KR19990074412A - 폐수의 정화방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하수 또는 폐수중의 영양염류(질소 및 인)를 제거하는 생물학적 고도처리 공정에 이용하는 외부의 전자공여체로써 음식물 또는 유기성 폐기물을 발효시켜 생성된 유기산을 이용하는 방법에 관한 것이다. 일반 가정 및 식당 등에서 얻어진 음식물 또는 유기성 폐기물을 미생물에 의해 발효시켜 생성된 유기산을 비롯한 용존 유기물을 폐수처리공정에서 전자공여체를 필요로하는 탈질 및 생물학적 인방출 반응단계에 주입함으로써 반응속도를 증가시켜 영양염류를 효과적으로 처리 할 수 있고, 주요 도시 폐기물 중의 하나인 음식물 또는 유기성 폐기물을 이용함으로써 폐기물의 감량화도 기대할 수 있으며, 또한 음식폐기물 중의 염분이 거의 모두 제거됨으로써 발효폐고형물을 퇴비의 원료로 활용할 수 있는 장점이 있다.

Description

폐수의 정화방법

본 발명은 하수 및 폐수를 고도처리하는 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 음식물 또는 유기성 폐기물을 발효시켜 생성된 유기산을 영양염류 처리공정에 공급함으로써 음식물 또는 유기성 폐기물의 재활용 및 폐수중의 영양염류를 효과적으로 처리할 수 있는 방법에 관한 것이다.

영양염류(질소 및 인)는 유기물의 분해를 일으키는 미생물의 생육과 증식에 필요한 무기성 원소로서, 이들 중 특히 질소화합물과 인산염은 생물세포형성과 생활 에너지 획득을 위하여 연속적으로 공급되어야 하는 원소이다.

그런데 하천이나 연안바다, 호소 등의 수역에 있어서 이러한 질소나 인 등의 염류가 증가하면 부영양화 현상이 발생되는데, 이는 상기 영양염류를 영양소로 활용하여 생물 생산이 활성화됨으로써 자연의 생태계가 변하게 되고, 해역에서는 적조 발생의 한 원인이 되며, 호소에서는 조류 등이 이상 증식을 하게 된다. 이 과정은 자연계에 있어서는 원만하게 진행되지만, 생활하수, 축산폐수, 공장폐수 등이 다량으로 유입되면 영양염의 농도가 지나치게 증가하게 된다. 이에 따라 수계내에 조류가 증식하여 유기성현탁물질이 과량으로 존재하게 되면 자연의 자체정화 능력을 넘어서게 된다. 결국 부영양화 현상이 급속히 진행되고, 심하면 부패하여 물에서 악취가 나며 수질오염이 촉진된다.

따라서, 폐수중의 이러한 영양염류는 호소나 하천 등으로 유입되기 전에 제거되어야 하며, 이를 효율적으로 제거하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다.

우리나라의 경우 대부분의 하수처리 및 축산폐수 처리방법은 활성슬러지법에 의존하고 있는 실정이다. 활성슬러지법에 의한 처리시 대부분의 현탁 고형물질과 유기물은 제거될 수 있으나, 질소나 인과 같은 영양염류 물질의 처리효율은 20-40%에 불과하다.

따라서, 수계 보호를 위하여 폐수 처리하는 대부분의 목적은 질소와 인의 제거에 두고 있으며, 앞으로 더욱 강화된 규제 농도에 부합된 공정을 개발하는 것이 시급한 현 실정에서 수계를 오염시키는 점오염원을 줄이는 것이 대단히 중요한 것이다.

영양염류가 다량 함유되어 있는 폐수에서 생물학적으로 질소를 처리하기 위한 방법은 크게 전탈질과 후-탈질공정으로 대별된다.

