KR20020016674A

KR20020016674A - 축산폐수 고도처리 시스템

Info

Publication number: KR20020016674A
Application number: KR1020000049842A
Authority: KR
Inventors: 정윤철; 정진영; 이상민; 손대희; 신정훈
Original assignee: 박호군; 한국과학기술연구원
Priority date: 2000-08-26
Filing date: 2000-08-26
Publication date: 2002-03-06
Also published as: KR100386224B1

Abstract

본 발명은 고농도의 유기물, 부유성 고형물, 질소, 인 및 색도를 함유하는 축산폐수를 처리하기 위해 전처리조(2), 혐기성 반응조(3), 호기성 반응조(4), 후처리 반응조(6), 펜톤산화조(8)로 구성된 고도처리 시스템에 관한 것이다. 전처리조(2)는 마그네슘염을 첨가하여 축산폐수내의 질소와 인을 선택적으로 제거하여 유기물/질소의 비를 크게 상승시켜 후속의 생물학적 질소 제거시스템을 효율적으로 운영하기 위한 반응기이며, 혐기성 반응조(3-1, 3-2)는 축산폐수내의 유기물을 미생물이 섭취 용이한 유기산으로 전환시켜 재순환수내의 산화된 질소(4-B)를 효율적으로 탈질소화시키기 위한 반응조이다. 질산화 반응조(4)는 전처리 후 잔류하는 암모니아성 질소의 생물학적 질산화공정이다. 후처리 반응조(6)는 탈질소화 공정으로서 메탄올을 첨가하여 전단의 반응 후 잔존하는 질산화된 질소를 완전히 제거하는 공정이다. 전술한 처리 공정 후의 펜톤산화조(8)는 인제거, 잔존하는 색도의 제거, 화학적 산소요구량의 추가적인 제거와 소독의 역할을 수행한다. 즉, 본 축산폐수 고도처리 시스템은 유지관리가 용이하고 가장 경제적인 생물학적 처리공정을 주요공정으로 하며, 미생물에 대한 저해유발물질 또는 난분해성 물질은 전처리와 펜톤산화를 통해 제거하므로 지속적으로 우수한 오염물질 제거특성을 나타낼 수 있다.

Description

축산폐수 고도처리 시스템{Advanced Piggery Wastewater Treatment System}

본 발명은 고농도의 유기물, 부유성 고형물, 질소, 인 및 색도를 함유하는축산폐수를 처리하기 위해 전처리조(2), 혐기성 반응조(3-1, 3-2), 질산화조(4), 후처리 반응조(6)와 펜톤산화조(8)로 구성된 고도처리 시스템에 관한 것으로서 축산폐수내에 존재하는 각종 오염물질을 경제적이고 효율적으로 제거할 수 있는 공정이다.

일반적으로 축산폐수는 고농도의 부유성 고형물질 뿐만아니라 유기물, 질소, 인과 색도를 함유하고 있기 때문에 종래의 기술로서는 효율적으로 이들 오염물질을 제거하기 어려울뿐 아니라 여러 기술의 단순조합에 따라 안정적인 유지관리가 어려운 실정이다. 또한 종래의 기술들은 질소와 인 등의 영양물질의 제거인자에 대한 정확한 기술적 평가가 부족하여 질소 제거공정에 있어서 과량의 메탄올을 사용하여 운전비용을 증가시켰고, 생물학적 처리공정 이후에 남아있는 인을 제거하기 위해 철염과 고분자응집제를 투여한 응집침전조를 두어서 공정의 복잡성을 초래할 뿐만 아니라 응집제의 최적주입량 선정에의 어려움 등이 있는 실정이다. 또한 종래의 기술은 생물학적 처리후의 추가적인 유기물 제거가 어려워서 화학적 산소요구량의 경우 법적규제치내로 처리하기 어려운 실정이다.

