KR20150031553A - 인 제거 효율이 향상된 하폐수 고도처리장치 및 그 처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 총인 제거효율이 향상된 하폐수 고도처리장치 및 그 처리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원수의 일부가 유입되어 유기물에 의한 탈질 반응이 진행되는 제1무산소조; 상기 제1무산소조를 거친 처리수 및 원수의 일부가 유입되며, 혐기성 상태에서 미생물에 의한 인방출 반응이 진행되는 혐기조; 상기 혐기조를 거친 처리수가 유입되며, 산소가 공급되는 상태에서 생물학적 질산화 반응 및 과잉 인 섭취 반응이 진행되는 호기조; 상기 호기조를 거친 처리수가 유입되며, 내생 호흡을 통한 탈질 반응이 진행되는 제2무산소조; 상기 제2무산소조를 거친 처리수가 유입되며, 분리막에 의해 고액 분리가 진행되는 막분리조; 및 상기 막분리조를 거친 처리수가 유입되는 처리수조를 구비하는 것을 특징으로 하는 하폐수 고도처리장치 및 이를 이용한 하폐수 고도처리방법에 관한 것이다.

Description

인 제거 효율이 향상된 하폐수 고도처리장치 및 그 처리방법{Plants For Advanced Treatment Of Wastewater For Improving Phosphorous Removal Efficiency And Method For Treating Wastewater Using Thereof}

본 발명은 생물학적 인 제거 효율이 향상된 하폐수 고도처리장치 및 그 처리방법에 관한 것이다.

생활하수나 산업폐수, 분뇨, 기타 농경지 유출수, 축산폐수와 같은 비점오염원에서도 상당량의 인이 발생된다.

인을 제거하는 방법으로는 크게 화학적 방법과 생물학적 방법이 있다.

화학적 방법을 통한 인 제거는 칼슘, 알루미늄, 철 등 다가의 금속이온 염(salts of multivalent metal ions)을 첨가하여 인을 침전시켜 처리하는 방법이다. 이러한 화학적 방법은 가장 일반적인 기술로서 방법이 간단하다는 이점이 있으나 처리비용이 높고, 처리 부산물에 기인한 슬러지 발생량이 증가한다는 단점이 있다.

생물학적 방법을 통한 인 제거는 상기 화학적 방법에 비해 비용이 저렴하고 슬러지가 적게 발생하기 때문에 인 제거 방법으로 주목받고 있다.

생물학적 방법을 통한 인 제거 공정은 PAO(Polyphosphate Accumulating Org anism)라 불리는 미생물이 혐기 조건과 호기 조건에 번갈아가며 노출되면서 이루어진다.

지금까지의 연구를 바탕으로 인 제거 공정의 특성을 살펴보면, 혐기 조건일 때 PAO들은 외부의 탄소원인 휘발성 지방산(VFA, Volatile Fatty Acids)을 흡수하여 PHA(Polyhydroxyalka noates)의 형태로 저장을 한다. 그리고 이러한 대사과정에 필요한 에너지를 충당하기 위해 PAO들은 미생물 내부에 있는 폴리포스페이트(polyphosphate)를 분해하게 된다.

이때, 폴리포스페이트가 분해되면서 나온 오르소-포스페이트(ortho-phosphate)는 미생물 외부로 배출되기 때문에 혐기조건이 유지되는 상황에서는 폐수 내의 인 농도는 증가하게 된다. 그 뒤 환경이 외부 탄소원이 없는 호기 조건으로 바뀌게 되면 PAO들은 혐기 조건에서 저장해두었던 PHA를 사용하여 생장 및 생존을 하게 되고 그와 동시에 혐기 조건에서 소모하였던 폴리포스페이트를 재합성하기 위해 외부로부터 인을 흡수하게 된다. 그런데 호기 조건이 되면 미생물이 생장을 하기 때문에 호기 조건에서 흡수하는 인의 양이 혐기 조건에 방출했던 인의 양보다 많아지게 된다(luxury uptake). 이렇게 생장하여 인을 흡수한 PAO들을 폐수로부터 분리하면 폐수 내의 인이 제거된다.

