KR19980701753A - 폐수의 호기적 처리를 위한 공정 - Google Patents

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KR19980701753A
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후베르투스 알폰수스 하베츠 레오나르드
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요한 헨리 요제프 파퀘스
파퀘스 비.브이.
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Abstract

본 공정은 USAB 유형의 반응기에서 이루어지는 유출액의 호기적 처리에 대한 것으로, 처리될 유출액은 반응기의 하부로 공급되며, 동시에 조건적이며 호기적인 생물체량의 성장을 증진시키도록 소정량의 산소도 공급된다. 유출액의 호기적 처리를 위한 장치도 개시되어 있는데, 상기 장치는 액체 공급용 분포기들과 통기 수단은 반응기의 하부에 배치되며 수집 가스와 생물체량의 완전 침전용 수단은 반응기의 상부에 배치된 UASB 반응기로 구성된다. 또한, 상기 장치는 혐기적/호기적 방법이 결합된 반응기이다.

Description

폐수의 호기적 처리를 위한 공정
배경 : 공정
폐수의 생물학적 처리는 기본적으로 두가지 방법, 즉 산소를 사용하는 미생물들을 사용한 호기적(aerobically) 방법과 산소 없이 성장하는 미생물들에 의한 혐기적(anaerobically) 방법으로 이루어질 수 있다. 양 방법들 모두 폐수 처리 분야에 사용되어져 왔는데, 상기 첫 번째 방법은 주로 오염 정도가 낮으면서 물이 저온인 경우 마무리 처리로서 사용되며, 상기 두 번째 방법은 유기 오염 정도가 보다 심하면서 물이 고온인 경우 전처리로서 사용하기에 유리하다. 양 방법들은 충분히 공지되어 있다.
오늘날에는 종종 혐기성 반응기들이 호기성 반응기들과 일렬로 배치되는데, 예를 들면:
1. 생물학적 산소 요구량(BOD)/화학적 산소 요구량(COD)의 광범위한 제거를 위한 조밀한 혐기적 전처리 후의 호기적 후처리(마무리);
2. 질소의 광범위한 제거를 위한 질소화 작용 후의 탈질소 작용;
3. 황의 제거를 위한 황산염 환원 후의 황 원소로의 황화물 산화.
상기와 같은 제거의 범위를 증대시키기 위하여 호기적 및 혐기적 반응들이 동일 반응기에서 동시에 이루어짐이 보고되어 있는데, 예를 들면 질소화 작용/탈질소 작용 반응들과, 황화물 산화의 영향으로 인한 탈질소 작용이 있다.
또한, 혐기적 공정들에 의해 호기적 시스템들에서는 큰 부담이 되고 있는 슬러지의 성장이 저조해진다. 집적된(응집된) 생물체량(biomass)을 내포한 반응기에 사용된 비교적 저압의 산소는 면상(綿狀) 침전물의 외층에 존재하는 호기성 세균의 도움으로 산소-결합 물질들의 급속한 전환을 유도할 수 있다. 상기와 같은 작용을 위해 상기 세균들은 그들의 세포 외면에 다당류 형태의 예비 영양분을 저장하는 것이 바람직하다.
결과적으로 혐기적 공정에서는, 산소 결핍으로 인해 세균들이 상기 예비 영양분을 사용할 기회가 없으며, 이에 따라 상기 예비 영양분은 산소 침투 불가능 지역인 면상 침전물 내부에서 혐기적 광물화 공정들용 기질로서 소용된다. 또한, 다당류의 형성과 분해가 동시에 이루어짐에 따라 다당류는 응집성 세균 배양용 점착물로서 소용된다. 원생동물(protozoa)도 총 슬러지 수율(收率)이 낮은 세균 소비성 약탈자로서의 역할을 담당할 수 있다.
