KR20160093875A

KR20160093875A - 유출수 재이용이 가능한 에너지 저감형 정화조

Info

Publication number: KR20160093875A
Application number: KR1020150014730A
Authority: KR
Inventors: 임봉수
Original assignee: 대전대학교 산학협력단
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2016-08-09

Abstract

본 발명은 빗물을 간헐적으로 이용, 전기소요가 적고, 비용이 저렴하고 정화조 유출수를 재이용할 수 있는 정화조 최적모형에 관한 것이다. 부패조, 포기조, 여과조로 구성된 본 발명 정화조의 전체 COD 제거효율 90%를 얻기 위해서는 최적 HRT는 1.5일 이상 필요하며, 이 경우 부패조에서 COD 제거효율은 약 70%, BOD 제거효율은 약 60%, SS 제거효율은 85%를 나타내므로 별도의 에너지가 필요하지 않은 부패조의 구조를 2단계로 하는 것이 필요하며, 부패조, 포기조, 여과조의 HRT를 각각 1.5일, 18시간, 12시간 이상으로 운전할 경우 최종 유출수의 농도가 BOD 20 mg/L 이하, SS 14 mg/L 이하 정도로 처리가능하므로 수세식 화장실 용수로 재이용 가능성이 매우 높다.

Description

유출수 재이용이 가능한 에너지 저감형 정화조 {Energy-saving septic tank}

본 발명은 빗물을 간헐적으로 이용, 전기소요가 적고, 비용이 저렴하고 정화조 유출수를 재이용할 수 있는 에너지 저감형 정화조에 관한 것이다.

아프리카 시골에서는 하수시설이 없는 곳이 대부분이며, 발생된 오수를 방치하거나 지하로 스며들게 하는 곳이 많다. 이와 같이 미처리된 하수들이 오랫동안 지하나 강으로 이동하면서 식수로 사용하지 못할 정도로 수질을 오염시켜 물 부족 현상을 가속화하게 된다. 또한, 중소도시의 관공서나 학교 등에서도 제대로 된 하수처리를 하지 못하고 간이 정화조를 거쳐 방류하여 대부분 지역에서 지하수 오염이 점점 더 가중되고 있다. 이런 상황에서는 식수난을 위한 상수도 사업이나 펌프지원 사업은 큰 효과나 지속가능성을 찾기가 어려우므로 하수도 사업이 선행되거나 또는 동시적으로 해결하는 방안이 바람직하다.

'정화조' 라 함은 수세식 변소에서 나오는 오수를 침전, 분해 등 환경부에서 정하는 방법에 따라 정화하는 시설을 말하고, '고효율 정화조' 라 함은 수세식 변소, 목욕탕 및 주방 등에서 나오는 오수를 합류하여 침전, 분해 등 환경부에서 정하는 방법에 따라 정화하는 시설을 말한다.

정화조 폐수처리의 주된 메카니즘은 미생물에 의한 유기물질의 '메탄발효법'이고 소화방식에는 호기성 소화와 혐기성 소화가 있다. 혐기성 소화는 유기물질의 90~95%가 CH₄ 생성에 이용되나, 호기성 소화는 유기물질의 30~80%가 미생물 번식에 사용된다. 또한 가정용 정화조의 구성은 부패조(유기물의 부패 및 발효), 산화조(공기통과 호기성균의 산화작용), 소독조(하수의 소독)로 구성되어 있다.

분뇨정화조는 혐기성과 호기성 공법으로 크게 구분할 수 있는데, 부패조라는 이름의 혐기성 처리공법이 흔히 사용된다. 부패조(Septic Tank)와 혐기성 소화와 다른 점은 혐기성 소화는 대규모 시설로서 흔히 가온을 시킨다는 점이며 이론상으로는 다른 점이 없다. 또한 혐기성 소화조는 역사적으로 볼 때에 하수 슬러지가 주입되었는데 반하여 부패조에는 희석된 분뇨와 생활하수가 함께 주입되는 점이 다를 수 있으나 최근에는 혐기성 소화에 의해서도 농도가 낮은 폐수가 처리되고 있으므로 다르다고 분류하기가 곤란하다(최의소, 2003).

상온에서 수행되는 혐기성 소화공법에는 부패조, 임호프 탱크, 라군법 등을 들 수 있는데 반응조의 형태를 보면 SGR(Suspended Growth Reactor), SBR(Sludge Blanket Reactor) 그리고 FFR(Fixed Film Reactor)로 구분될 수 있는데, 부패조는 일종의 SBR로 사료된다.

Coulter 등(1957)과 Pretorius(1971)은 도시하수를 SBR로 처리시킨 후에 FFR로 재처리하는 공법을 개발하였으며, Simpson(1971)은 SGR로 도시하수의 처리를 시도하였다. Coulter 등은 HRT(Hydraulic Retention Time; 수리학적 체류시간) 36.3일로 25℃에서 평균 BOD 82%, 4℃에서 67%의 제거효율을 얻었으며 SS 제거효율은 어느 온도에서나 95% 이상이었다. Simpson은 15일 HRT로 20℃에서 91%의 BOD 제거효율을, Pretorius는 24일 HRT로 20℃에서 90% 이상의 COD를 제거할 수 있었다.

도 1의 왼쪽과 오른쪽 그림은 각각 우리나라에서 사용되는 원형정화조와 미국에서 사용되는 구형정화조의 모양을 나타내 주고 있는데, 유입 분뇨가 아래로 내려갔다가 상승하도록 되어 하부에 침전된 슬러지와 잘 접촉하는 구조로 되어 있는 SBR(Sludge Blanket Reactor) 형태로 볼 수 있다.

표 1은 희석된 분뇨를 처리하는 실험실 모형정화조의 처리효율을 나타낸 것으로 제1단계와 제2단계 혐기조로 각각 체류시간 1.5일, 8시간이며 여상은 4시간의 자료이다. 1단계의 BOD(biochemical oxygen demand, 생화학적 산소 요구량) 제거효율은 73%, 2단계는 9%, 여상의 경우에는 BOD 제거가 거의 이루어지지 않았다(최의소, 2003).

