KR20000060026A

KR20000060026A - 혐기성 철접촉조와 무산소-호기 순환 공정을 이용한 폐수의 고도처리 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20000060026A
Application number: KR1019990008048A
Authority: KR
Inventors: 현경학; 윤여진; 전석준; 최명수; 박혜영
Original assignee: 오시덕; 대한주택공사
Priority date: 1999-03-11
Filing date: 1999-03-11
Publication date: 2000-10-16
Also published as: KR100384350B1

Abstract

본 발명은 혐기성 철접촉조와 무산소-호기 순환 공정을 이용한 폐수의 고도처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 그 목적은 질소 제거를 목적으로 수행되는 무산소-호기 순환 공정과, 인 제거를 위한 철접촉재 혐기성조의 결합에 의한 고도처리 장치 및 방법을 제공하며, 그 구성은 폐수 원수로부터 조대 입자를 침전시키는 1차 침전조(1)와, 상기 조대 입자를 제거시킨 폐수를 유량조정조(2)에 통과시킨 후 인제거를 위해 철이온을 생성시키는 혐기성 철접촉조(3)와, 탈질 미생물과 반응시켜 질산성 질소를 탈질하는 무산소조(4)와, 무산소조를 거친 폐수의 암모니아성 질소 성분이 질산성 질소로의 질산화 및 혐기성 철접촉조에서 생성된 철이온이 정인산염과 반응하여 인을 제거하는 폭기조(5)와, 상기 탈질 및 철이온과의 결합에 의해 인이 제거된 폐수내의 슬러지를 침전시켜 침전 슬러지와 상등수로 분리하고, 침전 슬러지의 일부는 상기 무산소조로 반송하고, 침전 슬러지의 일부는 폐기하여 슬러지 저류조로 이송시키고, 상기 상등수는 처리수로 방출하는 2차 침전조(6)와, 폐기된 침전 슬러지를 최종 처분하기전 약 한달 정도 보관하여도 인방출이 일어나지 않도록 한 슬러지 저류조(7)로 이루어진 장치 및 처리방법을 가진다.

Description

혐기성 철접촉조와 무산소-호기 순환 공정을 이용한 폐수의 고도처리 장치 및 방법{Advanced treatment apparatus and method in wastewater using anaerobic reactor with iron media and anoxic-aerobic recycling process}

본 발명은 폐수 내의 질소 및 인의 처리를 위한 혐기성 철접촉조와 무산소-호기 순환 공정을 이용한 폐수의 고도처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 상세하게 설명하자면 생물학적 폐수 처리 공정 중 질소 제거를 위해 개발된 종래의 무산소-호기 순환 공정을 개량하여 무산소조 앞에 혐기성 철접촉조를 설치함으로써 유기물질 및 부유물질을 제거함과 동시에 질소, 인 등의 영양염류의 제거가 가능한 폐수 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명은 폐수 내의 유기물, 질소 및 인 농도의 고저와 비율에 크게 관계없이 폐수를 효율적으로 처리할 수 있으며 종래의 화학적, 생물학적 처리와 비교하여 시설관리의 용이성, 처리 효과의 안정성 등에서 우수한 기술이다.

즉, 혐기성 철접촉조에서의 황 환원 박테리아(Sulfate Reducing Bacteria ; SRB)에 의한 철접촉재의 부식 작용시 발생하는 철이온을 이용하여 인을 처리하고자 하는 발명이다.

후단의 무산소조, 호기조에서는 생물학적 질산화, 탈질 작용에 의한 질소 제거와 혐기성 철접촉조에서 발생한 철이온의 산화 작용에 의한 인 제거가 이루어진다.

본 발명에서 폐수란 일반 가정에서 배출되는 수세식 화장실의 분뇨 등을 포함하는 오수, 공장 배출 폐수 및 도시 등지에서 발생하는 제반 하수를 통칭하는 용어이다.

일반적으로 폐수 처리공정은 유기물질 및 부유물질 제거를 목표로 하는 2차 처리공정으로 질소 및 인과 같은 영양염류들의 제거 효율이 높지 않다.

일반 하수의 경우 인에 대한 탄소의 비율이 낮아 미생물이 세포 합성 과정에서 인을 흡수할 만큼의 충분한 탄소가 존재하지 않기에 인 제거 효율이 낮다.

그리고, 질소를 제거하기 위해서는 질산화 반응뿐만 아니라 탈질 반응을 거쳐야 한다.

질산화 반응은 기존의 생물학적 처리공정에서 수행될 수 있지만, 탈질 반응을 수행하기 위해서는 독립적인 탈질조가 있어야 한다.

이처럼 일반적인 생물학적인 처리공정에서는 질소와 인의 처리가 어렵다는 문제점이 있다.

질소는 인과 같이 존재하여 조류의 대량 발생을 유발시킬 수 있으며, 질산화 과정을 거치면서 산소를 다량 소모하여 산소 결핍 상태를 만들고, 암모니아는 그 자체의 독성으로 인해 1mg/L 이상이면 수생생물에게 독성을 나타내고, 아질산성 질소는 혈액 중의 헤모글로빈과 결합하여 태아에게 치명적인 methemoglobinemia라는 질병을 유발시키며 아민류와 결합하여 발암물질인 니트로스아민을 만든다.

