KR100327151B1 - 간헐폭기 막활성 슬러지 공정을 사용한 하수처리 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따라 중공사막을 이용한 막활성 슬러지법에 있어서 동일한 단일 반응조내에서 적절한 시간 프로그램으로 무산소단계, 폭기단계를 번갈아 수행하고 막여과를 폭기단계에서만 한정하여 실시함으로써 질소 제거효율을 획기적으로 높이고 막폐색을 효율적으로 억제할 수 있는 하수처리 방법이 제공된다. 이와같은 방법으로 기존의 막활성 슬러지법의 장점을 최대한 살리면서 별도의 시설 설치없이 추가로 높은 효율의 질소제거를 달성할 수 있는 하수처리 방법이 제공된다.
Description
본 발명은 중공사막 여과법과 활성 슬러지법을 이용하여 하수를 재이용이 가능한 수준으로 고도 처리하는 방법에 관한 것으로, 특히 유기물과 질소를 동시에 효율적으로 제거하는 하수 처리 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 막활성 슬러지법은 활성 슬러지 방법과 비교하여 볼 때, 설치소요 면적이 작고 자동운전이 용이하다는 점, 또한 침전조를 별도로 포함하지 않아 슬러지 벌킹 등의 문제를 원천적으로 해결할 수 있다는 점 등의 장점이 있어 소규모 하수처리 시설에 많이 활용되어 왔다. 특히, 막의 선택에 따라 처리 수질을 필요한 수준으로 조절할 수 있기 때문에 최근의 물 재이용에 대한 정책적 배려에 발맞추어 소규모 정수시설에도 많이 활용되고 있는 추세이다. 도 1에 전형적인 막활성 슬러지법인 크로스 플로우 막활성 슬러지 장치를 나타내었다. 또한, 상기 설명한 막활성 슬러지법에 있어서, 크로스 플로우 모듈의 막 분리 장치를 반응조 외부에 별도로 설치하는 대신 중공사막을 직접 반응조에 침적시키고, 흡입 압력을 걸어서 중공사 외부로 부터 중공사 안쪽으로 처리수를 뽑아내는 중공사막 활성 슬러지법이 개발되었다 [참조, Chiemchasri, C. and Yamamoto, K. 'Performance of membrane separation bioreactor at various temperature for domestic wastewater treatment', J. Membrane Science, 87 (1994); Shimizu, Y. et al., 'Filtration characteristic of hollow fiber microfiltration membranes used in membrane bioreactor for domestic wastewater treatment', Water Research, vol. 30 n10 (1996)]. 이 방법은 크로스 플로우 막활성 슬러지 방법에 비해 막의 폐색이 억제되고, 별도의 이송 펌프가 필요하지 않다는 장점을 가지고 있다. 그러나, 이러한 기존의 막활성 슬러지법들은 생물학적 산소요구량 (BOD) 또는 화학적 산소요구량 (COD) 등과 관련된 유기물 제거에는 매우 효율적이나 최근 하수처리장의 일반적인 문제점으로 제기되고 있는 질소 제거 등과 같은 고도 처리에는 매우 취약한 형편이다. 즉, 기존의 막활성 슬러지 방법의 경우 질소 제거율이 보통 활성 슬러지법 수준인 20 내지 30 % 수준에도 못미치는 등 여전히 개선해야 할 점이 많이 있다.
또한, 종래의 중공사막을 이용한 하수 처리 방법은 원수의 유입과 폭기, 그리고 막 분리 공정이 동시에 진행되며, 연속적으로 운전되는 연속 폭기, 연속 흡입 운전 방식을 택하고 있으며, 이로 인해 유입수중의 암모니아성 질소 또는 유기질소가 단순히 질산화물로 산화되어 형태만 바뀔 뿐 근본적으로는 처리되지 않는다. 따라서, 종래의 중공사막을 이용한 하수 처리 방법에서는 처리수 중의 질산화물 농도가 여전히 높은 문제점이 존재한다.
일반적으로, 하수처리에 있어서 미 처리된 질소는 호소 부영양화를 야기하여 조류의 과다번성과 이로인한 수자원 오염을 초래하게 된다. 특히, 청색증 등을 유발하는 질소 산화물등에 의한 상수원 오염은 정수 처리시설의 고도화를 요구하여 정수 비용을 급격히 증가시키게 된다. 이렇듯 하수처리시 질소 및 인 제거의 중요성이 인식되면서, 우리나라에서도 1996년 1월 1일부터 처리수내 영양소에 대한 배출 규제를 실시하였으며, 앞으로 그 처리기준은 점차적으로 강화해 나갈 계획이다.
