WO2012067453A2 - 생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 하·폐수처리 장치 및 방법 - Google Patents

생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 하·폐수처리 장치 및 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a sewage and wastewater treatment apparatus and method using a biofilm and aerobic granule sludge, and more particularly, to a bioreactor and aerobic granule sludge in a single reactor, and to remove organic matter, nitrogen and phosphorus through internal circulation.
  • the present invention relates to a sewage and wastewater treatment apparatus and method using biofilm and aerobic granule sludge which have greatly improved efficiency.
  • continuous flow type advanced treatment method is mainly applied to large sewage treatment plants, and SBR technology for the purpose of elastic response of inflow flow in small and medium scale. This is being applied a lot, and the method using a contact agent is also being applied a lot.
  • the continuous flow sewage treatment methods such as A / O or A2 / O are differentiated according to the target materials to be treated. In Korea, many methods for removing nitrogen and phosphorus simultaneously have been developed and applied.
  • the C / N ratio which is the ratio of organic matters required for nitrogen and phosphorus removal, is low, which makes it difficult to operate the development process efficiently.
  • the technical review such as the change of design parameters, is not sufficient in advance, so the desired effect is not achieved.
  • an immersion type membrane separation process (MBR) has been applied to replace the solid-liquid separation by gravity settling with membrane separation and increase the concentration of microorganisms in the reactor to improve treatment efficiency.
  • MLR immersion type membrane separation process
  • the immersion membrane separation process directly immerses the membrane module in the aeration tank, the use of the circulation pump and the settling tank is unnecessary, and the air bubbles supplied through the acid pipes provide oxygen to the microorganisms and cause upward flow at the same time, thereby causing shear stress on the surface of the membrane.
  • Filtrate is obtained by depressurizing the effluent using a suction pump, which is usually operated under a membrane penetration pressure of 0.5 bar or less.
  • the main object of the present invention is to facilitate the after-treatment process to facilitate the separation of solid-liquid liquid, and to significantly reduce the equipment and maintenance costs by reducing the additional equipment according to the mechanical equipment and processing functions compared to the conventional SBR method, organic matter,
  • the present invention provides a sewage and wastewater treatment apparatus and method using biofilm and aerobic granule sludge that can improve nitrogen and phosphorus treatment efficiency.
  • the present invention is a transport pump for introducing the waste water into the device through the inlet pipe;
  • the anaerobic and anoxic states are maintained so that dephosphorization and denitrification of the sewage and wastewater introduced from the transfer pump is carried out, and nitrification, organic material oxidation and phosphorus excess intake of the biofilm unit equipped with a biofilm and the treated water treated in the biofilm unit.
  • Reaction is maintained so that the aerobic state is carried out, the inside is equipped with aerobic granule sludge filled with aerobic granule sludge portion;
  • An air supply unit for injecting air upward into the aerobic granule sludge portion of the reactor;
  • it provides a sewage and wastewater treatment apparatus using a biofilm and aerobic granule sludge comprising an internal circulation pump for circulating the treated water treated in the aerobic granule sludge portion of the reactor to the biofilm portion of the reactor.
  • the present invention also comprises the steps of (a) introducing the wastewater into the biofilm part of the anaerobic and anoxic state through a transfer pump to perform dephosphorization; (b) passing the dephosphorized treated water through a biofilm to perform denitrification using denitrification microorganisms attached to the biofilm; (c) introducing the denitrified treated water into the aerobic granule sludge and performing nitrification, organic material oxidation and phosphorus excess intake using the aerobic microorganisms contained in the aerobic granule sludge; (d) circulating the nitrified, organic material oxidized and phosphorus-ingested treated water to the biofilm part to perform dephosphorization and denitrification; And (e) repeatedly performing steps (b), (c) and (d) to remove organic matter, nitrogen and phosphorus from the sewage and wastewater, and to provide a wastewater treatment method using the wastewater treatment apparatus. do.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a wastewater treatment apparatus using a biofilm and aerobic granule sludge according to the present invention.
  • the transfer pump for introducing the waste water into the device through the inlet pipe;
  • the anaerobic and anoxic states are maintained so that dephosphorization and denitrification of the sewage and wastewater introduced from the transfer pump is carried out, and nitrification, organic material oxidation and phosphorus excess intake of the biofilm unit equipped with a biofilm and the treated water treated in the biofilm unit.
  • Reaction is maintained so that the aerobic state is carried out, the inside is equipped with aerobic granule sludge filled with aerobic granule sludge portion; An air supply unit for injecting air upward into the aerobic granule sludge portion of the reactor; And an internal circulation pump for circulating the treated water treated in the aerobic granule sludge portion of the reactor to the biofilm portion of the reactor.
  • the sewage and wastewater treatment apparatus using the biofilm and aerobic granule sludge according to the present invention utilizes the dissolved oxygen distribution according to the depth of the reaction tank, the anaerobic and anaerobic regions composed of the biofilm portion, and the aerobic region composed of the aerobic granule sludge portion.
  • the aerobic granule sludge is injected to form an aerobic zone for organic matter oxidation, nitrification and phosphorus overingestion, and the sewage and wastewater are internally discharged to denitrate and dephosphorize organic and organic wastewater.
  • the additional equipment according to the handling is reduced it is possible to reduce equipment and maintenance costs.
  • the sewage and wastewater treatment apparatus using the biofilm and aerobic granule sludge according to the present invention includes a transfer pump 5, a reaction tank 10, an air supply unit 25, and an internal circulation pump 30. .
  • the transfer pump 5 is for supplying the waste water and waste water into the reaction tank 10 by a predetermined amount, and the waste water supply pipe 6 on the discharge side of the waste pump of the transfer pump 5.
  • the connection is installed so that the end of the inlet pipe 6 is located in the lower portion of the reaction tank (10).
  • the reaction tank 10 is maintained in an anaerobic and anoxic state so that dephosphorization and denitrification of the wastewater introduced from the transfer pump is performed, and the biofilm unit 11 and the biofilm unit having the biofilm 15 mounted therein (
  • the aerobic state is maintained so that nitrification, organic matter oxidation and phosphorus excess ingestion of the treated water treated in 11) are performed, and the aerobic granule sludge 20 includes an aerobic granule sludge part 12 injected therein.
  • a detection sensor unit for detecting dissolved oxygen concentration (DO), hydrogen ion concentration (pH), redox potential (ORP), water level meter (WLG), and temperature in the reaction tank 10 and the detection therein.
  • a control unit for controlling the transfer pump 5, the air supply unit and the internal circulation pump to be described later.
  • the control unit combines a variety of data sensed by the detection sensor unit in a micro-process transfer pump (5) through a power line communication (Power Line Communication, PLC) control device in accordance with the treatment state of the waste water of the reactor 10, It is configured to automatically control the air supply unit 25 and the internal circulation pump 30 and the like.
  • PLC Power Line Communication
  • the biofilm unit 11 includes a biofilm 15, which is a microbial carrier which is installed spaced apart from the bottom of the reactor 10 at a predetermined interval, and a predetermined space under the biofilm 15, Predetermined space of the reaction tank in which the biofilm 15 is spaced is maintained in an anaerobic state of dissolved oxygen of 0.1 ppm or less by the depth of the reactor 10, and the region in which the biofilm is mounted is 0.1 ppm to 1 ppm in anoxic state. Is maintained.
  • the predetermined space of the reaction tank in which the biofilm is spaced is maintained in the anaerobic state to perform dephosphorization reaction of sewage and wastewater, and denitrification reaction is performed by denitrification microorganisms attached to the biofilm in the biofilm.
  • the biofilm 15 is treated with the microorganisms attached to the surface of the carrier while the wastewater introduced into the reaction tank 10 is physically treated by the carrier itself.
  • the microorganisms attached to the carrier surface is a high concentration of anaerobic, such as microcode kusu (Micrococcus), Pseudomonas (Pseudomonas), O Como bakteo (Archomobacter), Bacillus (Bacillus), para cock kusu (Paracoccus), acetonitrile tumefaciens (Acetobacterium) Microorganisms, preferably denitrifying microorganisms.
  • Such anaerobic microorganisms can be intensively treated by long-term contact with hardly decomposable substances. Accordingly, the degradability of the anaerobic microorganisms to the hardly decomposable substance is enhanced, and as a result, the hardly decomposable substance is rapidly decomposed.
