KR100502957B1 - Ｐｂａｃ 담체를 포함하는 반응조 및 이를 이용한 수처리방법 - Google Patents

Ｐｂａｃ 담체를 포함하는 반응조 및 이를 이용한 수처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 PBAC (Pelleted Bio Activated Carbon;이하 "PBAC"라 칭함) 담체를 포함하는 반응조 및 이를 이용한 수처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 PBAC 담체를 포함하는 반응조를 이용하여 종래의 수처리 공정을 거친 1차 처리수를 재처리함으로써, 유기물, 질소 및 인을 추가적으로 제거하는 수처리 방법에 관한 것이다.
이와 같이 본 발명에서는 PBAC 담체를 포함하는 PBAC 반응조를 이용하면 유기물, 질소 및 인을 보다 효율적으로 처리할 수 있으며, 역세척 시스템 운전 시 무기성 부유 물질의 축적이 발생되지 않으므로 처리비용 및 처리 시간을 감소시켜 공정의 안정성을 제공할 수 있다.

Description

ＰＢＡＣ 담체를 포함하는 반응조 및 이를 이용한 수처리 방법{Reactor Comprising PBAC Carrier and Water Treatment Method Using the Same}
본 발명은 펠렛상 활성탄 담체 (Pelleted Bio Activated Carbon;이하 "PBAC"라 칭함)를 포함하는 생물학적 반응조 및 이를 이용한 수처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 PBAC 담체를 포함하는 반응조를 이용하여 종래의 수처리 공정을 거친 1차 처리수를 재처리함으로써, 유기물, 질소 및 인을 추가적으로 제거하는 수처리 방법에 관한 것이다.
현재 대도시 주변은 하천 유지를 위하여 방류 수질 기준이 강화되었고, 특히 식수 보호원 지역의 경우 더욱 엄격해진 방류 수질 기준이 적용되고 있다.
이러한 하천의 수질 보존을 위하여 종래 사용되고 있는 대표적인 방법에는 활성 슬러리 내에 포함된 미생물을 이용하여 유기물을 제거하고 질산화 하는 부유성장식 활성슬러지법이 사용되고 있다.
그러나, 상기 부유성장식 활성슬러지법은 질소 및 인을 제거하는 것이 어렵고, 슬러지의 반송량이 커서 수처리 효율이 낮고, 설비가 거대하다는 단점이 있다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 담체를 생물학적 반응기 내에 충진하고, 담체에 미생물을 부착하여 서식시키는 생물막 여과조를 수처리 공정에 사용하게 되었다.
상기 생물막 여과조의 구조는 유입수가 미생물과 혼합된 상태로 반응하는 것이 아니라 유입수가 담체를 통과하면서 담체에 부착된 미생물과 반응하여 처리되는 원리를 이용한 것이다.
이와 같이, 미생물이 서식하고 있는 담체를 포함하는 생물막 여과조는 미생물의 농도를 일정하게 유지할 수 있고, 활성 슬러지의 내부 반송이 불필요하며, 슬러리 팽화에 따른 문제점이 발생하지 않기 때문에 수처리 시스템을 간소화 할 수 있다는 장점이 있다.
상기와 같은 수처리에 사용된 담체는 초기에는 모래, 자갈 등의 천연석에서부터 인위적인 기공을 형성한 세라믹 담체나 합성 수지 담체를 사용하였는데, 현재 생물학 공정의 처리 효율을 더욱 증가시키기 위하여, 표면적 및 미생물 부착성, 생물막 형성 속도, 미생물의 서식처 공간 및 미생물의 영양분 공급로 등을 향상시킬 수 있는 새로운 담체의 개발이 필요하게 되었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것이 입상 활성탄을 이용한 담체를 사용하는 반응조를 이용하는 것인데, 이때, 최종 수질 결과는 종래 수처리 시스템을 이용하는 것보다 효과적이었으나, 입상 활성탄 담체의 공극 크기가 작기 때문에 역세척 시스템 운전 시 부유성 물질의 축적되면서, 반응조의 폐쇄 현상이 자주 발생하게 되었고, 그 결과, 반응조의 역세척 주기가 짧아지고, 처리수 용량은 감소하며, 처리 시간이 증가되어, 유지 관리비가 높아지는 문제점이 발생하였다.
