소 제한으로 인해 제 2 호기성 입상 슬러지의 구조가 약화될 수 있다.
무산소조(140)에 충전되는 제 2 호기성 입상 슬러지의 양은 매립지 침출수에 포함된 유기물 및 질소 농도에 따라 무산소조의 혼합액 부유고형물(MLSS)를 조절하여 충전시킨다. 바람직하게는, 제 2 호기성 입상 슬러지가 충전된 무산소조(140)의 혼합액 부유고형물(MLSS)의 농도가 2,000 ~ 30,000mg/L가 되도록 충전시킨다. 2,000mg/L 미만인 경우에는 탈질 및 유기물 제거가 원활히 이루어지지 않고, 혼합액 부유고형물(MLSS)의 농도가 30,000mg/L를 초과하는 경우에는 유기물 부족으로 인해 제 2 호기성 입상 슬러지 구조를 약화시킨다는 문제점이 있다.
무산소조(140)에서는, 포기조(130)에서의 질산화 작용에 의해 생성된 NO2 --N 혹은 NO3 --N을, 탈질 미생물로 우점종화된 제 2 호기성 입상 슬러지(142)에 의해 무해한 질소가스(N2)로 환원시켜 대기 중으로 방출시킨다. 호기성 입상 슬러지에 포함된 탈질 미생물은 질산화 반응의 경우와는 달리, 임의성 종속영양 미생물(facultative heterotrophic bacteria)이다. 탈질 미생물로 우점종화된 제 2 호기성 입상 슬러지(142)의 탈질작용을 활성화시키기 위해서는 산소공급이 없는 무산소(anoxic) 환경과 충분한 유기물의 공급이 절대적으로 필요하다. 대표적인 탈질 미생물로는 마이크로코쿠스(Micrococcus), 슈도모나스(Pseudomonas), 아코모박터(Archomobacter), 바실러스(Bacillus) 등이 있다. 탈질화 반응식은 다음과 같다.
NO3 -+ 1.08CH3OH + H → 0.065C5H7O2N + 0.47N2 + 0.76C02 + 2.44H2O
무산소조(140)는 제 2 호기성 입상 슬러지(142)를 교반하기 위해 무산소조(140) 상부 또는 하부에 교반기(143)가 장착된다. 교반기(143)는 수처리에 사용되는 무산소조(140)를 교반하기 위한 통상적인 부재이면 제한 없이 사용가능하다. 무산소조(140)에는 제 2 호기성 입상슬러지(142)에 의해 처리된 처리수를 분리 및 배출을 위한 디켄터(141)가 장착된다. 디켄터(141)는 연속회분식 반응조에서 처리수를 분리 및 배출을 위하여 사용되는 통상적인 부재이면 제한 없이 사용 가능하다.
처리수조(150)는 무산소조(140)에서 처리된 처리수를 수용한다. 처리수조(150)는 순환펌프(161)가 구비된 내부순환부(160)와 연결된다. 순환펌프(161)는 무산소조(140)에서 처리되어 처리수조(150)로 유입된 처리수를 포기조(130)로 순환시킨다. 무산소조(140)에서 탈질 및 유기물 제거로 인해 알칼리도가 회복된 처리수는 상기 순환펌프를 통해 포기조(130)로 이송되어 질산화 과정에서 부족한 알칼리도를 보충한다.
본 발명에 따른 매립지 침출수 처리장치는 질산화 미생물로 우점종화된 제 1 호기성 입상 슬러지를 포기조에 사용하며, 탈질 미생물(또는 탈질 및 유기물 제거 미생물)로 우점종화된 제 2 호기성 입상 슬러지를 무산소조에서 사용함으로써 매립지 침출수에 포함된 유기물 및 질소 처리효율을 극대화할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 매립지 침출수 처리 장치를 이용한 매립지 침출수 처리 방법을 제공한다.
구체적으로, 상기 처리 장치를 이용한 매립지 침출수 처리 방법으로서, 제 1 호기성 입상슬러지가 충전된 포기조로 매립지 침출수를 유입시키는 단계(단계 a); 상기 포기조에서 유입된 침출수를 질산화하여 처리수를 얻는 단계(단계 b); 상기 단계 b에서 질산화된 처리수를 제 2 호기성 입상 슬러지가 충전된 무산소조로 유입시켜 탈질 및 유기물 제거를 수행하고 처리수를 얻는 단계(단계 c); 상기 단계 c에서 탈질 및 유기물 제거가 수행된 처리수를 처리수조로 유입시키는 단계(단계 d); 및 상기 처리수조로 유입된 처리수를 내부순환부에 구비된 순환펌프를 이용하여 상기 포기조로 이송시키는 단계(단계 e)를 포함하는 매립지 침출수 처리 방법을 제공한다.
