KR20010029666A - 외부 유기 탄소원을 이용한 하수의 질소, 인 제거방법 - Google Patents

외부 유기 탄소원을 이용한 하수의 질소, 인 제거방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 외부에서 제공되는 유기탄소원을 이용하여 하수중의 질소(N)와 인(P)을 보다 효과적으로 동시에 제거할 수 있는 방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 초침을 거친 유입수에 인을 방출하기 위하여 선택적으로 외부에서 유기 탄소원을 혐기조에 공급하고 상기 혐기조에서 방출된 인을 과잉섭취 및 암모니아 질소 또는 유기성 질소를 산화시키기 위하여 제 1 호기조를 거친후 필수적으로 외부에서 유기 탄소원을 공급하여 질산성 질소를 탈기시켜 제거하기 위하여 무산소조에서 처리하며, 상기 무산소조를 거친 최종 잔여 유기 물질 및 인을 제거하기 위하여 후폭기를 행하는 제 2 호기조를 거친후 최종 침전조에서 고액 분리하여 처리수는 방류하고 슬러지중의 일부는 폐기처분하고 대부분의 슬러지는 상기 혐기조 전단으로 이송하여 처리하는 것을 특징으로 한다.

Description

외부 유기 탄소원을 이용한 하수의 질소, 인 제거방법{Removal Methods of Nitrogen and phosphorus in wastewater using external carbon source}
질소, 인은 주로 농업용 비료, 사람이나 가축의 분뇨, 합성세제로부터 발생되며, 이들이 미처리된 하수 또는 공장폐수가 강이나 댐을 포함한 호수로 다량 유입될 경우 부영양화, 연안의 적조현상, 암모니아의 어류독소, 수중의 용존산소결핍등을 야기 시킨다. 또한, 질소, 인등의 상수원 유입으로 인한 조류의 과잉성장은 정수장에 조류의 과다번식을 초래할 수 있고, 정수공정인 모래여과지의 막힘현상을 유발하여 여과지의 운전시간을 단축시킨다. 그러나 질소와 인을 일반적인 하수처리 공정으로 행할경우 제거율이 매우 낮기 때문에 고도처리가 필요하다.
본 발명은 하수의 질소, 인 동시 제거방법에 관한 것으로, 특히 외부에서 제공되는 유기 탄소원을 이용하여 하수중에서 심각한 문제로 대두되고 있는 BOD저부하 문제를 해결하여 질소(N)와 인(P)을 보다 효과적으로 동시에 제거하며 처리할 수 있는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 알려진 질소와 인 동시 제거방법으로는 활성 오니법의 변법으로 혐기 - 무산소 - 호기법(A2/O법 : Anaerobic-Anoxic-Oxic 법), M-Bardenpho 법, UCT 법, VIP 법, MLE 법 등이 알려져 있다.
그중 대표적인 A2/O 법은 폐수처리에 있어서, 폐수중의 유기물 성분을 탈질 공정의 탄소원으로 사용하기 때문에 수소 공여체량을 절감하고, 탈질조에서 탈질시 생성되는 알칼리도를 질산화조에서 이용하므로 알칼리 사용량을 절감할 수 있다. 그러나 반송슬러지 중에 함유되어 있는 아질산성 질소나 질산성 질소가 혐기조에 유입되어 인의 방출을 저해하여 최종적으로 인의 생물학적 제거효과에 악영향을 미친다.
M-Bardenpho 공정은 기존의 A2/O의 공정에 추가로 무산소조와 폭기조를 설치한 것이다. 이 공정에서도 A2/O 공정과 마찬가지로 질소는 폭기조에서 질산성 질소를 탈질조로 반송시켜 제거하며, 인의 제거는 잉여 슬러지의 폐기에 의해 이루어진다. 혐기조에서의 인의 방출과 탈질조에서의 질소제거에 소모되는 탄소원은 유입하수내의 유기물을 이용하기 때문에 인 및 질소의 제거는 유입하수의 유기물 농도에 영향을 받는다. 슬러지 생산을 최소화하면서 인 함량을 높일 수 있다는 장점이 있으나 내부 순환 펌프비용이 추가적으로 들게되며, A2/O 공정에 비해 큰 반응조가 필요하다. 또한 높은 BOD/P 비가 필요하다. 특히 이 공정은 반송 슬러지내의 잔존 질산염이 혐기조에 유입되어, 탈질산화 박테리아들이 우선적으로 탄소원을 사용하여 탈질산화를 함으로써 인 방출이 저하되고 결과적으로 인 제거 효율이 저하되는 문제가 있다.
