KR19990068630A

KR19990068630A - 고정생물막공법을이용한영양염제거장치.

Info

Publication number: KR19990068630A
Application number: KR1019990021043A
Authority: KR
Inventors: 이종현; 김영오; 김영규; 남해욱; 왕성환; 류정우
Original assignee: 박태주; 조종진
Priority date: 1999-06-02
Filing date: 1999-06-02
Publication date: 1999-09-06
Also published as: KR100346303B1

Abstract

본 발명은 폐수 처리장치에 관한 것으로서, 생물막이 형성된 미생물 담체를 이용하여 폐수내의 인 성분 및 암모니아성 질소를 제거할 수 있는 고정 생물막 공법을 이용한 영양염 제거장치를 제공하기 위한 것이다. 이러한 본 발명의 장치는 혐기성 반응조와 무산소 반응조 및 호기성 반응조로 구성되며, 상기 각 반응조에는 SAC 매체를 약 15%씩 충진하여 구성된 것이다.

Description

고정 생물막 공법을 이용한 영양염 제거장치.{NUTRIENT REMOVAL PROCESS FOR FIXED BIOFILM}

본 발명은 폐수 처리장치에 관한 것으로서, 특히 생물막이 형성된 미생물 담체를 이용하여 폐수내의 인 성분 및 암모니아성 질소를 제거할 수 있는 고정 생물막 공법을 이용한 영양염 제거장치에 관한 것이다.

오늘날, 산업전반에 걸쳐 버려지는 폐수는 배출 규제가 엄격히 규제됨과 동시에 질소와 인이 배출규제 항목으로 포함되고 있는 실정이며, 또한 하수처리장치에서 질소와 인의 제거 공정개발이 점차 중요한 문제로 인식되고 있다.

한편, 종래의 하수처리장은 대부분이 활성슬러지 공정을 채택하고 있으며, 상기 활성슬러지 공정은 이미 널리 공지된 기술이기 때문에 상세한 설명은 생략하기로 한다. 부가적으로 이러한 활성슬러지 공정은 "도서출판 동화기술에서 1995년 1월 5일 발행한 폐수처리공학의 459면"에 상세히 기술되어 있다.

하지만, 상기와 같은 활성슬러지 공정은 유기물질과 질소 및 인의 동시제거에는 한계가 있을 뿐만 아니라 특히, 동절기 수온 저하시 질산화 효율이 급격히 감소하는 문제점을 가지고 있다.

따라서, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 농축 슬러지의 반송 없이도 매우 높은 농도의 박테리아에 의해 운전이 가능한 고정 생물막 공법을 이용한 영양염 제거장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 생물막이 형성된 미생물 담체를 이용하여 폐수내의 인 성분 및 암모니아성 질소를 제거할 수 있는 고정 생물막 공법을 이용한 영양염 제거장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 오염물질의 농도가 예측할 수 없을 정도로 갑작스럽게 상승한다 하더라도 보다 안정된 폐수 처리공정을 유지할 수 있도록 구성한 고정 생물막 공법을 이용한 영양염 제거장치를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 제1견제에 따른 본 발명은, 생물막이 형성된 미생물 담체가 충진되며, 폐수내의 인 성분을 제거하기 위한 첫 단계로써 인의 방출을 목적으로 하는 혐기성 반응조와; 생물막이 형성된 미생물 담체가 충진되며, 하단면에 산소를 공급해 주는 공기 분산기가 설치되며, 상기 폐수내의 유기물질을 CO₂와 H₂0로 최종 산화시키며, 상기 폐수내의 암모니아성 질소성분을 질산성 질소로 산화시키고 미생물에 의해 인의 섭취가 일어나는 적어도 1개 이상의 호기성 반응조와; 생물막이 형성된 미생물 담체가 충진되며, 상기 혐기성 반응조와 호기성 반응조 사이에 설치되며, 상기 호기성 반응조로부터 반송되는 질산성 질소를 질소가스로 환원시켜 가스상태로 배출하는 적어도 1개 이상의 무산소 반응조로 구성된 고정생물막 공법을 이용한 영양염 제거장치를 구현하였다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 고정 생물막 공법을 이용한 영양염 제거장치의 구성을 나타낸 개략도.

