KR100318367B1 - 폐수처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 호기성 처리조, 제1산소조, 무산소조, 제2산소조, 침전조의 순서로 배치되어 있고, 침전조와 제1산소조 사이에 반송로가 마련되어 있으며, 상기 반송로에 무산소/혐기성조를 구비하는 폐수처리장치를 제공하는데, 이 폐수처리장치는 반응조의 구성 및 배치를 종래와는 다르게 함으로써 폐수 중의 질소와 인을 효율적이고도 저렴한 비용으로 제거할 수 있고, 기존의 설비를 개조하여 투자비의 과다한 지출 없이 탈질, 탈인 제거효율을 높일 수 있다.

Description

폐수처리장치{Waste water treatment apparatus}

본 발명은 폐수내에 포함된 영양 염류를 제거하기 위한 폐수처리장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폐수 중의 질소 및 인을 생물학적으로 제거하기 위한 폐수처리장치에 관한 것이다.

생물학적 폐수처리방법은 폐수의 2차 처리방법의 일종으로서 슬러지 처리나, 유기물을 다량으로 함유하는 폐수의 처리방법으서 주로 이용되고 있다. 생물학적 폐수처리방법은 폐수내에 존재하는 유기물 중에서 생물에 의해 분해가능한 유기물을 미생물을 사용하여 제거하는 방법으로서, 이를 위한 단위공법으로는 살수여상,활성슬러지법, 호기성 및 혐기성 소화, 산화지법, 부패조 이용법 등이 있으며, 폐수내의 부유, 용존 혹은 콜로이드 상태의 생분해가능한 유기물을 산화시켜 물과 이산화탄소로 또는 침전가능한 미생물체로 변화시킴으로써 폐수를 처리하는 방법이다.

살수여상 (trickling filter) 방법은 생물학적 고정막을 이용하는 방법인데, 1차 침전지의 유출수를 미생물로 된 막으로 덮힌 쇄석이나 기타 플라스틱 여재 위에 뿌리는 것을 기본으로 하는데, 폐수가 미생물막위로 흘러내리게 되면 용해된 유기물은 미생물에 의해서 분해되고 콜로이드 상태의 유기물은 표면에 흡착된다. 호기성 상태를 유지하기 위한 산소는 여상의 바닥에서 표면으로 매질 사이의 공간을 따라 폐수와는 반대방향으로 자연적으로 흐르는 공기에 의해서 공급된다. 그러나, 여상내의 공간이 막힌다든지 유기물 부하가 큰 경우에는 혐기성 상태가 발생하여 악취를 발생시킬 수도 있다.

고정막을 이용하는 다른 방법으로서는 회전원판법이 있는데, 원판의 약 40%가 물속에 잠겨 있고 원판은 미생물이 부착되도록 넓은 표면적을 가지고 있다. 원판이 물속에 잠겨 있을 대에는 먹이가 미생물에 공급되고 원판이 대기중에 노출될 때에는 산소가 공급되도록 만들어져 있다.

활성슬러지법은 용존산소가 최소 2mg/l 정도로 존재하는 호기조건에서 폐수를 폭기조에 주입시켜 미생물이 유기물을 섭취분해하고 성장한 미생물은 응결되게 한 다음 응결된 미생물은 종말침전지에서 침전되어 활성슬러지로서 폭기조로 일부 반송되며, 일부는 폐슬러지로서 폐기되면서 종말침전지의 상등액이 처리수로서 유출되도록 하는 폐수처리방법이다.

이러한 활성 슬러지법을 수행하는 폐수처리장치의 구성은 다양하다. 폭기조의 첫 번째 부분을 무산소조로 전환하여 반송되는 활성 슬러지가 공기가 없는 반응조인 무산소조에서 폐수와 혼합되도록 할 수도 있고, 질산성 질소의 제거효율을 높이기 위해 폭기조의 끝에 폭기조의 시작인 무산소조로의 내부순환을 첨가할 수도 있다. 또한, 질소뿐만아니라 인도 제거하기 위한 장치가 제안되었다. 즉, 전단부에 혐기성조를 위치시켜 인이 미생물로부터 폐수중으로 방출되도록 한 다음 후속의 호기조에서 폐수중에 방출된 인을 미생물로 하여금 과잉섭취케 함으로써 인을 제거하는 공정이 개발되었다.

