KR100479411B1

KR100479411B1 - 혐기성 회전식 반응조

Info

Publication number: KR100479411B1
Application number: KR10-2002-0044373A
Authority: KR
Inventors: 강선홍; 박석균
Original assignee: 박석균; 강선홍
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2005-03-30
Also published as: KR20040009980A

Abstract

본 발명은 유입부, 제 1 영역, 제 2 영역, 회전축, 배플, 가스-슬러지 분리장치(GSS, gas-solids separator)의 6개 부위로 구성되어 고농도 유기물폐수를 처리하기는 상향류식 혐기성 반응기에 관한 것으로, 유기물제거에 탁월한 제거율을 보이는 미생물의 결합체로 이루어진 입상슬러지가 반응조 내부에서 자연 발생될 수 있도록 반응조 하부에 유입수를 주입하고 상부에서 처리수를 배출하는 연속 상향유입식 운전방식과; 반응조내에서 발생된 입상슬러지가 미쳐 분해되지 못하고 반응조 하부에 축적된 유입수내의 고형물 및 난분해성물질들에 의해 유출되는 것을 방지시키고, 유입수와 미생물의 접촉을 높이며, 반응조내의 channeling현상을 막는 배플과; 유입수를 고르게 분산시킴으로써 반응조내의 슬러지층에 단회로 및 channeling현상이 발생되는 것을 방지시키고, 유입수와 미생물의 접촉효율을 증대시키기 위해 상부로 향하는 여러 개의 작은 구멍이 설치된 유입부와 ; 반응조내의 혐기성 소화에 의해 발생되는 메탄, 이산화탄소와 같은 가스물질과 유체 및 가스의 흐름을 따라 상부로 부상되는 입상슬러지를 반응조 상부에서 분리시켜서 가스상물질은 포집후 에너지원으로 이용함과 동시에 입상슬러지의 유출을 막음으로써 반응조내의 미생물의 함량을 높게 유지시키는 가스-슬러지 분리장치을 포함하여 이루어짐이 특징이며;

이와 같은 본 발명은 고농도 하 · 폐수 처리시 유입되는 고형물 및 난분해성물질들이 반응조의 하부에 퇴적되어 발생되는 channeling현상과 미생물 유출, 불활성물질에 의한 미생물의 악영향, 유기물과 미생물의 접촉한계에 기인한 미생물활성저하 등을 방지하고 유입 하 · 폐수가 미생물에 의해 높은 효율로 제거될 수 있도록 미생물층의 안정적인 층상배열구조를 항상 유지시킨다.

Description

혐기성 회전식 반응조 {Anaerobic Rotary Reactor}

현재 우리 나라에는 고농도폐수 정화를 위한 체계적인 연구와 고찰이 미비하며 종래의 폐수처리 설비와 같이 폐수중의 오탁물질을 분해 제거하기만 하고 그로 인해 동력과 에너지를 단순히 소비할 뿐만 아니라 다량의 잉여슬러지를 발생시키는 호기성 생물학적 처리에 의존하고 있다. 이러한 관점에서 혐기성 미생물을 이용하는 혐기성 생물 처리법은 폭기동력이 불필요하여 에너지 절감효과와 부산물로서 발생하는 메탄가스의 이용이 유효하다는 점으로부터 많은 연구가 진행되어 왔으나 폐수내의 용존산소를 전자수용체로 사용하는 호기성 미생물에 비해 유기탄소내의 탄소를 전자로 이용하기 때문에 미생물의 성장속도가 매우 느리고 생육활동의 조건이 제한되기 때문에 현장적용에 어려움을 겪고 있는 실정이다.

혐기성 소화는 몇 그룹의 혐기성 미생물을 이용하여 폐수의 유기물질을 단계적으로 분해하여 최종 생성물로 메탄과 CO₂의 가스를 발생하는 생물학적 폐수처리 방법이다. 혐기성 미생물에 의한 유기물질의 대사반응은 대략 3단계를 거쳐서 메탄이 생성된다. 제1단계는 산발효균에 의하여 생성된 세포외 효소에 의하여 고분자 유기물질이 저분자 유기물로 가수분해된 후 산발효균에 흡수, 발효되어 아세트산, 휘발산 혹은 에탄올, CO₂(HCO₃ ), 그리고 H₂로 분해된다. 제2단계는 생성된 휘발산 혹은 에탄올이 수소발생 아세트산 형성균에 의하여 아세트산과 H₂를 생성한다. 또한, 생성된 H₂와 CO₂는 수소이용 아세트산 생성균에 의하여 아세트산이 생성된다. 마지막 단계에서 H₂는 CO₂ 환원성 메탄 생성균에 의하여 메탄이 발생되며 메탄발효에 가장 중요한 중간 대사물질인 아세트산은 아세트산 이용 메탄 생성균에 의하여 메탄이 발생된다.

