KR20000063564A - 음식물 쓰레기를 이용한 침출수의 생물학적 탈질방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생물학적 탈질반응중에 외부탄소원을 공급하여 침출수 중의 질소를 제거하는 방법에 관한 것으로, 상기 외부탄소원으로 음식물 쓰레기를 발효시켜서 얻은 발효액을 사용하는 것에 특징이 있으며, 본 발명에 의하면 침출수 중에 함유된 고농도의 질소화합물을 효율적으로 처리하고 음식물 쓰레기의 재활용 차원에서 추가로 공급되는 외부 탄소원 대신에 음식물 쓰레기를 이용함으로써 처리비용을 절감하며, 음식물 쓰레기의 재활용이라는 두가지 효과를 동시에 가져올 수 있다.

Description

음식물 쓰레기를 이용한 침출수의 생물학적 탈질방법{Biological nitrogen removal from leacheate using food waste}

본 발명은 폐수로부터 질소를 제거하는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 외부탄소원으로 음식물 쓰레기를 이용하여 폐수를 생물학적으로 탈질반응시키는 방법에 관한 것이다.

폐수, 특히 폐기물 매립장에서 발생하는 침출수는 암모니아성 질소(NH₄ ⁺-N), 무기성 질소와 같은 질소성분을 고농도로 함유하고 있으며, 매립 종료 후까지도 오랫동안 높은 농도를 지속하는 경향이 있다. NH₄ ⁺-N은 적절하게 처리되지 않을 경우, 침출수 처리 공정의 효율 저하, 탈기에 의한 악취 유발, 지하수 오염 등을 유발시킨다. 또한, 하천이나 호소 등의 수계로 방류되었을 경우 수계의 용존 산소를 고갈시켜 생태계에 악영향을 주기도 하고 부영양화를 유발하여 수계의 수질을 악화시키기도 한다. 이 때문에 침출수 방류수에 대하여 우리나라에서는 NH₄ ⁺-N는 1999년 7월부터, 그리고 무기성 질소는 2001년부터 규제가 강화 혹은 신설될 예정이다.

일반적으로 침출수 중의 NH₄ ⁺-N를 제거하는 공정으로는 생물학적 질산화 및 탈질 반응을 기본 골격으로 하는 생물학적 탈질 공정; 암모니아 탈기법, 이온교환법, 분리막법 등과 같은 물리화학적 처리방법이 있다. 물리화학적 처리 방법은 처리 고유의 경제적인 부담과 후처리의 필요성 등으로 적용이 제한적으로 이루어지고 있다. 생물학적 탈질 공정은 최종 부산물이 질소가스인 점에서 가장 환경 친화적인 공정으로 그 적용이 확대되고 있으며, 기술의 개발도 가속화되고 있다.

생물학적 탈질 공정은 관여하는 미생물에 따라 종속영양미생물을 이용한 방법과 독립영양미생물을 이용한 방법이 가능하다.

종속영양미생물에 의한 탈질반응에는 전자공여체(electron donor)가 필요하다. 우리나라의 침출수는 생물학적 탈질공정의 전자공여체로 직접 사용되기에는 수질면에서 부적합하다. 따라서, 현재 가장 많이 사용되는 전자공여체 즉, 외부 탄소원으로는 메탄올, 에탄올, 아세트산 등이 있다. 침출수와 같이 탄소/질소(C/N)비가 낮은 폐수의 처리에는 외부 탄소원의 주입에 많은 비용이 소요되므로 이를 대체할 수 있는 경제적인 외부 탄소원에 대한 연구가 필요한 실정이다.

한편, 음식물 쓰레기가 우리나라에서 차지하는 비중은 실로 막대하다. 음식물 쓰레기는 1995년 기준으로 생활폐기물의 30%이상을 차지하고 있다. 발생량적인 면 이외에도 음식물 쓰레기는 수분함량이 높고 쉽게 부패하여 저장, 운반이 어렵고 매립시 악취, 해충, 병원균, 지하수 오염 등의 문제를 유발한다. 음식물 쓰레기의 처분 방법으로는 혐기성 소화, 퇴비화, 소각, 사료화, 지렁이 사육 등이 있으나, 음식물 쓰레기는 높은 수분함량으로 소각시 발열량이 낮고, 사료화 할 경우 위생상의 문제가 있다.

