KR100297178B1

KR100297178B1 - 포기침전조 일체형 유동담체 생물막 폐수처리 장치

Info

Publication number: KR100297178B1
Application number: KR1020000000997A
Authority: KR
Inventors: 이해일; 김창원; 류종찬
Original assignee: 류종찬
Priority date: 2000-01-10
Filing date: 2000-01-10
Publication date: 2001-09-22
Also published as: KR20000036316A

Abstract

본 발명은 산업폐수 또는 축산폐수 등의 고농도폐수를 생물막 유동담체(8)의 부착미생물을 이용하여 폐수중의 고농도 유기물질을 제거할 뿐만 아니라 영양염류인 질소, 인을 동시에 제거하는 고성능 유동층 생물막 폐수처리장치에 관한 것이다.

본 발명의 장치는 생물막 유동담체(8)를 충전한 호기성 반응조(4-1/4-2)와 질소, 인을 제거하기 위한 고정담체(9)를 충전한 혐기반응조(5), 고액분리를 위한 침전조(6)에는 경사판 고액분리기(10) 및 활성탄 흡착층(13)을 도입한 것으로 포기조 침전조 일체형으로 구성되어 있다. 포기용 공기는 유입폐수와 잘 혼합되어 유입구(1)를 통해서 공기분산 노늘(11)를 거치면서 미세기포로 분산되어 포기 반응조(4-1)로 공급된다.

본 발명은 유동층 생물막법에서 가장 중요한 인자인 유동담체(8)가 포기반응조(4-1/4-2) 내에서 정상적인 유동상태를 유지하고, 유동정지 시 매체간의 부착 또는 침적에 의한 폐색이 없이 재유동이 원활하게 되는 구조를 가지고 있으며, 종래의 유동층 생물막법에서 처리하지 못하는 질소, 인의 동시 제거가 가능한 혐기반응조(5)를 포함하고 있다. 생물학적 처리공정에서 필수적인 잉여슬러지의 침전분리를 위한 침전조(6)를 일체형으로 하여 설치공간을 최대로 줄일 수 있도록 한 것이 본 발명의 특징이다.

Description

포기침전조 일체형 유동담체 생물막 폐수처리 장치{Fluidized Media Biofilm Reactor with Clarifier}

산업폐수, 축산폐수 등 유기물 농도가 2,000 mg/l 이상 10,000 mg/l 이내의 고농도 폐수처리는 대부분의 경우 단순 화학응집에 의한 침전 혹은 부상으로 부유물질을 제거한 후에 유기물 제거를 위한 장기포기 활성오니법에 의존하고 있다.

장기포기 활성오니법은 특성상 포기조내 유지 가능한 미생물 농도가 최대 6,000 mg/l, BOD 부하율은 0.4 kg/m³.day 이하로 제한되어 있어 고농도 폐수를 처리하기 위해서는 18∼36 시간의 긴 체류시간이 필요하다. 따라서 포기조의 용량이 커지고 폐수 처리장의 대형화를 야기해 투자비 증대의 주된 요인이 된다. 그리고 잉여슬러지는 제거되는 BOD kg당 0.4∼0.6 kg 정도가 발생하여 슬러지의 최종처분에도 많은 비용이 소모된다. 공장부지 확보에 어려운 우리 나라의 여건에서 대규모 폐수처리장 부지를 유지해야 하고, 잉여슬러지의 최종처분비 및 운전유지비의 경제적 부담을 안고 있다. 또한 활성오니법은 부하변동에 적응력이 약하고, 슬러지 팽화(sludge bulking), 슬러지 부상, 거품발생 등으로 인한 부유물질 제거기능이 불안정하여 처리수질 관리에 문제가 많다.

이 외에도 장기포기에 의한 활성오니법은 유기물 제거만을 목적으로 하는 처리공정이기 때문에 최근에 문제시되는 영양염류(질소, 인)의 제거는 불가능하므로 질소, 인 제거가 동시에 가능한 공법의 개발이 시급한 시점이다.