종래의 기술중 단일반응조에서의 생물학적 3상 소화공정을 이용한 폐수처리 방법(대한민국특허등록번호 202066)은 종래의 혐기/호기(A/O)공정과 혐기/준혐기/호기(A2/O) 공정의 문제점을 해결하기 위해 전단의 혐기성 단일반응조에서 질소와 인을 제거하고 후단의 고정상 질산화 반응조에서 암모니아성 질소를 질산화시켜 전단의 반응조로 재순환 시키는 형태로 개발되었지만 이 시스템으로서는 규제치 이내로 질소와 인을 제거하기 어려울 뿐 아니라 질산화에 필요한 알칼리도의 조절과 탈질소화에 필요한 추가의 외부탄소원 공급 등을 수행하여야만 80%내외의 총 질소를 제거할 수 있다. 그리고 미생물 조정조를 이용한 고효율 생활 오수 합병 처리 장치(대한민국특허등록번호 233565)는 미생물배양조에서 활성미생물을 배양시켜 혐기-호기 공정으로 가정하수, 분뇨 및 축산폐수를 처리하는 기술이지만 고농도의 암모니아성 질소유입시 효율적인 질소 제거가 용이하지 않고 색도 및 잔류 화학적 산소 요구량 등을 법적 규제치 이내로 처리하기 힘든 단점이 있기 때문에 소규모 합병정화조 이상의 처리공정에서는 많은 문제점을 야기할 수 있다. 또한 생물학적 고효율의 질소·인 동시 제거 시스템(대한민국특허등록번호 232360)도 재래식 혐기-무산소-호기 공정과 유사한 공정으로서 폐수중의 질소·인의 제거효율은 양호한 편이지만 고농도의 암모니아성 질소유입에 따른 미생물의 저해와 유기물부족으로 인한 추가의 외부탄소원 공급의 증가 및 색도, 잔류 화학적 산소 요구량 등을 제거하기에는 어려운 점이 있다.

생물학적 처리의 한계를 극복하기 위해 전기분해를 이용한 폐수처리방법(대한민국특허등록번호 231331: 전기분해를 이용한 폐수 처리방법 및 폐수 처리 시스템, 대한민국특허등록번호 188231: 산업 폐수 연속 전해 정화 처리 방법 및 그 장치) 등이 개발되었으나 고분자 응집제와 철염 등의 화학물질 첨가에 따른 이차오염의 우려뿐만 아니라 주기적인 전극극교환 등의 유지관리가 어려운 단점을 지니고 있다.

상술한 바와 같이 종래의 기술들은 축산폐수내의 질소를 효율적으로 제거하기 위한 미생물 저해농도 이하의 농도유입방법에 대한 이해가 부족하고 질산화에필요한 알칼리도의 첨가와 탈질소화에 필요한 유기탄소원의 증가 등 생물학적 처리기술의 한계를 극복할 수 있는 방안에 대한 연구가 부족할 뿐 아니라 단순한 각종 공정조합에 따른 유지관리의 어려움 등이 상존함에 따라 현장에서 효율적으로 사용되지 못하고 있는 실정이다.

본 발명의 목적은 상기 설명한 종래 기술의 문제점을 해결하면서 기존의 처리 공법에 비하여 오염물질 처리효율이 우수하고, 운전시 유지관리가 안정적이고, 운전경비가 저렴한 축산폐수 고도처리 시스템을 제공하는 것이다. 상기 목적은 전처리를 통해 생물학적으로 처리가 어려운 인과 질소를 일부 제거하고 유기물/질소의 비를 크게 상승시켜 후속의 탈질소화-질산화반응을 유도함으로써 달성된다. 또한, 탈질소화-질산화반응 후 남아있는 산화된 질소는 메탄올 등을 유기물원과 함께 탈질소화 반응기로 공급하여 질소가스로 환원시키고 상기의 처리공정 후에도 남아있는 인, 색도 및 유기물은 펜톤산화시킴으로써 법적 규제치 이하로 처리수를 생산할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 일실시예로서 전처리조(2), 혐기성 반응조(3-1, 3-2), 질산화조(4), 후처리 반응조(6)와 펜톤산화조(8)를 포함하는 축산폐수 고도처리 시스템의 개략도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1: 고액분리조 2: 전처리조

3-1: 혐기성 반응조 중 산형성 구역

3-2: 혐기성 반응조 중 탈질소 구역

4: 질산화 반응조 5: 침전조

6: 후처리 반응조

7: 탈질소 반응에 필요한 외부탄소원 공급조

8: 펜톤산화조

본 발명에 따른 축산폐수 고도처리 시스템은 크게 전처리조(2), 생물학적 탈질소화-질산화조(3-1, 3-2, 4), 후처리 반응조(6)조와 펜톤산화조(8)로 이루어진다.