이와 같이 다루기 힘든 음식물 쓰레기는 2000년 7월 1일부터 수도권 매립지 대책 위원회가 음식물 쓰레기 반입을 전면 금지할 것으로 예상됨에 따라 수도권 전 지역에서 쓰레기 대란이 일어날 것으로 우려되고 있다. 정부에서는 음식물 쓰레기 발생량을 감축하고 재활용율을 50%로 지정하는 등 많은 노력을 기울이고 있지만 사료화나 퇴비화와 같은 음식물 쓰레기의 재활용이 지극히 제한적인 실정이다.

따라서, 본 발명은 폐수, 특히 침출수 중에 함유된 고농도의 질소 화합물을 효율적으로 처리할 수 있는 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위하여 본 발명자는 우리나라의 음식물 쓰레기가 높은 C/N비와 생분해도를 갖고 있음으로 하수 혹은 폐수의 생물학적 탈질공정의 외부 탄소원을 이용할 수 있을 것이라는 착상하에 다양한 실험들을 수행하였으며, 이러한 일련의 실험과정중에 생물학적 탈질반응을 이용하여 침출수 중의 질소를 제거할 때 외부탄소원으로 음식물 쓰레기를 발효시켜서 얻은 발효액을 이용한 결과 탈질이 효과적으로 달성된다는 사실을 알게되었다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시구현에 따른 음식물 쓰레기를 이용한 침출수의 생물학적 탈질공정을 개략적으로 나타낸 공정도 이다.

그러므로 본 발명에 의하면 생물학적 탈질반응을 이용하여 침출수 중의 질소를 제거하는 방법에 있어서, 외부탄소원으로 음식물 쓰레기를 발효시켜서 얻은 발효액을 사용하는 것을 특징으로 하는 침출수의 탈질방법이 제공된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시구현을 예시한 첨부도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1에는 본 발명의 바람직한 일 실시구현에 따라 침출수중에 존재하는 고농도의 질소화합물을 음식물 쓰레기를 이용하여 생물학적으로 제거하기 위한 공정도가 도시된다. 도시되는 음식물 쓰레기를 이용한 생물학적 탈질공정은 단일 반응조 안에서 다섯개의 단계들 즉, 교반(mixing)하에 침출수의 유입(feeding), 포기(aeration), 교반하에 외부 탄소원의 주입(external carbon source feeding), 후포기(post aeration), 침전(settling) 및 처리수 방류(effluent decanting) 단계들이 시간에 따라 한 주기동안 계속되도록 의도된 것이다.

본 탈질공정은 생물학적 산화와 고형물 분리가 각 반응조들에서 연속적으로 실행되는 연속식(continuous-steady-state) 공정과는 달리 생물학적 산화와 고형물 분리가 단일 반응조 내에서 간헐적인 시간간격을 토대로 번갈아 행해지는 것이므로, 질소 및 인 등의 영양소 제거도 본 공정의 단일 반응조 안에서 유기물 제거와 함께 모두 이루어진다.

반응조내로의 침출수(유입수)의 유입은 반응조의 바닥부분으로 낮게, 그리고 반응조 바닥 전체적으로 확산시켜주는 방식이며 처리수(상등수)는 간헐적으로 방류단계 동안만 방류시킨다.

상기 침출수 처리 과정에서 공급되는 외부탄소원으로는 일반적으로 메탄올, 에탄올, 아세트산 등을 사용하고 있으나, 본 발명에서는 음식물 쓰레기를 유기산 발효시켜 얻은 발효액을 사용한다. 물론 원할 경우 음식물 쓰레기 발효액과 함께 메탄올, 에탄올, 아세트산 등을 병용하여 사용할 수도 있다.

