KR102000526B1 - 고 질산태 질소, 무 암모니아태 질소 및 무 부유고형물의 고품질 액비 제조 시스템 - Google Patents

고 질산태 질소, 무 암모니아태 질소 및 무 부유고형물의 고품질 액비 제조 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고농도의 암모니아와 상당한 정도의 유기물을 함유하고 있는 혐기성 소화조 유출수(원수)로부터 암모니아태 질소가 없어 악취가 없고, 부유고형물이 없어 부패되지 않으며, 작물에 유용한 질산태 질소를 고농도로 함유하는 고품질의 액비를 제조할 수 있는 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 (A) 상기 원수와, 하기 호기조로부터의 내부반송수가 혼합유입되어 암모니아태 질소 및 유기물의 희석, 산소 및 질산태 질소의 공급이 이루어짐으로써 유입구 부근이 유기물이 함유된 미세호기 영역이 되어 호기성 종속영양 미생물에 의해 산소의 소모 및 유기물의 분해가 이루어지고, 산소 소모에 의해 유출구 방향으로 무산소-혐기 영역이 형성되어 혐기성 종속영양 탈질미생물에 의해 일부 탈질이 일어나면서 잔존하는 유기물이 추가로 제거되며, 무거운 이물질과 잉여 슬러지가 중력에 의해 침전제거되고, 암모니아태 질소와 질산태 질소를 함유하며 유기물이 제거된 처리수가 생성되는 유기물분해조; 및 (B) 상기 유기물분해조로부터 처리수가 유입되고 폭기되어, 호기성 질산화 독립영양 미생물에 의해 암모니아태 질소가 질산태 질소로 변환되어 질산태 질소가 축적되는 호기조;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고품질 액비 제조 시스템에 관한 것이다.

Description

고 질산태 질소, 무 암모니아태 질소 및 무 부유고형물의 고품질 액비 제조 시스템{Manufacturing System for High Quality Liquid Fertilizer with High Nitrate Nitrogen, No Ammonia Nitrogen and No Suspended Solids}
본 발명은 고농도의 암모니아와 상당한 정도의 유기물을 함유하고 있는 혐기성 소화조 유출수로부터 암모니아태 질소가 없어 악취가 없고, 부유고형물이 없어 부패되지 않으며, 작물에 유용한 질산태 질소를 고농도로 함유하는 고품질의 액비를 제조할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
축산분뇨를 포함하는 축산폐수는 일반 생활하수의 수백 배를 넘는 고농도의 고형물, 유기물질 및 유무기태 질소 등과 같은 영양물질을 함유하고 있어 일반적인 하·폐수 처리 시설로 처리할 경우 수처리 공정의 효율을 저해할 뿐만 아니라 시설의 유지관리에 어려움을 주게 된다. 특히 질소와 인이 미처리되어 하천과 호수로 방류되면 조류가 성장하게 되어 잠재적인 COD 유발원인이 되고, 암모니아태 질소에 의한 산소소모량이 매우 크기 때문에, 질소를 효과적으로 처리하는 것이 필요하다.
축산분뇨나 음식물기물 등과 같은 고농도 유기폐기물을 처리하기 위하여, 고형분을 분리하여 퇴비화하고 액상성분을 정화처리하여 액상비료(액비)화하는 기법들이 개발되고 있다. 액비화는 다음 표와 같은 장단점을 가지는 호기성과 혐기성 발효법이 있는데, 최근 바이오가스플랜트의 보급 및 사업이 활성화되면서 에너지(메탄)도 추가적으로 확보할 수 있는 혐기발효법인 혐기성 소화공정의 적용이 확대되고 있다.
Figure 112016087892948-pat00001
혐기성 소화공정은 혐기성 미생물이 유기물을 섭취하여 분해하고 무기화합물과 소화가스(바이오가스)를 방출하는 반응으로, 일명 "메탄발효"라고도 한다. 혐기성 소화공정은 유기성 폐수를 처리하여 액비를 생산함과 동시에 에너지원인 메탄을 회수할 수 있기 때문에 많은 관심을 받고 있다.
혐기성 소화공정의 출발물질인 축산분뇨 자체에는 암모니아가 존재하는데 여기에 더하여 소화공정에서 유기물이 분해되면서 다량의 암모니아가 생성되어, 결국 혐기성 소화공정의 최종 유출수는 고농도(조건에 따라서 1000~8000㎎/ℓ)의 암모니아를 함유하게 된다. 또한 미분해성/난분리성 미세 부유물도 상당한 정도로 함유하고 있다.