그러나, 활성 슬러지법을 수행하기 위한 장치의 변형에는 몇가지 어려움이 있는데, 특히 질소와 인의 제거가 충분치 않아서 추가의 설비를 요하는 문제가 있다. 예를 들면, 알룸이나 염화철과 같은 인 제거용 물질과 메탄올과 같은 탈질을 위한 물질을 사용하는 경우가 있는데, 인 제거를 위해 과다한 슬러지를 발생시키며 질소 제거를 위해 별도의 반응조를 필요로 하기도 하고, 메탄올을 과다하게 요함으로써 질산성 질소의 농도 변화에 부합되지 않는 작동 조건이 초래되기도 한다.

전술한 살수여상 또는 회전원판 장치와 같은 고정막 공법은 단지 암모니아성 질소의 질산성 질소로의 산화를 주로 하며, 질산성 질소와 인의 제거를 위해서는 여분의 반응조와 약품을 필요로 한다. 따라서, 일반적인 추세는 고정막 공법 대신 활성 슬러지법을 채택하거나, 고정막 공법을 수행한 후 활성 슬러지법을 추가로 수행하는 것인데, 이들은 투자비가 많이 들고 그에 따른 문제점도 무시할 수 없다.

폐수 중의 질소 성분은 유기성의 유기질소 성분과 암모니아성 및 질산성의 무기질소 성분으로 분류되는데, 이들을 총칭하여 총질소 (T-N)이라 하며, 유기성 질소와 암모니아성 질소를 합하여 TKN (Total Kjeldahl Nitrogen)이라 한다. 하,폐수 중으로 유입되는 질소 성분은 대부분 TKN의 형태로 존재하며, 이러한 질소 성분이 생물학적으로 제거되기 위해서는 질산성 질소 (NO_x)로 전환되어야 한다. 유입되는 질소 성분 중 일부 (유기성 질소)는 미생물의 세포합성에 필요한 영양원으로서 사용됨으로써 제거되고, 나머지 질소 성분은 미생물의 작용으로 질산성 질소 (질산화 반응) 형태로 전환된 후 N₂기체로 되어 (탈질반응) 대기중으로 방출된다. 이러한 탈질반응에는 유기물이 필요하며, 용존산소가 존재하지 않아야 한다.

폐수 중에 존재하는 인을 제거하는 공정이 탈인공정이며, 미생물에 의해 이루어질 수 있다. 즉, 혐기성 상태에서는 인을 방출하고 유입수의 용해성 미생물로부터 형성되는 단쇄 지방산 (short chain fatty acid)을 PHB (polyhydroxybutyrate)로 세포내에 저장하며, 호기성 상태에서는 저장된 기질을 사용하면서 인을 섭취하여 폴리포스페이트 형태로 저장함으로써 폐수 중의 인이 제거된다. 혐기성 반응조에서는 미생물에 의한 인 방출을 위해 질산성 질소가 없어야 한다.

따라서, 폐수처리공정 중의 생물학적 탈질, 탈인공정은 미생물이 정상적으로 성장할 때 이들을 영양소로서 이용하는, 미생물의 성장을 기본으로 한다. 즉, 미생물 세포가 C,H,O,N으로 구성되어 있으며, 이러한 세포를 합성하기 위해서는 질소와인이 필요하다. 따라서, 폐수내의 양분이 미생물을 위해서 적절한 것이라면 용존상태의 모든 질소 및 인은 미생물에 의해서 섭취되어 세포질로 변하게 될 것이다. 그러나, 이때 미생물은 탄소와 에너지의 공급을 위해서 탄수화물이나 기타 유기물을 필요로 하며, 탄소원의 종류에 따라 반응효율이 달라진다. 이와 같이, 탈질, 탈인이 효과적으로 이루어지기 위해서는 적절한 COD (또는 BOD):질소의 비가 유지되어야 한다. 그러므로 제거해야 할 폐수내의 질소와 인의 양에 따라서 필요한 탄소원의 양이 결정된다. 유기탄소원으로는 폐수 중에 존재하는 내부탄소원과 외부에서 추가적으로 주입되는 외부탄소원으로 구분되는데, 외부탄소원의 종류에 따라 반응속도와 처리효율이 달라지기 때문에 반응조에서의 체류시간이 달라질 수 있다.

