KR20060081804A

KR20060081804A - 단계적으로 운영되는 연속회분식 폐수처리장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20060081804A
Application number: KR1020050002219A
Authority: KR
Inventors: 이찬원; 원성연
Original assignee: 학교법인 한마학원
Priority date: 2005-01-10
Filing date: 2005-01-10
Publication date: 2006-07-13
Also published as: KR100632487B1

Abstract

본 발명은 폐수의 생물학적 처리시 SBR반응조를 3개로 운영하여 유기물 흡착후 미생물은 흡착한 유기물을 탈질반응에 이용하고 유기물농도가 낮아진 폐수는 미생물과 분리되어 질산화 반응조로 유입하게 하여 최적의 질산화 반응과 탈질산화 반응을 유도하여 폐수 중 영양염류 처리효율을 극대화 시키기 위한 연속 회분식 폐수처리장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 폐수의 정화 방법은 부영양화의 원인이 되고 있는 질소 및 인의 처리가 가능하며, 유입폐수의 유기물을 최대한 미생물에 흡착하여 이를 이용함에 따라 질소 및 인의 제거효율을 극대화 시킬 수 있다.

폐수처리, 질산화 반응, 탈질산화 반응, 메디아, 부착성장 미생물, SBR

Description

단계적으로 운영되는 연속회분식 폐수처리장치 및 그 방법{Gradually operated sequencing batch reactor and method thereof}

도 1은 본 발명의 정화공정을 나타낸 개략도이다.

도 2는 도 1을 구체적인 운영조건에 따라 상세하게 나타낸 개략도이다.

도 3은 기존 SBR-I과 본 발명에 의한 SBR-II 공정의 운영시 유기물 농도변화를 나타내는 그래프이다.

도 4는 기존 SBR-I과 본 발명에 의한 SBR-II 공정의 운영시 유기물의 평균 유출농도를 나타내는 그래프이다.

도 5는 기존 SBR-I과 본 발명에 의한 SBR-II 공정의 운영시 유기물 제거효율을 나타내는 그래프이다.

도 6은 기존 SBR-I과 본 발명에 의한 SBR-II 공정의 운영시 TKN(유기질소+암모니아성 질소) 농도변화를 나타내는 그래프이다.

도 7은 기존 SBR-I과 본 발명에 의한 SBR-II 공정의 운영시 질산염(NO3-N)의 유출 농도를 나타내는 그래프이다.

도 8은 기존 SBR-I과 본 발명에 의한 SBR-II 공정의 운영시 총질소(TN)의 평균 유출농도를 나타내는 그래프이다.

도 9는 기존 SBR-I과 본 발명에 의한 SBR-II 공정의 운영시 총질소(TN)의 제 거효율(%)을 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 혐기성 반응조 1a : 유입단계

1b : 혐기성 반응단계 1c : 침전단계

1d : 유출단계 2 : 질산화 반응조

2a : 유입단계 2b : 호기성 반응단계

2c : 유출단계 3 : 간헐폭기 반응조

3a : 유입단계 3b : 무산소성 반응단계

3c : 호기성 반응단계 3d : 침전단계

3e : 유출단계 4 : 저류조

s : 교반기 m : 메디아

DO : 용존산소

본 발명은 폐수의 생물학적 처리시 SBR반응조를 3개로 운영하여 유기물 흡착후 미생물은 흡착한 유기물을 탈질반응에 이용하고 유기물농도가 낮아진 폐수는 미생물과 분리되어 질산화 반응조로 유입하게 하여 최적의 질산화 반응과 탈질산화 반응을 유도하여 폐수 중 영양염류 처리효율을 극대화 시키기 위한 폐수처리 방법및 이를 이용한 장치에 관한 것이다.

폐수중 영양염류를 제거하기 위한 종래의 방법으로는 물리 및 화학적 처리방법과 미생물을 이용한 생물학적 처리 방법으로 나누어 적용되고 있다. 물리화학적 처리방법으로는 응집제를 이용한 약품 처리 방법과 Struvite(MgNH4PO4) 형성에 의한 질소 및 인의 결정화 방법 및 암모니아성 질소를 기체로 변화시켜 제거하는 암모니아 stripping 법이 있다. 이러한 방법은 처리시간이 빠른 장점이 있는 반면 계속적인 약품 투입에 의한 처리비용 증대 등의 단점도 있다.