이러한 고농도의 암모니아를 함유하는 미숙 액비는 다음과 같은 문제가 있다 : ① 그대로 경작지에 살포하면 악취로 인한 민원이 발생한다. ② 암모니아태 질소(NH4-N)는 아질산균과 질산균에 의해 질산태 질소(NO3-N)로 변환된 후 작물에 흡수된다. 그런데 암모니아성 질소는 토양으로부터 쉽게 탈기되어 실제 작물에 흡수되는 비율이 매우 낮으므로 비료로서의 효과가 적다. ③ 뿐만 아니라 토양 중의 고농도 암모니아는 작물에 유해하다.
따라서 미숙 액비를 작물의 수확이 끝난 가을에 시비하거나, 미숙 액비를 가열하여 암모니아를 탈기하거나, 미숙 액비를 액비저장조에 저장하고 장기간(통상 6개월 이상) 폭기하여 공기 탈기하는 방법 등이 이용되고 있다. 그러나 이러한 방법에 의하더라도 여전히 악취 문제는 남으며, 별도의 추가장치(가열장치, 폭기장치 등)가 필요하고 에너지 소비가 많다는 단점이 있을 뿐 아니라, 주로 활용되고 있는 장기 폭기처리에 의하면 액비의 질소농도가 0.02∼0.13% 정도로 매우 낮아 비료로서의 효과가 미미하게 된다.
또한 혐기성소화 처리 유출수에는 BOD로 환산하여 10∼20% 정도의 유기물이 미분해되어 난분해성 미세 부유고형물 형태로 잔존한다. 이러한 고형물은 침전이나 분리가 매우 어려워서 그대로 액비저장조로 이송되는데, 액비저장소에 체류하는 과정에서 서서히 침전(0.3∼0.4 m/년)된다. 현장에서는 이러한 미세 침전물을 주기적으로 꺼내어 청소하고 이를 재처리하는 것도 큰 어려움이 되고 있다.
등록특허 10-0978125는 혐기성 소화조에서 바이오가스를 생산하고, 배출되는 소화폐액 내의 협잡물 및 고형물을 제거하여 유량저장조에 보관하고 이를 여과하여 액비로 사용하거나, 추가로 호기성 처리하여 방류처리하는 방식의 바이오가스, 액비 생산 및 폐수처리가 가능한 폐액 처리설비를 제안하고 있다(도 1a 참조). 그러나 이에 의하면 혐기소화 유출액 내의 미세 부유고형물을 분리하는 것이 용이하지 않으며, 생산되는 액비는 여전히 고농도의 암모니아를 함유하고 있다.
공개특허 10-2015-0050749는 혐기소화장치로부터 공급된 혐기소화액을 질산화장치에서 폭기하여 액비화하고, 혐기소화장치의 암모니아 농도가 높은 경우 질산화장치의 처리액 일부를 반송하여 암모니아의 탈질을 유도하겠다는 방식의 바이오가스 및 액비 생산 시스템을 제시하고 있다(도 1b 참조). 그러나 질산화장치의 처리액은 폭기에 의해 용존산소가 존재하는데 이것이 혐기소화장치로 반송되면 혐기성의 메탄발효를 교란할 뿐 아니라, 설령 탈질이 이루어지더라도 질산태 질소가 제거되는 것이지 암모니아가 제거되는 것이 아니다. 또한 '질산화장치'는 혐기성소화액을 폭기하는 장치이므로 실제 질산화가 일어나기 보다는 통상의 액비저장조를 폭기하는 것처럼 암모니아의 탈기가 이루어지는 것이다.
또한 이에 의하면 한외여과(UF)와 역삼투(RO)를 이용하여 여과한 농축액을 액비로 사용하게 되는데, 이 농축액은 염이 축적되어 있으므로, 액비로 이용 시에 염해를 일으킬 수 있다.
등록특허 10-0978125 공개특허 10-2015-0050749
본 발명은 고농도의 암모니아태 질소, 저농도의 유기물 및 고농도의 난분해성/난분리성 미세 부유고형물을 함유하는 혐기성 소화조 유출수로부터 질산태 질소가 고농도이고 부유고형물 등 유기물 및 암모니아태 질소가 없는 고품질 액비 제조 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 고농도의 암모니아태 질소, 저농도의 유기물 및 고농도의 난분해성/난분리성 미세 부유고형물을 함유하는 혐기성 소화조 유출수(원수)로부터 고 질산태 질소, 무 암모니아태 질소 및 무 부유고형물의 고품질 액비 제조 시스템으로서, (A) 상기 원수와, 하기 호기조로부터의 내부반송수가 혼합유입되어 암모니아태 질소 및 유기물의 희석, 산소 및 질산태 질소의 공급이 이루어짐으로써 유입구 부근이 유기물이 함유된 미세호기 영역이 되어 호기성 종속영양 미생물에 의해 산소의 소모 및 유기물의 분해가 이루어지고, 산소 소모에 의해 유출구 방향으로 무산소-혐기 영역이 형성되어 혐기성 종속영양 탈질미생물에 의해 일부 탈질이 일어나면서 잔존하는 유기물이 추가로 제거되며, 무거운 이물질과 잉여 슬러지가 중력에 의해 침전제거되고, 암모니아태 질소와 질산태 질소를 함유하며 유기물이 제거된 처리수가 생성되는 유기물분해조; 및 (B) 상기 유기물분해조로부터 처리수가 유입되고 폭기되어, 호기성 질산화 독립영양 미생물에 의해 암모니아태 질소가 질산태 질소로 변환되어 질산태 질소가 축적되는 호기조;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 혐기성 소화조 유출수로부터 고 질산태 질소, 무 암모니아태 질소 및 무 부유고형물의 고품질 액비 제조 시스템인 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 혐기성 소화조 유출수로부터 악취의 원인이 되고 작물에 피해를 주는 암모니아태 질소가 없이 질산태 질소를 고농도로 함유하는 액비를 얻을 수 있게 된다.
