KR100348417B1 - 슬러지가 안정화된 침지형 여과막 폐수처리 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정밀여과막 모듈을 폭기조 내에 직접 설치하여 호기성 조건에서 처리된 폐수를 막 모듈과 연결된 펌프에 의해 저압에서 흡입하여 방류하는 침지형 여과막 폐수처리 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 여과막 표면의 오염에 의한 급격한 흡입압력 증가 및 슬러지 상태 악화로 인한 여과막의 운전주기 단축을 사전에 예방하기 위해, 폐수를 받아들여 호기성으로 처리하는 폭기조(1)와, 상기 폭기조(1) 내에 침적된 여과막 모듈(2)과, 외부의 공기를 상기 여과막 모듈에 제공하는 산기관(3)과, 상기 여과막 모듈(2)에 흡입 압력을 인가하여 여과된 처리수를 배출하는 흡입 펌프(6)를 포함하는 침지형 여과막 폐수처리 장치에 있어서, 상기 폭기조(1)의 전단에 설치되어 유입되는 폐수와 상기 폭기조(1)로부터 재순환된 슬러지를 혼합하고, 유입되는 폐수 중의 용존 유기물과 상기 재순환 슬러지를 반응시킴으로써, 벌킹 유발 미생물의 성장을 억제시켜 상기 폭기조(1)에 제공하는 혼합조(9)와, 상기 폭기조(1) 내의 슬러지를 상기 혼합조(9)로 재순환시키는 반송펌프(10)를 포함한다.

Description

슬러지가 안정화된 침지형 여과막 폐수처리 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF SUBMERGED MEMBRANE WASTEWATER TREATMENT WITH STABILIZED SLUDGE}

본 발명은 정밀여과막 모듈을 폭기조 내에 직접 설치하여 호기성 조건에서 처리된 폐수를 막 모듈과 연결된 펌프에 의해 저압에서 흡입하여 방류하는 침지형 여과막 폐수처리 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 침지형 여과막 폐수처리 기술은 기존 활성오니법의 2차 침전지 및 슬러지 농축조를 생략할 수 있으며, 막의 부유물질 제거율이 100%에 가까워 우수한 처리수질을 유지할 수 있는 장점이 있다.

이와 같은 침지형 여과막 폐수처리공정은 이미 개발사례가 있으나, 가장 중요한 인자는 여과막의 투과 성능을 어느 정도 기간까지 장시간 안정적으로 유지할 수 있는가에 있다. 막 결합형 폐수처리에서 막오염(membrane fouling)은 전체 시스템의 경제성과 효율성을 좌우하기 때문에, 막 오염을 완화시키기 위해 많은 연구가 이루어져 왔으나, 대부분의 개발자들은 막의 여과 조작 및 세척 등과 같이 막 자체의 운전 인자나 막의 소재 및 모듈 구조 개발 등에 치중해 왔다. 이는 여과대상 물질이 항상 일정한 성분 및 조성을 가질 때에는 어느 정도 효과적이나, 폐수처리에서 분리 대상인 미생물은 주변 상황에 따라 막에 의한 여과 특성이 다르게 나타날 수 있기 때문에 한계를 가질 수밖에 없다.

현재까지 고액 분리를 위한 막 분리 운전법으로 가장 널리 이용되고 있는 것은 막 오염을 방지하기 위해 분리 대상액을 펌프에 의해 폭기조 외부에 설치된 막 모듈에 십자류(crossflow) 방향으로 강제 순환시키는 방식이었으나, 이 방법은 순환에 필요한 에너지 비용이 상당할 뿐만 아니라 활성오니와 같은 미생물 플록(floc)이 연속적으로 고속 순환함에 따라 미생물 활성(activity)이 저하될 가능성이 있고, 또한 미세하게 깨진 플록에 의해 막 오염이 심화될 가능성이 존재한다.