상기 매립지 침출수 처리 방법은 단계 a ~ e를 반복적으로 수행할 수 있고, 상기 단계 b에서 질산화된 처리수를 무산소조로 최초로 유입시킨 이후에는 단계 b의 질산화 공정과 단계 c의 탈질 및 유기물 제거 공정을 동시에 수행할 수 있다. 또한 상기 매립지 침출수 처리 방법은 무산소조에 탈질 반응에 필요한 탄소원을 보충하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 단계 b는 0.1 ~ 1 m3(공기)/m3(반응조 부피)/min 의 공기를 공급하는 공정을 더 포함할 수 있다. 더욱 바람직하게는 0.5 m3(공기)/m3(반응조 부피)/min의 공기를 공급하는 공정일 수 있다. 0.1 m3(공기)/m3(반응조 부피)/min 미만으로 공기를 공급하는 경우 호기성 입상 슬러지 표면에서의 전단력 부족으로 인해 입상 슬러지 구조가 약화되고, 1 m3(공기)/m3(반응조 부피)/min 초과 시에는 높은 에너지 소모에 따른 운전비용 증가 문제가 발생될 수 있다.
상기 제 1 호기성 입상 슬러지 및 제 2 입상 슬러지는 호기성 미생물 및 통성 혐기성 미생물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 제 1 호기성 입상 슬러지 및 제 2 입상 슬러지는 평균 직경이 0.5 ~ 2 mm일 수 있다.상기 제 1 호기성 입상 슬러지 및 제 2 입상 슬러지는 2,000 ~ 30,000 mg/L로 충전될 수 있다. 제 1 호기성 입상 슬러지 및 제 2 입상 슬러지에 관한 내용은 상기 매립지 침출수 처리 장치에서 설명한 내용과 동일한 바, 여기서는 생략한다.
상기 매립지 침출수 처리 장치를 이용한 매립지 침출수 처리 방법에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저 매립지 침출수를 제 1 호기성 입상 슬러지가 충전된 포기조로 유입시킨다. 포기조에서 제 1 입상 슬러지를 이용하여 질산화를 수행한다. 이 때 포기조에는 공기를 공급하여 호기 상태를 유지시킨다. 질산화가 수행되면 호기성 입상 슬러지와 처리수가 분리되도록 포기를 멈추고, 일정 시간 경과 후에 호기성 입상 슬러지가 포기조 바닥에 가라앉으면 디켄터를 이용하여 분리된 처리수를 무산소조로 유입시킨다. 질산화가 수행된 처리수를 무산소조로 유입시킨 다음 포기조에 다시 매립지 침출수를 유입시킨다. 포기조에서는 제 1 입상 슬러지를 이용하여 질산화를 수행하고 동시에 무산소조에서는 제 2 호기성 입상 슬러지를 이용하여 탈질 및 유기물 제거를 수행한다. 포기조에는 상기에서 설명한 것과 같이 공기를 공급하여 호기 상태를 유지시키고 무산소조에는 교반기를 이용하여 교반 상태를 유지시킨다. 포기조에서 질산화가 수행되고 무산소조에서 탈질 및 유기물 제거가 수행되면 호기성 슬러지와 처리수가 분리되도록 포기 및 교반을 멈추고 호기성 입상 슬러지가 반응조 바닥에 가라앉도록 일정 시간을 경과시킨다. 이후 무산소조에서 디켄터을 이용하여 분리된 처리수를 처리수조로 이송시킨 다음 포기조에서 디켄터를 이용하여 분리된 처리수를 무산소조로 이송시킨다. 이후 무산소조에는 탈질과정에 필요한 탄소원을 보충한다. 무산소조에서 탈질 및 유기물 제거 공정에 의해 알칼리도가 회복되어, 처리수조로 이송된 처리수 중 일부는, 질산화 과정 중 부족해진 알칼리도를 보충하기 위하여, 순환펌프를 이용하여 포기조로 이송시키고, 처리수조에 수용된 나머지 처리수는 배출시킨다. 전술한 단계를 반복 수행한다.
