KR100517095B1 - 하수의 처리 장치 및 방법 - Google Patents

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KR100517095B1 KR10-2003-0066118A KR20030066118A KR100517095B1 KR 100517095 B1 KR100517095 B1 KR 100517095B1 KR 20030066118 A KR20030066118 A KR 20030066118A KR 100517095 B1 KR100517095 B1 KR 100517095B1
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Abstract

본 발명은 가정에서 발생하는 하수의 유기물 및 영양소 모두를 효율적으로 제거하는 하수의 처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 하수 처리 장치는 1차 침전조 및 유량 조정조 (2); 제1 무산소조 (3); 제2 무산소조 (4); 활성 슬러지조 (5); 접촉 폭기조 (6); 최종 침전조 (7); 및 미생물 활성조 (8)로 이루어져 있다.

Description

하수의 처리 장치 및 방법{Wastewater Treatment Apparatus and Method}
본 발명은 가정에서 발생되는 하수를 처리하여 '하수·분뇨 및 축산 폐수에 관한 법률'을 만족시키는 유출수를 배출하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 가정에서 배출되는 하수에 포함되어 있는 유기물을 생물학적 방법에 의하여 분해·제거하고 질소, 인 등의 영양염류를 제거하여 방류수법 기준을 만족시키는 유출수를 배출하기 위한 하수의 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
급속한 산업발전과 함께 인구의 증가 및 집중화로 인해 우리 나라의 환경오염은 빠르게 진행되어 음용수의 확보곤란, 대기오염, 쓰레기처리 등의 문제에서부터 환경문제를 통한 무역규제에 이르기까지 매우 다양하고 복잡한 현실에 직면한 실정이다. 산업의 발전과 더불어 국민의 환경오염에 대한 인식수준은 선진국 수준으로 상승하여 쾌적한 환경을 원하는 욕구가 강해져 정부의 강력한 정책수립의 요구와 함께 일련의 시민운동 형태로 표출되고 있다.
특히, 최근 수돗물 내의 바이러스 검출문제에서 보듯이 국민의 물에 대한 불안감과 정부에서 공급하는 물에 대한 불신감의 확산으로 인해 수돗물은 더 이상 마실 수 없는 물이라는 인식으로 정수기를 사용하거나 생수를 구입하여 음용수 문제를 해결하는 가정이 급증하고 있는 계기가 되기도 한다. 또한 수질오염으로 인해 하천이 친수공간으로서의 의미를 완전히 회복하지 못하고 있는 실정이다.
우리나라는 생활환경 개선과 수질보전을 위하여 1979년 최초의 도시하수처리장이 건설된 이래 전국에 많은 하수처리장이 건설되어 운영되고 있다. 기존의 하수처리장과 신설되는 하수처리장의 대부분은 유기물과 부유물질의 제거를 목적으로 하고 있었으나, 질소·인 등의 영양소를 제한하는 새로운 방류수법이 제정되면서 질소·인 등 영양소의 처리가 중요하게 대두되었다. 따라서 국내의 많은 연구자들에 의해 생물학적인 영양소 제거 방법에 대한 연구가 이루어지고 있으나 완벽한 처리 장치 및 방법이 제시되고 있지 못한 실정이다.