본 발명에 따른 전처리를 통해 선택적으로 축산페수내의 암모니아성 질소와 인이 제거되며 이는 후속의 산발효 및 탈질소화조에서의 효율적인 질산화-탈질소화연속반응을 유발시킬 수 있다. 후처리 반응조(6)에서는 용적이 작으면서도 유지관리가 용이한 여재(media) 충진형 탈질소 반응기를 통해 전단에서 남아있는 질산화된 질소를 질소가스로 쉽게 환원시킨 후 펜톤산화조에서 인, 색도 및 추가의 유기물제거를 이룰 수 있는 공정으로서 현행 법적 규제치에 만족하는 수질을 달성할 수 있다.

하기에서, 도 1을 참고로 하여 본 발명을 더욱 자세히 설명한다.

본 발명에 따른 축산폐수 고도처리 시스템은 유입되는 축산폐수를 고액분리(1)하여 전처리조(2)로 유입시키며 전처리조(2)에서는 마그네슘염과 무기인성분을 첨가하여 혼화하는 혼화조와 침전조로 구성되며 축산폐수의 특성에 따라 약 40-60% 정도의 암모니아성 질소를 제거할 수 있도록 약품량을 조절해 준다. 이와 같은 MAP(Magnesium Ammonium Phosphate) 침전법은 축산폐수내의 암모니아성 질소만을 선택적으로 제거함으로써 고농도 암모니아성 질소의 저해를 감소시키기 위해서 MgCl₂를 마그네슘원으로 사용하여 스트루바이트(struvite) 형성을 유도한 방법이다. 일반적으로 MAP법에서는 pH 10 이상의 높은 값에서 30분 이내에 빠르게 스트루바이트 형태의 침전이 일어나지만 축산폐수의 경우 pH 8.0-8.5 정도의 높은 값을 나타내기 때문에 소량의 NaOH로도 pH를 조절할 수 있다. 또한, 발생된 침전물은 완효성 비료로서 가치가 높은 성분을 가지고 있어 비료로 재활용함으로써 슬러지의 처리비용을 절감할 수 있다. 종래기술은 대부분 고액분리외에는 전처리를 하지 않고 생물학적인 질소 제거공정으로 유입시키기 때문에 유기물/질소비가 3:1 이하로 나타나 후속의 탈질소화공정에서 공정악화의 요인을 제공할 뿐만 아니라 탈질소화에 다량의 유기물원을 필요로 한다. 그러나 본 발명의 경우는 유기물/질소를 최소한 6:1 이상으로 유지할 수 있기 때문에 후속의 질소 제거 공정에서 추가로 75% 이상의 높은 질소 제거율을 달성할 수 있다. 후속의 혐기성 반응조(3-1, 3-2)와 질산화조(4)로 구성된 생물학적 질소 제거 공정중 혐기성 반응조(3)는 10-40 ℃ 범위에서 운전되며 산형성 구역(3-1)에서는 안정적인 가수분해 반응과 산발효 반응을 유도할 수 있고 반응기 상단부인 탈질소 구역(3-2)은 탈질소화반응을 나타내는 여재충진형 복합 반응기이다. 질산화 반응조(4)는 활성슬러지 공정으로 구성되며 효율적인 질산화를 위해서 3단 이상의 다단으로 구성된다. 상술한 반응특성을 유지시킬 경우 완전한 질산화 이후 탈질소화에 소모되는 유기물 양을 전처리가 없을 때와 비교하여 약 50% 이상을 절감할 수 있기 때문에 탈질소화에 필요한 유기물의 만성적인 부족에 따른 축산폐수의 유지관리비를 크게 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다. 일반적으로 질산화된 처리수를 유입유량의 3-5배 범위에서 탈질소조(3-2)로 재순환시킬 때 전처리 처리수를 기준으로 75-80%의 총 질소 제거율을 추가로 달성할 수 있다. 또한 전술한 전처리를 통해서 축산폐수내의 암모니아성 질소의 질산화에 필요한 추가의 알칼리도 유발물질의 첨가를 배제할 수 있는 큰 장점이 있다. 일반적으로 축산폐수의 경우 타폐수에 비해 높은 알칼리도를 함유하고 있지만 유입수내의 높은 암모니아성 질소농도에 기인하여 이론적인 알칼리도 요구량의 50-60% 정도를 나타내고 있다. 전술한 처리공정이 효율적으로 운전될 경우에도 고농도 축산폐수내의 유입농도 2,000 ㎎/ℓ기준에서 약 200-250 ㎎/ℓ의 질산성 질소가유출되어 추가의 탈질소화조 도입이 불가피하기 때문에 본 발명에서는 설치가 간단하고 부지면적을 최소화할 수 있는 세라믹 충진형 후처리 반응조(6)를 설치하였으며 이 탈질소화조(6)는 유기탄소원과 반송되는 상징수를 함께 반응기의 하단부로 유입시켜 종속영양미생물에 의한 탈질소화반응이 일어나서 질산화된 질소를 무해한 질소가스로 환원시킨다. 상술한 처리공정을 통해 대부분의 오염물질은 법적규제치 이내로 처리가능하지만 인, 미량의 화학적 산소 요구량 (COD)과 심미적으로 불감을 줄 수 있는 색도의 경우에는 후속처리가 반드시 필요하며 이 문제의 해결을 위해 본 발명에서는 펜톤산화조(8)를 도입하였다.

