KR970002628B1 - 하/폐수중의 질소 및 인의 생물학적 연속 처리 공정 - Google Patents

Abstract

내용없음.

Description

하/폐수중의 질소 및 인의 생물학적 인속 처리 공정

도면은 본 발명에 따른 하/폐수중의 질소 및 인의 인속적 제거 공정의 흐름도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 1차 침전조 2 : 분배 탱크

3 : 반응조 3-1 : 혐기조

3-2 : 무산소조 3-3 : 호기조

4 : 필터 5 : 2차 침전조

본 발명은 하/폐수중의 질소 및 인의 생물학적 인속 제거 공정에 관한 것으로서, 상세하게는 하/폐수를 질산화균으로 질산화-탈질소화하여 하/폐수중의 질소를 제거하고, 동시에 인을 흡수/방출하는 바이오-P미생물로 인을 제거하는 공정에 있어서, 하/폐수를 제오라이트를 주성분으로 한 필터로 통과시켜 필터내에서 이온 교환 반응으로 하/폐수중에 존재하는 암모니아 질소 성분을 미리 제거함으로서, 하/폐수중의 인의 제거 효율을 경제적으로 높일 수 있는 공정에 관한 것이다.

기존의 대부분의 하/폐수처리장치는 활성슬러지법으로 설계/운영되고 있는데, 활성슬러지법을 통하여서는 유기물의 제거를 주목적으로 한 처리 공정으로서 최근의 호/소의 부영양화가 심각해지게 됨에 따라 질소와인을 제거해야 할 시점에 비추어 볼때 이에 부응할 수 없다. 더우기 활성슬러지법은 처리공정이 복잡하고 팽화 현상이 일어나는 등 고도의 숙련된 운전자가 필요하게 되는 등 운영상의 문제점이 있다.

이러한 활성슬러지법의 운전상 어려움으로 대두되는 팽화의 문제점을 해결함과 동시에 부영양화의 주범인 질소와 인을 효과적으로 제거하기 위한 여러가지 처리 공정들이 연구, 실용화되고 있다.

그 예로서는 A/O, A2/O, 바덴포(Berdenpho) 법, 포스트립(Phostrip) 법, 회분식 활성슬러지법(SBR) 등이 있다.

A/O법은 하나의 혐기조와 하나의 호기조를 배열한 활성슬러지 처리방법의 일종이며, A2/O법은 두개의 혐기조와 하나의 호기조를 배열한 것으로서 이들은 각각 하/폐수중의 생물학적 산소 요구량에 대한 처리를 목적으로 한 것으로서, 질소 및 인의 제거 효율이 낮고 토지의 요구량이 많은 문제점이 있다.

또한 이들 공정들은 SBR법을 제외하고는 기존의 활성슬러지법 하수처리장에서 1 내지 4개의 반응조를 첨가하여 미생물과 화학적 반응에 의하여 질소와 인을 제거한다. 이와 같이 새로이 반응조를 첨가시킴에 의하여 시설비가 증가하게 되며, 화학물질의 사용에 따라 운전비의 증가를 가져오게 되게 되었다. SBR 반응조는 하나의 반응조에서 질소와 인을 제거할 수 있다는 장점을 가지고 있으나 운전이 연속적으로 이루어지지 못함으로서 저류조의 추가적인 설치와 부하에 매우 민감한 문제점이 였다.

질소를 생물학적으로 제거하기 위하여서는 우선적으로 하/폐수에 존재하는 암모니아성 질소를 질산화균(예를 들어, Nitrosomonas, 또는 Nitrobactr)에 의하여 질산성 질소로 변환시킨다. 이 반응을 나타내면 다음과 같다. 이러한 질산화 반응은 호기성 상태에서 충분한 체류시간을 요한다.

상기의 반응은 호기성 조건에서 일어난다. 상기의 반응에 의하여 생성된 질산성 질소는 전자 수용체로 이용되어 혐기성 반응으로 질소로 환원되어 계로부더 방출된다. 예를 들어 메탄올을 탄소원으로 할때 질산성질소의 탈질소화 반응은 다음과 같이 진행되어진다.