*COD(Chemical Oxygen Demand, 화학적 산소 요구량)

*SS(Suspended Solids, 부유물질)

국내 화장실 기술현황으로는 첫째, 무급수 무방류 수세식 화장실이 있다. E 업체에서 설치할 수 있는 무급수 무방류 수세식화장실이라는 이름의 공법은 무급수, 무방류 이동식 수세식 화장실로서 설치장소는 공원, 야외 행사장, 건설현장, 사무실, 농어촌 지역 등 상하수도시설이 열악한 지역에서 활용되고 있다. 부패조에서 혐기성 분해가 이루어지고 유출수를 생물 반응조와 막분리조를 통하여 재처리 후 화장실 용수로 재사용하고 있다(이원용 외, 2013). 도 2와 같은 처리 방법은 1차적으로 무산소조 겸 유량조에서 혐기성 소화를 시켜 고농도 유기물을 처리하고 2차적으로 생물반응조에 유입하여 막분리조를 이용하며 산소를 공급하는 포기 과정을 거쳐 처리한 후 냄새나 살균, 탈색을 위한 오존살균을 하여 화장실 내의 세정수로 사용할 수 있게 처리하도록 되어 있다. 유량조에 협잡물이 많으므로 유량조의 유출라인에 헝겊형태의 여과포를 연결하여 사용하여 간헐적으로 유출구에 포기시켜 부착 협잡물을 제거하고 있다.

도 2와 같이 처리한 경우, 무방류 화장실 용수의 수질은 표 2에 나타내었다(단위 ㎎/ℓ).

성상	SS	BOD	TN	TP
수치	4.5	2.6	134	88

* TN: 총질소, TP: 총인

상기 표 2와 같이 화장실 용수의 농도가 중수도 수질 기준인 BOD 10 mg/L이하로써 처리효율이 매우 높은 것으로 나타났다. SS의 농도도 매우 낮게 측정이 되었다. 오존처리를 통해 냄새와 탁도를 낮춰 내보내기 때문에 재이용수(중수도)로 사용하기에는 적절하다는 판단이다.

국내 기술현황 두 번째로 현수미생물접촉(Hanging BIocontactor; HBC)법을 이용한 기술이 있다. 현수미생물막법은 처리조 내에 장치한 접촉재에 미생물을 부착하여 생물막 외부의 호기성 미생물과 내부의 혐기성 미생물 간의 공생작용과 먹이 연쇄작용의 기전을 이용하여 처리하는 공법이다. 즉 오수 유입에 따라 수중에 존재하는 부유 또는 용존 유기물은 표면에 부착된 호기성 미생물군에 흡착되어 산화, 분해, 동화되는 과정을 통해 미생물의 성장, 증식, 에너지로 소비되어 제거된다. 반면, 호기성 미생물이 수중 유기물을 섭취하면서 대수성장을 하여 일정 한계에 도달하면 접촉재 내부의 혐기성 미생물에 의해 자체 소화되어 CO₂, NH₃, H₂S, CH₄ 등의 가스가 발생한다. 이때 슬러지 증식량과 가스 발생량이 균형있게 유지되면 접촉재 부착 슬러지의 양이 일정하게 되어 증식 슬러지가 축적된다. 미생물 형태는 타 공법에 비해 다양한 편이며, 반응조 내의 미생물 농도를 표준 활성 슬러지법의 4배 이상 높게 유지할 수 있다. 따라서 유입농도, 유량, 온도, DO, pH, 독성물질 등의 부하변동에 매우 강하다.

접촉재의 재질과 모양을 달리하여 재질을 하전되게 하여 부착성을 크게 하고 모양을 면보다 선으로 하여 부착량을 증가시킴은 물론 슬러지 탈락을 방지하여 슬러지 일령을 길게 할 수 있는 접촉재를 연구개발한 것이 HBC 링(ring)이다. 재질은 폴리염화비닐리덴의 필라멘트 실이며, 실의 두께는 100 데니어 정도로서 하전성이 월등하고 적당한 강성을 띤다. 따라서 면상 접촉재와 비교하여 수중에 존재하는 미생물을 급속히 부착시키는 효과는 물론 가는 선에 부착한 미생물은 기하급수적으로 증식하여 루프형 링 전체가 부착 슬러지로 둘러싸여 최대 직경 30 mm내외 봉상을 이룬다. 이때 공급되는 산소는 부착표면에서 소비되고 심부에 이르면 산소량이 감소하여 탈락하기 쉬운 저점성균의 통성 혹은 편성혐기 상태로 되지만 HBC 링은 고점도의 호기성균이 표면을 둘러싸고 있어 탈락을 방지한다. 따라서 박테리아에서 후생 미소동물에 이르는 다종다양한 생물집단이 오래도록 매달리게 되므로 호기성 조건에서는 산소를 소비시켜 반응생성물로서 CO₂, H₂O를 내고 혐기성 조건에서는 대사물을 분해시켜 CH₄, H₂S, NH₃ 등의 기체를 방출하는 상호반응에 의하여 증식과 소비가 동시에 일어난다. 링의 직경은 25-50 mm이며 하전성이 월등하고 적당한 강성이 있다(김동기, 1998).

다음은 국외 관련기술 현황으로서, 먼저 일본의 정화조 활용을 살펴보았다. Johkasou Type 처리공법은 오수와 분뇨를 혼합하여 처리하는 생물학적 처리방법으로 혐기성 여재탱크와 접촉포기조를 한 탱크 내에서 운영한다. 혐기성 여재탱크에서는 고형물의 분리, 슬러지 저장, 그리고 혐기성 미생물에 의한 유기물질의 분해가 이루어지고, 접촉 포기조에서는 호기성 미생물에 의한 유기물질의 분해와 암모니아 질소의 산화가 이루어지며 최종적으로 침전조와 소독을 거쳐 방류되고 있다(Takatoshi Wako, 2011). 이 공정의 혐기성 여재탱크는 2단계의 구조로 되어 있고, 접촉포기조에서 반송수를 보내는 것이 특징이다.

