KR100268368B1 - 간헐방류식장기폭기공정 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따라 단일 반응조내에서 폭기 1단계, 폭기 2단계, 침전 및 방류 단계가 간헐적인 시간 간격을 토대로 번갈아 수행되는 간헐 방류식 장기 폭기 공정에 의하여 저탄소원을 갖는 폐수의 처리 방법이 제공된다. 이와 같은 공정을 이용함으로써 경제적이며, 효율적인 폐수 처리 방법이 제공된다.

Description

간헐 방류식 장기 폭기 공정{Intermittently Decanted Extended Aerated Process}

본 발명은 폐수내의 유기물 뿐만 아니라 다량 포함되어 있는 질소와 인을 제거하기 위한 폐수 처리 방법, 특히 간헐식 방류 장기 폭기 공정을 사용한 폐수 처리 방법에 관한 것이다.

종래, 우리나라 폐수 처리장의 설계 기준은 주로 유기물 및 부유물의 제거를 목표로 하고 있었다. 따라서, 폐수내에 다량 포함되어 있는 영양소, 즉 질소 (N)과 인 (P)의 상당 부분은 미처리된 채로 방류되어 호수와 하천의 부영양화를 유발하여 깨끗한 수자원 확보와 쾌적한 자연 생태계 보전에 심각한 문제를 야기하고 있는 실정이다. 국내 폐수 처리장에서의 유기 물질과 영양소의 처리형태를 보면 유기물질의 경우 기존 처리장에서 80 % 이상의 제거 효율을 나타내고 있는데 반해 질소와 인의 경우는 효과적으로 제거되지 않고 방류되고 있었다. 이와 같이 미처리된 영양소의 과다유입으로 수자원이 오염되면 조류의 과다 번성을 유발하여 양질의 상수원 확보가 어려워지고, 그 결과 정수처리 공정의 고도화로 인해 정수처리 비용이 급격히 증가하게 된다.

현재까지, 폐수 중에 존재하는 다양한 영양소 제거 기법이 연구 개발되고 있으며, 크게 질소제거 기법, 인 제거 기법, 그리고 질소와 인의 동시 제거 기법으로 분류할 수 있다. 질소의 제거는 흔히 질화 미생물에 의한 질화 (nitrification)를 유도한 후 탈질화 (denitrification) 과정을 거치는 것으로 이루어지며, 인의 제거는 혐기성 또는 무산소 조건하에서 용출된 인을 미생물을 사용하여 호기성 조건에서 과다 섭취시켜 제거하는 혐기호기법의 기본 원리를 이용하여 이루어지고 있다.

구체적으로는, 공정의 효율상 바르덴포 (Bardenpho) 공정과 같이 질소와 인의 동시 제거를 목적으로 하는 경우도 있으며, 혐기호기 공정 (A/O 공정) 및 A₂/O와 같이 생물학적 인 제거에 주안점을 두는 경우도 있다. 또한, 알루미늄이나 석회와 같은 일반 응집제를 사용한 화학침전 방법도 있으며, 폐수의 고도처리 방법으로 암모니아 탈기법 (Ammonia-stripping)이 사용되기도 한다.

그러나, 상기 열거한 종래의 방법들은 수행상 각각의 특성에 따른 단점이 존재하고 있으며, 이를 하기 표 1에 요약하였다.

