KR20030032985A - 탈질·탈인반응에 이용 가능한 이분해성 유기물농도를증대시키는 고도처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하수·폐수로부터 영양염류를 제거하는 방법에 관한 것으로, 질소와 인을 제거하기 위하여 주로 유입유기물을 전자공여체로 이용하여 탈질·탈인이 이루어지는 생물학적 고도처리공정에 발효조를 설치하고, 생슬러지 또는 잔반등의 유기성폐기물을 발효시켜서 생성되는 발효액을 유입하수에 혼합하여 제1침전지의 고액분리기능을 이용하므로써, 액상의 유기물은 제1침전지의 상징수에 용해되어 고도처리공정에서 탈질과 인방출반응에 이용할 수 있는 이(易)분해성 유기물 농도를 증대시키고, 탈질·탈인에 이용이 어려운 서(徐)분해성인 고형성유기물은 상기 제1침전지에서 침전물로 회수하여 발효시키고 그 발효액을 유입하수에 용해시키는 과정을 순환 반복하므로써, 제1침전지의 상징수에 이분해성의 유입 유기물농도를 증가시켜 질소, 인을 높은 효율로 제거하는 고도처리방법에 관한 것이다.

Description

탈질·탈인반응에 이용 가능한 이분해성 유기물농도를 증대시키는 고도처리방법{Advanced Waste Water Treatment Methods with increasing Easily Biodegradable Oroganic Concentration for Nitrogen and phosphorous Removal}

본 발명은 하수 또는 폐수로부터 영양염류 제거효율을 증대하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도시하수처리장, 산업폐수처리장 등에서 처리되는 하폐수로부터 질소와 인을 제거하기 위해 주로 유입유기물을 이용하는 고도처리공정에 발효조를 설치하고, 생슬러지 또는 잔반 등의 음식쓰레기와 산업공장에서 발생되는 유기성부산물등의 유기성폐기물을 발효시켜서 생성되는 발효액에 포함된 액상의 유기물을 유입하수에 용해시켜서 미생물이 쉽게 이용할 수 있는 이(易)분해성의 유기물농도를 증대시키고, 상기 발효액이 용해된 유입하수를 제1침전지에서 고액분리시키므로써 상징수에 용해된 이분해성유기물들이 후속되는 생물학적 탈질·탈인반응에 이용되고, 침전된 탈질·탈인반응에 이용되기 어려운 서(徐)분해성의 고형성유기물은 제1침전지에서 침전물로 회수하여 발효시켜서 그 발효액을 유입하수에 다시 용해시키는 과정을 순환 반복하므로써 탈질·탈인반응에 이용 가능한 이분해성의유입 유기물농도를 증대시키는 고도처리방법에 관한 것이다.

하수중의 오염물질은 유기물과 질소와 인등의 영양염류로 분류되는데 지금까지 하수처리장에서는 유기물을 주된 처리대상으로 하였으며 질소와 인의 상당부분은 제거되지 못하고 하천과 호소 또는 해양으로 방류되었다. 하천과 호소의 질소인 유입량이 증가되면 부영양화를 초래하고, 해양에서는 적조발생의 원인이 된다. 부영양화가 심해지면 수질오염이 가중되고 식수와 용수로의 사용이 제한되므로 하수처리장에서 영양염류인 질소화합물이나 인산염을 충분히 제거하여야 한다.

생물학적 질소제거 과정은 먼저 호기성상태에서 질산화균에 의해 유기성 및 암모니아성질소를 산화하여 질산염으로 전환시킨다. 이를 다시 무산소상태에서 질산염형태의 결합산소를 용존산소대용으로 이용하여 유리질소로 환원시키는 미생물의 특성을 이용하여 하수에서 질소를 제거하며 이때에 전자공여체로서 유기물이 소요된다.

무산소상태에서 탈질을 위하여 소요되는 유기물의 공급방법은 생물학적 탈질공정에서 매우 중요한 사항이다. 지금까지 개발된 거의 모든 질산화 및 탈질방법은 하수중에 포함된 유기물을 이용하는 전탈질방법과 외부에서 메칠알콜등을 공급하는 후탈질방법으로 분류된다.

후탈질방법은 처리효율이 높고 무산소반응조의 용량이 작은 장점이 있으나, 탈질에 소요되는 전자공여체로 이용하기 위하여 메칠알콜과 같이 쉽게 분해되는 유기물을 계속 공급하여야 되므로 비용부담이 큰 어려움이 있다. 메칠알콜, 유기산 등의 전자공여체 조달비용을 경감하기 위하여 제1침전지에서 침전된 유기물 즉, 생슬러지를 발효시켜 생성된 초산염계열의 유기산을 탈질공정에 소요되는 전자공여체로 이용하는 방법을 사용할 수 있다. 그러나 생슬러지 발효액을 이용하는 탈질방법은 상당량의 유기물이 해체되어 침전되기 어려운 상태로 유입되거나, 질소산화물을 충분히 제거하기에는 유기물이 부족하여 탈질효율이 낮은 문제점이 있다. 또한 생슬러지 발효액 자체에도 질소화합물이 포함되므로 제거하여야 되는 질소화합물이 증가되기도 한다.

유입하수중의 유기물만으로는 충분한 탈질반응이 어려운 문제를 해소하기 위하여 우리나라에서 과다하게 발생되어 처리처분에 애로를 겪고 있는 음식쓰레기, 축산분뇨, 수거분뇨 등 풍부한 유기성폐기물을 탈질에 필요한 전자공여체로 이용하여 질소·인제거효율이 크게 향상될 수 있는 유기성폐기물을 이용하는 방법을 후탈질공정에는 물론 전탈질계열의 고도처리공정들에 적용할 수 있다.

유입 유기물은 이용하는 고도처리공정들은 도7에 예시된 공정 및 이들의 변법외에도 Ludzack-Ettinger, MLE, AO, A₂O, Bardenpho, Bio-DeNiPho proc Process들과 이들의 변법들을 포함하여 많은 방법들이 있는데 유입 유기물을 이용하므로 외부탄소원이 소요되지 않고 대부분의 공정들은 유입수질이 안정될 경우 운영관리가 용이하고 처리수질도 안정될 수 있다.

