KR20220078024A - 하수처리장의 소화조 유출수 처리 장치 및 이를 이용한 처리 방법 - Google Patents

하수처리장의 소화조 유출수 처리 장치 및 이를 이용한 처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하수처리장의 소화조 유출수 처리 장치 및 이를 이용한 처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내부에는 아나목스 미생물이 서식하며, 하수처리장의 소화조 유출수를 공급받아 질소와 유기물을 제거하는 반응조(1000); 및 간헐 또는 연속적으로 상기 반응조(1000)에 아나목스 미생물을 공급하기 위한 아나목스 배양조를 포함하되, 상기 아나목스 배양조는 미생물이 그래뉼 타입으로 형성될 수 있도록 연속 교반식 탱크반응기(CSTR, continuous stirred tank reactor)인 것을 특징으로 하는 하수처리장의 소화조 유출수 처리 장치 및 이를 이용한 처리 방법에 관한 것이다.

Description

하수처리장의 소화조 유출수 처리 장치 및 이를 이용한 처리 방법{Apparatus and Method for Treating Anaerobic Digestive Fluid}
본 발명은 하수처리장의 소화조 유출수 처리 장치 및 이를 이용한 처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 암모니아와 아질산을 동시에 섭취함으로써 물속의 질소를 제거하는 아나목스 미생물이 서식하는 연속 교반식 탱크반응기(CSTR, continuous stirred tank reactor)를 포함하는 하수처리장의 소화조 유출수 처리 장치 및 이를 이용한 처리 방법에 관한 것이다.
산업 발전에 따라 생태계로 유입되는 질소는 지속적으로 축적되고 있으며, 우리나라의 총 질소 평균 유입 농도는 2012년 35.0 mg/L에서 2013년 36.2 mg/L로 증가하였다.
국내 공공하수처리시설의 방류수 수질기준은 「하수도법 시행규칙」 제3조 (방류수의 수질기준 등) 1항에 명시되어 있으며, 2020년 2월에 개정된 [공공하수처리시설의 방류수 수질기준, 별표1]에 기준이 규정되어 있듯이, 현재 방류수 수질은 BOD, COD, SS, TN, TP, 총 대장균군수 7가지 항목으로 구성되어 있다. 이중 총질소의 경우, 1일 하수처리용량 50 m3 이하의 하수처리장은 40 mg/L 이하, 50 m3 이상의 하수처리장은 지역에 상관없이 20 mg/L 이하로 처리하여 방류하여야 한다.
하지만 2021년 1월 1일 이후로는 새로운 기준이 적용되는데, 화학적 산소요구량의 분석 기준이 COD에서 TOC로 변경되며 기준치 또한 대폭 강화되고, 총인의 규제는 2012년 2 mg/L 이하에서 0.2 mg/L 이하로 10배 강화되었지만 총 질소는 2000년 이후로 약 20년간 20 mg/L로 유지되고 있다.
공공 호소에 조류를 대량으로 발생시키는 원인이 총질소가 아니라 총인이라는 막연한 판단과 총질소에 비하여 총인을 제어하는 것이 상대적으로 효율적이었기 때문이다. 그러나 총인의 방류수질규제가 강화된 이후에도 조류발생은 여전히 일어나고 있으며, 이는 총인의 단독규제로는 효율적으로 조류의 성장을 억제할 수 없기 때문이다. 이에 따라, 앞으로는 질소의 배출기준이 더욱 엄격해질 것으로 전문가들은 판단하고 있다.
국내 부영양화 문제는 질소와 인의 유출 증가가 중요한 원인으로 예상하고 있지만, 대부분의 국내 하수처리장 설계는 유기물과 고형물 제거 목적으로만 설계되어 있는 실정이므로, 질소와 인 제거가 가능한 고도하수처리공정의 도입은 필수적이다.
수중 질소를 제거하는 방법으로는 물리화학적 방법, 생물학적 처리방법 등 다양한 방법이 있지만 생물학적 처리 방법은 2차 오염 발생이 적고 경제적이라는 장점을 가지고 있다.
특히 최근에는 혐기성 암모니아 산화(이하, 아나목스) 미생물을 사용한 수처리가 각광을 받고 있다. 아나목스 기술은 부분아질산화 및 아나목스 과정을 통해 고강도 전자 산업 폐수 처리 대상으로 개발되고 있으며, 생태학적으로는 바다 안에서 일어나는 전 지구적 질소 순환에 관하여 기능성 유전체와 전사(Transcription) 수준에서 연구되고 있다.
