KR0142581B1 - 생물여과재를 이용한 폐하수 생물여과 처리장치와 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부유성 합성수지를 미생물의 고정화담체로 사용하여 슬러지를 여과시키는 여과재로 이용하는 폐하수 생물여과처리장치에서, 여과조의 역세척시 기계적 교반이나 공기를 주입하여 여과층을 유동시켜 여과층내의 슬러지를 분리하여 배출하도록 하는 것이다.

즉, 모터의 동력으로 가동되는 임펠라를 여과조내에 설치하여 교반하거나 공기주입관과 드래프트관을 이용하여 상향류 및 하향류를 발생시켜 여과층을 슬러지를 분리하도록 하고 배출될 수 있게 된다.

그 결과로 종래장치와 같이 역세수나 처리수탱크 및 이송펌프 등이 불필요하게 되어 생물여과장치의 높이를 낮추고 고정비가 줄어들게 되는 등 경제적으로도 이익이며, 역세척 배출수량이 감소되어 1차 침전지의 면적을 감소시키거나 침전효율을 높일 수 있는 것이어서 시설투자비를 저렴하게 할 수 있게 된다.

Description

생물여과재를 이용한 폐하수 생물여과 처리장치와 방법

제1도는 생물여과법에 의한 용존유기물 및 부유물질의 제거를 형상화한 개략도

제2도는 부유성여과재를 이용한 종래 생물여과 처리장치의 개략단면도

제3도는 본 발명의 제1실시예로 기계적 교반장치에 의해 역세척하는 생물여과 처리장치의 개략단면도

제4도 a∼b는 제3도의 기계적 교반장치에 의해 여과조를 세척하는 방법을 보인 설명도

제5도는 본 발명의 제2실시예로 생물여과층을 공기주입에 의해 역세척하는 생물여과 처리장치의 개략단면도

제6도 a∼b는 제5도의 공기주입에 의해 여과조를 세척하는 과정을 보인 설명도

제7도는 드래프트관을 사용하여 공기 역세척하는 생물여과 처리장치의 개략단면도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1:기포(산소)2:미생물막

3:여과재4:슬러지

5:물흐름방향6:생물여과조

7:지지층(스트레이너 판)8:생물여과층

9:블로어10, 10′:공기주입밸브

11:압력센서12:슬러지 배출밸브

13:슬러지 배출관14,14′:공기주입관

15:모터16:축

17:임펠라18:드래프트관

19:원수유입펌프20:처리수 저장부

21:원수유입밸브22:역세수 이송관

23:처리수 이송관24:처리수 배출관

25:처리수 저장탱크26:재순환 펌프

본 발명은 부유성 생물여과제(Biological filter media)를 사용하는 폐하수 처리장치 그 방법에 관한 것으로, 특히 여과조 내부를 교반시키는 교반장치를 이용하여 여과층의 슬러지를 분리하여 배출하도록 하는 생물여과재를 이용한 폐하수 생물여과 처리장치(이하 처리장치)와 방법에 관한 것이다.

종래의 폐하수 처리는 현탁 미생물을 이용한 활성오니법(활성오니법)을 주로 사용하였으나, 이 방법은 유입되는 폐하수의 수질 및 수량변화에 민감하여 처리수의 수질이 불안정하기 쉽고 활성오니의 재순환 비율 조절, 오니의 침전성 유지, 공기폭기량 조절 등 변수가 많아 운전이 어렵고 에너지 소모가 크며 또한 처리장 건설에 넓은 부지가 필요한 단점이 있다.

이에 대하여 생물여과법(Biological aerated filter)은 활성오니법에 비하여 사용되는 처리장치의 부피가 작고, 또한 2차 침전지가 필요없어서 상기한 종래 활성오니법의 단점을 해결할 수 있는 폐하수 처리방법으로써 최근 관심을 모으고 있다.

