KR20010078472A - 하수슬러지를 이용한 하폐수의 고도처리용 탄소원제조기술 및 탈질기술 - Google Patents

Abstract

우리 나라의 하수종말처리장에 유입되는 하수는 BOD(생화학적산소요구량) 값이 평균 86.5mg/L, T-N(총질소)의 값이 40∼70mg/L로서 유입수질이 설계수질에 크게 미치지 못하고 있으며 특히, BOD/T-N비의 값이 낮아 질소 및 인의 제거를 위한 고도처리공정을 도입하는 데에는 여러 가지 어려움이 많다. 하폐수의 질소 및 인을 제거하기 위한 고도처리공정에서는 폐수의 C/N비 및 C/P비가 중요하므로 유입 탄소원이 부족한 경우 외부탄소원으로서 메탄올을 권장하고 있으나 고가의 메탄올 구입비용은 고도처리 공정의 운영비에 엄청난 부담을 주게됨으로서 하폐수의 고도처리를 더욱 어렵게 하는 요인이 되고 있다. 혐기성 조건하에서 하수슬러지내의 입자성 유기물 성분은 용해성유기물로 가수분해되며, 용해성 유기물은 산발효균에 의해 유기산으로 전환된다. 하수슬러지의 산발효공정으로부터 생산된 유기산은 탈질공정에서 효율적인 외부탄소원으로 사용될 수 있다. 국내의 경우 1997년말 현재 하루에 약 12,391 천톤의 하수가 처리되고 있으며, 하수에서 분리된 하수슬러지의 발생량은 전체 처리하수량의 약 1-2%에 달하는 것으로 알려지고 있다. 그러나, 국내에서는 아직까지 하수슬러지로부터 고도처리용 외부탄소원을 개발하기 위한 연구가 수행된 예가 드물고 체계적이지 못하여, 대부분 고도처리공정에서는 외부탄소원으로서 값비싼 메탄올을 활용하는 경우가 많다. 이러한 현실은 단순히 유기자원으로서 활용가치가 대단히 우수한 하수슬러지를 그냥 낭비하는 것에 그치는 것이 아니라 하수슬러지의 처리 및 처분에 막대한 별도의 노력과 예산이 낭비되고 있다는 측면에서 대단히 심각한 상황이다. 따라서 본 발명은 하수처리 과정에서 발생되는 1차하수슬러지 및 2차하수슬러지 등의 폐슬러지를 이용하여 하폐수의 고도처리용 탄소원을 제조하여 하폐수의 고도처리를 위해 경제적으로 외부 탄소원을 공급하는 동시에 발생되는 폐슬러지의 양을 줄이는 데 그 목적을 두었다.

본 발명의 핵심기술은 하수슬러지의 고효율 산발효 기술 및 이를 이용한 적절한 질소제거 기술로서 크게 산발효 공정과 탈질 공정으로 구성되어 있다. 산발효 공정은 하수의 1차 슬러지와 2차 슬러지를 고효율 산발효 시키는 산발효조와 고액분리조, 산발효 후 잔류고형물의 추가적인 가수분해를 가능케하는 가수분해촉진조 등의 단위공정들으로 구성되고 탈질 기술 공정은 제 1 호기조(Primary aerobic zone), 준혐기조(Anoxic zone), 제 2 호기조(Secondary aerobic zone)와 침전조로 구성된다. 유입 하폐수는 제 1호기조(Primary aerobic zone)로 유입되며, 산발효조에서 생성된 탄소원은 준혐기조(Anoxic zone)로 유입되어 탈질이 이루어지도록 되어 있다.

본 발명에 따른 효과는 하수슬러지의 산발효기술과 이를 이용한 질소제거 기술에 대한 것으로서, 이 것은 국내에서 하수슬러지의 처리와 동시에 부가가치가 높은 유가물질의 생산기술에 대한 개발의 시효가 된다는 측면과 하수의 고도처리시에 부족한 외부탄소원 개발의 파급효과가 크다고 할 수 있다. 또한, 하수슬러지를 이용한 산발효 공정에 의해 유기산을 만들어 탈질공정의 유기탄소원으로 사용함으로써 하수슬러지의 처리와 함께 질소 제거율을 향상시킬 수 있어, 기존의 고도처리공정에 요구되는 메탄올과 같은 화학적 유기탄소원을 대체할 수 있다는 경제적인 장점이 있으며, 나아가 국가적인 경제산업발전에 크게 기여 가능하다.