아나목스 미생물은 암모니아와 아질산을 동시에 섭취하여 질소가스를 발생시키는 독립영양 미생물로, 낮은 산소농도에서 암모니아 산화 미생물(Ammonia-Oxidizing Bacteria, AOB)과 혼합 배양하여 공정을 간소화할 수 있을 뿐만 아니라, 외부 탄소원공급이 필요하지 않는 등 전체적인 운영비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.
하지만, 아나목스 미생물은 무산소 조건하에서 운전이 이루어져야 하는데 반해, 기질이 되는 아질산성질소는 용존산소가 존재해야 하므로, 아질산화조와 탈질조가 별도로 마련되거나, 하나의 반응조가 회분식으로 운전되어야 하는 한다는 점은 단점으로 지적된다.
또 아나목스 미생물은 성장속도가 느리기 때문에 미생물량 확보가 용이하지 않고, 게다가 효과적으로 운영되기 위해서는 우수한 침강성이 동반되어야 하나 현재까지 이러한 문제점을 해결할 수 있는 기술개발이 미진한 상황이다.
한국공개특허공보 제2010-0128121호 한국공개특허공보 제2020-0028585호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 원수의 유입, 질소 제거 및 처리수의 유출이 일체화된 하나의 반응조 내에서 연속적으로 이루어질 수 있는 하수처리장의 소화조 유출수 처리 장치 및 이를 이용한 처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명에서는 산소와 접촉하더라고 활성 저하를 최소화하고 나아가 침강성이 우수한 아나목스 미생물을 효과적으로 배양할 수 있는 배양장치를 포함하는 하수처리장의 소화조 유출수 처리 장치 및 이를 이용한 처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 하수처리장의 소화조 유출수 처리 장치는, 내부에는 아나목스 미생물이 서식하며, 하수처리장의 소화조 유출수를 공급받아 질소와 유기물을 제거하는 연속반응조(1000); 및 간헐 또는 연속적으로 상기 연속반응조(1000)에 아나목스 미생물을 공급하기 위한 아나목스 배양조를 포함하되, 상기 아나목스 배양조는 미생물이 그래뉼 타입으로 형성될 수 있도록 연속 교반식 탱크반응기(CSTR, continuous stirred tank reactor)인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 처리 장치에서, 상기 연속반응조(1000)는 장방형 구조의 반응조 본체(1100)를 포함하며, 반응조 본체(1100) 일측에는 원수 유입구(1110)가 구비되고 타측에는 처리수 유출구(1120)가 마련된 연속 교반식 탱크반응기(CSTR, continuous stirred tank reactor)인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 처리 장치에서, 상기 반응조 본체(1100) 내부에는 반응조 본체(1100)의 내부 공간을 소정 영역으로 구획할 수 있도록 반응조 본체(1100) 바닥면에서 소정 거리 이격된 상태에서 상부로 연장된 반응조 격벽(1400)이 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 처리 장치에서, 상기 반응조 격벽(1400)의 하측 단부는 소정 각도로 절곡되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 처리 장치에서, 상기 반응조 격벽(1400)은 처리수 유출구(1120) 인근에 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 처리 장치에서, 상기 반응조 본체(1100) 내부에는 공기 주입부(1200)와 반응조 교반기(1300)가 구비되되, 원수 유입구(1110)를 기준으로 할 시, 공기 주입부(1200) 및 반응조 교반기(1300)가 순차적으로 위치하며, 공기 주입부(1200)와 반응조 교반기(1300)는 소정 거리 이격되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 처리 장치에서, 상기 아나목스 배양조는, 일측에는 기질이 공급되는 기질 유입구(111)가 구비되고 타측에는 기질 유출구가 배출되는 기질 유출구(112)가 마련된 소정 형상을 갖는 배양기 본체부(100); 상기 배양기 본체부(100) 내부 공간에 위치하는 배양기 격벽(200); 및 상기 배양기 본체부(100) 내부 공간에 구비되는 배양기 교반기(300);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 처리 장치에서, 상기 배양기 본체부(100)는 배양기 측면부(110), 상기 배양기 측면부(110)의 하단부를 밀폐하는 배양기 하면부(120), 및 상기 배양기 측면부(110) 상단부를 밀폐하는 배양기 상면부(130)로 구성되되, 수평 단면은 달걀을 세로로 자른 모양과 같이 일측 영역이 넓고 타측 영역은 상대적으로 좁은 달걀 모양이고, 상기 배양기 격벽(200)은 제1 공간부(S1)와 제2 공간부(S2)가 형성되도록 배양기 본체부(100)의 넓은 영역과 상대적으로 좁은 영역을 구획하도록 배치되되, 