상기 관계에 있어서, '호기적 미생물'이란 용어는 완전 호기적 반응을 이유로 필요한 것보다 적은 산소가 시스템에 공급됨을 지칭하는데 사용된다. 이와 같이 세균성 집단은 발달되어 산소가 매우 저압인 경우에도 증식될 수 있다. 상기와 같은 호기적 반응에 있어서의 단점은 황화수소(H2S), 암모니아(NH3), 또는 휘발성 유기산과 같은 악취 물질들이 생성될수 있다는 것이다. 상기 물질들은 기포들에 의해 제거되어 외부 공기로 보내진다. 따라서, 필요한 경우 상기 외부 공기를 처리를 위해 수집할 필요도 있다.
또한, 충분한 양의 세균 접종 재료 잔류량이 반응기에 보존되어야 하며, 형성된 면상 침전물은 혐기성 광물화 공정들이 이루어지기 전에는 분출되지 않아야 한다.
근래의 연구 결과는 호기성 세균이 산소에 대해 높은 허용 오차를 구비할 수 있음을 보여주고 있다(예를 들면, 엠.티.카토(M.T.Kato)의 저서(Biotech. Bioeng 42:1360-1366(1993)). 또한, 종종 혐기적 공정에도 산소를 추가시키는 것이 유리할 수도 있는데, 예를 들면 EP-A 143 149에 개시된 바와 같은 발효 탱크들에서의 황산염 감소 억제 공정이 있다. 상기 황산염 감소 억제 공정에 있어서, 슬러지에 존재하는 유기 고체 폐기물은 주 구성요소로서의 메탄과 3％이하의, 특히 0.1-1.5％의 소량의 산소를 내포한 가스의 발생에 의하여 전환된다.
배경 : 반응기
폐수 처리를 위한 반응기에 생물체량을 보존하는 것은 상기 반응기의 성능에 상당히 중요하다. 종래의 호기적 처리에 있어서, 이것은 보통 침전에 의하여, 반응기의 외부에서 분리된 슬러지(생물체량)를 생물학적 반응들이 이루어지는 통기 탱크에 계속 복귀시키는 방법으로 달성된다. 통기 탱크의 슬러지 농도가 3-6 g/l인 상기 공정을 활성화된 슬러지 공정이라 한다. 동일한 원리가 초기의 혐기적 처리 시스템들에도 적용되었지만, 슬러지는 혐기성 반응기 챔버로 재순환되기 전에 층상 구조의 분리기의 도움으로 분리되는 것이 보통이다. 상기 공정은 접촉법으로 공지되어 있다.
혐기성 접촉 공정의 개선점은, 예를 들면 반응 챔버와 침전 챔버를 일체형으로 형성하거나 운반자의 고정화에 의해 생물체량의 분출을 방해하는, 상이한 방법들로 슬러지가 보존되는 시스템의 사용에 관한 것이다. 축적을 위해 슬러지의 체류 시간은 각종 미생물들의 분열 시간보다 상당히 길어야 한다. 이것은 특히 혐기적 공정에 중요한데, 그 이유는 미생물들의 성장률이 매우 느리기 때문이다. 1970년대에 USAB 반응기로서 전세계적으로 공지된 상승류 혐기성 슬러지 블랭킷(Upflow Anaerobic Sludge Blanket)은 혐기적 처리에 대한 중요한 발전이었다. 현재에도 혐기적 처리들의 대부분은 상기 유형의 반응기에서 수행된다.
UASB 반응기의 특징은 처리될 유출액이 탱크에 공급되어 하부에 분포된 다음, 이곳으로부터 생물체량 층을 통과하여 윗방향으로 느리게 유동한다는 것이다. 생물체량과의 접촉 동안, 주로 메탄(CH4), 이산화탄소(CO2) 및 황화수소(H2S)로 구성된 가스 혼합물이 생성되는데, 상기 가스 혼합물은 생물 가스로 공지되어 있다. 상기 생물 가스 기포들은 상승하여 소정의 혼합 정도를 제공한다. 가스 수집 후드들이 물 표면 아래 적절하게 배치되어 있기 때문에 가스 기포들은 물 표면에 도달하지 않으며, 이에 따라 고요한 지대가 상부에 생성되며 소용돌이치던 슬러지 입자들도 다시 생물체량 층(슬러지 블랭킷)에 침전될 수 있다. UASB 반응기의 슬러지 농도는 40 내지 120 g/l이며, 보통 80 내지 90 g/l이다. UASB 반응기는 많은 특허들에, 특히 EP-A 193 999 와 EP-A 244 029에 개시되어 있다. UASB 반응기가 가장 인기있는 혐기적 시스템이 된 이유중 하나는 적절한 공정 제어를 한다는 것으로, 생물체량은 침전이 잘되는 수mm 크기의 구형 입자 형태로 성장될 수 있다.
