KR20000020245A - 탈질 및 탈인 공정이 포함된 폐수 처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 탈질 및 탈인 공정이 포함된 폐수 처리 방법에 관한 것으로서, 유기물, 질소 및 인이 포함된 폐수를 처리하는 방법에 있어서, 유입 원수를 상향류식 무산소조와 혼합형 혐기조로 분리하여 유입시키는 단계; 슬러지 이동이 없는 상향류식 무산소조에서 유기물 제거 및 탈질 공정을 수행하는 단계; 혼합형 혐기조에서 인을 방출시키는 단계; 상기 상향류식 무산소조의 유출수와 혼합형 혐기조의 유출수를 고농도의 산소로 과포화시키는 단계; 및 상기 단계에서 과포화된 유출수를 상향류식 호기조에 유입시켜서 인의 과잉 섭취 및 질산화 공정을 수행하는 단계를 포함하는 것임을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 방법에서는, 질소 또는 인 제거에 관여하는 미생물이 유기물 제거에 작용하는 미생물에 비하여 증식 속도가 느린 점을 고려하여 각 반응기내의 미생물의 이동을 억제하고 각 단계별로 적정 미생물의 우점종화를 지향하고, 상향류식 반응기를 이용하여 플러그 흐름을 만들고 미생물의 농도를 높여서 반응 속도를 향상시킴과 동시에 침전조를 생략하는 것이 가능하도록 한다.

Description

탈질 및 탈인 공정이 포함된 폐수 처리 방법

본 발명은 폐수 처리 시스템에 관한 것으로서, 폐수 중에 포함된 유기물 뿐만 아니라, 부영양화의 원인 물질인 질소 및 인을 제거하는 공정을 포함하는 고도의 폐수 처리 방법에 관한 것이다.

유기성 폐수를 처리하는 가장 일반적인 방법은, 표준 활성 오니법에 의한 처리이다. 이러한 처리 방법은 단순히 유기물을 처리하는데에는 문제가 없으나, 폐수내에 포함되어 있는 질소 또는 인의 성분은 20 내지 30%밖에 제거할 수 없다. 처리되지 않은 질소와 인은 호소나 댐에 유입되어 수계의 부영양화를 초래하여 조류의 과잉 생산으로 녹색, 적색 등으로 혼탁해질 뿐만 아니라, 악취와 불쾌한 맛을 유발하고, 조류의 야간 호흡으로 수중의 용존 산소를 고갈시킴으로 인하여 수중생태계의 균형을 파괴한다. 이러한 현상을 방지하기 위하여 폐수 중에 포함된 질소 및 인을 제거하는 것은 필수적인 것이다.

질소 성분을 제거하는 방법으로는 물리화학적 방법과 생물학적 방법이 알려져 있다.

물리화학적 방법에 의한 질소 제거는, 폐수의 pH를 조정하여 암모늄이온을 암모니아 기체로 변환하여 제거하는 암모니아 스트리핑법, 염소의 수화물이 암모니아성 질소와 당량점에서 반응하여 질소 기체가 방출되도록 하는 불연속점 염소 처리법, 암모니아 이온에 선택성이 있는 이온교환체를 이용한 이온교환법 등이 있다. 이러한 물리화학적 질소 제거 방법은 모두 암모니아성 질소에 국한되어 있고 이차 오염의 문제점이 있다.

생물학적 방법에 의한 질소 제거는, 호기성 조건에서 암모니아성 질소를 아질산성 질소 또는 질산성 질소로 산화시키는 질산화 공정과, 아질산성 질소와 질산성 질소를 무산소 조건하에서 전자수용체를 이용하여 질소 기체 형태로 제거하는 탈질 공정으로 이루어진다. 질산화 공정은 니트로소모나스, 니트로박터 등과 같은 독립영향체미생물에 의하여 반응이 일어나고 탈질 반응은 통상 종속 영양체에 의하여 반응이 일어나기 때문에 외부로부터 유기 탄소원의 공급이 필요하다. 이와 같은 미생물에 의한 탈질 방법은 모든 질소 화합물에 적용될 뿐만 아니라, 처리 비용이 저렴한 장점이 있다.

