KR20150126154A - 고상 액상 기상의 3단계 순차적 연속 분리 방식을 이용한 폐수 처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축산 분뇨, 음식물류 폐기물 등과 같이 고농도의 질소, 인 그리고 유기질을 함유한 폐수를 방류 처리하는 과정 중에 유용 물질을 회수하면서 최종 방류를 위한 처리수의 처리 수질을 확보하기 위한 폐수 처리방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 발효액 또는 소화액을 직접 방류하기에 앞서 유기질 또는 무기질의 입자성 고형물질을 탈수케익이나 슬러지로 회수하는 응집 및 탈수 공정을 이용하는 고액분리 단계, 생물기인의 용해성 입자 및 이가 이상의 미량원소 물질를 농축하여 회수하는 나노막 공정을 이용하는 액액분리 단계, 그리고 소금 등의 일가 염을 배제하고 암모니아성 질소를 선택적으로 회수하는 가스접촉막 공정을 이용하는 기액분리 단계의 연속 공정을 통하여 유용 물질을 고상, 액상 기상의 삼성분으로 구분하여 회수함으로서 마지막 단계에서 배출되는 배출액 내에 수질 오염물질을 직접 방류가 가능하거나 간단한 생물막 처리에 의해 하천 방류 수질 이내로 제거하도록 하는데 그 특징이 있다.

Description

고상 액상 기상의 3단계 순차적 연속 분리 방식을 이용한 폐수 처리방법{The wastewater treatment process through the stepwise recovery of solid-liquid-gas materials by three step consecutive phase separation}

본 발명은 축산 분뇨 및 음식물류 폐기물 등과 같이 고농도의 질소, 인 그리고 유기질을 함유한 폐수를 방류 처리하는 과정 중에 유용 물질을 회수하면서 최종 방류를 위한 처리수의 처리 수질을 확보하기 위한 폐수 처리방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 고액분리, 액액분리, 기액분리의 순차적인 3단계 연속 분리공정을 이용하여 각각의 단계별로 고상 고형물, 액상 농축액, 기상 추출 결정체로 유용 물질을 회수하고 최종적으로 직접 방류가 가능한 수질을 확보하는 고상 액상 기상의 3단계 순차적인 연속 분리 방식을 이용한 폐수 처리방법에 관한 것이다.

대량으로 발생되는 축산 폐수 및 음식물류 폐기물의 탈리액 폐수를 처리하는 과정에서 유용물질 재활용을 위해 자원화 기술을 개발하여 적용하고 있으나 개발 기술의 처리 한계 및 고비용의 처리설비 구축에 따른 비용 부담으로 부분적이지만 아직도 부적절하게 처리되어 하천으로 무단 방류되고 있는 실정이다.

이와 같은 축산 폐수 또는 음식물류 폐기물의 탈리액 폐수는 유기물 농도가 높을 뿐만 아니라 고농도의 질소와 인을 함유하고 있기 때문에 고농도 유기성폐수로 분류되며, 이들을 부적정하게 처리하여 하천으로 직접 방류할 경우 심각한 수질 오염을 야기시키어 생태계에 위해를 가하게 된다.

이들 유기성 폐수가 고농도로 함유하고 있는 다양한 유기성 물질과 무기성 물질은 수질환경의 오염원인 동시에 생물 기인의 유용물질이므로 병원성 유해균이나 식물체에 위해를 가하는 유해물질을 제거시킨 후 경종 농가에 비료로 사용하게 할 경우 유용작물의 증산에 도움을 줄 뿐만 아니라 화학비료를 상당량 대체할 수 있다.

따라서 고농도 질소 및 인을 함유한 유기성 폐수를 단순히 폐수로 처리하여 방류하는 경우보다는 비료가치에 비중을 두어 환경적 위해 및 경제적 손실의 경감에 도움을 줄 수 있도록 하는 것이 바람직하며, 이미 경종농가에서 유용한 비료로 이용하기 위한 다양한 퇴비화 및 액비화 기술이 개발되어 현장에 적용하고 있는 실정이다.

특히, 축산농가에서 배출되는 축산 분뇨의 고농도 폐수는 작물에 위해를 가하는 유기물질의 농도를 낮추고 농경지에 시비 시 취급상의 문제가 되는 악취를 경감시키기 위해 산소 공급 목적의 공기를 강제적으로 주입하면서 교반시키는 호기적 발효법의 안정화 기술를 통하여 비료가치를 갖춘 액비를 제조하여 경종 농가에서 필요할 때에 이용을 쉽게 하고 있다.

그러나 대량으로 발생되고 있는 축산폐수를 이용하여 제조되는 액비도 계절적 이용의 제약으로 인하여 사용 전 상당 기간의 저장을 요구함에 따라 대규모의 저장조 구축을 필요로 하며, 호기성 발효 후에도 액비에 잔류하고 있는 고농도의 암모니아성 악취의 문제로 인하여 저장기간 동안 악취를 제거해야 하는 추가적인 설비의 운영비용과 관리에 필요한 비용을 지출해야만 하는 단점을 갖고 있다.

한편, 음식물류 폐기물 및 그 탈리액 폐수의 경우도 오랫동안 자원화를 위한 다양한 기술 개발을 추진하여 왔으며, 최근에는 혐기성 소화기술을 중심으로 바이오에너지를 효율적으로 생산할 수 있는 소화조 설계 및 운영기술과 혐기성 소화조에서 생산된 바이오가스를 도시가스 등으로 활용하기 위해 순도를 향상시키는 기술개발 등이 다각도로 추진되어 상용화에 도달하여 왔다.

음식물류 폐기믈의 혐기성 소화 후 발생되는 폐수도 축산폐수와 마찬가지로 고농도의 미분해성 유기질과 암모니아성 질소 그리고 인 등을 함유하고 있어 폐수처리의 기술적 한계 및 과도한 처리비용 지출로 인하여 한동안 처리에 문제점으로 부각되었으나, 최근 대규모 음식물류쓰레기의 처리시설을 중심으로 하수병합 연계처리 및 소각장의 암모니아수 대체제로 사용하는 등의 대안기술의 모색이 이루어지고 있으며, 해양투기 금지 이후 업종 간 원료물질 이동 순환에 의해 그나마 어느 정도 해결에 커다란 진전을 보여 주고 있다.

