KR100414592B1 - 3상 다단 접촉폭기 정화장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오폐수와 분뇨를 미생물에 의해 정화하도록 하는 정화조의 폭기조에 미생물이 서식하기 좋은 환경을 조성하도록 하는 3상 다단 접촉폭기 정화장치에 관한 것이다.

본 발명은 중앙에 미생물을 저장하도록 하는 탈질화실을 형성하는 외주연으로 가로로 형성하는 가로 원통관과 연결되는 세로 연통관을 형성하고, 상기 탈질화실의 상,하로 중앙에 통공을 갖는 깔대기를 형성하는 마감재를 형성하여 접촉여재를 구성한 것이다.

이러한 접촉여재의 탈질화실에서는 무산소 영역으로 미생물에 의해 자기 소화 작용과 탈질 미생물 대사로 탈질과 유기물 처리가 이루어지게 된다.

그리고 가로 원통관과 세로 원통관에서는 호기성 영역으로 생물막 형성을 넓게 형성하여 유기물 처리와 질산화 효율을 상승시키도록 함으로서 접촉여재의 내부와 외부에서 탈질화와 질산화 공정을 신속하게 이루어지도록 한 것이다.

Description

3상 다단 접촉폭기 정화장치{The purifier three-form a multistage contact an amplifier}

본 발명은 오폐수와 분뇨를 미생물에 의해 정화하도록 하는 정화조의 폭기조에 미생물이 서식하기 좋은 환경을 조성하도록 하는 3상 다단 접촉폭기 정화장치에 관한 것이다.

일반적으로 오폐수와 분뇨를 정화하도록 하는 정화조는 미생물이 부착하여 서식하기 좋은 환경을 조성하기 위하여 폭기조 탱크 내에 섬유로 섬모형상으로 형성하거나 탱크내로 유입되어 흐르는 오폐수에 의해 미생물이 흘러가는 것을 방지하도록 미생물을 안착하는 판상의 접촉여재와 스폰지상의 접촉여재를 사용하고 있었다.

그러나 이와 같은 접촉여재는 유입되어 흐르는 오폐수의 흐름을 저지하도록 하여 미생물과의 접촉이 원활하도록 하고는 있으나, 미생물이 흐르는 오폐수에 일부가 휩쓸려 탱크 밖으로 유실될경우, 이로 인하여 장시간이 지나면 유입되는 오폐수를 정화시키기 위한 미생물이 적어 정화가 제대로 일어나지 않게 되는 일이 빈번하였다.

이와 같이 이루어지는 오폐수 및 분뇨를 정화하는 정화탱크에서 생물학적 유기물 제거는 호기성 미생물이 유산소 하에서 효소(enzyme)를 이용하여 폐수내의 유기원을 산화 분해하여 에너지를 얻고 이중 일부를 원형질로 형성한다.

이러한 과정이 주된 생물학적 처리 과정이고, 이를 화학 양론적으로 나타내면 C_XH_YO_Z+ (X + y/4 -z/2)O₂Enzyme → XCO₂+ y/2 H₂O - ΔH

(C_XH_YO_Z)_n+nNH₃+ n(X + y/4 - z/2 - 5) O₂Enzyme → (C₂+ H₇NO₂)_n+ n(X - 5) CO₂+ n/2(Y-4) H₂O ± ΔH로 표현된다.

이중 생성된 미생물은 다음과 같이 자산화 된다.

(C₆H₇O₂)_n+ 5nCO₂Enzyme → 5nCO₂+ 2nH₂O + nNH₃- ΔH로 나타낸다.

그리고 생물학적으로 제거하는 방법은 미생물의 세포합성과 미생물을 이용하여 질소를 산화/환원하여 최종적으로 가스상의 질소로 자연계에 배출하는 것으로 첫째로 세포합성에 의한 질소의 제거이다.

이는 미생물이 세포합성을 할 때에 세포구성 요소로 질소성분을 필요로 하게됨으로 세포 합성량에 따라서 질소가 제거되는 것이다.

