KR100643843B1 - 생물학적 여과를 포함하여 처리할 수 있는 복합기능형 오폐수처리용 반응조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생물학적 여과를 포함하여 처리할 수 있는 복합기능형 오폐수처리용 반응조(B.C.M.F., Biological Contact Media Filter)에 관한 것으로서, 그 구성은 무산소조(4)에서 유입된 오폐수가 투입되는 중앙배관(5a); 상기 중앙배관의 외주부에 배치되고 부유 미생물들을 고정시켜 유기물 처리효율이 향상되도록 하는 망상체 형상의 여재(21)가 다수개 충진된 여재충진부(30); 및 상기 여재(21)의 외주부에 배치되는 여과필터(20)가 다수개 충진된 활성탄충진부(31)를 포함하되, 상기 오폐수는 중앙배관(5a) 하부에서 중력에 의해 밀려나면서 여재(21)로 월류되어 생물학적 처리가 이루어지고, 다시 여과필터(20)로 월류되어 물리학적 여과가 이루어진 후 반응조월류둑(29)을 통해 고액분리조(6)로 배출되도록 하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 기존의 생물막 여과방식 및 물리 화학적 여과법칙의 단점인 슬러지 벌킹 문제를 해결할 수 있고, 슬러지 발생량을 현저히 줄일 수 있으며 낮은 F/M비 및 SRT로 운전이 가능한 처리시스템으로 적은 부지면적과 유지비용으로 안정적인 처리효율을 기대할 수 있는 등의 다양한 효과를 얻는다.

오폐수처리용 반응조(B.C.M.F., Biological Contact Media Filter), 산기장치, 여재, 반송라인

Description

생물학적 여과를 포함하여 처리할 수 있는 복합기능형 오폐수처리용 반응조{B.C.M.F., Biological Contact Media Filter}

도 1은 본 발명에 따른 생물학적 여과를 포함하여 처리할 수 있는 복합기능형 오폐수처리용 반응조를 이용한 오폐수처리과정을 나타낸 전체 공정도이다.

도 2는 본 발명에 따른 생물학적 여과를 포함하여 처리할 수 있는 복합기능형 오폐수처리용 반응조를 나타낸 개략도이다.

도 3은 본 발명에 따른 생물학적 여과를 포함하여 처리할 수 있는 복합기능형 오폐수처리용 반응조를 나타낸 개략평면도이다.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

1 : 오폐수유입관 2 : 혐기조

3 : 유량조정조 4 : 무산소조

5 : 반응조 5a : 중앙배관

6 : 고액분리조 7 : 소독방류조

8 : 농축저류조 9 : 처리수방류관

10 : 교반기 11 : 교반기

12 : ORP METER 13 : ORP METER

14 : DO METER 15 : MLSS SENSOR

16 : 반송라인 17 : 상등수이송라인

18 : 슬러지인발라인 19 : 슬러지인발라인

20 : 여과필터 21 : 여재(BCM-CET1,2,3)

22 : 여재충진부지지용스크린 23 : 활성탄충진부지지용스크린

24 : 산기장치 25 : 슬러지인발구 25': 중앙배관배수구

26 : 활성탄교체구 27 : 활성탄충진부분리장치

28 : 여재충진부분리장치 29 : 반응조월류둑

30 : 여재충진부 31 : 활성탄충진부

본 발명은 생물학적 여과를 포함하여 처리할 수 있는 복합기능형 오폐수처리용 반응조(B.C.M.F., Biological Contact Media Filter, 이하 같다.)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시간별, 계절별로 오염농도 및 배출량이 특히 심한 우리나라의 생활 오폐수 및 산업오폐수 처리에 안정적인 시스템을 제공하는 오폐수처리용 반응조에 관한 것이다.

생활수준의 향상과 산업화에 따라 생활 오폐수와 산업오폐수가 급격하게 증가되고 이에 따라 하천 및 호소의 수질이 크게 악화되고 있다.

이러한 하천과 호소의 수질악화는 댐이나 호소 등과 같이 지표수 또는 담수들 상수원으로 사용하는 우리나라와 같은 경우에는 수자원이 점점 고갈되고 있음을 의미하기도 한다.