상부 가장자리는 상기 배양기 상면부(130)와 밀착하고, 측부 가장자리는 배양기 측면부(110)와 밀착하고, 하부 가장자리는 배양기 하면부(120)와 소정 거리 이격되도록 위치하고, 상기 배양기 교반기(300)는 제1 교반기(310)와 제2 교반기(320)로 이루어지되, 상기 제1 교반기(310)는 제1 공간부(S1)에 위치하고, 상기 제2 교반기(320)는 제2 공간부(S2)에 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에서는 전술한 하수처리장의 소화조 유출수 처리 장치를 이용한 처리 방법으로서, 원수 유입구(1110)를 통해 원수를 반응조 본체(1100)로 연속적으로 공급하는 제1 단계; 아나목스 미생물을 이용하여 질소 성분을 제거하는 제2 단계; 및 질소 성분이 제거된 처리수를 상기 처리수 유출구(1120)를 통해 배출하는 제3 단계를 포함하되, 상기 제1 단계 내지 제3 단계는 연속적으로 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 처리 방법에서, 상기 아나목스 배양조에서 배양된 아나목스 미생물을 상기 반응조 본체(1100)로 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 처리 방법에서, 상기 반응조 본체(1100)로 공급되는 원수의 암모니아성 질소 농도가 소정 범위를 초과한 경우에 상기 아나목스 배양조에서 배양된 아나목스 미생물을 상기 반응조 본체(1100)로 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 처리 방법에서, 과량으로 증식한 아나목스 미생물을 상기 반응조 본체(1100)로부터 회수하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 처리 방법에서, 회수한 아나목스 미생물을 상기 아나목스 배양조로 공급하거나 보관하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 하수처리장의 소화조 유출수 처리 장치 및 이를 이용한 처리 방법에 의하면, 원수의 유입, 질소 제거 및 처리수의 유출이 하나의 반응조 내에서 연속적으로 이루어질 수 있어 설치를 위한 부지비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따른 하수처리장의 소화조 유출수 처리 장치 및 이를 이용한 처리 방법에 의하면, 연속 교반식 탱크반응기 형태로 운전함으로써, 평균 입경이 1mm 이상이고 용존 산소에 강한 그래뉼 타입의 아나목스 미생물을 수득할 수 있는 미생물 배양장치가 구비되어 있어, 질소 제거효율을 높일 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하수처리장의 소화조 유출수 처리 장치의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미생물 배양장치의 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시한 미생물 배양장치의 평면도이다.
도 4는 비교예 1에 따른 미생물 배양장치의 정면도이다.
도 5는 실시예 1 및 비교예 1의 조건에서 배양한 아나목스 미생물의 사진이다.
도 6은 실시예 1 및 비교예 1의 조건에서 배양한 아나목스 미생물의 질소제거 결과이다.
도 7은 용존철 첨가여부에 따른 질소 제거 결과이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연속반응조의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 하수처리장의 소화조 유출수 처리 장치 및 이를 이용한 처리 방법에 관해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하수처리장의 소화조 유출수 처리 장치의 개념도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 소화조 유출수 처리 장치는 하수처리장의 소화조 유출수를 연속적으로 공급받는 한편 질소가 제거된 처리수를 연속적으로 배출하는 연속반응조, 및 연속반응조로 미생물을 공급하기 위한 미생물 배양장치를 포함하여 구성된다.
먼저 미생물 배양장치와 관련하여 상세하게 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미생물 배양장치의 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시한 미생물 배양장치의 평면도이다.
도 2 및 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 미생물 배양장치는 배양기 본체부(100), 배양기 격벽(200) 및 배양기 교반기(300)를 포함하여 구성된다.
먼저 배양기 본체부(100)는 기질이 되는 원수를 공급하면서 미생물을 배양하기 위한 공간부를 제공하기 위한 것으로, 배양기 측면부(110), 배양기 측면부(110)의 하단부를 밀폐하는 배양기 하면부(120), 및 배양기 측면부(110) 상단부를 밀폐하는 배양기 상면부(130)를 포함하여 구성된다.
