KR100232398B1 - 미생물 담체를 이용한 유동형 폐수 처리 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

폐수의 유입구와 유출구를 가지고, 반응조 부피 대비 10~40 부피%의 미생물 담체를 포함하는 폐수 처리액으로 채워진 폐수 처리 반응조와, 상기 반응조 내에 유입구 측에 위치한 제1끝단과 유출구 측에 위치한 제2끝단을 가지는 드래프트튜브와 상기 드래프트 튜브의 유출구 측에 위치한 상기 제2끝단 측에 설치된 제트 에어레이터를 포함하는 미생물 담체를 이용한 유동형 폐수 처리 처리장치 및 방법은 담체의 적체 현상을 해결하여 담체의 분산 효율을 높이고, 특히 호기적 처리 과정에 있어서 담체 기공 사이의 용존 산소의 전달율을 높여 호기성 박테리아에 의한 유기물의 산화율을 최대한 높임으로써 폐수 처리 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

미생물 담체를 이용한 유동형 폐수 처리 장치 및 방법

[산업상 이용 분야]

본 발명의 유기성 폐수의 처리 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유기성 폐수 내에 존재하는 용존 유기 물질, 부유성 물질의 제거를 위한 생물학적 폐수 처리 장치 및 방법에 관한 것으로서, 도시 하수·식품 폐수·제지 폐수·주정 폐수·염색 폐수 등에 포함된 생물화학적 산소 요구량(BOD, Biochemical Oxygen Demand), 부유성 고형물(suspended solids)의 제거에 이용된다.

[종래 기술]

일반적으로 폐수 처리 방법은 불용성 물질의 제거에 보통 사용되는 스크리닝(screening), 응집, 침전, 여과 등의 물리적 방법, 화학적 산화·화학적 침전을 포함하는 화학적 방법, 미생물의 신진대사를 이용하여 폐수 내에 존재하는 유기물을 분해하거나 부유성 물질을 흡착하는 생물학적 방법으로 대별할 수 있다. 상기한 생물학적 방법은 미생물의 혼합 배양에 의한 폐수의 호기적(aerobic) 또는 혐기적(anaerobic) 처리를 포함하며, 상기한 호기적 처리 방법의 예로서는 활성 슬러지(activated sludge), 트리클링 필터(trickling filter), 회전 생물막 접촉기(rotating biological contactor), 산화지(oxidation pond) 등을 들 수 있다.

상기한 생물학적 방법은 물리적·화학적 방법에 비해 경제적이며 안전한 처리 방법으로서 미생물의 다양한 생리적 특성을 이용하여 많은 종류의 유기물을 제거할 수 있을 뿐만 아니라 암모니아의 질산화, 질산의 탈질산화, 인산의 과잉 흡수, 중금속의 과잉 흡수 등 미생물의 독특한 생리적 특성을 다양한 폐수 처리에 응용할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 반면에, 유기물 부하 변동에 민감하며 독성 물질에 영향을 받기 쉽고(shock loading), 호기적 처리를 포함하는 경우에는 산소 전달의 한계성으로 인하여 미생물을 폐수 처리 시스템 내에 고농도로 유지시키기 어렵다는 단점을 가지고 있다.

상기한 단점을 극복하기 위하여 근래에는 불활성 미생물 담체(carrier)에 미생물을 고농도로 부착시키는 새로운 기술들이 개발되고 있는 바, 상기한 방법을 이용하게 되면 미생물이 고농도로 폐수 처리 시스템 내에 존재할 수 있게 되어 폐수 처리량을 증가시킬 수 있고 폐수 처리장의 부지를 감소시킬 수 있으며, 유기물부하 충격에도 완충력을 가질 수 있을 뿐 아니라, 슬러지 발생량이 감소하고 슬러지의 침강성을 향상시킬 수 있다.

