KR100983829B1 - 메탄발효조를 이용하는 유기물의 부식화에 의한 폐수의처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기물질을 함유한 폐수를 투입조, 메탄발효조, 집수조, 계량조, 폭기조, 침전조, 분배조, 배양조 및 오니저류조로 경유시키면서 부식물로 변성시키고, 이를 다시 반복하여 폐수의 유입 지점으로 반송하는 방법으로 폐수를 처리하는 방법에 관한 것이다.

부식물, 토양화, 탈질, 소화액, 메탄발효조, 집수조, 계량조, 분배조, 폭기조, 침전조, 배양조, 오니저류조, 처리수조, 고액분리조

Description

메탄발효조를 이용하는 유기물의 부식화에 의한 폐수의 처리방법{A Wastewater Treatment Methods by Decay of Organic Materials Using Methane Bio-Reactor}

본 발명은 메탄발효조를 이용하는 유기물의 부식화에 의한 폐수의 처리방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 투입조, 메탄발효조, 집수조, 계량조, 폭기조, 침전조, 분배조, 배양조 및 오니저류조를 경유시켜 유기물을 부식화시키므로써 폐수를 처리하는 방법에 관한 것이다.

메탄발효는 유기물을 혐기성 세균인 메탄균으로 분해하여 메탄과 이산화탄소를 생성하는 현상이다. 일반적으로 메탄균은 산소가 존재하는 환경에서는 사멸하거나 불활성화한다. 따라서 공기 중의 유리산소를 차단하기 위하여 메탄발효조는 혐기성 상태를 유지해야 한다. 그런데 메탄발효에 의해 생성된 이산화탄소가 환원되어 메탄가스가 생성되는 과정에서 여분의 산소가 발생하게 된다(CO₂ + 2H₂O = CH₄ + 2O₂). 이와 같은 산소가 유리산소의 형태를 취할 경우에는 메탄균을 비롯한 편성 혐기성 세균군이 사멸되거나 불활성화되어, 메탄발효가 정지되고 만다. 따라서 메탄 발효가 계속 진행되기 위해서는 위에서 말한 여분의 산소를 유리산소의 형태를 경유하지 않고 소비해야 한다.

한편, 종래의 폐수 처리방법에 있어서는, 메탄발효조에서 생성되는 소화액(발효액)은 악취가 심하기 때문에 이를 액비로 사용하려 하여도 사용할 수가 없다.

또한, 메탄발효조에서 생성되는 소화액을 하수처리장에서 연계하여 처리하려고 하여도, 축산분뇨, 음식물쓰레기 등 C/N비가 높은 유기물 속의 탄소는 메탄가스로 환원되지만 질소는 제거되지 않고 그대로 남게 되어, 결과적으로 C/N비가 극도로 낮아져 하수처리장의 총 질소 규제치를 유지하는데에도 어려움이 있다.

또한, 메탄가스로의 환원 일변도의 화학반응에서는 열량을 흡수함으로 인해, 지속적으로 혐기성 발효조인 메탄발효조의 액온이 낮아지므로 메탄발효조를 지속적으로 가열하여야 한다. 결국, 메탄가스라는 바이오에너지를 얻는 대신 발효조를 가열하는데에 에너지가 상당량 소요된다.

종래의 폐수 처리방법에서의 메탄발효조는 특별한 경우를 제외하고는 콘크리트 구조물 등 인위적 환경으로 구성되어 있어 부식물질이나 규산염이 존재하지 않는다. 또한, 폐수 속에 함유되어 있는 유기물을 먹이로 하는 미생물이 콘크리트 구조물 속에서 자연 발생하고, 이들 자연 발생한 미생물군이 폐수를 정화하도록 하기 때문에 부식물이 존재하지 않는 환경이 되어서 자연 중에서 발생하는 유기물의 부식화 반응과는 괴리된 활동을 하게 된다. 그 결과, 메탄발효조에서는 토양화 반응(부식화 반응)이 일어나지 않아, 부식화 과정에서 생성되는 미생물 대사산물인 킬레이트 화합물, 성장촉진물질, 항생물질, 생물활성물질 등이 생성되지 않게 된다.

그 결과, 외적에 대한 항균기능, 성장촉진기능, 킬레이트 화합물에 의한 탈취기능이 미약하므로, 메탄발효조에서 생성된 소화액에서는 악취가 심하게 나고, 또한, 편성 혐기성 미생물과 공생하는 호기성 미생물 및 통성 혐기성 미생물의 서식밀도가 낮아 분자 내 산소를 호흡하는 비율이 낮기 때문에 메탄가스 발생효율이 떨어질 뿐만 아니라, 특히, 니트로소모나스(NITROSOMONAS), 니트로박터(NITROBACTER) 등의 질산화균의 서식밀도가 극도로 낮아 질산화 반응이 전혀 일어나지 않으므로, 질소제거 효율이 낮아, 소화액 중의 질소함량이 낮아지지 않게 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 폐수의 처리방법에서의 문제점들을 효과적으로 해소하고자 개발된 것으로서,

본 발명의 목적은 메탄가스 발생효율을 높이고, 혐기성 소화조인 메탄발효조의 가열을 위한 에너지 소비량을 줄이고, C/N비를 현저히 향상시키고, 혐기성 소화액의 악취를 줄일 수 있는 유기물의 부식화에 의한 폐수의 처리방법을 제공함에 있다.

