KR20010091457A - 질소제거 효율향상을 도모한 하수처리방법 및 장치 - Google Patents

질소제거 효율향상을 도모한 하수처리방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 질소제거향상을 도모한 하수처리방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하수를 미생물을 이용하여 처리하는 하수처리방법에 있어서 용존산소 농도조절시스템을 통하여 탈질과정에서 발생하는 산소를 이용하여 유기물 산화에 효과적으로 활용이 가능하도록 하고 동일 반응단계에서 질산화와 탈질이 일어나게 함으로써 종래의 하수처리방법에 비하여 질소제거 효과가 뛰어나며, 에너지 효용성이 우수하고, 슬러지의 발생량을 줄일 수 있는 하수처리방법에 관한 것이다.

Description

질소제거 효율향상을 도모한 하수처리방법 및 장치{A sewage treating method for improving the nitrogen removal and a sewage treating device for the same}
[발명이 속하는 기술분야]
본 발명은 질소제거향상을 도모한 하수처리방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하수를 미생물을 이용하여 처리하는 하수처리방법에 있어서 용존산소 농도조절시스템을 통하여 탈질과정에서 발생하는 산소를 이용하여 유기물 산화에 효과적으로 활용이 가능하도록 하고 동일 반응단계에서 질산화와 탈질이 일어나게 함으로써 종래의 하수처리방법에 비하여 질소제거 효과가 뛰어나며, 에너지 효용성이 우수하고, 슬러지의 발생량을 줄일 수 있는 하수처리방법에 관한 것이다.
[종래기술]
기존의 대부분의 하/폐수처리장치는 활성슬러지법으로 설계 및 운영되고 있는데, 활성슬러지법은 유기물의 제거를 주목적으로 한 처리공정으로서 최근의 하/폐수의 부영양화가 심각해지게 됨에 따라 질소원을 제거해야 하는 시점에 비추어 볼 때 이에 부응할 수 없다. 더욱이 활성슬러지법은 처리공정이 복잡하고 팽화 현상이 일어나는 등 고도의 숙련된 운전자가 필요하게 되는 운영상의 문제점이 있었다.
이러한 활성슬러지법의 운전상 어려움으로 대두되는 팽화의 문제점을 해결함과 동시에 부영양화의 주범인 질소를 효과적으로 제거하기 위한 여러 가지 처리 공정들이 연구 실용화되고 있다.
그 예로서 혐기-무산소-호기공법을 들 수 있다. 상기 공법은 반응조가 혐기조, 무산소조 및 호기조로 구성되며 질산성 질소를 제거하기 위한 내부반송과 침전지 슬러지 반송으로 구성되어 있다. 상기 공법의 대략적인 처리효율은 질소 제거율이 40-70 %이며, BOD/N비가 낮은 경우에는 40 % 정도를 나타낸다. 그러나 상기 공법은 최소 BOD/N비가 12 이상 요구되므로 유입수중의 BOD/N비가 낮은 국내 하수의 처리에 부적절하며 외부 탄소원을 보충해야 하는 문제점이 있다.
또 다른 방법으로 DNR공법이 있다. 상기 공법은 표준활성슬러지 공법을 변형한 공법으로 슬러지 탈질조, 혐기조, 무산소조, 호기성조로 구성되며 질산성 질소를 제거하기 위한 내부반송과 침전지 슬러지 반송으로 구성되어 있다. 상기 공법의 특징으로는 슬러지 탈질조가 설치되어 있어 내생탈질에 의한 질산성 질소를 제거함으로써 혐기성조에서 질산성 질소에 의한 인의 방출을 억제하는 것을 피할수 있다는 것이다. 그러나 상기 공법은 유입수가 생물학적으로 분해하기 쉬운 유기물의 농도가 낮거나 겨울철에는 처리효율이 40 % 이하의 낮은 값을 보이는 문제점이 있다.