따라서, 본 발명의 목적은 하수의 유기물 및 영양소를 안정적이고 확실하게 처리할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명자들은 상기한 목적이 가정에서 배출되는 하수의 농도와 유량을 균등화하여 후속처리를 원활하게 하고 침전가능한 부유물질을 1차로 침전제거하는 1차 침전조 및 유량 조정조 단계; 1차 침전조 및 유량 조정조로부터 유입되는 하수 내의 유기물을 이용하여 최종 침전조로부터 반송되는 슬러지 내에 포함되어 있는 질산성 질소를 탈질시키는 제1 무산소조 단계; 제1 무산소조로부터 유입되는 슬러지와 접촉 폭기조로부터 반송되는 슬러지 내에 포함되어 있는 미탈질된 아질산성 및 질산성 질소를 슬러지 내에 들어있는 유기물을 이용하여 탈질시키는 제2 무산소조 단계; 반응조 내에서 일정농도로 유지되는 호기성 미생물군을 이용하여 제2 무산소조로부터 유입되는 슬러지 내의 유기물을 산화시키고 암모니아성 질소를 아질산성 질소와 질산성 질소로 질산화시키는 활성 슬러지조 단계; 부착성 여재를 이용하여 미생물 체류시간을 최대한 연장시키고 활성 슬러지조로부터 유입되는 슬러지 내에 포함되어 있는 미처리 유기물을 2차 산화시키고 암모니아성 질소를 아질산성 질소와 질산성 질소로 산화시키는 접촉 폭기조 단계; 접촉 폭기조로부터 유입된 슬러지를 고형물과 처리수로 분리하여 최종배출하는 최종 침전조 단계; 및 무기물 및 우점종으로서 바실러스종 미생물을 포함하는 토양 미생물을 접종한 미생물 제제를 내장하고 최종 침전조로부터 반송되는 슬러지의 우점종을 활성화시키고 활성화시킨 슬러지를 활성 슬러지조에 공급하는 미생물 활성조 단계를 포함하는 본 발명에 따른 하수 처리 방법 및 이 방법을 수행하기 위한 장치를 통해 달성됨을 밝혀내었다.
이하 본 발명을 첨부된 도면에 도시된 하수 처리 장치 (1)를 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 활성 슬러지와 부착 미생물을 이용한 하수의 처리 장치의 구성도이다. 본 발명에 따른 하수 처리 장치 (1)는 가정 등에서 발생되는 생활 하수의 특성상 발생량과 농도에 있어 계절 등의 시간대에 따른 변화가 심하기 때문에, 후속처리의 부담을 줄이고 침전가능한 침전물들을 1차로 침전제거하는 1차 침전조 및 유량 조정조 (2); 1차 침전조 및 유량 조정조 (2)로부터 유입되는 하수 내의 유기물을 이용하여 최종 침전조 (7)로부터 반송되는 슬러지 내에 포함되어 있는 질산성 질소를 탈질시키는 제1 무산소조 (3); 제1 무산소조 (3)로부터 유입되는 슬러지와 접촉 폭기조 (6)로부터 반송되는 슬러지 내에 포함되어 있는 미탈질된 아질산성 및 질산성 질소를 슬러지 내에 들어있는 유기물을 이용하여 탈질시키는 제2 무산소조 (4); 반응조 내에서 일정농도로 유지되는 호기성 미생물군을 이용하여 제2 무산소조 (4)로부터 유입되는 슬러지 내의 유기물을 산화시키고 암모니아성 질소를 아질산성 질소와 질산성 질소로 질산화시키는 활성 슬러지조 (5); 부착성 여재 (15)를 이용하여 미생물 체류시간을 최대한 연장시키고 활성 슬러지조 (5)로부터 유입되는 슬러지 내에 포함되어 있는 미처리 유기물을 2차 산화시키고 암모니아성 질소를 아질산성 질소와 질산성 질소로 산화시키는 접촉 폭기조 (6); 접촉 폭기조 (6)로부터 유입된 슬러지를 고형물과 처리수로 분리하여 최종배출하는 최종 침전조 (7); 특정 토양 미생물을 분리·대량배양하여 접종한 미생물 제제를 내장하고 최종 침전조 (7)로부터 반송되는 슬러지의 우점종을 활성화시키는 미생물 활성조 (8)를 포함한다.
본 발명에 따른 하수 처리 장치 (1)에서는 피처리물의 이동경로와 함께 슬러지의 반송과 이동경로가 매우 중요한데, 최종 침전조 (7)에서 고액분리된 슬러지가 제1 무산소조 (3)로 반송되어 탈질을 위한 유기물을 제공하며 활성 슬러지조 (5)의 미생물 농도를 적정한 수준으로 유지하게 해주는 슬러지 이동경로인 반송라인 (9)와, 최종 침전조 (7)에서 고액분리된 슬러지가 미생물 활성조 (8)로 반송되어 미생물 제제를 이용하여 토양 미생물을 배양시키고 이 배양된 토양 미생물을 폭기조로 유입시키게 되는 슬러지 이동경로인 반송라인 (10)과, 접촉 폭기조 (6)로부터 제2 무산소조 (4)로 반송되어 탈질되지 않은 질산성 질소를 질소가스로 탈질되게 해주는 슬러지 이동경로인 반송라인 (11)을 통하여 하수의 처리 능력이 향상된다.