UCT 공정은 A2/O 공정및 수정 Bardenpho 공정들의 문제점을 해결하기 위해 만들어낸 공정으로, 혐기조로 슬러지를 반송시킴으로서 질산염의 영향을 제거하였으며, 반송슬러지에 함유된 NO3 _에 의한 인제거 효율의저해요인을 감소시킬 수 있으며, Bardenpho보다 반응조의 크기가 작다. 그러나 내부 순환 펌프비용이 추가적으로 들며, 이 공정의 문제점은 혐기조의 질산염 농도는 낮게 유지하는 것이 전체 인 제거효율을 결정짓게 됨으로서 질산화를 충분히 시키지 않게 되는 경향이 있다.
VIP 공정은 UCT 와 비슷하나 UCT 가 한개의 완전 혼합조로 구성된 반면 완전 혼합조를 직렬조합하여 인의 과잉 축적 능력을 증가시켰다. 이 공정의 최대 장점은 인 제거 효율이 높고 계절의 영향을 적게 받는다는 것이다. 또한 반응조의 크기가 작으므로 부지면적은 적게 차지하고, 혐기조로의 질산염반송이 알칼리도 소모량을 줄여주며, 호기성조의 질산염 부하를 줄여 줄 수 있다. 단 내부 순환 펌프가 필요하므로 에너지비용이 증가한다. 또한 저온시 질소제거 능이 떨어진다.
상기한 A2/O 법을 포함한 그 밖의 다른 방법들은 하수중에 유기물질이 풍부한 미합중국, 유럽 등 외국의 경우에 질소와 인을 생물학적으로 잘 제거할 수가 있으나, 우리나라의 하수처리장 유입수의 경우, 유기물의 농도가 상대적으로 낮은, 즉 C/N 비가 낮아 기존의 활성슬러지 공정에서 질소 및 인을 처리하기 위해 BNR(Biological Nutrient Removal) 공정으로 변형하여 운영하여도 효율적인 T-N 제거를 얻기는 어렵다. 또한 생물학적으로 질소를 제거하기 위하여 호기조 후단에서 무산소조 전단으로 유입수의 100 ∼ 300% 정도를 내부순환 하여야 하는데 이는 초기의 건설비나 유지관리비 측면에서 비용이 많이 소요되는 등의 문제점이 있었다.
위에서 제시된 기존의 질소 인 제거 공정에서 탈질 효율을 설명하면 다음과 같다.
즉, 기존의 질소제거 공정의 탈질효율은 MLE 공정으로 대표될 수 있으며 식(1)으로 나타낼 수 있다.
MLE 공정
단, 이 식이 성립하기 위해서는 무산소조로 유입되는 질산성 질소는 100% 탈질되어야 한다. 그러기 위해서는 반응조 내에서의 미생물의 양이 충분하여야 하며 또한 탈질에 필요한 유기물질의 양과 이에 필요한 시간이 충분하여야 한다.
또한 반송슬러지 및 내부 순환에 따른 탈질율은 아래 그림과 같이 나타내진다.
Ir + R
대개 반송슬러지의 양을 유입수의 50%정도로 운전하는 것을 기준으로 하고 내부 순환비를 100%와 200%를 가정할 때 탈질 효율은 이론적으로 각각 60% 와 71.4% 정도로 내부순환비율에 정비례하여 증가하지 않는다.
즉, 내부 순환에 따른 탈질효율을 위해서는 가장 단순환 MLE 공정을 가정하였으나 비단 MLE 뿐만 아니라 내부순환을 필요로하는 A2/O, Bardenpho, DNR등 대부분의 연속식 하수 고도처리 공정에서도 탈질효율은 식(1)을 따른다.