또한 또 다른 방법으로 MUCT공법이 있다. 상기 공법은 혐기조, 제1무산소조, 제2무산소조, 호기조로 구성되어 있으며, 질산성 질소를 제거하기 위한 내부 반송과 제 1무산소조에서 혐기조로의 내부반송 및 침전지 슬러지의 반송으로 구성되어 있다. 상기 공법의 대략적인 처리효율은 총질소 제거효율이 50-70 %이나, 외부 탄소원이 부족하게 되는 경우에는 처리효율에 심하게 떨어지며, 겨울철에 특히 나쁜 효율을 보이는 문제점이 있다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 질소제거 효과가 뛰어나며, 에너지 효용성이 우수하고, 슬러지의 발생량을 줄일 수 있으며, 특히 BOD/N비(C/N비)가 낮은 경우에도 처리 효과와 안정성이 우수한 하수처리방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 하수처리장치의 개략적인 단면도이고,
도 2는 하수에 있어서 산소공급에 따른 용존산소의 변화곡선을 나타낸 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 하수를 미생물을 이용하여 처리하는 하수처리방법에 있어서, (a) 하수원수가 미생물에 의하여 탈질반응이 이루어지고, 미생물이 과잉 섭취된 인을 배출하는 제 1 반응단계, (b) 제 1 반응단계를 통과한 하수의 유기성 탄소의 분해와 질산화가 유도되는 제 2 반응단계, (c) 제 2 반응단계를 통과한 하수의 질산화 및 부분적인 탈질과 미생물에 의한 인의 섭취 유도가이루어지며, 상기 반응이 이루어지는 동안 용존산소 농도조절시스템에 의하여 용존산소의 농도가 제어되는 제 3 반응단계, (d) 제 3 반응단계를 통과한 하수가 탈질되며, 상기 탈질이 이루어지는 동안 용존산소 농도조절시스템에 의하여 용존산소의 농도가 제어되며, 제 1 반응단계와 연결된 내부반송수단을 통하여 반송수를 제 1 반응단계로 공급하는 제 4 반응단계 및 (e) 제 4 반응단계를 통과한 하수를 미생물과 처리수로 구분하며, 제 1 반응단계와 연결된 슬러지 반송수단을 통하여 미생물을 포함하는 슬러지를 제 1 반응단계로 공급하는 침전단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하수처리방법을 제공한다.
또한 본 발명은 하수를 미생물을 이용하여 처리하는 하수처리장치에 있어서, (a) 하수원수가 미생물에 의하여 탈질반응 및 미생물이 과잉 섭취된 인을 배출하는 제 1 반응조, (b) 제 1 반응조를 통과한 하수의 유기성 탄소의 분해와 질산화를 유도하는 제 2 반응조, (c) 제 2 반응조를 통과한 하수의 질산화 및 부분적인 탈질과 미생물에 의한 인의 섭취 유도가 이루어지며, 용존산소 농도조절시스템에 의하여 용존산소의 농도가 제어되는 제 3 반응조, (d) 제 3 반응조를 통과한 하수가 탈질되며, 용존산소 농도조절시스템에 의하여 용존산소의 농도가 제어되며, 제 1 반응조와 연결된 내부반송수단을 통하여 반송수를 제 1 반응조로 공급하는 제 4 반응조, (e) 제 4 반응조를 통과한 하수를 미생물과 처리수로 구분하며, 제 1 반응조와 연결된 슬러지 반송수단을 통하여 미생물을 포함하는 슬러지를 제 1 반응조로 공급하는 침전조, (f) 일단은 제 1 반응조와 연결되고, 타단은 제 4 반응조와 연결되어 제 4 반응조로부터 제 1 반응조로 반송수를 공급하는 내부반송수단 및 (g) 일단은제 1 반응조와 연결되고, 타단은 침전조와 연결되어 침전조로부터 제 1 반응조로 슬러지를 공급하는 슬러지 반송수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 하수처리장치를 제공한다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 하수처리방법은 4 단계의 반응단계와 침전단계를 포함하고, 본 발명의 하수처리장치는 도 1에 나타난 바와 같이 4 개의 반응조, 침전조, 내부반송수단 및 슬러지 반송수단을 포함하며, 특히 용존산소 농도조절시스템을 통하여 용존산소의 양을 조절한다. 하수 중에 폭기를 행하는 경우에 있어서 용존산소의 역할은 유기물의 분해과정에서 최종수소 수용체로 산소를 이용하며, 아울러 질산화 과정에서 필요한 산소를 공급하는데 있다.
