KR100949077B1 - 싱글헤드형 ｕｆ침지식중공사막을 이용한 하·폐수 고도처리장치 및 이를 이용한 하·폐수 처리방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하·폐수에 포함되어 있는 유기물과 질소, 인을 제거하기 위하여 싱글헤드형 UF(한외여과)침지식중공사막을 이용한 하·폐수 고도처리장치 및 이를 이용한 하·폐수 처리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래 침지식분리막 처리방식에서 일반적으로 사용하던 더블헤드형 MF(정밀여과)침지식중공사막을 이용하여 하·폐수를 처리할 경우, 부영양화 물질인 인 제거효율저하, 슬러지 및 이물질(머리카락, 털, 섬유)에 의한 분리막의 엉킴과 막힘 현상 발생, 세정공기의 불균형 공급에 의한 헤드부분에 다량의 슬러지 퇴적에 의한 여과면적의 감소로 수량 배출 저하(Flux 저하)와, 중공사막이 끊어지는 등의 여러가지 문제가 발생하던 것을, 본 발명에서 고효율의 싱글헤드형 UF침지식중공사막을 이용하여 문제점을 해결하므로서 분리막 세정주기가 짧아져 막의유지관리가 편리해지고 그로인하여 분리막의 교체수명이 길어져 유지관리비가 절약되며 더 나아가 처리수질의 안정성을 완벽히 확보하고 대장균과 일반 세균까지도 분리하여 하·폐수 처리수의 중수도 재활용이 바로 가능하고, 하·폐수처리를 위한 분리막 처리방식에서 가장 중요한 분리막을 보호하고 유지함으로써 고농도의 미생물을 보유할 수 있으며, 이로 인한 작은 면적의 처리시설로 높은 처리효율을 가짐으로써, 확실한 유기물 및 질소, 인 제거와 적은 슬러지 발생량에 의해 운영비 절감과 용이한 유지관리가 가능하다.
싱글헤드, UF(한외여과)침지식중공사막, 고도처리

Description

싱글헤드형 ＵＦ침지식중공사막을 이용한 하·폐수 고도처리장치 및 이를 이용한 하·폐수 처리방법{WASTEWATER TREATMENT APPARATUS AND WASTEWATER TREATMENTMETHOD USING THE SINGLE-HEAD TYPED SUBMERGED HOLLOW FIBER MEMBRANE}
본 발명은 하·폐수에 포함된 유기물과 질소, 인 등을 효율적으로 제거할 수 있는 싱글헤드형 UF(한외여과)침지식중공사막을 이용한 하·폐수 고도처리장치 및 이를 이용한 하·폐수 처리방법에 관한 것이다.
생물학적인 인(P) 제거방법은 종속영양미생물을 이용하여 인의 방출과 과잉섭취를 유도하고 과잉 섭취된 미생물을 계 외부로 제거하는 방법에 의해 이뤄진다.
인의 방출은 산소나 산화질소가 없는 조건에서 이루어지며, 이때는 세포내에 축척되어 있던 Poly-P를 분해할 때 발생하는 에너지를 이용하여 섭취한 rbCOD물질인 유기산(VFA)을 PHB(Poly-β-HydroxyButyrate)로 전환하여, 저장하는 과정에서 유리된 정인산(Ortho-P, PO4-P)을 용액내로 방출시키게 된다. 상기 rbCOD는 SBCOD와 는 달리 가수분해 과정을 거치지 않고 미생물 세포벽 내로 흡수가 되므로, 가장 바람직한 유기물 형태라고 할 수 있다.
인 방출반응 : 혐기조건 Poly-P + VFA → PHB + PO4 3-
인 방출이 일어난 미생물을 호기조로 이송하면, 세포 내에 저장되어 있던 PHB를 분해시켜 ATP를 합성하고, 이때 방출된 과량의 정인산(PO4-P, soluble phosphate)을 인을 과잉 섭취하여 Poly-P로 합성하여 세포내에 저장시키며, 이렇게 과잉 섭취한 미생물을 제거함으로서 하수의 인을 제거하게 된다.
인의 과잉섭취반응: PHB + PO4 3- → Poly-P + H2O + CO2
상기의 반응에 따라서 높은 인 방출 효율을 갖기 위해서는 유입하수의 SBCOD를 미생물 대사활동에 바로 사용이 가능한 형태인 rbCOD (Readily Biodegradable COD)로 변환하는 것이 반드시 필요하다. 그리고, 인 방출세균은 rbCOD를 소모하는 종속영양세균이나 탈질균보다 낮은 경쟁관계를 가지고 있으므로 유입하수의 rbCOD가 인 방출세균의 우선적으로 사용될 수 있도록 하여야 한다.
