KR100230172B1

KR100230172B1 - 혐기성 여상과 생물막 유동상이 결합된 2단 반응조

Info

Publication number: KR100230172B1
Application number: KR1019970007900A
Authority: KR
Inventors: 조광명; 박수영; 손대희; 배민수
Original assignee: 노건일; 학교법인인하학원
Priority date: 1997-03-10
Filing date: 1997-03-10
Publication date: 1999-11-15
Also published as: KR19980072892A

Abstract

본 발명은 고농도의 폐수를 처리하기 위하여 하측에는 활성탄이나 모래와 같이 비중이 작아 폐수의 흐름에 의해 상하로 유동되는 생물막 유동상이 형성되고 상측에는 폐수의 흐름에 유동됨이 없는 큰 부피의 담체를 적층한 혐기성 여상이 형성되어 미생물 보유량을 증대시킴으로써 유기물의 제거효율을 높이고 처리수의 고형물 농도를 낮추며 순환수에 의해 담체가 유실되는 것을 방지할 수 있는 혐기성 여상과 생물막 유동상이 결합된 2단 반응조에 관한 것으로, 본 발명의 주요 구성은 반응조(1)의 하측에는 비중이 작은 담체로 이루어져 폐수의 흐름에 의해 유동되는 생물막 유동상(30)이 형성되고, 상측에는 큰 부피의 담체로 이루어져 폐수의 흐름에 유동됨이 없는 혐기성 여상(20)이 형성되며, 순환펌프(61)에 의해 순환수가 상기 반응조(1)의 하측으로 순환되는 순환관이 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

혐기성 여상과 생물막 유동상이 결합된 2단 반응조

본 발명은 혐기성 여상과 생물막 유동상이 결합된 2단 반응조(two-stage reactor consisted of anaerobic filter and fluidized biofilm bed)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고농도의 폐수를 처리하기 위하여 하측에는 활성탄이나 모래와 같이 비중이 작아 폐수의 흐름에 의해 상하로 유동되는 생물막 유동상이 형성되고, 상측에는 폐수의 흐름에 유동됨이 없는 큰 부피의 담체가 적층된 혐기성 여상이 형성되므로서 미생물 보유량을 증대시켜 유기물의 제거효율을 높이고 처리수의 고형물 농도를 낯추며 순환수에 의해 담체가 유실되는 것을 방지할 수 있는 혐기성 여상과 생물막 유동상이 결합된 2단 반응조에 관한 것이다.

일반적으로 고농도의 폐수처리에 적합한 것으로 알려진 재래식 혐기성 폐수처리공법에서는 미생물의 성장속도가 호기성 미생물보다 매우 느리고 반응기내에 미생물의 보유량이 적어 처리효율이 떨어짐으로써 처리용량이 커야 하는 단점이 있다.

이를 개선하기 위하여 상향류식 혐기성 슬러지 블란킷(upflow anaerobic sludge blanket ; UASB)과 혐기성 여상(anaerobic filter ; AF) 등의 공법이 제시되고 있으나 이와 같은 처리 방법도 단회로 현상과 미생물과 유기물간의 접촉이 활성화되지 않아 유기물의 처리 효율이 떨어지는 문제가 발생되었으므로 이를 보완하기 위해 처리수의 일부를 순환시켜 담체를 유동시키는 혐기성 유동상 반응조(anaerobic fluidized bed reactor ; AFBR)의 방법이 사용되게 되었다.

종래 혐기성 유동상 반응조의 구성을 보면 도 1에 도시된 바와 같다. 먼저 반응조(101)의 하단 일측에는 폐수 유입관(140)이 형성되어 있고 이 폐수 유입관(140) 상에는 반응조(101) 외부의 폐수를 유입하여 반응조(101) 하측으로 이송시키는 주입 펌프(160)가 설치되어 있다.

반응조(101)의 바닥은 침전 슬러지의 인출을 용이하게 하기 위하여 중심부가 하향으로 기울어진 경사판(173)이 설치되고 이 경사판(173)의 일측으로 침전슬러지 배출관(148)이 하측으로 돌출 형성되며 이의 개폐를 위한 침전슬러지 배출밸브(165)가 설치되어 있다.

