KR20030076779A

KR20030076779A - 고농도 유기물, 질소 및 인을 함유한 폐수 처리방법 및시스템

Info

Publication number: KR20030076779A
Application number: KR1020020015443A
Authority: KR
Inventors: 이남훈; 임종섭
Original assignee: 주식회사 청정
Priority date: 2002-03-21
Filing date: 2002-03-21
Publication date: 2003-09-29
Also published as: KR100432645B1

Abstract

본 발명은 기존에 농도가 높아 과도한 호기성 처리 설비가 필요하거나 호기성 설비만으로 처리가 어려운 고농도 유기물, 질소 및 인을 함유한 폐수를 처리하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 본 발명은 (a) 집수조에 유입된 폐수중의 탄소원을 이용하여 폭기조에서 직접 반송된 질산화 처리수에 함유된 질소산화물을 탈질하는 단계와, (b) 전기 (a)단계에서 얻어진 폐수를 혐기조건하에 소화시키는 단계와, (c) 전기 (b)단계에서 얻어진 폐수를 가압부상시켜 적어도 부유물질, 인 및 황을 제거하는 단계와, (d) 부유물질 등이 제거된 상기 (c)단계를 거친 폐수내의 암모니아성 질소를 질산화하고 질산화 처리된 폐수의 일부를 집수조에 반송하는 단계와, (e) 전기 (d)단계를 거친 폐수를 후탈질하는 단계와, (f) 후탈질된 폐수를 재폭기 처리하여 폐수 중의 잔존유기물을 제거하고, 고형물을 침전시켜 제거하는 단계, 및 (g) 전기 (f)단계를 거친 폐수내의 색도 및 NBD 물질을 제거하고 잔여 고형분을 제거하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

상기 구성에 의하면 기존의 호기성 처리 공정만으로 처리하던 폐수는 본 시스템을 이용할 경우 보다 적은 설치부지만으로도 처리가 가능하며 처리가 어려워 해양투기에 의존하던 고농도 유기물, 질소 및 인을 함유한 폐수도 처리할 수 있다.

Description

고농도 유기물, 질소 및 인을 함유한 폐수 처리방법 및 시스템{Method and System for treating wastewater which contains high organic matter, nitrogen and phosphorus}

본 발명은 일반 폐수(CODcr 1000∼5000mg/L)는 물론 고농도 폐수(CODcr 5000mg/L 이상)를 처리하는 방법 및 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 기존에 처리가 불가능한 것으로 인식되어 해양투기에 전량 의존해 오던 폐수도 유기물은 물론 질소와 인을 동시에 제거할 수 있도록 하는 폐수 처리방법 및 시스템에 관한 것이다.

기존의 산업체 폐수 처리방법은 미생물이 폐수중에 부유하는 부유성장의 표준활성슬러지 공법이 주로 이용되어 왔다. 그러나 이 방법은 폭기조내 과량의 미생물을 보유하기 어려우며 슬러지 발생량이 많고 용존산소량을 유지하기 위해 과량의 폭기동력이 소요되는 등 운전상의 어려움이 많아 고농도 폐수를 효율적으로 처리하기에는 부적합하다.

또한 고농도 폐수를 효과적으로 처리하는 방법으로 국내특허공개 98-75718호가 개시된 바 있다(도 1참조). 상기 방법은 원수를 가압부상조(DAF)로 유입시켜 가압부상의 방법으로 부유물질과 총인을 제거한 다음, 상기 처리된 유출수를 혐기성소화조에 유입시켜 유기물을 제거하기 위해 혐기성 소화처리과정을 수행하고, 혐기성 소화과정을 거친 폐수는 이후 탈질과정 및 질산화과정을 거쳐 폐수내 총질소를 제거하고 고형물을 침전시켜 방류시키는 구성을 취하고 있다.