폐수 중에 포함된 인을 제거하기 위한 방법으로는 미생물을 이용하는 방법과 물리화학적 방법이 있다.

미생물을 이용하는 방법은, 인 제거 미생물을 이용한 방법으로 혐기성 상태에서 저분자 유기산을 세포내에 흡수하여 PHB(Poly β-hydroxy Butyrate)로 합성하며 이 때 세포내의 폴리인산을 정(ortho)-인산의 형태로 세포 밖으로 용출시킨다. 그리고 다기 호기성 상태에서 PHB를 소모하여 방출된 인산의 5 내지 10배의 정(ortho)-인산을 세포내로 흡수하여 폴리인산의 형태로 저장한다. 이러한 현상을 인의 과잉 섭취라고 하며 생물학적으로는 혐기 조건 및 호기 조건을 이용하여 인의 제거가 일어난다.

물리화학적 인 제거 방법으로는, 응집침전법과 전처리 단계에서 응집 침전에 의하여 유기물과 인을 제거시키는 혐기 호기법을 거친후 호기성 슬러지를 농축하는 과정에서 발생하는 고농도의 인함유 폐수를 응집제를 이용하여 처리하여 인을 제거하는 포스트립(phostrip) 공정과 정-인산, 칼슘 이온 수산화 이온을 반응시켜 결정 형태로 제거하는 정석탈인법과 전처리 단계에서 부유 물질, 유기물들과 함께 인을 제거하는 방법이 있다.

종래 기술에서 질소와 인의 동시 제거 방법은 A₂/O 바덴포 등의 생물학적 공정이 있으나, 이러한 방법은 외부의 요인에 의하여 쉽게 변화하는 특성이 있으며 수량의 변동과 수질의 변동에 대응하는 속도가 급격히 저하된다.

이러한 단점을 극복하기 위한 것으로서 대한민국 특허 공고번호 제91-3004호에서는 질소 성분을 폭기조에서 질산화를 거친후, 무산소조에서 탈질 반응이 이루어지며 상등수를 혐기조(탈인조)에 공급하여 인을 방출시킨 후 약품침전조에서 인성분을 응집침전시키는 공정으로서 상기 공정은 저농도 유기물, 질소 및 인을 함유하는 폐수를 처리하는데에는 적용이 가능하나 처리 속도가 늦고 많은 약품이 소모되며 고농도 폐수에서는 폭기조 내에서 질산화가 완전하게 이루어지지 않는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은, 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 유기물 뿐만 아니라 질소와 인을 함유하는 폐수를 처리함에 있어서 종래의 방법보다 고속으로 처리할 수 있을 뿐만 아니라, 고농도의 질소와 인을 포함하는 폐수를 효과적으로 처리할 수 있는 탈질 및 탈인 공정이 포함된 폐수 처리 방법을 제공하는 것이다.

도1은 본 발명에 의한 탈질 및 탈인 공정이 포함된 폐수 처리 방법의 공정도.

* 도면의 주요한 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 상향류식 무산소조 11 : 완속 교반기

20 : 혼합형 혐기조 30 : 상향류식 호기조

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 탈질 및 탈인 공정이 포함된 폐수 처리 방법은, 유기물, 질소 및 인이 포함된 폐수를 처리하는 방법에 있어서, 유입 원수를 상향류식 무산소조와 혼합형 혐기조로 분리하여 유입시키는 단계; 슬러지 이동이 없는 상향류식 무산소조에서 유기물 제거 및 탈질 공정을 수행하는 단계; 혼합형 혐기조에서 인을 방출시키는 단계; 상기 상향류식 무산소조의 유출수와 혼합형 혐기조의 유출수를 고농도의 산소로 과포화시키는 단계; 및 상기 단계에서 과포화된 유출수를 상향류식 호기조에 유입시켜서 인의 과잉 섭취 및 질산화 공정을 수행하는 단계를 포함하는 것임을 특징으로 한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 의한 탈질 및 탈인 공정이 포함된 폐수 처리 방법을 상세하게 설명한다.