상기한 생물여과재(이하 여과재)를 이용하는 폐하수 처리방법으로써, 여과제가 충진된 처리장치내에 폐하수를 통과시켜 일부 부유물질은 생물여과층(이하 여과층)에 의해 포착되어 제거되도록 하고, 잔여 부유물질과 용존유기물은 여과제 표면에 형성된 미생물막(biofilm)속의 호기성 미생물(aerobic bacteria)이나 혐기성 미생물(anaerobic bacteria)의 대사작용(metabolism)에 의하여 분해되어 제거되게 하는 것이다.

그러나 상기한 종래의 처리장치는 여과층에 의해서 포획된 부유물질과 유기물 분해에 의해 과잉 성장된 미생물 슬러지(Sludge)가, 여과층을 막아서 폐하수의 흐름을 방해하게 되므로, 이를 정기적 또는 비정기적으로 실시하는 역세척(backwash)에 의하여 제거되고 다시 운전하게 되는데 이를 제1도 및 제2도를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

제1도에서는 상기 생물여과법에 의해 용존유기물과 부유물질이 제거되는 것을 형성화하여 나타내었다.

즉, 생물여과법은 미생물에 의한 유기물 분해와 여과를 동시에 수행하게 하는 방법으로써, 처리장치의 여과조내에 미생물이 부착할 수 있는 직경 1 - 10㎜ 정도의 여과재(3)를 1 - 2㎜ 높이로 충진하여 여과층을 만들고 폐하수를 흘려주면서 필요한 산소(1)을 공급해주면, 제1도와 같이 미생물이 부유성인 여과제(3) 표면에 부착하여 미생물막(2)을 형성하면서 여과층을 이룬다. 미설명부호(5)는 물흐름 방향이다.

산소(1) 공급이 원활한 미생물막(2) 표면에는 호기성 미생물이 부착되어 살고 미생물막(2) 내부의 산소가 결핍되는 곳에는 혐기성 미생물이 부착되어 성장하게 되며, 이러한 미생물군은 분해가능한 미세 부유물질과 용존유기물을 미생물 대사작용으로 분해하게 된다.

그 결과 미생물이 번식하게 되어 여과제(3) 표면의 미생물막(2)이 두꺼워져서 더 이상 유기물이 여과재(3) 표면으로 부착되지 못하면 미생물막(2) 내부의 미생물은 성장이 억제되며, 나중에는 분해되어 미생물막(2)이 여과재(3)에서 탈리되고 다시 새로운 미생물막이 형성되게 된다.

이렇게 탈리된 미생물막과 슬러지(4)는 여과층에 포획되어 있고, 그 양이 계속 증가하면 여과층을 통과한 처리수의 수질이 나빠지거나 여과층내에 압력손실이 생겨 처리수의 양이 감소하며 운전이 어렵게 된다.

그래서 이 때 처리수나 공기로 여과층을 역세척하게 되며, 역세척 후에 고농도 부유물질이 섞인 역세척 배출수는 처리장치내의 1차 침전지로 이송되어 슬러지를 침강 제거하게 된다.

이러한 생물여과법은 여과재의 비중에 따라, 그리고 원수가 여과층 내를 흐르는 방향에 따라 몇 가지로 분류할 수 있는 바, 비중이 물보다 높은 여과재인 모래, 안스라이트, 세라믹 등을 사용할 경우에 여과층은 처리장치의 저면에 형성된 형태이다.

이에 반하여 비중이 물보다 낮은 여과재인 합성 고분자 물질을 사용할 때는 여과층이 수면 위로 형성된다.

또한 비중이 물보다 높은 여과재를 사용하는 경우 원수의 흐름은 상향류(한국특허공고91-4079), 하향류(한국특허공고85-798, 87-1996, 91-4079, 93-7842, 94-3571) 두 종류가 있는데, 역세척시는 두 방식 모두 역세수를 상향류로 흘려 운전한다.

비중이 낮은 부유성 여과재를 사용하는 경우에는 원수의 흐름은 모두 상향류이고 역세척의 경우는 모두 하향류로 운전한다.