Description

하수슬러지를 이용한 하폐수의 고도처리용 탄소원 제조기술 및 탈질기술{Production of Carbon Source from Sewage Sludge and Denitrification Technologies for Advanced Treatment of Wastewater}

우리 나라의 하수종말처리장에 유입되는 하수는 BOD(생화학적산소요구량) 값이 평균 86.5mg/L, T-N(총질소)의 값이 40∼70mg/L로서 유입수질이 설계수질에 크게 미치지 못하고 있으며 특히, BOD/T-N비의 값이 낮아 질소 및 인의 제거를 위한 고도처리공정을 도입하는 데에는 여러 가지 어려움이 많다. 일반적으로 효율적인 질소제거를 위해서 필요한 BOD/T-N의 비를 5 이상 제시하고 있으나 국내하수의 경우 대부분 BOD/T-N 비는 2-3정도에 불과하여 심각한 탄소원 부족문제에 직면하고 있는 실정이다. 일반적으로 질소 및 인을 제거하기 위한 공정에서 유입 탄소원이 부족한 경우 외부탄소원으로서 메탄올을 권장하고 있으나 고가의 메탄올 구입비용은 고도처리 공정의 운영비에 엄청난 부담을 주게됨으로서 하폐수의 고도처리를 더욱 어렵게 하는 요인이 되고 있다. 따라서 저비용의 고도처리용 탄소원의 확보는 절실하다 할 수 있다. 국내의 경우 1997년 말 현재 하루에 약 12,391 천톤의 하수가 처리되고 있으며, 하수에서 분리된 하수슬러지의 발생량은 전체 처리하수량의 약 1-2%에 달하는 것으로 알려지고 있다. 그러나, 국내에서는 하수슬러지의 비효율적인 처리 및 매립지난과 결부된 최종처분에 있어서 여러 가지 문제들에 직면하고 있는 실정이다. 따라서 본 발명은 전국적으로 하수처리 과정에서 발생되는 다량의 폐슬러지를 고효율로 산발효시킴으로써, 하수슬러지의 처리와 관련된 문제들을 해결하고, 이 때 얻어지는 유기산을 하폐수의 고도처리용 탄소원으로 사용하여 경제적인 외부 탄소원생성과 하수슬러지 처리를 확보하는데 그 목적이 있다.

현재까지 국내에 적용된 고도처리공정은 일부에 지나지 않으나, 하수처리장 방류수 수질기준에 과다 책정되어 있는 질소와 인의 농도가 향후 점차 낮아질 것으로 여겨지므로 기존 공정의 개선 및 시설변경이 이루어져야 할 것으로 사료된다. 또한 중소도시의 하수처리장에 적용할 수 있는 효율적인 공정이 개발되어야 할 것이다.

국내 하수처리장의 활성슬러지 공정에 있어 가장 큰 문제점의 하나는 유입유량 및 유기물 부하변동인데, 최근 부하변동에 대해 적응성이 뛰어난 연속회분식반응조(SBR)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. SBR은 소요부지가 적고 설비 및 운전이 간단한 장점이 있어, 최근 적용사례가 증가하고 있지만, 대규모 처리시설에는 적용이 어렵다는 문제점이 있어 국내 하수처리장에는 거의 적용되지 않고 있다. 최근 회분식의 단점을 극복하기 위해 일부 원수를 연속적으로 주입하는 CASS나 ICEAS와 같은 변형된 SBR의 경우도 개발되었으나 여전히 대규모 처리는 어려운 상황이다. 현재 연구되고 있는 기존 생물학적고도처리공정(BNR)들은 대부분 외국에서 개발된 것으로 국내의 특성 즉, 하수의 농도, 처리장시설, 기술수준, 경제환경 등에 비추어 볼 때, 국내에 적용하기 위해서는 시스템 변경과 운전기술의 축적 등이 선행되어야 할 것이다. 그러나 최근 국내에서도 질소, 인을 제거하기 위해 외국 공정을 들여와 연구하는 경우 외에, 우리 하수 성상에 적합한 공정을 개발하기 시작하였다.