도 2는 상기 영양염 제거장치의 구성을 도시한 평면도.

도 3은 본 발명에 따른 영양염 제거장치에서 미생물 담체를 담을 수 있는 지지대의 외형을 나타낸 사시도.

도 4는 본 발명의 영양염 제거장치에서 미생물 담체의 형상을 나타낸 사시도.

도 5는 본 발명에 따른 영양염 제거장치의 COD 평균 제거 효율을 나타낸 그래프.

도 6은 본 발명에 따른 영양염 제거장치의 NH₄ ⁺-N 평균 제거 효율을 나타낸 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 혐기성 반응조 12: 1차 무산소 반응조

14: 2차 무산소 반응조 16: 1차 호기성 반응조

18: 2차 호기성 반응조 20: 지지대

22: 교반기 24: 공기 분산기

25: 내부반송 40: 미생물 담체

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시예에 따른 고정 생물막 공법을 이용한 영양염 제거장치의 일예는 도 1,2에 도시한 바와 같다. 상기 도면을 참조하면, 혐기성 반응조(10)는 유입구(100)를 통해 들어오는 유입수(이하 "폐수"라 함) 내의 인 성분을 제거하기 위한 첫 단계로써 인의 방출을 목적으로 하며, 이때 상기 혐기성 반응조(10)의 인 방출이 크면 후술하는 호기성 반응조(16,18)에서의 인 섭취가 커지고 이에 따라 폐수내의 인 제거기능이 향상된다.

무산소 반응조는 적어도 1개 이상 설치되며, 바람직하게는 1차 무산소 반응조(12)와 2차 무산소 반응조(14)로 나뉘어 설치된다. 상기 1차 무산소 반응조(12)는 후술하는 2차 호기성 반응조(18)로부터 반송되는 질산성 질소를 질소가스로 환원시켜 가스 상태로 방출시키는 역할을 하며, 이러한 반응을 통상 탈질화라 한다. 이때 상기 1차 무산소 반응조(12)와 2차 호기성 반응조(18)는 내부반송(25)에 의해 서로 연결되며, 상기 내부반송(25)은 질산성 질소의 반송을 목적으로 한다. 상기 2차 무산소 반응조(14)는 1차 무산소 반응조(12)와 동일한 기능을 하며, 상기 1차 무산소 반응조(12)에서 탈질이 충분히 일어나지 않을 경우에 2차적으로 탈질을 유도하는 역할을 한다.

한편, 이러한 혐기성 반응조(10)와 1차 무산소 반응조(12) 및 2차 무산소 반응조(14)의 내부에는 교반기(22)가 설치되며, 상기 교반기(22)는 각 반응조에 유입되는 폐수가 부착된 미생물 담체(40)와 고르게 혼합되도록 하는 역할을 한다.

그리고, 1차 호기성 반응조(16)는 내부 바닥면에 산소를 공급해 주는 다수개의 공기 분산기(24)가 설치되며, 폐수 내의 유기물질을 CO₂와 H₂O로 최종 산화시키는 역할을 하고, 또한 폐수 내에 잔존하는 암모니아성 질소(NH₃-N)를 아질산성 질소(NO₂-N)와 질산성 질소(NO₃-N)로 산화시키며, 미생물에 의해 인의 섭취가 일어나는 장소이다.

2차 호기성 반응조(18)는 내부 바닥면에 산소를 공급해 주는 다수개의 공기분산기(24)가 설치되며, 상기 1차 호기성 반응조(16)와 동일한 역할을 한다. 즉, 유기물 산화, 질산화 및 탈인이 1차 호기성 반응조(16)에서 충분히 일어나지 않을 때 2차적으로 유기물 산화, 질산화 및 탈인을 유도하는 역할을 한다.