또한, 효율적인 인 방출반응은 혐기성조건에서 이루어짐으로 혐기성미생물의 농도를 유지하기 위한 반송슬러지에는 매우 적은 용존산소만을 함유하도록 하여 바로 혐기상태로 변환될 수 있도록 하여야 한다.
상기 침지식 중공사 분리막을 이용한 하·폐수처리방법에 대한 종래 기술로서, 공개특허번호 특1998-070975호의 '침지식 중공사막 모듈 및 이를 사용하는 폐수처리방법'과, 공개특허번호 특2000-0019492호의 '고농도 유기성 하·폐수 고도처리장치'와, 공개특허번호 10-2002-0044820호의 '침지식 분리막을 이용한 생물학적 질소와 인 제거장치 및 방법'이 있다.
상기의 공개특허들은 모두 MF(정밀여과) 중공사막을 이용하며 세정공기에 의한 막의 오염을 방지하는 형태의 구성을 가지는 것으로, 상기 공개특허번호 특1998-070975호의 경우, 중공사막을 이용하여 폐수를 처리하기 위해, 미생물이 서식하는 포기부와 혼합슬러지에서 처리수를 분리하는 분리막이 일체로 이루어진 구조를 가지며, 상기 분리막은 도 1에 도시된 바와 같이, 중공사막 고정부가 상/하부(더블헤드방식)에 수평으로 구성되고, 상하 고정부에 수직으로 중공사막이 설치되며 막의 중심에는 일정간격으로 수직하는 별도의 세정용 공기공급 노즐을 설치하여 막의 폐색을 방지하도록 한다.
그러나, 이러한 방법은 상기에 기술된 인의 제거를 위한 혐기성조건을 형성할 수 없어 인의 제거효율이 매우 낮으며, 분리막 하부에서 상부로 이동하는 세정용공기의 흐름에 따라서 이물질(머리카락, 털, 섬유)이 함께 이동하여 상부 고정부 에 엉겨 붙는 현상이 발생하게 된다. 또한 이에 반하여 공기의 흐름이 약한 하부고정부에는 슬러지가 퇴적되는 현상이 발생하여 분리막의 폐색과 끊김 현상 및 유효여과면적이 감소함에 따라 하·폐수처리를 위한 유지관리가 어렵다는 단점이 있다.
또한, 상기 공개특허번호 특2000-0019492에는 중공사막을 이용하여 고농도 하·폐수의 질소 및 인을 제거하기 위한 고도처리방안을 제시하였으며 이를 위하여 무산소조와 포기조, 막분리조를 구성하였으며, 침지식분리막은 중공사막 고정부가 좌, 우측(더블헤드방식)에 수직으로 구성되고(도2), 좌우고정부에 수평으로 중공사막이 설치되며, 침지식 중공사막 모듈 하부에는 별도의 세정용 산기배관을 설치하고 일정한 간격으로 산기관을 설치하여 중공사막의 슬러지와 이물질의 퇴적 및 막간 폐색을 방지하도록 한다. 하지만 이러한 방법도 인을 제거하기 위한 혐기조건을 제공할 수 있는 구성이 되어 있지 않으며 공개특허번호 특1998-070975에 비교하여 분리막이 세정용 공기의 상승 방향인 수직방향에 대하여 수평적으로 중공사막이 설치되는 구성으로 중공사막이 수직방향인 분리막에 비하여 하부에서 상부로 상승하는 세정용공기의 흐름에 따라서 이물질(머리카락, 털, 섬유)이 중공사막에 직접 엉겨 붙는 현상이 발생되고, 상승하는 공기의 유속과 진동의 계속적인 접촉에 의하여 분리막의 끊김 현상이 발생되는 단점이 있다.
상기 공개특허번호 10-2002-0044820호에는 중공사막을 이용하여 생활하수 및 오수를 처리하는 방안이 제시되어 있으며, 이를 위하여 무산소조, 혐기조, 호기조, 탈기조로 구성되며, 상기 호기조에 분리막을 설치하여 고액분리 하도록 구성되어 있다.
그리고, 상기 중공사막의 고정부에 대하여는 설명되어 있진 않지만, 국내에 이용되고 있는 대부분의 침지식 분리막의 대부분이 도 1에 도시된 바와 같이, 고정부가 상·하부(더블헤드방식)방식이거나, 또는 도 2에 도시된 바와 같이, 우측(더블헤드방식)방식인 것으로, 상기 공개특허번호 특1998-070975와 공개특허번호 특2000-0019492에 서술된 분리막 또한 동일한 문제를 가지고 있다.
