KR100915918B1 - 상향류 생물활성탄 모듈을 이용한 정체수역의 수질개선장치 - Google Patents

상향류 생물활성탄 모듈을 이용한 정체수역의 수질개선장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공원의 호소, 상수원 공급을 위한 댐, 인공 낚시터, 골프장 연못 등과 같이 정체된 수역의 외부에 정체수를 연속적으로 순환시켜 수처리를 실시하여 정체수역의 수질을 점차적으로 개선시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 상향류 생물활성탄 모듈을 이용한 정체수역의 수질개선장치에 관한 것으로, 본 발명은 정체수역 외부에 수질개선을 위한 콤팩트화한 수질개선장치를 설치하여 정체수를 장치 내부를 통해 순환시켜 점차적으로 수질이 개선되도록 하여 수질개선장치의 유지 및 관리가 기존의 시설에 비해 편리하며, 또한 생물활성탄 모듈을 각각의 칼럼형 반응기에 충전하여 정체수를 처리함으로써, 반영구적인 처리기술을 이용하여 경작지에서 발생하는 농약류가 함유된 정체수의 농약 오염물질의 처리효율을 증대시키고, 또한 정체수의 처리시 상향류의 흐름을 가지도록 설계함으로써 반응기 전체가 효율적인 수리학적 체류시간을 가지도록 한 것이 장점이다.
그리고 본 발명은 정체 하천을 제외한 대부분의 정체수역이 비점오염물질의 유입에 의해 오염이 심해지는 점을 착안하여 유입되는 비점오염 부하에 비해 본 장치의 가동에 의해 처리되는 오염물질이 클 경우, 점차적으로 수질이 개선되도록 최소비용으로 시공함으로써 공원의 호소, 인공 낚시터, 골프장 연못 등과 같은 다양한 정체수역의 수질개선이 용이하여 정체수역의 상업적 활용 가능성이 기대되는 기술인 것이 특징이다.
정체수역, 수질개선장치, 활성탄, 상향류, 생물막

Description

상향류 생물활성탄 모듈을 이용한 정체수역의 수질개선장치{Apparatus for the enhancement of water quality using upflow biological activated carbon modules in a stagnant stream channel}
본 발명은 공원의 호소, 상수원 공급을 위한 댐, 인공 낚시터, 골프장 연못 등과 같이 정체된 수역의 외부에 정체수를 연속적으로 순환시켜 수처리를 실시하여 정체수역의 수질을 점차적으로 개선시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 상향류 생물활성탄 모듈을 이용한 정체수역의 수질개선장치에 관한 것이다.
우리나라는 1970년대 이후 급격한 산업화 및 도시화로 물의 사용량이 대폭 증가하였고, 이에 따른 하·폐수의 발생량 증가는 주변 수계로의 영양염류의 유입을 증가시켜 부영양화를 초래하였다. 특히, 하천의 자정작용이 낮은 호소, 댐 등의 정체수역의 부영양화는 심각한 수준으로 알려져 있다.
이에 따라 하천수질의 개선을 위해 특정배출경로를 가진 점오염원에 대한 정 부의 규제는 강화되어 왔고, 수처리기술도 급속하게 발전하였다. 점오염원은 오염물질의 발생원에서 처리장까지의 이송경로와 처리과정이 명확히 드러나기 때문에 상대적으로 수처리기술의 개발이 용이하지만 불특정지역에서 배출되는 비점오염원은 배출 양상이 비지속적이며 그 배출 양상 또한 기상, 지형, 토지이용, 토양, 강우유출 특성에 큰 영향을 받기 때문에 처리기술의 개발 및 관리가 상대적으로 어려운 문제점이 있었다. 4대강 수계에 대한 비점오염물질에 대한 오염부하는 BOD 발생량 기준으로 전체의 22∼37%에 이르는 것으로 추산되고, 이로 인해 정체수역에 대한 상습적인 부영양화가 발생하고 있지만 이를 근본적으로 해결하지 못하고 있는 실정이다.
최근 국민의 삶의 질 향상에 대한 관심이 고조됨에 따라, 청계천 복원 등의 친환경적 수변공간의 확보가 각광을 받고 있지만 대표적인 친수공간인 공원 내의 호소 등은 자정능력 이상의 오염물질이 유입되어 부영양화 및 물고기의 폐사 등의 발생으로 이에 대한 처리기술의 개발이 필요하다. 특히 골프장 연못의 경우, 잔디를 보호하기 위한 과도한 시비 및 농약의 사용으로 상습적인 부영양화가 발생하고 있으며, 골프장 연못의 오염물질이 홍수 등으로 인근 수역에 유출될 때, 농약 오염으로 인한 민원이 꾸준히 제기되고 있지만 기존의 처리기술로는 농약의 독성으로 인해 생물학적 처리기술의 개발에 한계를 가지므로 융합기술을 사용한 적정한 처리기술의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
한편, 호소 등과 같은 정체수역의 수질관리 및 오염물질의 처리기술로 개발된 등록 특허들을 살펴보면, 대한민국 등록특허 제0625421호(2006. 9. 11 등록)의 정체수역의 물의 순환을 통하여 부영양화를 방지하기 위한 기술인 호소수 대류순환방법과 대한민국 등록특허 제0824724호(2008. 4. 17 등록)의 수류형성 및 미생물 서식매체를 활용한 정체수역 수질정화장치가 알려져 있지만 이들 특허기술들은 정체수역 전체를 하나의 반응기로 간주하여, 수역 내에 물을 순환시키는 원리에 의한 기술로서 높은 시공단가 및 관리기술을 요구하여 경제성에 한계가 있으며, 그리고 대한민국 등록특허 제0461348호(2004. 12. 2 등록)의 호소, 저수지 또는 댐의 수질개선방법 및 그 장치와 대한민국 등록특허 제0648794호(2006. 11. 15 등록)의 하천수 및 호소수 정화 장치는 인공습지를 정체수역내에 설치하여 식생에 의해 오염물질을 제거시키는 방법이 알려져 있지만 상기와 같은 특허들의 경우에는 식생을 이용한 기술로서 식생 내에 오염물질이 포화되었을 경우, 또다른 오염물질원으로 작용할 수 있는 문제점을 지닌다.