그동안, 예를 들면 유출액을 재순환시킴으로써, 일체형 펌프로서 생물 가스를 사용함으로써, 또는 단순히 보다 좁고 높아진 칼럼을 형성함으로써 유속이 보다 빨라진 UASB의 원리에 기초한 변형예와 확장예가 제안되어 왔다. 그러나, 기본 원리는 UASB의 원리와 동일하다.
본 발명은 처리될 유출액이 반응기의 하부로 공급되는 공기주입식 반응기 내에서 이루어지는 폐수의 호기적(好氣的) 처리를 위한 장치 및 공정에 관한 것이다.
도 1은 유압 하중(Vwater)과 통기율(Vgas)Vwater사이 관계의 측정치를 도시한 것으로, 도시된 Vgas는 m/h=m3/m2.h.이며, 그늘진 면적은 슬러지가 분출되는 영역이다.
도 2는 호기적 처리 분리용 장치를 도시한 도면으로, 반응기(1)는 UASB 반응기이다. 임의로 혐기적 전처리를 거친 폐수는 사실상 수직 플러그 흐름이 생성되는 방법으로 공급기(2)와 분포기(3)를 통해 반응기의 하부로 공급된다. 처리된 물은 배수관(4)을 통해 반응기 상부와 배수 라인(5)에 배수된다. 공기 또는 산소는 압축기에 끼워맞춤된 라인(6)을 통해 공급되며 분포기(7)를 통해 물에 분산된다. 반응기 상부의 가스 후드(8)들은 잔류 가스를 수집하며, 호기적 슬러지를 침전시키기 위하여 후드들 위에는 충분한 공간이 형성되어 있다. 가스 후드들에는 잔류 가스용 배기 라인(도시하지 않음)들이 제공된다.
도 3은 혐기적 및 호기적 처리 결합용 장치를 도시한 도면이다. 도 3에는 도시되지 않은 구성 요소들로 인해, 반응기(10)는 도 2의 반응기와 비교 가능하다. 혐기적 가스(주로 메탄)의 제거용 가스 후드(9)들은 반응기(10)의 중간 영역에 배치된다. 공기 분포기(7)들은 상기 후드들 위에 배치된다.
본 발명은 전술한 바와 같은 UASB 반응기의 호기적 폐수 처리의 사용에 관한 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 공정은 조건적이며 호기적인 생물체량의 성장을 증진시키도록 특정양의 산소가 하부로 공급되는 UASB 반응기에 의한 사용을 특징으로 한다. 이것은 UASB 반응기에 바람직하게 미세한 기포들을 수반한 통기 설비가 장착되어 있음을 암시한다. 상기 유형의 반응기는 독립적인 유닛으로서 사용될 수 있으며 또는 혐기적 전처리와 결합하여 사용될 수 있다. 특정 경우 반응기는, 예를 들면 심하게 요동하는 다량의 폐수에 의한 주기적인 작동으로, 교대로 혐기적으로 및 호기적으로 작동될 수 있다. 원칙적으로 상기 공정은, 예를 들면 COD/BOD 제거와, 질소화 작용과, 탈질소화 작용 그리고 황화물 산화와 같은 다수의 공정들에 사용될 수 있다.
상승류의 원리 및 완전 침전의 결과로써, 활성화된 슬러지 공정에서보다 많으면서 혐기적으로 작동하는 UASB 반응기에서보단 적은 양의 생물체량을 축적할 수 있다. 반응기 하부의 생물체량의 농도는 0.5-75g/l, 특히 5-50 또는 10-50g/l이 바람직하다. 상기 공정이 호기적 처리 후의 혐기적 처리순으로 사용될 때 생물체량의 농도는, 예를 들면 0.5-10 g/l으로 보다 낮아질 수도 있다.