본 발명의 매립지 침출수 처리방법은 장치 내에서 호기성 입상 슬러지를 생성시킨 다음 상기 생성된 호기성 입상 슬러지를 이용하여 매립지 침출수를 처리하는 것이 아니라, 양질의 호기성 입상 슬러지로 제조된 입상 슬러지를 각각의 반응조 내에 주입함으로써 운전 초기부터 안정적으로 매립지 침출수를 처리함과 동시에 부유 미생물을 기반으로 한 종래의 생물학적 수처리 장치 및 방법의 문제점인 벌킹 및 포밍(foaming)을 해결할 수 있다.
또한 본 발명의 매립지 침출수 처리방법은 고농도의 난분해성 유기물 및 암모니아성 질소를 포함한 매립지 침출수의 수질특성을 고려하여 일반적인 질소제거공정인 MLE 공정의 무산소조 - 포기조 구성과 달리 포기조 무산소조로 구성함으로써, 포기조에 유입된 매립지 침출수에 포함한 암모니아성 질소가 제1 호기성 입상슬러지에 의해 질산성 질소로 모두 산화되고, 무산소조에서 질산성 질소가 제2 호기성 입상슬러지에 의해 모두 질소가스로 환원되기 때문에 총 질소 제거효율을 극대화할 수 있다.
본 발명의 매립지 침출수 처리방법은 기존 MLE공정과 달리 탈질을 위한 포기조에서 무산소조로의 내부반송과 무산소조 및 포기조 내 일정한 MLSS(혼합액 부유고형물)을 유지를 위한 외부반송이 없으며, 알칼리도를 보충하기 위한 처리수조에서 포기조로의 내부반송만 있기 때문에 반송유량을 최소화할 수 있다.
아울러 포기조와 무산소조가 각각 연속회분식으로 운전함으로써 입상슬러지의 이동을 최소화하여 포기조와 무산소조에 주입된 호기성 입상슬러지가 각각의 조건에 적합한 미생물로 보다 우점종화됨으로써 매립지 침출수에 포함된 유기물 및 질소 처리효율을 극대화 할 수 있다.
< 시험예 >
호기성 입상 슬러지를 이용한 침출수 처리 장치의 처리 효율 평가
본 발명의 일 실시예에 따라 매립지 침출수 처리장치(도 1 참조)를 제작하여, 운전시간에 따른 암모니아성 질소 제거효율을 측정하였다. 상기 매립지 침출수 처리장치의 부피는 총 10L (포기조 : 5L, 무산소조 : 5L)로 제작하였고, 제 1 호기성 입상슬러지는 입상 슬러지 생산시스템에서 니트로소모나스(Nitrosomonas) 및 니트로소코커스(Nitrosococcus) 미생물이 함유된 활성슬러지(MLVSS : 25mg/L, 용인하수처리장 제공)을 기반으로 0.5mm 의 직경으로 제조하였다. 또한 제 2 호기성 입상 슬러지는 입상 슬러지 생산시스템에서 아시네토박터(Acinetobacter) 미생물이 함유된 활성 슬러지(MLVSS : 2500 mg/L, 용인하수처리장) 5L을 기반으로 0.5 mm 직경으로 제조하였다. 제 1 호기성 입상슬러지는 혼합액 부유고형물(MLSS) 농도가 10,000 mg/L이 되도록 포기조에 주입하였으며, 제 2 호기성 입상슬러지는 혼합액 부유고형물(MLSS) 농도가 10,000 mg/L이 되도록 무산소조에 주입하였다.
상기와 같이 제작된 매립지 침출수 처리 장치의 운전방식은 ①포기조에 침출수 유입 - ②포기조에 공기 공급 - ③침전 - ④무산소조로 처리수 유입 - ⑤포기조에 침출수 유입 - ⑥포기조 공기 공급 및 무산소조 교반 - ⑦침전 - ⑧무산소조의 처리수 유출(처리수조로 유입) - ⑨포기조의 처리수 유출(무산소조로 유입) - ⑩무산소조에 메탄올 유입 중 ⑤ ~ ⑩ 과정을 1 사이클로 설정하였다. 포기조 내로 공기 주입량은 3L/min으로 조정하였고, 1 사이클 내 운전시간은 4시간으로 설정하였다. 질산성 질소농도에 따라 외부 탄소원으로 메탄올(C/N = 6)을 주입하였다. 1사이클 내 포기조로 유입되는 침출수량은 포기조 부피(5L)의 10%인 0.5 L이다. 질산화 과정에서 부족한 알칼리도를 보충하기 위해 처리수를 포기조로 유입수(0.5 L/cycle) 대비 (1.5 L/cycle)로 반송하고 나머지 처리수(0.5 L/cycle)는 배출하는 방식으로 매립지 침출수를 처리하였다.
