KR100766100B1 - 고농도 유기성 폐수의 처리를 위한 혐기성 소화조 - Google Patents

고농도 유기성 폐수의 처리를 위한 혐기성 소화조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 오수·폐수·하수(이하 '폐수'라 한다)의 생물학적 처리 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고농도의 유기성 폐수의 처리를 위한 혐기성 소화조에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 상부에 형성된 가스배출부와 측부에 형성된 처리수배출부와 하측에 형성된 제2슬러지배출부를 가지는 외부반응조; 상기 외부반응조 내부에 그 외부반응조의 내부측면과 이격되게 설치되며, 상기 외부반응조의 하측 외부로 돌출되는 폐수유입부와, 유입된 폐수가 외부반응조로 이동하는 통로 역할을 하는 것으로 환형을 이루도록 형성된 다수개의 처리수이동부와 하측에 형성된 제1슬러지배출부를 가지는 내부반응조; 상기 내부반응조의 상부를 덮는 것으로서 상기 처리수이동부의 하측까지 연장된 내부반응조덮개를 포함하여 이루어지며, 상기 처리수배출부는 상기 처리수이동부보다 아랫측에 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

고농도 유기성 폐수의 처리를 위한 혐기성 소화조{An Anaerobic Digestion Reactor for High Organic Wastewater}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 혐기성 소화조의 구성도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 ... 내부반응조 11 ... 폐수유입부
12 ... 처리수이동부 13 ... 제1슬러지배출부
13a ... 밸브 20 ... 외부반응조
21 ... 가스배출부 22 ... 처리수배출부
23 ... 제2슬러지배출부 23a ... 밸브
30 ... 산생성균충진체 40 .... 메탄생성균충진체
50 ... 내부반응조덮개 51 ... 환형브라켓
52 ... 환형지지관 53 ... 스프링
60 ... 보온부 70... 포집기
71 ... 가스유입라인 72 ... 가스배출라인
본 발명은 오수·폐수·하수(이하 '폐수'라 한다)의 생물학적 처리 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고농도의 유기성 폐수의 처리를 위한 혐기성 소화조에 관한 것이다.
오늘날 지속되는 산업화와 도시화로 환경오염은 점점 심화되고 있고, 배출되는 폐수의 형상 역시 매우 다양해지고 있으며, 이의 처리를 위한 시설 역시 고도화되고, 처리비용도 증가되고 있는 실정이다.
현재 발생되는 폐수는 물리적·화학적 방법과 선택적으로 결합한 생물학적 처리방법에 의하여 주로 처리되고 있으며, 이는 크게 호기성 소화방식과 혐기성 소화방식의 두 가지로 분류할 수 있다. 호기성 소화방식은 산소공급을 위한 에너지 소요 등의 단점을 지니고 있으나 짧은 반응시간 등의 장점으로 인하여 널리 활용되고 있다. 혐기성 소화방식은 반응기간이 비교적 긴 단점이 있으나, 고농도의 유기성 폐수 처리에 적합하고, 발생되는 슬러지의 양이 적으며, 에너지로 활용가능한 가연성 메탄가스를 얻는 등의 장점으로 인하여 활용이 점차 증가되고 있으며, 관련 기술에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.
혐기성 소화, 특히 고효율의 혐기성 소화를 위해서는 미생물의 체류시간 및 밀도를 높이는 것과 미생물과 폐수의 접촉을 개선하여 미생물의 활성을 증진시킬 수 있어야 하며, 이미 UASB(upflow anaerobic sludge blanket), ABR(anaerobic baffled reactor), AF(anaerobic filter) 등이 개발되어 있다.
