KR100390524B1 - 침지형 막분리 혐기성 소화용 폐수처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오ㆍ폐수가 저장되는 소화조와, 상기 소화조 내에 침지되고, 오ㆍ폐수에 포함된 슬러지와 부유물질이 소화조내에서 걸러지도록 형성된 분리막과, 일단은 상기 분리막의 내부와 통하도록 연결되고, 타단은 별도로 설치되는 집수조와 통하도록 연결된 투과수 배출관과, 상기 투과수 배출관의 라인상에 설치되어 상기 분리막의 오염상태를 측정하는 압력 게이지, 및 상기 분리막에서 걸러진 액상의 투과수를 집수조로 이송시키는 흡입펌프와, 일단은 상기 소화조 내에 저장된 오ㆍ폐수의 상면에 배치되고 타단은 별도의 배출관을 갖는 분류조와 통하도록 연결된 혼합물 배출관과, 일단은 상기 분류조와 통하도록 연결되고, 타단은 상기 소화조 내에 연결되어 상기 분리막 하부에 위치하는 가스공급관과, 상기 가스공급관 상에 설치되어 상기 분류조 내의 가스를 상기 분리막의 하부로 이송시켜 분리막을 진동시키기 위한 진공펌프을 포함하는 침지형 막분리 혐기성 소화용 폐수처리장치에 관한 것이다. 본 발명의 장치는 단시간 내에 유기물질의 처리가 가능하며, 시공상의 부지 면적이 적으며, 발생하는 가스의 순환에 의한 막의 자동 세정이 가능하므로 막의 내구성과 지속적인 투과력를 유지할 수 있을 뿐 아니라, 배출수에는 고형물이 전혀 함유되지 않기 때문에 고형물의 제거를 위한 부가적인 장치가 필요하지 않아 효과적이다.

Description

침지형 막분리 혐기성 소화용 폐수처리장치{Apparatus for treating wastewater by using submerged membrain saparation anaerobic digester}

본 발명은 침지형 막분리 혐기성 소화용 폐수처리장치에 관한 것으로, 좀 더 자세하게는 소화조 내에 분리막을 침지시켜 혐기성 세균이 고농도로 농축되도록 하여 오·폐수 처리를 처리하고, 분리막상에 형성되는 이물질을 용이하게 제거할 수 있는 침지형 막분리 혐기성 소화용 폐수처리장치에 관한 것이다.

기존에 사용되는 미생물을 이용한 하수 및 폐수 등의 처리 방법은 일반적으로 오·폐수를 자연 침강하여 미생물(슬러지)과 상장액을 분리하는 중력식 침전이기 때문에 침강속도가 매우 느리고 침전지의 면적이 커야 일정량 이상의 오·폐수를 고액 분리 및 처리할 수 있었다. 따라서, 소요 부지 면적이 크고 조건에 따라 고액 분리 효율이 불안정하며 반응조 내의 미생물을 고농도로 유지할 수 없는 단점이 있었다.

메탄 발효 등의 혐기성 소화의 경우 유기물 부하, 온도, 및 pH 등의 변화에 따라 그 효율이 변화되는데, 충분한 메탄발효를 위해서는 소화에 관여하는 세균이 충분히 존재하여야 한다. 그러나, 혐기성 세균은 1 세대가 매우 길며, 환경조건에 매우 민감하기 때문에 소화조의 유지관리가 쉽지 않으므로 유기 물질의 소화조 내 체류시간을 길게 유지하여야 하는 것이 큰 단점으로 지적되고 있다. 실제로 하수 종말 처리장에서 하수 슬러지를 혐기성 소화공정으로 처리할 경우 20일 이상의 체류시간을 유지하고 혐기성 세균의 활성을 유지하기 위한 관리가 필요하지만, 이러한 유지관리는 용이하지 않은 상황이다. 또한, 혐기성 소화공정은 처리 배출수 내에 혐기성 슬러지를 함유하기 때문에 소화 공정만 거친 후의 처리수의 배출은 수질을 오염시키게 된다. 따라서, 소화공정을 거친 후 하천으로의 배출을 위해서는 슬러지를 제거해주는 장치가 부가적으로 필요하다. 이에 한국 공개특허 제2000-27428호에서는 석회석층으로 포함하는 침전부와 미생물 고정화층을 포함하는 혐기성 반응기를 개시하고 있다.

