KR20040070408A - 폐수처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기물 ,질소,인등을 고농도로 함유한 폐수를 처리하는 방법에 관한 것으로,

유입된 폐수중 고형물과 용존물로 분리하는 고·액분리조(1)와,

고·액분리조와 연결되며 폐수의 독성도를 낮추고 미생물에 의해 산화 및 흡착반응을 진행시키며 유기물을 흡착한 미생물과 상등수를 분리하는 침전조의 역할을 동시에 수행하는 유기물 흡착조(2)와,

유기물 흡착조(2)로 부터 유기물만이 처리된 폐수가 유입되어 마그네슘을 주입하여 스투루바이트(struvite)결정체를 생성하는 결정화 반응조(3)와,

상기 결정화 반응조로 부터 생성된 결정체를 저장하는 결정체 저장조(4)와,

결정화 반응조로 부터 결정화 반응이후 잔류된 미량의 유기 및 염류를 제거하는 여과막(5)으로 구성되어 이루어진 것으로, 설치면적이 적은 간단한 장치를 통해 산업폐수,축산폐수를 효과적으로 처리하여 폐수의 정화와 동시에 고순도비료의 생산이 용이하다,

Description

폐수처리방법{A WASTE WATER DISPOSAL PLANT}

본 발명은 폐수를 처리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유기물 및 최근 하천 및 호소 등에 부영양화(Eutrophication)의 유발물질로 문제시되는 폐수중의 영양염류(질소 및 인)를 효과적으로 처리하여 폐수를 정화시키고, 폐수 처리시 물리, 화학적인 특성을 이용하여 기술적으로 질소와 인을 고순도의 결정체로 만들어 이를 비료로 이용 가능하도록 한 폐수처리방법에 관한 것이다.

일반적으로, 폐수에 포함되어 있는 영양염류 자체는 무기성 원소이나, 이들이 하천이나, 연안바다, 호소(호수 및 저수지)등으로 유입되어 조류의 성장을 촉진시켜 부영양화 현상을 발생시킨다.

또한, 폐수에 포함되어 있는 영양염류가 연안바다로 유입되었을 때는 적조현상의 원인이 되며, 심하면 수저부에서 부패하고 악취가 발생하여 수질오염을 촉진시키는 원인으로 작용됨에 따라, 이러한 영양염류는 하천이나 호소로 유입되기 전에 제거되어야 할 물질이다.

폐수 중의 질소 및 인을 제거하기 위한 현재까지의 기술로는 물리, 화학적인 방법과 생물학적 방법으로 나누어 볼 수 있다.

우선, 물리적인 방법에 있어서는 암모니아 탈기법, 선택적 흡착 방법을 이용하는 이온 교환법, 소석회 및 응집제를 사용하여 인을 침전시키는 방법 및 질소와 인을 동시에 침전시키는 스트루바이트(struvite)형성의 침전법 등이 이용되고 있다. 스트루바이트는 알칼리성 조건(약 pH 11)에서 Mg : N : P가 몰비로 1:1:1의 비율로 결정화되어 질소 및 인이 동시에 침전되어 제거되는 방법으로서 유럽에서는 이 기술을 활발히 이용하여 질소 및 인을 제거하고 있지만 우리나라에서는 이 기술의 적용이 거의 전무한 편이다.

한편, 생물학적 처리 방법에 있어서는, 질소의 경우 용존상태에 있는 암모니아성 질소와 유기 질소를 호기성 조건에서 질산화균(ie.,Nitrosomonas &Nitrobacter)에 의해 질산화(암모니아를 질산염 형태로 변형)시키고, 질산염을 탈질산화균(ie.,Pseudomonas, Paracoccusdenitrifiers)에 의해 무산소 조건에서 산소대신 전자수용체로서 이용하게 하여 질소 기체로 변환하여 대기중으로 방출(탈질산화)시켜 제거하고 있다. 인의 경우 폐수를 교대로 혐기성 조건과 호기성 조건하에 유지시켜 혐기성 조건에서는 인 제거 미생물(ie.,Acinetobacter)로부터 인을 방출시키고, 후속되는 호기성 조건에서는 미생물이 인을 과다 섭취하도록 한 다음, 미생물을 일정량씩 제거시키는 방식으로 폐수중의 인을 제거한다.

