KR101161801B1 - 오염물질 부하변동이 큰 오/폐수의 고도처리 시스템 및고도처리방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무산소조와 폭기조를 포함하고 폭기조 내 분리 막을 침지하며, 폭기조에서 반송되는 반송액 내의 용존산소 제거를 위한 탈기/혼화조를 무산소조 전단에 배치하고, 화학적 인 제거를 위해 탈기/혼화조로 유입되는 원수에 응집제 투입 및 교반설비를 포함하는 오/폐수의 고도처리 시스템 및 고도처리 방법을 제공하여, 오염물질의 부하변동이 심한 폐수를 대상으로 폐수 내 유기물, 부유물질 및 질소를 효과적이고 안정적으로 제거할 수 있으며, 생물학적 인 제거에 화학적 인 제거공정을 추가하여 보다 높은 효율의 인 제거가 가능하다.
생물학적 폐수처리, 고도처리, 응집제, 탈기, 혼화, 분리 막
Description
도 1은 일반적인 생물학적 고도처리공정(A2O)을 보여주는 공정도.
도 2는 일반적인 MBR형태의 생물학적 고도처리공정을 보여주는 공정도
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고도처리 공정도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 고도처리 공정도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 고도 처리시스템중 응집제 주입장치에 관한 모식도.
도 6a는 본 발명의 실시예에서 운전시간에 따른 원수 및 처리수의 BOD농도변화 및 처리효율변화.
도 6b는 본 발명의 실시예에서 운전시간에 따른 원수 및 처리수의 CODcr농도변화 및 처리효율변화.
도 7a는 본 발명의 실시예에서 운전시간에 따른 원수 및 처리수의 T-N농도변화 및 처리효율변화.
도 7b는 본 발명의 실시예에서 운전시간에 따른 원수 및 처리수의 T-P농도변화 및 처리효율변화.
[산업상 이용 분야]
본 발명은 폭기조를 포함하는 생물학적 오/폐수 처리 시스템 및 처리방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 오염물질의 부하변동이 심한 폐수를 대상으로 폐수 내 유기물, 부유물질, 질소 및 인을 효과적이고 안정적으로 제거할 수 있는 오/폐수 처리 시스템 및 처리방법에 관한 것이다.
[종래 기술]
유기물과 질소 및 인으로 대표되는 영양 염류를 함유한 하수, 오수 및 폐수의 처리는 대부분 경제적인 생물학적 고도처리방법이 이용되는데, 그 중 가장 널리 보편화되어 적용되고 있는 방법이 활성 슬러지법을 기반으로 한 고도처리공정이다.
상기 생물학적 고도처리공정을 구체적으로 살펴보면, 생물학적 질소, 및 인의 제거는 하기 각 단계를 거치면서 진행되며 이러한 각 단위공정의 다양한 배치조합에 의해 생물학적 고도처리공정이 구성되는 것이 통상적이다.
질소제거의 경우, 원수 내에 기 존재하거나 공정 중 유기질소로부터 발생된 암모니아성 질소가 호기조건에서 독립영양 질산화균에 의해 질산성 질소로 산화되는 단계(폭기조)와 무산소 조건에서 종속영양 탈질균이 탄소원을 전자공여체로 사용하여 질산성 질소를 환원시켜 최종적으로 질소가스(N2) 형태로 제거하는 단계(무 산소조)로 이루어진다.
또한 인 제거의 경우, 혐기 조건에서 원수 내에 존재하거나 혐기성 미생물에 의해 발효 생성된 아세테이트와 같은 저급 지방산(short chain fatty acid)을 인 제거 미생물이 체내로 흡수하여 PHB(Poly-??-hydroxybutyrate) 및 PHV(Polyhydroxyvalerate)등과 같은 유기 고분자 형태로 합성하고, 이러한 합성에 필요한 에너지는 체내의 Poly-phosphate를 Ortho-phosphate형태로 분해하여 얻는 기작이 이루어지는데, 이 때 체내에 농축되는 Ortho-phosphate를 체외로 배출하는 단계(혐기조)와 호기 조건에서 인 제거 미생물이 체내의 유기고분자를 분해하면서 발생되는 에너지를 이용하여 혐기 조건에서 방출한 Ortho-phosphate보다 더 많은 양을 섭취(Luxury Uptake)하여 체내에 Poly-phosphate 형태로 합성하여 축적하는 단계(호기조)를 거쳐 최종적으로 원수 내 인을 미생물 체내에 고형화하여 제거하는 공정으로 이루어진다.
이러한 각 단위공정들의 여러 조합에 의해 현재 다양한 생물학적 고도처리공정이 개발되어 왔으며, 우리나라의 하수특성상 질소, 인 대비 탄소원의 비(C/N ratio)가 낮기 때문에 하기와 같은 통상적인 배치형태를 보인다. 우선, 유입원수 내 탄소원이 1단계의 호기 조건에서 종속영양균들에 의해 대부분 소모될 수 있으므로 사실상 무산소조가 호기조 전단에 위치하고 호기조에서 무산소조로의 반송과정을 두는 역순환 공정이 대부분이다. 또한 인 제거 미생물이 탈질 미생물에 비해 성장속도가 느리고 이에 따라 한정된 탄소원에 대한 탈질 미생물과의 기질경쟁(Substrate Competition)에서 불리한 조건에 있으므로 인 제거 미생물을 충분히 확 보하기 위해 무산소조 전단에 혐기조를 배치하여 인 제거 미생물이 원수 내 탄소원 우선 확보가 가능하도록 하는 경우가 대부분이다.