그리고 질산성 질소도 태아의 장내에서 아질산성 질소로 환원되어 아질산성 질소와 같은 효과를 나타낸다.

이러한 미처리 영양염류의 공공수역으로의 유입은 보건상의 문제, 연근해의 적조현상과 정체수역의 녹조현상을 유발시켜 자연 생태계 교란, 수자원의 오염 등과 같은 문제점으로 나타나고 있다.

호수 및 하천의 수질 악화는 특히 양질의 상수원 확보를 어렵게 하고, 상수원의 부영양화에 따른 영향(이·취미의 발생, 여과장애, THM 생성 능력 증가, 정수처리 공정의 고도화)으로 정수처리 비용의 상승 등을 초래하게 된다. 따라서, 폐수처리에 있어 질소와 인의 처리는 수처리 과정에서 필수적으로 요구되고 있다.

현재까지 개발된 고도처리 공정은 생물학적 처리법과 화학적 처리법으로 크게 구분할 수 있다.

상기 생물학적 처리에 의한 질소와 인의 제거 원리는 다음과 같다.

질소는 암모니아와 같은 무기물 형태와 요소, 단백질과 같은 유기물 형태로 유입되고, 미생물에 의한 동화작용(Bacterial assimilation) 및 질산화 과정과 탈질 과정에 의해 대기 중으로 질소 가스가 배출되면서 제거된다.

암모니아성 질소는 미생물 성장에 필요한 필수영양소로 미생물의 동화작용에 의한 암모니아성 질소의 제거 속도는 미생물의 증식속도에 비례한다.

즉, 미생물에 의한 질소 제거량은 유입 폐수의 탄소원 농도 및 처리시스템의 운전 조건에 좌우된다.

미생물(C₅H₇NO₂)내 질소의 양이 미생물 건조무게의 약 12.4%에 해당되기에 미생물에 의한 암모니아성 질소의 제거는 다음 식 ①, ②와 같다.

------------------------------------- ①

= rate of nitrogen removal, lb/day

= rate of active biomass or biological sluge production, lb/day

활성슬러지법에서 암모니아성 질소의 미생물 동화작용에 위한 제거 정도는 BOD 제거율을 이용하여 구할 수 있다. 즉, 미생물의 증가속도는 필수영양소인 탄소원의 양에 따라 결정되므로 폐수중에서의 탄소원의 양을 대표하는 BOD을 사용하여 암모니아 질소 제거율을 나타낼 수 있는 것이다.

--------------------------- ②

미생물 증식계수(Yield coefficient, gVSS/gBOD)는 일반적으로 0.4 - 0.6 범위로 미생물 증식계수를 0.6이라 가정하면, 0.124×0.6 = 0.0744로 유입되는 탄소원양의 약 7.4%에 해당하는 암모니아성 질소는 미생물에 의해 흡수 제거된다고 볼 수 있다.

0.124 : 미생물(C₅H₇NO₂)내 질소의 양

0.6 : 미생물의 증식계수(Yield coefficient, gVSS/gBOD)

질산화 과정과 탈질 과정에 의한 대기 중으로의 질소가스 배출에 의해 제거방법을 살펴보면 다음과 같다.

질산화 공정은 용존산소가 충분히 존재할 경우에 무기탄소(탄산가스 : CO₂)를 새로운 세포의 합성에 사용하는 독립영양미생물인 질산화 미생물이 암모니아성 질소를 산화 질소로 전환시키는 과정이다.

폐수내 유기성 질소는 미생물에 의한 분해와 가수분해에 의해 암모니아성 질소로 전환된다. 암모니아성 질소는 암모니아의 산화로부터 에너지를 얻고 무기탄소로는 새로운 세포를 합성하는 독립영양미생물인 질산화 미생물에 의해 산화된다.

질산화 미생물인 Nitrosomonas와 Nitrobacter는 아래 반응에서 생성된 에너지를 세포성장과 유지에 사용한다. 에너지를 얻는 동안 암모니아성 질소의 일부는 세포질로 동화된다.

- 질산화 반응

1) 에너지 반응 1단계(느린 반응)

Nitrosomonas

2NH⁺ ₄+ 3O₂→ 2NO^- ₂+ 2H₂O + 4H⁺+ 새로운 세포 ------------ ③

2) 에너지 반응 2단계(빠른 반응)

Nitrobacter

2NO^- ₂+ O₂→ 2NO^- ₃+ 새로운 세포 ----------------------- ④

NH⁺ ₄+ 2O₂→ NO^- ₃+ 2H⁺+ H₂O

3) 총괄에너지 반응

1.83O₂+NH⁺ ₄+ 1.98HCO^- ₃→

1.04H₂O + 0.98NO^- ₃+ 1.88H₂CO₃+ 0.021C₅H₇NO₂--------------------- ⑤

또는

2O₂+NH⁺ ₄+ 2HCO^- ₃→ H₂O + NO^- ₃+ 2H₂CO₃

위 반응은 단계별 반응이 아닌 총괄에너지 반응형태로 이루어지며 Nitrosomonas가 Nitrobacter보다 더 많은 에너지를 얻을 수 있다.

이와 같은 질산화 미생물의 성장 속도는 종속영양 미생물에 비해 매우 작아 이들을 키우기 위해서는 긴 슬러지 체류시간(Sludge Retention Time ; SRT)이 필요하다.

