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하·폐수의 유기물질 분리 및 바이오가스 회수 장치

글쓴이 : Riushop 날짜 : 2016-02-26 (금) 13:55 조회 : 2463

 

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본 발명은 유입유량 및 수질의 변화가 심한 하수처리장의 하·폐수에 함유된 유기물질(BOD5), 질소, 인 제거 및 고형물 탄소배출 발생량을 감소시킴과 동시에 대체에너지를 산출하는 새로운 개념의 저탄소, 저에너지 유가자원 회수 및 재활용의 하·폐수 고도처리 장치에 관한 것으로서, 바이오-응집(Bio-Flocculation) 및 고분자 유기/무기 응집제를 활용하고 하수의 유기물질 분리를 최대화하여 그 후속으로 하수 슬러지 연계처리를 위한 고온 및 중온 혐기성 소화공정을 통해 메탄가스(Bio-energy)를 회수하는 동시에 강화된 방류수 수질기준을 만족시키는 하·폐수 처리장치 및 처리방법이 개시된다.

 

기술분야

 

본 발명은 유입유량 및 수질의 변화가 심한 하수처리장의 하·폐수에 함유된 유기물질(BOD5), 질소, 인 제거 및 고형물 탄소배출 발생량을 감소시킴과 동시에 대체에너지를 산출하는 새로운 개념의 저탄소, 저에너지 유가자원 회수 및 재활용의 하·폐수 고도처리 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 물리·화학 및 생물학적 방법으로 하수내의 콜로이드 및 부유성 유기물질(VSS, SSCOD), 질소, 인 제거 동시에 하·폐수 처리 시 발생되는 고형물을 고온 및 중온 혐기성 소화공정을 거쳐 이산화탄소 발생량을 저감시키고 대체에너지인 메탄가스(Bio-energy)를 회수할 수 있는 신개념의 하·폐수 고도처리 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

 

배경기술

 

일반적으로 하·폐수는 도시생활하수, 가축폐수, 농업폐수 및 산업폐수 등을 포함하는데, 상기 하·폐수에는 생물학적산소요구량(BOD)이라고 불리우는 유기물질과 질소, 인 등 다양한 영양염류 성분들을 함유하고 있다.
따라서 이러한 영양염류 성분들을 이용하여 물질대사 및 에너지 대사를 진행하는 미생물들한테 있어서는 가장 기본적인 필수영양원소들이다.
이를 테면 아래와 같이 미생물의 이화 및 동화작용에 의해 유기물질을 분해 및 미생물 세포합성을 진행한다.
또한 그중에서 질소와 인은 생명체의 가장 기본단위인 세포의 유기적인 구조 구성성분인 핵산(nucleic acid)의 주성분으로 되어 있다.
핵산은 질소를 함유하는 염기(퓨린 염기, 피리미딘염기)와 오탄당(펜토스), 인산으로 이루어진 단일 뉴클레오티드를 기본 단위로 하여, 각 뉴클레오티드의 펜토스의 3'-와 5'-위치 사이가 인산 디에스테르 결합으로 중합된 긴 쇄상의 폴리뉴클레오티드로서 세포의 핵 안에 존재한다.
이로부터 유기물을 분해하는 미생물들에 있어서 질소와 인은 가장 필수적인 원소이다.
따라서 생활폐수에 함유된 유기 질소 화합물로는 단백질, 펩타이드 결합, 아미노산 및 뇨소 등 물질들로 함유되어 있으며, 다른 한편 무기 질소 화합물로는 암모늄이온과 소량의 암모니아가 함유되어 있다.
폐수에 함유한 질산염 형태의 산화질소는 공업폐수 혹은 농업폐수로부터 발생된 것인데, 비료에 사용되어진 질산염과 암모늄 화합물은 대부분 가용성이며, 음이온인 질산염이온은 토양에 부착해 있다가 강우시 폭우에 의해 냇물 또는 호수로 씻겨 유입된다.
비료 중 인산염 비료의 사용량은 질소 화합물 비료의 절반정도에 지나지 않으며 또한 인산염은 불용성이므로 농업폐수에 포함되는 인의 함량은 매우 적다. 오히려 인의 주요 발생원은 합성세제로서 수생태계로 흘러드는 인의 약 30% ~ 40%를 차지한다.
인산염은 합성 세제의 충진체(builder)로 사용되어 계면활성제와 더불어 세척작용에 향상효과를 일으키는 것으로 합성세제의 큰부분을 차지한다.
따라서 합성세제의 사용량이 날로 늘어감에 따라 인산염이 하수 중에서 차지하는 비중도 점점 증대하고 있다.
결국 이러한 질소나 인이 저수지 등의 수역에 축적되면 부영양화(Eutropication)가 일어난다. 또한 이러한 부영양화는 질소나 인 성분이 저수지 등의 수역으로 유입되어 질소나 인을 먹이로 하는 조류(algae)등의 미생물이 과잉 번식되면서 일어난다.
따라서 부영양화를 근본적으로 방지하기 위해서는 하·폐수 내의 영양염류 성분을 호소나 하천 등의 수역으로 유입되기 사전에 제거되어져야 한다.
또한 2003년 7월부터 런던협약의 발효와 폐기물 관리법의 제정에 따라 하수슬러지의 육상매립이 전면 금지되고 가까운 장래에는 해양배출에 대한 규제가 점차 강화될 것으로 예측되어 지금까지의 하수슬러지 처리정책을 재검토하고 경제적이고 효율적인 하수슬러지 처리를 위한 중장기정책 방향에 대한 관심이 증대되고 있다.