국내 공정을 보면 A2/O에 슬러지 내생탈질조를 설치한 DNR 공정과 기존공정에 A2/O를 설치한 후 메탄올을 주입함으로써 질소,인 제거율을 극대화 시킨 삼성 DeN & P 공정, 기존 MLE(Modified Ludzak-Ettinger) 공정에 Phostrip 공정을 결합한 풍림의 M/PL-Ⅱ 공정, 기존 폭기조를 분할하여 운전하는 간헐폭기공정등이 연구되고 있다. 그 외에 (주)포스코 개발의 Bio-SAC BNR 공법, 그리고 삼성 및 코오롱 엔지니어링에서 개발한 스폰지 메디아를 이용한 공법 등이 연구되고 있다. 그러나 이들 공정 대부분의 질소제거율은 삼성 DeN&P공정과 같이 탈질과정에서 유기탄소원을 주입하지 않는 이상 90%이상의 높은 제거율을 얻기가 어려운 상황이고, 이러한 외부탄소원은 대부분 메탄올, acetate 등의 고가이고 일부 축산폐수나 음식폐기물의 산발효액을 외부탄소원으로 사용하려는 기초연구가 진행되고 있는 실정이다. 그러므로 하수슬러지의 산발효에 의해 생성된 유기탄소원을 탈질공정에 주입한다면 효과적이고도 경제적인 질소제거 기술이 될 것으로 판단된다.

하폐수의 질소 및 인을 제거하기 위한 고도처리공정에서는 이론적으로 1g의 질산성질소를 제거하는데 약 3.7g BDCOD(생물학적으로 분해가능한 COD) 성분이 필요하며 인의 제거시에는 COD/T-P비가 22∼25정도가 가장 효과적이라고 알려지고 있다. 그러므로 하폐수의 C/N비 및 C/P비가 중요하다고 볼 수 있으며, 우리 나라의 일부하수 및 산업폐수의 경우 유기물 함량이 낮아 질소 및 인의 제거를 위해 막대한 양의 외부탄소원이 필요함을 알 수 있다. 따라서 하수슬러지의 산발효로부터 생산된 유기산은 대단히 효율적인 외부탄소원으로 사용될 수 있다. 그러나, 국내에서는 아직까지 하수슬러지로부터 고도처리용 외부탄소원을 개발하기 위한 연구가 수행된 예가 드물고 체계적이지 못하여, 대부분 고도처리공정에서는 외부탄소원으로서 값비싼 메탄올을 활용하는 경우가 많다. 이러한 현실은 단순히 유기자원으로서 활용가치가 대단히 우수한 하수슬러지를 그냥 낭비하는 것에 그치는 것이 아니라하수슬러지의 처리 및 처분에 막대한 별도의 노력과 예산이 낭비되고 있다는 측면에서 대단히 심각한 상황이다.

따라서 본 발명에서 이루고자 하는 바는 이렇게 다량으로 전국적으로 배출되고 있는 하수슬러지를 산발효시킴으로써, 하수슬러지의 처리와 관련된 문제들을 해결하고 질소제거공정에서의 부족한 유기탄소원을 공급하고자 하는 것이다. 우리나라 하수슬러지의 경우 1차 슬러지와 2차슬러지의 비가 대체로 1대 3으로 구성되어 있으며, 특히 1차슬러지는 C/N 비가 25이상의 비교적 높은 것으로 알려지고 있다. 하수슬러지의 산발효시 생성되는 유기산(volatile fatty acid)은 초산(Aacetic acid), Propionic acid, Butyric acid, Valeric acid 등으로 구성되며, 이 중 50% 이상이 초산의 형태인 것으로 알려지고 있으며 일반적으로 초산을 탈질용 탄소원으로 사용시 약 98%이상이 탈질에 이용되며 다른 유기산 및 탄소원에 비해 우수한 효율을 가진 것으로 보고되고 있다. 탈질을 위한 이론적인 초산의 양은 1g NO3-N/2.87gCOD(asHAc)로 표현되어 지며 따라서 하수슬러지의 산발효시 생성된 초산으로써 하폐수의 충분한 탈질이 가능하다.

이러한 맥락에서 고려할 때 하수슬러지를 고도처리용 탄소원으로 사용하기 위한 기술적 과제는 하수슬러지의 효율적인 산발효와 효과적인 탈질공정과 관련된다. 따라서 본 발명에서는 하수슬러지의 고효율 산발효를 가능케 하는 기술과 산발효물인 유기산을 이용하여 효율적인 탈질을 가능케하는 기술을 제공함을 목적으로 한다.