반응조(101)의 중간부에는 혐기성 유동상(130)이 위치해 있으며 이 혐기성 유동상(130) 일측에는 담체를 충전하기 위한 담체 충전관(143) 및 충전관 개폐밸브(167)가 설치되어 있다.

혐기성 유동상(130)의 하측에는 미세한 구멍이 천공된 폐수 분배판(131)이 위치해 있고 이 폐수 분배판(131) 위에 다수의 유리구슬 또는 자갈(133)이 적층되어 있으며 이 유리구슬 또는 자갈(133) 위쪽으로 담체 역할을 하는 활성탄 또는 모래(135)가 적층되어 있다.

반응조(101)의 상단 중앙에는 폐수내의 유기물이 미생물에 의해 분해되면서 발생되는 스컴(scum)을 제거하기 위한 스컴 제거기(170)가 설치되어 있으며, 발생된 가스를 모아 가스포집조로 보내기 위한 가스포집조측 연결관(149)이 반응조(101)의 천정 중앙에 형성되어 있다. 그리고 반응조(101)의 천정에는 내부에서 발생된 가스가 용이하게 배출되기 위해서 천정 중심부쪽으로 상향 기울어진 경사판(171)이 설치되어 있다.

반응조(101)의 상단 일측에는 정화된 물이 반응조(101)의 외부로 배출되는 유출관(141)이 형성되어 있으며 이 유출관(141)의 중간부는 공기의 유입을 방지하기 위하여 U자형으로 절곡되어 있다.

반응조(101)의 상단 일측에는 혐기성 유동상(130)을 통과한 처리수의 일부가 다시 반응조(101)의 하측으로 재순환될 수 있도록 순환관(145)이 형성되어 있고, 이 순환관(145) 상에는 처리수를 일정한 압력으로 이송시키는 순환 펌프(161)와 그 흐름을 단속하는 순환유량 조절밸브(63)가 설치되어 있다.

그리고 이 반응조(101)의 외벽에는 미생물의 원활한 활동을 위하여 반응조(101)를 일정한 온도로 유지시키는 항온 수조(150)가 위치해 있으며, 이 항온 수조(150)는 상측이 개구되어 있고 하단 일측에 온수가 유입되는 온수 유입구(151)가 형성되고 상단 일측에는 순환된 온수가 배출되는 온수 유출구(153)가 형성되어 있다.

이와 같이 구성된 혐기성 유동상 반응조의 작용 상태를 보면 다음과 같다. 주입 펌프(160)를 통하여 반응조(101)의 외부로부터 유입된 폐수는 반응조(101)의 하측으로 이송되게 된다.

주입 펌프(160)를 통하여 반응조(101)의 하측으로 이송된 폐수는 반응조(101)의 중간부에 위치한 혐기성 유동상(130)을 통과하면서 폐수에 잔류된 유기물질이 생물학적으로 분해되게 된다. 즉, 폐수의 유기물 성분이 혐기성 상태에서 생물학적으로 메탄(CH₄) 및 탄산가스(CO₂)를 포함하는 다양한 최종생성물로 변환되어 폐수내의 유기물질이 제거되게 된다.

반응조(101)의 혐기성 유동상(130)을 통과한 처리수는 혐기성 유동상(130)의 상단 측벽에 형성된 순환관(145)을 통하여 순환펌프(161)에 의해 가압되어 다시 반응조(101)의 하측으로 이송되게 된다. 이 때 상측으로 이송되어 혐기성 유동상(130)을 통과하는 처리수에 의해 부피가 작은 활성탄 또는 모래(135)와 같은 담체는 상하로 유동되면서 유기물과 미생물의 접촉이 활성화되게 된다.

이러한 공정에 의해 발생된 가스는 반응조(101)의 천정에 설치된 경사판(171)을 따라 가스포집조측 연결관(149)으로 유출되며, 가스와 함께 딸려나오는 스컴(scum)은 상측에 설치된 스컴 제거기(170)에 의해 제거된다.

