KR20030016358A

KR20030016358A - 고농도 유기물을 포함한 하ㆍ폐수 슬러지의 처리 장치 및처리방법

Info

Publication number: KR20030016358A
Application number: KR1020030008034A
Authority: KR
Inventors: 안영호; 민경석
Original assignee: 안영호; 민경석
Priority date: 2003-02-08
Filing date: 2003-02-08
Publication date: 2003-02-26
Also published as: KR100460939B1

Abstract

본 발명은 하수 슬러지 및 폐수 슬러지로부터 탄소원을 회수하고 영양 물질을 제거하기 위한 슬러지 처리장치 및 방법에 있어서, 폐수 슬러지를 유입시켜 알칼리성 조건 하의 혐기성 상태에서 상기 슬러지 내에 포함되어 있는 유기물을 발효시켜 유기 탄소원을 생성시키며, 상기 생성된 유기 탄소원을 세정수로 세정ㆍ유출시키는 혐기 발효조와, 상기 혐기 발효조로부터 유출수를 유입시켜, 알칼리성 조건 하에서 상기 유출수 내에 포함된 인산성 인을 수용성 마그네슘 화합물, 수용성 칼슘 화합물 또는 이들의 혼합물을 포함하는 알칼리를 투입하여 반응ㆍ침전시켜 제거하는 인결정화 회수조를 포함하는 슬러지 처리 장치와 유기 탄소원 생성 공정, 인 결정화 회수 공정 및 선택적으로 질소 제거 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고농도 유기물을 포함하는 하ㆍ폐수 슬러지의 처리 장치 및 처리방법에 관한 것이다.

Description

고농도 유기물을 포함한 하ㆍ폐수 슬러지의 처리장치 및 처리방법 {Apparatus for treating waste water sludge containing high concentration of organic matters and method for treating waste water sludge using the same}

본 발명은 고농도 유기물을 포함하는 하ㆍ폐수 슬러지 처리 장치 및 이를 이용한 슬러지 처리 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 혐기 발효조, 인 결정화 회수조 및 선택적으로 질소 제거조를 구비하는 하수 및 폐수 슬러지 처리 장치 및 이를 이용하여 슬러지로부터 유기 탄소원의 생성과 인 또는 질소 등의 영양 물질을 제거하고 회수하는 슬러지 처리 방법에 관한 것이다.

일반적으로 종래의 질소 또는 인등의 영양 물질 제거 방법은 다음과 같다.

질소 제거 방법으로는 1) 에어스트리핑(Air Stripping)에 의한 암모니아 제거 방법, 2) 파괴점 염소 주입(Breakpoint Chlorination) 방법, 3) 이온 교환 방법, 4) 미생물에 의한 질소 제거 방법등이 있으며, 인 제거 방법으로서는 1) 일차 처리 단계에서 응집제를 투입하는 방법, 2) 이차 처리 단계에서 응집제를 투입하는 방법, 3) 이차 처리 이후에 응집제를 투입하는 방법, 4) 미생물에 의한 인 제거 방법 등이 있다.

또한 인ㆍ질소를 동시 제거하는 방법으로는 1) 혐기성(anaerobic), 무산소(anoxic), 호기성(aerobic)지역이나 반응조를 혼합 사용하는 생물학적 인ㆍ질소 동시 제거 방법과 2) 응집제 겸용 인ㆍ질소 동시 제거 방법이 있다

생물학적 영양소인 인과 질소의 제거 공정은 운전 과정 중에 인 제거 미생물의 인 방출을 위한 적절한 혐기 조건의 확보와 함께 유입수내 휘발성 유기산(VFA, volatile fatty acid)의 적절한 공급 즉, 쉽게 분해 가능한 유기 물질, 특히 유입 하수 내에 포함된 단쇄상 유기산(short chain fatty acids)의 적절한 공급에 영향을 많이 받는 것으로 알려져 있다. 이러한 유기 물질들은 때로는 유입되는 하수로부터 직접적으로 이용가능하나, 일반적으로 유입되는 영양 염류를 생물학적으로 모두 제거시키기는 충분하지 않다.

현재까지의 사례를 보면, 개발된 대부분의 생물학적 영양소 제거 공정들은 영양소의 제거율을 향상시키기 위해서 메탄올이나 초산 등을 외부 탄소원으로서 추가 주입하는 것으로 설계, 운영되고 있으나, 외부 탄소원을 추가로 투입하는 방법은 추가비용을 발생시키는 문제점이 있다.

지금까지 개발ㆍ적용되어 온 슬러지의 혐기 발효공정은 다음과 같이 크게 5가지로 구별된다. 1) 1차 침전조의 이용, 2) 농축조의 이용, 3) 분리된 발효조와 세정시설을 가진 1차 슬러지 농축조의 이용, 4) 1차 침전조와 농축조를 조합하여 이용, 5) 완전 혼합형의 단일 혐기 발효조를 이용하는 방법등이 그것이다.

도 1은 1차 침전조를 이용하는 종래의 혐기 발효 공정을 도시하고 있으나, 이와같은 완전 혼합 형태의 반응조는 유출되는 고형물의 분리뿐만 아니라 혐기 발효 과정에서 부수적으로 발생되는 영양소의 제거에도 많은 문제점이 있다.

