KR20210054037A - 폐수 처리 시설들에 의해 생성된 슬러지 감소 시스템 및 방법 - Google Patents

폐수 처리 시설들에 의해 생성된 슬러지 감소 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 슬러지 제거를 개선하고 방류수 수질을 유지하는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 본 방법은 하루 당 20,000 갤론 이상의 플로우양을 갖는,유입되는 폐수 스트림을 처리시설로 유도하는 단계; 상기 유입되는 폐수 스트림은 50 mg/L 이상의 고체와 100 mg/L 이상의 BOD을 가지며; 최종 방류수 스트림을 제공하기 위하여, 상기 처리시설에서 상기 유입되는 폐수 스트림으로부터 고체와 BOD를 제거하는 단계; 상기 최종 방류수 스트림은 상기 폐수 스트림의 10% 미만의 고체 및 상기 폐수 스트림의 10% 미만의 BOD 를 가지며; 및 상기 고체와 BOD의 제거량은 제거된 BOD의 파운드 당 2차 슬러지의 약 0.25 파운드 미만인 것;을 포함한다.

Description

폐수 처리 시설들에 의해 생성된 슬러지 감소 시스템 및 방법{Systems and Methods for Reducing Sludges produced by Wastewater Treatment Facilities}
본 발명은 폐수 처리 시설들에 의해 생성된 슬러지 감소 시스템 및 방법에 관한 것이다.
지방자치제들 및 공업 용수에 의해 발생되는 폐수는, 수역(receiving body of water)으로 배출되기 전에, 통상적으로 수거되어 다양한 물리적, 화학적, 생물학적인 오염물을 제거하기 위해 처리시설로 들어간다. 필요한 처리를 수행하기 위해, 많은 공공 또는 사설 처리시설에서는 물리적 방법과 생물학적 처리방법을 사용한다. 선별(screening), 분쇄 및 물리학적 침강법(physical settling processes)을 포함하는 물리적인 방법들은 폐수 내에 크고 무거운 고체를 제거하는데 효과적이다. 그러나, 폐수내 가볍고 작은 고체나 수용성 오염물은 물리학적인 방법으로는 잘 제거되지 않는다. 이러한 오염물들의 경우에는 활성슬러지 및 살수 필터(trickling filter)와 같은 생물학적 처리 방법을 통상적으로 사용한다.
생활 폐수 처리 시스템으로부터 배출되는 오염물에 대한 규제는 최근에 점점 엄격해지고 있다. 이에 대응하여, 많은 지방자치체들은 오염물 배출을 감소시키기 위해 새로운 폐수 처리시스템이나 개량된 현재의 시스템을 배치해오고 있다. 오염물은 생화학적 산소요구량(BOD), 화학적 산소요구량(COD), 총 현탁 고형물(TSS), 암모니아, 총질소량, 질산염, 그리고 인과 같은 가장 일반적인 다양한 형태일 수 있다.
통상적인 활성슬러지 시스템과 분리막 생물반응장치 같은 생물학적 처리 시스템은 폐수 유입에서 오염물을 감소시키기 위한 하나의 방법이다. 용어 "유입수(influent)"은 저수조(reservoir), 조(basin), 처리 시스템, 처리장, 또는 처리시설로 흘러들어오는 -처리되지 않거나 부분적으로 처리된- 폐수나 기타 액체를 말한다. 생물학적 처리시스템은 적당한 양의 활성슬러지를 유지하도록 설계되고 작동되어, 상기 시스템에 의해 처리되어진 물에 함유되어 있는 오염부하는 적절하게 감소될 것이다. 생성된 폐기 활성슬러지의 무게와 질량으로 정의되는 넷 양(net amount)은 상기 시스템의 고체 체류 시간(Solids Retention Time: SRT)과 관련된다. 다양한 조건하에 다양한 오염물을 처리하기 위해 필요한 최소한의 고체 체류 시간(SRT)는 일반적으로 잘 알려져 있다. 통상적인 활성슬러지 시스템은 침강 또는 정화장치의 사용으로 적정한 활성슬러지를 유지하며, 침강조나 정화장치로 진행되는 활성슬러지의 침강능력과 활성슬러지 농도의 흐름이 침강조나 정화장치의 영역 및 활성슬러지의 특성에 따른 설정 파라미터에 의해 설정된 제한 수치 이내에 있는 경우, 오염물 처리를 위해 SRT를 적절하게 유지한다. 분리막 생물 반응장치는 분리막 침투 장비를 사용하여 활성슬러지를 유지하고 통상적인 활성슬러지 시스템의 전형적인 농도보다 상당히 높은 활성슬러지 농도에서 성공적으로 작동하지만, 때때로 높은 플로우양을 처리하는 능력에는 많은 한계가 있다.
오염 로딩 또는 수압 용량의 한계치에 이르게 되면, 처리시설은 허용제한초과의 위험에 직면하게 되고, 연방 또는 주 당국의 강제집행의 가능성, 그리고 처리 작업의 수거 시스템 서비스 영역내에서 국내 산업성장의 규제에 대한 제한 또는 금지에 직면하게 된다. 일반적으로, 폐수처리시설은 증가된 수량부하(hydraulic loading) 대한 요구를 충족시키기 위해 물리적인 확장을 하게 된다. 하지만 물리적 확장은 비용이 많이 들고, 때때로 특히 토지의 값이 비싼 대도시의 현존하는 시설에 인접하여 사용할 수 없으므로, 추가적인 토지가 필요하게 된다.
본 발명은 슬러지 제거를 개선하고 방류수 수질을 유지하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 슬러지 제거를 개선하고 방류수 수질을 유지하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 하루 당 20,000 갤론 이상의 플로우 양을 갖는, 유입되는 폐수 스트림을 처리시설로 유도하는 단계; 상기 유입되는 폐수 스트림은 50 mg/L 이상의 고체와 100 mg/L 이상의 BOD을 가지며; 최종 방류수 스트림(final effluent stream)을 제공하기 위하여, 상기 처리시설에서 상기 유입되는 폐수 스트림(incoming wastewater stream)으로부터 고체와 BOD를 제거하는 단계; 상기 최종 방류수 스트림은 상기 폐수 스트림의 10% 미만의 고체 및 상기 폐수 스트림의 10% 미만의 BOD를 가지며; 및 상기 고체와 BOD의 제거는 제거된 BOD의 파운드 당 생성되는 2차 슬러지가 0.25 파운드 미만인 것을 포함한다. 본 방법에서, 상기 유입되는 폐수 스트림은 100 mg/L 이상의 고체와 200 mg/L 이상의 BOD를 가질 수 있으며, 상기 제거된 고체는 제거된 BOD의 파운드 당 약 0.25 파운드 미만의 2차 슬러지일 수 있다. 본 방법에서, 상기 유입되는 폐수 스트림은 100 mg/L 이상의 고체와 400 mg/L 이상의 BOD를 가질 수 있으며, 상기 제거된 고체는 제거된 BOD의 파운드 당 약 0.25 파운드 미만의 2차 슬러지일 수 있다. 본 방법에서, 상기 유입되는 폐수 스트림은 50 mg/L 이상의 고체와 100 mg/L 이상의 BOD를 가질 수 있으며, 상기 제거된 고체는 제거된 BOD의 파운드 당 약 0.125 파운드 미만의 2차 슬러지일 수 있다. 본 방법에서, 상기 유입되는 폐수 스트림은 100 mg/L 이상의 고체와 200 mg/L 이상의 BOD를 가질 수 있으며, 상기 제거된 고체는 제거된 BOD의 파운드 당 약 0.125 파운드 미만의 2차 슬러지일 수 있다.