이러한 과정이 원활하게 이루어지기 위하여서는 질산화된 처리수를 다시 유기물의 분해과정으로 이루어지는 쪽으로 순환시키는 과정이 필요하게 되어 여러가지 반응조가 첨가됨과 동시에 결과적으로 질소 처리를 어렵게 하고 있다.

생물학적인 인의 제거 방법은 혐기조건에서 악시노토박터(Acinotobacter)를 비롯한 바이오-P 미성물이세포내부의 인을 방출하고 호기상태에서 방출한 것 이상의 인을 섭취하는 과잉의 인 섭취를 통해 제거하게 된다. 이를 위하여 혐기-호기 조건으로 운전하는 처리공정이 개발 실용화가 진행되고 있다. 그런데 이 과정에서는 질산성 질소가 인의 방출을 방해함으로서 인의 제거를 어렵게 한다.

본 발명은 상기한 종래 기술상의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 간단한 공정의 도입으로 하/폐수 중의 질소/인의 처리 효율을 높일수 있는 새로운 하/폐수증의 질소와 인의 생물학적 연속 처리 공정을 제공하려는 목적을 갖는다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 하/폐수 원수를 1차 침전조(1)에 유입시켜 일정시간 머물게 하여 조대입자를 침전시키고, 하/폐수 원수의 일부는 암모니아와 이온 교환할 수 있고 질산화균이 부착되어 있는 필터(4)로 보내고 나머지는 혐기조(3-1), 무산소조(3-2) 및 호기조(3-3)으로 구성된 반응조(3)의 통기성 미생물의 혐기조(3-1)으로 보내고, 필터(4)를 통과한 원수와 혐기조(3-1)를 거친 원수를 무산소조(3-2)에서 탈질소화 한 다음, 호기조(3-3)으로 보내어 원수중의 잔여 암모니아성 질소를 질산화처리하고 잔여 생물학적 요구량을 처리하고 동시에 탈인화한 후, 호기조(3-3)처리수의 일부분을 무산소조(3-2)으로 반송하여 재차 탈질소화하고, 2차 침전조(5)로 보내어 세포와 처리수를 분리하는 것으로 이루어지는 하/폐수중의 질소와 인의 생물학적 인속 처리 공정을 제공한다.

본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 가장 특징적인 면은 하/폐수 원수를 혐기조(3-1)→무산소조(3-2)→호기조(3-3)으로 구성되어지는 반응조(3)에서의 하/폐수의 경로에 있어서, 분배탱크로 유입되어 들어온 하/폐수의 일부를 암모니아와 이온 교환 할 수 있고 암모니아성 질소를 질산화할수 있는 질산화균이 부착된 필터(4)를 통과시켜 암모니아성 질소를 일부분은 필터의 이온 교환으로 제거하고 흡착된 암모늄 이온을 부착된 질산화균을 통해 질산화하므로서 원수중의 암모니아성 질소를 제거한 다음, 반응조(3)의 무산소조(3-2)로 투입하는 것이다.