상기한 미생물 담체를 이용한 폐수 처리 방법은 고정 형태(packed bed) 또는 유동 형태(fluidized bed)를 취하게 된다. 고정 형태의 경우, 미생물 담체를 반응조에 채운 뒤 반응조의 상부 또는 하부에서 공기를 주입하여 담체 또는 담체 사이에 부착된 미생물에 의한 유기물 산화를 이용하여 폐수를 처리하게 되는데, 유기물 부하가 높아지면 미생물이 과도하게 성장하여 막힘 현상이 일어나게 되고, 반응이 불균일하게 일어나게 되어 폐수 처리의 효율이 저하되는 문제점이 있다. 유동 형태의 경우, 미생물 담체가 반응조의 유체 흐름에 따라 움직임으로써 고정 형태의 반응조에서 문제가 되는 막힘 현상, 반응의 불균일성 등의 문제점을 해결할 수 있으나, 폐수 처리 반응조가 정방형 또는 장방형일 경우 폐수의 흐름에 따라 미생물 담체가 구석에 모이게 되는 담체의 적체 현상이 나타나 페수 처리 효율이 저하되는 문제점이 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여 미국 특허 제4,500,429호에서는 미생물 담체를 폐수 흐름의 하부로부터 상부로 이송시키는 콘베이어(conveyor)를 설치하는 방법을 개시하고 있으나, 장치의 복잡성 때문에 유지·관리의 편이성이 떨어지는 문제점이 있다.

또한 미국 특허 제4,663,046호에서는 폐수 처리 반응조 하부에 설치된 산기 장치의 가스 유량을 조절하여 폐수를 유동시킴으로써 담체의 적체 문제를 해결하는 방법을 개시하고 있으나, 폐수 처리 흐름이 클 경우에는 담체의 분산 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

한편 미생물 담체를 이용한 폐수 처리 방법에 있어서, 호기적 처리 과정의 경우에는 담체 기공 사이의 용존 산소의 전달이 폐수 처리 효율을 좌우하게 되는 바, 담체에 고농도의 미생물이 부착되어 있는 경우에도 산소 전달율이 떨어지게 되면 호기성 박테리아의 활성은 현저하게 저하하게 된다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여 미국 특허 제4,566,971호에서는 반응조의 뚜껑을 닫고 순산소(pure oxygen)를 공급하여 산소 전달율을 높이는 방법을 개시하고 있으나 산소 발생을 위해 과도한 유지비를 지출하여야 하므로 경제성이 저하되는 문제점이 있다.

한편 반응조 하부에 미세 공기 방울을 만들기 위한 산기관을 이용하는 방법이 알려져 있으나, 미세 기공의 산기관을 쓰는 경우에는 기공의 막힘 현상이 발생하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 첫째, 미생물 담체를 이용한 유동 형태의 폐수 처리 시스템에서 폐수의 흐름에 따라 미생물 담체가 구석에 모이게 되는 담체의 적체 현상을 해결하여 담체의 분산 효율을 높이고, 둘째, 특히 호기적 처리 과정에 있어서 담체 기공 사이의 용존 산소의 전달효율을 높여 호기성 박테리아에 의한 유기물의 산화율을 최대한 높임으로써 폐수 처리 효율을 향상시킬 수 있는 미생물 담체를 이용한 유동형 폐수 처리 장치 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.

제1도는 본 발명에 따른 폐수 처리 장치의 개략도이고,

제2도는 본 발명에 따른 폐수 처리 장치의 드래프트 튜브와 제트 에어레이터의 상세도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 폐수처리 반응조 2 : 유입폐수

3 : 반송슬러지 4 : 공기

5 : 산기관 6 : 공기방울

7 : 미생물 담체 8 : 스크린

9 : 폐수처리 반응조 월류수 10 : 드래프트 튜브

11 : 제트 에어레이터 유입공기 12 : 제트 에어레이터 유입구

13 : 제트 에어레이터 유입 펌프 14 : 제트 에어레이터 노즐

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 첫째, 폐수의 유입구와 유출구를 가지고, 반응조 부피 대비 10~40 부피%의 미생물 담체를 포함하는 폐수철리액으로 채워진 폐수 처리 반응조와, 상기 반응조 내에 유입구 측에 위치한 제1끝단과 유출구 측에 위치한 제2끝단을 가지는 드래프트 튜브와, 상기 드래프트 튜브의 유출구 측에 위치한 상기 제2끝단 측에 설치된 제트 에어레이터(jetaerator)를 포함하는 미생물 담체를 이용한 유동형 폐수 처리 장치를 제공한다.

