KR20110057882A

KR20110057882A - 고농도 유기물 및 질소 함유 폐수의 처리방법 및 처리장치

Info

Publication number: KR20110057882A
Application number: KR20090114488A
Authority: KR
Inventors: 박용석; 이원식; 김왕태; 이재원; 김리나
Original assignee: 큐바이오텍 (주)
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2011-06-01

Abstract

본 발명은 고농도 유기물 및 질소 함유 폐수의 처리방법 및 처리장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전탈질조로 유입시킨 폐수에 혐기성 미생물을 처리하여 질산성 질소 및 아질산성 질소를 질소가스로 환원시키는 전탈질단계; 반응조로 이송시킨 폐수의 온도를 25∼45℃ 및 용존산소를 0.5∼3ppm으로 유지되도록 폭기시키고, 호기성 미생물을 처리하여 폐수 중의 유기물을 분해시키고, 유기성 질소와 암모니아성 질소를 질산성 질소로 전환시키는 반응단계; 상기 반응된 폐수를 제1침전조로 이송시켜 미생물 슬러리와 처리수로 분리시키는 제1분리단계; 상기 분리된 처리수를 후탈질조로 이송시켜 혐기성 미생물을 이용하여 상기 처리수 중의 질산성 질소 및 아질산성 질소를 질소가스로 환원시키는 후탈질단계; 상기 후탈질된 처리수를 활성오니조로 이송시켜 잔류 유기물 및 질소를 제거하는 활성오니 단계; 및 상기 활성오니 단계를 거친 처리수를 제2침전조로 이송시켜 미생물 슬러리와 처리수로 분리시키는 제2분리단계를 포함하는, 고농도 유기물 및 질소 함유 폐수의 처리방법 및 처리장치에 관한 것이다.

유기물, 질소, 폐수, 탈질조

Description

고농도 유기물 및 질소 함유 폐수의 처리방법 및 처리장치{Method for treating wastewater containing high concentration of organic matter and nitrogen and device therefor}

본 발명은 고부하의 유기물 및 질소를 함유한 폐수 처리가 가능하며, 종래보다 초기 투자비가 적으며, 운전비가 저렴하므로 유용하게 사용될 수 있 고농도 유기물 및 질소 함유 폐수의 처리방법 및 처리장치에 관한 것이다.

현재까지는 유기폐수의 처리방법으로서 활성슬러지법이 주로 이용되어 왔는데, 활성슬러지법은 1차 처리된 폐수의 2차 처리를 위해서 또는 1차 처리를 거치지 않은 폐수를 호기적으로 완전 처리하기 위하여 채택되는 방법이다.

이러한 활성슬러지법은 유기폐수의 처리방법으로서 그 효과가 오랫동안 인정되어 왔다. 그러나, 고농도의 유기물과 질소를 함유한 폐수로부터 유기물과 질소를 동시에 효과적으로 제거하기에는 부적합하고 잉여 슬러지의 양도 증가되는 등 많은 문제점을 안고 있다.

즉, 유기물 부하가 높은 폐수가 유입되면 침전조에서 벌킹(bulking)이 발생하여 폐수처리효율의 저하를 가져오고 고농도의 유기물로 인하여 종속영양세균이 과도하게 성장하고 상대적으로 성장속도가 느린 자가영양세균인 질산화균은 종속영양세균을 상대로 한 용존산소 경쟁에서 뒤지게 되어 그 성장이 억제됨에 따라 효과적인 질산화가 이루어질 수 없다.

또한, 수질환경보전법에 따르면 유기물 뿐만 아니라 질소에 대해서도 방류수 수질기준이 크게 강화되어 기존의 활성슬러지법으로는 강화된 수질기준을 만족시키기가 어렵게 되었다.

폐수 중의 질소가 생물학적으로 제거되는 기작은 2단계 반응으로 이루어지는데, 1 단계는 호기성 상태에서 폐수 중의 암모니아성 질소가 니트로소모너스(Nitrosomonas)와 니트로박터(Nitrobactor)에 의해 아질산성 질소를 거쳐 질산성 질소로 산화되는 질산화 과정이고, 2 단계는 상기 질산화반응 결과 생성된 아질산성 질소와 질산성 질소가 미생물에 의해 환원되어 질소가스로 전환되는 탈질과정이다.