이에 정부는 수자원의 수질개선을 위해 상수원 수질에 직접 영향을 미치는 지역을 상수원 보호 특별대책지역으로 지정하고 유기물질(BOD, COD, SS)의 규제강화뿐만 아니라 하천, 호소의 부영양화의 주범인 질소와 인의 규제를 실시하고 있다.

상기의 종래 기술, 즉 생물학적 처리 방법의 대부분은 유기물 제거 효율이 높지만 질소나 인 등의 처리 효율은 낮은바 이들을 효율적으로 제거할 수 있는 고도처리시스템이 요구되는 실정이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 유입수내의 유기물 제거효율을 높이며 여과도 함께 이루어지도록 하여 전체적인 처리조 용적을 축소할 수 있는 등의 소요부지와 비용을 줄일 수 있도록 하는 동시에 여재 및 활성탄충진부를 여러 부분으로 분리되도록 하여 이들의 유지 관리가 수월하게 되도록 하는 오폐수처리용 반응조를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 오폐수처리용 반응조는 그 구성은 무산소조에서 유입된 오폐수가 투입되는 중앙배관; 상기 중앙배관의 외주부에 배치되고 부유 미생물들을 고정시켜 유기물 처리효율이 향상되도록 하는 망상체 형상의 여재가 다수개 충진된 여재충진부; 및 상기 여재의 외주부에 배치되는 여과필터가 다수개 충진된 활성탄충진부를 포함하되, 상기 오폐수는 중앙배관 하부에서 중력에 의해 밀려나면서 여재로 월류되어 생물학적 처리가 이루어지고, 다시 여과필터로 월류되어 물리학적 여과가 이루어진 후 반응조월류둑을 통해 고액분리조로 배출되도록 하는 것을 특징으로 한다

본 발명에 따른 반응조에 있어서, 상기 여과필터는 공지의 활성탄흡착제인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에 따른 반응조에 있어서, 상기 반응조의 하단부에 는 호기성 미생물에 산소를 공급하는 산기장치 및 슬러지의 인발을 통해 인을 방출시키기 위한 슬러지인발구가 구비된 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에 따른 반응조에 있어서, 상기 반응조는 여재충진부와 활성탄충진부를 여러 부분으로 분리, 조립할 수 있도록 된 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 오폐수처리용 반응조 내에는 여재와 활성탄이 충진되어 있어 생물학적 처리공정(21)과 물리학적 여과과정(20, 자갈-모래-활성탄의 3층 구조 : 공지의 구성요소)을 함께 가지고 있다.

또한, 상기 반응조 내에 충진된 여재는 미생물이 부착되어 있는 망상체로서 보통 3개 정도 여재충진부에 충진되어 사용된다. 이와 같은 여재는 아래와 같은 여러 가지 조건을 최대한 충족시켜 활성슬러지와 비슷한 부유미생물 농도조건에서도 낮은 F/M비(Food-to-Microorganism : 활성오니법에서 먹이와 미생물의 비율) 및 SRT(Solid Retention Time : 고형물 체류시간으로 폭기조내의 MLSS(Mixed Liquor Sludge Volume : 반응조내 혼합액 부유물질 또는 미생물과 유기물의 혼합액 농도)의 유지가 가능하도록 하여 슬러지 팽화현상을 억제할 수 있도록 해야 한다.

이러한 여재가 갖추어야 할 조건을 살펴보면,

1) 보유되는 미생물의 양을 접촉재의 재질과 표면적에 비례하므로 미생물이 부착하기 좋은 재질이고 표면적이 넓을 것.

2) 폐색현상에 의한 미생물 탈리가 적어야 하며 최대의 공극률이 유지되어야 함.

3) 접촉재가 액체, 기체의 흐름에 방해되지 않아야 함.

4) 유동상의 경우 부서지는 현상과 배관을 막는 현상이 없도록 하여야 하며, 고정상의 경우 처짐 현상이나 끊어지는 현상이 없을 것 등이 있다.

