KR20160116647A - 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템 - Google Patents

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KR20160116647A
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강민구
류홍덕
김금용
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충북대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 우리나라의 실정에 맞게 겨울의 낮은 온도에서도 영양염류를 효과적으로 제거할 수 있도록 질산화 반응조 전단에 하나 이상의 유기물 산화조를 배치하여, 질산화 반응조 처리 이전에 하나 이상의 유기물 산화조에서 전처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 유기물 산화조를 통해서 질산화 반응조로 유입되는 유기물의 양을 최소화시켜 유기물 산화 미생물과 경쟁 상태에 있는 질산화 미생물의 성장을 극대화 시켜줌으로써, 겨울철과 같이 온도가 낮거나 짧은 수리학적 체류시간에서 하, 폐수를 처리해야 하는 경우에도 95% 이상의 질산화 효율을 달성할 수 있어, 향상된 총 질소(T-N) 처리를 기대할 수 있으며, 기존에 독립질산화를 위해 침전지를 2개 이상으로 구성해야만 하는 2단 슬러지 공정에 비해(예를 들면, 데파녹스(Dephanox) 공정) 구조가 간단하고 하나의 침전지로 구성되어 있어 설치비용을 크게 절감할 수 있으므로 경제적으로 커다란 장점을 갖는 동시에 운영상 드러날 수 있는 문제를 최소화시킬 수 있다.

Description

하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템{Hybid nutrient salt removal system}
본 발명은 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 우리나라의 실정에 맞게 겨울의 낮은 온도에서도 영양염류를 효과적으로 제거할 수 있도록 하는 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 폐수에 포함되어 있는 영양염류 자체는 무기성 원소이지만, 이들이 하천이나 연안바다, 호소(호수 및 저수지) 등으로 유입되어 조류의 성장을 촉진시켜 부영양화 현상을 발생시킨다.
또한, 폐수에 포함되어 있는 영양염류가 연안바다로 유입되었을 때 적조현상의 원인이 되며, 심하면 수저부에서 부패하고 악취가 발생하여 수질오염을 촉진시키는 원인으로 작용되므로, 영양염류는 하천이나 호소로 유입되기 전에 제거되어야 할 물질이다.
우리나라의 경우 대부분의 하수처리 및 축산폐수 처리 방법은 대부분 활성슬러지법에 의존하고 있는 실정이다. 활성슬러지법에 의한 처리시 현탁 고형물질과 유기물은 쉽게 제거될 수 있으나 질소나 인과 같은 영양염류 물질의 처리는 현재의 기술로도 점점 강화되고 있는 법정 방류수 수질기준을 준수하기가 쉽지 않다.
일반적으로, 질소, 인과 같은 영양염류 처리를 위한 공정들로는 물리화학적인 처리 방법과 생물학적인 처리 방법이 있다.
우선, 물리화학적인 처리 방법에 있어서는 암모니아 탈기법, 선택적 흡착 방법을 이용하는 이온교환법, 소석회 및 응집제를 사용하여 인을 침전시키는 방법 및 질소와 인을 동시에 침전시키는 스트루바이트(Struvite) 형성의 침전법 등이 이용되고 있다. 그러나, 이와 같은 방법은 처리가 선택적으로 이루어지지만 온도, pH 등 여러 영향 인자들에 민감하고, 약품을 사용하기 때문에 처리 비용이 많이 소요되는 등의 단점이 있다. 또한, 약품 사용 및 운전상에 요구되는 환경이 특징적이어서 운영에 있어 숙달된 인원이 반드시 필요하다는 단점이 있으며, 유입수의 유입 농도가 변화할 경우 약품 주입량 등의 변화로 인해 유출수가 불안정하여 현장에서 사용을 꺼리고 있다.
한편, 생물학적 처리 방법에 있어서는 질소의 경우, 용존 상태에 있는 암모니아성 질소와 유기 질소를 호기성 조건에서 질산화균(예컨대, Nitrosomonas & Nitrobacter)에 의해 질산화(암모니아를 질산염 형태로 변형)시키고, 질산염을 탈질산화균(예컨대, Pseudomonas, Paracoccus denitrifiers)에 의해 무산소 조건에서 산소대신 전자수용체로서 이용하게 하고, 질소 기체로 변환하여 대기 중으로 방출(탈질산화)시켜 제거하고 있다.
인의 경우, 폐수를 교대로 혐기성 조건과 호기성 조건하에 유지시켜 혐기성 조건에서는 인 제거 미생물(예컨대, Acinetobacter)로부터 인을 방출(Release)시키고, 후속되는 호기성 조건에서는 미생물이 인을 과다 섭취(Luxury uptake)하도록 한 다음 미생물을 일정량씩 제거시키는 방식으로 폐수 중의 인을 제거한다. 상기 호기성 조건에서 미생물의 인을 과다 섭취하게 되는 정도는 혐기성 조건으로 유입되는 유기물의 양과 종류에 따라 다르며 특히, 순수한 혐기 상태의 유지와 유입되는 유기물이 초산염과 같은 유기산 염이 많을 경우 순수한 혐기 상태에서 인의 방출량이 증진되며, 후속된 호기 상태에서 인의 섭취도가 향상되어 처리율이 증진된다.
따라서, 생물학적 질소 및 인의 제거 공정은 혐기성 - 호기성 - 혐기성 - 호기성 반응조를 적절히 분리 배치하여 각 반응조의 특성에 따라 호기성 반응조에서는 유기물 산화 및 질산화 반응과 미생물의 인을 섭취하도록 유도하고, 혐기성 및 무산소 반응조에서는 질산성 질소를 질소가스로 변형시켜 대기 중으로 방출시키는 탈질 반응과 인의 방출을 유도한다.
