KR100540549B1 - 수직형 멤브레인 바이오 리액터를 이용한 오폐수 고도처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 멤브레인 바이오 리액터를 이용한 오폐수 고도 처리 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수직형 멤브레인 바이오 리액터를 이용한 오폐수 고도 처리 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 반응조 상부에 오폐수내의 질소를 질산화시키고 탈인처리하는 폭기조가 형성되고 질산화된 처리수와 새로 유입되는 오·폐수가 혼합되어 탈질 처리하는 무산소조가 하부에 형성되며, 상기 상단의 폭기조와 상기 하단의 무산소조를 연결하여, 상기 폭기조 내의 활성 슬러지를 상기 무산소조로 반송하는 반송 수로, 상기 무산소조의 하부에 설치되어 외부로부터 유입되는 오폐수를 상방향으로 압송하는 유입수 분배기, 상기 무산소조와 상기 폭기조 사이에 구비되어 상기 폭기조를 향하여 상방향으로 공기를 공급하는 산기기 및 상기 폭기조 내에 설치되고, 그 내부에 다수의 미세막을 구비하여 오폐수 내의 슬러지와 처리수를 고액분리하는 멤브레인 모듈을 포함하는 오폐수 고도 처리 장치가 제공된다. 본 발명에 따르면, 본 발명에 따르면, 종래의 무산소조와 폭기조가 수평적으로 나란히 배치되는 멤브레인 바이오 리액터의 구조를, 무산소조와 폭기조가 수직으로 배치되도록 수직화함으로써, 오폐수 고도 처리 장치의 크기를 줄일 수 있고, 이에 따라 장치 설치를 위한 사용부지가 최소화시킬 수 있다. 따라서, 중소규모의 하수처리장이나 특히 부지가 제한적인 대형빌딩 및 마을하수도와 같은 소형 오폐수처리에도 적용이 가능하다. 또한, 종래에는 활성 슬러지를 폭기조에서 무산소조로 반송시키기 위해 별도의 펌프를 설치하였으나, 본 발명에서는 활성 슬러지를 내부 반송 시킬 때, 별도의 동력이 소요되지 않기 때문에 설비의 가동 동력을 줄일 수 있다.

멤브레인 바이오 리액터, 고도 처리 장치

Description

수직형 멤브레인 바이오 리액터를 이용한 오폐수 고도 처리 장치 {An Apparatus for Advanced Wastewater Treatment Using Vertical Type Membrane Bio-Reactor}

도 1은 본 발명에 따른 수직형 멤브레인 바이오 리액터를 이용한 오폐수 고도 처리 장치의 사시도.

도 2는 도 1의 A-A 선을 따라 자른 단면도.

도 3은 도 2의 B-B 선을 따라 자른 단면도.

도 4는 수직 격막 상단부의 확대도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 유입수 분배기 2: 수중 교반기

3: 산기기 4: 멤브레인 모듈

5: 수직 격막 6: 송풍기

7: 유출관 8: 수직 격막 상단

9: 수위 측정 센서 10: 응집제 주입관

11: 알칼리제 주입관 12: 유입관

13: 수문 14: 개구부

15: 무산소조 16: 폭기조

17: 수처리 탱크 본체 18: 반송 수로

19: 반응조 20, 21, 22: 밸브

23: 노즐 100: 오폐수 고도 처리 장치

본 발명은 멤브레인 바이오 리액터를 이용한 오폐수 고도 처리 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수직형 멤브레인 바이오 리액터를 이용한 오폐수 고도 처리 장치에 관한 것이다.

우리나라의 연강수량은 여름철에 집중되고 하천의 길이가 짧아 이용 가능한 수자원은 제한된 반면, 물 사용량은 급증하여 2004년을 기점으로 물 부족현상이 심화될 것으로 전망되고 있다. 또한 물 부족에서 오는 시설확충에 대한 재정부담과 물 사용량 증가에 따른 오염증가라는 두 가지 문제가 동시에 대두되고 있어, 경제적으로 오폐수를 재활용할 수 있는 방안에 대한 적극적인 개발의 필요성이 커지고 있다.