본 발명은 유기물을 비롯한 질소 및 인등의 제거가 보다 효율적으로 이루어 질 수 있는 수처리용 반응조, 이를 포함하는 수처리 시스템 및 이를 이용한 수처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 PBAC 담체로 충진 된 PBAC 반응조 및 이를 포함하는 수처리 장치 및 이를 이용한 수처리 방법을 제공한다
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
상기 PBAC 담체는 펠렛 형태의 활성탄 담체로써, 입경은 직경이 1∼7㎜, 바람직하게는 4㎜이고, 길이는 3∼10㎜이다.
상기 PBAC 담체의 비표면적은 800∼1000 m2/g, 바람직하게는 950 m2/g이고, 평균 세공 직경 (Å)은 16∼28Å이며, 활성탄소의 경도(%)는 80∼110(Min), 바람직하게는 95(Min) 을 가진다.
이와 같은 펠렛 형태의 활성탄으로 이루어진 담체는 기존의 것보다 미세 기공이 많고, 공극이 크며, 유기물에 대하여 높은 흡착 능력을 가진다. 그 결과 상기 담체에 많은 유기물들이 흡착되고, 이렇게 흡착된 유기물들을 상호보완관계에 있는 자연 발생적인 미생물들이 섭취함으로써 활발한 성장 효과를 가져올 수 있다.
상기 자연 발생적인 미생물은 호기성의 유기물 분해 미생물로서 아스피디스카 (aspidisca), 볼티셀러 (vorticellar), 오퍼큐라리아 (opercuraria) 및 로터리스 (rotaris) 등의 부유 성장 미생물, 더욱 바람직하게는 에로조마 (aelosoma) 및 디플로가스터 (diplogaster) 등의 후생 미생물 등이 있으며, 처리되어 유입된 하수 내의 유기물, 질소 및 인을 분해하여 영양원으로 이용한다.
상기 미생물에 의한 유기물, 질소 및 인이 제거되는 메커니즘 (mechanism)은 다음과 같다.
유기물 제거 (산화 반응) : 유기물 + O2 → CO2 + H2O
(합성 반응) : 유기물 + NH3 + P + O2 → 미생물 + CO2 + H 2O
상기 PBAC 반응조는 유입수 분배 장치, 산기장치 및 처리수 배출 장치를 포함한다. 이때, 상기 PBAC 반응조는 유입수 펌프, 역세척 펌프 및 브로와를 더 포함할 수 있다.
상기 PBAC 반응조 내부는 호기성 조건으로 유지하면서, 하부에 자갈층, 스트레이너 (strainer) 또는 이들의 복합층을 PBAC 반응조에 대해 5∼10% 높이의 충진률로 충진하여 구성하고, 그 상부에 PBAC 담체를 PBAC 반응조에 대해 30∼50% 높이의 충진율로 충진하여 구성할 수 있는데, 예를 들면 1.5m의 반응조 내부에 자갈층과 스트레이너를 차례로 0.05∼0.15m로 충진한 후, 그 상부에 PBAC 담체를 0.4∼0.8m로 충진하여 구성할 수 있다.
이러한 구조를 가지는 PBAC 반응조 내부로 유입수 펌프에 의해 유입수가 첨가되고, 분배 장치를 통해 분배된 후, 본 발명의 PBAC 담체를 통과하면서 처리된 다음 배출 장치를 통해 배출된다.
또한, 본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위해,
본 발명에 따른 PBAC 담체가 충진된 생물학적 반응조를 포함하는 수처리 시스템을 제공한다.
상기 생물학적 반응조는 단독으로 사용될 수도 있으나 기존의 수처리 장치의 최종 처리수를 재처리하기 위해 부가적으로 사용될 수도 있다. 예를 들어, 본 발명의 PBAC 담체로 충진된 PBAC 반응조를 부유성장식 활성슬러지 시스템에 부가적으로 채택하는 경우 수처리 장치는 (i) 하수로부터 인을 배출하는 혐기조와, (ii) 상기 혐기조로부터 유입된 유입수를 탈질화하는 무산소조와, (iii) 상기 무산소조로부터 유입된 유입수를 질산화 시키면서 인을 흡수하는 호기조와, (iv) 상기 호기조로부터의 유입수에서 인을 제거하는 침전조와, (v) 상기 침전조로부터의 유입수에서 재차 질소 및 인을 제거하는 본 발명에 따른 PBAC 반응조 및 선택적으로 (vi) 처리수조 또는 (vii) 역세척조를 포함하여 구성할 수 있다.
