KR20010076873A - 혐기-호기-무산소 시스템을 이용한 침출수의 고농도유기물 및 질소 제거 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 혐기-호기-무산소 시스템을 이용하여 매립초기에는 고농도의 유기물과 질소성분을 함유하고 매립후기에는 유기물은 거의없고 고농도의 질소성분만 함유하고 있는 침출수의 매립 기간별 수질의 변화 특성에 대해 안정적이고 지속적으로 유기물 및 질소제거를 수행할 수 있는 방법에 관한 것으로,

본 발명은 침출수 원수를 공급하는 펌프 P1, 매립초기에는 메탄전환과 탈질을 동시에 수행하고 매립안정화후에는 탈질조로 운용될 혐기조 R1, 혐기 반응조 R1에서 발생된 가스량 및 조성을 확인하기 위한 gas meter G1, 혐기조에서 처리되지 않은 유기물 제거와 침출수에 함유된 질소성분을 질산염으로 전환하는 질산화 반응이 목적인 호기조 R2, 호기조에서 미생물과 함께 유출된 처리수의 고액분리를 위한 침전조 C1, 탈질을 위해 유출수중 일부를 혐기조로 회송시키기 위한 탈질 회송 펌프 P4, 호기조의 미생물 유지를 위한 슬러지 반송펌프 P3, 호기조 미생물의 에너지원인 산소를 공급하기 위한 송풍기 B1, 혐기조에서 충진상에 의한 막힘 현상을 방지하기 위한 혐기조 내부 순환펌프 P2, 혐기조와 호기조를 거치면서 미처 제거되지 못한 질산염 질소의 탈질을 위한 무산소조 R3, 미생물에 부착된 탈질 개스를 제거하기 위한 탈기조 R4, 후탈질 유출수중 미생물과 상등액 분리를 위한 침전조 C2, 무산소의 미생물 유지를 위한 슬러지 반송펌프 P5, 후탈질시 외부탄소원 공급을 위한 저장탱크 T1, 외부 탄소원 공급펌프 P6로 구성된 것에 요지가 있다.

특히, 기존의 공정에서는 혐기조, 호기조, 무산소조가 각각의 단일미생물 유지가 가능하여 각 공정에서 최대의 효율을 나타낼 수 있다는 것과 매립초기 및 매립안정화후에도 특정 공정(혐기조)의 할용성이 없어지는 문제점을 해결할 수 있는 시스템의 구성에 요지가 있다.

Description

혐기-호기-무산소 시스템을 이용한 침출수의 고농도 유기물 및 질소 제거 방법{ORGANIC AND NITROGEN COMPOUND REMOVAL METHODS FROM LANDFILL LEACHATE USING AN ANAEROBIC-AEROBIC-ANOXIC SYSTEM}

본 발명은 혐기조(여재 충진상)공법과 호기조(활성슬러지)공법 및 무산소조(후탈질조를) 이용한 고농도의 유기물과 질소성분을 함유한 침출수 제거의 새로운 방법에 관한 것이다.

침출수의 특성은 매립 초기에는 고농도의 유기물질과 질소성분을 함유하고 있다고 매립 경과년수가 3-5년이 되면 침출수중에는 유기물질의 농도가 급격히 감소하고 질소성분의 감소는 그다지 크지 않다는 것이다. 게다가, 침출수에는 난분해성 물질을 많이 포함하고 있다.

따라서, 매립장 설계시 침출수를 처리하기 위한 방법으로 화학 응집제를 이용한 응집 처리를 실시한 뒤, 혐기조로 유입시켜 유기물을 70% 이상 제거시키고 뒤에 장기폭기조 형태인 호기조에 유입시켜 유기물 제거를 마무리한다. 그리고 난분해성 물질을 제거하기 위해 Fenton산화등 고급 산화법을 이용하기도 한다.

기존의 이러한 공법은 침출수의 전처리로써 응집처리의 효율이 20% 미만이라는 것과 매립 초기에 발생되는 침출수에는 고농도의 유기물질이 함유되어있으므로 혐기조가 반드시 필요했으나 매립지가 안정화되고 난 뒤에 발생되는 침출수에는 생물학적으로 분해가능한 유기물이 거의 없으므로 혐기조가 무용화 되어버리는 결과가 된다.

