혐기성 처리와 공정 및 슬러지의 처분 등

유기물질의 농도가 매우 높은 폐수는 유기물질을 충분히 산화시키기 위한 호기성 처리가 어려우므로 산소 공급이 필요없는 혐기성 반응으로 처리하여 유기물의 농도를 감소시킨다음 호기성으로 처리하는경우가 많다.

따라서 유입수의 COD가 2000ppm 이상인 경우에 혐기성 처리가 호기성보다 경제적인 경우가 많으며 혐기성처리는 분뇨, 폐수슬러지 및 공장폐수의 최초처리에 주로 사용된다.

혐기성처리를 위한 조건

유기물 농도가 높아야하고 탄수화물보다는 단백질, 지방이 많을수록 더욱 좋다.

혐기성미생물에 필요한 무기성 영양소가 충분해야 좋다.

알칼리도가 적당해야 한다.

독성물질도 없어야 한다.

온도는 비교적 높은것이 좋다.

혐기성처리의 장점 및 단점

고농도의 폐수를 처리하는 장점이 있다.

슬러지가 적게 생산되어 좋다.

영양소가 호기성보다 적게 소요되서 좋다.

부산물로 메탄이 생성되는 장점이 있다.

소화기간이 짧은 단점이 있다.

처리수를 다시 호기성처리하여 방류해야하는 번거로움이 있다.

소화가스는 냄새 및 부식성이 있는 단점이 있다.

혐기성 소화처리의 개요

혐기성 공정은 소화법 또는 메탄발효법이라고 하며 BOD가 10,000ppm 이상의 고농도 배수나 유기성 슬러지를 소화조에 넣고 pH 7내외 정도로 조정한 다음 반응온도(30~38도)를 유지하면서 30일정도 교반하면 휘발성 유기물질의 약 60%가 메탄가스, 탄산가스, 암모니아, 황화수소 등으로 분해되는 공정이라 할 수 있다.

혐기성 공정은 표준소화조(재래식 단단소화조). 고율소화조(단단 또는 2단) 및 분리형 혐기성 소화조로 구분되며, 대부분 공정은 중온소화를 기준으로 하지만 고온소화(50~57도)가 사용되기도 한다.

- 표준소화조

표준소화조는 보통 단단소화조로 구성되며 소화, 농축, 상징액 형성 등이 동시에 같은 단에서 이뤄진다. 단단소화조에서는 슬러지가 소화되어 가스가 발생하는 층에 미처리된 슬러지를 주입하게 된다.

표준소화조는 직접교반은 실시하지 않고 전체 부피의 50% 이상은 사용되지 않으니가 표준 공법은 주로 작은 소화조(소규모처리)에 활용된다.

-단단 고율소화조

단단 고율소화조는 고형물질 부하가 아주 크다는 점에서 표준 소화법과 다른데, 높은 부하율은 혼합방법 제외하면 재래식 2단 소화의 1차 소화조와 다른 것이 없다.

슬러지는 가스의 재순환, 기계적인 혼합장치, 펌프 및 흡인관에 의해 잘 혼합되며 소화속도를 최적으로 유지하기 위하여 가열된다. 상징액과 슬러지를 분리하지 않고 소화슬러지의 농도는 주입슬러지의 50%정도 된다.

-2단 고율소화조

고율소화조는 2단 소화조를 직렬로 연결하고 1차소화조는 소화에 사용되며 2차 소화조는 소화된 슬러지를 저장, 농축, 상징수를 만드는데 사용된다. 그리고 소화조는 통상 고정된 지붕이나 부동형 지붕을 가진다.

 보통소화조에서 메탄가스 생성비는 1단:2단=25:1 정도이다.

- 1차, 2차 슬러지 분리법

대부분 폐수처리에서 혐기성 소화는 1차슬러지와 2차 슬러지에 사용한다. 2차 슬러지가 혼합되면 1차슬러지의 고액분리가가 잘되지 않으므로 최근 일부에서는 1차 슬러지와 생물학적 슬러지를 분리해 소화시키기도 한다, 그리고 생물학적 슬러지는 호기성 소화를 사용하기도 한다.