따라서 본 발명은 외부에서 제공되는 유기 탄소원을 이용하여 하수중의 질소(N)와 인(P)을 보다 효과적으로 동시에 제거할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 방법은 초침을 거친 유입수에 인을 방출하기 위하여 선택적으로 외부에서 유기 탄소원을 공급하여 혐기조에서 처리하고 상기 혐기조에서 방출된 인을 과잉섭취 및 암모니아 질소 또는 유기성 질소를 산화시키기 위하여 제 1 호기조를 거친 후 필수적으로 외부에서 유기 탄소원을 공급하여 질산성 질소를 탈기시켜 제거하기 위하여 무산소조에서 처리하며, 상기 무산소조를 거친 최종 잔여 유기 물질과 인을 제거하기 위하여 후폭기를 행하는 제 2 호기조를 거쳐, 최종 침전조에서 처리수로 방류하고 분리된 슬러지를 상기 혐기조 전단으로 이송하여 처리하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 또다른 기술적 방법은 초침을 거친 유입수에서 방출된 인을 과잉섭취 및 암모니아 질소 또는 유기성 질소를 산화시키기 위하여 제 1 호기조를 거친후 필수적으로 외부에서 유기 탄소원을 공급하여 질산성 질소를 탈기시켜 제거하기 위하여 무산소조에서 처리하고, 상기 무산소조를 거친 최종 잔여 유기 물질을 제거하기 위하여 후폭기를 행하는 제 2 호기조에서 처리하며, 최종 침전조에서 처리수를 방류하고 반송슬러지 내의 인을 방출하기 위하여 필수적으로 외부에서 유기 탄소원을 공급하여 혐기조에서 처리한후 상기 호기조 전단으로 슬러지를 이송하여 처리하는 것을 특징으로 한다.
도 1 은 본 발명에 의한 제 1 실시예의 질소, 인 동시 제거방법 공정도.
도 2 는 본 발명에 의한 제 2 실시예의 질소, 인 동시 제거방법 공정도.
도 3 은 본 발명에 의한 제 3 실시예의 질소, 인 동시 제거방법 공정도.
도 4 는 본 발명에 의한 제 4 실시예의 질소, 인 동시 제거방법 공정도.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면에 의하여 상세히 설명한다.
먼저, 하수중의 질소와 인의 생물학적 제거과정을 설명하면 다음과 같다.
생물학적으로 질소는 두 단계의 반응에 의해서 제거가 된다.
첫째로는 암모니아성 질소가 질산성 질소로 산화되는 질산화 반응이며, 두번째 단계는 전자 수용체로 질산성 질소를 이용하여 질소가스로 방출시키는 탈질산화반응이다.
하수중의 유기질소는 혐기 반응시 분해되어 암모니아성 질소로 분해되고, 상기 암모니아성 질소는 호기조건에서 독립 영양 미생물이 암모니아성 질소를 산화성 질소로 환원하여 아질산염으로 변환된다. 그 다음으로 상기의 아질산염이 질산염으로 변환되는 2단계의 반응을 거친다.
NH4 ++ 3/202→ NO2 -+ 2H++ H2O
NO2 -- 1/202→NO3 -
이들 반응을 종합하면 다음과 같다.
NH4 ++ 2O2→ NO3 -+ H2O + 2H+…… 식(2)
상기 화학반응식(2)에서 발생된 질산이온(NO3 -)의 질산성 질소는 전자 수용체로 이용되며 질조사스로 변환된 후 대기중으로 탈기된다.
이 탈질산화 반응은 용존산소가 존재하지 않는 무산소 상태에서 이루어지며 효과적인 탈질산화 반응을 위해서는 메탄올을 비롯한 생물학적으로 분해가 쉬운 유기물을 필요로 한다. 다음의 식(3)에 전체의 반응이 간략하게 나타나 있다.
유기탄소원 + 2NO3 -→ N2+ CO2+ H2O …… 식(3)
여기서 사용되는 유기탄소원은 유기산이나 메탄올 등이 바람하다.
다음에 인의 제거과정을 설명하면 다음과 같다.