반응조(101)의 외벽을 덮고 있는 항온 수조(150)는 반응조(101)에 서식하는 미생물의 원활한 활성화를 위하여 적절한 온도로 유지되면서 물을 순환시키며, 온수 유입구(151)를 통하여 유입된 온수는 반응조(101)의 표면을 흐르면서 열전달이 이루어진 후, 온수 유출구(153)를 통하여 외부로 유출되게 된다.

도 2는 종래 여유 용적이 있는 혐기성 유동상을 나타낸 종단면도로서, 주요 구성은 여유 용적이 없는 혐기성 유동상과 동일하나 혐기성 유동상의 상단부에 여유 용적이 확보되어 있는 특징이 있다.

즉, 반응조(101)의 하단 일측에는 폐수 유입관(140)이 형성되고 상단 일측에 유출관(141)이 형성되어 있으며, 반응조(101)의 내부 하측으로 생물막 유동상(130)이 형성되어 있고 위쪽으로 처리수의 여유 용적이 위치해 있다. 그리고 반응조(101)의 외벽에는 항온 수조(150)가 설치되어 있다.

그러나 이와 같은 구성의 혐기성 유동상 반응조는 그 유용성에도 불구하고 다음과 같은 문제가 발생하게 되었다. 즉, 혐기성 유동상 반응조가 정상적으로 작동하기까지 초기운전이 까다로우며, 고형물이 많은 폐수처리에는 어려움이 있다.

또한, 처리수의 일부를 순환관을 통하여 순환시키는 과정에서 활성탄이나 모래와 같은 담체가 순환 펌프로 유입되어 펌프의 고장원인이 발생되고, 담체의 유실로 인하여 미생물 보유량이 줄어들어 처리수의 수질이 악화된다.

본 발명은 고농도의 폐수를 처리하기 위하여 반응조의 하측에 활성탄이나 모래와 같이 비중이 작아 폐수의 흐름에 의해 유동되는 생물막 유동상이 형성되고 상측에는 폐수의 흐름에 유동됨이 없는 큰 부피의 담체가 적층된 혐기성 여상이 형성되므로서 처리수의 순환에 의해 담체가 유실되거나 펌프가 손상되는 것을 방지하며, 미생물 보유량을 증대시켜 유기물의 제거효율을 높이는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여 반응조의 하측에는 비중이 작은 담체로 이루어져 폐수의 흐름에 의해 유동되는 생물막 유동상이 형성되고, 상측에는 큰 부피의 담체로 이루어져 폐수의 흐름에 유동됨이 없는 혐기성 여상이 형성되며, 하단 일측에는 주입 펌프에 의해 폐수가 유입되는 폐수 유입관이 위치하고, 상단 일측에는 정화된 처리수가 배출되는 유출관이 위치하며, 상단 중앙부에는 스컴 제거기가 장착되어 있으며, 순환펌프에 의해 처리수가 반응조의 하측으로 순환되는 순환관이 형성된 혐기성 여상과 생물막 유동상이 결합된 2단 반응조를 제공함에 있다.

도 1은 종래 여유용적이 없는 혐기성 유동상 반응조를 나타낸 종단면도,

도 2는 종래 여유 용적이 있는 혐기성 유동상을 나타낸 종단면도,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 혐기성 여상과 생물막 유동상이 결합된 2단 반응조의 종단면도,

도 4는 유기물 부하에 따른 반응조별 처리수내 고형물 농도의 변화를 나타낸 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 반응조 20 :혐기성 여상