종래 방법	단 점
A2/O	추운 기후의 운전 조건에서 성능이 불확실
	A/O에 비하여 복잡
Bardenpho 방법	다량의 내부 순환이 필요하며, 이에 따라 펌프 에너지 비용과 유지 관리비가 증가
	약품 주입의 필요성이 불확실.
	A2/O에 비하여 더 큰 반응조 체적이 필요
	일차침전이 질소 및 인의 제거 공정 능력을 감소시킴
	높은 BOD/P 비가 필요
	공정 성능에 대한 온도의 영향이 잘 알려져 있지 않음
UCT 방법	다량의 내부 순환이 필요하며 이에따라 펌프 에너지 비용과 유지 관리비가 증가
	약품 주입의 필요성이 불확실.
	높은 BOD/P 비가 필요
	공정 성능에 대한 온도의 영향 잘 알려져 있지 않음
VIP	다량의 내부 순환이 필요하여 펌프 에너지 비용과 유지 관리비가 증가
	저온이 질소 제거 능력을 감소시킴

또한, 생물학적 산화와 고형물 분리라는 두 처리 과정이 기존의 분리된 반응조들에서 연속적으로 실행되는 반응조내 균질 상태의 생물학적 공정들과는 달리, 본 발명자들이 1997년 5월 31일 출원한 특허 출원번호 제97-22491호에는 생물학적 산화와 고형물 분리의 두 과정이 단일 반응조내에서 간헐적인 시간 간격을 토대로 번갈아 행하여 지는 간헐 방류식 장기 폭기 공정이 개시되어 있으며, 이 문헌이 본원에 참고로 도입될 수 있다. 이러한 간헐방류식 장기 폭기 공정 (IDEA Process)의 특징은 폭기, 침전 및 처리수 방류의 3 단계가 한 반응조 안에서 순서에 따라 계속 반복됨으로써 이루어진다는 것이다. 그러나, 이러한 공정을 효과적으로 수행하기 위해서는 첫째, 유입되는 폐수에 탈질화를 이루는 데 필요한 탄소원 (예를 들면, 메탄올, 에탄올, 글루코스, 아세테이트, 메탄) 및 인의 방출을 유도할 수 있는 탄소원 (예를 들면, 아세테이트, 프로피오네이트, 발레레이트, 글루코스) 등이 충분히 존재하여야하지만, 생활폐수에서는 이러한 탄소원들이 부족하며, 둘째, 폭기 단계 동안 무산소/혐기성 상태와 호기성 상태간의 구분이 명확하지 않음으로해서 반응조 내의 반응이 탈질화 또는 질화의 한 방향으로 치우칠 가능성이 있어 효율적인 질소 제거가 어렵다는 단점이 있다.

따라서, 본 발명자들은 위의 단점을 보완하기 위하여 폭기 단계 동안 외부 탄소원을 폐수와 함께 공급하고, 폭기 단계 동안의 산소 공급량을 차별화함으로써 폭기 단계의 일정 시간 동안 무산소/혐기성 조건을 유지하므로써 질소 및 인 제거 효율을 증가시킬 수 있다는 것을 발견하였다.

도 1은 폭기(aeration) 단계를 나타내는 도식도.

도 2는 침전 단계 (sluge settlement)를 나타내는 도식도.

도 3은 처리수 방류 단계 (effluent decanting)를 나타내는 도식도.

본 발명의 방법에 따라, 동일한 단일 반응조 내에서 폭기 단계, 침전 단계 및 처리수 방류 단계가 번갈아 행해지는 순환 공정으로서, 상기 폭기 단계는 외부 탄소원이 폐수와 함께 공급되는 소량의 산소에 의한 폭기 1단계와 다량의 산소가 공급되는 폭기 2단계로 구별되고, 폐수의 유입은 순환 공정 동안 계속해서 상기 반응조의 바닥 부분으로 낮게, 그리고 반응조를 가로지르면서 천천히 유입되어 확산되고, 처리수는 방류 단계에서만 간헐적으로 방류되는 간헐 방류식 장기 폭기 공정이 제공된다.

본 발명의 방법을 요약하여 하기 표 2에 나타내었다.

