KR20050113310A

KR20050113310A - 폐표고목의 생물막목편을 이용한 하수의 고도처리방법

Info

Publication number: KR20050113310A
Application number: KR1020040037344A
Authority: KR
Inventors: 정동균
Original assignee: 유림환경건설(주)
Priority date: 2004-05-25
Filing date: 2004-05-25
Publication date: 2005-12-02

Abstract

본원은 하수의 오염원을 미생물을 이용하여 분해 처리하는 하수처리방법 그

장치와 시스템에 관한 것으로서 종래의 하수처리공법을 보완 수정하여 설치 공간을 최소화하면서도 처리효율은 극대화 하여 최초 시공 및 사후 관리비가 적게 드는 경제적인 하수처리 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

더욱 구체적으로 본원은 A₂O공법에 접촉산화공정을 접목시키는 구조의 형태로서 버섯 재배 후 폐기물로 버려지는 폐표고목(참나무)을 일정형상으로 가공하여 접촉질화조에 충진 함으로써 충진 된 생물막목편에 고착미생물이 부착 성장하여 장시간의 체류시간이 필요한 질산화미생물의 체류시간을 확보하여 줌으로서 고도처리의 효율을 최대한 끌어 올릴 수 있고 호기조 내 미생물의 농도를 고농도로 유지할 수 있게 조성하여 줌으로서 짧은 시간에 유기물을 산화시킬 수 있게 하고자 하며 폐표고목에서 증식된 목재부후균에 의해 난분해성유기물을 제거할 수 있도록 하고자 하는 것으로 목편을 이용함으로써 2차오염의 우려가 없는 자연친화적이며 환경친화적인 하수처리 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

Description

폐표고목의 생물막목편을 이용한 하수의 고도처리방법{Oak filter bed for wastewater treatment method}

본 발명은 도시에서 발생하는 제반 하수 및 축산 분뇨, 가정에서 배출되는 오수 등을 정화 처리하는 하수처리방법, 그 장치 및 시스템에 관한 것이다.

급속한 산업화와 도시인구의 증가에 기인하여 생활하수와 공장폐수가 그대로 하천으로 방류 및 흘러들게 하여 상수원으로 이용되는 수자원의 오염을 초래 하고 있고 더 나아가 자연 생태계의 파괴를 가져옴으로써 각종 기상이변과 환경오염, 각종 질병을 유발하고 있는 것이 오늘의 현실이다.

이 수질오염을 줄이고자 각 지방자치단체별로 여러 곳에 하수처리장 등을 설치하여 오염물질의 배출을 최소화하고 정화시키기 위한 노력을 기울이고 있다.

종래에 하수를 정화처리하기 위한 방법으로 활성슬러지법 및 접촉산화법 등이 이용되어 왔다.

활성슬러지법은 하수 중에 포함된 오염물질인 유기물질, 질소, 인 등을 제거하기 위한 것으로 이러한 오염물질을 제거하기 위하여, 지금까지 개발된 생물학적 영양소 제거공정은 연속유입식 활성슬러지법과 회분식 활성슬러지법으로 구분되어 사용되어 왔다.

연속유입식 활성슬러지법에는 A/O(Anaerobic / Oxic), A₂/O(Anaerobic, Anoxic, Oxic), UCT(University of Cape Town), MUCT(Modified Univerisity of Cape Town,) VIP(Virgina Initiative Plant)등이 공법이 있다.

그 중에 A₂/O공법은 생물학적 질소와 인을 동시에 제거하기 위하여 혐기, 무산소, 호기를 조합한 공정이다.

본원은 A₂/O공법에 접촉산화공정을 접목시키는 구조의 처리방법을 제공하고자 한다.

생활하수는 일반적으로 시간대에 따라 시간최대 유입유량이 시간평균 유입량의 2.5배 정도까지 불규칙하게 유입되는 상황이므로, 유량 조정조가 없는 경우에는 반응조에서 처리 효율이 급격히 저하된다. 또한 이를 일정량이 유입되도록 조절하고자 하면 유량조정조의 용량이 과대해저 시설 면적 및 초기 시설투자비가 커지게 되는 문제점을 갖는다.