상기와 같은 우수한 슬러지 보존은 반응기의 유압 하중과 통기율에 좌우된다. 낮은 통기율은 높은 유압 하중과 어울리며 높은 통기율은 낮은 유압 하중과 어울린다. 예를 들면, 폐수의 하중이 40m3/m2h인 경우에 통기율은 0.9m3/m2h인 것이 바람직한 반면, 폐수의 하중이 1.2m3/m2h 이하인 경우 슬리지 보존을 위한 통기율은사실상 제한이 없다. 반대로, 통기율이 4.0m3/m2h인 경우 폐수 하중은 1.3m3/m2h 이하가 바람직한 반면, 통기율이 0.8m3/m2h 이하인 경우 슬러지 보존을 위한 폐수 하중은 사실상 제한이 없다. 도 1의 플롯에 상기 관계가 도시되어 있다. 반응기의 치수들과 사용된 슬러지에 따라, 도면에 도시된 사항들은 전술한 바와 달라질 수도 있지만, 동일한 경향이 유지된다.
따라서, 상기 공정은 폐수의 희석 및 농축에 사용될 수 있다. 반응기의 하부에 고밀도의 생물체량이 사용되기 때문에, 산소가 어느곳으로나 침투할 수 있는 것은 아니며, 이에 따라 혐기적 슬러지의 광물화가 이루어질 수 있다. 그 결과로써, 사용된 공기의 누출분에 약간의 메탄이 내포될 수 있지만, 10부피%를 넘지는 않는다. 더욱이, 공기 또는 산소 기포들의 체류 시간이 비교적 짧기 때문에, 모든 산소가 물에 용해될 수는 없음으로 공기의 누출분에는 적어도 2부피%의, 특히 3부피% 내지 15부피% 이하의 잔류 산소가 내포된다. 나머지 잔류 가스는 주로 이산화탄소와 질소로 구성되며 메탄이 내포될 수도 있다.
폐수의 호기적 처리를 위한 본 발명에 따른 장치는, 반응기의 하부에는 물 공급 분포 관련 수단이 그리고 반응기의 상부에는 수집 가스와 생물체량의 완전 침전(이른바 3상 분리)용 수단을 구비한 UASB 반응기로 구성된다. 상기 유형의 반응기에서의 완전 분리 단계는 위에서 볼 때 반응기의 전체 단면적에 걸쳐 형성되어 있는 가스 후드들에 의해 액체 표면 바로 아래에서 이루어지는 가스 수집 단계를 포함한다. 종래의 UASB 반응기와는 대조적인 본 발명에 따른 장치에 있어서, 통기 수단은 반응기의 하부에 배치되는데, 공급 물 분포기들의 위나 아래에, 또는 동일 높이에 배치된다. 반응기의 높이는 4m로부터 14m, 특히 4.5m 내지 10m 사이에서 정해질 수 있다. 본 명세서에서 반응기의 상부는 반응기의 상측 부분, 즉 반응기 액체의 최고 높이(완전 유효 높이)와 이것의 0.75배의 높이 사이를 의미한다. 유사하게, 반응기의 하부는 반응기의 하측 부분, 즉 액체의 최저 높이와 이것의 0.25배의 높이 사이를 의미한다.
혐기적 및 호기적 처리가 결합된 경우, 호기적 반응기는 혐기적 반응기의 옆애 배치되는 것이 보통이며, 혐기적 및 호기적 반응기들은 분리될 수 있다. 이 경우, 혐기적 반응기로부터 유통된 공기는 호기적 반응기를 위한 통기 수단으로 소용될 수 있다.
