KR100453484B1 - 폐수처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고형물(SS) 및 유기물의 농도가 높고 고농도 질소 및 인을 함유하여 일반적인 화학 및 생물학적 처리 방법에 의해 처리하기 곤란한 폐수의 처리방법에 관한 것으로 화학 및 생물학적 단위 공정을 적절히 조합하여 고농도 유기물 및 질소, 인을 제거할 수 있고 화학적 단위 공정에서는 고순도의 질소 및 인이 결정화되어 비료로 이용 가능한 부산물을 회수할 수 있는 새로운 연속식 폐수처리 방법에 관한 것이다.

그 구성은 폐수 중의 고형물을 분리하는 고액분리과정;과 고액분리과정에서 분리된 용존물 중의 질소 및 인을 제거하는 스트루바이트 결정화 과정;과 스트루바이트 결정화 과정으로부터의 상등수를 2단 간헐폭기조에서 질산화 및 탈질산화시키는 간헐폭기과정을 구성됨을 특징으로 한다.

물리, 화학 및 생물학적 처리가 적절히 결합된 연속식 처리 공정인 본 폐수처리방법의 장점은 고형물 및 영양염류가 고농도로 함유된 폐수처리에 용이하며 물리, 화학 및 생물학적 단독 공정으로는 처리하기 힘든 폐수에 적합하다. 또한 화학적 조작인 응집을 이용하여 대상폐수의 고형물을 고액분리기에서 대부분 제거 할 수 있으며 유입되는 독성물질도 동시에 제거할 수 있다.

Description

폐수처리방법{Method of wasetwater treatment}

본 발명은 폐수처리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 높은 농도의 유기성 물질 및 고형물을 전처리로서 효과적으로 제거하여 후속되는 스트루바이트 결정화 반응 및 생물학적 처리를 쉽게 할 수 있고 하천 및 호수 등에부영양화(Eutrophication) 유발물질로 문제시되는 폐수중의 영양염류(질소 및 인)를 효과적으로 처리할 수 있으며 폐수 처리 시 물리화학적인 특성을 이용하여 기술적으로 질소와 인을 고순도의 결정체로 만들어 이를 비료로 이용 가능하도록 한 폐수처리방법에 관한 것이다.

일반적으로 고형물로 인해 유기물의 농도가 매우 높고 더욱이 영양염류를 고농도로 함유한 폐수의 경우(특히 슬러리 형태로 배출되는 축산폐수) 물리, 화학, 생물학적 단독 처리로는 처리가 어려운 실정이며 이러한 폐수의 처리를 위해 경제성을 겸비한 실질적인 처리장치가 아직 개발되어 있지 않은 상태이다.

폐수에 포함되어 있는 영양염류 자체는 무기성 원소이나, 이들이 하천이나, 연안바다, 호소(호수 및 저수지)등으로 유입되어 조류의 성장을 촉진시켜 부영양화 현상을 발생시킨다.

폐수에 포함되어 있는 영양염류가 연안바다로 유입되었을 때는 적조현상의 원인이 되며, 심하면 수저부에서 부패하고 악취가 발생하여 수질오염을 촉진시키는 원인으로 작용함에 따라, 이러한 영양염류는 하천이나 호소로 유입되기 전에 제거되어야 할 물질이다.

고농도 유기물을 함유하고 있고 게다가 영양염류를 높은 농도로 함유하고 있는 폐수(특히, 슬러리 형태의 축산폐수)를 동시에 효율적으로 처리할 수 있는 기술은 현재 미미한 수준이며 수중의 질소 및 인을 제거하기 위한 현재까지의 기술로는 물리, 화학적인 방법과 생물학적 방법으로 나누어 볼 수 있다.

우선, 물리적인 방법에 있어서는 암모니아 탈기법, 선택적 흡착 방법을 이용하는 이온교환법, 소석회 및 응집제를 사용하여 인을 침전시키는 방법 및 질소와 인을 동시에 침전시키는 스트루바이트(struvite)형성의 침전법 등이 이용되고 있다.