또한 활성슬러지법의 경우 슬러지 발생량이 많고 호기조에 서식하는 미생물의 종류가 단순하여 부하변동에 약하고 계(界)의 붕괴 시 회복시키기 어려운 문제점을 갖는다.

또한 겨울철 온도 저하로 질산화 미생물의 활성이 줄어들어 질소제거에 많은 어려움이 발생된다.

이러한 제반 문제점들을 경감시키고자 최근에는 막을 이용하여 기존의 고액분리공정과 여과공정을 대체시키는 막분리 공정이 상용되기도 한다.

막분리 공법은 종래의 침전지를 여과모듈로 대체한 것으로, 고형물의 분리 효율이 침전지 보다 안정적이고 우수하며 침전지에 해당하는 구조물의 일부를 줄일 수 있다. 그러나 초기 시설비가 과다하며 여과모듈의 관리를 위한 전문 인력이 필요하며 여과막의 파손이나 막힘 등의 문제가 발생되어 유지 보수하는데 많은 어려움이 있다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 고려하여 이를 해결하기 위하여 생물막목편을 이용한 고도처리 기술을 개발하고자 하는 것으로서 본원은 A₂/O공법에 접촉산화공정을 접목시키는 구조의 형태로서 버섯 재배 후 폐기물로 버려지는 폐표고목(참나무)을 일정형상으로 가공하여 접촉질화조에 충진 함으로써 충진 된 생물막목편에 고착미생물이 부착 성장하여 장시간의 체류시간이 필요한 질산화미생물의 체류시간을 확보하여 줌으로서 고도처리의 효율을 최대한 끌어 올릴 수 있고 호기조 내 미생물의 농도를 고농도로 유지할 수 있게 조성하여 줌으로서 짧은 시간에 유기물을 산화시킬 수 있게 하고자 하며 폐표고목에서 증식된 목재부후균에 의해 난분해성유기물을 제거할 수 있도록 하고자 하는 것이다.

표고버섯을 3년간 재배하고 난 참나무를 일정한 모양으로 가공하여 생물막목편 담체를 만들고 이를 접촉질화조에 충진하여 부유미생물과 부착미생물을 복합 증식시킴으로서 유입수의 부하변동에 적응성을 크게하도록 하며 증식속도가 느린 질산화 미생물 등을 고정화하여 유기물 및 질소를 효율적으로 제거시키게 하며 생물막목편에 고착한 부착미생물에 의한 유기물의 산화와 슬러지를 먹이로 하는 원생동물, 후생동물을 공존시켜 슬러지 발생량을 줄여 유지관리가 쉽고 적은 운전비용으로 유기성 오염물질과 영양염류를 효과적이고 안정적으로 처리할 수 있게 함으로서 깨끗한 처리수질을 확보할 수 있는 고도 하폐수처리 방법 및 그 시스템을 제공 하고자 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 생물막목편 담체를 만들고 이를 접촉질화조(12)에 충진하여 유기물 및 영양염류를 제거하는 것을 특징으로 하는 하폐수처리 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.

즉 A₂/O공법에 의해 하수의 오염원을 미생물을 이용하여 분해 처리하는 하수처리 시스템에서 A₂/O공법에 접촉산화공정을 접목시키는 구조로 버섯 재배 후 폐기물로 버려지는 폐표고목(참나무)을 일정형상으로 가공하여 접촉질화조에 충진시키고자 호기성 생물 반응조를 생물활성조 및 접촉질화조 2개의 구간으로 나누고 접촉질화조 구간에 참나무목편을 이용한 생물막담체를 충진하는 하수의 고도처리시스템에 관한 것으로, 참나무목편은 3년간 표고버섯을 재배한 표고목을 세로로 6등분하여 내부중심각이 <60°의 삼각형 형태로 재단하며, 접촉질화조에 충진되는 생물막담체는 격자 모양을 이루어 적층되되 접촉질화조의 60 내지 80 %의 부피를 차지하도록 적층되는 구조의 하수 고도처리시스템에 관한 것이다.

