제3절 협기처리기술의 발전

폐수 협기 처리설비는 부하가 높아 토지 점유가 적다.

혐기반응기 용적 부하는 호기 법보다 훨씬 높아서 단위 반응기 용적의 유기물 제거 양도 훨씬 높다, 특히 새로운 고효율 혐기 반응기는 더욱더 이러하기 때문에 그 반응기 체적이 적고, 점유 용지가 적다. 이러한 장점은 인구 밀집 지역, 토지비가 급등하는 지역에 매우 중요하다. 오스트레일리아의 어떤 제지공장에서 기존 호기 공정을 개조할 때, 협기 기술로써 선행 폐수처리를 도입하여 부지면적이 변하지 않고 폐수처리 능력을 2배 증가하였다. 

 

5 발생하는 잉여오니량이 호기 법에 비하여 훨씬 적고 나머지 오니 탈수 성능이 좋아 농축 시 탈수제를 사용하지 않아도 되므로, 나머지 오니 처리가 훨씬 쉽다. 혐기 미생 물은 증식이 완만하여 같은 폐수처리 시 호기 법의 1/10-1/6 나머지 오염된 진흙이 발생한다. 혐기 법은 발생한 오염된 진흙이 고도로 무기화되어 농토 비료로 사용할 수 있으며, 새로이 운전하는 폐수처리장의 오니 접종에 판매한다. 

 

6 혐기방법은 영양물의 요구량이 적다. 일반적으로 생분해 COD(CODBD)를 계산근거로 하면, 호기 방법에서는 질소와 인의 요구량이 CODBD:N:P=100:5:1이지만 혐기 방 법은 (350-500):5:1이다. 유기폐수는 일반적으로 일정량의 질소와 인 및 다량의 미량 원소를 함유하므로 혐기 방법은 영양염을 첨가하지 않거나 혹은 소량의 영양염만 첨가하면 된다. 

 

7 혐기방법은 고농도의 유기폐수를 처리할 수 있다. 폐수 농도가 비교적 높을 시에 
도 대량의 희석한 물을 필요로 하지 않는다.

 

8 혐기방법의 균종(예를 들면 혐기 입상 오니)은 공급 폐수와 영양을 중지한 상태에서 그 생물 활성과 양호한 침전 성능을 1년 이상 보유할 수 있다. 이 특성은 단기 혹은 계절성의 운전을 위한 유리한 조건으로 제공되었고, 혐기 입상오니는 신축 협기 처리장 
의 접종 오염된 진흙으로도 판매할 수 있다.

 

9 혐기공정 규모는 융통성이 있어서 커도 작아도 되며, 설비가 간단하여 제어가 쉼 
고, 비싼 설비를 필요로 하지 않는다. 현재 공업폐수처리의 UASB (Up flow Anaerobic Bludge Blanket)'은 몇십m에서 몇만㎡ 이상의 규모로 운행되고 있다. 네덜란드의 Bio thane 사가 캐나다 Bathurst 제지회사에 설계한 UASB반응기 용적은 15,600m이고, 185t COD/d의 제지 폐수를 처리할 수 있다. 

(2) 협기처리의 단점 

1 협기처리는 비록 부하가 높고, 제거 유기물의 절대량과 농도가 높은 폐수처리를 할 수 있을지라도, 그 처리 수의 COD 농도가 호기 처리에 비해 높다. 그래서 원칙적으로 후처리를 한 후에만 비교적 엄격한 배출기준에 도달할 수 있다.

 

2 혐기미생물은 유독물질에 대하여 비교적 민감하다, 그래서, 유독폐수 성질의 이 해 부족과 부적당한 조작은 반응기 운전조건의 악화를 초래할 수 있다. 그래서 유독물 질의 종류, 허용 농도와 순화에 의한 내성 및 공정 개선으로 이 문제는 극복되어진다. 근래에 사람들이 혐기 미생물은 순화를 경험한 후에 독성물질에 대한 내성을 극대로 제 고할 수 있었다는 것을 발견하였다.