  • anaerobic microorganisms since anaerobic microorganisms have superior adhesion to suspended solids, anaerobic microorganisms can be maintained at a high concentration more efficiently than using carriers.
  • the carrier is a fixed phase, the material is not limited in the present invention, it is used as known in the art. Typically, polyvinyl chloride, polyetherene, polyethersulfone, polyfluoride vinylladen, polytetrafluoroethylene, ceramics and the like are possible.
  • organic matter is not only released when nitrogen nitrate (NO X _N) is released (denitrified) into nitrogen (N 2 ) gas, but also phosphorus accumulating microorganisms are accumulated in the form of poly- ⁇ -hydroxybutyl acid (PHB).
  • PHB poly- ⁇ -hydroxybutyl acid
  • the sewage and wastewater treatment apparatus using the biofilm and aerobic granule sludge according to the present invention is to install the biofilm 15 in the lower portion of the reactor 10 to supply the limited organic matter to the microorganisms as early as possible,
  • the interference of the toxic inducing substances to activate the activity of the weaker microorganisms relatively weaker than the denitrifying microorganisms and to maintain a high mixed solution suspended solids (MLSS) concentration by the adherent microorganisms fixed to the carrier to be described later aerobic granule sludge (20)
  • MMS mixed solution suspended solids
  • the aerobic granule sludge part 12 is treated with water from the biofilm part 11 and the air is supplied from the outside to maintain an aerobic state with a dissolved oxygen concentration of 3 ppm or more, phosphorus excess intake, nitrification reaction and organic matter
  • the oxidation reaction is carried out, the aerobic granule sludge 20 is injected therein.
  • the aerobic granule sludge 20 is an aerobic microorganisms contained in activated sludge due to biological, physical, and chemical factors, etc. without expensive carriers, rotating bodies, etc., which are self-immobilized with each other and are granulated with one another. It is floated by the air supplied upward from (25) to perform organic oxidation, nitrification and excess intake of phosphorus in sewage water.
  • the breathable granules of aerobic microorganisms contained in the sludge 20 can be used without limitation so long as it is used in the art, preferably nitro consumption eggplant (Nitrosomonas), nitro vector (Nitrobacter), komaen Pseudomonas (Comamonas), Plastic beam Aerobic and breathable anaerobic microorganisms such as Bacterium ( Flavobacterium ) and Dysgonomonas can be used.
  • the average diameter of the aerobic granule sludge 20 is 1 ⁇ 3mm, if the average diameter of the aerobic granule sludge 20 is less than 1mm may blockage on the surface of the immersion membrane, the average diameter exceeds 3mm In this case, the structure of the aerobic granule sludge may be weakened due to organic matter restriction inside the aerobic granule sludge.
  • the amount of filling the aerobic granule sludge 20 in the reaction tank 10 is adjusted by the control according to the concentration of the mixed liquid suspended solids (MLSS) of the reaction tank.
  • concentration of the mixed liquid suspended solids (MLSS) of the reaction tank is less than 2,000 mg / L, and organic matters are not removed and nitrified, and the concentration of the mixed liquid suspended solids (MLSS) is increased. If it exceeds 7,000mg / L there is a problem that the aerobic granule sludge structure is weakened due to the lack of organic matter.
  • the aerobic granule sludge is already granulated, it is possible to maintain a high concentration of aerobic microorganisms in the reactor as it is injected into the reactor (10), so that it can maintain strong resistance to the impact load of organic matter, and thus a sedimentation tank (not shown).
  • a sedimentation tank (not shown)
  • the aerobic granule sludge is activated in a rich state in the reaction tank to increase the homogeneity of the aerobic microorganisms to quickly remove the remaining organic matter and at the same time increase the efficiency of nitrification and excess intake efficiency of phosphorus.
  • the air supply unit 25 is installed on the upper portion of the biofilm 15, a plurality of aeration nozzles 26 and the aeration nozzle for injecting air toward the upper portion of the reaction tank 10 filled with aerobic granule sludge 20 It includes an air supply unit 27 for supplying air to the plurality of aeration nozzles (26).
  • the air supply unit 25 injects air toward the upper portion of the reaction tank 10 in which the aerobic granule sludge 20 is filled, so that aerobic conditions are performed on the upper portion of the reaction tank in which the aerobic granule sludge 20 is filled to perform organic material oxidation and nitrification.
  • dissolved oxygen concentration is controlled to 0.2 ppm or less to maintain anaerobic and anaerobic conditions.
  • the air supply unit 25 injects air into the aerobic granule sludge at 4 ⁇ 7L / min.
  • the internal circulation pump 30 is installed in the upper portion of the reactor 10 to circulate the organic matter oxidized and nitrified supernatant to the anaerobic and anoxic region of the lower portion of the reactor through the transfer pipe (31).
  • the internal circulation of the supernatant is performed according to the detection signal of the detection sensor unit (not shown) after measuring the dissolved oxygen concentration, the redox potential, etc. in the upper and lower portions of the reactor using the above-described detection sensor unit.
  • the sewage and wastewater treatment apparatus using the biofilm and aerobic granule sludge according to the present invention may be provided with a conveying pump 35 for conveying the treated water nitrified by the aerobic granule sludge 20 to the biofilm lower region.
  • the sewage and wastewater treatment apparatus using the biofilm and aerobic granule sludge according to the present invention is provided with a membrane device 36 or a precipitation tank (not shown) such as a hollow fiber membrane or a flat membrane at the top or the rear end to discharge the supernatant treated in the reaction tank. It is possible to minimize the volume of the whole sewage and wastewater treatment device.
  • the present invention includes the steps of (a) performing the dephosphorization by introducing the wastewater into the biofilm part of the anaerobic and anoxic state through a transfer pump; (b) passing the dephosphorized treated water through a biofilm to perform denitrification using denitrification microorganisms attached to the biofilm; (c) introducing the denitrified treated water into the aerobic granule sludge and performing nitrification, organic material oxidation and phosphorus excess intake using the aerobic microorganisms contained in the aerobic granule sludge; (d) circulating the nitrified, organic material oxidized and phosphorus-ingested treated water to the biofilm part to perform dephosphorization and denitrification; And (e) repeatedly performing steps (b), (c) and (d) to remove organic matter, nitrogen and phosphorus from sewage and wastewater. It is about.
  • the sewage / wastewater treatment apparatus using the biofilm and aerobic granule sludge according to the present invention first discharges the sewage / wastewater to the lower portion of the reactor in the anaerobic state with a transfer pump 5 to release phosphorus preferentially, and then enters the biofilm in the anaerobic state. After inducing denitrification, the denitrified treated water passes through the biofilm 15 to perform organic oxidation, nitrification and excess ingestion of phosphorus in the aerobic granule sludge 20 region in aerobic state.
  • the treated water which has been subjected to organic matter oxidation, nitrification and phosphorus overingestion, is recycled back to the biofilm portion of the reaction tank 10 through the internal circulation pump 30 to release denitrification and phosphorus from the anaerobic and anaerobic regions equipped with the biofilm 15. This is done, and this process occurs repeatedly to efficiently remove organics, nitrogen and phosphorus.
  • the sewage and wastewater treatment apparatus using the biofilm and aerobic granule sludge of the present invention is first introduced into the lower portion of the reaction tank 10 in the anaerobic and anaerobic tank state, and the organic matter by the smooth supply of the organic matter of the introduced sewage and wastewater. It increases the dephosphorization efficiency by activating the activity of phosphorus accumulation microorganisms, and forms a strong growth condition of the microorganisms attached to the biofilm.
  • PAOs phosphorous accumulating organisms
  • the main dominant species of PAOs are diffused and moved into the cells of acinetobacter, using acetyl coenzyme (AcCoA, Acetyl) using energy generated by the decomposition of intracellular phosphate ions (Poly-P, Poly-phosphate) in the anaerobic state. is changed to -CoA), active phosphate ions (P while AcCoA is through the TCA (tricarboxylic acid) Cycle stored in a state PHB (Poly- ⁇ - hydroxybutyrate) - emits a).
  • AcCoA acetyl coenzyme
  • TCA tricarboxylic acid
  • the sewage and wastewater which floated to the upper part of the biofilm through the process as described above is formed by excessive intake of phosphorus, nitrification and organic oxidation by the aeration and aerobic granule sludge 20 of the air supply unit 25.
