KR20050081251A

KR20050081251A - 생물막발효조와 혐기-무산소-호기조를 결합한 고농도유기성 폐수처리 시스템

Info

Publication number: KR20050081251A
Application number: KR1020040009435A
Authority: KR
Inventors: 서준원; 강기훈
Original assignee: 대림산업 주식회사
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2005-08-18
Also published as: KR100542431B1

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은 고농도 유기성 폐수처리 시스템에 관한 것이다.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

본 발명은 종래 고농도 유기성 폐수처리에 이용되던 혐기성 소화공정의 단점을 보완하면서 동시에 경제적이고 효율적으로 영양염류를 처리할 수 있도록 하여 유입 변동이 심한 폐수를 보다 안정적으로 처리할 수 있는 고농도 유기성 폐수처리 시스템을 제공하도록 한다.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은, 고농도 유기성 폐수처리 시스템에 있어서, 고농도 유기성 폐수를 생물막발효조에서 산발효시켜 지방산 생성을 유도하고 이를 후속공정인 혐기-무산소-호기조에서 질소 및 인의 안정적인 제거를 위한 자원으로 활용하도록 한 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명은 유입 유기물의 1차 처리 및 고농도 유기성 폐수를 산발효시켜 휘발성 지방산을 생성하는 생물막발효조; 상기 생물막발효조에서 생성된 휘발성 지방산을 이용하여 인을 방출하는 혐기조; 상기 생물막발효조로부터 유입되는 미처리 유기물을 탄소원으로 하여 하기 호기조로부터 내부반송라인을 통해 유입된 질산 및 아질산의 탈질을 유도하는 무산소조; 유기물 제거와 질산화가 이루어지며, 상기 혐기조에서 방출된 인을 과잉섭취하여 인을 제거하는 호기조; 및 상기 호기조에서 이송된 유입수를 상징수와 미생물슬러지로 분리시키는 침전조; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

4. 발명의 중요한 용도

유기성 폐수의 안정적인 폐수처리 시스템에 이용된다.

Description

생물막발효조와 혐기-무산소-호기조를 결합한 고농도 유기성 폐수처리 시스템 {A High-Strength Organic Wastewater Treatment System Composed of Biofilm Fermentator and Anaerobic-Anoxic-Aerobic Reactor}

본 발명은 고농도 유기성 폐수처리 시스템에 관한 것으로, 자세하게는 생물막발효조와 혐기-무산소-호기조를 결합한 고농도 유기성 폐수처리 시스템에 관한 것이다.

최근 수계 수질오염의 악화가 지속됨과 동시에 가용한 수자원에 대한 한계가 드러나면서 기존 수계의 수질개선을 통한 수자원 확보의 노력이 이루어지고 있으며, 환경부에서도 하수종말처리시설과 함께 폐수종말처리시설의 방류수 수질기준을 단계적으로 강화하고 있어(수질환경보전법시행규칙 개정 환경부령 제 139호, 2003) 보다 효율적이면서 처리의 안정성을 확보할 수 있는 신뢰성 있는 폐수처리 시스템에 대한 기술수요가 증가하고 있다.

특히 식품 가공공장 등으로부터 발생하는 고농도의 유기성 폐수는 강화되는 수질기준을 만족시키는 수준까지 처리하는 것이 매우 어려울 뿐만 아니라 이의 불완전한 처리가 수계 수질 악화에 미치는 영향이 상대적으로 크기 때문에 이를 효율적으로 처리할 수 있는 시스템의 개발이 절실히 요구되고 있다.

이러한 고농도 유기성 폐수를 처리하기 위해 국내에 주로 적용되고 있는 공법으로는 크게 호기성 처리공법 및 혐기성 소화공법으로 분류될 수 있다.

이중 상기 호기성 처리공법으로는 통상적으로 활성슬러지법, 활성생물막법, 연속 회분식 반응조, 호기성 여상 공법 등이 주로 이용된다.