- 탈질 공정

1) NO^- ₃→ NO^- ₂→ NO → N₂O → N₂

2) 탈질의 전체 반응

NO^- ₃+CH₃OH→N₂+CO₂+H₂O + OH^-

질산성 질소는 무산소조에서 탈질 과정을 거쳐 대기 중으로 N₂O, N₂의 형태로 방출된다. 탈질 미생물들은 환원효소(Reductase)를 가지고 질산성 질소를 질소가스로 탈질시킨다.

이들 탈질 미생물들은 최종 전자수용체로 질산성 질소(NO^- ₃- N)나 산소를 이

용하는 통성 호기성 박테리아(Facultative heterotrophic bacteria)들로 수처리 과정에서 충분히 존재하므로 적절한 조건만 만들어 주면 탈질이 가능하다.

- 질산화, 탈질 공정의 개요

생물학적 질소 제거를 위해서는 호기성 상태에서의 질산화와 무산소 상태에서의 탈질로 이루어진 2단계의 처리 공정이 필요하다.

암모니아성 질소에서 질산성질소까지의 질산화 과정에서는 Nitrosomonas, Nitrobacter가 작용하며, 질산성 질소에서 질소가스로 탈질되는 과정에서는 Aerobactor, Bacillus, Pseudomonas, Micrococus 등의 미생물이 작용한다.

질소제거 방법 중 생물학적 질산화, 탈질 공정은 처리효율이 높고, 공정의 안정성과 신뢰성이 높으며, 공정운전이 비교적 쉽고, 부지 소요면적이 적으며, 경제적이라는 장점이 있다.

통용되는 생물학적 인제거 방법은 다음과 같다.

Acinetobacter spp.와 같은 미생물을 혐기성과 호기성 상태에 교대로 노출시킴으로써 이들이 증식할 수 있는 조건을 인위적으로 유지시켜 인 용출과 과잉섭취를 유도하여 인을 제거하게 된다.

이러한 속(genus)에 속하는 일단의 미생물은 혐기성 상태하에서 세포내 poly-P가 ortho-P로 가수분해될 때 얻어지는 에너지를 이용하여 하수 중의 간단한 탄소화합물을 흡수하여 PHB(poly - β- hydroxybutyrate)나 PHV(poly - β- hydroxyvalerate)의 형태로 세포 내에 저장한다. 이때 분해된 인산염인(ortho - P)은 수용액중으로 방출된다.

혐기성 상태에서의 인 방출율은 유기물을 PHB 또는 PHV의 형태로 흡수, 저장할 수 있는 용존성 기질의 양과 형태에 관련이 있는데 저분자량의 지방산이 유리하다.

이 일단의 미생물이 호기성 상태에 다시 노출되면 세포 내에 저장된 탄소화합물인 PHB, PHV와 수중의 분해가능 유기물를 분해할 때 얻어지는 에너지를 이용하여 ATP를 만들어 하수 중의 용존 ortho-P를 과잉 섭취하여 다시 poly-P의 인과립(P-granule)형태로 다량 저장한다. 이때 슬러지를 폐기함으로써 인을 제거하는 것이다.

세포 속에 함유된 인은 일반 활성슬러지의 경우 2% 정도인데 비해, 혐기/호기 공정인 경우에는 4∼5%까지 증가하기도 한다.

상기의 성질을 이용한 질소, 인 동시 제거 공정에는 A²/O, 5단계 Bardenpho, MUCT 및 VIP 등의 방법이 있다.

우리나라 합류식 하수관거 유입수의 1차 처리수의 농도는 TCOD 180, TKN 25, TP 4mg/L 정도로 이러한 농도의 폐수를 기존의 질소, 인 동시 제거 공정으로 처리하면 탈질 및 탈인에 필요한 유기물이 모자라 처리효율이 40 ∼ 60%로 매우 낮다. 그리고, 내부 반송과 반응조의 증가 등 처리공정이 복잡해지고, 이에 따른 시공비의 증가, 유지관리시 전문 인력 필요성 증가 등의 문제가 생기게 된다.

질산화 미생물들은 성장 속도가 느려서 SRT(sludge retention time)를 되도록 길게 해주어야 하나, 인 제거 효과를 높이기 위해서는 인을 과잉 섭취한 슬러지를 많이 폐기시켜 주어야 하기에 SRT를 짧게 해주어야 한다.

이렇게 질소, 인을 제대로 제거하기 위해서는 다양한 특성의 탈질, 탈인 미생물들 각각의 활동 조건을 맞추어 주어야 하기 때문에 기존의 생물학적인 고도처리 방법으로는 인제거 미생물 및 질소제거 미생물들의 최적 성장 환경을 동시에 만족시켜주기가 어렵다.

따라서, 이런 방법의 경우 처리시설 운영이 어렵고, 특히 전문적인 지식이 없는 일반 관리인들이 주로 관리하는 중소규모 폐수처리장에 적용하기에는 현실적으로 많은 문제점을 안고 있다고 할 수 있다. 유입 폐수 중의 유기물 농도가 낮은 경우에는 특히 많은 문제를 일으켜 인 제거나 질소 제거가 전혀 이루어지지 않는 경우도 발생할 수 있다.