한편, 상기 혐기성 반응조(10)와 1,2차 무산소 반응조(12,14) 및 1,2차 호기성 반응조(16,18)에는 생물막이 형성되어 있는 미생물 담체(40)(이하 "SAC 여재"라 함)가 무작위로 충진되어 있는 지지대(20)가 일정 간격을 유지하면서 규칙적으로 설치되어 있다. 여기서 상기 지지대(20)는 도 3에 도시한 바와 같이 위로는 투입구(20a)를 가지고 철사 등으로 그물망을 이루면서 형성되어 있으며, 상기 SAC 여재(40)는 도 4에 도시한 바와 같이 원형단면 형태의 로드 타입으로 형성되어 있다. 부가적으로 이러한 SAC 여재(40)의 조성물 및 제조방법은 본 발명의 출원인이 출원하여 공개된 국내 특허공개공보 제 97-15732 호(명칭: 수질·대기오염물질 생물학적 처리용 합성활성세라믹 미생물 담체 및 그 제조공정)에 상세히 기술되어 있다.

또 한편으로는, 상기 각 반응조 사이에는, 상세하게는 혐기성 반응조(10)와, 1,2차 무산성 반응조(12,14) 및 1,2차 호기성 반응조(16,18) 사이에는 벽체가 있으며, 이 벽체에는 폐수의 흐름이 상/하 교대로 일어나도록 구멍(38a,38b,38c,38d)이 지그재그 형상으로 형성되어 있다.

끝으로, 상기와 같은 구성을 가지는 폐수 처리장치는 1개의 혐기성 반응조와 각각 2개의 무산소 반응조 및 호기성 반응조로 구성되며, 이때 상기 혐기성 반응조는 7.5L의 부피를 가지고 상기 무산소 반응조와 호기성 반응조는 각각 15L의 부피를 가지도록 설계된다. 여기서 상기 무산소 반응조와 호기성 반응조를 1개씩 줄일경우, 혐기성 반응조의 부피도 3.75L로 줄여야 최적 상태의 폐수처리 조건이 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 최상의 실시예에 의거 상세히 설명하겠는 바, 상기 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

우선, 각 실시예를 설명하기에 앞서, 하기에서는 본 발명에 따른 영양염 제거장치의 최적상태의 구성 및 운전 방법을 도 1을 참조하여 설명한다.

상기 제거장치는 7.5L의 부피를 가진 5개의 반응조로 구성하며, 상기 혐기성 반응조(10)는 1개, 무산소 반응조(12,14)와 호기성 반응조(16,18)는 각각 2개씩 15L로 동일하게 설치하였다. 상기 각 반응조(10,12,14,16,18)의 내부에는 SAC 매체(40)를 반응조의 용적을 기준으로 각각 15%의 부피비로 지지대(20)에 충진하였다. 상기 1,2차 호기성 반응조(16,18)의 바닥면에는 공기 분산기(24)들을 설치하고, 상기 공기 분산기(24)들을 통해 배출되는 공기량을 측정할 수 있는 공기 유량계(air flowmeter)를 상기 호기성 반응조(16,18)의 측면에 부착하였다.

그리고, 폐수는 혐기성 반응조(10)의 하부로부터 일정한 양으로 공급될 수 있도록 하였으며, 유입되는 폐수의 농도를 일정하게 유지하기 위하여 저류조를 통하여 공급될 수 있도록 하였다. 또한 SAC 매체(40)의 크기는 2.2∼3.5mm로 작은 과립 모양(granular type)이며, 이러한 SAC 매체(40)는 그물망으로 형성된 지지대(20)의 충진하여 하부로 유출되지 않도록 하였다.

한편, 이러한 최적상태로 구성된 폐수 처리장치의 운전방법은, 우선 혐기성 반응조(10)의 온도롤 20℃로 유지시킨 다음, 하수처리장의 소화조 슬러지를 60 매시의 체에 걸러 상기 혐기성 반응조(10)에 가득 채우고 서시히 교반시키면서 pH의 변화를 관찰하여 3∼4일 간격으로 일정량의 슬러지를 빼낸 후, 새로운 슬러지를 보충시켰다. 이러한 과정을 20일 동안 계속해서 반복하였다.

