상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 오폐수 처리장치는, 비중이 물보다 큰 고정상 여재를 포함하여 구성된 하부여재층; 상기 하부여재층의 상부에 설치되며, 비중이 물보다 작은 부상식 여재를 포함하여 구성된 상부여재층; 상기 상부여재층의 상부에 배치되며, 역세척수조로서 사용되는 처리수조; 상기 하부여재층에 유입수를 공급하는 유입관; 및 상기 하부여재층에 역세척시 역세공기를 주입하는 역세공기주입관;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 하부여재층의 여재는 그 직경이 상기 상부여재층의 여재보다 크도록 구성된다.
상기 하부여재층과 상부여재층의 여재의 비중과 크기의 바람직한 예로서, 상기 하부여재층의 여재는 비중이 1.1~5.0 g/cm3 이고 직경이 5.0~30mm 이며, 상기 상부여재층의 여재는 비중이 0.01~0.9g/cm3 이고 직경이 1.0~5mm 이다.
한편, 상기 하부여재층와 상기 상부여재층 사이에는 상기 상부여재층의 높이의 10~30% 의 공간이 형성된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 반응조 벽체와 하부 여재층 사이에 소정의 공간을 두어, 역세척시 단면축소에 의하여 역세척수의 하강속도를 증가시켜 상ㆍ하부 역세척 효과를 증가시킨다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세 하게 설명한다.
본 발명(도 5)은 상기 목적을 달성하기 위하여 상부와 하부로 분리되어 있는 다층생물막 여과공정으로 유입 - 무산소 - 호기 - 반송 및 유출수조로 구성되며 상부의 유출수조는 역세척시 세척수로 사용되고 질소제거효율을 높이기 위해 내부반송을 실시한다.
상기 흐름도와 같이 도 5는 본 발명의 상향류식 다층생물막여재의 오ㆍ폐수처리를 나타낸 개략 도면이다. 본 발명의 구조는 유입관(1), 고정상 여재를 포함하여 구성되는 하부여재층(3), 공기주입 산기관(5), 부상식 여재를 포함하여 구성되는 상부여재층(6), 스트레이너(7), 처리수조(8), 처리수관(9)을 각각 순차적으로 하부로부터 상방으로 배치하여 구성되며, 처리수를 다시 유입관(1)으로 반송시키는 반송관(10)과 역세척시 역세공기를 주입하는 역세공기주입관(4), 역세공기 균등분배 및 속도상승을 위한 하부집수장치(2)로 이루어져 있다.
이상과 같은 구조로 이루어진 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.
도 5에서와 같이 오ㆍ폐수는 상향류로 유입관(1)을 거쳐, 하부집수장치(2)를 통해 비중과 직경이 상부여재층(6)의 여재보다 큰 고정상 여재로 구성된 하부여재층(3)을 거치면서 1차 여과 및 탈질산화를 수행한다. 이러한 하부 여재층(3)은 상부보다 공극이 커서 고형물 포집량이 커지므로 탈질산화를 수행함과 동시에 응집제를 주입하더라도 손실수두 증가율을 크게 감소시킬 수 있으며, 간단한 역세로 인해 역세수량 감소와 함께 역세주기를 크게 감소시킬 수 있다.
하부 여재층(3)을 거치고 상부 여재층(6)에서 잔여 미세 고형물을 여과하고 공기주입 산기관(5)에서 공급되는 공기를 이용하여 호기성 미생물에 의해 잔여 유기물을 이용하여 암모니아를 질산화시킨다.
상부 여재층(6)에서는 2차 여과 및 질산화 기능을 수행하여 최종 처리수는 여재가 유출되지 않도록 설치된 스트레이너(7)를 통해 처리수관(9)으로 유출된다. 그리고 질산화된 질산성 질소를 제거하기 위해 다시 유입관(1)에 반송을 함으로써 질소제거효율을 증가시키며, 상부에 있는 처리수조(8)는 역세척시 역세척수로 사용된다.
이와 같은 방식으로 운전되면서 일정기간 운전에 의하여 고형물 부하량의 증가 등으로 여과상태가 불량하여 역세척이 필요할 경우 오ㆍ폐수 유입관(1)의 밸브를 닫고 역세공기주입관(4)을 통해 역세공기를 주입하여 유로가 개선된 하부집수장치(2)를 통해 역세공기 상승속도를 증가시켜 하부의 고정상 여재층(3)을 팽창시켜 역세척이 원활하게 이루어진다. 그리고 하부로부터 유입되는 역세공기에 의해 하부 여재층(3)의 팽창 및 역세척과 함께 부착성 미생물이 성장하는 상부 여재층(6)을 교란시킨다. 그리고 공기가 상부로 빠져나간 후에 상부에 있는 역세척수조(처리수조 8)에서 하부로 역세척수가 유입되어 상부 여재층(6)을 팽창 및 교란시켜 여재에 붙어있는 고형물을 하부로 세척하여 역세척 슬러지관(11)을 통해 배출된다.
