KR20040017612A - 담체를 이용한 다단유입식 영양염류제거장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무산소조(4, 8, 12)와 호기조(6, 10, 14)를 순차적으로 연결한 하나의 단(24, 26, 28)을 적어도 2개 이상 연결설치하고, 각 단(24, 26, 28)의 F/M비를 일정하게 유지하기 위하여 상기 각 단(24, 26, 28)의 호기조(6, 10, 14) 내부에 담체(22)를 충진시키고, 상기 다수개의 단(24, 26, 28) 중 최종 단(28)에 연결설치된 침전조(16)에서 최종 처리수와 활성슬러지를 분리하고, 상기 침전조(16)에서 침강된 활성슬러지를 최초 단(24)의 무산소조(4)로 반송시키는 반송슬러지관(18) 및 상기 각 단(24, 26, 28)의 무산소조(4, 8, 12)에 유입수를 균등하게 공급하는 분배조(2)를 포함하는 영양염류제거장치를 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 유입수를 균등하게 분배함으로써 탈질 및 탈인에 요구되는 탄소원을 효율적으로 이용할 수 있어 별도의 외부 탄소원을 공급하지 않고도 생물학적으로 질소와 인을 효과적으로 제거할 수 있다. 또한, 필요에 따라 인의 제거효율을 높이기 위해서는 최종 단(28)과 침전조(16) 사이에 응집제를 첨가하여 인을 화학적으로 제거할 수 있다.

Description

담체를 이용한 다단유입식 영양염류제거장치 및 방법{Multi-Stage Step-Feed Nutrients Removal Devices Using Media and Use Thereof}

본 발명은 질소 및 인과 같은 영양염류제거에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무산소조와 호기조를 순차적으로 연결한 반응조를 하나의 단으로 하여 다수개 연결설치하고, 상기 단의 무산소조에 유입수를 균등하게 분배하고, 각 단의 미생물의 양을 일정하게 유지시키기 위하여 담체를 각 호기조에 구비시킨 다단유입식 영양염류제거장치에 관한 것이다.

현재 국내에 설치 가동중인 하수처리장은 대부분 유기물질과 부유물질을 제거하는 것을 목적으로 하는 표준 활성슬러지법으로 질소와 인의 제거는 기대할 수 없다. 특히, 최근 정부는 호소나 해역 등 폐쇄성수역의 부영양화 및 적조현상 등을 감안하여 순차적으로 지역별 수계별로 영양염류인 질소와 인의 방류수 수질기준을 각각 20㎎/ℓ이하, 2㎎/ℓ이하로 규제가 강화되고 있는 점을 고려하여 볼 때, 상기 질소 및 인과 같은 영양염류의 제거에 대한 문제가 크게 부각되고 있는 실정이다.

또한, 오늘날 산업발달과 생활수준의 향상과 더불어 오염물질의 발생원이 증가하고 있을 뿐 아니라 그 성상이 매우 복잡하다.

전술한 하수내의 질소 및 인과 같은 영양염류의 생물학적 제거방법은 다음과 같다.

하수 중으로 유입되는 질소는 대부분 암모니아성 질소와 유기질소의 형태이며, 이들은 일반적으로 질산화-탈질(nitrification-denitrification)의 2단계 과정을 거쳐 생물학적으로 처리된다. 즉, 질산화 단계에서는 호기성인 질산화 미생물에 의해 암모니아성질소 및 유기질소가 질산성 질소로 전환되며, 무산소 조건에서 이루어지는 탈질 단계에서는 부족한 산소대신 질산성 질소를 전자수용체로 사용하는 탈질산화 미생물이 유기물을 산화시키고 질산성 질소는 질소로 환원되어 대기중으로 방출된다.

한편, 하수 내에 포함된 인은 혐기성 상태에서 유기물을 이용하는 미생물에 의하여 인이 방출된 후, 유산소 상태에서 미생물이 인을 과잉섭취하고, 상기 세포내 인 함량이 증가된 미생물을 슬러지로 폐기시킴으로써 제거된다.

일반적으로 영양염류를 제거하기 위한 생물학적 영양염류제거장치로서 사용되는 방법은 혐기조, 무산소조, 호기조를 순차적으로 배치하고, 상기 혐기조, 무산소조, 호기조에 하수를 연속적으로 흐르게 하는 플러그 흐름(plug flow)을 유지시켜, 질소 및 인을 제거하는 방법이 사용되고 있으나, 상기 탈질 및 인제거에 관여하는 미생물은 유기탄소원을 에너지원으로 이용하는 종속영양미생물이기 때문에 질소와 인을 동시에 제거하는데는 어려움이 있다.

특히, 국내의 하수는 유입 유기물의 농도가 낮아 외부탄소원을 별도로 공급하지 않으면 원하는 처리효율을 달성하기 어려운 실정이며, 이러한 문제점을 극복하기 위하여 외부탄소원을 별도로 공급하는 경우에는 운전비용이 많이 들고 증식속도가 느린 질산화 미생물과 같은 종속영양미생물의 원활한 증식을 위하여 넓은 대지를 요구하는 대형 하수처리시설을 필요로 하는 등의 문제점이 있다.

여기서, F/M비란 미생물에 대한 먹이의 비율을 의미하며, 상기 F는 미생물의 먹이로서 유입유량과 오염물질 농도의 곱으로 계산되며, M은 미생물량으로서 반응조 용적과 미생물 농도의 곱으로 계산된다.

상기 문제점을 극복하기 위하여 대한민국특허등록 제0235250호는 복수개의 칸막이에 의하여 다단으로 무산소조를 구비하고, 상기 다단으로 구비된 무산소조에 폐수를 유입시키며 상기 다단으로 구성된 무산소조의 최종 배출수를 호기조에 연결시켜 질소 및 인을 제거하는 기술이 개시되어 있고, 대한민국특허공보 특2001-0707086호는 혐기조와 탈질소화조를 처리수 흐름방향과 평행하도록 다수개 설치한 후 처리수를 상기 혐기조와 탈질소화조에 각각 유입시켜 폐수를 처리하는 방법이 기술되어 있다.