본 발명에 따른 하수 처리 장치 (1)의 각 반응조들의 역할과 작용을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 피처리물인 하수는 생활양식과 식생활문화 및 지역적인 특성에 따라 그 양과 농도에 있어 매우 다양한 양상을 나타내고 있다. 이러한 하수의 양과 농도 변화는 생물학적 하수 처리 장치에 유입될 경우 장치 전체에 걸쳐 악영향을 주어 장치의 처리효율을 감소시키는 결과를 야기할 수 있다. 따라서 유입되는 하수의 양과 농도를 균등하게 하고 침전가능한 부유물들을 1차로 침전, 제거하는 역할을 1차 침전조 및 유량 조정조 (2)가 담당하게 된다. 하수 처리 장치에서 1차 침전조 및 유량 조정조 (2)는 하수처리장의 규모에 따라 다른 역할을 담당하게 되는데, 우선 처리용량이 큰 하수처리장에서는 하수처리장에 유입되기까지 하수가 긴 하수관거를 거치게 되어 자동적으로 유입되는 하수의 유량 및 농도가 거의 일정하게 유지되므로 유량 조정조의 역할보다는 부유물을 침전시키는 1차 침전조의 역할을 수행하게 되고, 처리용량이 작은 하수처리장의 경우에는 유입되는 하수의 유량 및 농도의 변화폭이 크므로 유량 조정조의 역할을 담당하게 된다.
1차 침전조 및 유량 조정조 (2)를 거친 피처리물은 제1 무산소조 (3)로 유입되는데, 여기에는 반송라인 (9)을 통하여 최종 침전조 (7)로부터 침전슬러지가 반송된다. 제1 무산소조 (3)에는 교반용 혼합기 (mixer) (12)가 장착되어 반응조 내 미생물과 하수의 원활한 혼합을 담당하게 된다. 여기에서는 하수에 포함되어 있는 유기물을 이용하여 반송된 슬러지 내에 포함되어 있는 질산성 질소를 탈질시킨다. 탈질 작용은 탈질미생물(denitrifiers)에 의해 일어나게 되는데 이것은 몇 단계에 걸쳐 일어난다. 첫 번째 단계는 질산성 질소(NO3)가 아질산성 질소(NO2)로 전환되고, 이 아질산성 질소(NO2)가 몇 단계를 거쳐서 질소가스(N2)로 환원되는 과정이다. 이러한 두 단계를 호흡(dissimilation)이라 하고, 일반적으로 알려진 이러한 반응의 경로는 다음과 같다.
NO3 → NO2 → NO → N2O → N2
위의 탈질반응은 알칼리도(alkalinity)를 생성하는 반응이다. 이러한 알칼리도의 생성은 활성 슬러지조 (5)와 접촉 폭기조 (6)에서 일어나는 질산화 반응으로 인한 알칼리도의 소모를 반 정도 회복시키는데, 질산성 질소(NO3-N) 1g 당 생성되는 알칼리도는 4.57g as CaCO3이다. 탈질에 관여하는 미생물의 종류나 하수의 성상에 따라 최적 pH가 달라지지만 일반적으로 7 내지 8 정도의 pH가 가장 적합하며, 본 발명에 따른 장치에서는 제1 무산소조 (3)에서 pH를 맞춰주기 위한 별도의 조작이나 약품 주입 없이 운전이 가능하다.