이하, 첨부된 도면에 의거 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

도 2 및 도 3에서 나타낸 것과 같이, 본 발명에 따른 오폐수처리용 반응조(5) 내에는 부유 미생물들을 고정시켜 유기물 처리효율이 향상되도록 하는 여재가 구비되어 있으며, 이 여재(21)는 미생물이 부착된 망상체(금속제 그물망 내부에 표면에 구멍이 형성되고 내부에 공간이 형성된 육면체 형태의 것 등이 다수개 랜덤하게 수용되어 있는 형태)이다.

상기 반응조(5) 내에는 여과 공정을 가미시켜 전체적인 처리조 용적을 줄일 수 있도록 한 여과필터(활성탄흡착제)(20)가 더 구비되어 있는데 상기 여과필터(활성탄흡착제)(20)는 자갈-모래-활성탄의 3층 구조를 갖는 공지의 구성요소이다.

상기 반응조(5)의 하단부에는 호기성 미생물에 산소를 공급하는 산기장치(24) 및 농축저류조(8)로 슬러지의 인발을 통해 인을 방출시키기 위한 슬러지인발구(25)가 구비되어 있다.

상기 반응조(5)는 여재의 파손이나 슬러지벌킹이 일어나 다시 종오니를 심거나 할 때 여재충진부(30)를 교체한 뒤 다시 장착하여 처리할 수 있으며, 또는, 여과필터(20)의 경우 각 현장 상황에 따라 일정주기로 분리 교체하여 줄 수 있도록 각각의 여재충진부(30)와 활성탄충진부(31)가 여러 부분으로 분리, 조립할 수 있도록 할 수 있다.

여기서, 상기 반응조(5)의 미 설명 부호 14는 DO(Dissolved Oxygen) METER를 나타낸 것이고, 15는 MLSS(Mixed Liquor Sludge Volume) SENSOR를 나타낸 것이며, 22는 여재충진부지지용스크린을 나타낸 것이고, 23은 활성탄충진부지지용스크린을 나타낸 것이며, 26은 활성탄교체구를 나타낸 것이고, 27은 : 활성탄충진부분리장치를 나타낸 것이며, 28은 여재충진부분리장치를 나타낸 것이고, 29는 반응조월류둑을 나타낸 것이다.

다음으로 본 발명의 오폐수처리용 반응조(5)를 이용한 전체적인 오폐수처리장치에 대해 첨두된 도면 1를 참고로 하여 설명한다.

오폐수처리장치는 최초 유입 오폐수에 대한 유기물 저장과 인의 방출이 이루어지는 혐기조(2)와, 이 혐기조(2)에서 유입된 오폐수의 유입농도 및 부하유량을 일정하게 유지시켜 주는 동시에 오폐수에 폭기되어 질산화가 일어나는 유량조정조(3)와, 이 유량조정조(3)에서 질산화된 질소화합물의 탈질이 일어나 질소가 제거되게 하는 무산소조(4)와, 상기 무산소조(4)에서 질소가 제거된 오폐수에 대해 생물학적 처리와 물리학적 여과가 이루어지는 본 발명의 장치인 반응조(5) 및 이 반응조(5)에서 유입된 오폐수의 고액분리를 수행하여 슬러지를 방출하는 고액분리조(6)를 포함하는 구성으로 되어 있다.

상기 혐기조(2)와 무산소조(4)에는 층 분리 현상을 방지하기 위한 교반기(10,11)가 각각 설치되어 있으며, 특히, 혐기조(2)의 교반기(10)는 완속교반기를 사용하고, 무산조조(4)의 교반기(11)는 급속교반기를 사용한다.

여기서, 상기 혐기조(2)와 무산소조(4)의 미 설명 부호 12, 13은 각각 ORP METER(산화환원전위 미터)를 나타낸 것이다. 상기 반응조(5) 내의 유입오수 부하량보다 미생물이 부족할 경우 미생물과 유기물의 혼합액농도 상태가 최적이 되도록 고액분리조(6)에서 무산소조(4)로 오폐수를 반송시키는 반송라인(16)이 더 구비되어 있다.