인의 화학적 처리는 약품을 이용하여 인산염과 결합된 불용성 또는 낮은 용해도의 염을 만들고 이를 침전시켜 인을 제거하는 방법이다.

인 제거에 사용되는 주요한 약품(응집제)들에는 황산반토(Alum), 알류민산소다(Sodium aluminate), 염화제이철(Ferric chloride), 황산 제이철(Ferric sulfate), 석회 등과 제철과정의 부산물인 황산제일철(Ferrous sulfate)과 염화제일철(Ferrous chloride) 등이 있다. 그리고, 고분자중합체(폴리머)는 응집보조제로서 황산반토, 석회와 같이 효과적으로 사용된다.

Al⁺³+ H_nPO₄ ^3-n↔ AlPO₄↓ + nH⁺

10Ca⁺²+ 6PO^-3 ₄+ 2OH^-↔ Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂↓

Fe⁺³+ H_nPO₄ ^3-n↔ FePO₄↓ + nH⁺

알칼리도와의 반응물인 Fe(OH)₃를 형성하기 위해서는 염화제이철을 더 많이 투여하여야 한다. 여기서 수산화제이철은 인산제이철의 침전성을 향상시키는 작용을 하게 된다.

이론적으로 AlPO₄의 최소용해도는 pH 6.3이고, FePO₄의 최소용해도는 pH 5.3이다. 그러나, 실제 처리시 생물학적처리와 병행 가능한 pH 5.5 ∼ 7.0 범위에서도 양호한 인제거 효과를 얻을 수 있다.

약품 투입은 1차 침전지 앞, 폭기조, 폭기조와 최종 침전지 사이에서 투입할 수 있다. 최적의 투입 장소는 폭기조에서 최종 침전지로 가는 수로이다. 왜냐하면 난류가 형성되어 충분한 혼합이 이루어지고 유기성 인과 폴리인산염이 생물학적인 가수분해로 인하여 정인산염 형태로 전환된 이점을 살릴 수 있기 때문이다.

이러한 화학적 처리는 빠른 반응에 의해 신속하고 확실한 인제거 효과와 더불어 유기물, 부유물질의 제거효율을 증진시킬 수 있는 장점이 있고, 방류수의 인 농도를 1mg/L 이하로 얻고자 할 때에는 생물학적 인 제거 공정의 후속 공정으로 고려되기도 한다.

그러나, 인의 화학적 처리 방식은 약품구입 비용뿐만 아니라 막대한 양의 슬러지가 발생하여 슬러지의 처리 및 처분 문제를 유발시키기에 생물학적 인 제거 필요성이 촉진되었다.

인 제거 약품을 선정하기 위해서는 유입수의 인농도, 유입수의 부유물질 농도, 유입수의 알칼리도, 약품 비용, 슬러지 발생량 및 타 공정과의 양립성 등을 고려해야 하는 단점도 있다. 그리고, 화학적 처리시의 근본적인 단점은 무엇인가가 첨가됨으로써 폐수 안의 총 용존성분 농도는 항상 증가한다는 점이다. 이는 폐수의 재사용시 심각한 저해 요인이 될 수도 있다. 화학적 처리의 또 다른 단점은 운전비가 많이 든다는 점이다.

상기와 같은 종래의 여러 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 인 제거 미생물과 탈질 미생물이 탄소물질을 섭취하는 경쟁관계 때문에 야기되는 질소, 인 제거효율 저하 문제 해결을 위한 반송수의 유입위치를 혐기조로 할 것이냐 아니면 무산소조로 할 것이냐의 문제; 각 반응조간의 내부반송, 내부 반송율 및 내부 반송 방법의 문제; 제거 효율을 높이기 위한 반응조의 증설 문제, 이러한 복잡한 공정에 따른 운전관리의 복잡화와 부지확대의 문제 등 생물학적 처리 방법의 문제점들을 해소하고 화학약품 사용시의 약품 사용료, 처리 후의 폐수 중의 총 용존성분의 증가 문제 등을 극복하는데 있다. 즉, 폐수중에서 질소 제거를 목적으로 수행되는 무산소-호기 순환 공정과 혐기성 철접촉조에서의 황 환원 박테리아(Sulfate Reducing Bacteria ; SRB)에 의한 철접촉재의 부식 작용시 발생하는 철이온을 이용하여 인을 처리하고자 하는 고도처리 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 블록도이다.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