또한 본 발명에 의하면, 잔류하는 유기물과 부유물질이 거의 없어 장기간 보관하더라도 부패하거나 성분이 변하지 않는 안정적인 액비를 공급할 수 있게 된다.
또한 본 발명에 의하면, 종래 액비가 가진 단점이 해소된 고품질의 액비 생산이 가능해지므로 축산과 경종의 물질순환이 원활하게 이루어질 수 있으며, 이에 따라 축산분뇨에 의한 환경오염 문제를 해소할 수 있게 된다.
도 1a, 1b는 종래기술에 의한 액비 제조 시스템의 예시적 구성도.
도 2은 본 발명에 의한 고품질 액비 제조 시스템의 개념도.
도 3은 본 발명에 의한 액비 제조 시스템에서 유기물분해조의 구체적인 예를 보여주는 단면도.
도 4는 본 발명에 의한 액비 제조 시스템의 적용예인 파일럿 플랜트 사진.
도 5a는 파일럿 플랜트의 운전기간 중 유입수와 최종 처리수의 암모니아태 질소의 농도변화를 보여주는 도표.
도 5b는 파일럿 플랜트의 운전기간 중 유입수와 최종 처리수의 질산태 질소의 농도변화를 보여주는 도표.
도 6a는 본 발명에 의한 제조 시스템에서 제조된 액비와 종래기술에 의한 액비의 비교사진.
도 6b 본 발명에 의한 제조 시스템에서 제조된 액비의 성분분석 성적서.
이하 첨부된 도면과 적용예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이러한 도면과 적용예는 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.
전술하였듯이 본 발명은, 혐기성 소화조 유출수로부터 무 암모니아태 질소-고 질산태 질소를 함유하며 부유물질이 거의 없는 고품질 액비 제조 시스템으로서, 유기물분해조와 호기조 및 침전조를 포함하는 고품질 액비 제조 시스템에 관한 것이다. 도 2에 본 발명에 의한 고품질 액비 제조 시스템의 개념도를 도시하였다.
본 발명에 의한 시스템에서 원료가 되는 혐기성 소화조 유출수(이하 상황에 따라 "원수"라 칭함)는, 축산분뇨나 음식물기물 등과 같은 고농도 유기폐기물을 고액분리한 액상성분을 예를 들면 메탄발효과정을 거쳐서 배출되는 유출수로서 고농도의 암모니아태(1000~8000㎎/ℓ), 및 난분해성/난분리성 미세 부유고형물을 포함하는 저농도의 유기물을 함유하고 있다. 본 발명은 혐기성 소화조 유출수를 처리하는 것으로서 어떠한 "혐기성 소화 즉, 메탄발효" 공정을 거쳤더라도 본 발명에 의한 시스템으로 처리될 수 있을 것이다. 본 발명은 혐기성 소화에 관한 것이 아니므로 이에 대한 상세한 설명을 생략한다.
본 발명에서 상기 유기물분해조에서는, ① 호기성 및 혐기성 영역에서의 유기물 소모와 ② 슬러지 침전이 수행된다. 이 과정을 상세히 설명한다.
①-1) 원수의 고농도 암모니아는, 시스템 내의 모든 미생물(유기물분해조 내의 호기성 종속 미생물과 탈질 미생물, 및 호기조 내의 독립영양 질산화 미생물)의 생장과 활동을 방해하는 독성물질로 작용한다. 따라서 먼저, 원수에 호기조 또는 침전조로부터의 저농도 암모니아를 함유하고 있는 소정량의 반송수를 혼합하여 고농도의 암모니아태 질소를 희석한다. 반송수의 혼합량은, 혼합유입수의 암모니아태 질소의 농도는 50~250㎎/ℓ인 것이 좋다(청구항 5). 이보다 낮으면 과도한 희석이 되어 유기물분해조와 호기조가 필요 이상으로 커져야 하므로 처리효율이 떨어지고, 이보다 높으면 유기물분해조 내 미생물의 생장과 활동이 저해됨으로써 호기조에서의 질산화가 원활하게 이루어지지 않는다. 희석을 위한 반송수는 호기조로부터 반송될 수도 있고, 하기 침전조로부터 반송될 수도 있다.
