최초 침전지와 내부 반송이 없는 슬러지 재포기조를 이용한 하수고도처리시스템{Advanced sludge reaeration process without first clarifier and internal recycling for nutrient removal}

본 발명은 하수고도처리시스템에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 하수내의 각오염물질을 각각의 제거 메카니즘에 따라 효율적으로 제거할 수 있도록, 슬러지재포기조, 무산소조, 혐기조, 호환조, 호기조를 적절하게 조합하여 유입수를 분배투입함으로써, 최초 침전지 및 내부반송을 생략하여, 총 체류 시간을 감소시키고 유지관리비를 절감할 수 있는 하수고도처리시스템에 관한 것이다.

일반적인 하수고도 처리공정은 최근 생활하수, 산업폐수, 축산폐수 등 오염물의 증가와 활성슬러지법 등 2차 처리 시설의 처리 한계로 인해, 유기물(BOD, COD, SS) 이외의 질소, 인 등 영양염류의 제거 효율이 낮아지면서 하천 및 호소의 수질이 날로 악화되는 문제점을 안고 있다.

이러한 수질오염의 근본적인 원인을 제거하고자 개발된 종래의 질소, 인 등의 영양염류 제거방법은 크게 물리화학적인 처리방법과 생물학적인 처리방법으로 구별된다. 물리화학적인 처리방법은 화학약품을 첨가하여 응집, 응결, 침전 등의 반응 기작을 통해 제거효율을 향상시키므로, 지속적인 약품투입과 이로 인한 슬러지 발생량의 증가 등으로 인해 비경제적인 반면, 생물학적인 처리방법은 공정의 안정성과 신뢰성 및 장기적인 안목에서 경제적인 장점 때문에, 영양물질 제거방법으로 활발하게 연구되고 있다.

대부분의 하수고도처리공법은 질소, 인 제거를 위하여 혐기조, 호기조 또는 무산소조를 구비한 것으로, 이러한 종래의 공법으로는 A2O, MUCT, VIP, DNR, P/L 등이 있다.

미생물을 이용한 하수고도처리공법은 혐기조건에 이은 호기조건에서의 LUXARY UPTAKE 가설에 의한 인 제거와 호기조에서 질산화된 질산염을 내부반송에의해 무산소조로 유입시켜 탈질반응을 통해 질소를 제거하며, 인, 질소의 제거 효율은 각각 유입수의 유기물농도 및 반응조 체류시간과 내부반송량에 의해 결정된다. 특히, 종래의 하수고도처리공법은 내부반송량에 의해 질소 제거 효율이 결정되어지는 전탈질방식이 주종을 이루어 왔으나, 과다한 내부반송으로 인해 동력비가 증가하는 문제점을 안고 있으므로, 호기조 다음에 무산소조를 배치하여 외부탄소원의 주입에 의해 무산소조에서 탈질 반응을 수행하는 후탈질 방식이 일부에서 연구 개발되고 있다. 하지만, 후탈질방식은 내부 반송이 생략되어 동력비는 감소되지만, 메탄올 등의 투입과 1차슬러지 발효액 및 음식물 산발효액 등의 투입으로 인한 유지관리비의 상승을 초래하고 있다.

그리고, 고도처리에 의한 질소의 제거는 유입수의 온도조건에 의해 제거 효율의 변화가 크게 되므로, 이에 따른 별도의 조치가 요구된다. 즉, 질산화 미생물의 증식속도는 수온의 영향을 받기 때문에, 저수온(13도 이하)에서는 질산화 미생물을 반응조내에 충분히 유지하기 위해 슬러지 체류시간(SRT)이 길어져야 한다. 따라서, 질산화를 일으킬 수 있는 호기상태 부분을 늘리는 것이 필요하다.

호기상태 부분을 늘리는 방법에는 호기부분의 혼합액 부유고형물(MLSS)농도를 높이는 것과, 호기조 체적을 증가시키는 것이 있으나, 전자는 후단의 최종 침전지에서 고형물 부하를 증가시켜 침전 효율이 악화되는 단점을 초래할 수 있으며, 후자는 부지 및 시설비 증가로 경제성이 떨어지므로, 슬러지 재포기조를 이용하여 슬러지 체류시간을 증가시키는 것이 가장 경제적이라 할 것이다.