본 발명의 출발점은 아프리카 우간다의 비교적 농촌지역인 쿠미지역에 위치한 쿠미대학의 열악한 화장실을 개선하고자 하는 것이었다. 현재 학교 내 화장실은 수세식 화장실로 간이식 정화조가 설치되어 있으나 상수도가 없어 빗물저장시설에서 세정수를 간헐적으로 공급하여 지속적인 화장실 사용하지 못해 악취발생, 정화조 유출수의 미처리 등으로 위생시설이 낙후하다.

쿠미대학 화장실에는 상수도 공급이 되지 않고, 공급되는 물은 빗물저장탱크에서 이용하므로 건기시 물이 부족한 경우 화장실 세정수가 간헐적으로 제공되고 있다. 전기가 부족하여 펌프가동이 어려운 상태이며, 지하수도 전기사정이 어려워 활용하기 어려운 상황이다.

그리하여 본 발명의 목적은 수도와 전기 시설이 불충분한 지역에서 빗물을 간헐적으로 이용하면서, 전기소요가 적고, 유지관리가 용이하고 비용이 저렴하고 정화조 유출수를 재이용할 수 있는 성능이 양호한 정화조 최적모형을 개발하여 환경 적정기술로 적용하고자 하는 것이다.

본 발명은

화장실에서 배출된 처리대상수를 저장하는 저장조;

혐기성 미생물에 의해 저장조로부터 이송된 처리대상수 중의 유기물을 분해하고 침전물을 침전시키되, 격벽으로 분리되어 상층액만 이후의 격실로 이송되어 유기물 분해 및 침전이 일어나도록 하는 2개 이상의 부패조(Septic tank);

미생물이 부착된 HBC 링 2개 이상이 상하 방향으로 설치되어 부패조에서 이송된 처리수에 대하여 호기성 처리 또는 간헐적인 호기성 처리(포기)를 수행하는 포기조(Aeration tank);

포기조에서 이송된 처리수의 고형물질을 여과재층을 통해 이동하여 여과하는 여과조(Sand filter); 및

여과된 처리수를 배출하는 배출구가 순차적으로 배열되어 있고,

부패조 기준 수리학적 체류시간을 1.5일 이상 5일 이하로 운행하여 부패조에서 COD 제거효율 65%, BOD 제거효율 55%, SS 제거효율 80% 이상을 나타내도록 하는, 유출수 재이용이 가능한 에너지 저감형 정화조에 관한 것이다. 부패조 기준 수리학적 체류시간이 1.5일 미만이면 COD, BOD 및 SS 제거효율이 낮아 오수가 제대로 분해되거나 처리되지 못하며, 5일을 초과하면 비경제적이다.

또한, 포기조에서는 에너지 절감을 위하여 태양광, 풍력 등의 대체 에너지를 이용하여 포기를 수행하되, 지속적으로 포기할 수도 있으나, 실제로는 체류시간의 1/10 내지 1/2 수준으로 간헐적 포기를 수행하는 것이 더 바람직하다.

상기 저장조의 처리대상수는 분뇨 원수(화장실 오수)뿐만 아니라, 화장실 오수에 수세식 화장실 용수가 혼합된 상태를 포함하여 지칭하는 것이다.

또한, 본 발명은 상기 부패조의 격벽이 바닥에서 상향의 격벽과 상부 뚜껑에서 하향의 격벽이 순차적으로 교차하여 1개 이상 설치되는 것을 특징으로 하는, 유출수 재이용이 가능한 에너지 저감형 정화조에 관한 것이다. 이와 같이, 부패조에 상향 격벽, 하향 격벽을 순차적으로 형성함으로써 부패조 내에 여러 개의 격실을 형성하게 되어 부패조에서 오수 처리 효율이 높아진다.

또한, 본 발명은 상기 포기조의 HBC 링을 구성하는 여재가 합성수지재 필라멘트로 구성되고, 링의 직경이 25-50 mm인 것을 특징으로 하는, 유출수 재이용이 가능한 에너지 저감형 정화조에 관한 것이다. 합성수지재 여재는 쉽게 부패하지 않고, 어느 정도의 강도가 있으므로 교환 시기가 길고 유지가 용이하다.

또한, 본 발명은 상기 포기조에 교반장치가 부가되는 것을 특징으로 하는, 유출수 재이용이 가능한 에너지 저감형 정화조에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 상기 부패조, 포기조 및 여과조의 수리학적 체류시간을 각각 1.5일 이상, 18시간 이상, 12시간 이상으로 운전하여 최종 처리수의 농도가 BOD 20 mg/L 이하, SS 14 mg/L 이하가 되도록 하여 최종 처리수를 수세식 화장실 용수로 재이용하는 것을 특징으로 하는, 유출수 재이용이 가능한 에너지 저감형 정화조에 관한 것이다.

뿐만 아니라, 본 발명은

화장실에서 배출된 처리대상수를 저장조에서 부패조로 이송하는 단계;

혐기성 미생물에 의해 저장조로부터 이송된 처리대상수 중의 유기물을 분해하고 침전물을 침전시키는 부패 단계;

미생물이 부착된 HBC 링이 상하 방향으로 설치된 포기조에서 상기 부패 단계를 거친 처리수에 대하여 호기성 처리 또는 간헐적인 호기성 처리를 수행하는 포기 단계;

상기 포기 단계를 거친 처리수의 고형물질을 여과재층을 통해 이동하여 여과하는 여과 단계; 및

여과된 처리수를 배출하는 배출 단계; 및

배출된 유출수를 부패조 앞단으로 반송시켜 유입하는 단계를 포함하며,

부패 단계 기준 수리학적 체류시간을 1.5일 이상 5일 이하로 운행하여 부패 단계에서 COD 제거효율 65%, BOD 제거효율 55%, SS 제거효율 80% 이상을 나타내도록 하는, 유출수 재이용이 가능한 에너지 저감형 화장실 오수 정화방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 상기 부패 단계, 포기 단계 및 여과 단계의 수리학적 체류시간을 각각 1.5일 이상, 18시간 이상, 12시간 이상으로 운전하여 최종 처리수의 농도가 BOD 20 mg/L 이하, SS 14 mg/L 이하가 되도록 함을 특징으로 하는, 유출수 재이용이 가능한 에너지 저감형 화장실 오수 정화방법에 관한 것이다.