따라서 예를 들면 원수의 수량이 Q이고 원수 중의 암모니아태 질소가 a ㎎/ℓ인 경우, 혼합유입수의 암모니아태 질소의 농도를 b ㎎/ℓ로 운전한다면, 반송수의 유량 Qr은 다음과 같은 식에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112016087892948-pat00002
한편, 원수에는 난분해성/난분리성 미세 부유고형물을 포함하는 유기물이 존재하며, 호기조 또는 침전조로부터의 반송수에는 질산태 질소와 호기조에 의한 용존산소가 함유되어 있다. 따라서 원수와 반송수 등의 혼합수가 유입되면 유입구 부근이 유기물이 함유된 미세호기 영역이 되어 호기성 종속영양 미생물에 의해 산소의 소모 및 대부분 유기물의 분해가 이루어진다.
①-2) 이러한 산소 소모에 의해 유출구 방향으로 무산소-혐기 영역이 형성된다. 이 무산소-혐기 영역에서는 앞 영역인 미세호기 영역에서 생장했던 호기성 종속영양 미생물의 생장과 활동이 중지되고, 탈질 미생물(=혐기성 탈질 종속영양 미생물)이 생장/활동하면서 잔류 유기물이 대부분 소모됨과 동시에 상기 반송수에 의해 유입된 질산태 질소의 일부가 불가피하게 탈질된다. 이때 무산소성-혐기성 영역에서의 잔류 유기물이 매우 적기 때문에 질산태 질소의 일부(하기 적용예에 의하면 20~30% 정도)만이 탈질된다.
② 위 과정에서 잔류하거나 잉여된 슬러지가 중력에 의해 침전제거되어 결국 희석된 암모니아태 질소가 함유되어 있고 미생물이 가용할 수 있는 유기물이 거의 없는 처리수가 생성되는 것이다.
뒤에서 그 이유를 설명하겠지만, 본 발명에 의한 고품질 액비 제조 시스템에서, 원수의 암모니아태 질소 희석 및 운전초기에 유기물분해조에서의 유기물 제거는 본 발명에 의한 시스템의 핵심적 조건이 된다.
상기 호기조에서는, 유기물분해조로부터 처리수가 유입되고 폭기된다. 이렇게 유입된 유기물이 거의 없는 처리수 중의 암모니아태 질소는 호기성 질산화 독립영양 미생물에 의해 질산태 질소로 변환된다.
한편, 호기성 종속영양 미생물의 생장 속도가 호기성 질산화 독립영양 미생물에 비해 매우 빠르다. 따라서 거꾸로 돌아가서, 다양한 이유로 상기 유기물분해조에서 유기물 분해가 일어나지 않아 비교적 많은 양의 유기물이 호기조로 투입되면, 호기성 종속영양 미생물이 우점화되면서 호기성 질산화 독립영양 미생물이 소멸되어 버리므로 어떤 경우에도 암모니아의 질산화가 이루어지지 않게 된다.
본 발명에서는, 상기 호기조 내의 반응수(액비)에 잔존할 수 있는 미세 부유고형물 및 미생물 플록(floc)의 제거를 위해, 상기 호기조로부터의 유출수가 유입되어 미분해 부유고형물과 미생물 플록이 침전되어 제거되고 액비가 분리되는 침전조 또는 분리막을 추가로 설치할 수 있다(청구항 2). 이때 원수 희석을 위한 상기 유기물분해조로의 반송수의 일부 또는 전부를 침전조 또는 분리막 처리수로부터 유입되도록 할 수 있다. 이때 침전조에 침전된 슬러지의 소모 및 상기 유기물분해조에 미생물을 추가로 제공하기 위하여 상기 침전조로부터의 슬러지를 상기 유기물분해조로 반송할 수 있는데(청구항 3), 이때 50% 이상의 침전슬러지를 반송하는 것도 가능하며, 하기 적용예에서는 침전슬러지 모두를 반송하였다(청구항 4). 슬러지 반송량(Qs)은 통상 원수 유입량(Q)의 0.5~1인 것이 바람직하다.
이상과 같은 본 발명에 의한 액비 제조 시스템에 의하면, 원수 중의 암모니아태 질소가 호기조에서 거의 대부분(하기 적용예에서는 99% 이상) 질산태 질소로 전환된다. 호기조에서 생성된 질산태 질소는 반송수와 함께 다시 원수와 혼합되고 원수 중의 암모니아태 질소는 다시 질산태 질소로 전환된다. 이 과정에서 질산태 질소의 일부가 유기물분해조에서 탈질되지만 대부분은 계속 순환되면서 질산태 질소가 3000㎎/ℓ 전후까지 축적될 수 있는 것이다.