지금까지 기존의 활성 슬러지법을 변형하여 질소 및 인을 동시에 처리하고자 하는 많은 기술 (Biological Nutrient Removal: BNR)들이 개발되어 왔으며 현재에도 많은 기술 개선이 이루어지고 있다 (참조, 도 2). 현재 사용되고 있는 소규모 하수처리 방법들의 장단점을 요약하여 표 1에 나타내었다.
| 종래 방법 | 장점 | 단점 |
| 활성 슬러지법 | 가장 일반적이고 검증된 방법경제적임 | 질소 및 인의 처리효율 낮음막 활성 슬러지법의 상대적 장점 |
| 생물학적 영양소제거법 (BNR) | 유기물/질소-인 동시 제거대규모 처리시설에 적합 | 질소 및 인 제거를 제외한 기존 활성 슬러지법의 단점 |
| 막활성 슬러지법 | 소요 면적 최소슬러지 벌킹문제 없음슬러지 발생량 저감고부하 처리가능 (HRT 최소화)부하변동과 상관없이 높은 처리수 수질유지병원균, 바이러스 등 처리가능 | 질소 및 인의 처리효율 낮음막 구입비용막의 폐색에 따른 관리/운전 비용 |
| 활성 슬러지법 +후처리시설 | 유기물 및 질소-인 동시 제거 | 소요 면적 증가추가적 설치/운전비용 소요화학적 후처리시 슬러지발생량 증가 |
본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 상기 표 1에 열거된 기존 처리방법 중 소규모 처리 방법으로 적합한 막활성 슬러지법의 장점을 최대한 살리면서 질소제거 효율을 획기적으로 개선할 수 있는 공정을 개발하고자 예의 연구를 거듭하였다. 특히, 기존 막활성 슬러지 방법 중에서 막면적이 크고 막의 폐색이 잘 일어나지 않는 것으로 알려진 침지형 중공사막 활성 슬러지 방법을 대상으로 하여 기존의 운전방식을 개선하고자 하였다. 그 결과, 상기 중공사막을 사용한 폐수 처리 방법에서 연속 폭기, 연속 흡입 방식 대신에 간헐 폭기 및 간헐 흡입 방식을 선택하여 반응조내에 폭기 조건과 무산소 조건을 번갈아 제공함으로써 질산화와 탈질화에 의한 질소 제거가 촉진될 수 있다는 것을 발견하여 본 발명에 이르게 되었다.
즉, 본 발명에 따라 흡입식 중공사막을 이용한 폐수처리 방법에 있어서, 반응조 원액을 직접 고액 분리하여 처리수를 뽑아내는 폐수처리 방법에서, 폭기 단계 및 무산소단계를 동일한 단일 반응조내에서 교차시킴으로써 질산화 및 탈질화 반응을 유도하여 하수중 질소 처리를 촉진하는 것을 특징으로 하는 폐수처리 방법이 제공된다.
상기 설명한 바와 같은 본 발명의 방법에 따라, 종래의 막활성 슬러지 공정에 추가적인 시설의 설치없이 운전 방식의 개선만을 통해서 질소 제거효율을 높일 수 있다. 즉, 단일 반응조내에서 유기물 제거와 질소제거 및 고액 분리가 모두 일어나기 때문에 추가적인 반응조나 이송펌프가 필요하지 않아 소요부지 면적을 최소화할 수 있다.
또한, 막을 이용하지 않는 종래의 질소 제거 하수처리 공정과 비교하여 볼 때, 본 공정은 반응조내의 미생물 농도를 훨씬 높게 유지할 수 있기 때문에 유기물이나 질소의 처리 효율을 높게 유지하면서 동시에 수리학적 체류시간을 대폭 줄일 수 있어 결과적으로 같은 면적의 반응조에 대해 단위시간당 처리 용량이 증가된다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 막활성 슬러지법 (Membrane Bioreactor)을 이용한 하수처리에 사용되는 시스템의 개략도.
도 2는 종래의 연속회분식 반응조 (Sequencing Batch Reactor)를 이용하는 하수의 고도처리 방법을 나타내는 순서도.
도 3은 일반적인 흡입식 중공사막 활성 슬러지 방법에 사용되는 시스템의 개략도.
도 4는 본 발명을 이용한 파일럿 실험에서의 운전방식 및 주기 추적 연구 (Cycle Study) 결과: 반응조내의 질산화 및 탈질화 양상.