후-탈질공정은 반응조의 크기가 작고 유출수의 수질이 균일하다는 장점이 있다. 그러나, 탈질 반응조가 질산화 반응조의 후반부에 위치하고 있기 때문에, 탈질반응조 내에는 분해되기 쉬운 유기물의 양이 적어 메탄올과 같은 전자공여체를 외부에서 별도로 주입해 주어야 하므로 비경제적이라는 단점이 있다.

반면 전-탈질 공정에서는 유입되는 폐수내의 유기물을 탈질에 필요한 전자 공여체로서 이용하기 때문에 유입수중 유기물이 많은 경우 별도의 전자공예체를 외부에서 별도로 주입할 필요가 없다는 장점이 있다. 그러나, 유입 폐수내의 유기물은 메탄올과 같은 유기물에 비해 탈질효율이 적다는 문제점이 있다. 또한 질화조가 탈질조 후반부에 위치하므로 질산화조에서 형성된 질산염을 탈질조로 반송시킬 필요가 있으며, 이 경우 반송량을 유입수의 4배 가량으로 하는 것이 일반적이다. 이로 인해, 전탈질 공정의 반응조가 후-탈질 공정의 반응조에 배해 매우 커지므로 설치 비용이 커진다는 단점이 있다. 유입수중 유기물이 적은 경우는 전술한 전-탈질 공정으로 질소처리가 충분히 이루어지지 않아 외부 유기물을 공급하여야 하는 문제가 있다.

하폐수중 인의 농도가 높은 경우 특정 미생물의 인방출과 섭취반응으로 하폐수중 인을 처리할 수 있다. 이 경우, 혐기성 상태에서 인의 방출이 선행되고 후속된 호기상태에서 인의 과잉섭취가 이루어 지도록 한다. 인의 방출은 유입수중의 전자공여체인 유기산 농도에 크게 관계됨으로 유입수중 유기산의 농도가 높을 경우 인의 제거효율이 높다.(참고문헌 ; Richard I. Sedlak(1991), Phosphorus and Nitrogen Remova1 Municipal Wastewater, LEWIS PUBLISHERS : Clifford W. Randall, Ph. D., Design and Retrofit of Wastewater Treatment Plants for Biological Nutrient Removal, Water Qulity Management Library, Vo1 5, Technomic publishing Co.) 유입수중 유기산의 농도가 낮은경우 외부에서 유기산을 공급함으로서 인의 방출속도를 증가시켜 생물학적 인제거 효율을 향상시킬 수 있다.

외부의 전자공여체로 널리 이용되고 있는 메탄올과 같은 물질들은 석유파동이후 가격의 급상승으로 인하여 경제적인 부담이 되고 있는 실정이다.

따라서 본발명의 목적은 하폐수중 생물학적 질소 및 인 제거시 상기 문제점을 감안하여 메탄올 및 초산염등을 대용할 수 있는 전자공여체를 이용하여 영양염류를 효율적이고도 저렴한 가격으로 처리할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 일반가정 및 음식점등에서 발생되는 음식물 또는 유기성 생활폐기물을 유기산화시켜 얻어진 부산물을 탈질 및 생물학적 인 방출단계에 이용함으로서 영양염류의 처리 방법을 제공한다.

본 발명자의 연구 결과에 의하면 음식물 쓰레기는 고농도의 유기물이며 이를 수일간 발요시킬 경우 약 60,000mg/L의 용존유기물(COD)과 49,500mg/L의 유기산(Volatile Fatty Acids)이 생성된다. 이는 축산폐수의 1차 침전슬러지의 유기산화(COD: 8,500mg/L) 및 도시하수의 1차 침전슬러지의 유기산화(COD: 2,000mg/L) 보다 유기물의 함량이 7-30배 높은 것이다. 이를 탈질 및 생물학적 인방출 반응조에 공급하여 미생물이 이용할 수 있도록 함으로써 질소나 인의 처리를 촉진하게 되는 것이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

(실시예 1)

전자공여체로 음식폐기물을 유기산화시켜 생성된 부산물과 종래의 초산염 및 메탄올을 준비하였다. 준비된 각각의 슬러지를 20일간의 슬러지 체류시간(Sludge Retention Time, SRT)으로 설정해 놓은 탈질조에 넣고 실내온도(18℃) 조건에서 탈질율 및 총탈질율을 표 1에 나타내었다.