인은 흡수한 PAO들을 분리막을 통해 고액분리하면 미생물은 분리막 공극(0.04㎛)을 통과하지 못하므로 분리막에 의해 모두 배제되어 총인 제거효율이 향상된다.

일반적으로 실제 하수 처리장 규모에서 이루어지는 생물학적 인 제거 공정은 연속 공정인 경우가 많다. 그리고 이러한 하수 처리장에서 인 제거를 할 때 중요한 운전변수로는 DO(용존산소, Dissolved Oxygen), pH, 온도, BOD(생화학적 산소 요구량, Biological Oxygen Demand), 고체/유체 체류시간 등이 있다.

특히 MBR의 경우 분리막조의 높은 DO농도로 인해 분리막조에서 무산소조로 반송되는 슬러지에 용존산소가 많이 포함되어 무산소조에 질산성 질소의 탈질을 방해하는 요인이다.

또한, 무산소조에서 탈질이 잘 일어나지 않을 경우 무산소조에서 혐기조로 반송되는 슬러지에 질산성 질소가 많이 포함되어 혐기조로 유입되는 원수 중의 유기물은 PAO의 인 방출에 사용되기 전에 질산성 질소의 탈질에 사용되기 때문에 인제거 효율을 떨어뜨리는 원인이 된다.

즉, MBR은 분리막조의 높은 DO농도는 인해 무산소조에서의 탈질 뿐 아니라 혐기조에서의 PAO 미생물의 인 방출에도 영향을 미치게 된다.

대한민국 등록특허 10-1128863 대한민국 공개특허 10-2004-0092209

이에 본 발명자들은 MBR 공정을 통한 하폐수 처리 장치 및 방법에 대해 다각적으로 연구를 진행한 결과, 공정 장치에 무산소조를 2개 구비하되 이를 혐기조 및 호기조의 양측에 배치하여 탈질을 유도하고 유기물 내 미생물을 혐기성 및 호기성 조건에 교대로 노출시켜 인을 높은 수준으로 제거할 수 있는 고도처리장치 및 방법을 확립하여 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 높은 수준의 생물학적 인 제거 효율을 갖는 하폐수 고도처리장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은

원수의 일부가 유입되어 유기물에 의한 탈질 반응이 진행되는 제1무산소조;

상기 제1무산소조를 거친 처리수 및 원수의 일부가 유입되며, 혐기성 상태에서 미생물에 의한 인 방출 반응이 진행되는 혐기조;

상기 혐기조를 거친 처리수가 유입되며, 산소가 공급되는 상태에서 생물학적 질산화 반응 및 과잉 인 섭취 반응이 진행되는 호기조;

상기 호기조를 거친 처리수가 유입되며, 내생 호흡을 통한 탈질 반응이 진행되는 제2무산소조;

상기 제2무산소조를 거친 처리수가 유입되며, 분리막에 의해 고액 분리가 진행되는 막분리조; 및

상기 막분리조를 거친 처리수가 유입되는 처리수조를 구비하는 것을 특징으로 하는 하폐수 고도처리장치를 제공한다.

이때 상기 하폐수 고도처리장치는 제2무산소조의 슬러지 일부를 제1무산소조로 반송시키기 위한 제1반송라인, 및 막분리조를 거친 슬러지의 일부를 호기조로 반송시키기 위한 제2반송라인을 구비한다.

또한, 본 발명은

원수를 제1무산소조 및 혐기조에 분배하여 공급하는 단계;

상기 제1무산소조에 유입된 원수에 함유된 유기물을 이용하여 질산성 질소를 탈질시키는 단계;

상기 제1무산소조를 거쳐 혐기조에 유입된 처리수와 상기 혐기조에 공급된 원수로부터 미생물에 의한 인 방출 반응을 진행시키는 단계;

상기 혐기조를 거친 처리수를 호기조에 유입시켜 암모니아성 질소를 질산성 질소로 전환시키는 질산화 반응 및 과잉 인 섭취 반응을 진행시키는 단계;

상기 호기조를 거친 처리수를 제2무산소조에 유입시켜 내생 호흡을 통한 탈질 반응을 진행시키는 단계;

상기 제2무산소조를 거친 처리수를 막분리조에 유입시켜 고액 분리를 진행시키는 단계; 및

상기 막분리조를 거친 처리수를 처리수조에 유입시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하폐수 고도처리방법을 제공한다.

