KR100357042B1 - 입상활성슬러지 공법을 이용한 수처리 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부유미생물을 입상화시키고, 입상화된 슬러지를 분쇄하고 재입상화시켜 멤브레인을 통과시킴으로서 부유미생물을 이용하는 종래의 활성슬러지 공법의 폭기조에 멤브레인 침적시 발생되는 막힘현상을 최소화하고, 고도의 처리수를 형성할 수 있도록 한 입상활성슬러지 공법을 이용한 수처리 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명은, 외부로부터 유입되는 유입하수와 반송 입상슬러지 혼합액에 공기를 공급하는 폭기조; 상기 폭기조에서 용존산소가 풍부해진 폭기혼합액을 공급하도록 그 일측부에 다수의 분기관이 구비된 공급라인; 상기 공급라인을 통해 유입된 폭기혼합액에 포함된 부유활성슬러지간을 접촉시켜 입상화되도록 반응하며, 그 저부에 입상활성슬러지층이 형성된 생물반응조; 상기 생물반응조에 설치되어 부유활성슬러지의 입상화가 원활히 이루어지도록 상기 부유활성슬러지간의 접촉을 극대화시키는 슬러지접촉매개수단; 상기 생물반응조에서 입상화된 입상슬러지 혼합액을 상기 폭기조로 반송하는 반송수단 및 상기 생물반응조의 활성슬러지층 상부에 설치되어, 상기 생물반응조에서 처리된 처리수를 고도로 처리하기 위해 여과하는 멤브레인 모듈을 포함하는 입상활성슬러지공법을 이용한 수처리 장치와, 간접폭기조에 공기를 공급하여 그에 유입되는 유입하수와 반송 입상슬러지 혼합액에 포함된 입상 슬러지를 분쇄하는 제1 단계; 상기 간접폭기조에서 용존산소가 풍부해진 폭기혼합액을 생물반응조에 공급하고, 상기 생물반응조내에서 부유활성슬러지간을 접촉시켜입상화시키는 제2 단계; 상기 생물반응조에서 입상화된 입상슬러지 혼합액을 상기 간접폭기조로 반송하는 제3 단계; 및 상기 생물반응조에서 처리된 처리수를 멤브레인 모듈에 통과시켜 배출하는 제4 단계를 포함하는 입상활성슬러지공법을 이용한 수처리방법을 제공한다.

Description

입상활성슬러지 공법을 이용한 수처리 장치 및 방법{Water treatment apparatus and method using granular membrane bio-reactor}

본 발명은 미생물의 자기공정화 특성을 이용한 입상활성슬러지에 멤브레인을 침적시켜 사용함으로써 종래의 부유미생물법에 멤브레인을 침적시켜 사용하는 방법의 최대단점인 멤브레인의 막힘현상을 방지한 입상활성슬러지공법을 이용한 수처리 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 하·폐수의 생물학적 처리시설로 범용화되어 있는 활성슬러지공법은 부유미생물을 이용하여 유기물을 산화하는 폭기조와 더불어 부유미생물과 처리수를 고·액 분리하는 2차침전지가 반드시 필요하다.

종래의 2차침전지 시설은 복잡한 기계장치와 수리학적 부하에 예민하고 슬러지 라이징(sludge rising)현상이 일어나는 등 다양한 문제가 발생되기 때문에, 최근에는 2차침전지 대용으로 폭기조에 멤브레인 여과막을 침적시켜 사용하는 활성슬러지공법(Membrane Bio-Reactor : MBR)이 개발되어 실용화 과정에 있다. 그러나, 부유미생물을 이용하고 직접폭기를 수행하는 종래의 활성슬러지공법에 멤브레인을 침적시켜 침전지 대용으로 운전할 경우, 활성슬러지 특유의 점착성과 활성슬러지의 미세입자에 의해 멤브레인의 극미세 기공이 막혀서 처리수 투과율은 시간이 지남에 따라 점차 감소하여 역세척(backwashing)을 자주 해 주어야 하고, 또 멤브레인의 막힘현상으로 소요동력이 많게 되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 부유미생물을 입상화시키고, 입상화된 슬러지를 분쇄하고 재입상화시켜 멤브레인을통과시킴으로서 부유미생물을 이용하는 종래의 활성슬러지 공법의 폭기조에 멤브레인 침적시 발생되는 막힘현상을 최소화하고, 고도의 처리수를 형성할 수 있도록 한 입상활성슬러지 공법을 이용한 수처리 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은, 생물반응조내에서 활성슬러지의 부유미생물을 입상화시켜 입상화미생물로 운전하도록 하여 입상활성슬러지의 침전성을 효과적으로 수행하여 생물처리 및 고액분리의 침전기능을 하나의 반응조에서 수행할 수 있도록 한 입상활성슬러지 공법을 이용한 수처리장치 및 방법을 제공함에 또 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 부유미생물 대신 부유미생물을 입상화시키고, 입상화된 미생물을 폭기과정에서 분쇄한 후 재입상화시키는 과정을 반복함으로서 침전성을 매우 탁월하게 하고, 또 탁월한 침전성으로 인하여 입상활성슬러지층 상부를 침전지로 사용할 수 있고, 입상활성슬러지층 상부에 멤브레인을 설치함으로서 미생물에 의한 막힘현상을 최소화 하여 역세척 주기를 길게할 수 있는 입상활성 슬러지 공법을 이용한 수처리장치 및 방법을 제공함에 또 다른 목적이 있다.