상기 설명한 바와 같이, 본 발명은 흡입식 중공사막을 이용하는 막활성 슬러지 방법에 있어서, 반응조 원액을 직접 고액 분리하여 처리수를 뽑아내는 폐수처리 방법에서, 폭기 단계 및 무산소단계를 동일한 단일 반응조내에서 교차시킴으로써 질산화 및 탈질화 반응을 유도하여 하수중 질소 처리를 촉진하는 것을 특징으로 하는 폐수처리 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 원수유입, 폭기, 막여과가 동시에 이루어졌던 기존의 막 활성 슬러지 방법의 운전방식 대신 원수유입, 무산소, 혼합, 폭기, 막 여과의 5가지 공정을 적절히 조합 또는 연결함으로써 질소 제거에 필요한 탈질화 및 질산화 공정이 동일한 단일 반응조내에서 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 간헐폭기식 막 활성 슬러지법에 의하면 전체 공정은 크게 무산소 단계 및 폭기 단계의 두 단계로 이루어져 있다. 각 단계에 있어서의 세부적인 공정내용은 다음과 같다.
(1) 무산소 단계 (도 4 참조)
본 단계에서는 반응조로의 산소폭기가 중단되면서 동시에 수중펌프에 의한 무산소 혼합 (anoxic mixing)과 원수유입이 이루어지게 된다. 산소 농도가 떨어지면 탈질화에 필요한 제반 조건, 즉 무산소 조건 (anoxic condition)과 탈질화 미생물을 위한 기질 (substrate) 확보, 또 수중펌프에 의한 적절한 교반 등의 조건들이 갖추어지게 되어 수중 질산화물에 대한 탈질화 반응이 본격적으로 일어나게 된다. 본 단계에서 일어나는 주요 반응을 처리 대상 물질로 구분하여 요약하면 다음과 같다.
- 질산성 질소 (NO2-N, NO3-N): 탈질화 미생물에 의해 N2가스로 전환되어 제거된다.
- 유기물: 탈질화 미생물에 의해 소모되며 생분해성이 낮은 유기물은 대부분 보존된다.
- 유기 질소 및 암모니아성 질소: 유기질소 중 일부가 암모니아로 변환되며 암모니아성 질소는 원수 중에 보존된다.
(2) 폭기 단계
폭기 단계에서는 반응조로의 폭기가 시작되면서 흡입 펌프에 의한 막여과가 시작된다. 이때 산기 장치에서 발생되는 공기방울은 두 가지 중요한 역할을 갖게 되는데 하나는 반응조의 산소 농도를 높여 폭기조건을 만들어주는 것이며 다른 하나는 수면으로 올라오는 과정에서 발생되는 와류로 막폐색을 억제하는 역할이다. 따라서, 산기관을 막모듈 하단부에 위치시키는 것이 바람직하며, 발생기포에 의한 상향 수류가 막모듈면적을 충분히 포함할 수 있도록 배치한다. 발생 기포 크기도 충분한 상향 수류를 일으킬 수 있도록 적절한 크기로 조절해주는 것이 바람직하다.
흡입에 의한 막여과는 간헐적으로 운전되는데 이는 흡입이 중단되는 시간동안 공기방울이 발생시키는 상향 수류를 이용하여 막세척 효과를 반복함으로써 장기적으로 막폐색 경향을 최대한 억제할 수 있기 때문이다.
폭기 단계에서 일어나는 주요 반응을 요약하면 다음과 같다.
- 질산성 질소(NO2-N, NO3-N): 보존되거나 부분적인 탈질화가 일어난다.
- 유기물 (BOD, COD) 제거: 원수 유입과 더불어 유입된 유기물 중 무산소 단계에서 분해되지 않은 잔류 유기물의 분해가 일어난다.
- 유기질소 및 암모니아성 질소: 암모니아성 질소가 질산성 질소로 변화되며, 이후 유기 질소의 질산화가 진행된다.
본 공정에 있어서는 여타의 막활성 슬러지법과 마찬가지로 슬러지 (반응 미생물) 발생량이 최소화되기 때문에 일주일 또는 그 이상의 주기로 슬러지를 폐기해 주며 운전 사이클에 있어서의 폐기 시점은 폭기단계의 마지막 시점이 바람직하다.
본 발명의 방법에 있어서 또 다른 특징은 한 사이클내의 여러 가지 공정 수행 시간을 적절한 시간 프로그램에 따라 조절 수행하는 것이며 이때 시간 프로그램은 PLC (programｍable logic control)를 이용하여 손쉽게 조절할 수 있다는 것이다. 즉, 무산소 단계와 폭기 단계의 상대적인 시간 간격을 손쉽게 조절할 수 있어 다양한 원수의 성상에 대해 효과적으로 대응할 수 있게 된다. 예를 들어, 원수의 C:N 비가 낮을 경우에는 운전사이클 시간을 늘리고 무산소 단계의 시간을 늘려줌으로써 충분한 탈질화를 달성할 수 있으며 반대로 C:N 비가 높은 경우에는 운전 사이클 시간을 줄임으로써 처리 용량을 극대화 할 수 있다.