또한 본 발명에 의한 액비 제조 시스템은 버퍼링 능력이 뛰어나서 충격부하(원수 중 암모니아의 농도가 급변하거나 수량의 급변)가 있더라도 매우 안정적이고 균일하게 작동한다. 즉 시스템이 안정화된 이후에는 원수의 T-N이 급변하더라도 호기조 내 반응수 즉, 본 발명에 의한 액비 중의 암모니아태 질소는 20㎎/ℓ 이하의 저농도로, 질산태 질소는 1500~2500㎎/ℓ의 고농도로 안정적으로 유지되어 무 암모니아태 질소-고 질산태 질소를 함유하는 고품질 액비가 가능함을 알 수 있다(하기 적용예 참조).
호기조 또는 침전조 내의 반응수(=유출수=액비)에는 독립영양 미생물이 생존하기 위한 에너지원도 없고, 종속영양 미생물이 생존하기 위한 유기물도 실질적으로 존재하지 않기 때문에 새로운 물질이 추가되지만 않는다면 생물학적으로 불활성한 상태로 안정적으로 유지될 수 있다. 또한 암모니아태 질소가 거의 없기 때문에 악취도 없으며 유용한 비료성분인 질산태 질소가 사라지지 않는다.
따라서 본 발명에 의해 제조된 액비는, 하기 침전조를 거치더라도 (미세 부유고형물 함량이 감소되는 것만 제외하면) 액비의 성분변화가 거의 없으며, 산소를 폭기하지 않고 저장조에 장기간 저장하거나, 소정의 용기에 포장하여 보관/유통하더라도 부패하거나 변성되지 않는 장점이 있다.
이상과 같은 본 발명에 의한 액비 제조 시스템에 의해 생산되는 상기 고품질 액비는, 암모니아태 질소와 질산태 질소의 농도비는 1 : (40~150)인 것이 바람직하다(청구항 6).
한편, 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 액비 제조 시스템의 상기 유기물분해조에서는 원수와 반송수 등의 혼합수가 유입되는 유입구로부터 반응수가 유출되는 유출구까지 미세호기→무산소→혐기 영역이 형성된다. 이러한 영역이 잘 구획되도록 하기 위하여 상기 유기물분해조는, 반응수가 유입구에서 유출구 방향으로 고르게 층상으로 유동하는 층상유동형(plug-flow)인 것이 바람직하다(청구항 7). 효율적인 층상 유동이 이루어지도록 상기 유기물분해조는, 유입수가 반응조의 하단 수평면에서 고르게 분배공급되어 상향류를 형성하고, 처리수가 반응조의 상단으로 유출되는 상향류형 반응조인 것이 더욱 바람직하다(청구항 8).
이러한 상향류형 반응조에 의하면 먼저, 원수와 반송수 등의 혼합액이 반응조 내부 하단에서 분배관을 통해 단면적에 고르게 분배되어 상향류를 형성한다. 혼합액이 반응조의 하부에서 상부로 흐르면서 산소 및 유기물 소모, 미세호기-무기-혐기 영역의 형성, 탈질 등이 일어난다. 이러한 상향류형 반응조는 기계식 강제혼합이 아닌 자연유하식 유체혼합방식을 적용함으로써 혼합에 소요되는 에너지가 적게 드는 장점이 있다. 또한, 상향류형 반응조는 1차 침전조, 탈질조, 농축조의 역할도 동시에 이루어지는 장점이 있다.
이러한 상향류형 반응조의 구체적인 예를 도 3에 도시하였다.
상기 유기물분해조는, 유기물분해조 내부의 하부에 위치하며 상부로 향하는 유출공을 가지는 유입부; 유기물분해조 내에서 회전하는 수직의 주축과, 수평방향으로 주축에 설치된 혼합날개를 가지는 혼합부; 처리수가 후단으로 유출될 수 있도록 유기물분해조 상부에 위치하는, 방사형태의 위어 구조를 가지는 유출부; 및 반응과정에서 생성되어 중력에 의해 침전된 슬러지를 모으는 유기물분해조 하부에 위치한 슬러지집적부;를 포함할 수 있다(청구항 9).
즉, 유기물분해조는 전술한 바와 같이 유입부, 유출부, 혼합부 및 슬러지집적부를 포함하여 구성되어 있다. 추가로, 원수(혐기성 소화조 유출수)와 호기조 또는 침전조로부터의 반송수(경우에 따라서는 슬러지 반송펌프의 구동력에 의해 침전조로부터 반송된 반송슬러지까지 포함)를 잘 혼합하여 유기물분해조에 도입하기 위해 유기물분해조 외측하부에 도입부가 설치될 수 있다.