이와 같은 고도처리공정중에서 전탈질계열의 공정들은 공통적으로 탈질 또는 인방출반응이 전단계에서 이루어지게 되므로 하수중의 용존성이며 이분해성(易分解性)인 저분자량의 유기물은 미생물에 의하여 탈질 또는 탈인반응에 이용될 수 있으나, 서분해성(徐分解性)인 고형성유기물들은 전단계의 무산소반응조 또는 혐기성반응조에서 이용되지 못하고 후속되는 호기성반응조로 유입되어 유기물 부하를 증가시키고 질산화를 저하시키며 탈질반응에는 이용되지 못하고 낭비되는 구성이다.

이러한 단점을 개선하기 위하여 생슬러지와 유기성폐기물 또는 이들을 발효시킨 발효액을 탈질반응을 위한 무산소반응조 또는 인방출반응을 위한 혐기성반응조에 직접 공급하는 방법도 있으나 실현과정에서 다음과 같이 또다른 4가지 문제점이 제기되었다.

① 유기산으로 발효시켜서 탈질반응에 이용하고자 하는 생슬러지 또는 음식쓰레기등의 유기성폐기물은 이(易)분해성, 서(徐)분해성 또는 난(難)분해성 유기물의 혼합물로 구성된다. 따라서 유기산 발효과정에서 이분해성인 용존성유기물의 상당부분은 유기산 발효단계를 초과하여 메탄가스로 분해되어 낭비되고, 주로 서분해성인 고형성유기물의 일부는 액화되지 못하고 고형물형태로 발효액에 잔존하게 되므로 초산염계열의 유기산 함량이 가장 많은 최적의 발효조건을 유지하는 것은 현실적으로 매우 어려운 문제점이 있다.

② 이와 같이 이분해성과 서분해성인 고형성유기물들의 혼합물인 발효액을 반응조에 직접 투입하게 되면 용존성의 이분해성 유기물만이 탈질반응에 이용되며, 서분해성인 고형성유기물은 체류시간이 작은 무산소반응조를 통과하므로 탈질반응에 이용되지 못하고 후단의 호기성반응조로 유입되어 유기물 부하로 작용되고 질산화반응을 저해하는 부작용이 발생된다.

③ 생슬러지와 음식쓰레기등의 유기성폐기물에는 니토와 세사등 무기성고형물이 함께 존재하게 되며, 이와 같은 유기성폐기물 발효액을 반응조로 직접 투입하게 되면 무기성고형물도 함께 반응조로 유입하게 되므로 미생물 체류시간(Solids Retention Time)이 동일한 조건에서도 무기성고형물이 사전에 제거되는 경우보다 반응조내의 현탁고형물혼합액(MLSS)중에서 무기성고형물의 점유비율이 증가되므로 활성슬러지의 활성이 저하되는 문제점이 발생된다.

④ 상기 3가지 문제점의 해소방안으로 탈수기, 침전지 등과 같은 별도의 고액분리공정을 구비하고 발효액으로부터 용존성유기물만을 분리시키고 그 여액만을 탈질·탈인반응조에 직접 투입하여 이용할 수 있다. 그러나 이 방법은 시설비 소요가 증가되며, 처리시설이 복잡해지고, 악취가 휘산되기도 하며, 고형물 농도가 높고 발효액의 점도도 높기 때문에 중력식 침전으로는 고액분리가 잘 되지 못하는 어려움이 있다.

이에 본 발명은 상술한 제 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 구체적으로 장치의 구성이 단순하고 운전방법이 안정화되어 있으며 유입유기물을 탈질과 탈인반응에 이용하는 고도처리공정의 효율을 개선하기 위하여 생슬러지 또는 음식쓰레기등의 유기성폐기물이 효과적으로 발효되고 이분해성유기물을 선별하여 이용할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에서의 방법은 유입하수에 포함된 고형성유기물 즉, 제1침전지에서 침전분리된 생슬러지를 유기산 발효시켜서 생성되는 발효액을 고도처리공정에서 탈질·탈인 반응에 이용하되, 반응조에 발효액을 직접 투입함에 따라 발생되는 상술한 4가지 문제점을 해소하기 위하여 제1침전지를 생슬러지 발효액의 세척 및 고액분리공정으로 활용하는 구성이다.

상기 전탈질계열의 고도처리공정으로 하수가 유입되는 단계에 유입하수에 함유된 고형물의 침전분리가 이루어지는 제1침전지와 상기 제1침전지에서 침전분리된 고형물로 구성된 생슬러지를 발효시키는 발효조를 추가로 구비하되, 상기 발효조에서 생슬러지가 발효 및 해체되어 생성되는 유기산 및 액상의 유기물, 미세토사와 같은 무기성고형물 및 미발효상태의 유기성고형물의 혼합물인 상기 생슬러지발효액을 유입관로, 침사지, 유입펌프정 또는 제1침전지 분배조에 투입하므로써, 상기 발효액이 유입하수에 혼합 희석되고 상기 제1침전지로 유입되어 고액분리가 이루어지도록 개선한 것이다.

상기 제1침전지로 유입된 발효액에 포함된 유기산과 액상의 유기물 및 고형물에 부착된 액상의 유기물은 유입하수에 의하여 세척 및 용해되어 상기 제1침전지의 상징수를 통하여 유입하수를 따라 유입되었던 용존성유기물과 함께 고도처리공정으로 유출되어 탈질과 인 방출반응에 이용가능한 저분자량의 유기물이 증가되므로 질소·인 제거효율을 향상시키게 된다.

상기 발효액중의 미발효된 유기성고형물과 유입하수를 통하여 추가 유입된 유기성고형물, 즉 생슬러지는 상기 제1침전지에서 침전 및 회수되고 상기 발효조로 다시 유입되어 발효되고, 그 발효액은 다시 상기 제1침전지에서 고액분리되는 과정이 반복되는 구성이다.