상기의 고농도 폐수처리방법은 탈질조를 혐기성소화조와 질산화조에 중간에하나만을 두어 고농도의 질소처리가 어렵고, 또한 가압부상조가 혐기성 소화조 앞에 설치되어 실질적으로 황의 제거가 이루어질 수 없어 혐기성 소화조에서 발생한 황화수소로 인해 질산화조에서 과다한 용존산소가 소비되어 폭기동력비가 증가할 뿐만 아니라 원수의 황산염 성분이 많은 경우 혐기성 소화 공정에 문제를 야기하기도 한다.

또한 상기 고농도 폐수처리방법은 처리대상에 있어 비록 고농도라고는 하나 CODcr 농도가 약 5,000mg/L 정도 폐수의 처리에 적절하며 그 이상의 고농도 폐수는 설비의 추가나 과도한 증설이 필요하다. 또한 설비를 증설하더라도 처리가 어려운 초고농도 폐수는 해양투기 등의 방법으로 밖에 처리할 수 없어 환경오염의 심각한 문제가 우려되고 있다.

본 발명자는 상기와 같이 과도한 처리 설비가 필요하거나 종래 전량 해양투기에 의존할 수 밖에 없었던 고농도폐수를 처리하기 위한 방안을 연구하여 오던 중 탈질과정을 원수의 집수과정에서 전처리 단계로서 추가적으로 수행하고, 혐기성 소화조를 가압부상조(DAF)의 앞에 설치함으로써 혐기성 소화조에서 원수에 함유된 황성분을 환원시키고 이를 가압부상조에서 제거함으로써 질산화공정에서 황산화에 소요되는 폭기동력을 획기적으로 절감할 수 있다는 사실을 알아내고서 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서 본 발명의 목적은 CODcr 농도가 현저하게 높아 과도한 처리 설비가필요하거나 설치를 하더라도 처리가 어려워 전량 해양투기에 의존해 오던 고농도 폐수를 효율적으로 처리할 수 있는 고농도 폐수처리방법 및 장치를 제공함에 있다.

도 1은 종래 고농도 폐수처리장치의 구성도

도 2는 본 발명의 고농도 폐수처리장치의 구성도

*도면의 주요부분에 대한 부호설명*

10: 집수조 20: 혐기성 소화조

30: 가압부상조 40: 폭기조

50: 후탈질조 60: 재폭기조

70: 제 1침전조 80: 화학처리조

90: 제 2침전조

본 발명은 고농도의 폐수를 처리하는 방법으로서,

(a) 집수조에 유입된 폐수중의 탄소원을 이용하여 폭기조에서 직접 반송된 질산화 처리수에 함유된 질소산화물을 탈질하는 단계와,

(b) 전기 (a)단계에서 얻어진 폐수를 혐기조건하에 소화시키는 단계와,

(c) 전기 (b)단계에서 얻어진 폐수를 가압부상시켜 적어도 부유물질, 인 및 황을 제거하는 단계와,

(d) 부유물질 등이 제거된 상기 (c)단계를 거친 폐수내의 암모니아성 질소를 질산화하고 질산화 처리된 폐수의 일부를 집수조에 반송하는 단계와,

(e) 전기 (d)단계를 거친 폐수를 후탈질하는 단계와,

(f) 후탈질된 폐수를 재폭기 처리하여 폐수 중의 잔존유기물을 제거하고, 고형물을 침전시켜 제거하는 단계, 및

(g) 전기 (f)단계를 거친 폐수내의 색도 및 NBD 물질을 제거하고 잔여 고형분을 제거하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 고농도폐수의 처리방법을 포함한다.

필요에 따라 상기 (a)단계를 거친 폐수의 고형물의 농도가 높을 경우 고형물을 제거하는 단계를 추가로 둘 수 있다.