21,31 : 폐수 분배판 23 : 플라스틱 여재

30 : 생물막 유동상 33 : 유리구슬 또는 자갈

35 : 활성탄 또는 모래 40 : 폐수 유입관

41 : 유출관 42 : U자관

43 : 담체 충전관 45 :생물막 유동상측 순환관

47 : 혐기성 여상측 순환관 48 : 침전슬러지 배출관

49 : 가스포집조측 연결관 50 : 항온 수조

51 : 온수 유입구 53 : 온수 유출구

60 : 주입 펌프 61 : 순환 펌프

63 : 순환유량 조절밸브 65 : 침전슬러지 배출밸브

67 : 충전관 개폐밸브 70 : 스컴 제거기

71,73 : 경사판

이하, 본 발명의 실시예에 따른 주요 구성을 살펴보면 다음과 같다. 본 발명 혐기성 여상과 생물막 유동상이 결합된 2단 반응조는 하측에 활성탄이나 모래와 같이 비중이 작아 처리수에 의해 유동되는 생물막 유동상이 형성되어 있고 상측에는 폐수의 흐름에 유동됨이 없는 큰 부피의 담체가 적층된 혐기성 여상이 형성되어 있으며 혐기성 여상과 생물막 유동상의 일측에 처리수의 일부가 순환되도록 순환관이 각각 형성되어 있다.

본 발명의 실시예에 따른 반응조의 주요 구성을 보면 도 3에 도시된 바와 같이, 반응조(1)의 하측에는 비중이 작은 담체로 이루어져 폐수의 흐름에 의해 유동되는 생물막 유동상(30)이 형성되어 있고, 상측에는 큰 부피의 담체로 이루어져 폐수의 흐름에 유동됨이 없는 혐기성 여상(20)이 형성되어 있으며, 생물막 유동상(30)의 상단 일측 또는 혐기성 여상(20)의 상단 일측에 생물막 유동상측 순환관(45)과 혐기성 여상측 순환관(47)이 위치해 있다. 그리고 하단 일측에는 주입 펌프(60)에 의해 폐수가 유입되는 폐수 유입관(40)이 위치해 있고, 상단 일측에는 정화된 물이 배출되는 유출관(41)이 위치해 있으며, 상단 중앙부에는 스컴 제거기(70)가 설치되어 있다.

좀 더 상세히 본 발명의 구성을 살펴보면, 먼저 반응조(1)의 하단 일측에는 폐수 유입관(40)이 위치해 있고 이 폐수 유입관(40) 상에는 반응조(1) 외부의 폐수를 유입하여 반응조(1) 하측으로 이송시키는 주입 펌프(60)가 설치되어 있다.

반응조(1)의 바닥은 침전 슬러지의 인출을 용이하게 하기 위하여 중심부가 하향으로 기울어진 경사판(73)이 설치되어 있고 이 경사판(73)의 일측으로 침전슬러지 배출관(48)이 하측으로 형성되어 있으며 이의 개폐를 위한 침전슬러지 배출밸브(65)가 설치되어 있다.

반응조(1)의 내부에는 생물막 유동상(30)과 혐기성 여상(20)이 아래쪽부터 순차적으로 형성되어 있다. 즉, 반응조(1)의 하측에 위치한 생물막 유동상(30)에는 하측에 미세한 구멍이 천공된 폐수 분배판(31)이 위치해 있고 이 폐수 분배판(31) 위에 다수의 유리구슬 또는 자갈(33)이 적층되어 있으며 이 유리구슬 또는 자갈(33) 위쪽으로 담체인 활성탄 또는 모래(35)가 적층되어 있다. 혐기성 유동상(30) 일측에는 담체를 충전하기 위한 담체 충전관(43)이 형성되고 이의 개폐를 위한 충전관 개폐밸브(67)가 설치되어 있다.

반응조(1)의 상측에 위치한 혐기성 여상(20)은 담체로서 처리수의 유동에 의해 움직이지 않는 플라스틱 여재(23)를 사용하며 폐수 분배판(21) 위에 다수개가 적층되어 있다.

반응조(1)의 상단 중앙에는 폐수내의 유기물이 미생물에 의해 분해되면서 발생되는 고형물과 스컴을 제거하는 스컴 제거기(70)가 설치되어 있으며, 유기물의 분해시에 발생되는 메탄가스나 탄산가스 등은 경사판(71)을 따라 가스포집조측 연결관(49)을 통하여 외부로 배출되게 된다.