게다가, 기존의 공법은 혐기조의 HRT가 10-15일 크게는 30일까지 되는 경우가 있음에도 불구하고 침출수에 함유된 고농도의 질소성분의 제거는 기대하기 어려워 처리수가 수계로 방류되었을 때 부영양화의 원인을 제공할 수도 있다는 단점을 가지고 있다.

이에 반해 본 발명에서 채택된 방식은 혐기조와 호기조, 후탈질조로 구성되어 있는데 혐기조에서는 단순한 메탄전환에 의한 유기물 제거뿐만아니라 호기조에서 질산화된 것을 혐기조로 회송시켜 탈질을 동시에 수행하여 질소성분을 제거할 수 있다.

본 발명의 공정은 혐기조, 호기조, 탈질조(무산소조)의 미생물들이 독립적으로 유지되기 때문에 혐기조에서는 메탄새성균 및 탈질균이 우점종으로 유지되고 호기조는 질산화균, 후탈질조에는 탈질균이 우점종으로 유지되어 보다 높은 처리능력을 보유할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

또한, 매립이 안정화되어 유기물의 성분이 감소한 뒤에도 메탄전환은 일어나지 않는다하더라도 탈질조의 역할을 수행할 수 있으므로 기존의 공법에서 매립이 안정화된 후에 발생되는 혐기조의 무용화 문제를 해결할 수 있다.

특히, 수질환경에 대한 사회적 기대수준이 증대함에 따라 기존의 유기물 제거뿐만 아니라 부영영양화의 원인이 되는 영양염류의 제거가 반드시 필요하게 되었다.

또한, 점점 힘들어져가는 처리장의 부지 확보문제는 처리공정의 규모 축소의 강한 동기로 작용하고 있는 점을 감안할 때 본 발명은 7일 이내의 HRT로 유기물 제거와 질소성분 제거를 동시에 획득할 수 있다.

특히, 본 공정의 장점은 혐기조-호기조 뒤에 무산소조를 두어 후탈질을 수행함으로써 유입침출수 성상이 NH₄ ⁺-N이 1,500mg/l를 상회하므로 수질기준(T-N 60mg/l)을 만족시키기 위해서는 1300%의 회송율로 운전하여야 한다. 이것은 혐기조의 무산소상태를 유지하는데 어려움을 줄뿐 아니라 회송을 위한 pump의 운전 경비도 부담이 되는 것을 극복해 회송율 300%로 운전하고 후탈질을 위한 무산소 체류시간 3시간으로 충분히 수질기준을 만족시킬수 있다.

이러한 사항들을 종합해 보면 본 발명이 제시하고 있는 공정은 저비용, 고효울의 침출 처리방법의 한 대안으로 충분한 장점을 지니고 있다.

이에 본 발명에서는 혐기조와 호기조 및 무산소조로 구성된 생물학적 처리방법을 통해 유기물 및 질소성분등 영양염류를 제거할 수 있게 되며, 단일 혐기조에서 유기물 제거와 탈질이 동시에 수행되므로 기존의 공정에서 침출수의 안정화시 특정 공정(예, 혐기조)의 무용화 문제를 극복할 수 있으며 공정의 규모를 축소하여 부지확보 문제등을 해결할 수 있는 침출수 처리방법을 제공하고자 한다.

도 1은 본 발명의 실시예를 보인 혐기조와 호기조, 무산소조로 이루어진 전체 시스템

☞ 도면의 주요부분에 사용된 부호에 대한 설명 ☜

R1 : 충진상 혐기조 R2 : 질산화를 위한 호기조

R3 : 후탈질을 위한 무산소조 R4 : 탈기를 위한 폭기조

B1 : 호기조에 공기 공급 송풍기 B2 : 탈기조 공기 공급 송풍기

P1 : 침출수 유입펌프 P2 : 혐기조 내부 순환펌프

P3 : 호기조 슬러지 반송펌프 P4 : 혐기조로의 탈질 회송 펌프

P5 : 무산소조 슬러지 반송펌프 P6 : 외부탄소원 공급펌프

C1 : 호기조 유출수 고액분리 침전조 C2 : 최종 고액분리 침전조

T1 : 외부 탄소원 저장탱크 G1 : 혐기조 유출 가스량 측정기

도 1은 발명의 실시예를 보인 혐기조, 호기조, 무산소조로 이루어진 전체 시스템을 도시한 것으로 혐기 반응조에는 70%의 부피비로 담체를 충진시키는데 담체는 다양한 종류의 것을 이용할 수 있다.