다른 실시예에서, 본 발명은 슬러지 제거를 개선하고 방류수 수질을 유지하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 하루 당 20,000 갤론 이상의 플로우양을 갖는, 유입되는 폐수 스트림을 처리시설로 유도하는 단계; 상기 유입되는 폐수 스트림은 50 mg/L 이상의 고체와 100 mg/L 이상의 BOD을 가지며; 최종 방류수 스트림을 제공하기 위하여, 상기 처리시설에서 상기 유입되는 폐수 스트림으로부터 고체와 BOD를 제거하는 단계; 상기 최종 방류수 스트림은 상기 폐수 스트림의 10% 미만의 고체 및 폐수 스트림의 10% 미만의 BOD를 가지며; 및 상기 고체와 BOD의 제거는 제거된 BOD의 파운드 당 생성되는 생물학적 슬러지가 약 0.25 파운드 미만인 것;을 포함한다. 본 방법에서, 상기 유입되는 폐수 스트림은 100 mg/L 이상의 고체와 200 mg/L 이상의 BOD를 가질 수 있으며, 상기 제거된 고체는 제거된 BOD의 파운드 당 약 0.25 파운드 미만의 생물학적 슬러지일 수 있다. 본 방법에서, 상기 유입되는 폐수 스트림은 100 mg/L 이상의 고체와 400 mg/L 이상의 BOD를 가질 수 있으며, 상기 제거된 고체는 제거된 BOD의 파운드 당 약 0.25 파운드 미만의 생물학적 슬러지일 수 있다. 본 방법에서, 상기 유입되는 폐수 스트림은 50 mg/L 이상의 고체와 100 mg/L 이상의 BOD를 가질 수 있으며, 상기 제거된 고체는 제거된 BOD의 파운드 당 약 0.125 파운드 미만의 생물학적 슬러지일 수 있다. 본 방법에서, 상기 유입되는 폐수 스트림은 100 mg/L 이상의 고체와 200 mg/L 이상의 BOD를 가질 수 있으며, 상기 제거된 고체는 제거된 BOD의 파운드 당 약 0.125 파운드 미만의 생물학적 슬러지일 수 있다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 슬러지 제거를 개선하고 방류수 수질을 유지하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 하루 당 20,000 갤론 이상의 플로우양을 갖는, 유입되는 폐수 스트림을 처리시설로 유도하는 단계; 상기 유입되는 폐수 스트림은 50 mg/L 이상의 고체와 100 mg/L 이상의 BOD을 가지며; 제 1 최종 방류수 스트림을 제공하기 위하여, 상기 처리시설에서 상기 유입되는 폐수 스트림으로부터 고체와 BOD를 제거하는 단계; 상기 제 1 최종 방류수 스트림은 상기 폐수 스트림의 10% 미만의 고체 및 상기 폐수 스트림의 10% 미만의 BOD 를 가지며; 및 생발효기(biofermentor)로부터 처리배치(treatment batch)의 부가에 의해 상기 폐수 스트림을 처리하되, 최종 방류수 스트림에서 고체와 BOD를 증가시키지 않고 상기 제거된 슬러지의 파운드가 10% 이상 감소되는 것을 포함한다. 본 방법에서, 상기 처리배치는 혐기 분해조(anaerobic digester), 등화조(equalization basin), 1차 정화장치(primary clarifier)에 부가될 수 있다. 본 방법에서, 상기 최종 방류수 스트림에서, 상기 제거된 슬러지의 파운드가 약 25% 이상 감소될 수 있다. 본 방법에서, 상기 최종 방류수 스트림에서, 상기 제거된 슬러지의 파운드가 약 50% 이상 감소될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 슬러지 제거를 개선하고 방류수 수질을 유지하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 하루 당 20,000 갤론 이상의 플로우양을 갖는, 유입되는 폐수 스트림을 처리시설로 유도하는 단계; 상기 유입되는 폐수 스트림은 50 mg/L 이상의 생물학적 고체와 100 mg/L 이상의 BOD을 가지며; 최종 방류수 스트림을 제공하기 위하여, 상기 처리시설에서 상기 유입되는 폐수 스트림으로부터 생물학적 고체와 BOD를 제거하는 단계; 상기 최종 방류수 스트림은 상기 폐수 스트림의 10% 미만의 생물학적 고체 및 상기 폐수 스트림의 10% 미만의 BOD를 가지며; 및 상기 고체와 BOD의 제거는 제거된 BOD의 파운드 당 생성되는 생물학적 고체가 약 0.25 파운드 미만인 것;을 포함한다. 본 방법에서, 상기 슬러지는 1차 슬러지, 생물학적 슬러지, 및/또는 상기 슬러지는 1차 슬러지 및 생물학적 슬러지일 수 있다. 본 방법에서, 상기 유입되는 폐수 스트림은 100 mg/L 이상의 고체와 200 mg/L 이상의 BOD를 가질 수 있으며, 상기 제거된 고체는 제거된 BOD의 파운드 당 약 0.25 파운드 미만의 생물학적 고체일 수 있다. 본 방법에서, 상기 유입되는 폐수 스트림은 100 mg/L 이상의 고체와 400 mg/L 이상의 BOD를 가질 수 있으며, 상기 제거된 고체는 제거된 BOD의 파운드 당 약 0.25 파운드 미만의 생물학적 고체일 수 있다. 본 방법에서, 상기 유입되는 폐수 스트림은 50 mg/L 이상의 고체와 100 mg/L 이상의 BOD를 가질 수 있으며, 상기 제거된 고체는 제거된 BOD의 파운드 당 약 0.125 파운드 미만의 생물학적 고체일 수 있다. 본 방법에서, 상기 유입되는 폐수 스트림은 100 mg/L 이상의 고체와 200 mg/L 이상의 BOD를 가지고, 상기 제거된 고체는 제거된 BOD의 파운드 당 약 0.125 파운드 미만의 생물학적 고체일 수 있다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 슬러지 제거를 개선하고 방류수 수질을 유지하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 하루 당 20,000 갤론 이상의 플로우양을 갖는, 유입되는 폐수 스트림을 처리시설로 유도하는 단계; 상기 유입되는 폐수 스트림은 50 mg/L 이상의 고체 또는 100 mg/L 이상의 BOD을 가지며; 최종 방류수 스트림을 제공하기 위하여, 상기 처리시설에서 상기 유입되는 폐수 스트림으로부터 고체와 BOD를 제거하는 단계; 상기 최종 방류수 스트림은 상기 폐수 스트림의 10% 미만의 고체 및 상기 폐수 스트림의 10% 미만의 BOD를 가지며, 및 상기 고체와 BOD의 제거는 제거된 BOD의 파운드 당 생성되는 2차 슬러지가 약 0.25 파운드 미만인 것;을 포함한다. 본 방법에서, 상기 유입되는 폐수 스트림은 100 mg/L 이상의 고체와 200 mg/L 이상의 BOD를 가질 수 있으며, 상기 제거된 고체는 제거된 BOD의 파운드 당 약 0.25 파운드 미만의 2차 슬러지일 수 있다. 본 방법에서, 상기 유입되는 폐수 스트림은 100 mg/L 이상의 고체와 400 mg/L 이상의 BOD를 가질 수 있으며, 상기 제거된 고체는 제거된 BOD의 파운드 당 약 0.25 파운드 미만의 2차 슬러지일 수 있다. 본 방법에서, 상기 유입되는 폐수 스트림은 50 mg/L 이상의 고체와 100 mg/L 이상의 BOD를 가질 수 있으며, 상기 제거된 고체는 제거된 BOD의 파운드 당 약 0.125 파운드 미만의 2차 슬러지일 수 있다. 본 방법에서, 상기 유입되는 폐수 스트림은 100 mg/L 이상의 고체와 200 mg/L 이상의 BOD를 가질 수 있으며, 상기 제거된 고체는 제거된 BOD의 파운드 당 약 0.125 파운드 미만의 2차 슬러지일 수 있다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 슬러지 제거를 개선하고 방류수 수질을 유지하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 하루 당 20,000 갤론 이상의 플로우양을 갖는, 유입되는 폐수 스트림을 처리시설로 유도하는 단계; 상기 유입되는 폐수 스트림은 50 mg/L 이상의 고체와 100 mg/L 이상의 BOD를 가지며; 최종 방류수 스트림을 제공하기 위하여, 상기 처리시설에서 상기 유입되는 폐수 스트림으로부터 고체와 BOD를 제거하는 단계; 상기 최종 방류수 스트림은 상기 폐수 스트림의 10% 미만의 고체 및 상기 폐수 스트림의 10% 미만의 BOD를 가지며; 상기 고체와 BOD의 제거는은 제거된 BOD의 파운드 당 생성되는 생물학적 슬러지가 약 0.25 파운드 미만인 것;을 포함한다. 본 방법에서, 상기 유입되는 폐수 스트림은 100 mg/L 이상의 고체와 200 mg/L 이상의 BOD를 가질 수 있으며, 상기 제거된 고체는 제거된 BOD의 파운드 당 약 0.25 파운드 미만의 생물학적 슬러지일 수 있다. 본 방법에서, 상기 유입되는 폐수 스트림은 100 mg/L 이상의 고체와 400 mg/L 이상의 BOD를 가질 수 있으며, 상기 제거된 고체는 제거된 BOD의 파운드 당 약 0.25 파운드 미만의 생물학적 슬러지일 수 있다. 본 방법에서, 상기 유입되는 폐수 스트림은 50 mg/L 이상의 고체와 100 mg/L 이상의 BOD를 가질 수 있으며, 상기 제거된 고체는 제거된 BOD의 파운드 당 약 0.125 파운드 미만의 생물학적 슬러지일 수 있다. 본 방법에서, 상기 유입되는 폐수 스트림은 100 mg/L 이상의 고체와 200 mg/L 이상의 BOD를 가질 수 있으며, 상기 제거된 고체는 제거된 BOD의 파운드 당 약 0.125 파운드 미만의 생물학적 슬러지일 수 있다.