구 분	세부 사항
폭기 단계 (45-90 분)	폭기 1단계 (10-20 분)	폭기 2단계 산소 공급량의 30 내지 50 % 공급	필요시 탈질화 촉진을 위하여 외부 탄소원을 유입하수와 혼합하여 투입,
	폭기 2단계 (25-80분)	산소 공급 장치가 100 % 가동	유기물 산화, 질산화, 인 과량 섭취가 일어남
	슬러지 폐기 단계 (1-5 분)	인 과다섭취한 미생물을 폐기함으로써 인제거
침전 단계 (60 내지 90 분)	혐기성 조건에서 유기물 축적과 인 방출, 필요시 인 방출 촉진을 위하여 외부 탄소원 공급
방류 단계 (20 내지 45 분)

상기 표 2에 나타낸 본 발명의 구성을 더욱 자세하게 설명하기 위하여 본 명세서에 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명을 단계별로 설명한다.

(1) 폭기 단계 (도 1 참조)

폭기 단계는 폭기 1단계 및 폭기 2단계로 구별할 수 있다.

먼저, 폭기 1단계는 전체 폭기 단계의 10 내지 40%를 차지하는 과정으로, 본 단계 동안 폐수와 함께 탈질화를 효과적으로 유도할 수 있는 메탄올, 에탄올, 글루코스, 아세테이트, 메탄 등과 같은 외부 탄소원이 공급되며, 폭기 2단계에서 공급되는 산소 공급량의 30 내지 50 %가 이때 공급된다 (전체 산소 공급 장치의 30 내지 50% 정도만 가동된다). 전 단계의 침전 및 방류 단계동안 침전 슬러지층내는 혐기성 상태로 유지되므로, 호기성 상태로 전환하는데는 어느 정도의 시간이 걸려, 폭기 1단계에서 반응조의 내부 상태가 바로 호기성 상태로 전환되지 않으며, 이러한 무산소/혐기성 상태 동안 공급되는 외부 탄소원과 함께 탈질화가 더욱 활발하게 이루어진다. 폭기 1단계에 공급되는 외부 탄소원의 농도는 COD (화학적 산소 요구량)로 환산하였을 때, 약 100 내지 200 mg/L의 범위이다.

폭기 2단계에서는 외부탄소원의 공급이 중단되며, 산소 공급장치가 100 % 가동된다. 따라서, 반응조내의 상태는 무산소/혐기성 상태에서 호기성 상태로 바뀌게 된다. 반응조내의 상태가 호기성 상태로 변함에 따라 침전 및 방류 단계 동안 침전 슬러지층 내의 혐기성 상태에서 방출하였던 오르쏘-포스페이트 형태의 인을 PAB 미생물들이 폴리포스페이트 형태로 과다 섭취하므로써 인 제거가 이루어진다. 또한, 공급되는 산소만으로도 충분한 혼합이 이루어질 수 있으므로, 별도의 교반조 또는 이외의 다른 교반시설을 사용하지 않고, 즉 무산소/혐기성 교반 단계없이 질소 및 인의 제거를 이룰 수 있다. 따라서, 본 발명의 방법에 따라 더욱 경제적인 폐수 처리 공정이 제공될 수 있다.

폭기 2단계의 호기성 상태에서 공급된 산소를 이용한 반응조내 미생물들의 유기물 산화과정을 통해 COD 및 BOD가 감소되고, NH₃-N의 제거 (질화)가 활발히 이루어지게 되어, NO₂-N 및 NO₃-N이 생성된다. 이렇게 생성된 아질산 및 질산은 후속되는 침전 및 방류 단계, 및 다음 주기의 폭기 1단계에서 탈질화 반응을 통하여 제거될 수 있다.

이 단계에서, 반응조내를 최대한 완전 혼합 균질상태로 만들기 위하여 기폭기 또는 산기 장치를 사용할 수 있고, 필요에 따라서는 따로 교반 시설을 구비할 수도 있다.