또한, 도 2에서는 1차 침전조와 농축조를 조합한 혐기 발효 공정을 도시하고 있으나, 이는 1차 침전지에서 침전된 슬러지를 완전 혼합 발효조로 이송하고, 완전 혼합 발효조에서 처리된 슬러지를 농축조로 다시 이송하여 처리한 다음 생물학적 영양소 제거 공정으로 이송하는 방식으로 슬러지를 처리하는데, 이 방법 역시 생물학적 영양소 제거 공정의 성능 향상을 위해 혐기 발효조의 개념을 도입하였지만, 반응조의 형태가 완전 혼합 형태의 반응조로서, 이러한 반응조는 유출 고형물의 분리와 혐기 발효 과정에서 부수적으로 발생되는 영양소의 제거에 많은 문제점을 가지고 있다.

이상과 같은 기존의 혐기 발효 공정은 각기 다양한 장단점을 가지고 있으나, 이들 공정은 공통적으로 침전조나 농축조의 월류수로부터 유출되는 유출수 내에 영양 물질과 고형 물질의 부하량이 너무 크고, 메탄 발효로 진행되는 활성도가 높으며, 또한 유기 탄소원의 생산 효율이 낮다는 문제점이 있고, 또한 종래의 혐기 발효 공정을 거친 슬러지 내에는 여전히 병원성 균이 다량 잔류하여, 혐기 발효 과정을 거친 슬러지를 생물자원으로서의 안정된 토지 적용이 가능한 생물고형물(biosolid)로 전환하기 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래의 혐기 발효 공정의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본원발명의 목적은 메탄 발효로의 진행을 억제하면서 효율적으로 유기 탄소원을 생산할 수 있으며, 그 과정에서 부수적으로 발생하는 영양물질을 효과적으로 제거ㆍ회수할 수 있고, 또한 슬러지 내의 병원성 균의 제거 및 재성장을 억제할 수 있는 폐수 슬러지 처리 장치를 제공하며, 상기한 하수 및 폐수 슬러지 처리 장치를 이용한 슬러지 처리 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 완전 혼합형 발효조에 관한 개념도이다.

도 2는 종래의 완전 혼합형 발효조와 농축조 이용 방법에 관한 개념도이다.

도 3은 본 발명에 따른 슬러지 처리 장치의 구성 및 이를 이용한 슬러지 처리 방법을 설명 하기 위한 개략도이다.

도 4는 본 발명 따른 하수 및 폐수 슬러지 처리 장치를 이용하여 슬러지를 처리하는데 있어서 혐기 발효조, 인 결정화 회수조 및 질소 제거조의 입출력 흐름을 나타낸 개략도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 혐기 세정발효조 2: 인 결정화 회수조

3 : 질소 제거조 4 : 생물학적 영양소 제거조

5 : 슬러지 유입 6 : 세정수 유입

7, 8 : 알칼리 공급

9 : 수용성 마그네슘 혹은 칼슘 화합물공급

10 : 공기 주입

11 : 혐기 발효조로부터 인 결정화 회수조로의 유입

12 : 인 결정화 회수조로부터 질소 제거조로의 유입

13 : 질소 제거조로부터 생물학적 영양소 제거조로의 유입

14 : 슬러지 폐기 15~16 : 반송 라인

20 : 저류조 21 : 제1 반송 라인

22 : 제2 반송 라인 23 : 제3 반송 라인

24 : 제4 반송 라인 25 : 제5 반송 라인

26 : 탈수조 27 : 혐기 발효조로부터 저류조로 유입

28 : 최종 처분 29 : 저류조로 반송

30 : 인 결정물 회수

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 유기성 폐수 슬러지로부터 탄소원을 회수하고 영양물질을 제거하기 위한 본 발명 고농도 유기물을 포함하는 하ㆍ폐수 슬러지 처리장치는, 폐수 슬러지를 유입시켜 알칼리성 분위기 하의 혐기성 상태에서 상기 슬러지 내에 포함되어 있는 유기물을 발효시켜 유기 탄소원을 생성시키며, 상기 생성된 유기 탄소원을 세정수로 세정ㆍ유출시키는 혐기 발효조와, 상기 혐기 발효조로부터 유출수를 유입시켜, 알칼리성 상태 하에서 상기 유출수 내에 포함된 인산성 인을 수용성 마그네슘 화합물 혹은 수용성 칼슘 화합물 또는 이들의 혼합물과 반응ㆍ침전시켜 제거하는 인결정화 회수조로 구성된다.

상기 폐수 슬러지 처리 장치에는 상기 인결정화 회수조로부터 유출수를 유입시켜, 호기성 조건하에서 상기 유출수에 포함된 과잉의 암모니아성 질소를 제거하는 질소 제거조가 더 포함될 수 있으며, 상기 혐기 발효조로부터 유출수를 상기 인결정화 회수조로 유입시키기 전에 일시 저장하기 위한 저류조가 더 포함될 수도 있다.

