KR0158536B1 - 혐기성 미생물을 이용한 고농도 유기폐수의 처리방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

[목적]

주정폐수, 포도발효폐수, 맥주폐수등과 같이 BOD 3,000 - 30,000mg/ℓ의 고농도 유기폐수를 처리대상으로 하여 처리시간을 단축하고, 동시에 높은 처리효율로 건설비와 유지관리비등의 제반 경비를 최소화해 경제적으로 처리하고자 고농도 유기폐수를 혐기성적으로 2단계에 걸쳐 처리하는 고농도 유기폐수의 처리방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.

[구성]

메디아층과 미생물 분리조를 효과적으로 조합하여 유기물폐수를 처리하는 기술로써, 처리조의 하위로 유입되는 BOD농도 3,000-30,000mg/ℓ의 고농도 유기폐수를 상승시켜 메디아층을 통과하게 하고, 메디아층의 메디아의 표면에서 탈리된 미생물과 상승가스로부터 분리된 미생물을 반복 유동시켜 처리성이 우수한 슬럿지 베드층과 슬럿지 블란켓층을 형성케 해 고효율로 유기물을 처리한 후 미생물분리과정을 거친 처리수를 처리조 밖으로 유출시키는 고농도 유기폐수의 처리방법 및 장치이다.

Description

혐기성 미생물을 이용한 고농도 유기폐수의 처리방법 및 그 장치

제1도는 본발명에 의한 고농도 유기폐수 처리장치의 내부구조도.

제2도는 유입속도에 의한 규칙적인 점진적 층상의 이동을 나타낸 예시도.

제3도는 다른 실시예에 의한 유기폐수 처리장치의 상반부의 내부구조도.

제4도는 동 평면도.

제5도는 유입수 분배기의 단면도.

제6도는 유입수 분배기의 배치도.

제7도는 유입수 분배기의 평면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 처리조 2 : 메디아층

3 : 슬럿지 베드층 4 : 슬럿지 블란켓층

5 : 유입수 분배기 6 : 유입관

7 : 처리수 공간부 8 : 침전부

9 : 미생물분리장치 10 : 유출관

11 : 배기관 12 : 작은 요철

13 : 메디아

본 발명은 주정폐수, 포도발효폐수, 맥주폐수등과 같이 BOD 3,000 - 30,000mg/ℓ의 고농도 유기폐수를 처리대상으로 하여 처리시간을 단축하고, 동시에 높은 처리효율로 건설비와 유지관리비등의 제반 경비를 최소화해 경제적으로 처리하고자 고농도 유기폐수를 혐기성적으로 2단계에 걸쳐 처리하는 고농도 유기폐수의 처리방법과, 이에 특히 적합한 장치에 관한 것이다.

본발명은 상기 고농도 유기폐수의 2단계 처리공정중 첫단계 처리로서 슬럿지 베드(sludge bed)층과 슬럿지 블란켓(sludge blanket)층에 의하여 유입 폐수중의 유기물을 80%이상 처리하고, 메디아층에 의한 제2단계 처리에서는 미처리된 유기폐수를 메디아층에 부착된 혐기성 미생물에 의해 처리하는 것을 주된 특징으로 한 것이다.

처리조의 최상부에는 상향류의 고액혼합액으로 부터 가스를 분리하여 침전부에 양호한 침전조건을 제공하는 미생물 분리조를 형성한다. 또, 미생물 분리조의 직하부에는 소정의 기울기를 가진 메디아층을 형성하고, 메디아층의 하위에는 슬럿지 블란켓층이 형성되도록 한다.

처리조의 최하부에는 슬럿지 베드층을 형성시켜 하부로부터 유입된 폐수가 상부로 진행되는 동안에 단계별로 처리되도록 한다. 이때, 슬럿지 베드층과 슬럿지 블란켓층을 양호한 상태로 형성시키기 위한 중요한 조건으로서는 유입폐수의 유속, 메디아층의 높이, 메디아층의 경사도등이다. 특히 본발명에서는 슬럿지 베드층과 슬럿지 블란켓층이 고농도 유기폐수의 80% 이상을 처리할 수 있는 중요한 역할을 담당한다.