이때 상기 제2무산소조를 거친 슬러지의 일부를 제1반송라인을 통해 제1무산소조로 반송시키고, 상기 막분리조를 거친 슬러지의 일부를 제2반송라인을 통해 호기조로 반송시킨다.

본 발명에 따른 하폐수 고도처리장치 및 방법을 통해 인 제거 효율을 극대화하여 종래 MBR 공정에서 생물학적 인 제거 효율이 낮은 문제를 해소할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 하폐수 고도처리장치를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 하폐수 고도처리장치를 개략적으로 도시한 블록 구성도로서, 제1무산소조, 혐기조, 호기조, 제2무산소조, 막분리조, 및 처리수조로 구성된다.

특히, 본 발명에 따른 하폐수 고도처리장치는 생물학적 인 제거 효율을 극대화하기 위해 두 개의 무산소조를 구비하며, 이때 두 개의 무산소조는 도 1과 같이 혐기조 및 호기조의 앞뒤로 배치한다.

제1무산소조에서는 미생물이 유기물을 이용하여 탈질 반응이 진행된다. 상기 제1무산소조에서의 탈질 반응은 용존산소가 존재하지 않은 상태로 탈질세균(대표종으로서 Pseudomonas , Micrococcus, Achromobactor, Bacillus등)에 의한 질산성 질소의 환원이 일어나 NO₃ ^--N이나 NO₂ ^--N은 질소가스(N₂)에 까지 환원되는 탈질 반응이 일어난다. 상기 탈질 반응에 관여하는 것은 유기물을 수소 공여체로 하는 종속영양미생물로서, 이러한 원수(즉, 하폐수) 내 함유된 유기물에 의해 탈질 반응이 진행된다.

혐기조에는 제1무산소조를 거친 처리수 및 원수의 일부가 유입되며, 혐기성 상태에서 미생물에 의한 인 방출 반응이 진행된다. 인 제거에 관련된 미생물이 혐기조에서 유입수의 유기물질을 PHB로 저장한다. 이때 원수의 유기물질을 PHB로 저장하는 에너지는 Poly-P를 Ortho-P로 가수분해할 때 생긴다. Ortho-P는 세포 밖으로 방출된다.

이때 제1무산소조에서 제거되지 않은 잔류 질소(NO₂, NO₃)가 존재하고 혐기조에서의 인 방출에 필요한 수소공여체가 부족할 경우, 외부로부터 외부 탄소원을 주입한다.

외부 탄소원으로는 공지된 것이 가능하며, 일례로 메탄올, 에탄올, 메탄, 아세테이트, 케톤, 당밀-당류, 양조-증류폐액 등이 사용될 수 있으며, 바람직하기로 메탄올을 사용한다.

호기조는 혐기조를 거친 처리수가 유입되며, 산소가 공급되는 상태에서 생물학적 질산화 반응이 진행되며, 혐기조에서 방출된 인의 흡수가 일어난다. 호기조에 유입되는 처리수에는 암모니아성 질소가 많이 포함되어 있으며, 이러한 암모니아성 질소는 생물학적 질산화 반응에 따른 호기조에서 미생물 작용에 의해 질산성 질소로 산화된다. 상기 혐기조에서 방출된 인은 제2무산소조에서 일부, 제거되지 않은 인은 호기조에서 생물학적 과잉 인 섭취 반응에 의해 제거된다.

제2무산소조는 호기조에서 넘어오는 용존산소를 저감시키고 유기물을 이용하지 않는 내생 탈질 반응이 일어난다. 내생 탈질 반응은 탈질 반응에 필요한 수소공여체로서 활성 슬러지에 흡착되어 세포 내에 축적된 유기물을 이용하게 된다. 따라서 탈질 반응에 필요한 유기물을 외부로부터 첨가하지 않는다.

