KR20050083097A - 혐기-무산소-호기성 여과 시스템을 이용한 소규모하·폐수 처리시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유량 및 수질의 변화가 심한 소규모 하수처리장에 적합하게 운전이 간단하고, 고형물 발생량이 적은 하수처리시스템이다. 하수를 침사지에서 유입하여 그릿(Grit)을 제거한 후, pre-anoxic filter에서는 혐기성 반응기에서 SS가 제거된 상등수와 질화균에 의해 Aerobic filter에서 질산화 된 처리수를 혼합하여 유기물 제거 및 탈질반응을 일으킨다. 상기 pre-anoxic filter에서는 여과, 흡착, 탈질반응 등에 의해 원수 내 유기물의 90%이상이 제거되어 Aerobic filter에서는 종속영양생물(heterotrophic bacteria)과 독립영양생물(autotrophic bacteria)와의 경쟁이 없이 독립영양생물인 질화균에 의해 질산화 반응을 안정적으로 수행 할 수 있다. 상기 혐기성 반응기의 하부에 축적된 슬러지 중 일부 VS(Volatile Solid) 성분은 소화(digestion)작용에 의해 산화 및 메탄화되어 탈질에 필요한 탄소원으로 사용된다. 소화작용으로 인해 제거된 슬러지내 VS 만큼 슬러지가 감소되어 하수처리시 발생되는 고형물의 양을 감소시킬 수 있다. post-anoxic filter 에서는 외부 및 내부 탄소원을 이용한 탈질반응이 진행되고, filter 내 생물막 형성으로 SS 및 탁도를 제거 할 수 있다.

Description

혐기-무산소-호기성 여과 시스템을 이용한 소규모 하·폐수 처리시스템{Small sewage treatment system with an anaerobic, anoxic, aerobic combined biofilters}

본 발명은 유입유량 및 수질의 변화가 심한 소규모 하수처리장의 하·폐수로부터 유기물과 질소 및 고형물 발생량을 감소시키는데 적합한 하·폐수 처리 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 하·폐수 중에 존재하는 유기물질 뿐만 아니라 질소제거와 동시에 하·폐수 처리시 발생되는 고형물의 양을 감소시키는데 적합한 하·폐수 처리시스템에 관한 것이다.

일반적으로 COD(Chemical Oxygen Demand)란 화학적 산소요구량을 지칭하는 것으로 하·폐수의 유기물 함유도 측정을 위한 중요한 척도이다. COD 측정은 BOD와 마찬가지로 유기물을 간접적으로 측정하는 방법인데 이는 유기물을 화학적으로 산화시킬 때 얼마만큼의 산소가 화학적으로 소모되는가를 측정하는 방법이다. COD 시험은 BOD 시험이 5일이나 걸리는 것과는 달리 2시간으로 측정이 가능하다. 이러한 이유로 BOD 값을 모르는 하·폐수에 COD가 흔히 적용된다. TKN이란 질소 및 인의 총 농도를 말한다. 따라서, COD/TKN 비가 낮은 하·폐수란 유기물질에 비해 질소 및 인 성분이 많은 하·폐수를 말한다. SS(Suspended Solid)란 부유성 고형물의 양으로서 하·폐수 중에 포함된 고형물의 양을 측정하는 방법으로 강열잔류고형물(FS)과 휘발성고형물(VS)을 포함한다.

본 발명은 하·폐수 처리방법 및 그 시스템에 따라 처리되는 하·폐수는 도시하수, 가축 폐수, 농업폐수 및 산업폐수 등을 포함하는 것이다. 이 하·폐수에는 BOD(Biological Oxygen Demand) 성분이라고도 불리는 유기물질 뿐만 아니라 질소 및 인을 포함하는 영양염류 성분이 존재한다.

여기서 영양염류란 유기물 분해를 일으키는 미생물의 생육과 증식에 필요한 무기성 원소로서, 이들 중 특히 질소 화합물과 인산염은 생물 세포형성과 에너지 대사를 위하여 연속적으로 공급되어야 하는 원소이다. 그러나 이러한 질소나 인등의 영양염류가 증가하면 생태계의 균형이 파괴되면서 부영양화 현상이 발생하는 문제점이 있다.

