KR20000049936A - 매립지 침출수의 고도처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 혐기-변형호기-역삼투 여과 시스템을 근간으로 하여 매립진행정도에 따라 변화하는 매립지 침출수의 물리화학적 성상에 유연하게 대처할 수 있는 고도처리방법을 제공함으로써 매립경과에 따른 침출수 수질변동에 적극적으로 대처할 수 있으면서 비용절감 등의 여러 경제적 이득을 추구하고자 하는 것이다.

즉, 본 발명은 혐기성 소화조 또는 탈질조로 유연하게 이용될 수 있는 혐기조(1)에서 유기물질을 제거하고 변형 호기조(2)는 매립초기 고농도 침출수에 대하여 무산소조로 작용하여 회송되어진 질산염을 혐기조에서 생성된 유기산을 이용하여 탈질을 수행하고 아울러 슬러지 전탈질조로 작용하여 인성분의 제거효율을 향상시킨다. 호기조(3)에서 질산화된 질산염을 슬러지 회송펌프(12)를 이용하여 변형 호기조(2)로 회송시켜 탈질하거나 외부회송펌프(13)를 이용하여 매립 경과년수에 따라 변형 호기조(2) 또는 혐기조(1)로 회송시켜 탈질시키는 공정, 회송으로 제거되지 않는 잉여 질산염은 모래여과조(6)에서 추가 탈질 및 부유물질을 제거하고 역삼투여과(7)로 농축한 후 매립지에 살포하여 혐기화 되어 있는 매립층의 풍부한 유기물로 완전 탈질시켜 제거하는 공정, 생물학적 처리를 통하여 제거되기 어려운 난분해성 COD 물질 역시 역삼투여과(7)에서 농축시켜 매립지로 회송하여 장시간 매립층 내에서 체류하며 혐기적으로 분해되도록 하는 공정, 그리고 침전조에서 유출되는 유출수의 잔존 부유물질등을 모래여과(6)와 역삼투여과(7)로 제거하는 공정으로 된 것에 요지가 있다.

Description

매립지 침출수의 고도처리방법{An elevated disposal process for the leakage water of reclaimed land}

본 발명은 혐기조와 변형호기조 및 역삼투 여과를 이용한 고농도의 유기물과 질소성분을 함유하는 매립지 침출수의 고도처리방법에 관한 것이다.

침출수는 특징적으로 매립 초기에는 고농도의 유기물질과 질소성분을 함유하나 매립 경과 년 수가 3~5년이 경과되면 유기물질의 농도가 급격히 감소하고 반면에 질소성분은 그다지 감소하지 않는다.

그리고 침출수는 난분해성 물질을 많이 포함하고 있다는 특징이 있다.

따라서, 매립장 설계시 침출수를 처리하기 위한 방법으로 화학 응집제를 이용한 응집 처리를 실시한 뒤, 혐기조로 유입시켜 유기물을 70% 이상 제거시키고 뒤에 장기폭기조 형태인 호기조에 유입시켜 유기물 제거를 마무리하는 방법을 일반적으로 이용하며, 난분해성 물질을 제거하기 위해 펜톤(Fenton) 산화 등 고급 산화법을 이용하기도 한다.

기존의 이러한 공법은 우선 침출수의 전처리로 이용되는 응집처리의 효율이 20% 미만이라는 단점이 있고, 매립 초기에 발생되는 침출수에는 고농도의 유기물질이 함유되어 있으므로 혐기조가 반드시 필요하나 매립지가 안정화되고 난 뒤에 발생되는 침출수에는 생물학적으로 분해 가능한 유기물이 거의 없으므로 혐기조가 무용화 되어버린다는 단점이 있다.

게다가, 기존의 공법은 혐기조의 HRT가 10~15일, 크게는 30일까지 되어 유기물 산화는 충분히 이루어지나 침출수에 함유된 고농도의 질소성분의 제거는 기대하기 어려워 처리수가 수계로 방류되었을 때 부영양화의 원인을 제공할 수도 있다는 단점을 가지고 있었던 것이다.