따라서 본 발명인은 공원의 호소, 상수원 공급을 위한 댐, 인공 낚시터, 골프장 연못 등의 정체수역에 적합한 경제성을 갖춘 콤팩트한 장치형의 오염물질을 제거하기 위한 수질개선장치를 개발하고자 한다.
상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방안으로 본 발명은 점오염원 처리기 술이 정체수역 수질개선에 적용될 때의 문제점인 물의 순환에 따라 낮은 부하가 계속 유지될 때 발생하는 슬러지의 부상 및 벌킹 문제를 고정 생물막 공법을 사용하여 해결함으로써, 하수 및 폐수 등을 처리하기 위한 점오염원의 처리기술을 정체수역의 수질처리에 도입하여 정체수역의 수처리시설의 용량을 줄이고, 유입수 및 유출수가 정체수역을 통해 연속적으로 순환시킴에 따라 정체수역의 수질이 점차적으로 개선될 수 있도록 운전효율을 높인 것을 특징으로 하는 상향류 생물활성탄 모듈을 이용한 정체수역의 수질개선장치를 제공함을 과제로 한다.
그리고 골프장 연못 등과 같은 정체수역은 골프장에서 주로 사용되는 다이아지논, 파라티온, 페니트로티온 등과 같은 농약류가 함유된 비점오염물질의 유입으로 악취가 발생하고, 생물학적 처리에 악영향을 미쳤으나, 본 발명은 이러한 농약류의 오염물질을 생물분해하고자 체류시간을 늘리기 위해 활성탄을 담체로 사용하고, 활성탄에 흡착된 농약류의 오염물질들이 미생물에 의해 서서히 분해될 수 있도록 하여 오염물질의 처리효율을 개선시킨 것을 특징으로 하는 상향류 생물활성탄 모듈을 이용한 정체수역의 수질개선장치를 제공함을 다른 과제로 한다.
따라서, 본 발명은 기존의 정체수역 전체를 대상으로 한 처리개념을 정체수역 외부의 콤팩트화 된 장치로서, 생물 활성탄 모듈을 도입한 상향류식 밀폐형 처리장치를 도입하여 수변공간에서의 악취를 방지하고 슬러지의 발생량이 최소화하여 처리효율을 극대화하고, 밀폐형 장치에서의 침전효율성 제고를 위하여 사이클론 형 태의 침전기능을 갖춘 침전조 및 처리수조 개념을 도입하여 본 장치의 안정성을 향상시키도록 설계한 것을 특징으로 하는 상향류 생물활성탄 모듈을 이용한 정체수역의 수질개선장치를 제공함을 또 다른 과제로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명은 정체수역의 수질을 개선하기 위한 수질개선장치에 있어서,
정체수 내의 부유물질 및 토사를 침전시키기 위한 사이클론형 침전조(10)와;
질산성 질소를 질소가스로 탈질시키기 위해 생물활성탄 모듈을 충전한 무산소 칼럼 반응기(20)와;
정체수 중의 유기물질을 제거하기 위해 생물활성탄 모듈을 충전한 제 1 호기 칼럼 반응기(30)와;
정체수 중의 암모니아성 질소를 질산성 질소로 질산화 시키기 위해 생물활성탄 모듈을 충전한 제 2 호기 칼럼 반응기(40); 및
상기 제 2 호기 칼럼 반응기(40)에서 유출되는 물 및 공기의 혼합유체에 의한 침전성 저해를 억제시키고, 무산소 칼럼 반응기로 질산성 질소를 반송하기 위해 설계된 사이클론형 처리수조(50);
로 구성된 것을 특징으로 하는 상향류 생물활성탄 모듈을 이용한 정체수역의 수질개선장치를 과제 해결수단으로 한다.
단, 상기 무산소 칼럼 반응기(20), 제 1 호기 칼럼 반응기(30) 및 제 2 호기 칼럼 반응기(40)는 원통형 칼럼 반응기 직경(d)의 1/3 크기의 직경을 갖는 생물 활성탄(21, 31, 41) 모듈이 수리학적으로 최대 충전률을 가질 수 있도록 각각 7개의 생물활성탄(21, 31, 41) 모듈로 충진되고, 그리고 상기 제 1 호기 칼럼 반응기(30)는 공기공급을 위해 하부에 산기관(32)이 설치되는 것이 바람직하다.