그러나 음식물류쓰레기 혐기소화액의 하수연계 처리 시 하수처리장 내 질소 및 인의 유입 농도가 증가하고 있어 고도처리공정에 질소와 인의 부하가 가중되고 있어 방류수질에 문제가 발생하고 있으며, 소각 처리 역시 아직은 음식물류 쓰레기의 혐기소화액의 소각장 반입기준이 미흡할 뿐만 아니라 소각장의 처리비용도 비교적 높아 하수연계처리 및 소각처리의 경제성 및 안정성 평가는 아직 지켜 볼 여지가 있다고 판단되는 부분이다.

이러한 다각적인 노력에도 불구하고 한편에서는 축산폐수 및 음식물류 폐수의 처리비용의 부담으로 인하여 안정화 또는 부숙화가 이루어지지 않은 상태에서 퇴액비라 하여 무분별하게 농지에 살포하여 농작물 피해를 유발하거나 무단으로 지하수 및 하천으로 방류함으로서 환경 피해를 가중시키고 있는 실정이다.

특히, 문제가 되는 것은 매일 매일 다량으로 지속적으로 발생되는 이들 축산 폐수나 음식물류 폐수가 고농도의 유용물질 집합체라는 데 있으며, 액비로의 이용 시에는 대용량의 액비를 장시간 저장해야 하는 대용량의 저장시설과 잔류하는 악취의 문제가 범용적 적용을 제약하고 있으며, 하수병합처리 시 이들 발생 폐수를 방류수 수준으로 최종 처리하는 데 고동처리공정에 영향을 주는 부작용과 소요되는 비용의 부담이 제약요인으로 작용하고 있으며, 소각처리 시 소각비용의 부담이 낮아진다 하여도 무분별하게 유용자원을 태워 없앤다는 자원순환정책의 역방향에 대해 올바른 기준이 적용되어야 하는 제약이 있다는 점이다.

이러한 축산폐수 및 음식물류 폐수의 처리 과정에서 봉착하고 있는 제약 및 한계 요인들은 생산물의 수익성을 저해하여 축산업 자체를 위축시키거나 음식물류 쓰레기의 자원화을 위한 노력을 위태롭게 만들 수 있는 실정이다.

따라서 현실적으로는 축산 폐수나 음식물류 폐수와 같은 고농도 유기성 폐수는 생태계에 생물체에서 기인한 유용한 물질이 다량 함유되어 있기 때문에 폐수로 버리기 보다는 유용한 자원으로의 전환과 재이용이 최우선적으로 적용하려는 적극적인 노력이 필요하다.

아직까지 대부분의 축산분뇨는 고액분리에 의해 고형물을 회수하고 퇴비화를 거쳐 비료부산물로 이용하고 있으며 축산 폐수는 방류처리하거나 유용 자원으로 활용하기 위해서 공기를 공급하여 호기성으로 처리하고 저장조에서 장시간 안정화 기간을 거쳐 부숙화된 액비로 만들어져 농경지에 살포되고 있다.

이들 호기성 방식은 공급되는 공기에 의해 유기물질의 감소와 질산화 반응을 유도하지만 암모니아를 대기 중으로 휘발시켜 악취를 감소시키는 동시에 질소 손실을 유발하기 때문에 액비의 이용을 활성화하고 확대하기 위해서는 악취 및 질소 손실의 부정적인 문제를 해결해야 할 뿐만 아니라 액비의 생산이 저조한 다른 장소에서도 사용이 가능하도록 운반 이송하는 문제가 해결되어야만 할 필요가 있다.

이와 같이 최종 발생되는 액비가 고유하게 갖고 있는 악취, 질소 손실 그리고 대용량의 저장 등의 문제점을 해결하여야 하는 문제점을 동일하게 갖고 있다면, 기존의 호기성 방식에 의한 안정화 및 폐수처리 방식보다는 오히려 에너지 소비형이며 유용자원의 활용가치를 낮추는 혐기성 소화를 거쳐 유기물질을 에너지원인 바이오가스로 전환하는 방식이 유기성 폐자원을 유용한 자원으로 재활용하기 위한 바람직한 대안이라고 볼 수 있다.

반면에 상기 축산 분뇨나 음식물류 쓰레기 등의 유기성 폐수를 장시간에 걸쳐 소화시킨 혐기 소화액을 액비로 이용하기 위해 또다시 안정화시킨다는 명목으로 저장조에서 공기를 주입하여 암모니아성 질소를 휘발하거나 호기성 처리방식을 후속 처리단계로 연동한다면 동력소모 및 질소손실로 인하여 혐기성 소화설비의 설치는 결코 바람직하지 않으며 비용의 낭비를 초래할 수 있다는 지적이 있다.

혐기성 소화방식은 탄소계 유기물질 분해와 슬러지 발생량의 저감 등의 여러 가지 장점에도 불구하고 여전히 호기성 방식에서 해결되어야만 하는 단점인 이용 시의 악취 문제와 비료가치의 질소손실 뿐만 아니라 이동성을 위한 부피의 감량화 문제를 갖고 있으며, 이들 문제가 해결되지 않으며 범용적인 적용이 어려운 상황이므로 이들의 개선이 절대적으로 필요한 시점이다.

특히, 혐기성 소화에 의해 발생된 혐기 소화액은 소화과정 중 단백질 분해에 따라 유기성 질소원이 암모니아성 질소로 전환되고 황화수소가 유리되면서 가스의 일부로 배출되어 연소 처리되지만, 대부분의 암모니아성 질소와 황화수소가 소화액에 잔류되어 액상으로 배출되므로 혐기 소화액은 악취가 더 심하게 발생하게 되기 때문이다.