이때, 상기 (i) 혐기조, (ii) 무산소조, (iii) 호기조 및 (iv) 침전조는 종래의 부유성장식 활성슬러지 장치의 각 반응조와 구조 및 기능이 동일하다.
즉, 상기 (ii) 무산소조에서는 탈질 미생물에 의해 유입수 내 유기물의 탈질 반응이 진행되고, 상기 (iii) 호기조에는 질산화 미생물에 의해 유기물이 분해된 후 질산화가 이루어지면서 동시에 인이 미생물에 의해 흡수된다.
바람직하게는 상기 호기조는 생물막 반응조로 구성하여 HBC (hanging bio contactor) 담체를 충진하고, 그 담체에 부착된 유기물 분해성 미생물 및 니트로조모나스 (nitrosomonas) 또는 니트로박터 (nitrobacter) 등의 질산화 미생물을 이용하여 질산화 공정 및 인을 흡수하도록 구성할 수 있다. 이 때, 상기 반응조 내부에 고정상 메디아를 설치하여 증식 속도가 느린 질산화 미생물의 슬러지 유지 시간 (sludge retention time; SRT)을 높여, 유입 수질 변동에 대비할 수 있다.
상기 (iv) 침전조에서는 잉여 슬러지의 배출에 의한 인의 제거가 이루어지고, (v) 본 발명의 PBAC 반응조 내부에서 PBAC 담체에 유입수 내의 유기물이 흡착되면, 상기 자연 발생적인 미생물이 유기물을 섭취하면서 성장 및 번식해서 추가적으로 유기물, 질소 및 인을 소비한다.
또한, (vi) 처리수조를 별도로 설치하여 1차 처리수가 PBAC 조로 유입되기 전에 일시 저류할 수 있으며, (vii) 역세척조는 상기 PBAC 반응조의 처리수에 무기성 부유 물질이 축적되는 것을 억제하기 위한 역세척 공정을 수행한다.
또한, 본 발명에서는
소정의 수처리 시스템을 이용하여 원수를 1차 처리하는 공정과,
1차 처리수를 본 발명의 PBAC 담체가 충진된 PBAC 반응조를 통과시켜 2차 처리하는 공정을 포함하는 수처리 방법을 제공한다.
한편, 생물막 반응조 수처리 장치에도 부가적으로 본 발명의 PBAC 반응조를 결합할 수 있다. 이때, 생물막 반응조 수처리 시스템의 최종 처리수는 PBAC 반응조에서 재처되도록 장치를 구성할 수 있다.
이하 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다. 단 실시예는 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. 본 발명의 PBAC 담체를 이용한 시스템에 따른 하수 처리 결과
도 1에 도시한 바와 같은 혐기조 (202), 무산소조 (204), 호기조 (205), 침전조 (207), 처리수조 (209), PBAC조 (211) 및 역세척조 (213)로 이루어진 수처리 장치를 이용하여 수처리를 실시하였다. 이때, 전체 장치는 활성 슬러지 시스템으로 구성하고, 호기조는 HBC 담체를 이용한 생물막 반응조로 구성하였다.
또한, 원수는 혐기조에 공급하기 전에 별도의 전처리 공정을 거치게 할 수도 있다.
상기 원수 (102)를 혐기조 (202)로 유입하여 인을 배출한 후, 무산소조 (204)로 유입하여 질소를 제거하였다.
그리고, 상기 무산소조 (204)에서 유출된 처리수를 HBC 담체가 충진된 호기조 (205)를 통과시켜 질산화 시키고, 인을 제거하였다.
그리고, 상기 호기조 (205)에서 유출된 처리수를 침전조 (207)를 통과시키면서 잉여 슬러지를 배출하여 인을 제거하고, 미생물 농도를 유지하기 위하여 혐기조 (202)로 슬러리를 반송 (208)하였다.