그러나, 상술한 호기성 처리공법들의 특징을 살펴보면, 상기 연속 회분식 반응조의 경우에는 공정 관리가 편하고, 수질 및 유량 변동에 강한 장점을 갖고 있어 오수, 산업 폐수, 침출수 등 다양한 폐수에 적용되고 있으나 중ㆍ대규모의 시설에는 적용이 어렵다는 단점을 가지고 있으며, 상기 호기성 여상 공법은 반응기에 미생물을 부착하기 위한 담체를 충전시킨 후 담체에 형성된 생물막에 의해 유기물의 생물학적 산화 및 분해와 물리적 여과를 동시에 유도하는 공법이나 고농도의 폐수에는 적용이 어렵다는 한계점을 가진다.

한편, 상술한 호기성 처리공법과는 달리 상기 혐기성 소화공법은 유기물을 크게 산 생성 및 메탄 생성의 두 단계를 거치면서 메탄 및 이산화탄소로 분해시켜 제거하는 공법으로서, 특히 유기물이 고농도로 존재하는 폐수처리에 주로 적용되고 있다. 이러한 혐기성 소화공법으로는 혐기성 미생물의 부유성장을 이용한 UASB (upflow anaerobic sludge blanket) 공법, 미생물의 부착성장을 위하여 담체를 충진한 혐기성 여상(anaerobic filter), 산 생성단계와 메탄 생성단계의 상 분리에 의한 이단 혐기성 소화공정, 부착성장 및 부유성장 미생물을 동시에 이용한 ASBF(anaerobic sludge bed filter) 공법 등이 있다.

그러나 상기와 같은 대부분의 혐기성 소화공법은 유입 유기물의 부하, 온도, pH, 알칼리도 등의 여러 환경인자 변화에 매우 민감하여 최적의 처리효율을 유지하는 것이 매우 어려울 뿐만 아니라, 혐기성 미생물의 비성장속도가 상대적으로 느리기 때문에 요구되는 처리수질을 확보하기 위해서는 반응조 내 체류시간을 매우 길게 유지해야 하는 등의 단점들이 지적되고 있다.

더욱이 혐기성 소화공정만으로는 질소와 인 등의 영양염류를 처리할 수 없기 때문에 혐기성 소화공정의 단점을 보완하면서 동시에 경제적이고 효율적으로 영양염류를 처리할 수 있는 부가적인 공정을 결합한 최적의 고농도 유기성 폐수처리 시스템 개발이 절실히 요구되어 진다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래 고농도 유기성 폐수처리에 이용되던 혐기성 소화공정의 단점을 보완하면서 동시에 경제적이고 효율적으로 영양염류를 처리할 수 있도록 하여 유입 변동이 심한 폐수를 보다 안정적으로 처리할 수 있는 고농도 유기성 폐수처리 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 고농도 유기성 폐수처리 시스템에 있어서, 고농도 유기성 폐수를 생물막발효조에서 산발효시켜 지방산 생성을 유도하고 이를 후속공정인 혐기-무산소-호기조에서 질소 및 인의 안정적인 제거를 위한 자원으로 활용하도록 한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 고농도 유기성 폐수처리 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 것으로, 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명은 재생골재(2)를 충진한 생물막발효조(1)와, 생물막발효조(1)에서 생성된 휘발성 지방산을 이용하여 인 방출이 일어나게 되는 혐기조(4)와, 호기조(6)로부터의 내부반송(9)을 통해 질산 및 아질산의 탈질을 유도하는 무산소조(5)와, 유기물 제거와 질산화가 이루어지며 상기 혐기조(4)에서 방출된 인을 과잉섭취하여 인을 제거하는 호기조(6)와, 상기 호기조(6)에서 이송된 유입수를 상징수와 미생물슬러지로 분리시키는 침전조(7), 및 상기 침전조(7)에서 분리된 상징수를 유입하여 잔류 유기물 제거 및 안정적인 유출수를 배출하기 위해 재생골재(2)로 충진된 호기성 여상(8)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 생물막발효조(1)는 유입 유기물를 1차적으로 처리하고 고농도 유기성 폐수를 산발효시켜 휘발성 지방산 생성을 유도하기 위해 설치되는 것으로, 상기에서 생성된 휘발성 지방산은 후속공정인 혐기-무산소-호기조에서 질소 및 인의 안정적인 제거를 위한 자원으로 활용할 수 있게 된다. 이때, 상기 생물막발효조(1)는 최적의 휘발성 지방산을 얻을 수 있도록 수리학적 체류 시간을 조정하여 휘발성 지방산 생성 단계만 거치도록 운영되어진다.