따라서, 물리적인 플랜트 확장의 필요성없이 부피 또는 질량적으로 오염물 로딩 및 유압 능력을 증가시킬 수 있는 방법을 찾는 것이 바람직하다. 종래의 슬러지 처리방법에 비해, 본 발명은 현존하는 물리적 시설에 생발효기(Biofermentor)를 추가하여 용적 오염부하를 실질적으로 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 향상된 슬러지 공정은 개선된 침강특성을 갖는 생물학적 슬러지를 생성하는 것이 본 발명의 특징과 잇점이다. 개선된 침강 특성은, 넷 슬러지(net sludge)의 손실 및/또는 생성이 보다 적기 때문에, 활성슬러지 시스템의 물리적인 요소의 크기를 증가할 필요없이 수량부하를 증가시키는 것이다. 또 다른 장점은 슬러지 처리 공정에서 운용비용으로 취급되는 생물학적 슬러지가 적기 때문에, 화학물질, 인력, 에너지, 수송 등의 운용비용을 감소시키고, 폐수처리 시설의 운용비용의 40-50%를 나타낸다. 이로 인해, 슬러지 취급시설에 대한 필요성을 크게 감소시켜 새로운 폐수 처리장은 알려진 시스템 보다 작은 크기로, 저렴한 비용으로 건설될 수 있다. 업그레이드가 필요한 현재의 폐수 처리 시스템에 있어서, 자본 확충에 필요한 부분을 없애거나 부분 확장 또는 전체 확장을 지연시키는 것이 가능하다. 추가적으로, 생물학적 슬러지를 폐기하는데 걸리는 시간은, 활성슬러지 공정으로부터 호기(aerobic) 또는 혐기 분해조(anaerobic digester) 25-50% 까지, 활성슬러지 공정 25-50% 부터 베드 건조(drying bed), 필터 프레스 또는 원심분리와 같은 탈수 단계까지 연장될 수 있다. 추가 시간은 적은 인력조건, 적은 설비, 적은 전력 사용, 및 적은 화학 물질 사용을 의미한다.
도 1은 종래의 활성슬러지 공정의 흐름도이다;
도 2는 종래의 폐수 처리공정을 나타내는 도면이다;
도 3은 예시적인 폐수 처리 시퀀스 및 공정을 나타내는 도면이다;
도 4는 예시적인 폐수 처리 시퀀스 및 공정을 나타내는 도면이다.
본 발명의 다양한 실시예는 폐수 처리를 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 본 발명의 다양한 실시예는 하나 또는 그 이상의 환경 기준을 초과하는 유입수를 수용하고, BOD, COD, TSS, 암모니아, 질산염, 아질산염, 총 질소, 인 레벨에 대한 제한을 포함하는, 현재의 환경 기준을 충족시켜 방류수를 배출시킬 수 있다. 이러한 배출에 대한 환경 기준은 국가 오염 배출 제거 시스템(National Pollutant Discharge Elimination System: NPDES)에 의해 관리되어진다. 본 발명의 견지는 정상 작동 중의 발생비용을 최소화하고 처리효율을 극대화하면서도, 심지어 높은 입력 기간 동안에도 동일한 시스템으로 배출 품질을 얻을 수 있도록 선택되어질 수 있다.
구체적으로, 본 발명은 폐기되거나 생산된 순 생물학적 슬러지(net biological sludge)가 감소된 폐수 처리 방법에 관한 것이다.
[개요]
본 발명의 수행은 특별히 제한되지 않는 한, 클래스 1 또는 클래스 A 로 인증된 오퍼레이터, 또는 환경 엔지니어 학위를 받은 기술 분야에 있는 통상의 폐수처리기술을 사용한다. 상기 기술 및 기술적 용어의 문헌은, 오퍼레이터의 인증을 위해, 폐수처리장 매뉴얼 작동(Operation of Wastewater Treatment Plants Manuals, A Field Study Training Program, 4th Edition, Volume 1 and 2, California State University, Sacramento, 1993); 산업 폐기 처리(Industrial Waste Treatment, A Field Study Training Program, California State University Sacramento, 1991); 향상된 폐기 처리(Advanced Waste Treatment, A Field Study Training Program, Second Edition, California State University, Sacramento, 1993); 및, 운영 및 유지 관리 폐수 수거 시스템(Operation and Maintenance Wastewater Collection Systems, A Field Study Training Program, Fourth Edition, Volumes 1 and 2, California State University, Sacramento, 1993)에서 자세히 설명되어진다.
폐수는 폐수가 발생된 곳(분뇨 정화조(septic tanks), 생발효기 또는 호기성 처리 시스템)에서 가까운 곳에서 처리되거나, 수거 시스템(collection system)으로 간주되는 파이프나 펌프 스테이션의 네트워크를 통해 폐수처리시설로 수거 및 수송된다. 폐수 수거와 처리는 일반적으로 지역, 주립, 연방 규제와 표준에 따른다. 공업적으로 사용된 폐수의 원천(source)은 종종 특별화된 처리공정을 필요로 한다.
일반적으로, 폐수 처리는 1차 ,2차, 3차 처리 단계의 총 3 단계를 포함한다.
1차 또는 침강분리 처리/단계는 지방, 유분, 그리스 및 가벼운 고체는 물 표면으로 부유하는 반면, 무거운 고체는 밑바닥에 가라앉을 수 있도록 정지조( quiescent basin) 내에 유입된 폐수를 일시적으로 유지하는 것으로 구성이 되어 있다. 가라앉은 또는 부유한 물질이 제거되면, 남아있는 액체는 배출되거나 2차 처리가 진행될 수도 있다.
"유입수(influent)"라는 용어는 폐수 또는 기타 액체 -원료(처리되지 않음) 또는 부분적으로 처리된- 저장조(reservoir), 조, 처리과정 또는 처리장, 또는 처리시설 안으로 흐르는 것을 의미한다.
1차 단계에서 폐수는 일반적으로 "1차 정화장치(primary clarifier)" or "일차 침강조(primary sedimentation tank)" 라고 불리는 큰 탱크를 통해 흐른다. 용어 "정화장치(Clarifier)"는, 가벼운 물질은 물 표면에 부유하고, 무거운 고체는 밑바닥에 가라앉는 일정 기간 동안, 폐수가 유지되는 침강 탱크 또는 침강조를 의미한다. 상기 탱크는 슬러지가 침전할 수 있고, 그리스 또는 유분과 같은 가벼운 물질들은 물 표면 위로 떠오르거나 걷어낼수 있을 정도로 충분히 크다. 1차 침강분리 단계의 주요 목적은 생물학적으로 처리될 수 있는 동일한 종류의 액체 및 공정 또는 처리할 수 있는 슬러지를 모두 배출하기 위함이다. 1차 침강 탱크는 추가적인 슬러지 처리 단계로, 펌핑될 수 있는 곳에서 부터, 탱크의 기저에서 호퍼(hopper)를 향해 수거된 슬러지를 지속적으로 구동시키는, 기계적으로 구동되는 운반 장비를 기본적으로 구비하고 있다.
"슬러지"라는 용어는 "1차 슬러지", "2차 슬러지" 또는 "생물학적 슬러지", 및 여러가지가 뒤섞인 "고체"를 포함하며, 상기 3개의 단어는 상호 교환적으로 문맥에 맞게 사용되며, 유기 물질의 생물 분해작용에서 2차(생물학적) 처리 공정 동안 생산되는 여분의 생물량을 의미한다.
"1차 슬러지"라는 용어는, 추가적인 처리 없이, 1차 처리에서 사용되는 침강분리로 인한 반액체 폐기물(semi-liquid waste)을 의미한다. 이것은 침강되고 1차 정화장치의 기저부로부터 제거되거나, 전처리 또는 등화조로부터 준설된 유기물, 종이, 배설물/고체를 일반적으로 포함한다. 또한, 1차 슬러지는 2차 및 1차 슬러지가 1차 정화장치에서 처리되어지는 2차 슬러지를 포함할 수 있다.
용어 "2차 슬러지" 또는 "생물학적 슬러지"는 유기물질의 생물분해 과정에서 2차(생물학적)처리 과정에서 생산되는 여분의 생물량을 의미한다. 2차 슬러지는 활성슬러지, 혼합슬러지, 화학적으로 침전된 슬러지를 포함한다.
용어 "고체"는 1차 슬러지, 2차 슬러지, 또는, 둘다를 의미한다.
용어 "바이오 고체"는 폐수처리 공정에서 생산되는 1차 고형물(solid product)을 의미한다.
혐기성 분해를 통한 고형물 농축/축소(reduction)는 1차, 2차 슬러지를 결합한다. 호기성 공정은 보통 2차 공정으로 처리한다.
상기 슬러지는 생물학적 공정에서 고체 구축(build up)을 유지하기 위해 일반적으로 폐수에서 제거된다. 슬러지를 제거한 다음, 부지 적용, 소각 및 매립을 통한 최종 처리까지 원심 분리 또는 벨트 프레스와 같은 기기에서, 화학약품(응집제 또는 중합체)을 사용하는 농축 스텝에 따라, 혐기성 또는 호기성 분해를 이용한 슬러지의 체적을 줄이기 위해, 초기 처리 단계에서 다양한 형태의 슬러지의 처리 과정을 거칠 수 있다. 활성슬러지 플랜트에서, 먹이에 대한 미생물의 비(F/M비)는 방류수의 수질을 결정하고 조절하는데 중요한 파라미터이므로, 슬러지 손실 및 후속 처리 공정은, 먹이에 대한 미생물의 비(F/M비)를 유지하는 것이 중요한다. 상기 용어 "F:M 비"는 먹이에 대한 미생물의 비율을 의미하고, 호기 탱크 내에서 박테리아에게 공급되는 먹이의 척도이다.