이와 같이 발효조에서 발효된 유기성폐기물의 발효액은 제1침전지로, 제1침전지의 침전고형물은 상기 발효조로 순환시키므로써, 유기산과 용존성유기물과 같은 이(易)분해성의 용존성유기물은 유입하수에 용해되어 탈질과 탈인반응에 이용되도록 한다. 반면에 탈질과 탈인반응에 이용되기 어려운 서(徐)분해성 유기물즉, 고형성유기물은 제1침전지에서 침전되므로 침전고형물을 회수하여 발효조에 투입하여 이분해성의 유기산 또는 용존성의 유기물로 발효 및 해체될때까지 발효조와 제1침전지를 반복 순환하는 구성이다. 상기 고형물과 발효액의 순환과정에서 일부 고형물은 폐슬러지로서 계(System) 외부로 주기적으로 폐기시키는 일련의 과정이 포함된다.

또한, 유입하수에 포함된 고형성유기물인 생슬러지에 추가하여 우리나라에서 그 발생량이 과다하여 처리처분에 애로를 겪고 있는 잔반등의 음식쓰레기, 수거분뇨, 축산분뇨, 산업공장에서 발생되는 유기성부산물등의 유기성폐기물을 상기 발효조에 직접 투입하고 생슬러지와 함께 발효시킨 발효액을 유입하수에 혼입 희석시키고 제1침전지에서 고형물 회수 및 발효과정과 상징수에 발효된 용존성유기물이 용해 및 추가되도록 하는 일련의 과정을 반복시키므로써 생슬러지만으로는 부족한 유기물을 보충할 수 있다.

또한 본 발명에서는 음식물쓰레기, 수거분뇨, 축산분뇨, 산업공장에서 발생되는 유기성부산물 또는 기타의 유기성폐기물을 상기 발효조가 아닌 유입하수에 투입 및 희석시키고 상기 제1침전지에서 고액분리되도로 하므로써, 상기 유기성폐기물에 함유된 용존성의 유기물은 유입하수중의 용존성유기물에 추가되어 상기 제1침전지 상징수를 통하여 고도처리공정으로 유입되어 탈질 및 탈인반응에 이용되도록하였다.

또한, 상기 제1침전지에서는 유입하수중의 생슬러지와 투입된 유기성폐기물에 함유된 유기성고형물이 침전되므로 이를 회수하여 상기 발효조에 투입시키는 구성이다. 상기 발효조에서 상기 제1침전지에서 회수된 침강성고형물들이 발효 및 해체되어 생성되는 유기산과 액상의 유기물 및 미발효 유기성고형물들의 혼합물로 구성된 발효액을 다시 유입하수에 혼입시켜, 용존성유기물은 제1침전지의 상징수에 용해되어 탈질 탈인반응에 이용되고, 침전된 고형성유기물은 회수하여 발효시키는 과정이 반복되도록 한다.

이와 같이 유입하수에 포함된 용존성유기물에 추가하여 발효액에 포함된 유기산과 액상의 유기물 및 고형물에 부착되었던 유기산등과 같은 액상의 유기물들도 상기 제1침전지의 상징수에 용해되어 상기 고도처리공정으로 유입되므로 탈질·탈인반응에 이용가능한 저분자량의 유기물들만이 선별 증가되므로 질소·인 제거효율을 향상시키게 된다. 발효액에 포함되었던 미발효고형물과, 유입하수를 통하여 추가 유입된 고형물 즉, 생슬러지는 상기 제1침전지에서 침전되므로 이를 회수하여 상기 발효조로 유입시켜서 발효시키고 일부는 주기적으로 폐기시키는 일련의 과정도 포함된다.

잔반등의 음식쓰레기는 수거하여 반입하는 과정에서 부패하여 그 일부는 유기산으로 전환되고 액화되므로 발효조에 직접 투입하게 되면 상당량은 가스로 분해되어 낭비될 수 있다. 반면에 상기 잔반등의 유기성폐기물을 제1침전지의 전단계에서 하수에 혼입하게 되면 유기산과 같은 용존성의 유기물은 하수에 용해되어 곧바로 탈질과 인방출반응에 이용될 수 있고, 냄새가 나는 잔반등이 짧은 시간내에 다량의 하수에 희석되므로 악취발생이 감소된다.

또한 유기성폐기물을 폐기물 발생원과 근접한 하수차집관로에 투입하고 관로를 따라 유하되는 하수에 의하여 유기성폐기물을 하수처리장으로 이송시키게 되면 차량에 의한 운반보다 경제적이다. 이 경우 관로에의 퇴적방지를 위한 적절한 유속과 차집관로의 수밀성 및 우·오수 분류방식이 보장되어야 할 것이다.

도7에서 반송슬러지가 슬러지탈질조를 거치는 도7에 예시된 Johannesburg Process의 상기 슬러지탈질조에 용존성유기물이 용해된 상기 제1침전지 상징수의 일부, 또는 상기 슬러지발효액의 일부를 투입하므로써, 반송슬러지에 함유된 질소산화물의 탈질효율을 개선하고 탈질반응시간도 단축시킬 수 있게 된다. 또한 상기 슬러지탈질조에서 소모되고 남은 잔여유기물은 Main Stream을 구성하는 혐기성반응조와 무산소반응조로 유입되어 인방출과 탈질반응에 이용된다. 도 7에 예시된 Phostrip등에서와 같이 Side Stream에 설치된 반응조들에도 상기 방법은 동일하게 적용될 수 있다.

본 발명을 적용하기 위하여 상기 유기성폐기물을 유입하수에 투입할때에는 투입전에 입경이 큰 유기물을 잘게 파쇄하는 분쇄기 등의 파쇄수단과 비닐봉지, 나무조각등 협잡물이 제거될 수 있도록 하는 스크린등의 협잡물제거수단을 거치는 것이 바람직하다. 특히, 유기성폐기물을 유입하수에 투입하는 것은 유입하수중의 협잡물을 제거하기 위하여 하수처리장에 설치된 스크리닝 공정의 전단계에서 투입하게 되면 별도의 스크린설치가 불필요하므로 보다 경제적이다.

또한, 발효조에서 인출한 발효액을 하수처리장에 설치되는 침사지, 유입펌프정 또는 제1침전지의 분배조를 통하여 유입하수에 투입하므로써, 제1침전지에 직접 투입하는 경우보다 펌핑 또는 분배과정에서 형성되는 와류에 의하여 발효액중의 고형성유기물이 세척되고 용존성유기물이 하수에 잘 용해될 수 있게 된다.