상기와 같은 특징을 가지고 있는 혐기성소화는 고농도 유기물 부하량에 대해서도 안정적으로 운영되고 미생물에 의해 유기물이 메탄 및 이산화탄소로 완전히 분해되어 호기공정처럼 별도의 산소공급장치가 필요 없다. 또한 최종적으로 발생하는 슬러지량이 호기성 처리공정에 비해 5 - 10%에 지나지 않으므로 2차 오염이 최소화되며 슬러지 처리부담도 적다.

그러나 재래식 혐기성 처리방법은 상기에서 언급된 바와 같이 혐기성 미생물의 증식속도가 느리므로 반응조의 용량증대로 부지면적이 많이 소요되며 초기 시설투자비가 많이 드는 단점이 있다. 따라서 COD 농도가 1000mg/L보다 클 경우에는 호기성 처리와 효율이 비슷하여 그 공정적용은 현장여건과 처리목적에 따라 선택적이나 COD농도가 4000mg/L을 초과하는 경우에는 일반적으로 혐기성처리가 선택되고 있다.

최근에는 상기 혐기성 처리방법의 단점을 보안하기 위해 수리학적 체류시간과는 무관하게 미생물을 고농도로 고정시킴으로서 처리 효율을 극대화 할 수 있는 고율 혐기성 처리공법 등 이 개발되었다. . 고효율 반응기들의 예로는 UAFR(Upflow Anaerobic Filter Reactor), AEB(Anaerobic Expanded Bed),AFBR(Anaerobic Fluidized Bed Reactor), UASB(Upflow Anaerobic Sludge Blanket)등이 있으며 이들은 적용 및 실용화 단계에 있다.

그러나 상기의 고율 혐기성 공정들은 기존 재래식 혐기성공정의 일부 단점들을 극복하여 처리시간과 처리효율을 향상시켰지만 몇 가지 현장적용의 문제점들이 발생되었다. 고율혐기성 공정들은 액상폐수처리에는 접합한 반면 TS 함량이 1%를 넘는 고체상 폐수처리에는 혐기성 생물막 형성이 어려워 처리에 어려움을 격고 있다. 특히 UASB반응조의 경우는 TS함량뿐만 아니라 암모니아함량이 높을 경우에는 반응조내에 입상슬러지를 얻기가 어렵다. 따라서 이들 고효율 반응기는 많은 장점에도 불구하고 국한된 곳에서만 사용이 가능한 현실이다. 아래 표는 여러 반응기에 적용되는 최대 TS함량을 보여준다. 또한 현장적용을 위해서는 여재나 미생물의 식종이 필요하며 불활성물질이 미처 분해되지 못할 경우에는 고형물들이 반응조에 축적되어 운전에 문제를 일으킬 수 있다.

상기 고율혐기성 반응조중에서 본 발명과 가장 유사함을 보이는 UASB와 같은 상향류 혐기성반응조의 구조적 특성은 다음과 같다.

