KR100740580B1 - 활성 슬러지 공법을 이용하는 기존의 하수 처리공정으로부터 개선된 단일 반응조를 구비하는 고도처리장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 하나 이상의 격막이 설치되고 상기 격막으로 구분된 각 반응조 구획에 필요에 따라 교반기가 설치되는 반응조; 상기 반응조의 말단 구획부 내에 설치되고 블로워에 의하여 공기가 공급되어 연속적인 폭기와 막여과가 수행되는 침지형 분리막; 및 상기 말단 구획부로부터 상기 반응조 전단으로 반송수를 반송하는 반송 펌프;로 구성되는 것을 특징으로 하는 활성 슬러지 공법을 이용하는 기존의 하수 처리 공정으로부터 개선된 단일 반응조를 구비하는 고도처리장치 및 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면 기존의 활성 슬러지 공법을 사용하는 하수처리공정을 질소와 인을 처리할 수 있는 고도처리공정으로 개선함에 있어서, 기존의 반응조와 설비를 그대로 이용하기 때문에 고도처리공정으로의 개선 비용이 절감되고 추가의 반응조 설치를 위한 소요부지를 요하지 않아서 경제적이며 효과적이다. 또한, 막여과 공정에 의해 처리수를 생산함으로써 완벽한 고액 분리가 이루어지기 때문에 화학적 소독과정 없이 대장균이나 병원성 미생물 등이 제거된 고도로 깨끗한 처리수질을 유지할 수 있으므로 생산되는 처리수를 별도의 추가적인 처리 없이 화장실 용수, 자동차 세척수, 조경용수, 도로 청소수 등 중수로 바로 재이용할 수 있다.

고도처리, 활성슬러지, 반응조, 격막, 침지형분리막, 플러그흐름

Description

활성 슬러지 공법을 이용하는 기존의 하수 처리 공정으로부터 개선된 단일 반응조를 구비하는 고도처리장치 및 방법{ADVANCED WASTEWATER TREATMENT APPARATUS AND METHOD HAVING A SINGLE REACTION BATH IMPROVED FROM EXISTING WASTE WATER TREATMENT PROCESS USING ACTIVATED SLUDGE METHOD}

도 1은 본 발명에 따른 활성 슬러지 공법을 이용하는 기존의 하수 처리 공정으로부터 개선된 단일 반응조를 구비하는 고도처리장치를 나타내는 개략도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 유입수 20 : 처리수

30 : 반송 40 : 내부 반송 펌프

50 : 블로워 60 : 침지형 분리막

70 : 반응조 80 : 격막

90 : 교반기 100 : 잉여 슬러지 인발

본 발명은 활성 슬러지 공법을 이용하는 기존의 하수 처리 공정으로부터 개선된 단일 반응조를 구비하는 고도처리장치 및 방법에 관한 것이다. 상세하게는, 본 발명은 활성 슬러지 공법을 통하여 하수 중의 유기물과 입자성 물질을 제거하는 기존의 하수 처리 공정을 이용하여 이를 질소 및 인의 처리가 가능하도록 개선한 단일 반응조를 구비하는 고도처리장치 및 방법에 관한 것이다.

현재 하천과 호수의 부영양화를 방지하기 위하여 더욱 엄격한 수질 기준이 적용되고 있는 실정이며, 이러한 추세는 앞으로 더욱 강화될 것이다.

특히, 하·폐수 중에 포함되어 있는 질소와 인은 처리되지 않고 방류되는 경우 부영양화를 일으키고 수자원 및 수생태계에 악영향을 미치며, 질산성 질소가 다량 함유된 물을 유아가 마실 경우에는 청색증을 유발할 수 있어 이에 대한 처리는 반드시 필요하다.

따라서, 질소 및 인에 대한 처리효율을 높이기 위해 기존의 고도처리공정에 정밀여과막을 결합시킨 다양한 공정들이 고안되었는데, MLE, A₂O, SBR, Phostrip, Badenpho 등의 공정에 정밀여과막을 침적시킨 MBR(Membrane Bio-Reactor)을 그 대표적인 예로 들 수 있다.