상기의 과제 해결 수단에 의한 본 발명은 정체수역 외부에 수질개선을 위한 콤팩트화한 수질개선장치를 설치하여 정체수를 장치 내부를 통해 순환시켜 점차적으로 수질이 개선되도록 하여 수질개선장치의 유지 및 관리가 기존의 시설에 비해 편리하며, 또한 생물활성탄 모듈을 각각의 칼럼형 반응기에 충전하여 정체수를 처리함으로써, 반영구적인 처리기술을 이용하여 경작지에서 발생하는 농약류가 함유된 정체수의 농약 오염물질의 처리효율을 증대시키고, 또한 정체수의 처리시 상향류의 흐름을 가지도록 설계함으로써 반응기 전체가 효율적인 수리학적 체류시간을 가지도록 한 것이 장점이다.
그리고 본 발명은 정체 하천을 제외한 대부분의 정체수역이 비점오염물질의 유입에 의해 오염이 심해지는 점을 착안하여 유입되는 비점오염 부하에 비해 본 장치의 가동에 의해 처리되는 오염물질이 클 경우, 점차적으로 수질이 개선되도록 최소비용으로 시공함으로써 공원의 호소, 인공 낚시터, 골프장 연못 등과 같은 다양 한 정체수역의 수질개선이 용이하여 정체수역의 상업적 활용 가능성이 기대되는 기술인 것이 특징이다.
상기의 효과를 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 종래의 정체수역 수질개선장치가 정체수역 전체를 대상으로 시공되었는데 반해 본 발명은 정체수가 본 발명에 따른 수질개선장치를 순환하면서 수질이 개선되는 기술을 도입시킨 것이 특징으로, 본 발명에 따른 상향류 생물활성탄 모듈을 이용한 정체수역의 수질개선장치(이하, '수질개선장치'라 한다)를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이며, 그리고 본 발명의 내용 중 앞뒤 문맥의 흐름상 '정체수'와 '유체'를 혼용하여 사용하고 있음을 유의하여야 한다.
이하 본 발명의 구성을 첨부된 도면을 중심으로 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 정체수역의 외부에 설치된 본 발명에 따른 정체수역의 수질개선장치 내에 정체수역의 체류수가 유입 및 유출에 의해 순환되는 상태를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 정체수역의 수질개선처리를 위한 각 공정을 나타낸 공정계통도 도면에 관한 것이다.
본 발명에 따른 수질개선장치는 도 1에 도시된 바와 같이 정체수역의 외부에 콤팩트화 된 수질개선장치를 설치하고, 정체수역의 정체수를 수질개선장치 내에 유입시켜 처리한 처리수를 정체수역으로 방류시킴으로써, 정체수역의 유체가 수질개선장치 내부를 연속적으로 순환처리되면서 정체수역의 수질이 점차적으로 개선되는 것이 특징이다.
본 발명은 첨부된 도면인 도 2를 참조하면, 정체수역의 수질을 개선하기 위한 수질개선장치에 있어서,
정체수 내의 부유물질 및 토사를 침전시키기 위한 사이클론형 침전조(10)와;
질산성 질소를 질소가스로 탈질시키기 위해 생물활성탄 모듈을 충전한 무산소 칼럼 반응기(20)와;
정체수 중의 유기물질을 제거하기 위해 생물활성탄 모듈을 충전한 제 1 호기 칼럼 반응기(30)와;
정체수 중의 암모니아성 질소를 질산성 질소로 질산화시키기 위해 생물활성탄 모듈을 충전한 제 2 호기 칼럼 반응기(40); 및
상기 제 2 호기 칼럼 반응기(40)에서 유출되는 물 및 공기의 혼합유체에 의한 침전성 저해를 억제시키고, 무산소 칼럼 반응기로 질산성 질소를 반송하기 위해 설계된 사이클론형 처리수조(50);
로 구성된 것을 특징으로 하는 상향류 생물활성탄 모듈을 이용한 정체수역의 수질개선장치에 관한 것이다.
특히 본 발명은 본 발명에 따른 수질개선장치를 악취발생 및 설치장소의 미관을 고려하여 밀폐형으로 설치된 것을 특징으로 하며, 이러한 밀폐형 반응기의 오염물질 처리효율을 최대화하기 위하여 각 반응기에 유입되는 정체수는 상향류식 흐름을 가지도록 하였다. 또한 골프장 연못 등 경작에 의해 발생하는 농약류를 생물학적으로 제거하는 기작을 위해 흡착 후, 생물분해 될 수 있도록 활성탄을 내부 충전담체로 사용한 것이 특징이다.
본 발명은 본 발명에 따른 처리장치를 이용하여 정체수역의 수질을 개선시키는 과정을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 사이클론형 침전조(10)는 유입배관을 통해 유입된 부유물질 및 정체수역 하부의 진흙과 같은 입자상 물질을 침전시키기 위한 시설이다. 일반적으로 침전조가 유체를 정체시켜 처리하는 원리임에 반해, 본 침전조는 사이클론 형태로 시공되어 도 3에 도시한 바와 같이 유체가 상부 측면의 유입구(11)를 통해 사이클론형 침전조(10) 내부에 유입되어 회전하면서 입자상 물질을 제거시키는 원리로 시공된다. 또한 밀폐형 구조의 효율을 최대화하기 위해 유출구(12)는 침전조의 상부에 설치된다. 이때 사이클론형 침전조(10) 내부는 유체가 회전하면서 비중이 큰 고형물은 아래로 침전하고, 유체는 나선형 회전 흐름 공간의 중앙부를 통해 상 부로 이동하여 사이클론형 침전조(10) 상부의 유출구를 통해 유출되어 무산소 칼럼 반응기(20)의 하부로 유입된다. 침전된 고형분은 배출구(13)를 통해 배출되어진다.