도 1은 일반적인 하, 폐수 처리장의 생물학적 고도처리공정 중 대표적인 A2O 공정을 보여주는 공정도이다, 구체적으로, 침사지(110), 최초 침전조(120), 혐기조(130), 무산소조(140), 폭기조(150) 및 최종 침전조(160)로 구성된다. 또한, 폭기조(150)에서 무산소조(140)로의 내부 반송 설비(170)가 구비되고, 최종 침전조(160)에서 혐기조(130)로의 슬러지 반송 설비(180)가 구비된다.
먼저, 처리대상 하, 폐수(또는 원수)를 침사지(110) 및 최초 침전조(120)를 순차적으로 통과시켜 원수 내 협잡물 및 부유 물질의 일부를 제거하고, 상기 최초 침전조(120)의 상등액은 혐기조(130)로 이송되어 혐기화를 거치면서 슬러지 반송 설비(180)에 의해 혐기조(130)로 이송된 활성 슬러지 중 인 제거 미생물에 유기물을 공급하여 인 제거 미생물에 의한 인 방출기작을 유도한 후 후단의 무산소조(140)로 이송된다.
상기 무산소조(140)에서는 혐기조(130)에서 이송된 이송액 내 탈질 미생물에 의해 내부 반송 라인(170)에 의해 유입되는 폭기액 내의 질산성 질소를 환원시켜 질소가스형태로 제거하며, 상기 탈질 과정에서 유기물 제거가 수반된다. 상기 탈질액은 이후 폭기조(150)로 이송되어 호기성 미생물에 의한 유기물 제거 및 질산화 미생물에 의한 질산화 반응이 진행되며, 이 때 질산성 질소 제거를 위해 폭기액의 일부를 내부 반송 라인(170)를 통해 무산소조(140)로 반송한다.
상기 폭기조(150)에서 처리된 처리액은 후단의 최종 침전조(160)로 이송되어 침전에 의한 고액분리과정을 거치면서 상등액은 최종처리수로써 유출되고, 침전된 활성 슬러지는 구비된 슬러지 반송 라인(160)을 통해 다시 혐기조(130)로 반송되며, 일부는 잉여 슬러지로 농축 및 탈수 처리되어 폐기된다.
이러한 생물학적 고도처리공정은 현재 다양한 형태로 변형/발전되어 왔으며, 이 중 생물학적 고도처리공정과 분리 막 기술을 접목한 Membrane bioreactor (MBR)형태의 생물학적 고도처리공정이 최근 주목 받고 있다. MBR형태의 생물학적 고도처리공정은 분리 막이 침전조 역할을 대신하므로 최종 침전조가 필요 없고 분리 막에 의한 완벽한 고액분리가 가능하므로 침전효율이상으로 인한 공정운영상 문제가 근본적으로 해결된 공정이다. 또한 분리 막의 완벽한 고액분리로 반응조 내 미생물 농도를 높게 유지할 수 있어 용적대비 처리효율이 높고, 높은 미생물 농도로 인해 공정 체류시간을 줄일 수 있으며 최종 침전조 대신 폭기조 내에 분리 막이 위치하므로 전체적인 부지면적을 최소화 할 수 있다.
도 2는 이 중 한 예로 MBR형태의 변형 A2O 공정을 보여주는 공정도로, 스크린(210), 혐기조(220), 무산소조(230), 폭기조(240)로 구성되며, 폭기조(240) 내부에 침지형 분리 막(241)이 장착되고 폭기조(240)에서 무산소조(230)로의 1차 내부 반송 라인(250) 및 무산소조(230)에서 혐기조(220)로의 2차 내부 반송 라인(260)이 구비된다.
먼저, 처리대상 하, 폐수가 스크린(210)을 통과하면서 원수 내부의 협잡물 및 부유 물질의 일부를 제거하여 후단의 분리 막이 협잡물 등에 의해 파손되는 것을 방지하고, 상기 스크린(210)을 통과한 원수는 혐기조(220)로 이송되어 혐기화를 거치면서 1차 내부 반송 라인(250)에 의해 혐기조(220)로 이송된 활성 슬러지 중 인 제거 미생물에 유기물을 공급하여 인 방출기작을 유도한 후 후단의 무산소조(230)로 이송된다.
상기 무산소조(230)로 이송된 이송액 내 탈질 미생물에 의해 2차 내부 반송 라인(260)에 의해 유입되는 폭기액 내의 질산성 질소를 환원시켜 질소가스형태로 제거하며, 탈질 미생물에 의한 유기물 제거 또한 이루어진다. 이러한 탈질액은 이후 폭기조(240)로 이송되어 호기성 미생물에 의한 유기물 제거 및 질산화 미생물에 의한 질산화 반응이 진행되며, 이 때 질산성 질소 제거를 위해 폭기액의 일부를 2차 내부 반송 라인(260)를 통해 무산소조(230)로 반송한다.