상기 전술한 일반적인 형태의 생물학적 영양염류의 처리공정에서는 슬러지의 침전성을 향상시키고, 인의 방출을 억제하기 위하여 침전조 전에 호기성 반응조를 배치시킨다. 이러한 방법의 예로서는, 가장 보편화된 공정이 별도의 유기원을 주입하지 않고 유입된 하수의 유기물을 탈질에 최대한 이용할 수 있도록 설계한 Ludzack-Ettinger 공정이 있다. 이 공정은 호기조와 무산소조가 수차로 구분되어 있어 무산소조와 호기조가 명확히 구분되어 있지 않다. 메탄올 대신 하수중의 유기물을 사용하는 것으로 호기조에서 암모니아가 산화되고 수차에 의해 운반되는 반송슬러지를 통해 질산염이 무산소조로 이송되어 탈질을 유도하는 방식이다. 하지만 상기 공정은 질소 제거 효율이 매우 낮다는 단점이 있다.
이러한 단점을 보완하기 위해 호기조에서 무산소조로 반송율을 높여 총질소 제거율을 약 90%까지 향상시켰다. 이후 Modifide Ludzack-Ettinger 공정 개념을 기본으로 A2/O 공정, 4단5단 Bardenpho 공정, University Cape town 등과 같은 공정이 개발되었다. 그러나, 상기의 공정은 부지가 넓은 외국의 실정에 맞게 제안된 공정이기 때문에 수리학적 체류간이 길어 우리나라와 같이 부지가 작고 C/N비가 낮은 하수특성과 여러 가지 제반사항에서 적용하는데 다소 어려움이 있다. 특히, 국내의 하수처리는 유기물, 질소 및 인을 동시에 처리하는 기술은 상당히 진보되어 있으나, 이들 공정의 대부분은 유기물 제거와 질산화 반응이 한 반응조에서 거의 동시에 이루어지고 있어, 유기물에 의한 질산화 저해로 인해 온도가 낮은 겨울철이나 짧은 수리학적 체류시간(6~8시간)에서는 질소 처리 효율이 효과적으로 수행되지 못하고 있는 실정이다.
따라서, 기존 처리장의 수리학적 체류시간(6~8시간)에서 영양염류를 성공적으로 처리하기 위해서는 수리학적 체류시간이 짧은 경우에도 효과적으로 영양염류를 처리할 수 있는 공정 개발의 필요성이 절실하다고 할 수 있다. 게다가 온도가 낮은 겨울철이 있는 우리나라의 경우, 상기 시스템의 설계 변경이나 공정의 개선이 없이 바로 현장에 적용할 경우, 질산화 효율이 저하되어 궁극적으로는 시스템의 질소처리 효율이 감소되는 문제점이 있다.
위와 같이 낮은 C/N 비로 인한 탈질 저하와 온도가 낮거나 짧은 수리학적 체류시간에서 발생되는 질산화 효율 저하를 극복하기 위해 개발된 공정으로는 이탈리아에서 개발된 데파녹스(Dephanox) 공정을 들 수 있다(도 1 참조). 이 공정에서는, 혐기 접촉조 및 분리조를 이용하여 혐기 접촉조에서 미생물이 유기물을 흡착시키고 인의 방출을 유도하며, 분리조에서 흡착된 유기물과 미생물을 분리하여 후속된 탈질조로 유입시키고 흡착되지 않은 질소 화합물을 별개의 반응조에서 질산화시켜 후속된 탈질조로 보내 유기물을 흡착한 미생물에 의해 탈질시킨다. 즉, 데파녹스 공정은 탈질과 질산화가 별개의 슬러지 및 반응조에서 이루어지며 후속된 제2 호기성 반응조에서 미생물에 의해 인을 과잉 섭취하도록 하는 공정이다. 또한, 데파녹스 공정은 위에서 언급하였듯이 질산화가 별개의 반응조에서 이루어지는 독립 질산화(Independent nitrification) 방식을 채택하고 있고, 질산화 반응조에는 담, 매체를 충진하여 질화균을 부착성장시킴으로 인해 질화균을 우점화 시킬 수 있어 온도가 낮거나 짧은 수리학적 체류시간에서 효과적으로 질산화를 수행시킬 수 있는 장점을 가지고 있다.
그러나, 상기 데파녹스 공정의 이러한 장점에도 불구하고, 질산화 공정 이후 후속되는 처리 과정 중 분리조로부터 탈질조로 유입되는 유기 질소 및 암모니아성 질소가 충분히 분해 또는 질산화되지 못하고 방류되며, 질화 반응조에 후속되는 단일 탈질 반응조에서만 탈질이 이루어지기 때문에, 높은 질소 제거효율을 기대할 수 없는 단점을 가지고 있다.
게다가 상기의 데파녹스 공정을 비롯한 데파녹스 변형 공정들은 2단 슬러지 공정 형태로서 그 구조가 다소 복잡하고, 침전지가 두 개이기 때문에 실제 공정 운영에 있어서 운영비 및 침전지 유지 관리 문제 등 경제적인 측면과 관리 운영상의 측면에서 비효율적이라는 단점이 있다.
따라서, 온도가 낮은 겨울철이나 수리학적 체류시간이 짧은 조건에서 보다 질산화가 효과적으로 이루어지면서도 구조적으로 간단하여 현장 운전에 있어서 문제를 최소화시킬 수 있는 폐수처리 시스템의 개발이 시급히 요구되고 있는 실정이다.
