KR100331898B1 - 생물·화학적 고도 하수처리 방법 - Google Patents
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Abstract
하수중의 모래와 협잡물을 침전 제거하는 침사·침전조 단계; 단순 폭기조 및 접촉 폭기조로 이루어진 2단의 폭기조에서 질소가 암모니아 형태 (NH3)로부터 산화질소 형태 (NO3)로 질산화되어 반송된 슬러지를, 무산소 상태로 유입된 하수를 탄소원으로 삼아 탈질산화균 (Denitifier)에 의해 질소가스로 전환시켜 대기중으로 배기하는 무산소조 단계; 토양미생물을 고형화하여 만든 바이오 콤프 (Bio-comp)를 바이오 메이커 (Bio-maker)에서 활성화하여 폭기조로 공급하는 바이오 폰드 (Bio-pond) 단계; 바이오 폰드로부터의 토양미생물과 자체내의 호기성 미생물 및 지속 공급되는 산소에 의해 유입되는 피처리물중의 유기물을 1차 분해·질산화시키는 단순 폭기조 단계; 유입되는 1차 분해 유기물질 및 비질산화된 질소를 여재에 부착된 미생물에 의해 2차 분해·질산화시키는 접촉 폭기조 단계; 응집제를 투입하여 침전조에서 슬러지와 피처리물 및 인을 제거하는 침전조 단계; 및 침전된 슬러지를 탈수처리하여 농도를 높이는 농축조 단계를 포함하는, 하수중의 유기물질과 영양소인 질소와 인을 효과적으로 처리하기 위한 하수처리 방법이 개시되어 있다.
Description
하수처리 방법에서 가장 오랫동안 제기되고 아직도 해결되지 않은 문제점중의 하나는 침전조에서의 침전성이 불량하다는 것과, 생물학적 방법으로는 질소와 인의 동시 제거가 어렵다는 것이다. 즉, 기존의 생물학적 처리방법은 유입원수의 부하변동에 대한 대응능력이 떨어지고, 폭기조내에 사상균 (Filamentous Microorganisms)의 과다증식에 의한 침전성 불량으로 처리수질의 불안정성을 유발하는 폭기조의 슬러지 팽화 (Bulking Sludge)현상과 침전조에서의 슬러지 부상현상 (Rising Sludge)이 수시로 발생하며, 유입하수의 유기물질과 영양소의 불균형 등으로 생물학적으로 완벽한 처리가 매우 어려운 실정이다.
외국에서의 하수처리공법은 매우 다양한 공정이 적용되고 있으며, 자국의 하수 특성에 맞는 영양소 처리공정이 주를 이루고 있다. 그러나, 지역적, 계절적인 요인등에 의해 유량과 농도의 변화가 심하고, 하수처리장으로 유입되는 하수의 농도가 매우 낮은 국내의 저농도 하수에 대해 생물학적 영양소 제거 공정이 적용 가능한지는 거의 알려져 있지 않다 (Wallis-Lage, C.L., et al (1992). Biological Nutrient Removal Using a Low Strength Waste, WEF 65th Annual Conference & Exposition Proceedings, New Orlearns, Sep. 20-24, 123-134.).
이와같이 하수의 성상에 따라 영양소 제거공정이 적용되는 현실에서 유기물질과 영양소의 농도가 상대적으로 낮은 국내하수의 효과적인 처리를 위한 처리공정의 개발이 절실한 실정이다.
따라서, 본 발명의 목적은 하수내에 함유되어 있는 영양소 농도의 높고 낮음에 관계없이 침전조에서 슬러지가 부상하는 것을 방지하고 질소 및 인과 같은 영양소를 효과적으로 제거하기 위한 생물·화학적 하수처리 방법을 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 생물·화학적 고도 하수처리 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 바이오 폰드 (Bio-pond)의 상세도.