오폐수의 재활용에 있어서 중요한 점은, 재활용되는 오폐수의 질소, 인 및 유기물 등의 함유량과, 물의 탁도와, pH 등을 필요한 수준으로 처리하고, 또한 병원성 미생물을 제거하여 환경공학적으로 안정하도록 처리하는 일이다. 이러한 처리 를 위해서, 질소 및 인의 제거가 가능한 고도처리공정과, 병원성 미생물 및 부유물질 등에 대한 처리를 위한 생물학적 처리공정을 결합한 멤브레인 바이오 리액터(Membrane Bio-Reactor: MBR)가 개발되었다.

멤브레인 바이오 리액터는 유입수로부터 유기물, 질소 및 인 성분 효과적으로 제거할 수 있어 오폐수 처리 분야에 있어 각광받는 설비이다.

통상적인 멤브레인 바이오 리액터는, 고농도의 슬러지층이 내부에 구비되어 유입수의 질소성분의 질산화 과정 및 인성분을 제거하는 폭기조(曝氣槽)(aeration tank) 와 탈질 처리를 수행하는 무산소조 및 상기 폭기조 내에 잠긴 상태로 설치되어 슬러지와 처리수를 고액분리(固液分離)하는 멤브레인 모듈(membrane module)로 구성된다.

종래의 멤브레인 바이오 리액터를 구성하는 상기 무산소조 및 폭기조는 수평방향으로 나란하게 배치되고, 그 사이는 격막으로 분리되어 있어, 상기 멤브레인 모듈을 통과한 처리수는 소정의 저장탱크로 유출펌프에 의해 이송되고, 상기 폭기조로부터 슬러지가 혼합된 물(반송 슬러지)은 반송펌프에 의해 상기 무산소조로 반송된다.

그러나, 이러한 수평형 멤브레인 바이오 리액터는 무산소조와 폭기조가 나란하게 설치되기 때문에 설치공간이 많이 필요하다는 단점이 있다. 또한, 폭기조로부터 무산소조로 반송 슬러지를 이송시키기 위해 펌프를 사용함으로써 설비를 가동시키기 위한 동력의 소모가 많은 단점이 있어 이에 대한 개선의 필요성이 대두되었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로, 본 발명의 목적은 설치 공간이 작으며, 설비의 가동 동력이 적게 소요되면서도, 우수한 오폐수 처리 효과를 얻을 수 있는 오폐수 고도 처리 장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 내부에 유입된 오폐수를 탈질 처리하는 무산소조가 하부에 형성되고, 상기 무산소조로부터 탈질 처리된 유입수를 질산화 및 탈인 처리하는 폭기조가 상기 무산소조의 상부에 형성되는 반응조, 상기 폭기조의 상단과 상기 무산소조의 하단을 연결하여, 상기 폭기조 내의 활성 슬러지를 상기 무산소조로 반송하는 반송 수로, 상기 무산소조의 하부에 설치되어 외부로부터 유입되는 오폐수를 상방향으로 압송하는 유입수 분배기, 상기 무산소조와 상기 폭기조 사이에 구비되어 상기 폭기조를 향하여 상방향으로 공기를 공급하는 산기기 및 상기 폭기조 내에 설치되고, 그 내부에 다수의 미세막을 구비하여 오폐수 내의 슬러지와 처리수를 고액분리(固液分離)하는 멤브레인 모듈을 포함하는 오폐수 고도 처리 장치를 제공함으로써 달성된다.