  • the organic material oxidation is obtained by actively decomposing organic matter by aerobic microorganisms contained in aerobic granule sludge and sewage and wastewater in the reaction tank to obtain energy, and by synthesizing the organic matter in sewage / wastewater to new cells of microorganisms (C 5 H 7 O 2 N), CO 2 and the like is removed to remove.
  • C 5 H 7 O 2 N new cells of microorganisms
  • the nitrification reaction in the aerobic region is performed by aerobic microorganisms ( Nitrosomonas ) containing organic nitrogen (Nan 3) and ammonia nitrogen (NH 3 -N) contained in the sewage and wastewater. and by the nitro vector (Nitrobacter), such as, aerobic autotrophic microorganisms (AerobicAutotrophicBacteria)] it is converted to the disintegration of the NH 3 -N.
  • NH 3 -N is converted into nitrate nitrogen (NO 3 -N) via nitrite nitrogen (NO 2 -N) by a microorganism oxidizing it.
  • These microorganisms grow by oxidizing ammonia with oxygen.
  • the nitrification process of ammonia in water in the form of ammonia ions (NH 4 + ) is as follows.
  • PAOs Phosphate accumulating organisms contained in the aerobic granule sludge in the aerobic region of the reactor 10 ingest phosphate ions (orthophosphate) from the outside while decomposing PHB stored in the cell into oxygen in an aerobic state.
  • Poly-phosphate is stored intracellularly.
  • PAOs the main predominant species of PAOs is Acinetobacter
  • PAOs increases from the outside. Is removed.
  • the treated water in which phosphorus excess intake, organic matter oxidation and nitrification is circulated internally to the biofilm part and is transferred to the reactor in the anaerobic and anoxic state.
  • the decomposition of organic matter by anaerobic microorganisms can be divided into two stages.
  • organic acids are converted into organic acids such as acetic acid (CH 3 COOH) or lopionic acid (CH 3 CH 2 COOH) by organic acid producing bacteria, and in the case of proteins, ammonia (NH 3 ) is produced in addition to organic acids during decomposition. do.
  • organic acids such as acetic acid (CH 3 COOH) or lopionic acid (CH 3 CH 2 COOH)
  • NH 3 ammonia
  • the organic acid produced in the first stage is converted by the methane producing bacteria into the final products methane and carbon dioxide.
  • the growth rate of organic acid producing bacteria is high while the growth rate of methane producing bacteria is slow, so the efficiency of sewage and wastewater treatment by anaerobic methods is more dependent on the role of methane producing bacteria than organic acid producing bacteria.
  • Organic matter by methane producing bacteria is converted to C 5 H 7 O 2 N, CH 4 , CO 2 and the like.
  • the decomposition process is expressed as follows.
  • NO 3 -N produced by nitrification in the anaerobic region of the reactor is reduced to harmless nitrogen gas (N 2 ) and released into the atmosphere by the microorganisms of the biofilm which reduces it again.
  • Denitrifying microorganisms are facultative heterotrophic bacteria unlike the nitrification reactions described above. When there is sufficient dissolved oxygen, the aerobic autotrophic microorganisms (nitrification microorganisms, nitrous oxide microorganisms, etc.) are predominantly active in obtaining oxygen as an electron acceptor, whereas the denitrifying microorganisms in which oxygen and nitrates are energized as nutrient sources.
  • denitrifying microorganisms may include microcode kusu (Micrococcus), Pseudomonas (Pseudomonas), O Como bakteo (Archomobacter) and Bacillus (Bacillus).
  • An example of a denitrification scheme is as follows.
  • the sewage and wastewater treatment apparatus using the biofilm and aerobic granule sludge according to the present invention was manufactured to evaluate organic treatment efficiency according to various substrates.
  • the reactor volume of the sewage / wastewater treatment system using biofilm and aerobic granule sludge was 10 l, and the activated carbon carrier (Lianyungang Jinli Carbon CO. LTD) with microorganisms such as Pseudomonas was placed 50 mm from the bottom of the reactor. After fixed installation, the aerobic microorganism-attached activated carbon carrier was filled with aerobic granule sludge granulated with sludge containing nitrosomonas or the like.
  • the activated carbon carrier Lianyungang Jinli Carbon CO. LTD
  • the aerobic microorganism-attached activated carbon carrier was filled with aerobic granule sludge granulated with sludge containing nitrosomonas or the like.
  • the biofilm was prepared by inoculating anaerobic sludge containing microorganisms such as Pseudomonas in an anaerobic reactor filled with activated carbon, and then operating for 5 months.
  • the aerobic granule sludge was aerobic
  • the aerobic granule sludge was prepared by inoculating the granule sludge preparation reactor and operating in a continuous batch (injection, granule formation, granule precipitation and supernatant discharge) while injecting sewage and wastewater containing ammonia into the aerobic granulation preparation reactor.
  • the average diameter of the aerobic granule sludge was about 2 mm, the injection amount of the aerobic granule sludge was adjusted to 5,000 mg / L based on MLSS.
  • the hydraulic residence time in the reactor was operated for 2 hours, and the air injection amount was adjusted to 5 L / min.
  • the conveying speed from the upper part of the reactor to the lower part was about three times the inflow flow rate, and the conveyance in the biofilm in the lower part of the apparatus was operated at 0.5 times the inflow flow rate.
  • the organic matter loading rate of the conventional activated sludge process is 0.3 ⁇ 0.6kg BOD5 / day m3 (Tom D. Reynolds et al , Unit Operations and Processes in environmental Engineering, Wadsworth Publishing Company, 1996), whereas the sewage and wastewater of the present invention
  • the organic matter loading rate in the treatment device was 2.9kg BOD5 / day m 3 when glucose was used as the substrate, indicating that the treatment efficiency was excellent.
  • the sewage and wastewater treatment apparatus using the biofilm and aerobic granule sludge of the present invention has high wastewater treatment efficiency because the organic matter oxidation, nitrification and phosphorus excess intake by aerobic granule sludge and denitrification and phosphorus release by living organisms are performed smoothly.
  • the stability of aerobic granule sludge increased during long-term operation. It is believed that the biofilm and aerobic granule sludge are located in one reactor to maintain mutually complementary relationship, thus maximizing organic, nitrogen and phosphorus removal efficiency.
  • the apparatus was operated under the conditions and the conditions used in Example 1, but the activated carbon carrier having the anaerobic microorganism attached to the bottom of the reactor was removed from the apparatus used in Example 1, and the aerobic granule Performance evaluations were carried out under aerobic conditions using two devices each equipped with sludge or activated sludge.
  • the MLSS of the initial reactor was 5,000mg / L, and the internal transport was not carried out, and the transmembrane hydrostatic pressure was measured by increasing the flux from 20LMH to 70LMH in 10LMH increments and operating for 2 hours in each section to change the transmembrane hydrostatic pressure. was observed.
  • the sewage / wastewater treatment apparatus using the biofilm and aerobic granule sludge according to the present invention can introduce aerobic granule sludge which has not been introduced in the existing advanced treatment to the upper part of the reaction tank, and thus it is possible to remove organic matter stably even when an instantaneous organic impact load occurs.
  • the sludge clusters present in each layer in the granule sludge facilitate the nitrification and denitrification, and the high sedimentation of the granulated sludge enables the solid-liquid separation in a short time. Additional equipment according to the facilities and treatment functions can be significantly reduced to reduce the equipment and maintenance costs, and by combining with the biofilm in the lower part of the reactor can maximize the removal efficiency of organic matter, phosphorus and nitrogen.

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Abstract

본 발명은 생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 하·폐수 처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 단일 반응조내에 생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 순차적으로 포함하고, 내부순환을 통해 유기물, 질소 및 인의 제거효율을 대폭 향상시킨 생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 하·폐수 처리장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 하·폐수 처리장치는 기존 고도처리에서 도입하지 않았던 호기성 그래뉼 슬러지를 반응조 상부에 도입하여 순간적인 유기물 충격부하가 발생하여도 안정적인 유기물 제거가 가능하고, 호기성 그래뉼 슬러지 내에 층별로 존재하는 슬러지 군집에 의하여 질산화 및 탈질도 원활히 진행시킬 수 있는 동시에, 그래뉼화된 슬러지의 높은 침강성으로 빠른 시간내에 고액분리가 가능함에 따라 원활한 후처리공정 운영이 가능할 뿐만 아니라, 기계설비 및 처리기능에 따른 부가설비가 대폭 축소되어 설비 및 유지비용을 절감할 수 있고, 반응조 하부의 생물막과의 결합으로 유기물, 인 및 질소의 제거효율을 극대화시킬 수 있다.