(1) : 1차 침전조 (2) : 유량조정조

(3) : 혐기성 철접촉조 (4) : 무산소조

(5) : 폭기조 (6) : 2차 침전조

(7) : 슬러지 저류조 (8) : 반송 슬러지

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 블록도로서, 폐수 원수로부터 조대 입자를 침전시키는 1차 침전조(1)와 ; 상기 조대 입자를 제거시킨 폐수를 유량조정조(2)에 통과시킨 후 혐기 상태에서 황환원 미생물의 작용에 의해 촉진되는 철의 부식으로 인한 2가 철이온의 발생 및 2가 철이온과 인산염의 결합에 의한 인제거를 하는 혐기성 철접촉조(3)와 ; 탈질 미생물에 의해 질산성 질소가 탈질되는 무산소조(4)와 ; 호기성 조건에서 질산화 미생물에 의한 폐수의 암모니아성 질소 성분이 질산화하고, 유기물이 산화가 일어나며, 혐기성 철접촉조에서 계속적으로 발생하는 2가 철이온의 3가 철이온으로의 산화로 정인산염과 반응하여 인이 제거되는 폭기조(5)와 ; 슬러지를 침전시켜 침전 슬러지와 상등수로 분리하고, 침전 슬러지의 일부는 상기 무산소조로 반송하고, 침전 슬러지의 일부는 폐기하여 슬러지 저류조로 이송시키고, 상기 상등수는 처리수로 방출하는 2차 침전조(6)와 ; 폐기된 침전 슬러지를 최종 처분하기전 약 한달 정도 보관하여도 인방출이 일어나지 않는 슬러지 저류조(7)로 구성되는데,상기 혐기성 철접촉조(3)는 병렬로 또는 직렬로 배치된다.

이러한 장치로 구성된 본 발명의 폐수처리 방법은 다음과 같은 단계를 거친다.

폐수 원수로부터 조대 입자를 1차 침전조(1)에서 침전시키는 침전단계와;

상기 침전단계에서 조대 입자를 제거시킨 폐수를 유량조정조(2)에 통과시킨 후 혐기성 철접촉조(3)에서 혐기 상태에서 황환원 미생물의 작용에 의해 촉진되는 철의 부식으로 인한 2가 철이온의 발생 및 2가 철이온과 인산염의 결합에 의하여 인을 제거하는 인제거 단계와 ;

상기 인제거 단계후 무산소조(4)에서 탈질 미생물과 반응시켜 질산성 질소를 탈질하는 탈질단계와 ;

상기 무산소조(4)를 거친 폐수의 암모니아성 질소 성분이 폭기조(5)를 거쳐 질산화 미생물에 의한 질산화 및 유기물 산화와 혐기성 철접촉조에서 계속적으로 발생하는 2가 철이온의 3가 철이온으로의 산화로 정인산염과 반응하여 인을 제거하는 인제거단계와;

상기 탈질 및 철이온과의 결합에 의해 인이 제거된 폐수내의 슬러지를 2차 침전조(6)에서 침전시켜 침전 슬러지와 상등수로 분리하고, 침전 슬러지의 일부는 상기 무산소조로 반송하고, 침전 슬러지의 일부는 폐기하여 슬러지 저류조(7)로 이송시키고, 상기 상등수는 처리수로 방출하는 분리단계와;

폐기된 침전 슬러지를 최종 처분하기 전 혐기성 조건에 저류시킴으로써 인산제이철(FePO₄)이 용해성이 매우 약한 인산제일철(Fe₃(PO₄)₂)로 환원되어 인 방출이 일어나지 않는 슬러지 저류조(7)에서 보관하는 보관단계를 거치는 고도처리방법이다.

수처리 공정에서 일어나는 많은 반응은 세균, 조류 및 기타 미생물에 의하여 촉매되는 산화환원 반응에 기인한다. 미생물들은 어떤 반응의 반응 물질이 되는 것이 아니라 그 반응을 촉매하는 과정에서 생합성에 필요한 물질 또는 에너지원을 얻는다.

상기의 철접촉조(3)는 혐기성 상태이고 유입된 폐수내에 유기물이 존재할 때, 황환원 박테리아(Sulfate Reducing Bacteria)는 호흡시 황산염 이온(SO^-2 ₄)을 최종 전자수용체로 사용한다.

혐기성 철접촉조(3)에서의 황산염의 환원과 철의 부식 과정은 다음과 같이 일어난다.

황환원 박테리아(SRB)에 의한 황산염 환원은 아래와 같다.

SO^-2 ₄+ 유기물질S^-2+ H₂O + CO₂

SO^-2 ₄+ 8H⁺+ 8e^- H₂S + 2H₂O + 2OH^-

혐기성 조건에서 철의 부식 진행과정은 다음과 같다.

양극 : H₂O ↔ H⁺+ OH^-

Fe + 2H⁺↔ Fe⁺²+ 2H

음극의 소극(depolarization) : SO^-2 ₄+ 8H ↔ H₂S + 2H₂O + 2OH^-

부식 생성물 : Fe⁺²+ H₂S ↔ FeS + 2H⁺

Fe⁺²+ 2OH^-↔ Fe(OH)₂

황산염 이온을 환원시키는 과정에서 S^-2과 수소이온이 반응하여 H₂S가 발생하고, H₂S와 Fe⁺²가 반응하여 FeS를 형성하게 되어 철접촉 혐기성조 내의 용액은 검은색을 띠게 된다.

즉, 황환원 박테리아에 의한 황산염이 환원반응으로 S^-2이온이 형성되면서 Fe⁺²와 반응하여 FeS를 계속적으로 형성하므로 FeS의 존재는 부식을 가속화시킨다.

또한 황산염 이온을 환원시키는 과정에서 S^-2과 수소이온이 반응하여 발생한 H₂S와 미생물에 의한 수소의 소비로 부식은 가속화된다.

위 과정에서 생성된 철 이온은 부영양화 원인물질인 인과 결합하여 인을 제거하게 되는 것이다.

3Fe⁺²+ 2HPO^-3 ₄→ Fe₃(PO₄)₂↓ + 2H⁺

이러한 혐기성 철접촉조(3)에서의 반응은 폐수 내에 자연적으로 많이 함유되어 있는 황산염 이온을 이용한 것이다.