대한민국특허 10-2006-0042899
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 짧은 수리학적 체류시간과 낮은 온도조건하에서도 높은 질산화효율을 획득할 수 있고, 하나의 침전지로 구성되어 있어 구조가 간단하고 설치비용을 크게 절감할 수 있으며, 운영상 드러날 수 있는 문제를 최소화시킬 수 있는 영양염류 처리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 혐기성 반응조, 무산소 반응조 및 질산화 반응조를 포함하는 영양염류 처리 시스템에 있어서, 질산화 반응조로 유입되는 유기물의 양을 최소화하여 질산화 반응조에서 질산화 미생물이 성장이 촉진되어 농축 배양할 수 있도록, 질산화 반응조 전단에 하나 이상의 유기물 산화조를 배치하여, 질산화 반응조 처리 이전에 하나 이상의 유기물 산화조에서 전처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 유입되는 폐수에 함유된 유기물을 이용하여 인의 방출 및 유기물을 흡착하는 혐기성 반응조; 상기 혐기성 반응조에서 유입되는 폐수에 함유된 유기물을 이용하여 질소를 제거하는 무산소 반응조; 상기 무산소 반응조에서 질소 제거 후 잔존하는 유기물을 산화시키는 유기물 산화조(유기물 산화조에서도 부착성장 질산화 미생물에 의한 부분적인 질산화 반응이 일어남); 상기 유기물 산화조로부터 유기물이 감소된 배출물의 암모니아성 질소를 질산화시키는 질산화 반응조; 및 상기 질산화 반응조에서 처리된 슬러지를 고액분리하여 부유물질이 제거된 처리수를 유출시키는 최종 침전조;를 포함하는 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템을 제공한다.
또한 바람직하게는, 상기 질산화 반응조의 내부는 부유성장으로만 질산화 반응을 수행할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 질산화 반응조의 내부는 회전원판 및 유동상 부착여재 중 어느 하나의 부착여재로 충 진될 수 있다.
또한 바람직하게는, 질산화 반응조에서 질산화된 질산염 및 슬러지를 무산소 반응조로 반송시켜 상기 무산소 반응조로 유입되는 유기물을 이용하여 질산염을 탈질시킬 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 질산화 반응조에서 무산소 산화조로의 질산염 반송은 정량펌프를 이용할 수 있다.
또한, 본 발명은 유입되는 폐수에 함유된 유기물을 이용하여 인의 방출 및 유기물을 흡착하는 혐기성 반응조; 상기 혐기성 반응조에서 유입되는 폐수에 함유된 유기물을 이용하여 질소를 제거하는 무산소 반응조; 상기 무산소 반응조에서 질소 제거 후 잔존하는 유기물을 산화시키는 유기물 산화조; 및 상기 유기물 산화조로부터 유기물이 감소된 배출물의 암모니아성 질소를 질산화시키는 질산화 반응조;를 포함하며, 상기 유기물 산화조에 분리막이 구비되고, 질산화 반응조에 부착여재로서 회전원판 및 유동상 부착여재 중 어느 하나가 충진되어 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템을 제공한다.
또한 바람직하게는, 상기 분리막은 봉 또는 디스크 형태일 수 있다.
또한 바람직하게는, 질산화 반응조에서 질산화된 질산염 및 슬러지를 상기 질산화 반응조에서 유기물 산화조로, 유기물 산화조에서 무산소 반응조로, 무산소 반응조에서 혐기성 반응조로의 순서로 반송시킬 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 질산화 반응조에서 유기물 산화조로의 질산염 반송은 정량펌프 및 자연유하 방식 중 어느 하나를 이용할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 유기물 산화조를 통해서 질산화 반응조로 유입되는 유기물의 양을 최소화시켜 유기물 산화 미생물과 경쟁 상태에 있는 질산화 미생물의 성장을 극대화 시켜줌으로써, 겨울철과 같이 온도가 낮거나 짧은 수리학적 체류시간에서 하, 폐수를 처리해야 하는 경우에도 95% 이상의 질산화 효율을 달성할 수 있을 것으로 기대된다.
또한, 이로 인해 본 발명의 폐수처리 시스템으로부터 보다 향상된 총 질소(T-N) 처리를 기대할 수 있다.
게다가, 본 발명에서 제안하는 공정은 기존에 독립질산화를 위해 침전지를 2개 이상으로 구성해야만 하는 2단 슬러지 공정에 비해(예를 들면, 데파녹스(Dephanox) 공정) 구조가 간단하고 하나의 침전지로 구성되어 있어 설치비용을 크게 절감할 수 있으므로 경제적으로 커다란 장점을 갖는 동시에 운영상 드러날 수 있는 문제를 최소화시킬 수 있다.
그리고, 기존의 하수처리시설에 별도의 반응조 건설 없이 적용이 용이하며, 분리막을 사용할 경우 완벽한 고액분리로 인한 부유물질의 제거로 하수의 재이용에 적용될 수 있다.
도 1은 종래 사용되던 데파녹스(Dephanox) 공정의 개략도를 나타낸다.
도 2는 종래 사용되는 A2/O 공정의 개략도를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 질산화 반응조의 질산화 반응을 수행함에 있어서 유기물의 간섭을 적게 받기 위한 공정의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 미생물 부착여재가 이용되지 않고 부유성장으로만 질산화 반응을 수행하는 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 최종침전조에서 무산소반응조로 슬러지를 반송하고 무산소반응조에서 다시 혐기성반응조로 슬러지 일부를 반송하여 처리시스템의 슬러지 농도를 균일하게 맞추고 인 처리효율을 향상시키는 시스템의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른 질산화 반응조에 고정형 미생물 부착여재 및 회전원판법을 적용한 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른 질산화 반응조에 유동상 부착여재를 적용한 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 구현예에 따른 질산화 반응조에 분리막을 적용한 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 구현예에 따른 유기물 산화조에 분리막을 적용하고 질산화 반응조에 회전원판법을 적용한 생물학적 영양염류 처리 시스템의 개략도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 수온과 따른 영양염류 처리 시스템의 유기 질소 및 암모니아성 질소의 제거 효율을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 영양염류 처리 시스템의 겨울철 실내온도와 반응조 수온에 따른 암모니아성 질소 제거효율을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 영양염류 처리 시스템을 저온에서 운전할 때의 미생물 분석결과를 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 따른 영양염류 처리 시스템에서의 질산화 반응조(호기조)에 유입되는 유기물의 농도를 도시한 것이다.