이와 같은 순환형 막 분리 기술의 단점을 극복하기 위해 침지형 막분리 기술이 개발되어 왔는데, 도1과 같이 여과막 모듈(2)을 폭기조(1) 내에 침적하여 모듈에 직접 연결된 흡입 펌프(6)를 운전시켜 고액 분리를 행하게 되면 순환에 필요한 에너지 비용 절감효과 및 미생물 플록의 깨짐 현상을 방지할 수 있어, 적절한 운전 조건만 유지될 수 있다면 막 오염을 최소화 한 상태로 운전할 수 있다.

그리고, 이러한 침지형 막 분리 기술에 있어서, 침지형 여과막의 투과성능 유지 또는 막오염 방지를 위해 일반적으로 이용되고 있는 방법은 도1에서와 같이 폭기조(1)내 여과막 모듈(2) 하단에 산기관(3)을 설치하고, 이 산기관(3)으로 공기를 공급하는 블로어(blower;4)를 설치하여, 이 산기관(3)으로부터 나오는 공기 방울 및 이로 인해 형성되는 물의 상승류 흐름에 의해 막 표면에 침적되는 물질이 연속적으로 세정되게 하는 형태이며, 이때의 공기 유량은 폭기조(1) 내의 유기물 분해를 위해 공급되는 공기량과 크게 차이나지 않는다고 알려져 있다. 도면에서 미설명된 부호 7은 압력게이지(PG), 5는 공기 유량게이지(FG), 8은 스크린을 각각 나타낸다.

또한, 사용되는 여과막은 유효 공경이 0.1 - 0.5 ㎛ 내외의 정밀여과막, 또는 0.1 ㎛ 이하의 한외여과막이 널리 사용되는데, 이는 분리 대상물인 슬러지중의 여러 가지 미생물 군집 중 박테리아 크기가 이 범위에 걸쳐 있어 박테리아를 효과적으로 제거하기 위함이다.

폭기조(1) 내의 박테리아는 정상적인 운전조건 하에서는 대부분 슬러지 플록 덩어리에 뭉쳐져 있는 형태로 존재하며, 플록 해체 현상 등으로 미생물 군집이 분산되거나, 벌킹 등에 의해 사상성 미생물이 우점하는 슬러지가 불안정한 상황이 되면 기존 활성오니법의 경우 2차 침전지의 침전 효율이 극히 떨어져 처리 수질이 악화된다.

침지형 여과막이라 하더라도 이와 같이 불안정한 슬러지로 인한 문제점으로부터 자유로울 수는 없는데, 활성오니법에서는 2차 침전지의 효율 저하로 나타나지만, 침지형 여과막에서는 막 오염의 심화로 흡입압력 증가 현상이 발생하게 된다. 흡입압력이 일정 압력 이상으로 상승하면 운전을 중단하고 막을 세척해야 하며, 이와 같은 현상이 빈번해지면 막의 사용 수명이 단축되는 문제가 생긴다.

또한, 여과막 시스템의 경우 비교적 슬러지의 플록 상태에 상관없이 2차 침전지의 고액분리 역할을 연속적으로 수행할 수 있어, 폐수처리시스템의 운전 안정성이 높다고 알려져 있다. 그러나, 본 발명자의 경험에 의하면 단기간의 일시적인 슬러지 상태 악화는 여과막의 투과 성능 유지에 별다른 장애를 일으키지 않지만, 장기간 슬러지 상태가 벌킹 등으로 악화되었을 경우는 여과막의 투과성능이 급격히 떨어지는 것을 관찰할 수 있었다. 즉, 침지형 여과막 공정에서는 막 표면의 오염 현상이 흡입펌프의 급격한 흡입압 증가로 나타나므로, 여과막 운전을 더 이상 진행할 수 없게 된다. 특히 이와 같은 슬러지 상태 악화에 의한 흡입압력 증가는 단시간 내에 급격하게 발생하므로, 방치시에는 막의 흡입압력 증가로 인해, 재사용이 불가능할 정도로 막 오염현상을 심화시킬 수 있다. 더욱이, 여과막의 종류에 따라 일정한 흡입압력 이상으로 막 분리 운전을 계속할 경우, 약품에 의한 화학적 세척에 의해서도 막의 성능이 회복되지 않거나, 세척 사이의 막 운전주기가 급격히 감소하게 된다.

