KR20080025596A

KR20080025596A - 축산폐수처리 소화시스템 및 이를 이용한 처리소화방법

Info

Publication number: KR20080025596A
Application number: KR1020060090283A
Authority: KR
Inventors: 전항배; 박노백; 박상민
Original assignee: 충북대학교 산학협력단; 충청북도
Priority date: 2006-09-18
Filing date: 2006-09-18
Publication date: 2008-03-21
Also published as: KR100853287B1

Abstract

본 발명은 고농도 축산폐수를 이용하여 혐기성 반응기를 2상(two-phase)로 분리하여 유기물 제거효율을 향상시키고 혐기성 아키아(archaea)를 간헐적으로 주입하여 메탄가스 발생량을 극대화 하기 위한 것으로, 혐기성 공정을 거친 폐수로부터 추가적으로 질소와 인을 제거할 수 있는 BNR(Biological nutrient removal)공정을 결합한 축산페수로부터 에너지를 회수함은 물론 고도처리하는 패키지(Package)화 된 시스템에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 2상분리소화공정(TPAD; two-phase anaerobic digestion)와 자가영양형 질소제거를 목적으로 하는 공정(biological autotrophic nitrogen removal, BANR)을 결합한 TPAD-BANR 시스템을 구성하고, 산생성조(acidogenic fermenter), 메탄생성조(methanogenic UASB), 질산화조(nitrification filter), 탈질조(denitrification filter) 및 후 폭기조(stripping and aerated filter)로 구성되며, 혐기성 아키아(archaea)를 메탄생성조에 간헐적으로 주입하여 메탄가스 발생량을 극대화 하였고 혐기성 소화공정에 제거되는 유기물은 65% 이상 제거되었다.

또한 소화작용으로 인해 제거된 슬러지내 VS 만큼 슬러지가 감소되어 축산폐수처리시 발생되는 고형물의 양을 감소시킬 수 있다. 질산화필터(nitrification filter)와 탈질필터(denitrification filter)에서는 상대적으로 적은 유기물의 부하로 인하여 질산화 효율을 증대하고 자가영양형 질소제거를 유도할 수 있게 된다.

Description

축산폐수처리 소화시스템 및 이를 이용한 처리소화방법{High rate methanc production system using anaerobic archaea}

도 1 은 본 발명의 시스템 개략도.

도 2는 본 발명의 메탄반응조의 가스발생량 및 가스 종류별 발생특성 그래프.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 처리소화시스템 200 : 산생성조

250 : 저류조 300 : 메탄생성조

350 : 아키아주입장치 400 : 질산화조

500 : 탈질조 600 : 후폭기조

본 발명은 축산폐수를 대상으로 고농도 유기물과 영양염류을 제거하고 이에 따른 에너지원 메탄가스의 회수율을 증대시키기 위한 축산폐수처리소화시스템 및 이를 이용한 처리소화 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단일 혐기성 UASB 장치를 산생성조와 메탄생성조로 상(phase)분리하고, 메탄생성조에 혐기성 메탄 아 키아(archaea)를 주입함으로서 유기물 제거 및 메탄가스 회수율을 극대화시키며, 질산화조(nitrification filter)와 탈질조(denitrification filter)에서는 상대적으로 적은 유기물의 부하로 인하여 질산화 효율을 증대하고 자가영양형 질소제거를 유도하는 축산폐수 처리시스템에 관한 것이다.

일반적으로 혐기성 반응은 생물학적으로 분해 가능한 유기물이 산소가 없는 상태에서 CO2와 CH4로 분해되는 과정으로 정의되지만, 실제로는 기질에 따른 반응경로 및 여러 미생물이 관련된 복잡한 반응으로 이루어진다. 고형 유기물이 메탄으로 전환되는 혐기성 분해반응은 고분자를 저분자로 변화시키는 가수분해단계(Hydrolysis), 산을 형성시키는 메탄형성단계(Methanogenesis)로 구분할 수 있다. 또한, 가수분해와 발효단계를 비메탄생성상(Non-methanogenesis phase), 메탄형성 단계를 메탄생성상(Methanogenesis phase)라고 하며 (Toerine et al., 1967), 가수분해와 방효단계의 관점에서 BOD가 감소하지 않는 것으로부터 BOD 일정상, 메탄형성단계를 BOD 감소상이라고도 한다(Speece and McCarty, 1962).