또한, 폐수 슬러지 처리 장치는 상기 혐기 발효조로부터의 유출수를 상기 혐기 발효조로 다시 반송하기 위한 제1 반송라인을 더 포함할 수 있으며, 상기 인결정화 회수조로부터의 유출수를 상기 혐기 발효조로 반송하기 위한 제2 반송라인 및 상기 인결정화 회수조로부터의 유출수를 상기 인결정화 회수조로 다시 반송하기 위한 제3 반송라인 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있으며, 상기 질소 제거조로부터의 유출수를 상기 혐기 발효조로 반송하기 위한 제4 반송 라인 및 상기 질소 제거조로부터의 유출수를 상기 인결정화 회수조로 반송하기 위한 제5반송 라인 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

상기 하수 및 폐수 슬러지 처리 장치의 유기 탄소원 생성과정은 각각 운전 온도를 상온(약 20℃에서 60℃), 운전 pH는 7 내지 11로, 체류시간은 5일 내지 10일의 조건하에서 운전될 수 있다.

그리고, 폐수 슬러지 처리 방법에서, 상기 유기 탄소원 생성 공정에서 생성된 슬러지를 탈수한 후 폐기하고, 그 여액은 상기 인결정화 회수 공정에 공급할 수 있으며, 상기 인결정화 회수 공정은 pH 7 내지 pH 11 범위에서 수용성 마그네슘 화합물 혹은 수용성 칼슘 화합물 또는 이들의 혼합물을 반응의 중량비 Mg : P = 0.8~1.6 : 1과 Ca : P = 2.1~4.2 : 1 범위의 중량비로, 30분~24시간 범위의 체류기간 동안 운전 될 수 있고, 질소 제거 공정을 더 포함하는 상기 폐수 슬러지 제거방법에 있어서, 상기 질소 제거 공정에서는 상기 인결정화 회수 공정이 일어나는 반응조에서 인결정화 회수 공정과 동시에 일어나거나 또는 별도의 저류 및 탈기조에서 30~60 ℓ/min/㎥ 의 공기를 공급하면서 30분~24시간동안 체류시켜 상기 인결정화 회수 공정에서 제거되지 못한 과잉의 암모니아 질소 성분을 탈기ㆍ제거하게 된다.

상기 폐수 슬러지 처리 방법은, 상기 유기 탄소원 생성 공정, 상기 인 결정화 회수 공정, 또는 상기 질소 제거 공정에서 유출된 유출수를 그 이전 단계의 공정으로 반송하는 제1, 제2, 제3, 제4 및 제5 반송 과정 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 유기 탄소원 생성 공정에서 세정수는 상향류 또는 하향류의 흐름을 가질 수 있고, 상기 슬러지는 하수 슬러지, 폐수 슬러지, 분뇨, 축분 및 음식물 쓰레기로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 혹은 이들이 혼합된 것일 수 있으며, 이들 슬러지는 혐기 발효조로 유입되기 전에 협잡물 제거 또는 분쇄 등의 전처리 과정을 거칠 수 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 하ㆍ폐수 슬러지 처리 장치 및 이를 이용한 하ㆍ폐수 슬러지 처리 방법에 대하여 상세히 설명한다

도 3은 본 발명에 따른 하ㆍ폐수 슬러지 처리 장치의 구성 및 이를 이용한 하ㆍ폐수 슬러지 처리 방법을 설명하기 위한 개략도이다. 도 4는 본 발명에 따른 하ㆍ폐수 슬러지 처리 장치를 이용하여 폐수 슬러지를 처리하는데 있어서 혐기 발효조, 인 결정화 회수조 및 질소 제거조의 입출력 흐름을 나타낸 개략도이다. 도 4와 도 3의 동일 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 설명을 생략하기로 한다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 폐수 슬러지 처리 장치는 혐기 발효조(1)와 인 결정화 회수조(2)를 구비하며, 경우에 따라 질소 제거조(3)가 인결정화 회수조(2)에 결합될 수도 있다.

혐기 발효조(1)는 폐수 슬러지를 유입(5)시켜 알칼리성 분위기 하의 혐기성 상태에서 슬러지 내에 포함되어 있는 유기물을 발효시켜서 유기 탄소원을 생성하는 역할을 하며, 생성된 유기 탄소원은 침전된 하ㆍ폐수 또는 이들의 생물학적 최종 처리수 등을 세정수로 사용하여 세정ㆍ유출시키는 수단을 포함할 수 있다.

혐기 발효조에는 세정수를 유입(6)시키는 수단, 알칼리를 공급(7)하는 수단이 결합될 수 있으며, 혐기 발효조에서 처리된 슬러지는 폐기수단을 통해 폐기(14)된다.

인결정화 회수조(2)는 혐기 발효조(1)로부터 유기 탄소원을 포함하는 유출수를 유입(11)시켜, 알칼리성 상태하에서 유출수 내에 포함된 인산성 인을 수용성 마그네슘 화합물 혹은 수용성 칼슘 화합물 또는 이들의 혼합물과 반응시켜, 침전 제거하는 역할을 하는 데, 인 결정화 회수조(2)에는 공기를 주입하는 수단(10), 인 결정물 회수 수단 및 수용성 마그네슘 화합물이나 수용성 칼슘 화합물 공급수단(9) 등과 알칼리를 공급하는 수단(8) 중 적어도 하나 이상이 결합될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 폐수 슬러지 처리 장치는 인결정화 회수조(2)로부터 유출수(12)를 유입시켜, 호기성 조건하에서 유출수에 포함된 과잉의 암모니아성 질소를 제거하는 질소 제거조(3)를 더 포함할 수도 있다. 질소 제거조(3)에는 공기 주입 수단(10) 및 생물학적 영양소 제거 반응조(4)로의 유출 수단(13)중 적어도 하나 이상이 결합될 수 있다.