슬러지 (반응 미생물) 폐기는 폭기 단계 동안 계속되거나, 예정한 단기간 동안만 이루어질 수도 있다. 바람직하게는 슬러지의 폐기는 폭기 2 단계의 마지막 부분에서 일시적으로 (1 내지 5분) 이루어지며, 이때 활성화된 상태에서 수행함으로써 슬러지 처리가 용이하며, 폐기된 슬러지는 별도의 슬러지 농축 및 탈수 시설에 의하여 처리될 수 있다. 이러한 슬러지 폐기는 폐수 처리 공정에 있어 크게 다음과 같은 세가지 역할을 수행한다. 첫째, 폐기되는 슬러지는 인을 과다 섭취한 상태이므로 폭기 단계 중에 슬러지를 폐기시켜 줌으로써 인을 제거할 수 있다. 둘째, 본 공정의 설계 및 제어 변수들 중의 하나인 고형물 체류 시간 (SRT)을 조절하는 역할을 한다. 셋째, 슬러지 폐기량을 조절함으로써 반응조내 활성 슬러지의 괴상 형성에 대처할 수 있다.

폭기 1 단계 및 2단계의 시간은 유입 폐수의 성상, 입지 상황, 특히 반응조내의 슬러지의 침전 성질 등에 따라 본 공정의 설계 과정을 통해 결정된다. 산소 폭기량은 반응조내의 수중 용존산소 (dissolved oxygen) 농도가 폭기 1 단계동안 최대 0.3 내지 0.5 mg/L, 폭기 2 단계 동안 최대 1.5 내지 3.0 mg/L 정도로 유지되는 양으로 선정한다.

(2) 침전 단계 (도 2)

침전 단계가 시작되면서 반응조내로의 산소 폭기가 중단되며, 반응조내의 활성 슬러지가 균일하게 침전되기 시작하고, 서서히 용존산소의 농도가 떨어지면서 반응조내는 곧 무산소 상태가 된다. 이때 계속해서 유입되는 폐수를 유기 탄소원으로 하고 폭기 단계동안 생성된 NO₂, NO₃을 전자수용체로하여 미생물에 의한 탈질화 반응이 본격적으로 일어나기 시작한다. 침전 단계의 진전에 따라 침전되는 슬러지 층 내로 연속 유입되는 하수에 아세테이트, 프로피오네이트, 발레레이트, 글루코스 등과 같은 휘발성 지방산을 탄소원으로 함께 공급시켜 다량의 휘발성 지방산의 영향에 의하여 PAB 미생물들이 인을 방출하게 한다. 이때, 공급되는 탄소원의 농도는 COD (화학적 산소 요구량)로 환산하였을 때, 약 150 내지 300 mg/L의 범위이다. 이와 같은 PAB 미생물의 인 방출을 최대화 하기 위하여, 침전 단계의 후반부와 방류단계에서 아세테이트 등을 폐수와 함께 반응조의 바닥 부분으로 계속해서 공급한다.

침전 단계의 최종 목표는 탈질화 및 슬러지 층내에서의 인의 방출이며, 침전된 슬러지 층위로 맑은 상징수를 형성해 방류 단계동안 처리수의 방류를 원활히 하는데 있다. 침전 및 방류 단계 동안 PAB 미생물들의 인의 방출이 가능하였던 이유는 침전 슬러지층내가 혐기성 상태로 유지되는 가운데 반응조 바닥에서부터 연속 유입되는 하수 내에 포함되어 있던 다량의 아세테이트 등의 외부 탄소원에 포함된 휘발성 지방산 (VAC)을 PAB 미생물들이 섭취할 수 있기 때문이다.