이때 제2무산소조는 제1반송라인을 통해 제1무산소조와 연결되어 내부 반송을 수행할 수 있도록 한다. 특히, 본 발명에서 제시하는 하폐수 고도처리장치 및 이를 이용한 방법은 제2무산소조를 거친 슬러지의 일부 제1무산소조로 반송시키는 제1반송라인을 채택함으로써, 종래 무산소조에서 혐기조로 슬러지 반송시 발행하는 과다의 질산성 질소에 의해 야기되는 인 제거 효율의 저하 문제를 해소할 수 있다. 결과적으로, 내생 탈질이 일어나는 제2무산소조에서 일부 질산성 질소를 우선적으로 소모시키고,　원수의 유기물을 활용한 탈질이 일어나는 제1무산소조에서 질산성 질소를 소모하며, 탈질에 소모되는 유기물 활용을 최소화함으로써 혐기조의 과다한 질산성 질소에 따른 인 제거효율의 억제를 해소한다.

막분리조는 제2무산소조를 거친 처리수가 유입되고, 분리막에 의한 고액 분리가 진행된다.

막분리조는 내부에 분리막이 구비되며, 이때 분리막은 통상 하폐수 처리 장치에 사용되는 것이면 어느 것이든 가능하며, 침지형으로 형태에 따라 중공사형(hollow fiber), 평판형(plate, flat sheet) 일 수 있다.

또한, 분리막의 재질로는 공지된 바의 모든 유기막 및 무기막 재질이 사용 가능하다. 대표적으로 폴리프로필렌(PP), 폴리아마이드(PA), 폴리에틸렌(PE), 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리슐폰(PS), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리테트라 플루오르에틸렌(PTFE), 셀룰로오스 아세테이트, 폴리술포네이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 유기막; 세라믹, 및 금속막을 포함하는 무기막; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다. 또한, 분리막은, 공극 크기에 따라 분류될 경우, MF(micro filtration, 공극의 크기 = 0.1-10㎛), UF(ultra filtration, 공극의 크기 = 0.001∼0.1㎛m) 등일 수 있다.

이때 막분리조는 내부 반송을 위한 제2반송라인을 구비하며, 상기 제2반송라인은 호기조와 연결된다. 상기 막분리조에서는 분리막 파울링 제어를 위해 공급되는 공기로 인해 DO농도가 5∼6 mg/L로 높게 유지된다. 이러한 막분리조의 슬러지를 호기조로 반송하면 호기조의 공기 공급량을 절감할 수 있는 장점이 있다.

특히, 본 발명에서 제시하는 하폐수 고도처리장치 및 이를 이용한 방법은 제2무산소조를 거친 슬러지의 일부 제1무산소조로 반송시키는 제1반송라인을 채택함으로써, 종래 무산소조에서 혐기조로 슬러지 반송시 발행하는 과다의 질산성 질소에 의해 야기되는 인 제거 효율의 저하 문제를 해소할 수 있다.

처리수조는 막분리조를 거친 처리수를 저장하기 위한 저장조이다.

상기 도 1의 하폐수 고도처리장치를 이용한 처리 방법은 다음과 같다.

먼저, 원수를 제1무산소조 및 혐기조에 분배하여 공급한다.

원수는 하수, 오수, 폐수 등으로 비교적 크기가 작은 불순물을 가려내는 스크린 등의 체에 통과시켜 기타 협잡물을 여과한 후, 공급 펌프를 이용하여 이송관을 통해 원수 탱크에 저장한다.

이때 제1무산소조와 혐기조는 유기물 공급을 위해 원수를 1:4의 부피비로 분할 주입하며, 제1무산소조의 NO₃-N농도에 따라 원수 주입 비율을 변경이 가능하다.

다음으로, 상기 제1무산소조를 거친 탈질 반응이 진행된 처리수는 혐기조에 공급한다.