본 발명에 따른 폐수 슬러지 처리 장치는 혐기 발효조(1)로부터 유출수를 인결정화 회수조(2)로 유입시키기 전에 일시 저장하기 위한 저류조(20)를 더 포함할 수도 있는데, 도 4와 같이 저류조(20)는 인결정화 회수조(2)의 하부와 독립적으로 연결되어 있을 수 있으며, 선택적으로 인결정화 회수조(2) 또는 질소 제거조(3)로부터 반송되는 제3, 제5 반송 라인(23, 25)과 결합된 후 인결정화 회수조(2)에 연결될 수도 있다.

또한, 본 발명의 폐수 슬러지 처리 장치는 폐수 슬러지의 처리를 더욱 완전하게 하기 위한 목적으로 각종의 반송 라인을 포함할 수도 있으며, 도 3 및 도 4에서 점선으로 표시되는 것은 반송 라인으로서 각 공정에서 나온 유출수가 다시 혐기 발효조(1), 인 결정화 회수조(2)에 투입될 수 있음을 의미하는 것이다. 혐기 발효조(1)에 투입되는 반송 공정은 제1, 제2, 및 제4 반송 라인(21, 22, 24)에 의한 공정에 의한다.

제 1 반송 라인(21)은 혐기 발효조(1)로부터의 유출수를 혐기 발효조(1)로 다시 반송하기 위한 라인을 뜻하고, 제 2 반송 라인(22)은 인결정화 회수조(2)로부터의 유출수를 혐기 발효조(1)로 반송하기 위한 라인을 말하며, 제 3 반송 라인(23)은 인결정화 회수조(2)로부터의 유출수를 다시 인결정화 회수조(2)로 반송하기 위한 제3 반송 라인을 말하고, 제 4 반송 라인(24)은 질소 제거조(3)로부터의 유출수를 혐기 발효조(1)로 반송하기 위한 반송 라인을 말하며, 끝으로 제 5 반송 라인(25)은 질소 제거조(3)로부터의 유출수를 인결정화 회수조(2)로 반송하기 위한 반송 라인을 뜻한다.

반송 라인 중에서 혐기 발효조(1)로 들어가는 반송 라인은 각각 제1, 제2 및 제4 반송라인(21, 22, 24)인데, 이들은 각각 독립적으로 혐기 발효조(1)로 연결될 수도 있으며, 이들 중 적어도 2 이상이 결합한 다음 혐기 발효조(1)로 연결될 수도 있다.

또한, 반송라인 중에서 인결정화 회수조(2)로 들어가는 반송라인은 각각 제3, 및 제5 반송라인(23, 25)인데, 이들은 상기경우와 같이 각각 독립적으로 인결정화 회수조(2)로 연결될 수도 있으며, 이들이 결합한 다음 혐기 발효조(1)로 연결될 수도 있다.

본 발명의 폐수 슬러지 처리 장치에는 탈수조(26)로부터 저류조(20)로의 반송 라인(29)이 포함될 수 있다. 이 반송 라인(29)은 다른 반송라인과 결합하여 인결정화 회수조(2)로 연결될 수 있다.

계속해서 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 폐수 슬러지 처리 방법을 더욱 상세하게 설명한다.

제1, 제2, 및 제4 반송 라인(21, 22, 24)을 통하여 혐기 발효조(1)로 투입되는 유출수에는 유기 탄소원 생산균이 포함되어 있어 혐기 발효조(1)의 발효 효율을 향상시키는데 기여하고, 슬러지의 처리 과정에서의 유출수를 반송함으로써 혐기 발효조의 발효 효율을 높인다.

한편, 혐기 발효조(1) 내에는 하부의 폐수 슬러지층과 상부의 폐수층으로 분리되어 있을 수 있는데, 혐기 발효조(1)의 슬러지층 내에서는 발효 과정을 통하여 유기 탄소원이 생성되고, 상기 유기 탄소원은 폐수 슬러지층내뿐만 아니라 상부의 폐수층으로 유출되어 존재하며, 이 유기 탄소원에는 휘발성 유기산 등이 포함된다. 또, 생성된 유기 탄소원은 침전된 하ㆍ폐수 등을 세정수로 이용(6)하여 세정ㆍ유출됨으로써 유출율이 증가되며, 이 과정을 통하여 발효조 내에서 폐수 슬러지가 메탄 반응으로 진행됨을 억제시킬 수 있다.

세정수를 유출시킬 때, 세정수의 흐름 방향은 상향류 또는 하향류로 필요에 따라 조절할 수 있는데, 상향류로 하는 경우 상향 유속은 혐기 발효조(1) 내의 슬러지층의 침전 및 농축 특성을 고려하여 가능한 한 낮게 유지토록 한다.