또한, 혐기적 및 호기적 반응기들은 하나의 반응기 탱크에 수직 일체형으로 설치될 수 있다. 이와 같이 수직 일체형으로 설치된 반응기 탱크에서, 통기 수단은 혐기적 반응을 위해 가스 수집 수단 위에 배치된다. 폐수의 혐기적 및 호기적 처리가 결합된 상기 유형의 장치는, 액체를 공급하기 위한 분포기들은 반응기의 하부에 배치되어 있으며 가스 수집 수단은 중간 영역에 배치되어 있으며 그리고 통기 수단은 가스 수집 수단 위에 배치되어 있으며, 그리고 반응기의 상부에는 수집 가스와 생물체량의 완전 침전용 수단이 배치되어 있는 UASB 반응기로 구성된다. 혐기적 영역에 필요한 가스 후드들과 통기 수단은 정확히 반응기의 중간 높이에 배치될 필요는 없다. 따라서, 중간 영역은 반응기 유효 높이의 0.25 배 높이와 0.75배 높이 사이를 의미한다. 처리될 폐수의 종류에 따라, 상기 구성 요소들의 위치는 보다 낮아지거나 높아질 수 있다. 이 경우 반응기의 전체 높이는 6 내지 25m 사이에서 정해지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 장치의 특정 실시예에 있어서, 통기 수단은 반응기 높이의 일부에 걸쳐 수직으로 이동가능하다. 이것은, 예를 들면 통기 수단이 상측에 배열되어 있으며 임의로 가스 후드들이 하측에 배열되어 있는 골조에 의하여 수행될 수 있으며, 상기 골조는 반응기 높이에 대해 기계적으로 상승 및 하강될 수 있다. 상기 실시예는 반응기의 구조를 특정 폐수에 적합하게 하여 소망하는 바와 같이 정화시킨다.
결합된 혐기적/호기적 처리에 의한 공정의 경우에, 물 공급률은 슬러지 균형이 최적이되도록, 즉 혐기적 슬러지는 반응기의 하부 절반부에 그리고 호기적 슬러지는 상부 절반부에 보존되도록 조절될 수 있다. 광범위한 슬러지 생성이 호기적 영역에서 이루어진다면, 과잉 슬러지는 물 공급률을 낮춤으로써 혐기적 상(phase)으로 침전될 수 있으며, 이에 따라 다량의 호기적 생물체량은 다시 일정량을 유지하게 된다. 이와 같이, 과잉 호기적 슬러지는 시간이 지남에 따라 무거워질 수 있으며 자체적으로 혐기적 상으로 침전된다.
전술한 폐수의 수직 일체형으로 설치된 혐기적 및 호기적 처리를 위한 장치의 변형예는, 반응기 상부에 수집 가스와 생물체량의 완전 침전용 수단 대신에, 호기적 세균들을 지지하기 위한 패킹 재료를 포함한다. 패킹 재료는 필터들 또는 호기적 세균들의 고정화용의 다른 수단을 포함할 수도 있다. 상기 실시예에 있어서, 호기적 상으로부터 유출된 가스는 반응기 위에 수집될 수 있으며 또는 간단하게 대기로 배기될 수 있다. 하측의 혐기적 영역 위에서 이루어지는 효과적인 3상 분리에 의해 혐기적 가스는 호기적 공정을 방해하지 않게 된다. 통기 수단과, 특히 혐기적 가스 수집 수단은 수직으로 이동할 수도 있다.
예 1
도 1에 도시된 바와 같은, 12m3의 용량과, 4.5m의 유효(액체) 높이와 그리고 2.67m2의 바닥면적을 구비한 UASB 유형의 파일럿 반응기는 혐기적 전처리 없이 호기적 미생물 반응기로서 사용되었다. 약 1500mg/l의 COD를 구비한 처리되지 않은 제지공장의 폐수는 1.5m3/h의 비율(Vup=0.56m/h)로 반응기로 공급된다. 반응기는 공기의 12m3/h(Vup=4.5m/h)에서 통기된다. 반응기 온도는 약 30℃이며 pH는 중성이다. 소비된 공기에 다른 검출 가능한 악취 성분은 없다.
일주간의 적응 기간 후의 결과는 다음과 같다:
COD총 COD여과된 아세테이트 프로피오네이트
유입액(mg/l) 1515 1455 426 181
유출액(mg/l) 1006 762 198 93
효율(％) 33 47 53 48
보다 적정화시킨 결과 75％ 이상의 총 COD 제거 효율을 도달한다.