그러나, 상기 MLE, Phostrip, Badenpho형 MBR의 경우 질소 및 인 동시제거를 기대할 수 없고, A₂O형일 경우 넓은 부지가 소요되는 단점을 가지며, SBR형 MBR의 경우 단위 처리량이 소규모라는 단점을 각각 가진다.

또한, 상기 공정들은 대부분 유기 탄소원의 부족, 하절기와 동절기에 따른 하수 성상 변동 등의 하수 특성에 기인하여 그 생물학적 기능이 이상적인 조건하에서 발휘되지 못하는 단점을 가진다.

나아가, 상기 공정들은 여러 개의 반응조를 배열해야하므로 기존 하수처리설비에 적용시 구조변경이 불가피하다는 큰 단점을 가진다.

상기 종래의 처리방법 중 하나로 일본 특허공개번호 특개평7-100486호의 "배수처리방법"이 있는데, 이 방법에서는 간헐 폭기를 통하여 질산화와 탈질을 유도하는 제1 처리조와 고액 분리를 위한 침지형 분리막이 설치된 제2 처리조를 구성하여 질소제거가 가능하며 연속적인 흡인 여과가 가능하도록 하고 있다.

그러나, 이 방법은 인의 제거를 위한 혐기 조건을 만들 수가 없어 인 제거를 효과적으로 달성할 수 없으며, 연속 흡인 여과를 위하여 제2 처리조를 따로 설치하여 운전함으로써 분리막의 오염방지를 위하여 제2 처리조에 대한 추가적인 폭기가 필요하여 폭기에 필요한 에너지 비용이 이중으로 들어가는 단점이 있다.

한편, 또 다른 종래의 방법으로서 대한민국 특허공개 제2002-0044820호의 "침지식 분리막을 이용한 생물학적 질소 및 인 제거장치 및 방법"이 있는데, 이 방법은 무산소조, 혐기조, 호기조, 탈기조를 순차적으로 설치하여 질소와 인의 동시 제거를 유도하고 있다.

그러나, 이 방법의 경우에도 인 제거를 위해서 혐기조를 추가로 두어야 하며 또한 낮은 C/N비를 갖는 하수인 경우에는 전단에 설치된 무산소조에서 대부분의 탄소원을 탈질에 사용함으로써 혐기조에서의 인의 방출에 필요한 탄소원의 부족으로 인의 제거에 한계가 있는 등의 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 기존의 활성 슬러지 공정의 하수처리시설에 추가적인 반응조 시공이나 새로운 시설의 도입이 없이 기존의 하수처리시설을 최대로 이용하여 하수 및 폐수 중의 유기물을 처리하면서도, 경제적이고 효과적으로 호수나 하천의 부영양화 원인 물질인 질소 및 인을 제거할 수 있으며, 나아가, 화학적 소독 과정 없이 대장균 등 각종 병원성 미생물까지 처리할 수 있고, 생산된 처리수를 추가 처리 없이 화장실 용수, 자동차 세척수, 조경용수, 도로 청소수 등 중수로 재이용할 수 있는, 활성 슬러지 공법을 이용하는 기존의 하수 처리 공정으로부터 개선된 단일 반응조를 구비하는 고도처리장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 활성 슬러지 공법을 이용하는 기존의 하수 처리 공정으로부터 개선된 단일 반응조를 구비하는 고도처리장치는, 하나 이상의 격막이 설치되고 상기 격막으로 구분된 각 반응조 구획에 필요에 따라 교반기가 설치되는 반응조; 상기 반응조의 말단 구획부 내에 설치되고 블로워에 의하여 공기가 공급되어 연속적인 폭기와 막여과가 수행되는 침지형 분리막; 및 상기 말단 구획부로부터 상기 반응조 전단으로 반송수를 반송하는 반송 펌프;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 고도처리장치에 있어서, 상기 격막은 상기 반응조 내에 적어도 3개 이상 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 고도처리장치에 있어서, 상기 침지형 분리막은 평막형, 중공사막형, 관형의 정밀 여과막 또는 한외 여과막인 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 활성 슬러지 공법을 이용하는 기존의 하수 처리 공정으로부터 개선된 단일 반응조를 이용한 고도처리방법은, 유입수 및 반송수가 유입되는 단일 반응조 내에 하나 이상의 격막을 설치하여 상기 유입수 및 반송수에 플러그 흐름(plug-flow)을 유도함으로써 상기 유입수 및 반송수가 상기 반응조의 전단으로부터 이동하면서 무산소 조건에서 혐기 조건으로 천이되도록 하는 단계(S1); 및 상기 단일 반응조의 말단에는 침지형 분리막을 설치하고 공기를 공급함으로써 호기성 조건에서 연속적으로 흡인 여과하여 막투과수를 배출하고, 질산화 반응에 의하여 생성된 질산성 질소를 상기 반송수에 포함시켜 상기 반응조 전단으로 이동시키며, 호기성 조건에서 인이 과잉 섭취된 상태에서 말단 반응조 외부로 잉여 슬러지를 인발하는 단계(S2);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 고도처리방법은, 상기 S1 단계에서 적어도 3개 이상의 격막을 설치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 고도처리방법은, 상기 S2 단계에서 상기 침지형 분리막을 이용한 막 여과시 흡인 여과를 위하여 흡인 펌프를 이용하거나 수두차에 의한 자연적 흡인압을 이용하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 활성 슬러지 공법을 이용하는 기존의 하수 처리 공정으로부터 개선된 단일 반응조를 구비하는 고도처리장치 및 방법을 상술한다.