UASB반응조는 반응조내에 접촉재, 충진재, 유동입자 등의 생물막 부착 담채를 사용하지 않고 미생물의 자기조립작용에 의해 침강성이 뛰어난 입상슬러지(granule)를 형성시켜 고농도의 미생물을 반응조내에 유지시키는 일종의 자기고정화방식의 메탄발효 반응조이다. 그 결과 혐기성 미생물이 높은 활성도를 유지하여 고농도 유기성 폐수뿐만 아니라 비교적 저농도의 유기물이 함유한 폐수까지도 짧은 체류시간에 처리하여 경제적 운영이 가능하게 되었다. 특히 슬러지 충격부하에 안정적인 것으로 알려져 있다. 현재는 55 - 70℃의 고온발효법을 이용한 UASB시스템도 개발되었고 고효율 혐기성 처리법 중 실용화가 가장 많이 진전되었다. UASB반응조는 유입부, 슬러지 베드층(sludge bed), 슬러지 블랭킷층(,sludgeblanket), 가스-슬러지 분리장치(GSS, gas-solids separator)의 4개 부위로 구성되어있다. 구비해야할 요건으로는 폐수의 유입형태는 상향류일 것, 반응조 상승에 GSS장치를 갖추고 있을 것, 반응조 하부에 유입수의 균일한 분배 및 생성가스에 의한 슬러지의 완만한 교반등 4가지 뿐이라 매우 간단한 반응조의 형태이다. 폐수의 종류, 운전조건, 배양환경조건에 따라 달라지지만 대개 정상적으로 운전되고 있는 UASB반응조에는 직경 1- 3mm정도의 입상 혐기성 슬러지가 50 - 100gTS/L정도의 고농도로 유지된다. 슬러지 베드층 상부의 슬러지 블랭킷층에서는 생성가스에 부착되거나 생성가스를 함유한 슬러지 입자가 슬러지 베드층을 이탈되어 상승한다, 이때 상승한 슬러지는 가스-기체분리장치(GSS)에 의해 생성가스와 슬러지로 분리된다. 가스와 분리된 슬러지는 중력으로 인해 다시 침강하여 슬리지 베드층으로 순환 반송된다. UASB 반응조내에 축적된 슬러지의 처리효율을 높이기 위해서는 슬러지 배드층내에 단락류(channelling)을 가능한 방지하여 폐수와 미생물의 접촉효율을 높여야 한다. 단락류의 위험성은 생성가스에 의한 교반효과가 작기 때문이며 초기운전의 저부하 운전 시 중요하다.

그리고 UASB반응조는 내부기작에 의해 층으로 구분되어 설명 될 수 있는데 일반적으로 sludge bed층, sludge banket층 및 생물학적 반응이 일어나지 않는 층으로 구분한다. sludge bed층에서는 propionate, acetate 등의 지방산과 organic N이 최고로 유지되며 용해성 COD는 유입수의 반정도로 줄어들고 용해성 암모니아, 알칼리도, pH는 최소로 줄어든다. 그리고 sludge banket층에서는 지방산은 줄어들고 용해성 COD와 organic N은 최소가 되며 용해성 암모니아 농도는 일정하게 된다. 또한 알칼리도는 유입수와 비슷한 값으로 증가하며 pH도는 증가한다. 상기와 같은 층 분리를 미생물의 활성도로 구분하여 설명되기도 하는데 그 구분방식과 반응기작은 아래 표와 같다.

반응조내에 미생물을 고농도로 유지할 수 있게 함으로서 10∼20 kgCOD/m³ · d의 높은 유기물부하와 1∼2일의 짧은 수리학적체류시간으로도 유기물질을 효율적으로 유기물질을 분해할 수 있는 UASB는 상기에서 언급된 구조적 특징 및 입상슬러지의 자연적 생성에 따라 아래와 같은 많은 장점과 단점을 가지고 있고 현재 일부 폐수에 한해서 실규모 플랜트로 설치 운영되고 있다.

〈장점〉

- 고농도의 생물을 유지하여 높은 용적부하를 허용할 수 있다. 즉 수리학적 체류시간 (HRT)를 짧게 할 수 있다.

- 장치구조가 간단하고 교반, 슬러지 반송 등의 인위적 설계가 불필요하고 건설비가 저렴하며 유지관리도 용이하다

- 혐기성 고정상 처리방법과는 달리 미생물 유지에 고가의 충진재가 필요 없으며 충진재에 의한 반응조 유효 용량의 손실도 없다.

- 수질, 수량에 대한 충격에 강하다. 장기간 유입기질 없이도 입상슬러지의 활성에 큰 변화가 없다. 즉 기질공급이 정지되면 입상슬러지내의 메탄생성균도 자기분해되면서 메탄생성활동도 저하되나 입상슬러지의 구조는 그대로 유지되기 때문에 기질 공급이 재개되면 입상슬러지내에 확보되어 있던 메탄생성균이 입상슬러지내에 신속하게 증식, 축적되어 입상슬러지가 빠르게 재생하기 때문이다.

〈단점〉

- 초기운전(start-up)시 운전방법이 어렵고 적응에 필요한 시간이 길게 소요된다. 이에 대한 대책으로는 소량의 입상슬러지를 식종하여 초기운전기간을 단축할 수도 있다.

- 부유 물질, 단백질, 지질성분이 많은 폐수는 슬러지의 입상화가 일어나기 어렵다. 특히 고형물의 농도가 높은 경우는 입상화가 현격히 저해된다. 이는 고형물이 많은 폐수의 경우는 고형물에 슬러지가 부착되어 함께 유출될 가능성이 높기 때문이다. 고형물과 함께 슬러지가 유출된다면 수리학적 체류시간(HRT)과 슬러지 체류시간(SRT)을 효과적으로 분리할 수 없다.