도 14는 온도가 부유성장 및 부착성장 질산화 박테리아에 미치는 영향을 나타내는 그래프이다.
도 15는 유기물 유입이 질산화 반응에 미치는 영향을 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명은 혐기성 반응조, 무산소 반응조 및 질산화 반응조를 포함하는 영양염류 처리 시스템에 있어서, 질산화 반응조로 유입되는 유기물의 양을 최소화하여 질산화 반응조에서 질산화 미생물이 성장이 촉진되어 농축 배양할 수 있도록, 질산화 반응조 전단에 하나 이상의 유기물 산화조를 배치하여 질산화 반응조 처리 이전에 하나 이상의 유기물 산화조에서 전처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템을 제공한다.
일반적으로, 온도가 낮을 경우, 유기물이 유입되면 유기물을 산화하는 종속영양미생물(Heterotroph)의 성장이 질산화미생물인 독립영양미생물(Autotroph)보다 상대적으로 커서 이들이 같이 있는 바이오 플록(Bio Floc) 형태에서 주로 외부표면에서 유기물산화 종속 영양미생물이 위치하게 된다. 이때 종속영양미생물(Heterotroph)과 독립영양미생물(Autotroph) 둘 다 성장을 위해서는 O2를 필요로 하는데, 바이오 플록 외부를 덮은 종속영양미생물(Heterotroph)이 먼저 O2를 소모함으로써 바이오 플록 안쪽에 위치한 독립영양미생물(Autotroph)의 경우에는 O2와의 접촉이 어려워 질산화 반응을 못하게 되어 성장이 저하되는 악순환이 반복된다. 이를 뒷받침하기 위해, 유기물 유입이 질산화 반응에 미치는 영향을 알아보기 위해 실험한 결과, 도 14에 나타낸 바와 같이, 유기물의 양이 2 mg/L 정도 증가하여도 질산화 효율이 40%정도로 저하되는 되는 것을 알 수 있었다. 따라서, 10℃ 이하의 낮은 온도에서도 원활한 질산화 반응을 수행하기 위해서는 질산화 반응조에서 유기물에 대한 영향을 최소로 하는 것이 필요하며, 이를 위해 도 3에 나타낸 바와 같이, 질산화 반응조 앞에 유기물의 간섭을 배제하기 위해 하나 이상의 유기물 산화조를 배치하여 유기물에 대하여 전처리를 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템은 도 4 내지 7에 나타낸 바와 같이, 혐기성 반응조(1), 무산소 반응조(2), 유기물 산화조(4), 질산화 반응조(5) 및 최종 침전조(6)를 포함하는 구성으로 이루어질 수 있다.
상기한 바와 같은 구조 및 구성에 의하여, 상기 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템은 폐수의 유입 시, 먼저 폐수가 혐기성 반응조(1)로 유입되고, 유입된 폐수는 무산소 반응조(2)로 유입되는데, 이때 질산화 반응조(5)에서 반송된 질산염 및 슬러지로 인해 폐수 내의 질산성 질소 및 슬러지를 제거하게 된다.
다음으로, 유기물 산화조(4)는 폐수 내의 유기물을 산화시켜 분해함으로써 질산화 반응조(5)로 유입되는 유기물의 양을 최소화하여 질산화 반응조(5)에서 질산화 미생물이 성장이 촉진되어 농축 배양할 수 있는 환경을 제공한다. 구체적으로, 상기 유기물 산화조(4)에서는 유기물의 산화가 이루어지고, 질산화 반응조(5)로 유입되는 유기물 부하를 줄여 유기물 산화 종속영양미생물의 성장을 작게하여 원활하게 독립영양미생물인 질산화 미생물에 의한 질산화 반응을 유도할 수 있는 것을 특징으로 하고 있으므로, 후단에 배치되는 질산화 반응조(5)에서의 질산화 반응에 유리한 환경을 조성할 수 있다. 이것은 질산화 미생물과 유기물 산화 미생물이 경쟁관계에 있어서 유기물 산화 미생물이 질산화 미생물보다 우위에 있기 때문에 상기 유기물 산화조(4)에서 유기물을 소비하여 후속된 질산화 반응조(5)에서 유기물 산화 미생물이 조절되게 하려는 것이다.
상기 유기물 산화조(4)를 거친 폐수는 질산화 반응조(5)로 이동된다. 상기 질산화 반응조(5)는 미생물 부착여재가 이용되지 않고 부유성장으로만 질산화 반응을 수행할 수도 있고, 미생물 부착여재가 충진되어 있을 수도 있다. 그러나, 성장이 상대적으로 낮은 질산화미생물을 질산화조에 농축시키기 위해서는 미생물 부착여재를 충진시키는 것이 좋다. 미생물의 부착성장을 통해서 효과적으로 질산화 반응을 유도하는 것이 바람직하다. 이때, 질산화 미생물이 상대적으로 농축되는 상기 미생물 부착여재로서 호기성 상태를 유지하기 위한 브로워에 의해 유동되는 유동성 여재(100)를 사용할 수 있고, 회전력에 의해 이물질의 탈착이 용이한 회전원판(102)을 적용할 수 있으며, 이때 반응조의 모양과 형태는 적용될 현장의 여건에 따라 그 형태가 다양화될 수 있다. 또한, 상기 폐수처리 시스템의 부지면적을 최소화할 수 있도록 침전조 대신 분리막(101)을 적용하여 완벽한 고액분리를 할 수 있는 공정의 형태로 구성할 수 있다.