도 3은 종래 기술로서 남양주시 하수처리 시스템의 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 침사·침전조
2: 무산소조
3: 단순 폭기조
4: 접촉 폭기조
5: 침전조
6: 바이오 폰드 (Bio-pond)
7: 약품 저장조
8: 농축조
9: 공기 발생기 (compressor)
10: 혼합용 믹서
11: 여재 (Media)
30: 바이오 메이커 (Bio-maker)
40: 바이오 콤프 (Bio-comp)
본 발명자들은 이러한 목적이, 하수중의 모래와 협잡물을 침전 제거하는 침사·침전조 단계; 단순 폭기조 및 접촉 폭기조로 이루어진 2단의 폭기조에서 질소가 암모니아 형태 (NH3)로부터 산화질소 형태 (NO3)로 질산화되어 반송된 슬러지를, 무산소 상태로 유입된 하수를 탄소원으로 삼아 탈질산화균 (Denitifier)에 의해 질소가스로 전환시켜 대기중으로 배기하는 무산소조 단계; 토양미생물을 고형화하여 만든 바이오 콤프를 바이오 메이커에서 활성화하여 폭기조로 공급하는 바이오 폰드 단계; 바이오 폰드로부터의 토양미생물과 자체내의 호기성 미생물 및 지속 공급되는 산소에 의해 유입되는 피처리물중의 유기물을 1차 분해·질산화시키는 단순 폭기조 단계; 유입되는 1차 분해 유기물질 및 비질산화된 질소를 여재에 부착된 미생물에 의해 2차 분해·질산화시키는 접촉 폭기조 단계; 응집제를 투입하여 침전조에서 슬러지와 피처리물 및 인을 제거하는 침전조 단계; 및 침전된 슬러지를 탈수처리하여 농도를 높이는 농축조 단계를 포함하는 본 발명에 따른 고도 하수처리 방법을 통해 달성됨을 밝혀내었다.
이하 본 발명을 첨부된 도면에 도시된 하수처리 시스템의 구성도를 중심으로 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 생물·화학적 고도 하수처리 방법의 구성도이다.
본 발명의 방법의 한 면은, 하수중의 모래와 협잡물을 침전 제거하는 침사·침전조 (1); 2단의 폭기조에서 질소가 암모니아 형태 (NH3)로부터 산화질소 형태 (NO3)로 질산화되어 반송된 슬러지 (13)를, 무산소 상태로 유입되는 하수를 탄소원으로 삼아 탈질산화균에 의해 질소가스로 전환시켜 대기중으로 배기하는 무산소조 (2); 토양미생물을 고형화하여 만든 바이오 콤프 (40)를 바이오 메이커 (30)에서 활성화하여 폭기조로 공급하는 바이오 폰드 (6); 바이오 폰드 (6)에서 공급된 활성화된 토양미생물과 폭기조 (3) 자체에 서식하는 호기성 미생물, 및 공기 발생기 (9)를 통해 지속 공급되는 산소에 의해 피처리물중의 암모니아 형태의 질소를 질산화하는 단순 폭기조 (3); 단순 폭기조 (3)에서 1차로 분해된 유기물질과 체류시간이 짧아 완전 질산화가 이루어지지 않은 암모니아 형태의 질소를 여재 (11)에 부착된 미생물에 의해 2차 분해·질산화하는 접촉 폭기조 (4); 접촉 폭기조 (4)를 경유한 피처리물에 응집제를 투입하여 슬러지와 피처리물 및 인을 제거하는 침전조 (5); 침전된 슬러지의 일부를 탈수처리하여 농도를 높이는 농축조 (8)를 포함하는 생물·화학적 하수처리 시스템이다.
본 발명의 방법의 또다른 면은, 접촉 폭기조 (4)에서 질산화된 처리물을 무산소조 (2)로 반송하는 경로 (13); 지속적인 슬러지 공급과 적정 미생물 농도 (MLSS)를 유지하기 위해, 침전조 (5)에서 응집제에 의해 응집침전된 슬러지를 단순 폭기조 (3)로 이송하는 경로 (14); 지속적인 미생물의 공급과 바이오 콤프 (40)의 활성화를 촉진하기 위해, 단순 폭기조 (3)에서 응집된 침전슬러지를 바이오 폰드 (6)로 반송하는 경로 (15); 고농도의 농축슬러지로 탈수처리하기 위해 침전조 (5)로부터의 잉여 침전 슬러지를 농축조 (8)로 이송하는 경로 (17); 탈수여액을 단순 폭기조 (3)로 반송하는 경로 (18); 및 바이오 폰드 (6)에서 활성화된 미생물을 단순 폭기조 (3)로 유입하는 경로 (16)와 같은, 폐수 및 슬러지의 이동 경로이다.