본 발명에서는 이미 건설되어 가동중에 있는 하수처리장에 있어서 발효조를 설치할 공간과 여유시설이 없는 경우에 대비하여 별도의 발효조 설치를 생략하고 제1침전지 자체를 고액분리와 발효에 활용할 수 있도록 하였다. 즉, 제1침전지에서 생슬러지 또는 고형성유기물의 인출량을 조절하여 제1침전지내에서의 고형물 체류시간을 증대시키면, 침전지 하부의 슬러지농축구역에서 유기성폐기물의 발효가 진행되고 발효과정에서 생성된 유기산등의 용해성유기물은 침전지로 유입되는 하수에 용해되어 상징수를 따라 유출되므로 고도처리공정에서 탈질 및 탈인반응에 이용될 수 있다.

발효된 용존성유기물이 침전지 하부의 슬러지층으로부터 수체로 단순히 농도경사에 의하여 확산 용해되는 경우 용존성유기물의 용해속도가 느리고 고형물사이의 간극수에 포함된 저분자량의 유기물이 제때에 용출되지 못하고 장시간 체류하게 되어 가스로 분해되고 낭비되며 슬러지가 부상하는 부작용이 발생될 수 있다. 따라서 상기 침전지하부의 발효슬러지에 포함된 유기산과 용해성유기물이 제1침전지 상징수에 보다 잘 용해될 수 있도록 상기 제1침전지의 하부에서 발효슬러지를 펌프로 인출하여 침사지, 유입펌프정 또는 제1침전지 분배조를 통하여 유입하수에 혼입시켜 제1침전지로 순환 유입시키게 되면, 순환 및 희석과정에서의 교반력에 의하여발효액에 포함되었던 용존성 유기물이 하수에 보다 더 잘 용해되고 유기성고형물의 표면과 간극에 포함된 용존성유기물도 잘 세척되어 제1침전지의 상징수를 통하여 유출될 수 있으므로 후속되는 탈질·탈인 반응에 효과적으로 이용될 수 있고 순수한 고형물은 침전되어 발효과정을 거칠수 있게 된다.

대부분의 하수처리장에는 중력식 슬러지농축조, 또는 슬러지를 메탄발효하기 위한 슬러지소화조가 설치되어 있다. 그러나 중력식 농축조의 경우 고형물농축효율이 낮아 상당량의 슬러지가 반류수를 통하여 수처리공정으로 유입되고 있으며, 메탄가스 발효공정은 운전관리가 복잡하고 미생물의 배양도 어려우므로 슬러지소화조가 유휴시설로 방치되는 사례가 많은 실정이다. 따라서 본 발명에서는 이와 같이 문제점이 많은 기존의 중력식 슬러지농축조 또는 슬러지소화조를 개조하여 용이하게 유기성폐기물의 발효조로 이용할 수 있게 되므로 부지소요와 건설비면에서 경제적이다. 또한 기존 처리장들에서 농축조, 소화조, 탈수기에서 발생되는 반류수가 유입펌프정으로 유입되는 구성이므로, 기 설치된 배관들을 그대로 활용하여 본 발명을 용이하게 실현할 수 있다.

또한, 발효조를 제1침전지와 별개로 설치하여 제1침전지에서 침전된 고형물을 펌프로 인출하여 발효조로 이송시키므로 펌프와 배관시설이 소요되고 운전이 번거로운 문제점을 개선하기 위하여, 본 발명에서는 제1침전지 하부 슬러지수집부의 용량을 크게하여 발효조로 이용하거나, 또는 제1침전지의 하부에 종래의 Imhoff Tank등에서와 같이 침전공간과는 분리된 발효공간을 별도로 설치하므로써 침전된 고형물이 중력에 의하여 제1침전지의 하부에서 발효조로 자연유하되어 발효될 수있도록 하였다.

상기 발효조에는 교반수단을 구비하여 발효가 원활히 이루어지게 할 수 있으며 상기 교반수단은 침전지의 슬러지수집기 구동축과 연결하고 슬러지수집기의 구동력을 이용하여 교반이 이루어지게 할 수 있다. 또한 별도의 교반기를 설치하고 슬러지수집기와 연결하여 슬러지수집기의 이동에 따라 상기 교반기도 함께 이동되도록 하므로써, 작은 용량의 교반기로도 반응조 전체를 원활하고 고르게 교반시킬 수 있게 된다.

이와 같이 제1침전지를 통하여 발효액을 희석 및 용해시키고 침전고형물을 회수하고 발효하는 과정을 반복하므로써 생슬러지와 잔반등 유기성폐기물은 발효 및 용해되어 유기물의 감량이 이루어지는 반면에 분해가 불가능한 미세토사등의 무기물은 분해되지 않고 계속 순환하면서 농도가 증가되는 성상이므로 발효액 또는 침전고형물의 일부를 주기적으로 계(System)외부로 반출하여 무기물이 폐기되도록 하여야 된다.

발효조에서 폐기되는 폐슬러지에는 유기 또는 무기성고형물외에도 용존성유기물이 포함되므로 취급과 관리가 어렵고 그대로 폐기할 경우 유기물이 낭비되고 악취가 발생될 수 있다. 따라서 폐슬러지를 세척공정에서 유입하수 또는 처리된 하수로 세척시키고, 고액분리공정에서 고액분리시켜서 용존성유기물이 제거된 고형물을 폐기하는 것이 바람직하다. 용존성유기물이 용해된 세척여액은 유입하수와 함께 제1침전지로 유입시켜서 탈질과 탈인반응에 이용할 수 있다.

폐슬러지만을 세척 및 고액분리하는 것은 발효액 전체를 고액분리하는 것과달리 폐기되는 일부 슬러지를 세척 및 고액분리시키므로 시설규모도 감소되며, 폐슬러지의 세척 및 고액분리는 혼합조와 중력식 침전지의 조합장치, 벨트프레스 또는 원심탈수기등을 이용하여 용이하게 고형물을 세척 및 탈수하여 케이크형태로 반출 할 수 있다.

