KR100631373B1 - 질소 및 인 제거효율이 극대화된 접촉산화장치 및 이를이용한 접촉산화방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하폐수 유입량 대비 질소 및 인 제거효율이 극대화된 접촉산화장치 및 이를 이용한 접촉산화방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 유입된 하폐수가 혐기성 반응에 참여하는 혐기반응조, 호기성 반응이 일어나는 폭기조, 혐기반응조로 하폐수의 일부가 반송되도록 하는 내부순환관 및 정화된 하폐수를 외부로 방출하는 방류조를 포함하고, 상기 각 처리조를 식물이 식재된 토양으로 매립하되 매립된 토양의 밑에 다수의 통기공이 형성된 모관망과 여재충전부가 설치되어 토양정화법을 이용하는 하폐수 정화장치에 있어서, 폭기조에서의 질소 및 인의 제거효율을 획기적으로 높임과 동시에 별도의 오니이송관과 오니농축조에 의해 오니를 농축하고 이를 외부로 방출시킴으로서, 오니의 반송에 의한 장치의 성능저하 및 운영관리비의 증가를 예방하고, 시간이 많이 소요되는 침전조를 생략할 수 있도록 하고, 제 2접촉폭기조를 간헐 폭기조로 대체함으로서 소요되는 산소의 양도 줄일 수 있는 하폐수 유입량 대비 질소 및 인 제거효율(질소 및 인 제거효율, 유입 하폐수량 대비 시간처리효율, 비용효율 등)을 극대화할 수 있는 질소 및 인 제거효율이 극대화된 접촉산화장치 및 이를 이용한 접촉산화방법에 관한 것이다.

하폐수처리, 토양정화법, 접촉산화법

Description

질소 및 인 제거효율이 극대화된 접촉산화장치 및 이를 이용한 접촉산화방법{Contact oxidation apparatus having maximized removal efficiency of nitrogen and phosphorous AND Contact oxidation method thereby}

도 1은 상기 종래 선출원의 접촉산화공정을 보여주는 구성도이고,

도 2는 본 발명에 따른 질소 및 인 제거효율이 극대화된 접촉산화공정을 보여주는 구성도이고,

도 3은 본 발명에 따른 질소 및 인 제거효율이 극대화된 접촉산화공정의 구성을 설명하기 위한 평면도이고,

도 4는 상기 도 3의 A-A선 단면도이고,

도 5는 본 발명에 따른 질소 및 인 제거효율이 극대화된 접촉산화공정의 처리과정을 보여주는 블럭도이고,

도 6a 및 도 6b는 본 실험의 토양피복형 접촉산화장치와 그 환경을 외부에서 찍은 사진이고,

도 7a 및 도 7b는 각각 유입·유출수의 시간에 따른 COD 농도변화 및 COD 제거율을 나타낸 그래프이고,

도 8a 및 도 8b는 각각 유입·유출수의 시간에 따른 BOD₅ 농도변화 및 BOD₅ 제거율을 나타낸 그래프이고,

도 9a 및 도 9b는 각각 유입·유출수의 시간에 따른 T-N 농도변화 및 T-N 제거율을 나타낸 그래프이고,

도 10a 및 도 10b는 각각 유입·유출수의 시간에 따른 T-P 농도변화 및 T-P 제거율을 나타낸 그래프이고,

도 11은 유입·유출수의 시간에 따른 pH 농도변화를 나타내는 그래프이다.

※ 도면의 부호에 대한 간단한 설명 ※

1 : 침전탈질조 1a : 혐기조

1b : 무산소조 1c : 스크린조

2: 제1폭기조 2a : 접촉폭기조

3 : 침전조 3a : 오니농축조

4 : 제2폭기조

4a : 간헐폭기조 1실 4b : 간헐폭기조 2실

5 : 방류조 6 : 접촉여과조

7 : 다공질 토양층 8 : 모관망

9 : 여재충전부 10 : 로스톨

11 : 공기주입장치 12 : 오니이송관

13 : 잔디 14 : 내부순환관

15 : 유입구 16 : 유출구

17a : 반송펌프 17b : 오니이송펌프
18 : 연결관

19 : 하부공간

본 발명은 하폐수 유입량 대비 질소 및 인 제거효율이 극대화된 접촉산화장치 및 이를 이용한 접촉산화방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 기본적으로 토양정화법을 기초로 토양의 미생물을 이용하여 부차적인 오염 등의 부작용이 거의 없고 냄새가 나지 않고 고도로 처리하는 고도정화처리방식을 사용하면서도, 폭기조에서의 질소 및 인의 제거효율을 획기적으로 높임과 동시에 별도의 오니이송관과 오니농축조에 의해 오니를 농축하고 이를 외부로 방출시킴으로서, 오니의 반송에 의한 장치의 성능저하 및 운영관리비의 증가를 예방하고, 시간이 많이 소요되는 침전조를 생략할 수 있도록 하고, 제 2접촉폭기조를 간헐 폭기조로 대체함으로서 소요되는 산소의 양도 줄일 수 있는 하폐수 유입량 대비 질소 및 인 제거효율(질소 및 인 제거효율, 유입 하폐수량 대비 시간처리효율, 유입 하폐수량 대비 비용효율 등, 이하 같다)을 극대화할 수 있는 하폐수 유입량 대비 질소 및 인 제거효율이 극대화된 접촉산화장치 및 이를 이용한 접촉산화방법에 관한 것이다.

나아가, 부작용없이 대규모뿐만 아니라 중소규모에서도 저렴한 유지관리비용으로 높은 처리효율을 갖음과 동시에 주민들에게도 냄새가 나지 않고 깨끗한 이미 지를 줄 수 있는 접촉산화장치 및 이를 이용한 접촉산화방법에 관한 것이다.

현재 전 세계적으로 공업화, 도시화, 인구의 증가 등이 급격히 커지면서 용수의 사용량도 급격히 증가하고 있음에도 불구하고 쓰고 남은 하폐수는 비용, 처리시설 및 처리기술의 부족 등등을 이유로 처리되지 않고 하천, 강, 바다 등에 그대로 버려지거나 처리되더라도 대충 처리되어 방출되고 있는 실정이다.

따라서 최근 사회적인 문제로 호소 및 내만 등의 폐쇄성 수역에 질소와 인 화합물의 과다유입으로 인한 부영양화(Eutrophication) 현상이 발생하는 등 수질이 극도로 악화되고 있으며, 수질악화는 다시 수중에 식물성 플랑크톤인 조류(Algae)의 성장을 촉진하고, 조류의 성장은 다시 수중의 산소를 고갈시켜 수질을 더욱 악화시키는 악순환이 반복되고 있다.

이러한 수질오염은 상기한 바와 같이 생활폐수, 산업폐수, 축산폐수 등의 하폐수의 유입으로 일어나는 바, 이러한 오염원인 하폐수를 하폐수 처리시설에 의해 완전히 정화처리한 후에 하천, 호소, 강, 바다 등에 내보내도록 하는 것이 근본적인 수질오염방지대책이 될 것이다.

상기한 정화처리를 위해 종래 일반적으로 질소 및 인을 제거하기 위한 하폐수 처리 방법으로는 물리화학적 처리방법과 생물학적 처리방법이 있었다.