가수분해 단계는 여러 미생물이 분비하는 셀로비아제(cellobiase), 아밀라제(amylase), 프로테아제(protease), 리파이제(lipase) 등의 체외효소(Extracelluar Enzymes)에 의해 고분자 물질이 연쇄적으로 저분자물질로 가수분해되는 과정으로 전체 혐기성 분해반응의 율속단계(Rate-limiting step)로 알려져 있으며, pH, 온도, 가수분해효소 뿐 만 아니라, 고형물의 형태, 크기 및 잔류농도에 영향을 받고, 또한 생성된 유기산에 의해 저해를 받는 복잡한 반응이다(Eastman and Ferguson, 1981; Noike et al., 1985). 이러한 율속단계로 인한 혐기성 반응의 제한성을 극복하여 혐기성 반응의 효율을 증가시키기 위해서 고형물의 화학적(Mukherjee and Levine 1992; Lin 2002), 물리적(Nah et al., 2000) 및 생물학적(Kitazumee et al., 1991)인 전처리가 활발히 연구되고 있다.

가수분해에 의해 생성된 저분자 유기물질은 발효에 관련된 미생물의 탄소원 및 에너지원으로 이용되며 이때의 주된 산생성 물질들은 VFAs(Volatile Fatty Acids)등과 같은 저분자 지방산와 알콜 등이다. 산생성 반응시의 환원 생성물은 소화조내 산생성균의 종류와 pH, HRT, 온도 등의 환경특성에 따라 달라지는데 어떤 산생성균은 주로 수소가스를 발생시키거나 아세트산보다 고분자의 위발산이나 유기물질로부터 아테트산, 탄산가스, 수소가스 및 암모니아를 발생시킨다.

산생성 단계의 영향인자로는 pH는 5.7~6.0이 최적범위이고, 최적온도는 중온(37℃)과 고온(52℃)의 두 가지가 있지만, 중온의 경우 산생성물의 분포가 일정하기 때문에 고부하에서 고온보다 더 안정적이다(Zeotemeyer et al., 1982). 산생성 반응에 관련된 미생물을 산형성균이라하며 이전에는 통성혐기성균이 주체라고 생각해 왔으나(McKinney, 1962), 절대혐기성균이 압도적으로 많은 것이 밝혀졌다(Toerien et al., 1967).

메탄형성단계는 혐기성 분해반응의 최종 산물인 메탄에 생성되는 과정으로 아세트산을 이용하는 메탄균과 H2를 이용하는 메탄균에 의해 수행되는데, 생성되는 메탄가스의 약 70%는 아세트산에서, 그리고 30%가 H2와 CO2에서 발생된다. 메탄균은 환경에 매우 민감한 종으로 최적 온도는 중온와 고온 두 종류가 있으며 최적 pH는 6.8~7.2이며 최적 C/N비와 N/P비는 350~400, 7이다(Henze and Harremoes, 1983).

TPAD(two-phase anaerobic digestion)공정은 대부분의 혐기성 처리공정이 최적의 산 생성조건과 메탄생성 조건을 종시에 만족시키지 못한다는 전제로부터 출발하였다. 각각의 단계에 관여하는 두 그룹의 미생물은 성장속도가 다르기 때문에, 산 생성 박테리아와 메탄생성 미생물의 성장을 극대화 할 수 있는 단일반응기를 선정한다는 것 자체가 불가능하다. 예를 들면 산 생성 미생물의 성장에 적합한 운영인자는 짧은 HRT와 낮은 pH에 대해 메탄생성 미생물은 극심한 저해를 받는다(Ince, 1998). Pohland and Ghosh(1971)은 처음으로 두 미생물 그룹의 성장 동력학적 차이점을 이용하기 위해 분리공정을 제안하였다. 지금까지 상 분리를 달성하기 위하여 membrane 분리기술(Fernades, 1986), 동력학적 제어기술(Cohen, 1979) 그리고 pH 제어기술(Pohland and Mancy, 1969) 등이 발전도어 왔다. 이들 중 동력학적 제어와 pH제어기술은 산 생성과 메탄생성 단계를 분리하는데 성공적이였으며, 현재까지도 많은 연구를 통해 적용되고 있다. 2상으로 분리된 각각의 공정에서는 서로다른 그룹의 미생물의 배양과 농축이 가능하기 때문에 운영인자를 최적화 할 수 있게 되었다. 2상 분리 혐기성 공정은 산 생성과 메탄생성 미생물을 위한 최적의 조건을 만족시킴으로써 각각의 단계에서 유기물 전화속도를 최대로 할 수 있기 때문에 반응조 부피를 감소할 수 있고, 산생성단계에서 고농도의 유기물 부하, 수리학적 부하에 대한 균등조 역할을 수행하기 때문에 현경인자의 변화에 민감한 메탄생성 미생물의 저해를 줄일 수 있다는 장점으로 최근들어 각광을 받고 있는 공정이다. 반면, 산 생성단계에서 수소가 농축됨으로써 저해를 받거나, 산 생성 미생물과 메탄생성 미생물간의 상호 의존적인 관계가 성립되니 않는다는 문제점들이 제시되기도 하였다(Hickey, 1989; Fox, 1994).