본 발명의 기술은 상하수도 시설이 없는 국내외 농촌지역, 공원, 사찰, 건설현장 등의 화장실에 활용 가능하다.

또한, 본 발명의 기술을 이용하면 수도 시설이나 전기 시설이 없는 상태에서도 에너지를 최소한으로 사용하면서, 얻어진 최종 처리수를 수세식 화장실 용수나 농업용수 등으로 재이용 가능하다.

또한, 본 발명의 기술은 복잡한 구조 대신 단순한 구조와 적은 용량으로도 비교적 짧은 시간 내에 화장실 오수를 처리하므로 경제적이며, 유지와 관리가 용이하다.

도 1은 왼쪽이 원형 정화조, 오른쪽이 구형 정화조의 단면이다.
도 2는 우리 나라 E 업체의 무방류 화장실 처리공법의 개요도이다.
도 3은 본 발명 일 실시예에서 실험에 이용한 정화조 모형 개요도이다.
도 4는 본 발명 일 실시예에서 실험에 이용한 정화조 모형 사진이다.
도 5는 본 발명 일 실시예에서 실험에 이용한 HBC 링 사진이다.
도 6은 경과시간에 따른 반응조별 COD의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 각 반응조에서 HRT에 따른 COD 제거효율을 나타낸 그래프이다.
도 8은 유기물질 부하율에 따른 COD 제거효율을 나타낸 그래프이다.
도 9는 각 반응조에서 HRT에 따른 BOD 제거효율을 나타낸 그래프이다.
도 10은 부패조 체류시간과 유기물질 부하율에 따른 BOD 제거효율을 나타낸 그래프이다.
도 11은 HRT에 따른 SS 제거효율을 나타낸 그래프이다.
도 12는 단위 공정 반응조에서 HRT에 따른 SS 제거효율을 나타낸 그래프이다.
도 13은 HRT에 따른 총질소 제거효율을 나타낸 그래프이다.
도 14는 HRT에 따른 총인 제거효율을 나타낸 그래프이다.
도 15는 포기조에서 HRT에 따른 HBC 링에 미생물 부착상태를 나타내는 사진이다.

아래에서는 구체적인 실시예를 들어 본 발명의 구성을 좀 더 자세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 실시예의 기재범위 내로 한정되는 것이 아님은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

1. 실험실 모형정화조 개발

1.1 장치 및 운전방법

도 3은 본 발명에서 사용된 정화조의 모형을 나타내고 있다. 주요 사용된 반응조는 부패조(Septic tank), 포기조(Aeration tank), 여과조(Sand filter)로 구성되어 있다. 저장조(Storage tank)는 원수를 연속적으로 공급하기 위한 저장탱크이다. 각 반응조의 재질은 아크릴로 제작하였으며, 주요 반응조의 제원과 크기는 부패조(18W*20L*20H cm: 7.2 L), 포기조(18W*10L*20H cm: 3.6 L), 여과지(8W*15L*20H cm: 2.4 L)로 총 13.2 L이다. 부패조의 첫 번째 격막은 입구로부터 11 cm 이격하였고(높이 17 cm), 두 번째 격막은 첫 번째 격막으로부터 5 cm 이격하여(바닥에서 5 cm 이격) 설치하였다. 부패조는 3개의 칸으로 분할되어 그 부피비가 각각 대략 55%, 25%, 20%를 차지한다.

포기조의 내부 바닥에는 길이가 27 cm, 직경 1 cm인 웨이브 분사기를 사용하여 포기를 실시하였으며, 각 반응조 간 연결은 직경 10 mm의 고무관을 사용하였다. 포기는 간헐적으로 실시할 수 있으며, 에너지 저감을 위해 바람직하게는 태양광 에너지, 풍력 에너지 등 대체 에너지를 이용한다. 포기조의 내부에는 미생물 부착을 유도하기 위해 접촉재로 H회사의 HBC-Ring(Hanging Bio Contactor-Ring)을 사용하였는데 길이 17 cm의 HBC 링 8개를 철사로 매달고 포기조 내에 상하로 설치하였다.

여과조는 하부에서 유입되는 상향류식 형태로 모래여재를 통과한 후 유출되는 형태이다. 모래의 부피는 0.64 L(8W*8L*10H cm)이고, 모래는 크기 2 mm 체(No.10)로 걸러 사용하였다. 여과조에서 유출되는 최종 유출수는 자연유하에 의하여 배출되며 적절한 용기를 통해 시료를 받았으며 용기와 시간에 의해 체류시간을 산정하였다.

도 4는 실험에 사용된 정화조 모형장치의 전경이고, 도 5는 포기조 내부에 주입된 HBC 링 접촉재이다. 본 발명에서 사용한 HBC 접촉재는 폴리염화 비닐리덴의 필라멘트 실(HBC 링)이며, 실의 두께는 600-1800 데니어(denier) 정도이고, 16개의 원사와 접속사가 서로 교차하여 형성된 심선재로 이루어져 있고, 링의 직경은 25-50 mm이며 하전성이 월등하고 적당한 강성을 가지고 있다.

1.2 실험방법

본 발명에서 사용된 원수는 대전대학교 공학관 정화조 유입 분뇨를 채취하여 2mm 체(No.10)로 걸러서 수돗물로 약 10배 희석하여 사용하였으며, 유입된 원수의 성상을 표 3에 나타내었다.

