KR20130003522A

KR20130003522A - 폐수처리 시스템

Info

Publication number: KR20130003522A
Application number: KR1020110064931A
Authority: KR
Inventors: 채규정; 김건태; 안창효; 강문선; 김용학; 김승준
Original assignee: 코오롱글로벌 주식회사
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2013-01-09

Abstract

본 발명의 폐수 처리 시스템은 스트러바이트(Struvite) 침전 및 암모니아 탈기하는 전처리 단계 및 혐기성 소화조 처리단계를 포함하고, 상기 전처리 단계로부터 얻은 처리수를 유입함과 동시에 상기 소화조 처리단계로부터 발생된 이산화탄소 및 메탄을 포함하는 바이오가스를 유입하여 상기 전처리 단계로부터 얻은 처리수에 의하여 상기 바이오가스에 포함된 이산화탄소를 흡수하여 고순도 메탄가스를 방출하는 바이오가스 정제 및 pH 저감 단계; 상기 바이오가스 정제 및 pH 저감 단계로부터 얻은 처리수의 pH를 7~8으로 조절하는 pH조절단계를 포함하며, 상기 pH조절 단계로부터 얻은 처리수를 상기 혐기성 소화조 처리단계로 유입시켜 혐기성 소화조 처리하고, 상기 혐기성 소화조 처리단계로부터 처리된 처리수를 무산소조로 유입시켜 탈질처리하는 무산소조 처리단계; 상기 무산소조 유출수를 멤브레인이 설치된 호기조로 유입시켜 질산화 처리하고, 상기 멤브레인을 통하여 여과된 여과수를 방출하는 MBR(Membrane Bio reactor) 처리단계를 포함하고, 상기 호기조 처리단계에서 처리된 유량의 일부를 상기 무산소조 처리단계의 무산소조로 반송시키는 것을 특징으로 한다.

Description

폐수처리 시스템{Treatment system for waste water}

본 발명은 폐수를 정화처리하는 시스템에 관한 것으로서, 특히, 암모니아와 인의 농도가 높은 축산폐수, 음식물 폐액, 하수처리장의 반송슬러지 등의 폐수를 정화처리하는 시스템에 관한 것이다.

우리의 생활주변에는 축산폐수, 음식물 폐액, 하수처리장의 반송슬러지 등의 폐수가 많이 발생하고, 이러한 폐수들은 암모니아 및 인 등의 높아 그 처리가 필수적이다.

이러한 폐수들을 정화처리하는 폐수 처리 시스템은 통상적으로 물리적, 화학적, 및 생물학적 처리방법이 있으나, 대개는 전ㅇ후처리의 방법으로 물리적 또는 화학적 방법이 결합된 생물학적 처리방법이 주를 이루고 있다.

암모니아 및 인 등의 함량이 높은 폐수들 중에서 국내에 설치되어 운영되고 있는 축산폐수 처리시설의 가장 큰 문제점은 처리시설로 유입되는 가축(돼지)의 분뇨 오염부하가 계절, 돈사형태 및 지역에 따라서도 변동이 크다. 특히 과거에 건설된 처리장의 경우 오염부하를 BOD 5,000 mg/L, SS 2,000mg/L 정도에 맞게 설계하여 시설하였으나, 실제 유입되는 돼지분뇨는 BOD 25,000∼60,000 mg/L 이상이고, 4,000∼7,000 mg/L 정도의 고농도 질소와 1,000∼3,000mg/L 정도의 고농도 인이 포함되어 처리용량을 현저히 초과하고 있다는 것이다. 또한, 환경기준이 날로 강화됨에 따라 축산폐수를 처리할 때 유기물의 제거뿐만 아니라 엄격한 질소ㅇ인의 고도처리가 요구되고 있어 전처리에서 충분한 양의 질소와 인을 제거하지 못하면 축산폐수의 질소ㅇ인 고도처리는 종래의 생물학적 처리만으로는 불가능하고 방류수 수질기준을 충족할 수 없는 문제점이 있는 것이다.