혐기 발효조(1)로부터의 유출수 및 탈수 과정을 거친 탈리액은 저류조(20)를 거치거나 거치지 않고 인결정화 회수조(2)로 유입되고, 이들 유출수 및 탈리액에 포함된 유기 탄소원은 인결정화 공정 및 질소 제거 공정에 후속하는 생물학적 영양소 제거 공정(4)에서 유용하게 사용될 수 있을 뿐만 아니라 고효율 혐기성 메탄 발효 공정과 연계될 경우 유용한 메탄 에너지도 생산 가능하다.

또한, 혐기성 발효 공정에 의한 유기 탄소원 생성 공정에서는 알칼리도를 공급(7) 받을 수 있으며, 알칼리도는 수용성 마그네슘 화합물, 수용성 칼슘 화합물 또는 이들의 혼합물 등으로 공급될 수 있다.

상기 유기 탄소원 생성 공정의 효율은 운전 온도 및 pH, 혐기 발효조(1) 내에서의 슬러지 고형물의 체류 시간, 세정수 등에 의해 큰 영향을 받는데, 본 발명에서 운전 온도, pH 등에 따른 공정의 효율을 하기 실시예에서 설명하기로 한다.

폐수 슬러지 처리 방법에서 유기 탄소원 생성 공정은 운전 온도가 상온 20℃에서 60℃, 바람직하게는 25℃ 내지 55℃에서, pH는 pH 7 내지 11의 범위에서, 공정 내의 체류시간은 5일 내지 10일 내외가 적당하다.

상기 세정수를 이용하여 유기 탄소원을 포함하는 유출수를 혐기 발효조(1)로부터 유출시킬 때, 유출수는 상향류 또는 하향류 방식으로 유출될 수 있다. 상향류로 하는 경우에는 세정수는 혐기 발효조(1)(하단부분 혹은 혐기발효조내의 슬러지층의 상단부분)로 유입되어 반송에 의해 하부의 폐수 슬러지층을 세정한다. 이 세정 과정에서 폐수층으로 흘러나온 유기 탄소원을 포함하는 세정수 및 폐수의 혼합액은 혐기 발효조(1)(상단 유출부분)를 통하여 다음의 저류조(20) 또는 인결정화 회수조(2)로 유입된다. 하향류로 하는 경우에는 세정수는 혐기 발효조(1)(상단부분)로 유입된 후 유기 탄소원을 포함하는 세정수 및 폐수 슬러지의 혼합액이 되어 혐기 발효조(1)(하단부분)를 통하여 다음의 저류조(20) 또는 인결정화 회수조(2)로 유입된다. 한편, 하수 및 폐수슬러지와 같은 경우는 상향류로 하는 경우에 효과적인 고액분리의 장점이 있으며, 음식물 쓰레기와 같은 유기성 고형물의 경우는 하향류로 하는 경우가 바람직하다.

도 4를 중심으로 인 결정화 회수 공정 및 질소 제거 공정에 대해 상세하게 살펴본다.

인 결정화 회수 공정은 혐기성 세정 발효 공정을 거친 유출수를 인 결정화 회수조(2)에 유입시킨 후 상기 유입액에 수용성 마그네슘 화합물 혹은 수용성 칼슘화합물 또는 이들의 혼합물(9)과 알칼리도(8) 및 공기를 공급(10)하여 인 결정물을 생성하는 과정으로 이루어진다.

인 결정화 회수 공정에는 반송 라인에 의한 공정이 결합될 수 있으며, 인결정화 회수조(2)로 들어가는 반송 라인은 제3 및 제5 반송라인(23, 25)인데, 이들은 각각 독립적으로 인 결정화 회수조(2)로 연결될 수도 있으며, 이들이 결합한 다음 혐기 발효조(1)로 연결될 수도 있다.

제 3 반송 라인(23)에 의한 공정은 인결정화 회수조(2)로부터의 유출수를 인결정화 회수조(2)로 다시 반송하기 위한 공정을 말한다. 제 5 반송 라인(25)에 의한 공정은 질소 제거조(3)로부터의 유출수를 인결정화 회수조(2)로 다시 반송하기 위한 공정을 말한다.

본 발명에 따른 폐수 슬러지 처리 방법은 인 결정화 회수 공정의 유출수를 공기주입 탈기 장치에 의해 과잉질소를 제거하게 되는 질소 제거 공정을 더 포함할 수 있으며, 이 공정은 폐수 슬러지가 단백질등 질소를 포함하는 유기 물질을 다수 포함하고 있는 경우에 더욱 필요한데, 도 3과 도 4에서의 점선으로 된 질소 제거조(3)는 선택적일 수 있는 구성 요소임을 나타낸다.

질소 제거 공정은 인 결정화 회수 공정이 일어나는 인 결정화 회수조(2) 내부에서 인 결정화 회수 공정과 함께 일어나거나, 또는 별도의 질소 제거조(3)에서 일어나게 할 수 있다. 질소 제거 공정은 상기 인결정화 회수 공정에서 제거되지 못한 과잉의 질소 성분을 탈기ㆍ제거할 수 있다.