유입부는 유기물분해조 내부 하부에 위치되어 있으며, 혼합액이 유기물분해조내 하부로 고르게 유입되도록 한다. 이러한 유입부는 상부로 향하는 고르게 분포된 복수개의 유출공을 가지는, 예를 들면 유공관(관에 구멍이 뚫려 있는 형태) 형태일 수 있는데, 이때 내구성을 위해 스테인레스 스틸 또는 PVC, PE, PP 등 합성수지 재질을 사용하는 것이 바람직하다.
유출부는 유기물분해조 상부에 위치해 있으며, 반응과정에서 충분히 성숙된 일부 슬러지가 함께 포함된 반응수가 후단의 호기조로 유출될 수 있도록 고안되어 있으며, 슬러지에 의한 막힘 현상을 방지하고, 유출수가 균일하게 유출될 수 있도록 위어가 중심에 대하여 방사형태로 형성된 구조인 것이 바람직하다. 이러한 유출부는 반응수를 균일하게 집수하여 유출할 수 있는 형태로 되어 있으며, 일반 강판과 같은 재질을 사용할 수 있지만, 스테인레스 스틸 또는 PVC, PE, PP 등 합성수지 재질을 사용할 수 있다.
혼합부는 유기물분해조 내에서 회전하는 수직의 주축과, 수평방향으로 주축에 설치된 하나 또는 복수개의 혼합날개로 이루어진다. 예를 들면, 유기물분해조 내의 주축에 0.5~1m 정도의 균일한 간격으로 3~6개 정도의 혼합날개가 설치되어 반응수의 편류를 방지하고, 연속적으로 반응수를 교반시켜 줌으로써, 유입부~유출부 사이가 미세호기-무산소-혐기 영역이 연속적으로 유지되어 미생물에 의한 난분해성 미세 부유고형물을 포함하는 유기물의 분해가 효율적으로 이루어지도록 한다.
유기물분해조에서의 반응과정에서 생성되어 침전된 슬러지는 슬러지집적부를 통해 유기물분해조 하부로 모이고, 슬러지배출펌프에 의해 반응조 외부로 배출된다.
[ 적용예 ]
1. 적용 방법
본 발명에 의한 액비 제조 시스템을 실험실 수준의 파일럿 플랜트(도 4)로 제작하고 테스트하였다. 유기물분해조는 상향류식 층상유동형 반응조를 적용하였다.
처리를 위한 원수(혐기성 소화조 유출수)로는 A군에 위치한 B농장의 가축분뇨 혐기성소화액을 고액분리하지 않고 그대로 이용하였다. 하기 표 1과 같이 총 4곳에서 시료를 취하고 각각 6~9개 항목에 대해 수질분석을 실시하였다.
Figure 112016087892948-pat00003
여기서 "유입수"란 유기물분해조의 유입구로 유입되는 반응수를 의미하며, 원수를 희석한 경우 희석혼합액을, 희석되지 않은 경우에는 원수를 의미한다.
시스템을 2014년 4월 15일부터 2014년 10월 5일까지 약 6개월 동안 아래 표 2와 같은 운전인자 및 운전모드로 운전하였다. 표에서 희석배수는 원수의 희석배수를 의미하며, 1~3기에는 수도수로, 4~7기에는 호기조 유출수로 하여 전체적으로 희석을 점차 줄였으며, 마지막 8기에는 희석하지 않고 원수를 그대로 사용하였다. 표에서 각 성분농도들은 원수의 농도이다.
Figure 112016087892948-pat00004
Figure 112016087892948-pat00005
유입수의 MLSS는 6,000-8,000 mg/L가 되도록 하였고, 수온은 20~25℃를 유지하였다. 호기조의 DO는 2.0 mg/L 이상이 되도록 하였고, 수산화나트륨을 첨가하여 호기조의 pH를 6.5~8.5로 조절하였다.
2. 결과 분석
(1) 수질분석
운전기간 중의 수질은 다음 표 3과 같았다.
Figure 112016087892948-pat00006
(2) 제거효율
운전기간 중에서 상기 파일럿 플랜트의 제거효율을 다음 표 4에 나타내었다. 제거효율이란 특정 분석항목에 대하여 최초 유입수에서의 농도가 최종 처리 유출수에서 제거된 비율을 의미한다.
Figure 112016087892948-pat00007
표에서 볼 수 있듯이, CODCr은 평균 87.0%, T-N은 평균 51.5%, NH4 +-N은 평균 99.1%, T-P는 평균 59.8%의 처리효율을 나타내었다. 유기물질과 총질소의 경우, 대부분(90% 이상)이 유기물분해조에서 제거되는 것으로 나타났다.