본 발명의 상기 목적은 유기물질을 함유한 폐수를 투입조, 메탄발효조, 발효여액 집수조, 계량조, 폭기조, 침전조, 분배조, 배양조 및 오니저류조로 경유시키면서 부식물로 변성시키고, 이를 다시 반복하여 폐수의 유입지점으로 반송하고, 최종 처리수는 처리수조로부터 방류하거나 액비로 사용하는 폐수의 처리방법에 의하여 달성된다.

본 발명은 유기물질을 함유한 원수(폐수)를 투입조, 메탄발효조, 발효여액 집수조, 계량조, 폭기조, 침전조, 분배조, 배양조, 오니저류조 및 처리수조를 경유시켜 처리하는 폐수처리방법으로서,

상기 투입조에는 교반기를 설치하여, 유입되는 원수와 배양조로부터 반송되는 부식화 반응이 완료된 부식물질 및 활성규산염을 교반하여 부식화 반응을 활성화시키고;

상기 투입조로부터 부식화 반응을 겪은 원수를 메탄발효조로 유입시켜, 메탄균에 의한 발효를 진행시키고;

상기 메탄발효조로부터 발효가 완료된 소화액(발효여액)을 발효여액 집수조로 유입시키고, 발효여액 집수조로부터 계량조로 유입시킨 상태에서, 소화액의 일정량은 폭기조로 유입시키고, 나머지량은 발효여액 집수조로 되돌려 보냄으로써 상기 폭기조로의 소화액의 유입을 일정하게 유지시키고;

상기 폭기조에서는 상기 계량조로부터 유입되는 소화액을, 분배조로부터 유입되는 오니와 혼합하여, 소화액 중의 유기물을 호기상태에서 분해시키고;

상기 폭기조로부터의 처리물을 침전조로 유입시켜, 침전조에서 고액분리한 후, 침전 오니는 분배조로 이송시키고, 상등수는 처리수조로 이송시켜 방류하거나 액비로 사용하고;

상기 분배조로 유입된 침전 오니의 일부는 발효여액 집수조 및 폭기조로 반송시키고, 침전 오니의 나머지는 오니저류조 및 배양조로 이송시키고;

상기 배양조로 유입된 침전 오니는 배양조내에 충전된 부식토를 펠릿화한 부식물질과 활성규산염의 존재하에 배양하고;

상기 오니저류조로 유입된 침전 오니는 탈수처리하여, 슬러지는 배출하고, 탈수여액의 일정량은 발효여액 집수조로 반송시키고, 탈수여액의 나머지량은 액비로 사용하는 것을 특징으로 하는 유기물의 부식화에 의한 폐수의 처리방법을 제공한다.

본 발명의 폐수의 처리방법은 종래의 폐수의 처리방법에 비하여 1) 메탄발효조로부터의 혐기성 소화액의 악취가 적고, 2) 메탄가스의 발생율이 높아지며, 3) 메탄 발효조의 가열에 따른 에너지의 소비를 줄일 수 있고, 4) 질산화균의 서식밀도 및 증식속도를 높여 탈질을 촉진하기 때문에 C/N비를 현저히 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 폐수 처리방법에 대하여, 도 1의 처리 계통도를 참조하여 상세히 살펴보기로 한다.

본 발명의 폐수 처리방법에서는 원수(폐수)가 투입조에 새로이 유입되면, 상기 원수는 투입조 내에 설치된 교반기로 교반된다. 또한, 상기 투입조의 폐수 유입 지점에는 배양조로부터의 부식화 반응이 완료된 부식물질 및 활성규산염이 풍부한 배양액이 유입된다. 따라서, 단지 원수만이 투입조에 투입되는 종래의 폐수 처리방법과는 달리, 본 발명의 폐수 처리방법에서는 투입조내의 부식물질 및 활성규산염의 존재에 의해, 원수 속에 서식하고 있는 통성 혐기성 미생물과 호기성 미생물의 작용에 의한 대사산물들이 생성된다. 이들 미생물들과 그들의 대사산물 및 유기물질들이 메탄발효조에 유입되면, 먼저 유기성 발효가 시작되어 CO₂가 발생한다. 이들 CO₂는 메탄균에 의해 다시 메탄으로 변환되는데, 이때 발생되는 산소가 유리산소가 되어 메탄균이 사멸하기 전에, 분자 내 산소를 편성 혐기성 미생물과 공생하고 있는 통성 혐기성 미생물과 호기성 미생물이 호흡하여 유기물 속의 탄소원을 에너지로 CO₂를 다시 발생시키고, 이들 CO₂는 메탄균에 의해 다시 메탄으로 변환되는 것이 다.