- 고온 혐기성 소화

고온소화는 고온박테리아에 의해서 50~57도의 온도범위에서 수행되며, 생화학적 반응속도는 한계온도에 이를때까지 10도 증가할때마다 2배씩 증가하기 때문에 중온소화보다 반응속도는 빠르다.

고온소화는 처리효율이 증가되고, 슬러지의 탈수성이 개선되며, 박테리아의 사멸율이 증가되는 장점이 존재한다.

혐기성 소화처리의 신공정

생물학적 폐수처리에서 혐기성 공법은 호기성공법에 비해 고농도의 폐수처리에 적합하며 슬러지 생성량 및 영양물질 요구량이 적고 부산물로 CH4이 생성되는 장점이 가지고 있음에도 불구하고 폐수처리시간이 긴 단점으로 인해 지금가지 슬러지 처리에 이용되고 있다.

이들 반응조는 일반적으로 미생물의 체류시간을 높임으로서 용해성 유기물의 함량이 높은 전분폐수, 사탕무폐수, 알콜폐수 등의 처리 및 유기물 함량이 낮은 폐수처리시 기존의 완전혼합형 반응조보다 우수하다고 알려져 있으며 최근에는 일부 산업폐수처리와 도시에 하수처리에도 사용되고 있는 추세이다.

혐기성 처리시 유기물분해과정은 크게 3단계로 나눌 수 있으며, 각 단계에서 일어나는 반응은 다음과 같다.

가수분해 및 발효단계 - 아세트산 생성단계 - 메탄 생성단계

혐기성 소화처리 새로운 공정의 종류

- UASB 반응조

UASB 반응조에서는 미생물이 부착하여 성장할 수 있는 매질을 사용하지 않고 미생물이 스스로 밀도가 높은 Granules을 형성하여 반응기내에 머무르므로 미생물 체류시간이 길게해 처리효율을 좋게 한다.

높은 유기물 부하로 반응기 용량의 소형화가 가능하다.

온도변화, 충격부하, 독성물질 등에 상당한 내성을 보유한다.

저농도의 유기 폐수나 무가온 폐수의 처리가 가능하다.

호기성 처리와 비교하여 전력비 절감 등 잉여슬러지가 감소한다.

종전의 혐기성 처리에 비해 체류시간 단축된다.

용적부하율은 2~20kg/m3day 정도이다.

- AF 생물막 공법

AF는 호기성 살수여상의 변형으로 자갈, 쇄석, Plastic 등의 충전여재 표면에 미생물이 부착 성장함으로 미생물의 유실이 적고 충격부하에 강한장점을 가지고 있다.

살수여상과 같은 뚜껑이 있는 탱크내에 여재로 채워져있다.

폐수는 바닥에서 주입되고 상단에서 유출된다.

슬러지를 재순환시키지 않아도 긴 세포체류시간을 얻을 수 있다.

낮은 온도에도 처리가 가능하다.

유기물 농도가 낮아도 1일이하의 짧은 HRT 내 처리가 가능하다.

간헐적 운전도 가능하다.

- ABR

ABR은 칸막이로 분리된 반응기로서 장시간 운전시 각 칸마다 Granules이 형성될 수 있으므로 CSRT과 UASB의 중간형태로 취급한다.

이 반응기의 장점은 발생하는 가스가 고형물의 침전과 부상이 중간에 설치된 Baffle에 의해 수직적으로 반복하여 일어나므로 미생물과 폐수간의 접촉이 커지고 유출수 중 미생물의 양이 적게 되므로 체류시간이 길어져 고농도 폐수 및 저농도 폐수를 짧은 HRT에서 처리할대 효과적이다.

반응조의 전단에서 발효 및 아세트산 생성이 일어나고 후단에서 메탄이 형성되는 구조로 폐수의 흐름이 플러그 플로우 형태에 가깝다.

고농도 미생물 농도를 유지할 수 있으며 슬러지 제거 없이 장기간 운전이 가능한 점이 있다.

- AAFEB

이 방법은 유동층 소화조로서 반응조 내부에 가벼운 충진여재를 채우고 처리수의 일부를 재순환시켜 부상시킴으로 AF에서 발생할 수 있는 미생물의 과도한 증식에 의한 막힘현상을 방지할 수 있는 장점을 가지고 있다.

