KR20000027428A

KR20000027428A - 폐수처리용 혐기성 반응기

Info

Publication number: KR20000027428A
Application number: KR1019980045348A
Authority: KR
Inventors: 나현준; 정금희; 한기철; 이성택; 김경호
Original assignee: 양인모; 삼성엔지니어링 주식회사; 박호군; 한국과학기술연구원
Priority date: 1998-10-28
Filing date: 1998-10-28
Publication date: 2000-05-15
Also published as: KR100277018B1

Abstract

본 발명은 폐수처리용 혐기성 반응기에 관한 것이다.

본 발명은 석회석에 의한 산성 폐수의 중화 및 고형물 제거, 황산염 환원, 유기산 분해 및 메탄 생성, 수불용성 금속 황화물 및 가스 제거와 같은 일련의 폐수 처리 공정을 하나의 반응기에서 수행함으로써 처리공정을 혁신적으로 단순화하여 부대 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 폐수의 혐기성 처리에 필요한 미생물의 생장조건을 안정적으로 유지할 수 있어 황산염 및 중금속을 함유한 산업폐수의 효율적인 처리가 가능하다.

Description

폐수처리용 혐기성 반응기

본 발명은 폐수의 혐기성 처리에 사용되는 반응기, 보다 상세하게는 폐수내에 존재하는 황산염과 중금속을 동시에 제거할 수 있는 혐기성 반응기에 관한 것이다.

황산염과 중금속을 고농도로 함유하는 산업 폐수는 생산업자의 입장에서 보면 최소의 비용으로 신속히 처분되어야 할 대상이며, 공중의 입장에서는 도시의 하수구나 하수 처리장의 구조물을 손상시키고 하수 처리장의 운영과 관리를 어렵게 할뿐만 아니라 그 비용을 증가시키며, 생활용수 등으로 사용되는 하천을 오염시키는 바람직하지 못한 대상이다.

황산염과 금속이온을 고농도로 함유하는 폐수는 일반적으로 혐기성 반응계에 의하여 처리되며, 상기 혐기성 반응계는 전처리조, 침전조, 유기산 생성조 또는 메탄 발효조 등 일련의 반응조가 연결된 시스템으로 이루어져 있어서 소요되는 부지 면적이 크고 장치의 설치비용이나 유지관리 비용이 많이 들며, 폐수의 처리 효율 또한 만족스럽지 않다는 문제점이 있다.

또한, 황산염과 금속이온을 고농도로 함유하는 폐수의 전처리 방법중 하나는 석회를 첨가하여 폐수의 pH를 높임으로써 금속이온을 수산화물 형태로 침전시키는 것이다. 그러나, 이 방법은 침전되는 금속 수산화물과 석고 슬러지의 폐기가 문제된다. 부피가 큰 석고 슬러지는 후속 처리장치의 스케일링을 야기할뿐 아니라 담체사이에 스며들어 굳어버림으로써 폐수처리에 관여하는 미생물의 생장을 방해할 수 있으며, 금속 수산화물 침전은 낮은 pH 용액에 노출되는 경우 금속이온이 재용해될 우려가 있기 때문이다.

한편, 폐수의 혐기성 처리는 메탄이 풍부한 바이오 가스를 생성하며, 바이오 가스는 주로 메탄, 이산화탄소 및 황화수소로 구성된다. 바이오 가스 중의 황화수소는 그 농도를 적절하게 조절하지 않으면 심한 악취를 풍기며 생물학적 독성을 유발할 수 있다. 또한, 황화수소는 강한 부식성 가스이며 많이 들이마시면 인체에 치명적인 영향을 미칠 수도 있다.