본 발명에 있어서 필터(4)는 암모니아를 이온 교환할 수 있고 질산화균이 부착될 수 있는 특성을 갖는다. 이를 위하여, 본 발명에서는 필터(4)를 MO,A1₂O₃,mSiO₂,nH₂O(M은 알칼리 토금속)으로 표시되는 함수알루미늄을 주성분으로 하는 천연 제오라이트로 구성한다. 제오라이트에서의 양이온에 대한 이온 선택성은 Cs+>Rb+>K+>NH₄>Ba+>Sr+>Na+>Ca+₂으로, 하/폐수중의 암모늄이온은 매우 선택적으로 효과적으로 하/폐수 원수로부터 제거될 수 있다. 또한 본 발명에 있어서, 특징적인 면은, 상기한 필터(4)에서의 암모늄이온 교환에 따른 필터(4)의 재생을 재생수의 주입없이 제오라이트에 미생물을 입혀서 실행한다는데에 있다. 즉, 제오라이트 표면에 니트로스모나스, 니트로박터와 같은 질산화균을 입혀서 제오라이트내로 이온 교환되어 축적되는 암모늄이온을 질산화시킴으로서 재생수의 유입없이도 제오라이트의 이온 교환 용량(Cation exchange capacity)가 유지되게 된다. 본 발명에 따른 필터(4)에서 일어나는 암모늄이온 제거 메카니즘은 암모니아가 농도구배에 따라 제오라이트 필터(4)내부로 확산되는 과정(이온 확산 과점), 암모늄이온이 제오라이트 표면에서 이온 교환되어 제오라이트 내부에 고립되는 과정(이온 교환 반응), 이온 교환된 암모늄이온이 제오라이트에 부착된 자기 영양균(autotrophic bacteria)에 의하여 생물학적으로 질산화되는 과정(질산화 반응)으로 구성된다. 이때, 제오라이트 필터(4)는 최대 이온 교환 용량을 가지고 있는데, 제오라이트 표면과 표면을 둘러싼 균에 암모늄이온의 농도 구배가 발생하게 되는데 계속해서 표면을 둘러싼 균에 의해 암모늄이온이 계속하여 질산화 됨으로써, 필터(4)의 운영시 최대 이온 용량에 도달되지 않는다. 또한, 질산화균으로 대표되는 자기 영양균은 세포 증식 속도가 낮기 때문에 통상의 체류시간에서는 배출(wash-out)되는데 본 발명에 있어서는 이들을 제오라이트상에 입힘으로서 제오라이트의 표면이 담체(carrier)으로 이용되어 배출되는 현상을 방지할 수 있게 된다. 제오라이트는 구경의 크기(pore size)가 1μm의 다공성으로서 셀의 모세관 내부로 미생물이 진입하지 않고 제오라이트 표면에 피복되어지며, 일정 두께이상으로 증식될 경우 필터(4)를 통과하는 유체의 전단력에 의하여 필터로부터 떨어져 나가게 되어 담체의 폐색 현상은 발생하지 않는다·제오라이트 필터(4)를 통과한 처리수는 원수 성분중 암모늄이 제거된 유기 물질을 높게 함유한 처리수가 되므로 탈질소를 위한 좋은 유기물원으로 작용할 수 있는 부수적인 장점도 있다. 본 발명에 있어서, 상기한 바와 같은 제오라이트로 된 필터(4)로 분배되는 하/폐수의 양은 외부 환경에 의하여 달라질 수는 있지만, 반응조(3)의 무산소조(3-2)에서 인을 제거하기 위한 악시노토박터의 원활한 증식과 탈질소화 반응에 큰 부담이 되지 않도록 분배 탱크(2)에서 분배되는 하/폐수 총량의 10 내지40%로 하는 것이 바람직하다. 10% 미만일 경우에는 본 발명의 효과의 효과가 미미하며, 40% 이상이면 필터(4)의 부하가 과중하며 바람직하지 않다.

본 발명에 있어서, 반응조(3)는 혐기조(3-1), 무산소조(3-2) 및 호기조(3-3)가 순차적으로 한 반응조내에 간막으로 구분되어 구성되어 있으며, 반응조(3)에서의 하/폐수의 흐름은, 혐기조(3-1)→무산소조(3-2)→호기조(3-3)의 순으로 진행되며, 특별한 기계적 장치없이 넘처흘러 다음의 처리조로 자연 이행되는 소위오버 -플로우어(over-flow) 방식으로 이루어진다.

반응조(3)의 각 처리조(3-1,3-2,3-3)에서 일어나는 반응들과 역할들을 살펴보면 다음과 같다.

