KR20020085282A - 생물학적 고도처리에 의한 하수, 폐수 처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하·폐수중의 유기물, 질소, 인을 동시에 처리하는데 적합한 하수, 폐수 처리방법에 관한 것이다.

국내 저농도 하수에 있어서 탈질과 탈인에 있어 외부탄소원의 주입을 최소화하며 안정적 고도처리를 위한 공정이다. 하·폐수는 혐기조로 유입하여 혐기조에서 가수분해와 일부 발효반응에 의한 발효산물을 무산소조인 전탈질조로 반송하여 탈질을 위한 유기원으로 사용하며, 침전조에서 반송된 반송슬러지 일부를 전방 무산소조로 유입하며 탈질을 통하여 다음공정인 혐기조에서의 질산성 질소에 의한 인방출 저해효과를 최소화하며, 혐기조를 통과한 처리수는 후방 무산소조 및 포기조를 거쳐 탈질 및 탈인과정을 수행한 후, 포기조의 처리수 일부를 후방 무산소조로 반송하여 처리수의 탈인, 탈질을 가속토록 하며, 침전조의 슬러지 일부를 혐기조와 직렬로 연결된 전방 무산소조로 반송하여 혐기조로 유입되는 원수의 가수분해를 촉진토록 하는 하수, 폐수 처리방법을 제공하며, 특히, 포기조에서 무산소조로의 내부반송시 그 반송위치를 변경가능토록 하여 탈질을 위한 외부조건 변화시, 즉 수온저하 및 하수내 유기탄소원 부족에 의한 탈질율 저하시 무산소조 체류시간을 증대시키도록 내부반송토록 하는 수처리 방법에 관한 것이다.

Description

생물학적 고도처리에 의한 하수, 폐수 처리방법{High intergated Biological Nutrient Removal System}

본 발명은 하·폐수중의 질소 및 인을 제거하는 방법에 관한 것으로 상세하게는 도시하수, 가축폐수, 산업폐수에 존재하는 유기물 뿐만 아니라 질소와 인의 제거효율을 현저하게 개선시킴으로써 하천의 부영양화를 방지토록 하는 하·폐수 처리방법에 관한 것이다.

하수 속에 포함된 유기물이나 질소와 인 등은 하천, 연안바다, 저수지 등의 수역에 부영양화를 발생하며, 이러한 영양염류등을 먹이로 하는 조류를 과잉 번식하게 된다.

생활하수, 축산폐수, 산업폐수 등이 하천으로 대량으로 유입되면 영양염류가과도하게 증가하게 되고 이에 따라 자연의 자연정화 능력을 넘어서게 되어 결국 녹조, 적조와 같은 부영양화가 급속히 진행되어 하천이나 저수지등의 수중산소농도를 고갈시켜 수중 생태계의 오염 및 부패를 촉진한다. 따라서 부영양화를 방지하기 위해서는 하·폐수 내의 영양염류 성분이 호소와 하천등의 수역으로 유입되기 전에 제거되어져야 한다.

하·폐수중의 질소 및 인을 처리하기 위해 종래에 사용된 방법으로는 물리화학적 처리방법과 생물학적 처리방법이 있다.

물리화학적 처리방법은 폐수의 수소이온농도를 상승시키면서 공기를 주입하여 질소를 암모니아 상태로 발생시키는 방법과 이온교환물질을 사용한 선택적 흡착방법으로 질소를 처리하고 소석회등의 응집제를 사용하여 인을 침전처리시키는 방법등이 있다. 그러나 이와 같은 방법들은 소요 약품 비용이 많이 소요되는 단점이 있다.

생물학적 처리방법에 있어서는 종래의 하·폐수 처리 방법과 Bardenpho, A/O, A₂/O, UCT, VIP 그리고 SBR(Sequencing Batch Reactor)공정등이 있다. 이와 같은 공정은 미생물을 이용하는 공정으로 질소의 경우 1차 침전조에서 고형 유기물을 침전 및 분리시킨 다음, 용존상태의 암모니아성 질소와 유기물 형태의 질소를 호기성 조건하에서 호기성 미생물에 의해 질산화시키고, 질산염을 무산소 조건하에서 탈질 미생물에 의해 산소 대신 전자수용체로 이용하게 하여 질소기체로 환원시킨다. 이를 탈질화 과정이라고 한다.