상기의 생물막목편은 3년이상 표고버섯 재배에 사용된 참나무에 부착되어 있는 목재부후균을 이용하여 최초종균이 가능하고 균주에 의해 폐수처리가 효율적으로 이루어질 수 있고 균의 서식환경이 자연적으로 수중에서 재확립되어 미생물의 추가 공급이 필요 없게 된다.

상기의 목재부후균에 의해 수중의 난분해성 물질인 샐룰로오즈와 리그닌등을 효과적으로 제거할 수 있다.

목재부후균은 목재에 기생하는 균사체을 총칭하는 것으로서 이러한 균사체를 영양섭취 방법에따라 분류하면,

① 부생균 : 짚이나 풀 등이 발효한 퇴비에서 발생하는 종류로서 양송이에서 볼 수 있다.

② 목재부후균 : 표고버섯, 목이버섯, 팽나무버섯, 느타리버섯, 잎새버섯 등과 같이 스스로 가지고 있는 효소의 작용으로 목재를 부패시켜 필요한 영양분을 섭취하는 것이다. 이것은 원목을 그대로 써서 재배하지만 본래는 썩은 나무에 많이 발생한다. 이들 종류는 소화되지 않는 다당류인 셀룰로오스, 리그닌 등을 스스로의 효소에 의하여 대사에 이용할 수 있는 성분으로 분해하는 것이다.

③ 균근류 : 송이, 초버섯, 그물버섯, 파리버섯 등과 같이 공생식물이 되는 수목의 잔뿌리와 함께 산다. 균근이라는 균과 뿌리를 연결하는 특수기관을 만들어 영양분을 흡수하여 생활하고 있기 때문에 활물기생균이라고도 하는데, 보통 공생관계를 지고 있다.

④ 기생균 : 살아 있는 동식물체에 일방적으로 영양분을 흡수하여 생활하는 종류이다. 뽕나무버섯은 수목에 기생하고, 동충하초라는 버섯은 곤충이나 거미 등에 기생하는 것이다. 따라서 목재부후균을 이용하여 하수의 난분해성 유기물의 성분중 식물의 섬유질인 셀룰로오즈와 리그닌을 분해시킬 수 있도록 이용되는 것이다.

상기 생물막목편은 외부를 스태인레스 재질의 철망이나 합성수지재 또는 합성섬유재을 이용하여 목편이 이탈되지 않도록 감싸주는 구조를 이룰 수 있다.

상기 접촉질화조의 생물막목편에서 탈리되는 고형물은 생물활성조로 반송하여 순환되면서 재처리 되어 질 수 있다.

본 발명의 따른 처리공정을 구체적으로 설명 하면 다음과 같다.

본 발명의 생물막목편을 이용한 하수의 고도처리방법은 유량조정조(7), 혐기조(9), 무산소조(10), 생물활성조(11), 접촉질화조(12)를 주 공정으로 하여 이루어지는 정화처리시스템으로 각 주요 처리공정에서의 기능과 원리를 살펴보면, 유량조정조에서는 유입오수량을 일정시간 보관하였다가 이송시킴으로 미생물의 충격부하를 최소화 시키는 유량조정기능을 감당하며, 혐기조에서는 유입된 유기물이 발효기질(Fermentation substrate)로 전환되어 미생물의 인방출 시 소모되는 기능을 하게 된다.

무산소조에서는 유기물이 탈질미생물에 의해 접촉질화조에서 반송되어진 질산염의 탈질시 전자공여체로 이용되면서 유기물을 제거시키게 된다.

생물활성조(11) 및 접촉질화조(12)에서의 유기물 제거작용을 살펴보면 호기성 미생물이 유산소하에서 효소(enzyme)를 이용하여 폐수내의 유기원을 산화 분해하여 에너지를 얻고 이중 일부를 원형질로 형성하게 되는데 이를 화학 양론적으로 표시하면,

C₅H₇NO₂ + 5O₂--Enzyme--> 5CO₂+ 2H₂O + NH₃- △H 로 나타낼 수 있다.