이와 같이 본 발명에서는 유기성고형물을 발효시키고 용존성유기물과 고형성유기물의 혼합물인 발효액을 유입하수에 투입하여 제1침전지에서 고액분리시켜서 용존성유기물을 탈질·탈인반응에 이용하고, 침전물로 회수된 고형성유기물을 다시 발효시키는 과정을 거침으로써 앞에서 지적한 4가지 문제점들이 해소될 수 있다.

① 유기산발효된 이분해성의 유기물이 메탄발효단계로 진입하여 메탄가스로 소모되기 전단계에서 발효액을 인출하고 유입하수에 세척 및 용해시켜서 제1침전지에서 상징수를 통하여 상기 이분해성 용존성유기물이 유출되어 탈질·탈인반응에 이용될 수 있다. 용존성유기물이 세척된 침강성고형물은 제1침전지에서 침전물로 회수하고 발효조에서 발효시키므로, 최적 발효조건의 유지를 위한 특별한 노력이 소요되지 않고, 발효조의 용량도 감소되어 경제적이며, 유기산이 메탄가스로 분해되는 낭비도 방지할 수 있게 된다.

② 서분해성이므로 탈질반응에 이용되지 못하고 후속되는 호기성반응조에서 유기물부하로 작용되었던 고형성유기물은 그 표면에 부착된 용존성유기물들은 세척되어 유입하수에 용해되어 탈질반응에 기여할 수 있다. 그러나 세척된 침강성고형물은 제1침전지에서 침전 회수되고 발효조에 투입 및 발효되어 다시 제1침전지로 투입되어 용존성유기물만이 용해되고 침전된 고형성유기물은 회수하여 발효시키는과정이 반복된다. 따라서 서분해성의 고형성유기물이 반응조로 유입될 수 없는 구성이므로 호기성반응조에서 유기물부하가 증대되고 질산화 효율이 저하되는 부작용이 해소될 수 있다.

③ 발효액을 탈질 또는 인방출 반응조에 직접 투입하게 되면 생슬러지와 음식쓰레기등의 유기성폐기물에 포함되었던 니토와 세사와 같이 활성물질로 전환이 불가능하고 분해될 수 없는 무기성고형물이 제2침전지에서 침전되고 반송슬러지를 통하여 계내부를 계속 순환하면서 축적된다. 이에 따라 반응조내의 현탁성고형물(MLSS)의 일부를 활성이 없는 무기물이 점유하게 되므로 현탁성고형물 가운데 활성미생물의 점유비율이 감소된다. 본 발명에서는 제1침전지를 이용하여 발효액을 세정시키고 무기성고형물도 침전 회수되어 주기적으로 폐기되므로 반응조의 활성미생물 농도를 높게 유지할 수 있다.

④ 거의 모든 하수처리장에는 제1침전지가 설치되며 본 발명에서는 이와 같은 기존의 제1침전지를 이용하여 발효액을 유입하수에 희석시켜서 고액분리할 수 있으므로, 별도로 발효액을 고액분리시키기 위한 탈수기, 침전지와 같은 고액분리시설을 설치할 필요가 없게 된다. 따라서 시설비가 감소되고, 처리시설도 단순하며, 다량의 하수에 발효액이 희석되므로 악취발생도 적고, 고액분리효율도 개선될 수 있다.

이와 같이 본 발명 간헐포기계열 또는 Side Stream 계열의 고도처리공정에 적용될 수 있으며 질소산화물의 탈질반응이 이루어지는 하나이상의 무산소반응조와 유기물이 호기성분해되고 유기성질소와 암모니아성질소의 질산화반응이 이루어지는하나이상의 호기성반응조, 최종반응액으로부터 고형물과 상징수의 분리가 이루어지는 제2침전지로 구성되고, 슬러지반송과 내부순환이 이루어지며 탈질반응에 추가시켜 인제거 효율을 증대시키기 위하여 미생물로부터 인방출반응을 유도하는 혐기성반응조가 추가되기도 하는 전탈질계열의 고도처리공정의 효율을 쉽게 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 제1실시예의 개략공정도,

도 2는 본 발명에 따른 제2실시예의 개략공정도,

도 3은 본 발명에 따른 제3실시예의 개략공정도,

도 4는 본 발명에 따른 제4실시예의 개략공정도,

도 5는 본 발명에 따른 제4실시예에서의 제1침전지 단면도,

도 6a와 도6b는 본 발명에 따른 제1침전지와 발효조가 동일 구조물로 구성된

실시예의 평단면도,

도 7은 본 발명이 적용 가능한 고도처리공정들의 개략공정도이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 1a : 제1침전지 2 : 혐기성반응조

3 : 무산소반응조 4 : 호기성반응조

5 : 제2침전지 6, 6a : 발효조

7 : 슬러지탈질조 8 : 세척공정

9 : 고액분리공정 11 : 상징수

12: 반송슬러지 13 : 내부순환수

14 : 침전고형물 15 : 발효액

21, 21a : 순환펌프 22, 22a : 슬러지수집기

23, 23a, 23b : 교반기 또는 교반수단 24, 24a : 슬러지수집기 구동부

25 : 슬러지수집부

이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 자세히 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 영양염류 제거효율을 개선하기 위하여 이분해성의 유입 유기물농도를 증대시키는 고도처리방법을 나타내는 제1실시예의 공정도이다.

이 실시예에서는 질소산화물의 탈질반응이 이루어지는 무산소반응조(3)와 유기물이 호기성분해되고 유기성질소와 암모니아성질소의 질산화반응이 이루어지는 호기성반응조(4), 최종반응액으로부터 고형물과 상징수의 분리가 이루어지는 제2침전지(5)로 구성되며, 상기 제2침전지로부터 상기 무산소반응조로 슬러지반송(12)이 이루어지는 고도처리공정의 전단계에는 유입하수에 함유된 고형물의 침전분리가 이루어지는 제1침전지(1)를 설치하고, 상기 제1침전지에서 침전분리된 주로 유기성고형물로 구성된 생슬러지등의 침전고형물(14)을 발효시키는 발효조(6)를 구비하여, 상기 발효조에서 생슬러지가 발효 및 해체되어 생성되는 유기산과 액상의 유기물, 미세토사와 같은 무기성고형물 및 미발효상태의 유기성고형물의 혼합물로 구성되는 발효액(15)을 유입하수에 혼입시켜 상기 제1침전지로 순환 유입되도록 한 것이다.