1 단계 질산화 반응에서는 1g의 암모늄 이온을 산화시키기 위해 약 4.5g의 산소를 필요로 하는데, 이는 호기성 반응에서 유기물을 산화시키는데 필요로 하는 양에 비하여 매우 많은 양이다. 또한 반응결과 발생하는 산성성분에 의해 pH가 감소되어 극단적인 경우에는 반응이 중단되기도 하며, 이 단계에서 이용되는 질산화 박테리아는 유기물 제거를 위해 사용되는 박테리아에 비하여 성장속도가 매우 느려 반응조 내에 미생물의 균주량을 일정하게 유지하기 위해서는 미생물의 체류시간을 길게 유지시켜야 한다는 불편함이 있다.

2 단계 탈질반응에서 미생물의 기작은 호흡기작으로 1 단계 반응 결과물인 아질산성 질소나 질산성 질소가 산소공급원으로 사용되는 무산소 반응이다. 그러나, 산소가 약 0.2ppm 이상 존재하는 조건에서 대부분의 탈질 미생물들은 산소공급원으로써 아질산성 질소나 질산성 질소를 사용하지 않고 산소를 이용한다. 이 경우 탈질반응은 심각한 저해를 받는다. 그러므로 이 단계에서는 반드시 무산소 조건을 유지시켜야 한다. 또한 탈질 반응이 원활하게 이루어지기 위해서는 수중에 존재하는 유기물/질소의 비율이 최소한 4 이상, 바람직하게는 10 이상이 되어야 한다.

이러한 호기 및 무산소의 2 단계 반응으로 이루어진 질소제거 과정을 다소 변형시킨 방법들이 사용되어 왔는데, 이러한 방법들을 이용하여 고농도의 질소 함유 폐수를 처리하는 것은 어렵다.

그러므로, 보다 간단하고 효율적으로 폐수 중의 유기물 및 질소를 제거할 수 있는 공정의 개발이 시급한 실정이다.

이에, 본 발명자들은 보다 간단하고 효율적으로 폐수 중의 유기물 및 질소를 제거할 수 있는 방법을 개발하기 위하여, 종래 알려진 반응조인 QBR 공정 전후로 탈질 공정을 적용함으로써 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 고부하의 유기물 및 질소를 함유한 폐수 처리가 가능하며, 종래보다 초기 투자비가 적으며, 운전비가 저렴하므로 유용하게 사용될 수 있는, 고농도 유기물 및 질소 함유 폐수의 처리방법 및 처리장치를 제공하는 데 에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전탈질조로 유입시킨 폐수에 혐기성 미생물을 처리하여 질산성 질소 및 아질산성 질소를 질소가스로 환원시키는 전탈질단계; 반응조로 이송시킨 폐수의 온도를 25∼45℃ 및 용존산소를 0.5∼3ppm으로 유지되도록 폭기시키고, 호기성 미생물을 처리하여 폐수 중의 유기물을 분해시키고, 유기성 질소와 암모니아성 질소를 질산성 질소로 전환시키는 반응단계; 상기 반응된 폐수를 제1침전조로 이송시켜 미생물 슬러리와 처리수로 분리시키는 제1분리단계; 상기 분리된 처리수를 후탈질조로 이송시켜 혐기성 미생물을 이용하여 상기 처리수 중의 질산성 질소 및 아질산성 질소를 질소가스로 환원시키는 후탈질단계; 상기 후탈질된 처리수를 활성오니조로 이송시켜 잔류 유기물 및 질소를 제거하는 활성오니 단계; 및 상기 활성오니 단계를 거친 처리수를 제2침전조로 이송시켜 미생물 슬러리와 처리수로 분리시키는 제2분리단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고농도 유기물 및 질소 함유 폐수의 처리방법을 제공한다.

상기 고농도 유기물 및 질소 함유 폐수는 유기물 부하량이 5.0∼20 ㎏·CODCr/㎥·day이고, 질소 부하량이 1.0∼4.0 kg·TN/m³·day 일 수 있다.

상기 침전조는 용존산소의 농도가 3∼8 ppm이 되도록 간헐적으로 폭기될 수 있고, 미생물 유실을 방지하기 위하여 분말 활성탄을 투입하는 공급장치를 구비할 수 있다.

상기 반응조는 폐수의 pH, 영양제 투입량 및 염농도가 반응조 내에 설치된 센서에 의해 자동적으로 조절될 수 있다.

상기 반응조 및 침전조의 온도는 냉각장치에 의해 조절될 수 있다.