 

3 혐기반응기의 초기 운전은 과정이 완만하여 일반적으로 8-12주의 시간이 요한 다. 이것은 혐기 세포 증식이 비교적 느려 같은 요인에서 협기 처리는 매우 적은 나머지 오염된 진흙을 발생한다. 섬 기온 지는 장기간 보존할 수 있으므로 신설 혐기공정의 초기 시험 운전 시, 기존 협기 공정의 나머지 오니 접종을 하면 시험 운전이 늦어지는 문제가 즉시 해결된다. 

-지난 세기말, 사람들은 메탄 발생은 미생물학 과정인 것을 이미 인식했다. 1896년 영국은 생활 오수처리를 위하여 혐기소화지 1기를 개발하였고, 발생한 메탄가스는 도로 조명을 위해 사용하였다. 1914년까지 미국에 있는 14개 주(states)는 혐기소화 지를 건설했다. 2차 대전 종결 후, 협기 처리기술의 발전은 다시 한번 절정을 불러일으켰다. 40년대 이탈리아에서 연속 휘저음의 혐기소화지가 개발되었고, 혐기 오니와 폐수의 혼합을 개선하여 처리효율을 높였다. 그러나 본질에서 반응기 중의 미생물 (즉 혐기 오니)과 폐수 또는 원료는 완전혼합을 일으키게 하였고, 반응기 내에서 오니 체류 시간 (SRT)과 폐수 체류 시간은 상호 같으므로, 반응기 내의 오니 농도가 비교적 낮아 처리 효과가 낮게 나타났다. 반응기 내에서 폐수가 며칠부터 수 십일까지 오랜 체류를 해야 했다. 이때 협기 처리기술은 주로 오염된 진흙과 분뇨의 소화에 사용했고, 그것은 공업폐수처리에 사용하는 것은 경제적이라 할 수 없었다.  50년대 중반 혐기 접촉 반응기 (그림 1.2)가 개발되었다. 이 반응기는 연속 교반 반응기 늘 기초로 처리 수의 침전조 중에서 오니 반송 장치를 증설하여, 부분적으로 섬 기온 지를 또다시 반응기에 되돌림으로써 반응기 중의 혐기 오니의 농도를 증대시켜 반응기에서 혐기 오니의 체류 시간을 처음으로 물의 체류 시간보다 길게 하였다,

첫 번째 혁신적인 발전은 60년대 말 Young과 McCarty 8가 협기여 과기 (Anaerobic Filter, 약칭 AF)를 발명했다. 70년대 이래, 협기처리의 최대 발전은 네덜란드 Wageningen 대학 Lettings 등이 개발한 상류식 혐기 오니 상 (Up-flow Anaerobic Sludge Bed, 약칭 UASB) 반응기 발명 이후 많은 주목을 받았고, 현재에 이르려는 최고 광범위한 협기 처리 방법으로 응용하게 되었다. AF과 UASB의 발명은 미생물 고정화를 근거로 개발되었고, 오염된 진흙과 폐수의 혼합 효율을 높이어 새로운 혐기반 옹기의 연구와 발전을 이루었다. 예를 들면 혐기 유동상 (Anaerobic Fluidized Bed), 팽 창 입상 오니상 (Expanded Granular Sludge Bed, 약칭 EGSB)는 이 기초 위에서 일종의 개량한 반응기 유형 (그림 1.2)이다. 