상기 물리화학적 처리방법은 암모니아탈기법, 이온교환법 등이 이용되고 있으나 온도에 민감하고 비용이 많이 소요되는 단점이 있을 뿐만 아니라 약품비 및 운전시에 요구되는 환경이 특정적이여서 그 운영에 어려움이 있고 유출수가 불안정하여 현장에서는 거의 사용되지 않고 있다.

생물학적 처리 원리는 질산화 과정과 탈질화 과정으로 대표할 수 있다. 하폐수 속에 우세한 질소형태는 유기질소(Organic nitrogen) 및 암모니아성 질소(NH₃-N)이다. 유기질소는 혐기성 또는 호기성 조건에서 미생물의 분해작용에 의해 암모니아성 질소로 전환된다. 암모니아성 질소의 산화를 일으키는 미생물에는 여러 가지가 있으나 대표적인 것으로 니트로소모나스(Nitrosomonas)와 니트로박터(Nitrobacter)가 있다. 이들은 모두 호기성 독립 영양 미생물(Aerobic aututrophic bacteria)이며 산소로 암모니아를 산화시키며 생장한다. 수중에서 암모니아 이온(NH₄ ⁺) 형태로 존재하는 암모니아의 질산화 과정을 식으로 나타내면 다음과 같다.

22NH₄ ⁺ + 37O₂ + 4CO₂ + HCO₃ ^- → C₅H₇O₂N + 20H₂O + 42H⁺

질산화 작용에 의해 생성된 질산성 질소는 다시 이를 환원시키는 미생물에 의해 무해한 질소가스(N₂)로 환원되어 대기중으로 방출되는 데 이를 탈질화(Denitrification)라 한다. 탈질화균에는 슈도모나스(Pseudomonas), 마이크로코커스(Micrococcus), 아코모박터(Archomobacter) 및 바실러스(Bacillus) 등과 같은 종이 있으며, 이러한 미생물은 임의성(Facultative) 종속 영양 미생물이므로 분자 상태의 산소가 존재할 때에는 이를 수용체로 이용하기 때문에 탈질화는 일어나지 않는다. 따라서 탈질작용을 활성화시키기 위해서는 산소공급이 없는 무산소(anoxic) 환경과 충분한 유기물의 공급이 절대적으로 필요하다. 탈질화 과 정에서 필요한 유기물로서 메탄올이 경제성 때문에 가장 널리 사용되고 있지만, 대체할 수 있는 유용한 유기물을 하폐수 내에서 얻게 되면 메탄올을 공급하는 데 드는 비용을 절감할 수 있게 된다. 탈질화 과정에서는 질산성 질소(NO₃ ^-)가 수소수용체(Hydrogen acceptor)로 이용되므로 혐기성 반응이 되며, 메탄올을 탄소원으로 공급할 경우에 질산성 질소를 제거하기 위한 생물학적 반응식은 다음과 같다.

NO₃ ^- + 1.08CH₃OH + H⁺ + → 0.065C₅H₇O₂N + 0.47N₂ + 0.76CO₂ + 2.44H₂O

또한, 하폐수 속에 존재하는 인을 제거하는 이론은 반응조내의 환경이 호기 과정에서 인제거미생물(PAOs:phosphate accumulating organisms)에 의한 인 섭취량이 증가하게 되는 데, 이를 미생물의 인 과잉섭취(Luxuryuptake)라 하고 인을 과잉섭취한 미생물은 혐기 즉, 무폭기과정에서 슬러지나 오니로 침강되고 이를 제거함으로서 인은 최종적으로 제거된다.

즉, 종래 생물학적 처리장치는 상기한 생물학적 처리원리에 따라 혐기성-호기성-혐기성-호기성 반응조를 분리배치하여 각각의 반응조의 특성에 따라 호기성 반응조에서는 유기물 산화 및 질산화 반응과 미생물이 인을 섭취하도록 유도하고, 혐기성 반응조에서는 질산성 질소를 질소가스로 변형시켜 대기중으로 방출시키는 탈질반응과 인의 방출을 유도하는 방식이다.

상기한 생물학적 처리방식을 따른 종래의 생물학적 처리장치에는 여러가지가 있다. 그 중 종래 포스트립(Phostrip)법에선 포스트립조와 호기조를 활성 슬러지가 거치면서 인 제거 미생물이 자라게 되는 데, 포스트립조에서 방출된 인을 화학 약품을 사용하여 처리하고 호기조에서 질산화된 질소는 무산소조로 내부 순환되어 질소를 제거할 수 있었다. 그러나 이 공정은 인의 제거를 위해 화학물질을 사용해야 하는 바, 또 다른 오염의 문제를 창출하게 되고 유입수의 유기물 농도가 낮은 경우에는 그 기능을 못하는 단점이 있었다.

또한, 표준 활성 슬러지법이 있었는 데, 이 공법에선 슬러지 발생량이 많고 슬러지의 탈수성이 좋지 않아 슬러지 처리공정에서 문제점을 안고 있었으며, 발생되는 악취문제를 해결하기 위해 탈취설비가 필요하고 유지관리비가 과다하게 소요되는 문제뿐만 아니라 유기물의 제거효율은 좋으나 질소와 인을 효율적으로 제거할 수 없는 문제점도 있었다.

즉, 종래의 기술하에서는 부차적인 오염 등의 부작용이 거의 없으면서도 비용에 대비한 대용량의 고도정화처리방식은 개발되지 아니하고 있었다.

또한, 나아가 수질오염은 대부분의 경우 생활폐수에 의해서 발생하고 관거비용 등을 감안하면 넓은 공간과 많은 예산을 필요로 하는 대규모적인 하수종말처리장방식보다는 중소규모의 효율적인 하수처리시설이 더욱 요구되고 있었음에도 불구하고, 종래의 처리기술하에서는 그 처리효율이 낮은 반면 유지관리비는 많이 소요되고, 나아가 냄새가 많이 나는 등 혐오시설이라는 이유 등으로 중소규모의 하수처리시설이 설치되지 못하고 있는 한계가 있었다.

따라서 부작용없이 대규모뿐만 아니라 중소규모에서도 저렴한 유지관리비용으로 높은 처리효율을 갖음과 동시에 주민들에게도 냄새가 나지 않고 깨끗한 이미지를 줄 수 있는 하폐수 처리장치를 개발함은 하폐수 처리시설업계의 과제이자 후 술하는 본 발명의 목적중 하나가 된다 할 것이다.

상기한 과제를 달성하고자 하는 일환으로서 본 출원인은 2000년에 특허출원 제 10-2000-0053165호로 "토양피복형 내부순환 접촉산화장치 및 이를 이용한 접촉산화방법" 을 출원하여 등록받은 바 있다.

도 1은 상기 종래 선출원의 접촉산화공정을 보여주는 구성도이다.