전자공여체별 탈질율비교

전자공여체	탈질율(mg NO3 - - N/g.VSS.hr)	총탈질율(mg NO3 - -N +N02 --N/g.VSS.hr)
초산염	7.76	4.24
메탄올	3.09	1.45
음식물 쓰레기 발효산	4.35	3.46

상기 실시예를 살펴봄으로써 본 발명의 방법에 따라 처리한 경우 메탄올보다 우수한 탈질율이 얻어지므로 전자공여체로서 메탄올을 대용할 수 있을 것으로 확신할 수 있다.

(실시예 2)

음식폐기물을 발효시킨 전자공여체를 생물학적 인 방출조에 주입하여 인의 방출율이 주입전에 비해 3-4배 빠름이 관찰되었다.

(실시예 3)

음식물 폐기물을 발효시키고 발효액을 이용한 후 잉여 음식폐기물중 염분의 농도는 10-90% 감소함이 관찰되었다.

하수 및 폐수중의 질소 및 인을 제거하고자 할 때 사용되는 유기물로써 하수중의 유기물을 사용하는 경우 반응속도가 낮아 반응조가 커야하며, 메탄올이나 기타 공업용 유기물을 사용하는 경우에는 유기물 구입비용이 높은 단점을 안고 있다. 또한 음식폐기물은 도시폐기물 중의 상당부분을 차지하며 함수율이 높을 뿐만 아니라 탈수성이 낮고 염도 높아 재활용 및 처분상 많은 문제점을 안고 있다.

본 발명에서는 탈질 및 생물학적 인방출 속도가 높아 탈질반응조의 크기도 줄일 수 있으며 값싸고 쉽게 전자공여체를 얻을 수 있는 방법을 개발하였다. 본 발명에서는 함수율이나 염도에 관계없이 음식물 쓰레기 또는 유기성 생활폐기물을 발효시켜 유기산 등 용존유기물을 생산하여 하수 및 폐수처리장의 탈질 및 생물학적 인 방출 반응조에 투입함으로써 효과적으로 영양염류를 제거하는 방법의 개발과 발효 후 음식물 쓰레기 잔여물의 염분도를 낮추어 이를 탈수 건조시켜 퇴비 및 토양 개량제로 이용하는 공법을 개발하였다.

도 1은 생물학적 발효와 고액분리를 별도의 반응조에서 행하는 발효방법에 대한 개략도이다.

도 2는 생물학적 발효와 고액분리를 같은 반응조에서 행하는 발효방법에 대한 개략도이다.

도 3은 발효액을 순환식으로 주입하여 유기산을 농축시키는 발효방법에 대한 개략도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 음식물 또는 유기성폐기물 저장조

2: 분쇄공정

3: 유기산 저장조

4: 탈질 및 생물학적 인 방출조

5: 희석수

6: 잉여슬러지 탈수공정

7: 퇴비 및 토양개량제 저장조

8: 발효조

8': 발효 및 고액분리조

9: 고액분리조

………………▶ : 액상

━━━━━━▶ : 고형상

발명의 구성은 음식물 또는 유기성 생활폐기물을 발효시켜 용존성 유기물 및 유기산을 생산하는 장치로써 발효조와 고액분리 장치로 구성된다. 발효조는 완전혼합연속흐름반응조, 회분식반응조, 침출상반응조(leaching bed reactor), 압출류반응조(plug flow reactor) 등 다양한 형태를 취할 수 있다. 또한, 생성된 유기산 및 용존유기물은 침전, 응집침전, 부상, 모래여과, 막여과 등의 고액분리 공정 중의 하나를 이용하여 회수된다. 발효조를 침출상반응조 형태로 하거나, 고액분리를 막여과 방식으로 할 경우 발효조내에서 발효 및 고액분리를 동시에 수행할 수도 있다. 고액분리를 통해 얻어진 슬러지는 발효조로 반송되며, 잉여슬러지는 퇴비원료 등으로 재활용되거나 처분된다.

