KR100783789B1

KR100783789B1 - 하수처리장치 및 이를 이용한 하수처리방법

Info

Publication number: KR100783789B1
Application number: KR20070046575A
Authority: KR
Inventors: 이철; 김현배; 안동근; 남해욱; 고주형; 윤주환; 이찬호; 한진희; 권민
Original assignee: 주식회사 포스코건설
Priority date: 2007-05-14
Filing date: 2007-05-14
Publication date: 2007-12-10

Abstract

본 발명은 하수처리시 탈질효율을 향상시켜 유출수에 질소가 함유되어 수계의 환경을 저해하는 것을 방지하는 하수처리장치 및 이를 이용한 하수처리방법에 관한 것으로, 하수를 유입시켜 침전시키는 1차침전조와, 상기 1차침전조의 유출수를 미생물을 이용하여 질산화시키는 호기조를 포함하는 미생물반응조와, 상기 미생물반응조의 미생물 슬러지를 침전시키는 2차침전조와, 상기 2차침전조의 유출수가 수용되며, 내부의 담체를 통해 탈질하는 탈질반응조 및 상기 탈질반응조의 유출수에 포함된 부유물을 내부의 여재를 통해 제거하며 상기 유출수의 잔존 질산염을 제거하는 탈질여과조로 이루어져, 하수처리시 최종 유출수의 질소함유량을 저감시켜 수계의 생태환경에 악영향이 미치는 것을 예방함으로써 안정적인 유출수질을 확보할 수 있는 효과가 있다.

하수처리, 탈질공정, 탈질반응조, 탈질여과조, 외부탄소원, 담체

Description

하수처리장치 및 이를 이용한 하수처리방법{APPARATUS FOR WASTEWATER TREATMENT AND METHOD FOR WASTEWATER TREATMENT USING THE SAME}

도 1은 본 발명의 하수처리장치를 나타내는 개념도.

도 2a는 여과율에 따른 NO₃ 제거율을 나타내는 그래프.

도 2b는 여과율에 따른 부유물 제거율을 나타내는 그래프.

도 3은 외부탄소원 주입량에 따른 NO₃제거율을 나타내는 그래프.

도 4는 온도에 따른 NO₃제거율을 나타내는 그래프.

도 5는 본 발명의 하수처리방법을 장기적으로 운전하여 NO₃제거율의 변화를 나타내는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 1차 침전조 20: 혐기조

30: 무산소조 40: 호기조

50: 2차 침전조 60: 탈질반응조

70: 탈질여과조

본 발명은 하수처리장치 및 이를 이용한 하수처리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하수처리공정의 탈질효율을 향상시켜 유출수에 질소가 함유되어 수계의 환경을 저해하는 것을 방지 한 하수처리장치 및 이를 이용한 하수처리방법에 관한 것이다.

일반적으로, 하수처리는 유입하수를 1차침전 후에 혐기조, 무산소조, 호기조로 구성되는 미생물반응조에서 미생물을 이용하여 처리시킨 후에 다시 2차 침전지에서 침전 방류하는 방법을 택하고 있다.

이때, 미생물반응조에서 생산된 미생물을 슬러지(sludge)라고 하며, 이는 2차 침전조에서 침전된다. 침전된 슬러지는 일부 미생물반응조로 순환되고, 일부는 방출되어 폐슬러지 처리되는 공정으로 이루어진다

한편, 이와 같은 하수처리 흐름에서 수계로 방류되는 유출수에는 유량에 비하여 질소농도가 높아 수계의 생태환경을 저해하는 요인으로 작용하는 문제점이 있었다.

즉, 하수종말처리시설 운영실태분석 보고서(2005년, 환경부)를 보면, 일반하수처리장에서 유입수와 방류수의 T-N(총질소)평균농도는 각각 32.1; 16.3mg/L로 제거율은 약 49%에 불과하며, 일부 하수처리장에서는 T-N의 연평균 방류수질이 수질 기준을 초과하였다.