최근 혐기소화액 중 고농도의 질소와 인을 제거하기 위해 소화조 내에 대해 질소와 인을 유용물질로 회수하는 장치를 설치하여 소화액을 처리하고자 하는 시도가 있으나 이들 방법 역시 경제성의 확보가 어려워 실제 현장에 도입하기 까지는 시행착오를 거쳐야 한다는 지적이다.

상기 질소와 인을 제거하는 주요 방법으로서는 소화액의 pH를 11 이상으로 높여 암모니아성 질소를 가스화시킨 후 황산용액으로 포집하는 가스 스트립핑 방법과 질소와 인이 결합하도록 응집반응을 유도하는 스트루바이트(MAP) 공법이 개발되어 현장 적용을 시도하고 있으나, 이들 방법은 결정체 형성이나 가스화하기 위한 약품의 투입 비용과 유용 성분을 회수하기 위한 처리 비용이 높아 실용화하기 위해서는 비료가치의 고급화가 이루어져야 한다고 보고 있는 실정이다.

상기 기술한 바와 같이 고농도 질소 및 인을 함유하고 있을 뿐만 아니라 여러 가지 물질이 복합적으로 함유되어 있는 호기성 발효액 또는 혐기 소화액을 액비로 활용을 촉진하기 위해서는 농축에 의한 처리액의 최종 방류처리가 가능한 부피의 감량화가 필요하며 유용 물질의 회수를 통하여 악취 발생 물질의 제거하소 부피 감량화를 해결여야 하는 두 가지 과제를 갖고 있다.

따라서 상기한 소화액의 악취 및 질소 손실에 따른 액비의 비료가치를 훼손하지 않고 부피 감량화의 목적을 달성하기 위해서는 농축공정의 적용을 통해서만 가능하며 농축 방법으로 분리막을 이용하는 것이 바람직하며, 분리막 중에서도 한외여과막이나 역삼투압막을 이용하여 액비의 유용 성분을 회수하는 동시에 부피 감량화를 달성하도록 개발과 현장 적용을 시도하고 있다.

한외여과막의 경우에는 미량 원소 뿐만 아니라 질소와 같은 유용 물질의 투과가 자유로울 뿐만 아니라 부피 감량화를 위한 농축 공정에서 농축액을 회수한 후 남는 잔류액은 비료가치가 없으며 양적으로 대량이므로 방류가 불가피하므로 반드시 방류하기 전에 처리해야 하는 문제를 갖고 있으며, 반드시 후속 처리가 필요하기 때문에 최종 처리를 위한 보다 적절한 기술의 적용을 필요로 하고 있다.

한외여과막의 농축 효과와 잔류액 방류문제의 단점을 해결하기 위해 시도된 것이 역삼투압분리막을 적용하는 것이며 역삼투압막은 하천오염의 원인이 될 수 있는 모든 물질을 전량 회수하는 특징을 갖고 있으므로 농축 후 투과액은 직접 방류가 가능한 수준의 수질을 확보할 수 있으므로 현재 일부 현장에서 적용하고 있다.

그러나 역삼투압 분리막은 투과율을 높이기 위해 전처리에 의해 일정 수준 이하로 분리막의 부하를 경감시킨다 하여도 분리막 자체의 특성 때문에 높은 압력으로 투입액의 주입이 필요하여 동력소모가 많고 모든 물질을 농축하는 특성으로 막폐색의 진행이 빠르기 때문에 설치비가 고가이기도 하지만 유지관리비용이 과다하게 소요되는 단점이 있어 범용적인 보급에는 한계를 갖고 있다.

본 출원인은 상기와 같이 농축에 의한 유용 물질 회수에 의한 악취 발생물질의 제거 및 부피 감량화를 통하여 유용 물질이 강화된 농축액비의 제조와 유용한 비료화 물질을 회수하는 공정을 확립하도록 하는 것이며, 궁극적으로 최종 방류가 가능하도록 하는 축산 폐수 및 음식물류 폐수의 호기 발효액 및 혐기 소화액과 같은 고농도 유기성 폐수의 처리공정을 개발하고자 하였다.

특허등록 제10-1124508호 특허등록 제10-0854092호 공개특허출원 제10-2011-0129298호

본 발명은 상기한 종래 기술이 갖는 제반 문제점을 해결하고자 발명된 것으로서, 고농도 질소 및 인을 함유하고 있으며 다양한 미량 원소 및 유기 물질을 포함하고 있는 축산 폐수 및 음식물류 폐수의 호기성 발효액과 혐기성 소화액을 최종 방류하기 위한 고농도 폐수의 처리기술로서, 호기 발효액과 혐기 소화액을 최종 방류를 위한 처리 과정 중에서 이들이 갖고 있는 다양 다종의 복합적인 유용 물질을 응집 탈수 및 분리막 농축 그리고 막 추출 등의 연속공정을 통하여 비용 경제적이며 효과적으로 회수하여 부피를 감량화하고 수질오염원인 동시에 악취 물질인 암모니아성 질소를 상변화에 의한 결정으로 회수하여 악취를 저감시키고, 액상으로 농축된 유용 물질에 소금 등의 일가 이온의 염류 농도가 농축되지 않도록 선택적으로 낮추어 최종 방류수가 배출되도록 하는데 그 목적이 있다.

특히, 본 발명은 생물 기인의 다양한 유용 물질을 각각의 성상에 따라 분리하는 단위공정을 하나의 융합공정으로 조합된 기술로서 고형물, 액상물, 기상추출물의 유용 물질로 순차적으로 분리할 수 있는 기술을 단계적으로 적용을 달리하여 연속적으로 회수하는 것이며, 이들 유용 물질을 회수할 경우 최종 방류가 가능한 수준의 수질을 확보할 수 있으며, 회수된 유용 물질은 고부가가치의 비료로서 이용이 가능하게 함으로서 단계별 상분리를 적용한 구성 공정의 경제성을 높이고자 하는 것이다.