산생성 반응조와 메탄생성반응조를 나눠 처리하는 2단 소화조는 각 반응조마다 조건을 달리해 운전할 수 있으며, 짧은 체류시간에도 운전할 수 있는 장점이 있다.

- AUSB

AUSB 생물반응조는 상향류 슬러지 블랭킷으로 되어 있으며 기계적인 혼합작용을 통해 반응조 내부의 미생물그래뉼이 폐수와 접촉하여 미생물의 저기고정화 현상이 촉진된다.

미생물의 자동고정화를 이용한 생물반응조이다.

유기물의 생물분해작용과 슬러지 블랭킷으로 인해 부유고형물이 제거되므로 추가적인 고액분리장치는 필요하지 않다.

반응조는 유기물질의 생물학적분해가 이뤄지는 구역과 구액분리가 이뤄지는 구역으로 나눌수 있다.

일반적인 생물학적 처리공정보다 소요부지와 에너지효율이 좋으며 최종침전지와 슬러지 반송이 필요 없다.

혐기성 소화처리 새로운 공정의 특징

혐기성 반응조의 운전시에는 반응조의 상태를 예측할 수 있는 운전이 매우 중요하다.

일반적으로 지금까지 유기산, pH, 가스생성량 및 조성이 운영변수로 작용된다.

유기산은 가장 확실한 운전변수로 유기산이 반응기내에 축적되면 메탄생성량이 적어지고 pH의 저하를 유발된다.

pH는 유기산의 축적 결과 변하고 반응기내에 완충능력이 높을 경우 pH의 변화폭이 작다는 단점이 존재한다.

소화조 운전상의 문제점 및 대책

- 소화조 내 온도의 저하

중온소화에서 소화조 내 정상적인 운전온도는 35도 정도이며, 온도가 저하되면 미생물의 활성이 떨어져 소화효율이 낮아진다.

- 온도저하의 원인

농도가 낮은 슬러지를 대량으로 급속히 투입하게 되는 경우에 반응조내 온도가 급격히 저하된다.

온도계의 작동불량이나 교반불량이 원이 될수도 있다.

슬러지가 온수코일에 부착되어 두꺼운 절연층을 형성하게되면 열의 전도를 방해할수 있다.

- 가스 발생량의 저하

소화단계가 메탄형성이 저조하고 산 형성이 왕성한 산발효기에 있는 경우이며, 시운전 초기에는 보통 산발효기며, 후에 메탄형성기인데 정상적으로 운전 중인 소화조가 급작스럽게 메탄가스 발생이 저하된다.

- 상등수 악화

상등수 BOD, SS가 비상적으로 높은 경우의 원인은 소화가스 발생량의 저하원인과 마찬가지로 저농도 슬러지가 유입되거나 소화슬러지 과잉배출, 조내 온도저하, 과도한 산생성 등이 원인이 될수 있다.

- pH 저하

유기물의 과부하로 인한 소화의 불균형, 온도 급저하 교반부족 또는 독성물질이 유입되어 pH가 저하된 경우가 원인이 될수 있다.

유입슬러지량을 조절하여 부하량을 줄이거나 온도유지를 위한 점검조절, 교바강도, 교반회수를 조정하는것이 대책이다.

소화조 정상운전을 위한 환경조건

-미생물의 확보

혐기성소화조를 성공적으로 운전하는 방안은 건강한 혐기성 미생물, 특히 메탄생성 미생물을 어떻게 확보에 달려있다.

충분한 미생물 확보를 위해서는 적정한 온도유지뿐만아니라 충분한 영양소의 공급 및 혼합이 있어야 하며 독성물질이 없어야 한다.

- 슬러지의 주입

슬러지 주입은 일정량씩 균등하게 주입하는게 원칙이며, 과부하 생태가 되지 않도록 슬러지를 주입하게 된다.

과부하상태가 되면 pH가 저하, 스컴의 발생증가, 유기산의 증가 등으로 처리효율이 낮아진다.