한편, 고도처리시설로 운영중인 하수처리장 152개소의 평균 T-N 유출수질은 13.0mg/L로 재이용수질 권고기준인 10mg/L를 크게 상회하고 있다. 이는 고도처리시설로 운영되는 하수처리장의 유출수가 하천유지를 위해 수계로 방류되기에도 적합하지 않다는 것을 의미한다. 따라서 추가적인 질소제거의 필요성이 대두되고 있으며, 하수처리장 유출수 중 T-N의 대부분은 질산염(NO₃) 형태로 존재하므로 이러한 질산염을 추가적으로 제거할 수 있는 후탈질 공정이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 하수처리시 최종 유출수의 질소함유량을 저감시켜 수계의 생태환경에 악영향이 미치는 것을 예방함으로써 안정적인 유출수질을 확보할 수 있는 하수처리장치 및 이를 이용한 하수처리방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명의 하수처리장치는, 하수를 유입시켜 침전시키는 1차침전조와, 상기 1차침전조의 유출수를 미생물을 이용하여 질산화시키는 호기조를 포함하는 미생물반응조와, 상기 미생물반응조의 미생물 슬러지를 침전시키는 2차침전조와, 상기 2차침전조의 유출수가 수용되며, 내부의 담체를 통해 탈질하는 탈질반응조 및 상기 탈질반응조의 유출수에 포함된 부유물을 내부의 여재를 통해 제거하며 상기 유출수의 잔존 질산염을 제거하는 탈질여과조를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 하수처리방법은, 하수를 유입시켜 침전시키는 1차 침전공정과, 상기 1차 침전공정의 유출수를 미생물을 이용하여 호기조건에서 질산화시키는 공정을 포함하는 미생물반응공정과, 상기 미생물반응공정의 미생물 슬러지를 침전시키는 2차 침전공정과, 상기 2차 침전공정의 유출수가 수용되며, 상기 유출수에 외부탄소원을 투입하고 내부의 담체를 통해 탈질하는 탈질공정 및 상기 탈질공정의 유출수에 포함된 부유물을 제거하며, 상기 유출수의 잔존 질산염을 제거하는 탈질여과공정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고로 하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 하수처리장치를 나타내는 개념도이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 하수처리장치는, 하수를 유입시켜 침전시키는 1차침전조(10)와, 상기 1차침전조(10)의 유출수를 미생물을 이용하여 처리하는 미생물반응조와, 상기 미생물반응조의 유출수를 침전시키는 2차침전조(50)와, 탈질을 위한 탈질반응조(60) 및 부유물을 내부의 여재를 통해 제거하기 위한 탈질여과조(70)로 구성된다.

상기 미생물반응조는, 혐기조(20)와 무산소조(30) 및 호기조(40)로 구성된 미생물반응조에 1차침전조(10)를 통과한 처리수를 유입시켜 질소(N), 인(P) 및 유 기물질을 제거한다. 즉, 상기 1차 침전공정 이후 혐기조에서 인(P)을 방출하고 무산소조(30)에서 호기조(40)로부터 반송되는 내부반송수 내의 질산염(NO₃)을 탈질하며, 호기조(40)에서 유기물 산화, 질산화, 인(P) 축적하는 순서로 미생물을 처리한다.

한편, 상기 미생물반응조는 혐기조(20), 무산소조(30) 및 호기조(40)로 구성된 생물학적 질소, 인 제거공정뿐만 아니라, 표준활성화슬러지공정과 같이 전체가 하나의 호기조(40)로 이루어질 수 있다. 즉, 본 발명은 종래의 생물학적 질소, 인 제거공정뿐만 아니라 표준활성화슬러지공정 등과 같이 호기조(40)를 포함한 공정에 동일하게 적용될 수 있는데, 이하에서는 전자를 중심으로 설명하기로 한다.

탈질반응조(60)에는 담체가 부피비 10%로 충진되어 미생물이 담체에 부착됨으로써 상기 미생물이 부유되어 유출되는 것을 방지하여 탈질반응조(60) 내의 미생물의 농도를 조절하게 된다. 이때, 탈질반응조(60)에는 교반기가 마련되어 상기 담체의 부유를 촉진시키는 것이 바람직하다. 또한, 상기 담체는 폴리우레탄의 스폰지형 또는 폐타이어를 가공한 유동상 담체가 적용될 수 있다.

탈질반응조(60)는 유출수에 포함된 부유물을 내부에 일정높이로 이루어진 모래층(여재)을 통해 제거하여 최종 유출시킨다.

이하, 상기와 같은 구성을 갖는 하수처리장치를 이용한 하수처리방법에 대해 설명한다.