P1으로부터 혐기 반응조 하단으로 유입된 침출수는 침전조 C1에서 탈질을 위해 P4를 통해 혐기조로 회송된 회송수와 함께 메탄 전환을 통한 유기물 제거가 일어난다. 또한 회송수에 함유된 질산염 질소의 탈질이 일어남과 동시에 탈질에 필요한 유기물로 인해 추가적인 유기물 제거가 일어난다.

혐기 반응조에서 제거되지 않은 유기물은 호기반응조에서 제거되고 호기반응조에서는 암모니아성 질소가 질산염으로 전환하게 된다.

또한 침출수에 함유된 고형물질은 혐기반응조 충진상에서 일부분 흡착되거나 가수분해를 통해 감소하는 효과를 가져온다. 이러한 과정에서 충진상이 막히는 현상을 방지하기 위해 혐기조내 순환을 위해 혐기조 상단에서 하단으로 P2를 통해 원수 유량의 5배에서 10배로 순환시켜 상승 속도를 1m/hr 이상으로 유지시켜준다. 혐기조의 정상적인 운전여부는 gas meter G1을 이용해 gas 발생량 및 성상을 확인함으로써 신속하게 판단할 수 있다.

한편, 호기 반응조의 미생물량 유지를 위해서 침전조3의 하단에서 P3을 통해 호기조 R2의 1단으로 슬러지를 반송한다.

호기조 미생물의 에너지원인 산소 공급을 위해서 공기 송풍기 B1을 사용한다.

혐기조와 호기조 침전조를 거친 처리수는 본 공정의 300%의 회송율이 가지는 T-N 제거의 한계로 인해 존재하는 질산염 질소를 무산소조 R3에 미생물 탈질화 반응을 통해 제거시킨다. 무산소조 R3에서 탈질시 부족한 탄소원은 외부 탄소원 저장탱크 T1에서 외부 탄소원 공급펌프 P6를 통해 공급된다.

무산소조 R3의 유출수는 미생물과 탈질개스과 혼합되어 있으므로 탈기조 R4에서 15분간 폭기시킨다. 탈기시 필요한 공기는 공기 송풍기 B2를 통해 공급된다.

최종적으로 유출되기전 침전조 C2에서 고형물과 액상으로 분리되고 무산소조 R3의 미생물량을 적절히 유지하기 위해 슬러지 반송펌프 P5를 통해 슬러지를 반송한다.

실시예

혐기 반응기를 수리학적 체류시간 2일로 운전하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

혐기조에서 충진은 시판되고 있는 담체를 이용하여 반응조 용적대비 70%로 하였다.

침출수의 유입 COD_Cr이 25,960mg/l이고 용적부하가 13kg/㎥·d일 때 혐기조 유출수가 3020mg/L로 84%의 COD_Cr제거효율을 보였다. 국내의 COD_Mn의 결과는 유입수가 1740mg/l 이고 용적부하가 0.48kg/㎥·d일 때 혐기조의 유출수가 780mg/L로 55%의 제거효율을 얻었다.

COD_Mn제거효율이 COD_Cr제거효율 보다 작은 이유는 혐기조에서 COD_Cr유발 유기물질이 COD_Mn유발 유기물질로 전환되기 때문이라고 사료된다.

생물학적 산소요구량인 BOD₅의 결과는 11655mg/L로 유입되어 혐기조의 유출수 결과는 1135mg/L로 90%의 제거효율을 얻을수 있었다.

혐기조에서의 최대 유기물 제거율은 16kg/㎥·d를 얻었다.