생물학적 인 제거는 활성 슬러지가 혐기성 상태에서 인을 방출하고 다시 호기성 상태에서 인을 과잉으로 섭취하는 현상을 이용한 제거 방법이다.
미생물의 세포내에서 에너지 전달체로서 인이 필요하므로 인은 생물학적 합성에 필요한 양만큼 제거된다고 볼 수 있지만 연속적으로 혐기 및 호기성 조건을 주었을때 미생물의 성장에 필요한 화학양론적 양 이상으로 인의 제거가 가능하다. 연속적인 혐기 및 호기 조건에서 미생물에 의한 인의 축적은 4 ∼ 12 % 정도로 보고되고 있는데 이러한 미생물을 폐기함으로 2.5 ∼ 4 배 정도의 높은 인 제거효율을 얻을 수 있다.
이들의 반응을 보면 다음과 같다.
혐기성 상태에서 미생물은 유기물을 섭취하여 PHB(poly-β-Hydroxybutyrate)의 형태로 체내에 축적한다. PHB의 합성시 요구되는 에너지는 호기성 기간중에 축적된 폴리인산(poly-P)이 분해되면서 공급되어지며, 분해된 인산염인(ortho-P)은 수용액 중으로 방출된다. 반응식은 아래와 같다.
혐기시 : poly-P → ortho-P (에너지 방출)
유기물 → PHB(에너지 축적)
호기시에는 수중의 인산염인이 인 섭취 생물에 의하여 과잉 섭취되어 폴리인산의 형태로 체내에 저장된다. 즉 호기성조건 하에서 미생물은 체내에 폴리인산의 인과립을 다량 축적한다. 미생물이 다량의 인을 과잉 섭취하여 체내에 고밀도로 축적하였을때 슬러지를 폐기함으로써 인의 제거가 가능하게 된다.
호기시 : ortho-P → poly-P(에너지 축적)
PHB + O2→ CO2+ H2O(에너지 방출)
즉 혐기시에는 많은 양의 인을 방출하지만, 호기시에는 방출한 양보다 더 많은 양의 인을 미생물이 섭취하므로 하수중의 인을 제거할 수가 있다.
상기와 같이 질소와 인을 생물학적으로 제거하기 위해서는 많은 양의 유기탄소원으로 사용되는 유기물질이 필요한데 이때 제공되는 외부탄소원(유기물질)으로는 메탄올, 에탄올, 초산 등과 같은 화공약품이나, 식품가공업체 또는 주정공장에서 발생되는 유기성 폐액과 음식물쓰레기 등을 발효시켜 생성되는 유기산이 효과적일 수 있다. 메탄올 등의 화공약품을 사용할 때에는 약품비가 매우 많은 비용이 소모될 수 있다. 그러나 현재 본 발명에서는 식품가공업체 또는 주정공장에서 발생되는 유기성 폐액과 음식물 쓰레기 등을 발효시켜 생성되는 유기산을 사용한다.
본 발명의 특징은 처리방법은 혐기 제 1 호기, 무산소, 제 2 호기 공정으로 배열하여 제 1 호기에서 생성된 질산성 질소를 바로 후단의 무산소조에서 외부유기탄소원을 공급받아 거의 대부분을 탈질 시킬 수 있을 뿐만 아니라 대규모의 내부순환원이 불필요하다.
즉, 호기조1 에서 전환된 질산성 질소를 바로 후단인 무산소조에서 탈질에 필요한 유기산을 공급받아 이론적으로 100% 까지 탈질이 가능하다.
내부 순환이 있는 경우는 내부 순환이 없는 경우와 비교 하였을때 오염물질의 제거속도 측면에서 유리한 면이 많다.
내부 순환이 있는 경우 반응기 해석에 필요한 수식을 나타내기 위한 모식을 나타내면 아래의 그림과 같다.
하수농도(mg/L)를 Co, 반응기에 유입되는 오염물질의 농도(mg/L)을 Ci, 반응기 실제 체류시간(HRTreal, hr), 오염물질제거 속도(mg/L,hr)를 r, 반응 속도 상수(/hr)을 k 로 표시 했을때 BNR관계 수식을 표현하면 다음과 같다.