참고로 도 3은 본 발명에 따른 수질개선장치의 사이클론형 침전조 내부에 유입된 유입수에 의해 침전물이 침전되는 상태를 나타낸 도면에 관한 것이다.
상기 사이클론형 침전조(10)를 통과한 유체는 무산소 칼럼 반응기(20), 제 1 호기 칼럼 반응기(30), 제 2 호기 칼럼 반응기(40)를 통과하면서 오염물질이 제거되어진다.
본 발명에서 상기 무산소 칼럼 반응기(20), 제 1 호기 칼럼 반응기(30) 및 제 2 호기 칼럼 반응기(40)는 도 4a에 도시된 바와 같이 원통형 칼럼 반응기 직경(d)의 1/3 크기의 직경(d/3)을 갖는 생물활성탄(21, 31, 41) 모듈이 수리학적으로 최대 충전률을 가질 수 있도록 각각 7개의 생물활성탄(21, 31, 41) 모듈로 충진된다. 생물활성탄(21, 31, 41) 모듈은 도 4b에 도시된 바와 같이 원기둥 형태이다.
본 발명에서 생물활성탄을 모듈화하여 충전시킨 이유는 생물활성탄을 가득채웠을 때 나타날 수 있는 흐름의 채널링(channelling)을 피하고 또한 일부 혐기성화를 피하기 위해 공급되는 공기의 공급을 원활히 하기 위함이다. 본 생물활성탄 모듈 반응기의 충전률은 상, 하부의 미충전 공간의 크기에 따라 변형 가능하지만, 일 반적으로 충전률이 겉보기 충전률이 60%일 경우, 실제 충전률은 23.4(v/v)%인 것이 바람직하다.
참고로, 도 4a는 본 발명에 따른 수질개선장치의 칼럼 반응기 내부에 원기둥 형태의 생물활성탄 모듈을 충전한 상태를 나타낸 도면이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 원기둥 형태의 생물활성탄 모듈의 측면을 나타낸 도면에 관한 것이다.
일반적으로 활성탄이란 비표면적이 넓어 높은 흡착성을 지닌 탄소질 물질로서 목탄 따위를 활성화하여 만드는 것으로, 일반적으로 악취제거에 주로 이용되는 물질이다. 상기 활성탄은 생물담체로 사용하여 미생물을 식종하여 생물막을 형성시킨다. 생물막이란 고체 표면에 형성된 미생물의 점액질막과 그 함유물을 말하며, 이의 형성은 물리, 화학, 생물학적 현상들이 복합적으로 작용하여 이루어진다.
본 발명에서 활성탄을 담체로 사용한 이유는 다른 미생물 담체에 비해 높은 부착미생물량을 유지할 수 있는 점과 또한, 본 연구의 대상 정체수역인 골프장 연못과 같은 경작지역에서는 농약류가 다량 사용됨에 따라, 이러한 농약류가 제거될 수 있도록 하기 위함이다. 일반적으로 농약류는 미생물에게도 악영향을 끼쳐 처리효율 저하를 야기하는 것으로 알려져 있다. 따라서 활성탄 담체에 농약류를 흡착시켜 거의 영구적인 미생물 체류시간(sludge retention time)을 갖는 고정생물막 공법에 의해 서서히 제거되는 원리이다.
그리고 본 발명에서 반응기의 구성을 무산소 칼럼 반응기(20), 제 1 호기 칼럼 반응기(30), 제 2 호기 칼럼 반응기(40)로 배열한 이유는 다음과 같다.
무산소 칼럼 반응기(20)는 제 1 호기 칼럼 반응기(30), 제 2 호기 칼럼 반응기(40)에서 암모니아성 질소가 질산화되어 질산성질소가 되고, 이 질산성 질소가 처리수조의 반송라인에 의해 무산소 칼럼형 반응기로 공급되었을 때, 질소가스로 탈질시키기 위함이다. 무산소 칼럼 반응기(20)가 제일 먼저 배열된 이유는 탈질시에는 유기물이 필요한데, 유입수 중의 유기물을 이용하기 위함이다. 본 발명인의 연구결과(J.J. Park et al., Analysis of nitrifying bacterial communities in aerobic biofilm reactors with different DO conditions using molecular techniques, Water Science and Technology, 57(12), 1889~1899)의 선행연구결과에 의하면, 생물막 공정에서 용액상의 용존산소(dissolved oxygen)가 5 mg/L 이하일 경우, 생물막 내부 무산소 영역이 존재하게 된다. 따라서 제 1 호기 칼럼 반응기(30) 및 제 2 호기 칼럼 반응기(40)의 DO는 5∼8 mg/L 범위에서 유지시켜, 무산소 칼럼 반응기(20)의 DO가 2∼5 mg/L 범위에서 운전됨이 바람직하다.