(3) 처리수 방류 단계 (도 3)

침전 단계가 끝나면 맑은 상징수가 형성된다. 이때, 반응조에서 처리수 방류기 (effluent decanter)는 수면위에 매달려있는 상태이다. 처리수 방류 단계는 처리수 방류기가 수면 아래로 내려오면서 시작된다. 그러면서 서서히 방류기내로 상징수가 들어가게 되고, 미리 수리학적으로 계산된 양의 처리수 (상징수)가 방류되도록 알맞은 속도로 처리수 방류기는 알맞은 거리로 하강한다. 따라서, 본 단계동안 반응조내의 수면은 하강한다. 또한, 처리수 방류기는 상징수가 방류기내로 흘러들어가면서 상징수 위에 부유하는 찌꺼기 및 부사 (浮渣)를 제거하도록 제조된다. 본 단계가 끝날때까지 처리수 방류기는 하강하며 본 단계가 종료되었을 때의 수면 높이는 상기 폭기 단계 전의 위치로 되돌아가, 다시 첫 번째 단계인 폭기 단계가 시작된다.

이러한 방류 단계 동안 폐수 및 외부 탄소원이 계속해서 유입됨으로서 침전 슬러지 층내의 미생물의 활동이 왕성하게 유지되어 침전 슬러지 층이 차폐막 역할을 하기 때문에 PAB 미생물들의 인방출이나 유입되는 폐수 등에 의한 상징수의 수질 악화를 방지할 수 있다.

슬러지층으로 계속해서 폐수가 유입됨으로 탈질화 현상 및 인 방출이 일어나게 된다. 반응조내, 특히 침전된 슬러지 층내는 무산소 상태이다. 본 단계를 끝으로 한 주기(cycle)가 완료된다.

한편, 상기 설명한 세 단계 동안 (한 주기)의 수위 변화중 최고 수위 (top water level, TWL)와 최저 수위 (bottom water level, BWL)는 본 공정에 있어서 매우 중요한 설계 및 제어 인자이며, 이는 공정 설계 과정에서 계산된다. 또한 각 단계의 시간 및 반응조의 모양, 크기 구조, 구성등도 설계과정에서 정하여질 수 있다. 유입 폐수의 성상과 폐수 처리장의 입지 조건에 따라 반응조 모양 및 크기가 설계된다.

본 발명에 따른 방법의 또 다른 특징은 폭기, 침전 및 처리수 방류 단계의 시간 길이를 조절함으로써 유입 폐수의 우회없이 건기, 우기 및 홍수기 전기에 걸쳐 사용할 수 있다는 것이다.

본 발명에 따른 간헐식 방류 장기 폭기 공정을 이용한 폐수 처리 공정은 하기 비제한적인 실시예에 따라 더욱 자세하게 설명된다.

〈실시예〉

직경 20 cm의 환상의 바닥을 가지며, 최대 작업 부피가 17 L인, 반응조에 폐수 처리장 (광동리 폐수 처리장, 경기도 광주군)의 호기성 침전지로부터 혼합 액체의 그렙 시료를 시드하고, 폭기 시간을 15 분간의 제1 폭기 단계 (FAP) 및 33 분의 제2 폭기 단계 (SAP)로 하고, 침전 시간은 72분 및 방류 시간은 24 분으로 고정하여 폐수 처리를 수행하였다.

제1 폭기 단계에서는 외부 탄소원으로서 메탄올 (총 유입하수 중의 200 mg/L의 농도)을 공급하였고, 침전 단계의 마지막 24 분 및 방류 단계 동안 외부 탄소원으로 아세테이트 (총 유입 하수중의 300 mg/L의 농도)를 첨가하여, 1일 10 주기를 수행하였다. 이 때, 공급되는 모든 외부 탄소원은 유입 폐수와 혼합하여 반응기의 하부 부분으로 공급하였다.

압축 공기 이외에, 교반기를 사용하여 폭기 단계 동안 적절한 혼합을 수행하였다. 수족관 형 확산기에 의하여 공기를 확산시켰으며, 공급 속도는 드웨어 유량계를 사용하여 조절하였다. 일반적으로, FAP에서는 0.1 내지 0.5 L/분으로, SAP에서는 1.0 내지 3.5 L/분으로 공기를 공급하였다.