도시된 바와 같이, 종래 선출원의 접촉산화장치는 유입구를 통하여 유입된 하폐수가 혐기성 반응에 참여하는 침전탈질조(1); 호기성 반응을 위해 외부의 공기주입장치로 폭기시키는 제1폭기조(2) 및 호기반응의 효율을 높이기 위한 제2폭기조(4)의 3개의 처리조로 구성되어 있는 하폐수 정화장치에 있어서, 상기 제1폭기조(2)와 제2폭기조 사이에 하폐수를 고액분리되도록 침전조(3)가 더 마련되어 공기주입장치(11)로 하폐수를 폭기시키고 상기한 각각의 처리조에 에어를 불어넣어 내부순환관(14)을 통해 침전탈질조(1)로 하폐수의 일부가 반송되도록 하고 상기 각 처리조를 토양으로 매립하되 매립된 토양에 다수의 통기공이 형성된 모관망(8)이 설치되어 있고,

이를 이용한 종래 선출원의 접촉산화방법은 유입된 하폐수가 침전탈질조(1)에 저장되는 단계; 침전탈질조(1)에서 침전탈질된 하폐수가 공기주입장치(11)를 통해 제1폭기조(2)에서 폭기처리되는 단계; 제1폭기조(2)에서 폭기처리된 하폐수가 침전조(3)에서 고액분리되는 단계; 침전조(3)에서 고액 분리된 하폐수가 공기주입장치(11)를 통해 제2폭기조(4)에서 폭기처리되는 단계; 상기의 각 단계에서 일부는 질소의 최종제거를 위해 내부순환관(14)을 통해 침전탈질조(1)로 내부순환 되는 단계; 및 각 처리단계를 거쳐 상등수가 된 하폐수가 방류조(5)를 통해 유출되도록 하고, 상기 각 처리조의 상층부에 다수의 통기공이 형성된 모관망(8)과 상기 모관 상부로 다공질 토양층(7)을 구성하여 이 토양층에 식물을 식재함으로서 악취 등을 토양을 통해 흡착하여 미생물에 의해 분해 및 영양원으로 제공되도록 한 것임을 알 수 있다.

그러나, 상기한 본 출원인의 종래 선출원의 경우에도 토양의 미생물을 이용하여 부차적인 오염 등의 부작용이 거의 없고 냄새가 나지 않고 고도로 처리하는 고도정화처리방식이기는 하나, 토양미생물의 활동에 영향을 미치는 여재에 쇄석 등을 단순 충진시킨 것에 불과한 바, 유입된 하폐수의 일회성 통과만으론 질소 및 인의 제거가 원활히 이루어지지 아니하였고, 이에 따라 고도처리 즉, 질소 및 인의 제거를 높이고자 내부순환관(14)을 통해 반복순환을 많이 하여야 하였고, 그에 따라 오니('슬러지'라고도 함, 이하 같다)도 같이 반송순환됨으로서 오니제어 및 오니감소의 속도가 현저히 느려지는 단점이 있었고 결과적으로 전체장치의 성능 및 효율(질소 및 인 제거효율, 유입 하폐수량 대비 시간처리효율, 유입 하폐수량 대비 비용효율 등, 이하 같다)을 떨어뜨리게 되었다.

또한, 반송되는 오니가 많고 접촉폭기조가 많아 공급되어야 할 산소 즉, 필요 에너지가 많아져서 그 운영상의 어려움은 물론 운영관리비도 증가시키는 단점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 극복하고자 안출된 것으로서, 구체적으로 본 발명의 목적은 폭기조에서의 질소 및 인의 제거효율을 획기적으로 높임과 동시에 별도의 오니이송관과 오니농축조에 의해 오니를 농축하고 이를 외부로 방출시킴으로서, 오니의 반송에 의한 장치의 성능저하 및 운영관리비의 증가를 예방하고, 시간이 많이 소요되는 침전조를 생략할 수 있도록 하고, 제 2접촉폭기조를 간헐 폭기조로 대체함으로서 소요되는 산소의 양도 줄일 수 있는 하폐수 유입량 대비 질소 및 인 제거효율(질소 및 인 제거효율, 유입 하폐수량 대비 시간처리효율, 유입 하폐수량 대비 비용효율 등, 이하 같다)이 극대화된 접촉산화장치 및 이를 이용한 접촉산화방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 폭기조에서의 질소 및 인의 제거효율을 획기적으로 높임과 동시에 별도의 오니이송관과 오니농축조에 의해 오니를 농축하고 이를 외부로 방출시킴으로서, 오니의 반송에 의한 장치의 성능저하 및 운영관리비의 증가를 예방하고, 시간이 많이 소요되는 침전조를 생략할 수 있도록 하고, 제2접촉폭기조를 간헐 폭기조로 대체함으로서 소요되는 산소의 양도 줄일 수 있는 하폐수의 유입량에 대비하여 질소 및 인 제거효율을 극대화할 수 있는 접촉산화방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하고자 본 발명의 접촉산화장치는, 유입구를 통하여 유입된 하폐수가 혐기성 반응에 참여하는 혐기반응조(1); 호기성 반응을 위해 외부의 공기주입장치(11)로 폭기시키는 제1폭기조(2); 호기반응의 효율을 높이기 위한 제2폭기조(4); 상기 혐기반응조(1)로 하폐수의 일부가 반송되도록 하는 내부순환관(14); 및 정화된 하폐수를 외부로 방출하는 방류조(5)를 포함하고, 상기 각 처리조를 식물이 식재된 토양(7)으로 매립하되 매립된 토양의 밑에 다수의 통기공이 형성된 모관망(8)과 상기 토양의 미생물이 서식할 수 있는 여재가 충전되는 여재충전부(9)가 설치되어 토양정화법을 이용하는 하폐수 정화장치에 있어서,

상기 혐기반응조(1)는 유입된 하폐수를 최대한 적층하기 위하여 그 하부공간(19)이 충분히 구성되고, 유입된 하폐수 및 반송순환된 하폐수 중의 탈질화 과정 또는 인 과잉섭취 미생물의 침전으로 인해 침적된 오니를 흡수이송하여 제거하는 오니이송관(12)이 연결되어 있는 혐기조(1a)와 무산소조(1b)로 이루어지고, 상기 제2폭기조(4)는 침적된 오니를 곧바로 제거할 수 있는 오니이송관(12)이 연결되고 간헐적으로 폭기되는 간헐폭기조로서 고도정화를 하고 하폐수와 여재와의 접촉을 2중으로 확실히 할 수 있도록 간헐폭기조 1실(4a)과 간헐폭기조 2실(4b)로 이루어지고, 상기 오니이송관(12)에 의해 이송된 오니를 외부로 방출하는 오니농축조(3a)를 포함하는 것을 주요한 특징으로 한다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 접촉산화방법은, 유입된 하폐수를 혐기반응조(1)에서 침전탈질시키는 단계; 상기 혐기반응조(1)에서 침전탈질된 하폐수에 호기성 반응을 위해 제1폭기조(1)에서 외부의 공기주입장치(11)로 제1폭기시키는 단계; 제2폭기조(4)에서 호기 반응의 효율을 높이기 위해 제2폭기시키는 단계; 내부순환관(14)을 통하여 상기 혐기반응조(1)로 하폐수의 일부가 반송되도록 하는 단계; 및 방류조(5)에서 정화된 하폐수를 외부로 방출하는 단계를 포함하고, 상기 각 처리조를 식물이 식재된 토양(7)으로 매립하되 매립된 토양의 밑에 다수의 통기공이 형성된 모관망(8)과 상기 토양의 미생물이 서식할 수 있는 여재가 충전되는 여재충전부(9)가 설치되어 토양정화법을 이용하는 하폐수 정화방법에 있어서,