상기 호기성 조건에서 미생물의 인을 과다 섭취하게 되는 정도는 혐기성 조건으로 유입되는 유기물의 양과 종류에 따라 다르며 특히, 순수한 혐기상태의 유지와 유입되는 유기물이 초산염과 같은 유기산염이 많을 경우 순수한 혐기상태에서 인의 방출량이 증진되며, 후속된 호기상태에서 인의 섭취도가 향상되어 처리율이 증진된다.

따라서, 생물학적 질소 및 인의 제거 공정은 혐기성 - 호기성 - 혐기성 - 호기성 반응조를 적절히 분리 배치하여 각 반응조의 특성에 따라 호기성 반응조에서는 유기물 산화 및 질산화 반응과 미생물이 인을 섭취하도록 유도하고 혐기성 및 무산소 반응조에서는 질산성 질소를 질소가스로 변형시켜 대기중으로 방출시키는 탈질반응과 인의 방출을 유도한다.

현재 생물학적 처리 원리에 의한 영양염류 제어법으로 널리 이용하고 있는 폐수처리공정으로는 바덴포(Bardenpho), A²/O, A/O, UTC, VIP 등이 개발되어 있으며이들은 모두 위의 원리를 응용하여 개발된 공정들이다. 이러한 기술들은 선진국에서 하수처리장 등 여러곳에서 이미 널리 이용되고 있는 기술이지만 우리나라의 경우 일부 하수처리장에서 기존의 표준 활성슬러지 공정으로부터 이러한 공정으로 바꾸기 위한 시도가 있을 뿐 아직까지는 선진국 수준에 미치지 못하고 있는 실정이다.

특히, 축산폐수와 같이 유기물 및 질소와 인을 고농도로 함유한 폐수의 경우 위의 공정들을 이용 하기도 하지만 대부분의 처리 시설들은 법적 방류기준을 만족시키기 위해 여러 공정들을 난잡하게 나열, 조합하는 경우가 대부분이며 설령, 기존에 개발된 공정을 효과적으로 이용한다고 해도 폐수의 특성상 암모니아성 질소의 농도가 높아 질산화시 긴 수리학적 체류시간을 요하며 이로 인해 부지면적을 많이 차지하는 문제점이 있었다.

또한, 탈질 반응과 인 제거 조작에 필요한 인 방출 반응에는 유기물을 전자 공여체로 이용하여 진행되게 되는데 전자공여체가 부족한 경우 외부에서 유기물을 주입하여 주어야 하는 번거로움이 있으므로 효율성과 경제성에서 많은 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 영양염류 처리 시 종래의 문제점을 해결하기 위해 유기물 및 질소 와 인을 동시에 신속히 처리함을 목적으로 하였으며 동시에 경제성과 효율성을 기하고자 하였다.

이를 위한 구체적 방법으로, 유기물의 고액분리와 수리학적 체류시간이 40분 정도인 생물학적 흡착 그리고 질소 및 인의 sturvite 결정화(결정화 반응 2분 + 침전 30분)를 통한 제거와 이 과정에서 일어나게 되는 공침으로 인한 유기물 제거법을 통해 유기물, 질소 및 인을 동시에 신속히 완벽하게 처리 하고, 폐수중 질소 및 인을 결정화 시켜 이를 고순도의 비료로 활용하기 위한 폐수처리방법를 제공하는데 있다.

이상에서와 같이 본 발명의 목적을 달성하기 위한 구체적 수단으로, 유입된 폐수중 고형물과 용존물로 분리하는 고·액분리조와, 고·액분리조와 연결되며 폐수의 독성도를 낮추고 미생물에 의해 산화 및 흡착반응을 진행하는 유기물 흡착조와, 생물흡착조에서 유기물만이 처리된 폐수가 유입되어 마그네슘을 주입하여 스투루바이트 결정체를 생성하는 결정화 반응조와, 결정화 반응조로 부터 생성된 결정체를 저장하는 결정체 저장조와, 결정화 반응조로 부터 결정화 반응이후 잔류된 미량의 유기 및 염류를 제거하는 여과막으로 구성되어진다.