이러한 부영양화 발생의 원인이 되는 질소 발생원으로는 생활하수와 공장폐수 및 농업폐수를 들 수 있다. 생활하수에는 유기 질소 화합물로서 단백질, 펩타이드, 아미노산 및 요소가 포함되어 있으며, 무기 질소 화합물로서 암모늄이온과 소량의 암모니아가 포함되어있다. 폐수에 포함되는 질산염 형태의 산화질소는 공업폐수 혹은 농업폐수로부터 발생된 것이다. 비료에 사용되어진 질산염과 암모늄 화합물은 대부분 수용성인데 음이온인 질산이온은 토양의 이온교환 자리에 약하게 결합되어 있다가 물에 씻겨져 냇물 또는 호수로 유입된다.

유기질소 화합물 형태 혹은 질소는 물속에서 미생물의 작용을 아질산염 혹은 질산염으로 산화되면서 물 속의 산소를 소모시킨다. 아질산염 혹은 암모니아는 어류에 치명적인 영향을 미친다.

인산염 비료의 사용량은 질소질 비료의 절반정도에 지나지 않으며 또한 인산염은 불용성이므로 농업폐수에 포함되는 인의 함량은 매우 적다. 오히려 인의 주요 발생원은 합성세제로서 수중생태계로 흘러드는 인의 30∼40%가 이에 속한다. 인산염은 합성 세제의 충진제(builder)로 사용되어 계면활성제와 더불어 세척작용에 상승효과를 일으키는 것으로 합성세제의 큰부분을 차지한다. 합성세제의 사용량이 날로 늘어감에 따라 인산염이 하수 중에서 차지하는 비중이 점점 증대하고 있다.

이러한 질소나 인이 저수지 등의 수역에 축적되면 부영양화(Eutropication)가 일어나는 문제가 발생한다. 부영양화는 질소나 인 성분이 저수지 등의 수역으로 유입되어 질 때 이들 질소나 인을 먹이로 하는 조류(algae)등의 미생물이 과잉 번식되면서 일어나기 시작되는 현상이다. 따라서 부영양화를 근본적으로 방지하기 위해서는 하·폐수 내의 영양염류 성분이 호소나 하천 등의 수역으로 유입되기 전에 제거되어져야한다.

하 · 폐수 처리시 발생되는 고형물의 발생원으로는 호기, 무산소, 혐기성 반응에서 발생되는 세포합성과 매우 미량이기는 하지만 질산화 반응에 의해 발생되는 질화균등이 있고, 슬러지를 감소시키는 요인으로는 혐기성 소화, 프레데터( predator)에 의한 슬러지 섭취, 호기성 산화와 같은 경제적이고도 2차 오염이 적은 생물학적인 방법이 대두되고 있다. 하지만 종래의 하·폐수 처리방법은 유기물질을 제거하기 위해 고안되어진 것으로 동시에 질소 성분과 발생되는 슬러지를 제거하기에는 미흡한 점이 있다. 특히, 유량 및 수질 변동이 심한 소규모 하·폐수처리에 적용하기에는 여러 가지 문제점이 있다. 구체적으로 기존의 처리방법에 의할 경우 도시하수의 질소 제거율이 10∼40%에 불과하며, 슬러지 제거와 2차오염이 적은 생물학적 처리보다는 처리비용이 큰 물리·화학적 처리에 의존하고 있다.

