KR20140134795A - 혐기소화 상징액 처리 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

혐기소화 상징액 처리 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따라 개시된 혐기소화 상징액 처리 방법은 무산소조, 호기조 및 생물분리막이 침지된 생물분리막조로 구성되는 생물분리막 반응기를 이용하여 미생물의 농도를 고농도로 유지하여, 상기 생물분리막 반응기에 투입된 혐기소화 상징액내의 고농도 유기물 및 암모니아성 질소를 일부 처리하고, 처리수를 NH₄ ⁺ : NO₂ ^- = 1 : 1.32 조건으로 유출하는 제 1 단계; 상기 제 1 단계에서 처리된 유출수를 입상 미생물이 충진된 ANAMMOX 반응기를 통해 산소 공급과 탄소원의 소모없이 질소를 제거하는 제 2 단계; 및 상기 제 2 단계에서 처리된 유출수를 불용성 전극이 구비된 전기화학 반응기를 통해 생물학적 제거 불가능의 난분해성 유기물 및 잔존 암모니아성 질소를 제거하는 제 3 단계를 포함한다.

Description

혐기소화 상징액 처리 장치 및 방법{Apparatus for treatment of anaerobic digestion wastewater and Method therefor}

본 발명은 혐기소화 상징액 처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유기성 폐기물을 이용한 바이오가스 플랜트에서 발생하는 상징액의 고효율 처리를 위한 통합 공정으로서, 생물분리막 공정과 ANAMMOX 공정을 통해 유기물과 질소를 효과적으로 제거하고, 전기화학 공정을 연계하여 농도 부하변동이 심하고 C/N비가 부족한 혐기소화 상징액을 효율적으로 처리할 수 있는 혐기소화 상징액 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 해양투기 금지, 지구 온난화로 인한 이산화탄소 감축 및 화석연료 대체를 위한 유기성 폐기물 에너지화 정책으로 인해서 유기성 폐기물을 이용한 바이오가스 플랜트가 많은 관심을 받으면서 꾸준히 증가 추세에 있다.

그렇지만 혐기소화의 많은 장점에도 불구하고 혐기소화 공정 이후에 발생하는 혐기소화 상징액의 처리에 많은 어려움이 발생하고 있다.

따라서 초기 시설비와 운전비가 저렴하면서 환경친화적으로 혐기소화 상징액을 처리하는 기술 확보가 관건이라 할 수 있다.

유기성 폐기물을 혐기소화하고 배출되는 상징액은 고농도 유기물(COD_Mn 1,000 ~ 1,500 mg/L)과 고농도 암모니아성 질소(NH₄ ⁺-N 1,500 ~ 2,000 mg/L), 난분해성 유기물을 함유하고 있는 특징을 갖고 있다.

또한 혐기소화 상징액의 농도 불균형과 낮은 C/N비는 기존 처리 공법의 경우 상징액 성상으로 인해 단일 공정으로 효과적인 처리 효율 확보가 어렵다.

이러한 문제로 현재 운영되고 있는 많은 혐기소화 플랜트도 추가적인 보완 공사 및 대책 마련에 어려움을 겪고 있다.

기존 생물학적 제거 공법들은 질소제거 시, 질산화(nitrification)와 탈질(denitrification)이라는 두 단위 공정을 거쳐 수행되는데, 질산화 반응은 다량의 산소 요구로 인하여 많은 에너지를 필요로 하며, 질산화 미생물의 저 성장속도 특성으로 인해 비교적 큰 용량의 질산화 반응조를 필요로 하는 문제점이 있다.

또한 효과적인 탈질 반응을 위해 탄소원이 요구되는데, 특히 폐수 내 유기물질이 충분치 못할 경우, 메탄올과 같은 외부탄소원의 공급이 필요하게 되고, 그 결과 공정의 경제성이 저하되어 궁극적으로 처리 시스템의 안정적인 유출 수질 확보가 감소된다.

혐기소화 상징액의 경우, 낮은 C/N비로 인해서 효과적인 질소처리를 위해서는 외부탄소원 공급이 이루어져야 한다.

혐기소화를 거치면서 잔류 유기물 중에서 생물학적 처리 공정으로 처리가 어려운 난분해성 유기물이 존재하기 때문에, 이러한 난분해성 유기물 처리에 적합한 처리 방법 또한 필요하다.