무산소 칼럼 반응기(20)를 거친 유체는 이후 공정인 제 1 호기 칼럼 반응기(30) 및 제 2 호기 칼럼 반응기(40)를 거치게 된다. 앞서 언급되었듯이, 생물활성탄(31, 41) 담체를 완전 호기성 조건으로 만들기 위해 두 반응기의 DO는 5∼8 mg/L 범위에서 유지하여야 한다. 공기의 공급을 위해 제 1 호기 칼럼 반응기(30) 하부에 산기관(32)이 설치되고, 제 2 호기 칼럼 반응기(40)는 밀폐형 반응기이기 때문에 제 1 호기 칼럼 반응기(30) 내에 공급된 공기가 제 2 호기 칼럼 반응기(40)에 자연적으로 공급되어 진다. 이러한 상향류의 밀폐형 반응기 설계에 의해 공급에 따른 산소 전달 효율이 극대화하게 된다.
일반적으로 유기물의 제거에 있어서는 종송영양 미생물이 관여하게 되고, 질산화에 있어서는 독립영양 미생물이 관여하게 된다. 종속영양미생물은 성장률이 빠른 반면, 독립영양 미생물은 상대적으로 성장률이 느리다. 따라서 호기성 조건에서 유기물제거가 먼저 일어나게 되고, 이후, 암모니아성 질소의 질산성 질소로서의 전환, 즉 질산화가 일어나게 된다. 따라서 제 1 호기 칼럼 반응기(30)의 주된 목적은 유기물 제거에 있고, 제 2 호기 칼럼 반응기(40)의 주된 목적은 질산화에 있지만 정체수역내의 수질 특성에 따라 반드시 그러하진 않다.
상기 제 2 호기 칼럼 반응기(40)를 거친 유체는 이후 공정인 사이클론형 처리수조(50)로 유입된다. 사이클론형 처리수조(50)는 도 5에 도시된 바와 같이, 유입구(51)측은 밀폐형 구조로 유입된 유량 및 공기가 혼합되어 공급되기 때문에 본 발명의 처리수조의 또다른 역할 중에 하나인 침전의 역할이 방해되지 않게 하기 위하여 유출구(52)보다 상부에 설치되었다. 또한 침전흐름의 방해를 최소화하기 위하여 접선방향으로 설치된다. 유출구(52)의 하부에는 무산소 칼럼 반응기(20)로 제 1 호기 칼럼 반응기(30) 및 제 2 호기 칼럼 반응기(40)에서 질산화 된 질산성 질소를 반송시키기 위한 반송구(53)가 구비되고, 이 반송구(53)를 통해 반송라인을 거쳐 무산소 칼럼 반응기(20)로 반송되도록 설계되어 있다. 일반적인 생물막 공정의 유출수는 부유상 물질이 20 mg/L 이하로 유지되기 때문에 굳이 처리수조에서 침전을 거칠 필요가 없으나 침전물을 배출할 수 있도록 하부에 배출구(54)를 구비하고, 본 발명에서는 보다 높은 고액 분리 효율 및 무산소 칼럼 반응기로의 질산성 질소 반송을 위해 도입되었다.
도 5는 본 발명에 따른 수질개선장치의 사이클론형 처리수조 내부에 처리수가 유입된 상태를 나타낸 도면에 관한 것이다.
특히, 본 발명에 따라 정체수역의 수질이 목표수질까지 근접하여 본 발명에 따른 장치를 운전할 필요가 없을 경우에는 휴지기간을 두는 것이 가능하다. 본 휴지기간을 가지는 생물학적 반응기는 본 발명이 담체 공정을 사용하기 때문에 가능한 것이며, 그 이유는 본 발명인의 선행 특허인 대한민국 등록특허 제0701599호(2007. 3. 23 등록)의 메디아를 이용한 비점오염물질의 생물학적 처리장치에서 실시예를 통하여 규명한 바 있다.
따라서 본 발명에 따른 상향류 생물활성탄 모듈을 이용한 정체수역 수질개선 장치는 정체수역 외부에 소규모로 설치, 시공되어 개선효율을 최대화하였으며, 특 히 밀폐형의 상향류 흐름으로 시공되어 처리과정에서 악취 등의 악영향이 거의 없고 미관상의 고려를 위해 다양하게 시공될 수 있는 장치인 것이 특징이다.
이하 본 발명의 구성을 아래의 실시예를 통해 상세히 설명하면 다음과 같다.
1. 반응기의 운전
본 발명에 의한 상향류 생물활성탄 모듈을 이용한 정체수역 수질개선장치의 정체수역의 수질개선 효과를 파악하기 위해 실험실 규모의 장치를 이용하여 호소수 및 골프장 연못의 수질을 대상으로 실험을 실시하였다.
본 실시예에서 사용된 실험실 규모의 장치는 정체수의 부유물질 및 토사를 침전시키기 위한 5 L 용적의 사이클론형 침전조와 질산성 질소를 질소가스로 탈질시키기 위해 생물활성탄 모듈을 충전한 4 L 용적의 무산소 칼럼 반응기, 정체수 중의 유기물질을 주로 제거하기 위해 생물활성탄 모듈을 충전한 4 L 용적의 제 1 호기 칼럼 반응기, 정체수 중의 암모니아성 질소를 질산성 질소로 질산화 시키기 위해 생물활성탄 모듈을 충전한 4 L 용적의 제 1 호기 칼럼 반응기 및 제 2 호기 칼럼 반응기에서 유출된 수량 및 공기량에 의한 유동을 최대한으로 억제시키고, 질산성 질소를 무산소 칼럼 반응기로 안정적으로 반송하기 위해 설계된 4.5 L 유효용적의 사이클론형 처리수조로 구성되었다.