또한 호기조와 분리막조의 일체화에 의하여 미생물의 대사에 필요한 공기공급량과 분리막의 세정용 공기를 동시에 공급하여야 하기 때문에 많은 동력을 필요로 하며 유입 하·폐수가 무산소조로 먼저 유입되는 구성으로 인하여, 인 방출을 위한 rbCOD(Readily Biodegradable COD)를 탈질균과 종속영양세균이 우선적으로 소모하여 인 방출이 일어나지 못하여 인 제거효율이 낮은 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 하·폐수에 유입되는 SBCOD(slowly biodegradable COD)를 혐기상태에서 rbCOD(Readily Biodegradable COD)로 가수분해하여 종속영양세균이나 탈질균보다 우선적으로 인 방출 세균이 사용할 수 있도록 하여 인 제거의 효율을 증대시킬 수 있도록 하고,
세정공기가 침지식중공사막 하부에서 상부로 이동하면서 공기가 일부분으로만 퍼져나가 전체적으로 고르게 공기가 공급되지 못하여 이물질(머리카락, 털, 섬유)이 중공사막에 엉겨 붙어 끊기거나, 상·하 고정부에 슬러지가 퇴적되어 유효 여과면적이 감소하는 문제를 해결할 수 있는 싱글헤드형 UF침지식중공사막을 이용한 하·폐수의 고도처리장치 및 이를 이용한 처리방법을 제공함에 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 하·폐수에 함유된 협잡물과 무기성 침전물을 제거하는 협잡물제거조와,
상기 협잡물제거조를 거쳐 협잡물과 이물질이 제거된 하·폐수를 일시적으로 저장하는 유량조정조와,
상기 유량조정조의 후단에 설치되어, 혐기상태에서 인의 다량방출을 유도하는 혐기조와,
상기 혐기조 후단에 설치되어, 질산성질소를 질소가스로 전환하여 대기중으로 방출시키는 탈질조와,
상기 탈질조 후단에 설치되어, 호기상태로 미생물 증식과 유기물을 제거역할을 하는 호기조와,
상기 호기조를 통해 정화가 완료된 처리수를, 싱글헤드 UF침지식중공사막을 이용한 흡인여과방법으로 직접 고액분리하는 막분리조로 구성된 싱글헤드형 UF침지 식중공사막을 이용한 하·폐수 고도처리장치를 주요 기술적 구성으로 한다.
또한, 싱글헤드형 UF침지식중공사막을 이용한 하·폐수 고도처리장치를 통한 하·폐수처리방법으로서,
유입된 하·폐수에 포함되어 있는 부유물질을 협잡물제거조를 통해 분리하고,
상기 부유물질이 제거된 하·폐수는 유량조정조에 임시 보관된 후에 혐기조로 이송되어 SBCOD(slowly biodegradable COD)를 미생물의 대사활동에 바로 사용이 가능한 형태인 rbCOD(Readily Biodegradable COD)로의 변환과, 인 방출을 유도하며,
상기 혐기조를 거친 하·폐수는 탈질조에서 질소제거가 이루어지고,
상기 질소가 제거된 하·폐수는 호기조에서 유기물과 질산화반응을 일으킨 후, 최종적으로 막분리조의 싱글헤드 UF침지식중공사막에 의해 처리수와 미생물을 분리하여 방류하게 된다.
그리고, 상기 하·폐수 고도처리장치의 혐기조는 상기한 바와 같이, 유입 하·폐수의 SBCOD(slowly biodegradable COD)를 rbCOD(Readily Biodegradable COD)로 변환하는 기능을 갖는 것이며,
상기 막분리조의 싱글헤드 UF침지식중공사막은 세정공기공급노즐과 처리수배출노즐이 중공사막고정헤드에 일체로 고정 형성되고, 상기 중공사막고정헤드의 중앙부는 세정용공기중앙배출구가 형성되며, 상기 세정용공기중앙배출구 둘레로는 중공사막이 고정설치되어, 막 모듈하부에만 묶임프레임(bundle frame) 구조를 갖는 것으로, 막 모듈상부에는 프레임이 없어 상기 중공사막말단이 물 속에 떠 자유롭게 움직일 수 있도록 구성된 것이며,
상기 중공사막은 공극의 크기가 0.05㎛이고, 말단부가 봉합된 개별중공사막의 집합으로 이루어진 것임을 특징으로 한다.