이러한 종래의 하·폐수 처리 시스템에서는 원수가 침사지를 거쳐 1차침전지를 지나면서 침전성이 양호한 부유성 물질(SS: Suspended Solids)이 1차 슬러지(Primary sludge)로 침전 제거된다. 이 1차 슬러지는 슬러지 처리시설로 이송되어 처리된다. 침전되지 않은 용존성 유기물질은 폭기조에서 미생물이 의하여 2차 슬러지로 합성되어 제거된다. 이 2차 슬러지는 약 90% 정도의 유기물을 함유하는데, 이 2차 슬러지를 통상 활성 슬러지라 한다. 이 활성슬러지는 혼합액 휘발성 부유고형물(MLVSS: Mixed Liquid Suspended solids)이라 불리기도 한다. 상기 활성 슬러지는 2차 침전지에서 고액 분리되면서 상등수는 유출되고 침전된 2차 슬러지의 일부는 반송관을 통하여 폭기조로 반송되며 나머지 침전 슬러지는 슬러지 처리시설로 이송되어 처리된다. 상기 과정을 연속적으로 반복하면서 하·폐수 내의 오염물질이 정화되어 진다.

상기한 종래의 하·폐수 처리시스템은 용존 유기물질의 제거를 주된 목적으로 설계된 것이기 때문에 수역 부영양화의 요인이 되는 질소나 인과 같은 영양염유의 제거에는 부적합한 문제점이 있다. 특히, 국내 유입하수의 BOD가 낮고 암모니아성 질소(NH₄ ⁺-N)성분의 비율이 높기 때문에 상기 문제점은 더욱 심각한 것이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서,

본 발명의 목적은 하수처리시 발생되는 고형물의 발생량을 최소화시키고, 영양염류를 제거하기 위한 하·폐수 처리방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 상기 하·폐수 처리방법을 수행하는데 특히 적합한 하·폐수 처리시스템을 제공하는 데에 있다.

즉, 혐기성 필터(pre-anoxic filter)에서는 혐기성(anaerobic)반응기에서 SS가 제거된 상등수, 질화균에 의해 호기성 필터(Aerobic filter)에서 질산화 된 처리수를 혼합하여 유기물 제거 및 탈질반응을 일으키고, 상기 혐기성필터(pre-anoxic filter)에서는 여과, 흡착, 탈질반응 등에 의해 원수 내 유기물의 90%이상이 제거되어 호기성 필터(Aerobic filter)에서는 종속영양생물(heterotrophic bacteria)과 독립영양생물(autotrophic bacteria)과의 경쟁이 없이 독립영양생물인 질화균에 의해 질산화 반응을 안정적으로 수행 할 수 있으며, 상기 혐기성 반응기의 하부에 축적된 슬러지 중 일부 VS(Volatile Solid) 성분은 소화(digestion)작용에 의해 산화 및 메탄화되어 탈질에 필요한 탄소원으로 사용되어, 소화작용으로 인해 제거된 슬러지내 VS 만큼 슬러지가 감소되어 하수처리시 발생되는 고형물의 양을 감소시킬 수 있으며, 혐기성필터(post-anoxic filter)에서는 외부탄소원을 주입하여 추가 탈질반응으로 인한 질소제거 및 필터(filter) 내 생물막 형성으로 SS 및 탁도를 제거 할 수 있는, 하수처리시 발생되는 고형물의 발생량을 최소화시키고, 영양염류를 제거하기 위한 하 · 폐수 처리방법 및 이를 수행하기 위한 하 · 폐수처리 시스템을 제공하는데 본 발명의 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은;

혐기-무산소-호기성 생물여과 방법을 사용하는 소규모 하 · 폐수 처리 방법에 있어서, 혐기성 생물 여과 반응조로 원수를 유입시켜 SS가 제거된 상등수와, 호기성 생물 여과조로부터 질산화된 처리수를 상기 혐기성 생물여과 반응조로 유입하여 체류시켜 탈질 및 소화 반응을 시키후 발생되는 슬러지는 유출시키고, 미 반응수는 다시 호기성 생물 여과조로 반송시키고, 상기 호기성 생물여과조에서의 발생 슬러지와 최종처리수를 배출시킴을 특징으로 하는 소규모 하 · 폐수처리 방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 소규모 하 · 폐수 처리방법을 수행하기에 적합한 소규모 하 · 폐수 처리시스템에 있어서, 원수 유입구와 슬러지 배출구가 있으며 모터로작동 하는 교반기를 갖추고 내부에는 소화조에 필터조로 이루어지는 혐기성 생물여과 반응조와, 상기 혐기성 생물여과 반응조와 반송관들로 연결되며, 외부 송풍기에 의해 유입되는 공기를 확산시키는 확산기를 갖추고 있으며, 슬러지 배출구와 최종수 유출구가 있고 내부에 메디아를 담고 있는 호기성 생물 여과조로 구성되는 소규모 하 · 폐수 처리 시스템을 제공한다.