또한, 본 발명은 탈질조, 반응조 및 침전조를 포함하며, 상기 탈질조는 수중 혼합기를 구비하며; 상기 반응조는 공기를 공급하는 블로아 및 상기 블로아로부터 공급되는 공기를 미세한 공기방울로 만드는 산기관을 구비하며, 반응조 외부에 설치되어 반응조내에서의 미생물의 대사열로 인한 폐수의 온도상승을 방지하기 위한 제1냉각장치를 구비하며; 상기 침전조는 미생물 유실을 방지하기 위하여 분말 활성탄을 투입하는 공급장치를 구비하며, 침전조 외부에 설치되어 침전조내의 폐수의 온도를 20∼30℃로 유지시키는 제2냉각장치를 구비하는, 고농도 유기물 및 질소 함유 폐수의 처리장치를 제공한다.

상기 침전조를 주기적으로 폭기하기 위한 폭기장치를 더욱 포함할 수 있고, 상기 반응조는 폐수의 pH, 영양제 투입량 및 염농도를 자동적으로 조절하기 위한 센서를 더욱 포함할 수 있다.

상기 냉각장치는 칠러(Chiller) 타입 또는 냉각탑 방식일 수 있다.

본 발명에 따른 고농도 유기물 및 질소 함유 폐수의 처리방법 및 처리장치는 종래 것과 비교하여 고부하의 유기물 및 질소를 함유한 폐수 처리 효율이 뛰어나며, 초기 투자비가 작고, 운전비가 저렴하므로, 고농도 유기물 및 질소 함유 폐수의 전처리에 매우 유용하게 사용될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 폐수처리 장치는 전탈질조(100), 반응조(QBR; 110), 제1침전조(120), 후탈질조(130), 활성오니조(140) 및 제2침전조(150) 등으로 구성될 수 있다.

상기 전탈질조(100)는 미생물 영양제를 제공하는 QMM 탱크(101), QMM 펌프(102) 및 전탈질조 내에 구비된 수중혼합기(103)를 포함하며, 상기 반응조(110)는 가성소다를 제공하는 NaOH 탱크(111), NaOH 펌프(112) 및 반응조에 공기를 공급하는 블로아(113)를 포함하며, 특허 제0392201호 및 제0623418호에 개시된 QBR 시스템을 이용할 수 있다. 즉, 블로아로부터 공급되는 공기를 미세한 공기방울로 만드는 산기관, 대사열로 인한 반응조 내 온도상승을 방지하기 위한 별도의 열교환기 와 냉각탑, 반응조의 미생물액을 열교환기로 순환시키는 미생물순환펌프, 냉각탑의 냉각수를 상기 열교환기로 순환시키는 냉각수순환펌프, 반응조에 설치된 pH센서, 용존산소센서, 온도센서 및 거품센서, 상기 pH센서에 의해 측정된 결과에 따라 자동적으로 반응조의 pH를 적정범위로 맞추어 주기 위해 필요한 산탱크와 염기탱크 및 산펌프와 염기펌프, 미생물의 증식에 필요한 영양분을 보관하는 영양제 탱크 및 영양제펌프, 거품센서의 신호에 따라 QBR 내의 거품을 제거하기 위한 소포제탱크 및 소포제펌프를 포함할 수 있다. 또한, QBR로부터 이송된 폐수내의 슬러지를 침강시키는 제1침전조(120) 및 제2침전조(150), 제1침전조(120) 내로 분말활성탄을 제공하는 PAC 공급장치(121), 제2침전조 내로 메탄올을 제공하는 유기물 공급장치(131), 침전조 내 침전된 슬러지를 QBR로 반송시키는 슬러지 반송 펌프, 침전조 내 미생물 슬러지를 바닥에서 중앙으로 모으기 위한 스크레퍼, 침전조를 폭기하기 위한 산기관, 상기 전체 시스템을 모니터링하고 컨트롤할 수 있는 컴퓨터컨트롤 유닛 등으로 구성될 수 있다.

도 1을 참조하여 본 발명에 따른 폐수 처리방법을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 폐수는 전탈질조(100) 내로 유입되어 일정 시간 동안 체류되고, 용존산소가 존재하지 않는 조건 하에서 전탈질조 내에 서식하고 있는 통성혐기성 미생물, 예를들어 슈도모나스속, 알칼리제네스 및 파라코커스 등의 프로테오박테리아에 속하는 미생물에 의해 질산성 질소와 아질산성 질소가 질소가스로 환원된다.