상기 침전탈질단계는 유입된 하폐수 중의 침적된 오니를 연결된 오니이송관(12)으로 이송하여 혐기조(1a)와 무산소조(1b)로부터 바로 제거하는 오니이송과정을 포함하고, 상기 제2폭기단계는 고도정화를 하고 하폐수와 여재와의 접촉을 2중으로 확실히 할 수 있도록 간헐폭기조 1실(4a)과 간헐폭기조 2실(4b)에서 간헐적인 폭기로 이루어지는 간헐폭기과정으로 이루어지되 유입된 하폐수 중의 침적된 오니를 연결된 오니이송관(12)으로 이송하여 제거하는 오니이송과정을 포함하고, 상기 오니이송관(12)에 의해 이송되어 오니농축조(3a)에 농축된 오니를 외부로 방출하는 농축오니방출단계를 더 포함하는 것을 주요한 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 구체적으로 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 질소 및 인 제거효율이 극대화된 접촉산화공정을 보여주는 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 질소 및 인 제거효율이 극대화된 접촉산화공정의 구성을 설명하기 위한 평면도이고, 도 4는 상기 도 3의 A-A선 단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 질소 및 인 제거효율이 극대화된 접촉산화공정의 처리과정을 보여주는 블럭도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 접촉산화장치의 경우에도 탈질화 과정과 질산 화 과정의 생물학적 처리 원리를 이용하는 종래의 선출원의 경우와 같이, 혐기반응이 일어나는 혐기조(1a), 무산소조(1b)와 호기반응이 일어나는 접촉폭기조(2a) 및 간헐폭기조 1실(4a), 간헐폭기조 2실(4b) 및 정화처리된 후 외부로 방출되는 방류조(5)를 포함하여 구성되어 있고 각 처리조는 연결관(18)을 통하여 상등수가 이송된다. 다만, 종래 선출원의 제2접촉폭기조에서와 달리 이를 간헐폭기조 1실(4a), 간헐폭기조 2실(4b)로 대체하여 꾸준한 폭기는 필요하지 않고 간헐적인 폭기로도 충분하게 하고 있다. 그 이유에 대해서는 후술한다.

한편, 본 발명의 접촉산화장치의 경우에도 토양층에 존재하는 미생물이 유입되는 하폐수 정화의 보조기능을 함으로서 질소 및 인의 제거에 있어 효율을 높이는 토양정화법을 사용한다.

토양지표면 아래 약 1미터(1m)까지는 식물, 동물, 미생물 등과 같은 생물체들이 상호 의존관계를 유지하면서 살아가고 있는데, 이러한 다공질 토양층(7)에 오염물이 유입될 경우에 오염물이 토양생물체의 영양소가 되어 분해제거된다. 흙의 1미터(1m)속에는 천만 단위부터 수억 단위의 미생물이 서식하고 있는 것으로 알려져 있으며, 특히 토양 원생동물 중에 '지렁이'는 일반 하수구에서 흔히 볼 수 있듯이 오니를 상당히 좋아하며 매일 자신의 체중만큼의 오니를 자기 몸속으로 통과시켜 분해하는 능력을 갖고 있다. 그리고 대장균과 같은 하수 및 오폐수 내의 유해세균은 토양미생물과 상호 적대관계가 존재하여 토양미생물의 먹이가 되어 완전제거가 가능하고, 토양미생물은 원생동물의 먹이가 되며 이 원생동물은 지렁이의 영양원이 된다. 또한, 하수 및 오폐수 처리시설에서 발생하는 악취가 다공성 토양층 을 통과하게 되면 악취는 토양에 흡착되고, 흡착된 악취물질은 토양미생물에 의하여 서서히 냄새없는 물질로 전환된다. 토양층 상부에 잔디와 같은 식물을 식생하게 되면 토양내 오염물질을 영양소로 이용하기 때문에 토양과 함께 오염물질의 정화기능을 발휘할 수 있고, 처리장의 경우에는 조경시설의 일환으로 활용될 수 있다.

상기한 토양정화법을 위해 각 처리조의 상부에는 로스톨(10, '받침대'라고도 함, 이하 같다)에 의하여 받쳐지고 여재가 충전되는 여재충전부(9)가 형성되고, 상기 여재충전부(9)의 위에는 다공질 토양층(7)이 구성된다. 상기 다공질 토양층(7)과 여재충전부(9) 사이에는 다수의 통기공이 형성된 모관망(8)을 구성하여 흙이 하부로 떨어지지 않도록 하고, 토양층에 공존하는 미생물이 하부의 처리조와 교류하도록 한다.

또한, 상기한 바와 같이 다공질 토양층에는 잔디(13)와 같은 식물을 식재하여 미생물이 활발하게 활동할 수 있는 조건을 갖추고 주민들에게도 거부감을 주지 않도록 한다. 즉, 다공질 토양층에 식생잔디를 식재하여 토양속의 미생물 활동을 최대화한다.

이하, 하폐수의 유입부터 정화처리되고 난 후의 유출까지의 순서대로 설명한다.

(1) 혐기조 및 무산소조

반송순환되거나, 외부로부터 유입구(15)를 거쳐 연결관(18)을 통하여 유입되 는 하폐수는 상기 혐기조(1a)로 유입되고, 상기 혐기조(1a)는 유입된 하폐수를 최대한 적층하기 위하여 그 하부공간(19)이 충분히 구성된다.

상기 혐기조(1a)를 거친 하폐수는 연결관(18)을 통하여 상기 무산소조(1b)로 유입되고, 상기 무산소조(1b)도 유입된 하폐수를 최대한 적층하기 위하여 그 하부공간(19)이 충분히 구성된다. 청소를 용이하게 하고, 하폐수의 유입량이 많을 경우를 대비하여 혐기조(1a)와 무산소조(1b)로 구분되었으며, 유입량에 따라서는 더 많은 혐기반응조가 설치될 수 있음은 물론이다.

상기 혐기조 및 무산소조에서는 유입된 하폐수 및 반송순환되는 하폐수 중의 침전물, 즉 탈질화 과정 또는 인 과잉섭취 미생물의 침전으로 인한 오니가 침적된다. 이 때 유입 또는 반송순환된 하폐수 속의 탄소화합물의 일부는 탈질화 반응에서 필요한 탄소원으로 사용되어 상기한 탈질화균에 의해 유기산으로 전환된다. 유기산은 유기염의 형태로 침적되거나 미생물의 먹이가 되어 미생물과 함께 침적된다. 탈질화 과정에서 발생한 질소가스는 다공성 토양층으로 흡수되고 그 중 대부분은 다공성 토양층에 식재된 식생잔디, 토양층의 미생물 등의 질소공급원으로 이용되고 극히 일부는 토양층을 통과하여 대기중으로 방출된다.