무엇보다도, 생물학적으로 질소, 인 제거에 적합한 C/N(COD/TKN) 비는 8∼11이상인데, 슬러리형 축산폐수는 C/N비가 일반적으로 6 이하로 처리가 어렵고 분과 뇨가 분리된 폐수는 더욱 C/N 비가 낮아 처리가 곤란하다(Kyun, P. S. et al., 2000). 축산폐수의 질소, 인을 고도 처리하기 위한 생물학적 처리공정은 주로 A2O 공정 즉, 혐기조/소화조/호기조 공정으로 구성되나 축산폐수는 C/N 비가 낮아서 무산소 조건에서 탈질을 위한 충분한 유기물의 확보가 곤란하여 적절한 질소제거가 곤란하고, 인 제거 미생물과 탈질균 사이에 기질경쟁이 발생하기 때문에 충분한 기질이 존재하지 않는 한 생물학적으로 축산폐수에 고농도로 존재하는 질소, 인 제거는 매우 어렵다(Hartwig, 1992; Chae et al., 2000). 따라서, 충분한 질소와 인 그리고 유기물제거를 위해 공정이 더욱 복잡해지고 있으며 탈질을 위해 여분의 유기물을 투입함으로써 운전경비를 상승시키고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서는 질소와 인을 상당부분 전처리 공정에서 제거하여 주처리 공정의 질소와 인, 유기물의 밸런스를 충족시켜 효과적인 생물학적 탈질ㅇ탈인을 수행하고 동시에 공정의 단순화를 가능하게 할 전처리 공정의 개발이 절실히 요구되고 있다. 현재 고농도의 질소 제거를 위한 전처리 공정의 일환으로 암모니아 스트리핑이 일부 축산폐수처리장에서 적용되고 있으나 많은 문제점들을 가지고 있으며, 외국에서는 질소와 인을 고농도로 포함하고 있는 비료공장폐수에 대한 스트러바이트(Struvite, 또는 Magnesium Ammonium Phosphate) 침전이 개별적으로 이용되고는 있으나, 이는 주로 질소, 인의 회수에 중점을 둔 것으로 과도한 약품비로 인하여 운영상의 어려움이 있다.

암모니아성 스트리핑 공정은 pH 10.5∼11.5와 같은 높은 pH에서 대부분의 암모니아를 기체상태로 바꿈으로써 안정적인 제거율을 보이지만, 온도에 민감하고 많은 송풍 공기량이 필요하고, 동절기 안개현상과 얼음이 끼는 등 상당한 문제를 가지고 있으며, pH 조정에 필요한 약품비가 고가인 문제점이 있다. 종래의 처리장에서는 암모니아 스트리핑을 위해 석회를 주입하여 pH를 상승시키는데 이 때 공급되는 석회와 높은 pH가 공기 중 이산화탄소의 흡수를 유발하여 스트리핑탑과 유입관내에 다량의 탄산칼슘 스케일을 형성하여 유지관리비와 운전비용을 증가시킨다. 또한 암모니아 스트리핑시 석회를 주입함으로써 축산폐수 내에 존재하는 인을 일부 침전 제거할 수 있으나 과도한 슬러지 발생으로 처리비용의 상승을 초래한다. 또한 암모니아 스트리핑은 유기질소의 제거가 불가능한데 축산폐수의 TKN중 약 30∼50 % 이상이 유기질소이기 때문에 축산폐수 총 질소의 50 % 이상을 암모니아 스트리핑으로 제거하기는 사실상 어렵다.

스트러바이트(struvite) 침전은 고농도의 암모니아와 정인산을 포함하고 있는 비료공장의 폐수와 같은 산업폐수에서 질소와 인의 회수방법으로 일부 이용되고 있으며, 스트러바이트 결정은 축산폐수 처리공정에서 흔히 발견되듯이 관로폐색의 심각한 문제를 유발한다. 스트러바이트는 마그네슘 암모니아 포스페이트 헥사하이드레이트(magnesium ammonia phosphate hexahydrate; MgNH₄PO₄ㆍ6H₂O)로서, pH8 이상에서 생성되기 쉽고, pH10.5∼11 사이에서 가장 낮은 용해도를 보인다(Ohlinger et al, 1998; Kabdashli et al., 2000; Maqueda et al., 1993; Webb and Ho, 1992; Loewenthal et al., 1994).

즉, 스트러바이트 결정은 축산폐수 내의 Mg²⁺ , NH₄ ⁺ , PO₄ ^3- 가 스트러바이트 용해도의 한계를 초과하면 생성되고, 용해도 상수(pK_sp )는 연구자에 따라 편차를 보이고 있으나 아래와 같은 반응식 1을 통해 13.0 정도로 나타난다.