상기 장치를 이용한 혐기성 소화 공정은 기존에 비하여 진일보한 것이기는 하나 여러가지 문제점을 노출하고 있다. UASB의 경우 고형물의 농도가 높은 폐수나 고농도의 유기성 폐수의 적용에는 적합치 않다는 단점이 있으며, ABR의 경우 체류시간이 짧고 유입 유기물의 농도가 높을 경우 유기산의 급속한 증가로 인하여 메탄생성균의 활성에 대한 저해를 빨리 초래할 수 있다는 단점이 있다. 또한 AF의 경우 미생물막에 의한 일부 필터의 공극 폐쇄 현상이 발생할 경우, 전체 공정을 중단한 후 역세척을 하여야 하며, 폐쇄되지 않은 부분의 미생물 탈리까지 발생하게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 산생성균과 메탄생성균을 효과적으로 이용할 수 있도록 함으로써, 고농도 유기성 폐수를 용이하게 처리할 수 있으며, 더 나아가 에너지로 사용할 수 있는 메탄의 발생을 많게 할 수 있는 혐기성 소화조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고농도 유기성 폐수의 처리를 위한 혐기성 소화조는 상부에 형성된 가스배출부와 측부에 형성된 처리수배출부와 하측에 형성된 제2슬러지배출부를 가지는 외부반응조; 상기 외부반응조 내 부에 그 외부반응조의 내부측면과 이격되게 설치되며, 상기 외부반응조의 하측 외부로 돌출되는 폐수유입부와, 유입된 폐수가 외부반응조로 이동하는 통로 역할을 하는 것으로 환형을 이루도록 형성된 다수개의 처리수이동부와 하측에 형성된 제1슬러지배출부를 가지는 내부반응조; 상기 내부반응조의 상부를 덮는 것으로서 상기 처리수이동부의 하측까지 연장된 내부반응조덮개를 포함하여 이루어지며, 상기 처리수배출부는 상기 처리수이동부보다 아랫측에 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 내부반응조의 내부에는 산생성균이 기생하는 산생성균충진체가 내부반응조 부피의 10 내지 50%가 되도록 채워지며, 상기 내부반응조와 외부반응조의 사이에는 메탄생성균이 기생하는 메탄생성균충진체가 외부반응조 부피의 10 내지 50%가 되도록 채워지는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 내부반응조덮개가 상기 내부반응조에서 발생되는 가스량에 연동하여 상하로 움직이게 하기 위하여, 상기 내부반응조의 상부에 환형브라켓이 설치되고, 상기 내부반응조덮개의 내측으로 환형브라켓에 삽입되는 환형지지관이 형성되며, 상기 환형브라켓에는 환형지지관을 지지하는 스프링이 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 산생성균이나 메탄생성균이 폐수 처리를 효과적으로 할 수 있도록 온도조건을 맞추어주기 위하여 상기 외부반응조의 외측에 보온부가 설치되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고농도 유기성 폐수의 처리를 위한 혐기성 소화조의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 혐기성 소화조의 구성도이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 고농도 유기성 폐수의 처리를 위한 혐기성 소화조는 상부에 형성된 가스배출부(21)와 측부에 형성된 처리수배출부(22)와 하측에 형성된 제2슬러지배출부(23)를 가지는 외부반응조(20); 상기 외부반응조(20) 내부에 그 외부반응조(20)의 내부측면과 이격되게 설치되며, 상기 외부반응조(20)의 하측 외부로 돌출되는 폐수유입부(11)와, 유입된 폐수가 외부반응조(20)로 이동하는 통로 역할을 하는 것으로 환형을 이루도록 형성된 다수개의 처리수이동부(12)와 하측에 형성된 제1슬러지배출부(13)를 가지는 내부반응조(10); 및 상기 내부반응조(10)의 상부를 덮는 것으로서 상기 처리수이동부(12)의 하측까지 연장된 내부반응조덮개(50)를 포함하여 이루어진다.
상기 처리수배출부(22)는 상기 처리수이동부(12)보다 아랫측에 형성되는 것이 바람직하다.
상기 내부반응조(10)의 내부에는 산생성균이 기생하는 산생성균충진체(30)가 채워질 수 있으며, 상기 내부반응조(10)와 외부반응조(20)의 사이에는 메탄생성균이 기생하는 메탄생성균충진체(40)가 채워질 수 있다. 산생성균충진체(30)나 메탄생성균충진체(40)는 수세미나 라텍스 튜브 등을 잘게 잘라 사용할 수 있으며, 이러한 충진체의 종류 및 형상은 일반적인 것이므로 상세한 설명은 생략한다. 상기 내부반응조(10) 및 내부반응조(10)와 외부반응조(20) 사이에 채워지는 충진체(30,40)는 각 반응조(10,20) 부피의 10 내지 50%가 되도록 채워지는 것이 바람직하다. 왜 냐하면, 반응조 부피의 10% 미만으로 충진체를 채울 경우에는 충진체를 이용하는 효과가 미미하며, 50%를 초과하여 충진체를 채울 경우에는 전체적인 유체 흐름이 방해를 받을 수 있기 때문이다.
내부반응조(10) 또는 내부반응조에 채워진 산생성균충진체(30)에는 산생성균이 서식하며, 내부반응조(10)와 외부반응조(20)의 사이 또는 내부반응조(10)와 외부반응조(20)에 채워진 메탄생성균충진체(40)에는 메탄생성균이 서식한다. 유입된 폐수는 상기의 산생성균에 의하여 유기산과 수소(H2), 이산화탄소(CO2) 등으로 분해되며, 최종적으로 메탄생성균에 의하여 분해되면서 메탄(CH4)이 발생한다. 이러한 상생성균과 메탄생성균의 종류 및 작용은 공지의 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.