상기에서 혐기성 생물여과 반응조 내의 필터는 혐기성 필터이며, 상기 소화조에는 폴링형 담체가 충진 되어 있게 함이 바람직하다.

이하에서는 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 기술한다.

먼저 처리하고자 하는 원수는 혐기성 생물여과 반응조(100)의 원수 유입구(101)를 통해 혐기성 생물여과 반응조(100)로 유입되고, 이 때 호기성 생물여과조(200)로부터 질화균에 의해 호기성 필터(201)인 메디아에서 질산화된 처리수가 반송관(301)을 통해 동시에 혐기성 생물여과 반응조(100)로 유입된다.

이렇게 혐기성 생물여과 반응조(100)로 유입된 원수는 반응조(100)내의 소화조(102)에서 SS가 제거되고, 호기성 생물여과조(200)로부터 유입된 처리수와 혼합되어 반응조(100)내에서 혼합되어 유기물 제거 및 탈질 반응을 일으키고, 반응조(100)내의 무산소조인 필터조(103)에서의 혐기성 필터에 의해 여과, 흡착, 탈질 및 소화 반응에 의해 원수내의 유기물이 90%이상 제거되게 된다. 여기서 발생하는 슬러지는 슬러지 배출구(104)에 의해 배출되게 되고, 미반응수인 암모니아는 이송관(302)을 통해 다시 호기성 생물여과조(200)로 반송된다.

또한 반응조(100)에서의 반응을 원활히 하기 위해 모터(M)를 통해 호기성 생물여과조(200)에서는 송풍기(205)에 의한 공기가 유입되어 확산기(203)를 통해 여과조 내로 공기를 불어 넣고, 여과조(200)에서 발생된 슬러지는 슬러지 배출포트(202)를 통해 배출하고, 최종수는 최종수 유출관(204)을 통해 배출하게 된다.

상기와 같은 시스템에서, 혐기성 생물여과조(100)에서의 체류시간과 호기성 생물여과조(200)에서의 체류시간은 각각 12시간으로 함이 좋다.

표 2 와 같은 조건으로 본원발명을 실시해 본 결과를 표 1에 나타내었다.

호기성, 혐기성 생물여과조에는 효과적인 질산화와 탈질을 유도하기 위해 지름이 각각 1.5, 1 inch 인 폴링형 플라스틱 담체가 충진되어 있다. 혐기 소화반응조에는 슬러지 농도의 균일한 Gas 발생으로 인한 슬러지 부상을 막기 위하여 10rpm의 교반기가 설치되어 있다. 또한, 호기성 생물여과조에서 발생된 슬러지는 슬러지 감소와 탈질을 위한 탄소원으로 사용되기 위하여 혐기성 소화조로 반송되고, 각 반응조의 슬러지 농도는 슬러지 배출구를 설치하여 일정하게 유지하였다. 이러한 본 발명은 하·폐수 처리방법에 따라 유기물질(COD) 313mg/L, 총질소(T-N)47.7mg/L, 총인(T-P)6.71mg/L 농도인 도시하수를 유입시킨 결과, 유기물질은 20mg/L, 총질소는 17.9mg/L, 총인은 1.71mg/L로 감소함을 관찰할 수 있었으며, 그 제거효율은 94%, 62.5%, 74.5%이였다.