도1은 음식물 또는 유기성 생활폐기물을 미세하게 분쇄시켜 완전혼합 연속흐름 반응조, 회분식 반응조, 압출류 반응조 등을 이용하여 발효시킨 후 액상인 유기산과 고형상인 음식물 쓰레기를 중력침전, 응집침전, 부상, 여과등으로 고액분리 시킨다. 액상은 탈질 및 생물학적 인 방출조에 주입하여 하폐수중 영양염류인 질소 및 인을 제거시키고 고형상은 탈수과정을 거쳐 퇴비 및 토양개량제로 이용하는 개략도이다.

도2는 음식물 또는 유기성 생활폐기물을 미세 및 조대 분쇄시켜 연속회분식반응조(Sequencing Batch Reactor:SBR)에 의해 발효시킨 후 같은 반응조내에서 침전시켜 고액을 분리하고 액상은 탈질 및 생물학적 인 방출조에 주입하여 하폐수중 영양염류인 질소 및 인을 제거시키고 고형상은 탈수과정을 거쳐 퇴비 및 토양개량제로 이용하는 개략도이다.

도3은 음식물 또는 유기성 생활폐기물을 조대 분쇄 시킨 후 침출상 반응조에 의해 발효시키고 침출된 여액을 반응조에 재 주입하여 발효를 향상시켜 침출수중의 유기산을 농축시킨다. 농축된 유기산을 탈질 및 생물학적 인 방출조에 주입하여 하폐수중 영양염류인 질소 및 인을 제거시키고 반응조중의 고형상은 탈수과정을 거쳐 퇴비 및 토양개량제로 이용하는 개략도이다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따른 폐수의 정화 방법은 부영양화의 주요 원인이 되고 있는 질소와 인의 처리를 효율적이며 저렴한 가격으로 처리 할 수 있다. 또한 음식물 또는 유기성 생활폐기물을 이용하므로서 상기 폐기물의 감량화는 물론 발효폐고형물 중의 염기가 대부분 제거됨으로써 퇴비화 등을 통한 재활용 효과도 높일수 있는 방법이다. 자원 재활용 및 폐기물의 감량화 측면에서 최근 신 기술로 이용되고 있는 축산폐수 및 도시하수의 1차 침전 슬러지를 발효하여 생성된 유기산 보다 본발명에 의한 음식물 또는 유기성 생활폐기물의 유기산 및 용존 유기물의 이용은 농축정도가 매우 높은 고농도의 유기물이 생성되므로 이를 이용한 폐수처리공정의 운영이 매우 쉬운 장점을 지니게 된다.

Claims (5)

1. 음식물 또는 유기성 생활폐기물을 발효시켜 얻어진 전자공여체를 영양염류 제거공정의 탈질 및 생물학적 인 방출조에 주입하여 기질로 작용하는 것을 특징으로하는 영양염류 처리 방법.
2. 제1항에 있어서, 고액분리 후 염분도가 낮아진 고형상 슬러지를 탈수하여 퇴비화 시키는 것을 특징으로하는 음식 또는 유기성 생활폐기물 처리방법.
3. 제1항의 발효공정을 완전혼합 반응조 또는 압류출식 반응조로 하고 침전, 부상 또는 여과에 의해 고액을 분리하여 액상을 이용하는 것을 특징으로 하는 영양염류 처리 방법.
4. 제1항의 발효 및 고액분리를 연속회분식 반응조로 이용하는 것을 특징으로 하는 유기산 생성방법.
5. 제1항의 발효 및 고액분리를 침출상 반응조로 이용하고 침출수를 순환시켜 전자공여체를 농축시켜 이용하는 것을 특징으로하는 유기산 생성방법.