2차 처리는 용해되고 부유된 생물학적 물질을 제거한다. 2차 처리는 일반적으로 관리 서식지, 즉 생물학적 폐수 처리시스템에서 토착 수인성 미생물에 의해 수행된다. 2차 처리는 배출 또는 3차 처리 이전에 처리된 물에서 미생물을 제거하기 위해 분리공정이 필요하다.
3차 처리는 때때로 1차 및 2차 처리 이상의 것으로 정의된다. 처리된 물은 스트림, 강, 만(bay), 라구운 또는 습지로 배출되기 전에 때때로 화학적 또는 물리적(예를 들어 라구운(lagoon) 또는 정밀여과)으로 살균되어지고, 공원이나 그린웨이, 골프 코스 등의 관개에 사용될 수 있다. 만약 물이 충분히 깨끗하다면, 농업용수나 지하수 함양(groundwater recharge)으로도 사용될 수 있다.
일반적으로, 상기 유입된 폐수도 역시 전처리될 수 있다. 전처리는 1차 처리 정화장치의 스키머와 펌프가 막히거나 손상을 입기 전에, 처리되지 않은(raw) 폐수로부터 쉽게 수집할 수 있는 대형 개체와 같은 물질들을 제거한다. 규모가 작고 덜 현대적인 플랜트에서는 수동으로 세정되는 스크린이 사용될 수 있는 반면, 밀집도가 큰 현대식 처리시설에서 랙 바 스크린(raked-bar screen)에 의해 기계적으로 자동화되어 수행되는 것이 가장 일반적이다. 기계적 바 스크린의 래킹 동작은 일반적으로 바 스크린 및/또는 유량의 축적에 따라 진행된다. 상기 고체는 수거되어 나중에 매립되거나 소각되어진다.
전처리는 모래, 그릿(grit), 또는 챔버를 포함시킬 수 있는 바, 상기 챔버는 유입되는 폐수의 속도를 조심스럽게 조절하여 모래, 그릿, 및 돌을 침강시킨다.
3차 처리 후, 축적된 슬러지는 안전하고 효과적인 방법으로 처리되고 폐기되어야 한다. 분해의 목적은 고체 내에 존재하는 유기물의 양과 질병을 일으키는 미생물의 수를 감소시키는 것이다. 가장 일반적인 처리 옵션은 혐기성 분해, 호기성 분해 및 퇴비화 처리(composting)를 포함한다. 또한, 소각이 사용될 수 있다.
폐수 고체 처리방법의 종류는 생성된 고체의 양과 다른 사이트 특정 조건에 따라 달라진다. 그러나, 일반적으로, 퇴비화 처리는 작은 규모의 어플리케이션에 자주 사용되고, 그 다음으로는 호기성 분해이고, 그 다음은 혐기성 분해로 대규모의 어플리케이션에 적용된다.
혐기성 분해는 무산소 상태로 실시되어지는 박테리아 공정이다. 상기 공정은 슬러지가 55℃의 탱크에서 발효되는 고온 소화(thermophilic digestion) 또는 슬러지가 약 36℃의 탱크에서 발효되는 중온성(mesophilic)일 수 있다. 짧은 유지시간(그래서 좀 더 작은 탱크)이 허용되었으나, 고온 소화는 슬러지를 가열하는데 소모하는 에너지와 관련하여 비용이 더 비싸다.
혐기성 분해의 주요 특징 중 하나는 전력 생산용 발전기 및/또는 난방 목적용 보일러에서 사용되는 바이오가스(가장 유용한 성분으로 메탄을 구비하는)의 생성에 있다.
호기성 분해는 유산소 상태에서 발생하는 박테리아 공정이다. 호기 상태 하에서, 박테리아는 유기물질을 빠르게 소모하여 이산화탄소로 변환한다. 호기성 분해는 산화를 위해 자연 공기 흐름 방식을 사용하는, 최근 개발된, 석조섬유필터 기술과 더불어, 공정 중에 산소를 보충하기 위해 필요한 송풍기, 펌프, 모터로 인해 운용 비용이 상당히 많이 든다. 호기성 분해는 슬러지를 산화시키기 위해 비용은 발생하지만, 통상적인 공정보다 저렴한 제트 에어레이터(Jet-aerator)를 사용하여 얻어질 수 있다.
퇴비화 처리도 톱밥, 짚, 또는 우드칩(wood chips)과 같은 탄소원과, 슬러지를 혼합하는 것을 포함하는 호기 공정이다. 유산소 상태 하에서, 박테리아는 폐수의 고체와 추가된 탄소원을 분해하며, 그러한 과정에서 많은 양의 열을 발생한다.
공기 분출 우려와, 잔류수분을 증발시키고 낮은 칼로리 수치의 슬러지를 태우기 위해 필요한 추가연료(일반적으로 천연가스나 연료유)로 인해 슬러지의 소각은 덜 일반적이다. 높은 체류시간 뿐만 아니라 유동층 소각로를 구비하는 강화된 다단식소각로(multiple hearth incinerator)는 폐수 슬러지를 연소시키는 데 사용되는 가장 일반적인 시스템이다. 시립 쓰레기에서 에너지 플랜트까지 코파이어링(co-firing)이 때때로 행해지는데, 고체 쓰레기용 시설이 이미 존재하고 더이상 보조 연료가 필요하지 않다고 가정하면 이러한 옵션은 보다 저렴하다.
액체 슬러지가 생성되면, 적절하게 최종 폐기를 위하여, 추가 처리 과정이 요구될 수 있다. 일반적으로, 슬러지는 폐기용 외부 수송(transported off-site) 부피를 줄이기 위해 농축되어진다(탈수되어진다). 바이오 고체의 폐기에 대한 필요성이 완벽히 제거된 공정은 없다. 그러나, 일부 도시는 폐수 슬러지를 과열시키고, "케이크"를 비료로 사용되고 질소와 다른 유기물의 함유율이 높은 작은 알갱이로 변환하는 추가적인 단계가 있다. 이 배출물은 토양 개량제, 또는 비료로 현지 농부와 잔디 농장에 판매되고, 매립시 슬러지의 폐기에 필요한 공간을 감소시킬 수 있다. 센트레이트(Centrate)라고 불리는 제거 액체는 일반적으로 폐수 처리 공정으로 재사용된다.
다른 유형의 폐수 처리 시스템 및 공정이 있다. 폐수 처리 시스템 중 한 예로서, 도 1은 활성슬러지 공정의 흐름도를 도시한 것이다. 일반적으로, 전처리 단계 동안, 유입수는 먼저 뿌리, 넝마, 깡통, 및 큰 쓰레기들을 제거하기 위해 선별되는데, 이들은 매립지로 가져오거나 또는 가능하다면 분쇄되어 플랜트로 다시 흘러들어오게 된다. 그 다음, 그릿 제거 스텝에서, 모래와 자갈은 유입수로부터 제거되고, 폐수는 폐수를 신선하게 하고 오일 제거에 도움이 되도록 미리 공기를 넣어준다(pre-aerated). 그리고 나서, 유입수는 유량을 측정하고 기록하기 위해, 유량계를 통과한다. 전처리 후 유입수는 침강가능하고, 부유가능한 물질을 제거하는 침강 및 부유를 포함하는 1차 처리가 실시된다. 1차 처리 이후, 폐수는 생분해 가용성 또는 용해된 유기물을 통해 제거하기 위한 2차 처리(생물학적 처리로도 알려진)가 실시되며, 반면에 부유 고체는 생분해 시간이 경과함에 따라 침전되어 인트랩먼트(entrapment)를 통해 제거된다. 2차 처리 실시 후, 방류수의 배출 전에, 병원체(pathogenic organism)를 살상하기 위해 폐수를 살균처리하고 다시 공기를 넣어주는 3차 처리에 진입하게 된다.
도 2는 폐수 처리 공정의 또다른 예를 도시한 것이다. 구체적으로, 이는 순수 산소 시스템의 일예이다. 상기 순수 산소 시스템은 활성슬러지공정의 변형예이다. 주요한 차이점은 활성슬러지에 용해된 산소를 공급하는 방법에 있다. 다른 활성슬러지 공정에서 산소를 물(용존산소) 속으로 전달하는 공기-물의 계면을 생성하기 위해, 수중에서 공기는 압축되고 방출된다. 압축된 공기가 사용되지 않는다면, 표층 에어레이터(surface aerator)는 수면을 교반시켜 공기를 물속으로 넣어주어 산소 수송(oxygen transfer)을 얻을 수 있다. 상기 순수 산소 시스템에서, 오직 차이점은 순수 산소는 공기보다 표면 아래로 방출되거나 또는 표층 에어레이터에 의해 물속으로 넣어지고, 에어레이터는 커버된다. 이러한 공정에서, 유입수는 1차 정화 된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 유입수는 전처리된다. 전처리된 후, 1차 정화장치, 순수 산소 반응기 및 2차 정화장치에 의해 처리된다. 방류수는 염소와 접촉되어 수신수(receiving water)로 폐기된다. 상기 슬러지는 순수 산소 반응기로 돌려보내지게 되거나, 1차 정화장치로부터 농축된 슬러지(thicken sluge)와 결합되어 1차 및 2차 혐기 분해조로 보내진다. 그 다음, 고체는 탈수되어진다.