혐기조(3-1)에서의 반응을 살펴보면 다음과 같다. 제오라이트 필터(4)를 거치지 않은 하/폐수 원수가 분배 탱크(2)로부터 공급되어 통기성 미생물에 의하여 원수중의 유기 물질이 저분자의 물질로 분해된다. 이때 악시노트박터로 대표되는 바이오-P 미생물은 저분자의 물질을 이용하여 세포내에 보관하고 있던 인 성분을 세포막 밖으로 방출한다. 악시노토박터는 엔브덴-메이르호프-파나사 대사 경로를 갖고 있지 못하여 고분자의 유기 물질을 직접 탄소원으로 사용하지 못하고 아세틱산, 피로피온산, 젖산등의 저급 지방산을 섭취하면서 폴리-β-히드록시부틸산올 합성하면서 인 대사를 한다. 이때, 폴리포스타제 효소에 의하여 세포내의 폴리-인산화합물이 가수분해되면서 세포 외부로 인이 방출되게 된다.

혐기조(3-1)에서 처리되어전 하/폐수는 유기물질이 저분자로 분해되며, 악시노토박터의 인 대사에 의하여 유기산이 많이 처리되고 원수보다 인의 함량이 조금 높아진 상태로 무산소조(3-2)로 보내지게 된다. 이와 함께 제오라이트 필터(4) 처리수도 함께 무산소조(3-2)내로 들어오게 된다. 혐기조(3-1)을 통과한 하/계수는 암모니아성 질소를 포함하고 있으며, 제오라이트 필터(4)를 통과한 필터 처리수는 질산성 질소를 포함한다. 무산소조(3-2)내의 종속영양 균은 질산성 질소를 최종적인 전자 수용체로 이용하고 하/폐수중의 유기물을 에너지 원으로 하여 엠브덴-에이르호프-파나스 경로와 구연산 회로 및 전자 전달계를 작동하여 성장하게 된다. 이 과정에서 질산이온으로부터 질소가 가스 형태로 방출하게 된다. 메탄올을 에너지 원으로 하였을 때를 가정하여 이 과정에서의 물질 대사를 경험적으로 나타내면 다음과 같다.

상기의 탈질소화 반응이 일어나는 무산소조(3-2)에 공급하는 유입수를 혐기조(3-1) 처리수로 약 1/2, 제오라이트 필터(4) 처리수로 약 1/2로 구성함에 따라, 무산소조(3-2)의 탈질소화 부하를 종래의 공정에 비하여 최소한 2배, 많게는 4배까지 감소시킬 수 있다. 이와 같은 탈질소화 반응조인 무산소조(3-2)에서의 낮은 부하는 전체적으로 하/폐수 처리시 소요되는 대지의 면적을 적게할 수 있고 운전비를 줄일 수 있는 경제적인 장점이 된다.

무산소조(3-2)에서 탈질소화 처리되어진 처리수는 앞 단계의 처리조(3-1,3-2)에서 미처 다 반응하지 유기원의 생물학적 산화 반응과 아울러 필터(4)를 거치지 않고 무산소조(3-2)에 유입되어진 처리수중에 포함되어 있는 암모니아성 질소를 질산성 질소로 질산화하는 반응이 일어난다. 또한, 염기조(3-1) 및 무산소조(3-2)에서 방출되어진 양 이상의 인이 악시노토박터에 의해 흡수됨으로서 인의 제거 반응도 함께 일어나게 된다. 인의 제거 과정에서 과도한 질산성 질소의 존재는 인의 방출을 방해함으로써 결과적으로 인의 제거를 어렵게 한다고 전술한 바 있다. 본 발명에 있어서는 질산화 반응의 상당분을 제오라이트 필터(4)에서행하고 인의 방출이 일어나는 혐기조(3-1) 및 무산소조(3-2)에는 질산성 질소가 존재하지 않거나(혐기조)또는 존재하더라도 종래에 비하여 최대한 1/2 이하(무산소조)임으로 질산성 산소에 의한 인의 방출이 저해되지 않아 결과적으로 보다 우수한 인 제거능을 기대할 수 있게 된다.