여기서, 상기 반응조와 상기 반송 수로는, 하나의 일체형 탱크 내에 수직 격막을 설치하여 분할함으로써 형성되는 두 개의 공간 내에 각각 형성되고, 상기 수직 격막의 하단부는 개방되어 상기 반송 수로와 상기 반응조 간에 물질 이동이 가 능하며, 상기 수직 격막의 상단부에는 개구부가 다수 형성되어, 상기 폭기조에서 발생하는 진동에 의해 상기 폭기조 수면에 부유하는 활성 슬러지가 상기 개구부를 통해 상기 반송 수로로 유입되고 다시 상기 무산소조로 내부 반송되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 무산소조 내에는, 사공간이 형성되는 것과 슬러지가 상기 무산소조의 하부에 침적되는 것을 방지하는 수중 교반기가 구비되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 유입수 분배기에는 오폐수 공급원과 연결되는 유입관이 설치되고, 상기 유입관에는 유입되는 오폐수의 수량을 조절하는 밸브가 설치되며, 상기 반응조의 상부에는 반응조 내에 채워진 물의 수위를 측정하는 수위 측정 센서가 설치되고, 상기 수위 측정 센서로부터 측정된 수위값을 입력받아 미리 설정된 수위값과 비교하고 그 결과에 따라 상기 유입관 상에 설치된 밸브를 제어하여 반응조 내로 유입되는 오폐수의 수량을 조절하는 제어부가 더 포함되는 것이 바람직하다.

이하에서는 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하도록 한다.

도 1에는 본 발명에 따른 오폐수 고도 처리 장치의 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 A-A 선을 따라 자른 단면도가 도시되어 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 오폐수 고도 처리 장치(100)는, 내부에 오폐수를 수용하는 수처리 탱크 본체(17)와, 상기 수처리 탱크 본체(17)로 오폐수가 유입되는 유입관(12)과, 상기 수처리 탱크 본체(17)로부터 고도 처리된 물이 유출되는 유출관(7)을 포함하여 구성된다.

상기 수처리 탱크 본체(17)의 내부에는 반송 수로(18)와 반응조(19)의 두 개의 공간으로 분할하는 수직 격막(5)이 설치된다. 반응조(19)로부터 월류하여 반응 수로(18)를 따라 내려온 물이 다시 상기 반응조(19) 하부로 유입될 수 있도록 상기 수직 격막(5)의 하단부는 개방되어 있다. 상기 반응조(19)는, 탈질 처리가 수행되는 무산소조(15)가 그 하부에 형성되고, 질산화 및 탈인 처리가 이루어지는 폭기조(16)가 그 상부에 형성되며, 상기 폭기조(16) 내에는 슬러지와 처리수를 고액분리하는 미세막이 구비된 멤브레인 모듈(4)이 잠긴 상태로 설치된다. 즉, 종래의 멤브레인 바이오 리액터에서 무산소조와 폭기조가 서로 수평으로 나란하게 설치되는 것과 달리, 본 발명에 따른 오폐수 처리 장치(100)에서는 무산소조(15)와 폭기조(16)가 상하로 수직하게 배치된 수직형 멤브레인 바이오 리액터를 채용하고 있는 것이다.

상기 무산소조(15)에는, 그 바닥에 상기 수처리 탱크 본체(17) 내부로 유입되는 유입수를 무산소조(15)의 내부 공간으로 균등 분배하는 유입수 분배기(1)가 구비되고, 일측에 상기 무산소조(15) 내에서 사공간(dead space)이 생기는 것을 방지하고, 동시에 슬러지가 하부에 침적되는 것을 방지하는 수중 교반기(2)가 구비된다.

도 3에는 도 2의 B-B 선을 따라 자른 단면도가 도시되어 있다.

도 3에 도시된 일실시예와 같이, 상기 유입수 분배기(1)는 중앙에서 상기 유입관(12)과 연결되고 방사형으로 배치되는 복수 개의 도관들로 구성된다. 상기 도 관들의 각각에는 소정 개수의 노즐(23)이 형성되어 있어, 상방향으로 유입수를 분출시켜 유입수의 흐름을 형성한다. 도 3의 실시예에서, 상기 노즐(23)은 반응조(19)의 바닥을 향하여 설치되어 있어 점선으로 표시되어 있다. 그러나 노즐(23)의 형성 방향은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 유입관(12)을 통하여 유입되는 유입수는 자연 유하에 형태로 유입될 수도 있으며, 필요에 따라서는 펌프(도시되지 않음) 등에 의하여 압송될 수도 있다.