본 발명에서는 활성 슬러지 공법을 이용하는 기존의 하수 처리 공정을 개선하여 질소 및 인의 제거가 가능한 고도처리를 수행하되, 별도의 분리된 반응조의 설치 없이 단지 기존의 호기성 반응조에 격막을 설치하여 플러그 흐름을 유도한다.

이에 의하여, 반응조의 전단 및 후단에 이르도록 처리수(유입수 및 반송수)가 흐르는 중에 산소 고갈에 따른 무산소 상태와, 질산성 질소의 고갈에 따른 혐기 상태가 순차적으로 형성된다. 상기 무산소 상태에서는 질산성 질소가 질소 가스로 환원되는 탈질 반응에 의하여 질소가 제거되고, 상기 혐기 상태에서는 인 방출 반응이 발생하게 된다.

나아가, 본 발명에서는 반응조 내의 말단 구획 부분에 정밀 여과막인 침지형 분리막을 침적하고 상기 분리막 오염 방지를 위한 공기 공급에 의하여 말단 반응조 내부에 호기성 조건을 유지한 상태에서 휴지기간 없이 연속적인 흡인 여과를 수행하여 막투과수를 배출한다.

또한, 상기 호기성 조건하에서 인의 과잉 섭취가 일어나도록 하고 인이 과잉 섭취된 상태에서 슬러지 폐기를 수행하여 최종적으로 인이 제거되도록 한다. 상기 인의 과잉 섭취가 발생함과 더불어 질산화 반응이 일어나며 생성된 질산성 질소는 반송되어져서 무산소 상태를 유도한다.

도 1은 본 발명에 따른 고도처리장치를 나타내는 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고도처리장치는 단일 반응조(70)로 구성되고, 상기 반응조(70)의 말단에서 내부 반송 펌프(40)에 의하여 반송수(30)가 상기 반응조(70)의 전단으로 이송된다.

상기 반응조(70)는 기존의 호기성 반응조를 이용하되 그 내부에 하나 이상 바람직하게는 3개 이상의 격막(80)이 설치되어 상기 반응조(70) 내에 바람직하게는 4개 이상의 구획이 형성된다. 이에 따라, 제1 구획에서는 반응조(70) 말단의 호기조로부터 반송되는 반송수의 산소 농도를 줄이고, 제2 구획에서는 무산소 조건을 유도하며, 제3 구획에서는 혐기 조건을 유도하고, 분리막을 설치하는 말단의 제4구획에서는 호기 조건을 유도할 수 있다. 상기 격막(80)에 의하여 구획된 반응조(70)내 영역의 각각에는 미생물과 유입수 또는 반송수가 잘 혼합되도록 교반기(90)를 설치한다. 한편, 분리막이 설치되는 말단의 경우에는 공기 공급에 의하여 혼탁액이 자연적으로 혼합되므로 교반기를 설치하지 않아도 된다.