유기물과 암모니아성 질소가 존재하는 하수에 산소를 공급하게 됨에 따른 산소농도의 변화곡선을 살펴보면, 초기에는 미생물들이 적응을 거치므로 용존산소를 이용한 분해작용이 일어나지 않으므로 산소공급과 비례하여 용존산소는 증가한다. 미생물들이 적응기간 이후에는 타가영양 미생물들에 의해 유기성 탄소가 분해하게 되고 이 과정에서 유기성 탄소 1 g 단 4.57g(이론적인 화학반응식의 수치임)의 산소가 소모되게 됨으로써 산소농도는 일정농도에서 균형을 이루에 된다. 유기성 탄소의 분해가 어느 정도 이루어지면서 산소농도는 공급되는 양과 비례하면서 증가하게 되며, 이 과정에서 질산화 미생물에 의하여 하수 속의 암모니아성 질소를 아질산성 질소, 질산성 질소로 질산화하게 된다. 질산화 과정에서의 암모니아성 질소 1 g당 4.32 g 의 산소가 필요하게 된다. 따라서 용존 산소의 증가의 기울기를 제어기에 인식하면 산소공급을 조절할 수 있다. 도 2는 하수에 있어서, 산소공급에 따른 용존산소의 변화곡선을 나타낸 것이다. 상기 도 2에서 A는 혐기상태에서 호기상태로 변함에 따라 산소농도가 증가하게 되는 모드로서, 산소전달의 동력원은 포화농도와 현재 농도와의 차이를 나타낸다. 또한 B는 산소농도의 증가에 따라 미생물의 호흡율이 증가하게 됨으로써 산소공급과 필요 산소량 간의 균형이 일어나게 되는 상태를 나타낸다. 또한 C는 필요 산소량 이상으로 공급이 이루어짐으로써 산소농도의 증가가 발생함을 나타낸다.
본 발명의 하수처리방법의 각 단계는 하수처리장치의 각 반응조에서 이루어짐으로 이하 본 발명의 하수처리장치에 주안점을 두고 설명한다.
본 발명의 하수처리장치 제 1 반응조에서는 하수원수가 미생물에 의하여 탈질반응 및 미생물이 과잉 섭취된 인을 배출한다. 상기 제 1 반응조의 산소농도는 0.5 mg/l 이하로 유지되는 것이 바람직하다. 제 1 반응조에서 미생물은 유입원수 속의 생물학적으로 쉽게 분해되는 분해성 유기물을 이용하여 원수 속의 질산성 질소 및 제 4 반응조에서 반송되어진 질산성 질소를 탈질화시킨다. 탈질과정에서 발생하는 산소(1 mg 질산성 질소에서 2.86 mg의 산소가 방출된다)는 유기성 탄소의 산화에 이용되어 진다. 계속하여 탈질화가 이루어져 완전 혐기상태가 이루어지면 미생물의 인의 과잉섭취로 인한 인의 방출이 이루어진다. 바람직하기로는 제 1 반응조에 교반기를 설치하는 것이 좋다.
또한 상기 제 2 반응조에서는 제 1 반응조를 통과한 하수의 유기성 탄소의 분해와 질산화가 유도된다. 바람직하기로는 제 2 반응조의 산소농도는 2.0 내지3.0 mg/l가 적절하다.
또한 상기 제 3 반응조에서는 제 2 반응조를 통과한 하수의 질산화 및 부분적인 탈질과 미생물에 의한 인의 섭취 유도가 이루어지며, 용존산소 농도조절시스템에 의하여 용존산소의 농도가 제어된다. 제 2 반응조를 거쳐 제 3 반응조로 유입된 하수에 용존산소를 공급하게 될 때, 용존산소 농도의 증가율이 급격한 상황(도 2에서의 A모드)에서는 유기물 및 암모니아성 질소의 질산화가 이루어짐으로서 산소요구량이 없는 것으로 볼 수 있고, 이 때에는 용존산소 공급을 중지시켜도록 하여 탈질이 이루어질 수 있도록 한다. 산소농도의 변화가 없는 경우(도 2에서 B 모드)에는 제 2 반응조에서 유기물이 불충분한 산화로 인하여 제 3 반응조에서 유기물의 산화가 필요한 상황이며, 이때에는 계속적인 용존산소의 공급을 통해 유기물의 산화가 일어나도록 하며, 유기물의 산화 이후에는 암모니아성 질소의 질산화를 유도하도록 한다. 용존산소의 증가율이 다소 낮은 상태 (도 2에서 C 모드)에서는 용존산소의 과도한 공급이 이루어지고 있는 상태이므로 용존산소 공급을 중단하고 탈질이 이루어질 수 있도록 유도한다.