즉, 황환원 미생물에 의한 S^-2의 생성은 철의 부식을 가속시키게 되고, 이에 따른 인과 철이온의 결합에 의해 인의 제거 작용이 이루어지게 된다.

따라서, 혐기성 철접촉조(3)에서 철이온의 적정한 발생을 유지시켜 주기 위해서는 부하량(황산염량)과 철접촉재 표면적의 상관계수, 철접촉조의 배치 방법(직렬, 병렬) 및 철접촉조간의 내부반송 방법 조정 등이 필요하다.

혐기성 철접촉조(3)에서는 활성슬러지법을 변형한 기존의 생물학적 고도처리 방법의 혐기성조보다 매우 작은 용적으로도 소기의 효과를 달성할 수 있다.

그리고, 혐기성 상태에서 유기물들이 저분자로 분해되어 다음 공정인 무산소조(4)에서 미생물들이 이용하기에 용이하게 해주는 역할도 수행한다.

상기 공정에 이은 무산소조(4)에서는 혐기성 철접촉조(3)에서 유입된 폐수의 유기물을 이용하여 폭기조(5)를 거쳐 2차 침전조(6)에서 반송되는 슬러지 내의 질산성 질소를 탈질하는 역할을 수행한다.

무산소조(4)에서는 혐기성 철접촉조(3)에서 인성분의 일부가 이미 제거되고, 황산염 환원시 일부 유기물의 저분자화로 탈질화 미생물이 유기물 이용이 쉽게 된다.

인제거 미생물에 의한 인제거 시스템이 아니기 때문에 무산소조(4)에서 혐기성 철접촉조(3)로의 내부 반송이 필요없어 시설비 및 관리비를 절감할 수 있다.

그리고, 슬러지 반송시 질산성 질소에 의한 인제거 미생물의 활성 저하를 고려할 필요도 없어 시설 운전의 편리성을 향상시키는 공정의 발명이라 할 수 있다.

무산소조(4)에서는 탈질 미생물에 의한 탈질 작용을 주로 수행하게 된다. 실험 결과, 탈질에 소요되는 탄소원도 혐기성 철접촉조(3)을 거쳐 나오는 폐수의 유기물로 충분히 가능하며, 무산소조(4)에서의 탈질 효율에 혐기성 철접촉조(3)에서의 산물인 철이온의 생성, 황산염의 감소 및 알칼리도 증가 등의 미치는 영향은 거의 없다.

2차 침전조(6)에서 무산소조(4)로의 반송율은 50 - 400% 범위내에서 운영하도록 한다.

무산소조(4)에 뒤이은 폭기조(5)에서는 암모니아성 질소의 질산화와 유기물의 산화 작용을 수행한다. MUCT, VIP 등과 달리 폭기조(5)에서 무산소조(4)로의 내부 반송은 필요없다. 폭기조(5) 혼합액의 색깔은 양호한 상태의 경우 철이온의 영향을 받아 짙은 갈색을 띤다.

그리고, 본 발명의 폭기조(5) 혼합액은 활성슬러지 공정 혼합액 SVI의 2/3 정도의 수치를 보여 슬러지 침강성이 매우 양호함을 알 수 있으며, 침전시 슬러지가 혼합액에서 차지하는 슬러지 부피도 기존 활성슬러지 공정 혼합액의 슬러지 부피에 비해 2/3 정도이다. 이러한 이유는 슬러지 내에 철 성분이 존재하기 때문이다.

인 제거는 혐기성 철접촉조(3)에서 미생물의 철 부식 작용에 의해 용출된 2가 철이온과 정인산염의 결합인 Fe₃(PO₄)₂에 의해 이루어지고, 호기성조에서는 철접촉조에서 발생한 철이온이 호기성 조건에서 3가철로 산화되어 FePO₄가 생성되면서 이루어진다.

혐기성 철접촉조(3)에서는 배열, 철접촉재의 표면적 변화 및 체류시간 등에 의해 철이온과의 결합에 의한 인제거 정도가 낮을 수 있다.

그러나, 본 발명의 특징 중 하나는 혐기성 철접촉조(3)에서의 인 제거 효율이 낮다고 하더라도 앞에서 언급했다시피 폭기조(5)에서 2가 철이온의 3가 철이온으로의 산화에 의한 정인산염과의 결합에 의해 인제거 효율이 높아진다는 점에 있다.

혐기성 철접촉조(3)에서 일정한 철이온이 발생하면, 공정을 거치면서 다중인산염의 정인산염으로 변화함에 따라 인 제거 정도는 향상된다.

즉, 기존 고도처리 공정의 질소 제거와 인 제거 효율의 경쟁 관계, 내부 반송에 의한 복잡성 등과 비교하여 본 발명은 간단하여 관리가 용이할 것으로 판단되며, 기존 고도처리 공정에서의 인 제거를 위한 관리상의 어려움을 해소할 수 있을 것으로 보인다.

