KR20010029182A - 다공성 토양질 담체를 이용한 오·폐수 처리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 국내 소규모 오·폐수 처리 장치에 관한 것으로서, 부하변동이 심한 수질의 특성에 적응이 강하고, 유기물질 및 영양물질을 동시에 제거하기 위한 설비로 제안한 것이며, 이에 기존 생물학적 처리공법 중 가장 보편적인 표준 활성슬러지 공법의 변법으로 포기조를 2단으로 설치하고, 활성화조를 신설하여 다공성 토양질 담체가 내장되어 있는 활성 배양기를 장치하고 침전 슬러지의 일부를 반송시켜 임의성 미생물의 순응을 유도함으로써 기존의 활성슬러지에 이용되는 미생물군의 종 조성의 변화를 도모하며, 토양성분과 유사한 형태의 슬러지의 생성을 하도록 하여 슬러지 처리비용을 절감시키고, 휘발성 유기물질의 휘산을 억제하여 악취 발생을 차단하며, 영양물질의 동시 제거를 가능토록 하는 수처리 공법이다.

Description

다공성 토양질 담체를 이용한 오·폐수 처리 시스템{SEWAGE AND WASTEWATER TREATMENT SYSTEM USING THE POROUS SOIL MEDIA}

본 발명은 대부분의 생물학적 처리공정이 유기물질을 분해 가능한 저급물질로의 산화과정만을 수행하도록 하여 처리함으로써 변동부하가 심한 오·폐수 처리에 있어서 안정적인 처리효율의 기대가 어렵고 후단설비의 추가 없이는 영양물질의 제거가 곤란함에 착안하여 단일공정 내에서 유기물의 부하변동에 적응력이 뛰어나고 영양물질의 추가제거가 가능한 미생물군의 우점종화를 통한 저급산화과정 및 축중합 반응을 이용한 수처리공법을 개발하여 공공수역의 수질보전에 기여하고자 함에 그 목적이 있다.

자연계에서 수체내의 유기물 및 현탁물질에 대한 제거 기작은 용존산소를 이용하는 호기성 미생물군 또는 결합산소를 이용하는 혐기성 미생물군등에 의한 산화 및 소화등에 의하여 저급화되어 단순 분자화 하거나 기체화하여 대기중으로 배출하는 방식과 토양에서와 같이 대상물질을 비반응성 물질화하는 킬레이트 구조로의 변화 및 축중합 반응에 따른 응괴 형태의 고형화로 인한 수계 내에서의 배출이 있는데, 이러한 반응은 실제 자연계에 공통적으로 존재하는 자연정화능력이다.

과거로부터 현재까지 설치되고 유지되는 오폐수처리시설의 현황은 이러한 두가지 제거 기작의 병행을 유지하기가 기술적으로 어렵게 때문에 다소 기술적으로 평이하며, 보편성이 있는 전자의 제거 기작으로 처리함을 목적으로 하였고, 이에 따라 대부분의 생물학적 처리공정은 표준활성슬러지법 및 그 변법에 의존하고 있는 실정이다.

그러나, 전항에서 언급한 바와 같이 표준활성슬러지공법 및 그 변법에 의한 처리는 부하변동에 대처가 어렵고 특히 영양물질(질소, 인등)의 처리율은 극히 미약하여 별도의 물리 화학적 처리시설을 설치하거나 운전조건의 변화등에 의하여 공정의 보완을 하여야 하므로 시설 공사비 면에서나 유지관리비 면에서 다소 불합리한 운영을 하고 있는 실정이다.

이러한 단점에 대한 보완으로 최근에는 접촉산화공법 또는 생물막공법이라 불리우는 처리공법들이 다수 개발되고 있으며 이는 포기조내에 현탁미생물군과 부착미생물군의 공생을 유도하여 기질 제거율을 제고시키며, 부하변동에 강한 부착미생물에 의해 안정적인 처리율을 확보하고자 하는 특징이 있다.

또한, 영양염류의 제거를 위해서는 혐기/호기 공정의 반복에 의한 질소제거와 화학적 침전에 의한 인의 제거공정들이 개발되고 있으나, 이러한 공법은 초기공사비 및 유지 관리비의 상승과 공정의 운전에 고도의 기술을 요구하게되어 실제규모에 적용성이 다소 뒤떨어지고 있는 실정이다.