본 발명에 의한 폐수 처리 방법의 공정은 질소 제거를 위한 상향류식 무산소조(10), 혼합형 혐기조(20) 및 상향류식 호기조(30)를 거친다.

상향류식 무산소조(10)와 상향류식 호기조(30)는 상향류식 반응조의 형식으로 되어 있는데, 상향류식 반응조는, 하단으로 유입되는 유입수를 교반하는 교반기, 상부에 슬러지 침강을 위하여 깔때기 모양의 슬러지침강부를 구비하며, 방류수의 흐름을 균일하게 하여 슬러지의 유출을 방지하는 위어를 포함하고, 상부에서는 처리수의 일부가 반송되는 구조이다.

상향류식 무산소조(10)에서는 질산성 질소와 아질산성 질소를 질소 기체로 환원시킴에 의하여 폐수 중에 질소를 제거하며 이때 전자수용체로서 유기물을 이용하여 대부분의 유기물의 제거가 일어난다. 상향류식 무산소조(10)는 상향류식 반응조 상단에 슬러지의 유출을 방지하는 구조를 두고, 완속교반기(11)에 의하여 발생하는 질소 기체와 함께 슬러지와 폐수의 원할한 접촉을 일으키도록 하여 성능을 향상시키며, 평균 슬러지 농도를 10,000 내지 20,000 ppm의 고농도로 유지하도록 하는 것과 동시에 무산소조 내부의 폐수 흐름을 상향류로하여 처리 속도가 종래의 혼합반응기보다 3배 이상 빠르다.

혼합형 혐기조(20)에서는 인의 방출이 일어난다. 혼합형 혐기조(20) 내에서는 저급 휘발성 유기산의 원할한 생성으로 미생물의 체내 합성, 정인산의 방출을 원할하게 하고 혐기조 유출수(2)는 산소접촉조(40)에서 고농도 산소 존재하여 인의 과잉 섭취 및 용존 산소의 공급을 원할하게 한다.

상향류식 무산소조(10)의 유출수(1)는 혼합형 혐기조(20)의 유출수(2)와 함께 산소접촉조(40)로 유입된다. 산소접촉조(40)는 산소공급부(50)로부터 공급받는 고농도의 산소로 유출수를 포화시켜서 호기조 유입수(3)로서 상향류식 호기조(30)의 하단으로 공급한다.

상향류식 호기조(30) 역시 상향류식 무산소조(10)와 같이, 상향류식 반응조로서 침전조를 생략하도록 하며 상향류식 무산소조(10)로부터의 슬러지 유입이 없이 상향류식 호기조(30) 내의 슬러지를 호기성 질산화 미생물과 인이 과잉 섭취된 미생물로만 특성화할 수 있는 것과 동시에 상향류식 호기조(30) 내부의 플러그 흐름을 갖도록 하여 종래의 혼합형 반응기에 비하여 성능이 월등하다. 상향류식 호기조(30)의 하부에서만 탈인 미생물이 원할하게 번식하도록 하여 탈인에 소요되는 유기물의 양을 최소화한다.

상기한 바와 같은 상향류식 무산소조(10), 혼합형 혐기조(20) 및 상향류식 호기조(30)를 이용한 폐수 처리 공정을 상세하게 설명한다.

유기물, 인, 질소를 함유하는 폐수를 처리함에 있어서, 전체 유입 원수의 75 내지 90%인 무산소조 유입수(8)와 질산화가 이루어진 호기조 반송수(7)를 상향류식 무산소조(10)로 유입시켜 유기 물질의 제거 및 질소산화물의 탈질화가 이루어지도록 한다. 본 발명에서 사용되는 상향류식 무산소조(10)는 침전 기능이 포함되어 있으므로 유기물이 미생물에 흡착된 상태로 폭기조로 유입되는 것을 방지하여 탈질 과정에서 소비되는 유기물이 전량 질소산화물의 환원 작용에 사용되므로 탈질 과정에서 COD/N의 비율이 약 3.5 내지 5 정도로 유지되어도 충분한 탈질이 가능하다. 따라서 유입수 중 유기물의 농도가 낮은 폐수에서 높은 질소 제거 효율을 얻을 수 있다. 상향류식 무산소조(10)의 내부에는 폐수유입구 바로 상부와 반응기 중간부분, 반응기 상부 물표면에 교반날개를 설치하고 1 내지 10 rpm, 바람직하게는 2 내지 7 rpm 정도의 완속교반기를 두어 폐수와 슬러지의 접촉을 원활하게 하는 동시에 생성된 질소 기체가 용이하게 배출되도록 한다.