도1은 본 발명에 의한 입상활성슬러지 공법을 이용한 수처리장치의 일실시예 구성을 나타낸 개략도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1: 유입하수 2: 공기주입관

3: 간접폭기조 4: 공급라인

5: 유공관 6: 생물반응조

7: 수중교반기 8: 멤브레인 모듈

9: 반송라인 10: 처리수 배출라인

11: 월류웨어

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 외부로부터 유입되는 유입하수와 반송 입상슬러지 혼합액에 공기를 공급하는 폭기조; 상기 폭기조에서 용존산소가 풍부해진 폭기혼합액을 공급하도록 그 일측부에 다수의 분기관이 구비된 공급라인; 상기 공급라인을 통해 유입된 폭기혼합액에 포함된 부유활성슬러지간을 접촉시켜 입상화되도록 반응하며, 그 저부에 입상활성슬러지층이 형성된 생물반응조; 상기생물반응조에 설치되어 부유활성슬러지의 입상화가 원활히 이루어지도록 상기 부유활성슬러지간의 접촉을 극대화시키는 슬러지접촉매개수단; 상기 생물반응조에서 입상화된 입상슬러지 혼합액을 상기 폭기조로 반송하는 반송수단; 및 상기 생물반응조의 활성슬러지층 상부에 설치되어, 상기 생물반응조에서 처리된 처리수를 고도로 처리하기 위해 여과하는 멤브레인 모듈을 포함하는 입상활성슬러지공법을 이용한 수처리 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 간접폭기조에 공기를 공급하여 그에 유입되는 유입하수와 반송 입상슬러지 혼합액에 포함된 입상 슬러지를 분쇄하는 제1 단계; 상기 간접폭기조에서 용존산소가 풍부해진 폭기혼합액을 생물반응조에 공급하고, 상기 생물반응조내에서 부유활성슬러지간을 접촉시켜 입상화시키는 제2 단계; 상기 생물반응조에서 입상화된 입상슬러지 혼합액을 상기 간접폭기조로 반송하는 제3 단계; 및 상기 생물반응조에서 처리된 처리수를 멤브레인 모듈에 통과시켜 배출하는 제4 단계를 포함하는 입상활성슬러지공법을 이용한 수처리방법을 제공한다.