한편 미생물을 이용한 생물학적 처리방법으로는 질소 와 인을 나누어 생각해 볼때, 우선 질소를 미생물에 의해 제거하기 위해서는 질산화 반응의 선행 이후 탈질산화 반응에 의해 수중에 존재하는 암모니아성 질소를 기체상 질소(N₂ 기체)로 변화하여 대기중으로 탈기 시키는 기법을 이용하고 있다. 한편 인을 제거하기 위해서는 혐기성 조건에 미생물이 세포외로 인을 방출하고 다시 호기성 조건에서 기 방출되었던 인을 세포내로 과잉 섭취하는 기작을 이용하고 있다. 따라서 질소 및 인을 제거하기 위해서는 질산화 반응, 탈질산화 반응, 인의 방출, 인의 섭취 기작에 요구되는 혐기성, 무산소성 및 호기성 조건이 필요하며, 인의 방출과 탈질반응에 필요한 유기물이 있어야 효과적인 제거가 가능하다.

이러한 미생물반응을 이용하여 기존에 개발된 공정으로는 A/O, A2/O, UCT, VIP 및 Bardenpho 등이 있으며, 상기공정들은 종래 유기물만을 제거하기 위한 활성 슬러지법에 추기로 반응조를 설치하고 운영조건을 개선하여 폐수 중 유기물 뿐 만 아니라 질소 및 인의 처리가 가능하도록 한 공정들이다. 상기 공정들은 선진국에서도 널리 이용되고 있으나 유입폐수의 성상 및 운영조건에 따라 처리효율이 다르며, 각 공정들은 폐수 성상에 따라 장단점이 있어 현재도 많은 연구자들이 계속적으로 단점을 개선하여 보다 처리효율이 높은 공정을 개발하고 있는 실정이다. 이는 같은 폐수를 처리하더라도 처리공정 및 운영상태가 다름에 따라 미생물의 유기물, 질소 및 인의 처리효율이 다르기 때문이다.

각 공정별 침전조를 제외한 반응조의 구성은 다음과 같다. 우선 A/O 공정은 혐기성 반응조, 호기성 반응조로 구성되어 있다. A2/O은 혐기성 반응조, 무산소성 반응조, 호기성 반응조, UCT 및 VIP공정은 A2/O공정과 같이 혐기성 반응조, 무산소성 반응조, 호기성 반응조로 구성되어 있으나 반응조의 내부순환 및 슬러지의 반송등이 A2/O공정과 다소 차이가 있다. Bardenpho 공정은 4단 및 5단으로 구별되는데 5단인 경우 혐기성 반응조, 무산소성 반응조, 호기성 반응조, 무산소성 반응조 및 호기성 반응조로 구성되어있어 A2/O공정 후단에 무산소성 반응조 및 호기성 반응조가 추가로 설치되어 있다. 상기 공정들은 반응조의 개수와 운영상 내부반송 및 슬러지의 반송 등이 다른 특징을 갖고 있다.

생물학적으로 질소를 제거하기 위한 기작으로는 질산화 반응과 탈질산화 반응이 요구된다. 이미 개발된 상기공정에서와 같이 질산화 반응에 요구되는 호기성 반응조와 탈질산화 반응에 요구되는 무산소성 반응조를 적절하게 조합하여 폐수 중 영양염류를 처리하고 있으며, 상기공정들은 기술적으로 전-탈질공정(pre- denitrification) 과 후-탈질공정(post-denitrification)으로 설명될 수 있다. 한편 질소를 제거하기 위한 질산화 반응은 질산화균(자가영양미생물군)에 의해 용존산소를 소비하면서 아래의 반응 식(1) 및 (2)와 같이 2단계로 진행된다.

NH4+ + 1.5 O2 → NO2- +H2O + 2H+ (1)

NO2- + 0.5 O2 → NO3- (2)

상기 질산화 반응은 Nirosomonas 및 Nitrobacter와 같은 자가영양미생물(Autotrophics)이 반응을 진행시키며, 이러한 미생물들은 탄소원으로 무기탄소를 이용하고 무기성 질소화합물을 산화시킴에 의해 에너지를 얻는다. 반면 활성슬러지내의 타가영양미생물(Heterotrophics)들은 폐수중 BOD성분과 같은 유기물을 산화하여 에너지를 얻는다.

