폐수처리(하수처리) (생물학적 처리방법 중심으로)

1.생물학적 처리방법 호기성 생물처리법의 분류

2. 생물학적 처리방법의 기초이론 2.1 생물학적 처리를 위한 조건 1)영양염류 2)수온 3)용존산소(DO) :생물체는 C, H, N, O, P, S, 기타 각종 물지로 구성. BOD: N : P = 100 : 5 : 1 2)수온 : 20~30℃ 범위가 일반적으로 생물활동에 가장 적합한 경우 3)용존산소(DO) :오수중의 유기물을 산화하기 위해 필요 4)수소이온농도(pH) : 보통 활성슬러지는 pH 6.0 ~ 9.0 (최적 6.5 ~ 7.5) 에서 처리효과가 좋음 5)공간 :생물이 활동, 증식 등을 활발하게 하는데는 일정공간을 필요로 함(산화지:3m3/kg-BOD). 6)접촉시간 :생물과 오수 중의 오물이 되도록 균등하게 또는 적당한 빈도로 접촉하는 것이 좋음 7)생물량 :유기물질량과 생물질량 간에는 평형관계가 유지되어야 함

2.2 호기성 생물학적 처리의 원리 생물학적으로 활성상태에 있는 슬러지와 접촉할때 생기는 고속도 초기제거 : 초기 제거는 1~20분간에 일어나며, 폐수중의 부유성, 콜로이드상 물질 및 용해성 물질이 활성슬러지에 의하여 부착, 흡착, 흡수 되면서 제거되고 이들 유기물은 세포중에 저장됨 2) 생물학적인 세포의 증식에 직접 비례하는 유기물제거 ① 유기물의 산화(이화작용) : 유기물(COHNS) + O2 → CO2 + H2O + 기타최종산물 + 에너지 ② 세포물질이 합성(동화작용) : 유기물(COHNS) + O2 + 에너지 → 세포물질(C5H7NO2) 3) 내호흡작용에 의한 세포물질의 산화(자산화작용) : 유기물 공급이 불충분할때 미생물은 생존을 위하여 자기 자신의 세포 물질을 산화 세포물질 + O2 → CO2 + H2O +NH3 + 에너지 효소 효소

미생물 증식기와 활성슬러지법 회분식으로 폐수와 활성슬러지의 혼합액을 계속 산화하면 미생물의 양은 그림과 같이 S자형의 곡선에 따라 증식한다.

2.3 혐기성 처리 혐기성처리의 원리 2) 혐기성처리의 조건 ① 가수분해 단계 미생물 Cell의 파괴 : 미생물 슬러지 → 고분자 물질 (아미노산, 당, 지방산) ② 산발효단계 유기산의 형성 : 고분자 물질 → 저분자 물질 (유기산, 알코올, 암모니아) ③ 메탄발효단계 최종산물 가스화 : 저분자 물질 → 메탄, 이산화탄소, 암모니아, 황화수소 등 2) 혐기성처리의 조건 수온: 적정온도 30~ 35℃ 또는 50 ~ 55℃ pH : pH 6.8 ~ 7.2 (메탄 생성균), 알칼리도를 2000mg/l 이상으로 유지 유기산의 농도 : 유기산의 농도 300mg/l 바람직. 3000mg/l 이상이 되지 않도록 제어 저해물질 : 구리(1mg/l), 아연(5mg/l), 6가크롬(50mg/l), 식염(1.5%), 질산성질소(50mg/l), 황산염(50mg/l) 가스분해 산 발효세균 메탄형성세균

3. 활성슬러지법 3.1 활성슬러지법의 원리 :하수를 포기하면 하수중의 유기물을 영양원으로 하여 각종 호기성 미생물이 번식하는데 포기에 의한 교반작용은 하수중의 부유물과 콜로이드상 물질을 응집시켜 하수처리에 효과적인 활성슬러지가 얻어진다. 이 슬러지는 다수의 호기성 미생물을 함유하는 미생물성 슬러지로서 유기물의 산화능과 흡착능이 뛰어나고 또한 침강성도 매우 높다. 표준활성슬러지법의 처리 계통도

2) 포기탱크 내의 MLSS(mixed liquor suspended solids) 1)표준활성슬러지법의 장·단점 장 점 단 점 설처면적이 적다 처리수 수질이 양호하다 악취발생 및 파리발생이 적고 2차 공해의 우려가 적다 BOD, SS의 제거율이 높게 나타나고 있다. 운전비용이 많이 든다 유리관리에 숙련을 요하고 있다 수량 및 수질에 영향을 받는다 슬러지 생성량이 많이 발생한다 슬러지팽화(Sludge bulking)가 일어난다 2) 포기탱크 내의 MLSS(mixed liquor suspended solids) : 활성오니법에서 포기탱크내 혼합액의 평균 부유물농도(mg/l)를 말함.