표 3에서 보는 바와 같이 원수의 농도는 pH는 7.2~8.3, BOD는 288~392 mg/L, COD는 1,178~1,747 mg/L, SS는 640~1,420 mg/L, T-N은 47~67 mg/L, T-P는 11.7~14.2 mg/L 정도로 나타났다. TCOD/TBOD비가 약 4~5배, SCOD/SBOD비가 약 1.5배정도로 나타나 비용해성 유기물질의 비율이 큰 것으로 보여진다.

본 발명은 정화조의 최적모형 성능을 조사하기 위하여 체류시간(HRT) 4일, 2일, 1일, 0.5일로 운전하면서 HRT에 따르는 최적 제거효율을 알아보기 위해 실험하였다. 여기서 체류시간은 부패조(7.2L)의 크기를 기준으로 한 체류시간이며 만약 체류시간 1일의 경우 포기조는 12시간, 여과조는 8시간의 체류시간에 해당된다.

항목	원수의 농도 범위 (mg/ℓ)
pH	7.2~8.3
TCOD (SCOD)	1178~1747 (246~365)
TBOD (SBOD)	288~392 (171~232)
SS	640~1420
TN	47~67
TP	11.7~14.2

부패조에는 별도의 혐기성 미생물을 주입하지 않은 채 원수를 주입하였고, 포기조의 호기성 미생물은 인근 옥천하수처리시설의 활성슬러지를 침전시켜 상등액을 주입하였다.

수질분석은 각 HRT에서 최종 유출수의 COD농도가 일정하다고 판단되었을 때 정상 운전상태로 보고 3~4회의 시료를 채취하여 분석하였다. HRT 4일에서는 유입수의 부유물질이 많고, 펌프 유량조절이 원활하지 않아 뱃치(Batch)로 운전하여 원수 주입을 하루에 2~3회 주입하였으며, 다른 HRT에서는 연속운전이 가능하였다.

반응조 운전기간 중 원수와 각 반응조 처리수를 채취하여 시료에 대하여 pH, BOD, COD_cr, SS, TN, TP 등을 분석하였으며, 시료의 분석방법은 표준 분석방법(2005)에 따라 분석하였다.

결과 1: 유기물질의 제거

도 6은 운전 경과시간에 따른 반응조별 처리수의 COD 변화를 나타낸다. 반응조 운전 초기에는 부패조의 상태는 불안정하였고 포기조의 처리수는 비교적 점진적으로 감소하여 약 40일 이후에 매우 안정되었음을 볼 수 있다. 도 6에서 각 체류시간별 운전시 화살표시가 있는 기간이 매우 안정됨을 알 수 있으며 이 시기가 정상상태로 판단되어 3-4회 반응조별 유출수의 시료를 채취하여 분석하였다. HRT 2일과 HRT 1일의 경우 여과조를 통과한 최종 유출수의 수질은 큰 차이를 보이지 않았으며, HRT 0.5일인 경우에 수질이 급속하게 악화되었다.

표 4는 HRT에 따르는 COD 제거효율과 농도를 반응조 단위공정별로 나타낸 것이고, 도 7은 HRT에 따르는 COD 제거효율을 도시한 것이다. 원수의 COD는 1,299~1,615 mg/L으로 주입되었으며, HRT 3.8일에서 최종 유출수는 61 mg/L으로 COD 제거효율은 95%까지 가장 높게 제거할 수 있었다. HRT가 증가함에 따라 제거효율은 증가하는 경향을 띠고 있으며 COD 90% 이상 제거를 위해서는 HRT가 1.5일 이상 필요한 것으로 나타났다.

HRT 1.5일에서 전체 제거효율이 90%이었다면 부패조에서 제거효율이 약 70% 정도이므로 부패조에서 차지하는 비율이 높은 편임을 알 수 있었으며, 나머지 COD는 포기조에서 거의 제거되었다. 모래여과조는 부유물질의 제거를 고려한 것으로 COD 제거효율을 5% 이상 높이지 못한 것으로 판단된다.

부패조는 내부 격벽에 의해 2단계의 구조를 가지므로 1단계에서는 침전, 2단계에서는 혐기성 소화 기능에 의해 COD 제거효율이 70% 이상 된 것으로 판단된다. 이 경우 BOD 제거효율 60% 이상, SS 제거효율 85% 이상을 가질 수 있으며 부패조는 별도의 에너지가 필요하지 않으므로 부패조의 기능을 2단계로 극대화시키는 것이 필요하다. 문헌(최의소,2003)에서 부패조를 3단계로 연결시켰을 때 1단계의 효율이 BOD는 38%, SS는 55%로 나타난 것으로 보면 1단계에서 침전, 그리고 2, 3단계에서 혐기성 소화에 의해 유기물질이 제거된 것으로 나타났다.

한편 1단계, 2단계 그리고 정화조 여상으로 구성된 실험실 모형정화조 (Sludge Blanket Reactor:SBR)에서 1단계 체류시간 1.5일, 2단계 8시간 그리고 여상 4시간의 경우에 유입 COD 1,700 mg/L을 주입시켰을 때 총 COD 제거효율은 79%였으며, 이중 1단계에서만 76%, 2단계에서 12%가 제거되였다(최의소, 1985). 본 발명에서는 부패조의 COD 제거효율이 약 70% 낮게 나타났으며 문헌에서 1단계 부패조만 제거효율이 76%인 것에 비해 본 발명에서 제거효율이 낮게 나타난 것은 유입수의 농도가 낮아졌기 때문으로 보인다. 총 COD 제거효율이 실험실 SBR 정화조보다 높게 나타난 것은 포기조에서 유기물질 제거 역할이 크기 때문인 것으로 보인다.

도 8은 유기물질 부하율에 따른 COD 제거효율을 나타낸다. 총 COD 제거효율 90 %이상으로 제거하기 위해서는 약 1.5 kg COD/m³·d 이하로 운전하여야 하는 것으로 나타났으며, 이 경우 부패조에 의한 COD 제거효율은 60% 이상이다.