- 반응조내 환경조건

정상적인 소화조의 pH는  6.5~7.2 며, 유기산의 농도는 600ppm 이하, 알칼리도는 2000ppm 이하이다.

알칼리는 부하율이 증가함에 따라 증대되며, pH는 유기산이 축적되지 않으면 거의 일정하나 유기산이 축적되면 갑자기 저하된다.

가스 내의 CH4 함량은 pH가 저하되면 감소하고 CO2 함량은 증가된다.

슬러지의 탈수법

슬러지를 최종처분하기 위해선 탈수를 해야하는데 부피와 중량을 최대한 줄이고 최종처분에 알맞도록 함수율을 맞추기 위해서이다. 매립조건 강화와 해양투기불허를 위한 슬러지 탈수기술을 필요로 한다.

-진공탈수 법

원액조 내에 투입된 슬러지가 일정한 수심으로 회전하는 드럼 내 진공압에 의해 여포면 부착해 슬러지케이크를 형상하고 된다. 드럼의 회전수에 따라 수면위에서 스크레퍼로 제거하게 된다.

1차 슬러지나 소화슬러지 탈수에 모두 적용이 가능하나 국내의 사용실적은 거의 없고 미국에서는 70년까지 사용되었으나 점차 감소하는 탈수방법이다.

조작이 단순하고 슬러지를 보면서 운전이 가능하고 함수율조정이 가능한 전자동 장치인 것이 장점이며,

여포교환이 필요하고 설치면적이 큰것이 단점으로 작용한다.

- 가압탈수법

가압탈수기는 여과판에 여과포를 걸고 이것을 필요용량에 맞는 매수로 나란한게 한 여과실을 갖고 슬러지를 여과실내에 압입하여 가압탈수를 한다.

여과판의 배열방법, 여과포의 거는 방향, 탈수케이크, 여과액의 배출방법 등에 따라서 횡형과 입형의 것이 있다.

고가이나 최근의 함수율 저하목적으로 적용이 증가하고 있다.

함수율이 적고 배출 슬러지케이크 량이 적지만 설치면적이 크고 중량이 무거운 단점이 있다.

- 벨트프레스

벨트와 룰러를 사용하여 압력을 가하는 방식으로 여포를 연속 이동시키면서 슬러지를 주입하면 상하의 2매 이상의 여과포와 이들에 장력을 걸어주는 로울러 및 압력을 가하는 로울러에 의해 응결물 사이의 간극수가 중력의 의해 여과탈수 된 후 이동된 슬러지는 상하의 여포압착에 의하여 탈수된다.

운전이 간단하고 유지관리가 용이하며 케이크 함수율이 낮고 안정적이며, 악품사용비가 비싸고 여포세정수의 많아 슬러지의 성상에 따라 운전결과가 달리지므로 개량은 필수이다.

- 원심탈수법

슬러지에 약품을 넣고 중력가속도의 2천~3천배 정도 원심력으로 원심분리 시키면 슬러지가 탈수된다. 원심농축기는 중력에 의해 침강하기 어려운 슬러지를 보울이라는 고속회전하는 원통의 원심력을 이용하여 효과적으로 탈수 하는 것이 횡형의 솔리드 보울 콘베이어형이 주로 사용된다.

설치가 용이하고 유지관리가 용이한 고형물 회수율 양호, 고농도 농축이 가능한 장점이 있고, 고속회전으로 진동, 마모 및 기계적 고장이 문제이다. 약품이 비싸고 사용전력이 많고 케이크량이 많은 단점이 있다.

- 다중원판 외통형 스크류형

본체는 일정하게 회전하는 스크류와 그 회전에 따라 미세하게 상하운동을 하는 여과로 구성되어 있고 스크류는 여과부를 관통하고 끝이 항상 다중원판을 밀어 올리고 있어서 원판의 유동에 의해 여과부의 공극을 청소해 막힘이 발생하지 않는 구조로 되어 있다.