상기 중공사막은 PES(Polyethersulfone)으로 막의 외경(dia meter)가 2.6mm이다. 사용조건으로서, 사용온도 5 ~ 40℃, pH범위 2.5 ~ 12, MLSS적용범위 8,000 ~ 15,000 ㎎/ℓ, 운전차압범위 225 ~ 450 ㎜Hg, 막투과유속의 경우, 표준운전시 0.4 ~ 0.8 ㎥/㎡ day, Peak Flow시 0.9 ㎥/㎡ day이다.
상기 중공사막은 친수성을 부여하기 위하여, 표면을 플라즈마 중합을 통해 표면개질을 하고, 내부는 에탄올을 이용하여 분리막에 투과시켜, 막 표면과 막내 기공에 친수화를 부여하여 사용할 수도 있다.
플라즈마 고분자를 중합할 수 있는 가스들은 저압에서 글로우 방전시켜 플라즈마를 발생하였을 때 고체 물질을 접촉시키면 그 표면에 고분자 물질로된 얇은 막이 입혀지는 것으로, 이러한 종류의 고분자 중합공정을 플라즈마 중합(plasma polymerization)이라 한다.
즉, 친수성 플라즈마인 아크릴산(acrylic acid) 또는 알릴아민(allylamine)을 이용하여 power 10w로 10 ~ 60분간 처리하여 친수성을 부여한 중공사막으로의 사용도 가능하다.
상기의 주요 기술구성 외에, 본 발명에 따른 하·폐수 고도처리장치는 혐기조내에 공기가 용해되지 않도록 교반기를 설치하며, 유입하수와 미생물의 균일한 반응조건을 제시하며, 공기공급은 미생물 증식용 브로워와 막세정용 브로워를 분리하여 설치하여 이루어진다.
그리고, 질소 제거를 위해, 호기조에서 무산소조로 내부반송을 실시하여 탈질조건을 제시하며, 막분리조에서 혐기조로 외부반송배관을 설치하여 혐기조에서 7,000 ~ 10,000 mg/ℓ범위의 미생물 농도를 보유하도록 한다.
상기 미생물로는 짧고 부푼 모양으로 1 ~ 15㎛ 크기의 gram-negative 균인 Acinetobacter sp.와, 이외에 Globoformos, Pseudomonas sp.이 사용된다.
최종적인 인의 제거는 호기조에서 인을 과잉섭취한 잉여슬러지를 외부로 배출하여 탈수함으로서 인 화합물의 제거가 이루어지도록 한다.
본 발명의 특징 중 하나는, 인의 방출에 있어 중요한 요소 중의 하나인 rbCOD/P 비율을 25배 이상으로 충분히 제공하기 위해 혐기조를 전단에 설치하여 유입되는 SBCOD(slowly biodegradable COD)를 rbCOD(Readily Biodegradable COD)로 빠르게 전환하여 우선적으로 인방출 세균이 사용할 수 있도록 하고, 막분리조를 별도로 분리하여 최소량의 공기공급으로 막을 세정하여, 종래의 호기조와 막분리조의 일체형에 비하여 동력비를 50% 이상으로 절감이 가능하며, 매우 적은 세정공기공급에 따라서 막분리조 내에는 0.2 ~ 0.4 mg/ℓ범위의 낮은 용존산소농도를 유지할 수 있도록 한다는 것이다.
이러한 낮은 용존산소농도는 막분리조에서 혐기조로 공급하는 외부반송슬러지가 쉽게 유입하수와 혼합되어서 혐기조에서 산소를 소모하면서 쉽게 혐기상태를 이룰 수 있는 특징을 가지고 있다. 상기의 특징에 따라서 종래의 MF(정밀여과) 중공사막을 이용하는 처리방식에서 문제되는 낮은 인 제거 효율을 해결할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 상기 막분리조에 설치되는 싱글헤드방식의 침지식중공사막에 있다.
최근에는 처리된 하·폐수의 일정량 이상을 재활용하도록 법적인 규제를 실시하고 있으며, 이러한 하·폐수의 재활용은 하·폐수 처리수 재이용에 관한 권고기준에 따라서 청소용수나 조경용수 등으로 이용되고 있다.
이러한 과정에서 종래의 중공사막을 이용한 처리방법에 있어서는 공극의 크기가 0.2 ~ 0.4㎛의 MF(정밀여과)여과방식으로 고형물질을 분리하여 처리하고 있다. 이러한 여과 공극의 크기는 하수처리세균과 원생동물, 고형물질 등이 응집된 활성오니 플럭의 99% 이상 입자분리가 가능하나 0.5 ~ 1.5㎛ 범위의 대장균은 50 ~ 80% 정도 제거되고, 0.3㎛ 이하의 병원성 일반세균등은 대부분 제거되지 않아 재활용을 위해서 염소처리를 하거나 오존이나 자외선 살균처리 등을 실시하여 재활용하고 있다. 이러한 결과로 살균처리를 위한 별도의 시설비와 운영비로 인하여 유지관리비가 상승하는 단점을 가지고 있다.