상기 폭기조(240)에서 처리된 처리액은 폭기조(240)에 침지된 분리 막(241)에 의해 고액 분리되어 분리 막을 통과한 여과액은 최종처리수로 유출되고, 폭기조(240)내 폭기액의 일부는 잉여 슬러지로 배출되어 농축 및 탈수 처리되어 폐기된다.
상기 MBR형태의 생물학적 고도처리공정은 이미 기술한 바와 같이 고농도의 미생물을 생물반응조 내에 확보할 수 있어 용적부하기준 처리효율이 높으며, 오염물질 부하변동에도 강한 공정이다. 또한, 최종 침전조가 필요 없고 분리 막에 의해 완벽한 고액분리가 이루어지므로 일반적인 생물학적 고도처리공정에 비해 자동화가 용이하고 유지관리가 간편하다는 장점도 지니고 있다.
그러나, 상기 MBR형태의 생물학적 고도처리공정은 폭기조에 장착되는 침지형 분리 막의 오염을 최소화하기 위해 통상적으로 막 모듈에서 자체적인 산기관을 통 한 폭기가 이루어지는데 이 때 사용되는 폭기량이 생물학적 처리에 필요한 폭기량보다 과도하여 일반적으로 폭기조 내 과폭기가 이루어지는 경우가 대부분이다. 따라서 일반적인 생물학적 고도처리에 비해 공기사용량이 많아 유지관리비용측면에서 단점이 될 수 있으며, 폭기액 내 용존산소 농도가 높아 이를 무산소조 혹은 혐기조로 반송할 경우 탈질 효율 또는 생물학적 인 제거를 위한 인 방출에 저해를 받게 된다. 또 다른 문제는 생물 반응조 내 미생물 농도를 높게 유지하기 위해서는 공정의 Solid Retention Time(SRT)을 길게 운전해야 하는데, 이는 생물 반응조의 잉여 슬러지 배출량이 적음을 의미하며 동시에 인을 과잉 섭취한 미생물이 공정외부로 배출되는 량이 적음을 의미하므로 생물학적 인 제거효율이 낮을 수 밖에 없다. 반대로 인 제거효율을 높이기 위해 SRT를 낮게 운전하게 되면, 전체 활성 슬러지 중 상대적으로 성장속도가 가장 느린 질산화 미생물을 고농도로 확보하기 어려워 질소제거효율(질산화율)이 낮아지는 문제점을 가지고 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 목적은, 생물학적 질소 및 유기물 제거를 위해 무산소조와 폭기조를 배치하고 무산소조 전단에 탈기/혼화조를 배치하여 폭기조에서 반송된 반송액 내 용존산소를 제거한 후 무산소조로 이송하며, 화학적 인 제거를 위해 탈기/혼화조로 유입되는 원수 내 응집제 투입/교반설비를 포함하는 오/폐수 고도처리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은, 효율적인 고액분리를 통해 부유물질 제거 및 고농도 미생물을 확보하기 위하여, 상기 오/폐수 고도처리 시스템에서 폭기조 내에 침 지형 분리막을 배치한 오/폐수 고도처리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 상기 오/폐수 고도처리 시스템을 사용하여 오염물질 부하변동이 큰 오/폐수를 처리하는 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하고자, 본 발명은
(a) 원수 내 협잡물 및 부유 물질을 제거하기 위한 스크린,
(b) 상기 스크린 설비를 통과한 원수를 이후 탈기/혼화조로 이송하기 전에, 상기 원수에 응집제를 주입하는 응집제 주입장치와 상기 응집제가 주입된 원수를 급속교반하기 위한 급속교반장치,
(d) 상기 응집제와 급속교반된 원수가 유입되고, 폭기조에서 반송된 폭기액이 유입되어 탈기 및 혼화과정을 수행하기 위한 탈기/혼화조,
(e) 상기 탈기/혼화조에서 처리액이 유입되고, 상기 처리액 내 함유된 질산성 질소를 제거하기 위한 무산소조, 및
(f) 상기 무산소조에서 처리액이 유입되고, 상기 처리액 내의 유기물 제거, 암모니아성 질소의 질산화 및 인 과잉섭취과정을 수행하기 위한, 침지형 분리막이 구비된 폭기조를 포함하는 오/폐수의 고도처리 시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명은
(i) 스크린을 통과시켜 원수 내 협잡물 및 부유 물질을 제거하는 단계,
(ii) 상기 스크린 설비를 통과한 원수를 이후 탈기/혼화조로 이송하기 전에,
상기 스크린을 거친 원수에 응집제를 주입하고 급속 교반을 시키는 단계,
(iii) 상기 원수와 응집제의 교반액을 탈기/혼화조로 이송하고, 탈기/혼화조에서 원수와 폭기조에서 반송된 반송액 내 용존산소를 제거하면서 원수와 반송액 및 응집제의 완속 교반을 수행하는 단계,
(iv) 상기 탈기/혼화조에서 처리된 처리액을 무산소조로 이송하여 탈질 처리하는 단계,
(v) 상기 무산소조에서 처리된 처리액을, 침지형 분리막이 구비된 폭기조로 이송하여 유기물 제거 및 질산화 과정을 거치는 단계,
(ⅵ) 상기 폭기조의 폭기액의 일부를 탈기/혼화조로 반송하며, 일부는 잉여슬러지로 농축 및 탈수과정을 거쳐 폐기 처리하는 단계를 포함하는, 하/폐수의 고도처리 방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명의 고도처리공정은 오염물질의 부하변동이 심한 원수를 대상으로 하며, 상기 원수 내 함유된 유기물, 부유물질, 질소 및 인을 효과적으로 제거하기 위해 응집제 인라인 투입/교반설비, 탈기/혼화조, 무산소조 및 분리 막이 침지된 폭기조를 구비한다. 도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 고도처리공정을 도식화한 도면이다.