음식물 쓰레기 발효액은 음식물 쓰레기를 혐기성 분해에 의해 폐기처리하는 과정에서 얻어지는 것이다. 음식물 쓰레기는 거의 대부분이 유기물질이기 때문에 혐기성 분해반응시 산생성 단계에서 유기산 및/또는 그 유사물이 생성된 후, 최종적으로 메탄과 이산화탄소로 분해되는데, 본 발명에서 이용되는 발효액은 상기한 음식물 쓰레기의 폐기처리과정에서 산생성 단계까지만 진행시켜 유기산 및/또는 그 유사물이 생성되게 한 것이다. 물론, 혐기성 분해에 의한 음식물 쓰레기의 폐기처리시설을 본 발명의 침출수 처리시설을 병행하여, 음식물 쓰레기의 폐기처리 과정중에 얻어지는 유기산 발효액의 일부를 침출수 처리과정에 공급하고, 나머지 발효액은 최종적으로 메탄과 이산화탄소로 분해시키는 것도 가능하다.

음식물 쓰레기의 유기산 발효 과정에서 생성되는 물질의 예로는 아세트산, 프로피온산, 부티르산, 아세테이트, 프로피오네이트, 부티레이트 등이 있다.

본 방법을 단계별로 상세히 설명하면, 우선 침출수가 SBR 반응조 안으로 유입되면서(fill phase) 교반이 시작됨과 동시에 전 사이클에서 남아있던 질산성질소가 탈질된다(anoxic phase). 유입과 교반이 멈추고 포기가 시작되면서 질소화합물의 질산화가 이루어진다. 이때 침출수 중의 암모니아성 질소는 아질산성·질산성 질소로 전환되면서 알칼리도가 저하된다(oxic phase). 다음 단계로 포기가 끝나고 탈질을 위해 교반이 시작되면서 탄소원 주입을 위해 음식물 쓰레기 발효액이 주입되게 되며 옥식상태(oxic phase)에서 생성된 질산성 질소와 아질산성 질소가 탈질되고(anoxic phase), 알칼리도가 증가된다. 후포기(post aeration phase) 단계에서는 아녹신 상태(anoxic phase)에서 외부 탄소원으로 사용되지 못하고 분해되지 않은 잔존 유기물이 호기성 미생물에 의하여 분해되며, 또한 외부 탄소원인 음식물 쓰레기 발효액 중에 존재하는 암모니아성 질소가 산화될 뿐만 아니라 질산성 질소가 환원되어 수중에 존재하는 유리질소가 탈기되어(air stripping)되어 대기중으로 방출되고 전단계의 무산소 단계에서 악화되기 쉬운 슬러지의 침강성이 개선되는 공정이다. 상기 후포기 단계에서 특히 중요한 작용은 전단계의 무산소 단계 또는 혐기성 단계에서 방출된 인이 활성 슬러지에 과잉 섭취되도록하여 인을 생물학적으로 제거할 수 있는 것이다. 다음은 침전이 시작되고 침전이 끝남과 동시에 유출수의 방류가 이루어진다.

침출수 중에서 질소의 제거과정을 살펴보면, 먼저 침출수 중의 유기 질소는 혐기 반응시 분해되어 암모니아성 질소로 분해된다. 이 암모니아성 질소는 호기 조건에서 산소와 결합하여 아질산성·질산성 질소로 바뀌는데 이 반응식은 다음과 같다.

NH₄ ⁺+ 2O₂→ NO₃ ^-+ H₂O + 2H⁺

이과정에서 발생된 질산기(NO₃ ^-)는 다음 반응식과 같이 용존산소가 없는 상태에서 유기물질과 반응하여 질소가스로 전환되어 대기 중으로 탈기된다.