- 슬러지베드 층 부분에 가스생성과 불안전혼합이 발생 시 단락류가 형성되어 유기물이 충분히 처리되지 못한다.

본 발명은 상기에서와 같은 UASB의 장점을 유지하고, 축산폐수, 도축장폐수, 하수폐수와 같이 높은 TS를 함유하는 폐수 주입시 슬러지층 부상에 의한 미생물의 유출되는 단점을 극복함으로써 폭넓게 현장에 적용하는데 목적이 있다.

우리 나라에서 발생하는 하 · 폐수 중 도축장폐수, 축산폐수, 산업폐수의 양은 생활 하수에 비해 작지만 유기물 농도가 높아 수질에 심각한 문제를 일으킬 수 있으므로 적절한 관리와 처리가 필요하다. 이런 종류의 고농도의 폐수를 혐기성 공정을 이용하여 처리하기엔 긴 처리 시간이 요구되었다. 그러나 근래에는 미생물 체류시간을 수리학적 체류시간과 별도로 길게 유지함으로써 처리시간을 단축할 수 있는 고효율 혐기성 반응조에 관한 연구가 활발히 진행되어 실용화 단계에 있지만 높은 고형물을 함유한 폐수에는 적용이 어려운 실정이다. 이들 반응조의 하부에 침전된 고형물들이 미생물의 유출을 일으키기 때문이다.

본 발명은 유입부, 제 1 영역, 제 2 영역, 회전축, 배플, 가스-슬러지 분리장치(GSS, gas-solids separator)의 6개 부위로 구성되었으며, 연속으로 반응조 하부에 유입수를 주입하고 상부에서 처리수를 배출하는 연속 상향유입식 방법으로 운전됨으로서 반응조내부에는 유기물제거에 탁월한 제거율을 보이는 미생물 결합체로 이루어진 입상슬러지가 자연 발생되므로 고농도의 유기물을 함유한 폐수처리에서도 높은 제거율을 얻을 수 있다.

또한 본 발명은 회전축에 연결되어 원운동을 하는 배플을 이용하여 반응조내에서 발생된 입상슬러지가 미쳐 분해되지 못하고 반응조 하부에 축적된 유입수내의 고형물, 난분해성 물질 및 입상화가 이루어지지 않은 미생물들에 의해 유출되는 것을 방지하고, 유입수와 미생물의 접촉을 높일 뿐만 아니라 channeling현상을 막을 수 있다.

상기 목적을 달성 위한 수단으로 ,

유입부는 반응조내의 슬러지층에 단회로 및 channeling현상을 가능한 한 방지하고 유입수와 미생물의 접촉효율을 증대시킬 수 있는 구조여야 한다. 따라서 유입부는 유입수를 고르게 분산시킬 수 있도록 여러 개의 작은 구멍이 상부로 향하는 구조로 이루어는 것이 특징이다.

또한 반응조내부는 미생물의 분포 및 형태에 따라 제 1 영역, 제 2 영역으로 구분지을 수 있는데, 비교적 큰 입상슬러지들이 존재하는 제 1 영역으로 유입된 유기물은 분해되어 상기 제 1 영역내에는 propionate, acetate 등의 지방산과 organic N이 최고로 유지되며 용해성 COD는 유입수의 반정도로 줄어들고 용해성 암모니아, 알칼리도, pH는 최소로 줄어드는 현상이 일어나며, 상기 제 1 영역에 비해 작은 크기의 입상슬러지들이 존재하는 제 2 영역에서는 지방산은 줄어들고 용해성 COD와 organic N은 최소가 되며 용해성 암모니아 농도는 일정하게 된다.

또한 반응조의 내부에는 지면과 수평인 회전축이 설치되어있는데 상기 회전축의 회전에 따라 회전축과 연결된 배플이 원을 그리며 천천이 움직이며 상기 제 1 영역을 혼합시킴으로써 반응조 하부에 축적된 슬러지와 입상슬러지들이 부유됨과 동시에 침강성이 뛰어난 입상슬러지는 중력에 의해 다시 반응조하부로 이송되어 입상슬러지에 비해 상대적으로 침강성이 떨어지는 슬러지들의 일부는 입상슬러지 위에 위치되고 일부는 유입수의 흐름을 따라 제 2 영역으로 이송되어 반응조하부에는 유입수내의 난분해성물질 및 고형물 축적에 의한 입상슬러지의 유출을 막을 수 있으며 반응조 상부와 하부층의 미생물 배열구성을 항상 적정하게 유지시킴으로써 다량의 고형물을 함유한 폐수가 유입되어도 원활한 유기물제거가 이루어 짐이 특징이다. (여기서 슬러지라 함은 반응조에서 미처 분해되지 못한 유입수내의 고형물, 난분해성물질 및 입상화가 이루어지지 않은 미생물로 이루어진 것을 명칭 한다.)