활성슬러지법에 활용되는 미생물은 주로 세균이며, 원생동물, 윤충류 등 3.2 미생물 활성슬러지법에 활용되는 미생물은 주로 세균이며, 원생동물, 윤충류 등 미생물의 성장은 주어진 먹이와 미생물의 양, 즉 F/M(food/microorganism)비가 좌우함 F/M비가 크게 되면 슬러지팽화(Sludge bulking)이 생길 수 있음 포기탱크에서 흔히 볼 수 있는 원생동물의 예

포기탱크 내의 미생물 종류의 변화 유기물질→ 세균→ 원생동물→ 윤충류

슬러지 용적지수(SVI: Sludge volume Index) 2) 기타 용어 정리 및 활용공식 F/M 비 F/M 비 = BOD· Q / MLSS·V 유기물질 부유물 농도(mg/l), V : 용적(m3), BOD 농도 (mg/l), Q: 유량(m3/day) 표준 활성 슬러지법에서는 0.2 ~ 0.4 kg BOD/ MLSS kg day가 가장 적합 슬러지 용적지수(SVI: Sludge volume Index) :침전관에서 일정 시간 동안 슬러지 혼합액을 침전시켰을때 침전된 슬러지의 부피를 침전된 슬러지의 무게로 나눈 값. 슬러지의 침전성을 나타내기 위함. 포기탱크내 혼합액 1L를 30분간 침전시킨후 1g의 MLSS가 점유하는 침전슬러지의 부피(ml)를 나타낸것. SVI= (30분간 침강된 슬러지부피(mL/L) / MLSS농도(mL/L)) × 1000 MLSS(mixed liquor suspended solids: 활성오니법에서 포기탱크내 혼합액의 평균 부유물농도(mg/l) 슬러지팽화 여부를 확인하는 지표로 사용하며 보통 SVI가 50-150일때 침전성은 양호하다. 200 이상이면 슬러지팽화를 일으킨다. 슬러지 밀도지수(SDI: Sludge Density Index) :침전슬러지량 100ml 중에 포함하는 MLSS 그램(gram) 수를 나타낸 것 SDI = 100/SVI

예제 1차 침전지에서 유출된 물의 BOD는 150 m3/day의 flow rate를 가진 곳에서 120mg/l이다. 포기조의 크기는 2m×2m×4.5m이고, MLSS는 2000mg/l 일때 F/M비를 계산하여라. MLSS농도 3000mg/l의 혼합액을 500ml 메스실린더에 취해 30분간 정치했을 때 침강스럴지가 차지하는 용적이 220ml이다. 슬러지의 SVI와 SDI는 얼마인가? MLSS농도가 2500mg/l인 포기탱크 혼합액의 SVI가 100인 경우와 150인 경우 최종침전지에서 상등액량의 차이는 몇 m3/day인가? (단 포기탱크 혼합액 침전지 유입량은 1500 m3/day이다)

3.4 활성슬러지법의 주요인자 부하율, 반응탱크형식, 슬러지의 생성, 산소요구와 공급, 영양염류, 환경요구, 슬러지분리, 유출수의 수질 활성슬러지법의 설계요소에 영향을 미치는 인자

활성 슬러지에 대한 유해물질농도

3.5 각종 활성슬러지변법

1) 표준활성슬러지법 일차침전지 포기탱크 이차침전지 유 입수 처 리 수 일차침전지 슬러지 반송슬러지 잉여슬러지 표준활성슬러지법의 처리계통 HRT는 6-8 시간을 표준으로 함 반응탱크 내의 MLSS농도는 일반적으로 1500-2500mg/L

2) 계단식 포기법 같은 폐수의 BOD를 제거하는데 포기탱크 용량을 표준법에 비해 아주 작게 할 수 있으며, 표준법과 동량의 반송슬러지로서도 포기시간을 2/3 정도로 할 수 있으므로 탱크용량도 2/3 정도로 감소시킬 수 있다. 이것은 활성슬러지법에 의한 BOD제거율은 BOD/MLSS 부하에 따라 정해지고 포기시간에는 별로 영향을 미치지 않는다. 표준법에 준한 처리수질이 기대되나 처리의 안정성은 표준법보다 떨어진다. 슬러지중의 희발성분의 SVI의 증가, 감소 및 침전성 증가와 용준산소공급량을 감소시키고 과부하를 방지한다.