[반응식 1]

스트러바이트 침전은 질소와 인의 동시제거가 가능하고 침전과정에서 상당부분의 고형물이 제거되기 때문에 암모니아 스트리핑에서는 불가능했던 상당부분의 유기성질소를 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 스트러바이트 침전에 의해 인이 제거되었기 때문에 후속 생물학적인 인 제거 공정의 부하를 줄일 수 있는 장점이 있다.

그러나 스트러바이트 침전을 위해서는 필수적으로 고농도의 암모니아와 정인산 그리고 마그네슘 이온이 주입되어야 하는데 이 때 소요되는 약품비가 매우 고가이다. 더욱이 축산폐수와 같이 암모니아와 정인산이 고농도로 존재하되 암모니아의 농도가 월등히 높은 폐수를 처리하기 위해서는 스트러바이트 침전에 필요한 최적 몰비를 유지하기 위하여 과도한 마그네슘(Mg²⁺)과 정인산(PO₄ ^3-)의 공급이 필요하다는 문제가 있다.

이러한 암모니아 스트리핑과 스트러바이트 침전 공정은 축산폐수의 질소, 인 제거를 위한 전처리 공정이 될 수 있으나, 개별적으로는 적용에 어려움이 있기 때문에 상호 보완에 의한 효율 향상이 필요하다. 더욱이 스트러바이트 침전은 낮은 온도에서 효과적이며 암모니아 스트리핑은 높은 온도에 적합한 공정이므로 사계절의 변화가 뚜렷한 국내에서 각각의 공정을 별도로 적용하는 것은 비효율적이다.

본 발명은 암모니아와 인의 농도가 높은 축산폐수, 음식물 폐액, 하수처리장의 반송슬러지 등의 폐수를 정화처리함에 있어서, 스트러바이트 침전과 암모니아 탈기시에 pH조절을 위한 약품의 주입량을 최소화 시키고, 전처리단계에서 얻어지는 스트러바이트를 양질의 비료로 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 전체 처리 시스템에서 발생되는 다양한 가스들을 개별적으로 분리 배출시켜 유용 자원으로서 가스(암모니아, 메탄가스 등) 활용 효율을 향상시킴과 동시에 고농도로 존재하는 질소와 인을 동시에 제거시키고, 후속 소화조 처리에 적합한 pH를 조절할 수 있고, 효율적인 MBR 처리(질산화 및 탈질 처리 등)를 통하여 아주 우수한 수질의 처리수를 배출 할 수 있는 폐수 처리 시스템을 제공하려는 것이다.

여기에서, 상기 전처리단계에서 처리된 처리수의 일부를 상기 MBR 처리단계의 호기조로 유입시킬 수 있다.

상기 전처리 단계에서 전처리조에 폐수로부터 얻은 미처리수를 유입하면서, 전처리조의 하부에서 공기를 유입시켜 폭기시키고, NaOH를 투입하여 전처리조의 내부에 유입된 유입수의 pH를 10~11로 조절함과 동시에, Mg²⁺ 를 투입하여 스트러바이트를 침전시킴과 동시에 암모니아를 공기와 함께 탈기하는 것이 바람직하다.

상기 전처리조의 내부에는 기-액 접촉효율을 높이기 위한 다공성 물질층이 설치된 것이 바람직하다.

상기 전처리 단계에서 전처리 단계에 의한 처리수의 일부를 상기 전처리조의 상부로 유입시켜 상기 전처리조 내부 유입수의 표면에 살포하는 것이 바람직하다.

상기 암모니아와 공기를 포함하는 탈기된 기체를 황산처리하여 암모니아를 회수하는 암모니아 회수단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 암모니아 회수단계 이전에 상기 암모니아와 공기를 포함하는 탈기된 기체에 포함된 이산화탄소를 흡수하기 위한 이산화탄소 흡수 단계를 더 포함하고, 상기 이산화탄소 흡수 단계는 상기 전처리조로부터 탈기된 기체를 이산화탄소 흡수조의 하부로 유입시키면서, 상기 전처리조에 의한 처리수의 일부를 상기 이산화탄소 흡수조의 상부로 유입 살포할 수 있고, 이 때, 상기 이산화탄소 흡수 단계에 의한 이산화탄소 흡수 처리수를 상기 pH조절단계로 도입하는 것이 바람직하다.