다른 폐수처리공정은 당업계에 공지되어 있으며, 본 발명의 방법에 따라 사용되어질 수 있다.
폐수처리방법
다른 실시예에서, 본 발명은, 폐기 및/또는 생성된 넷 슬러지가 감소된 폐수 처리 방법에 관한 것이다.
이 방법에서, 미국 특허 No. 2003/0190742에 구체적으로 개시되어 있으며, 본 발명의 내용에 합체되는 생발효 시스템(Biofermentation system)은 폐수 처리 시설 소재지에서 현장에 배치된다.
현장 시스템(On-site system)은 오염된 폐수의 현장이나 위치(location)에서 미생물을 배양하기 위한 것이고, 일반적으로 메인 탱크, 물 입력, 처리배치용 출력, 혼합장치 및 온도조절장치를 포함한다. 영양분, 물 그리고 미생물을 포함한 접종원(inoculum)은 현장 시스템으로 축적된다. 상기 접종원은 증가된 미생물을 포함하는 처리배치(treatment batch)를 제공하기 위해 현장 시스템에서 배양된다. 그 다음, 미생물을 포함하는 처리배치의 적어도 일부는 오염된 폐수로 직접 공급되어, 배양과 공급 과정 사이에서 미생물이 분리, 농축 또는 동결 건조되지 않는다. 상기 미생물은 오염된 폐수에서 오염원을 감소시킨다. 대형 활성슬러지 플랜트 또는 단일 패스 라구운 상에서, 홀딩 탱크는 처리배치의 수송에 사용될 수 있는데, 상기 처리배치는 처리배치의 연속적인 방출을 달성하기 위하여 펌핑 및 도우징(dosing) 목적을 위해 보다 큰 체적을 생성하기 위하여 희석될 수 있다.
중요한 것은, 벌킹의 원인이 되는 사상균 또는 세균집단(zoogloeal) 타입의 미생물과 같은 바람직하지 않은 토착 집단을 보다 완벽하게 제거하고, 미생물의 집단을 빠르게 확보하는, 기능성 미생물(외인성 또는 토착성의 근원)의 충분하고 반복적인 접종을 위해 현장 생발효 시스템이 사용된다. 사상균이나 세균집단의 벌킹과 같은 문제를 해결하기 위한 거대한 산업적 요구가 있으나, 폐수처리시설을 운용하기 위해 총 비용이 약 20-25% 만큼 증가하게 된다. 2차 정화장치에서 물을 정화하고 바이오매스를 농축하기 위한 침강 지원(settling aid) 또는 화학물질의 필요로 인해 처리비용이 증가된 제 1 영역이 발생한다. 이러한 화학물질의 예로는 중합체, 벤토나이트, 명반 또는, 철염 등이 포함된다. 사상균이나 세균집단 성장의 낮은 탈수 능력 때문에 비용이 증가된 제 2 영역이 생기고, 이로 인해 슬러지의 처리에 필요한 기기의 양과, 탈수를 위한 중합체의 양이 증가하여, 결국 비용이 증가한다. 비용이 증가한 제 3 영역은, 비효율적인 작업으로 인해 인력이 더 많이 필요해지고, 폐기 비용 및 수송에 대한 비용의 증가로 인해 발생한다. 추가적으로, 생발효 시스템은 벌킹과 침강성 문제를 유발하는 사상균이나 세균집단의 형태와 같은 바람직하지 않은 미생물을 대체하거나 조절하기 위해 공정을 제공한다. 상기 생발효 공정은 침강을 향상시키고 탈수용 화학 물질의 사용을 최소화하며, 그리고 슬러지의 취급, 인력, 수송비용, 폐기비용의 필요성을 최소화 하기 위해, 중합체의 사용을 제한하거나 감소시키 위해 사용된다.
부가적으로, 생발효 공정은 어플리케이션 포인트(application point)에서, 폐수를 처리하기에 충분한 어플리케이션 포인트에서 바람직한 미생물의 효과적인 농도를 제공하기 위한 것이다. 바람직하게는, 어플리케이션 포인트에서 대략 103-104 cfu/ml 의 소망하는 최소의 접종을 달성하기 위해, 접종원은 밀리리터 당 대략 108-109 의 콜로니 형성단위(cfu/ml)의 농축으로 성장한다.
상기 접종원에 존재하는 미생물 또는 미생물들의 형태는, 처리되는 폐수의 형태에 따라 결정된다. 처리되는 폐수 문제에 따라, 상기 접종원은 단일균주(single strain) 또는 복합 균주(multiple strain )를 포함할 수 있다. 건조물은 통상 동결 건조 또는 공기 중에서 건조된다. 또한, 상기 미생물들은 폐수에 대해 외균성일 수 있으며, 또는 토착 미생물은 처리중 폐수와 분리될 수 있다.
여기에서 사용되는 용어 "세균(microorganism)", "미생물(microbe)" 또는 "유기체(organism)"는 상호 교환이 가능하고 균류, 효모, 박테리아와 생분해되는 작은 단세포 유기체를 포함한다.
바람직하게는, 플레밍 아일랜드(FL)의 Advanced Biofermentation Services Inc로부터 구입할 수 있는 슬러지를 감소시키는 세균은, BOD 제거의 효율성이 떨어지고 시스템에 과부하가 걸리는 폐수 처리시설, 또는 일반적으로 시설의 운용 비용의 약 40-50%로 나타내는 슬러지 처리에 관련된 운용 비용을 감소시키기 위한 임의 처리시설에서 폐수 처리에 사용된다.
특별한 생분해 특성을 가지고 있는 몇몇 미생물의 예는 표 1에 제공된다.
미생물 호흡타입 어플리케이션 예 최종 산출물
슈도모나스 푸티다(Pseudomonas putida) 호기성 페놀, 톨루엔 물, CO2 바이오매스
고초균(Bacillus subtilis) 호기성 탄수화물 물, CO2 바이오매스
노카리두 종(Nocarida spp.) 호기성 시클로헥산 물, CO2 바이오매스
백색 부패 곰팡이 종(White Rot Fungus spp.) 호기성 유기 염소 물, CO2 바이오매스
니트로좀모나스 종(Nitrosomonas spp.) 호기성 산화 암모늄 아질산염
니트로박터 종(Nitrobacter spp.) 호기성 산화 아질산 아질산염
티오스패라 판토르로파(Thiosphera pantotropha) 호기성 탈질소 질소 가스
메탄생성세균(Methanogenic bacteria) 혐기성 아세트산 메탄, CO2 바이오매스
여기서, Spp.= 종, 이들은 변할 수 있으며, 고초균(subtilis)은 바실루스 중 하나의 종이며, 푸티다는 슈도모나스균중 하나의 종이다. CO2 =이산화탄소.
특별한 폐수를 처리하는데 가장 효과적인 배양 또는 제조자의 포뮬레이션(formulation) 결정은 표준 호흡측정(standard repirornetry) 기술을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 호흡 측정 원리는, 바이오 매스를 포함하는 제어 및 예측 결과를 제공하는 알려진 기질과 비교하여, 테스트 기질(substrate)에 노출된 바이오매스의 활동성을 측정하는 것이다. 테스트될 기질은 특정 케미칼 또는 폐기 스트림에서 결합된 폐수까지의 범위를 가질 수 있다. 호흡 측정 실험은 호기성 또는 혐기성 환경을 자극하도록 설정될 수 있다. 호흡 측정의 대표적인 어플리케이션은, 시립 및 산업 폐수의 처리 가능성; 특정 폐기 스트림 또는 케미컬의 독성; 케미칼의 생분해 가능성; BOD; 및 산소흡수속도(OUR)의 평가를 포함한다.
호기성 미생물은 유기 기질의 성장 및 대사 작용을 위해 산소를 이용한다. 호기성 미생물의 경우, 산소흡수속도는 유기 안정화에 직접적으로 관여하는 것으로 고려되며, 이로 인해 유기 폐기물을 생분해하기 위한 포뮬레이션의 능력에 관계하는 것으로 고려된다.
호기성 및 혐기성 연구에 대한 호흡측정 장비 및 처리능력 과정은 Challenge Environmental Systems of Fayetteville, Ark.; Arthur Technology of Fond du Lac, Wis.; and Bioscience Management of Bethlehem, Pa와 같은 미국의 제조업자로부터 얻을 수 있다. 예를 들어, 호기성 처리 능력 연구는 Whiteman, G. R., TAPPI 환경회의 - "펄프와 종이 산업에서 선택한 미생물 공법의 응용(TAPPI Environmental Conference - Application of Selected Microbial Formulations in the Pulp and Paper Industry, TAPPI Environmental Proceedings, Book 1, pp. 235-238, April 1991)"; Whiteman, G. R., Gwinnett 산업회의 - "생물학적 공정의 최적화-블랙박스 안을 들여다보다(Whiteman, G. R., Gwinnett Industrial Conference - Optimizing Biological Processes-A Look Inside The Black Box,"April 1995; and Whiteman, G. R.), TAPPI 환경회의 - "네이쳐 바이오마그멘테이션과 치료실적 개선(TAPPI Environmental Conference - Improving Treatment Performance with Natural Bioaugmentation, TAPPI Environmental Proceedings, Vancouver, BC, 1998)";와 같은 기술적 논문에서 발견할 수 있고, 본 발명의 참조문헌으로 통합된다.