바람직하기로는 상기 용존산소 농도조절시스템은 간헐폭기방식을 통하여 용존산소를 조절하는 것이 좋다. 용존산소 농도의 변화에 있어서 도 2 의 B 모드와 같은 상태가 나타낼 때, 지속적인 산소를 공급할 경우에는 용존산소가 수중으로 용해되는 비율이 작아지게 된다. 이를 해결하는 방안으로 지속적으로 산소를 공급할 것이 아니라 간헐적으로 산소를 공급하도록 한다. 지속적인 산소의 요구가 있는 상태에서 산소를 중단시키는 간헐폭기는 새로운 산소원을 찾아 미생물이 활동하게되는데, 이는 용존 산소 공급과정에서 질산화되어진 질산성 질소에서 산소원을 찾게 됨으로서 탈질과정이 일어나도록 유도하는 것이다. 아울러 산소의 용해율은 특정온도에서의 포화농도와 현재의 농도와의 농도구배에 따라 결정되는데, 용존 산소 공급을 중단함으로서 농도구배가 증가하게 되므로 용존산소의 수용액으로의 용해율이 증가하게 되는 효과를 유도하게 된다. 더욱 바람직하기로는 제 3 반응조에서의 간헐폭기 주기는 용존산소 조절시스템을 통한 제어 속에 5분 내지 1시간인 것이 좋으며, 더더욱 바람직하기로는 상기 주기가 7분 내지 20분인 것이 좋다.
간헐폭기를 통하여 용존산소가 증가하게 되는 경우에는 산소공급을 중단하고, 이 때 탈질이 유도한다. 제 3 반응조에서 탈질에 필요한 유기물원은 제 2 반응조에서 성장한 미생물이 내생호흡과정을 통하여 탈질과정에 필요한 유기물원으로 이용하도록 유도된다. 또한 제 2 반응조에서 질산화되어진 질산성 질소에서 산소가 배출됨으로써 이를 이용하여 탄소성 유기물의 산화를 유도하는 것도 가능하다. 또한 질산화가 일어난 직후에 탈질을 유도할 수 있는 환경을 조성하면 미생물에 의한 탈질 효율의 증대된다. 탈질을 유도하는 미생물은 일반적인 타가 영양미생물로서 산소공급이 중단됨에 따라 즉시 산소를 찾게 되고, 그럼으로써 질산성 질소 내부에 보관되어 있는 산소를 이용하게 된다.
또한 제 4 반응조에서는 제 3 반응조를 통과한 하수가 탈질되며, 용존산소 농도조절시스템에 의하여 용존산소의 농도가 제어되며, 제 1 반응조와 연결된 내부반송수단을 통하여 반송수를 제 1 반응조로 공급한다. 제 4 반응조는 제 3 반응조에서 불충분한 탈질을 보완함과 아울러 제 1 반응조로의 내부순환을 유도하는 작용을 한다. 또한 산소가 부족상태로 오랫동안 지속시에는 미생물들이 내부 산화에 의하여 세포벽들이 유출되게 되고, 이것은 침전지의 스컴발생과 같은 좋지 못한 상황을 발생시킨다. 따라서 침전지 스컴발생을 억제하기 위하여 제 4 반응조에서도 제 3 반응조에서와 같이 용존산소 농도조절시스템을 통하여 용존산소를 제어하는 것이 요구되며, 상기 용존산소 농도조절시스템에 의하여 침전지 스컴방지 및 타가영양 미생물이 효과적으로 성장한다. 바람직하기로는 상기 용존산소 농도조절시스템은 간헐폭기법을 사용하는 것이 좋다.
또한 침전조에서는 제 4 반응조를 통과한 하수를 미생물과 처리수로 구분하며, 제 1 반응조와 연결된 슬러지 반송수단을 통하여 미생물을 포함하는 슬러지를 제 1 반응조로 공급한다. 상기 반송을 통하여 반응조들에서의 미생물의 농도에 대한 균형이 유도된다.
또한 본 발명에서는 일단은 제 1 반응조와 연결되고, 타단은 제 4 반응조와 연결되어 제 4 반응조로부터 제 1 반응조로 반송수를 공급하는 내부반송수단 및 일단은 제 1 반응조와 연결되고, 타단은 침전조와 연결되어 침전조로부터 제 1 반응조로 슬러지를 공급하는 슬러지 반송수단을 포함하는 바, 상기 내부 반송수단 및 슬러지 반송수단은 통상적으로 하수처리장치에 적용되는 모든 내부반송수단 및 슬러지 반송수단이 적용될 수 있으며, 바람직하기로는 상기 내부반송수단 및 슬러지 반송수단은 각 반응조의 평균 수위 이하로 설치하여 물의 흐름에 의한 산소의 유입을 방지하는 것이 좋다.