한편, 질소성분의 제거를 주목적으로 하는 방법으로서 일본하수도사업단에서 발표한 문헌 [Sakai,Y. and Koike,Ｓ. "Development of Step-Feed Multi Stage Denitrification - Nitrification Process" Proceedings Water Environment Federation 71st Annual Conference and Exposition (1998).] 을 도 1에 도시하였다.

도 1에 도시되어 있는 바와 같이, "스텝유입식 다단 질화탈질화공정"은 각각의 무산소조(110, 130, 150)와 호기조(120, 140, 160)를 한 쌍으로 한 반응조를 하나의 단(170, 180, 190)으로 하여 3단 이상을 순차적으로 연결설치한 뒤 상기 각 단(170, 180, 190)의 무산소조(110, 130, 150)에 유입수를 균등하게 분배하여 운전하는 영양염류제거장치가 기술되어 있는데, 전술한 장치를 이용하여 유입수를 처리할 경우에는 상기 영양염류제거장치의 운전을 용이하게 수행할 수 있도록 각 단(170, 180, 190)의 용적비를 점차 증가시킴으로써 F/M비를 동일하게 유지하여 운전한다.

상기 "스텝유입식 다단 질화탈질화공정"의 각 단(170, 180, 190)의 용적이 동일할 경우 각 단(170, 180, 190)의 무산소조(110, 130, 150)로 균등 유입된 하수와 침전조(16)로부터 첫 단인 제 1 단(170)의 제 1 무산소조(110)로 유입되는 반송슬러지가 혼합되어 상기 각 단(170, 180, 190)에서의 미생물의 양이 제 1 단(170), 제 2 단(180) 및 제 3 단(190) 순으로 감소하게 되는데, 상기 미생물양의 순차적인 감소로 인하여 F/M비의 M 값이 감소하게 되고, 이에 따라 F/M비가 각 단(170, 180, 190)에서 순차적으로 증가하게 되어 각 단(170, 180, 190)에서 미생물의 활성이 불균형하게 된다. 그러므로, 상기 영양염류제거방법에서는 F/M비를 동일하게 유지하기 위하여 각 단의 용적을 순차적으로 증가시켜 각 단(170, 180, 190)에 존재하는 미생물의 양을 동일하게 유지하여 F/M비를 균일하게 한다.

예를 들면, 3개의 단으로 구성된 염양염류제거장치의 경우, 제 1단(170), 제 2 단(180) 및 제 3 단(190)의 크기를 1:1.4:1.8비로 구성하여 미생물의 농도와 용적의 곱으로 계산되는 상기 각 단(170, 180, 190)의 미생물 양을 동일하게 유지시킴으로써 각 단(170, 180, 190)의 F/M비를 일정하게 한다.

그러나, 전술한 방법은 각 단(170, 180, 190)의 크기를 순차적으로 증가시켜야 하기 때문에 부지의 크기 및 형태에 의하여 장치의 설계에 영향을 받게 되고,기존 하수 처리장치를 개량할 경우 부지 및 지형적 특성에 따라 많은 제약이 수반되는 문제점 등이 있다.

한편, 국내에 건설된 하수 처리시설 등은 대부분 최초 침전지, 호기조, 최종침전조를 갖는 도 3과 같은 표준 활성슬러지법으로 생활수준의 향상으로 인해 점차 증가하고 있는 하수내 질소 및 인 등의 영양염류를 제거할 수 있는 고도처리시설의 도입이 시급한 실정이다.

그러나, 좁은 국토면적 및 생활환경을 중요시하는 시민의식에 비추어 볼 때, 특히, 대규모 처리시설의 신설 및 증설은 어려운 실정이다.

이에, 본 발명자들은 상술한 종래 기술의 문제점을 고려하여 무산소조와 호기조를 순차적으로 연결한 반응조를 하나의 단으로하여 다수개를 반복설치하고, 상기 각 단의 무산소조에 유입수를 균등하게 공급하여 질소를 효율적으로 제거할 수 있게 하였으며, 상기 각 단의 호기조 내부에 담체를 구비시킨 다단유입식 영양염류 제거장치을 개발하여, 상기 장치를 기존 하수 처리시설을 개조하여 반응조의 증설없이 영양염류를 제거할 수 있도록 함으로써 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 또한, 상기 장치로도 인제거 효율을 어느정도 기대할 수는 있지만, 최종 단과 침전조 사이에 응집제 등의 약품을 첨가하여 보다 높은 인제거효율을 기대할 수도 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 무산소조와 호기조를 순차적으로 연결한 반응조를 하나의 단으로 하여 다수개를 반복설치하고, 상기 각단의 호기조 내부에 담체의 충진량을 달리하여 구비시킨 뒤 상기 각 단의 무산소조에 하수를 균등하게 유입시켜 질소 제거 효율을 향상시키는 것에 그 기술적 과제가 있다.

또한, 본 발명은 유기물질 및 부유물질의 제거 목적으로 설치된 기존의 하수 처리시설을 개량하여 질소 및 인의 처리 효율을 향상시킬 수 있는 고도처리시설로 개량하는 것에 그 기술적 과제가 있다.