또한 본 발명은 혐기성 처리과정과 호기성 처리과정을 수행하도록 구성된 고농도 폐수처리장치에 있어서,

폐수를 집수하고, 전처리로서 탈질하는 집수조(10)가 구비되고, 유기물질을 제거하기 위한 혐기성 소화조(20)가 가압부상조(30) 이전에 구비됨과 함께 가압부상조를 거친 폐수를 질산화하기 위한 폭기조(40)와, 폭기처리한 폐수를 탈질하는 후탈질조(50) 및 잔존 유기물을 제거하기 위한 재폭기조(60)가 가압부상조(30) 이후에 일련하여 구성되며, 폐수중의 고형물을 제거하기 위한 제 1침전조(70)와, 생물학적처리로 불가능한 물질을 제거하기 위한 화학처리조(80) 및 제 2침전조(90)를 포함함을 특징으로 하는 고농도 폐수처리시스템을 포함한다.

도 2는 본 발명의 고농도 폐수처리장치의 바람직한 일실시예로서,

상기 집수조(10)는 폐수의 성상을 균질화하고, 폭기조(40)로부터 일부 반송되는 유출수로 폐수 중의 질소를 1단계 탈질화한다. 이때 탈질에 필요한 탄소원은 폐수에 함유된 내부 탄소원을 이용하는 것으로도 충분하며 별도로 탄소원을 첨가할 것이 요구되지는 아니한다. 또한 투입되는 탈질균의 세포합성에 의해 미량의 탄소원, 질소, 인이 제거되며, 탈질화 과정에서 발생하는 알칼리도의 증가는 폭기조(40)에서 요구되는 알칼리도의 약 50%를 보충하게 된다.

혐기성 소화조(20)에서는 유입된 폐수 중의 유기물량의 60∼80%정도가 처리된다. 폐수 중의 저분자 유기산은 메탄발효균에 의해 기질로 제공되며 이들 균의 작용으로 하기에서와 같은 메탄발효과정을 거쳐 바이오가스로 전환된다.

C_nH_2n+1COOH →CH₄+ CO₂

또한 혐기성 소화시 유기 질소는 암모니아성 질소로 전환된다.

일반적으로 혐기성 소화공정에 영향을 미치는 인자로는 유입 유기물 농도, 소화조 pH, 온도, 암모니아성 질소, 황산염 등을 들 수 있다. 많은 산업폐수의 경우 공정에 따라 발생하는 폐수의 성상은 매우 상이하며 상기와 같은 독성물질이 다량 포함되어 있다. 따라서 혐기성 처리공정으로 폐수를 유입시키기 전에 전처리 공정이 필요하며 상기 본 발명에서는 별도의 pH 조정조, 암모니아성 질소제거조 등을 시공함이 없이 집수조(10)가 이와 같은 전처리 공정을 수행한다.

가압부상조(30)에서는 철염(FeCl₃: 운전조건<pH, SS등>에 따라 다를 수 있다)과 폴리머(운전조건<pH, SS등>에 따라 다를 수 있다)를 투입하여 혐기성 소화조 처리조의 부유물질 이외에도 인 및 황성분을 제거한다.

<인 및 황의 제거>

FeCl₃+ PO₄ ^2-→ FePO₄↓+ 3Cl^- _,2H₂S + Fe₂ ⁺→ FeS↓+ 2H₂

상기에서와 같이 가압부상조(30)에서는 철염에 의해 인성분이 제거되어지는데 본 발명에 의하면 처리수의 인농도가 1mg/L 미만으로 처리될 수 있다. 또한 산업폐수 중에는 SO₄ ^2-성분이 다량으로 함유되어 있을 수 있는데 이들은 임의성 또는 혐기성 공정을 거쳐 용존 H₂S 혹은 HS^-의 형태로 환원될 수 있다. 만일 상기 성분이그대로 호기성 처리공정으로 유입되면 산소를 소비하게 되므로 호기성 처리공정의 산소요구량이 증가하게 된다. 따라서 이러한 성분을 제거할 경우 폭기에 소모되는 동력비를 절감할 수 있다.

또한 가압부상조(30)에는 부유물질 제거를 위해 공기를 불어 넣음으로 스트리핑에 의한 암모니아성 질소를 제거한다.