바이오 가스중의 황화수소 농도가 커지는 것은 폐수처리 시스템에 도입되는 폐수내의 황산염 농도가 높다는 것을 의미한다. 유입 폐수중의 황산염은 혐기성 처리 과정에서 황화물로 전환되는데, 그 농도가 지나치게 높으면 악취를 유발할 뿐 아니라 생물학적 반응을 저해할 우려가 있다. 황화물은 결합하고 있는 양이온의 종류에 따라 수용성이거나 수불용성일 수 있다. 수용성 황화물은 약산으로서 수용액 중에서 이온화하여 H₂S, HS^-및 S^2-로 존재한다. 황화수소의 용해도는 한정되어 있기 때문에 황화수소의 일부는 바이오 가스로서 배출되는 것이다. 황화물의 용해도는 반응물의 pH가 내려갈수록 작아지기 때문에 더 많은 양의 황화물이 황화수소 형태의 바이오 가스로서 배출된다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위한 한 방편으로서, 폐수중의 황화물을 침전시켜 수용성 황화물의 양을 감소시키기 위하여 염화제2철을 첨가하여 황화물을 침전시키는 방법이 있으나, 고농도의 황화물을 침전시키기 위해 첨가되는 다량의 염화제2철은 반응물의 pH를 낮출 수 있기 때문에 반응물의 pH를 적절하게 유지하기 위해서는 수산화나트륨과 같은 알칼리를 첨가해야 한다. 그 결과, 시스템 운전비용이 높아질뿐 아니라 일정 농도 이상으로 존재하는 나트륨은 혐기성 반응에 부작용을 가져올 우려가 있다.

따라서, 단일 공정으로 황산염 및 중금속을 동시에 제거할 수 있으며, 폐수의 pH 조절을 위해 석회를 사용하면서도 석고 슬러지나 금속 수산화이온과 관련된 공정상의 문제가 야기될 우려가 없으면서, 황화물의 침전을 위해 별도로 염화제2철과 같은 첨가제를 공급할 필요가 없는 시스템의 개발이 요구되고 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전술한 바와 같은 문제점을 해결하여 황산염 및 중금속을 포함하고 있는 폐수를 효율적으로 처리할 수 있는 혐기성 반응기를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 폐수처리용 반응기의 단면도이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 폐수 공급수단의 저면도이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 폐수 공급수단의 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10... 1차 침전부

20... 매니폴드

31, 32, 33... 다공성 지지판

40... 황산염 환원부

50... 메탄 생성부

60... 2차 침전부

본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 폐수처리용 혐기성 반응기에 있어서, 처리하고자 하는 폐수를 상향류로 공급하기 위하여 상기 반응기의 기저부에 인접하여 구비된 폐수 유입구, 상기 기저부로부터 소정 높이에 다공성 지지판에 의해 지지되는 석회석층, 상기 폐수 유입구와 연결되어 상기 석회석층내로 유입폐수를 공급하기 위한 폐수 공급수단 및 상향류의 상승속도에 의한 부상력보다 비중이 큰 침전물을 제거하기 위한 1차 침전물 배출구를 포함하는 1차 침전부; 상기 1차 침전부의 인접한 상류에 다공성 지지판에 의해 지지되며 불완전산화 황산염 환원균이 우점종으로 존재하는 미생물 고정화층을 포함하는 황산염 환원부; 상기 황산염 환원부의 인접한 상류에 다공성 지지판에 의해 지지되며 메탄 생성균이 우점종으로 존재하는 미생물 그래뉼층을 포함하는 메탄 생성부; 및 반응기의 중심으로부터 바깥쪽으로 경사지도록 반응기의 내벽에 장착된 복수개의 침전물 분리 경사판, 상기 침전물 분리 경사판에 각각 상응하는 복수개의 2차 침전물 배출구, 상기 반응기의 정상부에 인접하여 구비된 처리수 방출구 및 상기 반응기의 정상부에 구비된 가스 배출구를 포함하며, 상기 메탄 생성부의 상류에 위치하는 2차 침전부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수처리용 혐기성 반응기를 제공한다.

본 발명의 혐기성 반응기는 용존 황화물과 석회석의 중화작용을 이용하여 유입수의 pH를 높이며, 폐수중의 황산염을 불완전산화 황산염 환원균에 의하여 황화수소로 환원시키고, 메탄 생성균을 이용하여 유기산을 제거하며, 상기 황화수소를 이용하여 폐수중의 용존 중금속을 황화물 형태로 침전시키는 일련의 반응을 하나의 반응기에서 효율적으로 실시할 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 반응기는 다공성 지지판에 의해 지지되어 있는 석회석층을 포함하는 1차 침전부를 구비하는 것을 특징으로 한다. 황산염 및 중금속을 함유하는 폐수는 반응기 하단에 구비된 유입구를 통해 상향류로서 공급된다. 1차 침전부에 유입된 폐수가 석회석층과 접촉하면서 폐수내의 용존 황화물이 석회석과 반응하여 중화되기 때문에 폐수의 pH가 상승하며, 유입폐수 중의 중금속은 석회석의 주성분인 탄산칼슘 등과 반응하여 금속 수산화물이나 금속 탄산화물 형태로 전환된다.