일단 분리균, 분리균들 및/또는 포뮬레이션의 효과를 호흡측정 기술을 이용하여 비교하면, 최적의 것은, 여기에서 설명된 발효 공정을 위한 접종원으로 석낵될 수 있다. 준비되고, 마련된 배양은 플레밍 아일랜드(FB)의 Advanced Biofermentation Services Inc로부터 구매할 수 있다.
용어 "영양분"은 살아있는 플랜트 및 유기체를 지지하는 데 필요한 물질을 의미한다. 주요 영양분은 탄소, 수소, 산소, 황, 질소, 및 인이다. 영양분은 매크로 영양분과 마이크로 영양분 모두를 포함한다. 미생물의 대표적인 조성은, 하기의 표 2에서 보는 바와 같이, 서로 다른 미생물은 다른 조성을 가짐을 명확하게 알 수 있다. 또한, 미생물은 아미노산, 단백질 또는 퓨린 또는 리보헥산(RNA)의 피리미딘 염기의 기본적 요소 및 디옥시 헥산(DNA)으로 질소를 동화시키는 능력 또한 다르다. 그러므로, 다른 미생물은 발효공정을 최적화하기 위한 매크로 영양분(질소 및 인)과 마이크로 영양분(예를 들어, 마그네슘, 칼슘, 칼륨, 나트륨, 망간, 코발트, 니켈, 아연, 철, 염화물 및 황)에 대해 다른 조건을 갖는다. 레비(Introductory Microbiology by Levy, et al.)에 의한 생물학의 소개를 참조하면, 까다로운(성장하기 어려운) 미생물들의 농도, 특정 마이크로 영양분이 필요한지의 여부를 어떻게 결정하는지, 및 일반적인 영양분의 역할을 설명하는 마이크로 영양분 및 매크로 영양분에 대한 정보를 위해 본 발명의 참조문헌으로 통합되었다.
내용 이스트 박테리아 집단성 세균
탄소(C) 47.0 47.7 44.9
수소 6.0 5.7 --
산소 32.5 27.0 --
질소 8.5 11.3 9.9
재 6.0 8.3 --
경험적 수식 C13H20N2O7 C5H7NO --
C:N 비율 5.6:1 4.3:1 4.5:1
생물학적 처리장에서 주로 박테리아로 구성된 활성 바이오 매스는 대부분의 박테리아에 대해 8 내지 15% 질소를 포함하고, 가장 대표적으로는 12 내지 12.5% 질소를 포함하고, 2 내지 5%의 인을 포함하고, 가장 대표적으로는 2.3 내지 2.6%의 인을 포함한다. 인은 미생물이 에너지를 저장하는 아데노이신 3 인산(adenosine triphate: ATP)의 형성에 있어서, 매우 중요하다.미생물은 단백질, 탄수화물, 지방질이라 불리는 지방 물질 또는 이들 물질의 결합으로 구성된다. 특히, 단백질은 생분해 공정의 기본인 효소를 만드는데 사용된다. 일련의 반응은 특별한 유기 물질에 대한 생분해 과정을 형성한다. 특정 효소는 각 반응을 수행한다. 이러한 효소들은 아미노산과, 때때로 공동요소(co-factor), 통상적으로 메탈로 구성될 수 있는데, 이는 유기물질의 생분해 및 변환이 일어나는 효소의 반응지(reactive site)를 형성할 수 있다. 바람직하게는, 마이크로 영양분은 발효 또는 생분해 과정을 최적화하기 위해 충분한 양이 존재한다. 마이크로 영양분은 효소, 조효소 또는 생성용 공동요소, 또는 셀 성장용 공동요소와 같은 필요한 비타민, 조효소, 메탈, 또는 무기화합물과 같은 물질을 포함한다. 예를 들어, 황은 필수아미노산인 시스테인과 메티오닌의 동화에 필요하다. 엽산, 판도텐산(조효소 A), 비타민 B12 (코마비드), 비오틴, 니코틴산 또는 니코틴아미드(NAD), 비타민 B1 (티아민), 비타민 B2 (리보 플라빈),비타민 B6(피록시딘), 리포산, 및 아스코르브산을 포함하는 조효소와 같은 마이크로 영양분의 역할에 대한 정보가, 본 발명의 참고문헌으로 통합된, Biochemistry, Second Edition, Albert L. Lehninger, Wort Publishers Inc., 1975, ISBN; 0-87901-047-9, and Introductory Microbiology by Levy, et al., John Wiley & Sons Inc., 1973, ISBN 0-471-53155-3에 개시되어 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 폐수 처리공정에 사용되는 미생물 또는 미생물들의 타입은 처리되어질 폐수 문제의 타입에 달려있다. 가장 많이 사용되는 미생물은 박테리아이고, 가장 일반적인 호기성 및 중온 박테리아가 사용된다. 호기성 박테리아는 산소를 이용하여 생화학적 산소 요구량(BOD), 화학적 산소 요구량(COD), 총유기탄소(TOC), 또는 총 탄소(TC)에 의해 측정된 유기물의 물질 대사를 위해 산소를 이용한다. 유산소 또는 무산소 상태에서 대사작용을 하는 통성 박테리아(facultative bacteria), 또는 산소를 이용하지 않는 혐기성 박테리아를 이용할 수 있다. 또한, 박테리아는 박테리아가 최적으로 성장하는 온도에 따라 분류될 수 있다. 최적온도는, 고온성 미생물의 경우 55-75℃; 중온균의 경우 30-45℃; 저온성균의 경우 절대균(obligate)은 15-18℃ 이다.
현장 생발효 공정 및 시스템과 같은 어플리케이션 또는 사용은 시립 또는 산업 폐수 처리시설에 대해 낮은 넷 슬러지(net sludge) 손실 및/또는 생성을 초래한다.
본 발명에 따른 바람직한 폐수 처리 시퀀스 및 공정은 일반적으로 도 3 및 도 4에 도시되어 있다. 그러나, 상기 방법은 도면 또는 상기에서 상세히 설명된 특정 시스템에 한정되는 것이 아니며,
본 발명에 따른 방법의 성능을 수행하는 장치에는 모두 사용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 방법에 따른 폐수 처리는 전처리, 1차 처리(화학적 및 물리적), 2차 처리 (용해된 유기물 및 부유된 고체 제거), 3차 처리, 슬러지 처리, 슬러리 폐기, 및 액체 폐기를 포함한다.
본 발명의 폐수 처리 방법에 대한 구체적인 처리 스텝은 도 4에 도시되어 있다.
전처리 스텝은 선별 및 그릿 제거, 등화 및 저장, 그리고 오일 분리를 포함한다. 상기 화학적 전처리는 적어도 2개의 중화 스텝과 화학적 추가 및 응고를 포함한다. 상기 물리적 전처리는 멀티플 부유화, 침강 및 여과 단계를 포함한다. 상기 용해된 유기물의 2차 처리는 활성슬러지, 혐기성 라구운, 트리클링 필터, 호기성 라구운, 안정화조, 회전하는 생물학적 콘트랙터, 생물반응장치(membrane bioreactor), 연속회분식 반응조(SBR), 혐기성 콘트랙터 및 필터를 포함한다. 상기 2차 처리의 부유된 고체 제거는 고체 침강, 또는, 정지 사기클(SBR)을 갖는 내부 호기조, 또는 분리막(membrane)의 사용을 포함한다. 다음, 폐수는 응고 및 침강, 여과, 탄소 흡수, 이온 교환 및 분리막을 포함하는 3차 처리가 수행된다. 처리 단계로부터 발생되는 슬러지는 슬러지 처리에 이용 가능하다. 구체적으로, 상기 슬러지는 분해 및 연소에 의해 처리될 수 있다. 또한, 슬러지는 폐기용으로 전송된 외부 부지의 체적을 감소시키기 위하여 중력 또는 부유화에 의해 농축(탈수)되어질 수 있다. 또한, 상기 슬러지는 압력 여과, 진공 여과, 원심 분리, 라구우닝 또는 건조 베드에 의해 처리될 수 있다. 상기 슬러지 처리에 이어, 상기 슬러지는 소각, 해양 폐기 및 매립에 의해 폐기될 수 있다. 상기 처리된 희석 폐수는 수신 수, 제어 또는 수송되어 배출, 해양 폐기, 표층 어플리케이션 또는 지하수 누출, 증발, 및 소각으로 폐기될 수 있다. 상기 농축된 유기폐수는 딥웰 주입 또는 소각에 의해 폐기될 수 있다.
놀랍게도, 본 발명의 슬러지 감소하는 미생물(sludge-reducing microbe)을 이용하는 현장 생발효 시스템과 통합되는 폐수 처리 공정은 낮은 넷 슬러지 손실 및/또는 생성을 초래한다.