생물학적 처리방법에서는 또한 미생물이 온도의 영향을 크게 받으므로, 온도조건에 따라 처리효율이 달라지게 된다. 겨울철과 같이 기온이 낮은 경우에는 질산화 반응속도가 낮아져서 탈질반응에 필요한 질산성 질소의 생성율이 저하된다. 이런 경우, 질산성 질소를 생성하기 위해 용존산소를 충분히 공급하여야 하는데, 용존산소의 농도가 높아지면 혐기성/무산소조의 작동조건을 유지할 수 없으므로 질소 및 인의 제거효율이 낮아지게 된다.

따라서, 폐수내에 포함된 질소와 인을 생물학적으로 처리하기 위해서는 폐수를 먼저 혐기성조/무산소조에 유입시켜 미생물에 의한 탈질반응과 인방출 반응이 일어나도록 한 후, 포기조에서 과잉 인 섭취와 질산화를 거치게 하는 것이 일반적인 방법이다.

미국특허 4,867,883호에는 1차 침전조, 혐기성조, 무산소조, 산소조, 2차 침전조의 순서로 구성되어 이들 반응조를 순서대로 거치는 한편, 무산소조에서 혐기성조로, 산소조에서 무산소조로, 2차 침전조에서 무산소조로 반송이 이루어지도록 되어 있는 폐수처리장치가 개시되어 있다. 이 폐수처리장치의 혐기성조에서는 1차 침전조의 처리수와 무산조로부터의 반송수가 유입되며, 내부 유기물을 이용하여 미생물들이 인을 방출하는 반응이 일어나는데, 이때 조건은 용존산소가 없어야 하는 것이다. 무산소조에서는 2차 침전조로부터의 반송슬러지와 산소조로부터의 반송수 및 혐기성조로부터의 처리수가 유입되는데, 산소조로부터의 반송수에는 질산성 질소가 많이 포함되어 있어서 혐기성조로부터의 유입수에 포함되어 있는 유기물을 이용한 탈질반응이 일어난다. 산소조에서는 무산소조로부터의 처리수가 유입되어 유기물 제거와 질산화 반응을 위해 용존산소가 공급된다. 산소조에서 질산화 반응이 일어나지 않으면 무산소조에서 탈질반응이 일어날 수 없으므로 질소제거를 위해서는 산소조에서 질산화 반응이 일어나야 한다. 2차 침전조에서는 고액분리가 일어나, 침전된 슬러지의 일부는 무산소조로 반송되며 일부는 폐슬러지로서 폐기된다.

미국특허 4,056,465호에는 반응조의 구성은 상기 미국특허 4,867,883호와 동일하지만, 반송에 있어서는 차이를 나타내는 폐수처리장치가 개시되어 있다. 즉, 반송이 산소조에서 무산소조로, 2차 침전조에서 혐기성조로만 이루어지도록 되어 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 저렴한 비용으로 높은 처리효율을 달성할 수 있는 폐수처리장치를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일태양에 따른 폐수처리장치의 개략적인 구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11: 호기성 처리조 13: 제1산소조

14: 제2무산조소 15: 제2산소조

16: 침전조 17: 반송로

18: 외부탄소원 공급수단 19: 무산소/혐기성조

상기와 같은 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에서는 호기성 처리조, 제1산소조, 무산소조, 제2산소조, 침전조의 순서로 배치되어 있고, 침전조와 제1산소조 사이에 반송로가 마련되어 있으며, 상기 반송로에 무산소/혐기성조를 구비하는 폐수처리장치에 의해서도 달성된다.

바람직하기로는, 무산소/혐기성조에 외부탄소원 공급수단이 연결되어 있다.

제2산소조와 침전조 사이에 제2무산소조를 구비하는 것이 바람직하다.