제2도는 합성고분자 등의 비중이 물보다 낮은 부유성 여과재를 사용하는 경우의 종래 폐하수 생물여과 처리장치를 도시하였다.(미국특허 5,019,268) 이와 같은 종래의 폐하수 처리장치는 저면부에 슬러지를 농축, 공기를 제거하는 슬러지 배출관(13)과 슬러지 배출밸브(12)가 형성되어 있고, 공기를 공급하는 블로어(9)와 공급되는 공기를 조절하는 공기주입밸브(10, 10′), 생물여과조(6 : 이하 여과조)내에 공기를 분사하는 공기주입관(14, 14′), 여과조(6)내에 충진된 다수의 여과재로 형성되는 생물여과층(8), 그리고 스트레이너(Strainer)로 생물여과층(8)을 지지하는 지지층(7), 그리고 지지층(7) 상부에 처리수를 저장하는 저장부(20)를 구비하고 있다.

미설명부호(23)는 처리수 이송관이고, (25)은 저장부(20)로부터 이송된 처리수를 저장하는 처리수저장탱크, (22)는 처리수저장탱크(25)로 부터 저장부로 처리수를 이송하는 역세척 처리수 이송관, (24)는 처리수배출관, (26)은 역세척 처리수를 여과조(6)로 재순환시키도록 하는 재순환 펌프, (27)은 지지대이다.

이러한 종래의 처리장치의 작용은 다음과 같다.

원수는 저면부의 원수유입펌프(19)로부터 유입되어 여과층(8)을 통과하면서 처리되며, 깨끗한 처리수는 여과층(8) 상단의 저장부(20)에 저장되고 일정량 이상은 계속 일류(overflow)되게 된다.

공기는 블로어(9)로 공기주입밸브(10, 10′)를 통하여 여과층(8) 중간에 위치한 공기주입관(14, 14′)로 공급되는 바, BOD를 제거할 경우는 두 공기주입밸브(10, 10′)를 모두 열어 두 공기주입관(14, 14′)을 모두 이용하여 공기를 공급할 수 있고 공기 역세척 할 경우는 상단의 공기주입밸브(10)를 닫아 하단의 공기주입관(14′)만을 이용한다.

상단의 공기주입관(14)만을 이용하는 경우는 폐하수 중의 질소를 제거할 때 여과층(8) 하단에서 탈질작용이 일어나도록 무산소 환경을 만들어 주고, 상부에서는 질산화가 일어나도록 공기를 공급하게 된다.

역세척은 일정기간이 경과하거나 여과층(8)에 슬러지가 많이 쌓여 압력손실이 커져 압력센서(11)로 부터 역세척 신호가 전달될 경우 수행되는데, 슬러지 배출밸브(12)를 열면 저장부(20)의 처리수가 위치에너지로 인하여 여과층(8)을 빠른 속도로 하강하여 통과하며 여과층(8)내의 여과재(3)의 유동을 유발하여 여과층(8)에 부착된 슬러지를 세척해 주고, 세척된 슬러지 배출관(13)을 통하여 배출된다.

이러한 역세척이 끝나면 슬러지 배출밸브(12)를 잠그고 다시 정상운전으로 복귀하게 된다.

상술한 바와 같이 종래의 부유성여과재를 이용한 생물여과장치에 있어서 역세척 방법은 처리수를 여과층(8)으로 낙하시켜서, 그 위치에너지로 부유성여과재에 부착된 미생물막과 여과층(8) 사이에 포획된 부유고형물인 슬러지를 여과층(8)으로부터 분리하여 제거하는 것이었다.