이 과정에서 폐수의 상향류에 의한 부상력보다 비중이 큰 고형물이나 금속성 침전물은 석회석층을 지지하고 있는 다공성 지지판을 통과하여 1차 침전부의 바닥으로 가라앉게 된다. 따라서, 다공성 지지판의 눈금 직경은 석회석의 크기, 상승류의 압력 손실, 침전물의 크기 등을 고려하여 결정하여야 한다.

한편, 상기 1차 침전부는 폐수 유입구와 연결되며, 다공성 지지판에 의해 지지되고 있는 석회석층 내로 유입폐수를 공급하기 위한 폐수 공급수단을 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 황산염 및 중금속을 함유한 산성 또는 중성의 폐수가 상기 공급수단을 통해 직접 석회석층내로 공급됨으로써 금속 수산화물이나 탄산화물이 산성 조건에 노출되어 폐수에 재용해될 우려가 없다.

1차 침전부에서 pH가 조절되고 1차적으로 고형물 및 일부 금속 화합물이 제거된 폐수는 상향하여 황산염 환원부로 도입된다. 황산염 환원부는 불완전 산화 황산염 환원균이 우점종으로 존재하는 미생물 고정화층을 포함한다.

황산염 환원균은 있는데,

혐기성 조건에서 황산염을 황함유 중간물질로 환원시키는 황산염 환원균은 일반적으로 완전산화형 황산염 환원균과 불완전산화형 황산염 환원균으로 구분될 수 있으며, 완전 혐기성균으로서 그 예로는 디설포비브리오(Desulfovibrio), 디설포토마쿨룸(Desulfotomaculum), 디설포박터(Desulfobacter), 디설포박테리움(Desulfobacterium), 디설포불부스(Desulfobulbus), 디설포코쿠스(Desulfococcus), 디설포모나스(Desulfomonas), 디설포네마(Desulfonema), 디설퓨로코쿠스(Desulfurococcus), 디설포마이크로비움(Desulfomicrobium) 등이 있다.

그 중에서도, 디설포비브리오(Desulfovibrio), 디설포불부스(Desulfobulbus)디설포마이크로비움(Desulfomicrobium) 등이 대표적인 불완전산화 황산염 환원균이며, 유기물의 대사경로, 대사속도 및 다른 미생물군과의 상호관계 등에 있어서 완전산화형 황산염 환원균과는 매우 다른 특성을 보인다. 즉, 이들은 폐수내의 휘발성 유기산을 불완전 산화시켜 아세테이트를 생성하는 한편, 황산염을 환원시켜 유입폐수의 pH를 높이고 산화환원 전위를 일정수준 이하로 유지하는 역할을 한다. 본 발명에 의하면, 황산염 환원부를 거친 처리수의 pH는 6.2 이상, 산화환원 전위는 -250 mV이하로 유지될 수 있다.

황산염 환원균의 반응 메카니즘을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

황산염 환원균은 전자수용체로 황산염을 사용하며, 티오황산염으로부터 출발하여 황화물을 생성시킨다. 유기물질이 다량 존재하는 경우 황산염 환원균에 의해 다음과 같은 반응이 일어난다.

유기물질 + SO₄ ^2-→ H₂S + CO₂

황산염이 환원되면 처리폐수의 pH가 증가하고, 황화수소의 일부는 용해된다. 황화수소의 농도가 용해도보다 커지면 가스중으로 확산된다.

전자공여체(유기물질)와 황산염의 상대적 농도가 최종 생성물을 결정한다. 황산염의 농도가 물질대사에 필요한 유기물질의 농도보다 높은 경우에는 황산염 환원균이 충분한 전자를 공급받지 못하기 때문에 황산염을 완전히 황화물로 환원시키지 못한다. 따라서, 전체 환원반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

유기물질 + SO₄ ^2-→ [SO₃-SO₂-S₂O₃-S₂-HS-S] + CO₂

황산염 환원반응에 의해 생성된 황화수소 등은 금속 황화물 침전을 만드는데 사용될 수 있다. 2가 금속의 경우 금속 황화물 침전은 금속이온을 함유한 폐수가 황화수소 기체와 접촉할 때 다음과 같은 반응에 의해 발생한다.