전탈질조(100)에서 처리된 폐수는 반응조(110) 내로 이동되어 일정 시간동안 체류되고, 반응조 내에 서식하고 있는 호기성 미생물들은 폐수 속에 녹아 있는 유 기물을 분해하고 산화하며 증식한다. 반응조 내는 블로아 및 산기관을 통해 공급되는 공기로 인해 격렬하게 폭기되고, 상기 폭기로 인해 미생물이 유기물을 산화하는데 필요한 산소가 공급될 뿐 아니라, 반응조 전체가 균질화된다. 이때의 폭기량은 용존산소(DO) 농도가 0.5 ~ 3 ppm 이 유지되도록 조절한다. 그 이유는 용존산소 농도가 너무 높으면 블로아 용량 대비 산소의 이용율이 떨어져 비경제적이기 때문이고, 반대로 용존산소 농도가 너무 낮으면 미생물이 폐수를 분해하는데 필요한 산소가 부족하여 폐수의 처리효율이 떨어지기 때문이다.

반응조 내에서 미생물에 의한 산화과정을 통해 유기물들은 이산화탄소와 물, 그리고 미생물 슬러지로 변환된다. 높은 용적부하로 인해 반응조 내의 온도가 상승할 경우 반응중인 폐수 일부를 열교환기로 보내 냉각시키고 다시 반응조로 순환시킴으로써 과도한 온도 상승을 막는다. 이때의 반응조 내의 미생물액 온도는 25 ~ 45℃로 유지시킨다. 온도가 너무 낮으면 미생물 활성이 떨어져 폐수의 처리효율이 낮아지고, 반대로 온도가 너무 높으면 활성이 급속히 감소하고 미생물이 사멸하게 된다.

반응조(110)에서 처리된 폐수는 미생물 슬러지와 함께 제1침전조(120)로 이동되고, 제1침전조에서 미생물 슬러지와 상층액으로 분리된다. 제1침전조에서 슬러지 형태로 가라앉은 미생물들은 침전조 하부에 모여져 반송펌프에 의해 반응조로 반송되기도 하고, 밸브 전환에 의해 다른 곳으로 인발되기도 한다. 반송된 미생물들은 반응조에서 폐수를 분해하는 과정에 참여하게 되고, 인발된 미생물들은 소화조에서 소화되거나 기존의 표준활성오니조에서 소화가 된다. 그리고, 상층액은 다 음 공정, 예컨대 후탈질조(130)로 배출된다.

반응조의 미생물 농도는(MLSS) 통상적으로 10,000 ~ 17,000 ppm이 바람직하므로, 미생물 농도가 너무 상승하게 되면 침전조에서 인발량을 증가시키고, 반대로 미생물 농도가 너무 낮으면 인발을 하지 않고 반송량을 증가시켜 운전한다.

본 발명의 침전조(120)는 기존의 활성오니 공정의 침전조와 달리 상기와 같이 처리수와 미생물 슬러지를 분리하는 침전조 고유의 기능을 수행하는 것 이외에 산기관을 이용한 폭기기능을 보유하고 있다.

침전조로 유입되는 공기는 블로아에서 반응조로 가는 배관에서 가지를 쳐 온 것으로, 공기압 혹은 전기로 작동되는 밸브에 의하여 폭기시간이 조절된다. 폭기시간은 하루에 1회, 1회에 30분 정도 수행하는 것이 바람직하고 상황에 따라 회수와 시간을 컴퓨터 컨트롤 유닛으로 조절한다. 침전조를 폭기하는 이유는 기존 활성오니 공정에 비해 미생물 농도가 높고, 미생물 활성도 높고, 온도도 높기 때문에 반응조에서 침전조로 넘어 온 미생물액은 침전조를 쉽게 혐기상태로 만들고 혐기화 반응이 진행되어 미생물이 혐기소화되는 현상을 방지하기 위해서이다. 이때 침전조의 용존산소농도가 3 ~ 8 ppm이 되도록 폭기하는 것이 바람직하다.

상기 후탈질조(130)는 처리수 중에 포함되어 있는 아질산성 질소 또는 질산성 질소를 질소가스로 환원시키며, 후탈질조 내로 메탄올을 공급하는 유기물 공급장치(131)를 구비한다.

후탈질조에서 처리된 처리수는 활성오니조(140)로 이동된 후, 제2침전조(150)를 거쳐 방류된다.