그러나 이러한 종래의 기술은 처리수가 부유성여과재를 유동시키기 위해서는 충분한 수량과, 여과층에서의 압력손실을 극복하기 위한 수두(head)가 필요하기 때문에 여과층 외에도 처리수 저장탱크(25)가 필요하게 되어 전체 처리장치의 부피가 커지게 되는 단점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 여과조내에 여과층을 교반시킬 수 있는 교반장치를 설치하여 역세척시 이용하므로 상기 여과재로부터 미생물막과 부유고형물을 분리시킨 다음, 배출시키므로서, 다량의 폐수를 처리할 수 있을 뿐만 아니라 처리장치의 부피를 축소시킬 수 있는 생물여과재를 이용한 폐하수 생물여과 처리장치와 방법을 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해서 본 발명에 의한 생물여과제를 이용한 폐하수 생물여과 처리장치는, 폐하수를 생물학적 분해 및 여과 처리하기 위한 생물여과조와, 상기 생물여과조내에 충진되는 다수의 부유성 생물여과재와, 상기 생물여과재에 부착된 미생물에 공기를 제공하기 위해 여과조에 설치된 공기주입 수단을 구비한 폐하수 생물여과 처리장치에 있어서, 역세척 필요시 구동되어 상기 여과조내를 교반시키도록 설치된 교반수단을 더 구비하도록 한 것을 특징으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 이해서 본 발명에 의한 생물여과재를 이용한 폐하수 생물여과 처리방법은, 여과조와, 여과조내에 충진되는 다수의 부유성 생물여과재와, 상기 생물여과재에 공기를 제공하는 공기주입수단과, 상기 여과조내를 교반시키기 위한 교반수단을 구비한 폐하수 생물여과 처리장치에 적용되는 여과처리 방법에 있어서, 폐하수를 유입하여 여과재를 통과시켜 여과하는 제1단계, 상기 여과재에 부유고형물이 쌓여 여과성능이 저하되면 폐하수 유입을 중단하고 상기 교반수단을 구동하여 여과조내를 교반시키는 제2단계, 상기 교반수단의 구동을 정지시키고 일정시간 대기하는 제3단계, 일정시간 대기후 여과재에서 분리되어 침전된 고형부유물인 슬러지를

배출시키는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 제3도 이하를 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명하면 다음과 같다.

[제1실시예]

제3도는 본 발명에 의한 처리장치의 제1실시도로서, 생물여과층을 기계적 교반장치에 의해 역세척 하게 하는 생물여과장치의 구조를 간략히 도시하였으며, 제2도에서의 동일기능부는 동일부호를 표시한다.

제3도에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 처리장치는 제2도에 표시된 처리장치에 있어서 저장부(20)를 별도로 설치하지 않고, 역세척시 여과층(8)을 교반시킬 수 있는 기계적 교반장치를 여과조 내에 설치한 구성상의 특징을 갖는다. 그리고 기계적 교반장치로서는 역세척시 구동되는 모터(12)에 축(16)으로 연결되어 회전하는 임펠러(17)로 구성하였다. 이러한 구성을 갖는 본 발명의 제1실시예에 의한 처리장치의 세부적인 작용을 제4도를 참조하여 상세히 살펴보기로 한다.

제4도의 a 내지 e는 본 발명의 제1실시예에 의한 처리장치의 동작상태를 순차적으로 도시한 것이다.

a는 처리장치의 정상동작 상태를 나타내며, 이의 상태는 앞서 기술한 종래의 처리장치와 동일하다. 그리고 도면내의 점선은 여과층(8)의 하한선을 나타낸 것이다.

b는 여과층(8)내의 여과재(3)에 부유 고형물이 많이 쌓여 압력센서(11)등에 의해 역세척의 필요가 알려지거나, 운용자의 사전설정에 의한 역세척 시간이 타임아웃되어 역세척이 시작된 경우의 동작상태를 나타낸 것이다. 따라서 모터(15)가 구동하고 이에 따라 임펠러(17)가 회전하여 여과층(8)을 교반시키는데, 이 때 원수유입밸브(21)와 슬러지 배출밸브(12)는 모두 잠기게(OFF) 된다.