3) 순산소활성슬러지법 특징 이 처리방법은 표준활성슬러지법의 ½ 정도의 포기시간으로도 처리수의 BOD, SS, COD 및 투시도 등을 표준활성슬러지법과 비슷한 결과로 얻을 수 있다. MLSS농도는 표준활성슬러지법의 두 배 이상으로 유지 가능함으로 BOD 용적부하를 1.0-2.0kg BOD/m3·day 및 F/M비를 0.3-0.6kg BOD/kg MLSS·day로 운전할 수 있다. 순산소활성슬러지법의 포기탱크 내의 SVI는 보통 100 이하로 유지되고, 슬러지의 침강성은 양호하다. 또 잉영슬러지 발생량은 슬러지의 체류시간에 의해서 큰 차이가 나므로 표준활성슬러지법에 의해서 일반적으로 적다. 또한 슬러지의 농축성도 양호하지만 탈수 할때의 여과속도는 표준활성슬러지법과 거의 동일하다. 2차침전지에서 스컴이 발생하는 경우가 많다.

4) 장시간 포기법 표준활성슬러지법과 같으나 포기탱크에서의 체류시간이 18-24시간으로 길고, 0.03-0.05kg BOD/kg MLSS·day로 낮은 BOD-SS부하로 운전하여 슬러지 미생물의 내생호흡을 통하여 잉여스럴지의 발생을 억제 포기탱크 내의 활성슬러지를 장시간 포기시켜 영양부족 상태를 유지하여 미생물의 자기분해에 의해 잉여슬러지 생성을 적게 하는 것

5) 산화구법 산화구법은 저부하에서 운전되므로 유입하수량, 수질의 시간변동 및 수온저하가 있어도 안정된 유기물제거를 기대할 수 있다. 저부하조건의 운전으로 SRT가 길어 질산화반응이 진행되기 때문에 무산소조건을 적절히 만들면 70% 정도의 질소제거가 가능하다. 질산화반응에 의해 처리수의 pH저하에 의해 처리수질의 악화를 방지하기 위하여 반응태크내 무산소영역을 만들거나 무산소시간을 설정하여 탈질반응을 일으켜 질산화로 소비된 알칼리도를 보충할 수있다. 산화구 내의 혼합상태에 따른 용존산소농도는 흐름의 방향에 따라 농도경사가 발생하지만 MLSS농도, 알칼리도 등은 구 내에서 균일하다. 슬러지 발생량은 유입 SS량당 대략 75% 정도이다. 이 비율은 표준활성슬러지법과 비교하여 작다. 잉영슬러지는 호기성분해가 이루어지게 되므로 표준활성슬러지법에 비해 안정화되어 있다. 체류시간이 길고 수심이 얕으므로 넓은 처리장부지가 소요된다.

6) 연속회분식 활성슬러지법 유입오수의 부하변동이 규칙성을 갖는 경우 비교적 안정된 처리를 행할 수 있다. 오수의 양과 질에 따라 포기시간과 침전시간을 비교적 자유롭게 설정할 수 있다. 활성슬러지 혼합액을 이상적인 정지상태에서 침전시켜 고액분리가 원활히 행해진다. 단일 반응탱크 내에서 1주기 중에 호기-무산소-혐기의 조건을 설정하여 질산화 및 탈질반응을 도모할 수 있다. 고부하형의 경우 다른 처리방식과 비교하여 적은 부지면적에 시설을 건설할 수 있다. 운전방식에 따라 사상균팽화를 방지할 수 있다. 침전 및 배출공정은 포기가 이루어지지 않은 상황에서 이루어짐으로 보통의 연속식 침전지와 비교해 스컴 등의 잔류가능성이 높다.

4. 살수여상법 4.1 살수여상(Tickling filters process, TFP)이란 어떤 하수를 살수여상으로 처리하는데 있어서 처리 가능성은 폐수의 부유물, 콜로이드농도와 용존유기물 농도의 비율에도 관련된다. 예전(암석여재)보다 현재(플라스틱)에 사용하는 여재는 비표면적과 공극률의 증가 살수여상의 작용원리

1)살수여상의 장·단점 장 점 단 점 슬러지의 팽화가 발생하지 않는다. 조건의 변동에 따른 내구성이 좋다. 슬러지량과 공기량의 조절이 불필요하다. 슬러지생성량이 적게 발생한다. 운전이 용이하다. 건설 및 유지관리비가 적다. 여재 비표면적이 적다. 처리효율이 활성슬러지법에 비하여 낮다. 처리공정의 손실수두가 크다. 활성슬러지법보다 정화능력이 낮다. 즉 발생하는 슬러지는 쉽게 안정화되지 않는다. 생물막의 공기유동저항이 크므로 산소공급능력(산소결핍)에 한계가 있다.