상기에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 탈질과정에서 발생하는 산소를 이용하여 유기물 산화에 활용하고, 동일 반응조에서 질산화와 탈질이 일어남으로써 탈질 효율이 뛰어나고, 에너지 절감율이 종래기술과 대비하여 60 % 정도의 효과가 있다. 또한 산소농도를 2 내지 3 mg/l의 범위에서 산소가 없는 혐기상태로 변화시킴으로써 산소전달효율이 높아지는 효과가 있으며, 용존산소 농도조절시스템을 통하여 미생물이 낮은 성장률을 보이고, 제 1,2 반응조에서 성장한 슬러지를 제 3,4 반응조에서 내부 산화를 유도함으로서 슬러지의 발생량을 현저히 줄이는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 하수를 미생물을 이용하여 처리하는 하수처리방법에 있어서,
    (a) 하수원수가 미생물에 의하여 탈질반응이 이루어지고, 미생물이 과잉 섭취된 인을 배출하는 제 1 반응단계;
    (b) 제 1 반응단계를 통과한 하수의 유기성 탄소의 분해와 질산화가 유도되는 제 2 반응단계;
    (c) 제 2 반응단계를 통과한 하수의 질산화 및 부분적인 탈질과 미생물에 의한 인의 섭취 유도가 이루어지며, 상기 반응이 이루어지는 동안 용존산소 농도조절시스템에 의하여 용존산소의 농도가 제어되는 제 3 반응단계;
    (d) 제 3 반응단계를 통과한 하수가 탈질되며, 상기 탈질이 이루어지는 동안 용존산소 농도조절시스템에 의하여 용존산소의 농도가 제어되며, 제 1 반응단계와 연결된 내부반송수단을 통하여 반송수를 제 1 반응단계로 공급하는 제 4 반응단계; 및
    (e) 제 4 반응단계를 통과한 하수를 미생물과 처리수로 구분하며, 제 1 반응단계와 연결된 슬러지 반송수단을 통하여 미생물을 포함하는 슬러지를 제 1 반응단계로 공급하는 침전단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하수처리방법.
  2. 하수를 미생물을 이용하여 처리하는 하수처리장치에 있어서,
    (a) 하수원수가 미생물에 의하여 탈질반응 및 미생물이 과잉 섭취된 인을 배출하는 제 1 반응조;
    (b) 제 1 반응조를 통과한 하수의 유기성 탄소의 분해와 질산화를 유도하는 제 2 반응조;
    (c) 제 2 반응조를 통과한 하수의 질산화 및 부분적인 탈질과 미생물에 의한 인의 섭취 유도가 이루어지며, 용존산소 농도조절시스템에 의하여 용존산소의 농도가 제어되는 제 3 반응조;
    (d) 제 3 반응조를 통과한 하수가 탈질되며, 용존산소 농도조절시스템에 의하여 용존산소의 농도가 제어되며, 제 1 반응조와 연결된 내부반송라인을 통하여 반송수를 제 1 반응조로 공급하는 제 4 반응조;
    (e) 제 4 반응조를 통과한 하수를 미생물과 처리수로 구분하며, 제 1 반응조와 연결된 슬러지 반송라인을 통하여 미생물을 포함하는 슬러지를 제 1 반응조로 공급하는 침전조;
    (f) 일단은 제 1 반응조와 연결되고, 타단은 제 4 반응조와 연결되어 제 4 반응조로부터 제 1 반응조로 반송수를 공급하는 내부반송수단; 및
    (g) 일단은 제 1 반응조와 연결되고, 타단은 침전조와 연결되어 침전조로부터 제 1 반응조로 슬러지를 공급하는 슬러지 반송수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 하수처리장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 용존산소 농도조절시스템은 간헐폭기방식을 사용하는 것을 특징으로 하는 하수처리장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 용존산소 농도조설시스템에서의 간헐폭기는 5 분 내지 1시간의 주기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하수처리장치.
  5. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 반응조의 용존산소 농도는 0.5 mg/l 이하인 것을 특징으로 하는 하수처리장치.
  6. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 반응조의 용존산소 농도는 2.0 내지 3.0 mg/l인 것을 특징으로 하는 하수처리장치.
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