이에 본 발명에서는 혐기조, 변형호기조, 호기조 및 역삼투 여과조로 구성된 생물학적, 물리화학적 처리방법을 통해 매립연령,강우량에 따라 급격히 변화하는 매립장 침출수 유기물 농도에 때하여 유연하게 적응하면서 유기물 및 질소성분 등의 영양염류와 부유물질 등을 제거할 수 있으며, 본 발명에 도입된 물리화학적 처리공정은 원심력식 고액 분리와 모래여과, 역삼투 여과 공정만으로 제한하여 과도한 약품사용으로 인한 침출수 처리비용의 증대를 방지하는 한편, 혐기성 소화와 삼투막에 각각 악영향을 미치는 금속염과 고분자 응집제의 사용을 최소화하고, 약품비용이 높은 난분해성 유기물질과 잉여 질산염제거를 위한 별도의 공정은 역삼투 여과로 대체하여 약품사용을 최소화하여 경제적이고 효율적인 침출수 처리방법을 제공함에 발명의 기술적 과제를 두고 본 발명을 완성한 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예가 적용되는 시스템의 개략도

■ 도면의 주요부분에 사용된 부호에 대한 설명 ■

1:혐기조 2:변형호기조

3:호기조 4:고액분리장치

5:침전조 6:모래여과조

7:역삼투 여과장치 8:매립지 살포를 위한 유출관

9:방류를 위한 유출관 10:역삼투 여과에서 농축된 농축수

11:(원수 유입을 위한)펌프 12:슬러지 내부회송 펌프

13:슬러지 외부회송 펌프 14:혐기조 내부순환 펌프

본 발명에서는 혐기조와 변형호기조, 역삼투 여과조로 구성된 시스템으로 혐기조에서는 단순한 메탄전환에 의한 유기물 제거뿐만 아니라 호기조에서 질산화된 것을 회송시켜 탈질을 동시에 수행하여 질소성분을 제거할 수 있고, 매립진행 정도에 따라 변화하는 매립지 침출수의 물리화학적 성상에 유연하게 대처하는 고도처리 시스템을 운용하기 위해서 COD40,000 mg/L 이상의 고농도 유기물을 함유한 매립 개시기에는 생물학적 처리 시스템을 혐기 - 무산소 - 호기로, 유기물질의 농도가 격감하는 매립 초기에서 중기까지는 혐기 - 호기시스템으로, 그리고 안정화 상태에 이른 말기에는 혐기조를 무산소 탈질조로 이용하는 방법을 도입하였다.

그리고 본 발명은 전단 생물학적 처리의 혐기성 소화조에서 유기산 발효, 메탄생성, 황환원 등의 반응이, 무산소조에서는 탈질 그리고 호기조에서는 탄소성 유기물과 질소 성분의 산화반응이 진행되는데, 이때 이용되는 미생물은 일반적이며 가장 흔히 관찰되는 미생물들로써, 최근 국내 하폐수 처리장에 도입되어 막대한 유지비용을 발생시키면서도 그 효용성이 의문시되는 특수 미생물을 활용한 여타 공정들과는 근본적인 차이점을 가지는 장점이 있다.

또한 침출수 중에 포함되어 있는 고농도 암모니아성 질소는 호기조에서 완전 질산화되어 외부회송과 슬러지 반송으로 혐기조와 변형호기조에서 각각 탈질되어 제거되나 이때 회송으로 완전히 제거되지 않는 잉여 질산성 질소는 역삼투 여과를 통하여 농축한 후, 매립지에 살포, 혐기화 되어 있는 매립층의 풍부한 유기물로 완전 탈질되어 제거되어지도록 하였다.

아울러 생물학적 처리를 통하여 제거되기 어려운 난분해성 COD 물질 역시 이 역삼투 여과과정에서 농축, 매립지로 회송시켜 장구한 기간동안 매립층 내에서 체류하며 혐기적으로 분해되어지도록 한 것이다.

또한, 침전조에서 제거되지 않은 미세 잔존 부유물질 등은 후단 모래여과조에서 제거할 수 있으며, 호기조에서 완전 탈질되지 않은 잉여 질산성 질소 역시 본 모래여과조에서 부분적으로 탈질될 수 있도록 하였다.

이러한 사항들을 종합해 볼 때 본 발명이 제시하고 있는 공정은 저비용, 고효율의 침출수 처리방법의 한 대안으로 충분한 장점을 지니고 있는 것이다.

이하 본 발명을 첨부도면과 함께 상세히 설명키로 한다.