도 3를 참고하여 본 발명을 구체적으로 설명하면, 스크린(310)을 구비하여 본 공정으로 유입되는 원수 내 협잡물 등을 제거하여 후단의 폭기조(350)에 침지된 분리 막(351)이 파손되는 것을 방지하고, 이후 스크린(310)에서 탈기/혼화조(330)로 원수가 이송되는 배관 상에 응집제 투입설비와 인라인 믹서(320)를 구비하여 원 수와 응집제를 급속 교반하고, 이후 탈기/혼화조(330)를 구비하여 유입된 원수와 내부반송라인(360)을 통해 탈기/혼화조(330)로 유입된 반송액을 완속 교반하면서 용존산소를 제거하고, 이후 무산소조(340)를 구비하여 탈기/혼화조(330)로부터 이송된 탈기/혼화액 내의 질산성 질소를 탈질 미생물에 의해 제거하고, 이후 폭기조(350)를 구비하여 미생물에 의한 유기물제거 및 질산화를 유도하고, 폭기조(350) 내에 분리 막(351)을 침지하여 고액분리를 통해 미생물을 포함하는 부유물질이 제거된 여과수를 최종처리하고 폭기액은 내부반송라인(360)을 구비하여 탈기/혼화조(330)로 반송한다.
스크린을 통과시켜 원수 내 협잡물 및 부유 물질을 제거하는 단계
원수내에 포함된 협잡물 및 부유물질을 스크린에 통과시켜 제거하는 공정이며, 본 기술분야에서 알려진 통상의 스크린을 이용하여 수행할 수 있다. 상기 통상의 스크린의 예로는 자동 바 스크린(Auto Bar Screen), 시브 스크린(Sieve Screen), 레이크 스크린(Rake Screen) 및 드럼 스크린(Drum Screen) 등을 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
응집제 주입 및 급속 교반
상기 오/폐수 고도처리 장치에서, 응집제 주입장치 및 교반장치는 상기 스크린 설비를 통과한 원수를 이후 탈기/혼화조로 이송하기 위한 원수이송배관 상에 설치되는 인라인 응집제 주입장치 및 교반장치, 또는 응집제 주입장치가 구비된 급속 교반조일 수 있다.
상기 응집제 주입장치는 교반 설비가 구비된 응집제 저장조(510), 응집제를 정량으로 투입하기 위한 정량펌프(520), 및 정량펌프와 원수이송배관을 연결하는 배관(530)을 포함할 수 있다. 상기 응집제 주입장치는 원수 이송 배관내 원수중 인 농도를 분석하기 위한 인농도 분석장치(540), 및 상기 분석된 인농도에 따라 응집제의 주입량을 조절하기 위한 정량펌프(520)의 조절장치(540)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일예에 따른 응집제 주입장치를 도 5에 나타낸다.
상기한 공정에서 스크린(310)을 통과한 원수 내 응집제가 투입되고 인라인 교반을 통해 교반속도가 최소 150 RPM 이상의 급속 교반이 이루어지면 응집제와 용존성 인산염과의 반응에 의해 불용성 인 화합물이 생성된다. 이때, 급속 교반의 정도가 높아짐에 따라 입자 간 충돌회수가 증가되어 플럭(floc)형성이 용이해 지며 이에 따라 인 제거율 또한 높아지게 된다. 상기 반응은 하기 반응식 1에 기재된 바와 같다.