가압부상조(30)로부터 유출된 폐수는 폭기조(40)에 유입되어 질산화균의 작용에 의해 하기 반응과 같은 질산화공정이 수행된다.

NH₄ ⁺+ 3/2O₂→NO₂ ^-+ 2H⁺+ H₂O ……………(니토로조모나스)

NO₂ ^-+ 1/2O₂→NO₃ ^-………………………(니트로박터)

상기 질산화균은 독립영양세균으로 유기물 제거에 관여하는 종속영양세균에 비해 성장속도가 늦다. 따라서 미생물체류시간(SRT)을 종속영양세균에 맞추어 설계 및 운전을 할 경우 독립영양세균은 모두 유실될 가능성이 있으며 여재를 이용한 부착 성장 공정을 적용하는 것이 바람직하다. 부착성장공정은 여재(예를 들면 HBC)에 미생물이 부착하여 성장하므로 미생물확보가 용이하여 질산화에 유리하다.

질산화 공정에 관여하는 미생물은 독립영양세균이므로 질산화공정은 유기물이 제한되는 조건에서 보다 유리하다. 따라서 폭기조 전단에서 대부분의 유기물이 제거되어야 한다. 또한 상기와 같이 부착성장공정을 적용할 경우 호기성 처리공정으로 유입되는 폐수의 부유물질(SS)은 조의 하부에 축적되어 부패될 우려가 있고여재폐쇄현상이 일어날 수 있어 전단에서 제거되어야 한다. 본 발명에서는 전술한 가상부압조(30)를 폭기조(40) 전단에 설치함으로써 혐기성 소화조(20)에서 유출되는 부유물질의 95%이상을 제거할 수 있다.

상기 질산화 공정이 종료된 후 유출되는 폐수의 일정량(바람직하기로는 원수의 100∼200%)을 집수조(10)로 반송한다. 이러한 이유는 (1) 혐기성 처리공정 유입수를 희석하는 효과로 독성물질을 독성 한계 농도 이하로 낮추어주며, (2) 폭기조에서 질산화된 처리수를 집수조로 반송시킴으로써 탈질에 의한 질소제거와 탈질공정에 필요한 유기물을 제거하여 소화조 유입 부하를 줄일 수 있기 때문이다.

질산화공정이 완료된 폐수는 후탈질조(50)로 유입되며, 후탈질조에서는 폐수중 존재하는 질산화공정의 결과물인 아질산염 혹은 질산염을 용존산소가 존재하지 않는 조건에서 질소가스로 환원시켜 대기중에 배출한다.

6NO₃ ^-+ 2CH₃OH →6NO₂ ^-+ 2CO₂+ 2H₂O

6NO₃ ^-+ 2CH₃OH →3N₂↑+ 3CO₂+ 3H₂O + 6OH^-

상기 질산화 공정에서 요구되는 탄소원은 외부탄소원으로 메탄올을 사용하거나 내부 탄소원으로 약간의 원수나 혐기성 처리수를 투입하여 사용할 수 있다. 만일 호기성 처리공정에서 질소성분이 전량 질산화되며 질산화수를 집수조로 100∼200% 반송한다면 반송하지 않는 경우와 비교할 때 후탈질에 요구되는 탄소원을 50∼75%까지 절감할 수 있다.

후탈질과정이 종료된 폐수는 재폭기조(60)로 유입되며 잔류 유기물을 제거한다.

재폭기조 슬러지는 제 1침전조(70)에 유입시켜 중력침전에 의해 슬러지내 고형물을 제거하며 일부 슬러지는 후탈질조(50)로 반송한다(바람직하기로는 유입량의 50∼100%). 제 1침전조(70)를 거친 폐수는 화학처리조(80)에서 생물학적 처리가 불가능한 물질(NBD) 등이 철염에 의해 제거되어진다.

화학처리조(80)를 거친 폐수는 이후 제 2침전조(90)로 이송하여 잔류 고형물을 제거하고 방류하며 고형물은 탈수기로 이송하여 탈수처리된다.