스트루바이트는 알칼리성 조건(약 pH 11)에서 Mg : N : P가 몰비로 1:1:1의 비율로 결정화되어 질소 및 인이 동시에 침전되어 제거되는 방법으로서 종래의 기술로는 예컨대 대한민국 특허공개 제2002-5521호가 있다.

상기 대한민국 특허공개 제2002-5521호에는 고농도의 질소가 포함된 축산분뇨 및 산업폐수에 마그네슘 또는 인 등의 응집원을 일정한 순서에 따라 순차적으로 주입하거나 응집원을 두 번 이상으로 분할하여 주입함으로써 스트루바이트 결정 효율을 높이는 동시에 응집원 사용량을 줄이는 것을 특징으로 하는 스트루바이트 침전을 이용한 고농도 질소폐수 처리방법이 개시되어 있으며, 스트루바이트 침전을 위한 응집원 및 알칼리 혼합조, 스트루바이트 결정반응, 침전조 등 모든 반응조를 하나의 장치로 팩키지화 하여 연속적으로 처리할 수 있는 스트루바이트 침전을 이용한 질소폐수 처리장치가 개시되어 있다.

그러나 상기의 방법에서 고형물이 다량함유되어 있는 경우에는 스트루바이트 결정화 순도가 감소하는 문제가 있어 결정체를 직접 비료로서 사용하는 것에는 한계가 있다.

한편, 생물학적 처리 방법에 있어서는, 질소의 경우 용존상태에 있는 암모니아성 질소와 유기 질소를 호기성 조건에서 질산화균(i.e.,Nitrosomonas & Nitrobacter)에 의해 질산화(암모니아를 질산염형태로 변형)시키고, 질산염을 탈질산화균(ie.,Pseudomonas, Paracoccusdenitrifiers)에 의해 무산소 조건에서 산소대신 전자수용체로서 이용하게 하여 질소 기체로 변환하여 대기 중으로 방출(탈질산화)시켜 제거하고 있다.

인의 경우 폐수를 교대로 혐기성 조건과 호기성 조건하에 유지시켜 혐기성 조건에서는 인 제거 미생물(ie.,Acinetobacter)로부터 인을 방출시키고, 후속되는 호기성 조건에서는 미생물이 인을 과다 섭취하도록 한 다음, 미생물을 일정량씩 제거시키는 방식으로 폐수중의 인을 제거한다.

상기 호기성 조건에서 미생물이 인을 과다 섭취하게 되는 정도는 혐기성 조건으로 유입되는 유기물의 양과 종류에 따라 다르며 특히, 순수한 혐기상태의 유지와 유입되는 유기물이 초산염과 같은 유기산염이 많을 경우 순수한 혐기상태에서 인의 방출량이 증진되며, 후속된 호기상태에서 인의 섭취도가 향상되어 처리율이 증진된다.

따라서, 생물학적 질소 및 인의 제거 공정은 혐기성 - 호기성 - 혐기성 - 호기성 반응조를 적절히 분리 배치하여 각 반응조의 특성에 따라 호기성 반응조에서는 유기물 산화 및 질산화 반응과 미생물이 인을 섭취하도록 유도하고 혐기성 및 무산소 반응조에서는 질산성 질소를 질소가스로 변형시켜 대기중으로 방출시키는탈질반응과 인의 방출을 유도한다.

현재 생물학적 처리 원리에 의한 영양염류 제어법으로 널리 이용하고 있는 폐수처리공정으로는 바덴포(Bardenpho), A2/O, A/O, UTC, VIP 등이 개발되어 있으며 이들은 모두 위의 원리를 응용하여 개발된 공정들이다. 이러한 기술들은 선진국에서 하수처리장 등 여러곳에서 이미 널리 이용되고 있는 기술이지만 우리나라의 경우 일부 하수처리장에서 기존의 표준 활성슬러지 공정으로부터 이러한 공정으로 바꾸기 위한 시도가 있을 뿐 아직까지는 선진국 수준에 미치지 못하고 있는 실정이다.