운전기간 중 유입수와 최종 처리수의 암모니아태 질소(NH4 +-N)의 농도를 측정하여 도 5a에 도시하였다. 표와 도면에서 볼 수 있듯이, 플랜트 가동 5일 이내에 시스템이 안정화되면서 원수에 존재하던 암모니아태 질소(1000~5000㎎/ℓ)의 99% 이상이 제거되고 최종 처리수(침전조 반응수=액비)에서는 극미량(평균 20㎎/ℓ 이하)만이 잔류함을 알 수 있다.
(3) 질산태 질소 생성률
운전기간 중 유입수와 최종 처리수의 질산태 질소(NO3 --N)의 농도 변화를 도 5b에 도시하였다.
도면에서 볼 수 있듯이, 처리수(=액비) 중 NO3 --N의 농도는 운전기간 동안 지속적으로 증가하여 약 2,000 mg/L 이상 축적되는 것을 알 수 있다. 또한, 운전기간 동안 처리수를 반송하는 경우(도면에서 '반송수희석구간')에는 질산이 순환되면서 농도가 더욱 축적되는 효과를 나타내었다.
(4) 본 발명에 의한 시스템의 인 및 유기물 제거 효율성 분석
본 발명에 의한 시스템에서, T-P는 평균 유입수와 유출수의 수질이 각각 297 mg/L, 126 mg/L로 평균 59.8%의 처리효율을 나타내었다.
CODCr은 원수 평균 13,487 mg/L로 유입되어 평균 1,020 mg/L로 유출되어, 제거효율은 72.6∼95.3%의 범위로 평균 87.0%을 보였다. 통상 혐기성 소화조 유출수(=원수)에서 CODCr는 대부분 난분해성/난분리성 미세 부유고형물에 기인하는 것이므로 본 발명에 의한 시스템에서 난분해성/난분리성 미세 부유고형물이 대부분 소모되어 최종처리수(=액비)에는 거의 존재하지 않게 됨을 알 수 있다. 실제 본 발명에 의한 시스템 운영방법에 따라 처리된 최종처리수(=액비)의 MLSS(Mixed Liquor Suspended Solids)는 3,120~15,380mg/L, 평균 6,774mg/L로 극미량의 미세 부유고형물이 잔류하는 것을 알 수 있다.
(5) 본 발명에 의한 시스템의 안정성 및 효율성 분석
위 표 1에서 볼 수 있듯이, 상기 파일럿 플랜트의 운전 과정에서, 특히 7기에서 8기로 전환할 때 원수의 농도 67%(7기)를 100%(8기)로 급격하게 증가시키고 체류시간도 22일에서 15일로 급감시키는 방식으로 강한 충격부하를 주었다.
이러한 강한 충격부하에도 불구하고 도 5a~5b에서 볼 수 있듯이 처리수의 암모니아태 질소가 급격히 증가하거나, 질산태 질소가 급격하게 감소하는 현상이 나타나지 않아 본 발명에 의한 액비 제조 시스템이 매우 안정적으로 운전됨을 알 수 있다.
또한 운전기간 중 혼합유입수의 농도를 원수의 약 17%에서 100%로 점차 증가시키고 체류시간을 비례하여 약 80에서 약 15일로 점차 감소시킴에도 불구하고 처리효율이 안정적으로 유지되었다. 이는 운전과정에서 운전부피(action volume)를 일정하게 유지한다면 처리용량을 대폭 늘릴 수 있음을 의미한다.
(6) 액비의 품질 분석
본 발명의 액비 제조 시스템에 의해 제조된 액비(=즉 최종 처리수)와, 상기 A군에 위치한 B농장의 가축분뇨 혐기성소화액을 폭기형 액비저장조에서 6개월간 저장했던 액비의 사진을 도 6a에 첨부하였다. 사진에서 볼 수 있듯이, 본 발명에 의해 제조된 액비가 종래 방식에 의한 것에 비해 미세 부유고형물이 거의 없기 때문에 훨씬 투명하게 정제된 상태임을 알 수 있다. 또한 본 발명에 의한 액비는 암모니아가 거의 없기 때문에 악취가 전혀 없었으며, 유기물이 모두 소모되어 잔류하지 않기 때문에 밀폐하거나 공기 중에 노출하여 수개월 방치하여도 침전이 생기거나 부패되지 않았다.
또한 본 발명에 의해 제조된 액비의 품질을 국내 비료공인시험기관인 농업기술실용화재단에 의뢰하여 분석하였다(도 6b 참조).