인을 처리하는 방법은 폐수를 교대로 혐기성 조건과 호기성 조건을 유지시켜 혐기성 조건하에서는 미생물로부터 인을 방출시키고, 후속되는 호기성 조건에서는 인을 과잉섭취 하도록 한 다음 미생물을 일정량씩 제거하는 방식으로 인을 처리한다. 이상에서와 같은 방식으로 영양염류를 처리할 경우 처리효율이 높을 뿐만 아니라 비용면에서도 매우 경제적이다.

그러나, 상기한 종래의 하·폐수 처리공법은 국내하수의 특성인 저농도(유기물농도 100 ∼ 200mg/ℓ, 외국의 경우 200 ∼ 300mg/ℓ)를 고려하지 않아 유입수내 한정된 유기물을 사용시 가용 유기물의 부족으로 충분한 처리효과를 기대하기 어려운 실정이다. Bardenpho공정의 경우 남아프리카 공화국에서 적용된 공법으로 유입수가 300mg/ℓ이상의 고농도이고 미생물증식에 있어 중요인자인 수온 역시 높은 경우에 효율적 처리가 가능한 공법이며 A/O, A²/O, VIP, UCT 공정들은 하수처리효율을 증가시키기 위해 내부 순환량을 폐수 유입량의 3배가량으로 유지하여야 하기 때문에 동력비 및 시설비가 많이 소모되어 운영비가 증가되고 운영이 복잡하며 가용유기원이 부족한 저농도 하·폐수에 적용이 곤란하다는 단점이 있다. SBR 공정은 포기조 하나로 무산소조, 포기조, 침전지의 역할을 수행하기 때문에 부지가 적게 소요되고 단순하나 연속적으로 발생하는 대규모 폐수를 처리하기가 곤란하며, 탈질반응에 필요한 유기물질을 공급해주기 위해서 외부에서 유기물(메탄올 등)을 공급해 주어야 하는 문제점을 안고 있다.

본 발명의 저농도 하수에 고도처리 적용시 문제점을 개선하여 하·폐수로부터 유기물뿐만 아니라 질소 및 인을 효과적으로 제거하는 방법을 제공하는 것을 본 발명 제1목적으로 하며, 하·폐수 처리방법을 수행하는데 적합한 처리 시스템을 제공하는 것을 본 발명의 제2목적으로 하여 개발된 것이다.

도1 - 본 발명의 처리공정도.

도2 - 본 발명의 하절기 운전흐름도.

도3 - 본 발명의 동절기 운전흐름도.

도4 - 포기조에서 질산화 과정과 무산소조에서 탈질과정을 요약한 표.

통상 제1차 침전조, 혐기조, 무산소조, 폭기조, 최종 침전조, 여과조 등의 다단계의 반응조를 직렬로 연결하고, 각 단계별로 하,폐수를 생물학적으로 정화하는 하,폐수 처리 방법에 있어서, 제1차 침전조를 구성하지 않고 유입수조(11)로부터 유입되는 원수를 혐기조(12)로 유입하여 혐기성 조건을 달성하는 단계를 거친 후, 이를 후방 무산소조(14) 및 포기조(15) 단계를 수행하는 한편, 포기조(15)로부터 처리수 일부를 후방 무산소조(14)로 반송 처리하며, 포기조(15)로부터 침전조(16)로 유입된 처리수의 슬러지 일부를 혐기조(12)와 직렬로 연결되는 전방 무산소조(13)로 일부 반송토록 하며, 상기 전방 무산소조(13)를 거친 처리수는 상기 혐기조(12)로 이송하되, 상기 혐기조(12) 후단으로부터 혐기성 단계를 거친 처리수 일부를 재차 전방 무산소조(13)로 유입한 후, 이를 재차 혐기조(12)로 이송되는 과정을 거쳐 하·폐수를 정화되도록 한 것이다.

이와 같은 발명을 수행함에 있어 외부환경 조건변화를 감안하여 본 발명을 유동적으로 수행하게 된다.