M²⁺+ S^2-→ MS

일반적으로, 처리하고자 하는 폐수의 pH가 낮으면 S^2-의 용해도도 낮다. 폐수내의 모든 금속이온을 완벽하게 제거하기 위해서는 폐수의 pH를 높이거나 H₂S의 분압을 높여 폐수중 H₂S의 용해도를 높일 필요가 있다. 따라서, 본 발명은 1차 침전부에 석회석층을 도입하여 황화물을 중화시킴으로써 처리하고자 하는 폐수의 pH가 높아질 수 있도록 한 것이다.

본 발명은 또한, 상기 황산염 환원부의 미생물 고정화층에 아크릴아미드 및 알긴산염 혼합담체를 사용하는 것을 특징으로 한다. 상기 미생물 고정화층 역시 다공성 지지판에 의해 지지되기 때문에 황산염 환원균의 균체를 다공성 지지판의 눈금 직경보다 크게 유지하는 것이 중요하다. 미생물 고정화층을 지지하는 다공성 지지판의 눈금 직경은 약 1.0 내지 1.2 mm가 바람직하며, 상기 아크릴아미드 및 알긴산염 혼합담체는 고정화 장치의 운전방식에 따라 직경을 0.8 내지 5.0 mm 까지 조절할 수 있기 때문에 황산염 환원균의 균체를 다공성 지지판의 직경보다 더 크게 유지할 수 있다.

황화수소와의 반응에 의해 생성된 수불용성 금속황화물의 비중은 운전조건 및 금속의 종류에 따라 1.7 내지 4.5 g/cm³까지 다양하기 때문에 구리, 카드뮴과 같이 비중이 큰 금속의 황화물은 대부분 1차 침강부로 침강하며, 철이나 아연과 같이 비중이 작은 금속의 황화물은 유체표면의 상승속도에 따라 미생물 고정화층에 침적되지 않고 상향류에 의해 후속 단계인 메탄 생성부로 유입된 다음 2차 침전부에서 침강된다.

유기산 및 다양한 금속 황화물을 포함하는 폐수는 계속 상향하여 메탄 생성부로 유입된다. 메탄 생성부에는 메탄 생성균이 우점종으로 존재하는 미생물 그래뉼이 다공성 지지판에 의해 지지되어 있다. 미생물 그래뉼은 상향류식 혐기성 슬러지 반응기(UASB; Upflow Anaerobic Sludge Blanket)로 운전되는 처리 시스템에서 얻을 수 있으며, 일반적으로 2 내지 5 mm의 직경을 갖고 있다. 체인형 메탄생성균이 그 구조의 골격을 이루고 있기 때문에 메탄생성균의 활성만 유지된다면 그래뉼의 형태는 유지된다.

메탄 생성균은 수용성 유기물을 메탄(수불용성 가스)으로 전환시키는 역할을 한다. 메탄 생성반응은 유기산이 증가하여 pH가 낮아질수록 반응성이 저하되는 특징이 있다. 메탄생성균 역시 완전 혐기성균이며, 그 예로는 메타노박테리움(Methanobacterium), 메타노사르키나(Methanosarcina), 메타노코쿠스(Methanococcus) 등이 있다.

메탄생성균은 유기산을 양분으로 사용하여 이산화탄소와 메탄을 생성시키는데, 완전 혐기성균이기 때문에 용존산소가 존재하면 죽게 되며 산화물이 있으면 활동이 중단된다. 따라서, 균의 성장을 위해서는 H₂S와 같은 환원제가 있어야 하며, pH의 변화나 기타 환경의 변화에 대단히 민감하다. 본 발명의 황산염 환원 과정을 거친 처리수는 pH 6.2 이상, 산화환원 전위는 -250mV 이하로 유지되어 메탄 생성반응에 적합한 조건을 갖고 있다.

따라서, 황산염 환원부로부터 유입되는 처리수 중의 유기산은 메탄 생성균에 의해 완전분해되어 메탄 및 이산화탄소로 전환된다. 한편, 황산염 환원부에서 생성된 수불용성 금속 황화물은 아무런 변화없이 메탄 생성부를 통과하여 후속 단계인 2차 침전부로 유입된다.

즉, 1차 침전부, 황산염 환원부 및 메탄 생성부를 거치면서 부유성 고형물의일부, 황산염 이온, 용존 중금속 및 휘발성 유기산 등이 제거된 처리수는 수불용성 금속 황화물, 수불용성 가스 및 부유성 고형물을 함유한채 상향하여 2차 침전부로 유입된다.