도 1은 종래의 스텝유입식 다단 질화탈질화공정의 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 담체를 이용한 다단유입식 영양염류제거장치의 구성도,

도 3은 종래의 표준 활성슬러지공정의 구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

2 : 분배조 3 : 유입수관

4, 110 : 제 1 무산소조6, 120 : 제 1 호기조

8, 130 : 제 2 무산소조10, 140 : 제 2 호기조

12, 150 : 제 3 무산소조14, 160 : 제 3 호기조

18 : 반송슬러지관16 : 침전조

22 : 담체20 : 공기공급부재

24, 170 : 제 1 단26, 180 : 제 2 단

28, 190 : 제 3 단32 : 1차 침전지

34 : 호기조 40 : 교반기

한가지 관점에서, 본 발명은 하나의 무산소조와 하나의 호기조를 순차적으로 연결설치한 반응조를 하나의 단으로 하여 적어도 2개 이상의 단을 연결설치하고, 상기 각 단의 호기조 내부에 미생물 양을 증가시키기 위한 담체를 구비하고, 상기 다수개의 단 중 최후에 설치되는 단의 호기조에 침전조를 연결설치하고, 상기 침전조에서 분리된 활성슬러지를 첫 단의 무산소조로 반송시키는 반송슬러지관 및 상기 각 단의 무산소조에 유입수를 균등하게 공급하는 분배조를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 다른 관점에서, 본 발명은 침전조로부터 반송되는 활성슬러지와 분배조로부터 각 단의 무산소조로 균등하게 분배되는 유입하수를 최초에 위치하는 단의 무산소조로 유입시킨 후 탈질화 미생물을 이용하여 질산성 질소를 질소가스로 전환시켜 탈질시키고, 상기 탈질된 처리수는 상기 최초의 단의 무산소조의 후방에 연결설치된 최초 단의 호기성조로 유입시켜 유입수내에 포함된 암모니아성 질소를 질산성질소로 전환시키고, 상기 질산성 질소로 전환된 처리수와 분배조로부터 균등하게 유입되는 유입하수를 상기 최초 단의 호기성조의 후방에 연결설치된 단의 무산소조로 유입시켜 탈질시키는 과정을 상기 각 단의 후방에 연결설치된 단을 통과하며 반복한 후 최종 단으로부터 배출되는 처리수를 상기 최종 단의 호기성조의 후방에 연결설치된 침전조로 이송시켜 상등수와 활성슬러지를 분리하고, 상기 분리된 상등수는 상기 침전조의 일측에 구비된 소정경로를 통하여 외부로 배출하고, 상기 활성슬러지의 일부는 반송슬러지관을 통과하여 상기 최초 단의 무산소조로 이송하고 잉여 슬러지는 외부로 배출하는 것을 포함하는 영양염류제거장치를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 담체를 이용한 다단유입식 영양염류제거장치는 필요에 따라서, 상기 최종 단과 상기 침전조 사이에 약품을 투입하여 인을 화학적으로 처리하는 것을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 담체를 이용한 다단유입식 영양염류제거장치는 무산소조와 호기조로 이루어진 반응조를 하나의 단으로 하여 상기 단을 2개 이상 연결설치한 뒤 그 후방에 활성슬러지와 최종 처리수를 분리하는 침전조를 순차적으로 설치하여 구성하고, 상기 각 단의 일측에 구비되는 무산소조에 유입수를 균등하게 공급하기 위한 분배조 및 상기 침전조로부터 배출되는 일부 활성슬러지를 최초 단의 무산소조로 유도하기 위한 반송슬러지관으로 구성된다.

여기서, 상기 각 단의 무산소조는 무산소 분위기로 유지되고, 그 상부는 대기로 개방되어 있으며, 필요에 따라서 교반기가 그 내부 일측에 설치되어 상기 각 단의 무산소조 내부의 하수를 혼합시킨다.

한편, 상기 각 단의 호기조는 그 내부에 담체가 구비되어 미생물의 서식처를 제공하게 된다.

또한, 상기 각 단의 호기조는 그 내부 일측으로 공기공급부재가 구비되어, 상기 각 단의 호기조를 호기성 분위기로 유지시켜 준다. 이때, 상기 공기공급부재는 통상 하수 고도처리장치에 사용되어 호기조에 산소를 공급하여 주는 장치로 산기관을 의미하며, 바람직하게는 산기관을 바닥면에 평행하게 설치하여 사용하는 것이 좋다.

이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 담체를 이용한 다단유입식 영양염류제거장치 중 하나의 형태로서 세 개의 단으로 구성된 영양염류제거장치를 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 담체를 이용한 다단유입식 영양염류제거장치의 구성도로서 함께 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 담체를 이용한 다단유입식 영양염류제거장치는 기본적으로 무산소조(4, 8, 12)와 호기조(6, 10, 14)로 이루어진 반응조를 하나의 단으로 하여 세 개의 단(24, 26, 28)을 순차적으로 연결설치하여 구성되며, 상기 세 개의 단(24, 26, 28)은 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 이로 인하여 상기 단(24, 26, 28)의 개수가 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 담체를 이용한 다단유입식 영양염류제거장치는 분배조(2)에서 각 단(24, 26, 28)의 무산소조(4, 8, 12)로 균등하게 분배되는 유입수와 침전조(16)에서 분리된 활성슬러지가 유입되어 미생물이 유입수내 유기물을 이용하여 질산성 질소를 질소가스로 탈질하는 제 1 무산소조(4) 및 상기 제 1 무산소조(4)의 후방에 연결설치되어 상기 제 1 무산소조(4)에서 처리된 하수에 존재하는 암모니아성 질소를 질산화 미생물을 이용하여 질산성 질소로 전환시키는 제 1 호기조(6)를 포함하는 제 1 단(24), 상기 제 1 호기조(6)의 후방에 연결설치되어 상기 제 1 호기조(6)로부터 배출되는 하수와 유입수가 혼합된 뒤 상기 혼합 하수에 존재하는 질산성 질소를 탈질미생물이 유입수내 유기물을 이용하여 질소가스로 전환시켜 탈질하는 제 2 무산소조(8) 및 상기 제 2 무산소조(8)의 후방에 연결설치되어 상기 제 2 무산소조(8)에서 처리된 하수가 유입되어 암모니아성 질소를 질산화미생물을 이용하여 질산성 질소로 전환시키는 제 2 호기조(10)를 포함하는 제 2 단(26), 상기 제 2 호기조(10)에서 처리된 하수가 유입되어 유입하수와 혼합된 뒤 상기 혼합 하수에 존재하는 질산성 질소를 탈질미생물이 유입수내 유기물을 이용하여 질소가스로 전환시켜 탈질하는 제 3 무산소조(12) 및 상기 제 3 무산소조(12)의 후방에 연결설치되어 상기 제 3 무산소조(12)로부터 유입되는 하수 중 암모니아성 질소를 질산화미생물을 이용하여 질산성 질소로 전환시키는 제 3 호기조(14)를 포함하는 제 3 단(28)과 상기 제 3 호기조(14)의 후방에 연결설치되어 상기 제 3 호기조(14)로부터 배출되는 하수가 유입되어 활성슬러지 및 최종 처리수로 분리되는 침전조(16)를 순차적으로 설치하여 구성하고, 상기 각 단(24, 26, 28)에 구비되는 제 1 무산소조(4), 제 2 무산소조(8) 및 제 3 무산소조(12)에 유입하수를 균등하게공급하기 위한 분배조(2) 및 상기 침전조(16)로부터 배출되는 일부 활성슬러지를 제 1 단(24)의 제 1 무산소조(4)로 유도하기 위한 반송슬러지관(18)으로 구성된다.