이하, 첨부된 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다,

본 발명에 의한 입상활성슬러지와 멤브레인을 이용한 수처리 장치 및 방법은 부유미생물을 입상화시키고, 입상화된 슬러지를 분쇄하여 재입상화시키므로서 멤브레인 침적시 발생되는 막힘현상을 최소화하고, 고도의 처리수를 형성할 수 있도록 구현한 것으로, 본 실시예에서는 도1에 도시한 바와 같이, 외부로부터 유입하수(1)와 반송 입상슬러지 혼합액을 유입받는 간접 폭기조(3)와, 상기 간접 폭기조(3)에 유입된 유입하수와 입상슬러지 혼합액에 용존산소가 풍부해지도록 상기 간접 폭기조(3)에 공기를 주입하는 공기주입관(2)과, 상기 간접 폭기조(3)의 하부에 그 일단부가 연결되고, 그 타측부에는 다수의 분기관이 구비된 폭기혼합액 공급라인(4)과, 상기 공급라인(4)의 분기관에 연결되며 그로부터 공급되는 폭기혼합액을 분출할 수 있도록 다수의 홀(5a)이 형성된 유공관(5)과, 상기 유공관(5)의 상부에 설치되어 그로부터 분출되는 간접 폭기혼합액의 수리력에 의해 부유활성슬러지간에 접촉을 극대화시켜 입상화가 이루어지도록 하며 하부면에 폭기혼합액으로부터 침적된 활성 슬러지층을 형성하는 생물반응조(6)와, 상기 생물반응조(6)의 내부에 설치되어 침적된 활성 슬러지를 교반시키기 위한 다수의 수중 교반기(7)와, 일단은 상기 생물반응조(6) 내에 위치되며 타단은 상기 간접폭기조(3)에 연결되어 생물반응조(6)에서 입상화된 슬러지 혼합액을 간접폭기조(3)로 반송시키기 위한 입상슬러지 혼합액 반송라인(9)과, 상기 생물반응조(6)의 활성 슬러지층 상부에 설치되어 상기 생물반응조(6)에서 처리된 처리수를 고도로 처리하기 위한 멤브레인 모듈(8)과, 상기 멤브레인 모듈(8)에 연결되어 그를 통과한 처리수를 외부로 방출하기 위한 처리수 배출라인(10)과, 상기 생물반응조(6)의 상부 외주면에 설치되어 그의 내부에서 처리된 처리수를 멤브레인 사용없이 그대로 방류하기 위한 월류웨어(11)로 구성된다.

여기서, 상기 입상슬러지 혼합액 반송라인(9)과, 멤브레인 모듈(8)에 연결된 처리수배출라인(10)에는 각각 펌프(P)가 설치되어 반송 및 배출을 위한 구동을 한다,

상기와 같이 구성된 본 발명의 수처리방법에 대하여 상세히 설명한다.

상기 공기주입관(2)을 통하여 상기 간접폭기조(3)에 공기를 공급함에 따라그에 유입되는 유입하수(1)와 생물반응조(6)로부터 반송라인(9)을 통해 반송되는 입상슬러지 혼합액(9)은 상기 간접폭기조(3)내의 공기의 와류에 의해 입상활성 슬러지가 분쇄되고, 용존산소농도를 약 9mg/l 정도의 과포화상태로 유지된다.

여기서, 입상활성슬러지를 분쇄하는 이유는 입상활성슬러지층(6)에서 슬러지가 계속적으로 체류시, 입상활성슬러지 내부가 혐기성이 되고, 이에따라 사상선 미생물이 성장하여 슬러지의 침전성이 나빠지는 것을 방지하기 위함이다.

그리고, 상기 간접폭기조(3)으로부터 용존산소가 풍부해진 유입하수 및 분쇄된 입상 슬러지를 포함하는 폭기혼합액은 공급라인(4)을 통해 유공관(5)으로 공급되고, 상기 유공관(5)에서는 생물반응조(6)측으로 폭기혼합액을 분출시켜 생물반응조(6)내에서 고르게 분배되도록 한다. 이에따라, 생물반응조(6)내에서 용존된 산소는 미생물에 제공되고, 상기 유공관(5)을 통하여 분출된 간접폭기혼합액(4)의 수리력과 수중 교반기(7)의 완속 교반력에 의해 활성슬러지가 유동화에 이용된다. 수리력의 유동화에 의해 미생물은 서로 접촉하게 되며, 미생물이 서로 접촉하게 되면 미생물에 함유된 점액이 입자간에 가교역할을 하여 서로 뭉쳐져서 부유성 또는 분쇄되었던 활성슬러지는 둥글둥글하게 입상화가 된다.

상기와 같이 생물반응조에서 입상화된 슬러지는 반송라인(9)상에 설치된 펌프(P)를 통하여 간접폭기조(3)로 반송되고, 상기 간접폭기조(3)에서는 전술한 바와같이 유입하수와 함께 분송된 입상활성슬러지를 공기의 와류로 분쇄하게 되는 것이다.

또한, 상기와 같은 간접폭기조(3)와 생물반응조에서 슬러지가 입상화되는 과정을 반복함으로서 처리된 처리수는 멤브레인 모듈(8)에 통과되면서 고도의 정수로 처리되고 처리수 배출라인상에 설치된 펌프(P)의 구동에 의해 외부로 배출되고, 또 멤브레인을 거치지 않은 처리수는 월류웨어(11)를 거쳐 외부로 방출된다.