상향류 표면의 상승력에 의해 처리수와 함께 상승하여 2차 침전부에 도달한 부유성 고형물 및 금속 황화물의 침전작용은 중력 및 마찰력에 의한 하강력과 상향류에 의한 상승력 및 부력에 의해 조절된다. 따라서, 리사이클링 등에 의해 상향류에 의한 상승력을 조절함으로써 원하는 침전 효과를 얻을 수 있다. 금속황화물은 금속수산화물과 달리 비중이 크고 안정적이기 때문에 침전시키기 위해 응집제 투여와 같은 별다른 수단을 취할 필요가 없다.

2차 침전부는 침강하는 물질들을 수집하기 위하여 침전물 분리 경사판을 포함하고 있다. 침전물 분리 경사판은 2차 침전부의 벽면을 따라 길이 방향으로 복수개로 설치하는 것이 바람직하다. 침전물 분리 경사판 상에 수집된 침전물은 중력에 의해 벽면을 향해 미끄러진 후 분리 경사판에 상응하는 침전물 배출구를 통해 용이하게 배출된다.

메탄 생성부에서 생성된 수불용성 가스는 가스 배출구를 통해 배출된다. 가스 배출구를 통해 배출된 수불용성 가스는 메탄 및 이산화 탄소외에도 황화수소를 일부 포함하고 있는데, 황화수소는 배출과정에서 공기와 접촉하여 대부분 황으로 산화되기 때문에 황원소로서 회수할 수 있다.

최종적으로 2차 침전부에서 부유성 고형물, 금속 황화물 및 수불용성 가스 등이 제거된 처리수는 웨어를 거쳐 처리수 방출구를 통해 방류된다.

웨어는 유체의 흐름이 방출구로 집중되어 사공간(dead space)이 형성되는 것을 방지한다.

폐수의 수리학적 체류시간은 폐수에 함유된 휘발성 유기산의 종류 및 농도, 황산염 및 중금속의 농도에 따라 결정되며 pH 2.7 내지 9의 유입폐수에 대하여 약 1일 내지 5일이 바람직하다. 즉, 폐수중의 황산염 농도가 중금속 농도보다 큰 경우에는 총유기탄소 농도(몰 농도)가 황산염 농도의 약 1 내지 4배가 되도록 조절하며, 황산염 농도가 중금속 농도보다 작은 경우에는 황산염 농도가 중금속 농도의 1배 이상이 되도록 외부에서 황산염을 공급하고 총유기탄소 농도는 황산염 농도의 1 내지 2배가 되도록 조절한다.

폐수의 수리학적 쳬류시간과 밀접한 관련이 있는 상향류 표면의 상승속도는 2차 침전부에서 금속황화물의 회수에 있어서 중요한 인자로 작용하는데, 예를 들어 FeS를 2차 침전부에서 침전시켜 회수하려면 약 1 내지 3 cm/hr의 표면상승속도가 요구된다.

결론적으로 본 발명의 혐기성 반응기에서 수행되는 폐수처리 과정을 요약하자면, 1차 침전부에서는 일부 금속 화합물을 포함한 고형물을 효율적으로 제거하고 용존 황화물을 중화시켜 처리수의 pH를 높여 황산염 환원균의 생장에 적합한 조건으로 만들고, 황산염 환원부에서는 유기물을 분해하는 한편 황산염을 환원시켜 용존 중금속을 수불용성 황화물 형태로 전환시킨다. 이와 같은 반응을 거치면서 처리수의 pH와 산화환원 전위는 메탄생성균의 생장에 적합한 조건으로 유지된다. 생장에 적합한 조건을 갖춘 메탄 생성균은 그 활성이 안정화되어 유기산의 불완전산화에 의해 생성된 아세테이트를 수불용성 가스인 메탄이나 이산화탄소로 전환시킴으로써 폐수중의 유기산 또한 완벽하게 제거될 수 있다. 따라서, 황산염, 중금속 및 유기산의 안정적이면서도 효율적인 제거가 가능하며, 다양한 산업폐수의 처리에 응용될수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 보다 상세하게 서술하고자 하나, 본 발명이 이에 한정되는 것이 아님은 물론이다.