도 1은 본 발명에 따른 폐수처리장치를 도시한 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 고액 분리조

2 : 유기물 흡착조

3 : 결정화 반응조

4 : 여과사

5 : 결정체 저장조(Storage Tank)

본 발명에서는 고·액 분리기, 유기물 흡착조, 결정화 반응조 및 여과막으로 구성하여 폐수를 처리하는 방법에 관한 것으로 ,더욱 구체적으로는 고액분리공정,생물흡착공정,스트루바이트결정화공정과 같은 간단한 공정을 통해 유기물의 90%를 처리하고 특히 생물흡착공정에 후속되는 스트루바이트를 결정화 공정을 통해 고액분리기,생물흡착반응 공정에서 제거되지 않는 잔류유기물을 제거할 수 있으며,또한, 대부분의 질소와 인을 스트루바이트로 결정화시켜 거의 완벽하게 제거 할 수 있는 것으로 효율적인 폐수정화와 폐수 처리시 생성되는 부산물을 비료로 활용하기 위하여 생물학적 처리공정을 새롭게 변형하여 것이다.

전체적으로 생물학적 처리공정과 스트루바이트 결정체를 얻기 위한 물리 및 화학적 처리공정의 조합이나, 유기물, 질소 및 인을 동시에 신속하게 제거할 수 있으며 스트루바이트 결정화시 암모니아성 질소와 인을 선택적으로 결정화하기 때문에 생물학적으로 처리된 폐수는 고형물 및 유기물은 제거되게 하였으며, 암모니아성 질소 및 인은 폐수에 그대로 존재하게 하였다.

본 발명에서 고·액분리조는 폐수중 고형물과 용존성물질과의 분리를 위한 반응조로 폐수에 함유되어 있는 대부분의 고형물(유기물)들이 제거된다.

유기물 흡착조에서는 고액분리조를 통과한 폐수의 유기물 흡착 반응(30 ∼ 40분)이 진행된다. 이때 활성슬러지와 고액분리기를 통과한 폐수의 혼합비는 1:1이 된다. 유기물 흡착 반응조는 폐수의 성상에 따라, 특히 독성의 유·무에 따라 호기성 및 혐기성으로 유지가 가능하며 본 발명자의 연구 결과에 의하면 용존 유기물을 최대 70%까지 제거 가능하다.

유기물 흡착 반응조를 혐기성으로 운영시에는 미생물이 유기물을 상당량 흡착하게 되며 일부 고형물의 유기산화가 진행된다. 이러한, 고형물의 유기산화는 미생물이 유기산화된 물질을 선호하기 때문에 흡착의 속도가 증가된다. 또한, 유기물이 흡착됨에 따라 인 제거 미생물은 세포로부터 인의 방출이 진행되어 결국 폐수에는 유기물이 제거되며, 인이 방출된 상태로 된다. 반면, 폐수 중의 질소는 질산화반응이 진행되지 않은 상태이므로 암모니아성 질소 성분이 그대로 존재하게 된다.

유기물 흡착 반응조를 호기성으로 유지시키는 경우는 폐수중 암모니아성 질소가 다소 질산화 반응이 진행되나 유기물의 산화와 독성물질의 호기성 분해가 진행된다. 따라서, 유기물 흡착 반응조의 운영 조건은 폐수의 성상 특히, 독성물질의 농도 및 종류 등에 따라 호기 및 혐기의 운영 상태에 따라 결정되는 것이다.

또한, 생물흡착조에서 중금속 및 양이온 물질의 흡착이 이루어지므로 독성물질 제거에도 큰 효과를 얻을 수 있다.