 

고효율 혐기반응기의 발전은 혐기 반응기의 부하와 처리효율을 크게 높여 반응기 내 체류 시간이 몇 시간까지 단축되었고, 반응기 용적이 많이 축소될 수 있게 되어 협기 기술을 공업화의 폐수처리에 사용이 유리하다. 오니 체류 시간의 연장과 오니 농도의 제고는 혐기공정의 안정성을 높이고, 불리한 요소(예를 들면 유독물질)의 적응성에 대하여 효과적으로 증진되도록 하였다. 그래서 앞으로 20년간 폐수 협기 처리기 술은 매우 빨리 확대 보급될 수 있고, 수질오염방지 영역에 한 항목의 유효한 신기술로 될 것이다. 
그림 1.2는 대표적인 혐기반응기 모식도이다. 간단한 개요를 아래와 같이 소개한다. 

 

1. 혐기여과기 (AF) 

혐기여과기는 미생물 운반체로서 충진재를 사용하는 일종의 고효율 혐기 반응기이다. 혐기성균은 충진재에 부착하여 생장하여 생물 막을 형성한다. 생물 막과 충진재가 함께 고정 여상을 형성하므로 그 구조와 원리는 호기 생물 여과 상과 유사하다. 그림 1.2의 B 그림 은 상류실 혐기 여과기 모식도이고, 폐수는 반응기 밑바닥에 균등하게 분산하여 유입하면 상류실 이동 과정에서 생물 막은 폐수의 유기물을 흡착과 분해하며, 더하여 미생물의 대 시작용은 유기물 전환을 도와 메탄과 이산화탄소를 만든다. 바이오가스와 유출수는 반 등기 상부를 거쳐 분리배출한다. 충진재 표면의 생물 막은 지속 해서 생장하고, 부분적으로 노화된 생물 막이 떨어져 유출수에 따라 나가 반응기 후에 설치한 침전조에 서 나머지 오염된 진흙으로 분리한다. 

혐기 여과기는 특히 분자량이 적은 용해성 폐수를 기질로 사용하였으며, 예비 산화가 혐기 여과기의 운전에 유리하다. SeyfeiedII는 혐기 여과기 사용에서 주정 공장과 소맥, 감자전분 폐수처리 시, 거의 예 흩날림 화로 인식하여 아무리 작아도 필수적이고, 매우 유익한 것이었다. Wheatley 등은 과자 공장폐수(주로 탄수화물 포함) 중에 COD 부하가 7kg/m3. d에 도달할 때, 반응기의 산화에 문제가 일어난 것을 경험했다.

혐기 유동상 반응기 (그림 1.2 E)는 미생물 고정화의 재료로 미입상 충진재 (예: 모래)를 사용하고, 이러한 미립 자상에 혐기 미생물 부착은 생물 막을 형성한다. 이 미립자 입 경은 비교적 작으므로 반응기 내에 일정 범위의 높은 상류 속도를 사용하여, 반응기 내의 여러 가지 미립자가 흐름 상태를 형성한다. 비교적 높은 상류 속도의 유지를 위하여, 유동상 반응기의 높이와 지름의 비는 그 동 종류의 반응기보다 크고, 동시에 재순환 비 (즉 유출수 순환량과 원 폐수 유입량의 비)를 높게 사용한다.

 

혐기유동상반응기는 비교적 작은 입자를 사용하므로 표면적이 더욱 큰 생물 막을 형 성하여 흐름 상태도 생물 막을 향한 유기물질의 전이 속도 규율을 충분히 개선하며, 동시에 혐기 여과기에서 나타날 수 있는 단 거로 와 막힘을 극복하였다. 이 공정에서 흐름 상태의 형성이 전제 조건이다. 그래서 비교적 가벼운 입상 혹은 손상의 오염된 진흙이 반응기 내부로부터 연속적으로 유출될 수 있고, 진정한 흐름 형태는 형성된 생물 막의 두께, 밀도, 강도 등에서 상대적으로 균일하거나 혹은 균일한 입상에 필수적으로 의존한다.