궁극적으로는 본 발명을 통하여 유용 물질의 회수 극대화와 최종 방류 수질의 확보라는 두가지 목적을 동시에 달성함으로서 유기성 폐수의 호기성 발효액 및 혐기성 소화액에 대한 폐수 처리를 보장하여 고농도 유기성 폐수의 최종 처리공정 및 바이오가스 플랜트 산업의 경제성을 높이고자 하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 축산 분뇨 및 음식물류 폐기물 등과 같이 고농도의 질소와 인 그리고 유기질을 함유한 유기성 폐수를 호기 발효나 혐기 소화를 통해 발생된 발효액 및 소화액으로부터 유용 물질을 회수하면서 최종 방류를 위한 처리수의 수질을 확보하기 위한 폐수 처리방법에 있어서,

가장 먼저 호기 발효조 및 혐기 소화조의 최종 배출 액에 함유되어 있는 입자성 또는 현탁성 고형물과 인산을 응집제에 의해 응집하고 침강시켜 탈수에 의해 유용 물질을 탈수 고형물로 회수하는 고액분리공정과; 상기 고액분리공정에서 회수되지 않은 용해성 유기 물질 및 이가 이상의 이온성 염류를 농축시키고, 암모니아성 질소 및 소금 등의 일가 이온성 염류를 선택적으로 투과시키는 나노막을 이용하여 유용 물질의 농축액을 회수하는 액액분리공정 및; 상기 액액분리공정의 나노막을 관통한 투과액에서 암모니아성 질소 가스만을 황산용액이 지나가는 막 반대쪽으로 선택적으로 투과시키고 그 외의 물질을 통과하게 하는 가스 접촉막을 이용하여 암모니아성 질소를 회수하고 부속된 결정화 장치를 통하여 분말상의 황산암모늄(유안)을 회수하는 기액분리공정을 순차적이며 단계적으로 연속 적용하는 폐수 처리방법을 제공함에 그 특징이 있다.

발 발명은 상기 고액분리공정에서 이용하는 응집제는 알카리 영역에서 작용하는 CaO 및 Ca(OH)₂(석회질계)를 주재료로 사용하되, pH를 9 이상 10 이하로 유지하도록 하여 입자성 유기질과 인산염을 응집하는 동시에 마그네슘 이온과 인과 암모니아가 침전염을 형성하도록 반응 조건을 만들어 주어 침강물로 회수하도록 함에 그 특징이 있다.

본 발명은 상기 고액분리공정에서 회수된 탈수 고형물을 수분 조절제와 혼합하고 호기성의 유용 미생물에 의해 발효시켜 유기물질의 생분해도를 낮추어 C/N비가 30% 이하이고 함수율이 40% 이하로 안정화된 부산물 퇴비로 확보하도록 함에 그 특징이 있다.

본 발명은 상기 액액분리공정에서 암모니아성 질소와 소금의 1가 이온성 염류를 선택적으로 관통시키고 나머지 성분들을 농축할 수 있는 나노막을 적용하여 암모니아성 질소와 소금의 1가 이온성 염류 농도가 낮은 농축액을 회수하도록 함에 그 특징이 있다.

본 발명은 상기 액액분리공정에서 나노막에 걸러진 농축액을 120 이상의 순간 고온 멸균기를 거쳐 농축액 중의 병원성균 및 작물에 유해한 균을 제거하고 저장성을 증진시킨 멸균 농축액비를 생산하도록 함에 그 특징이 있다.

본 발명은 상기 기액분리공정에서 나노막 투과액을 NaOH에 의해 pH를 11 이상으로 올려 암모니아성 질소를 질소가스로 전환시키고, 질소가스가 선택적으로 통과하는 가스 접촉막에 적용하여 접촉막의 반대쪽에 pH가 1에 가까운 황산 용액을 흘려 보냄으로서 막을 통과한 질소가스가 황산암모늄으로 전환되어 석출되도록 유도함에 그 특징이 있다.

본 발명은 상기 가스 접촉막의 질소가스의 선택적 투과율을 95% 이상으로 하며, 가스 접촉막을 투과한 질소가스를 황산과 반응시켜 얻어진 황산암모늄 용액을 농축이나 결정화하여 분말상의 유안 비료를 제조하도록 함에 그 특징이 있다.

본 발명 상기 고액분리공정과 액액분리공정 및 기액분리공정을 거쳐 최종 배출되는 처리수는 배출 전 황산에 의해 pH를 6에서 8 사이로 낮추도록 하고, 유기 물질과 질소 및 인의 오염 물질이 방류 수질 기준을 초과하여 잔류하는 경우 활성오니법에 의해 추가 처리하여 최종 배출하도록 함에 그 특징이 있다.

이러한 본 발명은 고농도 질소 및 인과 미량 원소 그리고 안정화된 유기 물질 등의 다양 다종한 물질이 복합적으로 함유된 축산 폐수 및 음식물류 폐수 또는 유사한 조성의 고농도 유기성 폐수의 호기성 산화를 거친 발효액 또는 혐기성 소화를 거친 소화액으로부터 비료 가치가 있는 유용 물질을 고상의 분말 또는 액상의 농축액으로 회수하는 동시에 직접 방류 수준의 최종 처리수질을 확보할 수 있으므로 대량으로 배출되는 고농도 유기성 폐수의 호기 발효액 및 혐기 소화액을 최종 처리할 수 있는 것이다.

특히, 본 발명은 부피 감량화 및 암모니아성 질소의 회수를 통하여 매일 매일 대량으로 발생되는 축산폐수 및 음식물류 폐수 등의 고농도 유기성 폐수를 발효 또는 소화 후 그대로 액비로 사용할 경우에 발생하는 악취의 문제나 운반 및 이송이 불편한 부피의 문제를 해결할 수 있으며, 회수하는 농축 액비에 소금 등의 염분 농도를 낮추어 작물에의 적용 시 염류피해를 방지할 수 있으며 최종 배출수는 방류 수질까지 오염물질의 농도를 낮출 수 있어 직접 방류가 가능하게 되는 것이다.