이 고액분리조(6)의 저면에는 농축저류조(8)로 슬러지를 인발시키기 위한 슬러지인발라인(18)이 마련되어 있다. 미 설명 부호 17은 상기 농축저류조(8)에서 혐기조(2)로 이어지는 상등수이송라인을 나타낸 것이다. 도 1 내지 도 3에서 나타낸 것과 같이, 본 발명에 따른 오폐수처리방법은 혐기조(2)에서 최초 유입 오폐수에 대한 유기물 저장과 인의 방출이 이루어지게 하는 단계와, 유량조정조(3)에서 상기 오폐수의 유입농도 및 부하유량을 일정하게 유지시켜 주는 동시에 오폐수를 폭기시켜 질산화가 일어나게 하는 단계와, 무산소조(4)에서 상기 질산화된 질소화합물의 탈질이 일어나 질소가 제거되도록 하는 단계와, 반응조(5)에서 상기 질소가 제거된 오폐수에 미생물의 활성을 높여 생물학적 처리가 이루어지도록 하는 단계 및 고액분리조(6)에서 상기 오폐수의 고액분리를 수행하여 슬러지를 방출시키는 단계를 포함하는 구성으로 되어 있다.

이러한 구성에 따른 오폐수처리공정을 살펴보면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이, 우선 오폐수가 오폐수유입관(1)을 통하여 오폐수 처리장으로 유입된다. 그리고, 제일 먼저 혐기조(2)에 유입된 오폐수는 일단 이곳에서 유기물저장과 인의 방출이 일어난다. 이 혐기조(2)에는 층 분리 현상을 방지 하기 위해 완속 교반기(10)가 설치되어 있다. 이 혐기조(2)를 거친 오폐수는 인의 방출이 이루어진 다음 유량조정조(3)에 유입된다. 상기 유량조정조(3)는 오폐수의 유입농도 및 부하유량을 일정하게 유지시켜 본 발명의 반응조(5) 공정 중 급작스런 변동부하를 줄여주고 처리효율이 안정되게 하기 위한 유량균등조 역할과 함께 폭기가 되어 질산화가 일어나게 한다.

그런 다음, 오폐수는 무산소조(40)로 유입된다. 여기서는 질산화된 질소화합물들의 탈질이 일어나 질소의 제거가 이루어지게 되는 것이다.

상기 무산소조(4)를 거쳐 오폐수가 반응조(5)에 유입되는데 이 반응조(5)에서의 유기물처리는 기존 공법인 활성슬러지법의 폭기조의 처리에 해당되며, 공법의 고질적인 문제인 슬러지 벌킹(BULKING) 문제를 해결하기 위하여 소정의 생물막 공정을 가미한 공정으로, 접촉타입의 여재(21)를 투입하여 기존의 부유 미생물들을 여재(21)에 고정시킬 수 있도록 하여 유기물 처리효율을 향상시켰으며, 활성탄흡착제(20)를 투입하여 여과공정을 같이 가미하여 전체적인 처리조 용적을 줄일 수 있게 되는 것이다. 또한 반응조(5)를 원통형으로 하여 최소의 설치면적으로 최대의 접촉면적(처리면적)을 갖도록 하였다.

그리고, 상기 반응조(5) 하부의 슬러지인발구(25)에서 슬러지 인발을 통해 인을 방출할 수 있으며, 고액분리조(고체액체 분리조, 여기서는 슬러지를 방출)(6)에서 무산소조(4)로의 오폐수 반송(16)을 통해 최적의 MLSS(Mixed Liquor Sludge Volume) 상태를 유지할 수 있게 된다. 또한, 유기물을 효율적으로 처리하기 위해 미생물의 특성에 맞는 여재의 재질과 형태로서, 다양한 기능을 갖는 미생물이 부착 된 여재(미생물이 부착된 망상체)를 사용하였다. 이 여재는 고농도의 미생물이 부착되어 반응조의 MLSS농도를 증가시킬 수 있으며, 이에 따른 짧은 HRT(Hydraulic Rrtention Time, 수리학적 체류시간)으로 처리효율을 극대화 시킬 수 있게 되는 것이다.