상기한 바와 같이, 상기 간접폭기조(3)에 의해 생물반응조(6)에서 부유미생물이 입상화가 되면 입상화 미생물이 차지하는 용적은 직접폭기에 의한 부유미생물과 비교하여 약 1/3로 감소하며, 침전성이 탁월하여 입상화 미생물층 상부는 고액분리층으로 사용할 수 있다. 즉, 입상화 미생물공법을 사용하게 되면, 미생물이 차지하는 용적이 매우 작고, 입상 미생물층 상부에 멤브레인 여과막이 설치됨으로서 미생물 입자에 의한 영향을 거의 받지 않아 빈번한 역세척과정 없이도 멤브레인 운전을 장기간 할 수 있다는 것이다. 그리고, 본 발명의 입상활성 슬러지공법의 경우 입상활성 슬러지층 상부는 고액분리를 위한 침전지로서 사용이 가능하여 월류웨어(11)를 거친 후 그대로 방류할 수도 있고, 더 고도처리의 수질을 요구하는 경우에는 멤브레인 모듈(8)을 통과시켜 배출할 수 있는 것이다.

그러면, 본 발명이 적용된 예를 통하여 종래장치와 비교하면 다음과 같다.

(비교실시 예)

비교실시예는 본 발명의 공법인 입상활성슬러지를 외부의 간접폭기조(3)로 반송시켜 분쇄한 후, 입상활성슬러지 반응조로 재유입시키고 멤브레인 모듈(8)을 통과시켜 여과하는 방법(방법1)과, 입상활성슬러지를 상기 간접폭기조(3)로 반송하지 않고 유입하수(1)만 과폭기시킨 후, 멤브레인 모듈(8)을 통과시키는 방법(방법2)과, 그리고 종래의 부유미생물을 이용하는 활성슬러지 공법(방법3)에멤브레인 모듈(8)을 통과시켜 여과하는 공법과의 미생물 침전특성, 멤브레인의 역세척주기 그리고 처리효율을 알아보기 위하여 처리용량 10톤/일 규모의 파일롯 플랜트(pilot plant)를 운전하였다.

본 발명의 입상활성슬러지 공법에서 입상활성슬러지로의 산소공급방법은 간접폭기를 사용하였고, 부유미생물 활성슬러지 공법에서는 직접폭기를 하였으며, 각각의 생물반응조에서는 용존산소 농도를 약 3mg/ℓ를 유지시켰다. 사용된 멤브레인 모듈은 0.2㎛의 폴리설폰(polysulphone)재질의 중공사 정밀여과 멤브레인을 사용하였으며, 미생물농도는 약 3,000mg/ℓ를 유지시켰다. 유입수기준 폭기조의 F/M비는 0.4kg BOD/kg MLSS·d였다. 유공관은 구경 100mm 인 플라스틱에 직경5mm크기의 구멍 수백개를 내어 사용하였으며, 교반기의 회전 속도는 약 20rpm으로 운전하였다.

[표1]은 각각의 방법을 적용하여 미생물의 침전특성을 비교한 결과이며 상기 표에서 보듯이 부유미생물보다 입상활성슬러지가 그리고 단순 입상활성슬러지 보다는 입상활성슬러지를 외부의 간접폭기조에서 분쇄한 후 재입상화 시키는 본발명 방법이 침전이 매우 잘 된다는 것을 알 수 있다.

SVI : Sludge Volume Index(슬러지 단위 무게당 부피)

[표2]는 각 방법별 역세주기를 비교한 결과이며, 상기 표에서 볼수 있듯이 부유미생물법보다는 입상활성슬러지의 역세주기가 길고 단순 입상활성슬러지법 보다는 입상활성슬러지를 간접폭기조에서 분쇄시킨 후 입상화 반응조에서 재입상화 시키는 본발명 공법이 역세 주기가 매우 길다는 것을 알 수 있다. 이는 단순 입상화 방법은 [표1]에서와 같이 사상선 미생물의 출현으로 본발명 공법보다 침전성지수(SVI)가 커서 즉, 입상화 반응조에서 입상슬러지층 용적이 본 발명보다 커서 입상활성슬러지가 멤브레인에 부착되기 때문에 역세척 주기가 본 발명보다 짧은 것이다. 반면 본발명에서와 같이 입상활성슬러지를 분쇄한 후, 재입상화 시킨 경우는 침전성이 탁월하여 멤브레인에 입상슬러지가 부착됨이 없어서 세척주기가 단순입상화 슬러지보다 매우 긴 것이다.