접촉질화조의 질산화 기구를 좀더 구체적으로 살펴보면 생물막목편에 질산화 미생물인 NItrosomons, Nitrobactor등의 미생물이 부착, 부유 성장함으로서 미생물 활성을 높여 질소처리 효율을 증대시키고, 부착미생물의 생물막에 혐기/호기상태가 유지되어 자체에서 질산화/탈질이 동시에 이루어지며, 부착 미생물을 활용함으로서 유입부하변동에 유동적으로 대처시키는 기능을 감당하는 것으로 파악된다.

NH₄+ + O₂ ---Nitrosomonas---> NO₂- + 4H+

NO₂- + O₂ ----Nitrobactors---> NO₃-

무산소조에서의 탈질화를 살펴보면 무산소조에서는 접촉질화조에서 산화된 NO₃-N이 반송되어 탈질균의 호흡을 통해 N₂로 환원되어 대기로 방출 되는 메카니즘으로 인식된다.

- NO₃ - ----Preudomonas---> NO₂-----Preudomonas---> N₂↑

무산소조에서 생물활성조로 이송된 슬러지는 호기상태의 활성슬러지에 의해 유기물이 산화되고 산화된 슬러지는 접촉질화조로 이송되어 미처리된 유기물을 산화시키고 부착미생물롸 부유미생물에 의해 질산화가 이루어지게 된다.

부가적으로 설명하면 생물활성조는 일반적인 하수처리시설의 호기성조와 같은 역할을 한다. 따라서 1차적으로 BOD를 제거하고 활성화된 슬러지가 접촉질화조로 이송된다.

이송된 활성슬러지는 접촉질화조의 부착미생물과 공생하면서 슬러지의 탈리와 부착을 원활히 하고 여재의 폐쇄현상을 감소시키며 접촉여재에 생긴 생물막에 질산화 미생물이 고정되면서 질산화율을 증가시키고 다량의 미생물을 부착하여 높은 MLSS를 유지하게 된다. 또한 접촉여재의 부착 미생물과 부유미생물이 공존하므로 동절기의 수온(8~11℃)저하 시에도 안정적인 고도처리가 가능하며 부착미생물에 의해 유기물산화와 슬러지를 먹이로 하는 후생동물의 공존으로 슬러지 발생량이 감소하게 된다.

본원의 도1에 제시된 처리공정을 각 단계별로 다시 설명하여 보면,

1, 하수의 유입량이 시간별로 집중되는 첨두유량을 일정시간 보관하여 일정량씩 이송함으로써 미생물의 충격부하를 최소화 하는 유량 조정 단계와(1),

2, 드럼스크린에 의해 대형 및 미세한 고형 협잡물을 제거하는 미세협잡물 분리단계와(2),

3, 접촉 질화조에서 반송 되어진 질산화된 질소를 탈질균을 이용하여 탈질하고 과잉 섭취된 인을 제거하는 영양염류 제거 단계와(3),

4, 유기물을 물과 이산화탄소로 분해하고 암모니아성 질소를 질산성 질소로 산화시키는 생물학적처리단계(4),

5. 생물학적 처리가 끝난 하수로부터 발생된 오니등을 침전조 및 부가처리공정에 의해 정화된 처리수와 분리하는 오니 분리 단계(5),

6. 정화 처리된 하수를 방류하기 위한 방류 단계(6)로 파악될 수 있다.

이하 도면2 을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

도2은 본 발명에 따른 생물막목편을 이용한 하수의 고도처리방법의 일 실시예로서의 본원의 처리 계통도이다.

가정에서 발생된 하수원수(7)는 관로를 통해 유량 조정조에(8)공급되어진다.