한편, 호기성 반응조에 있어서, 종래의 고액분리 장치들은 대부분 분리막 (membrane)을 이용하여 슬러지와 상장액을 분리한다. 예를 들어, 일본 특허공고 평 제11-253942호에서는 이동식 분리막을 이용한 폐수처리공정을 개시하고 있고, 한국 공개특허 제2000-40751호에서는 분리막 공정을 이용한 축산폐수 처리방법을 개시하고 있다. 그러나, 호기성 반응조인 경우도 운전 경과일수가 증가하면서 막의 오염으로 극심한 폐쇄 현상이 발생하여 플럭스가 감소하여, 이를 해소하기 위하여 자주 약품으로 세정하거나, 심할 경우 멤브레인을 교체하여야 한다. 이같은 현상은 혼합액에 존재하는 Ca⁺², Mg⁺², CO₃ ^-2, SO₄ ^-2, 실리카, Fe⁺²등 용해성 무기물 및 휴믹산, 펄빅산, 다당류, 단백질, DNA, 항생물질, 스테로이드, 효소 등 생물 대사 성분에 의하여 더욱 가속화된다.

분리막을 이용한 고액분리 장치에는 침지형과 외치형이 있는데, 침지형에도 정밀여과기와 한외여과기가 있고, 외치형도 정밀여과기와 한외여과기가 있다. 침지형의 경우 폭기조 내에 여과기를 설치하여 진공 펌프를 이용해 투과 수량, 즉, 플럭스 (flux)를 형성시켜 고액을 분리하며, 외치형의 경우는 폭기조 밖에 여과기를 설치하여 폭기조에 혼합액을 고속으로 강제 순환시키는 동시에 진공 펌프를 이용해 플럭스를 형성시켜 고액분리를 한다. 이같은 종래의 방식중 외치형의 경우 폭기조에 혼합액을 고속으로 강제 순환시킴으로써 에너지 소비가 과다할 뿐 아니라 슬러지 플럭스가 파괴되어 미세화됨으로써 폭기조에서 오염물질의 제거 효율이 떨어지고 슬러지의 탈수시 탈수성이 약화되는 단점이 있다. 그러나, 혐기성 소화조에 있어서, 분리막을 이용하여 폐수를 처리한 예는 없는 실정이다.

결과적으로, 혐기성 소화시 넓은 부지면적, 장시간의 체류, 처리수 내 고형물의 제거를 위한 부가적인 시설의 필요, 및 막의 오염 등으로 인한 수명 단축으로 인한 경제적인 부담이 문제점으로 대두되고 있는 실정이다. 이러한 문제점으로 인하여 2상 혐기성 소화공정, UASB(upflow anaerobic sludge blanket), 유동상 혐기성반응조 등이 개발되어 실제 일부 처리장에서 가동되고 있지만, 그 결과는 만족스럽지 못한 실정이다.

이에, 본 발명자는 상술한 문제점을 해결하기 위해 광범위한 연구를 수행한 결과, 혐기성 소화조에 있어서, 분리막을 소화조 내에 침지시키고 생성되는 Bio가스를 사용하여 자동 막세정이 가능한 혐기성 소화 장치를 하·폐수, 축산 폐수 및 침출수 등의 처리에 사용할 경우 단시간 내에 유기물질의 분해와 고효율의 메탄생성이 가능함을 확인하였으며, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 소요 부지 면적이 적으며, 단시간 내에 효과적인오·폐수 처리와 고효율의 메탄생성이 가능하고, 막의 자동 세정이 가능하여 막의 내구성과 지속적인 투과력를 유지할 수 있을 뿐 아니라, 배출수내 고형물의 제거를 위해 부가적인 장치가 필요하지 않은 침지형 막분리 혐기성 소화용 폐수처리장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 침지형 막분리 혐기성 소화용 폐수처리장치는 오ㆍ폐수가 저장되는 소화조와, 상기 소화조 내에 침지되고, 오ㆍ폐수에 포함된 슬러지와 부유물질이 소화조내에서 걸러지도록 형성된 분리막과, 일단은 상기 분리막의 내부와 통하도록 연결되고, 타단은 별도로 설치되는 집수조와 통하도록 연결된 투과수 배출관과, 상기 투과수 배출관의 라인상에 설치되어 상기 분리막의 오염상태를 측정하는 압력 게이지, 및 상기 분리막에서 걸러진 액상의 투과수를 집수조로 이송시키는 흡입펌프와, 일단은 상기 소화조 내에 저장된 오ㆍ폐수의 상면에 배치되고 타단은 별도의 배출관을 갖는 분류조와 통하도록 연결된 혼합물 배출관과, 일단은 상기 분류조와 통하도록 연결되고, 타단은 상기 소화조 내에 연결되어 상기 분리막 하부에 위치하는 가스공급관과, 상기 가스공급관 상에 설치되어 상기 분류조 내의 가스를 상기 분리막의 하부로 이송시켜 분리막을 진동시키기 위한 진공펌프를 포함한다.