또한, 탈질산화 반응은 산소가 존재하지 않는 무산소성 조건에서 유기물 분해시 산소대신 질산염(NO3-) 및 아질산염(NO2-)을 질소가스로 환원시키는 반응이며, 이는 유기물을 분해할 때 상기 질산염(NO3-) 및 아질산염(NO2-)을 전자수용체(electron acceptor)로 이용하여 질소가스로 환원시키는 반응이다. 아래의 식(3)과 같은 순서에 따라 진행되며, 활성슬러지에서 기타 유기물 분해에 관여하는 타가영양미생물(heterotrophics)에 의해 진행된다.

NO3- → NO2- → NO → N2O → N3 (3)

이와 같이 탈질반응에서는 질산성 질소가 질소가스로 환원되며 이때 미생물은 전자공여체(electro donor)가 필요하게 된다. 사용되는 전자공여체는 폐수중의 유기물이 가용한 경우 폐수 중 유기물 특히 생물학적으로 분해 가능한 BOD성분이 이용 될 수 있으며, BOD성분이 낮거나 기타 호기성 조건에서 이미 분해된 상태라면 외부에서 인위적으로 유기물을 주입해 줄 필요가 있다. 외부에서 유기물(전자공여체)을 주입시켜주는 경우라면, 예를 들어 초산, 구연산, 아세테이트, 메탄올 및 포도당 과 같이 미생물이 쉽게 이용 가능한 물질을 주입하는 것이 바람직하며, 폐수처리공정에서 경제성을 고려하여 메탄올을 주입해서 운영하고 있다.

전-탈질공정은 무산소성 반응조 및 호기성반응조의 순서로 배열하여 폐수의 유입→탈질산화 반응→질산화 반응→유출의 순서로 반응이 진행되며 호기성 반응조에서 무산소성 반응조로 계속되서 내부반송되어 운영된다. 일반적으로 반송율은 유입폐수의 유량이 1Q로 운영될 때, 4Q의 유량으로 내적 순환이 일어난다. 폐수 중 암모니아성 질소(NH4+)는 호기성 반응조에서 질산화가 완료되어 질산염(NO3-)으로 산화되며, 산화된 질산염(NO3-)은 내부반송에 의해 무산소성 반응조로 이송되어 탈질산화 반응이 진행되어 최종 질소 가스로 전환되어 제거된다. 이때 미생물이 필요로 하는 전자공여체는 폐수 중 유기물을 이용하는 장점을 가지고 있다.

반면에, 후-탈질 공정은 호기성 반응조 및 무산소성 반응조의 순서로 배열하여 폐수의 유입→질산화 반응→탈질산화 반응→유출의 순서로 반응이 진행된다. 호기성 반응조에서 질산화 반응을 진행시킨 후 무산소성 반응조에서 탈질산화 반응을 진행시키고 있다. 이때 내부순환 장치는 요구되지 않지만 탈질산화 반응시 폐수 중 유기물이 호기성 반응조에서 상당부분 소모되기 때문에 외부에서 인위적으로 탈질산화 반응에 필요한 전자공여체를 주입해주어야 하는 단점이 있다.

폐수 중 인의 제거는 혐기성 조건에서 인 제거에 관여하는 미생물이 유기물의 흡착을 위한 인의 방출을 먼저 수행하고 후속되는 호기성에서 인의 과잉섭취가 이루어지도록 한다. 인의 방출은 완전 혐기성 즉, 용존산소 와 질산염 및 아질산염과 같은 결합상의 산소도 존재하지 않은 조건과 폐수중 흡착할 수 있는 유기물이 있는 조건에서 빠르게 진행되며, 이후 호기성 조건에서 기 흡착한 유기물을 분해하면서 방출되었던 인을 과잉 섭취하여 제거된다. 인의 방출 속도가 크면 클수록 후속되는 호기성 상태에서 인의 과잉 섭취가 진행된다. 인은 대기로 방출되는 물질이 아니며, 미생물 세포내로 섭취를 극대화한 후 일정량 미생물을 폐기 시켜 전체 시스템에서 인을 제거한다.

질소와 인을 동시에 처리하기 위해서는 위에 열거한 요구환경을 모두 갖추어야 하며, 기 발명된 여러 공정들은 각각 장단점은 있지만 기본적인 요구조건을 가지고 있다. 본 발명에서는 미생물 분리방법을 이용하여 상기조건의 충족은 물론 기존 질산화 율을 5배이상 빠르게 진행시킬 수 있으며, 폐수 중 유기물이 호기성 조건에서 분해되지 않고 무산소성 반응조로 유입되어 탈질반응에 필요한 전자공여체로 이용될 수 있도록 구성하였으며, 전체 반응조 구성은 침전조를 필요로 하지 않는 SBR공정으로 구성하여 유입수의 C/N비가 낮은 소규모하수처리장에 쉽게 적용할 수 있도록 방법을 제공한다.