상기 격막(80)은 전체 반응조(70) 내의 완전 혼합을 방지하는 것으로서, 하기에서 더욱 상술하는 바와 같이, 전단으로 유입되는 유입수(10)와 반송수(30)가 반응조(70)의 전단으로부터 진행하는 경우 플러그 흐름의 형태로 이동하면서 무산소 조건에서 혐기 조건으로 천이가 일어날 수 있도록 한다.

한편, 상기 반응조(70)의 말단에는 침지형 분리막(60)이 침적되어 있으며, 이에는 공기를 공급하기 위한 블로워(50)가 연결된다.

본 발명에 따른 고도처리방법을 상술하면, 우선, 처리수인 유입수(10) 및 반송 펌프(40)에 의해 반송된 반송수(30)인 활성 슬러지 혼합액이 반응조(70) 전단으로 유입된다.

이때, 상기 반송되는 활성 슬러지 혼합액에 다량으로 존재하는 질산성 질소에 의해 반응조(70) 전단부에서는 무산소 조건이 형성되며, 후단으로 이동하면서, 유입수(10) 중의 유기물을 탄소원으로 이용하여 질산성 질소를 질소가스로 전환하여 제거하는 탈질 과정이 진행된다. 이와 같이 후단으로 이동하는 동안 계속적인 탈질 작용에 의하여 혼합액에 남아있는 질산성 질소가 완전 고갈되면 혐기 상태가 형성된다.

한편, 혐기 상태가 생성되면 상기 유입수(10)에 포함된 탄소원을 이용하여 탈인 미생물에 의한 인 방출이 발생하게 된다. 인을 방출한 미생물은 상기 반응조(70)의 말단에서 호기성 조건하에서 인의 과잉섭취를 통하여 혼합액 내의 인의 농도를 낮추게 되며 인이 과잉섭취된 혼합액을 침지형 분리막(60)을 이용하여 휴지기간 없이 연속적으로 배출한다. 이때, 상기 침지형 분리막(60)으로는 평막형, 중공사막형, 관형의 정밀 여과막 또는 한외 여과막을 사용하며, 상기 침지형 분리막(60)을 이용한 막여과시 흡인 여과를 위하여 흡인 펌프를 이용하거나 수두차에 의한 자연적 흡인압을 이용한다.

상기 침지형 분리막(60) 표면에 공기 방울에 의한 전단력을 유도하여 막 오염 현상을 방지하기 위해 반응조(70) 외부의 블로워(50)로부터 공기를 공급하는 과정에서 상기 말단 반응조(70)는 호기성 상태를 유지할 수 있다.

이와 같은 호기성 상태 하에서 앞서 설명한 바와 같은 인의 과잉 섭취와 더불어 암모니아성 질소가 질산성 질소로 전환되는 질산화 반응이 일어나고, 이와 같이 생성된 질산성 질소는 반송수(30)에 포함되어 내부 반송 펌프(40)에 의해 반응조(70)의 전단부로 이송되게 된다.

상기 반응조(70) 말단에서는 상기 호기성 조건에서 인이 과잉 섭취된 상태를 유도하고 이 상태에서 반응조(70) 외부로 잉여 슬러지를 인발(100)하여 폐기처분함으로써 최종적으로 인이 제거되도록 한다.