이하 본 발명의 내용을 실시예를 통해 상세히 설명하기로 한다. 다만 하기 실시예는 본 발명의 내용을 설명하기 위한 것으로서 본 발명의 권리범위가 이에 한정되지는 아니한다.

<실시예 1>

본 실시예에 적용한 폐수는 특정 회사에서 발생하는 폐수로 크게 세가지로 분류되며 그 성상은 하기 표 1과 같다.

<표 1> 실험대상 폐수의 성상

항목	단위	A	B	C
pH	-	7.3∼10.5	3.8∼11.3	2.5∼12.0
Temp.	℃	19.0∼29.3	23.9∼30.9	21.4∼28.4
TCODcr	mg/L	164∼12,240	1,496∼5,280	9,950∼42,900
SCODcr	mg/L	90∼2,596	1,144∼3,212	8,000∼36,900
NH₃	mg/L	18∼111	68.8∼1,200	290∼8,312
NO₂	mg/L	0.2∼75.0	0.1∼50.0	25.0∼812.5
NO₃	mg/L	0.5∼27.0	0.5∼75.0	175.0∼900.0
PO₄	mg/L	0.3∼37.5	23.8∼412.5	112.5∼3,437
SO₄	mg/L	25.0∼575.0	25.0∼1,324	312.5∼10,937.5

반응조로 유입되는 폐수량은 12∼24L/d로 운전하였다.

폐수를 먼저 집수조(10)로 유입하였다(유입량Q). 이와 함께 폭기조(40)의 질산화 처리수를 집수조로 1Q∼2Q(유입유량의 1∼2배) 반송하였다. 상기와 같이 함으로써 원수에 대한 희석 효과가 발생하며 이때 원수에 함유된 CODcr이 탈질의 탄소원으로 사용되어 CODcr의 상당부분을 처리할 수 있으며 질산화 처리수에 함유된 질소산화물을 완전히 제거할 수 있었다.

혐기성 소화조(20)로 유입된 폐수의 CODcr 용적 부하는 3∼12kgCODcr/m³.d였다. 가압부상조(DAF)(30)로 유입된 처리수는 철염(FeCl₃, 33%)을 최대 500mg/L까지(주입량은 황이온 농도와 인 농도에 따라 변화시켜야함)과 폴리머(최대 20mg/L, 응집 정도에따라 변화시켜야함)를 적절히 주입하고 슬러지는 폐기시켰다.

DAF(30)에서 부유물질, 황 및 인이 제거된 폐수는 폭기조(40)로 유입되며 폭기조(40)는 3단으로 분리시켰다.1단에서는 잔류 유기물을 제거하며 2,3단에서 충분히 질산화가 이루어질수 있도록 운전하였다. 이때 체류시간은 0.7∼1.0일이었다. 폭기조 3단에서 원수 유입 유량의 100∼200%를 집수조(10)로 반송시켰다.

폭기조(40)에서 질산화처리수를 집수조(10)로 반송하여 탈질을 유도하고 나머지 잔존하는 질소산화물을 다음 단의 후탈질조(50)로 이송하여 탈질처리하였다. 부족한 유기탄소원을 보충하기 위해 원수의 일부 또는 SHAD 처리수를 사용하였으며 원수와 SHAD처리수의 질소 성분이 높아 방류수의 T-N 농도를 맞출 수 없을 경우 메탄올을 사용하였다.

후탈질조(50)는 부유성장 공법으로 운전되므로 침전조의 설치는 필수적이다. 제 1침전조(70) 하부에서 후탈질조(50)로 슬러지를 원수 유입 유량의 100%를 반송시켰으며 나머지는 폐기시켰다. 제 1침전조(70)로부터 유출되는 폐수는 NBD 물질 및 색도를 제거하기 위해 화학처리조(80)로 이송하여 처리하고 제 2침전조(90)에서 잔여 고형물을 제거하고 방류하였다.

상기 과정으로 운전시 공정별 각 항목의 농도는 하기 표 2와 같다.