구체적으로, 2차 시스템에서 처리된 BOD 1파운드(lb)당, 일반적으로 슬러지의 0.5 파운드(lbs)가 제거 및/또는 생성될 것으로 예상된다. 유입되는 BOD 양, 및 대부분의 생물학적 시스템에 의해 일반적으로 90% BOD 제거에 근거하면, 이는 플랜트로 들어오는 BOD 1 lb 당 생성된 0.45 lbs 슬러지와 동등하다.
벤젠 또는 페놀과 같은 케미컬이 제거된 BOD의 0.25 lbs sludge/lbs 만큼 낮은 반면, 생물학적 슬러지 생산율은 다른 폐수 성분, 예를 들어, 지방, 오일 및/또는 그리스(FOG)에 따라 변할 수 있으며, 제거된 BOD의 0.7 내지 0.8 lbs sludge/lbs를 생산할 수 있다.
그러나, 처리배치로 인해 슬러지 감소하는 미생물을 이용하는 생발효 시스템이, 본 발명의 방법에 따른 폐수처리시설에서 현장에 설치되는 경우, 본 발명의 방법에 따라, 2차 스트림에 의해 처리된 BOD의 1 lb당 슬러지의 0.125 lbs 폐기 및/또는 생성된다. 유입되는 BOD 양, 및 대부분의 생물학적 시스템에 의해 일반적으로 90% BOD 제거에 근거하면, 이는 플랜트로 들어오는 BOD 파운드 당 생성된 0.112 파운드의 슬러지와 동등한 것으로, 이는 그 분야 당업자가 처리시설로 유입된 양에 근거하여 예측되는 양보다 충분히 낮다.
특별한 메카니즘에 의한 제한 없이, 낮은 넷 슬러지 손실 및/또는 생성은, 예를 들어 미국 특허 No.2003/0190742에 설명된 바와 같이, 시스템 및 이용가능한 생발효 공정에서 존재하는 미생물수의 증가에 기여함을 알 수 있다. 생물학적 시스템에서, 가시적 미생물의 수를 증가시킴으로써, 덜 먹는 가시적 미생물이 많음을 의미하는 F:M 비를 근본적으로 감소시켜준다. 결국, 이는 셀 성장 보다 셀 유지용 BOD 를 사용하여 미생물의 셀 대사(cell metabolism)를 초래한다. 그러므로, 후자는 낮은 생물학적 슬러지 생성을 초래한다. 또한, 사상균의 미생물(활성슬러지 시스템에서)을 감소시키는 잇점은, 생물학적 시스템에서 수행되는 더 많은 슬러지를 고려하여, 더 나은 침강 슬러지가 발생되고, F:M 비를 감소시켜 주어 SRT를 증가시켜 준다. F:M 비의 감소 및 SRT 의 증가는, 생물학적 시스템에서, 슬러지가 자체적으로 자동 분해되어 낮은 넷 슬러지 손실을 초래함에 따라, 많은 넷 슬러지 손실을 감소시키는 고전적인 방법이다.
[실시예1]
그레이시(City of Gray)
본 연구의 목적은, 통상적인 처리 시스템이 설계 용량에서, 매일 자주 과부하가 걸렸기 때문에, BOD용 처리 효율과 그레이시의 활성슬러지 폐수 처리시설에서의 유압용량을 개선하고자 했다.
전처리 이전에, 그레이시는 호기 분해조와 4건조 베드(4 drying bed)가 통합된 지자체 폐수를 하루 당 400,000 갤런(gpd)을 처리하도록 설계된 폐수 처리용인, 통상적인 패키지 활성슬러지 시스템을 갖는다. 일반적으로, 슬러지는 겨울이 시작되기 전에, 통상적인 관행대로 최초 90일 경과 후 건조 베드로 폐기된다.
앞서 설명한, 미국 특허 No.2003/0190742에서와 같이, 사전에 설치되고, 플레밍 아일랜드(FL)의 Advanced Biofermentation Services 사로부터 구입된, 모델 250 생발효 시스템은, 처리되기 위해 활성슬러지 시스템에 인접한 현장에서 셋업되었다.
(플레밍 아일랜드(FL)의 Advanced Biofermentation Services 사로부터) 구입될 수 있는 상표명 "BOD 제거용 바이오부스터(Biobooster for BOD removal)"과 BOD를 제거하는 미생물을 포함하는 1/4 강도 처리배치로 30 갤론을 매일 공급하도록 셋업되었다. 풀 강도 처리배치는 바이오 영양분(미생물을 성장시키는데 사용되는 영양분)의 10 파운드를 생발효기로 부가하는 것으로 정의된다. 이와 같이, 이와 같이, 1/4 강도 처리배치는 1/4 또는 2.5 파운드에 상응한다. 본 공정에서 사용되는 바이오 영양분은 플레밍 아일랜드(FL)의 Advanced Biofermentation Services 사로부터 구입할 수 있다.
상기 생발효 공정은, 초기에는, 겨울이 시작되기 전에 90일 동안 셋업되었다. 처리 시작 90일 이내에, 피크 흐름(때때로 1 MGD 보다 큼) 동안 유입수의 TSS의 손실없이 개선된 유압 용량과, 보다 나은 BOD 제거를 포함하는, 처리 공정에서 상당한 개선이 조작자에 의해 관측되었다. 그러한 관측은 조작자로부터 시각적 및 일화적으로 행해진다.
다음해의 봄에, 놀랍게도, 건조 베드로의 슬러지 폐기는 발생되지 않고, 보다 많은 관심이 슬러지 폐기 공정에 주어짐을 알 수 있었다.
몇달 후 도시는 건조 베드의 사용 부족으로 인해 결정된 슬러지 생산이 75% 감소된 것으로 결정하였다. 상기 도시는 건조 베드를 대체하기 위해 800,000 달러의 비용으로 새로운 벨트 프레스와 건물을 이미 인수하기 시작했다. 도시는 생발효기가 슬러지 넷 손실 및/또는 생성을 감소시킬 수 있다고 인식할 수 있었다면, 도시는 경비 지출을 승인하지 않았을 것이다.
중요하게도, 그레이시는 폴리머 사용시 65% 감소함과 유량 용량이 50% 만큼 증가함을 알 수 있었다. 또한, 거품 문제/소포제의 사용은 제거되었다. 이들 모두가 개선된 폐수 처리 공정에서 초래되었다.
[실시예2]
더블린시(City of Dublin)의 폐수 처리 플랜트(WWTP)는 과거 8년 동안 명반을 사용하여 최종 방류수 중 부유 고체와 관련 BOD 를 침전시켰다. 상기 플랜트는, 재활용수를 생성하는 단부에 2개의 이동 브릿지 샌드 필터가 구비된 4.0 MOD 트리클링 필터 플랜트이다. 상기 WWTP는 3개의 허용치를 갖는다.
(B1) 4 MGD, 30 BOD, 30 TSS
(B2) 4 MGD, 25 BOD, 15 TSS
(B3) 6 MGD, 25 BOD, 30 TSS
BOD 제거를 개선하기 위해, 정화를 위한 제 2 정류장치에서 사용되는 명반의 사용 감소 및 여기에서 설명된 공정 및 생발효 공정의 모든 잠재력을 얻을 수 있는, 보다 건강한 생물학의 개발이 더블린시의 WWWP에서 구현되었다.
구체적으로, 플레밍 아일랜드(FL)의 Advanced Biofermentation Services 사로부터 구입할 수 있고, 미국 특허 No. 2003/190742 에서, 이전에 설명된 생발효 시스템은 추출 필터 시스템에 인접한 현장에 셋업되었다. 상기 모델 250은 플레밍 아일랜드(FL)의 Advanced Biofermentation Services 사로부터 구입할 수 있는 "슬러지 감소용 바이오부스터(Biobooster for sludge reduction)"라 불리는 슬러지 감소를 위해 개발된 특정 배양(culture)을 이용하여 1/4 강도 처리배치로 60 갤론을 매일 공급하도록 셋업되었다.
상기 처리는 45일동안 실행되었다.
생발효 공정을 이용하여 45일이 경과한 후, 상기 도시는 명반을 차단하여 대략 100,000 달러를 절약할 수 있었다.
트리클링 필터 바위상에 성장된 해조류가 번식하여, 방류되는 BOD 가 감소되고, TSS는 명반의 사용없이 85% 제거를 충족시켰다. 또한, 일주일에 5일을 프레스하여 매일 두개의 콘테이너를 산출하고(각 20 야드 롤오프), 일주일에 1번 또는 2번 프레스하여 매일 하나의 콘테이너(20 야드 롤 오프)를 산출하여, 생물학적 슬러지 양을 현저하게 감소시킬 수 있었다.
생발효 시스템은 영구적으로 설치되었다.
주목할 만한 것은, 6개월의 조작후, 프레스는 2주마다 한번씩 실행되었다. 이것은 슬러지 취급비용의 70% 감소를 나타낸다. 분해조 슬러지(1차 슬러지와 2차 슬러지를 포함하는) 역시 개선된다. 구체적으로, 분해조 슬러지는 1 1/2 % 고체에서 3%까지 변경되었고, 분해조에서 클리너 상청액(Cleaner supernatant)을 변경시켰다.
