KR19980086213A - 간헐 방류식 장기 폭기 공정을 이용한 폐수처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따라 폭기, 침전 처리수 방류의 순서로 이루어지는 연속적인 순환 공정으로 생물학적 산화와 고형물 분리가 단일 반응조내에서 간헐적인 시간 간격을 토대로 번갈아 수행되는 간헐 방류식 장기 폭기 공정에 의한 폐수 처리 방법이 제공된다. 이와 같은 공정을 이용함으로써 경제적이며, 우기와 건기 뿐만 아니라 홍수시에도 폐수의 우회없이 처리할 수 있는 효과적인 폐수 처리 방법이 제공된다.

Description

간헐 방류식 장기 폭기 공정을 이용한 폐수 처리 방법

본 발명은 폐수내의 유기물 뿐만 아니라 다량 포함되어 있는 질소와 인을 제거하기 위한 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) 와 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 공정이 고도화되어 정수처리 비용이 급격히 증가하게 된다. 더욱이, 원수 수질의 저하로 말미암아 생산된 상수의 질도 악화되기 때문에 소비자들에게 심리적 불안요인으로 작용하게 된다. 이러한 이유로 우리나라에서도 1996년 1월 1일부터 처리수내 영양소에 대한 배출 규제가 실시되어 이 분야의 기술개발이 이루어지고 있다.

현재까지, 다양한 영양소 제거 기법이 연구 개발되어 왔는데, 크게 보아 질소제거 기법, 인 제거 기법, 그리고 질소와 인의 동시 제거 기법으로 분류할 수 있다. 질소의 제거는 흔히 질산화 미생물에 의한 질산화 (nitrification)를 유도한 후 탈질산화 (denitrification) 과정을 거치는 것으로 이루어지며, 인의 제거는 혐기성 또는 무산소 조건하에서 용출된 인을 미생물을 사용하여 호기성 조건에서 과량 제거시키는 혐기호기법의 기본 원리를 이용하고 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.

[표 1]

본 발명자는 상기 표 1에 기재된 기존의 질소 및 인 제거 기법들의 단점을 보완하여 그 처리 수준을 혁신적으로 높일 수 있는 유기물과 질소의 제거 공정을 개발하고자 하였다.

본 발명은 생물학적 산화와 고형물 분리라는 두 처리 과정이 기존의 분리된 반응조들에서 연속적으로 실행되는 반응조내 균질 상태의 생물학적 공정들과는 달리, 생물학적 산화와 고형물 분리의 두 과정이 단일 반응조내에서 간헐적인 시간 간격을 토대로 번갈아 행하여 지며, 상기 단일 반응조 내에서의 공정은 폭기 (aeration), 침전 (sludge settlement), 처리수 방류 (effluent decanting)의 3 단계로 이루어지는 간헐 방류식 장기 폭기 공정에 의하여, 유입 폐수내의 BOD 제거는 물론 질산화와 탈질산화를 통한 질소 제거와 인 제거를 동시에 수행함으로써 달성될 수 있다.

따라서, 본 공정은 폐수 유입 공정을 단속적으로 조절하고, 처리조의 운영 주기가 유입 (filling), 폭기 (aeration), 침전 (settlement), 방류 (draw)의 4 단계로 이루어지는 연속 회분식 (sequencing batch) 또는 유입-방출 (fill-and-draw) 공정과는 다르게 개발되었다.

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.

도 4는 반응조의 평면도

본 발명의 간헐방류식 장기 폭기 공정 (IDEA Process)의 특징은 폭기, 침전 및 처리수 방류의 3 단계가 한 반응조 안에서 순서에 따라 계속 반복됨으로써 이루어진다는 것이다.