따라서, 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은, 여과막 표면의 오염에 의한 급격한 흡입압력 증가 및 슬러지 상태 악화로 인한 여과막의 운전주기 단축을 사전에 예방하기 위해, 폭기조 전단에 혼합조를 부가하여 재순환 슬러지와 유입폐수의 접촉에 의해 플록 형성 미생물의 선택적 성장을 일으켜 안정적인 미생물 상태를 유지하도록 한 침지형 여과막 폐수처리 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도1은 기존의 유기물 제거를 위한 침지형 여과막 오폐수 처리장치의 구성도.

도2는 본 발명에 따른 혼합조가 포함된 유기물 제거 침지형 여과막 오폐수 처리장치의 구성도.

도3은 본 발명에 따른 혼합조가 포함된 유기물/질소 제거 침지형 여과막 오폐수 처리장치의 구성도.

도4는 본 발명과 종래 기술의 막 분리후의 흡입압력 비교 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1: 폭기조 2: 침지형 여과막 모듈 3: 산기관

4: Blower 5: 공기 유량게이지 6: 흡입 펌프

7: 흡입 압력게이지 8: 스크린 9: 혼합조

10: 반송 펌프 11: 무산소조

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 침지형 여과막 폐수처리 장치는, 폐수를 받아들여 호기성으로 처리하는 폭기조와, 상기 폭기조 내에 침적된 여과막 모듈과, 상기 여과막 모듈의 하부에 설치되며 외부의 공기를 흡입하여 상기 여과막 모듈에 제공하는 산기관과, 상기 여과막 모듈에 흡입 압력을 인가하여 여과된 처리수를 배출하는 흡입 펌프를 포함하는 침지형 여과막 폐수처리 장치에 있어서, 상기 폭기조의 전단에 설치되어 유입되는 폐수와 상기 폭기조로부터 재순환된 슬러지를 혼합하고, 유입되는 폐수 중의 용존 유기물과 상기 재순환 슬러지를 반응시킴으로써 벌킹 유발 미생물의 성장을 억제시켜 상기 폭기조에 제공하는 혼합조, 및 상기 폭기조 내의 슬러지를 상기 혼합조로 재순환시키는 반송펌프를 포함한 것을 특징으로 한다.

또한, 침지형 여과막 폐수처리장치가 폐수의 질소 제거 기능을 보유하기 위하여 상기 폭기조 전단에 무산소조가 설치된 구조에 있어서는, 상기 혼합조를 무산소조 전단에 설치하여 상기 폭기조로부터 재순환된 슬러지와 폐수를 혼합한 혼합물을 상기 무산소조에 공급하도록 한다.

또한, 본 발명에 따른 폐수처리방법은, 스크린을 통과한 폐수를 호기성 조건으로 처리하는 폭기조로 유입시키고, 상기 폭기조에서 유기물을 분해하고, 외부에서 공급되는 공기에 의한 상승류 흐름과 외부의 흡입펌프에 의해 인가되는 흡입압력에 의해 여과막 모듈을 통과시켜 폐수를 처리하는 침지형 여과막 폐수처리방법에 있어서, 상기 폭기조(1)로부터 재순환된 슬러지와 상기 스크린을 통과한 폐수를 혼합조를 통해 혼합하여 벌킹 유발 미생물의 성장을 억제시킨 후 상기 폭기조(1)로 유입시키는 단계를 포함한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.

도2는 본 발명에 따른 유기물 제거를 위한 침지형 여과막 폐수처리 장치의 구성도이다.

도면에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 침지형 여과막 폐수처리 장치는, 도1에 도시한 종래의 폐수처리 장치에 있어서, 상기 폭기조(1)의 전단에 설치되어 스크린(8)을 거쳐 유입되는 폐수와 상기 폭기조(1)로부터 재순환된 슬러지를 혼합하고, 상기 유입되는 폐수 중의 유기물과 상기 재순환된 슬러지를 반응시켜 벌킹 유발 미생물의 성장을 억제시켜 상기 폭기조(1)에 제공하는 혼합조(9)와, 상기 폭기조(1) 내의 슬러지를 상기 혼합조로 재순환시키는 반송펌프(10)를 더 구비하도록 구성한 것에 그 특징이 있다.