또한 가스-슬러지 분리장치는 반응조내의 혐기성 소화에 의해 발생되는 메탄, 이산화탄소같은 가스물질과 유체 및 가스의 흐름을 따라 상부로 부상되는 입상슬러지 및 고형물을 반응조 상부에서 분리함으로써 가스상물질은 가스포집기에 수집되어 에너지원으로 이용될 수 있도록 함과 동시에 입상슬러지의 유출을 막음으로써 반응조내의 미생물의 함량을 높일 수 있도록 하는데 특징이 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 반응조 정면도

도 2는 본 발명의 반응조 측면도

도 3은 본 발명의 교반장치 측면도

도 4는 본 발명의 교반장치 측면 결합 단면도

도 5a, 5b, 5c는 본 발명의 반응조 동작 상태도

도 6a, 6b, 6c는 본 발명의 교반배플 다른 실시예

도 7a, 7b, 7c는 본 발명의 배플동작 상태도

도 8은 본 발명의 가스-슬러지 분배장치 동작 상태도

도 9는 본 발명의 가스-슬러지 측면 결합 단면도

도 10은 본 발명의 구성도

도 11은 기존의 상향류식 반응기의 정면도(UASB)

도 1은 본 발명의 실시예도로서,

도시한바와 같이 본 발명은 제 1영역(2)이라 할 수 있는 반응조(1)하부와 제 2 영역(3)이라 할 수 있는 반응조(1)상부로 나눌 수 있는데 상기 반응조(1)의 하부에는 유입부(4)와 반응조하부의 교반을 위한 교반장치(5, 6, 7)들로 구성되어 있으며, 상기 반응조(1)의 상부는 가스(300)와 입상슬러지(200)를 분리하는 가스-슬러지 분리장치(8), 가스유출부(11)와 처리수 유출부(9)로 구성되어있다.

즉 반응조(1)의 하부에 위치한 유입부(4)를 통해 유입된 하수는 상향으로 제 1 영역(2)으로 유입되어 가수분해와 산생성작용을 거치면서 상향류에 의해 제 2 영역(3)으로 이동되고, 제 2 영역(3)에서는 산생성 및 가스(300)생성으로 인해 발생된 메탄가스들과 상향류에 의해 부상되는 일부 입상슬러지(200)와 미분해성 고형물, 난분해성 물질 및 입상화가 이루어지지 못한 미생물로 이루어진 슬러지(100)들이 가스-슬러지 분리장치(8)를 통해 분리되는데 분리된 입상슬러지(200)와 슬러지(100)는 중력에 의해 다시 제 1 영역(2)으로 침전되며 분리된 가스(300)는 반응조 가스유출부(11)를 통해 외부로 보내어져 가스포집기(400)에 의해 포집되고 제 1 영역(2)과 제 2 영역(3)을 거쳐 처리된 처리수는 유출부(9)를 통해 배출된다.

이하에서 본 발명의 실시 예에 따른 반응조(1) 구성 및 작용을 상세히 설명하기로 한다.

반응조(1)의 하부에 위치한 유입부(4)에 하 · 폐수를 유입하고 상부에 위치한 유출부(9)에서 처리수를 유출시키는 상향류식 흐름을 유지할 경우 부유 및 사상성 성장 미생물들은 반응조내의 발생가스(300)에 의한 교반작용과 상향류에의해 처리수와 함께 유실되어 나가고 선택적으로 무거운 입자들이 상기 반응조(1) 하부에 남게 되는데 이 입자의 표면에 박테리아가 부착 또는 포획되는 미생물적 선택작용에 의해 시간이 경과함에 따라 입자는 입상으로 발전하여 입상슬러지(200)가 생성된다.