또한 상기 생물막발효조(1)는 재생골재(2)와 같은 여재를 충진하여 미생물의 부유성장과 동시에 부착성장을 유도함으로써, 여재를 충진하지 않는 혐기성 반응조에 비해 유출수와 함께 월류되는 미생물이 상대적으로 적게 되어 반응조 내에 고농도의 미생물을 보유할 수 있게 된다.

이에 따라 본 발명에서와 같이 생물막발효조(1)를 후속공정인 혐기-무산소-호기조와 결합한 처리시스템의 경우에는 전반적으로 짧은 체류시간(작은 반응조 크기)에서 안정적인 처리가 가능하다는 장점을 가지며, 온도나 pH의 변화, 충격부하 등에 강한 내성을 가질 뿐만 아니라, 난분해성 물질의 분해 능력도 우수한 특징을 가지게 된다.

이때, 여재로 사용되는 상기 재생골재(2)는 pH의 완충효과와 충분한 알칼리도의 공급이 가능하여 휘발성 지방산의 생성을 유도하는 산 생성균의 성장에 적절한 환경을 조성하게 된다. 그러나, 상기 생물막발효조(1)의 여재로는 본 실시 예에서 사용된 재생골재(2)외에 기타의 다공성 재질을 사용할 수도 있다. 이상에서 언급되지 않은 도면부호 10, 11, 12, 13은 각각 슬러지 반송, 교반기, 산기관, 및 송풍기를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명에 따른 실시 예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

<실시 예>

본 실시 예는 M 식품공장의 식품 가공과정에서 발생되는 고농도 유기성 폐수를 처리대상으로 한 것으로, 이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 유기물, 질소, 인 및 부유물질의 제거 특성과 생물막발효조(1)에서 도출된 최적의 휘발성 지방산 생성 조건 등을 상세히 설명하고자 한다.

1. M 식품공장의 폐수 성상

본 실시 예에서의 처리대상인 M 식품공장에서 발생되는 폐수의 수질은 다음의 표 1과 같다.

구 분	농도(평균±표준편차)
pH	4.57~5.87(5.0±0.43)
알칼리도, mg CaCO3/L	301~20(65.9±31.4)
총휘발성지방산, mg HAc/L	95.4~324.1(257.7±60.4)
생물학적 산소요구량, mg/L	345~599(490.5±71.9)
화학적 산소요구량, mg/L	294~829(638.1±179.4)
부유물질, mg/L	39~367(179.1±100.4)
총질소, mg N/L	14.8~37.1(24.9±7.0)
총인, mg PO43-/L	3.97~4.33(4.15±0.116)

2. 운전 조건

본 실시 예에서는 M 식품공장의 폐수에 적응시키고 정상상태로 운전될 수 있도록 약 2개월간의 순응기간을 두었으며, 실험기간 동안 수리학적 체류시간은 15.5시간에서 13.5시간으로 변경하고, 내부반송(9) 및 슬러지 반송(10)비는 0~1Q로 변경하면서 운전하였다.

상기 생물막발효조(1)는 처리수의 유출 및 가스포집을 위한 상부와 습식가스미터(3), 재생골재(2)가 충진되어 있는 중간부분, 및 유입을 위한 하부로 구성되어 있으며, 내부용적은 4.71 L로 외형적 규모는 직경 200 mm, 높이 300 mm로 제작하였다. 또한 상기 생물막발효조(1)의 중간부분은 재생골재(2)로 하부 30% 지점부터 상부까지 충진하였다.