[실시예 3(예언)]
혐기성 슬러지 분해를 개선하기 위한 방법
더블린 시의 놀라운 결과로부터 인식되는 다른 어플리케이션은 혐기성 슬러지 분해를 개선할 가능성이 있다.
혐기 분해조 슬러지의 처리의 경우, (플레밍 아일랜드(FL)의 Advanced Biofermentation Services 사로부터 구입된) 생발효기는 분해조의 현장에 셋업되어, 분해조에 처리배치를 직접 부가한다. 도우징율은 분해조의 체적에 근거하여 변화한다. 그러나, 일반적으로 1 MGV 분해조 미만일 경우, 도우징율은 하루 당 1/4 부터 1/2 강도 배치의 10-60 갤론이다.
보다 빠른 대사율을 얻기 위하여, 도우징율은 소망하는 결과를 얻을 수 있는 만큼의 2배 또는 4배일 수 있다.
소비자에 대한 비용 혜택은 분해조의 상청액 품질 개선, 및 탈수를 지원하여 탈수용 케미칼/폴리머 비용을 감소시켜 주는 고체의 농축에 의존한다. 또한, 조작비용은 감소된 인력 및 낮아진 폐기 빈도수에 기인한다. 게다가, 그러한 혐기 분해조의 효율은 분해 능력이 제한되어 비용지출을 피하거나 또는 비용의 필요성을 최소화하여 개선된다.
[실시예4(예언)]
등화조에서 슬러지 분해를 개선하기 위한 방법
그레이시의 놀라운 결과로부터 인식된 다른 어플리케이션은, 패키지 플랜트에서 처리전에 많은 작은 타운에서 전형적으로 사용되는, 등화조에서 슬러지 분해를 개선하는 가능성이 있다. 또한, 고가의 전처리 및/또는 1차 정화장치가 제거될 수 있다.
등화조 슬러지의 처리의 경우, 생발효기(플레밍 아일랜드(FL)의 Advanced Biofermentation Services 사로부터 구입된)는 등화조의 현장에 셋업되어 폐수 플랜트의 유입구에서 처리배치를 직접 등화조에 부가한다.
도우징율은 등화조의 체적 또는 유입되는 흐름에 근거한다. 그러나, 일반적으로 1 내지 3 MGV 미만의 경우, 상기 유입되는 흐름의 체적은 1/4 부터 1/2 강도 배치의 하루 당 10-60 갤론이다. 보다 큰 플랜트에 대한 스케일-업(scale-up)은 비례할 것이다. 보다 빠른 대사율을 얻기 위하여, 도우징율은 소망하는 결과를 얻을 수 있는 만큼의 2배 또는 4배일 수 있다.
소비자에 대한 비용 혜택은 등화조를 통해 BOD 제거를 개선 및 고체를 준설하기 위한 요구를 제거하거나 또는 연기시켜 고체 형성을 감소시키는 것에 의존한다. 준설은 탈수장비, 탈수용 케미컬/폴리머, 인력, 수송비 및 폐기비용을 초래하기 때문에, 준설은 매우 고가이다. 게다가, 상기 처리는 분해 능력이 제한되므로, 비용 지출을 피하거나 또는 비용의 필요성을 최소화하여 등화 능력의 효율을 개선할 수 있다.
[실시예5(예언)]
혐기 분해조 이전에 1차 정화장치에서 1차 슬러지를 감소시키기 위한 방법
더블린시의 놀라운 결과로부터 인식된 다른 어플리케이션은, 1차 슬러지의 처리가 매우 고가이므로, 혐기 분해조 이전에 1차 정화장치에서 1차 슬러지를 감소시킬 가능성이 있다.
1차 정화장치의 슬러지 처리의 경우, 생발효기(플레밍 아일랜드(FL)의 Advanced Biofermentation Services 사로부터 구입된)는 현장에 셋업되어 폐수 플랜트의 유입구에서 처리배치를 직접 1차 정화장치에 부가한다.
도우징율은 폐수 처리 플랜트에 의해 처리된 체적에 근거하여 변화한다. 그러나, 일반적으로 1 내지 3 MGV 미만의 경우, 상기 폐수 플랜트에 의해 처리된 체적은 1/4 부터 1/2 강도 배치의 하루 당 10-60 갤론이다. 보다 큰 플랜트에 대한 스케일-업은 비례할 것이다. 보다 빠른 대사율을 얻기 위하여, 도우징율은 소망하는 결과를 얻을 수 있는 만큼의 2배 또는 4배일 수 있다.
소비자에 대한 비용 혜택은 탈수장비, 탈수용 케미컬/폴리머, 인력, 수송 및 폐기 비용과 같은 1차 슬러지의 슬러지 취급비용의 감소에 의존한다. 게다가, 두번째 잇점은 분해 능력이 제한되므로, 비용 지출을 피하거나 또는 비용의 필요성을 최소화하여 슬러지 취급공정의 효율을 개선할 수 있다.
여기에서 참조되거나 인용된 모든 특허, 특허출원, 가출원, 및 공보는 도면 및 표를 포함하여 그들 모두가 본 명세서의 함축적인 제시와 일치하지 않는 정도까지 참조문헌으로 통합된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한다. 그러므로, 본 발명은 첨부된 청구범위 및 그의 등가물을 고려하는 것을 제외하고는 제한되지 않는다.

Claims (3)

  1. 혐기 분해조(anaerobic digester), 등화조(equalization basin), 활성슬러지 (activated sludge), 살수 필터(trickling filter) 및 1차 정화장치(primary clarifier)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 폐수 처리 시스템에서 슬러지 제거를 개선하고 방류수 수질을 유지하는 방법으로서,
    하루 당 20,000 갤론 이상의 플로우양을 갖는, 유입되는 폐수 스트림을 처리시설로 유도하는 단계로서, 상기 유입되는 폐수 스트림은 50 mg/L 이상의 고체와 100 mg/L 이상의 BOD을 가지는 것인 단계;
    상기 처리시설에서 상기 유입되는 폐수 스트림으로부터 고체와 BOD를 제거하여 제 1 최종 방류수 스트림을 제공하는 단계로서, 상기 제 1 최종 방류수 스트림은 상기 폐수 스트림의 10% 미만의 고체 및 상기 폐수 스트림의 10% 미만의 BOD를 가지며, 상기 제 1 최종 방류수 스트림에서 고체와 BOD를 증가시키지 않고 상기 폐수 스트림으로부터 제거된 슬러지의 파운드가 25% 이상 감소되는 것인 단계; 및
    생발효기(biofermentor)로부터 얻은 처리배치(treatment batch)를 부가함으로써 상기 폐수 스트림을 처리하는 단계를 포함하고,
    상기 처리배치는 슬러지 감소 미생물(sludge-reducing microbe)을 포함하며, 혐기 분해조(anaerobic digester), 등화조(equalization basin), 활성슬러지 (activated sludge), 살수 필터(trickling filter) 및 1차 정화장치(primary clarifier)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 폐수 처리 시스템에 부가되고,
    상기 생발효기는 폐수 처리 시설 소재지에서 현장에 배치되며, 메인 탱크, 물 입력, 처리배치용 출력, 혼합장치 및 온도조절장치를 포함하고,
    영양분, 물, 및 슬러지 감소 미생물을 포함하는 접종원(inoculum)이 현장에 배치된 상기 생발효기 내에서 축적되고 상기 접종원은 상기 현장에 배치된 생발효기 내에서 배양되어 슬러지 감소 미생물을 포함하는 처리배치를 제공하며,
    미생물을 포함하는 처리배치의 적어도 일부는, 상기 미생물이 배양 단계와 상기 폐수 처리 공정으로의 공급 단계 사이에서 분리, 농축 또는 동결 건조되지 않도록 오염된 폐수로 직접 공급되고,
    상기 슬러지 감소 미생물은 슈도모나스, 바실루스, 노카리두, 백색 부패 곰팡이, 니트로좀모나스, 니트로박터, 티오스패라 판토르로파 및 메탄생성세균의 종(species)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 미생물이고,
    상기 어느 하나 이상의 미생물은 시립 및 산업 폐수의 처리 가능성, 특정 폐기 스트림 또는 케미칼의 독성, 상기 케미칼의 생분해 가능성, BOD 및 산소흡수속도(OUR)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 평가를 포함하는 표준 호흡측정(standard repirornetry)에 의하여 결정되고,
    상기 생발효기에서의 생발효 공정은 어플리케이션 포인트에서 103-104cfu/ml의 소망하는 최소의 접종을 달성하기 위해, 상기 접종원은 밀리리터 당 대략 108-109의 콜로니 형성단위(cfu/ml)의 농축으로 성장하는 것인
    슬러지 제거를 개선하고 방류수 수질을 유지하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고체와 BOD의 제거는 제거된 BOD의 파운드 당 생성되는 2차 슬러지가 0.25 파운드 미만인 것인, 슬러지 제거를 개선하고 방류수 수질을 유지하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 최종 방류수 스트림에서 고체와 BOD를 증가시키지 않고 상기 폐수 스트림으로부터 제거된 슬러지의 파운드가 50% 이상 감소되는 것인, 슬러지 제거를 개선하고 방류수 수질을 유지하는 방법.
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