상기 반응식 1에서 보는 바와 같이 응집제를 첨가하게 되면 응집제의 금속염과 원수 중의 인산염(Ortho-phosphate)이 반응하여 불용성의 인산 알루미늄 혹은 인산 철이 생성되어 침전된다. 상기 반응에 의해 생성된 불용성의 인 화합물은 후단의 폭기조(350) 내에 침지된 분리 막(351)을 통과하지 못하고 본 공정 내에 체류 하다가 SRT(Solid Retention Time)조절 시 잉여슬러지와 같이 공정 외부로 배출되어 폐기 처리된다. 상기 반응과정과 같은 인 제거가 가능하고 본 공정에 또한 적용이 가능한 응집제는 상기의 반응과정에서 예시된 황산 알루미늄(Alum, Aluminum Sulfate) 및 염화 제2철(Ferric Chloride)과 같은 통상의 응집제 이외에도 폴리염화알루미늄(PACl, Poly-aluminumchloride) 이나 폴리염화규산알루미늄(PACS, Poly Aluminum Chloride Silicate)과 같은 고분자 응집제 또한 가능하며, 적정 투입량은 Jar Test를 통해 투입농도 대비 인 제거량을 조사한 후 인 제거 필요량에 적합한 응집제 투입량을 결정할 수 있다.
탈기/혼화조에서 완속교반
상기 과정을 거친 응집제와 급속 교반된 원수는 이후 탈기/혼화조(330)로 유입되어 폭기조(350)에서 내부반송라인(360)을 통해 반송된 반송액과 교반속도가 최대 100 RPM 미만의 완속교반이 이루어지게 한다. 이러한 탈기/혼화조(330)의 완속 교반을 통해 미 반응된 응집제와 인산염의 반응을 유도하고, 생성된 플럭의 크기를 크게 성장시켜 후단의 분리 막(351)에서 발생할 수 있는 막 오염을 최소화 하도록 하며, 이때 교반속도가 100 RPM 이상일 경우 교반에 의한 Shear Stress로 인하여 거대화 된 플럭이 깨질 수 있다. 또한, 반송된 반송액 내 호기성 미생물에 의해 일정한 탈기/혼화조(330)의 체류시간 동안 반송액과 원수 내 용존산소가 소모되어 후단의 무산소조(340)에 용존산소가 유입되어 탈질효율이 저해되는 것을 방지하도록 한다. 본 발명에 있어서, 폭기조에서 탈기/혼화조로의 반송되는 폭기액량은 원수량 대비 50 ~ 300%일 수 있다.
무산소조에서 탈질
상기 탈기 및 혼화과정을 거친 처리수는 무산소조(340)로 유입하여 탈질 과정을 거치게 한다. 상기 무산소조(340)는 무산소 조건에서 종속영양 탈질균이 탄소원을 전자공여체로 사용하여 질산성 질소를 환원시키는 단계(무산소조)를 거쳐 최종적으로 기체 상태의 질소로 제거하는 역할을 하며, 추가적으로 본 공정의 운전조건에 따라 생물학적 인 제거를 위한 인 방출조 역할을 할 수 있다. 본 공정은 단일 슬러지(single sludge) 시스템으로 전단의 탈기/혼화조(330)에 유입되는 용존산소 농도가 낮아 탈기/혼화조(330)에서 탈질 과정이 일정수준 진행되었거나, 폭기조(350)에서 반송된 질산성 질소 농도자체가 낮을 경우, 결과적으로 무산소조(340) 내 질산성 질소 농도가 극히 낮은 혐기조 조건을 유지하게 되면서 인 제거 미생물에 의한 인 방출기작이 진행되고 이에 따라 후단의 폭기조(350)에서 인 과잉섭취가 일어나 생물학적 인 제거효과를 추가적으로 얻을 수 있다.
폭기조에서 처리
상기 탈질 과정을 거친 처리수는 폭기조(350)로 이송하여 폭기를 통해 원수 내에 존재하는 BOD를 종속영양 미생물에 의해 제거되도록 하며, 독립영양 질산화 미생물에 의해 암모니아성 질소가 질산성 산소로 산화되도록 한다. 상기 폭기를 위해 공기 또는 산소를 발생하는 산기관(미도시)을 상기 폭기조(350) 내부에 구비하 도록 하며, 공기 공급은 상기 폭기조(350)의 일측에 별도의 공기 펌프(미도시) 및 이와 산기관(미도시)을 연결하는 공기 공급 라인(미도시)을 거쳐 이루어진다. 단, 폭기조(350)에 침지된 분리 막(351)에 필요한 공기공급량이 있으므로 이를 제외한 호기성 미생물에 필요한 공기공급량을 계산하여 공기펌프(미도시) 및 폭기량을 산정해야 한다.
본 발명에서 상기 침지형 분리막(351)은 중공사 형태(Hollow Fiber Type), 평막 형태(Plate and Frame) 및 관형(Tubular Type) 등의 것을 사용할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
상기 폭기과정을 거친 처리수는 폭기조(350)에 침지된 분리 막(351)에 의해 고액 분리되어 분리 막(351)을 통과한 처리수는 최종 처리수로 배출하고, 폭기조(350) 내부의 처리액은 내부반송라인(360)을 통해 전단의 탈기/혼화조로 반송하며 그 중 일부는 잉여슬러지 형태로 배출하여 농축 및 탈수과정을 거쳐 폐기처리 한다.