본 발명은 스트러바이트 침전과 암모니아 탈기시에 pH조절을 위한 약품의 주입량을 최소화 시키고, 전처리단계에서 얻어지는 스트러바이트를 양질의 비료로 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 전체 처리 시스템에서 발생되는 다양한 가스들을 개별적으로 분리 배출시켜 유용 자원으로서 가스(암모니아, 메탄가스 등) 활용 효율을 향상시킴과 동시에 고농도로 존재하는 질소와 인을 동시에 제거시키고, 후속 소화조 처리에 적합한 pH를 조절할 수 있고, 효율적인 MBR 처리(질산화 처리 및 탈질 처리 등) 를 통하여 아주 우수한 수질의 처리수를 배출 할 수 있는 폐수 처리 시스템을 제공하였다.

도 1은 본 발명의 폐수처리 시스템에 대한 간단한 공정 개념도이다.

이하, 본 발명의 폐수 시스템의 구체적인 실시형태에 관하여 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

우선, 본 발명의 폐수 처리 시스템은 스트러바이트(Struvite) 침전 및 암모니아를 탈기하는 전처리 단계(S1)를 포함한다.

상기 전처리 단계(S1)에서는 전처리조(100)에 폐수로부터 얻은 미처리수를 유입하면서, 전처리조의 하부에서 공기를 유입시켜 폭기한다. 이 때, 유입되는 미처리수의 pH는 약 7.5정도로 유입하게 되는데, 공기의 폭기에 의하여 수중의 용존 CO₂가 탈기(제거)되면 유입수 내의 반응이 하기 반응식 2에서 왼쪽방향으로 진행하게 되어 좀 더 많은 H⁺ 이온이 감소하게 됨으로 pH가 상승하게 된다. 이에 따라 이산화탄소가 탈기하게 됨으로써 전처리조의 내부에 유입된 유입수의 pH가 약 8.5이상으로 상승하게 되어 후속으로 전처리조의 내부에 유입된 유입수로부터 스트러바이트의 침전이 원활하게 되는 pH 약 10에 이르도록 투입하는 NaOH(N)의 양을 현저히 저감시킬 수 있는 것이다.

[반응식 2]

CO₂(g) <--> CO₂(aq)

CO₂(aq)+ H₂O <--> H⁺ + HCO₃ ^-

HCO₃ ^- <--> H⁺ + CO₃ ^2-

이때 전처리조 하부의 공기 폭기는 폐수 유입수내 존재하는 이산화탄소의 탈기를 통해 pH를 상승시킴으로써 후속으로 일어나는 스트러바이트 형성과 암모니아스트리핑을 위해 소요되는 pH 상승용 알카리 약품 소요량을 절감시키고 동시에 스트러바이트 결정 형성을 위해 요구되는 교반 효과까지 2가지 목적을 수행하게 된다.

그리고, 전처리조의 내부에 유입된 유입수로부터 스트러바이트(Stb)를 침전시키기 위하여 스트러바이트(Stb) 침전에 적합한 조건인 pH 약 10 정도로 조절하기 위하여 NaOH를 투입하며, 이 때, 상기 침전조의 공기 폭기에 의한 이산화탄소 탈기에 의하여 전처리조 내의 유입수의 pH가 약 8.5 이상으로 상승되었기 때문에 NaOH의 투입량을 현저히 저감시킬 수 있는 것이다.

또, 전처리조의 내부에 유입된 유입수로부터 스트러바이트(Stb)를 침전시키기 위하여 Mg²⁺(M)를 투입하는데, 이 때, Mg²⁺(M)의 투입량은 유입수에 포함되어 있는 PO₄의 양과 동일한 당량만큼 투입하면 된다.

이와 같이, 유입수에 포함되어 있는 PO₄ ^3-의 양과 동일한 당량만큼 Mg²⁺(M)를 투입하게 되면, 미리 조절된 pH 약 10정도의 분위기에서 상기 반응식 1과 같은 반응에 의하여 스트러바이트(Stb)가 침전하게 되며, 이 때 침전되는 스트러바이트(Stb)의 양은 유입수에 포함되어 있는 PO₄의 양에 의하여 결정되고, 이에 의하여 유입수에 과량으로 포함되어 있는 암모니아(NH₄ ⁺) 중 스트러바이트(Stb)로 침전되는 양 이외의 암모니아(NH₄ ⁺)는 기체로 공기와 함께 탈기(S_N))하게 되는 것이다.