한편, 혐기 발효조(1) 내의 침전 폐기되는 폐슬러지는 고농도의 유기 탄소원을 흡착하고 있으므로 폐슬러지를 탈수조(26)에서 개량 탈수하는 탈수 과정을 거쳐 유기 탄소원을 분리할 수 있으며. 탈수 과정에 의한 탈리액은 혐기 발효조와 연결된 저류조(20)로 반송(29)하며, 탈리액을 제외한 다른 고형 물질은 최종 처분 단계(28)로 넘어간다.

도 4의 최종 처분 단계(28)에는 생물 자원화 과정을 포함할 수 있다. 생물 자원화는 적절한 처분에 따라서 생물 자원으로서 안정된 토지 적용이 가능한 생물 고형물(biosolid)로 전환하는 것을 의미하며, 이의 예로는 고급 비료 성분과 안정된 퇴비성 물질의 생산이 있다. 그런데, 이러한 전환의 주된 저해 요소는 병원성균과 슬러지 내에 포함된 중금속인데, 슬러지 내에 포함된 중금속 농도의 통제는 산업 폐수의 효과적인 관리로 가능하므로 결국 생물 자원으로서 하수 슬러지의 활용 여부는 병원성균의 제거와 재성장의 억제 문제에 달려 있다. 본 발명자는 하기 실시예 1의 폐 슬러지를 대상으로 폐 슬러지 내의 병원성균의 제거와 재성장 억제 가능성에 대한 검토를 수행하였는데, 하기 실시예 3에 언급한 바와 같이 고온(55℃) 조건의 반응조의 경우는 미국의 A급 생물 자원화 기준을 만족하는 결과를 보였다.

이는 본 발명의 하수 슬러지의 혐기 발효 방법은 고온의 조건으로 운전시 병원성 균의 효과적인 살균과 재성장의 억제가 가능하여, 유가 자원의 회수뿐만 아니라 생물 자원으로서의 하수 슬러지의 이용성까지도 제공할 수 있음을 의미한다.

이하 본 실시예에 의거하여 본 발명을 설명하지만, 이는 어디까지나 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐이므로 본 발명이 다음의 실시예에 의해 제한되는것은 아니다.

실시예 1.

1차 슬러지를 대상으로 한 혐기 발효조의 운전 결과 유기 탄소원 생산율과 휘발성 고형물 제거율 그리고 이 과정에서 부수적으로 발생되는 질소와 인의 용출율은 각각 하기 표 1a 내지 1f에 나타나 있다. 본 실시예에서 각 공정은 유효용량 1L 의 상향류 혐기 발효조를 이용하여 5일의 고형물 체류 시간으로 운전된 결과이고, 세정수로 수돗물을 이용하였으며, 세정율은 반응조 용적당 1 L/일 이었다. 여기서 g VSrm 은 1g 휘발성 고형물 제거당을 의미한다.

[표 1a] 온도에 따른 가용화율 및 영양염류 용출율

	가용화율	VS 제거효율%	질소용출율mgNH4-N/L/일	인용출율mgPO4-P/L/일
온 도	gSOD/L/일	VS 제거효율%	질소용출율mgNH4-N/L/일	인용출율mgPO4-P/L/일	gSCOD/gVSrm/일
20℃	0.21(0.13)	0.194 (0.121)	16	44.2(24.2)	11.8(8.8)
35℃	0.23(0.15)	0.143 (0.094)	24	50.8(30.8)	14.2(11.2)
55℃	0.35(0.27)	0.207 (0.160)	25	49.2(29.2)	22.8(19.8)

(注) 괄호안은 초기 슬러지 내 포함된 양을 제외한 순 가용화율 및 용출율

[표 1b] 35℃에서 PH에 따른 가용화율 및 영양염류 용출률

Temp.	가용화율	VS 제거효율%	질소용출율mgNH4-N/L일	인용출율mgPO4-P/L일
35℃	gSCOD/L/일	VS 제거효율%	질소용출율mgNH4-N/L일	인용출율mgPO4-P/L일	gSCOD/gVSrm/일
pH 7	0.081 (0.03)	0.074 (0.01)	34	30.9(23.5)	5.4(4.9)
pH 9	0.081 (0.03)	0.099 (0.02)	25	35.4(28.0)	5.7(5.2)
pH 11	0.091 (0.04)	0.097 (0.02)	30	33.9(25.5)	6.8(6.3)

[표 1c] 55℃에서 pH에 따른 가용화율 및 영양염류 용출율

Temp	가용화율	VS제거효율%	질소용출용mgNH4-N/L/일	인용출율mgPO4-P/L/일
55℃	gSCOD/L/일	VS제거효율%	질소용출용mgNH4-N/L/일	인용출율mgPO4-P/L/일	gSCOD/sVSrm/일
pH7	0.35(0.27)	0.207(0.16)	25	49.2(29.2)	21.4(17.6)
pH9	0.66(0.50)	0.132(0.10)	47	94.8(70.8)	22.8(19.8)
pH11	0.87(0.71)	0.144(0.12)	57	163.2(139.2)	52.0(48.2)