여기서, 배양기 측면부(110)의 일측 하단부에는 배양할 미생물의 먹이가 되는 기질이 포함된 원수를 공급하기 위한 기질 유입구(111)가 마련되어 있으며, 타측 상단부에는 기질이 제거된 처리수가 배출되는 기질 유출구(112)가 구비되어 있다.
그리고 간헐 또는 비간헐적으로 반응조 내의 수질을 분석할 수 있도록 이들 기질 유입구(111)와 기질 유출구(112) 사이에는 수직 방향을 따라 하나 이상의 샘플 취출구(113)가 추가적으로 구비될 수 있다.
배양기 측면부(110)의 하단부 가장자리를 따라 결합되어 있는 배양기 하면부(120)에는 하나 이상의 개구공, 상세하게는 질소 공급을 위한 제1 개구공(121)과 제2 개구공(122)이 소정 거리 이격된 상태로 구비될 수 있다.
아나목스 미생물은 혐기성 또는 무산소 조건에서 생장하는데, 반응기 내부 점검이나 센서 교체를 위해 개방시킬 시 공기에 노출될 수 있고, 또 제1 교반기(310)나 제2 교반기(320)에 미생물이 다량 부착될 경우, 이들 제1 개구공(121)과 제2 개구공(122)을 통해 소정 시간 질소를 공급함으로써 탈기 내지 탈리를 도모할 수 있다. 물론 이들 제1 개구공(121)과 제2 개구공(122)은 미생물들의 배출시킬 시 통로로 작용할 수 있음은 자명하다.
배양기 측면부(110)의 상단부 가장자리를 따라 결합되어 있는 배양기 상면부(130)에는 하나 이상의 개구공, 상세하게는 제3 개구공(131)과 제4 개구공(132)이 소정 거리 이격된 상태로 구비될 수 있고, 이들 제3 개구공(131)과 제4 개구공(132)을 통해 반응조 내부의 수온, pH 및 용존산소 등을 측정하기 위한 각종 측정센서(미도시)가 장착된다.
한편, 본 발명의 배양기 본체부(100)는 위에서 바라볼 때, 수평 단면은 달걀을 세로로 자른 모양과 같이 일측 영역이 넓고 타측 영역은 상대적으로 좁은 모양, 즉 달걀 모양이다.
그리고 배양기 격벽(200)은 배양기 본체부(100)를 넓은 영역과 상대적으로 좁은 영역으로 구획할 수 있도록, 상부 가장자리는 배양기 상면부(130)와 밀착하고, 측부 가장자리는 배양기 측면부(110)와 밀착하고, 게다가 하부 가장자리는 배양기 하면부(120)와 소정 거리 이격되도록 위치한다. 이와 같이 달걀 모양의 배양기 본체부(100)에 배양기 격벽(200)이 구비됨으로써 넓은 영역은 제1 공간부(S1), 상대적으로 좁은 영역은 제2 공간부(S2)가 형성되며, 또 기질 유입구(111)는 제1 공간부(S1), 기질 유출구는 제2 공간부(S2)와 직접적으로 연통하는 구조이다.
배양기 교반기(300)는 제1 교반기(310)와 제2 교반기(320)로 이루어지는데, 제1 교반기(310)는 전술한 제1 공간부(S1), 그리고 제2 교반기(320)는 제2 공간부(S2)에 위치하여, 기질 농도를 균질화시킴과 동시에 미생물 플럭의 유동을 유도한다.
비록 도면에는 도시하지 않았지만, 미생물의 서식과 증식에 필요한 온도가 유지되도록, 배양기 본체부(100) 외측면에는 열선 등 공지의 히팅수단(미도시)이 추가로 구비될 수 있다.
미생물 반응조의 단면은 원형, 사각형 또는 타원형인 것이 일반적인데 반해, 본 발명에서는 달걀 모양이고 게다가 배양기 격벽(200)을 구비시켜 넓은 영역은 제1 공간부(S1), 상대적으로 좁은 영역은 제2 공간부(S2)로 구분 형성시킴으로써, 데드존(dead-zone)이 없을 뿐만 아니라 유체의 유동 조절이 용이하여 배양된 미생물 플럭의 유출을 최소화할 수 있는 구조이다.
상기와 같은 구조를 갖는 미생물 배양장치를 사용한 배양방법으로는, 시드 미생물을 배양기 본체부(100)에 시딩한 후, 원수 즉 먹이가 되는 기질을 연속적으로 공급하는 한편 기질이 소모된 처리수를 연속적으로 배출시키는, 소위 연속 교반식 탱크반응기(CSTR, continuous stirred tank reactor)로 운전한다.