이상에서 설명하는 슬럿지 베드층과 슬럿지 블란켓층은 고농도 미생물로 이뤄진 플록(floc)의 집단으로, 고농도의 유기폐수가 이처럼 활성화돼 있는 고농도의 미생물층을 통과할 때 유기폐수와의 접촉면이 크고, 미생물의 결집 상태가 고밀화된 상태이므로 유기폐수가 고농도라고 할지라도 처리 효율이 극히 우수하며, 실제적으로 슬럿지 베드층과 슬럿지 블란켓층에서 유입폐수 중의 유기물이 80%이상 제거된 사실을 실험을 통해 확인하였다.

메디아층의 하부에 식종된 혐기성 미생물이 유기물 분해과정에서 발생한 가스와 함께 상승하여 소정의 기울기가 주어진 메디아층과 미생물 분리장치가 설치된 침전부에서 상승가스와 완전 분리된 후에 하부로 침전되어 슬럿지 베드층을 형성하게 된다.

슬럿지 베드층에서 형성된 플록은 유입폐수가 분해될 때에 발생하는 가스와 반응조내서의 체류시간동안 혐기성 발효에 의해 계속적으로 생성되는 미세한 기포(가스에 의해 생성되는 방울)가 이들 미생물 플록에 부착되어 그 플록이 메디아층까지 반복적으로 상승하는 과정에서 플록이 점차 커지게 된다. 슬럿지 베드층 상부의 메디아 표면에서 탈리된 미생물 플록은 성질상 슬라임(slime)처럼 끈끈한 점액질이 그 표면을 형성하므로 하부 공간부내의 유동상태로 부터 미립자의 미생물막이 상호 플록화되기가 매우 용이할 뿐아니라 일단 메디아층 하부에 집합된 플록의 집합체끼리도 응집력이 커져서 생물막의 응집체가 메디아의 하부 표면에 점착되기 시작하며, 점차적으로 점착된 플록에 다시 새로운 플록이 상호 인력과 점착력에 의해 접합되어 유입폐수의 유속의 상승력과 슬럿지 블란켓층의 무게 중력과의 균형이 깨지는 경우까지 메디아층의 하부에 슬럿지 블란켓층을 두껍게 하기 위한 기술적 구성은 본발명이 추구하고자 하는 것 중에서도 무엇보다 중요한 기술이다.

하부공간부에 유입된 폐수의 유속과 유입관에서 넓은 하부 공간내로 유입될 때의 가압된 상태에서 감압상태로 연결되는 기포(buble)의 형성 정도와 동시에 처리조내의 체류시간에 따른 혐기성 미생물의 소화에 의한 가스의 생성정도, 메디아의 경사각, 메디아층의 높이와 하위 공간부의 높이의 비율, 최상부에 위치한 미생물 분리장치의 상호 유기적 관계등에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

제1도에 나타난 바와같이, 처리조(1)내부에서 중상부에는 0.2-0.4H로 메디아층(2)을 형성하고, 메디아층(2)의 하위에는 0.4-0.6H의 슬럿지 베드층(3)과 슬럿지 블란켓층(4)을 형성하며, 슬럿지 베드층(3)내에는 유입수를 고르게 분산시켜 분출하는 유입수 분배기(5)와 단일 유입관(6)으로 이뤄지는 유입수 분배기를 설치한다.

유입수 분배장치는 제5도 내지 제7도에 나타난 바와같이 상부 분산판(5a)에는 중앙과 그 주위에 분출공(51)을 뚫고 하부 분산판(5b)에는 상기 분출공(51)과 중복되지 않도록 복수의 분출공(52)을 천공하되 각기 중앙으로 갈수록 공경을 작게 한다. 유입관(6)이 유입수 분배기(5)의 천정의 중앙에 연결되어 있으므로 이곳으로 유입되는 유입폐수를 사방으로 고르게 분산 분출시키기 위해서이다.