Ghosh(1987) 등은 벤치(bench) 규모의 TPAD를 중온에서 운영한 결과 VS와 COD의 제거효율이 기존의 단일 혐기성 반응조에 비해 우수함을 입증하였다. 최근, Raynal(1998) 등은 식물성 고형폐기물을 처리하는데 있어 여러 개의 산 생성 반응조와 1 개의 메탄생성 중온 소화조를 조합한 상분리 시스템을 이용하여 유기물 부하율(organic loading rate, OLR), 4 g/L·day 근처에서 약 87% 이상의 높은 COD 제거효율을 달성하였다고 하였다. 다른 연구자들에 의해서도 다양한 기질을 적용한 TPAD 공정을 운영한 결과 처리효율이 우수하고 운전상의 안정성이 보장된다고 보고되어 왔으며(Li and Sutton, 1984), Enger(1985) 등은 TPAD 공정을 실제규모 처리시설에 적용하기도 하였다. 한편, 상 분리된 소화공정에서 메탄생성 슬러지의 낮은 침전성 문제를 극복하기 위하여 메탄생성 공정에 생물막을 이용하기도 하였는데, Oliva(1990) 등은 주정공장 폐수처리를 위해 fludized bed를, Ince(1998)등은 상향류식 혐기여상(anaerobic filter)를 메탄생성 반응조로 적용하기도 하였다.

반면, Bhattacharya(1988) 등은 하수처리슬러지의 VS 감량 실험을 통하여 TPAD 공정은 기존의 단일 혐기성 반응기에 비해 별 다른 차이가 없다고 반박하였다. 또한, 최근 Sanjoy(1996) 등은 하수처리슬러지의 TPAD 처리결과, VS와 COD 제거 및 메탄생성을 단일 혐기성 소화조와 비교하였는데, VS 감용률의 경우, 1.9∼6.0 %의 증가를 보였다고 보고하면서, 실제 규모 처리시설에 적용할 경우 TPAD 공정은 경제적인 장점이 없다고 주장하기도 하였다.

질소제거의 주요 기작인 탈질반응과 세포합성을 위하여 질산염을 암모니아성 질소로 환원(ammonification)하는 생화학적 반응은 무산소(anoxic)조건에서 발현되는 것으로 생각되어져 왔지만, 이러한 전통적인 이론은 현재 절대적이라 할 수 없다. 한편, 회전원판법(RBC), 유동상 생물막 공법과 같은 일부 전통적인 질소제거 공정에서는 질소와 유기물질에 관련된 물질수지가 맞지 않는 질소손실(nitrogen loss)현상이 보고되었다(Helmer, 1998; Hippen, 1996; Siegrist, 1998). Mulder 등(1995)은 소화조 유출수의 질소제거를 위해 운영된 유동상 반응조(fluidized-bed reactor)에서 유기탄소원이 절대적으로 부족할 때, 암모니아성 질소와 아질산염 질소 또는 질산염이 반응하여 질소가스로 전환된다는 ANAMMOX 반응의 가능성을 제시하였다. 이와 관련하여 네덜란드 Delft 공대는 혐기성 상태에서 암모니움 이온이 질소가스로 전환되는 공정을 보고한 바가 있으며(Van der Graaf, 1990), 이를 ANAMMOX라고 명명하였다. 이는 탈질반응을 위한 COD가 필요 없는 소위 자가영양형 질소제거 공정이기 때문에, 질산화반응에 요구되는 산소공급량과 탈질공정에서 요구되는 COD를 감소시킬 수 있다고 하였다(Strous, 1997).