도 1은 본 발명에 따라 오·폐수의 처리를 위한 분리막이 침지된 혐기성 소화 장치를 개략적으로 나타낸 도면이고,

도 2는 본 발명에 따른 혐기성 소화 장치의 소화조 내에 침지되어 있는 분리막 및 막의 세정을 위한 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1: 집수조 2: 기질 탱크

3: 포집 탱크 4: 흡입 펌프

5: 펌프 6: 압력 게이지

7: 분류조 8: 진공 펌프

11: 외부 탱크 12: 수위조절센서

13: 가스측정센서 14: 포집관

15: 흡입관 16: 투과수 배출관

17: 폐수 및 가스 배출관 18: 가스공급관

19: 폐수 배출관 20: 소화조

30: 분리막

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따라 오·폐수의 처리를 위한 분리막이 침지된 혐기성 소화 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 오ㆍ폐수는 소화조(20) 내에 저장되고, 분리막(30)은 소화조(20) 내에 침지되어 오ㆍ폐수에 포함된 슬러지와 부유물질이 막의 소화조내에서 걸러지도록 위치된다. 투과수 배출관(16)의 일단은 상기 분리막(20)의 내부와 통하도록 연결되고, 타단은 별도로 설치되는 집수조(1)와 통하도록 연결된다. 흡입펌프(4)는 상기 투과수 배출관(16)의 라인상에 설치되어 상기 분리막(20)에서 걸러진 액상의 투과수를 집수조(1)로 이송시킨다. 혼합물 배출관(17)의 일단은 상기 소화조(20) 내에 저장된 오ㆍ폐수의 상면에 배치되고 타단은 별도의 배출관(19)을 갖는 분류조(7)와 통하도록 연결된다. 가스공급관(18)의 일단은 상기 분류조(7)와 통하도록 연결되고, 타단은 상기 소화조(20) 내에 연결되어 상기 분리막(30) 하부에 위치한다. 진공펌프(8)는 상기 가스공급관(18) 상에 설치되어 상기 분류조(7) 내의 가스를 상기 분리막(30)의 하부로 이송시켜 분리막(30)을 진동시키기 역할을 한다.

한편, 기질탱크(2)는 상기 소화조(20)와 별도로 설치되며, 오ㆍ폐수를 정화시키는 미생물의 영양원으로 사용되는 기질이 내장된다. 상기 소화조(20)와 기질탱크(2)는 공급관(15)을 통하여 서로 연결되며, 펌프(5)는 상기 공급관(15) 상에 설치되어 상기 기질탱크(2) 내의 기질을 상기 소화조(20)로 공급한다. 아울러, 포집탱크(3)는 상기 소화조(20)와 포집관(14)으로 연결되어 소화조(20)에서 발생되는 가스를 저장한다. 가스측정센서(13)는 상기 소화조(20)의 일측에 설치되어 소화조(20) 내에서 발생되는 가스의 성분을 측정하며, 수위조절센서(12)는 상기 소화조(20) 내의 상부 일측에 설치되어 소화조(20) 내의 수위량을 감지한다.

본 발명에 따르면, 기질은 기질탱크(2)에서 펌프(5)의 흡입력에 의해 공급관(15)을 통하여 소화조(20) 내로 유입되고, 발생되는 가스는 포집관(14)을 통하여 포집탱크(3)에 저장된다. 소화조(20) 내의 소화 혼합액과 일부 가스는 진공펌프(8)의 흡입력에 의하여 배출관(17)을 통하여 분류조(7)에 유입되고, 소화 혼합액은 배출관(19)을 통하여 외부 탱크(11)로 배출되며, 분류조(7)에서 분류된 가스는 진공펌프(8)에 의하여 가스공급관(18)을 통하여 5∼6 L/min의 송기량으로 소화조(20) 내로 유입된다. 소화조(20)내의 가스성분은 가스 샘플링 포트(도시하지 않음)에서 채취되어 가스측정센서(13)에서 측정되며, 소화조(20) 내의 수위조절은 수위조절센서(12)에 의하여 조절된다. 분리막(30) 투과수는 흡입 펌프(4)의 흡입력으로 배출관(16)을 통하여 집수조(1)로 배출되며, 분리막(30)의 오염은 압력게이지(6)를 통하여 알 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 혐기성 소화 장치의 소화조 내에 침지되어 있는 분리막 및 막의 세정을 위한 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다. 본 발명에 바람직한 분리막(20)은 중공사막 또는 평막이며, 소화조(20) 내의 처리수는 도 1의 흡입 펌프(4)의 흡입력에 의하여 분리막 내로 유입된다. 처리수의 슬러지와 부유물질 등의 고체물질은 분리막(30)에 의하여 효과적으로 제거되며, 고체물질이 제거된 액상의 투과수는 분리막(30)을 통하여 흡입 펌프(4)의 흡입력에 의해 배출관(16)을 통하여 집수조(1)로 배출된다.