즉, 수온이 비교적 높은 하절기에는 탈질효과 역시 높아지므로 말미암아 적은 용적의 후방 무산소조 용적을 필요로 하게 되나, 반대로 수온이 비교적 낮은 동절기에는 탈질효과를 높이기 위하여 큰 용적의 후방 무산소조 용적을 필요로 하게 된다.

이와 같이 하절기(7월∼11월) 및 동절기(12월∼2월)의 수온차이에 따른 탈질효과를 감안하여 하절기에는 포기조(15)로부터 일부 반송되는 처리수를 후방 무산소조(14)로 유입토록 하며, 동절기에는 포기조(15)로부터 일부 반송되는 처리수를 혐기조(12)의 후단으로 반송 처리하여 무산소조의 용적을 크게 하여 처리수의 무산소조 처리과정을 길게 하여 탈질과정을 수행토록 하는 것이다.

상기에 있어, 포기조(15)를 거친 처리수는 후방 무산소조(14) 및 침전조(16)로 이송되는 한편, 침전조(16)로부터 슬러지 및 처리수는 잉여 슬러지 저류조(21)로 이송되어, 슬러지를 침전 및 배출 처리하게 된다. 또한, 침전조(16)로 유입되는 처리수는 전방 무산소조(13)로 일부 반송되는 한편, 탈질여과기를 거쳐 배수되어지게 된다. 상기 전방 무산소조(13) 및 혐기조(12), 후방 무산소조(14)는 교반기를 가지며, 포기조(15)에는 공기를 공급하는 폭기설비를 갖게 된다.

이와 같은 본 발명의 작용을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기 혐기조(12)와 직렬로 연결되는 전방 무산소조(13)는 반응조 내의 MLSS(Mixed Liquor Suspended Solid)를 유지하기 위하여 침전조(16)에서 반송되는 반송 슬러지 일부를 유입하게 되며, 반송 슬러지지 내의 질산성 질소를 탈질반응에 의하여 제거하게 된다.

종래 하수, 폐수 처리 고정에 있어서, 탈질반응을 수행하는 전무산소조는 탈질반응을 위한 외부 탄소원이 없음으로 인하여 미생물 자체의 분해에 의한 내생탈질(Endogenous Respiration)을 수행하게 되나, 내생탈질의 경우 그 반응속도가 늦어 결과적으로 불완전탈질, 외부 탄소원(메탄올) 주입 또는 전무산소조의 용적을 크게 하는 단점을 갖는 것을 볼 수 있다.

그러나, 이와 같은 종래 하,페수 처리 방법의 단점을 감안하여 본 발명에 있어서는 전방 무산소조(13)와 직렬로 연결되는 혐기조(12) 후단(#4)으로부터 일정량(유입수대비 10-30%)의 처리수를 반송하여 혐기조(12) 내에서 발효반응에 의해 생성된 분해성 유기물(Readily Biodegradable Carbon Surce)을 공급하게 되고, 이에 의해 전방 무산소조(13) 내의 탈질효율을 증가시키게 된다.

즉, 혐기조(12) 전방에 위치한 무산소조(13)로 침전조(16)로부터 처리수를 일부 반송 처리하므로 말미암아 메탄올과 같은 외부 탄소원의 공급을 줄이거나 차단할 수 있게 되어 처리비용을 절감할 수 있게 됨과 동시 후단에 직렬로 연결되는 각종 반응조의 용적을 작게 할 수 있는 잇점을 갖게 된다.

또한, 전방 무산소조(13)는 질산성 질소를 탈질함으로써 질산성 질소 유입을 억제하여 혐기조 효율저하 방지와, 유입 하수 내의 질소 농도가 낮을 때에는 혐기조로서의 역할을 하게 되며, 또한, 혐기조(12)로 고농도 하수가 유입될 경우 이를 희석하는 충격부하 방지의 역할을 하게 된다.

상기 전방 무산소조(13)에서 탈질된 후, 혐기조(12)로 유입되는 슬러지는 전방 무산소조(13)에서 탈질을 통해 질산성 질소가 제거되고, 추가적인 산소공급이 없음으로 인해 혐기조(12)는 거의 완전한 혐기상태(즉, 용존산소≒0, 질산성산소≒0)를 유지하게 된다.