또한, 상기의 CO₂ 발생과정에서 에너지가 생성되어, 혐기성 미생물의 환원 반응에 의한 에너지 흡수를 상쇄해주기 때문에, 메탄발효조의 온도를 상승시켜주기 위하여 필요한 가열 에너지를 절감할 수 있고, 유기산 발효에 의한 CO₂ 발생과 호기성 미생물의 산화작용에 의한 CO₂ 발생이 동시에 일어나므로 메탄 발생 효율도 높아진다.

또한, 상기 배양조에서 투입조로 반송되는 배양액 속의 니트로소모나스(NITROSOMONAS), 니트로박터(NITROBACTER) 등 질산화균의 서식밀도가 높으면, 암모니아 내 질소를 분자 내 산소를 이용하여 질산으로 산화시킬 수 있으며, 무산소 상태에서 폐수 속의 탄소원을 에너지로 하여 탈질시키기도 하여 질소를 제거하게 된다.

상기 메탄 발효조에서 발효하고 난 소화액은 발효여액 집수조로 유입되는데, 상기 발효여액 집수조로 유입되는 소화액의 양이 일정하지 않아서 발효여액 집수조의 수위는 항상 변하지만, 발효여액 집수조로부터 폭기조로의 유입은 폭기조 전단에 설치된 계량조에 의하여 항상 일정하게 유지된다.

즉, 본 발명의 폐수처리방법에서는, 폐수의 안정적인 처리를 위하여 상기 발효여액 집수조에서 소화액을 펌핑(Pumping up)하여 계량조로 유입시킨 상태에서 일정량을 폭기조로 유입시키고, 나머지량은 발효여액 집수조로 되돌려 보내는 과정을 취함으로써. 상기 폭기조로의 소화액 유입을 24시간 항상 일정하도록 만든다.

상기 폭기조의 전단에서는, 상기 계량조로부터의 소화액 및 분배조로부터의 침전 오니가 유입되어, 소화액 중의 유기물이 호기성 상태에서 분해된다.

상기 폭기조의 MLSS를 높게하여 운전하면 오니 일령이 길게 되므로, 질산화균을 유점토록하여 증식 속도가 느린 질산화균의 증식 밀도가 높아질 뿐만 아니라 반송 오니 속에 서식하고 있는 질산화균이 폭기조로 공급되므로, 질산화균의 서식 밀도가 폭기조에서 자연 발생적으로 증식하는 것보다 높아지게 된다. 또한, 반송되어 유입되는 오니 속에 함유된 생장촉진 물질, 생물활성 물질의 영향으로 미생물들의 활성이 높아지기 때문에 질산화균의 증식 속도도 빨라져서, 상기 질산화균에 의한 암모니아성 질소의 질산성 질소로의 산화가 촉진된다.

또한, 상기 반송되어 유입되는 오니 속에 함유된 킬레이트성 유기물질은 원수 속에 함유되어 있는 이온성 무기물질과 킬레이트 효과에 의해서 착화합물이나 내착화합물을 형성함으로써 이들을 액상에서 제거한다. 동시에 악취의 구성 분자가 물에 녹아 수화되어 이온으로 존재하고 있기 때문에, 악취의 구성분자인 NH₄ ⁺ 등의 이온을 착화합물이나, 내착화합물의 구성분자로 포집함으로써 악취가 사라지게 된다.

또한, 호기성 미생물과 통성 혐기성 미생물이 투입조에 처음으로 유입되는 원수 속에 존재하는 BOD, COD를 탄소원으로 하여, 상기 분배조로부터 폭기조 유입 지점으로 반송되는 침전 오니 속에 함유된 NO_X의 분자내 산소를 호흡함으로써 탈질이 진전되고, 동시에 BOD와 COD도 낮아진다.

상기 폭기조는 분배조로부터 반송장치(펌프)를 사용하여 침전 오니의 일부를 반송시키므로 폭기조 중앙은 항상 교반상태로 유지하고, 계량조로부터 상기 폭기조에 유입되는 소화액과 혼합, 교반을 활발하게 하여서 탈질을 촉진한다.

상기 폭기조로부터의 처리물은 침전조로 유입되는데, 침전조에서는, 예를 들어 한외여과막 등을 이용하여 고액분리가 수행된다. 상기 침전조는 바로 전단계인 폭기조가 고MLSS상태에서 운전되기 때문에, 오니가 케리오버(Carry Over)되지 않는 정도의 용량이 바람직하다.