ANAMMOX에 대한 생화학적 반응기작에 대한 연구는 현재도 진행 중이며, 방사성 동위원소 ¹⁵N을 이용하여 대사경로를 추적한 결과, 전자수용체로 아질산염을 사용하여 하이드록실라민(NH₂OH)으로 환원하고 전자공여체 암모니아성 질소로부터 중간생성물인 하이드라진(N₂H₄)을 생성한다. 이 하이드라진은 전자전달계(electron transfer system, ETS)에서 산화되며 아질산염을 환원하기 위한 전자를 생산하게 되고 최종적으로 질소가스를 생산한다고 하였다(Wtffels, 2003). 또한, 이때 관여하는 효소는 하이드록실라민 산화환원효소(HAO)로 질산화 미생물 Nitrosomonas의 산화효소와 유사하다고 하였다. ANAMMOX 공정은 하이드록실라민과 하이드라진을 모두 전자수용체로 작용할 수 있다는 견지에서 볼 때 Fig. 2-8과 같은 반응경로를 제안하였다(Van de Grssf, 1996). 한편, archaea 중 일부가 ANAMMOX 공정에 관여한다는 주장(Rechard, 2001)과 함께 혐기성 균과 ANAMMOX 반응에 관여하는 미생물과의 관련성에 대하여도 연구되고 있으나 그 실효성은 현재까지 입증된 바가 없다.

ANAMMOX 공정에 관여하는 일반적인 미생물은 완전히 규명되진 않았지만, 무정형의 불규칙한 모양의 세포를 갖는 planctomycetes(order)에 해당되며, 대표적인 미생물을 Candidatus Brocadia anammoxidans 와 Candidantus Kuenenia stuttgartiensis(genera)로 명명하였다. 또한, ANAMMOX 미생물의 배양을 통해 anammoxidans가 90% 이상 분포한다고 하였으며 일부 질산화 미생물이 존재하기는 하지만 탈질공정에는 직접적으로 관여하지 않는 것으로 간주하였다(Strous, 1999). ANAMMOX 반응에 의한 미생물의 성장속도는 매우 느리며, 세대시간(doubling time)이 약 11∼20 일로 매우 긴 것으로 알려져 있으며 충분한 미생물 체류시간이 요구된다고 하였다(Mike, 2001). Table 2-9은 ANAMMOX 공정과 질산화공정의 동력학적 인자들을 비교하였다.

여러 연구자들에 의한 ANAMMOX 공정을 이용한 저농도 유기물을 함유한 폐수로부터 암모니아성 질소를 제거하기 위한 연구결과들로부터 가장 중요한 제한인자는 용존산소라는 결과를 도출하였으며, 그 한계 농도는 약 0.2 mg/L라고 하였다(Jetten, 1996). 또한, ANAMMOX 반응을 위한 최적의 온도는 30∼37℃ 범위, pH는 6.5∼8.0 범위라고 하였다. Mulder 등(1995)은 탈질을 위한 유동상 반응조에서 ANAMMOX 반응에 의한 암모니아의 제거를 발견하였는데, 최대 제거속도는 0.4 kgN/m³·day에 이른다고 하였다. 한편, Strous 등(1997)은 부유성장형 반응기보다는 유동상 또는 고정상(fixed bed)의 생물막 공법이 ANAMMOX 공정에 유리하며 수리학적 체류시간은 6∼24 시간이 요구된다고 하였다. 이 때 고정상 반응조를 이용하여 슬러지 소화조의 유출수로부터 암모니아성 질소와 질산염을 각각 82%, 99% 제거하였으며 최대 질소제거속도는 1.5 kgN/m³·day라고 하였다. ANAMMOX 공정의 가장 중요한 저해인자인 용존산소 이외에도 고농도의 유기물, 인산염(phosphate) 및 acetylene 등이 공정의 안정적인 운전을 저해한다고 하였다(Jetten, 1996). Fux 등(2002)은 고농도 암모니아를 함유한 폐수를 SBR 공정으로 처리한 결과, 30 ℃에서 질산화조에서는 암모니아성 질소의 58%가 아질산염으로 전환되고, ANAMMOX 공정에서는 2.4 KgN/m³·day의 질소제거속도를 달성하였다고 보고하였다. 한편, 일부 연구자들에 의해 혐기성 슬러지를 이용한 ANAMMOX 공정의 가능성이 연구되고 있는데, Dong 등(2003)은 혐기성 소화조에서 암모니아성 질소제거에 대한 실험을 수행한 결과 혐기성 슬러지에 의한 암모니아성 질소제거 효율은 13∼22%로 낮은 수준이었다고 하였다. 이는 혐기성 슬러지에 의한 종속영양형 탈질반응이 ANAMMOX보다 우세하였기 때문이라고 하였다. Jianlong 등(2004)은 EGSB(expanded granular sludge bed) 반응기에서 질소거동을 관찰한 결과, 총질소(TN), 암모니아성 질소 및 아질산염의 제거효율은 각각 54.3, 21.7 및 99.9% 이었다고 보고하였으며, 이를 바탕으로 혐기성 슬러지에 의한 ANAMMOX 반응의 가능성을 제시하였다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서,