상기 무산소조(15)와 폭기조(16)의 사이에는 송풍기(도시되지 않음)와 연결되어 상기 폭기조(16) 내에 산소를 공급하는 산기기(3)가 구비된다.

앞서 언급한 것과 같이, 상기 폭기조(16) 내에는 내부에 다수의 미세막이 구비된 멤브레인 모듈(4)이 구비되는데, 유입수는 상기 멤브레인 모듈(4)의 하부로부터 상부로 통과하면서 내부에 구비된 미세막에 의해 슬러지와 처리수의 고액분리가 이루어진다. 상기 멤브레인 모듈(4)의 상부에는 상기 멤브레인 모듈(4)을 통과한 처리수를 상기 유출관(7)을 통하여 소정의 저장공간으로 이동시키는 유출펌프(도시되지 않음)가 구비된다. 상기 멤브레인 모듈(4)의 상세한 구조는 본 발명의 특징적인 부분이 아니므로 그 설명과 도면에의 도시를 생략한다. 이는 또한, 본 발명의 특징이 어떠한 구조의 막분리 구조가 구비되는 경우에도 적용이 가능하다는 것을 의미한다.

도 4에는 수직 격막 상단부의 확대도가 도시되어 있다.

도 4에 도시된 것과 같이, 상기 수직 격막(5)의 상단부(8)에는 소정 개수의 개구부(14)가 형성되고, 각 개구부(14)마다 개구부(14)를 개폐하는 수문(13)이 구 비된다. 상기 수문(13)은 상기 수직 격막(5)의 면을 상하방향으로 슬라이딩하면서 이동이 가능하도록 설치되어 상기 개구부(14)의 넓이를 조절한다. 상기 수문(13)들을 상하방향의 구동하기 위해, 모터(도시되지 않음)와 같은 구동수단을 별도로 설치하여 제어부(도시되지 않음)에서 자동으로 조종할 수 있도록 구성할 수 있다.

본 발명에 따른 오폐수 처리 장치(100)에는, 반응조(19) 내에 채워진 물의 수위를 측정하는 수위 측정 센서(9)와, 상기 유입관(12)에 설치되어 유입관(12)으로 유입되는 오폐수의 양을 조절하는 밸브(20)와, 상기 수위 측정 센서(9)로부터 측정된 수위값을 입력받아 미리 설정된 수위값과 비교하고 그 결과에 따라 상기 밸브(20)를 제어하여 반응조 내의 수위를 조절하는 제어부(도시되지 않음)가 더 구비될 수 있다. 한편, 유입되는 오폐수를 압송하기 위하여 유입관(12)에 펌프(도시되지 않음)를 설치하는 경우에는 상기 밸브(20)가 필요하지 아니하며, 상기 제어부는 펌프의 작동을 제어하는 기능을 가지게 된다. 상기 제어부는 상기 수처리 탱크 본체(17) 외부에 별도로 구비되어 작업자가 그 설정을 조작할 수 있도록 한다.

또한, 상기 반응조의 상부에는 응집제 주입관(10) 및 알칼리제 주입관(11)이 설치된다. 상기 응집제 주입관(10) 및 알칼리제 주입관(11)은 각각의 공급원(도시되지 않음)과 연결된 파이프에 밸브(21, 22)가 각각 설치된 형태로 구성될 수 있다. 상기 응집제 주입관(10) 및 알칼리제 주입관(11)은 각각 상기 반응조에 응집제와 알칼리제를 투입한다. 상기 응집제 및 알칼리제는 물속에 남아있는 인(P) 성분을 제거하는 기능을 한다.

이하에서는 상술한 것과 같이 구성되는 본 발명에 따른 오폐수 고도 처리 장 치(100)의 동작을 설명한다.