이와 같은 기존의 부유 미생물을 이용한 활성오니법의 근본적인 취약점을 보완하는 방안으로 부착성 미생물을 활용하는 생물막공법을 도입하게 되었으며, 고정상 생물막법이 주류를 이루고 있다. 종래의 고정상 생물막법은 부유 미생물에 의한 활성오니법의 문제점을 일부 보완하고 있지만 고정담체의 설치상 문제점 및 설치비용의 과다, 관리상 어려운점, 생물막의 탈리에 의한 처리수질의 불안정 등 몇가지 문제점을 보유하고 있다. 현재 세계적인 기술개발 추세가 고정상(Fixed Bed) 공법에서 유동상(Fluidized bed) 공법으로 옮겨가고 있는 바와 같이 본 발명의 '포기침전조 일체형 유동담체 생물막 폐수처리 장치'는 장기포기 활성오니법의 한계와 고정상 생물막법의 문제점에 대한 대안으로 최신의 처리기술을 접목한 장치이다.

일본에서는 산업폐수 방류수질 기준으로 질소, 인을 각각 8∼50 mg/l, 0.5∼5 mg/l로 규제하고 있어 고도처리가 필수 요건이다. 최근에 개발된 공법으로는, 축산폐수 및 식품폐수의 고도처리를 위해 회분식 반응기에서 혐기, 호기 조건을 조합한 '혐기ㆍ호기 활성오니법'과 여기에 분리막 혹은 담체를 첨가한 공법이 있다. 그리고 양조폐수 및 식품폐수에 대하여 UASB(Upflow Anaerobic Sludge Blanket)와 세라믹 담체를 이용한 호기성 생물막 공정을 조합한 '하이브리드(Hybrid) 방식'으로 고도처리를 시도하고 있다. 고도처리를 위하여 질화세균 등 증식속도가 늦은 유용 미생물을 폴리에틸렌글리콜(PEG)등의 고정화제로 고정하여 반응조의 미생물 농도를 높여 고도처리시설로 활용하는 '고정화 공법'이 있고, 난분해성 물질의 처리를 위해 '효모활용 처리법'이 개발되기도 하였다. 일본의 경우 유기물 외에도 질소, 인 제거가 가능한 방식으로 기술이 개발되고 있다. 그리고 운전성능을 높이기 위해 단위 반응조 안에 고농도 미생물을 유지할 수 있는 방법에 중점을 두고 있으며, 혐기성 및 호기성의 적절한 운전조건 배합으로 최소의 반응조 용적으로 고도처리가 가능하게끔 하고 있다. 또한 몇몇 기술은 상용화하여 고부하, 고효율의 고도처리 결과를 얻고 있다.

고정상 생물막 반응기(Packed Bed Biofilm Reactor)는 생물막에 의한 고농도 미생물 유지로 하나의 반응조에서 고부하 유기물 처리와 더불어 부유물질(SS)의 여과제거가 가능하며, 고성능 여재의 개발과 설계 개선으로 부피는 활성오니조의 1/10, 소요 면적은 1/4정도로 나타났다. 유동상 생물막 반응기(Fludized BedBiofilm Reactor)는 순환 방식에 따라 내부순환, 외부순환형, 유동방향에 따라 상향류, 하향류형, 산소공급에 따라 호기조, 혐기조로 구별되며 사용하는 담체와 반응기 형태가 다양하게 이용되고 있다. 미소담체 사용에 의해 반응조내 2,000∼4,000 m²/m³에 달하는 높은 비표면적 조건으로 8,000∼40,000 mg/l에 달하는 고농도의 미생물을 유지할 수 있어 8.0∼16.0 kg-BOD/m³.day에 달하는 고부하 처리를 할 수 있다. 고정상 공법과 구별되는 특징으로는 유동상 형식을 취하고 있기 때문에 막힘현상(Clogging) 방지를 위한 역세과정이 필요 없다. 또한 반응기 표면적 대비 높이를 충전상보다 크게 할 수 있으며 생물막 담체와 처리수의 고액분리를 위한 침전조를 포기반응기에 설치할 수 있어 소요부지측면에서 보다 이롭다. 이 공법의 기술적인 과제와 단점으로는 ①대형 반응기의 유동기술과 동력비 과다 ②유동정지시 담체간의 점착에 의한 폐색으로 재유동의 어려움 ③ 반응조내 지나친 와류(Turbulent)형성의 경우 과도한 생물막 탈리 ④반응기 구조 및 운전조건에 따른 성능변화가 민감한 것으로 지적된다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 바와 같이 부유 미생물에 의한 장기포기 활성오니법의 한계와 고정상 생물막법의 문제점으로 대두되고 있는 다음과 같은 사항들을 동시에 달성하고자 하는데 목적이 있다.