외부탄소원으로는 미생물이 이용할 수 있는 것이라면 어느 것이든 무방하나, 특히 휘발성 지방산, 메탄올 및 탄소수 6개 이하의 탄화수소가 바람직하다

이하, 본 발명의 폐수처리장치의 작용원리를 포함하여 다양한 태양에 대한 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 본 명세서 전체를 통해 사용되고 있는 용어들에 대해 정리를 하고자 한다.

'호기성 처리조'는 활성 슬러지 장치와 같은 잘 알려진 호기성 생물학적 처리장치를 의미하는 것으로서, 여기에는 회전원판장치, 살수여상 장치와 같은 고정막 장치와, 안정화지, 라군, 산화구법을 이용하는 슬러리 장치 등이 포함된다. 이러한 호기성 생물학적 산화조의 주목적은 호기성 생물학적 처리에 의한 BOD의 감소이다.

폭기조에서의 '호기 조건'이란 폭기장치, 교반기와 같은 잘 알려진 기구에 의해 이루어지는 폭기 운전조건을 의미한다. '호기성'은 일정량의 용존산소를 함유하는 것을 의미한다.

'무산소 조건'은 용존산소가 폐수내에는 존재하지 않으나 질산성 질소처럼 화학적으로 결합된 산소가 미생물 대사에 유용함을 의미한다.

'혐기성 조건'이란 폐수내에 용존산소도 질산성 질소도 존재하지 않아서 단지 혐기성 미생물만 자랄 수 있는 것을 의미한다.

'침전'이란 여과, 원심분리 등을 포함하는 일반적인 고형물 분리를 의미한다.

'휘발성 지방산'은 대기압에서 증발될 수 있는 수용성 지방산으로서 탄소수 6개까지의 수용성 지방산을 포함하며, 휘발성 지방산의 탄화수소물도 포함한다.

폐수의 생물학적 처리는 생물학적 처리에 이용되는 미생물의 성장을 기본으로 하고 있으므로, 일단 미생물의 성장에 유리한 조건을 조성해야 할 필요가 있다. 따라서, 미생물의 성장에 적합하도록 폐수에 영양원을 공급해야 하는 경우도 있다. 예를 들어, 제지 폐수를 처리하는 경우 질소:BOD=1:20, 인:BOD=1:75의 비율을 유지하는 것이 바람직한데, 이를 위해 질소와 인을 첨가해 주어야 한다. 본 발명의 폐수처리장치는, 폐수처리장치의 반응조의 구성을 최적화시킴으로써 질소와 인이 시스템내에서 자체적으로 적절 수준으로 조절되도록 하면서 궁극적으로 이들의 제거효율을 높일 수 있다는 점에 특징이 있다.

도 1은 본 발명의 일태양에 따른 폐수처리장치의 개략적인 구성도이다.

부유물질, 질소 및 인을 포함하는 높은 BOD의 폐수가 호기성 처리조(11)로 전달된다. 앞에서도 언급했듯이, 호기성 처리조(11)로는 활성 슬러지 장치, 살수여상 장치, 회전원판 장치가 이용될 수 있다. 이 산화조에서 BOD 성분은 부유물질 (Suspended Solid: SS)과 이산화탄소로 전환되고, 암모니아성 질소의 일부분은 질산성 질소로 전환된다. 이러한 질소의 전환을 질산화라고 한다. 미생물의 산화작용에 의해 질산화가 일어나기 위해서는 BOD는 14mg/l 이하로 감소해야 한다. 이는 나이트로조모나스 (Nitrosomonas)나 나이트로박터 (Nitrobacter)와 같은 독립영양세균 (autotrophic bacteria)이 암모니아성 질소를 질산성 질소로 전환시키는데 관여하기 때문이다. 호기성 처리조(11)에서는 초기에는 바실러스 (Bacillus)와 같은 종속영양세균 (heterotrophic bacteria)의 활성이 우세하여 이들 종속영양세균들이 BOD 성분을 분해한다. 이들 종속영양세균은 BOD 농도가 충분히 떨어질 때까지 질산화 독립영양세균의 활성을 제한하며 종속영양세균의 활성이 떨어지면 독립영양세균의 활성이 우세하게 된다.