여기서, 상기 제 1 호기조(6), 제 2 호기조(10) 및 제 3 호기조(14)의 내부에는 담체(22)를 구비시켜 종속영양미생물로서 증식속도가 느린 질산화미생물의 서식처를 제공하고, 각 단(24, 26, 28)의 미생물량을 조절하여 작은 용적으로도 양호한 처리효율을 얻을 수 있도록 하며, 각 단(24, 26, 28)의 F/M비을 동일하게 함으로써, 각 호기조(6, 8, 14)의 반응속도 및 반응조건을 동일하게 하여, 상기 하나의 무산소조(4, 8, 12) 및 하나의 호기조(6, 8, 14)를 포함하는 각 단(24, 26, 28) 중 어느 하나의 단(24, 26, 28)의 조건만 알아도 전체 영양염류제거장치의 상태를 파악할 수 있도록 하여 유지관리를 용이하게 한다.

한편, 상기 담체(22)는 크게 유동상 담체와 고정상 담체로 구분할 수 있는데, 본 발명에서는 상기 유동상 담체 및 고정상 담체의 구분없이 사용 가능하며, 상기 담체(22)로 사용 가능한 물질로는 미생물에게 독성이 없으면서 미생물이 다량 서식할 수 있도록 넓은 비표면적을 제공하고, 하수에 대하여 쉽게 분해되지 않으며, 미생물이 용이하게 부착될 수 있는 특징을 갖으며, 넓은 비표면적을 제공하는 형태의 담체(22)라면 어느 것을 사용하여도 무방하다.

특히, 본 발명에 따른 담체를 이용한 다단유입식 영양염류제거장치는 각 호기성조(6, 8, 14)에 충진된 담체(22)로 인하여 전체 영양염류제거장치 내부의 F/M비 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 하수의 부하변동에 따른 영향 및 슬러지 팽화(bulking)에 따른 문제가 작고, 저온에서도 처리효율이 높으며, 슬러지 발생량이 적은 특징이 있다.

또한, 상기 제 1 무산소조(4), 제 2 무산소조(8) 및 제 3 무산소조(12)에는 필요에 따라서, 그 내부 일측으로 교반기(40)를 구비하여 상기 제 1 무산소조(4), 제 2 무산소조(8) 및 제 3 무산소조(12) 내부의 하수를 교반하여 줄 수 있다.

한편, 도 1에서 도시된 바와 같이, 일본하수도사업단의 스텝유입식 다단 질화탈질공정은 각 단(170, 180, 190)의 용적을 점차적으로 증가시킴으로써 각 단(170, 180, 190)의 F/M비를 조절하는 반면, 본 발명에 따른 담체(22)를 이용한 다단유입식 영양염류제거장치의 제 1 단(24), 제 2 단(26) 및 제 3 단(28)의 용적비에 상관없이, 단지 상기 각 단(24, 26, 28)의 호기조(6, 10, 14) 내부의 담체(22)량을 변화시켜 F/M비를 조절하게 된다.

예를 들면, 제 1 단(24), 제 2 단(26) 및 제 3 단(28)의 용적비가 1:1:1이고, 각 단(24, 26, 28)의 무산소조(4, 8, 12)로 유입되는 유입하수의 양이 일정할 경우, 상기 제 1 단(24)의 제 1 무산소조(4)로 유입되는 침전조(16)로부터 반송되는 활성슬러지로 인하여 제 2 단(26) 및 제 3 단(28)에 비하여 높은 미생물 농도를 유지하게 된다. 한편, 상기 제 1 단(24)에 연결설치된 제 2 단(26)의 미생물 농도는 상기 제 1 단(24)으로부터 유출되는 하수와 분배조(2)로부터 유입되는 유입하수의 혼합에 의하여 그 농도가 감소하게 되고, 제 3 단(28)의 미생물 양 또한 상기 제 3 단(28)으로 유입되는 유입하수로 인하여 미생물 농도가 감소하게 되어, 만약 상기 각 단(24, 26, 28)의 용적이 동일할 경우 미생물의 양이 각 단(24, 26, 28)에서 불균형한 상태가 된다.