예 2
예제 1 과 동일한 반응기가 호기적 후처리 반응기로서 사용되었다. 약600mg/l의 COD를 구비한 혐기적으로 전처리된 제지공장의 폐수는 4.0m3/h의 비율(Vup=0.56m/h)로 반응기에 공급된다. 반응기는 공기의 3.5m3/h(Vup=1.3m/h)으로 통기된다. 소비된 공기에 다른 검출 가능한 악취 성분은 없다.
샘플의 여과전과 후의 COD 값은 다음과 같다:
COD총 COD여과된
유입액(mg/l) 621 543
유출액(mg/l) 465 249
효율(％) 25 54
상기 값들은 반응기가 혐기적 처리후 상당한 부분의 잔류 COD를 전환시켰음을 보여준다.

Claims (12)

  1. 처리될 폐수가 하부로 공급되는 공기주입식 반응기에서 이루어지는 폐수의 호기적 처리를 위한 공정에 있어서,
    상승류 혐기적 슬러지 블랭킷 반응기를 사용하여, 조건적이며 호기적인 생물체량의 성장을 증진시키도록 소정량의 산소를 상기 반응기의 하부로 공급하는 것을 특징으로 하는 폐수의 호기적 처리 공정.
  2. 제1항에 있어서, 공급된 산소의 양은 반응기로부터 유출된 가스가 산소를 2 부피% 이상, 양호하게는 3 부피% 이상을 내포하도록 정해지는 것을 특징으로 하는 폐수의 호기적 처리 공정.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 통기 작용은 발포를 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐수의 호기적 처리 공정.
  4. 제1항 내지 제3항에 있어서, 반응기 하부의 생물체량의 농도는 5 내지 50g/l인 것을 특징으로 하는 폐수의 호기적 처리 공정.
  5. 제1항 내지 제4항에 있어서, 호기적 처리는 혐기적 전처리와 결합되어 수행되는 것을 특징으로 하는 폐수의 호기적 처리 공정.
  6. 제5항에 있어서, 혐기전 전처리에서 환기된 공기를 사용하여 호기적 처리의 통기를 수행하는 것을 특징으로 하는 폐수의 호기적 처리 공정.
  7. 제5항에 있어서, 호기적 처리와 혐기적 처리는 동일 탱크에서 수행되는 것을 특징으로 하는 폐수의 호기적 처리 공정.
  8. 제7항에 있어서, 물 공급비는 대량의 호기적 생물체량이 거의 일정하게 보존되도록 조절되는 것을 특징으로 하는 폐수의 호기적 처리 공정.
  9. 반응기 탱크로 구성된 폐수의 호기적 처리를 위한 장치로서, 액체 공급용 분포기와 통기 수단은 반응기의 하부에 배치되며, 수집 가스와 생물체량의 완전 침전용 수단은 반응기의 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는 반응기 탱크로 구성된 폐수의 호기적 처리를 위한 장치.
  10. 반응기 탱크로 구성된 폐수의 혐기적 및 호기적 처리가 결합된 장치로서, 액체 공급용 분포기는 반응기의 하부에 배치되며, 가스 수집용 수단은 상기 액체 분포기 위에 배치되며, 통기 수단은 상기 가스 수집 수단 위에 배치되며 그리고 수집 가스와 생물체량의 완전 침전용 수단은 반응기의 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는 반응기 탱크로 구성된 폐수의 혐기적 및 호기적 처리가 결합된 장치.
  11. 반응기 탱크로 구성된 폐수의 혐기적 및 호기적 처리가 결합된 장치로서, 액체 공급용 분포기는 반응기의 하부에 배치되며, 수집 가스와 생물체량의 완전 침전용 수단은 상기 액체 분포기 위에 배치되며, 통기 수단은 상기 가스 수집 수단 위에 배치되며 그리고 호기성 세균들을 지지하는 패킹 재료는 반응기의 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는 반응기 탱크로 구성된 폐수의 혐기적 및 호기적 처리가 결합된 장치.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 통기 수단은 반응기 높이의 일부에 걸쳐 이동 가능한 것을 특징으로 하는 폐수의 호기적 처리 공정.
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