유입하수에 포함된 용존성유기물에 추가하여, 발효액에 포함된 유기산과 액상의 유기물 및 고형물에 부착된 액상의 유기물이 유입하수에 용해되어 탈질반응에 이용가능한 저분자량의 유기물이 증가된 상기 제1침전지의 상징수(11)가 상기 고도처리공정으로 유입되므로 질소제거효율을 향상시키게 된다. 발효액중의 미발효고형물과 유입하수중의 생슬러지를 통하여 추가 유입된 고형물은 상기 제1침전지에서 침전되므로 이를 회수하여 상기 발효조에서 발효시키는 과정이 반복되는 구성이다. 또한 상기 발효액 또는 상기 침전고형물의 일부는 주기적으로 폐기시키는 일련의 과정도 포함된다.

상기 발효조에는 잔반등의 음식물쓰레기, 축산분뇨, 수거분뇨 등의 유기성폐기물을 추가 투입하여 유기물을 보충할 수 있으며 하수처리장에 설치된 기존의 중력식 슬러지농축조 또는 슬러지소화조를 발효조로 개조하여 활용할 수 있다. 또한 상기 호기성반응조의 반응액을 상기 무산소반응조로 역류유입시키는 내부순환(13)을 추가하여 질소제거효율을 증대시킬 수 있다.

도2는 본 발명에 따른 영양염류 제거효율을 개선하기 위하여 이분해성의 유입 유기물농도를 증대시키는 고도처리방법을 나타내는 제2실시예의 공정도이다. 이 실시예에서는 혐기성반응조(2), 무산소반응조(3) 및 호기성반응조(4), 제2침전지(5)로 구성되고, 상기 제2침전지로 부터 상기 혐기성반응조(2)로 슬러지반송(12)이 이루어지고, 상기 호기성반응조로부터 내부순환수(13)가 상기 무산소반응조로 유입되는 공정에서 제1침전지(1)와 발효조(6)가 추가 구비되고, 음식물쓰레기, 수거분뇨, 축산분뇨, 산업공장에서 발생되는 유기성부산물 또는 기타의 유기성폐기물을 상기 유입하수에 투입 및 희석시켜서 상기 제1침전지에 유입되도록 하므로써,유입하수와 상기 유기성폐기물에 함유된 용존성의 유기물은 상기 제1침전지 상징수(11)를 통하여 상기 고도처리공정에서 인방출과 탈질반응에 이용되는 한편, 상기 제1침전지에서 침전분리된 유입하수중의 생슬러지와 유기성폐기물에 함유된 고형물로 구성된 침전고형물(14)을 상기 발효조(6)에서 발효시키고 생성되는 유기산과 액상의 유기물, 미세토사와 같은 무기성고형물 및 미발효상태의 유기성고형물의 혼합물인 발효액(15)을 유입하수에 혼입시켜 상기 제1침전지로 순환시키는 구성이다.

유입하수에 투입된 유기성폐기물에 포함된 용존성유기물에 추가하여 발효액에 포함된 유기산과 액상의 유기물 및 고형물에 부착된 액상의 유기물이 유입하수에 용해되어 상기 제1침전지의 상징수를 통하여 상기 고도처리공정으로 유입되어 질소·인 제거에 이용된다. 또한 발효액중의 미발효고형물과 유입하수중의 생슬러지 및 유기성폐기물을 통하여 추가 유입된 고형물은 상기 제1침전지에서 침전되므로, 침전고형물(14)을 회수하여 상기 발효조로 유입시키는 과정이 반복하므로써 상기 고도처리공정에서 미생물이 쉽게 이용할 수 있는 주로 이분해성인 용존성 유기물만을 선별하여 그 농도를 증대시킬 수 있다.

상기 유기성폐기물이 유입하수에 투입되기 전에 파쇄되거나 협잡물이 제거될 수 있도록 하는 분쇄기 등의 파쇄수단[도면생략] 또는 스크린등의 협잡물제거수단[도면생략]을 거치는 것이 바람직하며 유기성폐기물을 유입하수에 투입하는 것은 유입하수중의 협잡물을 제거하는 스크리닝 공정의 전단계에서 이루어지도록 하므로써 별도의 스크린 설치를 생략할 수 있으므로 유리하다.

상기 발효액(15)을 유입하수에 투입하는 장소는 하수처리장에 설치된 침사지, 유입펌프정 또는 제1침전지의 분배조에 투입하는 것이 펌핑과 분배과정에서 형성되는 와류에 의하여 고형물의 세척과 용존성유기물의 용해가 잘 이루어지므로 바람직하다.

상기 발효조(6)에서 주기적으로 폐기되는 상기 폐슬러지는 세척공정(8)에 의하여 하수 또는 처리수로 세척 및 용해시켜서 고액분리공정(9)에서 분리된 고형물은 폐기시키고 여액은 유입하수와 함께 제1침전지로 유입시키는 것이 폐슬러지의 처리처분이 용이하고 용존성유기물도 최대로 활용할 수 있게 된다.

도3은 도2의 고도처리공정에서 반송슬러지(12)에 슬러지탈질조(7)가 추가 구성된 공정으로, 상기 슬러지탈질조에 제1침전지 상징수(11)의 일부 또는 상기 슬러지발효액(15)의 일부를 주입하여 반송슬러지에 함유된 질소산화물의 탈질반응이 이루어지도록 하는 실시예이다. 이 실시예는 Phostrip과 Modified Phostrip Process에서와 같은 Side Stream 계열의 탈질·탈인공정들에서도 적용될 수 있다.

도4는 상기 제1침전지(1)에서 침전된 유기성고형물은 상기 제1침전지의 하부에서 유기산발효되고 액상의 유기물이 상기 제1침전지로 통과하는 수체에 용출되어 상기 제1침전지의 상징수(11)를 통하여 유출될 수 있도록, 상기 제1침전지에서의 고형물 체류시간을 증대시키므로써 상기 발효조의 설치를 생략하는 실시예이다.