상기한 드래프트 튜브는 유입구 측에 위치한 제1끝단이 상기 반응조의 폐수 처리액 표면으로부터 약 0.5mm 아래에 위치하고, 유출구 측에 위치한 제2끝단이 상기 반응조의 바닥으로부터 0.5~1m되는 높이에 위치하며, 상기한 제트 에어레이터는 상기 반응조의 바닥으로부터 0.3~0.5mm되는 높이에 위치하는 것이 바람직하다.

상기 드래프트 튜브의 유출구 측에 위치한 제2끝단은 벤튜리(venturi) 형태인 것이 바람직하다.

상기한 장치는 탈질산화 또는 인 제거 공정에 사용되는 것이 더욱 바람직하다.

상기한 드래프트 튜브(draft tube)는 반응조 내의 미생물 담체를 효율적으로 분산 또는 유동시킴으로써 미생물 담체가 반응조 유출구 측으로 모여 유출구 스크린을 막는 것을 방지하며 활성이 뛰어난 미생물 담체를 폐수 유입구 측으로 계속적으로 이송하도록 하여 폐수의 생물학적 분해를 용이하게 하여 폐속 처리 효율을 향상시킨다.

상기한 제트 에어레이터는 공기의 분산과 액상의 이동이 동시에 일어나도록 하고, 미생물 담체의 이송을 위한 힘을 만들 뿐 아니라, 제트 에어레이터에서 발생한 0.1~1mm의 미세 공기에 의해 미생물 담체 표면의 산소 용해도를 최대화하여 미생물 담체 기공 사이의 산소 전달율을 상승시킴으로써, 활성이 큰 미생물 담체를 반응조 전단에 이송시키도록 한다.

일반적으로, 상기한 제트 에어레이터 노즐은 유입 공기와 유입수가 혼합되는 공간을 가지면서 혼합된 유입 공기와 유입수가 분사될 수 있도록 하는 끝이 잘린 원추 형태를 가진다.

상기한 드래프트 튜브의 유출구 측에 위치한 제2끝단에 벤튜리 형태로써 미생물 담체가 흡입과 동시에 교란 또는 와류 형태를 취하게 하여 제트 에어레이터에서 발생된 미세 공기 방울과의 혼합을 극대화하여 산소 전달이 더욱 효율적으로 일어나게 된다.

한편, 일반적으로 질산을 질소 가스로 전환하는 탈질산화 미생물들, 예를 들면, 질산화균은 그 성장 속도가 느리고 성장 시 무산소 조건을 요구하는 바, 상기한 장치는 담체에 고정된 미생물을 반응조 내에 오랜 시간 효율적인 상태로 유지하게 하고, 담체 내부에서는 무산소 상태를 유지하게 하므로 탈질산화 공정에 사용되는 경우, 더욱 효율적이다.

또한 인 제거 미생물들을 이용하는 인 제거 공정에 있어서, 질소, 특히, 질산의 제거가 충분히 이루어지지 않을 경우, 미생물들의 인 제거 기능이 저해되는바, 상기한 장치를 이용하여 탈질산화 공정과 인 제거 공정이 동시에 일어나도록 하면 인 제거 효율 또한 높일 수 있게 된다.

둘째, 본 발명은 폐수의 유입구와 유출구를 가지고 반응조 부피 대비 10~40 부피%의 미생물 담체를 포함하는 페수 처리액으로 채워진 폐수 처리 반응조 내에, 유입구 측에 위치한 제1끝단과 유출구 측에 위치한 제2끝단을 가지는 드래프트 튜브를 통하여 상기 미생물 담체를 유입구 측에 위치한 제2끝단을 가지는 드래프트 튜브의 유출구 측에 위치한 상기 제2끝단 측에 설치된 제트 에어레이터로 상기 제트 에어레이터 내 유입수와 유입 공기를 동시에 분사하여 미생물 담체를 이송시키는 힘을 제공하는 과정을 포함하는 미생물 담체를 이용한 유동형 폐수 처리 방법을 제공한다.

상기한 미생물 담체가 반응조 부피 대비 10부피% 미만인 경우에는 담체 충진으로 일어나는 반응조 내 미생물 농도 증가가 미미하여 충분한 폐수 처리 효율의 향상을 기대하기 어렵고, 40부피%를 초과하는 경우에는 총 미생물 농도는 증가하는 반면 미생물 담체의 유동이 어려워지는 문제점이 있게 된다.