본 발명의 간헐 방류식 장기 폭기 공정에 따르면 폐수가 유입되면서 폭기 단계 후에 이어질 침전 단계 및 상징수 (上澄水) 방류 단계 동안 침전되는 슬러지층 내에서의 최대의 탈질산화를 유도할 수 있다. 또한, 탈질산화를 더욱 증가시키기 위하여 필요한 파이프와 산기 장치 (散氣 裝置), 노즐 등을 유입구에 설치하여, 유입수가 반응조의 바닥 부분으로 낮게, 그리고 반응조를 가로지르면서 천천히 확산되도록 하여, 폐수의 유입이 전 주기에 걸쳐 행하여지도록 하고, 처리수는 간헐적으로 방류되도록 함으로써, 폐수 중에 다량 함유된 유기물질 및 무기 영양소 즉, 질소 및 인을 경제적이고, 효과적으로 제거할 수 있다.

하기에서, 본 명세서에 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명을 단계별로 더욱 자세하게 설명한다.

(1) 폭기 단계 (도 1 참조)

본 단계동안, 공급된 산소를 이용한 반응조내 미생물들의 유기물 산화과정을 통해 COD 및 BOD가 감소되고, NH₃-N이 제거 (질산화)되며, NO₂-N 및 NO₃-N이 생성된다. 이 단계에서, 반응조내를 최대한 완전 혼합 균질상태로 만들기 위하여 기폭기 또는 산기 장치를 사용할 수 있고, 필요에 따라서는 따로 교반 시설을 구비할 수도 있다. 폭기 단계 동안 폐기되는 슬러지의 총량 (본 공정의 설계 과정에서 결정됨)은 유입되는 폐수의 총량보다 적으므로, 폭기 단계 동안 반응조내 수위는 증가된다.

또한, 폭기 단계에서 반응조에 석회, 백반, 염화제이철, 염화제일철, 황산제이철 및 황산제일철 등과 같은 화학적 응집제를 첨가하여 인 제거 효율을 높일 수 있다. 이러한 응집제에 의하여 폐수내의 인 성분은 침전물을 형성하여 반응조내의 슬러지와 함께 제거될 수 있다.

슬러지 (반응 미생물) 폐기는 폭기 단계 동안 계속되거나, 예정한 단기간 동안만 이루어질 수도 있다. 폐기된 슬러지는 별개의 라구운 (lagoon)으로 유입되어 처리되거나, 슬러지 농축조 및 탈수조에 의해 처리될 수 있다. 이 슬러지 폐기는 크게 세가지 역할을 한다. 첫째, 본 폭기단계는 반응조내에서 무산소 상태인 침전 단계와 처리수 방류단계 후의 폭기 단계이기 때문에 폐기되는 미생물은 인을 과다섭취한 상태이다. 그러므로, 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.

산소 폭기는 수면에 기폭기나 반응조내에 산기 장치를 설치함으로써 이루어지며, 폭기 단계의 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 단계동안 최대 1.0 - 4.0 mg/L 정도로 유지되는 양으로 선정한다. 이와 같이 용존 산소의 농도를 비교적 낮게 유지함으로써 침전 단계로 이어지는 과정에서 최단시간내에 반응조를 무산소 상태로 전환시킬 수 있다.

(2) 침전 단계 (도 2)

침전 단계가 시작되면서 반응조내로의 산소 폭기가 중단되며, 반응조내에 별도의 교반기가 구비되었다면, 그 교반기도 정지된다. 반응조내의 활성슬러지가 균일하게 침전되기 시작하고, 서서히 용존산소의 농도가 떨어지면서 반응조내는 곧 무산소 상태가 된다. 이때 폐수는 계속해서 유입된다. 이 폐수를 COD 원으로 하고 폭기 단계동안 생성된 NO₂-N, NO₃-N을 전자수용체로하여 본격적으로 탈질산화 반응이 일어나기 시작한다. 이 침전 단계 동안에도 반응조내 수위는 증가한다.

침전 단계의 최종 목표는 탈질산화를 동반하여, 침전된 슬러지 층위로 맑은 상징수를 형성해 방류 단계동안 처리수의 방류를 원활히 하는데 있다.

(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.