혐기-무산소-호기 반응조는 공기 공급장치가 없는 혐기/무산소조(4,5) 부분과 공기 공급장치가 있는 호기조(6) 부분을 각각 3단으로 구성하였으며, 각 단의 반응조는 가로, 세로, 높이를 110 mm 크기로 제작하였다. 또한 각 단에 별도의 유입 및 유출부를 설치하여 폐수의 유입 농도 및 수질 특성에 따라 유동적으로 반응조를 운전하는 것이 가능하도록 하였다.

상기 호기성여상(8)은 잔류 유기물 제거 및 안정적인 유출수를 배출하기 위해 설치된 것으로, 직경 80 mm, 높이 800 mm의 규모로 아크릴 원통으로 구성하였으며, 여상 내부의 높이별 유기물 제거 특성을 살펴보기 위해 시료 채취구를 설치하고 밸브(14)를 이용하여 항시 개폐가 가능하도록 하였다. 재생골재(2)는 상기 호기성여상(8) 전체에 충진하였다.

3. 유기물질 및 부유물질 제거 특성

표 2는 운전기간 동안의 유기물질 및 부유물질 제거 특성을 나타낸 것이다.

이하의 표에서, 유기물은 생물학적산소요구량(BOD)으로서 97% 이상의 매우 높은 처리효율을 보였고, 유출수질도 3.0~10.7 mg/L로 안정적인 처리가 가능하였으며, 화학적산소요규량과 부유물질의 경우에도 92% 이상의 높은 처리효율을 얻을 수 있었다. 수리학적 체류시간은 15.5시간에서 13.5시간으로 감소하면서 유기물 부하를 증가시켰지만 시간의 경과에 따른 처리시스템 안정화로 처리 수질은 오히려 개선되는 경향을 보이고 있는 것으로 나타났다.

수질 항목	유입 농도(mg/L)	처리수 농도(mg/L)	제거효율(%)
생물학적 산소요구량	345∼599	3.0∼10.7	97.0∼99.7
화학적 산소요구량	294∼829	17.6∼56.2	92.0∼97.8
부유물질	39∼367	1.0∼11.5	92.2∼96.1

4. 영양염류 제거 특성

표 3은 질소와 인의 제거 특성을 나타낸 것이다. 질소의 제거를 위해 상기 호기조(6)에서 질산화된 유출수를 상기 무산소조(4)로 1Q의 유량으로 내부반송(9)함으로써 탈질을 유도하였다. 이때, 질소 제거효율에 있어서는 C/N(TCOD vs TKN)비를 20 ~ 30을 유지하여야 80% 이상의 탈질율을 얻을 수 있었으며, C/N비가 80 이상일 경우에는 처리효율이 60% 이하로 감소되는 것으로 나타났다.

또한, 상기 호기조(6)에서의 인 제거효율은 수리학적 체류시간이 15.5시간에서 13.5시간으로 감소하였음에도 불구하고 80% 이상의 안정적인 처리효율을 보였다.

수질 항목	유입 농도(mg/L)	처리수 농도(mg/L)	제거효율(%)
총질소	14.8~37.1	2.1~9.76	59~92
총인	3.97~4.33	0.9~2.1	72.3~97.5

5. 지방산 생성

유입수 중의 휘발성지방산 농도는 유입수 유기물 농도가 증가함에 따라 비례하여 증가하였으며, 유입수의 휘발성지방산 농도에 비해 생물막발효조 유출수의 휘발성지방산 농도가 증가하는 것으로 나타났다. 이는 휘발성지방산의 생분해도가 뛰어남을 감안할 때 생물막발효조에서 휘발성지방산의 생성이 매우 활발하게 일어나고 있다는 것을 알 수 있었다.

또한 혐기성 공정에서 휘발성 지방산으로 분해된 유기물은 메탄생성균에 의해 최종적으로 이산화탄소와 메탄으로 분해되나, 본 발명에서는 생물막발효조 체류시간을 짧게 유지함으로서 메탄 생성균의 성장을 제어하였기 때문에 메탄 가스발생량은 거의 없었고 안정적인 산 발효가 연속적으로 진행되었다.