여기서, 미생물은 암모니아와 아질산을 동시에 섭취하여 질소가스로 전환시키는 아나목스 미생물로서, 전술한 바와 같이 무산소 조건하에서 운전하며, 미생물의 플럭이 평균 1mm 이상의 크기를 갖는 그래뉼 타입으로 성장할 때까지 소정 기간 배양한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명의 미생물 배양과 관련된 내용을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
도 2에 도시한 미생물 배양장치를 연속 교반식 탱크반응기(CSTR, continuous stirred tank reactor)로 운전하면서 아나목스 미생물을 배양하였다.
T하수처리장에서 배양된 아나목스 미생물을 시드 미생물로 사용하였으며 초기 MLSS농도는 약 5600 mg/L, 기질원으로서 암모니아성질소 농도 100 mg-N/L와 아질산성질소 100 mg-N/L 등을 포함하는 합성폐수를 연속적으로 유입하였다(표 1).
그리고 수리학적 체류시간(HRT)은 24시간, pH 7~8, 그리고 온도 컨트롤러와 열선을 이용하여 반응조의 온도를 35~37℃로 유지시키면서 운전하였다.
물질명 농도(mg/L)
NH4Cl 100
NaNO2 100
NaHCO3 95
KH2PO4 6
MgSO4·7H2O 12
CaCl2·2H2O 48
실시예 2
실시예 1에서 수득한 아나목스 미생물을 배지에 시딩한 후 질소 제거량을 조사하였다. 이 때, 배지의 구체적인 조성은 <표 2>와 같이 용존철이 4 mg-Fe/L 포함되어 있다.
즉, 실시예 1의 조건으로 배양하면서 260일 경과한 시점에서의 아나목스 미생물 농도가 3g/L가 되도록 배지에 주입한 후, 질소 폭기하여 혐기조건을 유도하였다. 35~37℃에서 12시간 동안 배양한 후에 상등액을 채취하여 암모니아성질소, 아질산성질소, 및 질산성질소를 측정하였다.
물질명 농도(mg/L)
NH4Cl 100
NaNO2 100
NaHCO3 95
KH2PO4 6
MgSO4·7H2O 12
CaCl2·2H2O 48
FeCl2 4
비교예 1
사용한 반응기와 운전방식을 제외하고 나머지는 실시예 1과 동일하게 수행하였다. 즉 도 4에 도시한 바와 같이 단면이 원형인 미생물 배양장치를 연속회분식 반응기(SBR, Sequencing Batch Reactor)로 운전하면서 아나목스 미생물을 배양하였다.
각 주기(Cycle)의 운전 조건은 유입(Fill and react), 반응(React), 침전(Settling), 유출(Withdrawal) 및 휴지(Idle)이며, 1주기 총 6시간, 교환율 25% 및 HRT가 24시간이 되도록 운전하였다.
비교예 2
용존철을 배지에 함유시키지 않은 것을 제외하고 나머지는 실시예 2와 동일한 조건으로 수행하였다.
실험예 1
실시예 1 및 비교예 1의 조건으로 배양하면서 260일 경과한 시점에서의 아나목스 미생물 (입체 현미경)을 촬영하였고, 그 결과는 도 5와 같다.
실시예 1에 따라 배양된 미생물의 경우(도 5의 (a)) 평균 1 mm 이상의 그래뉼 형태로서 침강성이 우수하여 미생물의 유실을 최소화할 수 있음을 기대할 수 있는데 반해, 비교예 1에서 수득된 미생물(도 5의 (b))은 대략 0.1mm 부근에 불과하였다.
실험예 2
실시예 1 및 비교예 1의 조건으로 배양하면서 260일 경과한 시점에서 분리한 아나목스 미생물에 대해 용존산소와의 접촉 여부에 따른 질소 제거량을 평가하였고, 그 결과는 도 6과 같다.
분리한 미생물의 크기는 실시예 1에 따라 배양된 미생물은 평균 1 mm 이상의 그래뉼 형태이고, 비교예 1에서 수득된 미생물은 대략 0.1mm 부근의 플록이며, 각각의 미생물에 대해 용존산소 7.5 mg/L의 조건과 혐기상태 조건(질소 폭기)으로 12시간 동안 순응시켰다.