본 발명의 목적은 고농도 축산폐수의 혐기성 소화에서 단일 UASB 반응기를 가수분해/산생성 반응조, 메탄생성 반응조로 2상(two-phase)로 분리하여 유기물 제거효율을 향상시키고 메탄회수율을 증대시키며, 상기 혐기성 소화방법을 운영함에 있어서 메탄 회수율을 극대화 하는데 있어서 혐기성 메탄균으로 알려진 메탄 archaea 를 간헐적으로 주입함으로서, 운영 초기 시스템의 정성화를 단축시키고 메탄발생 효율을 극대화 시킬 수 있는 축산폐수 소화처리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 또다른 목적은 상기와 같은 시스템을 이용하여 고농도 축산폐수에서 메탄회수율을 증대시키며 고농도 축산폐수를 처리소화 하는 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

혐기성 단일 UASB 반응기를 가수분해/산생성 반응조와 메탄생성 반응조로 2상 분리하고, 메탄생성 반응조로부터의 유출수가 유입되는 질산화조와, 질산화조로부터의 유출수를 탈질하기 위한 탈질조 및 탈질조로부터의 유출수를 탈기 처리하기 위한 후폭기조를 포함하는 고농도 축산폐수 소화처리 시스템을 제공한다.

상기에서, 가수분해/산생성 반응조로부터의 유기산 용액은 바로 메탄생성 반응조로 유입시키는 것보다 메탄생성 반응조 전에 저류조를 설치하여 일정시간 체류시킴이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명의 각 조에서의 단계를 살펴보면,

가수분해/산생성 단계에서 유입된 원수의 고분자 유기물들은 가수분해 단계를 통해 여러 미생물이 분비하는 셀로비아제(cellobiase), 아밀라제(amylase), 프로테아제(protease), 리파아제(lipase) 등의 체외효소(Extracelluar Enzymes)에 의해 고분자 물질이 연쇄적으로 저분자 물질로 가수분해 되고 생성된다. 산생성 단계는 가수분해 반응산물인 단당류, 아미노산, 글리세롤, 고급지방산(LONG CHAIN FATTY ACIDS)과 같은 유기 단량체 등이 산생성에 관여하는 미생물의 전자공여체와 전자수용체로서 이용되어 저급지방산(Short chain fatty acids)으로 전환되는 반응이다. 저급지방산은 발효가 더 진해되어 최종적으로 메탄생성의 전구물질인 초산(acetic acid), 알콜, 이산화탄소 및 수소등을 생산한다. 이렇게 생성된 전구물질들은 혐기성 소화의 최종단계인 메탄생성반응조로 유입되고 생성된 아세테이트와 수소를 이용하여 메탄과 이산화탄소로 전환되는 공정이다. 메탄을 생성하는 미생물(methanogens)은 엄밀히 절대 혐기성 미생물인 고세균(Archaea)으로 분류된다. 따라서 본 발명의 혐기성 소화 시스템에서 상(phase)을 분리하여 가수분해/산생성단계, 메탄생성단계를 분리하여 미생물의 성장 및 반응 효율을 최적화 하고 혐기성메탄 아키아(archaea)를 간헐적으로 주입함으로서 운영초기 시스템의 정상화를 단 축시키고 메탄발생 효율을 극대화하여 고농도 축산폐수 처리방법 및 이를 수행하기 위한 혐기성 소화시스템을 제공할 수 있게 되는 것이다.

