KR20040031359A - 질소 및 인의 제거를 위한 하수의 고도처리장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하수처리장이나 폐수 처리장에서 특정한 미생물을 각 공정별로 우점화 하는 생물학적 처리방법을 이용하여 하수 또는 폐수를 고도처리 하는 장치 및 방법에 대한 것이다.

본 발명은 혐기성 및 호기성 그리고 탈질에 관여하는 미생물의 증식 및 성장 조건이 각각 다른 것을 이용하고 침수형 생물막 장치를 사용하여 특정 미생물의 우점화 및 부착에 의한 대량 보유를 달성하여 유기물 및 질소 등 의 영양 물질을 효과적으로 제거하고 슬러지 보충장치 및 운전계열수 제어로 하수 유입 유량이 변동하여도 안정적인 처리수질을 얻기 위한 것이다.

이를 위하여 공정의 맨 앞쪽에 혐기조를 설치하여 침수형 생물막 장치를 성치하여 혐기성 조건에 적합한 미생물을 대량 부착증식 시켜서 유기물을 혐기상태에서 제거하고 다음에 호기조를 설치하여 공기를 공급하며 유기물의 일부 제거와 암모니아의 아질산염으로의 산화를 일으키고 다음의 혐기 탈질조 에 는 침수형 생물막을 설치하여 유기물 이 고강된 혐기성 상태에 적합한 미생물을 대량 부착증식 시켜서 암모니아를 직접 질소가스로 전환케하여 대부분의 질소를 제거하고 이 과정에서 발생한 질산염은 내부 반송에 의하여 혐기조에서 탈질을 하게 하고 다음단계에서 공기를 공급하여 호기적으로 잔여 오염물질을 제거한 후 최종 침전지로 이송하여 최종 침전지의 슬러지는 혐기조로 반송하여 필요한 MLSS를 유지하게 하고 슬러지 보충장치로 하수 유립량 변동에 대하여 과 부족의 슬러지를 보충 또는 저장하면서 안정적으로 하수를 처리하는 하수의 고도처리장치 및 방법으로 전통적인 고도처리법에 비하여 낮은 C/N비를 가진 하수중의 유기물 및 질소, 인 등 의 영양물질도 효과적으로 제거 할 수 있고 반송비 및 공기공급량이 작아서 처리에 필요한 동력비가 절감되고 발생 슬러지 의 부패가 없어 냄새가 없어지며 유입하수량의 변동에 대하여도 안정적인 방류수질을 얻을 수 있고 기존의 활성 슬러지 공정에 용이하게 적용할 수 있는 효과가 있다.

Description

질소 및 인의 제거를 위한 하수의 고도처리장치 및 방법{Advanced treatment apparaters and method for removal of nitrogen and phosphorus inf sewage water}

본 발명은 하수처리장이나 폐수처리장 등의 미생물을 이용한 수처리 공정에서 유기물과 함께 질소 및 인등의 영양물질을 효과적으로 제거하기 위한 하수의 고도처리 방법 및 장치에 대한 것이다.

하수에서 유기물과 질소, 인 등 의 영양물질을 제거하는 방법으로는 혐기조와 호기조를 이용하여 선 탈질 및 질산화를 수행하는 전통적인 하수의 고도처리법이 있으며 최근에는 특정 미생물의 우점종이 되도록 공정조건을 조절하여 처리하는 방법이 사용되기도 하는데 국내 특허 10-0203050(1999.3.22)나 10-0276096(2000.9.26)호 등이 그 한 실시 예이다.

이러한 방법에서는 바실러스 속 세균을 우점종이 되도록 배양하기 위하여 공정의 앞 단계에서는 호기조건을 유지하고 공정의 후단에서는 혐기조건 및 미호기 조건을 유지하면서 슬러지를 반송하며 특수한 미생물 배양제를 사용하여 바실러스 속 세균을 우점화 하고 있다.

전통적인 고도처리방법인 A₂/O 등의 도입기술은 질산환 후 탈질을 하는 방법인데 처리공정의 전단에 혐기성 탈질조를 설치하고 후단에는 호기성 포기조를 설치하여 질산화 후 다량의 혼합액을 반송하여 전단의 혐기성 탈질조에서 탈질을 하고 있다.(이러한 방법을 선 탈질 이라고 한다.)

그런데 이러한 종래의 방법에서는 바실러스 속 세균만을 우점화 하는 것이 어렵고 인위적으로 제어가 불확실하고 값비싼 특수한 미생물 배양제의 사용으로 경제적으로도 부담이 되었고 탈질은 바실러스 속 균에 의해서만 이루어지는 것이 아니므로 그 효과에 한계가 있었고 전통적인 고도처리법에서는 저 수온시의 질산화 율 저하와 우리 나라의 대부분의 하수처리장의 하수 유입수질과 같이 C/N비가 낮은 하수의 경우 탈질 효과가 낮은 문제가 있고 C/N비가 높더라도 탈질 효과를 높이려면 다량의 내부 반송수(통상적으로 유입하수량의 300∼400%)가 필요하며 탈질 효과를 95%정도까지 높이려면 유입하수량의 약 20배의 내부 반송수가 필요하여 반송설비 및 동력비가 증가하는 문제가 있었다.

또한 2001년 하반기부터 환경부 고시에 의하여 하수처리장에 유입된 하수는 전량 2차 처리 및 고도 처리가 의무화됨으로서 합류식 하수배제 방식을 채택하고 있는 우리 나라의 대부분의 처리장에서는 하루중의 유입유량이 시간대별로 변화가 매우 심하여 유입유량에 따라 처리수인 방류수의 수질이 불안정하게 되는 문제가 있었다.

