(주)비씨오

기술소개

KSBNR1공법의 일반원리

본 개발 공법은 표준활성 슬러지법을 변형하여 단일 반응기내에서 상층부는 호기성조와 고액분리를, 하층부는 혐기-무산소조 조건을 조성하여 줌으로써, 미생물의 특성을 이용하여 생물학적으로 질소, 인을 동시에 처리할 수 있도로 개발된 중소규모형 고도처리 신공법이다.

질소 제거는 호기성조에서 질산화된 반송수와 최종 침전조의 반송 슬러지가 유입 오폐수와 합류되면서부터 유입 오폐수내의 유기물을 이용하여 무산소 조건에서 신공법내에 상존하는 탈질소화 미생물들에 의해 질산성 질소를 환원시키면서 질소를 제거하고, 인 제거는 혐기영역에서 인제거 미생물들이 유입수의 무기물과 내생호흡을 통해 얻은 유기물을 이용하여 체내에 유기물을 축적시키고 인을 방출시킨다.

이 때, 인의 농도는 유입수의 3~4배 정도에 이르며 인을 방출한 슬러지는 내부 반송펌프에 의해 호기성조로 이송되면서 인의 과잉 섭취를 유도하여 잉여 슬러지를 폐기시킴으로써 인을 제거한다. 그러므로 본 공법은 호기-혐기-무산소조를 단일 반응기 내에 공존시키고 유기적으로 상호 작용시켜 유기물과 질소, 인을 효과적으로 제거시키는 단일 반응조를 이용한 중소규모형의 생물학적 고도처리공법이다.

KSBNR1공법의 질소,인 제거원리

(1) 질소제거

오폐수가 발생되면 전처리장치를 통해 호기성영역에서 질산화된 반송수(Qa)와 최종침전조의 반송슬러지(Qr)가 유입오폐수(Qi)와 합류되면서 혐기-무산소조내의 상부영역(즉, 무산소 영역)에서 탈질소화 미생물들이 유기물을 이용하여 산화된질산성 질소를 환원시키면서 질소를 제거하게 된다. 한편, 질산화에 관련된 주요 세균의 속은 Nitrosomonas와 Nitrobacter의 두 종류이고, Nitrosomonas는 암모니아를 아질산으로 산화시키며, Nitrobacter는 아질산염을 질산염으로 산화시키는데 각각 작용한다. 그 반응 단계는 다음과 같다.

반응 1단계 : Nitrosomonas
반응 2단계 : Nitrobacter

또한, 생물학적 탈질소화는 질산화를 거치면서 생성된 질소산화물이 전자수용체(Electron acceptor)로 사용되어 질소가스로 전환되는 과정으로 가스상 질소물질은 질소가스 뿐 만아니라 Nitrous oxide나 이산화질소까지 포함한다. 탈질소화에작용하는 미생물은 Pseudomonas, Micrococcus, Achromobacter, Bacillus 등으로이들 세균은 무산소 상태에서 필요한 산소를 질산염이나 아질산염으로부터 공급 받게된다. 질산화반응이 미생물의 동화작용 (Bacterial assimilation)이라고 하면 탈질화반응은 미생물의 이화작용 (Bacterial dissimilation)으로 대별된다고 할 수 있다.

(2) 인제거

앞의 질소제거공정과 동시에 수중에 용존산소 및 화학적으로 결합된 산소가존재하지 않는 혐기-무산소조내의 하부영역(혐기영역)에서 오폐수중의 유기물은 Bio-P bacteria내에 PHB의 형태로 저장됨과 동시에 Bio-P bacteria의 내부에서 폴리인산염이 분해되면서 Bio-P bacteria의 외부로 인산염을 방출하여 수중의 인농도가 증가하게 된다. 이때의 인의 농도는 유입수의 3~4배 정도에 이르게 된다.

이후 내부반송 펌프에 의해 호기성영역으로 이송(Qan)되면서 호기성 상태에서Bio-P bacteria는 수중의 유기물을 일부 흡수하고 세포내에 저장된 PHB를 분해하여 세포합성에 필요한 탄소원을 얻게 된다. 이때 필요한 에너지는 TCA회로에서ATP를 합성하여 얻게 되며, 이 일련의 과정에서 수중의 인은 Bio-P bacteria의 세포 내로 흡수하여 폴리인산염 형태로 저장하게 되며 이때 인의 과잉섭취 미생물을 폐기처분함으로서 인의 제거가 이루어진다.