이에 의하면, 질소는 0.2%, 인산은 0.019%, 칼리는 0.23%로 합계 0.449%인 것으로 나타났다. 이는 액비기준인 질소, 인, 칼리의 합이 0.3%에 비해 매우 높은 비율이며, 나아가 종래 방식에 의한 액비에서 질소 성분은 대부분 암모니아태 질소임에 반하여 본 발명에 의한 액비에서는 99% 이상이 질산태 질소였다.
따라서 본 발명의 액비 제조 시스템에 의해 제조된 액비의 활용가치가 매우 높은 것을 알 수 있다.
11. 유입부 11a. 유출공
12. 혼합부 12a. 주축 12b. 혼합날개
13. 유출부
14. 슬러지집적부

Claims (9)

  1. 고농도의 암모니아태 질소 및 난분해성/난분리성 미세 부유고형물을 포함하는 유기물을 함유하는 혐기성 소화조 유출수(원수)로부터 무탈기 방식의 고 질산태 질소, 무 암모니아태 질소 및 무 부유고형물의 고품질 액비 제조 시스템으로서,
    (A) 암모니아태 질소의 농도가 미생물생장과 활동을 저해하지 않는 50~250㎎/ℓ가 되도록, 상기 원수와 하기 호기조 또는 침전조로부터의 내부반송수가 혼합유입되어 암모니아태 질소 및 유기물의 희석, 산소 및 질산태 질소의 공급이 이루어짐으로써 유입구 부근이 유기물이 함유된 미세호기 영역이 되어 호기성 종속영양 미생물에 의해 산소의 소모 및 유기물의 분해가 이루어지고,
    유입수가 유입구에서 유출구 방향으로 고르게 유동하는 동안 산소 소모에 의해 유출구 방향으로 무산소-혐기 영역이 형성되어 탈질미생물에 의해 일부 탈질이 일어나면서 잔존하는 유기물이 추가로 제거되며,
    무거운 이물질과 잉여 슬러지가 중력에 의해 침전제거되고,
    암모니아태 질소와 질산태 질소를 함유하며 유기물이 제거된 처리수가 생성되는, 유입수가 유입구에서 유출구 방향으로 고르게 유동하는 유기물분해조; 및
    (B) 상기 유기물분해조로부터 처리수가 유입되고 폭기되어, 호기성 질산화 독립영양 미생물에 의해 암모니아태 질소가 질산태 질소로 변환되어 질산태 질소가 축적되는 호기조;를
    포함하는 것을 특징으로 하는, 혐기성 소화조 유출수로부터 고 질산태 질소, 무 암모니아태 질소 및 무 부유고형물의 고품질 액비 제조 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    (C) 상기 호기조로부터의 유출수가 유입되어 미분해 부유고형물과 미생물 플록(floc)이 침전되어 제거되고 액비가 분리되는 침전조 또는 분리막;을 추가로 포함하며,
    상기 유기물분해조로의 반송수는 호기조 또는 침전조 또는 분리막 처리수로부터 유입되는 것을 특징으로 하는, 혐기성 소화조 유출수로부터 고 질산태 질소, 무 암모니아태 질소 및 무 부유고형물의 고품질 액비 제조 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유기물분해조에 미생물을 추가로 제공하기 위하여 상기 침전조로부터의 슬러지를 상기 유기물분해조로 반송하는 것을 특징으로 하는, 혐기성 소화조 유출수로부터 고 질산태 질소, 무 암모니아태 질소 및 무 부유고형물의 고품질 액비 제조 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고품질 액비는,
    암모니아태 질소와 질산태 질소의 농도비는 1 : (40~150)인 것을 특징으로 하는, 혐기성 소화조 유출수로부터 고 질산태 질소, 무 암모니아태 질소 및 무 부유고형물의 고품질 액비 제조 시스템.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기물분해조는,
    유입수가 반응조의 하단 수평면에서 고르게 분배공급되어 상향류를 형성하고, 처리수가 반응조의 상단으로 유출되는 상향류형 반응조인 것을 특징으로 하는, 혐기성 소화조 유출수로부터 고 질산태 질소, 무 암모니아태 질소 및 무 부유고형물의 고품질 액비 제조 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 유기물분해조는,
    유기물분해조 내부의 하부에 위치하며 상부로 향하는 복수개의 유출공을 가지는 유입부;
    유기물분해조 내에서 회전하는 수직의 주축과, 수평방향으로 주축에 설치된 혼합날개를 가지는 혼합부;
    처리수가 후단으로 유출될 수 있도록 유기물분해조 상부에 위치하는, 방사형태의 위어 구조를 가지는 유출부; 및
    반응과정에서 생성되어 중력에 의해 침전된 슬러지를 모으는 유기물분해조 하부에 위치한 슬러지집적부;를
    포함하는 것을 특징으로 하는, 혐기성 소화조 유출수로부터 고 질산태 질소, 무 암모니아태 질소 및 무 부유고형물의 고품질 액비 제조 시스템.
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