탄소원(유기물질) + 2NO₃ ^-→ N₂↑ + CO₂+ H₂O

여기서 탄소원이 충분하지 않을 경우는 외부 탄소원을 추가로 공급하여야 탈질 반응이 계속될 수 있으며, 유기산 형태가 미생물에 의해 가장 선호되는 탄소원이다.

종래에 사용되던 외부 탄소원으로는 메탄올, 에탄올, 아세트산 등이 있으며, 본 발명의 차이점은 음식물 쓰레기를 산발효시켜 사용한다는 점이다. 음식물 쓰레기는 총 고형분 함량이 5% 이상이고 개략적인 BOD/TKN 비율은 30∼40 정도가 되며 이 수치는 침출수의 BOD/TKN가 1∼2 정도인 것에 비추어 볼 때 질소보다도 유기물의 양이 상대적으로 훨씬 많음을 알 수 있다. 하기 표 1은 여러 가지 음식물 쓰레기의 성상을 본 발명자가 분석한 결과를 예시한 것이다.

성분	음식점	백화점	집단급식소	주거지역
			병원		기타
C	44.5	38.4	40.8	39.6	38.9
H	6.6	5.9	6.3	6.2	5.9
O	37.2	35.9	42.6	35.8	35.0
N	2.9	3.9	2.1	3.9	3.1
S	0.2	0.4	0.2	0.4	0.2
Cl	0.7	1.0	0.9	1.5	3.0

음식물 쓰레기는 거의 대부분이 유기물질로서 혐기성 분해 반응시 산생성 단계를 거쳐 최종적으로 메탄과 이산화탄소로 분해된다. 그러나 본 발명에서는 산생성 단계까지만 진행시켜 여기서 생성된 유기산 또는 유기산 유도체를 침출수 처리시설에 제공한다. 산생성 단계의 반응은 다음과 같다.

유기물질 + H₂O → 유기산 및/또는 그 유사물

도시된 바와 같은 본 발명의 방법은 다음에 열거한 바와 같은 이유로 중소규모의 매립장에 매우 적합하다. 즉, 낮은 설치비, 하나의 반응조, 2차 침전지 불필요, 활성슬러지의 농축 및 반송 불필요, 연속 공정으로 20∼25%의 설치비 절약, 운전의 용이성, 자동운전(PLC 사용), 최소의 관리인원, 반송 불필요, 슬러지 벌킹현상에 강함, 침전시 매우 낮은 면적부하율과 고형분의 손실 적음 등이 그 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 침출수 중에 함유된 고농도의 질소 화합물을 효율적으로 제거할 뿐만 아니라, 음식물 쓰레기를 유기산 발효시켜서 사용함으로써 처리비용을 절감하고 질소뿐만 아니라 인도 동시에 제거할 수 있는 침출수 처리 방법을 제공할 수 있고, 또한 SBR 공정을 이용하기 때문에 생물학적 산화와 호기성 슬러지 안정화가 동시에 단일 반응조(포기/침전조의 동시역할)에서 이루어진다. 따라서 2차 침전지가 불필요하고 1차 침전조와 슬러지 소화조 또한 불필요하게 되며, 소규모 처리장에서는 침사지나 침전지를 설치하지 않아도 처리장 운영이 가능하다.

Claims (3)

1. 생물학적 탈질반응중에 외부탄소원을 공급하여 침출수 중의 질소를 제거하는 방법에 있어서, 상기 외부탄소원이 음식물 쓰레기를 발효시켜서 얻은 발효액인 것을 특징으로 하는 침출수의 탈질방법.
2. 제 1 항에 있어서, 교반하에 침출수의 유입, 포기, 교반하에 외부 탄소원의 주입, 후포기, 침전 및 처리수 방류 단계들이 시간에 따라 한 주기동안 계속되는 것을 특징으로 하는 침출수의 탈질방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 음식물 쓰레기 발효액이 음식물 쓰레기의 혐기성 분해반응시 산생성 단계까지만 진행시켜 유기산 및/또는 그 유사물이 생성되게 한 것임을 특징으로 하는 침출수의 탈질방법.