전체 유입수의 10 내지 25%인 혐기조 유입수(9)와 호기조 반송슬러지(6)를 혼합형 혐기조(20)로 유입시켜서 혼합형 혐기조(20) 내에서 저급산의 생성이 원활하도록 하여 탈인미생물의 세포 체내에서 PHB(Poly β-hydroxy Butyrate)의 합성을 통하여 인의 방출이 일어나게 한다. 혼합형 혐기조(20)는 혐기 처리를 위하여 밀폐형 구조를 가지며 유입되는 원수의 비는 제거는 CODcr과 총인(TP)의 비가 10 내지 20의 범위를 만족하도록 한다. 종래의 경우, 혐기조에서 인의 방출이 일어난 후, 무산소조를 거치고 호기조로 유입되는 경로를 거치기 때문에 인의 방출 및 과잉 흡수에 작용하는 미생물의 분포가 제한을 받을 수밖에 없으며 소요되는 유기물 또한 많은 양의 유기물이 필요하게 된다.

상기한 상향류식 무산소조(10)의 유출수(1), 혼합형 혐기조(20)의 유출수(2) 및 호기조 반송수(7)는 산소접촉조(40) 내에서 15분 내지 30분의 체류 시간을 가지면서 고농도 산소와 접촉하여 산소로 과포화된 상태에서 상향류식 호기조(30)로 유입된다. 이때 산소접촉조(40)의 압력은 상향류식 호기조(30)의 유입부의 압력에 1 내지 1.5 ㎏f/㎠을 더한 압력으로 운전하여 호기조 유입수(3)의 용존 산소 농도와 산소 용해물을 최대로 높이는 동시에 호기조(30)에 유입된 후에 과폭기로 인한 산소 기포 발생을 예방할 수 있다.

상향류식 호기조(30)의 하부 20 내지 30% 높이 부분에서는 인의 과잉 흡수, 잔류 유출물 제거, 질산화가 주로 일어나며, 그 이상의 높이에서는 주로 질산화 작용이 일어난다. 상향류식 호기조(30)의 하부 20 내지 30% 높이 부분에서는 혐기조 유입수(6) 유출수를 두어서 일부분은 혐기조(20)로 유입시키고 일부분은 폐기탈인슬러지(5)로서 폐기하여 인의 과잉섭취 슬러지를 제거한다. 이로 인하여 상향류식 호기조(30)의 하부에서는 인 과잉 섭취 미생물을 우점종화로 인의 제거 효율을 높이고, 상부에서는 니트로조모나스, 니트로박터 등의 질산화 미생물을 우점종으로 하여 질산화 효율을 기존의 반응기에 비하여 4 내지 6 배 이상 높일 수 있다.

또한, 상향류식 호기조(30)의 유입수(3)의 용존 산소 농도를 80 내지 120 ppm 상태의 과폭기 상태로 유입하고 호기조(30) 내에서는 기체의 폭기가 없으므로 호기조(30) 후단에 침전조를 생략하여도 유출수 중 부유물질(SS)의 농도를 10 내지 20 ppm 이하로 유지하는 것이 가능하다.

다음은 본 발명에 의한 탈질 및 탈인 공정이 포함된 폐수 처리 방법을 실시한 예들이다.

<제1실시예-비교예>

본 실시예는 석유화학 폐수에 대하여 본 발명에 의한 폐수 처리 방법과, 혼합형 반응기를 사용하여 무산소조, 폭기조, 침전조로 구성된 종래 기술에 의한 폐수 처리 방법을 비교한 것이다.

석유화학 폐수는 NO₃600∼700 ppm, CODcr 1,600∼1,700 ppm으로 질소산화물에 비하여 유기물의 농도가 낮은 폐수이다.