그러나, 본 발명은 중공사막 처리수의 재활용을 위한 별도의 살균시설과 약품의 투입이 필요 없는 공극의 크기가 0.05㎛의 UF침지식중공사막을 적용하여 이러 한 문제를 해결할 수 있으며, 이러한 UF침지식중공사막은 0.1 ~ 1.5㎛ 범위의 대장균과 일반세균은 모두 제거가 가능하며 0.005 ~ 0.1㎛ 범위의 바이러스도 일부 제거가 가능하여 처리된 하·폐수를 UF침지식중공사막을 이용하여 처리수와 고형물질을 분리하고 처리수는 별도의 살균 없이 재활용이 가능하다는 특징을 갖는다.
따라서 본 발명은 종래의 침지식 중공사 분리막을 이용하는 하·페수처리기술에서 발생되는 침지식 중공사막의 파손과 폐색에 의한 여과면적 감소, 낮은 인 제거율을 동시에 해결하고 더 나아가 처리수와 고형물질뿐만이 아니라 대장균과 일반 세균도 완벽히 분리할 수 있는 더욱 진보된 하·폐수고도처리기술을 제공할 수 있다.
앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 싱글헤드형 UF침지식중공사막을 이용한 하·폐수의 고도처리장치 및 방법은, 종래 하·폐수를 처리하기 위한 분리막 처리방식인 더블헤드형 MF(정밀여과) 침지식중공사막을 이용함에 따라 발생하던 문제인 부영양화 물질인 인 제거효율 저하, 중공사 분리막에 슬러지와 이물질(머리카락, 털, 섬유)이 엉키는 현상과 끊어지는 현상, 세정공기의 불균형 공급에 따른 헤드부분의 슬러지 퇴적 및 이러한 결과로 여과면적이 감소하여 수량 배출저하 등의 여러 가지 문제를 해결할 수 있으며,
더 나아가 고효율의 대장균과 일반 세균까지도 분리할 수 있는 UF침지식중공사막을 적용하여 처리수질의 안정성을 완벽히 확보하고 처리수를 별도의 살균과정 없이 중수도로 재이용할 수 있는 특징을 갖는다.
또한, 본 발명은 하·폐수처리를 위한 분리막 처리방식에서 가장 중요한 침지식분리막을 보호하고 유지함으로써 중공사분리막의 오랜 사용기간을 갖도록 하여 낮은 유지관리비로도 운영이 가능하고, 항상 안정된 수질을 확보할 수 있으며, 유지관리가 매우 편리하다는 이점을 갖는다.
이하, 상기의 기술 구성에 대한 구체적인 내용을 도면과 함께 살펴보고자 한다.
도 1 및 도 2는 앞서 살펴본 바와 같이, 종래 침지식 중공사막으로서, 고정부가 상·하부(더블헤드방식)로 구성되고, 수직배열됨을 보인 사시도(도 1)와, 종래 침지식 중공사막으로서, 고정부가 좌·우(더블헤드방식)로 구성되고, 수평배열됨을 보인 사시도(도 2)이다.
기존의 침지식 분리막 모듈(double head)의 경우, clogging(막힘)과 sludging(슬러지 침적)이 문제가 발생하여 사용상의 많은 문제를 일으켰다.
즉, 종래 침지식 분리막 모듈(double head)은 clogging(막힘)과 sludging(슬러지 침적)에 의해 여과수량의 감소하고, 세정주기가 빨라지며, 막의 수명의 단축되는 등의 많은 문제를 일으켰다.
여기에서, 상기 clogging은 세정공기의 상향류 흐름에 따라서 이물질인 털, 섬유 등이 상부 프레임 head부분에 부착되어 막힘 현상이 발생되는 것이고, 상기 sludging은 세정공기의 사각지역이 발생함에 의해 슬러지가 하부 프레임 head 부분에 침적되는 것이다.
이와 달리, 본 발명에 따른 싱글헤드형 UF침지식중공사막(61)은 막의 모듈 하부에만 Single Head(단일헤드방식) 구조를 갖고 있으며 분리막 상부에는 상부헤드가 없고 막 섬유 끝부분은 각각 개별 봉합되어 물속에 뜰 수 있고, 바다 해초 같이 자유롭게 움직이도록 구성된다.