이렇게 상기 질산화 반응조(5)의 여재에 부착성장된 질산화 미생물로부터 질산화된 질산염 및 슬러지는 상기 무산소 반응조(2)로 반송되어 상기 혐기성 반응조(1)로부터 상기 무산소 반응조(2)로 유입되는 유기물의 질산염을 탈질시킨다.
유입되는 폐수의 유기물 함량이 적을 경우, 처리 효율을 유지하기 위해서 무산소 반응조(2)에 외부유기탄소원(10)을 주입시킬 수 있다. 외부유기탄소원(10)의 주입 위치는 무산소 반응조(2) 뿐만 아니라 상황에 따라서 다른 반응조에도 주입시킬 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 도 8 및 도 9와 같이 본 발명에 분리막(101)을 사용할 경우, 인의 제거기작 중 인의 방출이 일어나는 혐기성 반응조(1)에 용존산소가 유입되면서 인의 방출에 방해요소로 작용해 인의 제거효율이 감소되는 경향이 나타난다. 그래서 보통의 활성슬러지 공정에 분리막(101)을 사용할 경우 이를 방지하기 위해 분리막조 후단에 안정화조를 두어 용존산소를 저감시킨 후 혐기성 반응조(1)로 슬러지를 반송시키는 방법을 사용하고 있으나, 본 발명에서는 하나의 반응조를 추가하기 보다는 슬러지 반송을 질산화 반응조(5)에서 유기물 산화조(4)로 다시 유기물 산화조(4)에서 무산소 반응조(2)로 이송시킨 후, 용존산소가 저감된 슬러지를 최종적으로 무산소 반응조(2)에서 혐기성 반응조(1)로 이송시킨다. 또한, 분리막(101)이 적용될 경우 브러워를 통한 공기의 주입시간 여부, 흡입과 휴지시간, 세정 등의 조건은 분리막(101)의 재질과 모듈의 형태에 따라서 그 범위가 다양할 것이다. 그리고, 도시된 실시예와 관련하여 분리막(101)의 적용은 침지식과 가압식 형태로 다양화될 수 있다.
상기 질산화 반응조(5)에서 유기물 산화조(4)로의 슬러지 반송은 분리막(101) 적용시 기존 활성슬러지 공정보다 높은 용존산소량이 요구되는데, 상기에서 기술한 내부반송 방법을 적용할 경우 유기물 산화조(4)에서 용존산소가 충분한 슬러지가 이송되어 산소요구량을 줄여 유지관리비를 절감할 수 있다.
질산화 반응조(5)에서 유기물 산화조(4)로의 내부반송은 정량펌프를 이용하여 반송을 할 수 있으며, 현장 여건에 따라 공기주입에 의한 수위상승을 이용하여 자연유하 방식으로도 슬러지를 이송시킬 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템은 유기물 산화조를 통해서 질산화 반응조로 유입되는 유기물의 양을 최소화시켜 유기물 산화 미생물과 경쟁 상태에 있는 질산화 미생물의 성장을 극대화 시켜줌으로써, 겨울철과 같이 온도가 낮거나 짧은 수리학적 체류시간에서 하, 폐수를 처리해야 하는 경우에도 높은 질산화 효율을 달성할 수 있으며, 기존에 독립질산화를 위해 침전지를 2개 이상으로 구성해야만 하는 2단 슬러지 공정에 비해(예를 들면, 데파녹스(Dephanox) 공정), 구조가 간단하고 하나의 침전지로 구성되어 있어 설치비용을 크게 절감할 수 있으므로 경제적으로 커다란 장점을 갖는 동시에 운영상 드러날 수 있는 문제를 최소화시킬 수 있고, 기존의 하수처리시설에 별도의 반응조 건설 없이 적용이 용이하며, 분리막을 사용할 경우 완벽한 고액분리로 인한 부유물질의 제거로 하수의 재이용에 적용될 수 있으므로, 종래 하수처리 시스템을 대신하여 유용하게 사용될 수 있다.
또한 부가적으로 도 5는 본 발명의 일 구현예에 의한 모식도를 나타낸 것으로, 최종 침전조에서 무산소반응조로 슬러지를 반송하고 무산소반응조에서 다시 혐기성반응조로 슬러지 일부를 반송하여 처리시스템의 슬러지 농도를 균일하게 맞추고 인 처리효율을 향상 시키는 시스템의 개략도를 나타낸 것으로 이러한 공정은 도 5에만 국한되는 것이 아니라 본 발명의 시스템에 모두 적용 가능하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
< 비교예 > 종래의 A2/O공정
도 2에 도시된 바와 같이,유입수를 혐기성 반응조(200), 무산소 반응조(300), 호기성 반응조(400), 2차 침전조(500)를 통하여 처리하여 방류하는 것으로, 상기 무산소 반응조(300)에서는 용존산소가 없지만 호기성 반응조(400)로부터 질산화된 질산염과 아질산염 형태의 화학적으로 결합된 산소가 유입되어 질산성 질소의 탈질이 이루어지도록 함으로서 질소제거 공정이 이루어지고, 상기 혐기성 반응조(200)에서 방출된 인이 후단의 호기성 반응조(400)에서 과잉흡수되어 슬러지 폐기를 통하여 인 제거가 이루어짐과 함께 아울러 상기 혐기성 반응조(200)에서는 2차 침전조(500)로부터 반송슬러지가 반송되어 유입되도록 하였다.