도 1은 본 발명의 성상에 따라 단계별로 물질을 회수하는 다단계 연속분리공정의 핵심공정 구성 및 흐름도.
도 2는 본 발명의 유용 물질 회수를 통해 혐기 소화액 및 호기 발효액의 최종 방류처리 위한 장치 구성 및 흐름도.
도 3은 본 발명의 나노막을 이용하여 암모니아성 질소와 1가 이온성 염류의 선택적 분리를 위한 분리막 공정 적용 개념도.
도 4는 본 발명의 다단계 연속분리공정의 최종 방류수질 확보를 위한 국가 운영 공공시설과의 연계하는 사업모델 시스템 구성도.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 도 1과 도 2에서와 같이 축산 폐수 또는 음식물류 폐수 등과 같은 유기성 폐수를 대상으로 산화를 거친 그 호기 발효액이나 소화를 거친 그 혐기 소화액 처럼 다양한 유기물질과 고농도의 질소 및 인을 함유한 악성 폐수는 호기 산화 또는 혐기 소화의 반응을 종료시킨 시점에서 더 이상 분해가 어려운 고분자성 또는 입자성 유기물질과 물질대사 과정 중 생물 전환에 의해 생성된 용존성 저분자성 유기질, 그리고 용해되어 있는 다양한 이온성 물질이 혼합되어 있는 복합체이므로, 이들 물질을 유용한 비료 자원으로 활용하기 위해 불용성 또는 현탁성 고분자 물질부터 용해성 저분자 물질 그리고 미량의 용존 원소물질을 3단계로 구분하여 순차적으로 각각 회수하고 최종 회수 공정이 종료된 후에는 공정 운영상 회수가 불가능하거나 비료 가치로서 불필요한 물질을 최종 방류수로 배출되도록 하는 핵심 공정(도 1 참조)을 제공하고, 상기 핵심 공정을 중심으로 전체 공정에 필요한 단위공정의 구성(도 2 참조)을 제공하는 것이다.

상기 도 1은 호기 발효액 및 혐기 소화액을 최종 방류 처리하는 과정 중에서 고액분리, 액액분리, 기액분리의 3단계 연속 분리 공정을 거치도록 하여 각각의 단계마다 유용 물질을 회수하게 함으로서 최종 방류 수질을 규제 농도 이하로 낮추도록 하는 공정의 흐름을 나타낸 것으로 본 발명의 핵심 공정의 구성도이다.

도 2는 도 1에서 기술된 발명의 핵심 공정인 3단계 연속 분리공정 기술을 적용하여 고농도 폐수의 일종인 산화 발효액 및 혐기 소화액으로 부터 다양한 유용 물질을 단계별로 회수하고 최종 방류수를 규제 수질 이하로 배출하도록 하는 공정을 구성함에 있어, 각각의 소요 장치를 전체 공정의 구성에 따라 필요로 하는 부속 장치를 연결한 전체 장치 구성 및 흐름도이다.

도 3은 도 1의 핵심공정 중에서 유용 물질을 회수하고 불필요한 물질을 선택적으로 배출하도록 사용되는 분리막의 적용원리와 그의 기능을 기술한 것으로서, 특별히 나노막과 가스 접촉막이 상호 연계공정으로 작동되어 본 발명에서서 궁극적으로 달성하고자 하는 특성과 기능에 관한 것이다.

도 4는 본 발명에서 기술되는 핵심 공정을 중심으로 구성한 전체 공정의 성과물이 산업 현장에서 적용되었을 때 경제적인 성과를 창출할 수 있도록 기존 운영조직과의 연계성을 나타낸 사업 방안을 구축한 사업 모델이다.

가장 먼저 도 1의 다단계 연속 분리기술의 핵심 공정을 단계별로 구분하여 실시하고자 하는 내용을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

핵심공정의 첫단계인 고액분리는 통상의 기술처럼 약품에 의한 응집반응 후 탈수하는 공정으로서 고분자성 또는 콜로이드성 유기질 또는 인과 같이 응집이 가능한 무기물질을 응집시킬 수 있는 응결제 또는 응집제를 투입하여 교반에 의해 플럭을 형성하고, 상기 플럭이 중력에 의해 침강되도록 침전조를 거치며 침전조 하부에 침강된 슬러지는 탈수기로 강제 이송 후 탈수되어 탈수 케익으로 배출되며, 침전조 상부의 월류수는 미세한 플록이 잔류할 경우 이를 제거하는 필터를 거쳐 다음 나노막 분리단계로 넘어가도록 하는 응집탈수 공정이다.

상기 응집탈수공정에서 배출되는 탈수 케익은 잔류하는 유기물질을 안정화시킬 수 있는 호기성 후숙공정을 거쳐 유기질 퇴비로 활용할 수 있도록 하여야 함으로 응집탈수 단계에서 사용하는 약품은 비료규격에 맞는 응결제 또는 응집제를 사용하도록 하여야 하며, 가급적 후속 연결공정인 분리막의 폐색현상과 같은 부정적 영향을 끼치지 않는 철염, 알럼 또는 석회질 계통의 무기질이 바람직하며, 필요에 따라 식용 수준의 등급으로 보편적으로 사용되는 폴리아크릴아마이드와 같은 유기질의 폴리머를 최소량으로 사용하여 목적을 달성하도록 한다.

본 발명에서 사용하는 무기질의 응결제 및 응집제는 전체 공정의 경제적 목적을 달성하기 위해 선정되며 후속되는 기액분리의 공정이 알카리성으로 조정되어야 하므로 철염이나 알럼 등의 산성 영역의 응집제보다는 알카리성 영역의 석회질계 응집제가 바람직하여 소석회 또는 생석회를 원료 성상에 따라 분말이나 액상 제제로 투입량을 조정하여 사용하도록 한다. 이때, 호기 발효액 및 혐기 소화액의 pH가 9.0에서 10.0 사이로 조정되도록 하며 암모니아성 질소의 가스화가 격렬하게 진행되는 pH 10 이상을 초과하지 않도록 한다.