도 1은 발명이 일실시예가 적용되는 혐기조, 호기조, 역삼투 여과조로 이루어진 전체 시스템을 개략적으로 도시한 것으로,

본 발명은 혐기성 소화조 또는 탈질조로 유연하게 이용될 수 있는 혐기조(1)에서 유기물질을 제거하고 호기조(3)에서 질산화를 유도하며 호기조(3)에서 질산화된 질산염을 슬러지내부회송펌프(12)를 이용하여 변형호기조(2)로 회송시켜 탈질하거나 슬러지외부회송펌프(13)를 이용하여 매립 경과 년수에 따라 변형호기조(2) 또는 혐기조(1)로 회송시켜 탈질시킨다.

이때 회송으로 제거되지 않는 잉여 질산염은 모래여과조(6)에서 부분적으로 추가 탈질을 하고 역삼투여과장치(7)로 농축한 후 매립지에 살포하여 혐기화 되어 있는 매립층의 풍부한 유기물로 완전 탈질시켜 제거한다.

또한, 전단 혐기조(1) 및 호기조(3) 등을 거치면서 생물학적 처리를 통하여 제거되지 않은 난분해성 COD 물질 역시 역삼투여과장치(7)에서 농축시켜 매립지로 회송하여 장시간 매립층 내에서 체류하며 혐기적으로 분해되도록 한다.

그리고 침전조(5)에서 유출되는 유출수의 잔존 부유물질 등은 모래여과조(6)와 역삼투여과장치(7)로 제거토록 한다.

혐기성 소화 유출수를 고액분리하여 액체성분만 후단 무산소조와 호기조로 유입시키기 위해 고액분리장치(4)가 설치되고 호기조(3) 유출수의 슬러지를 침전시키기 위한 침전조(5)가 설치된다.

또한, 혐기조(1)에서는 침출수 원수 유입을 위한 펌프(11)와 혐기조(1) 내부 순환을 위한 내부순환펌프(14)가 각각 설치된다.

본 발명은 상기한 혐기조(1)와 호기조(3), 그리고 역삼투 여과장치(7)를 이용하여 매립지에서 발생하는 고농도 침출수를 고도처리하는 방법을 제공함에 특징이 있다.

이하, 본 발명을 하나의 실시예를 통하여 더욱 상세히 살펴보면 다음과 같다.

(실시예)

매립호기 침출수를 대상으로 하여 혐기 반응기의 수리학적 체류시간(이하 HRT) 4일, 무산소 상태의 변형호기조 HRT 2일 후속 호기조 HRT 6일로 운전하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

이때 혐기조의 충진물은 가로 세로 높이가 각각 55m 인 메트형 담체를 이용하여 반응조 용적대비 70%로 충진하여 사용하였다.

초기 침출수의 유입 COD_cr이 41,960mg/l이고 용적부하가 13kg/㎥·d일 때 혐기조 유출수가 3020mg/L로 92%의 COD_cr제거효율을 보였다.

생물학적 산소요구량인 BOD₅의 결과는 31,655mg/L로 유입되어 혐기조의 유출수 결과는 1135mg/L로 98%의 제거효율을 얻을 수 있었다.

혐기조에서의 최대 유기물 제거율은 16kg/㎥·d를 얻었다.

그리고 혐기조에서 또 다른 목적인 질산염의 제거결과는 회송수의 질산염 농도가 450mg/L에서 탈질조에서는 거의 0이므로 100%에 달하는 탈질효율을 얻었다.

혐기조에서 발생되는 biogas의 조성이 CH₄65-75%, CO₂20-30%, N₂2-5%로 구성되어, 메탄 함량이 평균 70% 이상을 유지하여 발생하는 biogas도 에너지로 충분히 사용할 수 있었다.

매립초기 침출수에 대하여 무산소조로 변형호기조의 역할은 혐기조에서 미처 제거되지 않은 유기물을 탈질의 기질로 활용 제거하여 후단 호기조에 유기물 부하를 저감시킴으로써 질산화 세균을 우점화하여 원활한 질산화를 유도하는 것이다.

변형 호기조로 유입되는 COD_cr은 3020mg/L이고 최종 유출수는 836mg/l로 혐기-변형호기 시스템의 전체적인 제거효율은 97%를 얻었다.

BOD₅는 1135mg/L로 유입되어 최종 유출수에서 검출되지 않아 총 제거효율은 100%를 얻었다.

호기조의 가장 주요 역할인 질산화는 유입되는 농도가 1655mg/L(호기조 유입수 680mg/L)이고 유출되는 농도가 20mg/L 이하로 97%의 질산화를 얻었다. 이때의 용적당 질산화율은 0.75kg/㎥·d 였다. 이 결과는 일반 활성슬러지공법에서의 0.3~0.4kg/㎥·d 와 비교해 볼 때 배에 달하는 질산화율이다.