하지만 세포합성은 한계가 있고 세포의 일반적인 화학식은 C₅H₇O₂N으로 표현되며 이중에서 미생물내의 질소 함량은 약 12.5%로 세포질 합성에 의한 질소의 제거로는 안정적인 처리수질을 얻는데 한계가 있다.

O.A.M Process의 질소 제거는 호기성 영역내 무산소 영역을 공존시킨 접촉여재를 이용하여 농도구배에 의한 질산화/탈질화의 반복 접촉과정을 통하여 가스상의 질소로 제거할 수 있는 반응조 구조로 구성된다.

첫째 : 접촉여재의 질산화/ 탈질화 원리는 액체의 물질전달 과정에서 그 속도는 농도 구배에 기인하며 이를 나타내는 액체의 대표적인 물질전달식은 다음과 같다.

N_A: 물질 A의 플러스(Kg · m/㎡ · s)

D_AB: 용매 B에서 A로의 확산계수(㎡/s)

C_A1, C_A2: A의 물질농도(Kg · mol/㎥)

Z₂- Z₁: 확산되는 거리(m)

용매 B의 A의 확산계수 D_AB는 정체되었을 때보다는 대류가 발생할 때 그 대류속도만큼 증가하게 되어 전체적인 전달속도 N_A는 보다 증가하게 된다.

또한 농도구배(C_A1- C_A2)가 클수록 전달속도 N_A는 증가한다.

물질전달의 이론적 근거로 호기성 영역의 유기물 및 질산성 질소는 무산소 영역으로 이동되며, 호기성 영역과 무산소 영역의 농도 구배가 클수록 물질전달 속도는 빨라지며, 농도구배는 평형에 도달하기 위해 지속적으로 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동되면서 질산화/탈질화가 단계적으로 반복 접촉과정을 통해 이루어지게 된다.

둘째 : 질산화(Nitrification)는 유입수내 질소의 성상은 대부분 유기성 질소와 암모니아성 질소 형태로 존재한다.

유기성 질소들은 가수분해를 통하여 대부분 암모니아성 질소로 전환되며 암모니아성 질소는 독립영양 미생물(Autotrophic bacteria, Nitrosomonas, Nitrobactor)에 의하여 아질산성 질소(NO₂- N)와 질산성 질소(NO₃- N)로 산화되어 지는 것으로 알려져 있다.

이를 식으로 표현하면

종.합하여 표현하면

NH₄ ⁺+ 1.83 O₂+ 1.98 HCO₃ ^-→

0.98 NO₃ ^-+ 0.021 C₂H₇NO₂+ 1.88 H₂CO₃+ 1.04 H₂O가 된다.

따라서 질산화 반응을 통하여 소모되는 산소량은 4.6gO₂/gNH₃- N이고 발생되는 세포량은 질산화 미생물 기준으로 0.1gVSS/gNH₃- N, 소모되는 Alkalinity는 7.14g/gNH₃- N으로 무기탄소는 0.08g이 소모되고 0.15g의 새로운 세포가 합성된다.

또한 Nitrosomonas의 생성속도는 0.05 ∼ 0.29gVSS/gNH₃- N이고 Nitrobactor의 생성계수는 0.02 ~ 0.08gVSS/gNO₂- N으로 매우 느리다.

부착성장 공정의 질산화는 유입수의 TBOD/TKN 비와 여재의 재질, 비표면적, 수리학적 부하등에 영향을 받으며 여재 표면에 형성된 생물막의 양과 산소 농도구배, 산소 이용율, 기질 이용율 그리고 유입수 고형물이 생물막에 부착되어 생물막층에서의 국지적인 혐기화 현상 등이 주요 영향인자로서 작용하게 된다.

또한 이러한 질산화 미생물들은 생장속도가 느려 부유성장 공법으로 운영중인 기존 처리장에서는 일정기간 이상을 질산화조 체류시간으로 할당하여야 하는 한계가 있다.