유입펌프를 통해 반응조의 하부에 위치한 유입부(4)로 이송된 하 ·폐수는 유입부의 상측에 작은 구멍들로 이루어진 유입구(15)를 거쳐 상기 제 1 영역(2)으로 유입되게 되는데, 상기 유입구(15)는 제 1 영역내(2)에서 단회로나 channeling현상이 발생되는 것을 최소화시키고 유입수와 미생물(입상슬러지)의 접촉율을 증대시키기 위해 유입부(4) 상측면에는 작은 크기의 구멍들이 균일하게 분포된 구조로 이루어 졌으며 제 1 영역내(2)의 입상슬러지(200)로 이루어진 슬러지상의 성상 및 특징에 따라 유입부표면적당 필요한 유입구(15)의 수와 크기는 정해진다.

상기 유입부(4)의 유입구(15)를 통해 상향류로 제 1 영역내(2)에 유입된 하 · 폐수는 계속 상향류를 유지하면서 상기 제 1 영역(2)를 거쳐 제 2 영역(3)으로 이송되는데 이런 일련의 과정에서 하 · 폐수내의 유기물들은 반응조내에 존재하는 입상슬러지(200)들에 의해 가수분해단계, 산생성단계, 메탄생성단계를 차례로 거치면서 최종 메탄을 생성하게 된다.

상향류 흐름속에서 발생되는 입상슬러지(200)의 발생기작에 기인하여 반응조(1) 하부의 입상슬러지(200)와 상부의 입상슬러지(200)는 다른 물리적 특성을 띄게 되는데, 반응조(1) 하부에 해당하는 제 1 영역내(2)의 입상슬러지(200)는 반응조(1) 상부에 해당하는 제 2 영역(3)에 비해 침강성이 우수하고 크기가 크므로 반응조내부는 입상슬러지(200)의 크기에 따른 배열이 자연스럽게 일어나게 된다.

반응조(1)의 하부에는 입자가 큰 입상슬러지가 존재하는데 상기 제 1 영역(2)으로 유입된 하 · 폐수의 유기물들은 이들 입상슬러지와 접촉하게 되면서 혐기성소화기작에 분해되기 시작하므로 상기 제 1 영역(2)내에는 가수분해와 산생성이 주를 이루어 SCFA(짧은고리를 가지는 지방산), propionate, acetate, 유기질소의 증가현상과 COD, NH₃-N, PH, 알칼리도 감소현상이 나타나게 된다.

제 2 영역(3)에는 상기 제 1 영역(2)에 비해 작은 입상슬러지들이 존재하게되며 이들 입상슬러지들에 의해 상기 제 1 영역(2)을 거친 처리수들은 제 2 영역(3)에서 최종 메탄으로 분해되는 일련의 혐기성기작을 거치게 되므로 상기 제 2 영역(3)내에는 유기질소와 COD는 낮은 수치를 보이고 pH는 증가하며 알칼리도는 유입수 수준까지 올라가고 NH₃-N는 일정한 값을 나타내게 된다.

상기에서 언급한 제 1 영역(2)과 제 2 영역(3)의 혐기성기작은 반응조내의 입상슬러지들의 적정한 크기 배열이 이루어지고, 유입수와 입상슬러지의 접촉이 원활히 일어나며, 반응조(1)내에 미생물(입상슬러지)의 적정량이 존재할 수 있는 환경에서 원활히 일어날 수 있기 때문에 상기와 같은 요건들을 충족시켜주기 위하여 상기 제 1 영역내에(2)는 교반장치(5, 6, 7)가 설치되어있다.

하 · 폐수가 유입되어 상향류로 제 1 영역(2)과 제 2 영역(3)을 거쳐 유출되는 반응조(1)의 운전방식에 기인하여 하 · 폐수내에 난분해성물질의 함량이 높거나 반응조내에서 분해될 수 있는 고형물의 양에 비해 다량의 고형물이 유입될 경우 제 1 영역(2)내의 하부에는 난분해성 물질 및 분해되지 못한 고형물들이 축적하게 되고 이렇게 축적된 난분해성 물질 및 고형물들은 유입수와 미생물(입상슬러지)이 접촉을 방해하고 미생물(입상슬러지)의 활성을 저해시킬 뿐만 아니라 반응조내 미생물(입상슬러지)을 유출시켜 반응조의 운전실폐가 야기되므로 제 1 영역(2)내에 지면과 수평인 축(5)에 배플(7)을 달고 회전/교반시켜 상기와 같은 난분해성물질 및 고형물축적에 의한 문제점을 해결한다.