분리막(30)의 오염을 가중시키는 물질이 막의 표면에 부착하는 것을 방지하기 위하여 도 1의 분류조(7)를 통하여 분리된 바이오(Bio) 가스(예를 들어, 수소,질소, 메탄, 이산화탄소 등을 함유)가 분리막의 하부로 배출되도록 설치하고, 배출된 가스가 분리막을 심하게 흔들리게 함으로써 막의 오염과 관계되는 물질 등이 막의 표면에 쉽게 부착되지 않도록 하여 분리막(30)의 효과가 장시간 유지되도록 한다.

결과적으로, 본 발명의 장치는 고농도의 유기성 물질이 포함된 오·폐수 등을 분리막을 침지한 혐기성 소화 공정으로 처리하는 것으로써, 분리막을 이용하여 소요 부지 면적을 감소시켰으며, 혐기성 세균을 소화조 내에 고농도로 농축되게 함으로써 산생성과정이 이루어지는 짧은 시간(1일 이내)에 고효율의 소화율과 다량의 메탄을 생성시켜 종래의 소화조에서 20일 이상의 소화시간에 따른 메탄생성과 동일한 소화율을 도모하고, 오염된 분리막은 발생되는 소화가스를 순환시켜 소화조 내에서 분리막의 세정이 이루어지도록 하여 분리막의 내구성과 투과력이 지속될 수 있도록 구성하였다. 또한, 부유물질을 거의 함유하지 않는 처리수를 얻을 수 있으므로 고형물의 제거를 위한 부가적인 장치가 필요하지 않다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 하기 예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

글루코스(Glucose)를 탄소원, NH₄HCO₃를 질소원으로 하며 미량의 중금속등의 영양물질을 혼합한 합성기질(탄수화물농도 10,050 mg/ℓ, COD농도 10,650 mg/ℓ)을 이용한 인공합성폐수를 도 1에 도시된 장치를 이용하여 수리학적체류시간(HRT,hydraulic retention time)은 0.5일, 유동속도(Flow rate)는 3.6 L, 환류(Flux)는 7.5 LMH(L/m²·h), 온도는 30℃의 조건으로 운전하였다. 소화조내에 침지한 분리막은 ID/OD 0.8/1.4mm, 기공크기(Poresize) 0.05∼0.06㎛, 표면적(Surface area) 0.01m²의 사양을 갖는 것을 이용하였다. 분리막의 역할과 효과를 검토하기 위하여 동일한 기질과 동일한 운전조건을 갖으며 분리막이 없는 소화조를 준비하여 비교실험을 하였다. 그 결과, 탄수화물의 제거율은 분리막이 있는 소화조는 투과수에서 약 99.5%정도이며, 분리막이 없는 소화조에서의 배출수는 약 84%를 나타냈다. 소화조내의 미생물농도로 나타낼 수 있는 MLVSS(Mixed liquor volatile suspended solids)는 분리막이 있는 소화조내에서는 약 9,500 mg/ℓ정도이며, 분리막이 없는 소화조에서는 약 1,950mg/ℓ정도를 나타냈다. 메탄가스의 발생량은 분리막이 있는 소화조와 없는 소화조에서 각각 약 51.3%, 0.4%정도를 나타냈다. 한편, 소화조내의 세균수를 측정한 결과 분리막이 있는 소화조와 분리막이 없는 소화조에서 산생성균(Acidogens)은 각각 5.1×10⁸MPN/㎖ 및 1.7×10⁹MPN/㎖정도로 계수되었으며, 수소이용성초산생성균(Homoacetogens)은 각각 8.0×10⁵MPN/㎖ 및 5.0×10⁷MPN/㎖정도로 계수되었다. 메탄생성세균으로서 초산이용성메탄생성균(Acetate-utilizing methanogens)은 각각 5.1×10⁴MPN/㎖ 및 2.3×10⁶MPN/㎖정도이며, 수소이용성메탄생성균(H₂-utilizing methanogens)은 각각 4.0×10³MPN/㎖, 1.3×10⁷MPN/㎖정도로 계수되었다. 이와같은 결과로서 분리막이 침지된 소화조내에서는 메탄생성세균을 포함한 혐기성세균이 고농도로 농축되어 산생성 과정이 진행되는 HRT 0.5일의 짧은 시간에서도 유기물이 제거되었으며, 특히 메탄의 발생량은 HRT 20일의 시간에서 발생되는 메탄함유량과 거의 동일하였다. 따라서, 혐기성 소화조내에 분리막을 침지하는 경우 혐기성 세균이 고농도로 농축되어 신속한 소화효율을 나타내고 있음이 검증되었다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 장치는 기존에 20일 이상의 체류 시간이 요구되던 메탄 발효과정을 1일 이내에 이루어지게 함으로써 단시간 내에 유기물질의 처리가 가능하며, 시공상의 부지 면적이 적으며, 오염된 분리막의 자동 세정이 가능하므로 분리막의 내구성과 지속적인 투과력를 유지할 수 있을 뿐 아니라, 배출수에는 고형물이 전혀 함유되지 않기 때문에 고형물의 제거를 위한 부가적인 장치가 필요하지 않아 효과적이다.