내부반응조(10)에서 발생한 수소(H2)의 분압이 높을 경우에는 내부반응조(10)와 외부반응조(20) 사이의 메탄생성균의 활성 저하를 초래하게 된다. 따라서 내부반응조(10)에서의 수소(H2) 발생량을 통제할 필요가 있는데, 이는 현실적으로 아주 어려운 문제이다. 따라서 본 발명에서는 내부반응조덮개(50)가 상기 내부반응조(10)에서 발생되는 가스량에 연동하여 상하로 움직이도록 하여, 수소(H2) 발생량에 상관없이 메탄생성균의 활성이 유지되도록 하였다. 이를 위한 구성은 다양하게 구현될 수 있는데, 본 실시예에서는 내부반응조(10)의 상부에 환형브라켓(51)을 설치하고, 내부반응조덮개(50)의 내측으로 환형브라켓(51)에 삽입되는 환형지지관 (52)이 형성되고, 환형브라켓(51)에는 환형지지관(52)을 지지하는 스프링(53)이 설치되는 구조로 구현하였다. 이 경우, 내부반응조덮개(50)의 환형지지관(52)이 스프링(53)에 의하여 적절하게 위치되어 있다가, 내부반응조(10)에서 산생성균에 의하여 발생되는 가스가 많을 경우 가스압에 의하여 내부반응조덮개(50)가 상방으로 들어올려지고, 이에 따라 내부반응조덮개(50) 내부, 즉 내부반응조(10) 내부의 가스압은 항상 일정하게 유지된다.
산생성균이나 메탄생성균이 폐수 처리를 효과적으로 하기 위하여는 온도가 적합하여야 한다. 이러한 온도조건을 맞추기 위하여 별도의 히터 등을 구비할 수 있다. 본 발명에서도 상기와 같은 히터를 추가로 구비할 수 있으며, 이와 아울러 보온 및 에너지 절약을 위하여 상기 외부반응조(20)의 외측에 보온부(60)를 설치한다. 이러한 보온부(60)는 효과적인 보온 및 단열을 위하여 단열재로 구성되는 것이 바람직하다.
외부반응조(20)의 가스배출부(21)는 배출되는 메탄가스를 포집하는 가스포집기(70)와 연결된다. 이러한 가스포집기(70)는 다양한 형상으로 구현될 수 있으며, 그 일례를 들면 다음과 같다. 즉, 물이 채워진 통형상의 구조를 가지며, 가스배출부(21)와 연결되는 가스유입라인(71)과, 포집된 메탄가스가 배출되는 가스배출라인(72)으로 구성할 수 있다. 가스포집기(70)에 의하여 포집된 메탄가스는 에너지원으로 사용된다.
제1슬러지배출부(13)는 내부반응조(10)에서 산생성균에 의하여 폐수를 처리한 후에 발생되는 슬러지를 외부로 배출하기 위한 것이다. 이를 위하여 제1슬러지 배출부(13)에는 밸브(13a)가 설치된다. 제2슬러지배출부(23)는 외부반응조(20) 내부에서 메탄생성균에 의하여 폐수를 처리한 후에 발생되는 슬러지를 외부로 배출하기 위한 것이다. 이를 위하여 제2슬러지배출부(23)에는 밸브(23a)가 설치된다. 본 발명과 같은 혐기성 소화에서는 발생되는 슬러지의 양이 많지는 않지만 장시간의 운전시 쌓이게 되는 슬러지를 배출하기 위한 것이다.
다음으로 상기한 구조의 고농도 유기성 폐수의 처리를 위한 혐기성 소화조의 동작에 대하여 설명한다.
펌프(미도시)에 의하여 폐수유입부(11)를 통하여 내부반응조(10)로 유입되는 고농도의 유기성 폐수는 내부반응조(10)를 통과한 후, 처리수이동부(12)를 통하여 외부반응조(20) 측으로 이동하고, 외부반응조(20)를 경유한 후, 처리수배출부(22)를 통하여 외부로 배출된다. 즉, 폐수는 폐수유입부(11) → 내부반응조(10) → 처리수이동부(12) → 내부반응조(10)와 내부반응조덮개(50) 사이 공간 → 내부반응조덮개(50)와 외부반응조(20) 사이 공간 → 처리수배출부(22)의 경로를 따른다. 이러한 경로를 따르는 폐수는 산생성균과 메탄생성균에 의하여 분해되며, 특히 본 발명에 의할 경우 산생성균에 의한 처리 공정과 메탄생성균에 의한 처리 공정이 완벽히 분리된다. 또한 폐수가 처리조 내에서 머무는 시간, 즉 체류시간이 길고 폐수의 흐름이 플러그흐름(plug flow)을 따르게 된다. 따라서 폐수는 효율적으로 분해되게 된다.