상기의 처리공정에서 유기물 및 질소제거 메카니즘을 살펴보면 하루 동안 함유된 질소는 보통 가정오수에서 발생하며 유기질소와 암모늄 형태의 질소를 포함한다. 이러한 질소원은 인체의 단백질 신진대사 결과 나타나는 부산물이다. 처음 배출되는 가정하수는 약 60%의 유기질소와 40%의 암모니아성 질소로 구성된다. 유기질소는 미생물의 효소작용과 요소의 가수분해 결과 암모니아성 질소로 전환되며 생하수 중에는 아질산염이나 질산염을 함유하지 않는다.

생물학적 질소 제거는 수중에 존재하는 암모니아성 질소를 호기성 조건에서 산화시켜 질산화과정과 무산소 조건에서 질산성질소를 환원시켜 질소가스의 형태로 대기중에 방출하는 탈질과정으로 이루어진다.

질산화 탈질반응을 반응식으로 표현하면 다음과 같다.

NH⁺ ₄ + 3/2O₂ -> NO^- ₂ + H₂O+(240 ~ 350KJ) - ①

NO^- ₂ + 1/2O₂ -> NO^- ₃ + (65 ~ 90KJ) - ②

1/2NO^- ₃ + H⁺+ e^- -> 1/2H₂O + 1/2NO^- ₂ - ③

1/3NO^- ₂ + H⁺+ e^- -> 1/3H₂O + 1/6N₂ + 1/3OH - ④

1/5NO^- ₃ + H⁺+ e^- -> 2/5H₂O + 1/10N₂ + 1/5H^- - ⑤

상기 식에는 보는 바와 같이, 질산화반응은 암모니아성질소(NH⁺ ₄ -N)를 기질로 하여 아질산성질소(NO^- ₂ -N)를 거쳐 질산성질소(NO^- ₃-N)까지 산화되는 것으로서, 주 반응식은 상기 ①, ②와 같은 2단계 반응으로 설명된다.

탈질화는, 아질산성질소(NO^- ₂ -N)와 질산성질소(NO^- ₃ -N)와 질산성질소(NO^- ₃ -N)가 무산소 조건에서 탈질화(Denitrobacter)에 의하여 NO, N₂O 및 N₂가스로 환원된다.

정상적인 탈질화과정의 생화학적 경로는 상기식 ③, ④번이고, 총괄적인 탈질 반응식은 ⑤로 설명할 수 있다.

탈질화 공정에 이용되는 탄소원은 탈질화를 신속하게 진행할 수 있어야 하므로 생물학적으로 쉽게 분해되는 유기물(Readily Biodegradable Organics)이 가장 유리하다.

다음으로 인의 제거 메카니즘에 대해서 알아보면,

인은 생물학적 처리시 세포합성을 통하여 유기물과 함께 제거가 가능하다. 미생물의 성장에 필요한 영양소 구성 성분비 BOD : N : P = 100 : 5 : 1에서 미생 물 내의 인 함량은 1 ~ 2% 정도인데 일반 활성슬러지법에서 인을 제거하는 경우의 효율은 BOD/P비, SRT 등에 따라 달라지나 보통 10 ~ 30% 정도로 알려져 있다. 활성슬러지에서 신진대사에 필요한 양 이상으로 인이 섭취되어 제거되는 현상을 과잉섭취(luxury uptake)라고 하며, 혐기성 상태와 호기성 상태를 반복하면 혐기성 상태에서 인이 방출되고 호기성 상태에서 인이 과잉섭취가 된다.

혐기성 상태에서는 미생물세포내의 폴리인산(POLY-P)이 가수분해되어 정인산(PO₄ ^3- - P)으로 혼합액에 방출되며, 동시에 하수내 유기물은 글리코겐 및 PHB(Poly Hydroxybeta Butyrate)를 주체로 한 PHA(Poly Hydroxy Alkanoate) 등의 기질로 세포내에 저장된다. 이때의 인의 방출속도는 일반적으로 혼합액 중의 유기물 농도에 비례하며 보통 유입 PO₄ ^3- - P 농도의 3 ~ 5배 정도까지 방출된다.