이러한, 혐기 상태에서 미생물은 활동에너지를 얻기 위하여 생체내 인을 방출하게 되고, 인의 방출에 필요한 유기물은 혐기조(12)로 유입되는 유입 폐수로부터 얻게 되는 것이다.

일반적으로 유기물 제거를 위한 하·폐수 처리 미생물 세포내의 인의 함량은 건조 무게비로 1.5∼2% 정도로 낮으며, 기존 활성 슬러지법에 의해서는 세포합성에 필요한 양만큼 인이 제거되기 때문에 처리효율이 낮게 된다. 그러나, 혐기성 상태에서의 인방출과 호기성 상태에서 인을 과잉 섭취하는 Luxury Uptake를 이용한 처리방법은 인을 함유한 폐수가 혐기성과 호기성 상태를 거치면서 인이 방출되고 또 과잉 섭치됨으로써 높은 인제거효율을 얻을 수 있게 된다.

Luxury Uptake에 대해서는 아직도 여러 학설이 대립되고 있는 실정이나 Acinetobacter가 중요한 역할을 하며, 혐기성 상태에서 유기물은 PHB, PHA, PHV 형태로 저장되고, Polyphosphate가 Ortro-phosphate로 변환되어 방출되고, 호기성 상태에서 축적과 유기물의 산화분해가 진행되면서 인을 과잉 섭취한다는 기본 개념을 일치한다.

또한, 호기성 상태에서 인의 과잉섭취가 일어나는 것과 같이 산소외의 다른 전자 수용체(Electron Acceptor) 즉, No₃ ^-와 같은 물질들이 존재하면 산소가 없는 상태에서도 인의 방출이 방해를 받게 되어 혐기성에서 인의 방출을 효과적으로 하기 위해서는 No₃ ^-를 제거해야 한다.

이에 따라 본 발명에 있어서는 혐기조(12) 전단에 전방 무산소조(13)를 설치하고, 전방 무산소조의 효율적인 운전을 위하여 혐기조(12)로부터의 처리수의 반송과정을 채택하여 전방 무산소조로 유입되는 반송 슬러지 내의 질산성 질소를 완전 제거함으로서 혐기조(12) 내로의 질산성 질소유입을 최소화 되도록 한 것이다.

혐기조(12)를 통해 혐기성 단계를 거친 하·폐수는 후방 무산소조(14)로 유입되어 무산소 조건을 수행하게 된다. 즉, 후방 무산소조(14)는 혐기조(12)를 거친 유입수와 포기조(15)로부터 반송된 처리수의 질산성 질소가 함께 혼합되어 무산소 조건(용존산소≒0)을 수행하게 된다. 상기 무산소 조건하에서는 질산성 질소의 탈질이 일어나게 되며, 탈질 미생물이 유기물과 함께 에너지원으로 질산성 질소를 사용하여 질소가스로 질소를 제거하게 된다.

생물학적인 탈질산화는 호기성 조건하에서의 질산화 반응과 무산소 조건하에서의 탈질반응으로 이루어진다. 일반적인 생물학적 반응에서 보는 바와 같이 탈질산화 역시 반응조 내의 여러 환경적 조건 즉, PH, 하수온도, 용존산소 농도, 기질의 종류, 농도 및 독성물질의 유무에 의한 영향을 받는다.

생물학적 탈질은 질산성 질소를 질소가스로 바꾸는 것이며, 이 때 질산성 질소는 생물학적 호흡을 위한 전자 수용체의 역할을 하게 된다. 탈질화를 일으키는 세균 등은 자유산소나 다른 질소 물질이 없이 질산을 질소가스화 시킬 수 있는 임의성 미생물들이다.

많은 종속 영양계 박테리아와 몇 몇 독립 영양계 박테리아가 이러한 탈질을 수행할 수 있다. 실제 하수에는 종속 영양계 미생물이 지배적이기 때문에 이러한탈질화는 유기물로부터 에너지원을 얻는 메카니즘으로 제한된다.