메탄생성균에 의하여 발생되는 메탄가스는 별도의 에너지로 사용되거나 본원 의 혐기성 처리조를 가온하는데 사용될 수 있다.
한편, 장시간의 운전으로 인하여 내부반응조(10) 및 내부반응조(10)와 외부반응조(20)의 사이공간에 슬러지가 과도하게 쌓였을 경우에는 제1슬러지배출부(13)의 밸브(13a)와 제2슬러지배출부(23)의 밸브(23a)를 개방하여 슬러지를 외부로 배출시킨다.
본 발명은 상기한 바람직한 실시예와 첨부한 도면을 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 개념 및 범위 내에서 상이한 실시예를 구성할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 정해지며, 본 명세서에 기재된 특정 실시예에 의해 한정되지 않는 것으로 해석되어야 한다.
상술한 바와 같은 본 발명, 고농도 유기성 폐수의 처리를 위한 혐기성 소화조에 의할 경우, 외부반응조 내부에 내부반응조가 설치되는 구조를 가짐으로써, 산생성균에 의한 처리와 메탄생성균에 의한 처리가 각각 별도로 이루어져 고농도의 유기성 폐수를 효율적으로 처리할 수 있게 된다.
또한 본 발명의 경우, 체류시간이 길고, 전체적으로 플러그 흐름을 따르게 되어 고농도의 유기성 폐수를 효율적으로 처리할 수 있게 된다.
또한 고농도의 유기성 폐수를 처리함과 동시에 에너지로 활용할 수 있는 메탄가스를 상당량 얻을 수 있게 된다.

Claims (4)

  1. 상부에 형성된 가스배출부(21)와 측부에 형성된 처리수배출부(22)와 하측에 형성된 제2슬러지배출부(23)를 가지는 외부반응조(20);
    상기 외부반응조(20) 내부에 그 외부반응조(20)의 내부측면과 이격되게 설치되며, 상기 외부반응조(20)의 하측 외부로 돌출되는 폐수유입부(11)와, 유입된 폐수가 외부반응조(20)로 이동하는 통로 역할을 하는 것으로 환형을 이루도록 형성된 다수개의 처리수이동부(12)와 하측에 형성된 제1슬러지배출부(13)를 가지는 내부반응조(10);
    상기 내부반응조(10)의 상부를 덮는 것으로서 상기 처리수이동부(12)의 하측까지 연장된 내부반응조덮개(50)를 포함하여 이루어지며, 상기 처리수배출부(22)는 상기 처리수이동부(12)보다 아랫측에 형성되는 것을 특징으로 하는 고농도 유기성 폐수의 처리를 위한 혐기성 소화조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내부반응조(10)의 내부에는 산생성균이 기생하는 산생성균충진체(30)가 내부반응조(10) 부피의 10 내지 50%가 되도록 채워지며, 상기 내부반응조(10)와 외부반응조(20)의 사이에는 메탄생성균이 기생하는 메탄생성균충진체(40)가 외부반응조(20) 부피의 10 내지 50%가 되도록 채워지는 것을 특징으로 하는 고농도 유기성 폐수의 처리를 위한 혐기성 소화조.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 내부반응조덮개(50)가 상기 내부반응조(10)에서 발생되는 가스량에 연동하여 상하로 움직이게 하기 위하여, 상기 내부반응조(10)의 상부에 환형브라켓(51)이 설치되고, 상기 내부반응조덮개(50)의 내측으로 환형브라켓(51)에 삽입되는 환형지지관(52)이 형성되며, 상기 환형브라켓(51)에는 환형지지관(52)을 지지하는 스프링(53)이 설치되는 것을 특징으로 하는 고농도 유기성 폐수의 처리를 위한 혐기성 소화조.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 산생성균이나 메탄생성균이 폐수 처리를 효과적으로 할 수 있도록 온도조건을 맞추어주기 위하여, 상기 외부반응조(20)의 외측에 보온부(60)가 설치되는 것을 특징으로 하는 고농도 유기성 폐수의 처리를 위한 혐기성 소화조.
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