다음의 표 1은 실험 결과를 정리한 것이다.

COD/N 비	종래 방법	본 발명
	질소부하량(㎏TN/㎥일)	유출수 총질소(ppm)	질소부하량(㎏TN/㎥일)	유출수 총질소(ppm)
8765	2.22.22.21.5	10 이하10 이하10 이하50∼100	--5.55.5	--10 이하10 이하
4	-	-	4.5	10 이하
3.53	--	--	21	10 이하200 이하

본 발명에 의한 방법에서 상향류식 무산소조의 SS는 15,000∼20,000 ppm이고, 상향류식 호기조의 SS는 8,000∼11,000 ppm이고, 종래의 방법에서 혼합형 무산소조의 SS는 6,000∼8,000 ppm이고, 혼합형 폭기조의 SS는 6,000∼7,000 ppm이다.

본 발명에 의한 방법에서 유기물 농도가 충분한 경우 약 2.5배의 속도 상승이 있었으며, COD/N의 비율이 낮은 경우 더욱 현저한 속도 차이를 나타내며 본 발명의 경우 산소를 이용한 상향류식 호기조는 질소산화물의 제거가 덜 이루어진 경우에도 양호한 고액 분리로 인하여 유출수 중 SS 함유량이 20 ppm 이하로 유지하는 것이 가능하다. 이에 반하여 종래의 방법에서는 침전조에서의 슬러지 부상으로 인하여 유출수의 SS 함량이 40 내지 100 ppm에 이르러 수질이 악화되는 현상이 나타난다.

<제2실시예>

본 실시예는 암모니아성 질소 100∼216 ppm, COD 50∼100 ppm의 원수에 대하여 상향류식 호기조를 운전한 탈질 실험 결과이다. 운전 시작 후 약 10 내지 15 일 후에 완전한 질산화를 나타내며 호기조내 SS 농도는 8,000∼10,000 ppm이다.

다음의 표 2는 실험 결과이다.

질소부하(㎏NH4/㎥일)	원수 NH4농도(ppm)	유출수 NH4농도(ppm)	반송수 DO(ppm)	유출수 SS 농도(ppm)
0.20.40.60.91.1251.375	100100108130216216	10 이하10 이하3243	3.43.0-3.53.2-3.73.5-4.53.7-4.33.9-4.8	10 이하10 이하10 이하10 이하10-1510-20
1.5	216	7	5-6	15-30

상기한 표 2에서 보이는 바와 같이, 1.375 ㎏NH₄/㎥의 부하까지 약 95% 이상의 높은 효율을 보이며 유출수 중 SS의 양도 20 ppm 이하로 침전조를 생략하는 것도 가능하다. 또한, 반송수의 DO는 약 3-5 ppm 사이로 유지하는 것이 적당하다.

<제3실시예>

총인 10∼15 ppm, CODcr 100∼300 ppm의 원수에 대하여 혼합형 혐기조와 상향류식 호기조를 이용한 탈인 실험을 한 것이다. 정상화까지 약 40 내지 50일이 소요되며 유속과 유기물 농도를 변화시키며 실험을 하였다.

다음의 표 3은 실험 결과이다.

유입수 총인 농도(ppm)	CODcr	혐기조 체류 시간(시간)	유출수 총인 농도(ppm)
10	100	8	1.5
		4	2.9
		2	4.5
	200	8	0.3
		4	0.7
		2	0.8
	300	8	0.1 이하
		4	0.3
		2	0.48
15	100	8	3.8
		4	4.9
		2	6.3
	200	8	1.0
		4	2.1
		2	3.7
	300	8	0.5
		4	0.8
		2	1.0

상기 표 3에서 보이는 바와 같이, COD/TP의 비가 20인 경우 약 2시간 이상에서의 체류 시간에서 1ppm 이하의 총인 농도를 얻을 수 있었으며, 약 10 내지 15 인 경우에도 체류 시간을 크게함으로써 안정적인 처리가 가능하다.