전술한 바의 본 발명에 따른 고도처리공정은 오염물질의 부하변동이 심한 폐수를 대상으로 하고, 상기 대상에 따라 반응조 각각의 수리학적 체류시간과 탈기/혼화조, 무산소조 및 폭기조의 수리학적 체류시간 비율을 결정하도록 하고, 대상 폐수의 연간 인 농도 유입량 범위를 기준으로 Jar Test를 수행하여 적정 응집제 주입량을 결정하도록 하며, 슬러지 반송비 또한 다양하게 변화시켜 최적의 운전인자를 확보한 다음 설계에 반영하도록 한다.
본 발명을 하기 실시예에 의해 더욱 자세히 설명할 것이나, 본 발명의 보호 범위가 하기 실시예에 의해 제한되는 의도는 아니다.
(실시예)
도 4에서 도시한 바에 따라 본 발명의 오/폐수 고도처리 시스템을 구성하였다. 상기 공정에서 원수는 0.75 mm간극의 드럼스크린(410)을 통과하면서 협잡물이 제거되고, 교반기(421)가 설치된 유량조정조(420)에 체류하다가 원수펌프(422)를 통해 교반기(441)가 설치된 탈기/혼화조(440)로 유입되도록 하였다. 이때, 원수펌프(422)와 탈기/혼화조(440) 사이의 원수이송배관 상에 인라인 교반기(430)를 설치하고 응집제 투입 정량펌프(431)를 이용하여 응집제 저장조(432)에 저장된 응집제가 인라인 교반기(430) 입측에 주입되도록 하였다. 탈기/혼화조(440)에는 응집제가 급속교반된 원수와 반송펌프(464)를 통해 이송된 반송액이 유입되어 완속교반 되도록 하였으며, 이후 교반기(451)가 설치된 무산소조(450)로 월류되도록 하였다. 무산소조(450)의 처리액은 다시 폭기조(460)로 월류되어 폭기조 내 설치된 산기관(462)과 브로와(463)에 의해 폭기 처리한 후 여과펌프(471)의 흡입 압에 의해 분리 막(461)을 통과한 여과수는 처리수조(470)에 저장된 후 최종처리 하였으며, 폭기조(460) 내의 폭기액은 반송펌프(464)를 통해 탈기/혼화조(440)로 대부분 이송하고 그 중 일부를 슬러지 저류조(480)로 이송하여 위탁처리 하였다.
본 실험에 사용된 침지형 분리 막(461)은 중공사 형태의 MF(Micro-Filtration)막으로 pore size가 0.1㎛, 재질은 Polysulfone이고 막 면적은 15 m2/module로 총 16개의 막 모듈을 침지하여 실험을 진행하였으며, 평균 막 투과유속은 17.4 LMH 이었다.
본 실험은 경기도 과천 환경사업소 하수처리장 유입원수를 대상으로 동절기를 포함한 약 6개월(1월 ~ 6월) 동안 진행되었으며, 실험기간 동안의 원수 내 오염물질 농도는 일반적인 하수원수성상에 비해 상당히 큰 폭의 변화를 나타내었다. 실험기간 동안의 원수수질변화는 표 1과 같다.
| 항목 | 단위 | 최저 | 최고 | 평균 |
| 수온 | ℃ | 10.1 | 24.5 | 16.4 |
| pH | - | 6.79 | 7.78 | 7.41 |
| DO | mg/L | 0.05 | 4.81 | 1.87 |
| BOD | mg/L | 105.2 | 373.3 | 214.2 |
| CODCr | mg/L | 238.1 | 711.9 | 456.7 |
| SS | mg/L | 78.4 | 429.0 | 247.8 |
| T-N | mg/L | 9.4 | 60.1 | 33.6 |
| NH3-N | mg/L | 7.8 | 54.3 | 29.6 |
| NO3-N | mg/L | 0.5 | 4.8 | 2.0 |
| NO2-N | mg/L | 0.0 | 0.2 | 0.0 |
| T-P | mg/L | 2.9 | 20.8 | 8.9 |
| PO4-P | mg/L | 2.6 | 18.0 | 8.1 |
| 알칼리도 | mg/L | 148 | 233 | 195 |
| 대장균수 | 개/ml | 23,100 | 139,667 | 74,206 |
6개월간의 실험기간 동안 하루 처리량은 97 ~ 104(평균 101) m3/day이었고, 공정 내 MLSS는 폭기조 기준 약 8,000 mg/L, 폭기조의 용존산소 농도는 2.0 ~ 3.5 mg/L에서 유지되었으며, 본 공정의 주요 단위공정의 운전부피 및 수리학적 체류시간(HRT)은 아래의 표 2와 같다.
| 탈기/혼화조 | 무산소조 | 폭기조 | 전체 | |
| 운전부피 [m3] | 4.32 | 8.28 | 11.34 | 23.94 |
| HRT [hr] | 1.0 ~ 1.1 | 1.9 ~ 2.0 | 2.6 ~ 2.8 | 5.6 ~ 5.9 |
표 1에 나타낸 바와 같은 유입 오염물질 부하변동이 심한 원수를 대상으로 6개월간 본 공정을 적용한 결과, 유기오염물질로 대표되는 BOD와 CODcr의 제거효율은 각각 96.6 ~ 99.8(평균 99.0)%, 93.2 ~ 98.7(평균 96.8)%로 나타나 전체 운전기간 동안 유기오염물질 제거효율은 높고 안정적으로 유지되었다. 상기 결과와 관련하여 원수와 처리수 및 처리효율 변화를 도 7a 및 도 7b에 도시하였으며, 동절기와 춘/하절기를 구분한 제거효율은 표 3에 나타내었다.