한편, 전술한 바와 같이 본 발명에서는 비중과 직경이 상이한 여재를 상부와 하부로 분리ㆍ배치하였다. 이때, 하부 여재층(3)의 여재는 비중이 물(비중 ρ= 1) 보다 크고(ρ> 1) 상부 여재층(6)의 여재는 비중이 물보다 작다(ρ< 1).
보다 구체적으로는, 하부 여재층(3)은 비중이 1.1~5.0 g/cm3 이고 직경이 5~30mm 인 고정식(침지식) 여재로서 구성됨으로써, 유입수 내에 고형물이 큰 입자를 여과하고 다량의 고형물을 포집함으로서 손실수두 증가 방지 및 탈질미생물을 충분히 확보할 수 있으며, 또한 폐수의 성상에 맞게 다양한 크기 및 비중의 조합을 구성할 수 있다. 또한, 상부 여재층(6)은 비중이 0.01~0.9g/cm3이고 직경이 1~5mm 인 부상식 여재로서 구성되어, 하부에서 제거되지 못한 미세 입자의 제거와 함께 질산화를 수행한다.
본 발명에서는 손실수두가 주로 발생하는 하부에서 짧은 시간에 간단한 공기 주입에 의한 슬러지 배출만으로도 운전이 가능하므로 역세 주기를 감소시킴으로써 역세 횟수 및 역세수 절감 효과와 성장속도가 느린 질산화 미생물을 다량 확보할 수 있으므로 고형물 제거와 함께 질소 및 인을 제거할 수 있는 우수한 고도처리기술이다.
또한 본 발명은 기존의 공정에서 가장 큰 문제점으로 지적되었던 역세척 문제를 보완한 공정(도 6 참조)으로서, 유입수가 유입되는 하부집수장치(2)의 단면적을 감소시키기 위해 하부집수장치(2)를 관형상으로 설치하여 역세공기의 상승속도를 증가시켜 역세척을 원활하게 하였으며, 도 5와 같이 전체적인 반응조 벽체와 하부여재층(3) 벽체 사이에 공간을 두어 역세척시 상부에서 하부로 내려오는 역세척수의 하강속도를 증가시킴으로서 난류를 형성하여 여재에 부착된 미생물을 효율 적으로 탈리시킴으로써 원활한 역세척이 이루어지도록 하였다.
그리고 상부여재층(6)과 하부여재층(3) 사이에 상부여재층(6) 깊이의 약 10~30% 의 공간을 두어 역세척시 상부여재층(6)에서의 교란 및 팽창을 원활하게 할 수 있도록 하였다. 이렇게 상ㆍ하부의 여재층(6, 3)을 분리함으로써 여과지속시간의 증대, 역세척 주기 감소 및 역세척수 감소등의 효과를 얻을 수 있으며, 외부탄소원이나 응집제를 주입하여 발생하는 손실수두 문제를 효과적으로 해결하므로 질소 및 인제거 효과가 매우 높게 된다.
이러한 다층생물막여과공정은 탈질산화 성능과 여과 능력, 외부탄소원 및 응집제 주입에 의한 질소 및 인 제거, 역세척 등 기존의 공정에서 지적된 문제점을 모두 해결할 수 있다.
한편, 전술한 바와 같은 하부 여재와 상부여재의 비중과 크기는 다음과 같은 점을 고려하여 결정되었다.
아래의 표 1은 유입 SS 농도가 30 mg/l 이하일 때 하부여재로 사용되는 고정식 여재의 비중에 따른 평가를 나타낸 것이고 표 2는 크기에 따른 평가를 나타낸 것이다.
하부여재로 사용되는 고정식(침지식)여재는 비중이 1 g/cm3 보다 작게 되면 부상식 여재와 완전한 상분리가 어려워지므로 부상식 여재와 교란 및 치환되어 처 리수질을 악화시킬 뿐만 아니라 고정상 여재에 의해 역세척 슬러지 배관의 폐색과 함께 여재유출이 발생할 수 있다. 또한 비중이 5g/cm3 이상으로 너무 커지게 되면 역세척시 여재 팽창이 어려워 역세척이 불가능해지거나 여재 팽창을 위한 고압의 역세척 공기가 필요하게 되어 고압의 공기에 의해 처리수질의 악화를 가져오게 된다.
여재크기가 5 mm미만일 때 공극이 작아져 하부여재층의 슬러지 폐색에 의해 손실수두가 급격히 증가하게 되어 운전이 곤란해지며, 여재크기가 30 mm 이상일 때 공극이 너무 크게 되어 수질악화와 함께 탈질미생물의 확보가 어려워지므로 본래의 여과 및 탈질산화의 수행이 불가능해진다. 그러므로 본 고안에서 고정상 여재로서 사용할 수 있는 기준은 여과, 탈질산화, 역세척을 모두 고려하여 비중 1.1~5.0 g/cm3이고 직경 5~30 mm를 사용하였다.