Description

생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 하·폐수처리 장치 및 방법
본 발명은 생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 하·폐수처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 단일 반응조내에 생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 순차적으로 포함하고, 내부순환을 통해 유기물, 질소 및 인의 제거효율을 대폭 향상시킨 생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 하·폐수처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 환경부가 2007년까지 15개 다목적댐 상류지역의 하수도 보급률을 75.2%까지 향상(2001년 기준 27.4%) 시키기 위해 다목적댐 상류지역의 하수처리장 확충 사업을 추진함에 따라 수질개선을 위하여 하수처리시설 및 댐상류 하수도시설, 농어촌 마을하수도를 포함한 하수처리분야에 2007년 총 8,894억원을 투자하였으며, 방류수 수질기준 강화 측면에서는 1996년 1월 1일부터 총인(T-P)과 총질소(T-N)의 방류수 수질기준을 수질환경보전법에 명시하여 규제하기 시작하여 2008년 1월 1일부터 BOD 10 mg/L, COD 40 mg/L, SS 10 mg/L, T-N 20 mg/L, 및 T-P 2 mg/L로 전국적으로 강화되었다 (환경백서, 2007).
현재 운영되고 있는 하폐수 처리장은 대부분 유기물과 고형물에 중점을 둔 활성슬러지 공법으로 설계되어왔다. 하지만, 강화된 법규는 유기물 이외에 고도처리공정에 초점이 맞추어져 있으며, 현재 국내에는 고도처리 공정 설치가 진행중에 있으나, 운영되고 있는 고도처리 시설은 외국의 공법을 그대로 들여와 설치된 것들이 많아 낮은 C/N비를 갖는 국내 하수 처리에는 부적합한 경우가 많고, 폐수의 경우에도 방류수 수질기준에 맞추어 처리하는 것이 어려운 실정이다.
또한, 우리나라의 하수 고도 처리 공법의 적용 현황을 검토하여 보면, 대규모 하수처리장의 경우에는 주로 연속 흐름식 고도처리 공법이 적용되고 있으며, 중소규모의 경우에는 유입 유량의 탄력적인 대응을 목적으로 SBR 기술이 많이 적용되고 있고, 접촉제를 활용하는 공법도 많이 적용되고 있는 추세이다. A/O나 A2/O와 같은 연속 흐름식 하수처리 공법은 처리하고자 하는 대상물질에 따라 공법이 차별화되어 있으며, 우리나라에서는 주로 질소 및 인을 동시에 제거하는 공법들이 많이 개발되고 적용되는 추세이다.
그러나, 외국과는 달리 우리나라의 경우에는 질소 및 인 제거에 필요한 유기물의 비인 C/N비가 낮아 개발공법의 효율적 운영에 다소 어려움이 있으며, 특히, 외국에서 개발된 기술을 국내에 도입하여 적용하는 경우, 설계 인자의 변경 등 기술적인 검토가 사전에 충분하지 않기 때문에 목적하는 효과를 얻지 못하는 실정이다.
또한, 이러한 공법들 대부분이 부유 미생물을 이용한 생물학적 고도 처리 공법이므로 유입수의 특성 및 운전방법에 따라 벌킹 및 포밍(foaming)이 빈번히 발생하는 등의 고액 분리와 처리 효율상의 여러 문제를 안고 있다.
이에, 최근 국내에도 이러한 부유 미생물의 단점을 해결하기 위해서 중력침전에 의한 고액 분리를 막분리로 대체하고 반응조내의 미생물 농도를 증가시켜 처리 효율을 향상시키기 위한 침지형 막분리 공정(MBR)이 적용되고 있다. 상기 침지형 막분리 공정은 분리막 모듈을 포기조에 직접 침지시키기 때문에 순환펌프 및 침전조의 사용이 불필요하며 산기관을 통해 공급된 공기방울들은 미생물에 산소를 공급함과 동시에 상향류를 일으켜 분리막의 표면에 전단응력을 가하여 분리막의 오염을 방지한다. 여과수는 흡입펌프를 이용해서 유출수부를 감압하여 얻게 되는데, 보통 막투과 압력이 0.5bar 이하인 조건에서 운전된다.
그러나, 침지형 막분리 공정 또한 기존의 막분리 공정과 마찬가지로 막 투과 시간에 따른 막 오염 현상 발생으로 인한 주기적인 막 교체가 필수적이며, 막의 세정을 위해 포기조 내에 과다한 공기를 공급함으로 포기내에 필요 이상의 높은 DO농도가 유지되고, 이로 인한 높은 에너지 소모가 단점으로 지적되고 있다. 또한, 국내의 환경 규제가 강화되면서 침지형 막분리 공법이 비교적 적은 부지와 안정적인 처리효율로 많은 적용이 시도되고 있지만, 아직까지 핵심요소인 분리막과 모듈 제작 기술을 외국기술에 전적으로 의존하고 있어 가격이 고가이며, 분리막 오염 방지 기술, 시스템 설계 및 운전기술의 경제적인 측면을 해결하기 위한 기술개발 확립 등의 과제를 안고 있다.
이에, 본 발명자들은 상기 종래기술의 문제점을 해결하고자 예의 노력한 결과, 하·폐수 주입시 인의 방출이 먼저 이루어지도록 반응조 하부에 생물막이 구비된 혐기 및 무산소 영역을 형성하고, 반응조 상부에는 유기물 산화, 질산화 및 인 과잉섭취가 이루어지도록 호기성 그래뉼 슬러지가 주입된 호기 영역을 형성한 다음, 상기 유기물 산화, 인 과잉섭취 및 질산화가 이루어진 하·폐수를 내부순환을 통해 무산소 및 혐기 영역의 반응조 하부에 유입시켜 탈질 및 인 방출을 수행할 경우, 하·폐수에 함유된 유기물, 질소 및 인의 제거 효율을 향상시킬 뿐만 아니라, 원활한 고액분리가 가능하여 후처리 공정 운영이 수월하고, 장치의 부피를 최소화할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
발명의 요약
본 발명의 주된 목적은 원활한 고액분리가 가능하여 후처리 공정 운영이 수월하고, 종래 SBR공법에 비해 기계설비 및 처리기능에 따른 부가설비가 대폭 축소되어 설비 및 유지비용을 절감할 수 있으며, 유기물, 질소 및 인 처리효율을 향상시킬 수 있는 생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 하·폐수 처리장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하·폐수를 유입관을 통해 장치내로 유입시키는 이송펌프; 상기 이송펌프로부터 유입된 하·폐수의 탈인 및 탈질이 수행되도록 혐기 및 무산소 상태가 유지되고, 내부에는 생물막이 장착된 생물막부 및 상기 생물막부에서 처리된 처리수의 질산화, 유기물 산화 및 인 과잉섭취가 수행되도록 호기 상태가 유지되고, 내부에는 호기성 그래뉼 슬러지가 충진된 호기성 그래뉼 슬러지부가 구비된 반응조; 상기 반응조의 호기성 그래뉼 슬러지부에 공기를 상향으로 주입시키는 공기 공급부; 및 상기 반응조의 호기성 그래뉼 슬러지부에서 처리된 처리수를 상기 반응조의 생물막부로 순환시키는 내부순환 펌프를 포함하는, 생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 하·폐수 처리장치를 제공한다.
본 발명은 또한, (a) 이송펌프를 통해 하폐수를 혐기 및 무산소 상태의 생물막부로 유입시켜 탈인을 수행하는 단계; (b) 상기 탈인된 처리수를 생물막에 통과시켜 생물막에 부착된 탈질화 미생물을 이용하여 탈질을 수행하는 단계; (c) 상기 탈질된 처리수를 호기성 그래뉼 슬러지부로 유입시켜 호기성 그래뉼 슬러지에 함유된 호기성 미생물을 이용하여 질산화, 유기물 산화 및 인 과잉섭취를 수행하는 단계; (d) 상기 질산화, 유기물 산화 및 인 과잉섭취된 처리수를 생물막부로 순환시켜 탈인 및 탈질을 수행하는 단계; 및 (e) 상기 (b), (c) 및 (d) 단계를 반복적으로 수행하여 하·폐수의 유기물, 질소 및 인을 제거하는 단계를 포함하는, 상기 하폐수처리장치를 이용하는 하폐수 처리방법을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 하폐수 처리장치의 계략도이다.