그랩 유입 폐수 시료를 모아 매주 일회 분석하였다. 매주 2 내지 4회 동일한 주기로부터 방출된 전체 방류물로부터 방출 시료를 모아 분석하였다. 1 내지 15분의 시료 간격으로 전체 작업동안 수회 주기를 조사하였다. 가용성 성분을 측정하기 위한 시료는 0.45 ㎛의 여과지를 사용하여 여과한 직후 냉각하여 본 분야의 공지된 방법 (Standard Methods, APHA, 1992)에 따라 수행하였다.

각각의 분석 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

분석 항목	유입 폐수 (mg/L)	1IDEA 반응조 유출수 (mg/L)	IDEA 공정 처리 효율 (%)	2KIDEA 반응조 유출수 (mg/L)	KIDEA 공정 처리 효율 (%)
COD	75.8	17.3	77.2	19.5	74.3
BOD	48.5	12.3	74.6	14.2	70.7
부유 고형물	67.2	11.9	82.3	12.3	81.7
질소 함량	73.1	51.2	30.0	11.2	84.7
NH3/NH4 +	62.8	31.2		5.65
NO2 -	0.59	0.23		0.35
NO3 -	2.31	16.8		4.70
인 함량	7.03	6.22	11.5	1.91	72.8
PO4 3+	5.88	5.75		1.72
1IDEA 공정은 특허 출원번호 제97-22491호에 기재된 간헐식 장기 폭기 공정에 의한 처리 결과를 나타낸다.
2KIDEA 공정은 본 발명에 따른 간헐식 장기 폭기 공정에 의한 처리 결과를 나타낸다.

상기 표 2의 결과로 알 수 있는 바와 같이, COD, BOD, 및 부유 고형물의 제거 효율은 종래의 IDEA 처리 공정의 경우와 유사한 결과를 나타내었으나, 질소 함량 및 인 함량의 면에서 크게 향상된 제거 효율을 나타내었다.

상기 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 간헐식 방류 장기 폭기 공정을 사용하여 폐수를 처리함으로써, 생활 폐수내의 유기물 뿐만 아니라 질소와 인을 더욱 경제적이며 높은 효율로 처리할 수 있는 폐수 처리 방법이 제공된다.

Claims (5)

1. 동일한 단일 반응조 내에서 폭기 단계, 침전 단계 및 처리수 방류 단계가 번갈아 행해지는 순환 공정으로 이루어지며, 폭기 단계는 혼합에 의한 탈질 반응의 촉진을 위해 수중 용존산소량이 0.5 mg/L을 초과하지 않도록 산소 공급 장치의 일부만을 가동하는 폭기 1단계 및 수중 용존산소량이 0.5 내지 3.0 mg/L이 되도록 산소 공급 장치를 전부 가동하는 폭기 2단계로 구별되며, 폐수의 유입은 순환 공정 동안 계속해서 상기 반응조의 바닥 부분으로 낮게, 그리고 반응조를 가로지르면서 천천히 유입되어 확산되고, 처리수는 방류 단계에서만 간헐적으로 방류되는 간헐 방류식 장기 폭기 공정에 의한 폐수처리 방법.
2. 제1항에 있어서, 침전 단계의 후반부 및 방류 단계 동안 유입 폐수와 함께 아세테이트, 프로피오네이트, 발레레이트 및 글루코스로 이루어지는 군으로부터 선택된 휘발성 지방산과 같은 외부 탄소원을 공급하여 미생물들의 효과적인 인 방출을 유도하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 침전, 방류 단계 및 폭기 1단계동안 유입되는 폐수와 외부 탄소원을 사용한 미생물의 탈질화 반응으로 질소가 제거되는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 폭기 2단계 동안 슬러지를 폐기함으로써 질소와 인을 제거하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 폭기, 침전 및 처리수 방류 단계의 시간 길이를 조절함으로써 유입 폐수의 우회없이 건기, 우기 및 홍수기 전기에 걸쳐 사용되는 방법.