탈질산화 과정에는 동화작용과 이화작용이 포함된다. 동화작용에 의한 질산성 질소의 제거는 질산성 질소를 암모늄-질소로 세포합성에 의해서 고정시킨다. 이러한 반응은 질소물질이 하수 내에 제한적으로 존재할 때 주로 일어난다. 이화작용에 의한 탈질화는 최종산물로 질소가스를 발생하는 반응으로 이러한 이화작용에 의한 탈질화는 매우 중요시 여겨지게 된다.

생물학적 탈질화에 의한 반응기작과 화학 양론식으로 질산성 질소를 질소가스로 감소하는 기본반응은 다음과 같다.

본 발명에 있어서는 외부환경 조건변화를 감안하여 혐기조(12) 및 후방 무산소조(14)의 용적을 변화시켜 하·폐수를 처리하게 된다. 즉, 하절기의 유입하수의 고온상태 및 동절기의 유입하수의 저온상태를 감안하여 본 발명의 처리공정을 달리하게 되는 바, 하·폐수의 온도가 비교적 높은 하절기에는 탈질효율이 높음으로 인해 후방 무산소조(14)의 용적을 작게 하여 탈질과정을 수행하게 되며, 하·폐수의 수온이 비교적 낮은 동절기에는 탈질효율을 높이기 위해 후방 무산소조(14)의 용적을 크게 하는 것이 바람직하게 된다.

따라서, 동절기에는 포기조(15)로부터의 반송처리수를 후방 무산소조(14)의 전 단계인 혐기조(12) 후단(#4)으로 유입하여 혐기조(12) 후단(#4)을 무산소조로 전형하여 무산소조의 용적을 증가하여 본 발명은 실시하게 된다. 상기에 있어 인방출을 위한 혐기조건은 온도에 의해 크게 지배받지 않으므로 인해 적정효율을 유지할 수 있게 된다. 이와 같이 후방 무산소조(14)를 거쳐 탈질된 처리수는 포기조(15)로 유입되어 유기물이 제거됨과 동시 인의 과잉섭취 및 질산화를 일으키게 된다.

포기조(15)에서의 미생물의 대사에 의한 유기물의 제거는 이화작용 및 동화작용으로 이루어지게 된다. 상기 혐기조(12)에서 탈인되고 인분해성 유기물을 축적한 인축적 미생물(PAO_s: Phosphorus Accumulative Organisms)은 축적된 인분해성 유기물을 이용하여 다시 인을 과잉 섭취하게 되며, 인을 과잉 섭취한 미생물은 침전조(16)에서의 고액 분리과정에서 분리되어 제거되어지게 된다. 포기조(15)에서질산화과정과 후방 무산소조(14)에서의 탈질과정을 요약한 표는 도4와 같다.

생물학적으로 하수처리를 수행함에 있어서, 하수 내의 유기물 및 질소, 인을 동시에 제거하기 위해서는 혐기조, 무산소조, 포기조를 조합 사용하여야 한다. 즉, 인을 제거하기 위해서는 먼저 혐기-호기 조건이 필요하며, 생물학적으로 질소를 제거하기 위해서는 무산소-호기 조건이 필요하게 된다.

또한, 포기조에서는 유기물의 산화, 암모니아의 산화 및 인의 섭취 등이 이루어지며, 잉여 슬러지의 탈질을 위해 반송 슬러지 내에 포함된 질산성 질소를 무산소조로 이송하여 탈질과정을 수행하게 된다. 이와 같은 하·폐수의 생물학적 처리 방법에 있어서, 본 발명의 유입하수의 성상변화에 따라 내부 반송위치를 탄력적으로 수행하여 탄력적인 체류시간 적용으로 안정적인 하수처리를 할 수 있도록 하여 하· 폐수의 완벽한 처리를 수행하게 되며, 특히, 혐기조에서 잔방 무산소조로의 내부 반송과정을 수행하여 혐기조로 유입되는 유기물의 이용이 극대화 될 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 내부 반송위치의 변화를 통해 유입되는 오염물질의 부하변동에 대처하게 되어 유입원수의 수질에 관계없이 완벽한 수처리를 진행할 수 있게 되는 것이다.