구체적으로 그 동작을 살펴보면, 처리 대상인 폐수는 스크린(8)을 거쳐 폭기조(1) 전단에 설치한 혼합조(9)로 이송되고, 폭기조(1)로부터 반송펌프(10)에 의해 재순환되는 슬러지와 상기 스크린(8)을 통과한 폐수는 혼합조(9)에서 혼합된다. 혼합조(9)의 운전 조건은 폐수의 성상 및 유입 조건, 폭기조 내의 슬러지 농도에 따라 반송펌프(10)의 반송량과 혼합조(9)의 크기를 적절히 조절하여 3 - 25 kgBOD₅/kg MLSS day 정도의 높은 F/M 비를 유지하도록 하며, 수리학적 체류시간은 10 - 30분 내외로 한다. 이 경우 혼합조(9) 내의 유기물 농도 구배가 크므로 용존 유기물이 플록 형성 미생물에 신속히 흡착하여 슬러지 상태를 악화시킬 수 있는 벌킹 유발 미생물의 성장을 억제하게 된다. 또한, 혼합조(9)에는 하부에 산기관을 설치하여 공기를 공급하거나 상부에 기계식 교반기를 설치하여 충분한 혼합이 이루어지도록 해야한다.

이러한 혼합조(9)를 거친 폐수 및 슬러지 혼합물은 폭기조(1)로 이송되어 잔류 유기물의 분해가 이루어진다. 폭기조(1) 내에 침지된 정밀여과막 모듈(2)은 그 하부에 설치된 산기관(3)을 통해 나오는 공기 및 공기에 의해 유도되는 상승 수류에 의해 표면이 연속적으로 세정되고, 혼합조(9)에서 벌킹 유발 미생물의 성장을 억제시킨 슬러지를 공급받기 때문에, 장기간에 걸쳐 슬러지 상태가 벌킹 등으로 악화됨으로 인한 여과막 오염이 최소화된다.

여과막 모듈(2)에서 처리된 처리수는 여과막 모듈(2)과 직접 연결된 외부의 흡입펌프(6)에 의해 외부로 방류되며, 압력게이지(7)에 의해 흡입 압력의 증가를 볼 수 있도록 한다. 흡입 펌프(6)의 흡입압력은 사용되는 침지형 여과막의 종류에 따라 달라지긴 하지만, 대체로 20 cmHg 이하 범위에서 유지되어야 하며, 그 이상에 도달했을 때는 약품에 의한 여과막 세척을 행해야 한다.

한편, 본 발명에 따른 혼합조(9)의 설치와 운전에 있어, 최적의 실시조건을 살펴보면, 도2에서 폭기조(1)의 유효 부피는 100 m³, 폭기조 내의 슬러지 농도를 10,000 ppm 내외로 유지하고, 시스템에 유입되는 폐수의 유량이 200 m³/day, 유기물 농도는 BOD₅기준으로 1000 ppm 일 경우 다음과 같다.

혼합조(9)의 하분에 반송펌프(10)에 의해 재순환되는 슬러지와 스크린(8)을 거쳐 공급되는 폐수를 충분히 혼합하기 위해 산기관(도면에 도시되지 않음)을 설치하도록 하며, 반송펌프(10)의 슬러지 재순환량은 50-100 m³/day 범위로 유지하고, 혼합조(9)의 유효 부피는 약 4 m³로 설계한다. 이와 같은 조건으로 설계/운전할 경우 혼합조(9)에서의 F/M 비를 15-25 kgBOD₅/kg MLSS day 정도로 유지할 수 있어, 슬러지 상태를 안정적으로 유지할 수 있다.