도 1에서, 황산염 및 중금속 이온을 함유하는 산성 또는 중성의 폐수는 유입구(11)를 통해 반응기의 1차 침전부(10)에 도입된다. 1차 침전부(10)는 그 하단부로부터 소정 간격을 두고 수평으로 장착된 눈금 직경 1 내지 2mm의 제 1 스크린(31)을 구비하여 석회석층(13)을 지지한다. 석회석층(13)은 폐수중의 황화물과 반응하여 처리하고자 하는 폐수의 알칼리도를 높이는 역할을 한다.

유입 폐수중의 중금속은 석회석의 주성분인 탄산칼슘 등과 반응하여 금속 수산화물이나 금속 탄산화물 형태로 전환된다.

유입구(11)를 통해 공급된 폐수는 유입구(11)와 연결되어 수직으로 솟아 있는 폐수 공급관(12)을 통과한 다음 석회석층(13)내에 장착된 매니폴드(20)을 통해 직접 석회석층(13)내로 분산된다. 따라서, 본 발명에 의하면 석회석층(13)과 접촉하기전 pH가 낮은 유입폐수에 상기 금속 수산화물이나 금속 탄산화물이 노출되지 않기 때문에 금속 이온이 폐수에 재용해될 우려가 없다.

본 실시예에 있어서, 유입구(11) 및 폐수 공급관(12)을 통해 공급된 폐수를 석회석층(13)내로 공급하는 매니폴드(20)는 폐수의 균일한 분산을 위하여 도 2에 도시된 바와 같이 복수개의 구멍(22)이 형성된 분기관(24)이 방사상으로 뻗어있는 구조를 갖는다. 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선에 따른 단면도이다.

1차 침전부(10)에서는 상향류에 의한 부상력보다 밀도가 큰 고형물 및 금속 수산화물이나 금속 탄산화물은 배출구(15)를 통해 배출된다. 1차 침전부(10)의 기저부(14)는 침전물의 배출이 용이하도록 경사면으로 되어 있다.

고형물 및 중금속의 일부가 제거된 폐수는 제 2 스크린(32)을 통과하여 황산염 환원부(40)로 도입된다. 미생물 고정화층(41)을 지지하는 역할을 하는 제 2 스크린(32)의 눈금 직경은 1 내지 1.5 mm인 것이 바람직하다.

상기 미생물 고정화층(41)은 아크릴아미드 및 알긴산염 혼합 담체를 사용함으로써 황산염 환원균의 균체를 스크린의 눈금 직경보다 더 크게 유지할 수 있다.

황산염 환원부(40)는 불완전산화 황산염 환원균이 우점종으로 존재하는 미생물 고정화층(41)을 포함한다. 불완전산화 황산염 환원균은 1차 침전부(10)로부터 유입되는 폐수내의 휘발성 유기산 및 고분자 유기물을 아세테이트, 수소 및 이산화탄소로 분해시키는 과정에서 다량의 황산염을 황화수소로 환원시킨다. 황화수소는 중금속 이온과 반응하여 수불용성의 금속 황화물을 생성한다. 따라서, 상향류에 의해 미생물 고정화층(41)을 통과한 처리폐수 중에는 다양한 금속 황화물이 포함되어 있다. 상기 황산염 환원 과정을 거치면서 처리 폐수의 pH는 6.2 이상, 산화환원전위는 -250 mV 이하로 유지되어, 후속되는 메탄 생성반응에 적합한 조건으로 된다.

아세테이트 및 금속 황화물을 포함하는 폐수는 제 3 스크린(33)을 통과하여 메탄 생성부(50)로 유입된다. 메탄 생성부(50)에는 메탄 생성균이 우점종으로 존재하는 미생물 그래뉼(51)이 눈금 직경 1 내지 2 mm 의 스크린(33)에 의해 지지되어 있다. 따라서, 황산염 환원부로부터 유입되는 폐수중의 아세테이트를 비롯한 유기산은 메탄 생성균에 의해 완전분해되어 메탄 및 이산화탄소로 전환된다.

황산염 환원부(40)에서 생성된 수불용성 금속 황화물은 아무런 변화없이 메탄 생성부(50)를 거쳐 2차 침전부(60)로 유입된다.

따라서, 1차 침전부(10), 황산염 환원부(40) 및 메탄 생성부(50)에서 부유성 고형물의 일부, 황산염 이온, 용존 중금속 및 휘발성 유기산 등이 제거되어 수불용성 금속 황화물, 부유성 고형물 및 수불용성 가스 만을 함유한 처리폐수는 2차 침전부(60)로 유입된다.