본 발명은 상술한 문제점을 극복하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 폐수의 생물학적 처리시 SBR반응조를 3개로 운영하여 유기물 흡착후 미생물은 흡착한 유기물을 탈질반응에 이용하고 유기물농도가 낮아진 폐수는 미생물과 분리되어 질산화 반응조로 유입하게 하여 최적의 질산화 반응과 탈질산화 반응을 유도하여 폐수 중 영양염류 처리효율을 극대화 시키는 연속 회분식 폐수처리방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 연속 회분식 폐수처리방법을 통해 운영되는 연속 회분식 폐수처리장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 유입기, 혐기성 반응기, 침전기, 유출기의 순서로 운영되는 혐기성 반응조와; 유입기, 호기성 반응기, 유출기의 순서로 운영되는 질산화 반응조; 유입기, 무산소성 반응기, 호기성 반응기, 침전기, 유출기의 순서로 운영되는 간헐폭기 반응조 및 침전된 슬러지를 저류하는 저류조로 구성되고, 상기 저류조에서 슬러지를 혐기성 상기 혐기성 반응기의 유입기에 반송하기 위한 반송라인 및 상기 혐기성 반응조에서 각각 유기물의 농도가 낮아진 폐수는 상기 간헐폭기 반응조로 이송하고, 유기물을 흡착한 침전슬러지는 상기 질산화 반응조에 이송하는 이송라인을 구비하는 것을 특징으로 하는 연속 회분식 폐수처리장치에 관한 것으로 보다 상세 하게는, 상기 질산화 반응조에는 고정화 미생물이 충진된 담체가 배치되고, 상기 저류조의 후단에는 여과 및/또는 소독 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 회분식 폐수처리장치를 제공한다.

또한 상기 연속 회분식 폐수처리장치를 운영하기 위해 유입단계, 혐기성 반응단계, 침전단계, 유출단계의 순서로 운영되는 혐기성 반응공정과; 유입단계, 호기성 반응단계, 유출단계의 순서로 운영되는 질산화 반응공정; 유입단계, 무산소성 반응단계, 호기성 반응단계, 침전단계, 유출단계의 순서로 운영되는 간헐폭기 반응공정 및; 침전된 슬러지를 저류하는 저류단계로 운영되고, 상기 혐기성 반응단계에는 폐수와 저류조에 저장되었던 반송슬러지를 유입시켜 일정시간 혐기성 반응시킨 후 폐수중 유기물을 흡착한 침전 슬러지와 유기물의 농도가 낮아진 폐수를 분리하되, 침전된 슬러지는 상기 간헐폭기 반응단계로 유출시켜 탈질 및 탈인 반응을 진행시키고, 유기물의 농도가 낮아진 폐수는 상기 질산화 반응단계로 유출시켜 질산화 반응조에 질산화균이 우점종화 되도록 하여 질산화 반응을 진행시키는 것을 특징으로 하는 연속 회분식 폐수처리방법을 제공하며 보다 상세하게는, 상기 저류단계의 다음으로 여과 및/또는 소독 단계가 더 포함시키는 것을 특징으로 하는 연속 회분식 폐수처리방법을 제공한다.

이하 본 발명에 따른 연속회분식 폐수처리장치 및 그 방법을 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하도록 한다.

본 발명은 혐기성 반응조(1), 질산화 반응조(2), 간헐폭기 반응조(3) 및 저 류조(4)의 순서로 구성되며 상기 저류조(4) 후단에는 여과 및/또는 소독 장치를 더 구비할 수 있다. 슬러지의 저장목적인 저류조(4)를 제외한 나머지 반응조는 SBR형태의 반응조로서 폐수의 유입-반응-침전-유출의 순서로 단계별 운영되도록 한다.

우선 혐기성 반응조(1) 및 간헐폭기 반응조(3)는 미생물 반응시 부유성 미생물을 이용하나, 질산화 반응조(2)에서는 질산화 균을 선택적으로 많이 성장 할 수 있게 하기 위해 메디아(m)를 주입하여 부착성 성장형태로 운영되도록 구성하였다. 따라서 부착성 성장형태의 질산화 반응조는 반응조 운영상 별도의 침전시간이 요구되지 않으며, 유출시 메디아의 유출을 막기 위한 스크린이 유출관에 설치되어 있다.