2차 침전조(6)에서 폐기되는 폐슬러지를 반출하기 전에 저류하는 슬러지 저류조(7)에서의 인의 거동을 살펴보면, 기존 생물학적 고도처리 공정에서는 폐슬러지를 슬러지 저류조에 장기간 보관시 혐기성 상태가 조성되면서 기껏 슬러지내에 과잉 흡수시켜 제거하고자 한 인이 다시 방출되어 유량조정조나 폭기조로 되돌아가는 경우가 발생할 수 있으나, 본 발명에서는 철이온에 의한 결합으로 인해 인 용출을 방지할 수 있다. 즉, 폐슬러지를 슬러지 저류조(7)에 장기간 보관시 혐기성 조건에서는 용해성이 매우 약한 Fe₃(PO₄)₂(Vivianite)이 형성되면서 인 용출을 방지할 수 있게 되는 것이다.

이는 슬러지 처리시설을 가지고 있지 않은 중소규모 오수처리시설의 고도처리화 과정에서 고려해야 할 사항으로 본 발명에는 전형적인 생물학적 고도처리 현장에서의 이러한 문제도 극복할 수 있는 장점이 있다.

상기와 같은 본 발명은 폐고철을 혐기성 철접촉조(3)에서 철접촉재로 사용할수 있어 자원 재활용 측면에서도 유용한 발명이라 할 수 있다.

결과적으로 응집제인 철염을 이용하여 인을 제거하는 기본원리와 유사하나, 미생물에 의한 철의 부식 작용으로 인해 발생하는 철이온을 이용한 생화학적 처리공정으로 기존의 화학적 처리 및 전형적인 생물학적 고도처리 공정에 비해 확실한 인 제거 효과를 얻을 수 있는 발명이며,

화학적처리시의 약품비, 약품 보관비용 및 응집제 사용 적정 조건의 조성 등의 노력이 필요없으며,

그리고, 질소, 인 동시 제거를 위한 전형적인 생물학적 처리 공정들의 단점인 탄소원을 놓고 경쟁하는 탈질미생물에 의한 인제거 미생물의 효율 저하 현상, 반응조의 증가 문제, 복잡한 내부반송관 설치 문제 및 이에 따른 시설 설치비의 증가, 운전 동력비의 증가, 운전관리의 복잡성 및 인 제거효율의 저하 문제 등을 해결할 수 있는 발명이라 할 수 있다.

그리고, 본 발명에서는 전형적인 생물학적 고도처리 현장에서의 슬러지 저류조에서의 인 방출 문제도 극복할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명의 최대 효과는 처리 시설의 간단화와 이에 따른 소요부지의 감소, 관리의 용이성 증대 및 폐수의 유기물, 질소 및 인의 비율에 크게 영향을 받지 않는 제거 효과의 확실성(특히, 인제거의 확실성 확보)에 있다고 할 수 있다.

표 1. SRT 30일, 반송률 400%일때의 실험 결과

(mg/L)

항목농도 ＼반응조(mg/L)	원수(mg/L)	혐기성철접촉조유출수	무산소유출수	방류수
항목농도 ＼반응조(mg/L)	원수(mg/L)	혐기성철접촉조유출수	무산소유출수	유출수	효율(%)
COD	324	232	22	23	92.9
SS	84.6	80.3	-	7	91.7
TKN	40.4	42.5	0.9	2.0	95.1
TP	11.6	8.6	1.69	2.17	81.3
PO4^3-	8.17	3.16	1.33	1.82	77.7

표 2. SRT 30일, 반송률 100%일때의 실험 결과

(mg/L)

항목농도＼반응조(mg/L)	원수(mg/L)	혐기성철접촉조유출수	무산소유출수	방류수
항목농도＼반응조(mg/L)	원수(mg/L)	혐기성철접촉조유출수	무산소유출수	유출수	효율(%)
COD	281	185	28	18	93.6
SS	114	89.4	-	11	90.4
TKN	56.7	48.8	10.8	2.1	96.3
TP	12.2	7.25	8.35	2.59	78.8
PO4^3-	7.42	1.97	1.31	0.82	88.9

표 3. SRT 10일, 반송률 150%일때의 실험 결과

(mg/L)

항목농도＼반응조(mg/L)	원수(mg/L)	혐기성철접촉조유출수	무산소유출수	방류수
항목농도＼반응조(mg/L)	원수(mg/L)	혐기성철접촉조유출수	무산소유출수	유출수	효율(%)
COD	423	281	41	23	94.6
SS	179	132.3	-	12	93.3
TKN	64	56	30	4.5	92.97
TP	11.91	7.3	6.1	1.96	83.5
PO4^3-	8.8	6.99	2.68	0.95	89.2

표 4. SRT 10일, 반송률 50%일때의 실험 결과

(mg/L)

항목농도 ＼반응조(mg/L)	원수(mg/L)	혐기성철접촉조유출수	무산소유출수	방류수
항목농도 ＼반응조(mg/L)	원수(mg/L)	혐기성철접촉조유출수	무산소유출수	유출수	효율(%)
COD	338	259	30	17	95
SS	77.29	83.3	-	6	92.2
TKN	62.5	59.5	27.9	5.1	91.8
TP	18.3	14.25	8.4	1.02	94.43
PO4^3-	11.6	8.1	5.2	0.93	92

* 상기 표1∼표4의 공통 운영조건

철접촉조 HRT : 1.44 hr

철접촉재표면적 대 유입유량비 : 147㎠/L

Claims

폐수처리장치에 있어서,

폐수 원수로부터 조대 입자를 침전시키는 1차 침전조(1)와 ;