 

문제점

 

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하고, 새로운 개념의 하·폐수 처리장치를 제공하기 위한 것으로, 바이오-응집(Bio-Flocculation) 및 고분자 유기/무기 응집제를 활용하고 하수의 유기물질 분리를 최대화하여 그 후속으로 하수 슬러지 연계처리를 위한 고온 및 중온 혐기성 소화공정을 통해 메탄가스(Bio-energy)를 회수하는 동시에 강화된 방류수 수질기준을 만족시키는 하·폐수의 처리장치 및 처리방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

 

해결과제

 

상기 교반조 상부의 유출부를 통해 원수를 유입하고 유입원수와 소화액에 함유된 콜로이드 및 부유성 유기물질의 고액분리와 다음조로부터 이송된 질산염을 탈질화 반응시키기위한 UST(Up-flow Septic Tank)반응조와 상기 UST반응조에서 고액분리를 마친 상등액을 유입하여 조내의 메디아(media)속에 서식하고 있는 질산균으로 질산화하기 위한 AF(Aerated Filter)반응조 상기 UST반응조의 고액분리에 의해 침강된 슬러지를 이송받아 가수분해 하기 위한 산생성조 상기 산생성조에서의 가수분해를 마친 유입수를 고액 분리하기 위한 저류조 그리고 상기 저류조로부터 고액분리된 유출수를 유입하여 메탄을 생성하기 위한 메탄 생성조 그리고 상기 AF반응조로부터 처리수를 유출 및 슬러지를 배출하기 위한 침전조를 포함하는, 하·폐수의 유기물질 분리 및 바이오가스 회수 장치를 제공한다.
상기에서 상기 교반조, UST 반응조, 산생성조, 저류조 및 메탄 생성조에는 내부의 유입수 등을 교반하기 위한 교반 모터가 상부에 설치됨이 바람직하다.
또한, 상기 UST반응조의 하부측에는 고액분리에 의해 침강된 슬러지를 산생성조 하부로 이송하기 위한 이송관이 산생성조와 연결되고 이는 이송펌프에 의해 작동된다.
또한 AF반응조의 하부에는 질산화된 질산염의 탈질화 반응을 위해 처리된 처리수의 일부를 상기교반조로 이송하기 위한 이송관이 교반조와 연결되고 이는 이송펌프에 의해 작동된다. 물론 상기 이송관이 직접 UST반응조와 연결될 수도 있다.
또한 상기 AF반응조의 일측에는 반응조 내의 질산화 유도를 위한 산소공급을 위해 폭기장치가 설치됨이 바람직하다.
또한 상기 메탄 생성조 일측에는 가스 배출 후 잔류 원수를 상기 교반조로 이송하기 위한 이송관이 상기 교반조와 연결될 수도 있고, 상기 메탄생성조에는 가스배출포트와 슬러지배출포트를 구비함이 바람직하다.
또한, 상기 교반조에 고분자 유기/무기 응집제를 첨가하기 위한 응집제 주입장치를 연결하여 사용할 수도 있다.
또한 상기 저류조에는 고액분리에 의한 침강슬러지 배출포트와 가스배출부가 구비될 수도 있다.


효과


본 발명에 따르면 유기물질, 질소, 인의 제거 뿐만 아니라 암모니아성 질소 등 다양한 영양염류 제거도 효과적으로 이루어지며, 운영이 간편하고 기존의 MBR과 달리 짧은 SRT를 이용하여 양질의 슬러지(VSS) 발생량을 증가시켜 혐기성 소화공정을 통한 메탄가스 회수, 내부순화 등에 의한 동력소비 절감, 제한된 유기물질을 최대한 이용하여 영양염류 제거를 향상시켜 운영비 절감, 호기조 내의 메디아 충진으로 질산화를 위한 최소한의 산소요구량만 공급하여 폭기장치에 의한 동력비 절감, 또한 UST 반응조에서의 바이오-응집에 의한 미생물의 유기물 흡착으로 별도의 교반에너지를 필요로 하지 않는다.
따라서 혐기성 소화에 의한 대체에너지 회수로 경제적 측면에서의 새로운 경제 부가가치를 창출할 수 있는 효과가 기대된다.

 

본고는 충북대학교 산학협력단 전항배,전동걸,이범,배종훈의 발표자료를 요약한 것이다.


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