또한, 총 질소와 총 인의 제거효율은 65.9 ~ 85.1(평균 75.7)%, 52.4 ~ 99.2(평균 84.6)%로 나타났으며, 총 질소의 경우 동절기와 춘/하절기를 비교할 때 큰 차이 없이 안정적인 제거효율을 나타내었고 총 인의 경우 역시 안정적인 제거효율을 나타내었다. 특히 총 인의 경우 일반적인 고도처리공정에 비해 높은 처리효율을 보였으며, 이는 약 20일 이상의 SRT 조건하에서 이루어진 결과로 응집제 투입에 따라 인 제거효율이 안정적으로 증가된 것을 확인하였다. 상기 결과와 관련하여 원수와 처리수 및 처리효율 변화를 도 7a 및 도 7b에 도시하였으며, 동절기와 춘/하절기를 구분한 제거효율은 표 3에 나타내었다.
| 구분 | 오염물질 농도 [mg/L] | |||||
| 동절기 [1월초 - 2월말] | 춘?하절기 [3월초- 6월말] | |||||
| 유입수 (최고-최저) |
처리수 (최고-최저) |
처리효율 (최고-최저) |
유입수 (최고-최저) |
처리수 (최고-최저) |
처리효율 (최고-최저) |
|
| 수온 [℃ ] |
12.4 (10.1??16.3) |
- | - | 18.2 (12.1-24.5) |
- | - |
| BOD | 215.4 (110.5-277.5) |
1.9 (0.5-3.4) |
99.0 (97.5-99.8) |
213.6 (105.2-373.3) |
2.1 (0.6-3.6) |
99.0 (96.6-99.7) |
| CODCr | 458.4 (259.0-605.3) |
14.4 (7.8-21.9) |
96.7 (94.2-98.4) |
455.8 (238.1-711.9) |
13.6 (6.0-22.0) |
96.9 (93.2-98.7) |
| T-N | 31.4 (13.2-56.5) |
8.3 (3.1-15.6) |
73.6 (65.9-80.3) |
34.7 (9.4-60.1) |
8.1 (2.8-16.1) |
76.6 (66.0-85.1) |
| T-P | 10.2 (4.4-20.8) |
1.4 (0.2-2.0) |
85.6 (74.0-97.8) |
8.2 (2.9-14.0) |
1.1 (0.1-2.1) |
84.1 (52.4-99.2) |
참고로 응집제는 Alum을 사용하였으며, 투입량은 해당 원수의 연간 수질분석결과를 통해 평균 인산염 농도를 결정한 후, 통상적으로 미생물 생장 및 인 과잉섭취에 의한 인 제거량을 계산하여 유입 인산염 농도에서 미생물에 의해 제거되는 인 농도를 제외한 인 농도를 대상으로 하여 Jar Test를 통해 응집제 투입량을 결정하였다. 이외에 SS는 전체 실험기간 동안 99.9% 이상 제거되었으며 처리수의 SS는 0.1 mg/L을 넘지 않았고, 처리수의 대장균 수는 10 개/ml 이하에서 유지되었다. 본 실시예에 따른 결과를 대표적인 생물학적 고도처리공정인 A2O 공정과 비교한 결과를 표 4에 나타내었다.
| 항목 | BOD 제거율[%] | T-N 제거율[%] | T-P 제거율[%] | SS 제거율[%] |
| A2O 공정 | 90 이상 | 40 ~ 70 | 60 | 90 이상 |
| 본 공정 | 99.0 | 75.7 | 84.6 | 99.9 |
* A2O 공정 Data는 "2003 고도처리공법, 환경관리공단"자료 참조.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
이러한 본 발명에 따른 고도처리공정으로 처리된 처리수는 일반적인 고도처리공정의 방류수 내 질소 및 인 농도와 비교하여 상당히 낮은 수준으로 유지할 수 있고 유입원수의 오염농도 부하변동이 큰 경우에도 처리수질이 안정적이므로, 방류수 수질기준에 부합시킬 뿐만 아니라, 공정용수, 청소용수, 화장실 세정수 및 조경용수 등의 여러 가지 용도로 재이용할 수 있어 중수도 공정의 용도에도 바람직하게 적용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 무산소조와 분리 막이 침지된 폭기조를 구비하고, 폭기조에서 반송된 반송액 및 원수 내의 용존산소 제거를 위한 탈기/혼화조를 무산소조 전단에 배치하고, 화학적 인 제거를 위해 탈기/혼화조로 유입되는 원수에 인라인 응집제 투입 및 교반설비가 구비된 고도처리공정을 제공함으로써, 분리 막의 완벽한 고액분리를 통해 원수 내 부유물질 제거 및 고 농도의 미생물을 확보하면서 유기물 제거효율을 높이고, 탈기/혼화조를 통해 질소제거효율을 높이고, 응집제 투입을 통해 기존의 MBR형태의 고도처리공정의 낮은 인 제거 효율을 개선하여 결과적으로 오염물질의 유입부하변동이 심한 폐수를 안정적으로 처리할 수 있다는 점에서 큰 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 고도처리공정을 이용하여 처리된 처리수는 기본적으로 방류수 수질기준을 부합시킬 뿐만 아니라 유입원수의 오염물질부하변동에 대해 상당히 안정적이므로 처리수의 재이용 또한 용이하다는 점에서도 큰 효과가 있다.