상기 혐기조 및 무산소조의 하부에는 각각 침적된 오니를 혐기조 및 무산소조 하부로부터 곧바로 제거할 수 있는 오니이송관(12)이 연결되어 후술하는 오니농축조(3a)로 이송되어 추후 외부로 방출되게 된다. 오니의 흡수 및 이송은 공기주입장치(11)와 연결된 오니이송펌프(17b)에 의해 이루어진다. 침적되는 오니를 침적되는 각 조마다 제거하지 않으면 추후 반송순환시 오니도 같이 반송순환됨으로서 오니의 반송에 의한 장치의 성능저하 및 운영관리비가 증가됨을 예방하기 위함이다.

즉, 오니는 순수한 유기염의 침적물이기도 하지만 대부분은 유기염이나 인을 먹이로 한 미생물의 침적물이기도 한 바, 오니를 곧바로 제거함은 하폐수속에 함유된 질소 및 인을 곧바로 제거함을 의미한다. 질소 및 인이 곧바로 제거되지 않으면 미생물이 살아남아 후술하는 처리과정 및 반송순환시 이를 따라 흘러다니기만 하고 살아남은 미생물이 더 이상 유기염 및 인을 섭취하지 않게 되고 오히려 인을 하폐수속에 방출하는 경우까지 생기는 것은 물론이고, 유효미생물이 서식하는 여재의 표면에 달라붙어 유효미생물의 서식공간을 줄여 하폐수 속에 이를 정화할 수 있는 유효미생물의 개체수, 즉 유효미생물의 농도를 떨어뜨리게 된다. 특히, 인의 제거에 있어선 곧바로 제거할 필요성이 많다.

따라서, 종래 선출원에서와 같은 침전조는 필요하지 않게 되고, 그에 따라 침전조에서 침전이 완전히 될 때까지 기다려야 하는 시간의 낭비요소를 없앨 수 있게 되고, 유입되는 하폐수의 양에 대한 시간당 처리효율도 높일 수 있게 된다.

한편, 혐기조에 유입되는 하폐수를 유입하기 이전에 하폐수 중의 일정 크기 이상의 고형물을 제거하기 위한 스크린조(1c)를 설치할 수 있다. 즉, 유입되는 하폐수의 특성에 따라 고형물이 많은 하폐수의 경우에는 스크린조를 설치함이 바람직하다.

(2) 접촉폭기조

상기 무산소조(1b)를 거친 하폐수는 연결관(18)을 통하여 상기 접촉폭기조 (2a)로 유입된다. 접촉폭기조(2a)에서는 외부의 브로워나 수중 폭기장치의 외부의 공기주입장치(11)에 의해서 산소를 충분하게 공급하여 호기상태를 유지하도록 한다. 접촉폭기조에서는 산소를 공급함으로서 하폐수내의 용존 산소량을 급격히 증가시키고, 상기한 바와 같은 질산화 과정이 이루어진다.

또한, 상기 혐기조 및 무산소조와는 달리 하부공간(19)을 줄이고 대신 여재가 충전되는 여재충전부(9)의 공간이 크도록 하여 여재가 충분하게 충전되도록 한다. 이는 미생물의 농도를 극대화하고 미생물과 하폐수의 접촉을 극대화함으로서 폭기조의 효율을 극대화하기 위함이다.

각 처리조 내부의 일부는 여재를 충전하여 토양미생물들이 토양층 뿐만 아니라 반응조 내부에서도 성장하는 데 가장 근접한 조건을 줄 수 있게 하고, 상기한 바와 같이 여재의 하부에는 로스톨(10)을 설치하여 여재가 하부공간으로 떨어지지 않도록 한다.

여재로는 후술하는 간헐 폭기조에 충전되는 여재를 제외하고는 다른 접촉 여재에 비해 가격이 저렴하고 내구성이 강한 돌의 파쇄물인 쇄석, 토양층과 유사한 초벌구이 황토판, 표면적이 월등히 크고 내구성이 높은 제철소 폐기물인 고로슬래그, 건축폐기물인 콘크리트 구조물을 철거하고 난 잔여물 등을 사용할 수 있다. 간헐 폭기조에 충전되는 여재에 대해서는 후술한다.

(3) 간헐폭기조 1실 및 간헐폭기조 2실

상기 접촉폭기조(2a)를 거친 하폐수는 연결관(18)을 통하여 상기 간헐폭기조 1실(4a)로 유입된다. 간헐폭기조 1실(4a)에서도 외부의 공기주입장치(11)에 의해서 산소를 충분하게 공급하여 호기상태를 유지하도록 하고, 혐기조 및 무산소조와는 달리 하부공간(19)을 줄이고 대신 여재가 충전되는 여재충전부(9)의 공간이 크도록 하여 여재가 충분하게 충전되도록 한다. 이는 접촉폭기조에서와 마찬가지로 폭기조의 효율을 높이기 위함이다.

상기 간헐폭기조 1실(4a)을 거친 하폐수는 연결관(18)을 통하여 간헐 폭기조 2실(4b)로 유입된다. 간헐폭기조 2실(4b)에서도 외부의 공기주입장치(11)에 의해서 산소를 충분하게 공급하여 호기상태를 유지하도록 하고, 혐기조 및 무산소조와는 달리 하부공간(19)을 줄이고 대신 여재가 충전되는 여재충전부(9)의 공간이 크도록 하여 여재가 충분하게 충전되도록 한다.

간헐폭기조 1실과 2실의 하부에도 각각 침적된 오니를 곧바로 제거할 수 있는 오니이송관(12)이 연결되어 후술하는 오니농축조(3a)로 이송되어 추후 외부로 방출되게 된다. 마찬가지로 침적되는 오니를 침적되는 조마다 제거하지 않으면 추후 반송순환시 오니도 같이 반송순환됨으로서 오니의 반송에 의한 장치의 성능저하 및 운영관리비가 증가됨을 예방하기 위함이다.

간헐폭기조를 1실과 2실로 구분하여 별도 설치하는 이유는 간헐폭기조실 하나로 하였을 경우보다 하폐수와 여재와의 접촉을 2중으로 확실히 할 수 있을 뿐만 아니라(하폐수의 흐름에 따라 미생물과 접촉되지 않고 갈 수도 있음), 간헐폭기조를 1실에서 침적된 오니를 곧바로 제거하고 간헐폭기조 2실로 넘어감으로서 간헐폭기조 2실에서는 더욱 고도의 정화를 할 수 있게 되기 때문이다.

다만, 상기 접촉폭기조(2a)에서와 달리 간헐폭기조의 여재충전부(9)에 충전되는 여재는 다공의 정도가 커 비표면적이 크고 미생물 친화력이 큰 특별히 제조된 다공성 담체를 사용할 수 있다.

또한, 간헐폭기조의 여재충전부(9)에 충전되는 여재를 2종류로 이루어진다. 간헐폭기조 1실 및 2실에서의 여재충전부 상부는 접촉폭기조에서와 같은 쇄석, 초벌구이 황토판, 고로슬래그, 건축폐기잔여물 등의 여재를 사용하고, 그 나머지 중간 및 하부 부분은 다공의 정도가 커 비표면적이 크고 미생물 친화력이 큰 특별히 제조된 다공성 담체를 사용할 수 있다. 이 경우는 다공성 담체와 쇄석 등이 충전되는 여재충전부 상부 사이에는 로스톨이 설치되어 서로 섞이는 것을 방지한다.