본 발명의 생물·화학적 고도 하수처리 방법의 각 반응조의 역할과 작용을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 피처리물인 생활하수는 긴 수집관로를 통해 유입되기 때문에 다량의 모래와 협잡물이 포함되어 있다. 포함된 모래와 협잡물을 미리 제거하지 않는다면 기계의 고장과 후속공정의 처리효율을 저하시키는 요인으로 작용하게 되는데, 이를 미리 방지하고, 하수의 시간별 유량과 농도변화를 최소화하는 균등화 역할을 담당하기 위해 침사·침전조 (1)를 설치하였다. 침사·침전조 (1)는 냄새가 심한 곳으로 필요에 따라 완전 복개로 냄새를 차단하여 악취물질을 수집처리할 수 있다. 침사·침전조 (1)를 거친 피처리물은 무산소조 (2)로 유입된다. 피처리물은 단순 폭기조 (3)와 접촉 폭기조 (4)를 거치면서 암모니아 형태의 질소가 NO2→ NO3형태로 완전 질산화되는 과정을 거치게된다. 질산화된 피처리물은 경로 (13)을 통하여 접촉 폭기조 (4)에서 무산소조 (2)로 반송되고, 유입되는 피처리물내의 유기물질을 탄소원으로 삼아 탈질산화균에 의해 산화질소 형태의 질소를 NO3→ NO2→ NO → N2O → N2로 환원시켜 대기중으로 배기 제거되며, 무산소조 (2)에는 탈질산화균과 탄소원 및 NOx-N과의 원활한 접촉 및 혼합을 위하여 혼합용 믹서 (10)가 장착되어 있다. 탈질산화 반응 (Denitrification)에 사용되는 전자 공여체 (Electron donor)로는 외부 탄소원인 아세트산, 시트르산, 메탄올 등이 유용하지만 경제적인 문제 등으로 인해 내부 탄소원인 피처리물의 유기물질을 사용한다.
본 발명의 생물·화학적 고도 하수처리 방법에서 매우 중요한 역할을 담당하는 바이오 폰드 (6)는 이미 공지된 기술인 바이오 콤프 (40)와 바이오 메이커 (30)로 구성되며, 그 자세한 구성은 도 2에 도시한다. 생물학적 처리에서 가장 중요한 것이 미생물에 의한 유기물질의 빠른 제거와 함께 처리물과 미생물의 분리를 통한 안정적인 처리수질의 확보이다. 그에 따라, 본 발명에서는 당업계에서 '미생물 군집 (bio-clod)'이라고 불리우는, 유기물질의 제거능력이 우수하고 침전효율이 우수한 토양미생물을 고형화한 바이오 콤프 (40)를 사용하였다. 본 발명에 사용된 바이오 콤프 (40)는 폐수처리에 적응성이 높은 토양 미생물을 확보하여 방선균류 (actinomycets), 바실루스 종 (bacillus sp.), 마이크로코코스 루테우스 (micrococcus luteus) 및 슈도모나스 종 (pseudomonas sp.) 등을 추출 배양한 후, 단기간에 고정화된 미생물이 용출되는 것을 방지하기 위해 상기 미생물 약 1%, 및 영양분이 풍부한 부재료와 첨가재를 사용하여 고정화작업을 수행함으로써 제조할 수 있다. 바이오 콤프 (40)을 충전한 바이오 메이커 (30)는 연속적으로 공급되는 산소를 이용하여 고형화된 토양미생물을 활성화시키고, 침전조 (5)에서 반송라인 (15)를 통해 연속적으로 반송되는 슬러지내의 미생물의 활성화를 촉진하여 바이오 콤프 (40)의 지속적인 공급없이도 미생물을 활성화할 수 있는 역할을 담당하게 된다. 통상, 바이오 메이커 (30)에서 토양미생물이 활성화되는 기간은 실험결과 2-3일이 소요되는 것으로 나타났다.
무산소조 (2)를 경유한 피처리물은 단순 폭기조 (3)로 유입된다. 유입된 피처리물은 바이오 폰드 (6)에서 활성화된 미생물과 폭기조에서 서식하는 호기성 미생물이 공기 발생기 (9)에 의해 연속적으로 공급되는 산소를 이용하여 물질대사작용을 통하여 유기물질을 질산화시킨다. 이 과정에서, 바이오 폰드 (6)에서 활성화된 미생물은 보다 효율적인 질산화반응을 촉진하는 역할을 하며, 이러한 질산화는 다음과 같은 반응으로 일어난다.
나이트로소모나스 (Nitrosomonas)
NH4 ++ 3/2 O2NO2 -+ H2O + 2H+
나이트로박터 (Nitrobacter)
NO2 -+ 1/2 O2NO3 -
위와 같은 반응에서 암모니아가 NO2 -로 질산화되는 과정에 관여하는 미생물은나이트로소모나스 (Nitrosomonas (N. europaea, N. monocella))와나이트로소코서스(Nitrosocossus)족의 미생물이며, 두 번째 반응인 NO3 -으로의 질산화반응은나이트로박터 (Nitrobacter (N. agilis, N. winogradskyi))와나이트로소시스티스(Nitrosocystis)속의 미생물에 의해 일어난다.