본인의 선 출원 (출원번호 10-2002-0049341)은 이러한 문제를 해결할 수 있는 고도처리공정이지만 후 포기조를 최종침전지의 후단에 설치하였기 때문에 기존의 최초 침전지와 포기조, 그리고 최종침전지로 구성된 활성 슬러지공정을 개량하여 고도처리공정으로 적용하는 데에는 구조상의 불일치로 인하여 어려움이 수반될 수 있었다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 하수처리공정을 혐기와 호기부분으로 구성하여 혐기부에는 침수형 생물막 장치를 설치하여 바실러스, 세도모나스, 수소이용 독립영양세균 등 다양한 종류의 하수의 고도처리에 작용하는 세균들을 처리공정 중 미리 정한 공정마다 적정한 조건을 유지하여 각각 우점화 함으로서 특수한 미생물 배양제의 사용 없이 또한 작은 내부 반송 량으로 낮은 C/N비의 하수에서도 질소, 인 등 의 영양물질과 유기물을 효과적으로 제거할 수 있게 하고 그 제거율을 높이며 하루 중 시간대별 하수 유입량이 변동하여도 방류수질을 안정적으로 유지할 수 있고 기존의 활성 슬러지 공정의 구조물을 개량하여 사용할 수 있는 하수의 고도처리 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

도 1 은 본 발명의 구성상태를 나타낸 계통도

도 2 는 본 발명의 구성상태를 나타낸 평면도

도 3 은 질산화 세균의 특성을 나타낸 도면

도면의 중요부분에 대한 부호의 설명

1. 하수 유입배관 1-1. 유입 유량계 2. 유입 수문 3. 혐기조

4. 침수형 생물막 장치

5. MLSS측정기 6. ORP측정기 7. 제1 호기조 8. 산기장치1

9. DO측정기 10. 제2호기조 11. 산기장치2 12. DO측정기

13. 교반기 14. 혐기 탈질조 15. 침수형 생물막 장치

16. ORP측정기 17. 제3호기조 18. 산기장치3 19. DO측정기

20. 최종 침전지 21. 내부 반송배관 22. 내부반송펌프 23. 내부반송유량계

24. 슬러지 인발배관 25. 슬러지 반송펌프 26. 슬러지 반송배관

27. 슬러지 반송유량계 28. 슬러지 이송펌프

29. 슬러지 저장조 30. 슬러지 보충배관 31. 슬러지 보충펌프

32. 보충 슬러지 유량계 33. 위상차 현미경 34. 공정 제어반

35. 잉여슬러지 배관 36. 잉여 슬러지 펌프 37. 잉여 슬러지 유량계

38. 잉여 슬러지 농축기 39. 잉여 농축 슬러지 저류조

가. 전처리 장치 나. 분배수로 다. 공통수로 라. 방류 공통수로

본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여,

미세한 협잡물 및 모래가 제거된 전처리 된 하수가 유입되며 침수형 생물막장치를 설치하고 혐기성으로 유지하여 유기물을 혐기성 분해하고 일부 선 탈질 작용을 하는 맨 앞쪽의 혐기조;

산기장치에 의하여 포기되어 호기성으로 유지하며 유기물을 제거하는 제1호기조:

용존 산소농도를 특별한 범위로 유지하여 암모니아의 일부를 아 질산염(NO₂)으로 산화하고 유지시키는 제2호기조;

침수형 생물막 장치를 설치하고 혐기적 또는 무산호 조건으로 유지하며 주로 암모니아를 직접 질소가스로 전환하여 탈질을 하는 혐기 탈질조;

하수중의 잔존 오염물질을 산화시켜서 제거하고 앞 단계에서 미 처리 된 암모니아(NH₄-N)를 아질산염(NO²)또는 질산염(NO₃)으로 산화 시키키 위한 제3호기조;

제3호기조 에서 이송되어온 하수중의 고형물과 상징수를 분리하는 최종 침전지;

제3호기조의 후단에서 슬러지를 혐기조로 반송하는 내부 반송장치 및 최종 침전지의 슬러지를 앞쪽의 혐기조 및 제1호기조로 반송하는 슬러지 반송장치;

제2호기조의 아 질산염(NO₂) 농도가 미리 정한대로 유지되도록 포기량 을 제어할 수 있도록 구성한 하수의 산기장치;

산기장치 와 교반기를 설치하여 공기량이 적을 때에도 완전혼합조건을 유지할 수 있게 한 제2 호기조;

공정의 필요에 따라 제1호기조에 슬러지를 보충 공급할 수 있는 슬러지 저장조 및 슬러지 보충장치;

유입유량 변동 시에도 필요한 F/M비와 SRT를 유지 할 수 있도록 각각의 반응조는 직렬방향으로는 한조의 반응조로 작용하고 병렬방향으로는 서로 차단되게 하여 병렬방향으로 각각 독립된 여러개의 계열로 하고 각각의 계열은 공통으로 관통하는 분배수로로 연결되고 각각의 계열 앞쪽의 혐기조 입구에는 전동식 유입 수문을 설치하여 유입유량에 따라 자동적으로 운전하는 반응조의 계열 수를 계산하여 해당 계열의 유입 수문을 자동적으로 개폐 제어하는 운전 계열 수 제어방법 및 장치; 및

각각의 반응조에는 필요에 따라 유량계 및 ORP, DO, MLSS등을 측정할 수 있게 필요한 측정기를 포함하고 측정 정보에 의하여 각 공정을 자동제어하는 공정 제어반을 포함하고 위상차 현미경을 이용하여 각 공정의 미생물상태 및 동정을 수시로 확인하여 조정함으로서 최적의 공정상태를 유지하도록 한 질소 및 인의 제거를 위한 하수의 고도처리장치 및 방법을 제공한다.

이하 본 발명에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같으나 본 발명의 범주는 하기의 실시예에 국한하지 않고 무수한 변형이 가능하나 본 발명의 내용에 비추어 유사하거나 개념에 저촉되는 것은 본 발명의 권리를 침해한 것이 된다.

본 발명의 일 실시 예를 들면 다음과 같다.

하수관을 통과하여 하수처리장에 들어온 하수 는 생물막 공정에서 처리되는데 장애가 없도록 전처리 장치에서 미세한 협잡물과 모래가 제거된 후 하수유입배관(1)과 유입유량계(1-1)을 통하여 분배수로(나)에서 여러 개의 계열별로 균등하게 분배된 후 유입 수문(2)을 통하여 맨 앞쪽의 혐기조(3)로 유입되게 하고 혐기조(3)내에는 침수형 생물막 장치(4)를 설치하고 혐기조(3)내의 혼합액의 혐기성 정도를 측정하기 위하여 ORP측정기(5)를 설치하였다.