이후 <표 1>과 동일한 조성을 갖는 합성원수에 각 조건에서 순응된 미생물이 3 g/L가 되도록 식종하였다.
도 6에 도시한 바와 같이, 용존산소에 노출시키지 않은 경우 실시예 1 및 비교예 1에 따라 배양된 미생물의 질소제거량은 오차 범위 이내로서 별다른 차이를 보이지 않았다.
하지만 용존산소에 노출시킨 경우, 실시예 1에 따른 미생물의 질소제거량은 154 mg-N/L인 반면, 비교예 1에 따른 미생물을 사용할 시에는 55 mg-N/L에 불과하였다.
아나목스 공정 운영 시, 암모니아 산화 미생물(Ammonia-Oxidizing Bacteria, AOB)이 암모니아성 질소를 산화하도록 산소를 2.0 mg/L가량으로 폭기해 주어야 하며, 이러한 조건에서 용존산소의 존재는 아나목스 미생물을 저해하는 요인으로 작용할 수 있다.
그러나 본 발명의 실시예 1에 따라 배양된 미생물은 고농도의 용존산소와 접촉하여도 우수한 질소 제거능을 유지하는 것을 확인할 수 있다.
실험예 3
실시예 2 및 비교예 2의 조건에서 12시간 경과한 시점에서의 질소 제거량을 확인하였고 그 결과는 도 7과 같다.
용존철이 포함된 배지(실시예 2)에서는 201.06mg/L의 질소가 제거된 반면, 용존철이 포함되지 않은 배지(비교예 2)에서는 190.262mg/L의 질소가 제거되어, 용존철을 첨가함으로써 아나목스 미생물의 활성이 향상되는 것을 확인하였다.
다음은 연속반응조에 관하여 구체적으로 설명하기로 한다.
연속반응조(1000)는 4개의 측면, 바닥면 및 상면을 포함하여 밀폐된 장방형 구조의 반응조 본체(1100), 공기 주입부(1200), 반응조 교반기(1300) 및 반응조 격벽(1400)을 포함하여 구성된다.
반응조 본체(1100) 일측에는 하수처리장의 소화조 유출수가 유입되는 원수 유입구(1110)가 마련되는 한편, 타측에는 암모니아성 질소와 유기물이 제거된 처리수가 배출되는 유출구(1120)가 구비되어 있는 연속 교반식 탱크반응기(CSTR, continuous stirred tank reactor)이다.
그리고 반응조 본체(1100) 일측 모서리부, 구체적으로 유출구(1120)가 마련된 측면과 바닥면이 만나는 모서부에는 증식한 미생물 그래뉼이 부서지는 것을 최소화하고 또 과량의 미생물을 회수하기 용이하도록 소정 각도로 기울어진 경사면(1130)이 형성되어 있고, 경사면(1130)에는 미생물 회수를 위한 드레인관(1140)이 장착되어 있다.
공기 주입부(1200)와 반응조 교반기(1300)는 반응조(1000) 내부, 보다 상세하게는 원수 유입구(1110)를 기준으로 할 시, 공기 주입부(1200)와 반응조 교반기(1300)가 소정 거리 이격된 상태로 순차적으로 위치하게 된다.
여기서 공기 주입부(1200)는 질산성 질소의 산화를 위한 암모니아 산화 미생물(Ammonia-Oxidizing Bacteria, AOB)이 활성을 유지할 수 있도록 용존 산소를 공급하기 위한 것이고, 상대적으로 후방에 위치하는 반응조 교반기(1300)는 미생물과 원수의 혼합 내지 유동을 촉진시키기 위한 것이다.
미생물 배양장치와 관련한 실험예 2에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 미생물 배양장치에서 배양된 미생물은 평균 1 mm 이상의 그래뉼 형태로서, 고농도의 용존산소에 접촉한 이후에는 높은 질소 제거능을 유지하는 것이 가능하기 때문에, 연속 교반식 탱크반응기 형태로 운전하더라도 하나의 반응조 본체(1100) 내에서 아질산화와 탈질을 동시에 유도하는 것이 가능하다.
계속해서, 반응조 격벽(1400)은 반응조 본체(1100)의 내부 공간을 소정 영역으로 구획할 수 있도록, 처리수 유출구(1120) 인근에 위치하면서 반응조 본체(1100) 바닥면에서 소정 거리 이격된 상태에서 상부로 연장되어 있으며, 특히 반응조 격벽(1400)의 하측 단부는 소정 각도로 절곡되어 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 반응조 격벽(1400)에 고액분리가 한층 용이하게 된다.