이 때, 암모니아의 탈기를 원활하게 하기 위하여 기체와 액체의 접촉면적을 최대화 시킬 수 있도록 전처리조에 유입된 유입수의 상부면에 다공성물질층(P)을 형성할 수 있고, 다공성물질층(P)의 기공율은 약 60-90%이고 충진율은 20~60%인 것이 바람직하다. 다공성물질층(P)의 재질은 특별히 제한이 없고, 기체와 액체의 접촉면적을 최대화 시킬 수 있는 구성이면 모두 가능하다.

그리고, 전처리조에 유입된 유입수의 표면이나, 다공성물질층(P)의 상부 표면에 거품 등의 스컴이 발생하게 되면 암모니아를 탈기할 수 있는 표면적이 줄어들게 되는데, 이러한 현상을 최소화시키기 위하여서는 전처리 단계에서 처리된 처리수의 일부를 전처리조의 상부로 유입시켜 상기 전처리조 내부 유입수의 표면에 살포하는 것이 바람직하다.

또, 전처리조에서 탈기된 기체(S_N)에는 암모니아를 다량 포함하고 있으므로, 이를 황산(H₂SO₄)처리하여 (NH₄)₂SO₄로 반응시켜 암모니아를 회수하는 암모니아 회수단계(S5)를 더 포함함으로써, 전처리조에서 발생되는 탈기 기체로부터 순수 고농도의 암모니아를 별도로 분리 배출하여 이를 스트러바이트(Stb)와 함께 양질의 비료로 활용할 수 있는 것이다.

그리고, 상기 암모니아 회수단계 이전에 상기 암모니아와 공기를 포함하는 탈기된 기체에 포함된 이산화탄소를 흡수하기 위한 이산화탄소 흡수 단계(Sco)를 더 포함하고, 상기 이산화탄소 흡수 단계는 상기 전처리조로부터 탈기된 기체를 이산화탄소 흡수조의 하부로 유입시키면서, 상기 전처리조에 의한 처리수의 일부를 상기 이산화탄소 흡수조의 상부로 유입 살포할 수 있다. 이 때, 전처리단계(S1)의 처리수는 그 pH가 약 10 이상으로 조절되어 있으므로, 이와 같이 상기 이산화탄소 흡수 단계(Sco)에 의하여 이산화탄소를 잘 흡수하게 되고, 이 경우에는 상기 반응식의 오른쪽 방향으로 반응이 전개되어 그 pH가 약 8~9 정도로 낮게 조절되고 이 처리수를 상기 pH조절단계로 도입함으로써 혐기성 소화조 처리단계(S4)에서 필요로 하는 pH 조건 약 7~8로 조절하기 위하여 투입하는 pH조절제의 양을 현저히 줄일 수 있는 것이다.

본 발명의 폐수처리 시스템은 혐기성 소화조 처리단계(S4)를 포함하는데, 이러한 혐기성 소화조 처리단계(S4)를 통하여 고도 처리된 처리수를 배출할 수 있는 장점이 있지만, 이와 동시에 혐기성 소화조 처리단계에서는 바이오가스(B)가 발생된다. 이 바이오가스(B)에는 주로 메탄이 약 65%, 이산화탄소가 약 30%정도 포함되는데, 이를 발전이나 보일러의 고급 연료로 사용을 위해서는 CO2를 제거하는 정제과정이 필요한데 이때 소요되는 비용이 바이오가스 발생에 소요되는 총 비용의 약 40%에 달한다. 본 발명에서는 고농도의 메탄을 분리하여 연료로 사용할 수 있게 하고, 이산화탄소는 시스템 내부적으로 사이클링이 되도록 하여 시스템 처리효율을 향상시키는 용도로 활용하는 것이다. 즉, 즉 전처리조 유입수내 존재하는 CO2는 초기 탈기 되지만 다시 재 흡수되고, 후단 혐기성 소화조에서 발생하는 바이오가스내 CO2도 재 흡수 되기 때문에 온실가스인 CO2 배출의 문제도 해결할 수 있는 것이다.

즉, 본 발명은 상기 전처리 단계(S1)로부터 얻은 처리수를 바이오가스 정제조(200)로 유입함과 동시에 상기 혐기성 소화조 처리단계(S4)로부터 발생된 이산화탄소 및 메탄을 포함하는 바이오가스(B)를 유입하여 상기 전처리 단계(S1)로부터 얻은 처리수에 의하여 상기 바이오가스에 포함된 이산화탄소를 흡수하여 고농도 메탄가스(C)를 방출하는 바이오가스 정제 및 pH 저감 단계(S2)를 포함한다.