30 ∼ 40분 동안 흡착이 이루어진 폐수는 유기물 흡착 효율을 최대로 유지시키기 위해 슬러지 체류시간(SRT)을 적당히 조절해 주어야 하며 이를 위해 슬러지를 시스템에 알맞게 제거해 준다. 연구 결과 축산 폐수의 경우 적정 슬러지 체류시간은 14 ∼ 25일로 밝혀졌다. 이러한 과정이 끝나면 폐수는 적정시간(약 1시간)동안 침전시키게 되며 침전이 끝난 상징수에는 풍부한 암모니아성 질소와 인이 존재하게 된다. 침전후 생성된상징수는 고액분리기를 통과한 폐수를 생물흡착조에 주입한 만큼 인발(draw)해 주게되며 인발이 끝난후 유기물이 흡착된 활성슬러지는 24시간 포기 시켜 준다. 이때 생물 흡착 반응조에는 폐수가 유입되지 않으며 폭기 형태는 24시간 동안 연속 포기나 혐기/호기 비가 1hr/1hr인 간헐 포기로 운영할 수 있다. 폐수를 유입하지 않은채 24시간 동안 연속 포기나 간헐 포기를 하게되면 생물흡착 반응조내의 미생물 체내에 흡착되어 있던 유기물을 고갈시킴으로서 시스템내의 활성슬러지상태가 내생성장 단계에 접어들어 24시간 포기 후 유기물 주입시 흡착 효율을 증가시킬 수 있다. 특히, 간헐 포기시에는 24시간 동안 상징수 인발 후잔존하는 아질산성 질소 및 질산성 질소의 탈질을 유도 할 수 있으며 이로 인해 30 ∼ 40분 동안 유기물 흡착후 인발하는 상징수에는 암모니아성 질소만이 남아 스트루바이트 결정화 후 아질산성 질소 및 질산성 질소의 후처리를 걱정하지 않아도 된다.

인발된 상징수에 함유된 질소 및 인은 스트루바이트 결정화 장치에서 처리를 하게 된다. 위에서도 언급했듯이 상징수는 대부분의 유기물이 제거된 상태이며 충분한 암모니아성 질소를 함유하고 있다. 따라서, 스트루바이트 결정화 시 순도가 매우 높은 결정체의 기대가 가능하며, 이는 농가 등에서 마그네슘, 질소 및 인의 비료로 이용할 수 있다. 스트루바이트 결정화 반응시에는 마그네슘을 암모니아성 질소 및 인의 몰비로 1:1:1로 주입하며, pH 8-12의 조건이 요구되며 반응시간은 2분이면 충분하다.

스트루바이트 결정화시 마그네슘원는 바닷물과 농축 바닷물(간수)을 이용할 수 있다.

본 발명의 폐수처리 단위공정중 응집 및 스트루바이트 결정화 반응시 대체 마그네슘원으로 바닷물과 농축 바닷물의 이용이 가능하다는 것이 확인된 바 있다.

이러한, 스트루바이트 결정화 후 잔존하는 미량 유기물 및 무기 염류 등은 최종적으로 여과막을 통과함으로서 정화되어 방류된다.

처리해야 할 유량이 많을 경우 위의 처리장치를 여러 세트(set)로 운영할 수 있다.

이하, 본 발명의 폐수 정화공정을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 바람직한 제 1 실시 예에 따른 폐수의 정화공정을 도시된 개략도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 폐수 정화공정을 수행하기 위한 장치는 고·액분리조(1), 유기물 흡착조(2), 결정화 반응조(3), 여과막(4) 및 결정체 저장조(5)로 구성되어 있다. 각 반응조는 각각 회분식으로 운영이 되며 1,2는 생물학적 처리공정이며 3,4는 물리 및 화학적 처리공정이다.

이때, 폐수는 회분식으로 공급되며 생물학적 처리공정에서 유기물 농도를 낮추고 암모니아성 질소 및 인을 물리 및 화학적 처리공정으로 이송하여 고순도의 스트루바이트 결정제를 얻도록 유도하였다. 스트루바이트 결정화 반응 이후 여과막에 의해 잔류 유기 및 무기 염류를 제거하였다.

도 1에 상세하게 도시된 바와 같이 폐수는 고·액분리조(1)에서 폐수중 고형물과 용존물을 분리하였고 분리되지 못한 일부 고형물은 폐수와 함께 유기물흡착조(2)로 유입된다.

상기 유기물 흡착조에서는 독성도를 낮추고 폐수중 유기물은 미생물에 의해 산화 및 흡착반응이 진행된다.

또한, 생물흡착조를 간헐포기로 운영할 경우 유기물 흡착은 물론 아질산성 질소 및 질산성 질소의 탈질을 유도 할 수 있다.

유기물을 흡착한 미생물과 처리된 폐수를 서로 분리하여 유기물을 흡착한 미생물은 약 24 시간 동안 간헐 포기를 통해 미생물에 흡착된 유기물을 고갈시켜 내생성장단계로 유지되고 이와 동시에 호기와 무산소 조건이 반복되면서 생성되는 아질산성 질소 및 질산성 질소의 탈질이 이루어지게 된다. 유기물의 대부분이 제거되고 암모나아성 질소가 풍부히 존재하는 폐수는 결정화 반응조(3)로 이송된다.