셋째 : 탈질화의 생화학적 반응 경로는 혐기성이 아닌 단순히 호기성 반응 경로가 약간 변형된 형태를 띠고 있다.

미생물도 호기성 미생물 중에서 산소대신 질산 또는 아질산을 최종 전자 수용체로 사용할 수 있는 전자 전달체계를 가진 미생물이면 탈질화를 수용할 수 있다.

이때 관여하는 미생물로는 Pseudomonas, Micrococus, Spirillum, Alcaligenes등에 의해 탈질화 반응이 수행된다.

이러한 반응에는 전자 수용체가 관여하게 되는데 주요 전자 수용체로는 유기탄소원(Carbon Source : Carbonaceous matter, Methanol)이 사용된다.

6NO₃ ^-+ 5CH₃OH → 3N₂+ 5CO₂+ 7H₂O + 6OH^-

내생 탈질 상태에서 탈질반응식은

2NO₂- N + 6H⁺(수소공여체) → N₂↑ + 2H₂O + 2OH^-

2NO₃- N + 10H⁺(수소공여체) → N₂↑ + 4H₂O + 2OH^-

여기에 세포의 합성을 고려하면

NO₃ ^-+ 1.8 CH₃OH + 0.24 H₂CO₃→

0.06 C₅H₇NO₂+ 0.47 N₂+ 1.68 H₂O + HCO₃ ^-로서 1G의 질산성 질소가 탈질화 반응시 2.47G의 Methanol(약 3.7g의 COD)이 소모되며, 0.45g의 세포질이 형성되고 3.57g의 알카리도(Alkalinity)가 발생된다.

그러므로 미생물을 이용하여 질소를 산화 및 환원하여 정화탱크내로 투입되는 오폐수와 분뇨를 정화시킴에 있어 산소를 이용하는 호기성 영역에서 질산화 작용을 하고, 무산소 영역에서 탈질화 작용을 연속 반복하여 정화를 시킴으로 단시간에 바른 정화를 할 수 있게 되는 것이다.

그러나 호기성 영역은 일반적으로 실시하고 있으나 무산소 영역은 별도로 설치하여야만 함으로 정화탱크의 부피가 커지게 되고, 이로 인하여 정화탱크의 제작함에 있어 많은 시간과 제작비용이 소모되며, 대용량으로 제작을 하여야만 함으로 운반 및 설치할 때에 다루기가 매우 불편한 등의 문제점이 있었다.

본 발명은 기존의 정화탱크인 폭기조 내에 미생물이 서식하기 좋은 조건을 조성하는 접촉여재를 호기성 영역과 무산소 영역을 갖도록 하여 정화탱크의 부피를 작게 형성하는데 있고, 정화 탱크의 부피를 다루기 편리하도록 제작할 수 있도록 함으로 설치가 용이하도록 하기 위한 것이다.

도 1 은 본 발명의 외형을 나타내는 사시도.

도 2 는 도 1 의 A - A선 종단면도.

[도면중 주요 부분에 대한 부호의 설명]

1) 접촉여재 2)3) 마감재 11) 탈질화실 12) 세로 원통관

13) 가로 원통관 21)31) 깔대기 22)32) 통공 23) 수용성 제라틴

중앙에 무산소 영역과 그외주연으로 호기성 영역을 형성하며, 상기 무산소 영역의 상,하부분에 통공을 갖는 마감재(2)(3)를 형성하여 이루어진다.

즉 중앙에 상,하로 관통하는 무산소 영역인 탈질화실(11)을 형성하고, 상기 탈질화실(11)의 외주연으로 세로로 형성하는 호기성 영역인 다수개의 가로 원통관(13)과 관통하여 연결되는 세로 원통관(13)을 형성한다.

중앙에 통공(22)(32)이 구성된 깔대기(21)(31)를 형성하는 마감재(2)(3)를 구성하여 상기 탈질화실(11)의 상부와 하부에 각각 깔대기(21)(31)의 중간 부분이 상부와 하부로 향하도록 견고하게 결합고정하여 이루어진다.