본 발명의 하수처리방법은, 1차 침전공정→ 미생물반응공정→ 2차 침전공정→ 탈질공정→ 탈질여과공정의 순으로 이루어진다.

1) 1차 침전공정은, 하수처리장의 하수를 1차침전조(10)에 유입시켜 하수 내의 부유 고형물질을 침전시킨 다음 처리수를 미생물반응공정으로 방출한다.

2) 미생물반응공정은, 혐기조(20)와 무산소조(30) 및 호기조(40)로 구성된 미생물반응조에 1차침전조(10)를 통과한 처리수를 유입시켜 질소(N), 인(P) 및 유기물질을 제거한다. 즉, 상기 1차 침전공정 이후 혐기조(20)에서 인(P)을 방출하고 무산소조(30)에서 질산염(NO₃)을 탈질하며, 호기조(40)에서 유기물 산화, 질산화, 인(P) 축적하는 순서로 처리한다.

3) 2차 침전공정은, 상기 미생물반응공정에서 생산된 미생물을 2차침전조(50)에 침전시켜 제거하고, 이때, 침전된 미생물(슬러지)의 일부는 미생물반응공정 중의 혐기조(20)로 반송되고 나머지 슬러지는 폐슬러지처리된다.

4) 탈질공정은, 상기 2차침전조(50)의 유출수가 수용되는 탈질반응조(60)에 외부탄소원을 투입하여 탈질반응조(60)에 수용된 미생물에게 탄소를 공급하게 된다.

한편, 탈질반응조(60)에는 담체가 충진되어 미생물이 담체에 부착됨으로써 상기 미생물이 부유되어 이탈되는 것을 방지하여 탈질반응조(60) 내의 미생물의 농도를 조절하게 된다.

즉, 상기 미생물은 질산염을 탈질시키는 탈질균의 역할을 수행하는 것이며, 이 탈질균에 외부탄소원을 주입하여 탄소원을 공급함으로써 탈질반응을 활성화시키는 것이다.

5) 탈질여과공정은, 탈질반응조(60)의 유출수에 포함된 부유물을 탈질여과조(70)의 여재를 통해 제거하여 최종 유출시킨다. 이때, 탈질여과공정에는 탈질반응조(60)에서 투입된 외부탄소원이 잔존하여 탈질여과조(70) 내에서 미생물에 탄소원을 공급함으로써 부가적인 탈질이 이루어지게 된다. 따라서 탈질여과공정에서는 부유물제거뿐만 아니라 2차 탈질도 이루어지는 것이다.

이와 같은 공정을 갖는 본 발명의 하수처리방법의 작용에 대해 살펴보면 다음과 같다.

도 2a는 여과율에 따른 NO₃ 및 부유물 제거율을 나타내는 그래프이고, 도 2b는 여과율에 따른 부유물 제거율을 나타내는 그래프이다.

도 2a 및 도 2b와 같이, 탈질여과조(70)의 여재에 대한 여과율을 50 m³/m²ㆍd에서 150 m³/m²ㆍd까지 변화시켰는데 질소 제거율과 부유물 제거율 모두 크게 영향을 받았다.

즉, 여과율이 50~100m³/m²ㆍd일 때 부유물 제거율은 81.6%~79.4%로 거의 변화가 없었으나 150m³/m²ㆍd에서 52.4%로 감소하였다. 한편, NO₃ 제거율은 여과율 100m³/m²ㆍd에서 68.1%였으나, 150m³/m²ㆍd에서 50.4%로 감소하였다. 따라서 탈질여과조(70)의 적정 여과율은 50~100m³/m²ㆍd가 바람직한 것을 알 수 있다.

도 3은 외부탄소원 주입량에 따른 NO₃제거율을 나타내는 그래프이다.

호기조(40)에서 질산화된 유출수의 탈질을 위해 투입되는 외부탄소원의 투입량은, 이론량(이론적 탄소원 요구량)의 0%, 50% 및 100%의 메탈올을 투입하였으며 도 3과 같이, 이론량의 100%에 해당하는 메탄올이 투입되었을 때 탈질율은 70.2%로 가장 효율적 것을 알 수 있다. 이때, 상기 이론량은 경험식(McCarty et al., 1969)에 의거하여 산정할 수 있다.