하부 여재층의 고정식 여재(Ceramin)의 비중에 따른 평가
항 목 |
비 중 (g/cm3) |
1 이하 |
1.1 - 5 |
5.1 이상 |
처리수 SS(mg/l) |
20 이상 |
10 이하 |
25 이상 |
역세척 용이성 |
불량 |
양호 |
불량 |
역세척 주기 |
매우 짧아짐 |
양호 |
길어짐 |
역세시 여재 팽창 |
양호 |
양호 |
불량 |
하부 여재층의 고정식 여재(Ceramin)의 크기에 따른 평가
항 목 |
크 기 (mm) |
5 미만 |
5 - 30 |
31 이상 |
처리수 SS(mg/l) |
8 이하 |
10 이하 |
20 이상 |
역세척 용이성 |
불량 |
양호 |
불량 |
역세척 주기 |
매우 짧아짐 |
양호 |
길어짐 |
역세시 여재 팽창 |
불량 |
양호 |
불량 |
표 3은 유입 SS 농도가 30 mg/l 이하일 때 상부 여재층에 사용되는 부상식 여재의 비중에 따른 평가를 나타낸 것이고 표 4는 크기에 따른 평가를 나타낸 것이다.
상부 여재층은 부상식 여재층으로 비중이 1보다 작아야 본래의 기능을 하게 된다. 하지만 비중이 0.9 g/cm3 이상일 경우 부상능력이 현저히 저하되어 역세척시 여재가 팽창될 때 여재 유출이 발생되며 역세척 후 회복속도가 느리게 되어 처리수질의 악화를 초래한다. 또한 비중이 0.01 g/cm3 이하일 경우 비중이 너무 작아 부력에 의한 상승속도가 너무 커지므로 상부에 압력을 증가시켜 공정에 무리를 가할 수 있으며, 비중이 너무 작아 역세척시 여재팽창이 어렵게 되어 역세척이 불가능해진다.
여재 크기가 1 mm 이하일 경우 여재가 상부 유출수와 함께 유출될 수 있으며, 여재 크기의 감소로 인한 공극이 현저히 감소하여 슬러지 폐색이 빈번해져 손실수두를 증가시키게 되어 역세척 주기가 짧아지게 된다. 또한 5 mm이상일 경우 공극이 너무 커져서 고형물이 쉽게 유출되어 유출수의 수질을 현저히 저하시킨다.
그러므로 본 고안에서 부상식 여재로서 사용할 수 있는 기준은 여과, 질산화, 역세척을 모두 고려하여 비중 0.01 - 0.9 g/cm3 이고 직경 1 - 5 mm를 사용하였다.
상부 여재층의 부상식 여재(EPP)의 비중에 따른 평가
항 목 |
비 중 (g/cm3) |
0.01 이하 |
0.01 - 0.9 |
0.9 이상 |
처리수 SS(mg/l) |
5 이하 |
5 이하 |
20 이상 |
역세척 용이성 |
불량 |
양호 |
불량 |
역세척 주기 |
매우 짧아짐 |
양호 |
길어짐 |
역세시 여재 팽창 |
불량 |
양호 |
불량 |
상부 여재층의 부상식 여재(EPP)의 크기에 따른 평가
항 목 |
크 기 (mm) |
1 미만 |
1 - 5 |
5 이상 |
처리수 SS(mg/l) |
3 이하 |
5 이하 |
30 이상 |
역세척 용이성 |
불량 |
양호 |
불량 |
역세척 주기 |
매우 짧아짐 |
양호 |
길어짐 |
역세시 여재 팽창 |
불량 |
양호 |
불량 |
한편, 역세시에는 상부여재를 확장하여 틈을 벌려줌으로써 여재와 여재를 확장시켜 주며, 이와 같은 과정에 있어서 상기 하부여재층과 상기 상부여재층은 상호 이격되도록 배치되어 도 5 에 도시된 바와 같이 하부여재층과 상부여재층 사이에 소정 크기의 공간이 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 실험 결과에 따르면 상기 공간의 크기는 상기 상부여재층의 높이의 10~30% 가 되도록 하는 것이 효율을 가장 높일 수 있다.
표 5는 유입유량 0.72 m3/hr, 고형물 부하량 0.005 kg/m3/d, 선속도(LV) 2 m/hr에서 상기 발명된 부상식 여재와 고정식 여재를 사용한 다층생물막여과장치와 기존의 부상식 여재만을 사용한 다층여과에 대해 하수를 대상으로 비교한 것이다. 운전결과, 상기 발명된 다층생물막여과장치가 기존의 여과지보다 역세척 및 처리효율 측면에서 뛰어난 것으로 나타났다.
항 목 |
본 발명 |
종래 기술 |
역세주기 (응집제 주입시) |
20~30일(5~7일) |
7~10일(1~2일) |
역세수량 |
0.5m3/회 |
1m3/회 |
인 제거 도입가능성 |
용이하게 응집처리 |
여재의 잦은 폐색으로 운전곤란 |
질소제거 효율 |
80~90% |
60~70% |
장치의 높이 |
H<6.0m |
H>7.0m |