호기성 상태에서는 이렇게 세포내에 저장된 기질이 산화, 분해되어 감소한다. PAO_s(Polyphosphate Accumulating Organisms) 미생물은 이때 발생되는 에너지를 이용하여 혐기상태에서 방출된 정인산을 미생물의 생성에 필요한 양 이상으로 과잉 섭취하여 폴리인산으로 재합성된다.

상기 혐기-호기 조건을 연속적으로 반복하면서 활성슬러지의 인 함량이 증가하게 된다.

즉, 호기상태만을 거치는 표준 활성슬러지법의 슬러지 인 함량이 1 ~ 2%정도인 것에 비하여 생물학적 고도처리(혐기-호기 조합법)를 거친 슬러지의 인 함량은 3 ~ 8% 정도까지 증대되어 생물학적으로 인을 제거하게 되는 것이다.

일반적으로 인 제거 미생물이 혐기조건에서 유기물을 흡수할 수 있다는 점 때문에 다른 미생물에 비하여 경쟁우위에 있어 혐기성조건이 인 제거 미생물을 선택적으로 증식시킬 수 있는 결정적 단계가 된다. 또한, 인 제거를 위해서는 유입수내의 쉽게 분해 가능한 유기물이 인 제거 미생물의 성장에 반드시 필요하다.

상기에서 자세히 살펴본 바와 같이, 본발명의 반응조(5) 내에 여재(21)를 충진시켜 유기물 및 질소 제거를 효과적으로 수행할 수 있으며 유기물 분해 및 질산화 과정이 완료된 오폐수는 고액분리조(6)로 유입되고 이곳에서 거대 분자화된 플럭이 부유물질을 부착한 채 고액분리 과정을 거쳐 소독방류조(7)를 경유한 후 처리수방류관(9)을 통해 깨끗한 처리수로 방류하게 된다.

이상에서와 같이, 본 발명의 오폐수처리용반응조는 기존의 생물막 여과방식 및 물리 화학적 여과법칙의 단점인 슬러지 벌킹 문제를 해결할 수 있고, 슬러지 발생량을 현저히 줄일 수 있으며 낮은 F/M(Food-to-Microorganism)비 및 SRT(Solid Retention Time)로 운전이 가능한 처리장치로 적은 부지면적과 유지비용으로 안정적인 처리효율을 기대할 수 있는 등의 다양한 효과를 얻는다.

Claims (3)

1. 무산소조(4)에서 유입된 오폐수가 투입되는 중앙배관(5a);

   상기 중앙배관의 외주부에 배치되고 부유 미생물들을 고정시켜 유기물 처리효율이 향상되도록 하는 망상체 형상의 여재(21)가 다수개 충진된 여재충진부(30); 및

   상기 여재(21)의 외주부에 배치되는 여과필터(활성탄흡착제)(20)가 다수개 충진된 활성탄충진부(31)를 포함하되,

   상기 오폐수는 중앙배관(5a) 하부에서 중력에 의해 밀려나면서 여재(21)로 월류되어 생물학적 처리가 이루어지고, 다시 여과필터(20)로 월류되어 물리학적 여과가 이루어진 후 반응조월류둑(29)을 통해 고액분리조(6)로 배출되도록 하는 것을 특징으로 하는 생물학적 여과를 포함하여 처리할 수 있는 복합기능형 오폐수처리용 반응조.
2. 제 1항에 있어서, 상기 반응조의 하단부에는 호기성 미생물에 산소를 공급하는 산기장치(24) 및 슬러지의 인발을 통해 인을 방출시키기 위한 슬러지인발구(25)가 구비된 것을 특징으로 하는 생물학적 여과를 포함하여 처리할 수 있는 복합기능형 오폐수처리용 반응조.
3. 제 1항에 있어서, 상기 반응조는 여재충진부(30)와 활성탄충진부(31)를 여러 부분으로 분리, 조립할 수 있도록 된 것임을 특징으로 하는 생물학적 여과를 포함하여 처리할 수 있는 복합기능형 오폐수처리용 반응조.

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