정체수역을 모사하기 위하여 유원지 내에 위치는 호소수 및 골프장 연못수를 각각 2 m3 씩 채취하여 저장탱크에 저장하여 정체수역을 구현하였으며, 이를 상기에서 모사한 본 발명의 정체수역 수질개선 장치를 이용하여 순환시킴으로써 수질개선 효과를 살펴보았다.
2. 운전 결과
(실시예 1) : 호소수의 수질개선
본 호소수의 수질개선 정도를 파악하기 위하여 상향류 생물활성탄 모듈을 이용한 수질개선 장치에 정체수역 모사를 위해 2 m3의 저장탱크에 저장되어 있는 수질을 순환시켜 생물활성탄에 부착되어 있는 부착미생물에 의해 오염물질이 제거될 수 있도록 하였다.
본 발명인의 연구결과(J.J. Park et al., Analysis of nitrifying bacterial communities in aerobic biofilm reactors with different DO conditions using molecular techniques, Water Science and Technology, 57(12), 1889~1899)의 선행연구결과를 기초로 하여, 제 1 호기 칼럼 반응기 및 제 2 호기 칼럼 반응기의 용액상의 용존산소(dissolved oxygen)를 제 1 호기 칼럼 반응기 내부의 산기관을 통한 공기공급을 통하여 DO를 5∼8 mg/L 범위에서 유지하였다.
호소수에 대한 본 발명의 수질개선 장치의 운전조건은 아래 [표 1]에 제시한 바와 같이 A, B, C 조건의 수리학적 체류시간(hydraulic retention time, HRT)을 각각 6, 4, 2 hr으로 변경하여 운전하였다. A, B, C 조건에 대한 15일 후의 정체수의 수질을 측정한 결과 아래 [표 2]의 내용과 같다. A, B, C 조건에서 생물학적 산소요구량(Biological Oxygen Demand, BOD)의 제거효율은 각각 63.5, 74.6, 40.3%이고, 화학적 산소요구량(Biochemical Oxygen Demand, COD)의 제거효율은 각각 79.3, 88.6, 58.8%로 나타났다. 또한 부유상 물질(Suspended Solids, SS)의 제거효율은 각각 67.7, 70.9, 50.2%이며, 총질소(TN)의 제거효율은 각각 80.0, 77.6, 17.6%로 나타났으며, 총인(TP)의 제거효율은 각각 83.3%, 89.3%, 83.8%로 나타났다. HRT를 4 hr으로 운전한 B 조건에서 가장 우수한 수질개선 효과를 달성할 수 있었으며, 향후 본 발명에 따른 상향류 생물활성탄 모듈을 이용한 정체수역 수질개선 장치의 HRT는 4 hr으로 운전함이 바람직하다.
호소의 수질 등급을 규정한 환경정책기본법 시행령 별표 1에 의한 호소수 수질 등급을 살펴 보면, CODMn이 25.4 mg/L로 나타나, 10 mg/L를 초과할 경우 Ⅵ등급인 '매우 나쁨' 등급에서 본 상향류 생물활성탄 모듈을 이용한 정체수역 수질개선 장치를 15일 동안 가동 후에는 2.9 mg/L로 나타나 Ⅰb등급인 '좋음' 등급으로 크게 개선됨을 실시예를 통해 확인하였다.
운전조건 A B C
수리학적체류시간(hr) 6 4 2
온도(℃) 5.3~14.6 (8.11)* 4.8~12.8 (8.1) 5.9~16.1 (10.19)
*( )는 평균값임.
구 분 A B C
처리전 처리후 처리전 처리후 처리전 처리후
pH 7.5 7.8 7.4 7.6 7.4 7.8
SS 24.8 8.0 28.2 8.2 26.7 13.3
Alkalinity 54.0 48.0 57.0 51.0 57.0 52.0
CODCr 49.1 17.9 40.5 10.3 29.3 17.5
CODMn 28.5 5.9 25.4 2.9 12.4 5.1
BOD5 16.8 3.2 12.5 2.1 8.0 2.9
TN 9.5 1.9 5.8 1.5 3.4 2.8
TP 0.24 0.04 0.28 0.03 0.31 0.05
본 발명에서 개발된 상향류 생물활성탄 모듈을 이용한 수질개선 장치에서 정체수역의 오염물질을 처리하기 위해서는 무산소 칼럼 반응기, 제 1 및 제 2 호기 칼럼 반응기 내의 생물활성탄에 부착되어 있는 부착미생물의 양을 유지하는 것이 중요한 요소이다. 본 발명에서 제작된 생물활성탄 모듈은 각 반응기에 칼럼형으로 충전되었으며, 각 반응기의 생물활성탄의 겉보기 충전률 및 실제 충전률을 각각 약 60.0%, 23.4%(v/v)로 일정하게 충전시켰다.