< 실시예 1> 본 발명에 따른 A2/ O2 공정
A2/O 공정에서 질산화 반응조의 역할을 하는 호기성 반응조(400)를 나누어앞단에 유기물산화를 주목적으로 하는 유기물 산화조와 질산화 미생물 성장과 질산화 반응을 향상시키는 질산화 반응조로 구성하였으며 이 공정을 A2/O2 공정이라 이름붙였다.
< 실시예 2> 본 발명에 따른 A2/ O2 with RBC 공정
상기 실시예 1의 A2/O2 공정의 호기성 반응조에 회전원판(RBC)를 충진시켜 폐수처리를 수행하였다. 이 공정을 A2/O2 with RBC 공정이라 이름붙였다.
< 실험예 1> 온도에 따른 유기질소(TKN)와 암모니아성 질소의 처리효율 측정
본 발명에 따른 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템의 유용성을 증명하기 위해서, 고도처리공법으로서 가장 보편적으로 적용되고 있는 A2/O공정과, 본 발명에 따라 질산화 반응조(호기성 반응조) 전단에 유기물 산화조가 설치된 실시예 1 및 2의 공정을 이용하여 온도에 대한 하수처리효율에 대한 비교 실험을 진행하였다.
초기 처리효율의 안정화를 위한 순응기간은 약 30일 정도가 필요하였으며 약 360일간의 공정의 운전으로 처리효율을 평가하였다. 공정의 수리학적체류시간(Hydraulic Retention Time, HRT)은 6 시간으로 하였으며, 미생물 체류시간(Sludge Retention Time, SRT)은 12 일로 유지하였다. 실험기간 중 항온조의 온도는 7~20℃에서 운영하였다. 원수의 공급과 무산소조에서 호기조로 행해지는 내부순환(Internal Recycle)과 최종침전조에서 혐기성 접촉조로의 슬러지반송(Return Activated Sludge)을 위하여 정량펌프를 이용하였다. 최종침전조에서 혐기성 접촉조로의 반송슬러지 이송유량은 1Q로 유지하였다. 질소제거효율의 향상을 위한 무산소조에서 탈질조로의 내분순환은 1Q로 운전하였다. 또한 질산화조에서 미생물의 부착성장을 위해 사용된 담체는 폴리에틸렌재질의 벌집구조형태의 여재를 지름 120 mm, 두께 25 mm 6개를 지름 10 mm 길이 300 mm인 스테인리스 축에 고정하여 사용하였다. RBC의 분당 회전수는 2～3 rpm을 유지하였다. 호기조건을 원활하게 유지하기 위해서 두 개의 디스크 타입의 산기관을 사용하여 평균 DO 농도를 2～3 mg/L로 운영하였다. 각 반응조의 MLSS의 농도는 3500～4500 mg/L를 유지하였으며 VSS/TSS 비는 평균 약 75 ± 5 % 정도로 안정적으로 유지되었다.
본 연구에서 분석한 주요 항목은 TCODcr(5220-COD-D, HACH), SCODcr(5220-COD-D, HACH), NH4 +-N (Nessler 법, HACH), NO2 --N(4500-NO2 --B, HACH), NO3 --N(4500-NO3 --B,HACH), PO4 3--P(4500-P-E, HACH), T-P 등이었으며 이중 TCODcr, SCODcr은 Standard Methods(APHA, 2005)와 HACH DR-4000에 준하여 측정하였으며, NH4 +-N, TP는 각각 HACH manual의 Nessler 법 및 HACH phospho Ver 3 방법을 이용하여 측정하였다. 또한 TKN은 Italy Milano에서 제조된 VELP(UDKCO30)를 이용하여 측정하였다. SCODcr, NH4 +-N는 공극 크기가 1.2㎛인 GF/C 여과지(Whatmann)에 여과하여 측정하였으며, NO2 --N, NO3 --N은 유기물 간섭을 막기 위하여 공극크기가 0.45㎛인 막(membrane) 여과지에 여과하여 측정하였다.
결과를 도 10에 나타내었다.
도 10에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 질산화 반응조 앞단에 유기물 산화조를 배치시킨 A2/O2 공정 및 A2/O2 공정의 질산화 반응조에 회전원판(RBC)을 충진시킨 A2/O2 with RBC 공정은 TKN(Total Kjeldahl Nitrogen; 유기성 질소<org-N> 및 암모니아성 질소<NH4-N>의 총합) 및 암모니아성 질소 제거에 있어서 10℃에서도 90%이상의 제거효율을 나타냈고, 10 ℃ 이하의 낮은 온도에서도 기존의 단일 슬러지 공정인 A2/O 공정에 비해 월등히 높은 질소 제거 효율을 나타냈다. 특히, 온도가 7-8 ℃가 되었을 때 질소 제거의 경향성이 매우 두드러짐을 관찰할 수 있었다.
이는 유기물 산화조에서 유기물이 제거되어 질산화 반응조로 유입되는 유기물을 최소화시킴으로써 질산화 반응조에서 질산화 미생물의 성장을 촉진하였고, 이로 인해 낮은 온도에서도 효과적으로 질산화가 진행되었기 때문인 것으로 판단된다.
따라서, 본 발명에 따른 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템은 질산화 반응조 앞단에 유기물 산화조를 배치시킴으로써 겨울철의 낮은 온도에서도 질산화 반응조에서 질산화 미생물의 성장을 촉진시킬 수 있는 환경을 제공하여 효과적으로 질산화를 수행함으로써 종래 방법에 비해 질소 제거를 효과적으로 수행할 수 있다.