반응조(1)의 상단 일측에는 정화된 물이 반응조(1)의 외부로 배출되는 유출관(41)이 형성되어 있으며 이 유출관(41)의 중간부에는 내부 기밀을 위해 U자형으로 절곡되어 있다.

생물막 유동상(30)의 상단 일측 또는 혐기성 여상(20)의 상단 일측에는 처리수의 일부가 다시 반응조(1)의 하측으로 순환될 수 있도록 생물막 유동상측 순환관(45) 또는 혐기성 여상측 순환관(47)이 형성되어 있다. 이 때 처리수의 원활한 순환을 위하여 순환관의 일측에 순환펌프(61)가 설치되어 있으며 담체의 유동을 조절하기 위한 순환유량 조절밸브(63)가 설치되어 있다.

반응조(1)의 외벽에는 혐기성으로 운전하기 위해 요구되는 온도를 유지시키기 위하여 항온 수조(50)가 위치해 있다. 항온 수조(50)는 상측이 개구되어 있고 하단 일측에 온수가 유입되는 온수 유입구(51)가 형성되고 상단 일측에는 순환된 온수가 배출되는 온수 유출구(53)가 형성되어 있다. 이 온수는 유기물의 혐기성 분해시 발생되는 메탄가스를 이용하여 보일러를 가동함으로써 얻을 수 있다.

이와 같이 구성된 혐기성 여상과 생물막 유동상이 결합된 2단 반응조의 작용을 살펴보면 다음과 같다.

주입 펌프(60)를 통하여 반응조(1)의 외부로부터 유입된 폐수는 반응조(1)의 하측으로 이송되게 된다. 주입 펌프(60)를 통하여 반응조(1)의 하측으로 이송된 폐수는 생물막 유동상(30)과 혐기성 여상(20)을 순차적으로 통과하면서 폐수에 있는 유기물질이 생물학적으로 분해되게 된다. 폐수의 유기물 성분이 담체의 생물막을 통과하면서 혐기성 상태에서 생물학적으로 메탄가스 등을 포함하는 다양한 최종생성물로 변환되게 된다.

생물막 유동상(30)과 혐기성 여상(20)을 통과한 처리수의 일부는 순환관을 통하여 다시 반응조(1)의 하측으로 이송되게 된다. 처리수중 일부는 생물막 유동상측 순환관(45)과 혐기성 여상측 순환관(47)을 통하여 반응조(1)의 바닥쪽으로 순환펌프(61)에 의해 압송되어 재순환되며, 이로 인해 미생물과 유기물간의 접촉이 활성화되어 짧은 시간에도 많은 처리가 이루어지게 된다.

혐기성 처리 공정중에 발생된 가스는 반응조(1)의 천정에 설치된 경사판(71)을 따라 가스포집조측 연결관(49)으로 유출되며, 이 때 발생가스와 함께 유입된 스컴은 반응조(1)의 상단부에 설치된 스컴제거기(70)를 통하여 제거되게 된다.

반응조(1)를 혐기성으로 운전하기 위하여 요구되는 운전온도는 반응조(1)의 외벽에 설치된 항온수조(50)에 의하여 조절되는데, 이는 대규모 처리시설일 경우 유기물의 혐기성 분해시 발생되는 메탄가스를 이용하여 보일러를 가동함으로써 항온수조(50)의 온수를 가열할 수 있다.

도 4는 유기물 부하에 따른 반응조별 처리수내 고형물 농도의 변화를 나타낸 도면으로서, 여유 용적이 없는 혐기성 유동상 반응조와, 여유 용적이 있는 혐기성 유동상 반응조와, 본 발명의 혐기성 유동상과 생물막 유동상이 결합된 2단 반응조를 비교하여 나타낸 도면이다.

여기서 R-1은 여유 용적이 있는 혐기성 유동상이고, R-2는 본 발명 혐기성 여상과 생물막 유동상이 결합된 상태이고, R-3는 여유 용적이 없는 혐기성 유동상을 나타낸 것이다.