이 때, 교반장치의 회전속도와 시간은 생물여과재의 물리화학적 성질과 폐수 성상에 따라 여과재 표면의 미생물막을 어느 정도는 유지하면서 잉여 슬러지를 제거할 수 있도록 조절하여야 하는 바, 이는 과잉교반으로 인하여 미생물막이 전부 이탈하면 새로운 미생물막이 생성되기까지 상당한 시간이 소요되어 처리수의 수질이 나빠지기 때문이다.

c는 일정시간 동안의 교반장치의 구동을 멈추고 3-10분 정도 정치시켜 여과층(8)에 쌓였던 고형부유물을 침전시키는 동작상태를 도시한 것이다.

d는 고형부유물을 침전시킨 후, 슬러지 배출밸브(12)를 열어(ON), 여과조(6)내의 처리수의 압력에 의해 침전된 침전물을 외부의 1차 침전지(도면에 도시하지 않았슴)로 배출시키는 상태를 나타낸 것이고,

e는 일정정도 배출후에 슬러지 배출밸브(12)를 닫고(OFF), 원수유입밸브(21)를 다시 열어 여과작용을 재개하는 상태를 나타낸 것이다.

상기 역세척에 사용되는 처리수(역세수)의 양은 전체 처리수의 10-30% 정도에 이르고 있어서 역세척에 필요한 처리수의 양을 감소시키거나 제거할 수 있으면 그 만큼 폐하수 처리용량이 커지고 운전경비도 줄일 수 있게 되는 결과가 되는데, 이러한 본 발명의 제1실시예인 교반장치를 이용한 방법을 사용하면 역세수를 전혀 필요로 하지 않아 종래의 방법에 비하여 단위부피당 처리효율이 증가될 뿐 아니라 슬러지를 함유한 배출수를 1차 침전지로 이송할 때 배출수의 유량이 줄어들어 1차 침전지의 수면적 부하를 줄여서 침전효율도 높여주는 효과가 있다.

[제2실시예]

제5도는 본 발명에 따른 제2실시예시도로서, 교반장치로서 공기주입노즐을 사용하여 여과층을 공기주입에 의하여 역세척하는 생물여과 장치의 구조를 도시하였다.

제5도에 도시한 바와 같이 본 발명의 제2실시예에 의한 처리장치는, 제2도의 종래의 처리장치에 있어서, 저장부(20)를 별도로 설치하지 않고 역세척을 위한 교반장치로 가능하기 위해 공기주입관의 노즐의 위치를 공기주입관(14, 14′)의 일부분에 집중되게 형성하여 공기주입에 따라 여과조내에 편류가 형성되도록 구성하였다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 제2실시예에서는 여과층(8)에서 잉여 활성오니를 포함한 슬러지를 분리시키는 방법으로, 공기주입관(14, 14′)로 공기를 분사하여 여과층(8)의 여과재를 유동시켜 처리수를 역세척에 이용하지 않거나 최소한의 양만을 사용하는 방법이다.

즉 역세척에 사용할 공기주입관(14)을 여과조(6)의 중심에 배치하여 기포의 상승에 따른 상향류와 하향류로 선회류를 형성하여 유동을 촉진시키는 것이다.

이러한 공기주입에 의해 부유성 여과재를 이용한 생물여과 처리장치를 세척하는 과정을 제6도에 간략히 도시하였는 바, 정상상태의 운전(a)에서 역세척시에는 원수유입밸브(21)을 닫고(b), 공기를 주입하여 선회류를 형성하여 여과층(8)을 교반시키고(c), 고형부유물인 슬러지를 여과층(8)에서 분리시키고 역세척을 위한 주입을 정지시키고 일정시간 정체시킨 후(d), 슬러지배출밸브(12)를 열고 배출시킨다(e). 제7도는 본 발명의 처리장치에 대한 제3실시예로서, 상향류와 하향류의 원활한 흐름을 위해 드래프트(draft)관(18)을 여과조(6)내에 설치, 에어 리프트(air lift) 효과를 이용하여 지지대(27)에 의해 지지된 드래프트관(18) 안으로는 상향류, 드래프트관(18) 밖으로는 하향류가 되게 하여 유동을 촉진시키도록 한 것이다.

이 때 드래프트관(18)의 직경 또는 단면적은 여과조(6) 전체의 단면적에 대하여 상승속도와 하강속도를 고려하여 일정비율로 조절한다.