제1호기조(7)은 혐기조(3)의 후단에 연결하여 설치하였고 제1호기조(7)의 하부에는 공기공급량을 조절할 수 있는 산기장치1(8)을 설치하고 혼합액의 농도를 측정하는 MLSS측정기(6)과 혼합액의 용존 산소농도를 측정하기 위한 DO측정기(9)를 설치하였다.

제2호기조(10)은 제1호기조(7)의 후단에 연결하여 설치하였고 제2호기조(10)의 하부에는 공기공급량을 조절할 수 있는 산기장치2(11)을 설치하고 중간의 적정한 위치에 혼합액을 교반하기 위한 교반기(13)을 설치하고 혼합액의 용존 산소 농도를 측정하기 위한 DO측정기(12)를 설치하였다.

혐기탈질조(14)는 제2호기조(10)의 후단에 연결하여 설치하였고 혐기탈질조(14)의 내부에는 침수형 생물막 장치(15)를 설치하고 혼합액의 혐기성 정도를 측정하기 위한 ORP 측정기(16)는 설치하였다.

제3호기조(17)은 혐기탈질조(14)의 후단에 연결하여 설치하였고 제3호기조(17)의 내부에는 호기상태를 유지하기 위한 공기공급량을 조절하기 위하여 산기장치3(18)을 설치하였고 용존산소농도(DO)를 측정하기 위한 DO측정기(19)를 설치하였다.

최종 침전지(20)은 제3호기조(17)의 후단에 설치하였고 제3호기조(17)에서 나온 혼합액의 일부는 최종침전지로 유입되게 하여 최종 침전지(20)에서 침전된 슬러지는 슬러지 인발배관(24)에서 인발 할 수 있게 하였고 상징수는 방류수역으로 방류하게 하였다.

제3호기조(17)에서 나온 혼합액의 일부는 제3호기조(17)의 후단에 설치한 공통수로(다)에 연결되게 설치한 내부 반송배관(21)을 통하여 내부 반송펌프(22)로 분배수로(나)로 이송되어 유입수문(2)를 통하여 맨 앞쪽의 혐기조(3)의 입구부 로반송되게 설치하였고 내부 반송배관(21)의 중간에는 내부 반송유량계(23)를 설치하였다.

최종 침전지(20)에서 침전된 슬러지는 슬러지 인발배관(24)에서 분기하여 설치한 슬리지 반송배관(26)을 혐기조(3) 및 제1호기조(7)의 입구부까지 연결되게 설치하였고 여기에 연결하여 설치한 슬러지 반송펌프(25)에 의하여 이송되게 하였고 슬러지 반송유량계(27)을 슬러지 반송배관(26)의 중간에 설치하였다.

최종 침전지(20)에서 침전된 슬러지의 일부는 슬러지 인발배관(24)에 연결하여 설치한 잉여 슬러지 이송펌프(28)에 의하여 슬러지 저장조(29)로 이송되게 하였고 슬러지 저장조(29)의 슬러지는 필요시 제1호기조(7)의 입구부로 슬러지를 보충 공급할 수 있게 그 사이를 슬러지 보충 배관(30)으로 연결하였고 슬러지 보충펌프(31)에 의하여 이송하고 보충 슬러지 유량계(32)로 그 양을 측정할 수 있게 하였다.

슬러지 저장조(29)에 저장된 슬러지 중 남는 슬러지를 제거하기 위하여 슬러지 저장조(29)에서 잉여 슬러지 농축기(38)사이를 잉여 슬러지 배관(35)로 연결하고 잉여 슬러지 펌프(36)로 이송하고 잉여 슬러지 유량계(37)으로 그 양을 측정할 수 있게 하였다.

잉여 슬러지 농축기(38)에서 농축된 슬러지는 배관을 통하여 잉여 농축 슬러지 저류조(39)에 일시 저장되었다가 탈수 처분할 수 있게 하였다.

하수 및 처리공정 중의 미생물을 직접 눈으로 확인할 수 있는 위상차 현미경(33)을 설치하여 각 공정의 미생물을 확인할 수 있게 하였고 각종 측정장치로부터 온 정보와 미리 정한 프로그램에 의하여 각 공정의 펌프 등 기계장치를 자동제어 할 수 있도록 공정 제어반(34)를 설치하였다.

이와 같은 본 발명의 작용은 다음과 같다.

세균 류 와 같은 미생둘에 의한 유기물 과 영양염류(주로 질소와 인)의 제거에는 혐기성 미생물을 이용하는 경우와 호기성 미생물을 이용하는 경우가 있는데 하수처리에는 다양한 종류의 호기성 미생물과 혐기성 미생물이 함께 이용되고 있으며 일반적으로 혐기성 미생물은 분해속도가 느리나 처리후의 슬러지 발생 량이 적고 호기성 미생물은 분해속도가 빠르나 슬러지 발생량은 상대적으로 많다.

호기성 미생물은 절대호기성과 통성 혐기성 미생물로 나눌 수 있는데 절대호기성 미생물은 증식과 성장에 산소가 반드시 필요하여 산소가 없으면 증식 및 성장이 불가능하고 통성 혐기성 미생물은 산소가 없어도 증식이 가능하며 산소가 있으면 증식 성장이 더 잘되는 미생물이다.

혐기성 미생물은 내 산소성 과 절대 혐기성으로 구분 할 수 있는데 절대혐기성 미생물은 산소가 있으면 사멸하고 내 산소성 미생물은 산소가 있어도 증식 성장할 수 있는 미생물이다.

또한 영양염류의 하나인 질소의 제거는 전통적으로 호기성 상태에서 질산화 세균의 작용으로 수중의 암모니아를 질산염(NO₃)로 산화 한 후 혐기성 상태에서 탈질 세균의 작용으로 질소로 환원하여 대기 중으로 환원된 질소가스를 방출하여 질소를 제거하는 것이 전통적인 제거 방법이었는데 이 경우 탈질시 다량의 유기 탄소원이 필요하여 높은 C/N비( 유기물과 질소의 비율로 보통 8∼12배)가 필요하였다.