(3) 고액분리 및 슬러지 처분

호기성영역에서 산화된 암모니아는 질소제거공정에서와 같이 내부 반송펌프에 의해 혐기-무산소영역으로 이송(Qa)되고 영양성분의 제거가 완료된 처리수는 고액분리조에서 슬러지의 농도를 일부 저감시킨후 최종침전조로 유입된다. 최종침전조에 유입된 처리수는 고액분리 후 방류되고 침전된 고농도의 슬러지는 혐기-무산소영역으로 반송(Qr)된다. 이와 동시에 개발공법(KSBNR)의 고형물체류시간(SRT)을 25~50일로 운전범위에 따라 일부의 잉여슬러지는 슬러지저류조로 이송(Qe)되어 폐기처분된다.

KSBNR1공법의 처리시설별 기능 및 역할 설명

(1) 유량조정조

유입하수의 유량과 수질의 변동을 흡수해서 균등화함으로써, 처리시설의 처리효율을 높이고 처리수질의 향상을 도모할 목적으로 설치하는 시설로서, 소규모처리장의 경우에는 유입수량과 수질의 변동폭이 크게 되므로 필요시에 설치한다.

(2) 혐기성조

혐기성미생물에 의해 유기물을 유기산으로 전환하고 Polyphosphate의 가수분해에 의해 발생되는 에너지를 이용하여 유기산을 PHB로 저장하여 인을 방출 유도하기 위한 공정으로 유입수와 침전슬러지의 반응을 촉진하기 의해 교반기를 이용하여 혐기상태를 유지한다

(3) 무산소조

미생물이 무산소상태에서 호흡을 위하여 산소대신 호기조에서 내부 반송된 질산염(NO3-, NO2-)을 최종전자수용체로 이용하여 종속영양미생물에 의해 탈질시켜 질산염을 질소가스로 환원시키는 공정

(4) 호기조

유입수내의 유기성질소와 암모니아성질소를 독립영양미생물에 의하여 질산성질소, 아질산성질소로 질산화시키고, 혐기조에서 방출된 인을 미생물이 과잉 섭취하도록 하여 체내에 Polyphosphate로 저장하여 인산을 섭취한 미생물을 잉여슬러지로 폐기하도록 하는 공정

(5) 침전지

호기조의 월류수를 자연침강에 의해 고액분리하여 상등수는 처리수로 방류하고 침전슬러지는 혐기조로 반송하며 일부는 잉여슬러지로 폐기하여 인을 제거하는 공정

KSBNR1 공법의 특성

KSBNR1 공정의 특성

고효율의 컴팩트형 오폐수 고도처리 시스템
- 한 반응조내에서 설치된 스크린을 거치면서 오폐수의 협잡물을 제거시킨 후 유량조정조에 유입되고, 단일반응조(혐기, 무산소, 호기조)에서 유기물과 질소ㆍ인을 제거시키고, 이 처리수를 반응조 상부에서 1차 고액분리시킨 후 최종침전조에 유입되어 최종처리수와 슬러지를 혁신적으로 분리시킨다.
시공이 용이하게 설계된 고강도, 우수한 내구성의 구조물
- 모든 기능이 반응조 내에서 이루어지기 때문에 시공이 간편하고, 또한 반응조는 스틸, FRP 및 내식 도료 라이닝 등을 사용하여 강도가 뛰어나 내구성이 우수함.
고도처리시스템으로 엄격한 방류수 수질기준에 대처하여 하천오염을 효과적으로 해결 할 수 있음. (처리효율 : BOD, SS, COD 90%이상, 질소ㆍ인 70~80% 이상)
유지관리가 용이하고 경제적 : 기존공정면적(70평/100톤)에 비해 소요부지(30평/100톤)가 대폭 축소되고 현장관리인이 필요없이 월2회정도의 점검만으로도 관리가 가능하여 유지관리비가 절감되고, 또한 기존 공정에 비해 시공기간을 1/8~1/15로 단축함.

KSBNR1 공정의 제거효율 비교

항목＼구분	KSBNR 시스템			기존 활성슬러지공법		방류수기준 (mg/L)
항목＼구분	유입(mg/L)	유출(mg/L)	제거율(%)	유출(mg/L)	제거율(%)	방류수기준 (mg/L)
BOD5	121.0	7.3	94	25.0	79.0	10-20
CODCr	206.2	18.7	91	-	-	-
SS	120.8	7.4	93	21.3	80.7	10-20
T-N	31.5	6.1	81	27.1	15.6	60
T-P	4.4	1.0	77	3.7	12.8	8