즉, C:N 비가 높은 주방 또는 식당 폐수 처리에서는 무산소 단계/폭기 단계의 시간비를 1:1.5 내지 1:2 정도로 하되 운전 사이클 시간을 2 시간 이내로 하는 것이 바람직하다. 한편, 합병 정화조 유출수와 같이 C:N 비가 낮은 경우에는 시간비를 1:0.5 내지 1:1 범위로 하되, 운전 사이클은 2 시간 내지 3 시간 정도로 길게 잡아 탈질화를 위한 충분한 시간을 확보하는 것이 필요하다.
본 발명의 방법에 있어서, 일반적으로 원수 유입 시기는 특별한 제한은 없으나, 폭기 단계후 산소농도가 충분히 감소된 후에 집중되는 것이 바람직하다. 이는 유입원수중에 함유된 탄소원을 탈질화 반응에 최대한 활용할 수 있기 때문이다.
한편, 본 발명을 이용한 파일럿 실험에서의 운전방식 및 주기 추적 연구(Cycle Study) 결과를 반응조내의 질산화 및 탈질화 양상으로 도 4에 나타내었다.
도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 폭기가 시작되면, 질산화가 진행되면서 암모니아 농도가 감소하게 되고, 약 10 분정도 지나면 완전히 제거된다. 따라서, 폭기 단계가 시작된 후 흡입에 의한 막분리를 동시에 진행하지 않고 일정시간 유보한 후에 진행하게 되면 처리수 중 암모니아 농도를 추가적으로 낮추는 효과를 얻을 수 있다. 이러한 흡입을 유보함으로써 막분리가 유보되는 시간동안에는 막에 압력이 걸리지 않는 상태에서 폭기된 공기방울이 막을 스치면서 지나가기 때문에 막이 세정되는 부수적인 효과도 얻을 수 있다.
<실시예>
도 3에 나타낸 장치를 사용하여 본 발명에 의한 폐수처리 방법과 종래의 중공사막 활성 슬러지법에 의한 폐수처리 방법을 비교하였다. 파일럿 규모 실험 (일 10톤처리)으로, 종래의 중공사막 활성 슬러지법에 따른 방법의 경우 원수의 연속유입, 반응조의 연속 폭기방식에 의해서 수행하였으며, 본원 발명에 따른 폐수처리 방법은 도 4에 나타낸 바와 같이, 폭기 단계 및 무산소 단계 시간을 각각 30 분으로 하는 간헐 유입, 간헐 폭기식으로 운전하였다. 그 결과에 따른 본 발명에 의한 처리법과 기존의 막활성 슬러지법 (연속유입, 연속폭기)의 처리효율을 비교하여 표 2에 나타내었다.
| 항 목 | 원수농도(mg/L) | 본 발명에 의한 처리공정 | 기존의 처리공정 | ||
| 처리수 농도(mg/L) | 처리 효율 (%) | 처리수 농도 (mg/L) | 처리 효율 (%) | ||
| CODcr | 345 | 7 | 98 | 6.5 | 98 |
| 총질소 | 38.5 | 3.5 | 91 | 23.8 | 38 |
| 암모니아 | 19.8 | 0.2 | 99 | 1.1 | 95 |
| SS | 480 | 0 | 100 | 0 | 100 |
본 발명의 운전방식에 따라 하수를 처리함으로써, 고 부하처리, 부하변동과 상관없는 안정적 수질확보, 슬러지 발생량 저감 등의 막활성 슬러지법의 장점을 살리면서 추가적으로 하수 중 질소를 효과적으로 제거할 수 있는 하수 처리방법이 제공된다.
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- 흡입식 중공사막을 이용하여 반응조 원액을 직접 고액 분리하여 처리수를 뽑아내는 폐수처리 방법에 있어서, 폭기 단계 및 무산소 단계를 동일한 단일 반응조내에서 교차시킴으로써 질산화 및 탈질화 반응을 유도하여 하수중 질소 제거를 촉진하고, 폭기중단 후 산소 농도가 충분히 떨어진 직후에 원수 유입을 집중함으로써 유입 원수중의 탄소원을 최대한 탈질화 반응에 활용하는 것을 특징으로 하는 폐수처리 방법.
- 제3항에 있어서, 폭기 시작후 일정 시간동안 막여과를 유보함으로써 처리수 중 암모니아 농도를 더욱 낮추고, 또한 막세정 효과를 거두는 방법.
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