그런데 몇 가지 미생물은 혐기성 조건에서 위의 예에서와는 달리 수소나 아 질산염(NO₂)을 매개체로 하여 암모니아를 바로 질소가스로 전환시키는 것이 알려졌으며 이 과정에서 유기 탄소원은 필요하지 않은 것으로 알려져 있다.

예를 들면 혐기성 조건에서 아 질산염(N0₂)이 존재하면 암모니아(NH₄-N)를 질산화를 거치지 않고도 바로 질소가스로 환원시키는 수소이용 독립영양 미생물(세균) 이 존재하는 것이 알려지고 있다.

이 미생물의 탈질 과정은 ANAMMOX 공정으로 알려져 있으며 식으로 표시하면 다음과 같다.

NH₄-N + 1.26 NO₂+ 0.085 CO₂+ 0.02 H = N₂+0.017 C₂H₂O₂N + 0.24NO₃+ 1.95 H₂O ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥(1)

위 식에서 알 수 있는 것과 같이 아 질산염이 있으면 암모니아가 바로 질소가스(N₂) 로 전환되어 제거됨을 알 수 있다.

또 이미 알려진 것과 같이 바실러스 속 세균도 암모니아를 질산화 과정을 거치지 않고 바로 질소 가스로 전환하여 탈질 하는 능력이 있고 이외에도 미지의 미생물에 의하여 호기성 또는 혐기성 상태에서 암모니아가 질소가스로 전환되어 탈질이 일어나는 것으로 추정되고 있으며 하수처리과정에서 증식하는 미생물 자체의 기질합성에도 질소가 이용되어 남는 미생물을 버리는 잉여 슬러지 배출로 질소가 제거되기도 한다.

이제까지 일반적으로 알려진 바와는 달리 호기성 상태만 유지하는 활성 슬러지 공정에서도 슬러지 체류시간(SRT)를 길게 운전하면 약 50∼60%의 질소가 제거되는 것이 현장운전 결과 확인되었고 이미 알려진 미생물의 기질합성에 이용되는 질소이외에도 호기성 상태에서도 비교적 많은 양의 질소가 제거되는 것을 알 수 있다.

본 발명은 이러한 질소를 제거하는 여러 가지 미생물의 특성을 최대한 이용한 것으로 여러 가지 미생물을 각각 그 미생물이 증식 성장하는데 적합한 환경 및 서식처를 형성하여 정해진 공정에서는 어는 특정미생물을 우점화하고 그 미생물 보유량을 극대화하여 유기물 및 질소 및 인을 효과적으로 제거하는 것이다.

유기물은 일반적으로 호기성 상태에서 제거가 효과적인 것으로 알려져 있으나 본 발명의 방법으로 증식된 다량의 미생물에 의하여 혐기성 상태에서 산소의 공급 없이도 다량의 유기물제거(약 70%이상)가 가능한 것으로 나타났으며 구체적으로는 공정의 앞쪽에 설치한 혐기조(3))에 침수형 생물막 장치(4)에 미생물이 부착하여 증식 및 성장하게 하여 유기물이 풍부한 상태의 혐기성 조건에서 증식성장이 잘되는 혐기성 또는 통성 세균 류 를 선택적으로 우점화 하고 그 보유량을 극대화하여 하수중의 유기물을 대부분 제거하는데 혐기성 조건에서의 유기물 제거는 혐기성 미생물(세균)에 의한 산발효 및 메탄화에 의하여 일부가 제거되고 나머지는 통성 혐기성 미생물(세균류)에 의하여 하수중에 풍부하게 존재하는 탄산가스(C0₂), 중탄산(HCO₃) 등에 포함된 결합산소를 이용하여 호흡하면서 유기물을 제거하는 것으로 판단된다.

제1호기조(7)에서는 호기상태에서 MLSS 및 DO(용존산소) 농도를 높게 유지하여 호기성 미생물(세균) 에 의하여 잔존 유지물을 제거하고 제2호기조(10)에서는 상태에 따라 공기공급량을 조절하여 용존산소 농도를 일정범위로 제한하여 질산화 세균중 니트로 소모나스의 작용에 의하여 하수중의 암모니아의 일부를 아질산염(NO₂)으로 산화하며 아질산염이 질산염(NO₃)로 더 산화되지 않고 그대로 유지하게 하여야 하는데 일반적으로 용종산소 농도가 높고 보통의 Ph 범위에서는 NO₂를 NO₃로 산화시키는 니트로박터 등의 산화속도가 암모니아를 아질산염(NO₂)로 산화시키는 니트로 소모나스 등 보다 빠르므로 NO₂는 바로 NO₃로 산화되어 보통의 호기상태에서는 HO₂는 존재하기 어렵다.

그러나 니트로 박터 의 성장에 필요한 최소 용존 산소농도는 0.65mg/ℓ이고 니트로소모나스 의 성장에 필요한 최소산소 농도는 0.5mg/ℓ인 것을 이용하여 제2호기조(10)의 용존산소 농도를 0.5∼0.6mg/ℓ 정도로 유지하면 NO₂를 NO₃산화시키는 니트로 박터는 성장이 불가능하여 존재할 수 없으므로 니트로소모나스가 암모니아를 NO₂로 산화하고 NO₂로 유지시킬 수 있어 위의 식(1)에 의한 탈질이 일어날 수 있는 조건이 형성되는 것이다.

이 경우 용존산소 농도를 낮게 유지하는데 따른 문제는 질산화 속도가 용존산소 농도를 높게 유지하는 기존의 선 탈질식 고도처리공정에서 보다 약 0.5배 정도로 느려지는 것인데 위 식(1)에서 필요한 NO₂의 양은 전체 암모니아의 0.55배 정도이므로 질산환 하여야 할 양 도 거의 비슷한 비율로 줄기 때문에 현식적으로 문제가 되지는 않는다.

혐기 탈질조(14)에는 침수형 생물막 장치(15)를 설치하여 여기에 미생물이부착하여 증식 및 성장하게 하여 유기 탄소원이 적고 암모니아 및 아 질산염이 존재하는 상태의 혐기성 조건에서 증식 및 성장 잘되는 미생물 류 예를 들면 암모니아를 직접 잘소가스로 전환하여 탈질 하는 수소이용 독립영양 세균 등 을 우점화 하고 그 보유량을 극대화하여 위에서 설명한 식(1)의 내용과 같이 하수중의 암모니아를 제거한다.