상기한 미생물 담체는 비중 20~80kg/㎥, 부피 0.1~100㎠인 폴리우레탄 또는 그의 유도체인 것이 바람직하다.

상기 드래프트 튜브 내의 유속은 0.3~1m/sec, 유량은 반응조 유입량 대비 50~200부피%이며, 상기 제트에어레이터 내의 유입수의 유속은 1~5m/sec, 유량은 반응조 유입량 대비 50~100부피%이고, 유입 공기의 유속은 10~30m/sec, 공기량은 반응조 유입량 대비 50~300부피%인 것이 바람직하다.

그 밖에도 사용 가능한 미생물 담체에는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 그들의 유도체, 모래, 안트라사이트, 활성탄, 제올라이트, 쇄석, 타이어 조각, 유리 구슬, 부직포 등이 있으며, 구형, 입방형, 튜브형, 실린더형을 가지고 반응조 내에서 활성 슬러지와 혼합되었을 때 활성 슬러지와 함께 유동되기 쉬운 성질을 가지는 것이 바람직하다.

한편, 상기한 제트 에어레이터 내의 유입수는 침전조의 반송 슬러지인 것도 가능하다.

제트 에어레이터 내의 유입수는 반응조의 유출구에 설치된 스크린을 거친 반응조 월류수이지만, 상기한 반송 슬러지를 유입수로 이용하게 되면 슬러지의 반송을 위한 펌프를 설치할 필요가 없고 반송 슬러지의 배관을 줄일 수 있으며 반송 슬러지 내에 용존 산소를 증가시킬 수 있게 된다.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

침전조에서 침강된 폐수 처리 시스템의 농축 활성 슬러지는 반송 활성 슬러지의 형태로 유입 폐수와 혼합된 뒤 폐수 처리 반응조에 유입된다. 폐수 처리 반응조에는 분산 형태의 활성 슬러지와 고농도의 활성 슬러지가 부착된 미생물 담체가 반응조 하부에 설치된 산기관을 통하여 공기와 혼합되어 호기성 박테리아에 의한 유기물의 산화를 촉진하게 된다. 분산 형태의 활성 슬러지에는 MLSS(mixed liquor suspened solids) 농도 1,500~3,000mg/l의 미생물이 존재하고, 미생물 담체에는 MLSS 농도 5,000~20,000mgl의 미생물이 부착하게 된다.

반응조의 유출구에는 스크린이 설치되어 미생물 담체가 반응조 바깥으로 유실되는 것을 방지한다. 미생물 담체는 반응조 혼합액의 흐름에 따라 유출구 측으로이동하게 되며 드래프트 튜브의 유출구 측에 위치한 제2끝단으로 유입되어 다시 폐수 유입구 측으로 이송된다. 제트 에어레이터 유입 펌프에 의해 이송된 스크린을 거친 반응조 월류수가 드래프트 튜브 내로 미생물 담체를 이송시키는 힘으로 이용되게 된다. 제트 에어레이터 노즐 부분에는 송풍기로부터 연결된 가압된 제트 에어레이터 유입공기가 제트 에어레이터 유입수와 혼합되어 노즐 바깥으로 분사된다. 분사된 혼합액의 미세 공기는 0.1~1mm의 크기로 드래프트 튜브를 통해 이동하므로 기체와 액체의 접촉 시간이 길어질 뿐 아니라 가압된 공기로 인해 제트 에어레이터 노즐 주위의 산소 전달이 효율적으로 일어나도록 하여 미생물 담체 내부의 호기성 박테리아의 산소 이용을 용이하게 한다. 이때 제트 에어레이터 유입 펌프에 의해 이송되는 유량은 유입 폐수 부피의 50~200부피%로 유지된다.

또한, 드래프트 튜브의 유출구 측에 위치한 제2끝단은 밴튜리 형태로써 미생물 담체가 흡입과 동시에 교란 또는 와류 형태를 취하게 되므로 제트 에어레이터에서 발생된 미세 공기 방울과의 혼합을 극대화하여 산소 전달을 더욱 효과적으로 진행시키게 된다.