이에 따라, 미생물의 농도와 전체 용적의 곱으로 표현되는 미생물 양은 제 1 단(24), 제 2 단(26) 및 제 3 단(28)의 순서로 감소하게 되고, 이러한 미생물 양의 변화에 따라 각 단(24, 26, 28)에서의 F/M비가 동일하지 않게 된다.

상기 F/M비의 불균형은 전체 영양염류제거장치의 효율적인 운전을 방해하게 되는데, 이러한 F/M비의 불균형을 동일하게 하여 영양염류제거장치의 효율적인 운전을 유지할 수 있도록 제 2 단(26) 및 제 3 단(28)의 담체(22)의 양을 순차적으로 증가시켜 미생물 양을 동일한 용적비를 갖는 제 1 단(24), 제 2 단(26) 및 제 3 단(28)에서 서로 균일하게 유지시켜 준다.

이와 같이, 각 단(24, 26, 28)에서 미생물의 양이 동일하게 되면, 상기 각 단(24, 26, 28)의 무산소조(4, 8, 12)로 유입수가 균등하게 분배 공급될 경우 모든 단(24, 26, 28)의 F/M비가 동일하게 된다.

그러므로, 본 발명에 따른 담체를 이용한 다단유입식 영양염류제거장치는 각 단(24, 26, 28)의 용적이 일정하거나, 또는 일정하지 않다 하여도 각 단(24, 26, 28)의 호기조(6, 10, 14) 내부에 구비되는 담체(22)의 양을 변화시켜 미생물의 양을 조절할 수 있다. 즉, 용적의 협소로 인해 미생물의 양이 부족한 경우, 상기 각 호기조(6, 10, 14)의 내부에 담체(22)의 양을 증가시켜 각 단(24, 26, 28)의 미생물 양을 동일하게 하여 각 단(24, 26, 28)에서 F/M비가 동일할 수 있도록 한다.

한편, 본 발명에 따른 다단유입식 영양염류제거장치는 전술한 바와 같이 기본적으로 무산소조(4, 8, 12)와 호기조(6, 10, 14)를 반복 설치하여 탈질반응과 질산화반응의 단계를 연속적으로 반복하여 실시하므로 종래의 영양염류제거장치에서높은 질소 제거율을 확보하기 위하여 질산성 질소를 포함하는 하수를 무산소조로 순환시키는 별도의 수단은 필요로 하지 않지만, 본 발명에 따른 다단유입식 영양염류제거장치로 유입되는 하수의 성상에 따라 하수 반송관(미도시), 예를 들면 영양염류제거장치로 유입되는 하수의 질소 농도가 높을 경우, 상기 질소의 제거효율을 향상시키기 위해서 본 발명에 따른 영양염류제거장치의 제 2 단(26)에 구비된 제 2 호기조(10)에서 처리되는 하수를 상기 제 2 호기조(10)의 전방에 연결설치된 제 2 무산소조(8)로 반송시킬 수 있는 하수 반송관을 구비하여 제 2 호기조(10)에서 처리되는 일부 하수를 제 2 무산소조(8)로 반송시켜 제 2 호기조(10)에서 충분히 질산화된 질산성 질소를 전단의 제 2 무산소조(8)로 반송시켜 질산성 질소를 질소로 탈질시켜 방출함으로써 질소의 제거 효율을 향상시킬 수 있도록 한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 담체를 이용한 다단유입식 영양염류제거장치의 작동기작을 설명하면 다음과 같다.

먼저 오염원으로부터 유입수를 차집하여 분배조(2)로 유입시키고, 상기 분배조(2)로 유입된 유입수를 상기 분배조(2)를 이용하여 제 1 무산소조(4), 제 2 무산소조(8) 및 제 3 무산소조(12)로 균등하게 공급함으로써 각 단(24, 26, 28)의 F/M비를 동일하게 유지한다.

이때, 상기 각 단(24, 26, 28)의 F/M비를 동일하게 하기 위해서 각 단(24, 26, 28)의 무산소조(4, 8, 12)로 유입되는 유입수의 양을 조절하거나, 상기 각 단(24, 26, 28)의 용적을 점차 증가시켜 미생물량을 조절하여 동일하게 유지할 수있으나, 상기 유입하수의 양을 조절하여 F/M비를 조절하기 위해서는 유량계, 펌프 등의 추가 장치 및 동력을 필요로 하며, 상기 용적을 점차 증가시켜 F/M비를 조절하기 위해서는 부지면적의 확충등 유지관리 및 초기투자비의 증가와 같은 문제점이 있다.

그 다음, 상기 제 1 무산소조(4)로 유입된 유입수는 침전조(16)에서 분리된 활성슬러지와 혼합되고, 상기 혼합된 하수 중에 존재하는 질산성 질소는 상기 제 1 무산소조(4) 내부에서 서식하는 탈질화 미생물의 생물학적 반응에 의하여 질소가스로 전환되어 대기로 방출된다.

한편, 상기 제 1 단(24)은 제 1 무산소조(4)로 반송된 활성슬러지로 인하여 미생물의 농도가 제 2 단(26) 및 제 3 단(28)의 농도에 비하여 높게 유지되며, 상기 제 1 단(24)의 높은 미생물 농도에 의하여 발생하는 각 단(24, 26, 28)의 F/M비 불균형을 해소하기 위하여 상기 각 단(24, 26, 28)의 호기조(6, 10, 14)에 충진되는 담체(22)의 양을 조절하여 각 단(24, 26, 28)의 미생물 양을 동일하게 해준다. 이와 같이 균등 유입분배와 미생물 담체(22)를 이용함으로써, 종래의 하수 고도처리장치 보다 높은 미생물 농도를 유지하게 되어 짧은 체류시간(HRT)으로도 높은 유기물질 및 영양염류 제거효율을 증가시킨다.