아울러 종래의 하수처리공법 및 일부 하수고도처리공법은 최초침전지의 설치를 고정화하여 유입수내의 유기성 고형물을 침전시켜 외부로 제거하고, 상등수만 후속설비인 생물학적 반응조로 유입시켜 처리하고 있다. 하지만, 상기 방법은 유기물내의 유기고형성분을 제거할 경우 후속설비의 유기물부하를 감소시켜, 유기물 제거능력은 향상시킬 수 있지만, 유기물/인비(C/P)와 유기물/질소비(C/N)를 감소시켜 오히려 탈인 및 탈질에 필요한 기질의 고갈로 인해 인, 질소의 처리효율을 저하시키는 결과를 초래하고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 하수내의 각 오염물질을 각각의 제거 메카니즘에 따라 효율적으로 제거할 수 있도록, 슬러지재포기조, 무산소조, 혐기조, 호환조, 호기조의 적절한 배치와 하수의 슬러지재포기조, 무산소조, 혐기조로의 분할 투입에 의해 호기조에서 무산소조, 무산소조에서 혐기조로의 내부 반송을 생략하여 동력비를 절감하고, 최초 침전지를 설치하지 않고 하수를 직접 슬러지재포기조 및 무산소조, 혐기조로 투입시켜 질소 및 인의 제거효율을 안정적으로 향상시킬 수 있으며, 총 체류시간을 감소시켜 시설비 및 유지관리비를 절감할 수 있는 하수고도처리시스템을 제공하는데 있다.

도1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하수고도처리시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2 : 슬러지재포기조 4 : 무산소조

6 : 혐기조 7 : 호환조

8 : 호기조 9 : 이차 침전지

10 : 슬러지 저류조

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 하수고도처리시스템은, 하수고도처리시스템에 있어서, 외부로부터 최초 침전지를 거치지 않은 유입수의 일부가 유입되고, 고농도로 축적된 슬러지를 반송라인을 통해 유입받아 재포기시키는 슬러지재포기조; 상기 슬러지재포기조로부터 질산화된 혼합액슬러지가 유입되고, 외부로부터 상기 최초 침전지를 거치지 않은 유입수의 일부가 유입되어 탈질미생물에 의해 탈질을 수행하는 무산소조; 상기 무산소조의 처리수가 유입되고, 외부로부터 상기 최초 침전지를 거치지 않은 유입수의 나머지 일부가 유입되어 혐기 상태에서 인을 방출하는 혐기조; 상기 혐기조의 처리수를 유입받아 타이머에 의해 일정한 간격으로 교대 교반을 수행하여 호기 조건과 무산소 조건을 반복함으로써 동일조내에서 질산화와 탈질을 수행하는 호환조; 및 상기 호환조의 처리수를 유입받아 호기 상태에서 유기물의 산화와 질산화를 수행하는 호기조를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

도1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하수고도처리시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.

본 발명에서는 슬러지재포기조 및 무산소조, 혐기조로 유입수를 분배투입하는데, 상기 유입수는 최초 침전지를 거치지 않은 원하수이므로 하수내의 유기성 고형물을 최대한 기질로 활용하여 탈질 및 탈인을 수행시켜 질소, 인의 제거 효율을 향상시킬 수 있다.

외부로부터 최초 침전지를 거치지 않고 유입되는 유입수의 일부(5 내지10%)(1)가 슬러지재포기조(2)로 유입되어, 질산화에 필요한 알칼리도를 보충해준다. 아울러 고농도로 축적된 반송슬러지(50 내지 100%)(11)가 슬러지재포기조(2)로 유입되어 재포기시킴으로써, 질산화 미생물의 활성을 증가시키고, 호기 미생물 체류시간(ASRT)을 경제적으로 확보하여 저수온에서 질산화 수행이 가능하도록 한다. 슬러지재포기조(2)의 체류시간은 1.0Hr 정도이다.

무산소조(4)에는 슬러지재포기조(2)에서 질산화된 혼합액슬러지가 유입되고, 외부로부터 최초침전지를 거치지 않고 유입되는 유입수의 일부(10 내지 20%)(3)가 유입되어, 상기 유입된 유입수를 전자수용체로 이용하여 혼합액슬러지내의 질산염을 탈질시킨다. 유입되는 하수내 유기성 고형물로 인해 유기물/질소비(C/N)가 높아지므로, 탈질 효율이 향상되게 된다. 무산소조(4)는 유입수를 1.0Hr 정도 체류시킨 다음 혐기조(6)로 제공한다.