따라서, 현재 수처리 공법에 있어서 가장 중요하게 연구되는 것은 유기물질의 제거가 아니라 영양물질의 제거와 악취 발생의 억제, 슬러지 발생량의 최소화에 주력하고 있으며, 이를 위하여 국내외적으로 많은 연구가 지속적으로 진행중에 있다.

본 발명의 성공적 수행을 위한 기술적 과제로는 첫째로 포기조내 미생물 종구성을 절대 호기성 미생물이 아닌 임의성 미생물군으로 전환을 도모하기 위한 다공성 토양질 담체를 개발하여 이를 조 내에서 쉽게 풀어지지 않고 서서히 용해되어 임의성 미생물이 필요로 하는 물질들을 연속적으로 공급할 수 있도록 하는 것이며, 둘째로는 상기의 담체가 서서히 용해되면서 수체에 적용될 미생물을 우점종화 시킬수 있도록 순수 유도배양이 가능토록 별도의 배양기(활성배양기)를 설치하도록 하는 것이며, 아울러 활성 배양기 내부에 설치되는 철판의 부식력을 이용한 수중의 용존성 인을 제거토록 하는 활성 배양기의 개발이 있고, 셋째로는 기존 처리공정의 운전 조건을 본 발명에 이용된 미생물의 활동도를 극대화 시킬수 있도록 변화시켜 안정적인 처리수의 확보와 영양염류의 동시제거를 가능토록 하였다.

도 1은 본 발명에 의한 오·폐수처리 시스템

도 2는 활성 배양기의 일반도 및 상세도

본 발명에서 제안하는 오·폐수 처리시스템은 도 1에 나타낸 바와 같이 기존 활성 슬러지 공정과 매우 유사하나, 이 중 유량조정의 용량이 다소 크게 되는 것과 포기조를 2단으로 설치하고, 활성화조를 신설하여 활성화조 내에서 순수 배양되는 미생물군을 포기조로 순환시키며 유도 배양하는 것과 반송슬러지를 유량조정조와 포기조에 동시에 유입시킨다는 것이 차이가 있으며 포기조의 포기시간을 간헐적으로 운전하여 포기조내 슬러지의 입상화 유도 및 고액분리를 촉진시킨다는 것과 유량조정조의 교반설비를 간헐적으로 운전하며 고농도의 MLSS를 유지하여 내부 탈질을 유도한다는 차이가 있다.

도 1의 (1)의 전처리 설비는 주로 스크린 및 침사지로 구성되는 전처리 설비로 후단 처리시설의 안정적인 처리와 조대 협잡물의 사전 제거를 통하여 처리설비의 내구성을 오래 유지토록 하며 고장 및 수리의 부담을 적게 할수 있도록 설치된다.

스크린은 조목 스크린과 세목 스크린의 병렬 설치를 하는 경우와 추가로 하이드라시브 스크린을 설치하는 경우가 있으며, 걸러진 협잡물은 슬러지 처리시설 후단으로 이송되어 위탁처리토록 한다.

유량조정조(2)는 유량의 체류시간이 6∼24시간 정도를 유지토록 하며 포기조로 일정한 유량이 원활히 이송될 수 있는 정도의 규모로 설치되어야 한다. 또한, 교반기나 Air Jet등을 이용한 강한 교반이 수행되어야 하며, 별도의 산기설비는 필요치 않다. 내부 탈질의 유도를 위하여 침전 슬러지의 40∼150%의 반송이 허용되며 반송량의 범위는 처리대상 수질에 따라 다소 다를 수 있고 반송슬러지를 통한 휘발성 유기물질들의 휘산억제로 악취 발생이 근원적으로 차단된다.

포기조(3)는 2단으로 구성되고, 하부에 산기관을 설치하며, 간헐적인 포기를 수행함으로써 임의성 미생물군의 활동도를 극대화하고, 일부 호기성 미생물군에 의한 유기물의 저급산화 과정과 암모니아성 질소의 질산화를 도모하고, 임의성 미생물군 중 Baciilus sp. Pseudomonas sp.등 페놀 노출기 화합물을 반응산물로 하는 토양 미생물군에 의하여 유기물 및 고형물질의 응집 반응 및 비반응화 과정(킬레이트화)을 유도하여, 수계 내에서 분리하여 응괴 형태의 슬러지로 전환시키는 축중합반응을 통한 플록의 비중 증대와 이로 인하여 침전조에서 압축침전이 일어나 주변의 영양물질과 더불어 침전되는 고분자물질의 슬러지 형태를 유지할 수 있도록 한다.