도 1은 본 발명에 의한 폐수의 정화공정을 나타낸 개략도이며, 도 2는 운영조건에 따라 본 발명의 정화공적을 상세하게 나타낸 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 폐수의 정화 장치는 혐기성 반응조(1), 질산화 반응조(2), 간헐폭기 반응조(3) 및 저류조(4)를 포함한다. 각각의 반응조는 서로 연결되어 있으며, 슬러지 저류를 목적으로 한 저류조(4)를 제외한 반응조들은 연속회분식(SBR)형태로 일정시간 유입 후 미생물과의 반응 및 유출 단계로 운영된다. 본 발명에 의한 장치는 혐기성 반응조(1)에서 미생물 반응 및 침전 후 상층에 존재하는 상등수와 하층에 침전된 슬러지를 각각 질산화 반응조(2) 및 간헐폭기 반응조(3)로 분리시켜 유입한다. 도 2에 도시된 바와 같이 운영상태를 중심으로 각 반응조의 운영상태 및 미생물과의 반응을 설명하면 다음과 같다. 우선 각 반응조별 운영단계 아래와 같다.

◇혐기성 반응조(1) : 유입→ 반응(비폭기)→침전→유출

◇질산화 반응조(2) : 유입→반응(폭기)→유출

◇간헐폭기 반응조(3) : 유입→반응(비폭기 및 폭기)→침전→유출

◇저류조(4) : 유입→휴지기→유출→여과 및 소독단계(미도시)

폐수는 저류조(4)로부터 혐기성 반응조로 이송된 미생물과 반응시키기 위해 혐기성 반응조(1)로 유입된다. 미생물과의 반응은 혐기성조건으로 유지하기 위해 비폭기 상태로 교반이 요구된다. 이때 미생물들은 산소가 없는 조건이기 때문에 폐수 중 유기물은 분해를 할 수 없으나, 세포내로 유기물을 흡수할 수 있다. 특히 Acinetobacter, Pseudomonas 및 Aeromonas 등과 같은 PAO(Phosphorus Accumulate Organism) group, 인 제거 미생물들은 외부 유기물을 세포내 PHB(poly-β-hydroxybutyric acid) 형태로 저장하고 정인산을 세포외로 방출한다고 보고되고 있다. 따라서 혐기성 반응기간 동안 폐수 중 유기물은 미생물 세포내로 저장되는 만큼 낮아지며, 인의 농도는 미생물 세포 방출에 의해 증가된다.

혐기성 반응 후 침전단계에 의해 상층에 존재하는 폐수와 하층에 존재하는 미생물 층이 구분된다. 침전 후 유기물 농도가 낮아진 폐수는 질산화를 위해 질산화 반응조(2)로 유입되며, 침전된 미생물들은 간헐폭기 반응조(3)로 유입시키도록 한다. 상층부의 폐수와 침전슬러지를 각각 다른 반응조로 이송하는 이유는 2가지 장점이 있는 바, 첫째, 유기물농도가 낮아진 폐수는 질산화반응을 보다 빠르게 진행 시킬 수 있고 둘째, 침전된 슬러지는 폐수 중 유기물을 흡착한 상태로 호기성 조건의 질산화 반응조(2)가 아닌 간헐폭기 반응조(3)로 이송되기 때문에 호기성 조건에서 유기물이 산화되는 것이 아니라 유기물을 탈질산화 반응에 전자공여체로 이용되는 장점이 있다.

질산화 반응은 Nitrosomonas 및 Nitrobacter군과 같은 질산화 균에 의해 진행되는데, 이러한 질산화 균은 자가영양 미생물(Autotrophics)로 유기물을 필요로 하지 않기 때문에 유기물의 농도가 높게 유입되는 조건에서는 자연스럽게 유기물 분해에 관여하는 타가영양 미생물(heterotrophics)의 성장을 촉진시켜 질산화균의 성장을 방해할 수 있다. 또한 질산화반응조(2)내 용존산소(DO)를 유기물 분해균이 소모할 수 있어 용존산소를 필요로 하는 질산화 균의 질산화 반응에 방해를 줄 수 있다. 따라서 질산화 반응조에 유기물의 농도가 낮아진 폐수를 유입시키도록 하는 운영방법은 질산화 반응을 빠르게 진행시킬 수 있으며, 질산화 반응을 빠르게 진행된다면 반응조의 크기도 작게 할 수 있는 장점이 있다.