도면은 본 발명인 하수슬러지를 이용한 탄소원개발 및 이를 이용한 고도처리공정의 흐름도이다.

제 1도는 본 발명의 하수슬러지 산발효를 위한 고효율 산발효공정도 및 하수슬러지로부터 생산된 탄소원을 이용하는 고도처리공정도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 산발효조, 2-1 : 제 1 호기조, 2-2 : 준혐기조(탈질조), 2-3 : 제 2 호기조(질산화조), 3 : 침전조, 4 : 고액분리조, 5 : 안정화조, 6 : 가수분해촉진조, 7 : 유입라인(유입하·폐수), 8 : 이송라인, 9 : 유출라인(유출수), 10 : 2차슬러지 반송라인, 11 : 유기산유입라인, 12 : 슬러지유출라인 , 13 : 안정화조 유입라인, 14 : 슬러지폐기라인, 15 : 가수분해촉진조 유입라인, 16 : 가수분해촉진조 유출라인, 17 : 1차슬러지유입라인, 18 : 질산화조반송라인,

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 크게 산발효 공정(1)과 탈질 공정(2-1; 2-2; 2-3)으로 구성하였다. 도면 1의 산발효 공정은 1차슬러지(17)와 2차슬러지(10)가 혼합된 하수슬러지를 고효율로 산발효시키는 산발효조(1)와, 생성된 유기산의 고액분리시켜 상등액을 탈질공정에 사용하기 위한 고액분리조(4), 그리고 고액분리조에서 배출되는 잔류슬러지의 추가적인 가수분해 및 가수분해효소의 생성을 극대화시키기 위한 가수분해촉진조(6)로 구성됨을 특징으로 한다. 탈질 공정은 유기물 제거와 질산화를 위한 제 1 호기조(Primary aerobic zone)(2-1), 탈질을 위한 준혐기조(Anoxic zone)(2-2), 질산화를 위한 제 2 호기조(Secondary aerobic zone)(2-3)로 구성된다. 그외 단위공정으로 침전조(3)와 안정화조(5)로 구성된다.

이를 첨부한 도면에 따라 각 단위 공정의 작용에 대해 상술하면 다음과 같다.

도면 1은 고효율 산발효공정과 탈질공정으로 구성된 본 발명의 하수슬러지를 이용한 탄소원 개발 및 이를 이용한 고도처리공정도를 나타내는 도면으로 이에 도시한 바와 같이, 산발효조(1)에는 1차슬러지(17)와 2차 슬러지(10)를 혼합 고효율 산발효시킴으로서 유기산의 생성을 극대화시기 위하여 가수분해촉진조(6)에서 반송된 슬러지를 가수분해촉진조 유출라인(16)을 통하여 유입시켜 혼합함을 특징으로 한다. 이때 산발효조(1)는 중온(35±5℃) 또는 고온(55±5℃)에서 운전될 수 있으며, 수리학적 체류시간은 유입하는 1차 및 2차 슬러지의 물성에 따라 3일에서 5일 사이로 유지된다. 산발효조(1)의 유출수는 고액분리조(4)에 유입되어 중력 또는 원심력을 이용하여 유기산과 발효잔류물로 분리하며, 분리된 유기산을 함유한 액체상은 준혐기조(2∼2)에 고액분리조 유출라인(11)을 통하여 유입시켜 탈질을 위한 탄소원으로 사용된다. 고액 분리된 발효잔류 고형물의 일부는 안정화조(5)로 유출라인(12; 13)을 통하여 이송되어 약 7일간 혐기성소화 시킴으로서 최종 안정화된다. 안정화된 잔류슬러지는 안정화조 배출라인(14)를 통하여 배출된다. 고액분리조(4)의 나머지 발효잔류물은 라인(12; 15)를 통하여 가수분해촉진조(6)에 유입되어 1-2일간 추가적인 가수분해 및 산발효반응이 진행되며, 이 때 과량의 가수분해 효소를 생성시킨다. 가수분해 촉진조(6)는 유입되는 발효잔류물의 물성에 따라 중온(35±5℃) 또는 고온(55±5℃)에서 운전하거나, 가수분해촉진 약품 주입 등에 의하여 효율을 극대화할 수 있다. 가수분해촉진조의 유출수(16)는 전술한 바와 같이 산발효조(1)로 유입되어 1차 및 2차 슬러지의 산발효 효율 극대화에 기여하게 된다. 이때 산발효조(1)에서 산발효 속도 및 효율의 극대화는 가수분해 촉진조(6)로부터 발효잔류물의 반송에 의한 산발효균 농도 극대화와 가수분해 촉진조(6)에서 과량으로 생성되어 산발효조(1)로 유입되는 가수분해효소의 작용에 의한 복합적인 효과이다. 본 발명에 의한 산발효조(1)에서는 유입된 1차 및 2차 슬러지에 함유된 유기물의 유기산 전환율은 약 70%에 달한다. 하폐수가 유입(7)되는 제 1 호기조(2-1)에서는 하수내의 탄소성 유기물의 제거와 질산화를 수행한 뒤 준혐기조(2-2)로 이동된다. 제 2 호기조(2-3)인 질산화조는 암오니아성 질소를 질산염으로 전환시키는데 질산화에 저해를 미치는 용해성 유기물이 준혐기조(2-2)에서 대부분 제거되어 원활한 질산화를 이룰 수 있으며 이때 생성된 질산염은 준혐기조(2-2)로 반송되어 탈질을유도한다. 제 2호기조 유출수는 유출라인(8)을 통하여 침전조(3)로 이송한다.