위의 식을 기본으로 슬러지 반송량(R)을 유입수(Q)의 1/2로 하고 내부 순환이 없는 경우와 내부순환이 100 - 300% 까지 변할때 Ci 와 HRT 는 다음과 같다.
항목 내부 순환비율(%)
0 100 200 300
반응식
Ci
HRTreal
오염물질의 제거를 보다 많이 하기 위해서는 반응기 내부의 오염물질 농도가 높거나 실제 반응기 내의 체류시간을 많이 확보하는 것이 필요하다.
그러나 위의 표에서 알수 있듯이, 반응기 내부로 유입되는 실제 오염물질의 농도 Ci는 Co 》Ce 이므로 내부순환이 많아지면 상대적으로 적게되며, 또한 실제 반응기 체류시간(HRTreal)도 내부 순환이 많아질수록 줄어들게 되는 단점이 있다.
본 발명에 의한 제 1 실시예의 질소, 인 동시제거방법의 공정도를 나타낸 것으로서, 도 1 은 혐기, 호기, 무산소, 호기공정으로 내부순환이 필요없다.
혐기조에서는 인을 충분히 방출시키기 위하여 선택적으로 외부탄소원을 공급하기도 하나 하수중에 유기물질이 풍부할 경우에는 외부탄소원을 공급하지 않아도 된다.
다음의 호기조에서는 혐기조에서 방출된 인을 과잉섭취하며, 암모니아성 질소 또는 유기성 질소를 산화시킨다.
다음의 무산소조에서는 필수적으로 외부에서 공급되는 유기탄소원을 이용하여 질산성 질소를 탈기시켜 제거한다.
다음의 호기조에서는 최종 남은 유기물질을 깨끗이 제거하기 위하여 후폭기를 행한다.
하수의 수리학적 처리 시간(HRT ; Hydraulic Retention Time)은 7시간에서 10시간 정도이며, 고형물 체류시간(SRT;solid retention time)는 7 ∼ 15일 정도이다.
도 2 는 본 발명에 의한 제 2 실시예의 질소, 인 동시 제거방법을 나타낸것으로서, 전체공정은 도 1 과 동일하나 후단의 호기조에서 유출될 수 있는 질산성 질소를 더 많이 제거하기 위하여 유입수의 100%정도를 내부순환을 하여줄 수 있다. 100%의 내부순환을 하는 이유는 무산소조에 공급되는 외부유기 탄소원 용액중에 일부의 질소성분이 포함될 수 있으므로 추가적으로 질소를 제거하고자 함이다.
도 3 는 본 발명에 의한 제 3 실시예의 질소, 인 동시 제거방법을 나타낸 것으로서, 전체 공정은 도 1 과 동일하나 유입하수를 혐기조로 유입시키지 않고 바로 호기조로 유입시킨다.
혐기조에서는 충분한 인의 방출이 일어날 수 있도록 외부 유기탄소원을 공급해 주어야 한다.
도 4 는 본 발명에 의한 제 4 실시예의 질소, 인 동시 제거방법을 나타낸것으로서, 도 3 과 동일하나 후단의 호기조에서 유출될 수 있는 질산성 질소를 더 많이 제거하기 위하여 유입수의 100% 정도를 내부순환을 하여줄 수 있다.
이상에서 설명한바와 같이 본 발명을 사용하여 하수 처리 공정을 한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
항목 A2/O 제거율(%) 본 공정의 제거율(%)
유입(mg/L) 유출(mg/L) 제거율(%)
BOD 80∼90% 96.0 6.5 93.2
SS 90∼95% 72 3.5 95.1
T-N 50∼70% 25.6 4.7 81.6
T-P 50∼70% 2.2 0.2 10.9
위 결과에서 보여주듯이 본 발명은 외부에서 제공되는 유기 탄소원을 이용하여 하수중에서 심각한 문제로 대두되고 있는 BOD 저부하 문제를 해결하고 질소(N)와 인(P)을 기존의 발명 보다 효과적으로 동시에 제거하며 처리할수 있으며, 유기탄소원을 메탄올이 아닌 식품가공업체 또는 주정공장에서 발생되는 유기성 폐액과 음식물 쓰레기 등을 발효시켜 생성되는 유기산을 이용함으로써 음식물쓰레기 문제를 해결하는 동시에 대량의 메탄올 사용에 소비되는 비용절감 효과를 가져오는 유익한 발명인 것이다.