도3은 본 발명의 다른 실시예를 도시한 것으로, 유기물 제거와 함께 질소제거 기능을 수행할 수 있는 침지형 여과막 폐수처리장치에 적용한 예를 도시한 것이다.

유기물 제거 및 질소 제거 기능을 가지는 침지형 여과막 폐수처리장치는 도면에 도시한 바와 같이, 도1과 같은 폐수처리장치에 있어서 폭기조(1) 전단에 혐기성의 무산소조(11)를 설치한 구성을 가진다.

이와 같은 폐수처리 장치 환경인 경우에는, 본 발명에 따른 혼합조(9)를 상기 무산소조(11)의 전단에 설치하여, 스크린(8)을 거친 폐수와 폭기조(1)로부터 반송펌프(10)에 의해 재순환된 슬러지를 혼합하여 벌킹 유발 미생물의 성장을 억제시킨 슬러지와 폐수 혼합물을 상기 무산소조(11)로 제공하도록 한다. 이에 따라 슬러지와 폐수 혼합물을 상기 혼합조(9)로부터 유입받은 무산소조(11)는 질소성분을 제거한 슬러지를 폭기조(1)에 제공한다. 기타 혼합조(9)의 구성과 최적의 실시조건은 도2의 경우와 동일하므로 여기서는 생략한다.

도4는 도1과 같은 종래의 침지형 여과막 장치를 이용하여 폐수처리를 수행하던 중 벌킹 발생으로 불안정해진 슬러지로 인해 흡입펌프(6)의 흡입압력이 증가했던 경우()와 도2 및 도3과 같이 본 발명에 따른 고농도 혼합조(9)의 도입에 의해 슬러지 상태가 안정적으로 유지되고 있는 침지형 여과막 장치에서의 흡입압력 곡선()을 비교한 그래프이다. 도4에서 알 수 있듯이, 슬러지가 불안정해질 경우 30-40일 되는 시점에 흡입 압력이 단시간 내에 증가하는 것을 알 수 있으나, 본 발명에 따르면 슬러지를 장기간 안정적으로 유지할 수 있어, 흡입압력의 증가에 따른 폐수처리 성능의 급격한 저하나 운전중단 등의 사태는 발생하지 않게 된다.

따라서, 상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 폭기조(1) 전단 또는 질소제거 기능을 갖는 폐수처리장치의 경우에는 무산소조(11) 전단에 유입폐수와 재순환 슬러지가 접촉하는 고농도 혼합조(9)를 설치함에 의해 폐수 유입조건의 변동 등에 대해 슬러지 상태가 불안정해지는 것을 사전에 예방할 수 있고, 이에 따라 침지형 여과막 폐수처리장치의 운전에서 가장 중요한 운전 인자인 급격한 흡입압력 상승 및 여과막 오염을 사전에 예방할 수 있어 안정적인 폐수처리 성능과 시스템의 신뢰성을 유지하게 하는 효과를 가진다.

Claims (8)

1. 폐수를 받아들여 호기성으로 처리하는 폭기조(1)와, 상기 폭기조(1)내에 침적된 여과막 모듈(2)과, 상기 여과막 모듈(2)의 하부에 설치되며 외부의 공기를 흡입하여 상기 여과막 모듈(2)에 제공하는 산기관(3)과, 상기 여과막 모듈(2)에 흡입 압력을 인가하여 여과된 처리수를 배출하는 흡입 펌프(6)를 포함하는 침지형 여과막 폐수처리 장치에 있어서,

   상기 폭기조(1)의 전단에 설치되어 유입되는 폐수와 상기 폭기조(1)로부터 재순환된 슬러지를 혼합하고, 내장한 상기 유기물과 상기 재순환된 슬러지를 반응시킴으로써, 벌킹 유발 미생물의 성장을 억제시켜 상기 폭기조(1)에 제공하는 혼합조(9); 및

   상기 폭기조(1) 내의 슬러지를 상기 혼합조로 재순환시키는 반송펌프(10)