본 발명의 기술은 종래의 생물공정인 표준활성오니법과 달리, 유기물 용적부하 5.0∼20 ㎏·CODCr/㎥·day의 고부하와 질소 부하 1.0∼4.0 kg·TN/m³·day의 고부하에서도 처리가 가능하며, 종래보다 초기 투자비가 적으며, 운전비가 저렴하므로 유용하게 사용될 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 이에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1> 탈질조 설계

1. 유입수 성상

BOD	1,942	ppm	CODcr의 1/2로 가정
CODcr	3,885	ppm
Nox	181	ppm

2. 설계 조건

유량(Q)	1,400	m³/d	내부 반송율(IR), 슬러지 반송율(RAS) 포함 유량
온도	35	℃
미생물 농도(MLSS)	5,500	mg/L
용적	200	m³	Working Volume
혼합에너지	10	KW/10³m³
슬러지 반송율(RAS Ratio)	4.0

3. 내부 반송비 결정

IR = (Nox/Ne) - 1.0 - R

IR	Nox	Ne	R
내부반송비	유입농도	유출농도	슬러지반송비
15.2	181	9	4

내부 반송비를 증가시키면 그만큼 유출수에서의 질산성 질소 농도를 줄일 수 있다. 저부하의 하수처리에서는 내부반송비를 증가시키면 탈질조 내에서의 DO 농도가 상승하여 탈질율에 저해를 일으킨다(IR증가 -> DO량 증가 -> 유입수 중의 유기물 분해에 필요한 량 초과 -> 질산성 질소 중의 산소원을 이용하지 않음). 그러나, 아민성 폐수는 내부반송에 의해 유입되는 DO를 소비하고도 질산성 질소 중의 산소원을 필요로 할 만큼 충분한 양의 유기물을 함유하고 있어 내부반송비 증가에 있어 하수에 비해 여유가 크다(별도의 탈질을 위한 유기물을 투입할 필요없음). 따라서, 인위적으로 탈질조에 산소원을 공급해 주면 공급되는 DO 만큼의 유기물 제거를 기대할 수 있다.

4. 무산소조로 반송되는 NO ₃ -N 양 결정

NO₃-N 양	Q	NO₃-N 농도
kg/d		g/m³
254	1,400	181

5. F/M비 계산

F/M비	Q	S0	MLSS	V
	m³/d	g/m³-CODcr	g/m³	m³
4.9	1,400	3,885	5,500	200

총 유기물 유입부하 기준의 F/M비는 4.3이다. 총 유기물 유입부하 중 탈질반응에 이용되는 유기물은 15%(810kg/d)이다. 따라서, 실제 F/M비는 [810kg-CODcr/d ÷ (200 m³ Volume x 6,300ppm MLSS) x 1000 = 0.64] 이다.

6. 탈질율

1) SDNR(비탈질율, g NO₃-N reduced/ g MLSS,d)

SDNR = 0.03(F/M) + 0.029

SDNR	F/M
0.05	0.64

SDNR 값은 온도 및 F/M비의 변수이다. SDNR 및 온도, F/M비 관계 그래프에서 보면, F/M비 0.63, 35℃에서의 SDNR 값은 0.19임을 확인할 수 있다. F/M비 = 2, Temp. = 30℃에서는 SDNR 값이 0.32임을 확인할 수 있다. 하수에서의 SDNR 값은 전탈질: 0.04 ~ 0.042, 후탈질: 0.01 ~ 0.04 이다. 하수에서 SDNR 값이 작은 이유는 유기물 유입부하가 작아 F/M비가 작기 때문이다.

2) 총괄 탈질율(SDNR_T)

온도 보정

SDNR_T = SDNR X 1.09^(T-20)

SDNR_T	SDNR	Temp.
0.28	0.19	35

7. HRT(체류시간) 및 탈질조 부피 결정

Volume	HRT	SDNR_T	reduced NO₃-N	MLSS	Q
m³	d	g/m³	kg/d	g/m³	m³/d
165	0.12	0.28	254	5,500	1,400

유입되는 질산성 질소 부하를 100% 탈질하는 것을 기준으로 한다.

1) 결정 부피

Volume	여유율	HRT
m³	%	d	hr
200	121%	0.14	3.4

탈질반응은 매우 빠르게 일어나는 반응으로 하수처리에서는 통상 2.5hr 전/후에서 디자인 된다. 아민성 폐수는 유기물 및 질소원이 고농도로 체류시간 3.4hr(0.14day)을 적용하였다. 전탈질의 경우 질산화균이 탈질조로 유입되며, 이때 탈질조에서의 체류시간이 일정 시간 이상을 넘게 되면 질산화균 활성이 저해를 받아 전체 시스템의 질소제거 효율이 저하되게 된다.

2) 결정부피에서 제거 가능한 질산성 질소량 산정

Nor = V x SDNRT x MLSS

Nor	V	SDNRT	MLSS
kg/d	m³		g/m³
307	200	0.28	5,500

8. 유기물 제거량 계산

유입되는 질산성 질소량을 계산한다.

NO₃-N	Q	NO₃-N 농도
kg/d	m3/d	ppm
254	1,400	181

질산성 질소로 공급되는 산소량을 계산한다.