또한, 처리수 방류를 위하여 상기 설명한 처리수 방류기 이외에 정밀 여과막 (microfilter), 한외 여과막 (ultrafilter) 및 나노 여과막 (nanofilter) 등과 같은 분리막이 구비된 분리막 상징수 방류기를 사용할 수 있다. 이러한 방류기를 반응조내에 고정하고 상징수 방류 단계 동안 외부에서 수중 압력을 가하여, 상징수를 분리막 상징수 방류기안으로 흡입시키고, 여과하여 상징수를 반응조 외부로 방류시킨다. 본 단계동안에도 역시 폐수는 계속 유입된다.

슬러지층으로 계속해서 폐수가 유입됨으로 탈질산화 현상이 일어난다. 반응조내, 특히 침전된 슬러지 층내는 무산소 상태이다. 본 단계를 끝으로 한 주기(cycle)가 완료된다.

상기 언급한 폭기 - 침전 - 처리수 방류의 3 단계 이외에 필요에 따라 무산소 교반 단계 (Anoxic mixing period)를 더 포함시킬 수 있다. 이 단계는 폭기 단계 전 또는 후에 수행될 수 있으며, 산소 공급없이 반응조내의 폐수 및 슬러지를 교반하여 탈질산화를 유도함으로써 효과적인 질소 제거를 유도할 수 있다.

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 크기를 설계하고, 반응조내로 일부 가로지르는 벽 (일명 부분 가로벽, 그림 4 참조)들을 설치할 수 있다.

또한, 바람직하게는 본 공정의 반응조로 유입되는 폐수를 혐기성 및 호기성 상태의 반응조에서 처리한 후 본 발명의 반응조로 유입하여 인 제거 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 이러한 경우, 이 혐기성 및 호기성 반응조들과 본 공정의 반응조 사이에 여러 가지 다른 슬러지와 상징수의 교류 및 반송 장치를 설치할 수 있다.

한편, 기존의 활성 슬러지 공법과 비교하여 볼 때 본 공정에서 발생되는 폐기 슬러지는 안정화를 이루기 쉽고 (장기 폭기에 의해), 최종처분을 위한 추후 처리공정 없이 슬러지 라구운에서 처리시킬 수 있다. 폐기 슬러지는 폭기 단계동안 반응조로부터 슬러지 라구운으로 이송된다. 슬러지 라구운은 기능지 (facultative pond)의 역할을 하며, 폐기 슬러지를 라구운으로 반연속적으로 공급하므로써 라구운 표층을 호기성 상태로 유지하는 것이 용이해진다. 호기성 표층의 깊이는 0.6 m 이상이 확보되는 것이 좋다. 라구운의 상징수는 반응조로 반송된다. 라구운이 거의 다 찰 경우와 라구운에서 슬러지의 체류시간이 12개월이 경과한 후에 안정화된 슬러지를 교대로 제거하며 운전하기 위해서 2개 이상의 라구운을 설치하는 것이 바람직하다. 안정화된 슬러지는 탈수시켜 매립하거나 비료로 이용하는 방법으로 최종 처분시킨다. 처리장내 잔디나 정원수를 가꾸기 위하여 토양층 위에 비료로 뿌리는 방법으로 사용할 경우에는 슬러지를 탈수시키지 않은 상태로 사용할 수도 있는데, 이와 같은 방법으로 사용할 때에는 슬러지를 사용할 수 있는 충분한 부지가 확보되어야 하며 표면 유출은 반드시 방지되어야 한다.

본 발명의 간헐식 폐수처리 공정의 작동 조건의 또 다른 특징은 건기 및 우기뿐만 아니라 홍수시에도 폐수의 우회없이 단지 공정 단계의 시간을 변경함으로써 정상적으로 작동할 수 있다는 것이다. 이에 대해 각 시기별로 구체적인 작동 과정을 설명한다.