Claims (4)

  1. 초침을 거친 유입수의 인을 방출하기 위하여 선택적으로 외부에서 유기 탄소원이 공급되어지는 혐기조; 상기 혐기조에서 방출된 인을 과잉섭취 및 암모니아 질소 또는 유기성 질소를 산화시키는 제 1 호기조; 상기의 제 1 호기조를 거친 후 필수적으로 외부에서 유기 탄소원을 질산성 질소를 탈기시켜 제거시키는 무산소조; 상기 무산소조를 거친 최종 잔여 유기 물질 및 인을 제거하기 위하여 후폭기를 행하는 제 2 호기조; 상기의 호기조를 거친후 고액분리하여 처리수는 방류하고 슬러지중의 일부는 폐기처분하고 대부분의 슬러지는 상기 혐기조 전단으로 이송하여 처리하는 최종 침전조; 등을 특징으로 하는 외부 유기 탄소원을 이용한 하수의 질소, 인 제거방법.
  2. 초침을 거친 유입수의 인을 방출하기 위하여 선택적으로 외부에서 유기 탄소원이 공급되어지는 혐기조; 상기 혐기조에서 방출된 인을 과잉섭취 및 암모니아 질소 또는 유기성 질소를 산화시키는 위한 제 1 호기조; 상기의 제 1 호기조를 거친후 필수적으로 외부에서 공급되는 유기 탄소원을 이용하여 질산성 질소를 탈기시켜 제거하는 무산소조; 상기 무산소조를 거친 최종 잔여 유기 물질및 인을 제거하기 위하여 후폭기를 행하는 제 2 호기조; 상기의 호기조를 거친 후 후단의 호기조에서 유출될 수 있는 질산성 질소를 더 많이 제거하기 위하여 유입수의 100%정도를 무산소조로 내부순환하는 내부순환과정; 상기의 호기조를 다시 거친 후 고액분리하여 처리수는 방류하고 슬러지중의 일부는 폐기처분하고 대부분의 슬러지는 상기 혐기조 전단으로 이송하여 처리하기 위한 최종 침전조(종침); 등을 특징으로 하는 외부 유기 탄소원을 이용한 하수의 질소, 인 제거방법.
  3. 초침을 거친 유입수에서 방출된 인을 과잉섭취 및 암모니아성 질소 또는 유기성 질소를 산화시키는 위한 제 1 호기조; 상기의 호기조를 거친 후 필수적으로 외부에서 유기 탄소원을 공급하여 질산성 질소를 탈기시켜 제거하는 위한 무산소조; 상기 무산소조를 거친 최종 잔여 유기 물질 및 인을 제거하기 위하여 후폭기를 행하는 제 2 호기조; 인을 방출하기 위하여 필수적으로 외부에서 유기 탄소원을 공급하여 혐기조에서 처리한 후 상기 호기조 전단으로 슬러지를 이송하여 처리하는 것을 특징으로 하는 외부 유기 탄소원을 이용한 하수의 질소, 인 제거방법.
  4. 초침을 거친 유입수에서 방출된 인을 과잉섭취 및 암모니아성 질소 또는 유기성 질소를 산화시키는 제 1 호기조; 상기의 호기조를 거친 후 필수적으로 외부에서 유기 탄소원을 공급하여 질산성 질소를 탈기시켜 제거하는 무산소조; 상기 무산소조를 거친 최종 잔여 유기물질을 제거하기 위하여 후폭기를 행하는 제 2 호기조; 후단의 호기조에서 유출될 수 있는 질산성 질소를 더 많이 제거하기 위하여 유입수의 100% 정도를 무산소조로 내부순환하는 내부순환과정; 인을 방출하기 위하여 필수적으로 외부에서 유기 탄소원을 공급하여 혐기조에서 처리한 후 상기 호기조 전단으로 슬러지를 이송하여 처리하는 것을 특징으로 하는 외부 유기 탄소원을 이용한 하수의 질소, 인 제거방법.
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