이하, 본 발명의 실시예를 기재한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 본 발명의 바람직한 예일 뿐 본 발명이 이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예>

본 발명에 따른 폐수 처리 시스템을 평가하기 위하여, 먼저 고형물을 비교적 적게 함유한 분뇨분리형 돈사폐수를 적용하였다. 축산폐수는 축사형태에 따라 분뇨 분리식인 스크렙퍼형 축사와 분뇨합류식인 슬러리형 축사로 구분되지만, 상대적으로 고농도인 슬러리형 축산폐수의 경우에는 기존에 상용화된 고액분리기를 통해 쉽게 분뇨분리형 돈사의 수질을 달성할 수 있기 때문에 대상폐수로 분뇨분리식인 스크렙퍼형 돈사를 선정하였다. 발명의 전처리 시험에는 축산폐수내의 질소농도를 초기에 감소시키기 위해 암모니아 탈기, MAP 침전 시험, 제올라이트 흡착 등을 수행할 수 있으나 암모니아 탈기의 경우 냄새유발 및 이차오염을 유발할 수 있고 제올라이트의 경우 암모니움이온 흡착능을 제한하므로 안정적인 처리효율뿐만 아니라 부산물을 완효성 비료로 사용할 수 있는 MAP 침전법을 선정하였다.

또한, 하기 실시예에 대해서는 다음의 분석 방법을 사용하였다.

·pH: pH 미터 (유리전극법, Coring 120, TOA HM71)

·알칼리도: CaCO₃적정법

·SS (현탁 고형분): GF/C 필터를 사용하여 103 내지 105 ℃의 건조 오븐에서 2 시간 동안 건조시킨 현탁 고형분의 총량

·BOD₅: 5 일 경과후의 BOD 측정법

·CODcr: 적정법, K₂Cr₂O₇폐쇄 환류(Closed Reflux)

·TKN: 유기질소 및 암모니아 질소 측정(Micro Kjeldahl Method)

·NH₄ ⁺-N: 증류 및 적정법(Nonorganic Kjeldahl Method)

·NO₂ ^--N: 발색측정법(Colorimatric Method ,λ= 543nm)

·NO₃ ^--N: 브루신-황산염 방법(Brucine-sulfate Method, λ= 410nm)

·TP (총 인성분 함량) : 염화제1주석법(Stannous Chloride Method, λ= 690nm)

·PO₄ ^3--P: 염화제1주석법(Stannous Chloride Method, λ= 690nm)