이하에서는 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명은 TPAD와 자가영양형 질소제거공정(biological nitrogen removal, BNR)을 결합한 TPAD-BNR 시스템으로 구성되며, 개략적인 장치구성은 도 1과 같다. 도 1에서 본 발명의 시스템(100)은 산 생성조(acidogenic fermenter)(200), 메탄 생성조(methanogenic UASB)(300), 질산화조(nitrification filer)(400), 탈질조(denitrification filter)(500) 및 후폭기조(stripping and aerated filter)(600)로 구성된다. 각 조의 단계별 단위공정의 수리학적 체류시간(HRT)은 2.0, 5.0, 3.0 2.0 및 1.0 일로 하여 총 13 일이 바람직한데, 이는 산생성미생물이 메탄생성 미생물보다 성장률이 빠르고, 이에 따른 산생성과 메탄생성 및 질산화, 탈질의 최적 조건을 찾은 것이다.

유입되는 축산폐수(210)는 상향류식으로 산 생성 반응조(200)로 유입되며, 여기서 폐수 중의 고형물을 가수분해하고 고분자 유기물을 저분자 유기산 형태로 전환하는 과정을 거치게 된다. 이 때 저속도의 교반을 통하여 유입되는 폐수의 접촉을 원활하게 유지할 수 있는 완전혼합형 반응기(CSTR)로 산생성 반응조(200)를 하였으며 고액 분리된 산 용액은 저류조(250)에 짧은 시간 체류하게 된다. 따라서 산생성 반응조(200)는 원수유입부(220)와 유출부(230)를 구비한다. 생산된 유기산 용액은 정량펌프(M)를 이용하여 상향류식 메탄생성 반응조(UASB)(300)로 유입하게 되며 최종적으로 메탄가스로 전환된다. 상기 메탄생성 반응조(300)는 산생성조(200)의 유 출부로부터 나오는 유기산 용액을 유입하는 유입부(320)와 유출부(330)를 구비한다. 또한 상기 산생성반응조(200)와 메탄생성조(300) 사이에는 아키아 주입장치(350)가 설치될 수도 있다. 메탄생성 반응조(300) 유출부(330)로 유출되는 유출수는 질산화조(nitrification filter)(400)의 유입부(420)으로 유입하게 되는데, 이는 1.5 인치 크기의 플라스틱 여재를 충전한 부착성장형 생물막 공정으로 구성된다. 후속되는 탈질조(denitrification filter)(500)는 매우 낮은 C/N비에서 성장하는 자가영양형 탈질 미생물이 성장할 수 있도록 질산화조와 동일한 여재를 충전하였다. 마지막으로 후폭기조(600)에서는 질소가스를 탈기하게 되며 잔류 유기물과 난분해성 오염물질을 산화할 수 있는 호기성 생물여과지(biological aerated filter, BAF)로 하였으며, 최종침전지가 필요 없는 것이 특징이다. 상기에서 질산화조(400)는 유출부(430)를 구비하고 탈질조(500) 및 후폭기조(600)에도 각각 유입부(520, 620)와 유출부(530, 630)가 구비된다.

이 때 TPAD 공정에서 유기물 제거효율을 극대화 한다면, 질산화조(400)의 유기물 부하량을 최소화하여 효율적인 질산화를 도모할 수 있을 것이다. 반면, 질산화조(400)의 유출부(430)로 나오는 유출수는 C/N 비가 매우 낮기 때문에 기존의 종속영양형 탈질반응으로는 질산염 또는 아질산염을 제거하기 어렵다. 따라서 일부 실행 중 산 생성조(200)에서 발생한 유기산 용액을 질산화조(400)를 거치지 않고 탈질조(500)로 직접 우회(bypass)시켜 종속영양형 탈질반응에 의한 질소제거를 수행할 수 있도록 하였다(도1, bypass). 탈질 반응조(500)에서 제거되지 않은 질소산화물과 후폭기조(600)에서 산화되어 유출되는 질소산화물은 산생성 반응조로 반송(도 1, recycle)함으로써 혐기성 슬러지에 의한 탈질반응과 메탄생성 반응을 동시에 유도할 수 있다.