반응조(1) 하부에 존재하는 입상슬러지(200)와 함께 축적되어있는 난분해성 물질 및 고형물은 축(5)을 기준으로 회전하는 배플(7)에 의해 도 7a, 7b, 7c와 같이 상부로 이동하게 되고 배플(7)이 지면과 수평이 되는 순간이후부터 입상슬러지와 난분해성물질 및 고형물이 중력에 의해 반응조(1)의 하부로 떨어지게 되는데 이때 난분해성물질이나 고형물에 비해 침강성이 우수한 입상슬러지(200)가 반응조(1)의 하부에 먼저 도착하게되므로 입상슬러지(200)나 고형물은 입상슬러지(200)의 상부에 위치하게 되는데, 이런 일련의 과정이 배플(7)의 회전에 따라 연속적으로 일어나므로 고형물이 반응조 하부에 퇴적하여 입상슬러지가 유출되는 현상이 발생되지 않는다.

또한 입상슬러지(200)의 침강성은 크기에 비례하므로 배플(7)의 회전각에 따라 자연 침강될 때 입자가 큰 입상슬러지(200)들이 반응조(1)의 하부에 먼저 도착하므로 제 1 영역(2)의 최하부에는 입자가 제일 큰 입상슬러지가 존재하게 되고 그 위에는 약간 작은 입상슬러지가 위치하게 되는 자연적 입자배열이 일어나므로 배플(7)의 연속적 회전에 따라 입자크기 배열은 계속 일정한 패턴을 유지하게 된다.

상기와 같이 배플(7)의 회전에 따른 입상슬러지(200)의 자연적 입자배열에 기인하여 입상슬러지에 비해 상대적으로 침강성이 낮은 고형물이나 난분해성 물질들은 반응조(1)내에 퇴적되지 못하고 상향류에 의해 자연적으로 배출된다.

도 11과 같은 기존의 상향류식 반응기들은 별도의 장치를 설치하지 않고 혐기성 소화기작에 의해 반응조에서 발생되는 메탄가스가 상향유동하면서 반응조내의 입상슬러지들을 교란시키면서 입상슬러지와 유입 하 · 폐수가 자연적으로 접촉할 수 있도록 운전되고 있지만 유입 하 · 폐수내에 고형물의 함량이 약간만 높거나 입상슬러지의 적정한 배열 및 유입부 분배장치에 의한 고른 유입분배가 일어나지 않을 경우 채널링현상이 발생하여 높은 처리효율을 얻기가 어려우나 본 발명의 상기 배플(7)이 반응조(1)내의 입상슬러지(200)가 유출되지 않고 반응조(1)내에서 적정한 입상슬러지배열이 일어날 정도의 일정한 속도로 제 1 영역(2)을 인위적으로 교반 시킬 경우 상기 제 1 영역(2)에는 channeling현상이 발생되지 않을뿐더러 입상슬러지(200)와 유입 하 · 폐수가 접촉할 수 있는 환경을 보다 향상시킴으로써 처리효율을 향상시킨다.

상기 제 1 영역(2)에서 혐기성소화에 의해 발생된 가스(300)는 상향류에 의해 부상되는 입상슬러지(200) 및 슬러지(100) 등과 함께 부상되어 제 2 영역(3)으로 이동하게 되고 도면 8과 같이 상기 제 2 영역(3)내에 설치된 가스-고형물분리장치(8)에 의해 발생가스(300)는 반응기(1) 외부의 가스포집기(400)에 저장된다.

가스-고형물분리장치(8)는 가스-고형물-액체의 3상 분리 장치로서 반응조 상부인 제 2 영역(3)에 위치하고 있으며 미생물(입상슬러지)의 유실을 최소한으로 억제하여 반응조(1)에 미생물의 함량을 높게 유지시키기 위해 부상물(입상슬러지, 유입수내의 난분해성 물질, 반응조에서 미처 분해되지 못하 고형물, 입상화가 이루어지지 않은 슬러지 미생물)에서 가스(300)와 부상물(100, 200)을 완벽히 분리하여 가스(300)는 외부로 유출시키고 분리된 부상물은 제 1 영역으로 중력침강 시켜서 반송 순환시키는데 부상고중에 입상슬러지(200)와 같이 침강성이 큰 고형물들은 신속히 제 1 영역(2)으로 다시 반송되며 침강성이 작은 고형물들은 침강속도에 비례하여 상기 제 1 영역(2)으로 반송되는데 유입 하 · 폐수중의 난분해성 물질 및 반응조내에서 미처 분해되지 못한 일부 고형물은 반응조(1)의 주요 충진물인 입상슬러지(200)에 비해 침강성이 크게 떨어지기 때문에 일부는 제 1 영역(2)내의 입상슬러지(200)의 상부로 침전되고 일부는 유출수와 함께 유출되어 제거되기 때문에 상기에서 언급된 것과 같이 유입수내의 난분해성물질 및 미처리된 고형물이 반응조(1)내의 하부에 축적되어 반응조에 악영향을 미치는 현상은 발생되지 않는다.