그리고 유기폐수 유입량의 증가에 따라 반응기의 용적이 커질 경우 유입수 분배기(5)의 수도 증가되어야 하며, 제6도는 이 경우에 부응하여 유입수 분배기(5)의 증가에 따른 적절한 배치예를 나타낸 것이다.

또, 메디아층(2)의 상위에는 0.2-0.3H의 처리수 공간부(7)와 침전부(8) 및 미생물분리장치(9)를 설치하고, 이 미생물분리장치(9)와 조합된 유출관(10)은 처리조(1)의 상단부에 일체상으로 설치한다. 그리고 최상위에는 혐기성 소화에 의해 발생하는 가스(CH₄+CO₂)를 방출하는 배기관(11)도 설치한다.

상기 메디아층(2)은 처리조(1) 용적의 20-40%가 되도록 충진한다. 또, 메디아층(2)의 각 메디아(13)는 굴곡부를 파형으로 형성하되 약 55-65°의 경사각(θ)을 갖도록 형성한다. 서로 인접한 개개의 메디아(13)가 상호 접촉하도록 설치함에 있어서는 각 경사의 방향이 서로 어긋나게 반복 설치하여 공극을 형성하고, 여러 층으로 적층할 경우에는 이들간에 형성되는 공극이 지그재그상으로 연결되도록 설치하여 공극율 97%, 비표면적 150㎡/㎥ 이상으로 한다.

일반적으로 슬럿지 블란켓층의 형성없이 처리조(1)에 충진물을 충진하고 순수한 메디아층만으로 처리할 경우 많은 양의 메디아를 충진하여 고농도 폐수에 대한 처리효율을 80-85%로 하려면 수리학적 체류시간은 5-10일 정도가 소요되지만, 본발명에서는 메디아층(2)과 이 메디아층(2)의 직하위에 형성되는 블란켓층(4)과 슬럿지 베드층(3)에서 다량의 미생물을 확보함으로써 0.5-2일 정도의 짧은 체류시간에서도 처리효율을 90-95%로 유지할 수 있다.

이는 슬럿지 블란켓층(4)과 슬럿지 베드층(3)의 두께에 비례한다. 이는 상기한 배치구조에서 슬럿지 베드층(3)내로 유입되는 폐수의 상승속도를 2.5-20m/일로 유지하면 제2도에서와 같이 유입폐수는 점진적으로 반응조의 상층부로 이동하게 된다.

이때, 유기물이 분해되면서 발생하는 가스는 빠른 속도로 상승하게 되는데, 슬럿지 베드층(3)의 상부에 있는 미생물과 미생물 플록들은 상승가스와 함께 동반 상승하여 반응조 상층부의 메디아층(2)과 미생물분리장치(9)가 설치된 침전부(8)에서 상승가스와 분리되어 하부의 슬럿지 베드층(3)으로 침전된다.

이러한 현상이 반복되는 과정에서 미생물과 미세한 미생물 플록들은 상호 부착되어 큰 미생물 플록으로 성장하게 된다. 이런 과정을 거쳐 슬럿지 베드층(3)의 상부에 형성된 슬럿지 블란켓층(4)은 슬럿지 베드층(3)에 비해 밀도는 작지만 유기물과의 접촉이 원활하여 유기물을 분해하는데 큰 역할을 한다.

여기서, 메디아층(2)의 경사각(θ)을 55-65°로 한정한 것은 유입폐수및 생성미생물을 메디아층(2)내에 적절히 체류시킴과 동시에 생성 미생물 플록에 의하여 메디아 공극이 막히지 않게 하는데 그 참뜻이 있다.

즉, 경사각(θ)이 65°이상이면 체류시간이 짧아져서 메디아층(2)에서 상승 속도가 너무 빨라지기 때문에 메디아층(2)내의 미생물과 메디아층(2)에서 탈리된 미생물이 부유하거나 침전되지 못해 그대로 유출될 가능성이 있고, 경사각(θ)이 55°이하인 경우에는 긴 체류시간때문에 생성미생물의 유출이 방지되어 높은 처리효율은 기대할 수 있지만 유입고형물과 메디아층(2)내의 부유미생물 및 탈리미생물의 정체현상으로 인하여 일부 메디아층(2)의 공극이 막힐 가능성이 있다.