5: 이송펌프 6: 유입관
10: 반응조 11: 생물막부
12: 호기성 그래뉼 슬러지부 15: 생물막
20: 호기성 그래뉼 슬러지 25: 공기 공급부
26: 폭기노즐 27: 공기 공급유닛
30: 내부순환 펌프 31: 이송관
35: 반송펌프 40: 막장치
41: 배출펌프
발명의 상세한 설명 및 구체적인 구현예
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법 은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본 발명은 일 관점에서, 하·폐수를 유입관을 통해 장치내로 유입시키는 이송펌프; 상기 이송펌프로부터 유입된 하·폐수의 탈인 및 탈질이 수행되도록 혐기 및 무산소 상태가 유지되고, 내부에는 생물막이 장착된 생물막부 및 상기 생물막부에서 처리된 처리수의 질산화, 유기물 산화 및 인 과잉섭취가 수행되도록 호기 상태가 유지되고, 내부에는 호기성 그래뉼 슬러지가 충진된 호기성 그래뉼 슬러지부가 구비된 반응조; 상기 반응조의 호기성 그래뉼 슬러지부에 공기를 상향으로 주입시키는 공기 공급부; 및 상기 반응조의 호기성 그래뉼 슬러지부에서 처리된 처리수를 상기 반응조의 생물막부로 순환시키는 내부순환 펌프를 포함하는, 생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 하·폐수 처리장치에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 하·폐수 처리장치는 반응조의 수심에 따른 용존산소 분포, 생물막부가 구성하는 혐기조 및 무산소 영역, 호기성 그래뉼 슬러지부가 구성하는 호기성 영역을 활용하면서, 하·폐수에 함유된 질소, 인 및 유기물 처리를 극대화하는 기술로, 하·폐수 주입시 인의 방출이 먼저 이루어지도록 반응조의 하부 즉 생물막부에 혐기 및 무산소 상태의 영역을 형성하고, 반응조 상부에는 유기물 산화, 질산화 및 인 과잉섭취가 이루어지도록 호기성 그래뉼 슬러지가 주입된 호기 영역을 형성한 다음, 유기물 산화, 질산화 및 인 과잉섭취가 이루어진 하·폐수의 탈질 및 탈인을 수행하기 위해 하·폐수를 내부 순환시킴으로써 유기물 농도가 낮은 국내 하수 특성에 부합되게 하며, 기계설비 및 처리기능에 따른 부가설비가 축소되어 설비 및 유지비용을 절감할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.
도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 하·폐수 처리장치는 이송펌프(5), 반응조(10), 공기 공급부(25) 및 내부순환 펌프(30)를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 이송펌프(5)는 하·폐수를 일정량씩 반응조(10) 내부로 공급하기 위한 것으로, 상기 이송펌프(5)의 하·폐수 배출 측에 하·폐수유급관(6)이 연결되어 상기 유입관(6)의 끝단이 반응조(10)의 하부에 위치하도록 설치한다.
상기 반응조(10)는 상기 이송펌프로부터 유입된 하·폐수의 탈인 및 탈질이 이루어지도록 혐기 및 무산소 상태가 유지되고, 생물막(15)이 내부에 장착되어 있는 생물막부(11) 및 상기 생물막부(11)에서 처리된 처리수의 질산화, 유기물 산화 및 인 과잉섭취가 이루어지도록 호기상태가 유지되고, 호기성 그래뉼 슬러지(20)가 내부에 주입되어 있는 호기성 그래뉼 슬러지부(12)를 포함한다.
또한, 반응조(10) 내부에는 반응조 내의 용존산소농도(DO), 수소이온농도(pH), 산화환원전위(ORP), 수위계(WLG) 및 온도를 검출하는 검출센서부(미도시) 및 상기 검출센서부(미도시)에 의해 발생된 검출신호에 따라 이송펌프(5)와 후술되는 공기 공급부 및 내부순환 펌프를 제어하는 제어부(미도시)가 구비될 수 있다. 상기 제어부는 검출센서부에 의해 센싱된 각종 데이터를 마이크로프로세스에서 조합하여 반응조(10)의 하·폐수의 처리상태에 따라 전력선 통신(Power Line Communication, PLC) 제어장치를 통해 이송펌프(5), 공기 공급부(25) 및 내부순환 펌프(30) 등을 자동으로 제어하도록 구성된다. 본 발명에 있어서, 생물막부(11)는 반응조(10) 반응조(10) 바닥으로부터 소정간격으로 이격시켜 설치되는 미생물 담체인 생물막(15) 및 상기 생물막(15) 하부의 소정 공간을 포함하는 것으로, 생물막(15)이 이격된 반응조의 소정의 공간은 반응조(10) 수심에 의해 용존산소가 0.1 ppm이하의 혐기 상태가 유지되고, 생물막이 장착된 영역은 용존산소가 0.1 ppm ~ 1 ppm으로 무산소 상태로 유지된다.
따라서, 생물막이 이격된 반응조의 소정의 공간은 혐기 상태가 유지되어 하·폐수의 탈인반응이 수행되고, 생물막에서는 생물막에 부착된 탈질 미생물 등에 의해 탈질반응이 수행된다.
상기 생물막(15)는 반응조(10)로 유입된 하폐수는 담체 자체에 의해 물리적으로 처리되는 동시에 담체 표면에 막처럼 부착되어 있는 미생물에 의해 생물학적으로 처리된다. 상기 담체 표면에 부착된 미생물은 마이크로코쿠스(Micrococcus), 슈도모나스(Pseudomonas), 아코모박터(Archomobacter), 바실러스(Bacillus), 파라콕쿠스(Paracoccus), 아세토박테리움(Acetobacterium)등과 같은 고농도의 혐기성 미생물이고, 바람직하게는 탈질 미생물을 사용할 수 있다.
이러한, 상기 혐기성 미생물은 난분해성 물질과 장기간 접촉하여 집중적 처리가 가능하다. 이에 따라, 난분해성 물질에 대한 혐기성 미생물의 분해력이 증진되고 결과적으로 난분해성 물질이 신속하게 분해된다. 특히, 혐기성 미생물은 부유성보다 고착성이 우수하므로 담체를 이용하는 경우보다 효율적으로 혐기성 미생물을 고농도로 유지할 수 있다.
또한, 부수적으로 혐기성 미생물의 생장으로 인한 탈질 작용이 유도되어 질산성 질소의 제거가 가능하며, 난분해성 유기물의 소화과정에서 유기산이 생성되어 유기원으로 활용될 수 있어 별도의 영양원 투입을 줄일 수 있는 장점이 있다.
상기 담체는 고정상으로, 재질은 본 발명에서 한정하지 않으며, 당업계에서 공지된 바의 것을 사용한다. 대표적으로, 폴리염화비닐, 폴리에텔렌, 폴리에테르술폰, 폴리플루오르화물비닐라덴, 폴리테트라플루오르에틸렌, 세라믹 등이 가능하다.
일반적으로, 유기물은 질산성질소(NOX_N)가 질소(N2)가스로 방출(탈질)될 때뿐만 아니라, 인 축적 미생물이 폴리-β-히드록시부틸산(PHB)의 형태로 축적되고, 인을 방출시킬 때에도 필요하므로, 하수 내에 포함된 질소와 인의 제거 시, 유기물이 중요 인자로 작용하게 되며 제한된 유기물을 탈질화 미생물과 인축적 미생물에게 적절하게 분배 되도록 하는 것이 중요하다.
또한, 인축적 미생물과 탈질 미생물이 경쟁관계에 있을 때에는 탈질 미생물이 상대적으로 인축적 미생물에 비해 먼저 유기물을 섭취하게 되어 우점종이 된다. 그러므로, 인축적 미생물에게 제한된 유기물을 최대한 먼저 공급하도록 하여 질산성 질소의 독성유발물질의 방해를 줄여주어야 탈질 미생물에 비해 상대적으로 약한 인축적 미생물의 활동을 활성화시킴으로써 질소와 인의 동시 처리가 일어날 수 있게 된다.