본 발명은 유기물제거에 우수한 효율을 보이는 입상슬러지가 반응조안의 상향류에 의해 자연 발생되므로 고농도 미생물유지가 쉬워 짧은 수리학적 시간으로도 유기물처리가 가능하며 또한 별도의 충진재가 필요없으므로 반응조의 유효용량 손실도 적다. 또한 반응조의 구조 및 장치가 간단하여 설치비가 저렴하고 운전이 용이하며, 기존 혐기성 상향류식 반응기의 가장 큰 단점이었던 고형물함량이 많은 폐수처리 적용의 한계성을 입상슬러지의 물리학적 특징을 최대한 이용하여 극복함으로써 일반 하 · 폐수뿐만 아니라 도축장폐수, 축산폐수와 같이 고농도의 폐수처리시에도 별도의 전처리 장치 없이 반응조내의 고형물의 축적을 예방함으로써 단락류의 발생이나 미생물의 유출을 막을 수가 있으며, 혐기성소화작용에 의한 가스발생이 고르지 못하거나 적을 경우 발생하는 입상슬러지와 유입수의 접촉빈도 저하에 따른 처리효율 감소를 예방할 수 있고 반응조 하부에 축적되는 난분해성 물질 및 고형물에 의한 미생물의 활성저하를 막음으로써 항상 높은 유기물 처리효율을 유지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 반응조 정면도

도 2는 본 발명의 반응조 측면도

도 3은 본 발명의 교반장치 측면도

도 4는 본 발명의 교반장치 측면 결합 단면도

도 5a, 5b, 5c는 본 발명의 반응조 동작 상태도

도 6a, 6b, 6c는 본 발명의 교반배플 다른 실시예

도 7a, 7b, 7c는 본 발명의 배플동작 상태도

도 8은 본 발명의 가스-슬러지 분배장치 동작 상태도

도 9는 본 발명의 가스-슬러지 측면 결합 단면도

도 10은 본 발명의 구성도

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

1 : 반응조 7 : 배플

2 : 제 1 영역 8', 8a, 8b : 가스-슬러지 분배장치

3 : 제 2 영역 9', 9 : 유출부

4', 4 : 유입부 10 : 유출웨어

5 : 회전축 11',11 : 가스유출구

6 : 모터 12 : 샘플링 구멍

13 : 반응조 받침대

100 : 난분해성물질, 미분해된 고형물, 비입자성 미생물

14 : 모터 받침대 200 : 입상슬러지

15 : 유입구 300 : 발생가스

16 : 가스유입구 400 : 가스포집기

Claims

유입수를 고르게 분산시켜서 반응조내의 슬러지층에 단회로 및 channeling현상을 가능한 한 방지시키고 유입수와 미생물의 접촉효율을 증대시키기 위해 구멍들이 상측에 위치하는 구조로 이루어진 유입부와, 반응조 하부에 축적된 고형물들에 의해 입상슬러지들이 유출되는 것을 방지시키고 유입수와 미생물의 접촉율을 높이며 반응조내의 channeling을 방지 할뿐만 아니라 배플회전각과 입상슬러지의 침강성에 기인하여 안정적인 미생물층배열이 이루어지도록 지면과 수평인 회전축을 중심으로 원을 그리며 회전되는 배플이 설치된 제 1 영역과;

유체 및 가스의 흐름을 따라 상부로 부상되는 입상슬러지를 반응조 상부에서 분리시켜서 가스상 물질은 포집 후 에너지원으로 이용함과 동시에 입상슬러지의 유출을 막음으로써 반응조내의 미생물의 함량을 높게 유지시키기는 가스-슬러지 분리장치와, 처리수가 유출되는 유출부와, 공정중 발생가스가 유출되는 가스유출부가 설치된 제 2 영역이;

반응조의 하부와 상부에 위치하고 상기 유입부를 통해 하·폐수가 유입되고 상기 유출관을 통해 처리수가 유출되는 상향류식 흐름이 이루어짐을 특징으로 하는 혐기성 회전식 반응조.
제 1 항에 있어서 지면과 수평으로 이루어진 회전축과 모터로 이우러진 교반장치가 장착된 혐기성 회전식 반응조.
제 2항에 있어서 교반장치가 반응조의 하부쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 혐기성 회전식 반응조
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