따라서 이러한 혐기소화 상징액을 처리하기 위해서는 여러 가지 단위 공정의 조합을 필요로 하며, 이들 공정의 적정한 선정을 통한 통합공정의 개발은 혐기소화 상징액의 효율적인 처리뿐만 아니라 사용되는 약품 및 설치비 등 경제적인 측면과도 밀접한 연관성을 가지고 있다.

따라서 혐기소화 상징액의 친환경적이면서 고효율 처리가 가능한 통합공정의 개발이 필요하다.

이러한 필요성에도 불구하고, 발명의 배경이 되는 선행기술로서 검색된 특허문헌으로 적합한 것이 없었다.

(특허문헌) 없음

따라서, 본 발명은 상기와 같은 사항을 감안하여 발명된 것으로, 그 목적은 유기성 폐기물 혐기소화 공정에서 배출되는 고농도 유기물, 고농도 암모니아성 질소 및 난분해성 유기물을 함유한 혐기소화 상징액 특성 때문에 단일 공정으로 효과적인 처리 효율과 안정적인 수질 기준의 확보가 어려운 문제점을 극복하기 위해서, 혐기소화 상징액 특징에 적합한 생물분리막이 침지된 생물분리막 반응기(MBR ; Membrane Bio Reactor)와 ANAMMOX 반응기, 그리고 전기화학반응기(ECR ; Electro Chemical Reactor)로 구성된 혐기소화 상징액 처리 장치의 통합 공정에 따라 혐기성 상징액을 효율적으로 고도 처리할 수 있는 혐기성 소화액 처리 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 관점에 따르는 혐기소화 상징액 처리 장치는 미생물의 농도를 고농도로 유지하여, 투입된 혐기소화 상징액내의 고농도 유기물 및 암모니아성 질소를 일부 처리하고, 처리수를 NH₄ ⁺ : NO₂ ^- = 1 : 1.32 조건으로 유출하도록 무산소조, 호기조 및 생물분리막이 침지된 생물분리막조로 구성되는 생물분리막 반응기; 입상 미생물이 충진되어, 상기 생물분리막 반응기를 통해 처리된 유출수내의 질소를 산소 공급과 탄소원의 소모없이, 제거하는 ANAMMOX 반응기; 및 불용성 전극이 구비되어, 상기 ANAMMOX 반응기를 통해 처리된 유출수내에 함유된 생물학적 제거 불가능의 난분해성 유기물과 잔존 암모니아성 질소를 제거하는 전기화학반응기를 포함한다.

본 발명의 다른 관점에 따르는 혐기소화 상징액 처리 방법은 무산소조, 호기조 및 생물분리막이 침지된 생물분리막조로 구성되는 생물분리막 반응기를 이용하여 미생물의 농도를 고농도로 유지하여, 상기 생물분리막 반응기에 투입된 혐기소화 상징액내의 고농도 유기물 및 암모니아성 질소를 일부 처리하고, 처리수를 NH₄ ⁺ : NO₂ ^- = 1 : 1.32 조건으로 유출하는 제 1 단계; 상기 제 1 단계에서 처리된 유출수를 입상 미생물이 충진된 ANAMMOX 반응기를 통해 산소 공급과 탄소원의 소모없이 질소를 제거하는 제 2 단계; 및 상기 제 2 단계에서 처리된 유출수를 불용성 전극이 구비된 전기화학 반응기를 통해 생물학적 제거 불가능의 난분해성 유기물 및 잔존 암모니아성 질소를 제거하는 제 3 단계를 포함한다.

상기 제 1 단계에서의 NH₄ ⁺ : NO₂ ^- = 1 : 1.32 조건을 만족하지 못하면 상기 처리수를 상기 무산소조로 반송하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 생물분리막이 침지된 생물분리막 반응기를 이용하여 미생물의 농도를 높여 고농도 유기물의 효율적인 처리를 가능하게 하고 오염부하량 변화에도 대응이 가능하며, 후속 공정인 ANAMMOX 반응기에서의 미생물의 활성조건인 NH₄ ⁺ : NO₂ ^- = 1 : 1.32 조건을 만족시켜줌으로써 고농도 질소를 함유하는 폐수의 생물학적 처리 효율의 극대화가 가능한 효과를 가진다.