상기 스트루바이트 결정화는 상기 설명한 바와 같이 마그네슘을 주입원으로 하여 대상폐수에 암모니아성 질소 및 인을 선택적으로 결정화하기 때문에 반응시 불순물이 제거된 상태로 암모니아성 질소와 인 성분만 존재한다면 결정체의 순도가 매우 높아진다.

이때, 결정화 반응조로 이송된 폐수에 인 및 마그네슘원을 주입하여 스트루바이트 결정체를 만들고 생성된 결정물은 결정체 저장조로 이송되어 농가 등에서 비료로 활용 가능케 한다.

본 발명에 의해 생성된 스트루바이트 결정체는 주로 마그네슘, 암모니아성 질소 및 인으로 구성되어 있으며, 순도가 매우 높기 때문에 이를 비료로 활용시 마그네슘 및 인을 스트루바이트 결정원으로 이용시 발생하는 경제적 부담을 상쇄시킬 수 있다.

이러한, 결정화 반응 이후 잔류된 미량 유기 및 무기 염류는 여과막(7)공정에서 최종적으로 제거되어 폐수의 정화가 이루어진다.

상기 공정중 상징수가 생물 흡착조(2)에서 인발된 후 24시간 동안 간헐로 유기물을 고갈시키는 과정에서 암모니아성 질소의 질산화 및 탈질과정을 통해 질소가 제거되게 되는데 폭기시 질산화 반응(NH₄ ⁺-N → NO₂ ^--N → NO₃ ^--N), 비폭기시 탈질산화 반응(NO₃ ^--N → NO₂ ^--N → N₂(gas))으로 최종적으로 기체상태의 질소가스 형태로 수중으로 부터 제거된다.

본 발명에 따른 폐수의 정화공정은 생물흡착과 스트루바이트 결정화를 이용하여 생물학적 처리공정을 구성한 것으로, 본 발명의 효과는 기존의 공정과는 달리 짧은 수리학적 체류시간에 유기물, 질소 및 인을 동시에 효율적으로 처리할 수 있다는 데 있으며 고액분리조 후단에 설치된 생물흡착조에서는 유기물 흡착 외에 독성물질의 흡착이 이루어져 독성물질 제거 효과를 얻을 수 있다.

또한, 생물학적 정화공정으로 처리 시 생성되는 부산물인 스트루바이트 결정체는 마그네슘, 암모니아성 질소 및 인 성분으로 순도가 매우 높아 농가에서 비료로 이용할 수 있어 경제적인 효과를 얻을 수 이다.

이러한, 본 발명에 의한 공정은 기존 생물학적 처리공정(활성슬러지 처리공정)에서 미생물 반응조와 침전조는 그대로 이용하고 기존의 응집처리에 이용되는 반응조를 스트루바이트 결정화조로 용도만 변경하면 적용할 수 있으므로 설치비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 유입된 폐수중 고형물과 용존물로 분리하는 고·액분리조(1)와,

   고·액분리조와 연결되며 폐수의 독성도를 낮추고 미생물에 의해 산화 및 흡착반응을 진행시키며 유기물을 흡착한 미생물과 상등수를 분리하는 침전조의 역할을 동시에 수행하는 유기물 흡착조(2)와,

   유기물 흡착조(2)로 부터 유기물만이 처리된 폐수가 유입되는 결정화 반응조(3)와,

   상기 결정화 반응조로 부터 생성된 결정체를 저장하는 결정체 저장조(4)와,

   결정화 반응조로 부터 결정화 반응이후 잔류된 미량의 유기 및 염류를 제거하는 여과막(5)으로 구성된 폐수처리방법에 있어서,

   상기 결정화반응조는 마그네슘을 암모니아성 질소 및 인의 몰비로 1:1:1로 주입하며, pH 8-12, 2분동안 스투루바이트(struvite)결정체를 생성하는 것을 특징으로 하여 폐수를 처리하는 방법
2. 제 1 항에 있어서, 유기물 흡착조(2)를 30 ∼ 40분 흡착 후 간헐폭기로 운영하여 미생물 몸속에 흡수된 유기물을 고갈시키는 것과 동시에 질산성 질소 및 아질산성 질소 제거를 특징으로 하여 폐수를 처리하는 방법.