단순 폭기조 (3)를 경유한 피처리물은 접촉 폭기조 (4)로 유입된다. 접촉 폭기조 (4)에는 미생물이 다량 부착되어 서식할 수 있는 판형 여재 (Media) (11)가 충전되어 있으며, 충전된 여재 (11)에 부착된 미생물은 긴 슬러지 체류시간을 확보하여 단순 폭기조에서 제거되지 못한 유기물질을 추가로 2차 질산화 제거함으로써 폭기조내의 안정적인 MLSS를 확보하여 유입원수의 농도변화에 적응할 수 있게 하고 슬러지 생산량을 최소화하여 슬러지 처리비용을 절약할 수 있도록 고안되었다.
접촉 폭기조 (4)를 경유한 피처리물은 침전조 (5)로 유입된다. 유입되는 접촉 폭기조 (4)의 유출수는 미생물과 처리수가 혼합되어 있고, 여기에 약품저장조 (7)로부터의 응집제가 라인 (12)를 통하여 적정량 투입되어 침전조 (5)에서의 침전을 촉진함으로써 처리수와 슬러지를 효과적으로 고액분리시킨다. 그 결과, 처리수질이 안정적이고, 처리효율이 탁월하며, 피처리물에 포함된 인이 응집제와의 화학반응을 통하여 효과적으로 침전 제거된다.
침전조 (5)에서 영양소와 미생물이 완전히 제거된 피처리물은 최종 방류되며, 침전된 슬러지는 유입원수의 30% 내지 50%가 라인 (14)를 통하여 단순 폭기조 (3)로 반송되어 폭기조내에 적정 MLSS를 유지하고, 라인 (15)를 통하여 바이오 폰드 (6)로 반송되어 고형화 토양미생물의 활성화를 촉진하도록 한다. 라인 (14) 및 (15)를 통해 반송되는 침전슬러지 외의 잉여 슬러지는 농축조 (8)로 유입된다. 유입된 침전슬러지는 농축을 통하여 슬러지 체적을 감소시켜 탈수처리 후 매립등으로 처분하며, 농축상징액과 탈리여액은 라인 (18)을 통하여 단순 폭기조로 반송하여 재처리한다.
이상의 하수처리 시스템에서 폐수의 흐름은 각 반응조의 표고차에 의한 중력에 의하도록 설계하며, 슬러지의 반송 및 응집제의 투여량은 유량이 동일한 펌프의 운전시간을 조정하거나 또는 유량이 상이한 펌프를 사용함으로써 조절한다.
이하, 본 발명의 실시예를 기재한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시의 목적으로 제시될 뿐이며, 본 발명이 이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
실험실 규모로 인공 하수를 제조하여 이를 상기 생물·화학적 하수처리 시스템의 구성 및 특징을 하기 표 1에 나타내었다.
각 반응조는 아크릴 재질이었으며 처리 유량은 10 L/일로 하였다.
| 본 발명의 하수처리시스템 구성 | 크기 (체류 시간) | 특징 |
| 무산소조단순 폭기조접촉 폭기조침전조바이오 폰드 | 1.87 L (3 시간)2.5 - 3.3 L (6 내지 8 시간)1.25 L (2 시간)1.25 L (2 시간)0.4 L (2 일*) | 원통형, 혼합용 믹서 장착MLSS 농도: 2500 내지 4000 ㎎/L판형 여재 포함 (60% 충전)원통형바이오 콤프 충전 |
| * 바이오 폰드의 체류시간이 긴 것은 유입되는 유량이 타반응조에 비해 적기 때문임 |
<비교예>
응집제 및 바이오 폰드를 사용하지 않는 남양주시의 하수처리 시스템은 혐기조건 컨디셔닝 대역, 혐기성 반응조, 무산소조, 산소조, 침전조 등을 포함하였다. 실시예와 비교예의 하수처리 효율을 비교하여 하기 표 2에 나타내었다.
| BOD | TN(질소의 총량) | TP (인의 총량) | |||||
| 농도(㎎/L) | 제거율(%) | 농도(㎎/L) | 제거율(%) | 농도(㎎/L) | 제거율(%) | ||
| 비교예 | 유입 원수 | 190 | - | 31 | - | 4.3 | - |
| 처리수 | 18 | 90.5 | 9.0 | 71.0 | 0.9 | 79.0 | |
| 실시예(본 발명) | 유입 원수 | 249 | - | 43 | - | 9.1 | - |
| 처리수 | 6.3 | 97.5 | 8.5 | 80.2 | 0.6 | 93.4 |
표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 생물·화학적 시스템에 의한 하수처리 효율이 생물학적 산소요구량과, 질소 및 인의 제거율 면에서 종래 하수처리 시스템에 비해 탁월함을 알 수 있었다.