특히, 축산폐수와 같이 유기물 및 질소와 인을 고농도로 함유한 폐수의 경우 위의 공정들을 이용 하기도 하지만 대부분의 처리 시설들은 법적 방류기준을 만족하기 위해 여러 공정들을 난잡하게 나열, 조합하는 경우가 대부분이며 설령, 기존에 개발된 공정을 효과적으로 이용한다고 해도 폐수의 특성상 암모니아성 질소의 농도가 높아 질산화시 긴 수리학적 체류시간을 요하며 이로 인해 부지면적을 많이 차지하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 영양염류 처리 시 종래의 문제점을 해결하기 위해 고농도의 고형물과 질소 와 인을 함유하는 폐수를 동시에 신속히 처리하고 스트루바이트 결정화 순도를 높혀 그 결정체를 비료로 활용할 수 있는 폐수처리방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 방법을 실시하기 위한 개략적인 장치구성도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 고액분리기

2 : 결정화 반응조

3 : 제 1 폭기조

4 : 제 2 폭기조

5 : 종말 침전지

6 : 결정체 저장조

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 폐수처리방법은 고농도의 고형물을 함유하고 있는 폐수를 처리하기 위한 방법으로서, 상기 폐수 중의 고형물을 분리하는 고액분리과정;과 상기 고액분리과정에서 분리된 용존물 중의 질소 및 인을 제거하는 스트루바이트 결정화 과정; 및 상기 스트루바이트 결정화 과정으로부터의 상등수를 2단 간헐폭기조에서 질산화 및 탈질산화시키는 간헐폭기과정을 구성됨을 특징으로 한다.

즉 본 발명의 방법은 고형물 및 유기물은 응집제를 이용하여 고액분리기에서 고액 분리 하고 고농도 질소 및 인은 후속되는 스트루바이트 결정화(결정화 반응 3분 + 침전 30분)를 통해 대부분 제거된다.

스트루바이트 결정화 과정은 고액분리기에서 유기물이 거의 완벽히 제거되기 때문에 순도가 매우 높게 된다. 그 후 잔류 유기물 및 잔류 영양염류는 후속되는 생물학적 처리 과정에서 제거되게 되며 유기물의 경우 전단의 고액분리기에서 대부분 제거되므로 생물학적 처리공정에서 적은 부하로 유입되어 쉽게 제거되게 된다.

특히 질소의 경우 선행하는 스트루바이트 결정화 과정에서 대부분 제거 되므로 후속되는 생물학적 공정에서 자유암모니아의 독성을 받지 않고 질산화 및 탈질이 원활하게 이루어지게 된다.

이러한 고액분리, 스트루바이트 결정화, 생물학적 공정의 조화로운 결합은 본 발명의 기술적 특징으로서 이러한 방법을 통해 종래의 고농도 질소함유 폐수 처리의 문제(결정화 효율의 저하)를 해결 하여 유기물, 질소 및 인을 동시에 신속히 완벽하게 처리함과 동시에 폐수 중 질소 및 인을 결정화 시켜 이를 고순도의 비료로 활용할 수가 있는 것이다.

본 발명의 방법은 공지의 요소장치를 사용하여 실시할 수 있는 바, 도 1은 그 일례를 개략적으로 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이, 고액분리기(1), 결정화 반응조(2), 결정체 저장조(6), 2단 간헐폭기조(3, 4), 종말침전지(5)로 구성되어 있다.

고액분리기(1)는 유입수에 적정 농도의 응집제를 섞어 고액분리가 적절히 일어나게끔 성상이 바뀐 고형물과 용존성 물질과의 분리를 위한 장치로 폐수에 함유되어 있는 대부분의 고형물(유기물)들은 이 장치에서 제거된다.

이때 고형물 농도가 지나치게 높을 경우 고액분리기(1)에서 처리가 제대로 되지 않을 수 있으므로 고액분리된 폐수를 다시 반송하여(10) 적정 농도의 응집제와 섞은 후 응결물을 만들어 처리 할 수 있다.