표 5는 HRT에 따른 유출수의 BOD 농도와 BOD 제거효율을 나타내고 있으며 도 9는 HRT에 따르는 BOD 제거효율을 도시한 것이다. 원수의 BOD 농도는 288~392 mg/L였으며, HRT 2.1일에서 유출수의 BOD 농도는 14 mg/L로 총 제거효율이 96%였다. HRT 1일에서는 유출수의 BOD 농도는 23 mg/L로 총 제거효율이 93%로 나타났다. 유출수의 BOD 농도를 20 mg/L이하로 처리하기 위해서는 HRT는 대략 1.5일 정도가 요구된다.

HRT가 증가함에 따라 BOD 제거효율도 증가하였으며, BOD 90% 이상 제거를 위해서는 HRT 1일 이상이 필요하다. 이 경우에는 부패조에서 BOD 제거효율이 약 45% 정도였다.

한편, 앞에서 언급한 문헌에 나타난 모형정화조의 경우 유입 BOD 농도가 653 mg/L 경우 1단계 부패조에서는 처리수 174 mg/L으로 제거효율이 73%였고, 2단계 부패조에서는 처리수 158 mg/L로 2단계에서만 BOD 제거효율은 9%였으며, 총 제거효율이 75%였다. 본 발명에서도 총 BOD 제거효율이 실험실 모형정화조보다 높은 것은 COD 제거와 같이 포기조에서 유기물질 제거효율이 크게 작용한 것으로 보인다.

도 10은 하수와 희석된 분뇨를 0.5~4일 HRT(0.04~1.13 kg BOD/m³일)에서 주입시킨 부패조에서 BOD 제거효율을 보여 주고 있다. 도 10에서 현장 부패조는 하수만을 주입시킨 3단계 부패조의 운전결과이며, 1단계는 BOD 38%, SS 55%로서 하수처리장의 1차 침전지의 효율과 유사한 효율이다. 본 발명에서의 부패조만의 운전결과를 ◇로 표시하였는데, BOD 제거효율이 거의 비슷한 결과를 나타내고 있다. 부패조에서 어느 정도 침전의 효과에 의해서도 BOD가 제거된 것으로 보인다.

표 6은 HRT에 따른 SS 농도와 제거효율이고, 도 11은 HRT에 따른 제거효율을 도시한 것이다. 원수의 SS 농도가 687~1,420 mg/L로 변화가 매우 크게 주입되었으나, HRT 1일 이상에서 최종 유출수의 SS 농도는 4~14 mg/L로 매우 낮았으며 제거효율이 거의 99%이상 되었다. 이것은 모래 여과조에 의한 부유물질의 여과에 의한 것으로 판단된다.

도 12는 여과조와 포기조만에 의한 SS 제거효율을 나타낸 것으로 포기조에서만은 77~90%로, 여과조에서만은 약 55~70%정도의 제거효율을 나타내고 있어 포기조 후단의 침전효과도 매우 클 것으로 판단된다. 본 발명에서 정화조의 경우에 부패조에서 HRT 1.5일 정도, 포기조에서 18시간, 여과조 12시간의 조건에서 BOD 20 mg/L 이하, SS 14 mg/L 이하의 최종 처리수를 얻을 것으로 예상된다. 따라서, 본 발명 정화조의 최종 처리수는 현지 화장실 세정수로 재이용 가능할 수 있다.

결과 2: 영양소의 제거

표 7은 HRT에 따르는 TN 농도와 제거효율이며, 도 13은 HRT에 따르는 포기조와 여과조의 TN 제거효율을 그림으로 도시한 것이다.

HRT 1일~ HRT 4일에서는 유입수의 TN 농도는 49~66 mg/L였으며 최종 유출수의 TN 농도는 30~40 mg/L로 나타나서 대부분 약 40% 정도의 TN 제거효율을 보이고 있어 HRT에 따르는 제거효율이 거의 유사한 경향을 보인다. 그러나 HRT 0.6일 경우에는 제거효율이 약 50% 정도로 높게 나타났는데 이는 부패조에서의 TN 농도가 오히려 상승했기 때문이다. 일반적으로 부패조에서는 TN 농도가 제거되지 않고 원수가 오히려 침전되어 바닥에서 슬러지 상태로 축적되기 때문에 TN 농도가 상승할 가능성이 높다. 접촉재로 HBC 링을 사용하여 정화조 상등액을 원수로 사용한 타 연구결과에 의하면 TN 제거효율은 12시간 28%, 24시간 52%가 나타나 본 발명 결과와 유사하다.

표 8은 HRT에 따르는 암모니아성 질소 농도와 질산성 질소 농도를 측정한 결과이다. 원수의 TN 농도 49-66 mg/L에 비해 암모니아성 질소 농도는 12-20 mg/L의 수준으로 TN 농도 중에 암모니아성 질소농도가 차지하는 비율이 18%~28%로 매우 낮은 수준이었다. 저장조에서 원수 시료 채취시 고형물이 침전될 가능성이 높은 것으로 보이며, 이로 인해 유기질소의 농도가 고형물의 침전에 의해 제거된 것으로 판단된다. 전체적으로 부패조에서 암모니아성 질소의 농도가 증가하였으며 포기조에서는 HRT 0.6일과 1일의 경우 포기조에서 암모니아성 질소가 거의 제거되지 않은 것을 볼 때 질산화가 활발히 일어나지 않은 것으로 보인다. 반면, HRT 2.1일에서는 암모니아성 질소가 거의 다 제거되어 여과조로 유출되는 것을 볼 때 질산화가 충분히 일어난 것으로 보이며 포기조에서 질산성 질소가 탈질되는 조건이 충분하지 않지만 HBC 링 내부에 부착된 미생물에 의해 어느 정도의 탈질이 일어나서 질산성 질소가 일부분 남게 되어 유출되는 것으로 분석된다.