상기 마감재(3)의 하부통공에(32) 각각 수용성 제라틴(23)으로 마감처리하고, 탈질화실(11)의 내부에 미생물을 충진시켜 접촉여재(1)를 구성한다.

이와 같이 구성하는 본 발명인 접촉여재(1)는 외형의 치수가 W187mm X L200mm X H214mm로 탈질화실(11)을 제외한 세로 원통관(12)과 가로 원통관(13)의 표면 공극률은 80% 이상, 표면적 1.2㎡/EA, 중량 800g을 유지하도록 하여 호기성 영역이 이루어지도록 함이 바람직하고, 상,하부에 형성하는 마감재(2)(3)의 통공(22)(32)은 Ø13mm를 형성한 이외에는 접촉여재(1)의 외측과는 차단되도록 형성하여 무산소 영역이 이루어지도록 구성한다.

이와 같이 구성하는 본 발명을 도시한 도면을 보면서 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 2 에 도시한 바와 같이 중앙에 상,하로 관통하는 탈질화실(11)을 형성하고, 상기 탈질화실(11)의 외주연으로 세로로 형성하는 세로 원통관(12)을 형성한다.

상기 세로 원통관(12)과 관통하여 연결되는 가로 원통관(13)을 다수개 형성한다.

중앙에 통공(22,32)이 구성된 깔대기(21,31)를 형성하는 마감재(2,3)를 구성하여 상기 탈질화실(11)의 상부와 하부에 각각 깔대기(21,31)의 중간 부분인 통공(22,32)이 상부와 하부로 향하도록 견고하게 결합 고정하여 이루어진다.

상기 마감재(3)의 하부통공(32)에 수용성 제라틴(23)으로 마감처리하고, 탈질화실(11)의 내부에 미생물(4)을 충진시켜 접촉여재(1)를 구성한다.

이와 같이 구성하는 본 발명의 작용을 보면 다음과 같다.

본 발명인 접촉여재(1)는 탈질화실(11)에 미생물(4)제재를 적층하고, 마감재(3)의 하부통공(32)을 수용성 제라틴(23)으로 밀봉하게 됨으로 산화 및 분해를 촉진시키는 미생물을 내재한 접촉여재(1)의 운반 및 보관이 용이하게 된다.

이와 같이 미생물을 내재한 접촉여재(1)를 정화탱크인 폭기조의 용적에 약 60%를 적층한 상태에서 정화조 내로 오폐수와 분뇨를 투입시키면 오폐수에 함유하고 있는 수분에 의해 마감재(3)의 하부통공(32)를 밀봉한 수용성 제라틴(23)이 녹아서 하부통공(32)을 개방하게 된다.

이때에 수용성 제라틴(23)은 오수가 유입되어 수용성 제라틴(23)에 접촉됨에 따라 완전히 녹는 시간이 약 3일이 경과하여야만 완전히 용해되기 때문에 미생물(4)이 접촉여재(1)의 밖으로 용출되는 시간이 정화탱크가 정상 가동하게 되는 시간과 일치하게 됨으로서 단시간내에 정화기능을 할 수 있게 된다.

그러므로 접촉여재(1)의 외주연인 세로 원통관(12)과 가로 원통관(13)에서 미생물이 접촉하여 서식을 하면서 조기미생물막의 형성으로 유입되는 유기물을 외부에서 공급되는 공기와 함께 접촉하여 유기물 산화와 질산화가 이루어지게 되고, 외부로부터 공급되는 산소와는 차단되어 있는 무산소 영역인 탈질화실(11)에서는 탈질화 작용에 의해 유기물 분해가 이루어지게 되며, 탈질화 작용에 의해 발생하게 되는 N₂가스가 상부에 형성되어 있는 통공(22)을 통하여 방출됨과 동시에 슬러지의 발생량이 적게 이루어지게 된다.