상기 조대 입자를 제거시킨 폐수를 유량조정조(2)에 통과시킨 후 혐기 상태에서 황환원 미생물의 작용에 의해 촉진되는 철의 부식으로 인한 2가 철이온의 발생 및 2가 철이온과 인산염의 결합에 의한 인제거를 하는 혐기성 철접촉조(3)와 ;

탈질 미생물과 반응시켜 질산성 질소를 탈질하는 무산소조(4)와 ;

무산소조를 거친 폐수의 암모니아성 질소 성분이 질산화 미생물에 의한 질산화 및 유기물 산화에 의한 유기물 제거와 혐기성 철접촉조에서 계속적으로 발생하는 2가 철이온의 3가 철이온으로의 산화로 정인산염과 반응하여 인을 제거하는 폭기조(5)와 ;

상기 탈질 및 철이온과의 결합에 의해 인이 제거된 폐수내의 슬러지를 침전시켜 침전 슬러지와 상등수로 분리하고, 침전 슬러지의 일부는 상기 무산소조로 반송하고, 침전 슬러지의 일부는 폐기하여 슬러지 저류조로 이송시키고, 상기 상등수는 처리수로 방출하는 2차 침전조(6)와 ;

폐기된 침전 슬러지를 최종 처분하기전 약 한달 정도 보관하여도 인방출이 일어나지 않는 슬러지 저류조(7)로 구성하여 질소와 인을 제거하는 것을 특징으로 하는 혐기성 철접촉조와 무산소-호기 순환 구조를 갖는 폐수의 고도처리 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 혐기성 철접촉조(3)는 병렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 혐기성 철접촉조와 무산소-호기 순환 구조를 갖는 폐수의 고도처리 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 혐기성 철접촉조(3)는 직렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 혐기성 철접촉조와 무산소-호기 순환 구조를 갖는 폐수의 고도처리 장치.
폐수처리 방법에 있어서,

폐수 원수로부터 조대 입자를 1차 침전조(1)에서 침전시키는 침전단계와;

상기 침전단계에서 조대 입자를 제거시킨 폐수를 유량조정조(2)에 통과시킨 후 혐기성 철접촉조(3)에서 혐기 상태에서 황환원 미생물의 작용에 의해 촉진되는 철의 부식으로 인한 2가 철이온의 발생 및 2가 철이온과 인산염의 결합에 의하여 인을 제거하는 인제거단계와 ;

상기 인제거 단계후 무산소조(4)에서 탈질 미생물과 반응시켜 질산성 질소를 탈질하는 탈질단계와 ;

상기 무산소조(4)에서 탈질단계를 거친 폐수의 암모니아성 질소 성분이 폭기조(5)를 거쳐 질산화 미생물에 의한 질산화 및 유기물 산화에 의한 유기물 제거와 혐기성 철접촉조에서 계속적으로 발생하는 2가 철이온의 3가 철이온으로의 산화로 정인산염과 반응하여 인을 제거하는 인제거단계와;

상기 탈질 및 철이온과의 결합에 의해 인이 제거된 폐수내의 슬러지를 2차 침전조(6)에서 침전시켜 침전 슬러지와 상등수로 분리하고, 침전 슬러지의 일부는 상기 무산소조로 반송하고, 침전 슬러지의 일부는 폐기하여 슬러지 저류조(7)로 이송시키고, 상기 상등수는 처리수로 방출하는 분리단계와;

폐기된 침전 슬러지를 최종 처분하기 전 인방출이 일어나지 않는 슬러지 저류조(7)에서 보관하는 보관단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 혐기성 철접촉조와 무산소-호기 순환 구조를 갖는 폐수의 고도처리 방법.
제 4 항에 있어서, 상기 혐기성 철접촉조(3)의 수리학적 체류시간(HRT)을 0.2 - 2 시간으로 한 것을 특징으로 하는 혐기성 철접촉조와 무산소-호기 순환 구조를 갖는 폐수의 고도처리 방법.
제 4 항에 있어서, 상기 2차 침전조(6)에서 무산소조(4)로 슬러지 반송시 유입수의 50 - 400%를 반송하는 것을 특징으로 하는 혐기성 철접촉조와 무산소-호기 순환 구조를 갖는 폐수의 고도처리 방법.
제 4 항에 있어서, 상기 무산소조(4)의 HRT가 0.5 - 3시간인 것을 특징으로 하는 혐기성 철접촉조와 무산소-호기 순환 구조를 갖는 폐수의 고도처리 방법.
제 4 항에 있어서, 상기 폭기조(5)의 HRT가 2 - 8 시간인 것을 특징으로 하는 혐기성 철접촉조와 무산소-호기 순환 구조를 갖는 폐수의 고도처리 방법.
제 4 항에 있어서, 상기 슬러지 체류시간(SRT)이 5 - 30일인 것을 특징으로 하는 혐기성 철접촉조와 무산소-호기 순환 구조를 갖는 폐수의 고도처리 방법.
제 4 항에 있어서, 2차 침전조(6)의 슬러지 폐기시 30일간 인 방출없이도 슬러지를 보관하는 것을 특징으로 하는 혐기성 철접촉조와 무산소-호기 순환 구조를 갖는 폐수의 고도처리 방법.