표 9는 HRT에 따르는 TP 농도와 제거효율이며 도 14는 HRT에 따르는 TP 제거효율을 단위공정별 나타내고 있다. 원수 TP 농도는 약 11.8~13.0 mg/L였으며 최종 유출수는 9.1~11.5 mg/L로, 전체 제거효율은 약 11.5~25.4% 수준을 나타내고 있어 TN 제거효율보다 낮다. 부패조에서 TP 제거효율은 7.7~12.1%이고, 포기조까지는 8.5~24.6%였으며, 여과조에서는 11.5~22.4%이므로 포기조에서 TP가 어느 정도 제거된 것으로 보인다. HRT가 증가할수록 TP 제거효율은 약간 증가하는 경향이나 HRT 3.8day에서 급격히 감소하였는데 이는 초기운전시 뱃치(Batch) 운전으로 하였으므로 미생물이 활성화되지 못한 상태에서 과부하 조건이 된 것으로 판단된다.

국내 E 업체에서 이용하는 무방류 화장실 세정수의 수질분석 결과를 보면, 화장실의 세정수 농도가 SS 4.5 mg/L, BOD 2.6 mg/L, TN 134 mg/L, TP 88 mg/L로 나타났다(이원용 외, 2014). 세정수의 BOD는 10 mg/L 이하로 우리나라의 중수도수질기준 이하로 나타났지만, TN, TP는 거의 제거가 되지 않았다. SS 농도가 매우 낮으므로 고형물에 의해 유발되는 유기질소나 유기인의 농도가 낮아 용해성 질소와 인이 대부분 구성되어 있는 것으로 보인다. 이는 무방류 화장실의 공정이 유기물질처리 위주로 혐기조와 포기조 및 막에 의한 처리 결과이기 때문이다.

본 발명에서 최종 유출수의 TN 농도는 30-40% mg/L이고, TP 농도는 9-12 mg/L 수준이며, SS 농도가 매우 낮아 유기질소와 유기인의 성분이 낮은 상태이므로 필요시 농업용수로 사용해도 무방한 것으로 보인다.

결과 3: 포기조의 미생물 부착상태

표 10은 포기조의 운전조건을 알기 위해 pH, 수온, DO의 측정결과와 포기조에서 유기물질 제거효율을 나타낸 것이다. pH는 7.2~8.9이었고 수온은 18℃~23℃였으며 DO는 3~5 mg/L정도로 운전되었으며 각 HRT별로 큰 차이가 없었다. 여기서 포기조만의 체류시간을 별도로 산정하면 부패조 체류시간의 1/2에 해당한다.

포기조만의 COD 제거효율을 보면 HRT가 감소할수록 감소하는 경향을 띠고 있으며 최저 57%에서 최고 68%까지 제거되는 것으로 나타났다. BOD 제거효율은 66%에서 79% 수준으로 나타났으나 포기조의 HRT 12시간의 경우 86%로 급격히 증가되는 경우도 있었다. SS 제거효율은 79%에서 86%수준으로 나타났으나 이 경우도 HRT 12시간에서 91%로 급격히 증가하는 경우가 있었다. 접촉재로 HBC 링을 사용하여 정화조 상등액을 원수로 사용한 타 연구결과에 의하면, 포기조 체류시간 12시간의 경우에는 처리수의 BOD 농도는 16.4~20.2 mg/L로 약 85% 제거효율을, 체류시간 24시간의 경우에는 처리수의 BOD농도는 8.1~11.9 mg/L로 약 92% 제거효율을 나타내어 본 발명의 체류시간 12시간의 경우와 유사한 경향이었다. 또한, SS 제거효율은 12시간에서 85%, 24시간에서 약 90%로 나타나 HBC 링에 의해 SS 제거효율에도 효과가 있는 것으로 판단된다(김동기, 1998). 한편, 포기조 HRT 1.9일 경우에는 포기조만의 제거효율이 매우 높을 것으로 예상하였는데 오히려 BOD 제거효율은 낮았다. 이 경우 뱃치 운전과 부패조에서 포기조로 이송되는 유입구에 헝겊망을 씌워서 운전함으로 인해 상대적으로 포기조의 유입수 농도가 낮아져 제거효율이 낮아진 것이 원인으로 보인다.

HBC 링으로 생활하수를 HRT 8시간에서 처리한 결과, 유입 BOD 농도 227 mg/L에서 유출수 17 mg/L로 약 93%의 제거효율을 나타냈으며, 유입 SS 140 mg/L에서 유출수 21 mg/L로 약 85%의 제거효율을 나타냈다. 특이한 것은 포기조 내에서 슬러지 생산량이 발생하지 않고 운전한 것이다(김형태, 1984).

도 19는 포기조 내부 HBC 링에 부착된 미생물의 부착상태를 체류시간별 사진으로 나타낸 것이다. 각 사진은 HRT별 정상상태에서의 부착상태이고 운전시작 HRT 4일부터 HRT 0.5일까지 운전을 진행하는 동안 미생물을 씻어내지 않았으므로 HRT 0.5일의 경우가 가장 많이 부착되는 것으로 보인다. 포기조의 HRT 12시간인 경우부터 미생물이 많이 부착된 것을 관찰할 수 있었는데, 반응조 운전이 시작된 이후 약 85일이 지난 경우이다. 미생물의 부착상태와 관련하여 유기물질의 제거효율을 비교해 보면 포기조 HRT 12시간인 경우가 유기물질 제거효율이 가장 높은 경우로 나타난 것과 연관될 수 있다. 반면, 포기조 HRT 7.2시간일 경우에 미생물의 부착상태가 많음에도 불구하고 제거효율이 높지 않게 나타났다. 이 경우 유기물질 부하율이 1.13 kg BOD/m³·d인 경우로써 유입수의 BOD 농도가 392 mg/L에서 부패조의 유출수 농도가 BOD 281 mg/L으로 나타나 부패조만의 BOD 제거효율이 28%로 급격히 감소되었는데, 유기물질 부하율이 높은 경우에 BOD 제거효율이 낮아지는 것을 뒷받침해 주고 있다.