2차 침전부(60)의 벽면에는 침전물 분리 경사판(61)이 장착되어 있다. 상향류 표면의 상승력에 의해 처리 폐수와 함께 상승되어 2차 침전부(60)의 최고수면(A)에 도달한 부유 고형물 및 금속 황화물은 상승력의 영향이 사라지면서 침강하게 되는데, 이때 침전물 분리 경사판(61)은 침강하는 물질들을 수집하여 침전물 배출구(65)쪽으로 이동시키는 역할을 한다.

침전물을 확실하게 수집하기 위하여 2차 침전부(60)의 벽면을 따라 길이 방향으로 침전물 분리 경사판(61) 및 침전물 배출구(65)를 복수개 설치하는 것이 바람직하다.

메탄 생성부(50)에서 생성된 수불용성 가스는 가스 배출구(64)를 통해 배출된다. 가스 배출구(64)를 통해 배출된 수불용성 가스는 메탄, 이산화탄소 외에 황화수소도 일부 포함하고 있으며, 후처리 장치(미도시)에 의해 처리된다.

이상과 같이 부유 고형물, 금속 황화물 및 수불용성 가스 등이 제거된 처리 폐수는 처리수 방출구(63)를 통해 방류된다. 방출구(63)에 인접하여 반응기 내벽에 장착된 웨어(62)는 상층부에서 유체의 흐름이 방출구(63)로 집중되어 사공간이 형성되는 것을 방지하며, 그 길이가 길수록 바람직하다.

이하에서는 실제로 도 1의 혐기성 반응기를 사용한 경우와 기존의 다양한 폐수처리방법을 사용한 경우의 폐수처리 결과를 비교하여 보았다.

<실시예>

도 1에 도시된 장치를 사용하여, 유기물 부하량 1500 내지 3000 ppm, 중금속 농도 500 ppm, pH 5의 폐수를 상온에서 수리학적 체류시간 1 내지 3일의 조건으로 처리하였다.

<비교예 1>

유기산 생성조 및 메탄 생성조로 구성된 처리계를 사용한 것을 제외하고는 실시예와 동일한 조건으로 처리하였다.

<비교예 2>

기존의 하수처리장 시설을 사용한 것을 제외하고는 실시예와 동일한 조건으로 처리하였다.

<비교예 3>

황산염 환원조로 구성된 처리계를 사용한 것을 제외하고는 실시예와 동일한 조건으로 처리하였다.

<비교예 4>

혐기성 하수슬러지로 구성된 처리계를 사용한 것을 제외하고는 실시예와 동일한 조건으로 처리하였다.

실시예 및 비교예 1-4의 방법으로 처리된 폐수의 수질을 비교하기 위하여 총유기탄소, 화학적 산소요구량, 중금속, 아세테이트, 프로피오네이트 및 황산염의 함량을 다음과 같은 방법으로 측정하였다.

(1) 총유기탄소(TOC)

시료를 공극 크기 0.22 ㎛의 셀룰로오스 아세테이트 멤브레인으로 여과하여 얻은 여액을 TOC-500(시마쯔사 제품)으로 분석하였다.

(2) COD

랭거법(Dr. Langer Method)을 이용하여 CODcr을 측정하였다. 즉, COD 시약이 든 흡수셀(cuvette)에 시료 2ml를 첨가한 다음 2시간 동안 148℃에서 반응시키고, 상온으로 식은 다음 620 nm에서 흡광도를 측정하였다.

(3) 중금속

고주파유도결합 플라즈마 스펙트로미터(ICP, Jobin-Yvon 38)를 이용하여 양이온의 농도를 측정하였다.

(4) 휘발성 유기산(아세테이트 및 프로피오네이트)

워터스사(Waters Co.)의 HPLC를 이용하여 측정하였다. 칼럼은 아미넥스(Aminex)사의 HPX-87X, 용출액은 0.01M 황산을 사용하였으며, 용출속도는 0.6 ml/min으로 하였다. UV 검출기를 이용하여 210 nm에서 검출하여 정량화하였다.

(6) 황산염

황산염을 비롯한 음이온을 이온 크로마토그래피(DX-100, Dionex)를 이용하여 분석하였다. 칼럼은 Dionex ASA-SC 4mm(10-32) S/N과 Dionex P/N 37024로 구성하였다. 음이온 용출액으로는 Na₂CO₃(1.8 mM) 및 NaHCO₃(1.7 mM)를 사용하였고, 용출속도는 0.7 ml/min으로 하였다. 전도도 측정기를 이용하여 음이온을 검출하였다.