이는 막 하부 Single Head(단일헤드방식)의 중앙 air노즐에서 세정공기가 막의 상부 끝부분까지 고르게 전달됨으로써 막의 하부헤드에 슬러지가 침적되지 않을 뿐만 아니라 상부헤드가 없는 상부에는 슬러지가 부착되지 않고 세정공기와 같이 통과해 버리기 때문에 기존 침지막들의 제일 큰 문제점인 슬러지가 막히고 부착되는 현상이 전혀 발생하지 않는 분리막을 제공하게 된다.
즉, 본 발명에 따른 싱글헤드형 UF침지식중공사막을 이용하게 되는 경우, 슬러지와 이물질에 의한 막의 막힘과 부착 및 퇴적현상이 없으며, 세정공기 공급량 감소로 동력비를 절약하며, 막힘 현상 감소에 따른 높은 Flux(여과수량)으로 안정적 유량유지가 가능하며, 막의 오염 감소로 인하여 세정회수가 줄어들어 유지관리 가 편리할 뿐만 아니라, 막의 수명이 길어 유지관리비가 절약되는 장점을 갖는다.
이와 같은 본 발명에 따른 싱글헤드형 UF침지식중공사막을 이용한 하·폐수의 처리를 위한 장치구성을 도 3을 참고하여 살펴보면,
하·폐수에 함유된 협잡물과 무기성 침전물을 제거하는 협잡물제거조(10)와,
상기 협잡물제거조(10)를 거쳐 협잡물과 이물질이 제거된 하·폐수를 일시적으로 저장하는 유량조정조(20)와,
상기 유량조정조(20)의 후단에 설치되어, 혐기상태에서 인의 다량방출을 유도하는 혐기조(30)와,
상기 혐기조(30) 후단에 설치되어, 질산성질소를 질소가스로 전환하여 대기중으로 방출시키는 탈질조(40)와,
상기 탈질조(40) 후단에 설치되어, 호기상태로 미생물 증식과 유기물을 제거역할을 하는 호기조(50)와,
상기 호기조(50)를 통해 정화가 완료된 처리수를, 싱글헤드 UF침지식중공사막(61)을 이용한 흡인여과방법으로 직접 고액분리하는 막분리조(60)로 구성된다.
상기 혐기조(30)와 탈질조(40)에는 교반기(31, 41)가 설치되며, 상기 호기조(50)의 저부에는 외부에 설치되어 있는 미생물증식용브로워(51)를 통해 공급된 공기가 호기조(50)의 저부에 설치된 산기관을 통해 공급된다.
그리고, 상기 호기조(50)는 처리수의 일부가 탈질조(40)로 내부반송될 수 있도록 내부반송관(80)이 설치되고, 상기 막분리조(60)는 처리수의 일부가 혐기조(30)로 외부반송될 수 있도록 외부반송관(70)이 설치된다.
상기 막분리조(60)는 혐기조(30)와 외부반송관(70)으로 연결되어, 막분리조처리수가 반송되어 혐기조의 미생물농도를 7,000 ~ 10,000 mg/ℓ로 유지하도록 구성된다.
상기 혐기조(30)의 미생물농도가 7,000 mg/ℓ 미만인 경우에는 F/M비가 높아져 유입수가 미처리되어 배출되는 문제가 발생할 수 있고, 10,000 mg/ℓ를 초과하게 되는 경우에는 SRT(슬러지일령)가 길어져 세포의 자산화에 의한 인의 용출 문제가 있으므로, 상기 혐기조(30)의 미생물농도는 7,000 ~ 10,000 mg/ℓ의 범위를 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 막분리조(60)의 내부에는 싱글헤드 UF침지식중공사막(61)이 설치되며, 상기 싱글헤드 UF침지식중공사막(61)은 외부에 설치되어 있는 막세정용브로워(62)와 연결된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 싱글헤드 UF침지식중공사막(61)은 세정공기공급노즐(611)과 처리수배출노즐(612)이 일체로 형성된 합성수지 재질의 중공사막고정헤드(610)와,
상기 중공사막고정헤드(610)의 중앙부에 1개의 세정용공기중앙배출구(613)가 형성되고, 상기 세정용공기중앙배출구(613) 둘레로 중공사막(614)이 에폭시 수지를 이용하여 고정설치되어 세정용 공기가 중공사막고정헤드(610)의 수평면에서 방출되어 상승할 때 넓게 퍼지도록 하여 적은량의 공기량으로도 중공사막의 세정을 효율적으로 이룰 수 있는 싱글헤드방식의 침지식 중공사막 고정방법과 막과 공기배출구가 단일화된 묶음(Bundle)의 싱글헤드형 중앙 공기방출방법이 적용된다.