   를 포함한 것을 특징으로 하는 슬러지가 안정화된 침지형 여과막 폐수처리장치.
2. 폐수를 받아들여 혐기성으로 질소를 제거하는 무산소조(11)와, 상기 무산소조(11)에 의해 질소가 제거된 폐수를 호기성으로 처리하는 폭기조(1)와, 상기 폭기조(1)내에 침적된 여과막 모듈(2)과, 상기 여과막 모듈(2)의 하부에 설치되며 외부의 공기를 흡입하여 상기 여과막 모듈(2)에 제공하는 산기관(3)과, 상기 여과막 모듈(2)에 흡입 압력을 인가하여 여과된 처리수를 배출하는 흡입 펌프(6)를 포함하는 침지형 여과막 폐수처리 장치에 있어서,

   상기 무산소조(11)의 전단에 설치되어 유입되는 폐수와 상기 폭기조(1)로부터 재순환된 슬러지를 혼합하고, 유입되는 폐수 중의 유기물과 상기 재순환된 슬러지를 반응시킴으로써, 벌킹 유발 미생물의 성장을 억제시켜 상기 무산소조(11)에 제공하는 혼합조(9); 및

   상기 폭기조(1) 내의 슬러지를 상기 혼합조로 재순환시키는 반송펌프(10)

   를 포함한 것을 특징으로 하는 슬러지가 안정화된 침지형 여과막 폐수처리장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 혼합조(9)는 유입된 폐수와 슬러지의 원활한 혼합을 위해, 그 내부 하부에 산기관을 설치한 것을 특징으로 하는 슬러지가 안정화된 침지형 여과막 폐수처리장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 혼합조(9)는 유입된 폐수와 슬러지의 원활한 혼합을 위해, 그 내부에 기계식 교반기를 설치한 것을 특징으로 하는 슬러지가 안정화된 침지형 여과막 폐수처리장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 혼합조(9)는 3 - 25 kgBOD₅/kg MLSS day 의 F/M 비와 10 - 30분의 체류시간을 유지하도록 구성한 것을 특징으로 하는 슬러지가 안정화된 침지형 여과막 폐수처리장치.
6. 스크린을 통과한 폐수를 호기성 조건으로 처리하는 폭기조(1)로 유입시키고, 상기 폭기조에서 유기물을 분해하고, 외부에서 공급되는 공기에 의한 상승류 흐름과 외부의 흡입펌프(6)에 의해 인가되는 흡입압력에 의해 여과막 모듈(2)을 통과시켜 폐수를 처리하는 침지형 여과막 폐수처리방법에 있어서,

   상기 폭기조(1)로부터 재순환된 슬러지와 상기 스크린을 통과한 폐수를 혼합조를 통해 혼합하여 벌킹 유발 미생물의 성장을 억제시킨 후 상기 폭기조(1)로 유입시키는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 슬러지가 안정화된 침지형 여과막 폐수처리방법.
7. 스크린을 통과한 폐수를 무산소조(11)로 유입시키고, 상기 무산소조(11)에 의해 질소가 제거된 폐수를 호기성 조건으로 처리하는 폭기조(1)로 유입시키며, 상기 폭기조에서 유기물을 분해하고, 외부에서 공급되는 공기에 의한 상승류 흐름과 외부의 흡입펌프(6)에 의해 인가되는 흡입압력에 의해 여과막 모듈(2)을 통과시켜 폐수를 처리하는 침지형 여과막 폐수처리방법에 있어서,

   상기 폭기조(1)로부터 재순환된 슬러지와 상기 스크린을 통과한 폐수를 혼합조를 통해 혼합하여 벌킹 유발 미생물의 성장을 억제시킨 후 상기 무산소조(11)로 유입시키는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 슬러지가 안정화된 침지형 여과막 폐수처리방법.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서,

   상기 재순환된 슬러지와 혼합된 폐수가 상기 혼합조(8) 내에서 3 - 25 kgBOD₅/kg MLSS day 의 F/M 비와 10 - 30분의 체류시간을 유지하도록 한 것을 특징으로 하는 슬러지가 안정화된 침지형 여과막 폐수처리방법.