이때, 바이오가스 정제 및 pH 저감단계(S2)는 상기 혐기성 소화조 처리단계(S4)로부터의 바이오가스(B)를 바이오가스 정제조의 하부로 유입시키면서 상부로 이동하게 하면서 상기 전처리단계(S1)로부터 얻은 처리수를 바이오가스 정제조의 상부로 유입, 살포함으로써 바이오가스에 포함된 이산화탄소를 처리수에 흡수시킴으로써 고농도의 메탄가스를 바이오가스 정제조(200)의 상부로 배출시킬 수 있고, 이 때, 이산화탄소의 흡수 효율을 향상시키기 위하여서는 바이오가스 정제조(200)의 내부에 다공성물질층(P)을 형성시켜 바이오가스 정제조(200)의 하부로 유입되어 상부로 이동되는 바이오가스(B)와 바이오가스 정제조(200)의 상부로 유입되어 하부로 이동되는 유입수의 접촉면적을 최대화 시키는 것이 바람직하고, 이 때, 이용되는 다공성 물질층(P)은 전처리조(100)에서 이용되는 다공성물질층(P)과 동일 또는 유사한 조건으로 이용할 수 있다. 이와 같이 배출되는 고농도의 메탄가스는 고효율의 연료로 이용될 수 있는 것이다.

또, 바이오가스 정제조(200)로 유입되는 전처리단계(S1)의 처리수는 그 pH가 약 10이상으로 조절되어 있으나, 매탄가스 방출조(200)에서 바이오가스(B)에 포함되어 있는 이산화탄소를 흡수함으로써, 그 처리수는 pH가 약 8~9로 조절될 수 있고, 이를 후속 단계인 pH조절단계로 도입시킴으로써, 혐기성 소화조 처리단계(S4)에서 필요로 하는 pH 조건 약 7~8로 조절하기 위하여 투입하는 pH조절제의 양을 현저히 줄일 수 있는 것이다.

그리고, 상기 바이오가스 정제 및 pH 저감 단계로(S2)부터 얻은 처리수 및/또는 상기 이산화탄소 흡수단계(Sco)로부터 얻은 처리수를 pH조절조(300)로 유입시켜 혐기성 소화조 처리단계(S4)에서 효율적인 소화처리를 위하여 필요한 pH조건인 7~8로 조절하는 pH조절단계(S3)를 포함하며, 상기 pH조절 단계(S3)로부터 얻은 처리수를 혐기성 소화조(400)로 유입시켜 혐기성 소화조 처리하는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 pH조절단계에서는 유입되는 유입수의 pH를 7~8로 조절하기 위하여 황산(S)을 투입하는 것이 바람직하다.

본 발명은 이와 같이 최종적으로 혐기성 소화조 처리단계(S4)까지 수행하여 고도 처리된 처리수를 배출할 수 있으며, 혐기성 소화조 처리단계(S4)에서 발생되는 바이오가스(B)는 앞서 설명한 바이오가스 정제 및 pH 저감단계(S2)를 통하여 별도의 메탄가스를 생산 배출할 수 있고, 이산화탄소는 별도의 배출없이 지속적으로 리사이클링하여 환경적으로 문제없도록 할 수 있는 것이다.

이와 같이, 상기 혐기성소화조 처리단계(S4)로부터의 처리수(혐기성 소화액)을 액비 등으로 활용할 수 있는 경우에는 이를 별도의 후처리 없이 바로 이용할 수 있으나, 본 발명은 혐기성 소화액을 액비 등으로 이용하지 못하는 경우에 축산 폐수 등의 방류기준에 적합하도록 하기 위하여 추가적인 처리를 수행한다.