침수형 생물막을 사용하면 부유 성장식 반응조 보다 매우 많은 미생물양을 확보할 수 있으며 MLSS농도 기준으로 약 15,000∼30,000mg/ℓ의 높은 미생물 농도를 확보 유지할 수 있기 때문이다.

암모니아를 직접 탈질하는 미생물은 증식 및 성장을 위하여 긴 SRT, 혐기성 조건(산소결핍상태), 존재하는 아 질산염을 환원시키지 않는 조건(유기물고갈)과 안정적 운전의 조건을 필요로 하기 때문에 일반적으로 사용되어온 부유 성장식 처리방법으로는 미생물 양의 제한에 따른 SRT 부족 및 미생물량 부족, 다른 혼합 미생물과의 경쟁, 수시로 변하는 MLSS농도 의 변화 때문에 이러한 미생물을 우점화 하고 그 보유량을 늘리는 것이 불가능하고 침수형 생물막 장치로 이러한 조건을 만족시킬 수 있다.

또한 혐기 탈질조(14)에는 위에서 설명한 것과 같이 암모니아가 직접 질소가스로 전환되어 탈질되며 동시에 미량이나마 유기물이 존재하고 혐기 상태이기 때문에 하수 중에 혼합된 탈질 세균의 작용으로 선 탈질에서와 같이 미량이나마 아질산염(NO₂) 및 탈질 과정에서 발생한 질산염(NO₃)의 일부가 질소가스로 환원되면서 탈질이 일어난다.

위 식(1)에 의하여 본 발명의 질소 제거 효과를 계산하면 다음과 같다.

위 식에서 암모니아 1분자와 아질산염 1.26분자가 반응하여 질소가스(N₂)1분자 와 0.24NO₃와 슬러지로서 0.017N의 질소가 발생하여 이중 N₂1분자는 가스로서 제거되고 0.017N은 슬러지로서 제거되며 0.24NO₃는 내부 반송비를 100%로 하면 그 1/2인 0.12NO₃가 혐기조(3)에서 선 탈질 로 가스화하여 제거되므로 제거되는 질소는 (2N + 0.017N +0.12N=2.137N)으로 하수중에 존재하던 질소 ( NH₄-N + 1.26NO₃= 2.26N)에 대하여 2.137÷2.26=0.9455 즉 94.5%의 질소를 제거 할 수 있는데 기타 호기탈질 등의 효과를 고려하면 94.5%이상의 질소를 제거할 수 있음을 알 수 있다.

또한 본 발명에서 하수처리를 위한 필요 산소 량은 다음과 같이 계산 할 수 있다.

하수처리에 필요한 산소 량은 위 의 식(1)에 의하여 암모니아의 55%를 아 질산염(NO₂)로 산화시키는데 필요한 산소 량과 하수중의 유기물(일반적으로 BOD로 표시)을 산화하여 제거하는데 필요한 산소 량을 합한 것으로 볼 수 있다.

암모니아가 아 질산염으로 산화되는데 필요한 산소 량은 다음 식으로 구할 수 있다.

NH₄-N + 1.5 O₂ → NO₂+ H₂O + 2H ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥(2)

위 식(2)에 의하면 암모니아의 아 질산염으로의 산화에는 질소1분자에 대하여 산소는 1.5분자가 필요하며 질소의 분자량(N)은 14이고 산소(O₂)의 분자량은 32 임으로 1.5 ×32 ÷14 = 3.43 , 즉 암모니아 중의 질소량의 3.43배의 산소가 필요함을 알 수 있다.

일반적으로 유기물(BOD) 1mg을 제거하는데는 약 1mg의 산소가 필요한 것으로 알려져 있다.

전통적인 선 탈질 공정과 본 발명의 필요한 산소량을 비교하면 다음과 같다.

조건: BOD : 120 mg/ℓ. T-N: 30 mg/ℓ ( 유입하수중의 질소는 암모니아가 대부분이므로 T-N= NH₄-N으로 본다.)

전통적인 선 탈질 공정에서는 암모니아를 우선 질산염(NO₃)로 산화하는데 여기에는 암모니아 량의 4.57배의 산소가 필요하고 선 탈질시 암모니아 량이 3배의 BOD가 혐기 상태에서 산소 없이 제거되므로 산화되어 제거될 유기물의 양은 유입BOD량에서 암모니아의 3배 량을 뺀 것과 같다.

따라서 선 탈질 공정에 필요한 산소량은 다음과 같다.

본 발명에 의한 탈질 공정에서는 유입BOD의 70%가 혐기상태에서 제거되고 암모니아의 55%만 산화하면 되므로 필요한 산소 량은 다음과 같다.

위 계산 결과에 의하면 본 발명에서 유기물제거와 탈질에 필요한 산소 량은 전통적인 선 탈질 공정에 필요한 산소 량의 55.3%만이 필요하여 매우 적은 것을 알수 있다.

본 발명의 하수처리 방법을 자세히 설명하면 다음과 같다.

전 처리시설(가)에서 미세 협잡물 및 모래가 제거된 하수는 하수 유입배관(1)을 통과하고 유입유량계(2)에서 그 양이 측정된 후 혐기조(4)로 유입된다.

혐기조(3)은 산소가 공급되지 않는 혐기 상태로 유지되며 혐기조(4)내에 설치된 침수형 생물막 장치(4)에는 시간이 경과함에 따라 유기물이 풍부한 상태에 적합한 혐기성 세균과 탈질 세균 ,바실러스(Bacillus)와 같은 통성 혐기성 세균 등 의 미생물이 부착하여 증식, 성장하면서 점점 그 양이 많아지고 어느 이상이 되면 평형이 이루어져서 그 상태를 유지며 MLSS농도로 환산하면 15,000∼30,000mg/ℓ에 해당하는 매우 많은 미생물 량을 보유할 수 있다.