유량조정조(8)에 유입되는 하수는 계절별 시간별로 첨두유량(尖頭流量)이 발생하게 된다. 특히 유입량이 소규모일수록 첨두유량의 발생 및 빈도가 커지게 된다. 이러한 첨두유량이 발생하게 되면 생물학적처리단계 에서의 미생물에 일시적인 빈부하 또는 과부하가 발생하게 되고 이로 인해 미생물의 서식조건이 악화되어 방류수질에 막대한 영향을 미치게 된다. 이러한 폐단을 막기 위해 유량조정조를 설치하고 다음 단계인 미세협잡물 분리단계를 거처 영양염류 제거단계로 일정량씩 하수를 공급하게 된다. 유량조정조(8)에서 수중펌프를 이용하여 미세드럼스크린(간극 1mm)에 일정량씩 하수를 공급하며 협잡물 및 침사물을 제거하여 고형물로 반출하며 고형물이 분리된 처리수는 생물학적처리 단계인 혐기조(10)로 이송된다.

혐기조(10)에서는 인을 생물학적으로 제거하기 위한 시설로, 혐기성미생물에 의해 유기물을 PHB(Poly Hydroxyl Butyrate)형태로 저장하고 Polyphosphate의 가수분해에 의해 발생되는 에너지를 이용하여 인을 방출시키게 된다. 또한 교반기를 설치하여 오니를 교반하여 줌으로서 유입오니와 침전조(14)에서 반송되어진 잉여오니의 혼합을 유도하고 오니의 침전을 방지한다. 혼합된 오니는 도관을 통해 무산소조로 (11) 이송된다.

무산소조(11)에서는 생물활성조와(12) 접촉질화조를(13) 거쳐 산화된 질산염(NO₃-N)과 아질산염(NO₂-N)이 이송펌프에 의해 도관으로 이송되어 혐기조에서(10) 처리된 원수와 교반기에 의해 혼합되어 탈질이 이루어진다. 탈질이 완료된 오니는 유기물처리단계인 생물활성조로(12) 자연유하로 이송된다.

생물활성조(12)에는 부유 미생물에 의해 유기물제거가 이루어지며 미처리된 오니는 다음단계인 접촉 질화조로(13) 자연유하로 이송된다.

접촉 질화조에서는(13) 생물활성조에서(12) 미처리된 유기물을 제거하고 부유 및 부착미생물에 의해 질산화를 유도한다. 특히 생물막목편(참나무)을 침지시켜 미생물을 부착성장시켜 질산화 미생물의 체류시간을 늘려 줌으로서 증식 속도가 느린 질산화미생물의 성장을 촉진시킨다. 생물막 목편은 접촉질화조(13)의 60~80%로 충진하며 격자 형태(도면3.)로 쌓아올린다. 또한 접촉질화조에서(13) 활성오니를 생물활성조로(12) 반송하여 부유미생물과 부착미생물의 원활한 혼합을 유도한다.

접촉질화조의(13) 질산염과 아질산염은 무산소조와(11) 혐기조로(10) 각각 90%와 10% 정도 반송되어 탈질과 탈인 과정을 거치게 된다.

유기물과 영양염류가 제거된 활성오니는 침전조로(14) 이송되어 고액이 분리되며 고형분중 95%는 혐기조로 이송되며 나머지 5%는 오니농축조로(18) 이송되어 액상으로 방출 된다. 또한 액성분은 여과수조에(15) 일시 저장되어 일정량씩 모래여과기로(16) 이송된다.

모래여과기는(16) 침전조를(14) 거쳐 온 처리수중 남아있는 고형물질(SS)을 제거하여 고형분은 역세펌프를 이용하여 세척하여 유량조정조로(8) 이송하여 재처리 되며 나머지 처리수는 소독방류조로(17) 이송된다.

소독방류조로 이송된 처리수는 약품에 의해 살균되어 최종적으로 하천으로 방류된다.

[실시예]

본원의 하수 처리방법의 처리효율을 확인하기 위한 실험으로 양돈농가가 다수 있는 경기도 양평군 옥천면 00마을 하수도(가구수20호)의 유입수를 원수로 이용하고자 하였으며 아래 표1에 제시하는 규격으로 혐기조, 무산소조, 생물활성조, 접촉질화조 등의 반응처리조를 만들었다.

표1. 본원의 표고목 접촉여재를 사용하기 위한 처리조 설치규격.