본 발명 혐기성 유동상과 생물막 유동상이 결합된 2단 반응조는 도시된 바와 같이 유기물 부하가 증가함에 따라 혐기성 여상이 결합된 반응조의 고형물 농도가 타 반응조에 비하여 매우 낮고 부하증가에 대하여 덜 민감함을 알 수 있다.

따라서 본 발명의 혐기성 유동상 반응조는 유동층 상부의 여유 용적을 최소화하고 기존의 여유 용적에 혐기성 여상의 담체를 채워 미생물 보유량을 높힘으로써 같은 용적의 혐기성 유동상 공법보다 유기물 제거효율을 향상시키고 처리수의 고형물 농도를 낮게 유지하게 된다.

또한, 생물막 유동상의 상부 또는 혐기성 여상의 상부로부터 순환관을 통하여 처리수 일부를 순환시킴으로써 활성탄이나 모래와 같은 담체가 순환펌프로 유입되어 담체가 유실되거나 순환펌프가 고장나는 것을 방지하게 된다.

본 발명은 고농도의 폐수를 처리하기 위하여 반응조의 하측에 활성탄이나 모래와 같이 비중이 작아 폐수의 흐름에 의해 유동되는 생물막 유동상이 형성되고 상측에는 폐수의 흐름에 유동됨이 없는 큰 부피의 담체가 적층된 혐기성 여상이 형성되며, 생물막 유동상 또는 혐기성 여상의 상측에 순환관을 형성하여 처리수를 순환시키므로서 유동층 상부의 여유 용적을 최소화하고 기존의 여유 용적에 혐기성 여상의 담체를 채워 미생물 보유량을 높혀 같은 용적의 혐기성 유동상 공법보다 유기물 제거효율을 향상시키고 처리수의 고형물 농도를 낮게 유지할 수 있는 효과가 있다.

또한 처리수의 순환에 의해 담체가 순환펌프로 유입되어 담체가 유실되거나 펌프가 손상되는 것을 방지할 수 있어 반응조의 작동성능을 안정되게 유지시킬 수 있는 효과가 있다.

상술한 바와 같은 본 발명은 첨부 특허청구의 범위에 기재된 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 발명의 상세한 설명 및 도면을 통하여 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 수정 및 변경이 가능하다 할 것이다.

Claims

반응조(1)의 하측에는 비중이 작은 담체로 이루어져 폐수의 흐름에 의해 유동되는 생물막 유동상(30)이 형성되고, 상측에는 큰 부피의 담체로 이루어져 폐수의 흐름에 유동됨이 없는 혐기성 여상(20)이 형성되며, 하단 일측에는 주입 펌프(60)에 의해 폐수가 유입되는 폐수 유입관(40)이 위치하고, 상단 일측에는 정화된 물이 배출되는 유출관(41)이 위치하며, 상단 중앙부에는 스컴 제거기(70)가 장착되어 있으며, 순환펌프(61)에 의해 순환수가 상기 반응조(1)의 하측으로 순환되는 순환관이 형성된 것을 특징으로 하는 혐기성 여상과 생물막 유동상이 결합된 2단 반응조.
제 1 항에 있어서, 상기 반응조(1)의 하측에 위치한 생물막 유동상(30)은 폐수분배판(31)의 상측에 유리구슬 또는 자갈(33)과 활성탄 또는 모래(35)가 순차적으로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 혐기성 여상과 생물막 유동상이 결합된 2단 반응조.
제 1 항에 있어서, 상기 반응조(1)의 상측에 위치한 혐기성 여상(20)은 폐수분배판(21)의 상측에 플라스틱 여재(23)이 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 혐기성 여상과 생물막 유동상이 결합된 2단 반응조.
제 1 항에 있어서, 상기 순환관은 생물막 유동상(30)의 상단 일측에 형성된 생물막 유동상측 순환관(45) 또는 혐기성 여상(20)의 상단 일측에 형성된 혐기성 여상측 순환관(47)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 혐기성 여상과 생물막 유동상이 결합된 2단 반응조.