표 1. 본 발명을 이용한 영양염류 처리 성과

구 분	유 입	유 출	제거율
유 기 물(COD)	313mg/L	20mg/L	94%
총질소(T-N)	47.7mg/L	17.9mg/L	62.5%
총인(T-P)	6.71mg/L	2.71mg/L	59.6%

Return ratioItem	1Q		2Q		3Q
	Inf	Eff	Inf	Eff	Inf	Eff
TCOD	313	20	393	17.9	372	21.9
SS	240	2.2	329	4.1	233	3.4
BOD5	150	6.5	171	5.9	164	7.3
T-N	47.7	17.9	58.4	18.5	57.2	17.3
Turbidity(NTU)	240	1.5	315	2.1	253	1.8

표 2. Operation conditions and media properties

	Values
HRT	Anaerobic, anoxic tank : 12hr(involved anoxic filter : 5hr)
	Aerobic tank : 12hr(DO : 4∼7mg/L)
Recycle ratio	100∼300%

Parameter	Anoxic filter	Aerobic filter
Description	Pall ring(Producted by Gu-jin chemical)
Size(inch)	1.5	1

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 유기물질과 인뿐만 아니라 국내 하·폐수에서 문제가 되고 있는 암모니아성 질소를 동시에 제거할 수 있는 효과가 있으며, 운영이 간편하고 하·폐수의 성상과 기후적인 특수성에 대하여 유연성 있는 대응이 가능하며 내부순환 등에 의한 동력소비를 절감할 수 있고 제한된 유기물질을 최대한 이용하여 영양염류 제거를 향상시켜 운영비가 절감되는 효과가 있는 것이다. 또한, 혐기성 반응조에서의 탈질반응에 대한 유기물의 사용과 Media의 부착식 미생물을 이용함으로 슬러지 발생량이 감소하게 되어 소규모 하·폐수 처리 시스템으로 소요부지 절감 및 운전비용 및 동력소비를 절감 할 수 있다.

도 1 은 하·폐수 처리시스템 및 방법을 설명하기 위하여 도시화한 공정도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 혐기성 생물여과 반응조 101 : 원수 유입구

102 : 소화조 103 : 필터조

104 : 슬러지 배출구 200 : 호기성 생물 여과조

201 : 호기성 필터 202 : 슬러지 배출 포트

203 : 확산기(산기석) 204 : 최종수 유출관

205 : 송풍기 301 : 반송관

302 : 이송관

Claims (3)

1. 소규모 하· 폐수를 처리하기 위한 방법에 있어서,

   혐기-무산소-호기성 생물여과 방법을 사용하는 소규모 하 · 폐수 처리방법으로서 혐기성 생물여과 반응조 하부로 원수를 유입시켜 침전 및 소화반응에 의해 SS를 제거하고, 상등수와 호기성 생물 여과조로부터 반송된 질산화 된 처리수를 상기 혐기성 생물여과 반응조에서 체류시켜 탈질반응을 시킨 후 제거되지 않은 암모니아성 질소는 호기성 생물여과조로 유입되고, 상기 호기성 생물여과조에서의 질산화가 진행되는 것을 특징으로 하는 소규모 하 · 폐수 처리 방법.
2. 제 1항의 방법을 실시하기 위한 시스템에 있어서,

   원수 유입구와 슬러지 배출구가 있으며 모터로 작동하는 교반기를 갖추고 내부에는 소화조와 필터조로 이루어지는 혐기성 생물여과 반응조와,

   상기 혐기성 생물여과 반응조와 반송관들로 연결되며, 외부 송풍기에 의해 유입되는 공기를 확산시키는 확산기를 갖추고 있으며, 슬러지 배출구와 최종수 유출구가 있고, 내부에 메디아를 담고 있는 호기성 생물여과조로 구성됨을 특징으로 하는 소규모 하 · 폐수처리시스템.
3. 제 2항에 있어서, 혐기성 생물여과 반응조 내의 필터는 혐기성 필터이며, 상기 소화조에는 폴링형 담체가 충진되어 있음을 특징으로 하는 소규모 하 · 폐수처리시스템.