이에, 본 발명에 따른 생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 하·폐수 처리장치는 반응조(10)의 하부에 생물막(15)을 설치시켜 제한된 유기물을 인축적 미생물에게 최대한 먼저 공급토록 함으로써, 질산성 질소의 독성 유발물질의 방해를 줄여 탈질 미생물에 비해 상대적으로 약한 인축적 미생물의 활동을 활성화시키고, 담체에 고정된 부착 미생물에 의해 높은 혼합액 부유고형물(MLSS) 농도를 유지하게 하여 후술되는 호기성 그래뉼 슬러지(20)와의 결합으로 질소와 인의 동시 처리가 손쉽게 일어날 수 있도록 구성된다.
본 발명에 있어서, 호기성 그래뉼 슬러지부(12)는 생물막부(11)에서 처리된 처리수가 유입되고 외부에서 공기가 공급되어 용존산소농도가 3ppm 이상인 호기 상태가 유지되어 인 과잉섭취, 질산화 반응 및 유기물 산화반응이 수행되며, 내부에는 호기성 그래뉼 슬러지(20)가 주입되어 있다.
상기 호기성 그래뉼 슬러지(20)는 고가의 담체, 회전체 등의 생물막 없이 생물학적, 물리적, 화학적 요인 등에 의해서 활성 슬러지에 함유된 호기성 미생물들이 서로 자가 고정화 현상을 나타내며 서로 뭉치면서 그래뉼화된 것으로, 공기 공급부(25)로부터 상향으로 공급되는 공기에 의해 부상되어 하폐수의 유기물 산화, 질산화 및 인의 과잉섭취를 수행한다.
상기 호기성 그래뉼 슬러지(20)에 함유된 호기성 미생물은 당업계에서 사용되는 것이라면 국한되지 않고 사용할 수 있고, 바람직하게는 니트로소모나스(Nitrosomonas), 니트로백터(Nitrobacter), 코맨모나스(Comamonas), 플라보박테리움(Flavobacterium), 다스고노모나스(Dysgonomonas)등의 호기성 및 통성혐기성 미생물을 사용할 수 있다.
상기 호기성 그래뉼 슬러지(20)의 평균 직경은 1 ~ 3mm로, 만약 호기성 그래뉼 슬러지(20)의 평균 직경이 1mm 미만인 경우에는 침지막 표면에서의 막힘이 심화될 수 있으며, 평균 직경이 3mm를 초과하는 경우에는 호기성 그래뉼 슬러지 내부에서의 유기물 제한으로 인해 호기성 그래뉼 슬러지의 구조가 약화될 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 호기성 그래뉼 슬러지(20)를 반응조(10)에 충진시키는 양은 반응조의 혼합액 부유고형물(MLSS)의 농도에 따라 조절시켜 충진시킨다. 바람직하게는 2,000 ~ 7,000 mg/L가 되도록 충진시킬 수 있다. 이는 호기성 그래뉼 슬러지(20)가 충진된 반응조의 혼합액 부유고형물(MLSS)의 농도가 2,000mg/L 미만인 경우에는 유기물 제거 및 질산화가 이루어지지 않는 문제가 발생하고, 혼합액 부유고형물(MLSS)의 농도가 7,000mg/L를 초과하는 경우에는 유기물 부족으로 인해 호기성 그래뉼 슬러지 구조가 약화되는 문제점이 있다.
본 발명에서는 호기성 그래뉼 슬러지를 이미 그래뉼화된 상태로 반응조(10)에 주입됨에 따라 반응조내에서 고농도의 호기성 미생물을 유지할 수 있어서 유기물 충격 부하에도 강한 저항성을 유지할 수 있으므로, 후단의 침전조(미도시) 등에서 부유 슬러지 관리가 용이할 뿐만 아니라, 원활한 고액분리가 가능하여 침전조(미도시) 크기를 최소화할 수 있고, 침전조의 대체수단으로 사용될 수 있는 막 분리 공정의 막 폐색 문제도 해결할 수 있다.
또한, 호기성 그래뉼 슬러지는 반응조에서 부유한 상태로 활성화시키므로 호기성 미생물의 균질성을 증가시켜 잔류하는 유기물을 빠르게 제거하는 동시에 질산화 반응의 효율 및 인의 과량 섭취 효율을 높일 수 있다. 본 발명에 있어서, 공기 공급부(25)는 생물막(15)의 상부에 설치되어 호기성 그래뉼 슬러지(20)가 충진된 반응조(10)의 상부를 향하여 공기를 분사하는 다수의 폭기노즐(26) 및 상기 다수의 폭기노즐(26)에 공기를 공급하는 공기 공급유닛(27)을 포함한다.
상기 공기 공급부(25)는 호기성 그래뉼 슬러지(20)가 충진된 반응조(10) 상부를 향하여 공기를 주입함으로써, 호기성 그래뉼 슬러지(20)가 충진된 반응조 상부에는 유기물 산화와 질산화를 수행하도록 호기 조건을 유지시키고, 생물막 하부에서는 용존산소농도가 0.2ppm 이하로 관리하여 혐기 및 무산소 조건을 유지시킨다. 이때, 공기 공급부(25)는 공기를 4 ~ 7L/min로 호기성 그래뉼 슬러지에 주입한다. 만약, 4L/min 미만으로 공기를 주입한 경우, 호기성 그래뉼 슬러지 표면에서의 전단력 부족으로 인해 그래뉼 구조가 약화되고, 7L/min를 초과하여 주입하는 경우에는 높은 에너지 소모에 따른 운전비용 증가 문제가 발생될 수 있다.
본 발명에 있어서, 내부순환 펌프(30)는 상기 반응조(10) 상부에 설치되어 유기물 산화 및 질산화 처리된 상등수를 이송관(31)을 통해 상기 반응조의 하부의 혐기 및 무산소 영역으로 내부 순환시키는 것으로, 이때 상등수의 내부순환은 전술된 검출센서부로 반응조 상부 및 하부의 용존산소농도, 산화환원전위 등을 측정한 다음, 상기 검출센서부(미도시)의 검출신호에 따라 수행된다.
본 발명에 따른 생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 하·폐수처리장치는 호기성 그래뉼 슬러지(20)에 의해 질산화된 처리수를 상기 생물막 하부 영역으로 반송시키는 반송펌프(35)를 구비할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 하·폐수 처리장치는 최상단 또는 후단에 중공사막, 평막 등의 막장치(36) 또는 침전조(미도시)를 구비하여 반응조에서 처리된 상등수를 배출할 수 있어 하·폐수 처리장치 전체의 부피를 최소화할 수 있다.
본 발명은 다른 관점에서, (a) 이송펌프를 통해 하폐수를 혐기 및 무산소 상태의 생물막부로 유입시켜 탈인을 수행하는 단계; (b) 상기 탈인된 처리수를 생물막에 통과시켜 생물막에 부착된 탈질화 미생물을 이용하여 탈질을 수행하는 단계; (c) 상기 탈질된 처리수를 호기성 그래뉼 슬러지부로 유입시켜 호기성 그래뉼 슬러지에 함유된 호기성 미생물을 이용하여 질산화, 유기물 산화 및 인 과잉섭취를 수행하는 단계; (d) 상기 질산화, 유기물 산화 및 인 과잉섭취된 처리수를 생물막부로 순환시켜 탈인 및 탈질을 수행하는 단계; 및 (e) 상기 (b), (c) 및 (d) 단계를 반복적으로 수행하여 하·폐수의 유기물, 질소 및 인을 제거하는 단계를 포함하는, 상기 하·폐수 처리장치를 이용하는 하폐수 처리방법에 관한 것이다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 하·폐수 처리장치의 작동 및 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 하·폐수 처리장치는 먼저 하·폐수를 이송펌프(5)로 혐기 상태의 반응조 하부로 유입하여 인을 우선적으로 방출하고, 무산소 상태의 생물막에 유입시켜 탈질을 유도한 다음, 탈질된 처리수는 생물막(15)을 통과하여 호기 상태의 호기성 그래뉼 슬러지(20) 영역에서 유기물 산화, 질산화 및 인의 과잉섭취가 수행된다.
이와 같이 유기물 산화, 질산화 및 인의 과잉섭취가 수행된 처리수는 내부순환 펌프(30)를 통해 다시 반응조(10)의 생물막부로 재순환되어 생물막(15)가 구비된 무산소 및 혐기 영역에서 탈질 및 인의 방출이 이루어지고, 이러한 과정이 반복적으로 일어나게 함으로써 유기물, 질소 및 인을 효율적으로 제거된다.