4.2 살수여상법의 구조 여상벽: 여재를 채우기 위하여 여재위에 둘레에 벽을 만든다. 2) 여상바닥 :여상바닥은 설치하는 여재, 살수장치 등을 지지하는데 충분한 강도를 가져야 한다. 살수여상의 구조

3) 여재 살수여상법에서 사용되는 대표적인 여재의 종류

4) 살수장치 균일하게 여재 전면에 살수 할 수 있을 것 살수구멍이 개폐되지 않을 것 살수 시에 공기와 잘 접촉할 것 오수량이 적을 때도 잘 살수할 수 있을 것

4.3 살수여상의 분류 표준살수 여상 고속살수 여상 초고속 살수여상 구조와 설비가 간단하고 동력의 소모가 적다. 질소화합물도 고도로 산화시킬 수 있다. 슬러지의 생성량이 적다. BOD제거율(최고 85%)이 높은 것이 특징이다. 부하율이 낮은 관계로 소요면적이 많이 들고 여재의 막힘이 종종 발생한다. 악취 및 파리의 이상번식 등이 문제로 제기되고 있다. 표준살수여상법 보다 단위용적당 기질제거율이 매우 높다. 혼합유출수를 1-3%로 재순환시킴으로써 생물막의 탈리도를 증가시킨다. 동력소모량이 많으며 전체적인 BOD제거율(80%)이 저속살수여상에 비해 낮다. 체류시간이 짧고 기질부하율이 높아서 질산화 세균의 증식이 억제된다. 구조물은 3-12 m 정도의 탑형으로 채택되고 있다. 비표면적과 공극률이 큰 플라스틱여재를 사용하여 실용화한 방법이다. 연속으로 운전되고 있으며, 고농도 폐수 및 대규모 폐수처리에 많이 채용되고 있다. 악취발생 및 여상파리의 번식을 감소시켜 살수기의 자동화가 가능하다. 유입폐수의 유량, 온도, 유독물질의 영향이 적다.

살수여상법에 구분과 특성

4.4 처리방식 및 처리시설의 조합 1단 여상의 흐름 모식도

2단 여상의 흐름 모식도

4.5 살수여상의 기능 및 기본적 성능 1) 살수여상의 기능 여막생물에 의한 흡착 및 흡수 여막생물에 의한 흡수물질의 생물학적 제거 및 여막의 흡착력 경쟁 살수여상법의 단계적 처리

2) 살수량 :살수량은 일반적으로 여상 단위면적당의 1일 살수량으로 표시 LA = (1+R)Q / A Q: 계획살수량(m3/day), A: 여상면적(m2), R: 반송비 LA: 단위면적당 살수량(m3/m2·day) 일반적으로 면적부하는 표준살수여상 2 m3/m2·day, 고속살수여상 10-25 m3/m2·day 정도이지만 폐수성질에 따라 다르며, 크기는 정화효율에도 큰 영향을 미친다. 3) 폐수가 여상을 통과하는데 필요한 시간(체류시간) t(hr) = {여상유효 용적(m3) / 살수량(m3/day)} ×24hr/day = V/Q × 24 A: 여상의 면적(m2), Q: 여상표면에 가해지는 살수유량(m3/day) T: 체류시간(hr), D: 여상의 깊이(m)

5. 회전원판법 5.1 회전원판법이란 회전원판 파일럿 플랜트

회전원판법의 장단점 장점 단점 포기 및 슬러지의 반송을 필요로 하지 않는다. 소비전력량은 소규모처리시설에서는 표준활성슬러지법에 비해 적다. 질소 인 등의 제거가 가능하다. 활성슬러지법에서와 같이 팽화로 인해 최종침전지에서 일시적으로 과잉 슬러지의 발생량이 적다. 충격부하 및 부하변동에 강하며 저농도 및 고농도 BOD처리가 모두 가능하다. 잉여슬러지의 생성량이 적다. 살수여상과 같이 여상에 파리는 발생하지 않고 하루살이가 발생하는 수가 있다. 생물량의 인위적인 조절이 곤란하다. 질화가 일어나기 쉬우며, 처리수의 BOD가 높아질 수 있고, pH가 내려가는 경우도 있다. 활성슬러지법에 비해 최종침전지에서 미세한 부유물(SS)이 유출되기 쉬우며, 처리수의 투명도가 나쁘다.

5.2 시설의 조합