그 다음, 상기 제 1 무산소조(4)에서 처리된 하수는 상기 제 1 무산소조(4)의 후방에 연결설치된 제 1 호기조(6)로 유입되어 상기 하수 중에 존재하는 암모니아성 질소를 상기 제 1 호기조(6)의 내부에 서식하는 질산화 미생물에 의하여 질산성 질소로 전환된다.

그 다음, 상기 제 1 호기조(6)에서 처리된 하수는 상기 제 1 호기조(6)의 후방에 연결설치된 제 2 무산소조(8)로 유입되어 분배조(2)로부터 각 단(24, 26, 28)에 균등하게 유입되는 유입수와 혼합되어, 상기 혼합된 하수 중에 포함되어 있는 질산성 질소는 상기 제 2 무산소조(8) 내부에서 서식하는 탈질미생물의 생물학적 반응을 거쳐 질소가스로 전환되어 대기로 방출된다.

그 다음, 상기 제 2 무산소조(8)의 하수는 상기 제 2 무산소조(8)의 후방에 연결설치된 제 2 호기조(10)로 유입되어 상기 제 2 호기조(10)에 서식하는 질산화 미생물에 의하여 암모니아성 질소를 질산성 질소로 전환된다.

그 다음, 상기 제 2 호기조(10)에서 처리된 하수는 상기 제 2 호기조(10)의 후방에 연결설치된 제 3 무산소조(12)로 유입되어 분배조(20)로부터 각 단(24, 26, 28)에 균등하게 유입되는 유입수와 혼합되어, 상기 혼합된 하수 중에 포함되어 있는 질산성 질소는 상기 제 3 무산소조(12) 내부에서 서식하는 탈질미생물의 생물학적 반응을 거쳐 질소가스로 전환되어 탈질된다.

그 다음, 상기 제 3 무산소조(12)의 하수는 상기 제 3 무산소조(12)의 후방에 연결설치된 제 3 호기조(14)로 유입되어 상기 제 3 호기조(10)에 서식하는 질산화 미생물에 의하여 암모니아성 질소가 질산성 질소로 전환된다.

그 다음, 상기 제 3 호기조(14)에서 처리된 하수는 상기 제 3 호기조(14)의 후방에 연결설치된 침전조(16)로 유입되어 미생물을 포함하는 고형물은 활성슬러지 와 상등수로 분리된다.

한편, 상기 분리된 상등수는 최종 처리수로 침전조(16)의 일측에 구비된 소정의 경로를 통하여 외부로 배출되고, 상기 침전조(16)에서 분리된 활성슬러지의 일부는 제 1 무산소조(4)에 연결설치된 반송슬러지관(18)을 통하여 상기 제 1 무산소조(4)로 반송되며, 잉여 슬러지는 소정 경로를 통하여 외부로 배출된다.

한편, 인 성분은 일반적으로 혐기성 조건에서 유기물을 에너지원으로 하여 인제거 미생물에 의해 인의 방출이 일어나고, 호기성 조건에서 인제거 미생물의 세포내에 인이 섭취되는데, 상기 과정을 통하여 인제거 미생물의 세포내에 축적된 인은 상기 잉여 슬러지에 포함되어 외부로 배출된다.

특히, 본 발명에 따른 담체를 이용한 다단유입식 영양염류제거장치의 경우, 별도의 장치 없이 기본적으로 인 성분을 처리할 수 있으나, 상기 인 성분의 처리효율을 증가시키기 위하여 제 3 호기조(14)와 침전조(16) 사이에 약품 예를 들면, 황산알루미늄(Aluminium Sulfate), 염화제2철(Ferric Chloride) 및 폴리염화알루미늄(Poly Aluminium Chloride) 등의 약품을 첨가하여 인 성분을 화학적으로 제거할 수 있다.

본 발명에 따른 또 하나의 특징은, 일반적인 호기조에서 성장하는 질산화 미생물의 경우 수율값이 작아 그 성장속도가 매우 느리고, 이로 인하여 통상 큰 용적으로 호기조로 구성하고 있으나, 본 발명에서는 제 1 호기조(6), 제 2 호기조(10) 및 제 3 호기조(14)의 각각에 구비된 담체(22)로 인하여 그 용적이 최소화된다.

특히, 상기 하나의 무산소조(4, 8, 12)와 하나의 호기조(6, 10, 14)를 반응조로 하여 구성되는 각 단(24, 26, 28)의 크기에 상관없이, 유입수를 상기 각 단(24, 26, 28)의 무산소조(4, 8, 12)로 균등하게 유입시키며, 호기조(6, 10, 14)내부에 구비된 담체(22)의 양을 조절함으로써 각 단(24, 26, 28)의 미생물 양을 동일하게 유지시켜 F/M비를 균일하게 할 수 있다.

또한, 통상적인 하수 고도처리장치의 경우 플러그 흐름(plug flow)으로 흐르기 때문에 시간이 지남에 따라 미생물의 성장에 필요한 탄소원 즉, 하수 중에 존재하는 유기물의 양이 감소하여 상기 미생물의 활성이 함께 감소하게 되는 현상이 발생하는데, 일부 하수 고도처리장치의 경우에는 유입되는 유입하수 중에 존재하는 유기물 즉, 미생물에게 공급되는 탄소원이 부족할 경우 인위적으로 탄소원을 공급하기 위하여 약품, 예컨대, 메탄올 및 에탄올 등을 하수에 투입하게된다. 그러나, 본 발명에 따른 담체를 이용한 다단유입식 영양염류제거장치는 다단유입식 하수공급 원리를 이용하여 상기 제 1 무산소조(4), 제 2 무산소조(8) 및 제 3 무산소조(12)에 유입하수를 각각 공급함으로써 미생물의 성장에 필요한 탄소원을 지속적으로 공급하여 탄소원의 부족으로 인한 생물학적 반응이 감소되는 것을 방지함으로써 외부탄소원이 별도로 필요하지 않고, 특히, 질소 및 인의 농도에 비해 유기물 농도가 낮은 우리나라 하수특성에 적합한 장치라 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 담체를 이용한 다단유입식 영양염류제거장치는 상기 제 1 무산소조(4), 제 2 무산소조(8) 및 제 3 무산소조(12)에 유입수를 분배하여 공급하고, 제 1 호기조(6), 제 2 호기조(10) 및 제 3 호기조(14)에 담체(22)를 구비시켜 일반적으로 느린 증식속도를 갖는 호기조의 질산화 미생물을 상기 제 1 호기조(6), 제 2 호기조(10) 및 제 3 호기조(14)에 지속적으로 서식하도록 하여 유입하수의 수리학적 체류시간(HRT)을 감소시켜 생물학적 반응에 필요한 전체 단(24,26, 28)의 용적을 감소시킬 수 있도록 한다.