본 발명의 생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 하·폐수 처리장치는 혐기 및 무산조 상태의 반응조(10)의 하부로 먼저 하·폐수가 유입되므로써, 유입된 하·폐수의 원활한 유기물의 공급에 의한 유기물을 공급받아 인 축적 미생물의 활동을 활성화시켜 탈인 효율을 증대시키고, 생물막에 부착된 미생물의 왕성한 성장조건을 형성하게 된다.
즉, 유입 하·폐수 중의 인화합물(acetate, acetic acid 이온 상태로 존재)은 혐기 및 무산소 상태의 생물막(15)을 거치면서 충분한 탄소원(영양분)을 확보한 인축적 미생물(PAOs, phosphate accumulating organisms, PAOs의 주된 우점종은 acinetobacter)의 세포내로 확산 이동되면서, 세포내 인산이온의 중합체(Poly-P, Poly-phosphate)가 혐기 상태에서 분해되면서 발생된 에너지(ATP)를 이용하여 아세틸조효소(AcCoA, Acetyl-CoA)로 변화되고, AcCoA가 TCA(tricarboxylic Acid) Cycle을 거쳐 PHB(Poly-β- hydroxybutyrate)상태로 저장되면서 활발히 인산이온(P-)을 방출한다.
상기와 같은 과정을 거쳐 생물막부의 상부로 부상한 하·폐수는 공기 공급부(25)의 폭기 및 호기성 그래뉼 슬러지(20)에 의해 인의 과잉섭취, 질산화 및 유기물 산화가 이루어진다. 상기 유기물 산화는 반응조내에서 호기성 그래뉼 슬러지 및 하·폐수에 함유된 호기성 미생물에 의해 유기물이 활발히 분해되어 에너지를 얻고, 세포합성을 하여 하·폐수 내의 유기물이 미생물의 새로운 세포(C5H7O2N),CO2등으로 전환되어 제거된다. 이때, 1kg의 C5H7O2N을 합성하기 위해서는 0.12kg의 질소와 0.025kg의 인이 소비된다. 이것을 식으로 나타내면 다음과 같다.
CHON(유기물) + O2+영양소 → C5H7O2N+CO2+NH3+기타 생성물
또한, 상기 호기 상태의 영역에서의 질산화 반응은 하·폐수에 함유된 유기질소(Organic Nitrogen) 및 암모니아성 질소(NH3-N)가 호기성 그래뉼 슬러지에 함유된 호기성 미생물[니트로소모나스(Nitrosomonas)와 니트로백터(Nitrobacter)등, 호기성 독립 영양 미생물(AerobicAutotrophicBacteria)]의 분해 작용에 의해 NH3-N로 전환된다. NH3-N은 이를 산화시키는 미생물에 의해 아질산성 질소(NO2-N)를 거쳐 질산성 질소(NO3-N)로 된다. 이러한, 미생물은 산소로 암모니아를 산화시키며 생장한다. 수중에서 암모니아 이온(NH4 +)형태로 존재하는 암모니아의 질산화 과정을 식으로 나타내면 다음과 같다.
22NH4 ++37O2+4CO2+HCO3 -→ C5H7O2N+21NO3 -+20H2O+42H+
상기 반응조(10)의 호기 상태의 영역 내에서 호기성 그래뉼 슬러지에 함유된 인 제거 미생물(PAOs, phosphate accumulating organisms)는 호기성 상태에서 세포내에 저장된 PHB를 산소로 분해하면서 인산이온(orthophosphate)을 외부로부터 섭취하여 Poly-phosphate 형태로 세포내에 저장된다. 이러한, 합성과정에 필요한 에너지원(ATP)를 계속 공급하기 위하여 외부로부터 PAOs(PAOs의 주된 우점종은 Acinetobacter)에 의한 인 섭취량이 증가하게 되는데, 이러한 인 섭취량이 높은 미생물을 슬러지로 제거함으로서 인은 최종적으로 제거된다.
전술된 바와 같이 인 과잉섭취, 유기물 산화 및 질산화가 이루어진 처리수는 생물막부로 내부순환되어 혐기 및 무산소 상태의 반응조로 이송된다. 혐기성 미생물에 의한 유기물 분해 과정은 크게 2단계로 나눌 수 있다.
첫번째 단계에서는 유기산 생성균에 의해 유기물이 초산(CH3COOH)이나 로피온산(CH3CH2COOH)과 같은 유기산으로 전환되며, 단백질의 경우에는 분해되는 과정에서 유기산 이외에 암모니아(NH3)가 생성된다.
두 번째 단계에서는 첫 번째 단계에서 생성된 유기산이 메탄 생성균에 의해 최종 산물인 메탄과 이산화탄소로 전환된다. 유기산 생성균의 증식 속도는 빠른 반면에 메탄 생성균의 증식 속도는 느리기 때문에 혐기성 방법에 의한 하·폐수처리 효율은 유기산 생성균보다는 메탄 생성균의 역활에 의해 좌우된다. 메탄 생성균에 의한 유기물은 C5H7O2N,CH4,CO2등으로 전환된다. 분해과정을 식으로 나타내면 다음과 같다.
CHON(유기물) + H2O+영양소 → C5H7O2N+CH4+CO2+NH3+HCO3+기타 생성물
상기 반응기의 혐기 상태의 영역의 질산화 작용에 의해 생성된 NO3-N은 다시 이를 환원시키는 생물막의 미생물에 의해 무해한 질소가스(N2)로 환원되어 대기 중으로 방출된다. 탈질 미생물은 전술한 질산화 반응의 경우와는 달리 임의성 종속영양 미생물(facultative heterotrophic bacteria)이다. 용존산소가 충분한 경우에는 호기성 독립영양 미생물(질산화 미생물, 아질산화 미생물 등) 이 산소를 전자수용체(electron acceptor)로 에너지를 얻는 활동이 우세해지는 반면, 산소와 질산염을 영양원으로 에너지를 얻는 상기 탈질 미생물의 활동이 억제되므로 탈질작용을 활성화시키기 위해서는 산소공급이 없는 무산소(anoxic) 환경과 충분한 유기물의 공급이 절대적으로 필요하다. 대표적인 탈질 미생물로는 마이크로코쿠스(Micrococcus), 슈도모나스(Pseudomonas), 아코모박터(Archomobacter) 및 바실러스(Bacillus)등이 있다. 탈질화 반응식의 예는 다음과 같다.
NO3 -+1.08CH3OH+H+→ 0.065C5H7O2N+0.47N2+0.76C02+2.44H2O
상기와 같은 혐기/호기/혐기/호기를 반복함으로써 하수내 질소와 인을 제거하게 되며, 이후 침강된 슬러지는 반응조내에 정류시켜 배출펌프(41)을 통해 배출시키거나, 후단에 침전조(미도시)로 이송하여 침전시킨 후 배출한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1: 생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 하폐수처리장치의 처리효율 평가
도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 하·폐수 처리장치를 제작하여 다양한 기질에 따른 유기물 처리효율을 평가하였다.
생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 하·폐수 처리장치의 반응조 부피는 10ℓ 이고, 상기 반응조 바닥에서 50mm 이격된 곳에 슈도모나스(Pseudomonas)등의 미생물이 부착된 활성탄 담체(Lianyungang Jinli Carbon CO. LTD)를 3ℓ으로 고정 설치하고, 상기 혐기성 미생물이 부착된 활성탄 담체 상부에 니트로소모나스(Nitrosomonas)등이 함유된 슬러지가 그래뉼화된 호기성 그래뉼 슬러지를 충진하였다.
상기 생물막은 슈도모나스 등의 미생물이 함유된 혐기성 슬러지를 활성탄 담채를 채운 혐기성 반응기에 접종한 다음, 5개월 동안 운전하여 제조하였고, 상기 호기성 그래뉼 슬러지는 니트로소모나스 등이 함유된 하수처리장 잉여슬러지를 호기성 그래뉼 슬러지 제조반응기에 접종하고, 암모니아가 함유된 하·폐수를 호기성 그래뉼화 제조반응기에 주입하면서 연속회분식(주입, 그래뉼 형성, 그래뉼 침전 및 상등액 배출)으로 운전하여 호기성 그래뉼 슬러지를 제조하였다.