본 발명에 따른 과학기술적 측면의 효과는 하수슬러지의 산발효기술과 이를 이용한 질소제거공정개선 등에 대한 것으로서, 이 것은 국내에서 하수슬러지의 처리와 동시에 부가가치가 높은 유가물질의 생산기술의 개발의 시효가 된다는 측면과 하수의 고도처리시에 부족한 외부탄소원에 대한 개발에 있어서 그 파급효과에 의의가 크다고 할 수 있다. 특히, 개발된 산발효 기술은 하수슬러지를 중심으로 개발될 것이지만 음식폐기물 등의 여타 유기성폐기물로부터 유용물질을 회수하기 위한 기술에 활용 가능할 것으로 평가된다. 그 외에 국내와 같이 낮은 C/N 비를 갖는 하수에 있어서 질소 제거율 향상이 가능할 것으로 판단된다. 또한, 하수슬러지와 같은 고형물의 산발효 과정에 대한 명확한 발생 기작 및 발생물질의 효용에 대한 평가가 정량적으로 이루어져 향후 질소제거 공정 구성 및 처리에 새로운 방향을 제시할 수 있다. 그리고, 본 발명에 의해 하수슬러지를 이용한 산발효 공정에 의해 유기산을 만들어 탈질공정의 유기탄소원으로 사용함으로써 하수슬러지의 처리와 함께 질소 제거율을 향상시킬 수 있어, 기존의 고도처리공정에 요구되는 메탄올과 같은 화학적 유기탄소원을 대체할 수 있다는 경제적인 장점이 있다. 따라서 이러한 성과를 산업계로의 이전을 통해 새로운 형태의 유기성폐기물 재활용산업의 국내육성이 가능하고 국가적인 경제산업발전에 크게 기여가 가능하다. 또한 장기적으로 산발효 및 질소제거 기술을 진전시켜 해외까지 기술을 수출할 수 있을 것이다.

Claims (4)

1. 본 발명에 의한 1차 및 2차 하수슬러지의 고효율 산발효에 의한 고도처리용 탄소원개발 및 이를 이용한 하폐수의 고도처리를 위한 공정
2. 제 1항에 의한 산발효조와 고액분리조, 가수분해촉진조, 고액분리조 및 안정화조로 구성된 1차 및 2차 하수슬러지의 고효율 산발효공정 및 슬러지 안정화기술
3. 제 1항에 의한 산발효조에서 원활한 산생성을 유도하기 위한 산발효조 및 가수분해촉진조의 운전조건 및 약품주입 등에 관한 모든 기술
4. 하폐수의 질소 제거를 위해 생물반응조가 제 1 호기조(Primary aerobic zone), 준혐기조(Anoxic zone), 제 2 호기조(Secondary aerobic zone) 순으로 연속적으로 진행되고 유입하수는 제 1호기조로 탈질을 위한 외부탄소원은 준혐기조로 유입되는 형태의 탈질기술