첫째, 고농도 산업폐수 또는 축산폐수 등 유기물 농도가 2,000 mg/l 이상 10,000 mg/l 이내의 고농도 폐수를 안정적으로 처리한다. 둘째, BOD 용적부하율을 5.0∼10.0 kg-BOD/m³.day까지 향상시켜 포기반응조(4-1/4-2) 용량을 종래의 활성오니법 보다 용적은 1/10까지 면적은 1/4정도 까지 축소시켜 경제적인 부담을 줄인다. 셋째, 포기 반응조(4-1) 내에서 산소의 전달이 균등하게 이루어지고 유동담체(8)가 호기성 반응조(4-1/4-2) 내에서 편류 또는 정체되지 않고 유동상태가 정상적으로 유지되도록 한다. 넷째, 유동정시 시 담체(8)간의 점착에 의한 폐색이나 침적에 의해서 재유동의 어려움이 없도록 한다. 다섯째, 포기 반응조(4-1)내 지나친 와류형성의 경우에도 과도한 생물막 탈리가 없는 특성을 가지는 유동담체(8)를 사용한다. 여섯째, 포기 반응조의 구조 및 운전조건에 따라서 처리성능이 민감하지 않고, 담체의 투입 또는 제거가 용이하여 호기성 반응조(4-1/4-2) 내의 담체(8) 밀도를 임의대로 쉽게 조정할 수 있어야 한다. 일곱째, 유기물 제거와 동시에 질소 및 인도 제거가능 하도록 한다. 마지막으로 침전조(6)를 포기조와 일체형으로 모듈화 하여 경제적인 설비가 되게 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 해당하는 장치본체의 세로 단면도

도 2는 도1의 'A-A'가로 단면도

도 3은 슬러지 침전율 향상을 위해서 평판으로 조립한 침전분리기의 사시도

도 4a는 포기장치의 분산노즐 일부 단면도

도 4b는 도 4a의 정면 세로 단면도

도 5a는 본 장치에 사용되는 유동담체(담체-1)의 사시도

도 5b는 본 장치에 사용되는 유동담체(담체-2)의 사시도

본 발명의 포기침전조 일체형 유동담체 생물막 폐수처리 장치는, 유동담체(8)가 상향 및 하향류로 유체의 흐름에 따라서 유동하고 담체에 부착된 호기성 미생물의 분해반응에 의해서 폐수중의 유기물질이 제거되는 호기성 반응조(4-1/4-2)와, 폐수중의 질소, 인을 제거하기 위해서 고정담체(9)가 충전된 혐기성 반응조(5), 슬러지를 침전 분리하는 침전조(6)로 구성되어 있다.