그 결과 얻어진 1차 처리수를 처리 수조 (209)에 일시 저류하였다.
상기 1차 처리한 하수의 수질 결과를 표 1에 나타내었다.
[표 1]
원수 1차 처리수
BOD 200㎎/ℓ 15㎎/ℓ
COD(chemical oxygen demand) 150㎎/ℓ 25㎎/ℓ
침전 가능한 부유성 물질 SS(suspended solid) 150㎎/ℓ 15㎎/ℓ
질소 60 20
인 12 5
상기 1차 처리한 하수를 본 발명의 PBAC 조 (211)로 유입하여 유기물, 질소 및 인을 제거하였다.
상기 본 발명의 PBAC 조는 직경이 2.4x1.9 m이고, 높이는 1.5 m인 반응조를 이용하였으며, 상기 PBAC 조에 충진한 PBAC 담체는 직경이 4.5 ㎜이고, 길이가 6 ㎜이며, 비표면적이 900 m2/g이고, 세공 직경이 20Å이며, 활성탄소의 경도(%)는 95(Min)인 것을 이용하였으며, 상기 PBAC 담체 내의 미생물은 후생 미생물이 우점종으로, 3500 ㎎/ℓ의 농도 (MLSS)로 생성되었다.
상기 PBAC 반응조 내부는 자갈층과 스트레이너를 차례로 0.1m 높이로 충진한 후, 그 상부에 본 발명의 PBAC 담체를 0.6 m 높이로 충진하여 구성하였다.
상기와 같이 제조된 PBAC 반응조 내부로 1차 처리수를 1.8M/HR의 속도로 유입시킨 후, 체류 시간을 40분으로 하여 처리하였다.
상기 PBAC조에 의해 처리된 최종 수질의 검사 결과를 표 2에 나타내었다.
[표 2]
1차 처리수 PBAC 조에 의한 최종 처리수
BOD 15㎎/ℓ 5㎎/ℓ
COD(chemical oxygen demand) 25㎎/ℓ 10㎎/ℓ
침전 가능한 부유성 물질 SS(suspended solid) 15㎎/ℓ 5㎎/ℓ
질소 20 10
인 5 3
비교예 2. 종래 활성탄 담체를 이용한 재처리 결과
상기 실시예 1에서 얻어진 1차 처리수를 입상 (granule) 활성탄 담체로 충진된 여과조를 이용하여 재처리 한 후, 얻은 2차 처리수의 수질 값을 측정하였다.
이때, 상기 입상 활성탄 담체는 입도가 8x30 mesh이고, 비표면적이 950m2/g이고, 세공 직경이 16∼21 Å이며, 활성탄소의 경도(%)는 95(Min)인 것을 이용하였으며, 상기 입상 활성탄 담체 내의 미생물은 후생 미생물이 우점종으로, 3500 ㎎/ℓ의 농도 (MLSS)로 생성되었다.
상기 반응조는 직경이 2.4x1.9 m이고, 높이는 1.5 m인 반응조를 이용하였으며, 내부에 자갈층과 스트레이너를 차례로 0.1m 높이로 충진하고, 그 상부에 종래 입상 활성탄 담체를 0.6 m높이로 충진하여 구성하였다.
또한, 상기 입상 활성탄 담체를 이용하는 처리 조건은 상기 실시예 1의 본 발명의 PBAC 반응조의 조건과 동일하게 하였다.
상기와 같이 입상 활성탄 담체 반응조를 이용한 처리수의 최종 수질 검사 결과를 표 3에 나타내었다.
[표 3]
1차 처리수 입상 활성탄 담체에 의한최종 처리수
BOD 200㎎/ℓ 10㎎/ℓ
COD(chemical oxygen demand) 150㎎/ℓ 10㎎/ℓ
침전 가능한 부유성 물질 SS(suspended solid) 200㎎/ℓ 10㎎/ℓ
질소 60 10
인 12 3
상기 실시예 1과 비교예 1의 2차 처리수의 수질 값을 비교해 보면, 본 발명의 PBAC 담체를 이용한 처리수의 최종 수질 값이 BOD 값은 5 ㎎/ℓ, 침전 가능한 부유성 물질 SS은 5 ㎎/ℓ가 더 낮은 결과를 나타내었다.