Cm = 2.47 N₀ + 1.53 N₁ + 0.87 D₀

여기서, Cm = 메탄올 요구량(Methanol requirement)(mg/L)이고, N₀ = NO₃ ^--N (mg/L)이며, N₁ = NO₂ ^--N(mg/L)이고, D₀ = DO(mg/L)이다.

즉, 수학식 1에 의해 산출된 값을 이론적 탄소원 요구량 100%으로 가정하여 0%, 50% 및 100%를 투입한 것이다.

도 4는 온도에 따른 NO₃제거율을 나타내는 그래프이다.

도 4와 같이 탈질반응조(60) 및 탈질여과조(70)의 반응온도를 18℃에서 30℃로 변화시켰을 때 NO₃제거율은 65.7%~70.5% 사이를 안정적으로 유지하는 것을 알 수 있어 온도는 크게 영향을 끼치지 않는 것을 알 수 있다.

도 5는 본 발명의 하수처리방법을 장기적으로 운전하여 NO₃제거율의 변화를 나타내는 그래프이고, 표 1은 장기 운전시에 운전조건을 나타낸다.

표 1과 같이, 상술한 바와 같은 조건으로 장기적으로 운전한 경우 여과율이 지나치게 높았던 경우(Mode 3)와 외부탄소원이 요구량보다 적게 주입된 경우(Mode 4, 5) 이외에, 정상적인 운전 조건(Mode 6, 7, 8, 9)에서는 70% 내외의 높은 탈질율을 보이는 것을 알 수 있다.(도 5와 같이) 즉, 여과율이 50~100m³/m²ㆍd이고, 외부탄소원 투입량이 100%의 조건으로 운전한 Mode 6 내지 Mode 9가 가장 효율적인 NO₃제거율을 보이는 것을 알 수 있어 가장 효율적인 운전조건임을 알 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 하수처리장치 및 이를 이용한 하수처 리방법은, 하수처리시 탈질반응조에 외부탄소원과 담체를 통해 탈질하고 탈질여과조에서 부유물을 제거하고 부가적인 탈질이 이루어져 최종 유출수의 총질소 농도를 저감시켜 수계의 생태환경에 악영향이 미치는 것을 예방할 수 있는 효과가 있다.

Claims

하수를 유입시켜 침전시키는 1차침전조;

상기 1차침전조의 유출수를 미생물을 이용하여 질산화시키는 호기조를 포함하는 미생물반응조;

상기 미생물반응조의 미생물 슬러지를 침전시키는 2차침전조;

상기 2차침전조의 유출수가 수용되며, 내부의 담체를 통해 탈질하는 탈질반응조; 및

상기 탈질반응조의 유출수에 포함된 부유물을 내부의 여재를 통해 제거하며, 상기 유출수의 잔존 질산염을 제거하는 탈질여과조를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 하수처리장치.
제1항에 있어서,

상기 담체는,

폐타이어를 가공한 유동상 담체 또는 폴리우레탄 담체인 것을 특징으로 하는 하수처리장치.
제1항에 있어서,

상기 여재의 여과율은 50~100m³/m²ㆍd인 것을 특징으로 하는 하수처리장치.
하수를 유입시켜 침전시키는 1차 침전공정;

상기 1차 침전공정의 유출수를 미생물을 이용하여 호기조건에서 질산화시키는 공정을 포함하는 미생물반응공정;

상기 미생물반응공정의 미생물 슬러지를 침전시키는 2차 침전공정;

상기 2차 침전공정의 유출수가 수용되며, 상기 유출수에 외부탄소원을 투입하고 내부의 담체를 통해 탈질하는 탈질공정; 및

상기 탈질공정의 유출수에 포함된 부유물을 제거하며, 상기 유출수의 잔존 질산염을 제거하는 탈질여과공정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 하수처리방법.
제4항에 있어서,

상기 외부탄소원은 메탈올로서, 이론량 대비 100%가 투입되며,

상기 이론량은 하기 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 하수처리방법:

Cm = 2.47 N₀ + 1.53 N₁ + 0.87 D₀

{여기서, Cm = 메탈올 요구량(mg/L), N₀ = NO₃ ^--N(mg/L), N₁ = NO₂ ^--N(mg/L), D₀ = DO(mg/L)}