본 발명에 따른 미생물 담체를 이용한 유동형 폐수 처리 장치 및 방법은 폐수의 흐름에 따라 미생물 담체가 구석에 모이게 되는 담체의 적체 현상을 해결하여 담체의 분산 효율을 높이고, 특히 호기적 처리 과정에 있어서 담체 기공 사이의 용존 산소의 전달율을 높여 호기성 박테리아에 의한 유기물의 산화율을 최대한 높임으로써 폐수 처리 효율을 향상시킬 수 있는 바, 종래의 활성 슬러지 공정에 비해 2~5배 높은 유기물 부하를 처리할 수 있고(2~5 kgBOD/㎥day), 짧은 체류 시간 내에 유기물을 제거할 수 있으므로 처리 부지 축소, 건설 비용 절감 등의 부가적인 효과를 기대할 수 있다. 또한 탈질산화 또는 인 제거 공정에 사용할 경우 보다 효율적인 질소, 인 제거 공정을 기대할 수 있게 된다.

Claims (6)

1. a) 폐수의 유입구와 유출구를 가지고, 반응조 부피 대비 10~40 부피%의 미생물 담체를 포함하는 폐수 처리액으로 채워진 폐수 처리 반응조; b) 상기 a)의 반응조 내에 유입구 측에 위치한 제1끝단과 유출구 측의 바닥을 향하고 벤튜리(ven turi) 형태를 포함하는 제2끝단을 가지는 드래프트 튜브(draft tube); 및 c) 상기 b)의 드래프트 튜브의 제2끝단을 향하여 위치한 유입 공기와 유입수가 혼합되는 공간을 가지면서 혼합된 유입 공기와 유입수가 분사될 수 있도록 하는 끝이 잘린 원추 형태를 가진 제트 에어레이터의 노즐을 포함하는 제트 에어레이터(jet aerator)를 포함하는 미생물 담체를 이용한 유동형 폐수 처리 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 b)의 드래프트 튜브의 폐수의 유입구 측에 위치한 제끝단이 반응조의 폐수 처리액 표면으로부터 0.5m 아래에 위치하고, 폐수의 유출구 측 바닥을 향한 제2끝단이 반응조의 바닥으로부터 0.5~1.0m 되는 높이에 위치하며, 상기 c)의 제트 에어레이터의 노즐은 반응조의 바닥으로부터 0.3~0.5m 되는 높이에위하는 미생물 담체를 이용한 유동형 폐수 처리 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 b)의 드래프트 튜브 내의 유속은 0.3~1.0 m/sec, 유량은 반응조 유입량 대비 50~200 부피%이며, 상기 c)의 제트 에어레이터 내 유입수의 유속은 1~5 m/sec, 유량은 반응조 유입량 대비 50~100 부피%이고, 유입 공기의 유속은 10~30 m/sec, 공기량은 반응조 유입량 대비 50~300 부피%인 미생물 담체를 이용한 유동형 폐수 처리 장치.
4. 제1항에 있어서, 탈질산화 또는 인 제거 공정에 사용되는 미생물 담체를 이용한 유동형 폐수처리 장치.
5. a) 폐수의 유입구와 유출구를 가지고 반응조 부피 대비 10~40 부피%의 미생물 담체를 포함하는 폐수 처리액으로 채워진 폐수 처리 반응조 내에, 유입구 측에 위치한 제1끝단과 유출구 측의 바닥을 향하여 위치하고 벤튜리(venturi) 형태를 포함하는 제2끝단을 가지는 드래프트튜브를 통하여 상기 미생물 담체를 유입구 측으로 이송시키는 단계; 및 b) 상기 a)단계의 드래프트 튜브의 유출구 측의 바닥을 향하여 위치하고 벤튜리(venturi) 형태를 포함하는 제2끝단을 향하여 위치한 유입공기와 유입수가 혼합되는 공간을 가지면서 혼합된 유입 공기와 유입수가 분사될 수 있도록 하는 끝이 잘린 원추 형태를 가진 제트 에어레이터의 노즐을 포함하는 제트 에어레이터(jet aerator)로 제트 에어레이터 내 유입수와 유입 공기를 동시에 분사하여 미생물 담체를 이송하고, 미생물 담체로 공기를 공급하는 단계를 포함하는 미생물 담체를 이용한 유동형 폐수 처리 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 미생물 담체는 비중 20~80 kg/㎥, 부피 0.1~100㎠인 폴리우레탄 또는 그의 유도체인 미생물 담체를 이용한 유동형 페수 처리 방법.

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