또한 본 발명의 실시예에 따르면, 기존의 생물학적 질소제거 공정은 높은 공기 요구량으로 다량의 에너지 소비와 외부탄소원의 추가적인 공급 문제가 존재하지만, ANAMMOX 반응 공정이 낮은 공기 요구량과 외부탄소원이 필요 없는 경제적 공법이고, 전기화학반응기(ECR ; Electro Chemical Reactor)에 의해 생물학적으로 처리가 어려운 난분해성 유기물과 잔류하는 암모니아성 질소를 전기화학적 방법으로 분해, 산화하여 안정적인 수질 확보가 가능한 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기소화 상징액 처리 장치의 구성을 나타내는 개략도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기소화 상징액 처리 방법의 공정을 나타내는 순서도이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기소화 상징액 처리 장치의 구성을 나타내고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기소화 상징액 처리 장치는 생물분리막(231)이 침지된 생물분리막 반응기(MBR ; Membrane Bio Reactor)(200)와, ANAMMOX 공정을 실행하는 ANAMMOX 반응기(300) 및 전기화학반응기(ECR ; Electro Chemical Reactor)(400)를 포함하여, 혐기소화 상징액내에 함유된 고농도 유기물, 암모니아성 질소 및 난분해성 유기물을 통합하여 처리한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 혐기소화 상징액 처리 장치는 유기성 폐기물 혐기소화 공정에서 배출되는 혐기소화 상징액을 처리하기 위해서 유량조정조(100)에 저장되어 일정한 유량으로 유입펌프(101)에 의해서 생물분리막 반응기(200)로 투입된다.

생물분리막 반응기(200)는 무산소조(210), 호기조(22) 및 생물분리막(231)이 침지된 생물분리막조(230)로 이루어지며, 투입된 상징액의 유기 질소와 암모니아성 질소는 미생물의 질산화 반응을 통해 아질산성 질소와 질산성 질소로 산화되며, 최종 처리수는 생물분리막(231)을 통해 흡입되어 지며, 생물분리막 흡입펌프(232)의 작동을 통해 ANAMMOX 반응기(300)로 공급된다.

이때, 생물분리막조(230)에서 일부 질산화된 질소는 내부 반송로(240)을 통해 무산소조(210)로 반송되어 탈질되며, ANAMMOX 반응기(300)에서 처리하기에 적합한 NH₄ ⁺ : NO₂ ^- = 1 : 1.32 조건을 만족시키지 못할 경우, MBR 처리수 반송펌프(251)을 통해 일부 무산소조(210)로 다시 반송되어 재처리 한다.

ANAMMOX 반응기(300)에서는 생물분리막(231)을 통해 유출되어 고형물이 존재하지 않는 처리수 내에 존재하는 질산화되지 않은 NH₄ ⁺와 일부 질산화된 NO₂ ^-을 이용하여 탄소원의 소모없이 질소를 제거한다.

생물분리막 반응기(200)와 ANAMMOX 반응기(300)를 통해 제거된 유기물과 질소를 제외한 생물학적으로 분해가 불가능한 난분해성유기물과 일부 잔존하는 암모니아성 질소를 함유하는 처리수는 전기화학 반응기(400)으로 유입되어 불용성 양극과 음극을 통해 직접 산화되며, 혐기소화 상징액에 존재하는 염소이온의 산화반응을 통해 발생하는 강력한 산화력을 함유하는 HOCl과 OCl을 발생시켜 간접산화 방식을 통해 분해 제거된다.

이와 같이 생물분리막(231)이 침지된 생물분리막 반응기(MBR ; Membrane Bio Reactor)(200)와, ANAMMOX 반응기(300) 및 전기화학 반응기(ECR ; Electro Chemical Reactor)(400)로 구성된 본 발명의 혐기소화 상징액 처리 장치는 고농도 유기물, 암모니아성 질소 및 난분해성 유기물을 함유하는 혐기소화 상징액을 통합 처리하는 것으로, 상세하게는 먼저 생물분리막 반응기(MBR ; Membrane Bio Reactor)(200)는 기존 생물학적처리 방법에 비해서, 미생물의 농도를 2 ~ 3배 농축이 가능하여 고농도 유기물의 처리효율 상승 및 처리시간과 공간을 축소 할 수 있다.

또한 혐기소화 상징액의 농도 불균형으로 발생하는 광범위한 오염부하량 변화에도 안정적인 처리 효율 확보가 가능하고 슬러지 발생량도 절감 가능하다.