그리고 혐기조에서 또 다른 목적인 질산염의 제거결과는 회송수의 질산염 농도가 450mg/L에서 탈질조에서는 거의 0이므로 100%에 달하는 탈질효율을 얻었다.

무산소조로 유입되는 질산염 질소농도가 450mg/l 이므로 에 필요한 탄소원으로 글루코스, 메탄올, 아세테이트등을 공급하여 90%의 탈질효율을 얻으면 충분히 수질 기준을 만족시킬 수 있다.

또한 혐기조에서 발생되는 가스량 및 조성은 0.5L/kg COD_Cr·d였고 구성성분은 CH₄65-75%, C0₂20-30%, N₂2-5%로 구성되어 있었다.

일반적인 슬러지를 소화하는 혐기조에서 발생되는 biogas의 CH₄의 분율이 70%라는 것을 감안할 때 침출수를 메탄전환과 탈질을 동시에 수행할 때 발생하는 biogas도 에너지로 충분히 사용할 수 있다.

호기조의 역할은 혐기조에서 미처 제거되지 않은 유기물질의 제거와 암모니아성 질소를 질산염으로 질산화하는 것이다.

호기조로 유입되는 COD_Cr은 3020mg/L이고 최종 유출수는 836mg/l로 혐기-호기 시스템의 전체적인 제거효율은 97%를 얻었다.

COD_Mn은 780mg/L로 유입되고 최종적으로 350mg/L 로 유출되어 총 제거효율은 80%를 얻었다.

BOD₅는 1135mg/L로 유입되어 최종 유출수에서 검출되지않아 총 제거효율은100%를 얻었다.

호기조의 가장 주요 역할인 질산화는 유입되는 농도가 1655mg/L(호기조 유입수 680mg/L) 이고 유출되는 농도가 20mg/L 이하로 97%의 질산화를 얻었다. 이때의 용적당 질산화율은 0.75kg/㎥·d 였다. 이 결과는 일반 활성슬러지공법에서의 0.3 - 0.4 kg/㎥·d 와 비교해 볼 때 배에 달하는 질산화율이다.

마지막으로, 매립이 안정화된 침출수를 혐기-호기 시스템을 이용하여 처리할 때 혐기조의 탈질조로의 이용 가능성에 대해 평가하였다.

매립이 안정화된 침출수의 성상은 COD_Cr2112mg/L, BOD5 320mg/L, 암모니아성 질소 1589mg/L로 유기물의 농도는 크게 감소하였으나 암모니아성 질소의 농도는 크게 감소하지 않았다.

동일하게 혐기조의 수리학적 체류시간 2일, 호기조의 체류시간을 4일로 운전하고 탈질시 유기물이 부족하므로 외부 탄소원으로 GLUCOSE와 메탄올을 공급하였다.

호기조에서의 질산화효율은 유입수의 농도가 1589mg/L(호기조 유입수 1589mg/L)이고 유출수의 농도가 20mg/L이하로 97%를 얻을 수 있었다.

혐기조(이제부터는 탈질조로써 역할 수행)에서 탈질효율은 외부 탄소원으로 glucose를 공급하였을 때 70%, 메탄올을 공급하였을 때 90%의 탈질효율을 얻었다.

이상과 같이 본 발명은 혐기-호기-무산소 시스템을 이용한 침출수 처리시

첫째, 혐기조에 메디아를 충진함으로써 고농도의 미생물 유지가 가능하여 침출수의 고농도 유기물 제거가 가능하고

둘째, 혐기조에서 메탄전환에 의한 유기물 제거뿐만 아니라 탈질을 동시에 수행함으로써 관련설비를 줄일수 있고

셋째, 혐기조에서 탈질 수행을 위해 유출수의 일부를 회송함으로써 혐기조에서의 희석효과로 암모니아성 질소의 농도가 호기조에서 질산화에 방해 영향을 미치는 농도에서 영향을 미치지 않는 농도로 감소시켜 질산화 효율을 증대시키고