< 실험예 2> 겨울철 온도에서 파일럿규모( Pilot - scale )의 암모니아성 질소의 처리효율 측정
본 발명에 따른 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템을 파일럿(Pilot) 규모로 운전하여 겨울철 암모니아성 질소처리효율을 측정하였다.
구체적으로, 파일럿 규모의 처리용량은 7톤/일 규모였으며, 수리학적 체류시간을 6시간으로 하였고, 내부반송과 슬러지반송은 각각 1Q로 운전하였고, 실제 수온과 실내 온도에 따라서 처리효율을 관찰했다.
결과를 도 11에 나타내었다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 실내온도가 -10 ℃이하로 떨어졌어도 반응조의 수온은 10℃이하로 떨어지지 않았으며, 암모니아성 질소의 처리효율은 약 95% 이상 유지되었고, 이는 앞서 실시한 실험예 1의 결과와도 일치하였다. 결론적으로 본 발명에서 제안하고 있는 공정의 경우 10℃에서는 완벽하게 질산화 반응을 수행할 수 있어 기존 공정보다도 겨울철 질소처리에 있어 유리하다고 판단된다.
< 실험예 3> 질산화 반응조의 미생물의 양 분석
본 발명에 따른 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템을 운전한 후의 질산화 반응조 내의 미생물의 종류 및 양을 분석하여 도 12에 나타내었다. 여기서 16S rRNA는 미생물의 존재 여부를 나타내는 지표이고 amoA는 ammonia monoixgenase gene subunit A로 암모니아를 산화시키는 경로(pathway)에 관한 미생물의 유전자를 나타내는 지표이다.
분석결과 도 12에 나타낸 바와 같이, 담체를 이용한 A2/O2 with RBC의 경우 다른 16S rRNA 대비 amoA의 비가 9%로 나타났으며, A2/O2는 3%, A2/O는 4%로 관찰되었다. 이는 담체를 이용한 부착성장의 경우가 부유성장보다 질산화 미생물의 수가 약 3배정도 많다는 것을 의미하여, 본 발명에서 제안한 유기물산화조를 질산화반응조 전단에 두어 유기물에 대한 질산화효율을 최소화하는 공정이 낮은 온도에서 암모니아성 질소의 처리에 있어 유리하다는 것을 증명하는 결과이다.
< 실험예 4> 질산화 반응조로 유입되는 유기물의 양 분석
본 발명에 따른 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템의 질산화 반응조(호기조)로 유입되는 유기물의 농도를 분석하여 도 13에 나타내었다.
도 13에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 유기물 산화조를 질산화 반응조 전단에 두는 경우(A2/O2), 유기물 산화조를 설치하지 않은 공정(A2/O)에 비해 호기조로 유입되는 유기물의 양이 절반 이하로 낮아짐을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템은 질산화 반응조 앞단에 유기물 산화조를 배치시킴으로써 유기물 산화조에서 유기물이 제거되어 질산화 반응조로 유입되는 유기물을 최소화시킴으로써 겨울철의 낮은 온도에서도 질산화 반응조에서 질산화 미생물의 성장이 촉진되어 효과적으로 질산화를 수행함으로써 종래 방법에 비해 질소 제거를 효과적으로 수행할 수 있다.
< 실험예 5> 온도가 질산화 박테리아에 미치는 영향
본 발명에 따른 영양염류 처리 시스템에 있어서, 겨울철 낮은 온도에서 원활한 질소처리를 위해 온도가 과연 부유성장(수중에 메디아(media) 없이 부유 상태로 성장을 하는 방식) 및 부착성장(수중에 담체류를 넣어서 미생물이 부착하여 성장할 수 있도록 하는 방식) 질산화 박테리아에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.
구체적으로, C시 하수처리장으로부터 활성슬러지를 채취하여 20 L 반응기에 수돗물(18L)과 활성슬러지(MLSS 1200 mg/L) 2 L를 혼합하여 포기하면서 농축 배양된 질산화균을 이용하여 실험을 실시하였다. 질산화균의 원활한 성장을 위해 기질로는 NH4Cl을 사용하였고 완충액으로는 NaHCO3를 이용하였다.
농축질화균을 이용하여 부유성장과 스폰지형 메디아를 이용한 부착성장에서의 Nitrosomonas의 활성화 에너지(Ea)을 계산하여, 그래프로 환산한 결과를 도 14에 나타내었다.
도 14에 나타낸 바와 같이, 부유성장의 경우 4-11℃의 Ea값은 169.5 KJ/mol이며, 11-34℃의 Ea값은 20.4 KJ/mol이었다. 하지만 부착 성장의 경우 8℃이상에서는 32 KJ/mol, 8℃이하에서는 283 KJ/mol이었다.
결론적으로 부유성장 및 부착성장 질산화균은 각각 11, 8℃를 기준으로 하여 활성화 에너지 값에 차이가 있음을 알 수 있다. 이는 부착성장이 3℃정도 낮은 온도에서도 부유성장의 활성도를 갖고 있는 것으로 보여주고 있어, 낮은 온도에서는 질산화 미생물을 부착성장시킴이 보다 유리함을 나타내고 있다.
또한, 비교적 미생물의 활동성이 좋은 조건(10℃이상)에서는 활성화 에너지가 낮아 반응에 요구되는 에너지를 쉽게 충당할 수 있어 반응이 쉽게 이루어지나, 활동성이 좋지 않은 조건(10℃이하)에서는 활성화 에너지가 높아 같은 에너지 생성 조건에서 반응 느려짐을 나타내고 있다.