고액분리기(1)를 통해 고형물을 제거함으로서 후속되는 스트루바이트 결정화 공정에서 생산되는 스트루바이트 결정의 순도를 높일 수 있다.

스트루바이트 결정화 반응조(2)는 질소 및 인을 스트루바이트 결정화 반응을 이용하여 침전 제거 한다. 상기 스트루바이트 결정화는 마그네슘, 암모니아성 질소 및 인의 몰비로 1:1:1로 주입하여 알카리조건(pH 8-12)에서 교반하면서 처리한다.

마그네슘원이 고가인 경우는 바닷물과 농축 바닷물(간수)을 이용할 수 있으며 이는 이미 확인된 바 있다.

결정화 반응 시 대상폐수의 암모니아성 질소 및 인을 선택적으로 결정화 할 수 있으며 고액분리기에서 고형물이 제거된 상태로 암모니아성 질소와 인 성분만 존재한다면 결정체의 순도가 매우 높아진다.

이때 결정화 효율을 높이기 위해 결정체 저장조(6)에서 결정체 일부를 결정화 반응조로 순환시킬 수 있다(60).

이러한 스트루바이트 결정화 반응에 의하여 생성된 스트루바이트 결정체는 주로 마그네슘, 암모니아성 질소 및 인 성분이며 순도가 높기 때문에 결정체 저장조로 이송되어 농가 등에서 비료로 활용 시 매우 효과적이다.

스트루바이트 결정화 후 잔류 유기물 및 영양염류는 후속되는 생물학적 공정인 2단 간헐폭기조(3, 4)에서의 폭기 및 비폭기 공정이 교호로 이루어 지면서 제거된다.

고액분리기(1)에서의 고액분리를 통해 고형물이 상당량 제거되기 때문에 생물학적 처리 시 유기물 부하가 적고 따라서 수리학적 체류시간(HRT)를 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한 스트루바이트 결정화 과정을 통해 질소의 대부분이 제거되기 때문에 후속되는 생물학적 처리 시 암모니아 독성을 피할 수 있으며 따라서 원활한 질소제거가 이루어지게 된다.

2단 간헐폭기 반응조는 제1간헐폭기조(3) 및 제2간헐폭기조(4)로 구성되며, 각각의 반응조는 일정시간 폭기 및 비폭기 과정이 교호로 이루어 진다.

즉, 제1간헐폭기조(3)가 폭기상태이면 제2간헐폭기조(4)는 비폭기, 제1간헐폭기조(3)가 비폭기 상태이면 제2간헐폭기조(4)는 폭기를 유지시킨다.

이는, 폭기 상태의 질산화 반응과 비폭기 상태에 탈질산화를 진행시키기 위함이며, 이러한 2단 간헐폭기조를 이용한 폐수처리장치 및 그 방법은 대한민국 특허공개 제1999-46813호에 상세히 개시되어 있다.

2단 간헐폭기조(3, 4)로부터 생물학적인 처리가 끝난 폐수는 종말침전지(5)로 유입되어 활성슬러지와 방류수로 분리되어 처리가 끝나게 된다.

이하, 본 발명의 폐수 정화공정의 작동과정을 다시 한번 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 폐수 정화공정을 수행하기 위한 장치는 고액분리기(1), 결정화 반응조(2), 간헐폭기 반응조(3, 4), 침전조(5) 및 결정체 저장조(6)로 구성되어 있다.

각 반응조는 서로 연결되어 있으며, 2단 간헐폭기조(3, 4)는 생물학적 처리공정이며 고액분리기(1), 결정화조(2) 및 침전조(5), 결정체 저장조(6)는 물리 및 화학적 처리공정이다.

고액분리기(1)에 유입된 폐수 중의 고형물은 분리되고 고형물의 농도가 낮아진 폐수는 연속적으로 스트루바이트 결정화 공정에서 암모니아성 질소 및 인이 제거되어 후속되는 생물학적 공정에서 잔류 유기물 및 질소처리가 용이하게 된다.