다음은 전술한 장치들을 이용하여 하수처리장의 소화조 유출수를 처리하는 방법에 관하여 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 하수처리장의 소화조 유출수를 처리하는 방법은, 원수 유입구(1110)를 통해 원수를 반응조 본체(1100)로 연속적으로 공급하는 제1 단계, 반응조 본체(1100)의 전단은 1~2mg/L 정도의 DO를 유지하여 AOB에 의한 아질산화를 유도하는 한편 후단에서는 아나목스 미생물에 의한 탈질을 통해 질소 성분을 제거하는 제2 단계, 및 질소 성분이 제거된 처리수를 상기 처리수 유출구(1120)를 통해 배출하는 제3 단계를 포함하며, 이들 제1 단계 내지 제3 단계는 원수 공급, 질소 제거 및 처리수 배출이 연속적으로 수행되는 연속 교반식 탱크반응기 형태로 운전된다.
물론 제1 단계 이전 또는 이후에는 아나목스 배양조에서 배양된 아나목스 미생물을 반응조 본체(1100)로 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 신설되는 처리장치라면 원수를 공급하기 전에 반응조 본체(1100) 내부에 아나목스 미생물의 시딩을 통해 활성도를 높이는 것이 바람직하다.
또 반응조 본체(1100)로 공급되는 원수의 암모니아성 질소 농도가 소정 범위를 초과하는 경우에는 질소가 충분히 제거될 수 있도록 아나목스 배양조에서 배양된 아나목스 미생물을 반응조 본체(1100)로 추가로 공급할 수 있다.
한편, 아나목스 배양조에서 배양된 1 mm 이상의 그래뉼 형태의 미생물을 그대로 반응조 본체(1100)로 공급하는 것도 가능하지만, 미생물의 침강성을 높일 수 있도록 철 입자를 함침시킨 후 공급하는 것이 보다 바람직하다.
그래뉼 형태의 미생물에 철 입자를 함침시키는 방법으로서는, VSS기준 1 중량부의 미생물에 50um~100um의 크기를 갖는 철입자 1 중량부를 혼합한 뒤, 대략 100~150rpm정도에서 3시간~12시간 교반함으로써 철 입자가 함침된 그래뉼 형태의 미생물을 준비할 수 있다.
그리고 아나목스 미생물이 과량으로 증식한 경우에는, 기질과 미생물의 농도가 적정한 범위에 해당되도록, 반응조 본체(1100)로부터 미생물을 회수하는 단계를 포함하는 것도 가능하고, 이때 회수한 미생물은 아나목스 배양조로 반송하거나 별도로 보관해 두는 것도 가능하다.
미생물의 보관 방법으로는, 증류수 단독 또는 질산칼륨이 포함된 증류수에 담아 20~25℃ 조건에서 보관하며 장기간 보관할 시에는 2~3 개월에 1회 정도 증류수를 교체하는 것이 바람직하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
100 : 배양기 본체부
110 : 배양기 측면부
111 : 기질 유입구 112 : 기질 유출구
113 : 샘플 취출구
120 : 배양기 하면부
121 : 제1 개구공 122 : 제2 개구공
130 : 배양기 상면부
131 : 제3 개구공 132 : 제4 개구공
200 : 배양기 격벽
300 : 배양기 교반기
310 : 제1 교반기
320 : 제2 교반기
1000 : 연속반응조
1100 : 반응조 본체
1110 : 원수 유입구 1120 : 처리수 유출구
1130 : 경사면 1140 : 드레인관
1200 : 공기 주입부
1300 : 반응조 교반기
1400 : 반응조 격벽
S1 : 제1 공간부
S2 : 제2 공간부

Claims (13)

  1. 내부에는 아나목스 미생물이 서식하며, 하수처리장의 소화조 유출수를 공급받아 질소와 유기물을 제거하는 연속반응조(1000); 및
    간헐 또는 연속적으로 상기 연속반응조(1000)에 아나목스 미생물을 공급하기 위한 아나목스 배양조를 포함하되,
    상기 아나목스 배양조는 미생물이 그래뉼 타입으로 형성될 수 있도록 연속 교반식 탱크반응기(CSTR, continuous stirred tank reactor)인 것을 특징으로 하는 하수처리장의 소화조 유출수 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연속반응조(1000)는 장방형 구조의 반응조 본체(1100)를 포함하며, 반응조 본체(1100) 일측에는 원수 유입구(1110)가 구비되고 타측에는 처리수 유출구(1120)가 마련된 연속 교반식 탱크반응기(CSTR, continuous stirred tank reactor)인 것을 특징으로 하는 하수처리장의 소화조 유출수 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반응조 본체(1100) 내부에는 반응조 본체(1100)의 내부 공간을 소정 영역으로 구획할 수 있도록 반응조 본체(1100) 바닥면에서 소정 거리 이격된 상태에서 상부로 연장된 반응조 격벽(1400)이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 하수처리장의 소화조 유출수 처리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 반응조 격벽(1400)의 하측 단부는 소정 각도로 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 하수처리장의 소화조 유출수 처리 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 반응조 격벽(1400)은 처리수 유출구(1120) 인근에 위치하는 것을 특징으로 하는 하수처리장의 소화조 유출수 처리 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 반응조 본체(1100) 내부에는 공기 주입부(1200)와 반응조 교반기(1300)가 구비되되,