<제4실시예-비교예>

본 실시예는 하수처리장 폐수에 대하여 본 발명에 의한 폐수 처리 방법과, 혼합형 반응기를 사용하여 무산소조, 폭기조, 침전조로 구성된 종래 기술에 의한 폐수 처리 방법의 체류 시간을 측정한 것이다.

본 발명에 의한 폐수 처리 방법에서, 상향류식 무산소조 유입수(8)와 혼합형 혐기조 유입수(9)의 비율을 첫 번째는 75:25로 하였고, 두 번째는 85:15로 하였다. 내부 반송비는 각각 2배로 동일하게 유지하였다. 그 결과가 다음의 표 4에 나타나있다.

	CODcr(ppm)	CODMn(ppm)	총질소(ppm)	총인(ppm)	BOD(ppm)	SS(ppm)
원수	180∼250	90∼130	15∼25	3.5∼6.1	110∼150	40∼80
본 발명 1	8∼18	4∼12	7∼12	0.7∼1.2	4∼8	10 이하
본 발명 2	7∼16	5∼10	6∼10	0.9∼1.5	3∼9	10 이하
종래 기술	10∼20	5∼13	8∼15	0.8∼1.5	6∼10	10∼20

체류수 수질이 본 발명과 종래의 폐수 처리 방법에서 유사할 때, 총 체류 시간이 본 발명에 의한 방법에서 약 2.5 내지 3.5 시간이고 종래 기술의 경우 10 내지 14 시간으로 되어 본 발명의 경우 약 3배 이상 처리 속도가 증가하였다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 방법에서는, 질소 또는 인 제거에 관여하는 미생물이 유기물 제거에 작용하는 미생물에 비하여 증식 속도가 느린 점을 고려하여 각 반응기내의 미생물의 이동을 억제하고 각 단계별로 적정 미생물의 우점종화를 지향하고, 상향류식 반응기를 이용하여 플러그 흐름을 만들고 미생물의 농도를 높여서 반응 속도를 향상시킴과 동시에 침전조를 생략하는 것이 가능하도록 한다.

Claims (5)

1. 유기물, 질소 및 인이 포함된 폐수를 처리하는 방법에 있어서,

   유입 원수를 상향류식 무산소조와 혼합형 혐기조로 분리하여 유입시키는 단계;

   슬러지 이동이 없는 상향류식 무산소조에서 유기물 제거 및 탈질 공정을 수행하는 단계;

   혼합형 혐기조에서 인을 방출시키는 단계;

   상기 상향류식 무산소조의 유출수와 혼합형 혐기조의 유출수를 고농도의 산소로 과포화시키는 단계; 및

   상기 단계에서 과포화된 유출수를 상향류식 호기조에 유입시켜서 인의 과잉 섭취 및 질산화 공정을 수행하는 단계를 포함하는 것임을 특징으로 하는 탈질 및 탈인 공정이 포함된 폐수 처리 방법.
2. 제1항에 있어서,

   유입 원수를 분리하여 유입시키는 단계는 전체 유입 원수의 75 내지 90%를 상향류식 무산소조로 유입시키는 것임을 특징으로 하는 탈질 및 탈인 공정이 포함된 폐수 처리 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상향류식 무산소조의 유출수와 혼합형 혐기조의 유출수를 고농도의 산소로 과포화시키는 상기 단계는, 산소접촉조 내에서 15분 내지 30분의 체류 시간을 가지면서 고농도 산소와 접촉하여 산소로 과포화되는 것임을 특징으로 하는 탈질 및 탈인 공정을 포함하는 폐수 처리 방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 산소접촉조의 압력은 상기 향류식 호기조의 유입부의 압력에 1.2 내지 1.5 ㎏f/㎠을 더한 압력으로 운전하는 것임을 특징으로 하는 탈질 및 탈인 공정을 포함하는 폐수 처리 방법.
5. 제3항에 있어서, 상기 상향류식 호기조의 하부 20 내지 30% 높이 부분에서는 혐기조 유입수와 유출수를 두어서 일부분은 혐기조로 유입시키고 일부분은 폐기탈인슬러지로서 폐기하여 인의 과잉섭취 슬러지를 제거하는 것임을 특징으로 하는 탈질 및 탈인 공정이 포함된 폐수 처리 방법.