[표 1d] 온도에 따른 휘발성 지방산(VFAs) 생산량

온도(℃)	Formate	Acetate	Propionate	Butyrate	Valeriate	Lactate	TotalVFAs	유출수SCOD
20	N/D	660	254	506	77	N/D	1498(97.3)	1538
35	N/D	512	486	122	219	N/D	1339(89.1)	1503
55	0.54	852	602	123	328	N/D	1906(85.9)	2218

(注) N/D : 불검출, 단위: mg/L as COD, ( )내의 숫자는 유기산 회수율

[표 1e] 35℃에서 pH에 따른 VFAs 생산량

pH	Formate	Acetate	Propionate	Butyrate	Valeriate	Lactate	TotalVFAs	유출수SCOD
7	N/D	317	177	N/D	N/D	N/D	496(64.3)	771
9	N/D	355	186	N/D	N/D	21	561(72.6)	772
11	N/D	269	139	N/D	N/D	6	414(45.0)	921

[표 1f] 55℃에서 pH에 따른 VFAs 생산량

pH	Formate	Acetate	Propionate	Butyrate	Valerate	Lactate	TotalVFAs	유출수SCOD
7	N/D	660	254	506	77	N/D	1498(67.5)	2218
9	18	1163	821	462	217	N/D	2694(71.8)	3751
11	0.37	1504	1129	718	274	N/D	3625(73.3)	4943

상기 표에서 알수 있듯이, 유기 탄소원 생성 공정의 효율은 운전 온도와 pH에 의해 큰 차이를 보였다.

표 1a에 의하면 가용화율(gSCOD/L/일), 휘발성 고형분(VS), 인 용출율은 상기 표의 온도범위 내에서 온도가 높아질수록 효율이 좋은 것으로 나타났다. 표 1b에 의하면 pH가 7인 중성인 상태보다 염기성인 상태에서 가용화율,질소 용출율, 인 용출율이 높게 나타났고 이는 표 1c에서 알수 있듯이, 55℃에서 동일하게 나타났다

표 1d에서 알 수 있듯이 55℃에서 전체 휘발성 유기산의 생산이 가장 많았다. 표 1e와 표 1f에서 알 수 있듯이, 35℃에서는 pH가 9일때 전체 휘발성 유기산의 생산이 가장 높았으며, 55℃에서는 pH 9와 11의 경우가 유사하게 나타났다.

이 결과를 종합적으로 고려할 때 일차 슬러지의 경우 유기탄소원의 생산을 위한 최적의 조건은 pH 9와 55℃의 운전온도였다.

실시예 2

일차 슬러지를 대상으로 운전된 혐기 발효조 유출수의 인 결정화공정과 추가적인 질소제거 공정의 운전결과는 표 2에 나타나 있다. 이때 혐기 발효조의 온도는 35℃, pH는 9, 그리고 5일의 수리학적 체류시간 조건하에서 운전되었다. 인 결정화 회수조에서의 체류 시간은 15시간이었으며, 인 결정화 반응을 위해 주입된 수용성 마그네슘 화합물(Mg)의 양은 0.3g/L였다. 추가적인 질소 제거공정에서 주입된 공기량은 48L/min/㎥ 였다.

[표 2] 각 단계별 수질 측정 결과

항목	혐기 발효조유출수농도(mg/L)	인 결정화 공정	인 결정화+질소 제거 공정
항목	혐기 발효조유출수농도(mg/L)	농도(mg/L)	제거율(%)	농도(mg/L)	제거율(%)
pH	9.18	8.86	-	9.31	-
COD	1500	1340	11	750	50
SS	352	333	5.4	99	72
NH4-N	63	37	41	9	86
PO4-P	23	10	57	10	57

상기 표 2에서 알수 있듯이 인 결정화 공정과 질소 제거 공정의 연계 운전시에는 수질의 향상 효과가 매우 높게 나타났다. 또한 인 결정화공정과 질소 제거 공정의 연계 운전시에는 색도의 제거효과도 관측되었다.

실시예 3

본 발명자는 실시예 1의 폐 슬러지를 대상으로 폐 슬러지내의 병원성균의 제거와 재성장억제 가능성에 대한 검토를 수행하였다. 혐기 발효조를 pH 7과 체류 시간 5일의 운전 조건으로 운전한 경우 중온(35℃)반응조의 폐 슬러지 내에는 약 1,050 MPN/g TS 의 대장균이 존재하였으나 고온(55℃)의 반응조의 경우는 210MPN/g TS를 보였다. 고온 반응조의 경우 미국의 하수 슬러지 A급 생물 자원화 기준인 1,000MPN/g TS 이하를 만족하는 결과를 보였다.(상기 MPN은 'Most Probable Number'의 약자로 가장 근접한 수를 의미하는데, 여기에서는 총 고형물 1g 당 마리수를 의미한다.)

본 발명의 실시에 따라 일차 슬러지를 혐기 세정 발효시킬 때 실험 조건에 따라 차이가 있지만 대체로 휘발성 고형물(VS)의 제거율은 16~57%으로 가용화율은 0.08~0.87 g SCOD/L/일(0.07~0.21 g COD/g VS제거/일)로 나타났다.