상기 석회질계 응결제는 반응액인 호기 발효액 및 혐기 소화액 내에 다량으로 존재하는 인산 성분과도 응집반응이 함께 발생하므로 침강성이 좋은 불용성 인을 형성하게 되며, 응집물이 침강되면 상등액의 인 농도를 70%에서 90% 이상 까지 낮출 수 있게 된다. 이때, 침강물을 회수하여 탈수한 탈수 케익은 인 성분이 강화된 유기질 비료의 원료로서의 가치를 높일 수 있다.

상기 알카리성 영역의 응결제 및 응집제는 호기 발효액이나 혐기 소화액 중에 고농도로 용해되어 잔류하고 있는 암모니아성 질소를 가스 상태로 전환시키는 기액분리공정에 앞서 미리 알카리성 액성을 갖도록 전처리 효과를 가져다주며 암모니아성 질소를 회수하는 가스 접촉막의 후속공정의 약품을 절감할 수 있는 장점이 있다.

상기 응집탈수 과정에서 설치되는 침전조는 알카리성 상태에서 발생되는 암모니아성 질소 가스 등의 악취 유발 성분들이 분분적으로 악취를 발생시키기 때문에 시설 밖으로 새어나가지 못하도록 밀폐 구조를 갖도록 고안되어야 하며, 침전조에서 월류하는 월류수에 미세한 응집물이 잔류할 경우에는 이들 미세 응집물질들이 분리막에 영향을 주게 되므로 가급적 후속공정인 나노막 분리공정으로 넘어가지 않도록 감압 디스크필터 또는 섬유상여과필터 등의 밀폐된 연속 여과장치를 거치도록 한다.

상기 고액분리공정의 다음 핵심공정인 두 번째 단계는 액액분리공정으로 첫 번째 고액분리공정에서 월류한 월류수를 대상으로 분리막을 적용하여 유용 물질을 선택적으로 농축하고 나머지 여액을 투과시키는 것으로 통상의 농축공정과 유사하나 본 공정에서는 분리막의 공극을 제어하여 염소, 나트륨, 암모니아성 질소 등과 같은 1가 이온을 선택적으로 투과하고 마그네슘, 철, 인, 황산염 등의 2가 이온 및 그 이상의 분자량을 갖는 물질들이 투과되지 못하도록 분리하여 선택적으로 물질을 회수할 수 있는 나노막을 적용하는 것을 특징으로 한다.

도 3에 나타난 바와 같이 액액분리를 위한 나노막 분리 공정의 구성장치가 구현하는 기능은 처리하고자 하는 액상물질의 부피를 감량화하여 가급적 농축비율을 10배 정도 또는 그 이상으로 높이는 동시에 분리막을 중심으로 암모니아성 질소와 소금성분인 염소와 나트륨을 선택적으로 투과시키는 것이 주요 목적이다. 이때, 나노막을 투과한 암모니아성 질소를 연속된 후속 기액분리공정에서 95% 이상으로 회수하고 동시에 나노막을 투과한 염소와 나트륨 등의 일가 이온성 염류는 가급적 그대로 배출하여 폐수로 방류되도록 가스 접촉막 공정에 연계하고자 하는 것이다.

본 발명에서 상기 나노막을 이용한 액액분리공정은 분리막을 중심으로 농축액 중에 용해성 저분자 유기질인 다당류 및 단당류와 색도 물질인 휴믹산 및 갈변화 물질, 그리고 단백질 분해산물인 기능성 아미노산 및 다양한 생물기인 대사물질, 그리고 2가 이상의 이온성 염류 등을 고농도로 축적하여 비료조성에 필요한 복합성분을 구성하게 하며, 이들 성분은 인위적으로 투여하지 않은 생물 기인 물질들로서 액상비료(액비)로서의 가치를 높이므로 부피가 감량된 농축액으로 회수하는 것이다.

한편 호기 발효액이나 혐기 소화액은 운전방법에 따라 작물에 유해한 병원성 포자균이나 바이러스균이 존재하는 경우에도 나노분리막의 농축액으로 걸러져 나오게 되며, 나노막 농축액을 액비로 활용할 때에는 액비의 저장과정 중이나 작물에 살포 시 유해한 균이나 바이러스들이 자체 증식할 수 있으므로, 열처리나 pH 조건을 조절하여 사멸화 시켜 농축액을 최종 액비 제품으로 이용하기 위해 저장성과 이동성을 확보하도록 한다.

이때, 농축액의 저장성을 증진시키기 위해서는 열처리 공정이 바람직하며 120 이상의 순간 고온 연속 멸균공정을 부속 공정으로 적용하며, 멸균공정를 거치기 전 마지막 단계에서 생산되는 분말상의 유안비료와 특정한 비율로 혼합하여 조성을 맞춘 후 멸균된 액비는 포장하도록 하여 이동성에 편의를 제공하며 사용 시에는 희석하여 사용할 수 있도록 한다.

특히, 상기 나노막 농축액 중에는 이가 이온성 염류가 농축되게 되므로 이들 성분의 함량은 액비의 비료가치에 영향을 끼치는 중요한 품질 관리의 분석항목이므로 공정 중에 불필요하게 무기응결제의 투입을 최소화하도록 전처리 단계인 응집탈수 공정을 운영하도록 한다.

상기 나노막의 농축액에 걸러지는 이가 이온성 염류 중 마그네슘 이온은 pH가 10 이상에서 12 근처가 되면 암모니아 및 인산과 등량으로 결합하여 젤상태의 슬러리(스트루바이트)를 형성하여 분리막을 폐색시킬 가능성이 높으므로 전처리 고액분리공정에서 투입액의 pH가 10 이상을 넘지 않도록 나노막 액액분리공정 운영상의 pH 조건을 모니터링하도록 한다.