- 건기시 운전 (Cycle Under Dry Weather Flow (DWF))

본 공정의 운전주기는 폭기, 침전, 방류의 기본적인 3가지 공정이 양질의 유출수를 얻는데 적합하도록 선택되어야 한다. 폭기 시간은 공정상의 산소 요구량을 충족시킬 수 있도록 1일 필요 폭기량을 공급하는데 요구되는 1일간의 총 폭기시간을 토대로 선정하여야 한다. 침전과 방류 시간은 슬러지가 적절한 깊이로 침전되어 깨끗한 유출수를 얻을 수 있고 슬러지의 유출이 없도록 선정되어야 한다.

전형적인 본 공정의 운전주기는 3시간 주기로, 1.5시간의 폭기, 1시간의 침전, 0.5 시간의 방류로 구성된다. 따라서, 하루에 8번 주기가 반복되며, 총 12시간의 폭기가 이루어진다. 1일 폭기 시간과 폭기 단계의 폭기능 (시간당 산소공급량)이 1일 산소공급량의 변화에 따라 조절할 수 있다. 일반적으로 침전과 폭기 시간은 적절한 시간으로 결정한 후에는 변화시키지 않는다.

선정된 각 단계의 운전시간은 PLC (programmable logic controller)에서 프로그램화시켜 한 주기내의 각 단계 운전은 자동으로 행해지도록 한다. 정전으로 중단되거나 홍수의 발생으로 변경되지 않는 한 프로그램은 무한정 계속 반복된다.

2) 우기 및 홍수기의 운전 (Cycle Under Wet Weather Flow (WWF) and Storm Flow)

본 공정의 반응조는 간헐식 장치로 운전되기 때문에 방류기를 제외하고는 항상 수위가 상승하게 된다. 우기시 또는 홍수기에, 폭기 단계동안 수위가 과도하게 상승하게 되면 수면의 처리수 방류기에 도달하여 반응조내의 폐수가 넘치게되고 혼합액 현탁 고형물 (MLSS)의 일부가 유출되게 된다. 따라서 우기 중 이러한 현상이 발생하지 않도록 주기 시간을 변경할 수 있다. 비슷한 원리로 홍수 기간중에도 지폐수 침투등으로 인한 폐수 유입 속도가 증가하게되면 이에 맞게 주기 시간에 변화를 줄 수 있다. 그러므로, 본 공정은 다른 요인들의 변화없이 단순히 주기시간을 변화시키는 것만으로 우기 및 홍수시에 대처할 수 있게 되어, 유입 폐수를 우회시키는 일이 없게된다.

이와 같은 현상의 발생을 감지하기 위하여 전자감응 시스템을 사용한다. 평수위 이상으로 수위가 상승하면 감지기가 작동하여 PLC로 신호를 보내어 침전/방류 공정을 행하게 된다. 방류를 시작하기 전에 슬러지를 적절히 침전시키고 유출수와 함께 슬러지가 소실되는 것을 방지하기 위해서는 어떠한 경우에도 침전 시간을 60분 이상으로 유지하는 것이 효과적이다.

상기 설명한 바와 같이 폐수의 처리에 있어서, 본 발명의 장기 폭기 공정 (Extended Aeration Process)을 사용함으로써 생물학적 산화와 호기성 슬러지 안정화를 단일 반응조 (폭기/침전조의 동시역할)에서 동시에 수행하므로써 2차 침전지 뿐만 아니라 1차 침전지 및 슬러지 소화조 또한 불필요하게 되고, 소규모 처리장에서는 스크린 설비나 침사지를 설치하지 않고도 처리장 운전이 가능하다. 또한, 활성 슬러지의 농축 및 반송이 불필요하며, 침전시 매우 낮은 면적 부하율을 필요로 할뿐만 아니라, 고형분의 손실이 적으며, 우기와 건기시, 또한 홍수시에도 적용가능한 공정이다. 또한, 연속적인 폐수유입과 폭기, 침전, 방류가 동일 반응조에서 수행되기 때문에 하나의 반응조로 제작될 수 있어 설치 비용이 적게 들고, 자동 운전으로 최소한의 관리 인원만을 필요로 하여 운전 비용이 적게들어 경제적이다. 따라서, 중소 규모 (인구 5,000 ∼ 50,000명 정도)의 고도 폐수 처리장 건설에 용이할 것으로 생각된다.