본 공법에서 BOD 용적 부하는 0.1∼0.6kgBOD/m3·day 정도로 하며 조내 MLSS 농도는 2,000∼8,000mg/L 범위를 유지하게 하는데 이 농도 범위는 처리대상 수질의 농도범위에 따라 변화한다. F/M 비(Food/Microorganism)는 조 내 미생물에 대한 처리대상 유입수질의 농도로 최적 처리효율의 유지를 위해 가장 중요한 인자이며 0.02∼0.15 kgBOD/kgMLVSS·day의 범위내에서 운전되어야 하고 조내 체류 시간은 각각 3∼5시간이 되도록 함을 원치으로 하나 처리대상 수질이 고농도일 경우는 모형실험을 통하여 별도로 산정할 수 있다. 또한 포기 강도는 조내 용존산소가 0.3∼0.8mgO₂/L을 유지하도록 결정되며 간헐적인 포기를 통하여 고액분리가 용이하도록 한다. 본 발명을 위한 사전 연구 결과 포기조#1은 0.2 ∼ 0.5mgO₂/L정도, 포기조 #2는 0.5 ∼ 0.8mgO₂/L을 유지할 때 가장 좋은 효율을 보여주고 있다.

활성화조(4)는 반송 슬러지의 10∼20%정도의 용량으로 설계되며 체류시간은 24시간으로하고, 조내에 활성 배양기를 침지시켜 다공성 토양질 담체를 통한 임의성 미생물의 활동도를 높혀주고 순응된 미생물군을 포기조로 유입시키도록 하며 가급적 이송은 자연유하 방식으로 하도록 한다.

침전조(5)는 주로 원형의 형태로 구성되고, 포기조에서 월류된 플록들을 고액분리과정을 통하여 분리하는 것이 주 목적이며, 침전된 슬러지의 일부는 유량조정조와 활성화조, 포기조로 반송되며, 나머지는 인발되어 슬러지 처리과정을 통하여 처리, 처분된다. 침전조의 설계 기준은 수면적 부하가 20∼30m³/m²·day 정도, 월류 부하 : 50m³/m·day 이하로 하며, 유효 수심은 1.5m 이상, 반송율은 처리 대상 수질에 따라 다소 다르나 일반적으로 100∼250%정도를 유지한다.

후단처리설비(6)는 주로 소독설비와 여과설비로 구분되며, 방류 수역의 수질기준이 엄격한 경우에는 모래여과 및 활성탄 여과설비를 설치하여 처리시설의 고장 및 효율의 저하등 비상시에 가동이 가능하도록 하며, 소독 설비의 경우 축산폐수의 처리 및 분뇨가 혼입되는 오·폐수등에서는 반드시 설치하여 방류수의 안정성을 확보토록 하는 것이 좋다.

슬러지 처리(7)는 소규모일 경우 슬러지 저류조 만을 설치하여 일정기간이 경과후 위탁처리등을 수행하여도 무방하며, 중규모이상(350m³/일)의 경우는 농축 및 탈수 설비를 설치하여 최종 처리과정을 자체적으로 수행한 후 최종 처분만을 위탁 또는 자체적으로 수행하도록 한다.

활성 배양기(8)는 토양성 다공질 담체를 포함하며 반송슬러지 중 일부를 유입하여 임의성 미생물군의 활동도를 극대화시키고 수체내에서 확보하지 못하는 미량 무기물질들을 담체를 통하여 지속적으로 공급해 줄 수 있도록 한다.

활성 배양기 내에 충진되는 다공성 토양질 담체는 주성분이 고령토, 점토, 규조토등의 순수 토양과 습지 저부에서 채니된 부식질 토양이며, 일부 미량물질을 첨가하여 압축 성형한 후 자연건조를 통하여 제조되었다.

이 담체는 수중에 침지시킨 후 일정의 포기강도를 갖는 조건하에서 약 1년 정도 형태의 일그러짐이 없이 질량의 감소만을 갖을 수 있도록 제조하였으며, 이를 위하여 유기바인더가 혼합 성형시 사용된다.

다공질 토양 담체의 물리화학적 특성은 다음과 같다.