 

그러나 실제에서 생물 막의 형성과 탈락을 조절하는 것이 어렵고, 반응기 내에서 각종 크기와 밀도가 다른 입상이 있을 수 있다. 일정 유속 하에서 생물 막을 형성하지 않거나 혹은 탈락한 생물 막의 입상이 반응기 밑바닥에 침전할 수 있다. 그러나 가볍거나, 솜 상오니까 부착된 입상은 상부에 존재할 수 있고, 심지어 반응기에서 흘러나올 수도 있다. 조작 과정에서 밀도와 크기가 다른 입상은 필연적으로 부단히 생성된다. 그래서 적지 않은 연구자는 실제로 진정한 유통상 계통은 사용될 수 없다고 인식했다. [12-15] 

 일정 유속이 아래서 위로 흐르는 폐수와 협기과정에서 발생하는 대량의 바이오가스 교반 작용으로 인하여 폐수와 오염된 진흙이 충분히 혼합되어 유기물은 흡착 분해된다. 발생한 바이오가스는 반응기 상부 삼상 교류 분리기의 포집 실을 통해 배출하고, 함유된 현탁 부유 오염된 진흙의 폐수는 삼상 교류 분리기의 침강 구역으로 진입하며, 폐수 중에서 바 이오 가스가 이미 분리되었기 때문에, 침강 구역은 바이오가스 휘저음 영향을 다시 받지 않고, 안정하여 폐수의 상승 과정에서 침강설이 양호한 오염된 진흙은 침강 지역을 통해 반응기 주체 부분으로 되돌려져 반응기 내에 고농도 오염된 진흙을 확보한다. 소량의 가벼운 오염된 진흙을 함유한 폐수는 반응기 상부 방향으로 배출하므로 UASB반응기는 침강설이 매우 좋은 입상 오염된 진흙을 만들 수 있고, 비교적 높은 상류 속도와 용적 부하를 이루는데 만족할 수 이 
다. 


70년대 말부터 UASB반응기는 최초 생산 규모 장치로 설치한 이래, 1993년까지 적어도 400개 이상 생산 규모의 UASB반응기가 이미 설치, 운전하고 있다. 12. 그 처리 폐수는 대부분 유기오염물을 주로 하는 폐수로, 예를 들면 각종 발효공업, 전분 가공, 제당, 통조림, 음료, 우유와 유제품, 채소 가공, 콩 제품, 육류가공, 가죽, 제지, 제약, 석유정제 및 석유화학 등 각종 유기폐수이다. 현재 최대의 UASB반응기는 네덜란드 Piques 사가 캐나다. 에 건설한 제지 폐수처리의 UASB반응기이고, 그 용적은 15,600m, 설계능력은 COD 185t/일 처리이다. 


EGSB반응기 (그림 1.2F)는 UASB반응기를 기초로 80년대 후반기 네덜란드 Wag eningen 대학이 새로운 혐기반응기 연구를 시작하였다. 16] EGSB반응기와 UASB반 옹기의 구조는 매우 유사하고, 다른 점은 EGSB반응기의 상류 속도는 2.5~6m/h, UASB는 0.5~2.5m/h 정도이다. 따라서 EGSB 반응기에서 입상 오니 상은 부분 혹은 전 
부 " 팽화" 상태이고, 즉 오니 상의 체적이 입상 간의 평균 거리 증가로 인하여 훨씬 확대된다. 상류 속도 제고를 위하여 EGSB반응기는 높이와 지름 비 16' 를 비교적 크게 하며, 순환수의 비도 크게 한다.

EGSB반응기는 역시 유동상 반응기의 한 종류를 개량한 것으로 반응기 내부에 미생물의 운반체를 위한 어떠한 충진재도 사용하지 않고, 미생물은 EGSB 중의 체류에서 미생물 스스로 형성된 입상 오염된 진흙에 의존하며, 동시에 EGSB반응기의 상류 속도는 유동 상반 응기 보다 적다. 그중의 입상 오염된 진흙은 흐름 상태 변화에는 미달하나, 어느 정도로 팽창한다. EGSB반응기는 한창 연구 제작 중으로 생산 규모의 EGSB 사용실적은 아직 적다.