다음으로, 혐기조에서 탈인 반응이 진행된 처리수를 호기조에 공급한다.

다음으로, 상기 호기조를 거친 처리수를 제2무산소조에 공급한다.

다음으로, 상기 제2무산소를 거친 처리수는 막분리조에 공급하고, 슬러지는 제1반송라인을 통해 제1무산소조로 반송시킨다.

다음으로, 상기 막분리조를 거친 처리수를 처리수조에 유입시키고, 슬러지는 제2반송라인을 통해 호기조로 반송시킨다.

상기 단계를 수행하여 이루어지는 하폐수 고도처리방법은 제1 및 제2무산소조의 탈질 반응에 의해 높은 수준으로 질소의 제거가 가능할 뿐만 아니라 이들을 혐기조 및 호기조의 앞뒤로 배치시켜 생물학적인 인의 제거효율을 최대화할 수 있다.

Claims (8)

1. 원수의 일부가 유입되어 유기물에 의한 탈질 반응이 진행되는 제1무산소조;
   상기 제1무산소조를 거친 처리수 및 원수의 일부가 유입되며, 혐기성 상태에서 미생물에 의한 인방출 반응이 진행되는 혐기조;
   상기 혐기조를 거친 처리수가 유입되며, 산소가 공급되는 상태에서 생물학적 질산화 반응 및 과잉 인 섭취 반응이 진행되는 호기조;
   상기 호기조를 거친 처리수가 유입되며, 내생 호흡을 통한 탈질 반응이 진행되는 제2무산소조;
   상기 제2무산소조를 거친 처리수가 유입되며, 분리막에 의해 고액 분리가 진행되는 막분리조; 및
   상기 막분리조를 거친 처리수가 유입되는 처리수조를 구비하는 것을 특징으로 하는 하폐수 고도처리장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 하폐수 고도처리장치는 제2무산소조를 거친 슬러지의 일부 제1무산소조로 반송시키는 제1반송라인을 구비하는 것을 특징으로 하는 하폐수 고도처리장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 하폐수 고도처리장치는 막분리조를 거친 슬러지의 일부가 호기조로 반송시키는 제2반송라인을 구비하는 것을 특징으로 하는 하폐수 고도처리장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 하폐수 고도처리장치는 원수의 유입 라인과 연결되며, 탄소원 공급을 위한 외부 탄소원 저장소를 구비하는 것을 특징으로 하는 하폐수 고도처리장치.
5. 제 1항 내지 4항 중 어느 한 항의 장치를 이용한 하폐수 고도처리 방법에 있어서,
   원수를 제1무산소조 및 혐기조에 분배하여 공급하는 단계;
   상기 제1무산소조에 유입된 원수에 함유된 유기물을 이용하여 질산성 질소를 탈질시키는 단계;
   상기 제1무산소조를 거쳐 혐기조에 유입된 처리수와 상기 혐기조에 공급된 원수로부터 미생물에 의한 인 방출 반응을 진행시키는 단계;
   상기 혐기조를 거친 처리수를 호기조에 유입시켜 암모니아성 질소를 질산성 질소로 전환시키는 질산화 반응 및 과잉 인 섭취 반응을 진행시키는 단계;
   상기 호기조를 거친 처리수를 제2무산소조에 유입시켜 내생 호흡을 통한 탈질 반응을 진행시키는 단계;
   상기 제2무산소조를 거친 처리수를 막분리조에 유입시켜 고액 분리를 진행시키는 단계; 및
   상기 막분리조를 거친 처리수를 처리수조에 유입시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하폐수 고도처리방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 제2무산소조를 거친 슬러지의 일부를 제1반송라인을 통해 제1무산소조로 반송시키는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 하폐수 고도처리방법.
7. 제5항에 있어서, 상기 막분리조를 거친 슬러지의 일부를 제2반송라인을 통해 호기조로 반송시키는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 하폐수 고도처리방법.
8. 제5항에 있어서, 상기 제1무산소조 또는 혐기조에 외부 탄소원을 공급하는 것을 특징으로 하는 하폐수 고도처리방법.
   
   
   

Images