산소량	NO₃-N	NO₃ 중 N 분자량	NO₃중 O 분자량
kg/d	kg/d
871	254	14	48

탈질조에서는 공급되는 산소량이 곧 CODcr 기준 유기물 제거량이 된다. 따라서, 탈질조에서 제거되는 유기물 량은 " 871kg CODcr/d" 이다.

<실시예 2> 반응조(질산화조) 설계

1. 유입/유출수 성상

	INLET	OUTLET
BOD	1,631	489	ppm
CODcr	3,263	1,958	ppm
TN	285	252	ppm
NH₃-N	82	21	ppm
NO₃-N	2	193	ppm

2. 설계 조건

유량(Q)	1,400	m³/d	내부 반송율(IR), 슬러지 반송율(RAS) 포함 유량
온도	35	℃
pH	7.5
미생물 농도(MLSS)	5,500	mg/L
용적	400	m³	Working Volume
슬러지 반송율(RAS Ratio)	3.5

3. 질산화균 비성장율(g/g, d)

Um =	Um,n X N	DO	-	k_dn
	K_n + N	K₀+ DO

1) Um,n 값(g VSS/g VSS,d)

at T = 20℃, 0.75

온도 보정

Um,n = 0.75 X 1.07^(T-20) => Um,n,35 = 2.07

2) K_n 값(g NH₄-N/m³)

at T = 20℃, 0.74

온도 보정

K_n = 0.74 X 1.053^(T-20) => K_n,35 = 1.61

3) k_dn 값(g VSS/g VSS,d)

at T = 20℃, 0.08

온도 보정

k_dn = 0.08 X 1.04^(T-20)=> k_dn,35 = 0.14

K_d = 0.12 X 1.04^(T-20)=> K_d,35 = 0.22

4) Um 값 계산

Um	Umn	Kn	kdn	N	DO	KO
	g VSS/ g VSS,d	g NH₄-N/ m3	g VSS/ g VSS,d	g/m³	g/m³	g/m³
1.48	2.07	1.61	0.14	82	2.0	0.5

KO = DO 반포화 계수 = 0.5g/m³

4. SRT 결정

1) 최소 체류시간(SRTmin)

SRTmin = 1/Um 0.68d

2) SF(safty factor)

SF = TKN peak/ TKN average

SF	TKN p	TKN a
5.0	20,000	4,000

3) 설계 SRT(SRTdes)

SRTdes	SF	SRTmin
day		day
3.4	5	0.68

5. 미생물량 산정

1) 호기조에서 생성되는 종속영양 미생물량

Px,cl = Q x Y x (S0-S) / (1 + k_d x SRT) x 1000

Px,c	Q	Y	S0	S	kd	SRT
kg/d	m³/d	g/g	gBOD/m³	gBOD/m³		d
370	1,400	0.40	1,631	489	0.22	3.4

2) 탈질조에서 생성되는 종속영양 미생물량

Px,c2	Q	Y	S0	S	kd	SRT
kg/d	m³/d	g/g	gBOD/m³	gBOD/m³		d
101	1,400	0.40	1,942	1,631	0.22	3.4

3) 질산화조에서 생성되는 질산화 미생물량

Px,n = Q x Yn x (NO_x) / (1 + k_dn x SRT) x 1000

Px,n	Q	Yn	Nox	kdn	SRT
kg/d	m³/d	g/g	g/m³		d
9	1,400	0.12	82	0.14	3.4

4) 총 미생물량

Px,t = Px, c1 + Px, c2 + Px, n

=> Px,t = 480 kg/d

6. HRT(체류시간) 및 호기조 부피 결정

Volume	HRT	Px,t	SRT	MLSS	MLSS량	Q
m³	hr	kg/d	day	g/m³	kg	m³/d
295	5.05	480	3.4	5,500	1,620	1,400

1) 결정 부피

Volume	여유율	HRT
m³	%	d	hr
400	136%	0.29	6.9

7. F/M비 계산

F/M비	Q	S0	MLSS	V
	m³/d	g/m³-CODcr	g/m³	m³
2.1	1,400	3,263	5,500	400

8. AIR 량 산정

1) 유기물 부하에 따른 필요 산소량 계산

O₂ = a x Load + b x MLSS (a = 0.5, b = 0.1)

2) 유입부하 기준 필요 산소량

	유량	CODcr 농도	유입 부하	양 MLSS	폭기조 부피	필요 산소량	필요 공기량	필요 공기량	공급할 공기량	설계 공기량
	[m³/d]	[ppm]	[kg/d]	[kg]	[m³]	[kg/d]	[kg/d]	[m³/min]	[m³/min]	[m³/min]
유입수	1,400	3,263	4,568	2,200	400	2,504	11,923	6.4	55
			<1>		<2>	<3>	<4>	<5>	<6>

<1> 유량과 농도로 유입부하를 구한다.