이런 이유로 메디아의 적정한 경사각의 선택은 아주 중요하다. 상기한 경사각의 범위가 본발명에서의 슬럿지 블란켓층(4)과 슬럿지 베드층(3)을 형성하는 가장 중요한 기술적 구성중의 하나가 되는 것이다.

더 양호한 상태의 슬럿지 블란켓층(4)과 슬럿지 베드층(3)을 유지하는데 중요한 또 다른 중요한 요소는 미생물분리장치(9)이다. 이 미생물분리장치(9)는 메디아층(2)의 상부에 위치하며, 메디아층(2)을 통과하여 기포와 함께 부상하는 플록들을 최종적으로 분리해 침전시킴으로써 처리조(1)내에 최대한 많은 양의 미생물을 확보하게 해 양질의 슬럿지 블란켓층(4)과 슬럿지 베드층(3)을 형성시키는 역할을 하게 된다.

다음으로, 제2도를 참조하여 순차적으로 고농도 유기폐수의 처리과정을 설명하면 다음과 같다.

ⓐ 유입관(6)으로 유입되는 폐수를 유입수 분배기(5)로 하향 공급한다. 그러면 처리조(1)내의 미생물에 대하여 유기물이 공급되어 새로운 폐수에 대해 서서히 적응하게 되고, 혐기성 박테리아는 유기물질 분해와 함께 증식된다.

ⓑ 초기에는 유입된 폐수의 유체의 상승속도와 발생가스의 상승에 의해 가벼운 미생물이 침전없이 유체와 함께 상승한다.

ⓒ 발생가스와 함께 메디아층(2)의 경사를 따라 상승하던 미생물은 물체의 표면이나 다른 박테리아에 스스로를 부착시키는 특성에 의해 일부는 메디아(13)의 표면에 부착되고, 나머지 미생물중에서 비교적 비중이 큰 미생물은 반응조의 하부로 침전되며, 비중이 작은 미세한 미생물은 유출수와 함께 유출관(10)을 타고 반응조 밖으로 유출된다.

ⓓ 반응이 진행되면서 메디아(13)의 표면에는 1-2mm 정도의 두께로 미생물막이 형성되고, 유체의 상승속도에 의한 전단력과 자체의 비중(무게)때문에 적정 두께 이상의 미생물막에 부착된 미생물 미립자는 탈리되어 처리조(1)의 하부로 떨어지게 된다.

ⓔ 메디아(13)의 표면으로부터 탈리된 후 침전되는 미립자는 직접 반응조의 하부로 침전되기도 하지만, 연속적으로 다른 미립자와 합쳐서 큰 플록을 형성하면 침전속도는 가속력을 갖게 된다.

ⓕ 이때, 처리조(1)하부의 슬럿지 베드층(3)에서도 이미 침전된 미립자가 유체 상승속도나 발생된 가스의 기포에 의해 다시 상승하기도 하고 일부는 스스로 부착되고 뭉쳐져서 더욱 큰 플록을 형성하는등 슬럿지 베드층(3)의 상부에는 많은 미립자와 플록들이 존재하게 된다.

ⓖ 유체의 상승속도와 발생가스의 상승에 의해 반복적으로 상승하던 플록들은 점차 커져서 1-3mm정도의 고밀도를 가진 플록으로 성장한 후 처리조(1) 하부의 슬럿지 베드층(3)의 상부에 처리성이 우수한 슬럿지 블란켓층(4)을 형성하게 된다.

ⓗ 처리조(1) 하부로 유입되는 유기물은 처리조(1)의 하부에 형성된 슬럿지 베드층(3)과 슬럿지 블란켓층(4)을 통과하는 동안에 유입 유기물의 80% 이상 제거된다.