또한, 본 발명의 PBAC 담체를 이용한 PBAC 반응조는 임상 활성탄 담체가 충진된 반응조와 달리 여러번의 역세척 시스템 운전 시에도 무기성 부유 물질이 축적되지 않으므로 반응조의 폐쇄 현상이 발생하지 않았다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 펠렛 형태의 PBAC 담체를 충진한 PBAC 반응조를 포함하는 수처리 시스템을 이용하는 수처리 방법은 유기물, 질소 및 인의 제거 처리효율이 뛰어날 뿐만 아니라, 역세척 시스템 운전 시에도 무기성 부유 물질이 축적되지 않으므로 반응조의 폐쇄 현상이 발생하지 않고, 반응조의 역세척 주기가 반영구적이며, 처리수 용량이 일정하고, 처리비용 및 처리 시간을 크게 감소시켜 공정의 안정성을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 수처리 방법을 설명하기 위한 계통도.
< 도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명 >
201 : 원수 202 : 혐기조
204 : 무산소조 205 : 호기조
207 : 침전조 206 : 내부반송
208 : 슬러지 반송 209 : 처리수조
211 : PBAC 조 212 : 역세척조
213 : 역세척 215 : 방류

Claims (12)

  1. 펠렛 형태의 활성탄 (Pelleted Bio Activated Carbon; PBAC) 담체로 충진된 수처리용 PBAC 반응조에 있어서,
    상기 PBAC 담체는 직경이 4㎜이고, 길이가 3∼10㎜이며, 비표면적이 800∼1000 m2/g이고, 평균 세공 직경 (Å)이 16∼28Å이며, 활성탄소의 경도(%)가 80∼110(Min)으로 미세 기공이 많고, 공극 크기가 확대된 것을 포함함으로써, 수처리 운전 시에 PBAC 반응조가 폐쇄되는 현상을 방지하는 것을 특징으로 하는 수처리용 PBAC 반응조.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 PBAC 반응조는 유입수 분배 장치, 산기장치, 처리수 배출 장치로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수처리용 PBAC 반응조.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 PBAC 반응조는 유입수 펌프, 역세척 펌프 및 브로와를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리용 PBAC 반응조.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 PBAC 반응조는 충진률 30∼50%로 PBAC 담체를 충진하는 것을 특징으로 하는 수처리용 PBAC 반응조.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 PBAC 반응조는 PBAC 층 하부에 자갈층, 스트레이너 (strainer) 또는 이들을 조합한 층으로 반응조 높이의 5∼10%로 충진하는 것을 특징으로 하는 수처리용 PBAC 반응조.
  7. 삭제
  8. 활성슬러지를 이용한 생물막 반응조 수처리 장치와, 제 1 항 기재의 PBAC 반응조를 결합하여 구성된 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
  9. 삭제
  10. 원수로부터 인을 배출하는 혐기조와, 상기 혐기조의 처리수를 유입하여 질소를 제거하는 무산소조와, 상기 무산소조의 처리수를 유입하여 질산화 시키면서 인을 흡수하는 호기조와, 상기 호기조의 처리수를 유입하여 인을 제거하는 침전조로 이루어진 수처리 장치에 있어서,
    제 1 항 기재의 PBAC 반응조와;
    역세척조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 혐기조와 무산소조와 침전조는 활성슬러지를 이용한 반응조이고,
    호기조와 PBAC 반응조는 미생물이 형성된 담체를 이용한 생물막 반응조인 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
  12. 원수로부터 인을 배출하는 혐기조와, 상기 혐기조의 처리수를 유입하여 질소를 제거하는 무산소조와, 상기 무산소조의 처리수를 유입하여 질산화 시키면서 인을 흡수하는 호기조와, 상기 호기조의 처리수를 유입하여 인을 제거하는 침전조로 이루어진 수처리 장치를 이용하여 원수를 1차 처리하는 공정과,
    상기 1차 처리수를 제 1 항 기재의 PBAC 반응조에 통과시켜 2차 처리하는 공정을 포함하는 수처리 방법.
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