다공성 토양질 담체의 충진율은 유기물 오탁 부하량(kg/day)에 대하여 170%를 적용하여 침지하는 것이 실험결과 가장 우수한 것으로 분석되었으며, 침지 방법은 (8)에 설명한 바와 같은 활성 배양기 내에 위치시키고 담체 하부에서는 미세 포기를 통하여 수중에 서서히 용해될 수 있도록 하였다.

또한 활성 배양기 상부에는 부식이 가능한 철판을 부착하여 철의 부식에 따른 인의 제거기작을 수행토록 하였으며 부식된 철판은 담체의 재충진 시기에 교체하는 것으로 한다.

배양기 상부(9)는 순응된 임의성 미생물의 원활한 순환을 위하여 스틸그레이팅망 구조로 구성되며 중심부에는 담체의 재충진이 용이하도록 손잡이(13)를 부착하여 기기를 거치할 수 있도록 하였다.

철판(10)은 활성 배양기 상부에 위치하고 반응조의 크기에 따라 다소 폭의 변화는 있으나 높이는 15cm로 제작되며 제질은 SS41, 두께는 6mm의 일반 철판을 사용하고 장방형 지지대를 이용하여 용접을 통한 부착방식을 이용하여 설치한다. 설치시 반응조 상부에서 10cm를 이격시켜 설치함을 원칙으로 하고 여재의 재충진시 같이 교체할 수 있도록 반응조와의 접합부분은 탈착이 용이한 구조로 한다.

산기관(11)은 미세한 공기를 배양기내에 유입시킬 수 맴브레인 튜브형 산기관을 이용하는 것으로 한다.

산기관 열결부(12)는 비닐류 호스로 연결이 용이한 구조로 하여야 하며, 이는 활성화 조내에서 배양기의 하부를 고정시키지 않으며 다소 유동적으로 이동이 가능하도록 설치하므로 다소 배양기의 움직임이 있어도 원활한 산기가 이루어 질 수 있도록 하기 위해 중요한 장치이다.

거치용 손잡이(13)는 활성배양기를 활성화조 내에 침지할 때나 담체의 재충진시 활성배기양의 원활한 이동을 위하여 체인블럭등의 장비를 사용하기 편하도록 설치한다.

각각의 반응조는 원칙적으로 활성 배양기를 제외하고는 R.C(콘크리트) 구조물로 설치하는 것으로 하나, 경우에 따라 부지제약을 받는 경우에는 스테인레스 스틸을 이용한 입상 타워형으로 제작 운영할 수 도 있지만 이러한 경우에는 반드시 사전 실험을 거쳐서 반응조의 규모를 결정하여야 한다.

본 발명은 자체 제작된 다공성 토양질 담체를 이용하여 기존의 활성슬러지 공법을 이용한 처리시설에 대한 처리효율의 개선 및 유입부분의 악취제거, 영양물질의 제거 등을 시설의 증설이 없이 기존시설의 일부 개량만으로 수행할 수 있고 유지 관리 및 운영에 있어서 고도의 숙련된 기술이 필요없이 일정기간이 지난 후에 담체만의 교체로 시스템의 안전성을 도모할 수 있으므로 경제적이며 실용적인 공법이라 할 수 있다.

Claims (3)

1. 포기조를 2단으로 구성하고 반송슬러지의 일부를 활성화조로 유입시켜 임의성 미생물을 순응, 유도 배양함으로 포기조내 미생물군을 절대 호기성이 아닌 임의성 미생물군이 우점종화 하여 제거 기작은 저급산화 방식이 아닌 물질의 고분자화 및 비반응성 물질로의 전환을 통한 수계 내에서의 분리시키는 운전조건 및 처리시스템의 설계 인자
2. 활성 배양기내에 침지되는 다공성 토양질 담체로 압축 성형만을 통하여 일시에 수정에 풀어지지 않고 서서히 수중에 용해되며 임의성 미생물군에 미량 영양물질을 지속적으로 공급할 수 있도록 하는 재료의 성분 특성 및 유기 바인더의 혼합비
3. 하부에 다공성 토양질 담체를 충진하고 상부에 부식이 용이한 철판을 부착하여 임의성 미생물군의 활동도를 극대화 할 수 있도록 유도하고 용존성 인을 침착 제거할 수 있는 활성 배양기