또한, 본 발명은 탈질된 질산성 질소의 양이 증가할 때 무산소조의 체류시간이 길어지도록 하여 하수내의 질소를 안정적으로 제거하게 되며, 원수를 유입하는 혐기조 전방에 전방 무산소조를 설치하고, 침전조로부터 유입되는 반송 슬러지에 의해 질산성 질소를 제거토록 하여 혐기조의 효율을 극대화시킬 수 있게 한 것이다.

본 발명은 기존의 생물학적 하수처리와는 달리 하수처리에 있어서, 시간적, 공간적 영향을 최소화로 하게 되며, 균일한 처리효율을 얻을 수 있게 된다.

본 발명은 단위공정별 처리능력을 최적화하여 하수내의 유기물질 및 영양물질을 효과적으로 제거하게 되며, 유입되는 하수의 온도나 성상에 따라 처리공정을 탄력적으로 운영하여 완벽하게 하수를 정화 처리할 수 있게 된다.

즉, 종래 하수처리 공정에 있어서는 하수의 온도나 성상에 관계없이 일괄적으로 하수를 정화처리 함으로 말미암아 효율적으로 하수를 처리할 수 없음을 볼 수 있으나, 본 발명에 있어서는 하수처리를 수행함에 있어 하수의 조건에 따라 전무산소조, 혐기조, 후무산소조, 포기조 등의 반응조로부터의 처리수를 내부 반송을 통해 각 단계마다 완벽한 처리과정을 수행토록 하며, 특히, 내부 반송위치의 변환을 통해 유입 오염물질의 부하변동에 대처토록 하며, 탈질될 질산성 질소의 양이 증가할 때 무산소조의 체류시간을 연장시켜 처리수내의 질소를 안정적으로 제거토록 하며, 유입원수를 유입하는 혐기조 전방에 전방 무산소조를 설치하고, 침전조로부터 반송되는 슬러지내의 질산성 질소를 제거한 후, 이를 혐기조로 유입토록 하여 혐기조의 효율을 극대화시켜 하·폐수처리의 시간적, 공간적 절감을 꾀할 수 있는 아주 유용한 발명인 것이다.

Claims (3)

1. 통상 제1차 침전조, 혐기조, 무산소조, 폭기조, 최종 침전조, 여과조 등의 다단계의 반응조를 직렬로 연결하고, 각 단계별로 하,폐수를 생물학적으로 정화하는 하,폐수 처리 방법에 있어서, 제1차 침전조를 구성하지 않고 유입수조(11)로부터 유입되는 원수를 혐기조(12)로 유입하여 혐기성 조건을 달성하는 단계를 거친 후, 이를 후방 무산소조(14) 및 포기조(15) 단계를 수행하는 한편, 포기조(15)로부터 처리수 일부를 후방 무산소조(14)로 반송 처리하며, 포기조(15)로부터 침전조(16)로 유입된 처리수의 슬러지 일부를 혐기조(12)와 직렬로 연결되는 전방 무산소조(13)로 일부 반송토록 하며, 상기 전방 무산소조(13)를 거친 처리수는 상기 혐기조(12)로 이송하되, 상기 혐기조(12) 후단으로부터 혐기성 단계를 거친 처리수 일부를 재차 전방 무산소조(13)로 유입한 후, 이를 재차 혐기조(12)로 이송되는 과정을 거쳐 하·폐수를 정화되도록 한 것을 특징으로 하는 생물학적 고도처리에 의한 하수, 폐수 처리방법.
2. 제1항에 있어서, 하절기에는 포기조(15)로부터 일부 반송되는 처리수를 후방 무산소조(14)로 유입하는 것을 특징으로 하는 생물학적 고도처리에 의한 하수, 폐수 처리방법.
3. 제1항에 있어서, 동절기에는 포기조(15)로부터 일부 반송되는 처리수를 혐기조(12)의 후단으로 반송 처리하여 무산소조의 용적을 크게 하여 처리수의 무산소조 처리과정을 길게 하는 것을 특징으로 하는 생물학적 고도처리에 의한 하수, 폐수 처리방법.