그리고, 상기 중공사막(614)은 말단부가 봉합된 개별중공사막(614')의 집합으로 이루어진다. 이와 같이, 상기 싱글헤드형 UF침지식중공사막(61)은 상부로 상승하는 세정공기(615)의 흐름에 따라 이동하는 이물질(머리카락, 털, 섬유)이 중공사막에 엉키지 않고 중공사막을 통과할 수 있도록 막의 끝부분을 각각 개별적으로 막과 동일재질로 봉합한 상부고정부가 없는 것을 특징으로 한다.
실시 예 1
본 발명에 따른 처리장치를 폐수종말처리장에 설치하여 부영화물질인 인의 제거효율을 측정하였다.
한강성심병원 폐수처리장은 종래의 0.4㎛ 중공사침지막을 설치하여 운영하였으며 운전기간동안에는 하수배출기준인 생물학적산소요구량(BOD), 화학적산소요구량(COD), 부유물질(SS), 총질소(TN) 등을 만족하고 있었으나, 총인(TP)은 배출기준을 넘은 상태로 배출하고 있었다. 더욱이 중공사막에 많은 섬유파이버와 머리카락 등의 이물질이 서로 엉겨 붙어 공기에 의한 세정이 원활하지 못한 결과로 중공사막의 폐색이 급격히 진행되었고 수차례의 화학약품 세정에도 여과능력이 회복되지 않아 유입하수를 전량처리하지 못하였다.
이에 대한 해결방안으로 인의 제거율을 개선하기 위해서 혐기조를 설치하여 하수를 우선적으로 혐기조로 유입하여 SBCOD(slowly biodegradable COD)를 rbCOD(Readily Biodegradable COD)로 빠르게 전환할 수 있도록 하였으며, 기존의 고정부가 상·하부(더블헤드방식)방식의 MF침지식 중공사여과막을 싱글헤드형 UF침지식중공사막으로 교체하여 가동하였다.
도 5는 유입하수와 혐기조를 신설한 후 혐기조에서 무산소조로 유입되는 시료를 동시에 취하여, Mamais et al.,1994에서 제시한 측정방법에 따라서 0.45㎛ 여과지로 시료를 여과하여 COD를 측정한 후 계산된 rbCOD의 농도를 그래프로 나타낸 것이다.
실험결과에 따라서 BEPR(biological excess P removal)를 위한 혐기조를 신설한 이후부터 60일 동안의 rbCOD 분석농도는 유입하수의 경우, 25 ~ 58 mg/ℓ로 나타났으며 유입하수가 혐기조를 거친 후에는 64 ~ 121mg/ℓ로 156 ~ 108% 증가하였다. 이는 혐기상태에서 혐기성균에 의하여 SBCOD(slowly biodegradable COD)가 rbCOD(Readily Biodegradable COD)로 가수분해되는 결과로써 충분히 생성된 rbCOD는 인 방출을 위한 TCA CYCLE에 공급되어서 높은 인 방출 효율을 나타내었다.
도 6은 앞서와 같이, 처리된 처리수의 총인(TP) 농도 그래프로서, 변경 전 2.0 ~ 3.0 mg/ℓ의 수질이 평균 0.5 mg/ℓ 이하로 매우 낮게 처리되어 종래의 총인(TP)의 처리수질의 문제점을 해결하였다.
실시 예 2
상기 실시 예1에 병행하여 슬러지 퇴적에 의한 침지식 중공사막의 폐색과 침지식 중공사막의 파손정도를 알아보기 위하여 실시하였다. 실시 예2는 막분리조 내부의 미생물농도가 8,000 ~ 10,000 mg/ℓ, 수온 18 ~ 25℃에서 60일간 측정하였으며 퇴적에 의한 여과면적 감소변화를 알기 위하여 막면적당의 처리수배출유량(㎥/㎡·day)과 흡입차압(mmHg)을 측정하였으며 파손정도를 확인하기 위하여 중공사막을 인양하여 관찰하였다.
도 7은 처리수배출유량을 나타낸 그래프로 가동초기인 1일부터 3일간의 평균 처리수배출유량은 0.8 ~ 0.9 ㎥/㎡·day 나타났으며, 3일 이후부터 서서히 감소하다가 7일 이후부터 실험을 종료한 60일 이후까지도 0.75 ㎥/㎡·day로 변화 없이 안정하게 유지되었다.