비록 상기에서 본 발명은 도시된 도면을 중심으로 상세히 설명되었지만, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 기존의 활성 슬러지 공법을 사용하는 하수처리공정을 질소와 인을 처리할 수 있는 고도처리공정으로 개선함에 있어서, 기존의 반응조와 설비를 그대로 이용하기 때문에 고도처리공정으로의 개선 비용이 절감되고 추가의 반응조 설치를 위한 소요부지를 요하지 않아서 경제적이며 효과적이다. 또한, 막여과 공정에 의해 처리수를 생산함으로써 완벽한 고액 분리가 이루어지기 때문에 화학적 소독과정 없이 대장균이나 병원성 미생물 등이 제거된 고도로 깨끗한 처리수질을 유지할 수 있으므로 생산되는 처리수를 별도의 추가적인 처리 없이 화장실 용수, 자동차 세척수, 조경용수, 도로 청소수 등 중수로 바로 재이용할 수 있다.

Claims (5)

1. 적어도 두 개 이상의 격막에 의하여 구획된 반응조와 내부 반송 펌프를 갖춘, 인과 질소의 제거가 가능한 하폐수의 고도 처리 장치에 있어서,

   상기 반응조에는

   하폐수가 유입되며 상기 반송 펌프와 연결되어 내부 반송수를 받아들이는 반응조 전단부의 무산소 구획,

   상기 무산소 구획으로부터 하폐수와 반송수를 받는 혐기성 구획,

   상기 혐기성 구획으로부터 하폐수와 반송수를 받아들이며, 공기를 공급하는 블로워와 침지형 분리막을 갖추고 있어서 폭기 조건하에서 상기 하폐수와 반송수에 대한 연속적인 막 여과를 수행하여 처리수를 생성하는, 반응조 말단부의 호기성 구획 및

   상기 호기성 구획으로부터 상기 무산소 구획으로 상기 처리수의 일부를 반송하는 내부 반송 펌프가 포함되는 것을 특징으로 하는,

   단일 반응조를 구비하는 고도 처리 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 격막은 상기 반응조 내에 적어도 3개 이상 설치되는 것을 특징으로 하는, 단일 반응조를 구비하는 고도 처리 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 침지형 분리막은 평막형, 중공사막형, 관형의 정밀 여과막 또는 한외 여과막인 것을 특징으로 하는, 단일 반응조를 구비하는 고도 처리 장치.
4. 적어도 둘 이상의 격막에 의하여 구획이 나뉘어 있고 내부 반송에 의하여 인과 질소를 제거할 수 있는 단일 반응조를 이용한 고도 처리 방법에 있어서,

   상기 격막에 의하여 반응조 전단부의 무산소 구획으로 들어오는 하폐수와 내부 반송수의 플러그 흐름을 유도하고, 상기 하폐수와 반송수가 상기 반응조 말단부 방향으로 이동하면서 산소가 고갈되는 단계 (S1);

   상기 산소가 고갈된 하폐수와 반송수가 상기 무산소 구획에서 혐기성 구획으로 이동하면서 탈질화 반응에 의하여 질산성 질소를 제거하며, 하폐수와 반송수 속 미생물에 의하여 인이 방출되는 단계 (S2);

   침지형 분리막과 내부 반송 펌프가 설치된 상기 반응조 말단부의 호기성 구획에 공기를 공급함으로써 상기 혐기성 구획에서 받아들인 하폐수와 반송수를 호기성 조건에서 분리막으로 연속적으로 흡인 여과하여 막 투과수를 배출하고, 질산화 반응에 의하여 생성된 질산성 질소가 포함된 막 투과수의 일부를 상기 내부 반송 펌프에 의하여 반송수로 상기 무산소 구획에 보내는 단계 (S3) 및

   상기 호기성 구획에서 인을 과잉섭취한 미생물을 포함한 잉여 슬러지를 호기성 구획의 외부로 인발하는 단계(S4)를 포함하는 것을 특징으로 하는,

   단일 반응조를 이용한 고도 처리 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 S3 단계에서 상기 침지형 분리막을 이용한 막 여과시 흡인 여과를 위하여 흡인 펌프를 이용하거나 수두차에 의한 자연적 흡인압을 이용하는 것을 특징으로 하는, 단일 반응조를 이용한 고도 처리 방법.

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