제1 무산소조 (3)를 경유한 피처리물은 제2 무산소조 (4)로 유입되는데, 여기에는 반송라인 (11)을 통해 접촉 폭기조 (6)로부터 슬러지가 반송된다. 제2 무산소조 (4)에도 역시 교반용 혼합기 (12)가 장착되어 반응조 내 미생물과 하수의 원활한 혼합을 담당한다. 제1 무산소조 (3)로부터 유입된 피처리물과 접촉 폭기조 (6)로부터 반송된 슬러지 내에는 탈질되지 못한 질산성 질소, 또한 제1 무산소조에서 탈질에 소모되지 못한 유기물이 포함되어 있는데, 제2 무산소조 (4)에서는 이러한 탈질되지 못한 질산성 질소가 탈질미생물에 의해 2차 탈질된다. 제2 무산소조 (4)는 혐기조의 역할도 하는데, 유입된 질산성 질소가 짧은 시간 내에 탈질된 후 미생물에 의한 인의 방출이 일어난다. 제2 무산소조 (4) 또한 pH 조절을 위한 약품 주입이나 특별한 조작 없이 운전이 가능하다.
제2 무산소조 (4)를 경유한 피처리물은 활성 슬러지조 (5)로 유입된다. 활성 슬러지조 (5) 안에는 호기성 미생물과 질산화 미생물(nitrifiers)이 다량 존재하며, 이러한 호기성 미생물과 질산화 미생물은 송풍기 (13)로부터 산기구 (14)를 통해 연속적으로 공급되는 공기를 이용하여 유기물을 산화시킨다. 분자량이 큰 유기물은 활성 슬러지조 (5) 내에 존재하는 호기성 미생물이 배출한 체외효소에 의해 분자량이 작은 유기물로 분해되고, 분자량이 작은 유기물은 산화되어 미생물의 유지와 성장 및 증식에 사용된다. 이러한 미생물의 성장 및 증식에 관한 반응식은 다음과 같다.
CHONS (유기물) + O2 + 미생물 → CO2 + NH3 + 다른 생성물 + 에너지
CHONS (유기물) + O2 + 미생물 + 에너지 → C5H7O2N (새로운 미생물 세포)
또한 활성 슬러지조 (5)에서는 질산화 미생물에 의해 암모니아성 질소가 아질산성 질소(NO2-N)로, 다시 질산성 질소(NO3-N)로 산화되는 질산화 반응이 일어나며, 이 반응에서 H+가 생성되어 알칼리도를 소모하는데, 1g의 암모니아성 질소 당 7.14g as CaCO3의 알칼리도가 소모된다. 이러한 알칼리도 소모로 인하여 활성 슬러지조 (5) 내의 pH가 감소한다. 이러한 질산화에 대한 총괄반응식은 다음과 같다.
NH4 + + 2O2 → NO3 - + 2H+ + H2 O
또한 활성 슬러지조 (5)에서는 앞의 제2 무산소조 (4)에서 미생물에 의해 방출된 인의 흡수가 일어나는데, 혐기성 상태에서 인의 방출에 이은 호기성 상태에서의 흡수는 미생물의 세포구조에 필요한 양보다 훨씬 많은 양의 인을 흡수하게 되므로 이를 '과잉섭취(luxury uptake)'라 부른다. 또한 활성 슬러지조 (5)에는 미생물 활성조 (8)로부터 슬러지가 유입되는데, 이 미생물 활성조 (8)에는 자연상태에서 채취한 몇 가지 물질로 만들어진 미생물 제제가 들어있는데, 이 미생물 제제는 Ca2+, Mg2+ 등의 무기물질을 풍부하게 함유하고 있으며 바실루스 (Bacillus) 종을 비롯한 특정 토양 미생물을 분리·대량배양시켜 접종한 것이다. 미생물 활성조 (8)에는 미생물의 성장과 증식을 위한 유기물 및 영양소 공급을 위해 제1 무산소조 (3)로 유입되는 유량의 1%에 해당하는 하수가 유입되며, 최종 침전조 (7)로부터 이동경로인 반송라인 (10)을 통해 침전슬러지가 유입되는데, 유입된 침전슬러지는 미생물 활성조 (8)에 들어있는 미생물 제제에 의해 활성화된다.