즉, 상기 혐기성 소화조 처리단계로부터 처리된 처리수를 무산소조(600)로 유입시켜 탈질처리하는 무산소조 처리단계(S6)와, 상기 무산소조(600)의 유출수를 멤브레인(710)이 설치된 호기조(700)로 유입시켜 질산화 처리하고, 멤브레인(710)을 통하여 여과된 여과수를 방출하는 MBR 처리단계(S7)를 포함하고, 상기 MBR 처리단계(S7)에서 처리된 유량의 일부를 상기 무산소조 처리단계(S6)의 무산소조(600)로 반송(R)시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 폐수처리 시스템은 전처리 단계(S1)에서 스트러바이트(Stb)의 침전과 암모니아(NH₄ ⁺)의 탈기(S_N)을 통하여 인과 질소를 거의 제거하였으나, 상기 혐기성 소화조 처리단계(S4) 후에 잔존하는 유기물과 질소 등을 제거하기 위하여 무산소조 처리단계(S6) 및 MBR 처리단계(S7)를 포함하는 것이다. 즉, 상기 MBR 처리단계(S7)에서는 하기 반응식 3과 같은 반응에 의하여 잔존하는 암모니아(NH3)를 NO₃ ^-로 질산화시키고, 상기 무산소조 처리단계(S6)에서는 상기 호기조(700)로부터 상기 무산소조(600)로 반송된 유입수의 NO₃ ^-를 하기 반응식 4와 같은 반응에 의하여 N₂로 탈질반응시켜 질소 성분을 공기 중으로 방출하여 제거할 수 있는 것이다. 이 때, 반응식 3 및 4의 질산화 반응과 탈질 반응에 의한 질소의 배출을 원활하게 하기 위하여 상기 호기조(700)로부터 상기 무산소조(600)로 반송(R)되는 유량은 상기 호기조(700)로 유입되는 유입유량 대비 약 100~300부피%로 하는 것이 바람직하다.

[반응식 3: 질산화 반응]

NH₃ + CO₂ + 1.5O₂ + Nitrosomonas → NO₂ ^- + H₂O + H⁺

NO₂ ^- + CO₂ + 0.5O₂ + Nitrobacter → NO₃ ^-

[반응식 4: 탈질 반응]

2NO₃ ^- + 10 e^- + 12 H⁺ → N₂ + 6 H₂O

한편, 상기 MBR 처리단계(S7)에서는 질산화 반응을 통하여 호기조(700) 내부의 pH 저하 현상이 발생하게 되는데, 이러한 pH저하 현상은 호기조(700) 내부의 질산화 미생물의 활성을 저하시키는 문제를 발생할 수 있다. 이에, 상기 전처리단계(S1)에서 pH가 약 10으로 조절된 처리수의 일부를 상기 MBR 처리단계(S7)의 호기조(700)에 유입시킴으로써, 호기조 내에서 질산화에 의한 유발되는 낮은 pH를 높힐 수 있는 역할을 하게 함으로써 호기조(700)에 포함되어 있는 질산화 미생물의 활성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 pH 조정을 위한 약품비를 절감 할 수 있는 것이다.

또한, 호기조(700)에서 질산화 반응된 질산염(NO₃ ^-)은 탈질 반응을 위해 무산소조(600)로 반송되는데, 무산소조(600)의 탈질 미생물은 탈질 반응을 위해 많은 양의 유기물을 요구하므로, 유입수의 C/N비가 낮은 경우에는 유기물 양에 비해 질소의 양이 너무 많을 수 있고, 이런 경우에는 호기조(700)의 질산화 과정에서 pH 저하 현상은 더욱 심각하게 되고, 무산소조(600)에서 탈질용 유기물이 부족하기 때문에 전체적으로 질소제거효율이 매우 낮게 될 염려가 있을 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 이러한 문제를 방지하기 위하여 전처리단계(S1)에서 스트러바이트(Stb) 침전과 암모니아 탈기(Sn)을 통해 많은 양의 인과 암모니아를 제거하였기 때문에 최종 처리를 위한 무산소조(600)로 유입되는 유입수의 C/N비가 10 이상으로 유지되어 상기와 같은 문제를 예방할 수 있는 것이다. 더욱이 전처리 단계(S1)에서 struvite 침전을 통해 미리 인을 제거하였기 때문에 무산소조(600)에서 탈인 박테리아에 의한 유기물 이용을 최소화함으로써 탈인 미생물과 탈질 미생물간의 기질 경쟁을 회피하여 탈질 미생물이 충분히 이용할 수 있는 유기물의 양을 확보할 수 있게 된 것이다.

이와 같은 본 발명의 폐수처리 시스템은 암모니아와 인의 농도가 높은 축산폐수, 음식물 폐액, 하수처리장의 반송슬러지 등의 폐수를 정화처리하는 데에 이용될 수 있으며, 특히, 축산폐수를 처리하는 데에 더욱 효과적일 수 있다.