(유입부하 = Q x 농도 /1000 = 4,568kg/day)

<2> 디자인 용적부하로 폭기조 부피를 구한다.

<3> 식으로 부터 필요한 산소량을 구한다.

<4> 산소량으로부터 필요한 공기량을 구한다.

(산소함량 21%로 계산함)

<5> 공기량을 부피로 환산한다.

(공기 분자량은 29 g/mol로 하고, 몰당 22.4 L로 계산함)

<6> 필요한 공기량으로 공급해야 할 공기량을 구한다.

(산소전달효율 여름 : 10%, 겨울 : 10.6%)

		QNBR
	산소전달효율	16	청수, 20℃, 5 m 수심에서
여름	온도 (40℃)	12.1	6.5	8.62
	MLSS	10.3	0.85
	수심	11.7	5.7	5

		QNBR
	산소전달효율	16	청수, 20℃, 5 m 수심에서
겨울	온도 (30℃)	14.0	7.53	8.62
	MLSS	11.9	0.85
	수심	13.5	5.7	5

3) 제거부하 기준 필요 산소량

	유량	CODcr 농도	제거 부하	양 MLSS	폭기조 부피	필요 산소 량	필요 공기량	필요 공기량	공급할 공기량	설계 공기량
	[m³/d]	[ppm]	[kg/d]	[kg]	[m³]	[kg/d]	[kg/d]	[m³/min]	[m³/min]	[m³/min]
유입수	1,400		1.827	2,200	400	1,134	5,398	2.9	25
			<1>

<1> 유입부하에서 유출수 중의 CODcr 부하를 뺀다.

4) 질소부하 기준 필요 산소량

1mol의 N(NH₃-N)을 질산화 하는데 2.25mol의 O₂가 필요함.

	유량	질소 부하	양 MLSS	폭기조 부피	필요 산소량	필요 공기량	필요 공기량	공급할 공기량	설계 공기량
	[m³/d]	[kg/d]	[kg]	[m³]	[kg/d]	[kg/d]	[m³/min]	[m³/min]	[m³/min]
유입수	1,400	353	2,200	400	1,815	8,645	4.6	40

5) 총 필요 산소량

총 설계 공기량	총 공급할 공기량	유기물 제거 부하기준 필요 공기량	질소부하기준 필요 공기량
CMM	CMM	CMM	CMM
60	64	2.9	4.6

CMM = Nm³-Air/MIN

<실시예 3> 폐수 처리 효율 검토

실시예 1 및 2에 기술된 탈질조와 질산화조를 이용하여 폐수 처리 효율을 검토한 결과를 도 2 내지 도 5에 나타내었다.

도 2는 본 발명에 따른 탈질조를 거친 1,400 t/d의 유량으로 유입된 폐수의 부하 COD 변화를 나타낸 것으로, 최초 5,439 kgC/d에서 탈질조를 거친 후 4,568 kgC/d로 부하 COD가 감소하였다.

도 3은 본 발명에 따른 탈질조 및 질산화조를 거친 1,400 t/d의 유량으로 유입된 폐수의 부하 COD 변화를 나타낸 것으로, 탈질조를 거친 폐수의 부하 COD인 4,568 kgC/d에서 질산화조를 거친 후 2,741 kgC/d로 부하 COD가 감소하였다.

도 4는 본 발명에 따른 탈질조를 거친 1,400 t/d의 유량으로 유입된 폐수의 총질소(TN) 변화를 나타낸 것으로, 최초 616 ppm에서 탈질조를 거친 후 399 ppm으로 총질소가 감소하였고, 99%의 질산성 질소를 제거하였다.

도 5는 본 발명에 따른 탈질조 및 질산화조를 거친 1,400 t/d의 유량으로 유입된 폐수의 총질소(TN) 변화를 나타낸 것으로, 탈질조를 거친 폐수의 총질소(TN)인 399 ppm에서 질산화조를 거친 후 353 ppm로 총질소가 감소하였고, 90%의 암모니아성 질소를 제거하였다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 폐수 처리공정의 개념도를 나타낸 것이고,

도 2는 본 발명에 따른 탈질조를 이용한 COD 변화를 나타낸 것이고,

도 3은 본 발명에 따른 탈질조 및 질산화조를 이용한 COD 변화를 나타낸 것이고,

도 4는 본 발명에 따른 탈질조를 이용한 총질소 변화를 나타낸 것이고,

도 5는 본 발명에 따른 탈질조 및 질산화조를 이용한 총질소 변화를 나타낸 것이다.