또한 유기물농도가 낮은 폐수의 유입은 질산화 반응조(2)에 질화균을 농축 시킬 수 있으며, 질산화 반응조에(2)는 메디아(m)를 충진하여 상기 메디아 표면에 질산화 균의 성장이 가능하도록 하며, 부유성이 아닌 부착성 성장 형태로 질화균이 성장하기 때문에 슬러지 체류시간(SRT)이 길게 요구되는 질산화 균의 성장에 바람직한 조건으로 운영된다. 질산화 반응조(2)에서 유입된 폐수는 질산화 반응에 의해 폐수 중 암모니아성 질소가 질산염으로 전환되며, 전환된 질산염은 간헐폭기 반응조(3)로 유입된다. 간헐폭기 반응조(3)에는 또한 혐기성 반응조(1)에서 유출된 침전 슬러지와 함께 비폭기 및 폭기 반응이 진행된다. 첫 번째 비폭기 반응은 무산소 조건이 형성되어 탈질반응을 진행시키기 위함이다.

폐수중 질산염은 질소가스로 전환되는데 이때 필요로 하는 유기물(전자공여체)은 혐기성 반응조(1)에서 미생물이 세포내로 흡착한 유기물을 이용하여 원활하게 진행한다. 계속되는 반응인 폭기 반응에서는 호기성 조건이 형성되어 최종 잔류 유기물의 분해와 기 방출된 인의 흡수가 진행된다. 반응 후 침전단계로 미생물과 폐수를 분리하여 폐수는 유기물, 질소 및 인이 제거된 상태로 유출되며, 침전 슬러지는 저류조로 이송되어 일정량 폐기처분하고 다시 혐기성 반응조(1)로 유입되어 반복되는 정화 역할을 수행하도록 한다.

결국 본 발명은 폐수 중 유기물을 흡착한 미생물과 유기물의 농도가 낮은 폐수를 각각 구분하여 최적의 질산화 조건과 탈질산화 조건을 형성하는 것을 주요한 특징으로 한다.

이하에서는 기존 SBR공정과 본 발명에 의한 정화장치의 유기물 질소 및 인의 제거효율을 비교하여 더욱 구체화시키도록 한다.

실험예 1 : 종래의 SBR-I과 본 발명 SBR-II의 운영단계별 폐수의 체류시간

본 발명에 의한 SBR공정(SBR-II)과 기존표준 방식의 SBR공정(SBR-I) 간의 처리효율을 비교하기 위하여 동일폐수를 대상으로 각 공정의 적용폐수를 대상으로 한 안정화 이후 약 40일간 운영하여 결과를 비교하였으며 하기 조건들은 이하의 실험예들에 모두 적용된다. 구체적으로, 처리효율 비교시 외부환경조건 즉, 폐수의 성상(Table 1), 온도(20±2℃), pH(7.2±2), 수리학적 체류시간(HRT, hydraulic retention time), 슬러지 체류시간(SRT, sludge retention time) 등은 같은 조건으로 하여 비교 검토하였다. 각공정의 HRT는 12시간, SRT는 25일로 운영하였다. 반응조의 부피는 20L이며, 실제 폐수가 주입되는 부피(working volume)는 9L로 하여 운영하였다. SBR-I의 운영방식은 기존 표준 방식의 SBR형태로 1개의 반응조로 구성되며 폐수의 유입→반응→침전→유출의 순서로 운영하였다. 이때 반응단계에서는 암모니아성 질소의 질산화 및 탈질산화를 위해 비폭기 및 폭기를 주기적으로 반복 운영하였다. SBR-II의 운영은 저류조 및 반응조 3조로 구성하여 운영하였다. 각 공정의 운영단계별 폐수의 체류시간은 다음과 같다.

◇SBR-I의 운영단계별 폐수의 체류시간

유입(0.2시간)→호기성반응(2시간)→무산소성 반응(2시간)→호기성반응(2시간)→무산소성 반응(2시간)→호기성반응(3시간)→침전(0.6시간)→유출(0.2시간)

◇SBR-II의 운영단계별 폐수의 체류시간

제1반응조: 유입(0.2시간)→혐기성반응(2시간)→침전(0.6시간)→유출(0.2시간)

제2반응조 : 호기성반응(2시간)→유출(0.2시간)

제3반응조 : 무산소성반응(3시간)→호기성반응(3시간)→침전(0.6시간)→유출(0.2시간)

상기 비교실험시 반응조 개수는 서로차이가 있으나, 공정간의 처리효율을 비 교하기 위함이기 때문에 폐수의 수리학적 체류시간(HRT)은 같게하여 대상폐수의 처리유량을 같게 하였다. 한편 유입도시하수의 평균 성상은 아래 표 1에 나타내었다.