구 분	규격(폭높이길이)	수 량	유효용량(L)	체류시간(h)
혐기조	500W300H450L	1	63 L	1.50
무산소조	500W300H650L	1	92 L	2.20
생물활성조	500W300H900L	1	130 L	3.12
접촉질화조	500W300H1300L	1	185 L	4.44
접촉여재(목편)	450W250H1200L	1	130 L

※ 상기규격은 1㎥/d 처리기준의 용량으로 설계하고 생물막 담체의 접촉질화조의 용적에 70%로 적층한 구조임.

본원의 생물막 목편을 이용한 고도처리시설로 처리한 결과를 실험결과1로, 종래의 A2O공법으로 처리한 결과를 실험결과2로 분석치를 얻었다.

상기 조건에서의 처리결과는 표2와 같다.(표2 의 데이터는 6개월간 실험하여 데이터를 평균한 값이다)

표 2.

구 분	분석항목	실험결과1	실험결과2
원 수	CODBODSST-NT-P	15812472627	15812472627
처리수	CODBODSST-NT-P	13.26.24.211.31.0	22.418.47.921.42.8
처리효율	CODBODSST-NT-P	9295948285	8585896559

상기에서와 같이, 본원의 하수처리시스템 발명은 종래의 접촉산화공법과 활성슬러지공법의 단점을 보완하여 유량변화가 심한 하수를 효과적으로 유기물과 영양염류를 제거하여 하천의 오염을 방지할 수 있음을 확인하였다.

이와 같이, 본 발명은 종래의 접촉산화공법과 활성슬러지공법의 단점을 보완하여 유량변화가 심한 하수를 효과적으로 유기물과 영양염류를 제거함으로서 하천의 오염을 방지할 수 있음을 확인하였다.

특히, 폐기물로 버려지는 폐표고목을 생물막담체로 이용함으로서 폐자원의 재활용과 표고목에 접종되어진 목재부후균을 이용하여 난분해성 유기물을 안정적으로 제거하고 영양염류의 효율적인 제거가 가능하다.

또한, 기존의 하수처리시설을 보완하여 사용할수 있어 초기 설비비용을 줄일 수 있고 유지관리가 간편하여 저렴한 비용으로 안정적인 수처리 시스템을 운영할 수 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 하수의 고도처리시스템 계통도.

도 2 는 본 발명에 따른 하수의 고도처리시스템 실시예의 처리공정도.

도 3 은 본 발명의 특징인 목편의 적층구조와 배치상태도.

도 4 는 본 발명의 목편 사시도.

Claims

A₂O공법에 의해 하수의 오염원을 미생물을 이용하여 분해 처리하는 하수처리 방법에 있어서,

A₂O공법에 접촉산화공정을 접목시키는 구조로 버섯 재배 후 폐기물로 버려지

는 폐표고목(참나무)을 일정형상으로 가공하여 접촉질화조에 충진시키기 위하여 호기성 생물 반응조를 생물활성조 및 접촉질화조 2개의 구간으로 나누고 접촉질화조 구간에 참나무목편을 이용한 생물막담체를 충진하는 것을 특징으로 하는 하수의 고도처리방법.
제 1 항에 있어서,

참나무목편은 3년간 표고버섯을 재배한 표고목을 세로로 6등분하여 내부중심

각이 60°미만의 삼각형 형태로 재단 된 것을 특징으로 하는 하수의 고도처리방법.
제 1 항에 있어서,

생물막 목편담체는 외부를 스태인레스 재질의 철망이나 합성수지재 또는 합

성섬유재를 이용하여 목편이 이탈되지 않도록 망이나 틀로 감싸주는 구조를 이루는

것을 특징으로 하는 하수의 고도처리방법.
제 1 항에 있어서,

접촉질화조에 충진되는 생물막담체는 격자 모양을 이루어 적층되되 접촉질

화조의 60 내지 80 %의 부피를 차지하도록 적층되는 것을 특징으로 하는 하수의 고

도처리방법.
하수의 오염원을 미생물을 이용하여 분해 처리하는 생물막담체에 있어서,

3년간 표고버섯을 재배한 표고목을 세로로 6등분하여 내부중심각이 60°미만의 삼각형 형태로 재단되어진 것을 특징으로 하는 폐표고목 생물막 담체.