[표3]은 방법1과 본발명공법인 방법3과의 유기물 및 인, 질소제거율을 비교한 것으로 유기물과 인의 제거율은 비슷하나 총질소 제거율은 입상활성슬러지가 매우 높으며, 이는 입상활성슬러지 내부는 질산성 질소를 질소가스로 환원시키기 위한 혐기성 조건이 조성되었기 때문이다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 부유미생물을 입상화시키고, 입상화 슬러지를 분쇄하여 재입상화한 후, 멤브레인 모듈을 통과시키는 공정을 적용함으로서 입상활성슬러지에는 미생물이 고밀도로 서식하고, 탁월한 침전성으로 생물반응조 용적은 부유미생물공법의 폭기조 용적의 1/3정도로 할 수 있다. 또한, 입상활성슬러지층 상부에 멤브레인을 설치하면 멤브레인 표면에 부유미생물 또는 입상슬러지가 부착되지 않으므로 미생물에 의한 막힘 현상을 최소화하여 역세척 주기를 매우 길게 할 수 있을 뿐만 아니라, 입상활성슬러지는 침전성이 매우 탁월하여 멤브레인을 설치하지 않을 경우에 별도의 침전지 설치없이도 월류웨어만으로 입상활성슬러지층 상부를 침전지로 사용할 수 있는 효과를 가진다.

Claims (7)

1. 외부로부터 유입되는 유입하수와 반송 입상슬러지 혼합액에 공기를 공급하는 폭기조;

   상기 폭기조에서 용존산소가 풍부해진 폭기혼합액을 공급하도록 그 일측부에 다수의 분기관이 구비된 공급라인;

   상기 공급라인을 통해 유입된 폭기혼합액에 포함된 부유활성슬러지간을 접촉시켜 입상화되도록 반응하며, 그 저부에 입상활성슬러지층이 형성된 생물반응조;

   상기 생물반응조에 설치되어 부유활성슬러지의 입상화가 원활히 이루어지도록 상기 부유활성슬러지간의 접촉을 극대화시키는 슬러지접촉매개수단;

   상기 생물반응조에서 입상화된 입상슬러지 혼합액을 상기 폭기조로 반송하는 반송수단; 및

   상기 생물반응조의 활성슬러지층 상부에 설치되어, 상기 생물반응조에서 처리된 처리수를 고도로 처리하기 위해 여과하는 멤브레인 모듈

   을 포함하는 입상활성슬러지공법을 이용한 수처리 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 슬러지접촉매개수단

   상기 생물반응조의 하부에 설치되며, 상기 공급라인의 분기관으로부터 공급되는 폭기혼합액을 분출할 수 있도록 다수의 홀이 형성된 유공관;

   상기 생물반응조의 내부에 설치되어 폭기혼합액으로부터 입상활성 슬러지를 교반시키기 위한 수중 교반기

   를 포함하는 입상활성슬러지공법을 이용한 수처리 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 반송수단은

   일측은 상기 생물반응조에 연결되며, 타측은 상기 폭기조에 연결된 반송라인과,

   상기 반송라인상에 설치된 펌프를 포함하는 입상활성슬러지 공법을 이용한 수처리장치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   입상화 생물반응조의 상부 외주면에 설치되어 그로부터 처리된 처리수를 방류시키기 위한 월류웨어를 더 포함하는 입상활성슬러지공법을 이용한 수처리장치.
5. 간접폭기조에 공기를 공급하여 그에 유입되는 유입하수와 반송 입상슬러지혼합액에 포함된 입상 슬러지를 분쇄하는 제1 단계;

   상기 간접폭기조에서 용존산소가 풍부해진 폭기혼합액을 생물반응조에 공급하고, 상기 생물반응조내에서 부유활성슬러지간을 접촉시켜 입상화시키는 제2 단계;

   상기 생물반응조에서 입상화된 입상슬러지 혼합액을 상기 간접폭기조로 반송하는 제3 단계; 및

   상기 생물반응조에서 처리된 처리수를 멤브레인 모듈에 통과시켜 배출하는 제4 단계

   를 포함하는 입상활성슬러지공법을 이용한 수처리방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 유공관을 통하여 분출된 간접폭기혼합액의 수리력과 수중 교반기의 교반력에 의해 생물반응조내에서 부유활성슬러지간의 접촉을 극대화시키는 제5 단계를 더 포함하는 입상활성슬러지공법을 이용한 수처리방법.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,

   상기 생물반응조에서 처리된 처리수를 월류웨이를 통하여 그대로 방류시키는 제6 단계를더 포함하는 입상활성슬러지공법을 이용한 수처리방법.