<표 2> 운전결과 (단위: mg/L)

구분	TCODcr	SCODcr	NH₃-N	NO₂-N	NO₃-N	T-P
집수조	혼합시	20000	14000	1600	0	0	500
집수조	탈질후(질산화처리수 1Q 반송)	9500	5500	650	0	0	200
혐기성 소화조	1350	800	660	0	0	120
DAF	950	750	350	0	0	5
폭기조	200	150	20	100	150	3
후탈질조	-	150	15	5	10	3
재폭기조	-	100	15	5	10	3
제 1침전조	150	100	15	5	10	3
화학처리조	-	80	15	5	10	1
제 2침전조	100	80	15	5	10	1
방류조	100	80	15	5	10	1

상기 결과에서와 같이 본 발명의 폐수처리방법에 의하면 종래 방법으로는 전량 처리가 곤란하던 고농도의 폐수도 효과적으로 처리할 수 있음을 알 수 있다.

본 발명에 의하면 유기물, 질소 및 인의 농도가 높아 기존의 생물학적 처리가 어려운 발효폐수, 주정폐수, 화학폐수 등에 적용이 가능하다. 이러한 폐수 발생 업체는 고농도 폐수를 별도로 발생되는 저농도 폐수와 혼합하여 처리할 경우 처리 설비가 과도히 증가하거나 처리가 어려워 고농도 폐수는 해양투기등의 방법으로 처리하였다. 그러나 본 발명을 적용하면 저농도(CODcr 2000∼10000mg/L)와 고농도 폐수(CODcr 15000mg/L 이상)를 처리할 경우에도 좁은 시설부지 만으로도 처리가 가능하며 해양투기를 전량 배제할 수 있다.

Claims

고농도의 폐수를 처리하는 방법에 있어서,

(a) 집수조에 유입된 폐수중의 탄소원을 이용하여 폭기조에서 직접 반송된 질산화 처리수에 함유된 질소산화물을 탈질하는 단계와,

(b) 전기 (a)단계에서 얻어진 폐수를 혐기조건하에 소화시키는 단계와,

(c) 전기 (b)단계에서 얻어진 폐수를 가압부상시켜 적어도 부유물질, 인 및 황을 제거하는 단계와,

(d) 부유물질 등이 제거된 상기 (c)단계를 거친 폐수내의 암모니아성 질소를 질산화하고 질산화 처리된 폐수의 일부를 집수조에 반송하는 단계와,

(e) 전기 (d)단계를 거친 폐수를 후탈질하는 단계와,

(f) 후탈질된 폐수를 재폭기 처리하여 폐수 중의 잔존유기물을 제거하고, 고형물을 침전시켜 제거하는 단계, 및

(g) 전기 (f)단계를 거친 폐수내의 색도 및 NBD 물질을 제거하고 잔여 고형분을 제거하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 고농도폐수의 처리방법.
제 1항에 있어서,

단계 (f)를 거친 폐수로부터 얻어진 슬러지를 단계 (e)를 처리하는 후탈질조로 반송하는 단계가 추가로 포함됨을 특징으로 하는 고농도폐수의 처리방법.
혐기성 처리과정과 호기성 처리과정을 수행하도록 구성된 고농도 폐수처리장치에 있어서,

폐수를 집수하고 전처리로서 탈질하는 집수조(10)가 구비되고, 유기물질을 제거하기 위한 혐기성 소화조(20)가 가압부상조(30) 이전에 구비됨과 함께 가압부상조를 거친 폐수를 질산화하기 위한 폭기조(40)와, 폭기처리한 폐수를 탈질하는 후탈질조(50) 및 잔존 유기물을 제거하기 위한 재폭기조(60)가 가압부상조(30) 이후에 일련하여 구성되며, 폐수중의 고형물을 제거하기 위한 제 1침전조(70)와, 생물학적처리로 불가능한 물질을 제거하기 위한 화학처리조(80) 및 제 2침전조(90)를 포함함을 특징으로 하는 고농도 폐수처리시스템