상기와 같은 매립지 침출수 처리 장치를 이용하여 실폐수를 처리한 결과를 도 2에 나타내었다. 암모니아성 질소 유입 부하량 (0.5~1.0 kg N/m3/d) 변화에 따른 질소제거효율은 99%이었다.
또한 상기 매립지 침출수 처리 장치의 1 사이클 운전 동안 포기조와 무산소조 내에서 질소 농도 변화를 도 3에 나타내었다. 포기조에서는 COD 농도는 거의 변화가 없었으며, 이는 매립지 침출수에 포함된 유기물이 난분해성 유기물로 생물학적 처리가 불가능함을 나타낸다. 암모니아성 질소는 4시간 동안 약 99%이상 질산성 질소로 산화되었다. 이때 유입수 내 질산화에 필요한 알칼리도만 충분하면 높은 질산화 효율을 기대할 수 있다. 포기조에서의 질산화속도보다 무산소조에서의 탈질속도가 높았으며 매립지 침출수 처리 장치에서 질소 제거량(kg/m3/d)을 결정하는 것은 질산화 속도임을 알 수 있다. 무산소조에서는 외부 탄소원으로 주입된 메탄올(C/N = 6)이 99% 이상 제거되었으며, 포기조에서 생성된 질산성 질소가 4시간 동안 99% 이상 질소가스로 환원되었다. 고농도의 메탄올를 무산소조에 주입하였지만 안정적으로 COD 및 질산성 질소가 제거됨에 따라 고농도 메탄올에 대한 활성저해가 발생하지 않는 것으로 사료된다.
본 발명에 따른 침출수 처리 장치를 이용하는 경우, 매립지 침출수를 안정적으로 처리하는데 필요한 수력학적 체류시간은 3.34일(1.67일 질산화, 1.67일 탈질)로 현재 수도권 매립지에서 운전 중인 침출수 처리공정(수력학적 체류시간: 5.8일 질산화, 2.3일 탈질) 보다 약 2.5 배나 빠른 결과를 나타내었다.
이상으로 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 특징을 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상기에서 개시된 내용들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되야 하고, 상기에서 개시된 구체적 내용에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다.
100: 매립지 침출수 처리 장치
110: 유량 조정조
120: 유입 펌프
130: 포기조 131: 디켄터
132: 제 1 호기성 입상 슬러지 133:공기 공급부
140: 무산소조 141: 디켄터 142: 제 2 호기성 입상 슬러지
143: 교반기 144: 외부 탄소원 주입펌프
150: 처리수조
160: 내부순환부 161: 순환펌프

Claims (14)

  1. 외부로부터 유입된 매립지 침출수의 질산화를 수행하는 포기조;
    상기 포기조에서 처리되어 유입된 처리수의 탈질 및 유기물 제거를 수행하는 무산소조;
    상기 무산소조에서 처리되어 유입된 처리수를 수용하는 처리수조; 및
    상기 처리수조에 수용된 처리수를 상기 포기조로 순환시키기 위한 순환펌프가 구비된 내부순환부를 포함하는 호기성 입상 슬러지를 이용한 매립지 침출수 처리 장치로서,
    상기 포기조는,
    내부에 충전된 제 1 호기성 입상슬러지;
    상기 제 1 호기성 입상 슬러지에 의해 처리된 처리수를 분리 및 배출하기 위하여 내부 측면에 구비된 디켄터; 및
    공기를 공급하기 위하여 하부에 구비된 공기 공급부를 포함하고,
    상기 무산소조는,
    내부에 충전된 제 2 호기성 입상 슬러지;
    상기 제 2 호기성 입상 슬러지에 의해 처리된 처리수를 분리 및 배출하기 위하여 내부 측면에 구비된 디켄터; 및
    상기 제 2 호기성 입상 슬러지를 교반하기 위하여 상부 또는 하부에 구비된 교반기를 포함하는 것을 특징으로 하는 호기성 입상 슬러지를 이용한 매립지 침출수 처리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 호기성 입상 슬러지 및 제 2 입상 슬러지는 호기성 미생물 및 통성 혐기성 미생물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 호기성 입상 슬러지를 이용한 매립지 침출수 처리 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 호기성 입상 슬러지에 포함되는 미생물은 니트로소모나스(Nitrosomonas), 니트로소코커스(Nitrosococcus), 니트로소스피라(Nitrosospira), 니트로박터(Nitrobacter), 니트로코커스(Nitrococcus), 코마모나스(Comamonas), 아시네토박터(Acinetobacter), 애로박터(Aerobacter), 프로테우스 불가리스(Proteusvulgaris), 플라보박테리움(Flavobacterium), 디스고노모나스(Dysgonomonas), 아크로박터(Achrobacter), 