그리고 후단의 ANAMMOX 반응공정의 미생물의 활성조건인 NH₄ ⁺ : NO₂ ^- = 1 : 1.32 조건을 만족시켜줌으로써, 고농도 질소를 함유하는 폐수의 생물학적 처리 시 발생하는 NO₂ ^-의 축적 현상을 효과적으로 이용할 수 있어 고농도 질소를 함유하는 폐수의 생물학적 처리 효율 극대화가 가능하다.

일반적인 고농도 질소함유 폐수 처리 시, 기존 생물학적 방법을 이용한 질소제거 시에는 유기성 질소 또는 암모니아성 질소가 질산성 질소로 변환하는 질산화(nitrification)와 탈질(denitrification)이라는 두 단위 공정을 거쳐 수행되는데, 질산화 반응은 다량의 산소의 요구로 인하여 많은 에너지를 필요로 하며, 질산화 미생물의 저 성장속도 특성으로 인해 비교적 큰 용량의 질산화 반응조를 필요로로 한다.

또한 탈질에서는 폐수 내 유기물질이 충분하지 못할 경우, C/N비의 부족으로 인해 질소 처리가 원활하지 않아, 메탄올과 같은 과량의 외부탄소원의 공급이 필요하게 되는 문제점을 갖고 있고, 이로 인해 공정 운전비용이 증가하는 경향이 있으나, 본 발명에서 두 번째로 이용하는 ANAMMOX 반응공정은 기존의 생물학적 질소 제거 설비와 비교하여 외부탄소원의 소비없이 전자공여체로 NH₄ ⁺를 이용하고, 전자수용체로 NO₂ ^-를 이용하여 불활성 가스로 전환하고, 무기탄소(HCO₃ ^-)를 환원하여 세포내 탄소를 합성하고 산소공급량을 줄일 수 있는 경제적 공법임에 따라, C/N비를 맞추기 위한 추가 탄소원의 공급을 해결할 수 있다.

마지막으로 전기화학반응기(ECR ; Electro Chemical Reactor)는 생물학적 처리 후에 발생하는 생물학적으로 처리가 어려운 난분해성 유기물과 잔류하는 질소를 제거하여 방류수 수질 기준까지 확보할 수 있는 탁월한 효과가 있는 방법이므로, 이러한 전기화학적 반응을 통해 전극 표면에서 직접 또는 간접적으로 생성되는 수산화 라디칼, 활성산소, 중간 산화제 등의 강력한 산화력으로 난분해성 유기물을 분해, 산화시키거나 암모니아성 질소를 질소가스로 변화시켜 제거한다.

따라서 본 발명은 통합공정의 마지막 공정으로 최종 처리수의 안정적인 수질 확보가 가능하다. 이러한 효율적인 공정 조합을 통해서 처리효율과 함께 설치비 및 운전비와 같은 경제성에서도 강점을 지니며, 본 발명을 통해 폐수 처리에서 주요 해결사항인 질소를 효과적으로 제거 할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기소화 상징액 처리 장치의 처리 방법을 도 2를 통해 설명하면 다음과 같다.

먼저, 혐기소화 상징액은 고농도 유기물, 암모니아성 질소 및 난분해성 유기물을 함유하고 있는 특징으로 인해서 기존의 처리방법을 이용한 단일 공정으로는 효과적인 처리 효율 확보가 어렵다.

따라서 기존 처리방법의 단점을 극복하기 위해서 생물분리막이 침지된 생물분리막 반응기(MBR ; Membrane Bio Reactor)(200)와, ANAMMOX 반응기(300) 및 전기화학 반응기(ECR ; Electro Chemical Reactor)(400)로 구성된 장치에 따른 통합공정으로, 먼저 혐기소화 상징액을 저장하는 유량조정조(100)에 저장된 혐기소화 상징액을 유입펌프(101)를 통해 일정한 유량으로 생물분리막 반응기(200)로 투입한다(S100).

이어서, 생물분리막 반응기(200)의 무산소조(210), 호기조(220) 및 생물분리막(231)이 침지된 생물분리막(230)을 통해 미생물의 농도를 고농도로 유지하면서, 생물분리막 반응기(200)에 투입된 혐기소화 상징액내의 고농도 유기물 및 암모니아성 질소를 일부 처리하고, 처리수를 NH₄ ⁺ : NO₂ ^- = 1 : 1.32 조건으로 유출한다(S200).

이때, 생물분리막조(230)의 슬러지를 내부 반송로(240)를 통해 무산소조(210)로 반송하여 일부 질산화된 질소를 탈질하거나(S240), NH₄ ⁺ : NO₂ ^- = 1 : 1.32 조건을 만족하지 못하면 MBR 처리수 반송펌프(251)의 작동을 통해 처리수의 일부를 무산소조(210)로 반송할 수 있다(S500).