<실시예 1>

화학적 산소 요구량 5,000-6,000 ㎎/ℓ, 생물학적 산소 요구량 3,000-3,500 ㎎/ℓ, 암모니아성 질소 1,500-2,200 ㎎/ℓ, 알칼리도 6,000-8,000, 고형물함량 851 ㎎/ℓ, pH 8.5의 전형적인 스크렙퍼형 돈사폐수를 아크릴 제작된 20ℓ 전처리조에서 실온에서 2시간 동안 반응시켰으며, 이 때 마그네슘 1714 ㎎/ℓ 및 인 2213 ㎎/ℓ를 투여하여 암모니아 1000 ㎎/ℓ를 제거하였다 (몰랄농도를 기준으로, 제거하려는 암모니아 농도와 같은 몰랄농도, 즉 Mg²⁺: NH₃-N : PO₄ ³-P = 1 : 1 : 1). 자동 온도조절 장치가 장착되고 유효용적이 5.4 ℓ인 아크릴 혐기성 반응기로서 하부가 UASB(Upflow anaerobic sludge blanket)형이고 상부가 AF(anaerobic filter)형인 복합형 혐기성 반응기를 제작하고, 여기에 상기 전처리조를 거친 폐수를 도입시켜 20-25 ℃에서 0.5-1.0 kg COD/m³·일의 유기물 용적부하 범위로 운전하였다. 이어서, 자동 온도조절 장치가 장착된 질산화조(아크릴재질로 제작, 유효용적 10L)에 도입시켜 약 25 ℃에서 0.2-0.4 kg N/m³·일의 질소 용적부하로 운전한 후, 2.5ℓ의 아크릴 후처리 반응조에 세라믹 담체((주)삼환기연제)를 충진하고, 후처리 반응조에 질산화조 유출수 1 ℓ 당 탄소원으로서의 메탄올 0.79 g을 가하여 실온에서 반응시켰으며, 유입시킨 폐수의 질소부하는 0.5-1.0 kg/Nm³·일의 질소 용적부하 범위에서 운전하였다. 최종적으로, 아크릴 재질의 1ℓ 펜톤 산화조에는 철염 500 ㎎/ℓ 및 과산화수소 750 ㎎/ℓ를 주입하여 2시간 이하로 운전하였으며, 이 때의 COD농도는 500 ㎎/ℓ이었다. 그 결과 COD 35 ㎎/ℓ(제거율 80%), TP 0.15 ㎎/ℓ(제거율 99%)의 최종 생성물을 수득하였다.

<비교예 1>

전처리 공정을 배제시키고, 후처리 반응조에 질산화조 유출수 1 ℓ 당 탄소원으로서의 메탄올 2.37 g을 가한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 공정으로 실험을 수행하였다.

상기 실시예 1과 같이 전처리 공정이 있는 실험 및 비교예 1과 같이 전처리 공정이 없는 실험을 여러차례 수행하였으며, 각각 후처리 반응조에 유입되기 전의 생성물을 취하여 총 질소량에 대해 비교한 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

	질산화조 유출수의 총 질소량 (㎎/ℓ)
	전처리 공정 있는 경우	전처리 공정 없는 경우
최대	905	1,605
평균	352	989
최소	135	789

본 발명에 따르면, 축산폐수내의 생물학적 처리가 어려운 인과 질소를 MAP 전처리를 통해 일부 제거하고 유기물/질소의 비를 크게 상승시켜 후속의 탈질소화-질산화반응을 유도함으로써 안정적이고 우수한 총 질소 제거율을 달성할 수 있다. 또한, 탈질소화-질산화반응 후 남아있는 산화된 질소는 메탄올 등을 유기물원과 함께 탈질소화 반응기로 공급하여 질소가스로 환원시키고 상기의 처리공정 후에도 남아있는 인, 색도 및 유기물은 펜톤산화시킴으로써 법적 규제치 이하로 처리수를 생산할 수 있다.

Claims

a) 축산폐수내의 암모니아성 질소와 인을 선택적으로 제거하는 전처리조;

b) 상기 전처리조를 통과한 피처리물을 산발효시켜 상부의 탈질소 구역에서 탈질소화시키는 혐기성 반응조;

c) 상기 혐기성 반응조를 통과한 처리수를 질산화시키는 질산화 반응조;

d) 상기 혐기성 반응조 및 질산화 반응조를 통과하여 잔류하는 산화된 질소를 질소가스로 제거하기 위한 탈질소화 반응을 유도하는 후처리 반응조; 및

e) 상기 후처리 반응조를 통과한 처리수로부터 인, 유기물 및 색도를 제거하고 소독효과를 내는 펜톤산화를 수행하는 펜톤산화조

를 포함하는 축산폐수 고도처리 시스템.
제1항에 있어서, 상기 전처리조가, 마그네슘염과 무기 인성분을 첨가하여 혼화하는 혼화조 및 침전조로 구성되며 MAP(Magnesium Ammonium Phosphate) 침전법을 사용하여 유기물/질소 비율을 6:1 이상으로 유지함으로써 탈질소 효율을 개선시킨 것인 축산폐수 고도처리 시스템.
제1항에 있어서, 상기 혐기성 반응조가, 10 내지 40 ℃의 운전 온도에서 가수분해 반응 및 산발효 반응을 유도하는 하단의 산형성 구역, 및 유기물 양을 50% 이상 절감하면서 질소 제거율이 75% 이상인 상단의 탈질소 구역으로 이루어진 것인축산폐수 고도처리 시스템.