이와 관련하여 본 출원인은 2004년에 특허출원 제 2004-0092461호로 "하수 및 오폐수 처리효율을 높이는 다공성 담체의 제조방법 및 그에 의한 다공성 담체" 를 출원한 바 있다. 상기 다공성 담체는 제주 송이석, 흑음지 등과 시멘트 등을 일정비율로 특수하게 혼합가공하여 만들어진 것으로서, 그 다공의 정도가 매우 커 비표면적이 매우 크고 미생물 친화력이 크면서도 그 결합강도가 장기간 사용하더라도 처리되는 하폐수에 휩쓸려 가지 않는 담체로서 높은 유기물 부하량에도 불구하고 안정적, 지속적으로 하폐수 내의 질소 및 인을 효과적으로 제거할 수 있는 담체이다.

간헐적인 폭기로도 충분한 이유는 호기성 미생물은 가스 형태의 산소보다는 하폐수에 용해된 용해산소를 주로 이용하므로 계속적으로 폭기되는 산소의 이동으로 인한 미생물의 활동을 방해하는 요소를 줄이는 이유도 있고 또한 미생물의 질소 및 인의 섭취량에 있어 이를 결정하는 근본 인자(factor)는 용해산소의 농도보다는 미생물의 개체수(농도)와 미생물과 하폐수의 접촉횟수이기 때문이다.

즉, 상기한 접촉폭기조에서 충분히 용존산소량이 늘어났고, 간헐폭기조에서의 간헐적인 폭기로도 미생물의 개체수(농도)와 미생물과 하폐수의 접촉횟수가 충분하다면 호기성 반응에 필요한 용해산소농도는 충분하고, 오히려 상기한 바와 같이 운영관리비를 대폭적으로 감소시킬 수 있고 운영상의 어려움도 해소할 수 있기 때문이다. 더구나 상기한 비표면적 및 미생물 친화력이 큰 다공성 담체를 사용한 경우에는 더욱 그러하기 때문이다.

또한, 간헐적이 아닌 계속적으로 산소를 공급한다면 산소의 공급에 따라 침적되려는 오니에 난류현상을 계속적으로 일으켜 온전한 침적이 일어나지 않게 되고 그에 따라 오니이송관으로 이송되는 물질도 순수한 오니가 아닌 하폐수와 오니가 뒤섞인 것이 되고, 결과적으로 다시 이송된 물질을 정화처리해야만 하는 문제를 창출하게 된다. 마찬가지 이유로 계속적으로 산소가 공급되는 접촉폭기조에서는 오니이송관과 연결되지 않는다. 따라서, 간헐폭기조에서 오니이송관으로 오니를 흡수하여 이송할 경우에는 산소를 공급하지 않는 때에 하는 것이 바람직한 운영이다.

(4) 접촉여과조 및 방류조

상기 간헐폭기조 2실(4b)을 거친 하폐수는 연결관을 통하여 접촉여과조(6)로 넘어간다. 접촉여과조(6)에서도 하부공간(19)을 줄이고 대신 여재가 충전되는 여재충전부(9)의 공간이 크도록 하여 여재가 충분하게 충전되도록 한다. 이는 여재 에 서식하는 미생물의 농도를 극대화하고 미생물과 하폐수의 접촉을 극대화함으로서 하폐수의 정화처리를 고도로 하기 위함이다. 즉, 간헐폭기조 2실(4b)까지 통과하고도 운영상의 미숙 등의 이유로 혹시나 정화처리되지 않은 부분이 있는 경우를 대비하거나 정화처리되었을 지라도 질소 및 인의 제거에 있어 그 처리효율을 극대화하기 위함이다. 충전되는 여재는 상기한 바와 같이 접촉폭기조에 충전되는 것과 같다.

상기 접촉여과조(6)를 거친 하폐수는 연결관(18)을 통하여 방류조(5)로 넘어가고, 방류조(5)에서는 반송순환되지 않는 한 유출구(16)를 통해 외부로 방출된다. 방류조에서는 유입된 하폐수를 최대한 적층하기 위하여 그 하부공간(19)이 충분히 구성된다. 하폐수의 유입량에 따라서는 더 많은 방류조가 설치될 수 있음은 물론이다.

한편, 접촉여과조 및 방류조의 하폐수 일부는 상기 무산소조(1b)로 반송펌프(17a)에 의해 반송되어 내부순환된다. 유입구를 통해 유입된 하폐수의 오염농도를 희석함으로서 이미 부영양화되고 산소가 완전고갈된 유입하폐수에 의한 호기미생물의 충격 및 사멸을 예방하기 위함은 물론 접촉여과조 및 방류조의 하폐수에 남아있는 미생물을 외부로 방류하지 않고 활용하기 위함이다. 또한, 혹시 있을 지 모를 탈질화 과정에서 탄소원이 부족할 경우를 대비하기 위함이다. 통상 세탁물, 목욕물, 세제 등이 하폐수 속에는 있기 마련인 바, 하폐수 속에는 탄소공급원이 풍부하게 있기 마련이나 이러한 공급원이 없는 특수한 하폐수인 경우를 대비하기 위함이다. 다만, 혐기반응이 일어나는 혐기반응조로 반송유입하게 되면 반송유입된 하폐수속에 용해된 산소때문에 혐기반응이 방해받으므로 무산소조로 유입한다. 마찬가지 이유로 접촉폭기조의 일부를 반송순환할 수 있다.

(5) 오니농축조

혐기조(1a), 무산소조(1b), 간헐폭기조 1실(4a), 간헐폭기조 2실(4b)에서 침적되는 오니는 오니이송펌프(17b)에 의해 곧바로 오니이송관(12)을 통해 오니농축조(3a)로 이송되어 저장된다. 오니농축조(3a)에 저장된 오니가 일정량을 넘으면 오니는 외부로 방출된다. 방출된 오니는 탈수 후 비료화 등의 과정을 거쳐 비료로 쓰이거나 여러가지 용도로 활용된다.

이하, 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다만 본 발명은 이하의 실험예에 의해 한정되어 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 사상하에서 당업자에 의해 통상적인 변화가 가능함은 물론이다.

실험예

1. 실험장치 및 운영방법

이하, 먼저 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실험된 장치 및 운영방법에 대해 대략적으로 설명한다. 도 6a 및 도 6b는 본 실험의 토양피복형 접촉산화장치와 그 환경을 외부에서 찍은 사진이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 토양피복형(土壤被覆型) 접촉산화법을 사 용하는 바, 상부는 잔디가 식재된 다공질 토양으로 덮었다. 또한, 설계사양에 비춰 실험실 규모(Lab. scale)로 토양피복형 접촉산화장치를 2개 제작하였다. 외부의 인위적인 요소를 최대한 적게 받게 하기 위하여 아파트의 옥상에 설치되어 실험을 진행하였고, 주위는 윗면이 투명한 비닐로 된 텐트(Tent)로 보호하였다. 또한, 측면은 조류가 번식하는 것을 방지하기 위하여 발포 스틸렌(EPS, Expandable Poly-Styrene)을 이용하여 둘러쌌다.

만들어진 2개 장치 모두 혐기반응조(Separator, 1), 제1폭기조 또는 접촉폭기조(Contact Aeration Tank, 2), 침전조(Clarifier, 3), 제2폭기조 또는 간헐폭기조(2nd Contact Aeration Tank, 4), 접촉여과조(Contact Filter, 6), 방류조(Discharge Tank, 5)로 구성되어 있다.