마지막으로, 매립이 안정화된 침출수를 혐기-변형호기 시스템을 이용하여 처리할 때 혐기조의 탈질조로의 이용 가능성에 대해 평가하였다.

매립이 안정화된 침출수의 성상은 COD_cr2112mg/L, BOD₅320mg/L, 암모니아성 질소 1589mg/L로 유기물의 농도는 크게 감소하였으나 암모니아성 질소의 농도는 크게 감소하지 않았다.

이러한 안정화된 매립지 침출수를 HRT가 각각 4일과 8일인 혐기조와 변형호기조를 운전하여, 호기조에서의 질산화효율은 유입수의 암모니아 농도가 1589mg/L(호기조 유입수 1589mg/L)이고, 유출수의 농도가 20mg/L이하로 97%를 얻을 수 있었고, 탈질조의 역할을 수행하는 혐기조에서 탈질효율은 10% 정도였으며, 보다 높은 탈질효율을 획득하기 위해 외부기질로 메탄올을 공급하였을 때 90%의 탈질효율을 얻었을 수 있었다.

그러나 본 발명에서는 난분해성 COD와 잔존 질산성질소를 제거하기 위하여 고가의 약품을 투입하는 것을 대신하여 생물학적 처리 후단에 회전 진동형 역삼투여과장치를 채용하여, 이를 농축 매립층에 회송 매립층내 풍부한 유기물을 통하여 탈질을 수행하고, 난분해성 물질을 매립층 내부에서 장기간 혐기성 분해가 이루어 질 수 있게 하였다.

실험결과 역삼투여과 유입수의 COD_cr이 평균 560 mg/L, NO₃-N 이 1,200 mg/L BOD₅가 1 mg/L 이하를 유지하는 경우 농축비를 80% (유입수 100, 처리수 80, 농축수 20)로 운전하여 COD_cr, NO₃-N, BOD가 각각 5, 10, 0.1 mg/L 이하의 처리수질을 획득하였다.

이상과 같이 본 발명은 혐기-변형호기-호기-역삼투 시스템을 이용한 침출수 처리에 이용함으로써,

1. 본 공정에 사용되는 물리화학적 처리공정은 원심력식 고액 분리와 역삼투여과 공정만으로 제한하여 과도한 약품사용으로 인한 침출수 처리비용의 증대를 방지하는 한편, 혐기성 소화와 삼투막에 각각 악영향을 미치는 금속염과 고분자응집제의 사용을 최소화하였고,

2. 약품비용이 높은 난분해성 유기물질과 잉여 질산염제거를 위한 별도의 공정은 역삼투여과로 대체하여 약품사용을 최소화하여 경제성을 도모하였고,

3. 짧은 막 수명으로 인한 빈번한 막 교체로 폐수처리장 운전 중단이 잦을 뿐만 아니라 교체비용이 높은 기존 역삼투 여과기에 회전 진동막 방식을 채용하여 막 표면의 오염과 공극의 막힘 현상을 최소화하도록 설계된 제품을 도입하여 이의 유지비용을 최소화하였고,

4. 혐기조에 메디아를 충진함으로써 고농도의 미생물 유지가 가능하여 침출수의 고농도 유기물 제거가 가능하고,

5. 혐기조에서 메탄전환에 의한 유기물 제거뿐만 아니라 탈질을 동시에 수행함으로써 관련설비를 줄일 수 있고

6. 혐기조에서 탈질 수행을 위해 유출수의 일부를 회송함으로써 혐기조에서의 희석효과로 암모니아성 질소의 농도가 호기조에서 질산화에 방해 영향을 미치는 농도에서 영향을 미치지 않는 농도로 감소시켜 질산화 효율을 증대시키고,

7. 혐기조에서 유기물을 충분히 제거한 후 호기조에서 질산화를 수행함으로 호기조내의 미생물중 질산화균의 분율을 증대시켜 질산화 효율을 증대시키고,

8. 기존의 처리공정에서 수행하기 어려웠던 영양염류의 제거를 공정별 단일 미생물 유지가 용이하도록 하여 제거효율을 최대화하여 가능하게 하였고,

9. 단일 혐기 반응조에서 메탄전환과 탈질을 동시에 수행함으로써 침출수 특성상 매립후반기에는 혐기조의 무용화를 극복할 수 있기 때문에 침출수의 처리시 매립진행중이나 매립완료후에도 안정적으로 시스템을 이용할 수 있고 경제적 효용성을 도모할 수 있는 것이다.