아래 [표 3]에서는 A, B, C 조건에 따른 각 반응기 내의 생물활성탄에 부착된 부착미생물량을 나타내었다. 부착미생물량은 생물활성탄의 일부를 채취한 후, 세척하여 남은 부유물질을 측정하여 전체 부착미생물량을 계산한 후, 반응기 전체의 용적으로 나누어서 나타내었다. 본 발명인의 연구결과(J.J. Park et al., Analysis of nitrifying bacterial communities in aerobic biofilm reactors with different DO conditions using molecular techniques, Water Science and Technology, 57(12), 1889~1899)에서 세라믹 담체를 사용하였을 경우, 호기 칼럼 반응기에서의 부착미생물량이 약 250 mg/L임에 반해, 활성탄 담체를 사용한 본 연구결과에서는 최적조건인 B 조건에서 1,200 mg/L를 상회하였다. 이로써 본 활성탄 담체의 부착미생물 보유능력이 우수함이 입증되었다. 또한, 무산소 칼럼 반응기에서의 부착미생물보다 제 1 및 제 2 호기 칼럼 반응기 내의 부착미생물의 증식속도가 빠른 것으로 나타났다. 이는 무산소 칼럼 반응기 보다 상대적으로 제 1 및 제 2 호기 칼럼 반응기에서는 성장속도가 빠른 종속영양미생물이 활성화됨을 나타낸다.
아래 [표 4]는 미생물의 활성도를 나타내는 지표인 INT-dehydrogenase(DHA) activity를 나타낸 결과로서, 각 조건마다 무산소 칼럼 반응기 보다 제 1 및 제 2 호기 칼럼 반응기의 미생물 활성도가 높은 것을 확인할 수 있고, 정체수의 순환으로 저부하가 지속됨에도 미생물의 활성도는 유지됨을 나타낸다.
운전조건 A B C
무산소 제 1 호기 제 2 호기 무산소 제 1 호기 제 2 호기 무산소 제 1 호기 제 2 호기
Biomass amount (mg MLSS/L) 153 360 410 704 1,272 1,225 1,314 2,194 1,956
Biomass amount (mg MLVSS/L) 111 257 295 411 895 731 777 1,479 877
운전조건 A B C
무산소 제 1 호기 제 2 호기 무산소 제 1 호기 제 2 호기 무산소 제 1 호기 제 2 호기
DHA (mg O2/g VSS/day) 6.41 8.33 7.97 9.35 10.81 11.27 11.80 12.01 12.16
*( )는 평균값임.
(실시예 2) : 골프장 연못의 수질개선
상기의 상향류 생물활성탄 모듈을 이용한 수질개선 장치를 이용한 호소수의 수질개선 결과에서 HRT가 4 hr일 때 가장 우수한 효과를 나타내었다. 따라서 골프장 연못의 수질개선을 위해 HRT를 4 hr로 유지하여 운전하였다. 이 때, 수온은 운전기간 중 6.8~15.2 ℃로 평균 11.2℃로 운전되었다.
아래 [표 5]는 본 실시예인 골프장 연못의 처리전 수질과 15일동안 본 수질개선 장치를 가동 후의 골프장 연못의 수질을 나타낸 결과로서, 상향류 생물활성탄 모듈을 이용한 수질개선 장치에 의한 골프장 연못 수질의 BOD, CODMn, SS, TN, TP의 제거효율은 각각 80.4, 80.3, 77.6, 55.6, 97.5%로 나타났고, 이때의 골프장 연못의 농도는 각각 1.8, 2.7, 6.9, 0.6, 0.04 mg/L로 나타났다. 호소의 수질 등급을 규정한 환경정책기본법 시행령 별표 1에 의한 호소수 수질 등급을 살펴 보면, CODMn이 13.7 mg/L로 나타나, 10 mg/L를 초과할 경우 Ⅵ등급인 '매우 나쁨' 등급에서 본 상향류 생물활성탄 모듈을 이용한 정체수역 수질개선 장치를 15일 동안 가동 후에는 2.7 mg/L로 나타나 Ⅰb등급인 '좋음' 등급으로 크게 개선됨을 본 골프장 연못에 대한 적용 실시예를 통해 확인하였다.
아래 [표 6]에서는 조건별 각 반응기 내의 생물활성탄에 부착된 부착미생물량을 나타낸 것으로, 제 1 호기 칼럼 반응기의 부착미생물량이 매우 높은 반면, 미생물의 활성도는 제 2 호기 칼럼 반응기에서 더 높게 나타났다. 이는 앞의 호소수의 제거 기작과 같은 결과로서, 골프장의 주 오염원이 유기물이기 때문에 제 1 및 제 2 호기 칼럼 반응기에서 유기물 제거가 주로 발생하여 제 1 및 제 2 호기 칼럼 반응기의 부착미생물량 및 미생물 활성도가 높게 나타나는 것으로 판단된다. 또한 호소수 실험과 골프장 연못수 실험의 활성도를 비교하였을 경우, 유사하게 나타나 농약류에 의한 미생물 활성도 저해는 미미하다고 판단되었다.
Item pH SS Alk. TCODCr TCODMn BOD5 TN TP
처리전 8.7 30.8 79.0 28.6 13.7 8.2 1.35 1.57
처리후 7.8 6.9 70.0 5.6 2.7 1.8 0.6 0.04
구분 무산소 제 1 호기 제 2 호기
Biomass amount (mg MLSS/L) 421 1,780 713
Biomass amount (mg MLVSS/L) 318 1,154 445
DHA (mg O2/g VSS/day) 11.25 12.59 37.89
상기의 실시예 1, 2를 통해 확인한 바와 같이, 부유상 물질은 사이클론형 침전조에서 제거되고, 유기물, 총질소 및 총인은 생물활성탄 모듈의 부착미생물에 의해 제거됨으로써 호소수 및 골프장의 수질을 Ⅰb등급까지 개선시킬 수 있었다.