이렇게 다량으로 부착된 미생물 은 하수중의 유기물의 약 70%를 분해하고 동시에 탈질 작용을 하여 내부 반송수중에 포함된 질산염(NO₃)을 환원하여 질소가스를 대기 중으로 방출하여 질소를 제거하게 된다.

혐기조(3)내에 설치한 ORP측정장치(5)는 혐기조의 혐기성 정도가 적당한 가를 판단하는 계측기로서 적당한 ORP값은 -150∼-300mV이다.

혐기조(3)를 거친 하수는 다음 공정인 제1호기조(7)로 흘러서 이송되는데 제1호기조(7)는 산기장치1(8)에 의하여 많은 양의 공기가 공급되어 용존산소농도(DO)1.0mg/ℓ이상의 강력한 호기상태를 유지하면서 수중의 호기성미생물의 작용으로 잔존하는 유기물을 분해하고 이 하수는 다음 공정인 제2호기조(10)로 이송되며 제2호기조(10)에서는 일부 유기물 분해와 유입된 하수중의 암모니아를 산화하여 아 질산염(NO₂)으로 전환시키는데 이 과정에서는 용존 산소농도(DO)를 0.5∼0.6mg/ℓ로 유지하는 것이 매우 중요하므로 상태에 따라서는 산기장치2(11)을 조절하여 공기 공급량을 감소시켜야 할 경우도 있으며 이때 공기 량의 감소로 인하여 교반력의 감소로 완전혼합이 이루어지지 않아 처리 효과가 저하될 수 있으므로 공기 량이 감소 한 경우에는 완전혼합의 유지를 위하여 교반기(13)를 작동시킨다.

아질산 염(NO₂)을 일으키는 질화세균인 니트로소모나스 의 성장에 필요한 최소 용존 산소농도는 0.5mg/ℓ이고 질산염(NO₃)을 일으키는 니트로 박터 등의 질산화세균의 성장에 필요한 최소 용존 산소농도는 0.65mg/ℓ이므로 용존산소 농도를 0.5mg/ℓ보다는 높고 0.65mg/ℓ보다는 낮게 유지하여야 산화된 NO₂가 NO₃로 더 산화되지 않고 존재할 수 있기 때문이다.

제2호기조(10)에서는 식(1)의 내용에 따라 전체 암모니아의 약 55%만 아 질산염으로 변화시키는 것이 중요한데 혐기조(3) 및 제1호기조(7)에서도 바실러스 속 세균 등의 작용에 의하여 어느 정도 암모니아가 제거되므로 정확한 양은 현장측정에 의하여 결정하여야 하고 아 질산염의 비율은 공기공급량 및 MLSS농도를 조절하여 적절한 값이 되게 조정한다.

제2호기조(10)을 거친 하수는 다음 공정인 혐기 탈질조(14)로 이송되고 혐기탈질조(14)는 무산소 또는 혐기 상태로 유지하여 수소이용 독립영양 세균 등 직접 탈질에 필요한 미생물의 증식성장 조건을 만족시키고 전 단계의 공정에서 하수중의 유기물은 거의 다 제거되어 혐기성 조건이 되어도 아 질산을 환원시킬 유기물이 부족하여 종속영양 세균류는 증식 및 활동이 저하되어 수소이용 독립영양 세균 류 등이 우점종으로 다량 증식하게 되며 그 수단으로 침수형 생물막 장치(15)를 설치하여 그 표면에 다량의 수소이용 독립영양 세균류 등 을 부착 증식 성장 시켜서 이 세균 류 의 작용으로 암모니아의 직접적인 질소가스 전환에 의한 탈질을 일으키며 대부분의 질소가 여기에서 제거된다.

혐기 탈질조(14)를 거친 하수는 제3호기조(17)로 이송되어 호기상태에서 잔존 오염물질이 제거되고 미 처리된 암모니아의 일부가 질산화 되어 일부는 내부 반송배관(21) 및 내부 반송펌프(22)에 의하여 혐기조(3)의 입구부로 이송되며 식(1)에 의하여 혐기 탈질조(14)에 탈질 과정에 발생한 질산염(NO₃)과 제3호기조(17)에서 발생한 질산염을 혐기성 상태에서 질소가스로 환원하여 제거하며 내부 반송비율은 유입하수량의 약 100%정도를 기준으로 하나 유입하수중의 암모니아 농도가 낮은 경우 등과 같이 필요에 따라서는 반송비율을 0%로 할 수 도 있다.

하수중의 인은 미생물의 기질 합성에 일부가 이용되고 제3호기조(17)에서 혐기 상태에서 호기 상태로 바뀔 때 과량의 인을 미생물이 흡수한 것을 최종침전지(20)에서 잉여 슬러지로 인발 하여서 제거한다.

제3호기조(17)을 거친 하수 중 나머지 부분은 최종 침전지(20)으로 이송되어 슬러지는 바닥으로 침전되어 가라앉고 위 부분의 상징수는 외부로 방류한다.

최종 침전지(20)의 바닥에 침전된 슬러지는 슬러지 인발배관(24)을 통하여 인발 된 후 일부는 슬러지 반송배관(26)과 슬러지 반송펌프(25)를 통하여 필요에 따라 혐기조(3)의 입구부와 제1호기조(7)의 입구부로 유량대비 약 20∼100%로 반송하여 적절한 MLSS를 유지하는데 이용한다.

이 반송 슬러지 내에는 다양한 종류의 세균이 존재하는데 이 세균들은 위에서 설명한 각 공정 중에서 자신에게 적합한 조건을 가진 공정의 반응조 내에서 성장하여 우점화 되고 다량으로 존재하면서 하수의 필요한 MLSS를 유지하는데 이용된다.

운전 계열내에 슬러지가 과잉이 되면 최종 침전지(20)내의 일부 슬러지는 슬러지 인발배관(24)에 연결하여 설치한 잉여 슬러지 이송펌프(28)에 의하여 슬러지 저장조(29)로 이송되어 저장되며 슬러지 저장조(29)에서 필요한 양 이외의 남는 슬러지는 잉여 슬러지 펌프(36)에 의하여 잉여 슬러지 농축기(38)로 이송되어 약 4%정도로 농축한 후 잉여 농축 슬러지 저류조(39)에 이송하여 일시 저류 한 후 탈수설비에서 탈수 처리한다.