특히 이상 실시예의 결과는 유입 슬러지의 성상에 크게 영향을 받았는데, 즉 농도와 휘발 성분의 양이 높을수록 공정의 효율성이 높았고, 유출수내의 고액 분리도 매우 효과적이었다. 또한 후속하는 인 결정화 및 질소 제거 공정의 연계 운전에 의해 유출수 내의 NH₄-N과 PO₄-P의 농도는 모두 10 mg/L 정도까지 크게 감소하였다.

본 발명은 혐기 발효조를 이용하여 폐수 슬러지로부터 유기 탄소원 생산의 극대화를 이루며, 이를 통해 하,폐수의 생물학적 영양소 제거 공정에서 필수적으로 요구되는 다량의 안정된 유기 탄소원을 제공한다. 또한, 성공적인 생물학적 영양소 제거를 위해 추가비용 부담이 되는 외부 탄소원의 공급 없이 하수의 성상을 적절히 변화시키며, 발생된 유기 탄소원의 효과적인 이용으로 후속하는 생물학적 영양염류 제거공정에서의 비탈질/탈인율을 종래보다 크게 향상시키게 되고, 세정수로서 하ㆍ폐수 혹은 최종처리수를 사용함에 따라 생물학적 영양소 제거 공정에서의 그 기능과 경제성을 크게 향상시키는 효과가 있다. 그리고, 본 발명에서 제공하는 혐기성 세정 발효 방법은 고온의 조건으로 운전시 상기의 유기 탄소원, 인 및 질소의 회수 뿐만 아니라 병원성 균의 제거 및 재생능력을 억제시키는 효과가 있으며, 이에 따라 하수 슬러지의 생물 자원화 효과가 있다.

Claims

하수 슬러지 및 폐수 슬러지를 유입시켜 알칼리성 조건의 혐기성 상태에서 상기 슬러지 내에 포함되어 있는 유기물을 발효시켜 유기 탄소원을 생성시키며, 생성된 상기 유기 탄소원을 상향류 또는 하향류 흐름을 가지는 세정수로 세정ㆍ유출시키는 혐기 발효조와

상기 혐기 발효조로부터 배출되는 유출수를 유입시켜, 알칼리성 상태에서 상기 유출수 내에 포함된 인산성 인을 수용성 마그네슘 화합물, 수용성 칼슘 화합물 또는 이들의 혼합물과 반응ㆍ침전시켜 제거하는 인 결정화 회수조로 구성되는 것을 특징으로 하는 고농도 유기물을 포함한 하ㆍ폐수 슬러지의 처리 장치.
제 1항에 있어서, 상기 인 결정화 회수조로부터 유출수를 유입시켜, 호기성 조건하에서 상기 유출수에 포함된 과잉의 암모니아성 질소를 제거하는 질소 제거조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고농도 유기물을 포함한 하ㆍ폐수 슬러지의 처리 장치.
제 1항 또는 제 2항중 어느 한항에 따른 폐수 슬러지 처리장치를 이용하여 상기 처리장치의 혐기 발효조에서 생성된 유기 탄소원을 세정수로 세정ㆍ유출시키는 유기 탄소원 생성공정과,

상기 혐기 발효조로부터 배출되는 유출수를 유입시킨 인 결정화 회수조에서진행되는 인 결정화 회수공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고농도 유기물을 포함한 하ㆍ폐수 슬러지 처리방법.
제 3항에 있어서, 상기 인 결정화 회수조로부터 배출되는 유출수가 유입된 질소 제거조에서 상기 유출수에 포함된 과잉의 암모니아성 질소를 제거하는 질소 제거공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고농도 유기물을 포함한 하ㆍ폐수 슬러지의 처리방법.
제 3항에 있어서, 상기 유기 탄소원 생성 공정은 상온에서 60℃의 운전온도와 pH 7 내지 pH 11의 운전범위, 5일 내지 10일의 체류시간 조건을 갖는 것을 특징으로 하는 고농도 유기물을 포함한 하ㆍ폐수 슬러지의 처리 방법.
제 3항 에 있어서, 상기 인결정화 회수 공정은 pH 7 내지 pH 11 범위에서 수용성 마그네슘 화합물, 수용성 칼슘 화합물 또는 이들의 혼합물을 반응의 중량비 Mg : P = 0.8~1.6 : 1 과 Ca : P = 2.1~4.2 : 1 범위의 농도로 가하고, 30분 내지 24시간 범위의 체류 시간 동안 실시되는 것을 특징으로 하는 고농도 유기물을 포함한 하ㆍ폐수 슬러지의 처리방법.
제 4항에 있어서, 상기 질소 제거 공정은 상기 인결정화 회수 공정이 일어나는 반응조에서 상기 인결정화 회수 공정과 동시에 일어나거나 또는 별도의 질소 제거조에서 30~60 ℓ/min/㎥ 의 공기를 공급하면서 30분 내지 24시간 동안 체류시켜 상기 인결정화 회수 공정에서 제거되지 못한 과잉의 유기 질소 성분을 탈기ㆍ제거하는 것을 특징으로 하는 고농도 유기물을 포함한 하ㆍ폐수 슬러지의 처리방법.