여기서, 상기 제1침전지 하부의 발효액(15)을 인출하여 유입하수와 함께 제1침전지의 상부로 유입시켜서 미발효된 유기성고형물은 세척 및 침전되어 상기 제1침전지하부에서 발효가 재개되고, 용해된 액상의 유기물은 유입하수에 용해되고 상징수(11)를 통하여 유출되도록 상기 제1침전지 하부의 발효액을 상기 제1침전지의 상부로 순환 유입시키는 과정에서 형성되는 와류에 의하여 발효슬러지중의 용존성유기물이 상기 제1침전지의 상징수에 쉽게 용해될 수 있게 된다.

도5는 발효와 고액분리가 동시에 진행되므로 별도의 발효조가 생략될 수 있는 도4의 공정을 구성하는 제1침전지(1)의 단면도를 보다 상세하게 나타낸 것이다. 침전지 하부에서는 고형물이 발효되어 액상으로 전환되면 상부의 수체로 확산되어 상징수를 통하여 유출되는 구성으로 임펠러등의 교반수단(23a)을 슬러지수집기(22)의 구동부(24)에 의하여 슬러지수집부 내부의 고형물을 교반할 수 있다. 또한 발효공간을 증대시키기 위하여 슬러지수집부(25)의 용량을 확대시킬 수도 있다.

상기 슬러지수집기(22)의 상부에는 스크류, 삽날 형태등의 교반수단(23b)들을 다수 돌출시켜서 슬러지수집기가 회전함에 따라 슬러지의 교반도 함께 이루어지도록 할 수 있으며, 순환펌프(21)에 의하여 발효액(15)을 인출하여 순환 유입시켜서 액상의 발효액이 잘 용해되도록 할 수 있다.

도6은 상기 제1침전지(1a)에서 침전된 유기성 침전고형물(14a)은 중력에 의하여 발효조(6b)로 자연 유하되어 발효될 수 있도록 상기 발효조는 상기 제1침전지의 하부에 설치하고 상기 발효조에는 교반기(23)가 구비되는 실시예에 관한 것이다.

상기 교반기는 상기 제1침전지에 설치된 슬러지수집기(22a)를 구동시키는 구동부와 직결하여 슬러지수집기를 따라 교반기가 발효조 내부를 왕복하게 되므로 소수의 교반기로 발효조 존체를 원활하게 혼합시킬 수 있다.

도7은 본 발명을 적용할 수 있는 고도처리공정들을 예시하였으나, 이에 국한되지 않고 이들의 변법을 포함한 모든 전탈질계열의 고도처리공정 또는 내부순환과 관계없이 유입유기물에 의해 탈질 또는 인방출반응이 이루어지는 간헐포기공정, Orbal Process, 유로변경식 간헐포기공정(Bio-DeNitro)과 단계별 유입(Step Feeding)공정, Bio-Denitro공정에 혐기성의 탈인반응조들이 추가되는 Bio-DeNiPho공정등과 같이 주로 유입하수에 포함된 유기물에 의하여 질소와 인을 제거하는 모든 고도처리공정에도 본 발명은 유효하게 적용될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 생슬러지, 잔반등의 유기성폐기물을 발효시켜 생성되는 발효액을 유입하수에 혼합하여 고액분리시키고, 고형물을 회수하여 발효 및 유입하수에의 혼합과정을 순환반복하여 탈질, 탈인반응에 이용 가능한 용존성의 이분해성 유기물을 선별하여 그 농도를 증대시키는 고도처리방법을 적용하므로써 다음과 같은 효과가 발휘된다.

① 모든 전탈질계열 고도처리공정에서 질소와 인의 제거효율을 증대시킬 수 있다.

② 가동중인 처리장에도 간편하게 적용하여 처리효율을 개선할 수 있다.

③ 생슬러지, 잔반등 유기성폐기물의 처리처분에 기여할 수 있다.

④ 취급과 관리가 어려운 생슬러지가 발생되지 않고 그 일부는 잉여활성슬러지로 전환되므로 생물학적 인제거 효율이 높다.

⑤ 유입유기물이 부족한 저농도 하수에서도 활성슬러지의 세정이 방지되고 높은 활성을 유지할 수 있다.

Claims (15)