또한, 메디아에 질산화균을 부착성장시킨 것의 활성화 에너지가 부유성장 보다 약 1.6배 높음이 관찰되었다. 이는 세포로의 기질 확산율에 영향을 받은 것으로 부유성장인 경우는 부착성장 질화균에 비해 세포로의 기질확산이 보다 빨리 진행되어 기질의 분해가 쉽게 진행될 수 있으나, 메디아에 부착한 경우는 물질전달에 있어 부유성장보다 기질확산율이 느려 기질 분해가 상대적으로 느리게 진행되었기 때문인 것으로 사료된다.
< 실험예 6> 유기물 유입이 질산화 반응에 미치는 영향
온도가 낮을 경우 유기물이 유입되면 유기물을 산화하는 종속영양미생물(Heterotroph)의 성장이 질산화미생물인 독립영양미생물(Autotroph)보다 상대적으로 커서 이들이 같이 있는 바이오 플록(Bio Floc) 형태에서 외부표면에 위치하게 된다. 이때 종속영양미생물(Heterotroph)과 독립영양미생물(Autotroph) 둘 다 성장을 위해서는 O2를 반드시 필요로 하게 된다. 하지만 낮은 온도에서 유기물이 주입될 경우 바이오 플록 외부를 덮은 종속영양미생물(Heterotroph)이 먼저 O2를 소모하여 바이오 플록 안쪽에 위치한 독립영양미생물(Autotroph)의 경우에는 O2와의 접촉이 어려워 질산화 반응을 못하게 되어 성장이 저하되는 악순환이 반복된다.
도 15는 유기물 유입이 질산화 반응에 미치는 영향에 관한 결과로 유기물의 양이 2 mg/L 정도 증가하여도 질산화 효율이 40%정도로 저하되는 되는 것을 관찰할 수 있었다.
따라서, 질산화 반응을 효율적으로 하기 위해서는 유기물에 대한 영향을 최소로 하고, 질산화 미생물을 부착성장시켜 그 경쟁을 최소화하는 것이 유리하다고 판단된다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 혐기 반응조 2 : 무산소 반응조
4 : 유기물 산화조 5 : 질산화 반응조
6 : 최종 침전조 10 : 외부유기탄소원
100 : 유동상 부착여재(담체, 매체 및 부착성 여재)
101 : 분리막 102 : 회전원판

Claims (10)

  1. 혐기성 반응조, 무산소 반응조 및 질산화 반응조를 포함하는 영양염류 처리 시스템에 있어서, 질산화 반응조로 유입되는 유기물의 양을 최소화하여 질산화 반응조에서 질산화 미생물이 성장이 촉진되어 농축 배양할 수 있도록, 질산화 반응조 전단에 하나 이상의 유기물 산화조를 배치하여, 질산화 반응조 처리 이전에 하나 이상의 유기물 산화조에서 전처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템.
  2. 유입되는 폐수에 함유된 유기물을 이용하여 인의 방출 및 유기물을 흡착하는 혐기성 반응조(1); 상기 혐기성 반응조에서 유입되는 폐수에 함유된 유기물을 이용하여 질소를 제거하는 무산소 반응조(2); 상기 무산소 반응조에서 질소 제거 후 잔존하는 유기물을 주로 산화시키는 유기물 산화조(4); 상기 유기물 산화조로부터 유기물이 감소된 배출물의 암모니아성 질소를 질산화를 주목적으로 하는 질산화 반응조(5); 및 상기 질산화 반응조에서 처리된 슬러지를 고액분리하여 부유물질이 제거된 처리수를 유출시키는 최종 침전조(6);를 포함하는 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 질산화 반응조의 내부는 부유성장으로만 질산화 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 질산화 반응조의 내부는 회전원판, 고정상 및 유동상 부착여재 중 어느 하나의 부착여재로 충진되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    질산화 반응조에서 질산화된 질산염 및 슬러지를 무산소 반응조로 반송시켜 상기 무산소 반응조로 유입되는 유기물의 질산염을 탈질시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    반송슬러지를 무산소 반응조(2)로 주입하고 무산소반응조 슬러지 일부를 혐기조 반응조로 유입하여 인처리 효율을 증진 시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템.
  7. 유입되는 폐수에 함유된 유기물을 이용하여 인의 방출 및 유기물을 흡착하는 혐기성 반응조(1); 상기 혐기성 반응조에서 유입되는 폐수에 함유된 유기물을 이용하여 질소를 제거하는 무산소 반응조(2); 상기 무산소 반응조에서 질소 제거 후 잔존하는 유기물을 산화시키는 유기물 산화조(4); 및 상기 유기물 산화조로부터 유기물이 감소된 배출물의 암모니아성 질소를 질산화시키는 질산화 반응조(5);를 포함하며, 상기 유기물 산화조에 분리막이 구비되고, 질산화 반응조에 부착여재로서 회전원판(102) 및 유동상 부착여재(100) 중 어느 하나가 충진되어 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 분리막은 봉 또는 디스크 형태인 것을 특징으로 하는 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    질산화 반응조에서 질산화된 질산염 및 슬러지를 상기 질산화 반응조(5)에서 유기물 산화조(4)로, 유기물 산화조(4)에서 무산소 반응조(2)로, 무산소 반응조(2)에서 혐기성 반응조(1)로의 순서로 반송시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 질산화 반응조에서 유기물 산화조로의 질산염 반송은 정량펌프 및 자연유하 방식 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템.
KR1020150044721A 2015-03-31 2015-03-31 하이브리드 생물학적 영양염류 처리 시스템 KR20160116647A (ko)

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