혐기성 소화공정 상단에는 비닐 백인 가스포집장치를 설치하여 가스를 포집하였으며 그 발생량과 성분을 분석하였다. 실험은 35℃로 유지되는 항온실 내에서 수행하였다. 회분식 실험과 슬러지 분석을 위한 슬러지 인발이외에는 별도의 SRT 조절은 수행하지 않았다. 질산화조(400)와 후폭기조(500)는 공기 밸브를 이용하여 2∼4 mg/L 범위에서 용존산소를 제어할 수 있도록 하였다. 2 단계 실험기간동안 혐기성 아키아솔루션(archaea solution)을 주입하지 않은 대조 반응조를 병렬로 연결하여 운전하였으며, 기타 운전 조건들은 표2에 요약하였다. 표 2와 같은 조건으로 본 발명을 실시해 본 결과를 표 1에 나타내었다

표 1. 본 발명을 이용한 유기물 및 영양염류 처리 성과

Parameter		Influent (mg/L)	Effluent (mg/L)	Chemical treatment (mg/L)	Efficiency (%)
COD_Cr		15,000	560	50	99.7
BOD₅		9,100	25	-	99.7
Nitrogen	NH₄ ⁺-N	1,200	35	28	97.5
	NO₃ ^--N	-	10	-
	NO₂ ^--N	-	25	-
	TN	1,600	85	70	94.0
Phosphorus	PO4-P	120	58	0	100
		TP	216	76	0.1	99.9

메탄생성 반응기에서의 가스발생특성은 유기물 부하율이 0.5에서 4까지 증가 할수록 전체 가스량과 함께 메탄가스의 발생량이 점차 증가하는 것으로 나타났다. 유기물 부하율 4에서 축산폐수 1L당 가스발생량 1.1 L이였으며, 메탄측정량은 최대 0.76 L 로, Glucose를 이용한 이론적 가스발생량 0.87L 보다 약간 적은 것으로 나타났다. 유기물부하율 4일 때 정상상태에서 메탄반응조에서 방생된 메탄, 질소, 이산화탄소의 농도는 평균적으로 각각 64, 24, 10% 이였다.

표 2. TPAD(Two-phased anaerobic digestion)Operation conditions

Process Parameters	TPAD		Nitrification	Denitrification	Post- aeration
	Acidogenic CSTR	Methanogenic UASB	Nitrification	Denitrification	Post- aeration
	Working volume (L)	7.2	36	21.6	14.4	7.2
HRT (day)	2	5	3	2	1
Bypass ratio (%)	◈--------------------------------------------->◈ 0∼50 %
반송비 (%)	◈<--------------------------------------------------------------------------------◈ 100%
Temperature (℃)	35 ㅁ 1 ℃
DO concentration (mg/L)	0	0	1∼2	0	2∼4
Reactor type	CSTR	UASB	Media packing AF	Media packing DF	Media packing AF

상기한 바와 같이 본 발명에 의하면 축산폐수의 혐기성 소화공정과 질소, 인 제거 공정을 연계한 복합처리시스템으로 슬러지의 감량화와 안정화라는 처리목적과 함께 에너지를 회수할 수 있는 축산폐수처리 분야의 새로운 방향을 제시하는 생물공학기술(BT)를 접목한 첨단환경기술(ET)을 제공할 수가 있게 된다.

본 발명의 초점은 혐기성 소화에 관여하는 아키아(Archaea)를 배양하는 생물공학 기술을 적용하여 향상된 혐기성 처리와 고도처리 기술을 개발하는 것으로 기존의 축산폐수처리공정에도 쉽게 적용시킬 수 있다는 장점이 있으며 일부의 시설개선으로 충분한 효과를 기대할 수 있다. 또한, 후속되는 BNR을 연계하여 질소, 인을 유기물과 동시에 처리할 수 있는 package화된 복합고도처리 시스템을 개발할 때 축산폐수는 물론 고농도 유기성 폐수의 처리시장을 개척할 수 있을 것이다.