상기 드래프트관(18)을 사용하여 에어 리프트 효과를 이용한 생물여과재의 순환방법은 한국특허공고 89-4193 에도 나타나 있으나, 이는 여과조를 연속적으로 역세척할 때 사용하는 방법으로써, 이 경우 여과재가 처리중에도 계속 유동하게 되므로 여과효과가 감소하여 처리수질이 좋지 않을 수 있다. 그러나 본 발명에서는 역세척시에만 여과재를 유동하게 하므로 처리중에는 수질이 나빠질 염려가 없다.

따라서, 이상에서 설명한 본 발명과 같이 역세척에 있어서 처리수를 사용하지 않고 기계적 교반 또는 공기유동을 이용하여 역세척할 경우 다음과 같은 이점이 있다.

먼저, 역세수가 필요없어 폐하수의 처리능력이 종래 장치에 비하여 10-30% 향상되고, 이에 따라 처리수탱크 설치가 필요 없어 생물여과장치의 높이가 낮아지고 고정비가 줄어들게 되며, 또한 처리수탱크가 생물여과장치보다 수위가 낮게 설치되어 있을 때, 이를 이송하기 위한 펌프가 필요없게 되어 경제적이다.

또한, 종래에는 여과조에서 역세척 배출수를 1차 침전지로 순환시켜 침전고형물을 제거하게 되는 과정에서 역세척이 단시간 내에 이루어지고 다량의 배출수가 배출되어, 1차 침전지에 수면적 부하를 크게 하고 침전효율을 떨어뜨리게 되므로 1차 침전지를 크게 설계하여야 했었다.

그러나 본 발명에서와 같이 역세수를 소량 또는 전혀 사용치 않게 되어, 종래에 비해 상대적으로 역세척 배출수량이 감소되어 1차 침전지를 작게 설계해도 되고 같은 크기로 할 경우 침전효율이 높다. 따라서 본 발명에 의한 생물여과 처리장치와 방법은 종래의 생물여과 처리장치에 비해 시설투자비나 운전비가 저렴하여 경제적이다.

Claims (5)

1. 폐하수를 생물학적 분해 및 여과 처리하기 위한 생물여과조(6)와, 상기 생물여과조(6)내에 충진되는 다수의 부유성 생물여과재(3)와, 상기 생물여과재(3)에 부착된 미생물에 공기를 제공하기 위해 여과조(6)에 설치된 공기주입수단(40)을 구비한 폐하수 생물여과 처리장치에 있어서, 역세척 필요시 구동되어 상기 여과조(6)내를 교반시키도록 설치된 교반수단을 더 구비하도록 한 것을 특징으로 하는 폐하수 생물여과장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 교반수단은, 역세척 개시신호에 의해 구동되는 모터(15)와, 상기 모터(15)에 연결되어 회전하며 여과조(6)내에 설치되는 임펠러(16)를 구비하는 것을 특징으로 하는 폐하수 생물여과장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 교반수단은, 여과조(6)내에 교반시킬 수 있는 편류를 생성하도록 상기 공기주입수단의 분사구를 집중되게 형성한 것을 특징으로 하는 폐하수 생물여과 처리장치
4. 제3항에 있어서, 상기 공기주입수단에 의해 주입된 공기의 에어 리프트 효과를 주기 위해 상기 여과조(6)내에 설치한 드래프트관(18)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 폐하수 생물여과 처리장치.
5. 여과조(6)와, 여과조(6)내에 충진되는 다수의 부유성 생물여과재(3)와, 상기 생물여과재(3)에 공기를 제공하는 공기주입수단(40)과, 상기 여과조(6)내를 교반시키기 위한 교반수단을 구비한 폐하수 생물여과 처리장치에 적용되는 여과처리 방법에 있어서, 폐하수를 유입하여 여과재(3)를 통과시켜 여과하는 제1단계, 상기 여과재(3)에 부유고형물이 쌓여 여과성능이 저하되면 폐하수 유입을 중단하고 상기 교반수단을 구동하여 여과조(6)내를 교반시키는 제2단계, 상기 교반수단의 구동을 정지시키고 일정기간 대기하는 제3단계, 일정시간 대기후 여과재(3)에서 분리되어 침전된 고형부유물인 슬러지를 배출시키는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐하수 생물여과 처리방법.