먼저, 상기 유입관(12)을 통하여 오폐수가 상기 수처리 탱크 본체(17)로 유입된다. 유입수는 상기 유입수 분배기(1)를 통하여 상방향으로 상기 무산소조(15)의 내부 공간으로 균등 분배된다. 상기 무산소조(15)내에는 고농도의 슬러지층이 형성되어 유입수를 탈질 처리하게 된다. 이때, 상기 수중 교반기(2)가 작동하여 상기 무산소조(15) 내에서 사공간이 형성되는 것과 슬러지가 하부에 침적되는 것을 방지한다. 무산소조(15) 내에서 탈질 처리된 처리수는 상기 송풍기(6)와 결합된 산기기(3)를 통하여 산소를 공급받으면서 무산소조(15) 상부에 위치하는 폭기조(16)로 이동된다.

산기기(3)에서 발생된 기포는 폭기조(16) 내에 용존산소를 공급하고, 동시에 멤브레인 모듈(4)을 통과하면서 막표면에서 전단력을 발생시키므로써, 상기 멤브레인 모듈(4) 내부에 구비된 미세막의 막표면에 슬러지가 부착되는 것을 방지한다.

폭기조(16)로 이송된 처리수는 멤브레인 모듈(4)을 통과하면서 슬러지와 처리수가 고액분리된다. 멤브레인 모듈(4)을 통과한 처리수는 별도로 설치되는 유출펌프(도시되지 않음)의 동력을 이용하여 상기 유출관(7)을 통하여 저장탱크(도시되지 않음)로 이송된다.

한편, 멤브레인 모듈(4)을 통과한 기포는 폭기조(16) 표면에서 파동을 발생시키는데, 이때 발생된 파동은 반응조(19)의 측벽으로 물을 밀어내게 되고 이중 일부는 상기 수직 격막 상단부(8)에 구비된 개구부(14)를 통과하여 별도의 동력없이 무산소조(15)로 반송된다. 이때, 물과 함께 상기 폭기조(16)의 수면에 부유하는 활 성 슬러지(반송 슬러지)가 일부 상기 개구부(14)를 통하여 상기 반송 수로(18)를 따라 상기 무산소조(15)로 반송된다.

즉, 유입수는 상기 무산소조(15)를 통과하여 상기 폭기조(16) 및 상기 멤브레인 모듈(4)을 통과하여 처리된 후, 유출관(7)을 통해 저장탱크로 이송되고, 멤브레인 모듈에 의하여 걸러지지 않은 활성 슬러지와 혼합된 상태의 물은 상기 폭기조에서 상기 수직 격막 상단부(8)의 개구부(14)를 통해 상기 무산소조(15)로 순환된다. 상기 무산소조(15)로 순환되는 유입수와 함께 활성 슬러지가 상기 무산소조(15)로 반송되는데 이러한 활성 슬러지를 반송 슬러지라고 된다.

한편, 상기 수직 격막 상단부(8)에 구비되는 복수 개의 수문(13)들을 각각 여닫거나, 상기 수위조절 장치로부터 입력된 수위 정보로부터 상기 유입관(12)으로 유입되는 오폐수의 양을 조절함으로써 수위를 조절하여 반송되는 물과 반송 슬러지의 양을 조절할 수 있다.

본 발명에 따르면, 종래의 무산소조와 폭기조가 수평적으로 나란히 배치되는 멤브레인 바이오 리액터의 구조를, 무산소조와 폭기조가 수직으로 배치되도록 수직화함으로써, 오폐수 고도 처리 장치의 크기를 줄일 수 있고, 이에 따라 장치 설치를 위한 사용부지가 최소화시킬 수 있다. 따라서, 중소규모의 하수처리장이나 특히 부지가 제한적인 대형빌딩 및 마을하수도와 같은 소형 오폐수처리에도 적용이 가능하다.