신설 또는 기존에 운영 중인 축산폐수처리시설로부터 바이오가스의 생산량과 열량을 증대시킴으로써 연료 및 전력의 생산이 가능할 수 있을 것으로 기대되는 고도처리 기법으로 국가, 지방자치 및 각 농가에서 바로 이용할 수 있다. 따라서 우리나라의 축산폐수 처리여건에 맞는 메탄발효와 질소, 인 동시처리에 대한 대안을 제시하는 국산화된 복합적인 고도처리공정으로 상용화를 통한 시장개척이 가능하다. 또한, 연구 개발하고자 하는 시스템은 초기투자비, 유지관리비, 판매수익 등의 면에서 충분히 경쟁력이 있기 때문에 국내 시장뿐만 아니라 향후 우리나라와 여건이 비슷한 중국과 동남아시아 등에 기술이전이 가능하여 축산폐수 고도처리를 위한 막대한 예산절감과 해외시장 개척이라는 효과를 얻을 수 있을 것이다.

혐기성 메탄발효 활성을 증가시켜 주는 Archaea의 배양기술은 개발하고자 하는 바이오가스 생산을 위한 축산폐수 고도처리시스템 기술을 실용화시키고 시장을 개척하는데 어려움이 없을 것으로 보인다. 또한 개발기술은 국내에서는 물론 해당 산 업체 중심으로 해외에 수출할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명은 바로 특히, 축산폐수 처리에 많은 고충을 갖고 있는 지방자치단체에서 현재 가동 중인 하수처리장과 연계하여 축산폐수 처리와 하수의 고도처리를 동시에 수행할 수 있어 직접적 활용대상자로 사료된다. 축산폐수 고형물 발효 후 생성된 고 순도의 유기질 비료는 성분이 화학비료가 없던 과거에 농작물의 주된 영양분으로 사용된 거름과 같아서 현재 일반 농가의 부가가치 및 소비자의 신뢰도 가 높은 유기농법을 추구하는 미래형 농업으로 전환시키는 계기가 될 것으로 판단된다.

Claims

고농도 축산폐수 처리 소화시스템으로서, 혐기성 단일 UASB 반응기를 가스분해/산생성 반응조와 메탄생성 반응조로 2상 분리하고, 메탄생성 반응조로부터의 유출수가 유입되어 질산화하기 위한 질산화조와, 상기 질산화조로부터의 유출수를 탈질하기 위한 탈질조 및 탈질조로부터의 유출수를 탈기 처리하기 위한 후폭기조를 포함함을 특징으로 하는 고농축 축산폐수 소화처리 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 질산화조와 탈질조는 플라스틱 여재를 충전하고 있음을 특징으로 하는 고농축 축산폐수 소화처리 시스템.
제 1항에 있어서, 메탄생성 반응조에는 아키아 주입장치가 구비되고, 상기 가스분해/산생성 반응조와 메탄 생성 반응조 간에는 저류조가 설치됨을 특징으로 하는 고농축 축산폐수 소화처리 시스템.
고농도 축산 폐수를 소화처리하기 위한 방법으로서, 처리하고자 하는 축산폐수 원수를 가스분해/산생성 반응조로 유입 체류시켜 고형물을 가수분해하고 고분자 유기물을 저분자 유기산 형태로 만들고, 상기 고액분리된 산용액은 저류조에서 체류시킨 후, 메탄생성 반응조로 유입시켜 메탄가스로 전환하고, 상기 메탄생성반응조로부터의 유출수는 플라스틱 여재가 충전된 질산화조로 유입시켜 질산화시킨후, 상기 질산화조로부터의 유출수를 자가 영양형 탈질 미생물이 성장할 수 있도록 플라스틱 여재가 충전된 탈질조에서 탈질한 후, 후폭기조에서 질소가스를 탈기함을 특징으로 하는 고농도 축산폐수의 소화처리방법.
제 4항에 있어서, 상기 산생성조, 메탄생성조, 질산화조, 탈질조 및 후폭기조에서의 유입수 체류시간은 2 : 5 : 3 : 2: 1의 비율임을 특징으로 하는 고농도 축산폐수의 소화처리방법.