상기 나노막을 관통한 투과액은 염소 등의 일가의 음이온 또는 나트륨, 칼륨과 암모니아성 질소와 같은 양이온을 대부분 선택적으로 통과시킨 것으로 이들 물질 중 염소와 나트륨이 고농도로 존재하게 되는 경우 사료나 음식물류 쓰레기의 경우 인위적으로 가미된 소금성분으로 회수할 필요가 없는 물질이므로 가급적 제외되는 것이 바람직하며, 암모니아성 질소와 칼륨 이온 등은 유용한 비료 성분으로 회수되는 것이 바람직하다.

상기한 다단계 연속 분리공정의 마지막 단계인 기액분리공정은 도 3에서와 같이 나노막에서 투과된 투과액을 가스 접촉막으로 통과시켜 암모니아성 질소가스를 회수하고 나머지 여액을 투과액으로 배출하는 공정으로, 나노막 투과액을 가스 접촉막에 통과시키기 직전에 NaOH의 알카리용액으로 pH를 12 이상으로 조절하고 가스 접촉막의 막 반대쪽에 pH가 1에 가까운 황산용액을 주입하여 가스접촉막을 통과한 암모니아성 질소가스가 황산용액과 반응하여 용존된 황산암모늄으로 전환되도록 한다.

상기 가스 접촉막에 주입되는 황산용액은 암모니아가스를 포집하는 동안 중화되어 pH가 증가하게 되며 pH가 3 이상이 되면 암모니아성 질소를 포집하는 효과가 현저히 떨어지게 됨에 따라 황산용액의 pH를 모니터링하여 pH가 1 근처에서 운전하도록 한다.

상기 황산용액에 암모니아성 질소가 포집되면서 만들어진 황산암모늄 용액은 결정화 장치로 이송하여 결정화 석출공정을 거치며 석출된 결정체는 회수하여 건조한 후 운반과 보관 등이 용이한 분말상태로 제조되도록 하며, 이때 만들어진 결정체 분말은 전 단계인 응집탈수공정과 나노막 분리공정에서 생산된 유기질비료 및 농축액비와 혼합할 수 있도록 한다.

상기 가스 접촉막은 암모니아성 질소가 가스상태로 존재할 경우에만 암모니아 가스를 선택적으로 투과시키는 특징을 갖고 있으며 그 외의 나노막을 투과한 일가 이온성 물질들은 투과하지 못하게 됨에 따라 최종 분리수에 잔류하게 되며, 이때 소금 성분인 염소이온이나 나트륨 이온이 칼륨성분과 함께 그대로 배출수로 배출된다.

이러한 가스 접촉막과 결정화공정을 적용함으로서 비료가치가 높은 고농도의 암모니아성 질소를 분말상의 유안비료로 회수하는 장점이 있으며, 음식물류 쓰레기의 혐기 소화액을 비료로의 사용을 제약하고 있는 원인의 하나인 소금의 염분을 최종 방류수로 버려지게 함으로서 음식물류 쓰레기의 비료가치를 높일 수 있다.

상기와 같이 고액분리, 액액분리, 기액분리의 3단계 연속 분리공정을 이용하여 축산 분뇨 및 음식물류 폐수의 호기 발효액 및 혐기 소화액에 함유되어 있는 생물기인의 다양한 유용 물질을 농축액 또는 고형상 분말로 회수하여 부피 감량화를 달성하고, 폐수를 최종 방류할 수 있는 수준의 수질을 확보하도록 각각의 성분 분리 공정에 적합한 응집탈수장치, 나노막 분리장치, 가스접촉막장치의 3단계 장치를 구성함으로서 호기 발효액 및 혐기 소화액의 최종 방류처리를 위한 폐수처리의 전체 공정 중 핵심공정의 구성을 완성하게 되는 것이다.

또한, 본 발명에서는 도 1에서 나타낸 핵심공정을 도 2에 나타낸 전체공정의 부분공정으로 구성하도록 한 것이며, 도 2의 전체공정에서와 같이 도 1의 핵심공정을 중심으로 호기 발효액이나 혐기 소화약을 직접 방류 수질에 까지 도달하도록 하는 부가적인 장치를 구성하는 것이 바람직하다.

상기 도 2의 전체 공정 중에 부가적으로 구성되는 장치로서는 핵심공정 이전에 호기성 발효조 및 혐기성 소화조에서 배출된 발효액 및 소화액은 미분해된 유기질이 많은 고농도의 입자성 고형물질을 회수하는 원심분리공정과 핵심공정 이후의 잔류하는 유기성 오염물질을 제거하는 생물반응공정을 의미한다.

이때, 원심분리공정은 호기 발효조 및 혐기 소화조에서 호기 발효액이나 혐기 소화액이 배출되자마자 즉시 적용하며 고형물질의 응집을 돕기 위해 응집 약품의 사용 유무를 결정하나 응집탈수 공정이 연계되어 있어 공정이 중복되므로 가급적 무약주 방식으로 운영되도록 하며, 생물반응조는 나노막에서 걸러지지 않고 가스 접촉막에서 그대로 배출되는 투과수에 유기물질이나 기타 오염유발물질이 잔류하고 있을 경우 최종 방류수질 수준까지 낮추기 위해 적용하는 일반적인 수처리 공정으로 가급적 생물막을 이용한 활성오니법 방식으로 운영되도록 한다.

상기와 같이 전체 공정이 정상적으로 운영되는 경우에는 공정의 시작단계에서 최종 배출단계에 이르는 동안 비료가치가 높은 유용 물질이 3가지 성상으로 만들어지며, 이들 3가지 유용 물질은 작물시비에 적용하기 전 적용하고자 하는 작물의 비료기준에 적합하도록 배합되거나 제조되어 최종 제품이 만들어지게 된다.