이상에서 상세히 살펴 본 바와 같이 본 발명의 혐기-호기-역삼투 여과 시스템을 이용한 매립지 침출수의 유기물 및 질소 제거방법은 혐기조와 호기조 및 역삼투 여과조로 구성된 생물학적, 물리화학적 처리방법을 통해 유기물 및 질소성분 등 영양염류와 부유물질 등을 제거할 수 있었으며, 본 발명에 도입되어 있는 물리화학적 처리공정을 원심력식 고액 분리와 모래여과, 역삼투 여과 공정만으로 제한하여 과도한 약품사용으로 인한 침출수 처리비용의 증대를 방지하는 한편, 혐기성 소화와 삼투막에 각각 악영향을 미치는 금속염과 고분자 응집제의 사용을 최소화하였고, 약품비용이 높은 난분해성 유기물질과 잉여 질산염제거를 위한 별도의 공정은 역삼투 여과로 대체하여 약품사용을 최소화하여 경제적이고 효율적으로 매립지에서 발생하는 고농도 침출수를 처리할 수 있는 것이다.

따라서, 본 발명에서 제시하고 있는 고농도 침출수 처리를 위한 혐기-호기-역삼투 여과 시스템을 이용한 침출수의 유기물 및 질소 제거방법은 다음과 같은 여러 이점과 경제적 효과 등을 기대할 수 있다.

1. 도시 폐기물 매립장에서 발생되는 침출수에 함유된 고농도의 유기물과 질소를 전처리 없이 제거가 가능하므로 도시 폐기물 매립장의 침출수 처리공정으로 이용될 수 있다.

2. 침출수뿐만 아니라 여타 고농도의 유기물과 질소를 동시에 함유된 폐수에 경제적이고 효율적인 공정으로 적용할 수 있다.

3. 매립경과에 따른 침출수 수질변동에 적극적으로 대처하여 효과적인 처리를 수행할 수 있다.

4. 경제적이면서도 고효율의 침출수 고도처리 및 난분해성 COD 제거를 이룰 수 있다.

5. 잉여 질산염 제거와 난분해성 COD 제거 공정을 역삼투 여과 하나만으로 처리할수 있도록 하여 공정 단순화를 통한 운전의 편이성을 확보할 수 있다.

Claims (3)

1. 매립장 침출수 농도변화에 따른 변형호기조(2)를 이용하여 매립지 침출수의 고도처리를 행하는 처리방법에 있어서;

   호기조(3)에서 질산화된 질산염을 원수 유입을 위한 펌프(11) 또는 슬러지 내부회송펌프(12)를 통해 회송시켜 탈질하며, 남는 잉여 질산염을 후단 역삼투 여과장치(7)에서 농축한 후 매립지에 살포하여 혐기화 되어 있는 매립층의 풍부한 유기물로 완전 탈질되어 제거되어지도록 하는 공정과,

   혐기조(1), 호기조(3) 등을 거치면서 생물학적 처리를 통하여 제거되지 않은 난분해성 COD 물질을 역삼투 여과장치(7)에서 농축하여 매립지로 회송시켜서 장기간 동안 매립층 내에서 체류하며 혐기적으로 분해되어지도록 하는 공정 및,

   침전조(5)에서 제거되지 않은 미세 잔존 부유물질 등을 후단 모래여과조(6)에서 제거하고, 호기조(3)에서 완전 탈질되지 않은 잉여 질산성 질소 역시 모래여과조(6)에서 부분적으로 탈질될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 매립지 침출수의 고도처리방법.
2. 제 1 항에 있어서;

   물리화학적 처리공정을 원심력식 고액분리장치(4)와 모래여과조(6), 역삼투 여과장치(7)를 경유하는 공정으로 처리하는 것을 특징으로 하는 매립지 침출수의 고도처리방법.
3. 제 1 항에 있어서;

   매립초기 고농도 유기성 폐수인 침출수 처리시 변형 호기조(2)를 무산소조로 하여 내부회송 탈질조, 슬러지 전탈질조로 이용하고, 매립중기에는 간헐폭기법을 이용하며, 매립후기에는 완전 호기조로 활용하여 질소 인의 제거효율 및 질산화 효율을 향상시키고, 약품 사용량을 저감시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 매립지 침출수의 고도처리방법.