처리하고자 하는 폐수는 포기용 공기와 함께 유입구(1)로 유입되고, 포기용 공기는 유입폐수와 혼합하여 분산노즐(11)에서 미세한 공기입자로 분산되어 포기조(4-1) 전면에 골고루 분산하여 상승하면서 폐수 중에 용해 전달된다. 이때유동담체(8)는 공기방울의 부력과 상향류에 실려 상승하게 된다. 포기반응조(4-1) 내에서 산소의 전달이 균등하게 이루어지고 유동담체(8)가 호기성 반응조(4-1/4-2) 내에서 편류 또는 정체되지 않고 유동상태가 정상적으로 유지될 수 있도록 하기 위하여 포기 반응조(4-1)의 폭에 따라 산기노즐(11)을 3개이상 적당한 간격으로 배치한다. 포기는 없으나 호기성 조건에서 반응하는 호기성 반응조(4-2)는 유동담체(8)의 자체 비중과 담체표면에 적당한 두께로 생성된 생물막의 비중으로 하향류가 형성된다. 포기조 바닥에 도달한 담체는 포기 반응조(4-1)의 상향류에 실려 다시 상승하며 이와같이 호기성 반응조(4-1/4-2)에서 계속 순환하면서 유동상태를 유지한다. 호기성 반응조(4-1/4-2) 밑면의 모서리는 경사판(12)으로 되어 있어 유동담체(8)가 침적되는 것을 방지하고, 유동정지 후 재유동이 용이한 구조를 하고 있다. 호기성 조건에서 폐수중의 유기물이 충분히 제거된 폐수는 혐기성 반응조(5)로 넘어간다. 혐기성 반응조(5)는 고정담체(9)로 충전되어 있고 여기서 질산화와 탈질화 반응에 의해서 질소와 같은 영양염류가 제거된다.

유기물이 분리된 폐수는 다음공정의 침전조(6)로 유입된다. 침전조(6)는 포기 반응조(4-1/4-2)와 일체형으로 하고, 침전조(6) 내부는 경사판 고액분리기(10)을 설치하여 고액분리 효율을 최대로 한다. 잉여슬러지는 침전조 하부의 슬러지저장부(7)에서 슬러지 배출구(3)를 통해 장치 외부에 별도로 설치되는 오니펌프에 의해서 배출되는 데 호기성 반응조 내의 미생물 농도(MLSS)를 일정수준(8,000∼15,000mg/l)으로 조정하기 위해서 일부는 반송이 되고, 나머지는 농축조로 보내 처리토록 한다. 침전조(6) 상부는 펠트(felt)형 또는 입상의 활성탄층(13)을 설치하여 폐수중의 잔여 COD까지 보다 완전하게 처리하도록 한다. 고액분리된 최종 처리수는 배출구(2)를 통해서 배출된다.

침전조(6)에 설치되는 경사판 고액분리기(10)는 외형틀(21) 속에 일정간격으로 수십개의 판(22)으로 구성되어 있고, 가장자리(23)를 앵글로 보강하여 비틀림을 방지한다. 설치는 침전조(6) 내의 수면에서 1.8m이상의 적당한 깊이에 60도이상의 적당한 기울기로 설치한다.

입구 분산노즐(11)은 포기반응조(4-1) 벽면에 설치되는 이중노즐(32)에 삽입되는 3개 이상의 산기관(33)으로, 산기관의 양 옆면(0 °,180 °)방향과 하부(270 °방향)에 아주 미세한 구멍을 일정간격으로 뚫어 유입폐수 및 포기용 공기가 포기조 전면에 골고루 분산되게 한다.

호기성 반응조(4-1/4-2)에 투입되는 유동담체(8)는 만(卍)자형과 유사한 18x18x18m크기의 담체-1(41)과 30x30x18mm크기의 담체-2(43) 2가지로서 1mm이하의 아주 발달된 기공을 가지는 포리비닐아세테이트(PVA)를 주체로 한 특수재질로 가공한 것으로, 비표면적이 넓고 굴곡부(42)에 생물막을 일정 두께로 형성하고 있으며 유동에도 탈리하지 않는 형태의 유동담체(8)이다.