    원수 유입구(1110)를 기준으로 할 시, 공기 주입부(1200) 및 반응조 교반기(1300)가 순차적으로 위치하며, 공기 주입부(1200)와 반응조 교반기(1300)는 소정 거리 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 하수처리장의 소화조 유출수 처리 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 아나목스 배양조는, 일측에는 기질이 공급되는 기질 유입구(111)가 구비되고 타측에는 기질 유출구가 배출되는 기질 유출구(112)가 마련된 소정 형상을 갖는 배양기 본체부(100);
    상기 배양기 본체부(100) 내부 공간에 위치하는 배양기 격벽(200); 및
    상기 배양기 본체부(100) 내부 공간에 구비되는 배양기 교반기(300);를 포함하는 것을 특징으로 하는 하수처리장의 소화조 유출수 처리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 배양기 본체부(100)는 배양기 측면부(110), 상기 배양기 측면부(110)의 하단부를 밀폐하는 배양기 하면부(120), 및 상기 배양기 측면부(110) 상단부를 밀폐하는 배양기 상면부(130)로 구성되되, 수평 단면은 달걀을 세로로 자른 모양과 같이 일측 영역이 넓고 타측 영역은 상대적으로 좁은 달걀 모양이고,
    상기 배양기 격벽(200)은 제1 공간부(S1)와 제2 공간부(S2)가 형성되도록 배양기 본체부(100)의 넓은 영역과 상대적으로 좁은 영역을 구획하도록 배치되되, 상부 가장자리는 상기 배양기 상면부(130)와 밀착하고, 측부 가장자리는 배양기 측면부(110)와 밀착하고, 하부 가장자리는 배양기 하면부(120)와 소정 거리 이격되도록 위치하고,
    상기 배양기 교반기(300)는 제1 교반기(310)와 제2 교반기(320)로 이루어지되, 상기 제1 교반기(310)는 제1 공간부(S1)에 위치하고, 상기 제2 교반기(320)는 제2 공간부(S2)에 위치하는 것을 특징으로 하는 하수처리장의 소화조 유출수 처리 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 하수처리장의 소화조 유출수 처리 장치를 이용한 처리 방법으로서,
    원수 유입구(1110)를 통해 원수를 반응조 본체(1100)로 연속적으로 공급하는 제1 단계;
    아나목스 미생물을 이용하여 질소 성분을 제거하는 제2 단계; 및
    질소 성분이 제거된 처리수를 상기 처리수 유출구(1120)를 통해 배출하는 제3 단계를 포함하되,
    상기 제1 단계 내지 제3 단계는 연속적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 하수처리장의 소화조 유출수 처리 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 아나목스 배양조에서 배양된 아나목스 미생물을 상기 반응조 본체(1100)로 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하수처리장의 소화조 유출수 처리 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 반응조 본체(1100)로 공급되는 원수의 암모니아성 질소 농도가 소정 범위를 초과한 경우에 상기 아나목스 배양조에서 배양된 아나목스 미생물을 상기 반응조 본체(1100)로 공급하는 것을 특징으로 하는 하수처리장의 소화조 유출수 처리 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    과량으로 증식한 아나목스 미생물을 상기 반응조 본체(1100)로부터 회수하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하수처리장의 소화조 유출수 처리 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    회수한 아나목스 미생물을 상기 아나목스 배양조로 공급하거나 보관하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하수처리장의 소화조 유출수 처리 방법.
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