상기 침전조는 고액 분리조의 기능을 할 뿐만 아니라 분배조로 침전 오니를 연속적으로 이송하고 있어서, 항상 교반상태를 유지하고 있고, DO도 낮기 때문에, 탈질조의 기능을 아울러 하게 된다. 또한, 상기 침전조는 T-N이 제거되면서 BOD와 COD도 낮추는 반응조의 기능도 한다. 침전조로부터 분배조로의 침전 오니의 이송은, 물질적인 힘이 강하게 작용하는 펌프는 피하고, 가능한 물리적인 힘이 약하게 작용하는 에어리프트(Air Lift)를 장착하여 수행하는 것이 바람직하다. 분배조로부터 발효여액 집수조와 배양조 및 오니저류조로 일정량의 침전 오니를 분배하여 항상 일정하게 유입시키도록 브이노치(V-knoch)로 분배량을 조절하고, 나머지량의 침전 오니는 폭기조로 드레인(Drain)한다.

상기 분배조로부터 배양조로 유입된 침전오니는 부식토를 펠릿화한 부식물질과 활성 규산염분이 충전된 배양조내에서 배양되는데, 상기 배양조에는 충전된 부식토펠릿(부식물질)과 활성규산염이 부식토펠릿:활성규산염 = 1:2의 중량비율로 충전되는 것이 바람직하고, 1년마다 부식토펠릿과, 활성규산염의 50%를 보충하도록 설계하는 것이 바람직하다.

상기와 같이, 투입조, 메탄발효조, 발효여액 집수조, 계량조, 폭기조, 침전조, 분배조 및 배양조를 경과하는 과정에서 폐수 속의 유기물질은 CO₂, N₂ 등으로 기화하고, 남은 유기물질은 부식물로 변하게 되는데, 이러한 부식물을 폐수의 유입 지점인 투입조로 반송하여 폐수와 혼합, 교반함으로써, 폐수 속의 유기물의 부식화가 더욱 효과적으로 달성된다.

오니저류조로 유입된 오니는 탈수처리하여, 이중 슬러지는 외부로 배출하고, 탈수여액은 발효여액 집수조로 반송시키거나, 액비로 사용한다.

상기 침전조로부터 처리수조로 유입되는 상등수는 방류하거나, 액비로 사용한다.

도 1은 본 발명의 폐수 처리방법의 계통도이다.

Claims (2)

1. 유기물질을 함유한 폐수를 투입조, 메탄발효조, 발효여액 집수조, 계량조, 폭기조, 침전조, 분배조, 배양조, 오니저류조 및 처리수조를 경유시켜 처리하는 폐수처리방법으로서,

   상기 투입조에는 교반기를 설치하여, 유입되는 원수와 배양조로부터 반송되는 부식화 반응이 완료된 부식물질 및 활성규산염을 교반하여 부식화 반응을 활성화시키고;

   상기 투입조로부터 부식화 반응을 겪은 원수를 메탄발효조로 유입시켜, 메탄균에 의한 발효를 진행시키고;

   상기 메탄발효조로부터 발효가 완료된 소화액을 발효여액 집수조로 유입시키고, 발효여액 집수조로부터 계량조로 유입시킨 상태에서, 소화액의 일정량은 폭기조로 유입시키고, 나머지량은 발효여액 집수조로 되돌려 보냄으로써 상기 폭기조로의 소화액의 유입을 일정하게 유지시키고;

   상기 폭기조에서는 상기 계량조로부터 유입되는 소화액을, 분배조로부터 유입되는 오니와 혼합하여, 소화액 중의 유기물을 호기상태에서 분해시키고;

   상기 폭기조로부터의 처리물을 침전조로 유입시켜, 침전조에서 고액분리한 후, 침전 오니는 분배조로 이송시키고, 상등수는 처리수조로 이송시켜 방류하거나 액비로 사용하고;

   상기 분배조로 유입된 침전 오니의 일부는 발효여액 집수조 및 폭기조로 반 송시키고, 침전 오니의 나머지는 오니저류조 및 배양조로 이송시키고;

   상기 배양조로 유입된 침전 오니는 배양조내에 충전된 부식토를 펠릿화한 부식물질과 활성규산염의 존재하에 배양하고;

   상기 오니저류조로 유입된 침전 오니는 탈수처리하여, 슬러지는 배출하고, 탈수여액의 일정량은 발효여액 집수조로 반송시키고, 탈수여액의 나머지량은 액비로 사용하는 것을 특징으로 하는 유기물의 부식화에 의한 폐수의 처리방법.
2. 상기 제1항에 있어서, 상기 배양조 내에는 펠릿화된 부식토로 이루어진 부식물질과 활성규산염이 부식물질:활성규산염 = 1:2의 중량비로 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 폐수 처리방법.

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