ⓘ 슬럿지 베드층(3)과 슬럿지 블란켓층(4)을 통과한 폐수는 이후 메디아층(2)을 통과하면서 잔류 유기물질은 메디아층(2)에 부유 또는 부착된 미생물에 의해 분해되고, 미생물 분리장치(9)가 설치된 처리조(1)의 최상위에 있는 침전부(8)에서 가스와 미생물들이 최종적으로 분리된 후에 유출관(10)을 통해 배출된다.

ⓙ 메디아층(2)에서 유기물 분해에 의해 새롭게 형성된 미립자는 상기한 작용에 의해 슬럿지 베드층(3)및 슬럿지 블란켓층(4)으로 침전되므로서 슬럿지 블란켓층(4)은 더욱 두터워지지만 일정한 두께가 되면 많은 양의 미생물이 확보되어 유기물 부하가 일정하게 유지되므로 슬럿지 블란켓층(4)은 그 이상 증대되지 않는다.

이상 설명한 바와같이 본발명은 수리학적 체류시간이 0.5-2일 이내에서 고효율로 유기물의 분해가 이뤄지므로 처리시간이 단축되고 처리효율도 향상된다. 또, 혐기성 미생물의 분해에 따라 발생하는 CH₄가스는 에너지원으로 사용할 수 있어 경제적으로도 이롭고, 설치비의 감소, 약품비와 전력비 등 제반 운전경비의 절감효과와 함께 양호한 처리수질의 확보가 가능하다.

Claims (8)

1. 메디아층과 미생물 분리조를 효과적으로 조합하여 유기물폐수를 처리하는 기술로써, 처리조의 하위로 유입되는 BOD농도 3,000-30,000mg/ℓ의 고농도 유기폐수를 상승시켜 메디아층을 통과하게 하고, 메디아층의 메디아의 표면에서 탈리된 미생물과 상승가스로부터 분리된 미생물을 반복 유동시켜 처리성이 우수한 슬럿지 베드층과 슬럿지 블란켓층을 형성케 해 고효율로 유기물을 처리한 후 미생물분리과정을 거친 처리수를 처리조 밖으로 유출시키는 것을 특징으로 하는 고농도 유기폐수의 처리방법.
2. 제1항에 있어서, 고농도 유기폐수를 상승속도 2.5-20m/일로 슬럿지 베드층을 통과시키는 고농도 유기폐수의 처리방법.
3. 제1항에 있어서, 유기폐수 처리조내의 체류시간을 0.5-2일로 한 고농도 유기폐수의 처리방법.
4. 처리조(1)내의 중상부층에는 0.2-0.4H의 메디아층(2)을 형성하고, 메디아층(2)의 하위에는 0.4-0.6H의 슬럿지 베드층(3)과 슬럿지 블란켓층(4)을 형성하며, 메디아층(2)의 상위에는 0.2-0.3H의 미생물 분리장치(9)를 설치하고, 상기 슬럿지 베드층(3)내에는 유입관(6)과 유입수 분배기(5)로 구성된 유입수 분배 장치를 그리고 미생물 분리장치(9)의 윗쪽에는 처리수 유출관(10)을 설치한 것을 특징으로 하는 고농도 유기폐수의 처리장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 메디아층(2)은 각 메디아(13)를 상호 어긋나게 접촉시켜 이들간에 공극이 형성되게 한 고농도 유기폐수의 처리장치.
6. 제5항에 있어서, 메디아층(2)의 공극율은 97% 이상, 비표면적은 150㎡/㎥ 이상으로 형성한 고농도 유기폐수 처리장치.
7. 제5항에 있어서, 상기 메디아층(2)은 처리조 용적의 20-40%로 한 고농도 유기폐수의 처리장치.
8. 제4항에 있어서, 미생물 분리장치(9)는 0.2-0.3H로 설치하여 상승하는 가스와 혐기성 미생물을 분리시키고, 이렇게 분리된 미생물은 메디아층 하부로 침전되어 양질의 미생물을 확보에 기여할 수 있게 한 고농도 유기폐수의 처리장치.