일반적인 플러그 흐름으로 진행되는 하수 고도처리장치의 경우 반응조에 포함되어 있는 혼합액 부유 고형물(Mixed Liquor Suspended Solid, MLSS)의 농도가 일정하게 유지되므로, 각 단(24, 26, 28)에서 미생물의 농도가 일정하게 된다. 그러나, 본 발명에 따른 다단유입식 하수공급방식은 제 1 무산소조(4), 제 2 무산소조(8) 및 제 3 무산소조(12)를 구비하고, 상기 각 단계에 유입하수를 균등하게 공급함으로써, 침전조(16)로부터 반송되는 활성슬러지에 의하여 상승하는 상기 제 1 단(24)의 미생물의 농도가 가장 높고, 점차 후방에 연결되는 제 2 단(26) 및 제 3단 (28)으로 갈수록 농도가 낮아진다.

따라서, 본 발명에 따른 담체를 이용한 다단유입식 영양염류제거장치에 있어서, 전체적인 혼합액 미생물의 농도 즉, 평균 혼합액 부유 고형물의 농도는 종래의 플러그 흐름으로 진행되는 하수 고도처리공정에 비하여 높게 유지될 수 있으며, 하수의 처리가 진행됨에 따라 상기 혼합액 부유 고형물의 농도가 감소하게 되고, 이러한 이유로 인하여 침전조(16)로 유입되는 미생물의 농도가 종래의 하수 고도처리공정에 비하여 낮아지므로 침전조(16)의 부하가 감소하게 된다. 이에, 장마기간과 같이 하수의 유량부하가 폭넓게 변동하는 조건에서도 침전조(16)에서 미생물이 유실되는 가능성이 낮아진다.

종래 국내에 널리 보급된 표준 활성슬러지법을 이용한 하수 고도처리시설을 하수를 균등하게 분배하여 다단으로 공급하는 본 발명에 따른 담체를 이용한 다단유입식 영양염류제거장치로 개량할 수 있는데, 상기 개량방법을 설명하면 다음과 같다.

도 3은 종래의 표준 활성슬러지법을 이용한 하수 고도처리장치의 구성도로서 함께 설명한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 종래의 표준 활성슬러지법을 이용한 하수 고도처리장치는 외부로부터 유입수관(3)을 통하여 하수가 유입되어 입자가 거대한 침전물을 침전시키는 1차 침전조(32), 상기 1차 침전조(32)를 통과한 하수가 유입되어 처리되는 호기조(34), 상기 호기조(34)을 통과하며 처리된 하수가 유입되어 활성슬러지 및 처리수를 분리하고 처리수는 최종 처리수로 외부로 배출하고, 일부 활성슬러지를 상기 호기조(34)로 재공급하기 위한 반송슬러지관(38) 등으로 구성되어 있다.

전술한 구성을 갖는 종래의 표준 활성슬러지법을 이용한 하수 고도처리장치를 본 발명에 따른 다단유입식 영양염류제거장치로 개량하기 위해서는 상기 1차 침전조(32)를 반으로 분리하여 유입수가 혼입되는 부분을 본 발명에 따른 제 1 무산소조(4)로 구성하고 그 대향되는 타측을 제 1 호기조(6)로 구성한 뒤 상기 제 1 무산소조(4)에서 처리된 하수가 상기 제 1 호기조(6)로 유입되도록 연결설치한다. 이때, 상기 1차 침전조(32)를 경우에 따라서 2단으로 구성할 수 있다.

그 다음, 상기 호기조(34)를 네 구역으로 분리하고 그 중 하나를 제 2 무산소조(8)로 구성한 뒤 제 1 호기조(6)에서 처리된 하수가 유입되도록 하고, 상기 제 2 무산소조(8)에 이웃하도록 제 2 호기조(10)를 구성하여 상기 제 2 무산소조(8)에서 처리된 하수가 유입되도록 하고, 상기 제 2 호기조(10)에 이웃하도록 제 3 무산소조(12)를 구성하여 상기 제 2 호기조(10)에서 처리된 하수가 유입되도록 하며, 상기 제 3 무산소조(12)에 이웃하도록 제 3 호기조(14)를 구비하여 상기 제 3 무산소조(12)에서 처리된 하수가 유입되어 처리되도록 한다.

한편, 종래의 표준 활성슬러지법을 이용한 하수 고도처리장치의 상기 침전조(16)와 제 3 호기조(14)의 일측을 연결설치하여 상기 제 3 호기조(14)에서 처리된 하수가 유입되어 최종 처리수와 활성슬러지로 분리되도록 본 발명에 따른 침전조(16)를 구성한다.