[표 1] 유입되는 도시하수의 평균 성상

항목	농도(㎎/ℓ)
TCODcr	238(±21.1)
SCOD	119(±16.4)
TKN	46.3(±5.4)
NH₄ ⁺	34.2(±3.8)
T-P	6.2(±1.7)
PO₄-P	3.7(±0.6)
TCOD/TN	5.1

실험예 2 : 종래의 SBR-I과 본 발명 SBR-II의 운영시 유기물의 농도변화 및 제거효율

도 3은 기존 SBR-I과 본 발명에 의한 SBR-II 공정의 운영시 유기물 농도변화를 나타내는 그래프이고, 도 4는 기존 SBR-I과 본 발명에 의한 SBR-II 공정의 운영시 유기물의 평균 유출농도를 나타내는 그래프이다. 또한 도 5는 기존 SBR-I과 본 발명에 의한 SBR-II 공정의 운영시 유기물 제거효율을 나타내는 그래프이다.

도 3에서 알 수 있듯 SBR-II의 유기물 농도가 SBR-I에 비해 전반적으로 낮은 것을 확인할 수 있으며, 도 4에서는 TOCD의 농도가 SBR-I이 34.5임에 반해 SBR-II는 20.2에 불과한 것을 알 수 있다. 또한 도 5에서와 같이 유기물 제거효율은 각각 85.63 및 91.5%로 본발명에 의해 유기물 처리효율이 현저히 증진되었음을 관찰할 수 있다.

실험예 3: 종래의 SBR-I과 본 발명 SBR-II의 운영시 TKN(유기질소+암모니아성 질소) 농도변화 및 질산염(NO3-N)의 유출농도

도 6은 기존 SBR-I과 본 발명에 의한 SBR-II 공정의 운영시 TKN(유기질소+암모니아성 질소) 농도변화를 나타내는 그래프이다. 전반적으로 일정 기간이 경과한 후에도 SBR-I에 비해 본 발명 SBR-II의 TKN(유기질소+암모니아성 질소) 평균 농도가 낮았다.

도 7은 기존 SBR-I과 본 발명에 의한 SBR-II 공정의 운영시 질산염(NO3-N)의 유출 농도를 나타내는 그래프이다. 상기 도 7에서 질산염의 농도가 크게 차이나는 이유는 SBR-I 의 경우는 일단 폐수가 반응조에 유입 후 폐수 중 유기물이 호기성 조건에서 분해되어 유기물이 전량 탈질반응에 이용되지 않았기 때문이며, 본 발명에의한 SBR-II 공정에서는 혐기성 반응조(1)에서 유입수의 유기물을 미생물이 흡착하고 침전 후 슬러지가 간헐폭기 반응조(3)로 이송됨에 따라 유기물을 전량 탈질반응에 이용할 수 있었기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 본 발명에 의한 처리방법은 폐수 중 질소를 제거하는데 효과적인 공정으로 판단된다.

실험예 4 : 종래의 SBR-I과 본 발명 SBR-II의 운영시 총질소(TN)의 평균 유출농도 및 총질소(TN)의 제거효율(%)

도 8은 기존 SBR-I과 본 발명에 의한 SBR-II 공정의 운영시 총질소(TN)의 평균 유출농도를 나타내는 그래프이고, 도 9는 기존 SBR-I과 본 발명에 의한 SBR-II 공정의 운영시 총질소(TN)의 제거효율(%)을 나타내는 그래프이다. 도 8에서 알 수 있듯 전체 유입수의 총질소(TN)의 유입량은 45.3㎎/ℓ 중에서, 각각의 공정을 거쳐 최종 유출되는 농도는 SBR-I이 20.1㎎/ℓ인데 반하여, SBR-II는 13.0㎎/ℓ로서 SBR-II의 제거효율이 16%정도 더 높았다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 연속회분식 폐수처리장치 및 그 방법에서는 폐수처리와 관련된 통상의 공지된 기술은 생략되어 있으나, 당업자라면 이러한 것들을 인지하고 추측/추론할 수 있을 것이다.