1,2차 무산소 반응조(12,14)와 1,2차 호기성 반응조(16,18)는 하수처리장의 반송슬러지를 체에 걸러 상기 반응조(12∼18)내 MLSS 농도를 3000㎎/l로 하여 계속 폭기 시키면서 유입 합성하수를 COD 50㎎/l의 저농도로부터 서시히 증가시키면서 약 20일 동안 운전하여 미생물 부착을 확인하였다.

여기서, 각 반응조(10∼18)내 온도별 제거특성 실험은 20℃에서 운전을 시작하여 5℃까지 낮추어 운전되었고, 유출수의 COD 농도와 NH₄ ⁺-N 농도가 일정할 때를 정상 상태로 정하였다. 운전시 20∼5℃까지 각 실험 범위에서 갑작스러운 온도변화를 줄이기 위하여 약 2∼3일 간격으로 1℃씩 강하시켜 운전온도에 적응시켰다.

[실시예 1]

유입 합성하수의 COD 농도가 200mg/l일 때 수온이 20℃에서 5℃로 감소됨에 따라 유기물질 제거효율은 97.7∼89.2%의 제거율 변화를 나타내었다. 수온이 5℃이하를 제외하고는 90% 이상의 높은 제거율을 나타내고 있어 온도변화에 영향이 적음을 보여주었다. 이러한 실시예 1의 결과는 도 5의 그래프에 상세히 도시하였다.

[실시예 2]

질산화 미생물의 분율과 최대 비질산화율은 회분식 흡착실험을 합성하수로 적용하여 실험한 결과 20℃와 HRT 6hr 조건에서 유입되는 암모니아 용적 부하율이 0.05∼0.61㎏ NH₄ ⁺-N/m³/day의 범위에서 용적당 질산화율은 0.05∼0.21kg NH₄ ⁺-N/m³/day 였으며, 98.3∼22.4%의 제거 효율을 얻었다. 이때 최대 질산화율은 0.21㎏ NH₄ ⁺-N/m³/day로 나타났다. 반응조내의 미생물 량은 7000㎎ VSS/L이고 단위 매체당 부착 미생물량을 조사한 결과 13.6㎎ VAS/ｇ media로 나타났으며, 질산화 미생물 분율이 2.9%로 나타났다.

[실시예 3]

수온이 20℃에서 5℃로 감소함에 따른 합성하수를 이용하였을 때 NH₄ ⁺-N 농도가 평균 20mg/l로 유입되어 98.2∼49.1%를 나타내었고, 겨울철 수온인 10℃ 조건에서는 72.5%를 나타내었다. 알칼리의 소모량도 수온이 20℃ 조건에서 5.23g CaC0₃/㎎ NH₄ ⁺-N으로 이론적인 값보다 낮게 나타났다. 총질소 제거효율 또한 76.2∼45.3%을 나타내었다. 유입 C/N비 증가에 따라 20℃와 15℃에서는 각각 7.5%와 8.7%가 향상되었지만, 10℃ 이하의 저온에서는 질산화가 총질소 제거의 영향인자로 작용하여 C/N비의 영향이 크지 않았다.

[실시예 4]

수온이 20℃에서 5℃로 감소함에 따른 하수처리장 원하수를 적용하였을 때 유기물질 제거효율은 90.0∼81.2%의 제거율 변화를 나타내었다. 부산시 'S' 하수처리장에 적용된 활성슬러지 공법에서 평균 수온이 10℃인 1,2월에 평균 제거율이 77.9%인데 비해 본 발명을 적용하였을 때 수온이 5℃를 제외하고는 85% 이상의 제거율을 보이고 있어 본 발명이 유리함을 보여주고 있다. NH₄ ⁺-N 농도가 21.8∼48.7㎎/l로 비교적 큰 변화 폭을 가지고 유입되어 97.9∼48.3%의 NH₄ ⁺-N 제거율 변화를 나타내었다. 총질소 제거는 20℃에서는 73.3%로 나타났지만, 10℃와 5℃에서는 각각 40.9%와 36.3%의 총질소 제거효율을 보여주고 있다. 이러한 실시예 4의 결과는 도 6의 그래프에 상세히 도시하였다.