본 발명에 따른 생물·화학적 하수처리 방법은, 하수중 유기물질의 농도에 관계 없이 침전조에서의 침전불량에 따른 처리수질의 악화를 방지하고, 질소 및 인 등의 영양소를 함께 제거하여, 호소수 및 하천의 부영양화를 사전에 차단할 수 있을 뿐만 아니라 하수처리의 효율 역시 우수하고 하수처리 시스템의 유지관리가 경제적이다.
Claims (3)
- 하수중의 모래와 협잡물을 침전 제거하는 침사·침전조 단계;단순 폭기조 및 접촉 폭기조로 이루어진 2단의 폭기조로부터 질산화되어 반송된 슬러지를, 무산소 상태로 유입된 하수를 탄소원으로 삼아 탈질산화균에 의해 질소가스로 전환시켜 대기중으로 배기하는 무산소조 단계;토양미생물을 고형화하여 만든 바이오 콤프 (Bio-comp)를 바이오 메이커 (Bio-maker)에서 활성화하여 폭기조로 공급하는 바이오 폰드 (Bio-pond) 단계;바이오 폰드로부터의 토양미생물과 자체내의 호기성 미생물 및 지속 공급되는 산소에 의해 유입되는 피처리물중의 유기물을 1차 분해·질산화시키는 단순 폭기조 단계;유입되는 1차 분해 유기물질 및 비질산화된 질소를 여재에 부착된 미생물에 의해 2차 분해·질산화시키는 접촉 폭기조 단계;응집제를 투입하여 침전조에서 슬러지와 피처리물 및 인을 제거하는 침전조 단계; 및침전된 슬러지를 탈수처리하여 농도를 높이는 농축조 단계를 포함하는 생물·화학적 고도 하수처리 방법.
- 하수중의 모래와 협잡물을 침전 제거하는 침사·침전조;2단의 폭기조에서 질소가 암모니아 형태 (NH3)로부터 산화질소 형태 (NO3)로 질산화되어 반송된 슬러지를, 무산소 상태로 유입되는 하수를 탄소원으로 삼아 탈질산화균에 의해 질소가스로 전환시켜 대기중으로 배기하는 무산소조;토양미생물을 고형화하여 만든 바이오 콤프를 바이오 메이커에서 활성화하여 폭기조로 공급하는 바이오 폰드;바이오 폰드에서 공급된 활성화된 토양미생물과 폭기조 자체에 서식하는 호기성 미생물, 및 공기 발생기를 통해 지속 공급되는 산소에 의해 피처리물중의 암모니아 형태의 질소를 질산화하는 단순 폭기조;단순 폭기조에서 1차로 분해된 유기물질과 체류시간이 짧아 완전 질산화가 이루어지지 않은 암모니아 형태의 질소를 여재에 부착된 미생물에 의해 2차 분해·질산화하는 접촉 폭기조;접촉 폭기조를 경유한 피처리물에 응집제를 투입하여 슬러지와 피처리물 및 인을 제거하는 침전조; 및침전된 슬러지의 일부를 탈수처리하여 농도를 높이는 농축조를 포함하는 생물·화학적 고도 하수처리 시스템.
- 제1항에 있어서,접촉 폭기조에서 질산화된 처리물을 무산소조로 반송하는 경로;지속적인 슬러지 공급과 적정 미생물 농도 (MLSS)를 유지하기 위해, 침전조에서 응집제에 의해 응집침전된 슬러지를 단순 폭기조로 이송하는 경로;지속적인 미생물의 공급과 바이오 콤프의 활성화를 촉진하기 위해, 단순 폭기조에서 응집된 침전슬러지를 바이오 폰드로 반송하는 경로;고농도의 농축슬러지로 탈수처리하기 위해 침전조로부터의 잉여 침전 슬러지를 농축조로 이송하는 경로;탈수여액을 단순 폭기조로 반송하는 경로; 및바이오 폰드에서 활성화된 미생물을 단순 폭기조로 유입하는 경로를 포함함을 특징으로 하는 생물·화학적 고도 하수처리 방법.
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