넷째, 혐기조에서 유기물을 충분히 제거한후 호기조에서 질산화를 수행함으로 호기조내의 미생물중 질산화균의 분율을 증대시켜 질산화 효율을 증대시키고

다섯째, 기존의 처리공정에서 수행하기 어려웠던 영양염류의 제거를 공정별 단일 미생물 유지가 용이하도록 하여 제거효율을 최대화 하여 가능하게 하였고

여섯째, 단일 혐기 반응조에서 메탄전환과 탈질을 동시에 수행함으로써 침출수 특성상 매립후반기에는 혐기조의 무용화를 극복할 수 있기 때문에 침출수의 처리시 매립진행중이나 매립완료후에도 안정적으로 시스템을 이용할 수 있고 경제적 효용성을 도모할 수 있다.

이상에서 살펴본 본 발명의 혐기-호기-무산소 시스템을 이용한 침출수의 유기물 및 질소 제거방법은 혐기조에서 메탄 전환과 탈질을 동시에 수행함으로써 호기조에서의 질산화 효율을 극대화 할 수 있었고, 각 공정에서 미생물이 독립적으로 유지되어 효율을 최대화 할 수 있으며, 무엇보다도 매립 초기나 안정화후에도 안정적이고 지속적으로 시스템을 이용할 수 있다.

또한 고농도의 유기물질과 질소성분을 함유한 폐수를 처리할시에 적용되는 화학 응집처리등의 전처리 과정 없이도 유기물과 질소성분의 제거가 가능하므로 경제적인 효율도 얻을 수 있다.

따라서, 본 발명의 혐기-호기-무산소 시스템을 이용한 침출수의 유기물 및 질소 제거방법은 다음과 같은 여러 잇점과 경제적 효과 등을 기대할 수 있다.

첫째, 음식물 쓰레기가 주가되는 도시 폐기물 매립장에서 발생되는 침출수에 함유된 고농도의 유기물과 질소를 전처리 없이 생물학적으로 제거가 가능하므로 대규모 및 중규모의 도시 폐기물 매립장의 침출수 처리공정으로 이용될 수 있다.

둘째, 침출수외에도 축산폐수와 같이 고농도의 유기물과 질소를 동시에 함유된 폐수를 질소까지 제거할 수 있는 공정으로 적용할 수 있다.

셋째, 단일 혐기 반응조에서 메탄전환에 의한 유기물 제거뿐만 아니라 탈질을 동시에 수행할 수 있으므로 지속적인 혐기 반응조의 이용이 가능하다.

Claims (1)

1. 혐기-호기-무산소 시스템을 구성함에 있어서,

   침출수를 공급하는 펌프 P1과 매립초기에는 메탄전환과 탈질을 동시에 수행하고 매립후기에는 탈질만을 수행할 수 있어 안정적이고 지속적으로 이용가능한 혐기 반응조 R1, 혐기 반응조 R1에서 발생된 가스량 및 조성을 확인하기 위한 gas meter G1, 4단으로 구성되어 있어 고부하 유입시 안정적으로 대체할 수 있고 높은 질산화 효율을 기대할 수 있는 호기조 R2, 미생물 고형물과 처리수를 분리하기위한 침전조 C1, 혐기조에서 충진상의 막힘현상을 방지하기위해 충분한 상승속도를 제공하기위한 혐기조 내부순환펌프 P2, 혐기조에서 탈질을 위한 회송 펌프 P4, 호기 반응조에서 미생물량을 유지하기 위한 슬러지 반송펌프 P3, 호기성 미생물에게 에너지원으로 산소를 공급하기 위한 송풍기 B1, 회송율의 한계로 잔존하는 질산염 질소를 제거하기 위한 무산소조 R3, 탈질 개스를 제거하기 위한 탈기조 R4, 최종유출수의 고액분리를 위한 침전조 C2, 무산소조 R3의 미생물 유지를 위한 슬러지 반송펌프 P5, 무산소조 R3에서 탈질 반응시 필요한 외부탄소원 공급을 위한 외부탄소원 저장탱크 T1과 외부탄소원 공급펌프 P6로 구성된 것을 특징으로 하는 혐기-호기-무산소 시스템에 의한 침출수의 유기물 및 질소제거를 위한 처리 장치