특히, 본 실시예 1, 2의 온도조건이 10℃ 부근의 저온에서 운전한 결과이므로, 본 수질개선 장치가 여름철 조건인 20℃ 부근의 고온에서 운전할 경우, 보다 더 우수한 수질개선 효과 및 짧은 기간에도 처리가 가능할 것으로 예측된다.
따라서 호소수 및 골프장 연못이 상향류 생물활성탄 모듈을 이용한 수질개선 장치에 의해 효과적으로 수질이 개선됨으로써 호소 및 골프장 외의 정체수역을 효과적으로 처리할 수 있으며, 콤팩트한 장치형 처리시설을 설치함으로써 기존의 정체수역 처리 기술이 가지고 있는 한계점인 높은 시공 단가 및 관리 기술에 대한 요구가 해결될 수 있을 것으로 기대된다.
상기에서와 같이 본 발명에 따른 상향류 생물활성탄 모듈을 이용한 정체수역의 수질개선장치의 우수성에 대해서는 상기의 실시예에 의해 입증되었지만 본 발명의 구성이 상기의 실시예에 의해서만 반드시 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환 및 변형이 가능하다.
도 1은 정체수역의 외부에 설치된 본 발명에 따른 정체수역의 수질개선장치내에 정체수역의 체류수가 유입 및 유출에 의해 순환되는 상태를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 정체수역의 수질개선처리를 위한 각 공정을 나타낸 공정계통도 도면,
도 3은 본 발명에 따른 수질개선장치의 사이클론형 침전조 내부에 유입된 유입수에 의해 침전물이 침전되는 상태를 나타낸 도면,
도 4a는 본 발명에 따른 수질개선장치의 칼럼 반응기 내부에 원기둥 형태의 생물활성탄 모듈을 충전한 상태를 나타낸 도면,
도 4b는 도 4a에 도시된 원기둥 형태의 생물활성탄 모듈의 측면을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 수질개선장치의 사이클론형 처리수조 내부에 처리수가 유입된 상태를 나타낸 도면이다.
＊ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ＊
10 : 사이클론형 침전조 11, 51 : 유입구
12, 52 : 유출구 13, 54 : 배출구
20 : 무산소 칼럼 반응기 30 : 제 1 호기 칼럼 반응기
21, 31, 41 : 생물활성탄 32 : 산기관
40 : 제 2 호기 칼럼 반응기 50 : 사이클론형 처리수조
53 : 반송구

Claims (6)

  1. 정체수역의 수질을 개선하기 위한 수질개선장치에 있어서,
    정체수 내의 부유물질 및 토사를 침전시키기 위한 사이클론형 침전조(10)와;
    질산성 질소를 질소가스로 탈질시키기 위해 생물활성탄 모듈을 충전한 무산소 칼럼 반응기(20)와;
    정체수 중의 유기물질을 제거하기 위해 생물활성탄 모듈을 충전한 제 1 호기 칼럼 반응기(30)와;
    정체수 중의 암모니아성 질소를 질산성 질소로 질산화시키기 위해 생물활성탄 모듈을 충전한 제 2 호기 칼럼 반응기(40); 및
    상기 제 2 호기 칼럼 반응기(40)에서 유출되는 물 및 공기의 혼합유체에 의한 침전성 저해를 억제시키고, 무산소 칼럼 반응기로 질산성 질소를 반송하기 위해 설계된 사이클론형 처리수조(50);
    로 구성된 것을 특징으로 하는 상향류 생물활성탄 모듈을 이용한 정체수역의 수질개선장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 무산소 칼럼 반응기(20), 제 1 호기 칼럼 반응기(30) 및 제 2 호기 칼럼 반응기(40)에 유입되는 정체수는 상향류식 흐름을 갖는 것을 특징으로 하는 상향류 생물활성탄 모듈을 이용한 정체수역의 수질개선장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 무산소 칼럼 반응기(20), 제 1 호기 칼럼 반응기(30) 및 제 2 호기 칼럼 반응기(40)는 원통형 칼럼 반응기 직경(d)의 1/3 크기의 직경을 갖는 생물활성탄(21, 31, 41) 모듈이 수리학적으로 최대 충전률을 가질 수 있도록 각각 7개의 생물활성탄(21, 31, 41) 모듈로 충진된 것을 특징으로 하는 상향류 생물활성탄 모듈을 이용한 정체수역의 수질개선장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 활성탄은 생물담체로 사용하여 미생물을 식종하여 생물막을 형성시킨 것을 특징으로 하는 상향류 생물활성탄 모듈을 이용한 정체수역의 수질개선장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 호기 칼럼 반응기(30)는 하부에 산기관(32)이 설치되는 것을 특징으로 하는 상향류 생물활성탄 모듈을 이용한 정체수역의 수질개선장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 사이클론형 처리수조(50)는 유입구(51)가 유출구(52)보다 상부에 설치되고, 또한 유출구(52)의 하부에 반송구(53)가 구비되는 것을 특징으로 하는 상향류 생물활성탄 모듈을 이용한 정체수역의 수질개선장치.
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