특히, 마지막 단계에서 생산된 분말상의 유안은 공정상에서 만들어진 비료성분으로 기존의 화학적으로 제조되는 유안비료와 성분이 다를 바 없으며 악취가 없고 분말상이므로 취급이 용이하므로 그대로 비료로 이용하거나 고액분리공정 및 액액분리공정 중에서 생산되는 퇴비 부산물이나 농축액비에 질소원의 조성비율를 맞추기 위해 적용하려는 작물특성에 따라 임의로 혼합되거나 배합될 수 있다.

이러한 비료성분을 갖추기 위한 각 생산물들의 배합과 조합 작업은 도 4에 나타난 바와 같이 액비유통센터 등의 공공운영기관에서 이루어지도록 하며 축산폐수의 공동처리장 또는 공공처리장 그리고 음식물류 폐기물 자원화 시설과 연계되어 최종 소비자에게 이용될 수 있도록 중계기지 역할을 담당하게 함으로서 궁극적으로는 축산 폐수 및 음식물류 쓰레기의 폐수를 자원으로 활용하도록 하는 수처리 공정의 구성과 비료자원의 재활용 제품화의 구성을 완성하게 되는 것이다.

Claims (8)

1. 축산 분뇨 및 음식물류 폐기물과 같이 고농도의 질소와 인 그리고 유기질을 함유한 유기성 폐수를 호기 발효나 혐기 소화를 통해 발생된 발효액 및 소화액으로부터 유용 물질을 회수하면서 최종 방류를 위한 처리수의 수질을 확보하기 위한 폐수 처리방법에 있어서,
   가장 먼저 호기 발효조 및 혐기 소화조의 최종 배출 액에 함유되어 있는 입자성 또는 현탁성 고형물과 인산을 응집제에 의해 응집하고 침강시켜 탈수에 의해 유용 물질을 탈수 고형물로 회수하는 고액분리공정과;
   상기 고액분리공정에서 회수되지 않은 용해성 유기 물질 및 이가 이상의 이온성 염류를 농축시키고, 암모니아성 질소 및 소금 등의 일가 이온성 염류를 선택적으로 투과시키는 나노막을 이용하여 유용 물질의 농축액을 회수하는 액액분리공정 및;
   상기 액액분리공정의 나노막을 관통한 투과액에서 암모니아성 질소 가스만을 황산용액이 지나가는 막 반대쪽으로 선택적으로 투과시키고 그 외의 물질을 통과하게 하는 가스 접촉막을 이용하여 암모니아성 질소를 회수하고 부속된 결정화 장치를 통하여 분말상의 황산암모늄(유안)을 회수하는 기액분리공정을 순차적이며 단계적으로 연속 적용하는 것을 특징으로 하는 고상 액상 기상의 3단계 순차적 연속 분리 방식을 이용한 폐수 처리방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 고액분리공정에서 이용하는 응집제는 알카리 영역에서 작용하는 CaO 및 Ca(OH)₂(석회질계)를 주재료로 사용하되, pH를 9 이상 10 이하로 유지하도록 하여 입자성 유기질과 인산염을 응집하는 동시에 마그네슘 이온과 인과 암모니아가 침전염을 형성하도록 반응 조건을 만들어 주어 침강물로 회수하도록 하는 것을 특징으로 하는 고상 액상 기상의 3단계 순차적 연속 분리 방식을 이용한 폐수 처리방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 고액분리공정에서 회수된 탈수 고형물을 수분 조절제와 혼합하고 호기성의 유용 미생물에 의해 발효시켜 유기물질의 생분해도를 낮추어 C/N비가 30% 이하이고 함수율이 40% 이하로 안정화된 부산물 퇴비로 확보하는 것을 특징으로 하는 고상 액상 기상의 3단계 순차적 연속 분리 방식을 이용한 폐수 처리방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 액액분리공정에서 암모니아성 질소와 소금의 1가 이온성 염류를 선택적으로 관통시키고 나머지 성분들을 농축할 수 있는 나노막을 적용하여 암모니아성 질소와 소금의 1가 이온성 염류 농도가 낮은 농축액을 회수하도록 하는 것을 특징으로 하는 고상 액상 기상의 3단계 순차적 연속 분리 방식을 이용한 폐수 처리방법.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 액액분리공정에서 나노막에 걸러진 농축액을 120 이상의 순간 고온 멸균기를 거쳐 농축액 중의 병원성균 및 작물에 유해한 균을 제거하고 저장성을 증진시킨 멸균 농축액비를 생산하도록 하는 것을 특징으로 하는 고상 액상 기상의 3단계 순차적 연속 분리 방식을 이용한 폐수 처리방법.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 기액분리공정에서 나노막 투과액을 NaOH에 의해 pH를 11 이상으로 올려 암모니아성 질소를 질소가스로 전환시키고, 질소가스가 선택적으로 통과하는 가스 접촉막에 적용하여 접촉막의 반대쪽에 pH가 1에 가까운 황산 용액을 흘려 보냄으로서 막을 통과한 질소가스가 황산암모늄으로 전환되어 석출되도록 유도하는 것을 특징으로 하는 고상 액상 기상의 3단계 순차적 연속 분리 방식을 이용한 폐수 처리방법.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 가스 접촉막의 질소가스의 선택적 투과율을 95% 이상으로 하며, 가스 접촉막을 투과한 질소가스를 황산과 반응시켜 얻어진 황산암모늄 용액을 농축이나 결정화하여 분말상의 유안 비료를 제조하도록 하는 것을 특징으로 하는 고상 액상 기상의 3단계 순차적 연속 분리 방식을 이용한 폐수 처리방법.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 고액분리공정과 액액분리공정 및 기액분리공정을 거쳐 최종 배출되는 처리수는 배출 전 황산에 의해 pH를 6에서 8 사이로 낮추도록 하고, 유기 물질과 질소 및 인의 오염 물질이 방류 수질 기준을 초과하여 잔류하는 경우 활성오니법에 의해 추가 처리하여 최종 배출하도록 하는 것을 특징으로 하는 고상 액상 기상의 3단계 순차적 연속 분리 방식을 이용한 폐수 처리방법.
   

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