구 분	제 거 효 율 (%)
구 분	TOC	COD	중금속	아세테이트	프로피오네이트	황산염
실시예	95-99	75-85	99 이상	95-99	95-99	95-99
비교예 1	85-95	85-95	30-60	90-99	50-75	20-40
비교예 2	85-99	85-99	60-85	90-97	50-95	60-90
비교예 3	30-75	30-75	80-99	30-50	75-95	80-95
비교예 4	55-85	55-85	60-90	60-80	60-80	60-85

표 1의 결과를 보면, 본 발명의 혐기성 반응기를 사용하여 처리한 폐수의 수질이 COD를 제외하고는 더 우수함을 알 수 있다. 비교예 1 및 2와 비교하여, 실시예의 COD 제거효율이 낮은 것은 폐수중의 황산염이 대부분 황화물로 전환되어 결과적으로 COD가 상승한 것으로 생각된다. 따라서, 처리수가 공기와 접촉하는 시간을 늘려 황화물의 산화를 유도하면 COD 제거효율도 상승하게 될 것이다.

특히, 본 발명의 혐기성 반응기는 황산염 환원 능력이 우수하여, 유입폐수 중의 중금속 농도가 1500 ppm으로 높은 경우에도 중금속 제거효율이 높게 나타났다.

본 발명은 석회석에 의한 산성 폐수의 중화 및 고형물 제거, 황산염 환원, 유기산 분해 및 메탄 생성, 수불용성 금속 황화물 및 가스 제거와 같은 일련의 폐수 처리 공정을 하나의 반응기에서 수행함으로써 처리공정을 혁신적으로 단순화하여 부대 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 폐수의 혐기성 처리에 필요한 미생물의 생장조건을 안정적으로 유지할 수 있어 황산염 및 중금속을 함유한 산업폐수를 효율적인 처리가 가능하다.

Claims

폐수처리용 혐기성 반응기에 있어서,

처리하고자 하는 폐수를 상향류로 공급하기 위하여 상기 반응기의 기저부에 인접하여 구비된 폐수 유입구, 상기 기저부로부터 소정 높이에 다공성 지지판에 의해 지지되는 석회석층, 상기 폐수 유입구와 연결되어 상기 석회석층내로 유입폐수를 공급하기 위한 폐수 공급수단 및 상향류의 상승속도에 의한 부상력보다 비중이 큰 침전물을 제거하기 위한 1차 침전물 배출구를 포함하는 1차 침전부;

상기 1차 침전부의 인접한 상류에 다공성 지지판에 의해 지지되며 불완전산화 황산염 환원균이 우점종으로 존재하는 미생물 고정화층을 포함하는 황산염 환원부;

상기 황산염 환원부의 인접한 상류에 다공성 지지판에 의해 지지되며 메탄 생성균이 우점종으로 존재하는 미생물 그래뉼층을 포함하는 메탄 생성부; 및

반응기의 중심으로부터 바깥쪽으로 경사지도록 반응기의 내벽에 장착된 복수개의 침전물 분리 경사판, 상기 침전물 분리 경사판에 각각 상응하는 복수개의 2차 침전물 배출구, 상기 반응기의 정상부에 인접하여 구비된 처리수 방출구 및 상기 반응기의 정상부에 구비된 가스 배출구를 포함하며, 상기 메탄 생성부의 상류에 위치하는 2차 침전부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수처리용 혐기성 반응기.
제1항에 있어서, 상기 폐수 공급수단이 상기 유입구와 연결되어 반응기내에수직으로 솟아 있는 폐수 공급관 및 상기 폐수 공급관의 단부에 연결되어 수평방향으로 뻗어 있으며 복수개의 구멍이 형성된 방사상 분기관을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기.
제1항에 있어서, 상기 기저부가 상기 반응기의 중심으로부터 바깥쪽으로 경사진 경사면으로 이루어지며, 상기 1차 침전물 배출구가 상기 경사면의 단부와 소통하는 것을 특징으로 하는 반응기.
제1항에 있어서, 상기 황산염 환원부의 미생물 고정화층이 아크릴아미드 및 알긴산염 혼합 담체를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기.