1. 질소산화물의 탈질반응이 이루어지는 무산소반응조(3)와 유기물의 호기성분해와 질산화반응이 이루어지는 호기성반응조(4), 최종반응액을 고액분리시키는 제2침전지(5)와 슬러지반송(12)이 이루어지는 고도처리공정에 있어서, 상기 유입하수에 함유된 고형물의 침전분리가 이루어지는 제1침전지(1)와 상기 제1침전지에서 침전분리된 침전고형물(14)인 생슬러지를 유기산으로 발효시키는 발효조(6)를 구비하여, 상기 생슬러지가 발효되어 생성되는 유기산과 액상의 유기물, 미세토사와 같은 무기성고형물 및 미발효 유기성고형물의 혼합물인 발효액(15)을 유입하수에 혼입시켜 상기 제1침전지에서 고액분리가 이루어지고, 상기 제1침전지에서 상기 발효액에 포함되었던 고형물과 유입하수를 통하여 추가 유입된 생슬러지를 침전고형물로 회수하고, 상기 침전고형물을 상기 발효조로 유입하여 발효시키고, 그 발효액을 상기 제1침전지로 순환시키는 과정을 반복하므로써, 유입하수에 포함된 용존성유기물에 추가하여 발효액에 포함된 유기산과 액상의 유기물 및 고형물에 부착된 액상의 유기물들이 용해되어 그 농도가 증가된 상기 제1침전지의 상징수(11)가 상기 고도처리공정으로 유입되도록 하므로써 질소·인 제거효율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 탈질·탈인반응에 이용가능한 이분해성 유기물농도를 증대시키는 고도처리방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 호기성반응조(4)의 반응액을 전단계의 상기 무산소반응조(3)로 역류 유입시키는 내부순환수(13)의 순환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 탈질·탈인반응에 이용가능한 이분해성 유기물농도를 증대시키는 고도처리방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 고도처리공정은 상기 무산소반응조(3)의 전단계에 인방출 반응이 이루어지는 혐기성반응조(2)가 구비되어, 혐기성반응조(2), 무산소반응조(3) 및 호기성반응조(4), 제2침전지(5)로 구성되고, 상기 제2침전지로 부터 상기 혐기성반응조(2)로 슬러지반송(12)이 이루어지고, 상기 호기성반응조로부터 내부순환수(13)가 상기 무산소반응조로 유입되는 것을 특징으로 하는 탈질·탈인반응에 이용가능한 이분해성 유기물농도를 증대시키는 고도처리방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 고도처리공정은 하나 이상의 반응조와 제2침전지로 구성되어 포기와 비포기교반의 반복되는 간헐포기공정, 유로변경 및 간헐포기방식의 조합공정, 또는 이들의 변법들인 것을 특징으로 하는 탈질·탈인반응에 이용가능한 이분해성 유기물농도를 증대시키는 고도처리방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 고도처리공정은 Phostrip Process 또는 이들의 변법에서와 같이 반송슬러지가 무산소반응조 또는 혐기성반응조를 거치는 Side Stream 계열의 고도처리공정이며, 상기 제1침전지 상징수(11)의 일부 또는 상기 슬러지발효액(15)의 일부를 상기 무산소반응조 또는 혐기성반응조에 주입하는 것을 특징으로하는 탈질·탈인반응에 이용가능한 이분해성 유기물농도를 증대시키는 고도처리방법.
6. 제1항에 있어서, 음식물쓰레기, 수거분뇨, 축산분뇨, 산업공장에서 발생되는 유기성부산물 또는 기타의 유기성폐기물을 상기 유입하수에 투입하여 상기 제1침전지(1)에 유입되도록 하고, 상기 제1침전지에서 침전분리된 유입하수중의 생슬러지와 유기성폐기물에 함유된 유기성고형물로 구성된 침전고형물(14)이 상기 발효조(6)에서 발효되어 생성되는 유기산과 액상의 유기물, 미세토사와 같은 무기성고형물 및 미발효 유기성고형물의 혼합물인 발효액(15)을 유입하수에 혼입시켜 상기 제1침전지에서 고액분리되도록 하고, 상기 발효액에 포함된 고형물과 유입하수를 통하여 추가 유입된 생슬러지 및 투입된 유기성폐기물을 통하여 추가 유기성고형물들을 상기 제1침전지에서 침전고형물(14)로 회수하여 상기 발효조로 유입하여 발효시키고, 그 발효액을 상기 제1침전지로 순환시키는 과정을 반복하므로써, 유입하수와 투입된 유기성폐기물에 포함된 용존성유기물에 추가하여 발효액에 포함된 유기산과 액상의 유기물 및 고형물에 부착된 액상의 유기물들이 용해되어 그 농도가 증가된 상기 제1침전지의 상징수(1)가 상기 고도처리공정으로 유입되도록하므로써 질소·인제거효율을 향상시키 것을 특징으로 하는 탈질·탈인반응에 이용가능한 이분해성 유기물농도를 증대시키는 고도처리방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 발효조(6)에는 음식쓰레기, 수거분뇨, 축산분뇨, 산업공장에서 발생되는 유기성부산물 또는 기타의 유기성폐기물을 추가 투입하는 것을 특징으로 하는 탈질·탈인반응에 이용가능한 이분해성 유기물농도를 증대시키는 고도처리방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 발효액(15)을 침사지, 유입펌프정 또는 제1침전지의 분배조를 통하여 유입하수에 투입하는 것을 특징으로 하는 탈질·탈인반응에 이용가능한 이분해성 유기물농도를 증대시키는 고도처리방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 발효조(6)의 설치를 생략하되, 상기 제1침전지(1)의 고형물 체류시간을 증대시켜서 침전된 유기성고형물이 상기 제1침전지의 하부에서 유기산발효되고, 고형물이 발효되어 용출된 액상의 유기물이 상기 제1침전지의 상징수(11)를 통하여 상기 고도처리공정으로 유입되도록 하는 것을 특징으로 탈질·탈인반응에 이용가능한 이분해성 유기물농도를 증대시키는 고도처리방법.
10. 제1항에 있어서, 상기 제1침전지(1a)에서 침전된 고형물(14a)은 중력에 의하여 발효조(6b)로 자연 유하되어 발효될 수 있도록 상기 발효조는 상기 제1침전지의 하부에 설치하는 것을 특징으로 하는 탈질·탈인반응에 이용가능한 이분해성 유기물농도를 증대시키는 고도처리방법.
11. 제1항에 있어서, 상기 침전고형물(14) 또는 발효액(15)을 주기적으로 폐기하되, 발효조(6)에서 폐기되는 폐슬러지는 세척공정(8)과 고액분리공정(9)에 의하여 하수 또는 처리수로 세척 및 고액분리시켜서 고형물은 폐기하고, 여액은 상기 고도처리공정으로 유입시키는 것을 특징으로 하는 탈질·탈인반응에 이용가능한 이분해성 유기물농도를 증대시키는 고도처리방법.
12. 제1항에 있어서, 상기 발효조(6)는 하수처리장에 설치된 기존의 중력식 슬러지농축조, 또는 슬러지소화조를 이용하는 것을 특징으로 하는 탈질·탈인반응에 이용가능한 이분해성 유기물농도를 증대시키는 고도처리방법.
13. 제3항에 있어서, 상기 반송슬러지(12)는 슬러지탈질조(7)를 경유하도록 공정을 구성하고 제1침전지(1)의 상징수(11) 일부 또는 상기 발효액(15)의 일부를 상기 슬러지탈질조에 주입하는 것을 특징으로 하는 탈질·탈인반응에 이용가능한 이분해성 유기물농도를 증대시키는 고도처리방법.
14. 제9항에 있어서, 상기 제1침전지(1) 하부의 발효액(15)을 순환펌프(21)를 이용하여 상기 제1침전지로 순환 유입되도록 하는 것을 특징으로 하는 탈질·탈인반응에 이용가능한 이분해성 유기물농도를 증대시키는 고도처리방법.
15. 제9항에 있어서, 상기 제1침전지(1) 하부에 발효가 진행되는 슬러지층과 슬러지수집부(25)를 교반하는 교반수단(23a, 23b)은 슬러지수집기(22)와 연결되어 슬러지수집기구동부(24)에 의하여 구동되는 것을 특징으로 하는 탈질·탈인반응에 이용가능한 이분해성 유기물농도를 증대시키는 고도처리방법.