호기성 처리조(11)로부터의 유출수와 무산소/혐기성조(19)로부터의 유출수가 제1산소조(13)로 유입되어 혼합된다. 제1산소조(13)에서는 미생물이 인을 과잉섭취하면서 폐수내 인을 빠르게 제거하며, 암모니아성 질소가 질산성 질소로 산화된다. 제1산소조(13)로부터의 유출수는 무산소조(14)로 유입되고 여기에서는 질산성 질소가 질소 가스로 환원되면서 총질소가 감소된다. 무산소조(14)로부터의 유출수는 침전조(16)로 보내지기 전에 제2산소조(15)로 유입되어 여기서 잠깐 체류하면서 용존산소의 농도가 증가하게 된다. 최종적으로, 질소, 인, BOD, SS가 상당 수준 감소되고 탁도가 감소된 정화된 폐수가 침전조(16)로부터 방류된다. 정화된 폐수의 일부와 슬러지가 반송로(17)을 통해 무산소/혐기성조(19)로 반송되며, 외부탄소원 공급수단(18)을 통해 외부탄소원이 무산소/혐기성조(19)에 공급되고, 무산소/혐기성조(19)에서는 무산소/혐기성 조건하에서 미생물에 의한 인의 방출반응이 일어나고, 무산소/혐기성조(19)로부터의 유출수가 인을 다량 포함한 채 제1산소조(13)로 유입되어 전술한 바와 같이 미생물에 의한 인의 과잉섭취 반응으로 제1산소조(13)에서 인의 제거가 이루어지게 되는 것이다. 한편, 제2산소조(15)와 침전조(16) 사이에 제2무산소조 (미도시)를 구비하게 되면 제2산소조(15)에서 생성된 질산성 질소의 질소로의 환원으로 총질소가 더욱 감소될 수 있다.

실제로, 도 1의 폐수처리장치를 사용하면서 최종 산화조와 침전조 사이에 무산소조를 추가로 설치하는 경우에는, 아질산성 질소 및 질산성 질소의 대폭 감소로 총질소양이 크게 감소하게 된다.

본 발명에서 사용되는 외부탄소원으로는 미생물이 이용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않으나, 특히 휘발성 지방산, 메탄올, 탄소수 6개 이하의 탄화수소를 이용하는 것이 바람직하다.

이상, 몇몇 실시예에 의해 본 발명을 설명하였으나, 첨부된 특허청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명에서는 기존의 폐수처리장치의 구성과는 다르게 반응조를 구성 및 배치함으로써 폐수 중의 질소와 인을 효율적이고도 저렴한 비용으로 제거할 수 있다. 또한, 기존의 설비를 개조하여 투자비의 과다한 지출 없이 탈질, 탈인 제거효율을높일 수 있다.

Claims (4)

1. 미생물의 산화작용에 의해 유입폐수중에 함유된 BOD 성분을 이산화탄소로 전환되고 암모니아성 질소의 일부가 질산성 질소로 질산화되는 호기성 처리조,

   호기성 처리조로부터 유입된 유입수에 용존산소가 공급되어 잔류하는 암모니아성 질소가 질산성 질소로 질산화되고 미생물에 의한 인과잉섭취 반응이 일어나는 제1산소조,

   제1산소조로부터 유입된 유입수중에 함유된 질산성 질소가 질소가스로 환원되는 탈질반응이 일어나는 무산소조,

   무산소조로부터 유입된 유입수의 용존 산소 농도를 증가시키는 제2산소조,

   제2산소조로부터 유입된 유입수중에 함유된 슬러지가 침전되는 침전조의 순서로 배치되어 있고, 침전조와 제1산소조 사이에 반송로가 마련되어 있으며, 상기 반송로에는 미생물에 의한 인방출이 일어나는 무산소/혐기성조를 구비하는 폐수처리장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 무산소/혐기성조에 외부탄소원 공급수단이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 폐수처리장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 외부탄소원이 휘발성 지방산, 메탄올 및 탄소수 6개 이하의 탄화수소로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 폐수처리장치.
4. 제 1항 내지 3항 중 어느 한항에 있어서, 상기 제2산소조와 상기 침전조 사이에 제2무산소조를 구비하는 것을 특징으로 하는 폐수처리장치.