생물막발효조(1)에서의 산생성률은 수리학적 체류시간의 영향을 많이 받는 것으로 나타났는데, 상기에 의한 산 생성률은 수리학적 체류시간이 3.1시간에서는 유입수중의 화학적 산소요구량 1 mg에 대해 평균 0.11 mg 아세트산(mg HAc/mg TCOD유입)이었으며, 수리학적 체류시간을 2.8시간으로 감소시켰을 경우에는 평균 0.040 mg 아세트산으로 감소하였고, 전체 운전기간 동안 평균 산 생성율은 0.083 mg 아세트산이었다.

생물막발효조(1)에서 생성된 휘발성 지방산은 후속공정인 혐기-무산소-호기 방응조(4,5,6)로 유입되며, 유입된 대부분의 지방산은 탈질 및 인 제거를 위한 탄소원으로 활용되었음을 알 수 있었다.

한편, 상술한 본 발명은 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 즉, 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 시스템의 운전조건 및 기타의 여재 사용 등의 측면에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기와 같은 본 발명에 의하면, 생물막발효조에서 유기물의 분해와 안정화를 도모하고, 산 발효를 통해 생성된 휘발성 지방산을 후속공정인 혐기-무산소-호기조로 유입시킴으로서 질소와 인 등의 영양염류를 안정적으로 제거할 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 생물막발효조는 기존의 혐기성 소화공정에서와 달리 산 생성단계만을 거치도록 고안됨으로써, 상기 혐기성 소화공정의 가장 큰 단점중의 하나인 긴 체류시간을 획기적으로 줄이면서도 동시에 후속공정에서의 영양염류 처리효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

이외에도, 처리시스템 최후단의 호기성여상을 통하여 잔류 유기물질 및 부유물질을 제거함으로서 고농도 유기성 폐수의 처리 안정성을 높일 수 있으며, 생물막발효조와 호기성여상에 충진된 여재로 재생골재를 사용하여 폐자원의 재활용을 유도함과 동시에 골재의 pH 완충효과와 알칼리도 공급 능력을 이용하여 산 생성균의 최적 성장환경을 유지시켜 줌으로써 산 발효 효율을 제고할 수 있는 효과가 있다.

뿐만 아니라, 본 발명에 따른 처리 시스템이 전반적으로 생물학적 공정들로 구성되어 있어 유지관리에 드는 비용을 최소화 할 수 있을 뿐만 아니라 안정적인 처리수질의 확보가 가능하다는 점도 본 발명의 중요한 효과중 하나라고 할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고농도 유기성 폐수처리 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1: 생물막발효조 2: 재생골재

3: 습식가스미터 4: 혐기조

5: 무산소조 6: 호기조

7: 침전조 8: 호기성여상

9: 내부반송

Claims

고농도 유기성 폐수처리 시스템에 있어서,

유입 유기물의 1차 처리 및 고농도 유기성 폐수를 산발효시켜 휘발성 지방산을 생성하는 생물막발효조;

상기 생물막발효조에서 생성된 휘발성 지방산을 이용하여 인을 방출하는 혐기조;

상기 생물막발효조로부터 유입되는 미처리 유기물을 탄소원으로 하여 하기 호기조로부터 내부반송라인을 통해 유입된 질산 및 아질산의 탈질을 유도하는 무산소조;

유기물 제거와 질산화가 이루어지며, 상기 혐기조에서 방출된 인을 과잉섭취하여 인을 제거하는 호기조; 및

상기 호기조에서 이송된 유입수를 상징수와 미생물슬러지로 분리시키는 침전조; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고농도 유기성 폐수처리 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 생물막발효조는 재생골재로 충진된 것을 특징으로 하는 고농도 유기성 폐수처리 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 생물막발효조는 수리학적 체류 시간을 조정하여 적정량의 휘발성 지방산 생성 단계만 거치도록 운영되는 것을 특징으로 하는 고농도 유기성 폐수처리 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 침전조에서 분리된 상징수를 유입하여 잔류 유기물을 제거하고 안정적인 유출수를 배출하도록 하는 호기성 여상; 을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고농도 유기성 폐수처리 시스템.
제 4항에 있어서,

상기 호기성 여상은 재생골재로 충진된 것을 특징으로 하는 고농도 유기성 폐수처리 시스템.