KSBNR1 개발공정(50㎥/일) 의 BOD5, SS, T-N, T-P 처리효율 DATA

KSBNR1 공법의 설계 및 주요 운전인자

구분	적정범위
수리학적 체류시간 HRT(hrs)	혐기조 및 무산소 영역 : 3.0 (3.2 ～ 4.0) 호기성 영역　　　　　: 5.0 (4.8 ~ 6.0) 고액분리조　　　　　 : 0.5 (0.40 ～ 0.5) 침전조　　　　　　　: 3.0 ～ 5.0
고형물 체류시간 SRT(days)	3.0 (25.0～50.0)
슬러지 반송율(％)	30～50
내부 반송율(％)	100～200 (질소제거 100%, 인제거 200% 가동)
ORP(mV)	혐기 영역　 : -300 ~ -150 무산소 영역 : -150 ~ 0 호기 영역　 : 0 이상
DO(mg/L)	혐기 영역　 : 0.5 이하 무산소 영역 : 0.5 이하 호기 영역　 : 2.5 ~ 3.5
MLSS(mg/L)	공정 전체　　 : 3,500 ～ 5,500 혐기-무산소조 : 4,000~5,500 호기성조 　　 : 3,500~4,500 고액분리조 　 : 3,500~4,500 슬러지반송 　 : 8,000 ～ 12,000

질소, 인 제거에 관련된 동력학적 설계인자

항목 (unit)	질소(T-N)제거		인(T-P)제거	비고
항목 (unit)	질산화	탈질소화	인(T-P)제거	비고
û Ŋ(day-1)	0.47 e0.098 (T-15)	-	-	적용범위 : 5~30 ℃
Ynet (gVSS/gBOD-rem.)	0.42 ～ 0.64 (하절기) 0.32 ～ 0.40 (동절기)	-	0.42 ～ 0.64 (하절기) 0.32 ～ 0.40 (동절기)	net yield coefficient (heterotrophic biomass)
SNR(mgN/gMLVSS/hr)	8.6 ～ 14.3 (하절기) 3.0 ～ 8.2 (동절기)	-	-	Specific nitrification rate
Fn(gN/gMLVSS)	-	0.075	-	Fraction of nitrogen in cell
BOD-req./NO3 -red. (mgBOD/mgNO3-N)	-	3~5	-	BOD required to nitrate nitrogen reduced
SDNR (gN/gMLVSS/day)	-	SDNR1 0.079 ～ 0.18 SDNR2 0.024 ～ 0.063	-	Specific denitrification rate (하절기)
SDNR (gN/gMLVSS/day)	-	SDNR1 0.063 ～ 0.136 SDNR2 0.018 ～ 0.046	-	Specific denitrification rate (동절기)
Fp(gP/gMLVSS)	-	-	0.025 ～ 0.081	Fraction of phosphorus in cell
SPUR(mgP/gMLVSS/hr)	-	-	5.6 ～ 9.0	Specific phosphorus uptake rate

KSBNR1 공법 장점

(1) 공정의 즉각적인 현장 적용

기존 처리공정과 달리 모든 공정이 공장에서 제작되어 설치되기 때문에 간단한 기초공사후 즉각적인 적용이 가능하다.

(2) 운전용이

본 장치는 저렴한 무인 자동화시스템을 원칙으로 개발되었기 때문에 월1~2회 정도의 점검으로 유지가 가능할 것으로 판단되므로 운전이 용이하고 기존공정에 비해 인건비 절감효과가 기대된다.

(3) 처리장의 부지면적 최소화

기존공정과 달리 혐기, 무산소, 호기영역이 단일 반응기내에 포함되어 있으므로 부지절감이 가능하다.

(4) 처리효율 우수

BOD와 SS는 90% 이상, T-N 80~85%, T-P 75~85% 이상 제거하여 유출수의 BOD는 10㎎/ℓ, T-N 15㎎/ℓ, T-P 3㎎/ℓ 이하로 유지하는 것이 가능하다.

(5) 경제적인 설치 및 운전

상기의 1, 2, 3의 결과로 미루어 볼 때, 본 공정은 모든 면에서 경제적인 공적으로 중소규모지역에서 발생되는 오폐수의 고도처리가 가능하다.

(6) 다양한 오폐수 농도부하에도 처리가 가능

국내 하수특성인 저농도와 고농도의 오폐수를 대상으로 시험하여 개발된 공정이고 지중 설치가 가능하므로 계절적인 온도변화에 큰 영향 없이 효과적인 오폐수의고도처리가 가능하다.

KSBNR1 공법의 활용 방안

하수 종말처리장 고도처리시설
기존 하수 종말처리장 증설 및 개보수
마을하수도 및 공공하수도 고도처리시설
아파트, 호텔, 대형건물 고도처리시설
고속도로 휴게소, 대형식당 고도처리시설
후단처리 조합시 처리수 재이용(중수)