아르스로박터(Arthrobacter), 슈도모나스(Pseudomonas), 바실러스(Bacillus) 및 주글로에아(Zoogloea)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 호기성 입상 슬러지를 이용한 매립지 침출수 처리 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 2 호기성 입상 슬러지에 포함되는 미생물은 마이크로코쿠스(Micrococcus), 아시네토박터(Acinetobacter), 바실러스(Bacillus), 아르스로박터(Arthrobacter), 아크로박터(Achrobacter), 아그로박테리움(Agrobacterium), 슈도모나스(Pseudomonas), 아코모박터(Archomobacter), 크로모박테리움(Chromobacterium), 플라보박테리움(Flavobacterium) 및 주글로에아(Zoogloea)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 호기성 입상 슬러지를 이용한 매립지 침출수 처리 장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 호기성 입상 슬러지에 포함되는 미생물은 질산화 미생물인 것을 특징으로 하는 호기성 입상 슬러지를 이용한 매립지 침출수 처리 장치.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 2 호기성 입상 슬러지에 포함되는 미생물은 탈질 미생물인 것을 특징으로 하는 호기성 입상 슬러지를 이용한 매립지 침출수 처리 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 호기성 입상 슬러지 및 제 2 입상 슬러지는 평균 직경이 0.5 ~ 2 mm인 것을 특징으로 하는 호기성 입상 슬러지를 이용한 매립지 침출수 처리 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 호기성 입상 슬러지 및 제 2 입상 슬러지는 2,000 ~ 30,000 mg/L로 충전되는 것을 특징으로 하는 호기성 입상 슬러지를 이용한 매립지 침출수 처리 장치.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항의 처리 장치를 이용한 매립지 침출수 처리 방법으로서,
    제 1 호기성 입상슬러지가 충전된 포기조로 매립지 침출수를 유입시키는 단계(단계 a);
    상기 포기조에서 유입된 침출수를 질산화하여 처리수를 얻는 단계(단계 b);
    상기 단계 b에서 질산화된 처리수를 제 2 호기성 입상 슬러지가 충전된 무산소조로 유입시켜 탈질 및 유기물 제거를 수행하고 처리수를 얻는 단계(단계 c);
    상기 단계 c에서 탈질 및 유기물 제거가 수행된 처리수를 처리수조로 유입시키는 단계(단계 d); 및
    상기 처리수조로 유입된 처리수를 내부순환부에 구비된 순환펌프를 이용하여 상기 포기조로 이송시키는 단계(단계 e)를 포함하는 매립지 침출수 처리 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 단계 a ~ e를 반복적으로 수행하는 매립지 침출수 처리 방법으로서,
    상기 단계 b에서 질산화된 처리수를 무산소조로 최초로 유입시킨 이후에는 단계 b의 질산화 공정과 단계 c의 탈질 및 유기물 제거 공정을 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 매립지 침출수 처리 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 단계 b는 0.1~1 m3(공기)/m3(반응조 부피)/min의 공기를 공급하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 매립지 침출수 처리 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 1 호기성 입상 슬러지 및 제 2 입상 슬러지는 호기성 미생물 및 통성 혐기성 미생물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 매립지 침출수 처리 방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 1 호기성 입상 슬러지 및 제 2 입상 슬러지는 평균 직경이 0.5 ~ 2 mm인 것을 특징으로 하는 매립지 침출수 처리 방법.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 1 호기성 입상 슬러지 및 제 2 입상 슬러지는 2,000 ~ 30,000 mg/L로 충전되는 것을 특징으로 하는 매립지 침출수 처리 방법.
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