<도면 부호에 대한 설명>

100: 전탈질조 101: 미생물 영양제 탱크

102: 영양제 펌프 103, 133: 수중혼합기

110: 반응조(QBR) 111: 가성소다 탱크

112: 가성소다 펌프 113, 141: 블로아

120: 제1침전조 121: 분말활성탄 공급장치

130: 후탈질조 131: 유기물 공급장치

132: 유기물 펌프 140: 활성오니조

150: 제2침전조

Claims

전탈질조로 유입시킨 폐수에 혐기성 미생물을 처리하여 질산성 질소 및 아질산성 질소를 질소가스로 환원시키는 전탈질단계;

반응조로 이송시킨 폐수의 온도를 25∼45℃ 및 용존산소를 0.5∼3ppm으로 유지되도록 폭기시키고, 호기성 미생물을 처리하여 폐수 중의 유기물을 분해시키고, 유기성 질소와 암모니아성 질소를 질산성 질소로 전환시키는 반응단계;

상기 반응된 폐수를 제1침전조로 이송시켜 미생물 슬러리와 처리수로 분리시키는 제1분리단계;

상기 분리된 처리수를 후탈질조로 이송시켜 혐기성 미생물을 이용하여 상기 처리수 중의 질산성 질소 및 아질산성 질소를 질소가스로 환원시키는 후탈질단계;

상기 후탈질된 처리수를 활성오니조로 이송시켜 잔류 유기물 및 질소를 제거하는 활성오니 단계; 및

상기 활성오니 단계를 거친 처리수를 제2침전조로 이송시켜 미생물 슬러리와 처리수로 분리시키는 제2분리단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 고농도 유기물 및 질소 함유 폐수의 처리방법.
청구항 1에 있어서, 상기 처리폐수의 유기물 부하량은 5.0∼20 ㎏·CODCr/㎥ ·day이고, 질소 부하량은 1.0∼4.0 kg·TN/m³·day인 고농도 유기물 및 질소 함유 폐수의 처리방법.
청구항 1에 있어서, 상기 침전조는 용존산소의 농도가 3∼8 ppm이 되도록 간헐적으로 폭기되는 고농도 유기물 및 질소 함유 폐수의 처리방법.
청구항 1에 있어서, 상기 침전조는 미생물 유실을 방지하기 위하여 분말 활성탄을 투입하는 공급장치를 구비하는 고농도 유기물 및 질소 함유 폐수의 처리방법.
청구항 1에 있어서, 상기 반응조는 폐수의 pH, 영양제 투입량 및 염농도가 반응조 내에 설치된 센서에 의해 자동적으로 조절되는 고농도 유기물 및 질소 함유 폐수의 처리방법.
청구항 1에 있어서, 상기 반응조 및 침전조의 온도는 냉각장치에 의해 조절되는 고농도 유기물 및 질소 함유 폐수의 처리방법.
탈질조, 반응조 및 침전조를 포함하며,

상기 탈질조는 수중 혼합기를 구비하며;

상기 반응조는 공기를 공급하는 블로아 및 상기 블로아로부터 공급되는 공기를 미세한 공기방울로 만드는 산기관을 구비하며, 반응조 외부에 설치되어 반응조내에서의 미생물의 대사열로 인한 폐수의 온도상승을 방지하기 위한 제1냉각장치를 구비하며;

상기 침전조는 미생물 유실을 방지하기 위하여 분말 활성탄을 투입하는 공급장치를 구비하며, 침전조 외부에 설치되어 침전조내의 폐수의 온도를 20∼30℃로 유지시키는 제2냉각장치를 구비하는,

고농도 유기물 및 질소 함유 폐수의 처리장치.
청구항 8에 있어서, 상기 침전조를 주기적으로 폭기하기 위한 폭기장치를 더욱 포함하는 고농도 유기물 및 질소 함유 폐수의 처리장치.
청구항 8에 있어서, 상기 반응조는 폐수의 pH, 영양제 투입량 및 염농도를 자동적으로 조절하기 위한 센서를 더욱 포함하는 고농도 유기물 및 질소 함유 폐수의 처리장치.
청구항 8에 있어서, 상기 냉각장치는 칠러(Chiller) 타입 또는 냉각탑 방식인 고농도 유기물 및 질소 함유 폐수의 처리장치.