이상으로 살펴본 바와 같이, 본 발명은 우수한 질소 제거효율을 구현할 수 있어 유지관리가 용이하고 처리수의 중수도 및 공업용수로의 재이용이 가능할 뿐만 아니라 수자원 부족난을 해소하는데 이용될 수 있다. 또한 낮은 유기물 부하에 따른 폭기조 미생물량 유지문제 뿐만 아니라 겨울철 수온저하로 인한 처리율 저하 문제를 해결할 수 있는 장점을 가지고 있다.

하기에서 이러한 장점들을 구체적으로 나열하면 다음과 같다.

첫 번째로, 안정된 생태계에서의 생물막에 고정된 긴 SRT(미생물 체류시간)를 가지므로 잉여 슬러지 발생량이 작으며, 종래의 활성슬러지 방법과 비교했을 때 생물막에서는 호기성, 통기성, 혐기성 박테리아등 보다 많은 종류의 미생물이 서식하고 있으므로 다양한 오염물질을 제거할 수 있는 효과가 있다.

두 번째로, SAC 매체(미생물 담체)에는 많은 량의 미생물이 서식하고 있기 때문에 폐수 처리에 이용할 수 있는 표면적이 많아 폐수처리 공정의 단위 부피당 처리용량은 활성슬러지 공정에 비하여 월등히 큰 이점이 있다.

세 번째로, 생물막에는 Paramecium과 같은 Protozoa와 Rotifer, Nematode와 Dophnia 등 상위 단계의 미생물이 서식하고 있어 생물막내의 먹이 사슬이 활성슬러지 공정의 먹이 사슬보다 훨씬 커 생성되는 슬러지들이 생물막내의 미생물에 의해서 제거되므로 상기 활성슬러지 공정에 비해 적은 량의 잉여슬러지가 발생되는 효과가 있다.

네 번째로, 본 발명의 폐수 처리장치는 처리시설이 단순하여 유지관리가 용이하며, 또한 SAC 매체를 이용하기 때문에 슬러지 반송 없이도 유출수질을 만족시키는 운전이 가능한 장점이 있다.

다섯 번째로, 종래의 활성슬러지 공정에 비해 많은 량의 미생물과 큰 먹이사슬을 가지고 있기 때문에 수리학적 및 유기물의 부하변동에 적응성이 강하며, 또한 운전시 냄새와 소음이 적으며, 온도의 변화에 관계없이 폐수 처리장치의 빠른 시동(start-up)을 이룰 수 있어 동절기 수온 저하시에도 질산화 효율을 증대시킬 수 있는 상승된 효과가 있다.

Claims

폐수 처리장치에 있어서,

폐수내의 인 성분을 제거하기 위한 첫 단계로써 인의 방출을 목적으로 하는 혐기성 반응조와;

하단면에 산소를 공급해 주는 공기 분산기가 설치되며, 상기 폐수내의 유기물질을 CO₂와 H₂0로 최종 산화시키며, 상기 폐수내의 암모니아성 질소성분을 질산성질소로 산화시키고 미생물에 의해 인의 섭취가 일어나는 적어도 1개 이상의 호기성반응조와;

상기 혐기성 반응조와 호기성 반응조 사이에 설치되며, 상기 호기성 반응조로부터 반송되는 질산성 질소를 질소가스로 환원시켜 가스상태로 배출하는 적어도 1개 이상의 무산소 반응조로 구성함을 특징으로 하는 고정 생물막 공법을 이용한 영양염 제거장치.
제1항에 있어서, 상기 혐기성 반응조, 무산소 반응조 및 호기성 반응조에는 미생물 담체가 충진된 지지대가 일정 간격을 유지하면서 다수개 설치됨을 특징으로 하는 고정 생물막 공법을 이용한 영양염 제거장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 혐기성 반응조는 1개 설치되며, 상기 무산소 반응조와 호기성 반응조는 동일한 부피를 가지면서 각각 2개씩 설치됨을 특징으로 하는 고정 생물막 공법을 이용한 영양염 제거장치.