혐기조(6)에는 외부로부터 최초침전지를 거치지 않고 유입되는 유입수의 70 내지 85%가 유입(5)되고, 무산소조(4)에 의해 질산염이 제거된 처리수가 유입되어, 인방출이 이루어진다. 이때 혐기조(6)로 유입되는 처리수에는 질산염이 거의 탈질된 상태에 있고, 혐기조(6)에서의 질산염으로 인한 인 방출 억제 요인이 없어, 인 방출 효과는 극대화 된다. 혐기조(6)는 유입수를 1.5Hr 정도 체류시킨 다음, 호환조(7)로 제공한다.

호환조(7)는 혐기조(6)로부터 유입된 유입수를 교대교반하여 호기 조건과 무산소 조건을 반복함으로써, 동일조내에서 질산화와 탈질을 수행한다. 수온이 상승하면 질산화 미생물의 활성이 증가되어, 질산화에 필요한 총 호기 시간이 단축되며, 유입수의 수질이 낮아진 경우에도 질산화에 필요한 총 호기시간이 짧아지므로, 호환조(7)를 교대교반하여 질소 제거 효율을 향상시키고, 공기 공급량을 감소시켜 전력비를 절감할 수 있다. 다시말해, 수온 및 유입수의 수질에 따라 호환조를 일정한 시간간격으로 자동 타이머에 의해 교대교반을 실시하여, 호기 조건과 무산소 조건을 반복시킴으로써, 동일조내에서 질산화와 탈질을 수행한다. 호환조(7)에 유입된 유입수는 1.5Hr 정도 체류된 다음 후단의 호기조(8)로 유입된다.

호기조(8)는 호환조(7)에서 유입된 유입수를 호기 조건에서 2.5Hr 정도 체류시키면서 일반 호기성 미생물에 의한 유기물의 산화 및 질산화 미생물에 의한 질산화를 수행하여, 이차침전지(9)로 제공한다.

이차 침전지(9)에서 침전된 슬러지는 슬러지 저류조(10)로 제공되는데, 이때 슬러지 반송라인(11)을 통해 이차 침전지(9)의 슬러지 50 내지 100%를 슬러지재포기조(2)로 반송한다. 본 발명에서의 총 체류시간은 7.5시간 이다.

본 발명을 이용해 하수를 처리한 결과 다음 표1과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

상기와 같은 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

1) 최초 침전지의 생략으로 하수 유입유량의 약 2 내지 3시간 정도의 구조물 용적을 절감할 수 있다.

2) 내부반송이 없고 외부반송량만 100%이므로, 타 하수고도처리공정에 비해 내부반송펌프의 설치가 필요없어 시설비를 절감할 수 있고, 하수 유입유량의 최소 100%이상의 내부반송펌프 가동에 필요한 동력비를 절감할 수 있다.

3) 하절기(5∼9월) 호환조의 호기/무산소 교대교반에 의해 공기공급량이 감소되므로, 공기공급장치(블로워)의 동력비를 절감할 수 있다.

4) 최초 침전지를 설치하지 않고 하수를 직접 슬러지재포기조 및 무산소조, 혐기조로 분배 투입시키므로, 하수내의 기질을 최대한 영양염류 제거에 이용하여 질소 및 인의 제거 효율을 안정적으로 향상시킬 수 있다.

5) 무산소조 후단에 혐기조를 배치시킴으로써, 혐기조로 유입되는 처리수에는 질산염이 거의 탈질된 상태에 있어, 혐기조에서의 질산염으로 인한 인 방출 억제 요인이 없으므로, 인 방출 효과를 극대화시켜 인 제거 효율을 향상시킬 수 있다.

6) 하절기 수온 상승시에는 질산화 미생물의 효율 상승으로 질산화에 필요한 체류시간이 단축되므로, 단축된 시간만큼 호환조에 무산소조건을 부여함으로, 상대적으로 부족한 탈질반응 시간을 증가시켜, 질소 제거효율을 향상시킬 수 있다.