S1 : 전처리 단계, S2 : 바이오가스 정제 및 pH 저감 단계,
S3 : pH조절단계, S4 : 혐기성 소화조 처리단계, S5 : 암모니아 회수단계,
S6 : 무산소조 처리단계, S7 : MBR 처리단계
100 : 전처리조, 200 : 바이오가스 정제조, 300 : pH조절조,
400 : 혐기성 소화조, 600 : 무산소조, 700 : 호기조
710 : MBR 장치
M : Mg²⁺, N : NaOH, P : 다공성물질, A : 공기, D : 확산판,
Stb : 스트러바이트, SN : 탈기기체, C : 고농도 메탄 기체, S : 황산,
B : 바이오가스

Claims

스트러바이트(Struvite)를 침전시키면서 암모니아를 탈기하는 전처리 단계 및 혐기성 소화조 처리단계를 포함하고,
상기 전처리 단계로부터 얻은 처리수를 유입함과 동시에 상기 혐기성 소화조 처리단계로부터 발생된 이산화탄소 및 메탄을 포함하는 바이오가스를 유입하여 상기 전처리 단계로부터 얻은 처리수에 의하여 상기 바이오가스에 포함된 이산화탄소를 흡수하여 고농도 메탄가스를 방출하는 바이오가스 정제 및 pH 저감 단계;
상기 바이오가스 정제 및 pH 저감 단계로부터 얻은 처리수의 pH를 7~8으로 조절하는 pH조절단계;
상기 pH조절 단계로부터 얻은 처리수를 소화조 처리하는 혐기성 소화조 처리단계로 유입시켜 소화조 처리하고, 상기 혐기성 소화조 처리단계로부터 처리된 처리수를 무산소조로 유입시켜 탈질처리하는 무산소조 처리단계;
상기 무산소조의 유출수를 멤브레인이 설치된 호기조로 유입시켜 질산화 처리하고, 상기 멤브레인을 통하여 여과된 여과수를 배출하는 MBR(Membrane Bio reactor) 처리단계를 포함하고,
상기 호기조 처리단계에서 처리된 유량의 일부를 상기 무산소조 처리단계의 무산소조로 반송시키는 것을 특징으로 하는 폐수처리 시스템.
제1항에 있어서, 상기 전처리단계에서 처리된 처리수의 일부를 상기 MBR 처리단계의 호기조로 유입시키는 것을 특징으로 하는 폐수처리 시스템.
제1항에 있어서, 상기 전처리 단계에서 전처리조에 폐수로부터 얻은 미처리수를 유입하면서, 전처리조의 하부에서 공기를 유입시켜 폭기시키고, NaOH를 투입하여 전처리조의 내부에 유입된 유입수의 pH를 10~11로 조절함과 동시에, Mg²⁺ 를 투입하여 스트러바이트를 침전시킴과 동시에 암모니아를 공기와 함께 탈기하는 것을 특징으로 하는 폐수처리 시스템.
제1항에 있어서, 상기 전처리 단계에서 상기 전처리조의 내부에는 다공성 물질층이 설치된 것을 특징으로 하는 폐수처리 시스템.
제1항에 있어서, 상기 전처리 단계에서 전처리 단계에 의한 처리수의 일부를 상기 전처리조의 상부로 유입시켜 상기 전처리조 내부 유입수의 표면에 살포하는 것을 특징으로 하는 폐수처리 시스템.
제1항에 있어서, 상기 암모니아와 공기를 포함하는 탈기된 기체를 황산처리하여 암모니아를 회수하는 암모니아 회수단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수처리 시스템.
제6항에 있어서, 상기 암모니아 회수단계 이전에 상기 암모니아와 공기를 포함하는 탈기된 기체에 포함된 이산화탄소를 흡수하기 위한 이산화탄소 흡수 단계를 더 포함하고, 상기 이산화탄소 흡수 단계는 상기 전처리조로부터 탈기된 기체를 이산화탄소 흡수조의 하부로 유입시키면서, 상기 전처리조에 의한 처리수의 일부를 상기 이산화탄소 흡수조의 상부로 유입 살포하는 것을 특징으로 하는 폐수처리 시스템.
제7항에 있어서, 상기 이산화탄소 흡수 단계에 의한 이산화탄소 흡수 처리수를 상기 pH조절단계로 도입하는 것을 특징으로 하는 폐수처리 시스템.