Claims (9)
- (a) 원수 내 협잡물 및 부유 물질을 제거하기 위한 스크린,(b) 상기 스크린 설비를 통과한 원수를 이후 탈기/혼화조로 이송하기 전에, 상기 원수에 응집제를 주입하는 응집제 주입장치와 상기 응집제가 주입된 원수를 급속교반하기 위한 급속교반장치,(d) 상기 응집제와 급속교반된 원수가 유입되고, 폭기조에서 반송된 폭기액이 유입되어 탈기 및 혼화과정을 수행하기 위한 탈기/혼화조,(e) 상기 탈기/혼화조에서 처리액이 유입되고, 상기 처리액 내 함유된 질산성 질소를 제거하기 위한 무산소조, 및(f) 상기 무산소조에서 처리액이 유입되고, 상기 처리액 내의 유기물 제거, 암모니아성 질소의 질산화 및 인 과잉섭취과정을 수행하기 위한, 침지형 분리막이 구비된 폭기조를 포함하는 오/폐수의 고도처리 시스템.
- 제 1항에 있어서, 응집제 주입장치 및 교반장치는 상기 스크린 설비를 통과한 원수를 이후 탈기/혼화조로 이송하기 위한 원수이송배관 상에 설치되는 인라인 응집제 주입장치 및 교반장치, 또는 응집제 주입장치가 구비된 급속교반조인 것을 특징으로 하는 오/폐수 고도처리 시스템.
- 제 2항에 있어서, 상기 응집제 주입장치는 교반 설비가 구비된 응집제 저장 조, 응집제를 정량으로 투입하기 위한 정량펌프, 및 정량펌프와 원수이송배관을 연결하는 배관을 포함하는 것인 오/폐수의 고도처리 시스템.
- 제 3항에 있어서, 상기 응집제 주입장치는 원수 이송 배관내 원수중 인 농도를 분석하기 위한 인농도 분석장치, 및 상기 분석된 인농도에 따라 응집제의 주입량을 조절하기 위한 정량펌프의 조절장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 오/폐수의 고도처리 시스템.
- 제 1항에 있어서, 상기 폭기조의 폭기액을 탈기/혼화조로 반송하기 위한 반송설비를 추가로 포함하는 오/폐수 고도처리 시스템.
- 제 1항에 있어서, 폭기조에서 탈기/혼화조로의 반송되는 폭기액량은 원수량 대비 50 ~ 300%인 오/폐수 고도처리 시스템.
- (i) 스크린을 통과시켜 원수 내 협잡물 및 부유 물질을 제거하는 단계,(ii) 상기 스크린 설비를 통과한 원수를 이후 탈기/혼화조로 이송하기 전에,상기 스크린을 거친 원수에 응집제를 주입하고 급속 교반을 시키는 단계,(iii) 상기 원수와 응집제의 교반액을 탈기/혼화조로 이송하고, 탈기/혼화조에서 원수와 폭기조에서 반송된 반송액 내 용존산소를 제거하면서 원수와 반송액 및 응집제의 완속 교반을 수행하는 단계,(iv) 상기 탈기/혼화조에서 처리된 처리액을 무산소조로 이송하여 탈질 처리하는 단계,(v) 상기 무산소조에서 처리된 처리액을, 침지형 분리막이 구비된 폭기조로 이송하여 유기물 제거 및 질산화 과정을 거치는 단계,(ⅵ) 상기 폭기조의 폭기액의 일부를 탈기/혼화조로 반송하며, 일부는 잉여슬러지로 농축 및 탈수과정을 거쳐 폐기 처리하는 단계를 포함하는,하/폐수의 고도처리 방법.
- 제 7항에 있어서, 상기 단계 (ii)에서 응집제 주입 및 교반은 상기 스크린 설비를 통과한 원수를 이후 탈기/혼화조로 이송하기 위한 원수이송배관 상에 설치되는 인라인 응집제 주입장치 및 교반장치, 또는 응집제 주입장치가 구비된 급속교반조에서 수행되는 것을 특징으로 하는 오/폐수 고도처리 방법.
- 제 8항에 있어서, 상기 응집제 주입장치는 원수 이송 배관내 원수중 인 농도를 분석하기 위한 인농도 분석장치, 및 상기 분석된 인농도에 따라 응집제의 주입량을 조절하기 위한 정량펌프의 조절장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 오/폐수의 고도처리 방법.
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