활성 슬러지조 (5)를 경유한 피처리물은 접촉 폭기조 (6)로 유입되는데, 여기에는 미생물의 체류시간을 최대한 연장시키고 미생물 농도를 고농도로 유지시키기 위한 여재 (15)가 충전되어 있다. 접촉 폭기조 (6)에 충전된 여재 (15)는 미생물이 부착할 수 있는 공극이 무수히 많으며, 물리·화학적으로 안전한 재질로 이루어진 것은 바람직하다. 여재 (15)에 부착된 미생물은 성장·증식하면서 유기물을 분해·제거하고, 활성 슬러지조 (5)에서 산화되지 못한 암모니아를 완전하게 산화시키는 역할을 한다. 또한 유입하수의 충격부하에 대처할 수 있는 완충작용을 수행할 수 있도록 고안되었다.
접촉 폭기조 (6)를 경유한 피처리물은 마지막으로 최종 침전조 (7)에 유입된다. 최종 침전조 (7)로 유입된 피처리물은 중력에 의해 고형물과 액상으로 분리되어 고형물은 각각 이동경로인 반송라인 (9 및 10)을 통하여 제1 무산소조 (3)와 미생물 활성조 (8)로 이송되고, 액상은 최종방류된다.
<실시예>
도 1의 하수 처리 장치를 실험실 규모로 제작하였다. 각 반응조는 내부가 보이는 투명한 아크릴로 제작하였으며, 하수처리장으로 유입되는 하수를 직접 채취하여 실험에 사용하였다. 하기 표 1에 본 실험에 사용된 하수 처리 장치의 반응조 규격을 나타내었다.
반응조 규격 (체류시간) 비고
1차 침전조 및 유량 조정조 15L (HRT = 12hr) 원통형
제1 무산소조 0.63L (HRT = 0.5hr) 원통형 (하수슬러지 식종)
제2 무산소조 1.88L (HRT = 1.5hr) 원통형 (하수슬러지 식종)
활성 슬러지조 3.00L (HRT = 2.4hr) 장방형 (하수슬러지 식종)
접촉 폭기조 1.50L (HRT = 1.2hr) 장방형 (하수슬러지 식종)
최종 침전조 4.00L (HRT = 3.4hr) 원통형 (호퍼각은 60°)
미생물 활성조 0.50L 원통형 (하수슬러지 식종)
상기 실험에 사용된 시료량은 1일 30L였으며, 유입수는 정확성을 기하기 위해 정량펌프와 타이머를 이용하여 공급하였다. 각 반응조에서의 피처리물 이송은 위치에너지를 이용한 자연유하로 설치하였고, 슬러지의 반송은 정량펌프와 타이머를 이용하여 정확한 양을 반송하도록 하였다.
실험 결과
BOD T-N T-P
농도 (mg/L) 제거율 (%) 농도 (mg/L) 제거율 (%) 농도 (mg/L) 제거율 (%)
유입수 99.6 - 33.7 - 3.0 -
유출수 10.9 87.4 14.7 56.4 1.5 49.0
표 2에 정리한 실험결과는 운전기간 동안의 평균농도이며 유입 BOD 99.6mg/L, T-N 33.7mg/L, T-P 3.0mg/L인 하수를 본 하수 처리 장치로 처리한 결과 BOD, T-N, T-P의 하수처리장 방류수 기준인 20, 60, 8mg/L를 충분히 만족하는 BOD 10.9mg/L, T-N 14.7mg/L, T-P 1.5mg/L로 매우 우수한 결과를 나타냈다.