이어서, 상기 단계(S200)에서 처리된 유출수를 입상 미생물이 충진된 ANAMMOX 반응기(300)를 통해 산소 공급과 탄소원의 소모없이 질소를 제거한다(S300).

다음으로, 상기 단계(S300)에서 처리된 유출수를 불용성 전극이 구비된 전기화학 반응기(400)를 통해 생물학적 제거 불가능의 난분해성 유기물 및 잔존 암모니아성 질소를 제거한다(S400).

이상과 같이, 혐기소화 상징액에 포함되어 있는 고농도 유기물, 암모니아성 질소 및 난분해성 유기물로 인해서 기존의 물리ㆍ화학적 처리 방법의 경우 단일 공정만으로 안정적인 유출수질의 확보가 어려우며 초기 설비비와 운전비가 높았지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기소화 상징액 처리 장치 및 방법은 혐기소화 상징액의 특징에 최적화된 공정으로 생물분리막이 침지된 생물학적처리 방법인 생물분리막 공정과 독립영양 미생물이 충진된 ANAMMOX 반응공정을 통해 유기물과 질소를 효과적으로 제거하고, 잔존하는 난분해성 유기물 및 암모니아성 질소를 제거할 수 있는 전기화학공정을 연계하여 농도 부하변동이 심하고 C/N비가 부족한 혐기소화 상징액을 효율적으로 처리한다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 혐기소화 상징액 처리 장치 및 방법의 바람직한 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않는 것이므로, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.그리고, 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당해 업계 통상의 지식을 가진 자에 있어서는 다른 많은 변형 및 응용 또한 가능함은 물론이다.

100 : 유량조정조 101 : 상징액 유입펌프
200 : 생물분리막 반응기 201 : 무산소조
220 : 호기조 230 : 생물분리막조
231 : 생물분리막 232 : 생물분리막 흡입펌프
240 : 슬러지 내부 반송로 250 : MBR 처리수 반송
251 : MBR 처리수 반송펌프 300 : ANAMMOX 반응기
400 : 전기화학 반응기

Claims (3)

1. 미생물의 농도를 고농도로 유지하여, 투입된 혐기소화 상징액내의 고농도 유기물 및 암모니아성 질소를 일부 처리하고, 처리수를 NH₄ ⁺ : NO₂ ^- = 1 : 1.32 조건으로 유출하도록 무산소조, 호기조 및 생물분리막이 침지된 생물분리막조로 구성되는 생물분리막 반응기;
   입상 미생물이 충진되어, 상기 생물분리막 반응기를 통해 처리된 유출수내의 질소를 산소 공급과 탄소원의 소모없이, 제거하는 ANAMMOX 반응기; 및
   불용성 전극이 구비되어, 상기 ANAMMOX 반응기를 통해 처리된 유출수내에 함유된 생물학적 제거 불가능의 난분해성 유기물과 잔존 암모니아성 질소를 제거하는 전기화학반응기를 포함하는
   혐기소화 상징액 처리 장치.
   
2. 무산소조, 호기조 및 생물분리막이 침지된 생물분리막조로 구성되는 생물분리막 반응기를 이용하여 미생물의 농도를 고농도로 유지하여, 상기 생물분리막 반응기에 투입된 혐기소화 상징액내의 고농도 유기물 및 암모니아성 질소를 일부 처리하고, 처리수를 NH₄ ⁺ : NO₂ ^- = 1 : 1.32 조건으로 유출하는 제 1 단계;
   상기 제 1 단계에서 처리된 유출수를 입상 미생물이 충진된 ANAMMOX 반응기를 통해 산소 공급과 탄소원의 소모없이 질소를 제거하는 제 2 단계; 및
   상기 제 2 단계에서 처리된 유출수를 불용성 전극이 구비된 전기화학 반응기를 통해 생물학적 제거 불가능의 난분해성 유기물 및 잔존 암모니아성 질소를 제거하는 제 3 단계를 포함하는
   혐기소화 상징액 처리 방법.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 1 단계에서의 NH₄ ⁺ : NO₂ ^- = 1 : 1.32 조건을 만족하지 못하면 상기 처리수를 상기 무산소조로 반송하는 단계를 더 포함하는
   혐기소화 상징액 처리 방법.
   

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