상기 호기성 그래뉼 슬러지의 평균 직경은 약 2mm이고, 호기성 그래뉼 슬러지의 주입량은 MLSS 기준 5,000mg/L로 조절하였다. 이렇게 제작된 생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 하·폐수 처리장치에서 반응조 내의 수력학적 체류시간은 2시간으로 운전하였으며, 공기 주입량은 5L/min으로 조정하였다. 반응조 상부에서 하부로의 반송속도는 유입유량의 3배 정도가 되는 양으로 하고, 장치 하부의 생물막내에서의 반송은 유입유량의 0.5배로 운전하였다.
이와 같은 방식의 연속운전으로 하루당 120L의 인공폐수를 처리하였으며, 기질의 종류에 따른 유기물 제거 효율을 평가하기 위해 다양한 인공 유기물(아세테이트, 글루코오즈 및 당밀)을 기질로 사용하여 측정하였다.
[규칙 제26조에 의한 보정 18.01.2012]　
표 1
Figure WO-DOC-TABLE-84
그 결과, 상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 하·폐수 처리장치를 이용하여 다양한 기질의 인공폐수를 처리함에 있어 화학적 산소요구량(BOD), 총질소(T-N) 및 총인(T-P) 등의 하·폐수처리 효율이 매우 우수한 것으로 나타났고, 특히 당밀의 경우 미생물 분해가 어려운 긴 사슬의 다당류와 리그닌, 셀루로스 등 난분해성 물질을 다량 함유하고 있기 때문에 상대적으로 다른 두 기질에 비해 생물학적 처리가 어렵지만 본 발명의 하·폐수 처리장치를 이용하여 처리한 경우 높은 처리효과를 보였다.
또한, 기존 활성슬러지 공정의 유기물 부하율은 통상 0.3 ~ 0.6kg BOD5/day m3인(Tom D. Reynolds et al, Unit Operations and Processes in environmental Engineering, Wadsworth Publishing Company, 1996) 반면, 본 발명의 하·폐수 처리장치에서의 유기물 부하율은 포도당을 기질로 사용하는 경우 2.9kg BOD5/day m3을 나타내어 처리 효율의 우수함을 알 수 있었다.
따라서, 본 발명의 생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 하·폐수 처리장치는 호기성 그래뉼 슬러지에 의한 유기물 산화, 질산화 및 인 과잉섭취와 생물에 의한 탈질 및 인 방출이 원활히 이루어져 높은 폐수처리효율을 가질 뿐만 아니라, 장기간 운전시 호기성 그래뉼 슬러지의 안정도 또한 증가하였다. 이는 생물막과 호기성 그래뉼 슬러지가 한 반응조에 위치하여 서로 상호보완적인 관계를 유지함에 따라 유기물, 질소 및 인 제거효율을 극대화한 것으로 판단된다.
실시예 2: 생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 하·폐수 처리장치의 호기성 그래뉼 슬러지 종류에 따른 성능 평가
호기성 슬러지 종류에 따른 중공사막의 성능을 평가하기 위해 실시예 1에서 사용한 장치와 조건으로 운전하되, 실시예 1에서 사용된 장치에서 반응조 하부에 설치된 혐기성 미생물이 부착된 활성탄 담체를 제거하고, 호기성 그래뉼 슬러지 또는 활성 슬러지가 각각 구비된 두개의 장치를 사용하여 호기성 조건에서 성능평가를 수행하였다. 초기 반응조의 MLSS는 각각 5,000mg/L이고, 내부반송을 수행하지 않았으며, 플럭스(flux) 20LMH에서 70LMH까지 10LMH씩 증가시켜 막간 정수압을 측정하고, 각 구간에서 2시간 동안 운전하여 막간 정수압의 변화를 관찰하였다.
표 2
그 결과, 상기 표 2에 나타난 바와 같이, 호기성 그래뉼 슬러지를 구비한 경우 각 플럭스 값에서 거의 일정한 정수압을 나타내고 있지만, 활성 슬러지를 사용할 경우 시간이 지날수록 정수압이 급격히 증가하는 것을 알 수 있었으며, 동일한 플럭스 값에서 호기성 그래뉼 슬러지와 활성 슬러지의 정수압을 비교하면, 플럭스 값이 증가할수록 정수압 차이가 큰 것으로 나타났다. 따라서, 활성 슬러지 대신 호기성 그래뉼 슬러지를 사용할 경우 높은 미생물 농도에서 막 표면의 막힘 현상이 현저히 저하됨을 알 수 있었다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시예일뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
본 발명에 따른 생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 하·폐수 처리장치는 기존 고도처리에서 도입하지 않았던 호기성 그래뉼 슬러지를 반응조 상부에 도입하여 순간적인 유기물 충격부하가 발생하여도 안정적인 유기물 제거가 가능하고, 호기성 그래뉼 슬러지 내에 층별로 존재하는 슬러지 군집에 의하여 질산화 및 탈질도 원활히 진행시킬 수 있는 동시에, 그래뉼화된 슬러지의 높은 침강성으로 빠른 시간내에 고액분리가 가능함에 따라 원활한 후처리 공정 운영이 가능할 뿐만 아니라, 기계설비 및 처리기능에 따른 부가설비가 대폭 축소되어 설비 및 유지비용을 절감할 수 있고, 반응조 하부의 생물막과의 결합으로 유기물, 인 및 질소의 제거효율을 극대화시킬 수 있다.

Claims (7)

  1. 다음을 포함하는, 생물막 및 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 하·폐수 처리장치:
    하·폐수를 유입관을 통해 장치내로 유입시키는 이송펌프;
    상기 이송펌프로부터 유입된 하·폐수의 탈인 및 탈질이 수행되도록 혐기 및 무산소 상태가 유지되고, 내부에는 생물막이 장착된 생물막부; 및 상기 생물막부에서 처리된 처리수의 질산화, 유기물 산화 및 인 과잉섭취가 수행되도록 호기 상태가 유지되고, 내부에는 호기성 그래뉼 슬러지가 충진된 호기성 그래뉼 슬러지부가 구비된 반응조;
    상기 반응조의 호기성 그래뉼 슬러지부에 공기를 상향으로 주입시키는 공기 공급부; 및
    상기 반응조의 호기성 그래뉼 슬러지부에서 처리된 처리수를 상기 반응조의 생물막부로 순환시키는 내부순환 펌프.
  2. 제1항에 있어서, 상기 생물막은 반응조 바닥으로부터 소정의 공간을 형성토록 이격시켜 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 하·폐수 처리장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 호기성 그래뉼 슬러지는 입자의 평균직경이 1 ~ 3mm인 것을 특징으로 하는 하·폐수 처리장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 공기 공급부는 호기성 그래뉼 슬러지부에 공기를 4 ~ 7L/min로 주입하는 것을 특징으로 하는 하·폐수 처리장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 반응조는 생물막부에서 처리된 처리수를 상기 생물막 하부로 반송시키는 반송펌프를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 하·폐수 처리장치.
  6. 다음 단계를 포함하는, 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 하·폐수 처리장치를 이용한 하·폐수 처리방법:
    (a) 이송펌프를 통해 하·폐수를 혐기 및 무산소 상태의 생물막부로 유입시켜 탈인을 수행하는 단계;
    (b) 상기 탈인된 처리수를 생물막에 통과시켜 생물막에 부착된 탈질화 미생물을 이용하여 탈질을 수행하는 단계;
    (c) 상기 탈질된 처리수를 호기성 그래뉼 슬러지부로 유입시켜 호기성 그래뉼 슬러지에 함유된 호기성 미생물을 이용하여 질산화, 유기물 산화 및 인 과잉섭취를 수행하는 단계;
    (d) 상기 질산화, 유기물 산화 및 인 과잉 섭취된 처리수를 생물막부로 순환시켜 탈인 및 탈질을 수행하는 단계; 및
    (e) 상기 (b), (c) 및 (d) 단계를 반복적으로 수행하여 하·폐수의 유기물, 질소 및 인을 제거하는 단계.
  7. 제6항에 있어서, 상기 (e) 단계를 마친 후 적정 침강시간을 유지시킨 다음, 처리된 상등수를 막장치 또는 침전조를 통해 배출시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 하·폐수 처리방법.
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