본 발명에 따른 하수의 유기물 및 영양소 제거 장치 및 방법은 활성 슬러지조와 접촉폭기조를 도입하여 하수 중의 유기물을 안정적이고 확실하게 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 하수 중의 영양소인 질소와 인을 하수처리장 방류수질 기준 이하로 만족시킬 수 있으며, 향후 예상되는 규제강화에도 충분히 대처할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하수의 처리 장치의 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1.: 하수 처리 장치 2.: 1차 침전조 및 유량 조정조
3.: 제1 무산소조 4.: 제2 무산소조
5.: 활성 슬러지조 6.: 접촉 폭기조
7.: 최종 침전조 8.: 미생물 활성조
9 ~ 11.: 슬러지 반송라인 12.: 교반용 혼합기 (mixer)
13.: 송풍기 14.: 산기구
15.: 여재

Claims (2)

  1. 하수의 농도와 유량을 균등화하게 하며 침전가능한 부유물질을 1차로 침전제거하는 1차 침전조 및 유량 조정조 단계; 1차 침전조 및 유량 조정조로부터 유입되는 하수 내의 유기물을 이용하여 최종 침전조로부터 반송되는 슬러지 내에 포함되어 있는 질산성 질소를 탈질시키는 제1 무산소조 단계; 제1 무산소조로부터 유입되는 슬러지와 접촉 폭기조로부터 반송되는 슬러지 내에 포함되어 있는 미탈질된 아질산성 및 질산성 질소를 슬러지 내에 들어있는 유기물을 이용하여 탈질시키는 제2 무산소조 단계; 반응조 내에서 일정농도로 유지되는 호기성 미생물군을 이용하여 제2 무산소조로부터 유입되는 슬러지 내의 유기물을 산화시키고 암모니아성 질소를 아질산성 질소와 질산성 질소로 질산화시키는 활성 슬러지조 단계; 여재를 이용하여 미생물 체류시간을 최대한 연장시키고 활성 슬러지조로부터 유입되는 슬러지 내에 포함되어 있는 미처리 유기물을 2차 산화시키고 암모니아성 질소를 아질산성 질소와 질산성 질소로 산화시키는 접촉 폭기조 단계; 접촉 폭기조로부터 유입된 슬러지를 고형물과 처리수로 분리하여 최종배출하는 최종 침전조 단계; 및 무기물 및 우점종으로서 바실러스종 미생물을 포함하는 토양 미생물을 접종한 미생물 제제를 내장하고 최종 침전조로부터 반송되는 슬러지의 우점종을 활성화시키고 활성화시킨 슬러지를 활성 슬러지조에 공급하는 미생물 활성조 단계를 포함하는 하수 처리 방법.
  2. 하수의 농도와 유량을 균등하게 하며 하수 중의 침전가능한 부유물질을 1차로 침전제거하는 1차 침전조 및 유량 조정조 (2); 1차 침전조 및 유량 조정조로부터 유입되는 하수 내의 유기물을 이용하여 최종 침전조로부터 반송되는 슬러지 내에 포함되어 있는 질산성 질소를 질소가스로 탈질시키는 제1 무산소조 (3); 제1 무산소조로부터 유입되는 슬러지와 접촉 폭기조로부터 반송되는 슬러지 내에 포함되어 있는 아질산성 및 질산성 질소를 슬러지 내에 들어 있는 유기물을 이용하여 탈질시키는 제2 무산소조 (4); 반응조 내에 일정 농도로 유지되는 호기성 미생물군을 이용하여 제2 무산소조로부터 유입되는 슬러지 내의 유기물을 분해·제거하고 유기질소를 암모니아성 질소로 분해하며 암모니아성 질소를 질산성 질소로 질산화시키는 활성 슬러지조 (5); 여재를 이용하여 미생물 체류 시간을 최대한 연장시키고 활성 슬러지조로부터 유입되는 슬러지 내에 포함되어 있는 미처리 유기물을 2차 산화시키고 암모니아성 질소를 아질산성 질소와 질산성 질소로 산화시키는 접촉 폭기조 (6); 접촉 폭기조로부터 유입된 슬러지를 고형물과 처리수로 분리하여 최종 배출하는 최종 침전조 (7); 및 무기물 및 우점종으로서 바실러스종 미생물을 포함하는 토양 미생물을 접종한 미생물 제제를 내장하고 최종 침전조로부터 반송되는 슬러지의 우점종을 활성화시키고 활성화시킨 슬러지를 활성 슬러지조에 공급하는 미생물 활성조 (8)를 포함하며, 최종 침전조 (7)에서 고액분리된 슬러지를 제1 무산소조 (3)로 반송하는 반송라인 (9), 최종 침전조 (7)에서 고액분리된 슬러지를 미생물 활성조 (8)로 반송하는 반송라인 (10) 및 접촉 폭기조 (6)으로부터 고액분리된 슬러지를 제2 무산소조 (4)로 반송하는 반송라인 (11)을 포함하는 하수 처리 장치.
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