본 발명에서 포기조에서 침전된 슬러지는 어느 정도는 발생하였지만 운전기간 중 슬러지 폐기는 거의 하지 않고 운전하였다. HBC 링에 미생물 부착상태가 양호하므로 활성슬러지와 같은 슬러지 반송이나 폐기를 주기적으로 하지 않았으며, 부패조에서 스컴 발생으로 인해 포기조로 유입된 고형물이 포기조 바닥에 침전되는 경우에 포기장치의 포기역할을 방해하지 않도록 바닥슬러지를 청소한 경우가 있었다.

최종적으로, 물을 충분히 활용하지 못하고 전기공급이 원활하지 않고 하수관로 시설이 없는 열악한 정화조를 개선하기 위한 기초실험으로 본 발명의 모형정화조의 운전 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

첫째, 부패조, 포기조, 여과조로 구성된 모형정화조의 전체 COD 제거효율 90%를 얻기 위해서는 최적 HRT는 1.5일 이상 필요하며 이 경우 부패조에서 COD 제거효율은 약 70%, BOD 제거효율은 약 60%, SS 제거효율은 85%를 나타내므로 별도의 에너지가 필요하지 않은 부패조의 구조를 2단계로 하는 것이 필요하다.

둘째, 부패조, 포기조, 여과조의 HRT를 각각 1.5일, 18시간, 12시간 이상으로 운전할 경우 최종 유출수의 농도가 BOD 20 mg/L 이하, SS 14 mg/L 이하 정도로 처리가능하므로 현지 수세식 화장실 용수로 재이용 가능성이 매우 높은 편이다.

셋째, 영양소 제거는 HRT에 따라 큰 차이가 없었으며 TN 제거효율 약 40% 정도에서 최종 유출수 TN 농도는 30~40 mg/L, TP 제거효율 약 11~25% 정도에서 최종 유출수의 TP 농도는 9~12 mg/L 수준이었다. 최종 유출수에 유기질소와 유기인 성분이 거의 없는 상태이므로 필요시 농업용수로서의 재이용이 가능하다.

Claims

화장실에서 배출된 처리대상수를 저장하는 저장조;
혐기성 미생물에 의해 저장조로부터 이송된 처리대상수 중의 유기물을 분해하고 침전물을 침전시키되, 격벽으로 분리되어 상층액만 이후의 격실로 이송되어 유기물 분해 및 침전이 일어나도록 하는 2개 이상의 부패조(Septic tank);
미생물이 부착된 HBC 링 2개 이상이 상하 방향으로 설치되어 부패조에서 이송된 처리수에 대하여 호기성 처리 또는 간헐적인 포기를 수행하는 포기조(Aeration tank);
포기조에서 이송된 처리수의 고형물질을 여과재층을 통해 이동하여 여과하는 여과조(Sand filter); 및
여과된 처리수를 배출하는 배출구가 순차적으로 배열되어 있고,
부패조 기준 수리학적 체류시간을 1.5일 이상 5일 이하로 운행하여 부패조에서 COD 제거효율 65%, BOD 제거효율 55%, SS 제거효율 80% 이상을 나타내도록 하는, 유출수 재이용이 가능한 에너지 저감형 정화조.
청구항 1에 있어서,
상기 부패조의 격벽은 바닥에서 상향의 격벽과 상부 뚜껑에서 하향의 격벽이 순차적으로 교차하여 1개 이상 설치되는 것을 특징으로 하는, 유출수 재이용이 가능한 에너지 저감형 정화조.
청구항 1에 있어서,
상기 포기조의 HBC 링을 구성하는 여재는 합성수지재 필라멘트로 구성되고, 링의 직경이 25-50 mm인 것을 특징으로 하는, 유출수 재이용이 가능한 에너지 저감형 정화조.
청구항 1에 있어서,
상기 포기조에는 교반장치가 부가되는 것을 특징으로 하는, 유출수 재이용이 가능한 에너지 저감형 정화조.
청구항 1에 있어서,
부패조, 포기조 및 여과조의 수리학적 체류시간을 각각 1.5일 이상, 18시간 이상, 12시간 이상으로 운전하여 최종 처리수의 농도가 BOD 20 mg/L 이하, SS 14 mg/L 이하가 되도록 하여 최종 처리수를 수세식 화장실 용수로 재이용하는 것을 특징으로 하는, 유출수 재이용이 가능한 에너지 저감형 정화조.
화장실에서 배출된 처리대상수를 저장조에서 부패조로 이송하는 단계;
혐기성 미생물에 의해 저장조로부터 이송된 처리대상수 중의 유기물을 분해하고 침전물을 침전시키는 부패 단계;
미생물이 부착된 HBC 링이 상하 방향으로 설치된 포기조에서 상기 부패 단계를 거친 처리수에 대하여 호기성 처리 또는 간헐적인 포기를 수행하는 포기 단계;
상기 포기 단계를 거친 처리수의 고형물질을 여과재층을 통해 이동하여 여과하는 여과 단계;
여과된 처리수를 배출하는 배출 단계; 및
배출된 유출수를 부패조 앞단에 반송시켜 유입시키는 단계;를 포함하며,
부패 단계 기준 수리학적 체류시간을 1.5일 이상 5일 이하로 운행하여 부패 단계에서 COD 제거효율 65%, BOD 제거효율 55%, SS 제거효율 80% 이상을 나타내도록 하는, 유출수 재이용이 가능한 에너지 저감형 화장실 오수 정화방법.
청구항 6에 있어서,
상기 부패 단계, 포기 단계 및 여과 단계의 수리학적 체류시간을 각각 1.5일 이상, 18시간 이상, 12시간 이상으로 운전하여 최종 처리수의 농도가 BOD 20 mg/L 이하, SS 14 mg/L 이하가 되도록 함을 특징으로 하는, 유출수 재이용이 가능한 에너지 저감형 화장실 오수 정화방법.