이미 유럽과 북미에서는 일부 생물막 처리공법이 상용화되고 있으며, 시스템의 표준화와 설계기술의 패키지화 및 공정제어 등 최근 빠른 속도로 진척되고 있는 기술적 성과에 의해 그 활용성이 극대화될 것으로 전망된다. 그리고 기존의 활성슬러지법이 1900년대 초에 개발되어 대부분의 기존 생물학적 폐수처리가 활성슬러지공법으로 설치되었기 때문에, 내구한계가 도래되는 폐수처리장의 대체공법으로 생물막 공법의 채택이 증가될 것이기 때문에 본 발명의 장치가 시급하게 공급되어야 할 시점이라고 본다.

본 발명의 기술은 처리성능 및 경제적인 측면에서 다음과 같은 효과가 기대된다.

1) 활성슬러지 공법에 비해 유동층 생물막 반응기의 크기는 용적을 최대 1/20 이하로 면적은 1/4까지 축소가 가능하며, 잉여슬러지 발생량은 기존 활성슬러지 공법의 0.4∼0.8 g-VSS/g-BOD 정도에 비해서 1/3∼1/4 수준인 0.26g-VSS/g-BOD 이하로 줄어들어 폐슬러지(waste sludge)의 처리비용을 줄일 수 있다.

2) 긴 슬러지 체류시간(SRT, Solids Retention Time)을 유지하면서 부유슬러지를 적절히 산화처리하여 잉여슬러지 발생량을 종래 처리법에 비해서 1/3∼1/4이하로 줄일 수가 있어서 농축조, 탈수기 등 슬러지 처리를 위한 부대시설의 규모 및 운전비를 감소시킬 수 있다.

3) 유입폐수의 부하변동이나 독성물질 유입에 안정적이며, 공기공급 조절에 의한 반응기내 무산소, 혐기 조건의 구비로 질소의 제거가 가능하다.

4) 경사판식 침전으로 고액분리 효율을 높이며 침전조의 표면적을 줄이고, 활성탄 흡착으로 필요시 고도의 처리수를 확보할 수 있는 특징이 있다.

5) 처리용량별 모듈(module)형의 장치 구성으로 설치 및 관리시의 편의성을 도모할 수 있다.

6) 종래의 호기성으로 처리하기에는 비경제적이거나 처리가 곤란한 유기물농도 2,000∼10,000 mg/l, 총질소 200 mg/l, 총인20 mg/l 내외의 식품폐수, 석유화학폐수, 축산폐수 및 기타 고농도 유기성폐수처리가 경제적으로 가능하다.

7) 본 장치의 성능은 BOD 제거율 10 kg-BOD/m³.day, 질산화율 1.0 kg NH₄-N/m³.day, 탈질율 1.5 kg-N/m³.day, 슬러지 발생량은 종래 활성오니공법의 1/3∼1/4수준인 0.26 kg-VSS/kg-BOD이하를 달성한다.

Claims

산업폐수 또는 축산폐수, 하수, 오수 등을 생물학적으로 처리하는 경우에 있어서 미생물반응조 내에서 부착성 미생물의 생물막 형성을 목적으로 사용하는 모래나 활성탄 또는 폴리에칠렌, 우레탄, 폴리비닐아세테이트(PVA) 등의 플라스틱류로 제작한 여러 가지 모양의 유동담체 또는 고정담체 중 한(1개)가지 이상의 미생물담체를 충전 사용하는 폐수처리 장치로써, 상향류의 포기반응조(4-1)와 하향류의 호기성 반응조(4-2), 혐기성 반응조(5), 경사판식 고액분리기(10)와 입상 또는 펠트형의 활성탄 충전층(13)을 장착한 침전조(6)를 일체형으로 하는 포기침전조 일체형 생물막 폐수처리 장치
제 1항에 있어서, 미생물담체 중 만(卍)자형(41) 또는 이와 유사한 형태의 굴곡부(42)를 가지는 플라스틱류로 제작한 미생물담체를 포기반응조(4-1), 호기성 반응조(4-2) 및 혐기성 반응조(5)에 충전하는 포기침전조 일체형 생물막 폐수처리 장치