또한, 종래에는 반송 슬러지를 폭기조에서 무산소조로 반송시키기 위해 별도의 펌프를 설치하였으나, 본 발명에서는 반송 슬러지를 내부 반송시킬 때, 별도의 동력이 소요되지 않기 때문에 설비의 가동 동력을 줄일 수 있다.

또한, 생물학적 산소 요구량(BOD), 부유물질량(Suspended Solids: SS), 총 질소(Total Nitrogen: TN), 총 인(Total Phosphorous: TP) 및 대장균 제거가 가능하기 때문에 별도의 추가시설 없이도 처리수의 재활용이 가능하다.

또한, 본 발명의 오폐수 처리 장치는 그 구성이 종래의 MBR을 이용하는 장치에 비해 단순하여 적은 인원으로 운영제어가 가능하다.

따라서, 향후 물 재활용율은 점차 높아질 것으로 예상되며, 이와 관련된 기술은 수자원보전이라는 사회적인 필요성에 따라 처리시설의 수요가 증가할 것으로 기대되는 만큼, 이와 관련된 기술을 개발함에 따른 경제적인 효과도 클 것으로 기대된다.

이상에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능할 것이다.

Claims (4)

1. 삭제
2. 내부에 유입된 오폐수를 탈질 처리하는 무산소조(15)가 하부에 형성되고, 상기 무산소조(15)로부터 탈질 처리된 유입수를 질산화 및 탈인 처리하는 폭기조(16)가 상기 무산소조(15)의 상부에 형성되는 반응조(19);

   상기 폭기조(16)의 상단과 상기 무산소조(15)의 하단을 연결하여, 상기 폭기조(16) 내의 활성 슬러지를 상기 무산소조(15)로 반송하는 반송 수로(18);

   상기 무산소조(15)의 하부에 설치되어 외부로부터 유입되는 오폐수를 상방향으로 압송하는 유입수 분배기(1);

   상기 무산소조(15)와 상기 폭기조(16) 사이에 구비되어 상기 폭기조(16)를 향하여 상방향으로 공기를 공급하는 산기기(3); 및

   상기 폭기조(16) 내에 설치되고, 그 내부에 다수의 미세막을 구비하여 오폐수 내의 슬러지와 처리수를 고액분리하는 멤브레인 모듈(4)을 포함하며;

   상기 반응조(19)와 상기 반송 수로(18)는, 하나의 일체형 탱크 내에 수직 격막(5)을 설치하여 분할함으로써 형성되는 두 개의 공간 내에 각각 형성되고,

   상기 수직 격막(5)의 하단부는 개방되어 상기 반송 수로(18)와 상기 반응조(19) 간에 물질 이동이 가능하며,

   상기 수직 격막의 상단부(8)에는 개구부(14)가 다수 형성되어, 상기 폭기조(16)에서 발생하는 진동에 의해 상기 폭기조(16) 수면에 부유하는 활성 슬러지가 상기 개구부(14)를 통해 상기 반송 수로(18)로 유입되고 다시 상기 무산소조(15)로 내부 반송되는 것을 특징으로 하는 오폐수 고도 처리 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 무산소조(15) 내에는, 사공간이 형성되는 것과 슬러지가 상기 무산소조(16)의 하부에 침적되는 것을 방지하는 수중 교반기(2)가 구비되는 것을 특징으로 하는 오폐수 고도 처리 장치.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 유입수 분배기(1)에는 오폐수 공급원과 연결되는 유입관(12)이 설치되고, 상기 유입관(12)에는 유입되는 오폐수의 수량을 조절하는 밸브(20)가 설치되며,

   상기 반응조(19)의 상부에는 반응조(19) 내에 채워진 물의 수위를 측정하는 수위 측정 센서(9)가 설치되고,

   상기 수위 측정 센서(9)로부터 측정된 수위값을 입력받아 미리 설정된 수위값과 비교하고 그 결과에 따라 상기 유입관(12) 상에 설치된 밸브(20)를 제어하여 반응조(19) 내로 유입되는 오폐수의 수량을 조절하는 제어부가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 오폐수 고도 처리 장치.

Images