Claims (7)

1. 혐기성 소화용 폐수처리장치에 있어서,

   오ㆍ폐수가 저장되는 소화조와,

   상기 소화조 내에 침지되고, 오ㆍ폐수에 포함된 슬러지와 부유물질이 소화조내에서 걸러지도록 형성된 분리막과,

   일단은 상기 분리막의 내부와 통하도록 연결되고, 타단은 별도로 설치되는 집수조와 통하도록 연결된 투과수 배출관과,

   상기 투과수 배출관의 라인상에 설치되어 상기 분리막의 오염상태를 측정하는 압력 게이지, 및 상기 분리막에서 걸러진 액상의 투과수를 집수조로 이송시키는 흡입펌프와,

   일단은 상기 소화조 내에 저장된 오ㆍ폐수의 상면에 배치되고 타단은 별도의 배출관을 갖는 분류조와 통하도록 연결된 혼합물 배출관과,

   일단은 상기 분류조와 통하도록 연결되고, 타단은 상기 소화조 내에 연결되어 상기 분리막 하부에 위치하는 가스공급관과,

   상기 가스공급관 상에 설치되어 상기 분류조 내의 가스를 상기 분리막의 하부로 이송시켜 분리막을 진동시키기 위한 진공펌프을 포함하는 것을 특징으로 하는 침지형 막분리 혐기성 소화용 폐수처리장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 소화조와 별도로 설치되고, 오ㆍ폐수를 정화시키는 미생물의 영양원으로 사용되는 기질이 내장된 기질탱크와,

   상기 소화조와 기질탱크가 서로 통하도록 연결시키는 공급관과,

   상기 공급관 상에 설치되어 상기 기질탱크 내의 기질을 상기 소화조로 공급하기 위한 펌프로 이루어진 기질공급수단이 포함된 것을 특징으로 하는 침지형 막분리 혐기성 소화용 폐수처리장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 압력 게이지에 의해 판독된 분리막의 오염정도에 따라 가스공급관 상에 설치된 진공펌프에 의해 공급되는 가스의 양이 조절되는 것을 특징으로 하는 침지형 막분리 혐기성 소화용 폐수처리장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 소화조의 일측에 설치되어 소화조 내에서 발생되는 가스의 성분을 측정하는 가스측정센서가 포함된 것을 특징으로 하는 침지형 막분리 혐기성 소화용 폐수처리장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 소화조 내의 상부 일측에 설치되어 소화조 내의 수위량을 감지하는 수위조절센서가 포함된 것을 특징으로 하는 침지형 막분리 혐기성 소화용 폐수처리장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 분리막은 평막 및 중공사막인 것을 특징으로 하는 침지형 막분리 혐기성 소화용 폐수처리장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 분리막은 하부에 설치된 가스배출구에서 발생되는 가스에 의한 분리막의 흔들림에 의해 지속적으로 세정됨을 특징으로 하는 침지형 막분리 혐기성 소화용 폐수처리장치.