본 발명은 방법 및 그 이점은 하기 실시예에 의하여 분명해지나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 설명한 바와 같이 본 발명의 간헐식 방류 장기 폭기 공정을 사용하여 폐수를 처리함으로써, 경제적이며 우기와 건기 뿐만 아니라 홍수시에도 폐수의 우회없이 처리할 수 있는 효과적인 폐수 처리 방법이 제공된다.

Claims (15)

1. 동일한 단일 반응조 내에서 폭기 단계, 침전 단계 및 처리수 방류 단계가 번갈아 행해지는 순환 공정으로 이루어지며, 상기 순환 공정 동안 계속해서 폐수가 유입되어 상기 반응조의 바닥 부분으로 낮게, 그리고 반응조를 가로지르면서 천천히 확산되어 침전, 방류 단계 동안에 최대의 탈질산화를 일으키고, 처리수 (상징수)는 방류 단계에서만 간헐적으로 방류되는 간헐 방류식 장기 폭기 공정을 이용한 폐수 처리방법.
2. 제1항에 있어서, 폐수의 생물학적 산화와 호기성 슬러지 안정화가 상기 반응조에서 동시에 이루어짐을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 폭기 단계 동안 슬러지를 폐기하고, 폐기된 슬러지는 별개의 라구운으로 유입되어 처리되는 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 슬러지의 폐기는 인의 제거, 고형물 체류 시간의 조절 및 반응조내의 활성 슬러지의 괴상 형성을 억제하기 위하여 행하여 지는 방법.
5. 제1항에 있어서, 폭기 단계의 산소 폭기량이 반응조내의 수중 용존산소(dissolved oxygen) 농도를 최대 1.0 - 4.0 mg/L 정도로 유지하도록 하는 방법.
6. 제1항에 있어서, 탈질산화 반응은 침전 단계에 의하여 반응조내가 무산소 상태가 되고, 계속해서 유입되는 폐수를 COD 원으로 하고 폭기 단계 동안 생성된 NO₂-N, NO₃-N를 전자수용체로하여 일어나는 방법.
7. 제1항에 있어서, 처리수 방류단계 동안에 계속하여 폐수를 슬러지층내에 낮게 유입함으로써 반응조내에서 탈질산화를 유도하는 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 처리수 방류 단계는 처리수 방류기에 의하여 수행되는 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 처리수 방류기가 상징수 상의 부유 찌꺼기 및 부사를 제거하는 장치를 구비한 방법.
10. 제1항에 있어서, 반응조내에 부분 가로벽이 설치된 방법.
11. 제1항에 있어서, 폭기, 침전 및 처리수 방류 단계의 시간 길이를 조절함으로써 유입 폐수의 우회없이 건기, 우기 및 홍수기 전기에 걸쳐 사용되는 방법.
12. 제1항에 있어서, 상기 폐수가 혐기성 및 호기성 상태의 반응조에서 먼저 처리된 후 유입되는 방법.
13. 제1항에 있어서, 폭기 단계동안 반응조에 석회, 백반, 염화제이철, 염화제일철, 황산제이철 및 황산제일철 등과 같은 화학적 응집제를 첨가하는 방법.
14. 제1항에 있어서, 상기 처리수 방류 단계가 정밀 여과막 (microfilter), 한외 여과막 (ultrafilter) 및 나노 여과막 (nanofilter) 등과 같은 분리막이 구비된 분리막 상징수 방류기를 사용하여 수행되는 방법.
15. 제1항에 있어서, 폭기 단계 전 또는 후에 무산소 교반 단계를 더 포함하는 방법.