하나(대조(control) 장치)는 제2폭기조는 물론 각 조의 여재에 쇄석(Broken Stone)을 충전한 장치로서, 제1폭기조는 물론 제2폭기조에서도 실험기간(280일) 내내 계속적인 폭기를 하였다.

다른 하나는 본 발명에 의한 장치를 사용하였다. 다만, 제조된 하폐수가 침전조를 거치지 않도록 접촉폭기조로부터의 연결관을 침전조를 통과하도록 길게 하여 직접 간헐폭기조와 연결되도록 제작하였다. 또한, 간헐폭기조에 충전한 여재는 본 출원인이 선출원한 다공성 담체(Bio-Rock 또는 Eco-Rcok 이라고도 함)로 하였다. 따라서, 이하에서는 바이오락 장치 또는 에코락 장치 라고도 한다. 나머지 조에서의 여재는 쇄석으로 하였다.

또한, 간헐폭기조에서의 공기공급은 간헐적으로 이루어지도록 하였다. 1주 일마다 한 번씩 오니 시료를 채취하여 관찰한 후 오니함유 수분이 많을 경우 그 주는 폭기를 하였고, 수분함유량이 적을 경우 그 주는 초반 1일은 혐기반응조와 간헐폭기조에서 수분함유량이 많아질 때까지 오니를 빼 주었고 나머지 6일은 폭기하였다.

두 장치 모두에서 하루 하폐수의 유입량은 300리터(Liter)를 공급하였고, 반송수는 100리터를 공급하였다. 정화처리된 하폐수는 하루 300리터를 유출하였고, 100리터는 혐기반응조로 반송하였다. 다만, 실험초반 3시간은 장치에 하폐수가 가득 차 방류조에서 방류수가 나올 때까지 계속적으로 많은 양을 공급하였고, 그 뒤 12시간은 유입 및 방류하지 않고 반송만 하였다. 즉, 실험초반 2일째부터 본격적인 실험을 실시하게 되었다.

2. 하폐수의 인공조제 및 운전

일반적으로 단독가구나 농어촌 마을의 하수 및 오폐수 특성은 축산폐수가 유입되기 때문에 항목별 농도가 상당히 높다. 따라서 유입 하폐수 운전기간 동안 농도범위를 농어촌 하수 및 오폐수의 주요수질특성에 맞춰 인공합성 하폐수를 유사하게 조제하였다. 인공합성 하폐수는 글루코오스(Glucose), 우레아(Urea), 인산칼륨(KH₂PO₄)_, Trace Element Solution를 사용하여 조제하였다. 이하의 표는 운전기간 동안 유입 하폐수의 주요 수질 항목별 농도를 농어촌 수질특성과 비교하여 나타낸 것이다.

농어촌 수질특성과 유입 하폐수의 주요 수질 항목별 농도 비교표

항목 구분	CODcr(mg/L)	T-N(mg/L)	T-P(mg/L)	pH
농어촌 하수 및 오폐수	300	100	15	----
인공 합성 하폐수	300	30~60	5	7.0

상기한 바와 같이, 본 실험에서 반응기의 유입수는 하루에 300리터(Liter)로서, 유입량이 208ml/min 이었고, 반응조 내의 하폐수 및 토양층은 섭씨 4~30 도의 온도를 유지시켰다. 그리고 폭기조의 용존산소량(DO)은 2~8mg/L를 유지시켰다. Trace Element Solution 를 포함한 인공합성 하폐수의 미량원소 조성은 이하의 표와 같다.

인공합성 하폐수의 미량 원소 조성

MoO3	1.0 mg
ZnSO4·7H2 O	7.0 mg
CuSO4·5H2O	0.5 mg
H3BO3	1.0 mg
MnSO4·5H2O	1.0 mg
CoCl2·6H2O	1.0 mg
NiSO4·7H2O	1.0 mg
Deionized Water	1000 mℓ
(Trace Element Sol.)/(인공합성폐수)	2 ml/1L

3. 분석 및 결과 고찰

(1) 분석방법 및 분석기기

실험운전기간동안 주 1회 간격으로 시료를 채취하여 분석하였다. 시료분석은 두 개 장치 모두 포함하여 3개이며 처리장치의 시료채취점은 유입수와 유출수이다. (오니도 채취하였으나 채취 후 육안 및 손의 감각에 의해 수분함유량을 가늠하였으므로 여기에서는 제외한다.)

정기적으로 측정한 수질 항목은 COD_cr, BOD₅, T-N, T-P, pH 이다. 각 채취점의 시료들은 채취후 아이스 박스(Ice box)에 저장하여 실험실로 운반 후에 미국 공증보건협회의 표준법(Standard Methods)에 의거하여 수질분석을 하였다. 수질분석방법은 이하의 표에 나타내었다.

항목별 수질분석방법 및 사용기기

수질항목	분석방법	분석기기
pH	pH meter	pH/mv/TEMP Meter P25
CODcr	Closed Reflux, Titrimetric Method	Oven
BOD5	BOD meter	YSI model 5000
T-N	Standard Method	TU-1800pc UV/VIS Spectrophotometer
T-P	Standard Method	TU-1800pc UV/VIS Spectrophotometer

(2) 결과 고찰

실험에서 장치에 유입되는 인공합성폐수는 수질항목별 각 농도를 일정한 범위에서 유지하였다.

도 7a 및 도 7b는 각각 유입·유출수의 시간에 따른 COD 농도변화 및 COD 제거율을 나타낸 그래프이다.

도시된 바와 같이, 쇄석을 넣은 반응기와 바이오락(Bio-rock)를 충전한 반응기의 CODcr 제거율은 거의 비슷한 경향을 보임을 알 수 있다.

도 8a 및 도 8b는 각각 유입·유출수의 시간에 따른 BOD₅ 농도변화 및 BOD₅ 제거율을 나타낸 그래프이다.

도시된 바와 같이, 쇄석장치와 바이오락(Bio-rock) 장치에서 유입수와 방류수의 BOD₅ 농도 변화를 보면 CODcr의 변화와 마찬가지로 큰 차이가 없었음을 알 수 있다.

또한, COD와 BOD의 경우에 있어, 유기물 부하량이 점점 커져감에도 불구하고 그 제거율은 일정하거나 오히려 시간이 가면 갈수록 약간씩 좋아지는 경향을 보였다. 두 장치의 CODcr과 BOD₅의 제거율은 안정단계에서 평균 96%, 98%에 도달하였다. 하지만 유기물 부하량이 점점 커져감에도 제거율이 거의 일정하게 유지된다는 건 그만큼 장치 자체가 부하변동에 강한 반응기인 것에 기인한다고 사료된다.

결과적으로 쇄석 장치와 바이오락(Bio-rock) 장치는 모두 유기물 즉 CODcr과 BOD₅를 충분히 제거할 능력을 가지고 있으며, 두 개의 장치는 모두 평균 95%이상의 높은 제거율을 나타내며, 제거효과에서는 큰 차이를 보이지 않았다.