- 유동 다중원판 스크류형

본체는 저속으로 회전하는 스크류와 고정판, 유동판으로 구성되어 있고 농축부는 유동판과 고정판이 번갈아 가면서 적층을 형성하고 고정판 사이에서 일정간격의 틈새를 유지하는 유동판은 2개의 편심축에 의해 미세한 운동을 해 농축과 탈수를 하는 장치이다. 고정판과 유동판 사이 틈새에 유동성을 유동시켜 막히지 않는 구조로 되어 있다.

하수슬러지 자원화 최종 처분방법은?

슬러지 처리의 최종목표는 감량화, 안정화, 안전화를 통한 경제적이고 친환경적으로 자연에 환원시키는 것이다.

슬러지를 최종처분 하는데 중요사항은 가용토지의 유무, 경제성 및 슬러지 특성 등을 고려하여 최종처분방법을 결정하게 된다.

슬러지 최종처분 방법

토지살포법은 과잉염소 질소주입으로 수원 오염가능성이 있고 소화가 불량하게 이뤄진 슬러지는 혐기성으로 분해되어 악취를 발생한다, 그리고 병원균이나 바이러스 등에 의해 보건상 위해하고 중금속에 의한 지하수등이 오염될수 있다.

위생매립법은 복토에 의한 외부수 유입방지와 방수층 및 침출수 처리시스템을 갖춰서 지하수 오염을 방지하고, 고체폐기물과 함께 매립시 정상적인 부패를 위한 필요수분과 질소성분을 제공한다.

슬러지 퇴비화는 유기성 성분을 안정화시키는 방식으로 퇴비는 토양 개량제 역할을 하며, 적당한 입도 적당한 수입을 보유한다.

슬러지소각은 고온상태에서 수분을 제거하고 유기물을 산화시켜 가스화하는 것으로 부피가 최소화, 위생적으로 안전 등 경제적이나 대기오염과 고가의 처리비용이 단점으로 작용한다.

슬러지 자원화 방안

지렁이를 이용한 퇴비화와 슬러지 부숙으로 인한 퇴비화, 슬러지의 연료화 처리, 바이오가스 생산기술 등이 있다.

하수 슬러지 발효, 고화를 통한 매립장 복토재 재활용 기술 및 유동상 건조기술을 이용한 하수슬러지 자원화, 시멘트 연료화 기술 등이 있다.

하수처리수의 재이용 방법은?

하수처리수의 재이용은 중수도의 개념으로서 하수처리시설의 방류수를 하천순화수, 농업용수, 살수용수, 조경용수, 화장실용수 등으로 고도의 수질을 요구하지 않은 용수에 재이용하는 것이다.

하수처리수 재이용의 필요성은 중수도와 마찬가지로 한정적인 수자원을 효율적으로 이용하며 물부족 사태에 능동적으로 대처하기 위한 식수와 같이 청정하지 않아도 되는 잡용수에 하수처리수를 이용하게 된다.

하수처리수 재이용시 문제점은 조경이나 살수용수로 활용하기 위해선 하수처리수를 시가지로 이송해야 하는 별도의 관로가 필요하고 화장실용수로 활용하기 위해서도 각 가정으로 보내는 별도의 중수관망이 필요하고, 또 재이용함에 따라 방류수역의 하천 유지용수가 부족하 건천화로 진행될수 있다.

하수처리수 개발효과는 다음과 같다.

한정된 수자원의 효율적인 이용과 자원 재활용이 가능하다.

용수사용량 확보를 위한 댐건설에 따란 환경에 대한 부담이 완화된다.

갈수기 및 물수요 피크시 물 부족에 대한 수자원 이용이 가능하다.

평상시 물사용 감소로 댐의 저수 여유량을 확보하여 댐의 효율 극대화가 가능하다.

자연환경에 대한 공공하수도의 하수량 부하 경감시킨다.

하수발생량이 감소하여 하천의 수질오염을 저하시킨다.

댐의 건설이나 정수시설 및 하수처리시설의 시설용량을 축소시킬수 있다.

상수도의 원거리 수송에 비해 근거리 재순환에 의한 이송동력을 감소시킬수 있다.

상수원수 수질개선으로 정수처리 비용 및 슬러지 처분 비용이 감소 할수 있다.

중수도 설치로 물을 절약하는 분위기를 조성할 수 있고 절약되는 물만큼 에너지가 절감된다.