또한 이상의 설명이 각 처리장치 및 처리방법을 제한적인 연관 관계속에서 설명하였으나, 이러한 장치 및 공정들은 당업자에 의하여 다양한 조합으로 실시될 수 있으며, 이러한 조합들은 본 발명의 기술적 사상에 따른 것으로서 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명에 의한 폐수의 정화 방법은 부영양화의 원인이 되고 있는 질소 및 인의 처리가 가능하며, 유입폐수의 유기물을 최대한 미생물에 흡착하여 이를 이용함에 따라 질소 및 인의 제거효율을 극대화 시킬 수 있다. 특히, 폐수중의 유기물은 처리과정 중 제거 대상 물질이지만, 영양염류 제거측면에서는 탈질 및 탈인 반응시 미생물이 유기물을 전자공여체로 이용 할 수 있는 물질이기 때문에 이를 적절히 이용할 필요성이 있는 바, 본 발명에 의한 정화공정은 폐수중의 유기물을 탈질 반응에 최대한 이용 할 수 있어 질소제거효율을 높일 수 있다. 이는 외부 메탄올과 같은 외부 전자공여체 주입량을 작게 하기 때문에 경제적으로 가치가 높다.

본 발명의 다른 장점은 질산화 반응조로 유입되는 폐수는 유기물의 농도가 낮아진 상태로 유입되고 유기물 분해 미생물이 차단된 상태로 유입되기 때문에 질산화 반응조의 메디아에는 질산화 반응에 관여하는 질산화 균의 증식을 유도할 수 있어 질산화 반응시간을 단축시킬 수 있다. 이러한 장점은 반응조의 크기를 줄이 수 있으며, 고농도의 질소가 유입되더라도 처리가 가능함을 나타내고 있어 폐수처리산업상 매우 유용한 발명이다.

Claims

유입기, 혐기성 반응기, 침전기, 유출기의 순서로 운영되는 혐기성 반응조와; 유입기, 호기성 반응기, 유출기의 순서로 운영되는 질산화 반응조; 유입기, 무산소성 반응기, 호기성 반응기, 침전기, 유출기의 순서로 운영되는 간헐폭기 반응조 및; 침전된 슬러지를 저류하는 저류조로 구성되고,

상기 저류조에서 슬러지를 혐기성 상기 혐기성 반응기의 유입기에 반송하기 위한 반송라인; 및

상기 혐기성 반응조에서 각각 유기물의 농도가 낮아진 폐수는 상기 간헐폭기 반응조로 이송하고, 유기물을 흡착한 침전슬러지는 상기 질산화 반응조에 이송하는 이송라인을 구비하는 것을 특징으로 하는 연속 회분식 폐수처리장치.
제1항에 있어서,

상기 질산화 반응조에는 고정화 미생물이 충진된 담체가 배치되는 것을 특징으로 하는 연속 회분식 폐수처리장치.
제1항에 있어서,

상기 저류조의 후단에는 여과 및/또는 소독 장치가 더 포함되는 것을 특징으 로 하는 연속 회분식 폐수처리장치.
유입단계, 혐기성 반응단계, 침전단계, 유출단계의 순서로 운영되는 혐기성 반응공정과; 유입단계, 호기성 반응단계, 유출단계의 순서로 운영되는 질산화 반응공정; 유입단계, 무산소성 반응단계, 호기성 반응단계, 침전단계, 유출단계의 순서로 운영되는 간헐폭기 반응공정 및; 침전된 슬러지를 저류하는 저류단계로 운영되고,

상기 혐기성 반응단계에는 폐수와 저류조에 저장되었던 반송슬러지를 유입시켜 일정시간 혐기성 반응시킨 후 폐수중 유기물을 흡착한 침전 슬러지와 유기물의 농도가 낮아진 폐수를 분리하되, 침전된 슬러지는 상기 간헐폭기 반응단계로 유출시켜 탈질 및 탈인 반응을 진행시키고, 유기물의 농도가 낮아진 폐수는 상기 질산화 반응단계로 유출시켜 질산화 반응조에 질산화균이 우점종화 되도록 하여 질산화 반응을 진행시키는 것을 특징으로 하는 연속 회분식 폐수처리방법.
제4항에 있어서,

상기 저류단계의 다음으로 여과 및/또는 소독 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 연속 회분식 폐수처리방법.