슬러지 저장조(29)는 인의 방출을 방지하기 위하여 호기상태로 유지하여야 한다.

또한 우리 나라의 대부분을 차지하고 있는 합류식 하수배제방식의 하수처리장 중에서 중, 대형 처리장에는 유량 조정조가 없어서 하루 중에도 시간대별로 하수 유입 량이 크게 변동하여 방류수질 도 함께 변동하면서 방류수질이 불안정한 경우가 많다.

유입하수량의 변화는 처리장의 위치마다 일정치는 않으나 일반적으로 낮 시간대에는 시설용량의 130∼150%로 과다하게 유입되고 야간 시간대에는 시설용량의 30∼70%로 유입되어 과소하게 유입되고 있어 현재의 시설로 운전할 경우 낮 시간대에는 처리수질이 악화하고 야간시간대에도 부하의 과소로 인하여 미생물 상태가 악화되어 다음날 낮 시간대에 또 영향을 주고 있는 실정이며 아 질산염의 비율이 매우 중요한 본 발명의 공정에서는 이러한 문제가 발생하면 질소 제거 율이 크게 감소할 수 있다.

본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 처리장의 혐기조(3)에서 최종 침전지(20) 까지 의 반응조를 직렬방향으로 하나의 계열로 하고 병렬방향으로는 서로 차단되게 하여 이러한 계열을 병렬로 여러 개 독립적으로 설치한 후 여러 계열의 맨 앞쪽에 서로 관통되는 공통의 분배수로(나)를 설치하고 각각의 혐기조(3)의 입구에 전동식으로 원격작동이 가능한 유입 수문(2)를 설치하여 유입하수량이 증가하면 필요한 만큼의 유입 수문(2)을 열어서 운전하는 계열 수를 증가시키고 유입하수량이 감소하면 필요한 만큼의 유입 수문(2)를 닫아서 운전하는 계열의 수를 감소시키게 공정 제어반(31)에 프로그램하여 자동적으로 운전하는 계열의 수를 정할 수 있게 하였다.

또한 유입 하수량과 운전 계열수 조정에 의한 시설용량이 서로 다를 수가 있는데 계열수 가 적은 중소 규모 하수처리장인 경우 이 영향이 크다.

운전조건에 변동이 생기면 운전 계열내에 존재하는 슬러지의 양은 정해져 있기 때문에 내부 반송비나 슬러지 반송비율을 변경하여 운전하여도 변동사항에 맞게 즉시 실제 필요한 슬러지 농도를 유지할 수 없는 경우가 많으므로 이런 경우에는 슬러지 저장조(29)에 저장된 슬러지(이 슬러지는 활성도가 높은 슬러지 임)를 슬러지 보충펌프(31)를 가동하여 필요한 양만큼의 슬러지를 제1호기조(7)로 반송하여필요한 슬러지 농도를 유지한다.

또한 운전조건이 변동하여 운전 계열내에 슬러지가 과잉으로 존재하여 필요 이상으로 높은 MLSS농도가 되는 경우가 있는데 이때에는 슬러지 이송펌프(28)을 가동하여 슬러지 저장조(29)로 슬러지를 이송하여 저장함으로서 운전계열내의 과잉 슬러지를 제거하고 운전 계열내에 슬러지가 부족할 때를 대비한다.

슬러지 저장조(29)의 용적은 제1호기조(7)에서 제3호기조(17)까지 유입하수가 통과 할 때까지 만 슬러지를 보충하면 그 다음은 추가적인 슬러지의 보충없이 내부 및 슬러지 반송에 의하여 필요한 슬러지 농도를 유지할 수 있으므로 그 만큼의 슬러지를 저장할 수 있는 용적으로 정한다.

규모에 따라 약간의 변동은 있으나 슬러지 저장조의 용적은 유량 조정조를 설치할 때에 필요한 용적의 약 10∼15%정도면 충분하므로 유량 조정조를 건설하는 것 보다 매우 경제적이다.

이와 같이 하면 하수 유입량이 변동하여도 항상 적당한 부하비율(F/M비, BOD용적부하등)을 유지할 수 있어 수처리 효과가 향상되고 방류수질이 안정되고 미생물도 적정한 활성을 유지할 수 있으며 운전을 중지한 지의 미생물은 그 동안 정지상태로 있으나 운전중지는 약 6∼8시간에 불과하여 이 동안에는 미생물의 사멸이나 약화는 일어나지 않기 때문에 공정 운영에는 아무런 문제가 없다.

또한 유입 하수량 과 운전계열수 사이의 편차에 의한 영향은 혐기조(3)과 혐기 탈질조(14)내에 설치한 침수형 생물막 장치에 다량 서식하고 있는 미생물의 작용으로 일부 완화 될 수도 있다.

혐기조(3) 및 혐기 탈질조(14)에 설치한 침수형 생물막 장치는 여러 가지가 사용될 수 있는데 하나의 실시 예는 회전 생물막 장치(RBC)를 사용하는 것이다.

침수형 회전 생물막 장치는 혐기성 상태를 유지할 수 있고 장치 하나로 미생물의 부착 증식과 반응조 내의 하수의 완전혼합을 동시에 달성할 수 있어 매우 효과적이다.

또한 침수형 회전 생물막 장치의 형식은 전통적인 요철 판재형태의 것보다는 미생물 보유량이 큰 망상이나 스펀지상의 회전 생물막 장치가 사용될 수 있으며 가장 바람직하게는 미생물 부착성이 우수한 PVA스펀지 상의 친수성 합성수지제의 생물 막으로 구성된 것이 좋다.

침수형 생물 막 장치 의 다른 실시 예는 섬모상 등의 고정 생물막 장치에 반응조 내의 완전혼합을 위한 교반 장치를 병행하여 사용하는 것이다.