도 9a 및 도 9b는 각각 유입·유출수의 시간에 따른 T-N 농도변화 및 T-N 제거율을 나타낸 그래프이고, 도 10a 및 도 10b는 각각 유입·유출수의 시간에 따른 T-P 농도변화 및 T-P 제거율을 나타낸 그래프이다.

도시된 바와 같이, 쇄석 장치에서보다 바이오락 장치에서 훨씬 더 좋은 T-N, T-P 제거를 함을 알 수 있었고, 또한 T-N과 T-P의 유입농도가 점점 커져감에도 그 제거율은 서서히 상승하고 있음을 알 수 있다.

도 11은 유입·유출수의 시간에 따른 pH 농도변화를 나타내는 그래프이다.

도시된 바와 같이, 쇄석 장치의 유출수의 pH는 초기부터 실험의 끝까지 낮은 값(약산성)을 띠고 있고 중성(pH 7)으로 개선되어가는 점을 찾아볼 수 없고, 반면에 바이오락 장치의 유출수 pH는 초기에는 시멘트와 반응을 일으켜서인지 다소 높지만 시간이 지날수록 중성으로 안정화 되어가고 있음을 알 수 있었다.

즉, 바이오락(Bio-rock)의 제조시 성분영향으로 바이오락 반응기의 내부 pH는 초기에 상당히 높았으나 점차 중화되어 질산화 과정에서 생성되는 수소이온을 중화시키는데 기여를 하고 생물학적 질소 제거에 적절한 pH 조건을 마련했다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 접촉산화장치 및 접촉산화방법은 기본적으로 토양정화법을 기초로 토양의 미생물을 이용하여 부차적인 오염 등의 부작용이 거의 없고 냄새가 나지 않고 고도로 처리하는 고도정화처리방식을 사용하면서도, 부작용없이 대규모뿐만 아니라 중소규모에서도 저렴한 유지관리비용으로 높은 처리효율을 갖음과 동시에 주민들에게도 냄새가 나지 않고 깨끗한 이미지를 줄 수 있는 효과를 갖는다.

이에 나아가, 본 발명은 폭기조에서의 질소 및 인의 제거효율을 획기적으로 높임과 동시에 별도의 오니이송관과 오니농축조에 의해 오니를 농축하고 이를 외부로 방출시킴으로서, 오니의 반송에 의한 장치의 성능저하 및 운영관리비의 증가를 예방하고, 시간이 많이 소요되는 침전조를 생략할 수 있도록 하고, 제 2접촉폭기조를 간헐 폭기조로 대체함으로서 소요되는 산소의 양도 줄일 수 있는 하폐수 유입량 대비 질소 및 인 제거효율(질소 및 인 제거효율, 유입 하폐수량 대비 시간처리효율, 유입 하폐수량 대비 비용효율 등)을 극대화할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (4)

1. 유입구를 통하여 유입된 하폐수가 혐기성 반응에 참여하는 혐기반응조(1); 호기성 반응을 위해 외부의 공기주입장치(11)로 폭기시키는 제1폭기조(2); 호기반응의 효율을 높이기 위한 제2폭기조(4); 상기 혐기반응조(1)로 하폐수의 일부가 반송되도록 하는 내부순환관(14); 및 정화된 하폐수를 외부로 방출하는 방류조(5)를 포함하고, 상기 각 처리조를 식물이 식재된 토양(7)으로 매립하되 매립된 토양의 밑에 다수의 통기공이 형성된 모관망(8)과 상기 토양의 미생물이 서식할 수 있는 여재가 충전되는 여재충전부(9)가 설치되어 토양정화법을 이용하는 하폐수 정화장치에 있어서,

   상기 혐기반응조(1)는 유입된 하폐수를 최대한 적층하기 위하여 그 하부공간(19)이 충분히 구성되고, 유입된 하폐수 및 반송순환된 하폐수 중의 탈질화 과정 또는 인 과잉섭취 미생물의 침전으로 인해 침적된 오니를 흡수이송하여 제거하는 오니이송관(12)이 연결되어 있는 혐기조(1a)와 무산소조(1b)로 이루어지고,

   상기 제2폭기조(4)는 침적된 오니를 곧바로 제거할 수 있는 오니이송관(12)이 연결되고 간헐적으로 폭기되는 간헐폭기조로서 고도정화를 하고 하폐수와 여재와의 접촉을 2중으로 확실히 할 수 있도록 간헐폭기조 1실(4a)과 간헐폭기조 2실(4b)로 이루어지고,

   상기 오니이송관(12)에 의해 이송된 오니를 외부로 방출하는 오니농축조(3a)를 포함하는 것을 특징으로 하는 질소 및 인 제거효율이 극대화된 접촉산화장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 간헐폭기조 2실(4b)까지 통과하고도 정화처리되지 않은 부분이 있는 경우를 대비하거나 질소 및 인의 제거에 있어 그 처리효율을 극대화하기 위하여 상기 방류조(5)에 의해 방류하기 전에 그 공간이 큰 여재충전부(9)와 접촉하여 여과하고 그 일부는 상기 무산소조(1b)로 반송시키는 접촉여과조(6)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질소 및 인 제거효율이 극대화된 접촉산화장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 혐기조(1a)에 유입되는 하폐수를 유입하기 이전에 하폐수 중의 일정 크기 이상의 고형물을 제거하기 위한 스크린조(1c)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질소 및 인 제거효율이 극대화된 접촉산화장치.
4. 유입된 하폐수를 혐기반응조(1)에서 침전탈질시키는 단계; 상기 혐기반응조(1)에서 침전탈질된 하폐수에 호기성 반응을 위해 제1폭기조(1)에서 외부의 공기주입장치(11)로 제1폭기시키는 단계; 제2폭기조(4)에서 호기 반응의 효율을 높이기 위해 제2폭기시키는 단계; 내부순환관(14)을 통하여 상기 혐기반응조(1)로 하폐수의 일부가 반송되도록 하는 단계; 및 방류조(5)에서 정화된 하폐수를 외부로 방출하는 단계를 포함하고, 상기 각 처리조를 식물이 식재된 토양(7)으로 매 립하되 매립된 토양의 밑에 다수의 통기공이 형성된 모관망(8)과 상기 토양의 미생물이 서식할 수 있는 여재가 충전되는 여재충전부(9)가 설치되어 토양정화법을 이용하는 하폐수 정화방법에 있어서,

   상기 침전탈질단계는 유입된 하폐수 중의 침적된 오니를 연결된 오니이송관(12)으로 이송하여 혐기조(1a)와 무산소조(1b)로부터 바로 제거하는 오니이송과정을 포함하고,

   상기 제2폭기단계는 고도정화를 하고 하폐수와 여재와의 접촉을 2중으로 확실히 할 수 있도록 간헐폭기조 1실(4a)과 간헐폭기조 2실(4b)에서 간헐적인 폭기로 이루어지는 간헐폭기과정으로 이루어지되 유입된 하폐수 중의 침적된 오니를 연결된 오니이송관(12)으로 이송하여 제거하는 오니이송과정을 포함하고,

   상기 오니이송관(12)에 의해 이송되어 오니농축조(3a)에 농축된 오니를 외부로 방출하는 농축오니방출단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질소 및 인 제거효율이 극대화된 접촉산화방법.

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