호기조(3-3)에 있어서, 유입되는 유입수는 이미 전단계들에서 부분적인 유기물의 분해가 일어난 상태이므로 통상의 하수처리장에서 유입되는 유기물 양보다 훨씬 낮은 생물학적 요구량이 50ppm정도로서 종속영양균이 생장에 필요한 최소의 유기물을 함유하고 있어 적은 체류 시간만으로도 쉽게 처리할 수 있다. 또한, 제오라이트 필터(4)를 거치지 않고 무산소조에 유입된 원수중에 포함되어 있는 암모니아성 질소는 자기영양균에 의해 질산화되어 무산소조로 반송되어 탈질소된다. 이때, 호기조(3-3)으로부터 무산소조(3-2)로 반송되는 호기조 처리수의 반송량은 분배 탱크(2)에서의 혐기조(3-1)과 필터(4)로의 분배율에 따라 달라질수 있으나, 무산소조(3-2)로부터의 유입량에 대하여 15 내지 30%정도가 좋다. 15% 이하이면, 최종 처리수의 질소함량이 높아지게 되며, 30% 이상이면 무산소조(3-2)의 크기가 지나치게 커져 결과적으로 반응조(3)의 규모가 커지게 되어 바람직하지 않게 된다.

호기조(3-3)에서 최종적으로 처리되어진 하/폐수는 2차 침전조(5)에서 미생물 세포와 분리되어 방출되게 된다. 이때 미생물은 호기조에서 빈영양 상태를 경험하였으므로 침전 효올이 높다. 특히 본 침전조는 혐기조건으로 진행됨으로 통상적인 활성슬러지법에서 일어나는 필라멘트성 박테러아의 성장은 일어나지 않는다. 또한, 침전조에서 분리된 미생물 세포의 일부분은 혐기조(3-1)으로 반송시켜 각 반응조의 미생물 농도를 충분히 유지시킴과 동시에 적절한 체류시간을 확보한다.

Claims (6)

1. 하/폐수 원수를 1차 점전조(1)에 유입시켜 일점시간 머물게 하여 조대입자를 침전시키고, 분배 탱크(2)로 유도하여 분배 탱크내로 유입된 하/폐수 원수의 일부는 암모니아와 이온 교환할 수 있고 질산화균이 부착되어 있는 필터(4)로 보내고 나머지는 혐기조(3-1), 무산소조(3-2) 및 호기조(3-3)으로 구성된 반응조(3)의 통기성 미생물의 혐기조(3-1)으로 보내고, 필터(4)를 통과한 원수와 혐기조(3-1)를 거친 원수를 무산소조(3-2)에서 탈질소화한 다음, 호기조(3-3)으로 보내어 윈수중의 잔여 암모니아성 질소를 질산화처리하고 잔여 생물학적 요구량을 처리하고 동시에 탈인화한 후, 호기조(3-3)처리수의 일부분을 무산소조(3-2)으로 반송하여 재차 탈질소화하고, 2차 침전조(5)로 보내어 세포와 처리수를 분리하는 것으로 이루어지는 하/폐수중의 질소와 인의 생물학적 인속 처리 공정.
2. 제 1 항에 있어서, 상기한 필터(4)는 MO,A1₂O₃,mSiO₂·nH₂O(M은 알칼리 토금속)으로 표시되는 함수 알루미늄을 주성분으로 하는 천연 제오라이트로 구성됨을 특징으로 하는 공정.
3. 제 2 항에 있어서, 상시한 필터(4)는 재생수의 주입없이 제오라이트에 미생물을 입혀서 재생됨을 특징으로 하는 공정.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기한 필터(4)는 제오라이트 표면에 니트로스모나스(Nitrosomonas),니트로박터(Nitrobacter)와 같은 질산화균을 입혀서 제오라이트내로 이온 고환되어 축적되는 암모늄이온을 질산화시킴으로서 재생수의 유입없이도 제오라이트의 이온 교환 용량이 유지되어짐을 특징으로 하는 공정.
5. 제 1 항에 있어서, 필터(4)로 분배되는 하/폐수의 양은 분배 탱크(2)에서 분배되는 하/폐수 총량의 10내지 40%로 하는 것을 특징으로 하는 공정.
6. 제 1 항에 있어서, 호기조(3-3)으로부터 무산소조(3-2)로 반송되는 호기조 처리수의 반송량은 무산소조(3-2)로부터의 유입량에 대하여 15 내지 30%임을 특징으로 하는 공정.