침수형 생물막 장치의 또 다른 실시예는 지름이 3∼5mm정도 되는 입상 재료로 구성한 입상 생물막 충진층을 사용할 수 도 있으며 이 경우는 앞의 두 실시예 보다도 미생물 보유량을 훨씬 많게 할수 있어 반응조의 필요 용적을 아주 작게 할 수 있으나 충진층을 주기적으로 세척하는 것이 필요하여 유지관리 가 약간 어렵게 된다 .(위 실시예의 장치들은 그 자체로는 널리 알려진 것이라서 구체적인 구조는 도시하지 않았음)

위상차 현미경(33)은 확대화면이 부착된 것으로 미생물의 상태 및 동정을 공정관리자가 직접 확인할 수 있어 공정관리에 필요한 조치를 즉시 효과적으로 취할 수 있게 하며 공정 제어반(34)는 처리공정의 최적화를 위한 각종 운전 조건을 설정하여 공정 중에 설치된 각종 유량계 및 수질 데이터 에 의한 정보를 받아 각종 펌프 및 설비를 미리 정한 조건에 맞추어 자동적으로 제어 운전하는 것이다.

또한 본 발명에서 이용되는 미생물은 혐기성 및 통성 혐기성 미생물이 주종을 이루고 있어 잉여 슬러지 가 혐기성이 되어도 쉽게 부패하지 않아 냄새발생이 거의 없고 농축 슬러지 저류조 나 유입하수 등에서 발생한 냄새는 송풍기를 이용하여 배관으로 제1호기조(7) 에 불어 넣어주면 하수중의 미생물이 냄새를 분해하여 주므로 별도의 냄새제거 장치는 설치하지 않아도 된다.

본 발명은 하수처리장이나 폐수처리장 등 의 고도처리에 관여하는 미생물이 각각의 공정 특성에 맞게 우점하 할 수 있게 함으로서 특수한 미생물 활성제를 사용치 않고도 유기물 제거 효율과 영양염류의 제거 효율이 높으며 특히 우리 나라의 하수와 같이 C/N비가 낮은 하수에서도 유기물 및 영양염류의 제거효과가 높아서 방류수질개선 및 환경보호 효과가 크고 내부 반송비가 작고 필요한 산소 량이 매우 적어서 반송 및 산소공급에 필요한 설비비가 저렴하고 소비동력도 절감되며 하수 유입 량이 변동하여도 방류수질을 안정적으로 유지할 수 있고 기존의 활성 슬러지 공정의 처리장에 용이하게 적용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 미세한 협잡물 및 모래가 제거된 전처리 된 하수가 유입되며 침수형 생물막 장치를 설치하고 혐기성으로 유지하여 유기물을 혐기성 분해하고 일부 선 탈질 작용을 하는 맨 앞쪽의 혐기조;

   산기장치에 의하여 포기되어 호기성으로 유지하며 유기물을 제거하는 제1호기조:

   용존 산소농도를 특별한 범위로 유지하여 암모니아의 일부를 아 질산염(NO₂)으로 산화하고 유지시키는 제2호기조;

   침수형 생물막 장치를 설치하고 혐기적 또는 무산소 조건으로 유지하며 주로 암모니아를 직접 질소가스로 전환하여 탈질을 하는 혐기 탈질조;

   하수중의 잔존 오염물질을 산화시켜서 제거하고 앞 단계에서 미 처리 된 암모니아(NH₄-N)를 아질산염(NO₂)또는 질산염(NO₃)으로 산화 시키키 위한 제3호기조;

   제3호기조 에서 이송되어온 하수중의 고형물과 상징수를 분리하는 최종 침전지;

   제3호기조의 후단에서 슬러지를 혐기조로 반송하는 내부 반송장치 및 최종 침전지의 슬러지를 앞쪽의 혐기조 및 제1호기조로 반송하는 슬러지 반송장치;

   제2호기조의 아 질산염(NO₂) 농도가 미리 정한대로 유지되도록 포기량 을 제어할 수 있도록 구성한 하수의 산기장치;

   산기장치 와 교반기를 설치하여 공기량이 적을 때에도 완전혼합조건을 유지할 수 있게 한 제2 호기조;

   공정의 필요에 따라 제1호기조에 슬러지를 보충 공급할수 있는 슬러지 저장조 및 슬러지 보충장치;

   유입유량 변동 시에도 필요한 F/M비와 SRT를 유지 할 수 있도록 각각의 반응조는 직렬방향으로는 한조의 반응조로 작용하고 병렬방향으로는 서로 차단되게 하여 병렬방향으로 각각 독립된 여러개의 계열로 하고 각각의 계열은 공통으로 관통하는 분배수로로 연결되고 각각의 계열 앞쪽의 혐기조 입구에는 전동식 유입 수문을 설치하여 유입유량에 따라 자동적으로 운전하는 반응조의 계열 수를 계산하여 해당 계열의 유입 수문을 자동적으로 개폐 제어하는 운전 계열 수 제어방법 및 장치; 및

   각각의 반응조에는 필요에 따라 유량계 및 ORP, DO, MLSS등을 측정할 수 있게 필요한 측정기를 포함하고 측정 정보에 의하여 각 공정을 미리 정한 프로그램 내용에 따라 자동제어 하는 공정 제어반을 포함하고 위상차 현미경을 이용하여 각 공정의 미생물 상태 및 동정을 수시로 확인하여 최적의 공정상태를 유지하도록 한 질소 및 인의 제거를 위한 하수의 고도처리장치 및 방법
2. 청구항 1에서 침수형 생물막 장치는 망상 또는 스펀지형 침수형 회전 생물막 장치를 사용한 하수의 고도처리장치 및 방법.
3. 청구항 1에서 침수형 생물막 장치는 침수형 고정 생물막 장치와 교반기를 사용한 하수의 고도처리장치 및 방법.
4. 칭구항 1에서 침수형 생물막 장치는 침수형 입상 생물막 충진층을 사용한 고정 생물막 장치를 사용한 하수의 고도처리장치 및 방법.
5. 청구항 1에서 내부 반송비는 0∼100%로 하고 슬러지 반송비는 20∼100%로 하며 제1호기조의 용존 산소농도는 1.0mg/ℓ정도, 제2호기조의 용존 산소 농도는 0.5∼0.6mg/ℓ로 유지하여 총 암모니아의 55%를 아 질산(NO₂)화 하여 탈질 하는 것을 특징으로 하는 하수의 고도처리장치 및 방법.