여기서 폐수 중 고형물의 분리를 촉진하기 위해 고액분리기(1)에 유입되는 폐수에 응집제를 주입한다. 응집제는 폐수에 따라 사용되는 종류 및 양이 변화하며 상업적으로 용이하게 구득가능하다.

고액분리기(1)에서 고액분리가 이루어진 상등액은 스트루바이트 결정화 반응조(2)로 이송되고 결정화 반응이 끝난 상등액은 간헐폭기공정(3, 4)으로 연속적으로 유입되며 이때 생성된 스트루바이트 결정물은 결정체 저장조(6)로 이송된다.

이 때 질소제거 효율을 높이기 위해 결정체 저장조(6)로부터 결정체 일부를 스트루바이트 결정화 반응조(2)로 유입시켜서 처리할 수도 있다.

2단 간헐폭기공정에서 생물학적 처리가 끝난 폐수는 종말침전지(6)로 유입이 되며 종말침전지에서 방류수와 활성슬러지로 고액분리되어 폐수의 정화가 이루어진다.

상기 공정중 침전조(5)에서 침전된 고형물은 일부 잉여슬러지로 공정에서 제거되며, 슬러지와 침전된 폐수는 간헐폭기 반응조(3, 4)로 이송되어(50) 폭기 및 비폭기가 진행됨에 따라 유기물의 산화와 폭기시 질산화 반응(NH4+-N → NO2--N → NO3--N), 비폭기시 탈질산화 반응(NO3--N → NO2--N → N2(gas))으로 최종적으로기체상태의 질소가스 형태로 수중으로부터 제거된다.

물리, 화학 및 생물학적 처리가 적절히 결합된 연속식 처리 공정인 본 폐수처리방법의 장점은 고형물 및 영양염류가 고농도로 함유된 폐수처리에 용이하며 물리, 화학 및 생물학적 단독 공정으로는 처리하기 힘든 폐수에 적합하다.

또한 화학적 조작인 응집을 이용하여 대상폐수의 고형물을 고액분리기에서 대부분 제거 할 수 있으며 유입되는 독성물질도 동시에 제거할 수 있다.

또한 고액분리기에서 유기물이 대부분 제거되므로 후속되는 생물학적 처리에서 유기물 부하를 줄일 수 있는 장점이 있으며 스트루바이트 결정화 장치를 통해 얻어지는 결정체의 순도를 높일 수 있다.

스트루바이트 결정화 공정에서는 질소 및 인과 같은 영양염류를 거의 완벽히 제거 할 수 있으며 결정화 과정을 통해 생성된 스트루바이트 결정체는 비료 3요소에 포함되어 있는 질소 및 인을 다량 함유하고 있기 때문에 이를 고순도 비료로서 상품화 할 수 있는 장점이 있다.

특히 강조되어지는 장점은 후속되는 생물학적 처리 공정에서, 앞단에서 결정화 과정을 통해 질소가 거의 완벽히 제거되었기 때문에 질산화 박테리아(Nitrosomonas)가 자유암모니아의 독성 영향을 받지 않고 질산화를 원활히 수행할 수 있다는 점이다. 본 발명은 영양염류 처리에 어려움이 많은 산업폐수 및 슬러리 형태의 축산폐수 등에 효과적으로 이용될 수 있다.

Claims (2)

1. 고농도의 고형물을 함유하고 있는 폐수를 처리하기 위한 방법으로서,

   상기 폐수 중의 고형물을 분리하는 고액분리과정;

   상기 고액분리과정에서 분리된 용존물 중의 질소 및 인을 제거하는 스트루바이트 결정화 과정; 및

   상기 스트루바이트 결정화 과정으로부터의 상등수를 2단 간헐폭기조에서 질산화 및 탈질산화시키는 간헐폭기과정을 구성됨을 특징으로 하는 폐수처리방법.
2. 제 1 항에 있어서 결정체 저장조로부터 결정체 일부를 스트루바이트 결정화 반응조로 유입시켜 질소제거 효율을 높이는 것을 특징으로 하는 폐수처리방법.