또한, 상기 표준 활성슬러지법을 이용한 하수 고도처리장치의 유입수관(3)을 다수개의 관을 구비하도록 개량하여 상기 유입수관(3)으로 유입되는 하수를 분리하여 상기 각각의 제 1 무산소조(4), 제 2 무산소조(8) 및 제 3 무산소조(12)로 유입하수가 유입되도록 한다.

또한, 상기 제 1 호기조(6), 제 2 호기조(10) 및 제 3 호기조(14)의 내부에 미생물의 서식처를 제공하는 담체(22)를 구비시켜 상기 제 1 호기조(6), 제 2 호기조(10) 및 제 3 호기조(14)의 협소함으로 인해 유발되는 처리효율의 감소를 극복할 수 있으며, 상기 제 1 호기조(6), 제 2 호기조(10) 및 제 3 호기조(14)에 충진되는 담체(22)의 양을 조절하여 영양염류제거장치 전체의 F/M비를 균일하게 유지할 수 있다.

여기서, 종래의 하수 고도처리장치를 본 발명에 따른 다단유입식 영양염류제거장치로 개량할 경우, 무산소조와 호기조를 하나의 반응조로 한 단의 갯수는 종래의 하수 고도처리장치의 크기 및 처리하고자 하는 하수의 성상에 따라 달리하지만, 적어도 2개 이상의 단으로 구성하고, 바람직하게는 3개의 단으로 구성하는 것이 좋다.

이하에서 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하기로 한다. 그러나 하기의 실시예는 오로지 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 이들 실시예에 의해 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

<실시예>

도 2에 도시된 바와 같이, 가로, 세로, 높이가 7.0m×18.7m×3.0m인 제 1 무산소조 및 7.0m×20.3m×3.0m인 제 1 호기조를 제 1 단으로 하고, 7.0m×20.3m×5.0m인 제 2 무산소조 및 제 2 호기조를 제 2 단으로 하고, 7.0m×20.3m×5.0m인 제 3 무산소조 및 제 3 호기조를 제 3 단으로 하여 순차적으로 연결설치한 후 상기 제 1 호기조, 제 2 호기조 및 제 3 호기조의 하단면 일측으로 산기관을 설치하여 공기를 공급하였다.

그 다음, 상기 제 1 호기조, 제 2 호기조 및 제 3 호기조의 내부에 담체로서 바이오링 메디아[거보산업, 대한민국](실용신안등록출원제2002-13454호)을 설치하였다.

그 다음, 유입하수를 9,400m³/일로하여 상기 제 1 무산소조, 제 2 무산소조 및 제 3 무산소조 각각에 균등하게 분배하고, 상기 각각의 반응조에서 처리된 하수의 성상을 조사하였다.

그 결과를 표 1에 나타냈다.

구분	BOD(mg/L)	COD(mg/L)	SS(mg/L)	총질소(mg/L)	총인(mg/L)
유입수	165.0	97.4	181.3	39.360	5.126
처리수	5.1	9.9	2.8	11.725	1.530
처리효율(%)	96.9	89.8	98.5	70.2	70.2

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 일실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명에 따른 담체를 이용한 영양염류제거장치는 무산소조와 호기조를 하나의 단으로 하여 다수개를 반복설치하고, 상기 각각의 무산소조에 균등하게 유입하수를 공급하여 처리함으로써, 외부 탄소원을 별도로 공급하지 않고도 하수내에존재하는 질소 및 인을 효과적으로 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 기존 대규모 하수 고도처리장치를 개량하여 담체를 이용한 영양염류제거장치를 설치할 경우 추가되는 장치가 없기 때문에 초기 투자비가 부수적으로 발생하지 않는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 담체를 이용한 영양염류제거장치는 제 1 호기조, 제 2 호기조, 제 3 호기조에 충진되는 담체의 양을 달리함으로써 각 단의 F/M비를 동일하게 하여, 각 단의 운전조건을 동일하게 할 수 있고, 질소 성분을 제거하기 위한 기존의 하수 고도처리장치에서 필요로 하는 질산성 질소로 전환된 하수를 순환시켜 질소의 제거효율을 증가시키는 별도의 장치가 필요없고, 장치의 크기를 감소시킬 수 있으므로 초기 설치비 및 유지비가 적게 소요되는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 담체를 이용한 다단유입식 영양염류제거장치는 다단유입식 하수공급 및 미생물 담체에 의하여 무산소조와 호기조를 순차적으로 연결한 것을 한 쌍으로 하는 각 단에서 고농도의 미생물을 유지할 수 있고, 유량 및 농도의 급격한 변화에 무관하게 안정적인 하수 처리가 가능하다는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 질소와 인으로 이루어진 영양염류를 제거하는 처리장치에 있어서,

   하나의 무산소조(4, 8, 12)와 하나의 호기조(6, 10, 14)를 순차적으로 연결설치한 반응조를 하나의 단(24, 26, 28)으로 하여 적어도 2개 이상의 단(24, 26, 28)을 연결설치하고, 상기 각 단(24, 26, 28)의 호기조 내부에 미생물 양을 증가시키기 위한 담체(22)를 구비하고, 상기 다수개의 단(24, 26, 28) 중 최후에 설치되는 단(28)의 호기조(14)에 침전조(16)를 연결설치하고, 상기 침전조(16)에서 분리된 활성슬러지를 첫 단(24)의 무산소조(4)로 반송시키는 반송슬러지관(18) 및 상기 각 단(24, 26, 28)의 무산소조(4, 8, 12)에 유입수를 균등하게 공급하는 분배조(2)를 포함하는 영양염류제거장치.
2. 제 1항에 따른 영양염류제거장치를 이용한 영양염류제거방법.
3. 제 1항에 따른 영양염류제거장치의 다수개의 단(24, 26, 28) 중 최종 단(28)과 침전조(16) 사이에 약품을 투입하여 인을 제거하는 것을 더 포함하는 영양염류제거방법.