그리고 접촉여재(1)의 하부로 고정 형성하는 마감재(3)의 통공(32)을 통하여 탈질화실(11)에서 산화 및 분해하고 남은 슬러지가 밖으로 배출된다.

이와 같이 접촉여재(1)의 외주연인 호기성 영역에서는 세로 원통관(12)과 가로 원통관(13)에 서식하는 미생물에 의해 유기물을 산화 및 분해하는 질산화가 이루어지게 되고, 탈질화실(11)인 무산소 영역에서는 질소( N₂)가스를 제거하는 탈질화가 동시에 이루어지게 된다.

그러므로 질소( N₂)가스를 제거하기 위한 무산소조를 별도로 형성하지 않게 됨으로 정화탱크를 작게 형성하여도 정화 효율이 높은 정화탱크를 형성할 수 있게 된다.

즉 접촉여재(1)의 호기성 영역인 세로 원통관(12)과 가로 원통관(13)에서의 질산화는 부착성이 좋은 미생물들이 접촉여재(1)의 세로 원통관(12)과 가로 원통관(13)에 부착되고, 이로 인하여 질산화조의 체류시간을 단축하여도 양호한 질산화율을 확보할 수 있어 접촉여재(1)에 증식속도가 느린 질산화균(Nitrosomonas, Nitrobactor)을 다량 고정화시켜 질산화 효율을 높이게 된다.

이 외에도 질산화에 영향을 미치는 인자로는 pH, DO, 수온(Temperature, ℃), SRT, 독성 물질이 있으며 이러한 영향인자들에 대한 내성도 강하게 된다.

접촉여재(1)의 무산소 영역인 탈질화실(11)에서는 무산소·호기공존 접촉여재(1)의 무산소 영역에서는 호기성 영역에서 질화 반응에 의해 생성된 질산염이 농도구배에 의해 물질 이동이 되어 탈질균의 질산호흡, 아질산 호흡을 통해 N₂O, NO 등의 형태로 환원되어 대기중으로 방출되는 탈질화(Denitrification)반응이 일어나게 된다.

그러므로 호기성 영역인 세로 원통관(12)과 가로 원통관(13)에서는 질화반응이 일어나게 되고, 무산소 영역인 탈질화실(11)에서는 탈질화 반응이 연속 반복적으로 일어나게 되어 정화탱크내로 투입되는 오폐수와 분뇨를 산화 및 분해가 용이하게 이루어지게 되며, 별도의 무산소 탱크를 형성하지 않게 됨으로 정화탱크를 크게 형성하지 않아도 된다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 일 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명으로부터, 본 발명의 사상 및 영역에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변경한 것도 본 발명에 속함은 당연하다.

이와 같이 구성하여 작용하는 본 발명인 호기성 영역과 무산소 영역를 함께 구비하는 접촉여재를 형성함으로서 정화탱크내에 별도의 무산소 영역을 형성하지 않아도 되고, 이로 인하여 정화탱크를 필요 이상으로 크게 형성하지 않음으로 다루기가 편리하며, 탈질화실의 상,하부의 통공을 막는 마감재의 깔대기를 각각 외측으로 향하도록 함으로 탈질화실에서 발생하는 질소의 방출을 용이하게 하고, 미세하게 생기게 되는 슬러지를 하부로 배출되도록 함으로서 탈질화실의 영역을 항상 질산반응이 최적으로 이루어지게 할 수 있는 매우 우수한 발명인 것이다.

Claims (4)

1. 정정

   정화탱크의 폭기조내에 투입되어 미생물의 서식을 용이하게 하는 접촉여재를 구성함에 있어서, 내부에 미생물 제재를 적층한 무산소영역인 탈질화실(11)을 구비하고, 이를 수용성 젤라틴(23)으로 마감재(2)(3)를 밀봉하는 구성으로 인해 시간이 경과하면 용해되도록 함을 특징으로하는 3상다단 접촉폭기 정화장치.
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