도 8의 흡입차압을 측정한 결과 또한 처리수배출유량 그래프와 같이 초기차압은 200mmHg로 유지하다가 운전 7일 이후부터는 225 mmHg로 변화 없이 안정하게 유지되었다.
이러한 안정된 유량과 차압은 세정공기에 의한 세정이 원활이 이루어지고 슬러지의 퇴적이나 이물질에 의한 중공사막의 폐색이나 파손이 없다는 것을 알 수 있다. 중공사막의 파손이나 외형적인 변화를 확인하기 위하여 외부로 중공사막을 인양하여 확인한 결과 초기 투입상태와 동일한 중공사막 표면을 유지하였으며 중공사막과 이물질의 엉킴이나 파손된 현상 없이 안정되게 운전되었다.
도 1은 종래 침지식 중공사막으로서, 고정부가 상·하부(더블헤드방식)로 구성되고, 수직배열됨을 보인 사시도.
도 2는 종래 침지식 중공사막으로서, 고정부가 좌·우(더블헤드방식)로 구성되고, 수평배열됨을 보인 사시도.
도 3은 본 발명에 따른, 싱글헤드형 UF침지식중공사막을 이용한 하·폐수의 고도처리장치를 보인 정면도.
도 4는 본 발명에 따른 침지식 중공사막으로서, 고정부가 하부(싱글헤드방식)에 구성되고, 수직배열됨을 보인 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 침지식 중공사막의 표면을 보인 전자현미경 사진.
도 6은 본 발명의 실시 예 1에 따른 rbCOD의 변화를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 실시 예 1에 따른 처리수의 총인(T-P)율을 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 실시 예 2에 따른 중공사막의 배출유량을 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 실시 예 2에 따른 중공사막의 흡입차압을 나타낸 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
10: 협잡물제거조 20: 유량조정조
30; 혐기조 40: 탈질조
50: 호기조 60: 막분리조
61: UF침지식중공사막 610: 중공사막고정헤드
611: 세정공기공급노즐 612: 처리수배출노즐
613: 세정용공기중앙배출구 614: 중공사막
615: 세정공기

Claims (6)

  1. 하·폐수에 함유된 협잡물과 무기성 침전물을 제거하는 협잡물제거조(10)와,
    상기 협잡물제거조(10)를 거쳐 협잡물과 이물질이 제거된 하·폐수를 일시적으로 저장하는 유량조정조(20)와,
    상기 유량조정조(20)의 후단에 설치되어, 혐기상태에서 인의 다량방출을 유도하는 혐기조(30)와,
    상기 혐기조(30) 후단에 설치되어, 질산성질소를 질소가스로 전환하여 대기중으로 방출시키는 탈질조(40)와,
    상기 탈질조(40) 후단에 설치되어, 호기상태로 미생물 증식과 유기물을 제거역할을 하는 호기조(50)와,
    상기 호기조(50)를 통해 정화가 완료된 처리수를, 싱글헤드형 UF침지식중공사막(61)을 이용한 흡인여과방법으로 직접 고액분리하는 막분리조(60)로 구성되고,
    상기 막분리조(60)의 싱글헤드형 UF침지식중공사막(61)은 세정공기공급노즐(611)과 처리수배출노즐(612)이 중공사막고정헤드(610)에 일체로 고정 형성되고,
    상기 중공사막고정헤드(610)의 중앙부는 세정용공기중앙배출구(613)가 형성되며, 상기 세정용공기중앙배출구(613) 둘레로는 중공사막(614)이 고정설치되어, 막 모듈하부에만 묶임프레임(bundle frame) 구조를 갖는 것으로,
    막 모듈상부에는 프레임이 없어 상기 중공사막(614) 말단이 물 속에 떠 자유롭게 움직일 수 있도록 구성된 것에 있어서,
    상기 중공사막(614)은 공극의 크기가 0.05㎛이고, 막의 외경(diameter)이 2.6mm인 PES(Polyethersulfone)재질로서, 친수성 플라즈마인 아크릴산(acrylic acid) 또는 알릴아민(allylamine)을 이용하여 power 10w로 10 ~ 60분간 친수성 처리한 것으로, 사용온도 5 ~ 40℃, pH범위 2.5 ~ 12, MLSS적용범위 8,000 ~ 15,000 ㎎/ℓ, 운전차압범위 225 ~ 450 ㎜Hg, 막투과유속의 경우, 표준운전시 0.4 ~ 0.8 ㎥/㎡ day, Peak Flow시 0.9 ㎥/㎡ day의 범위의 사용조건을 갖는 것임을 특징으로 하는 싱글헤드형 UF침지식중공사막을 이용한 하·폐수 고도처리장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    막분리조(60)는 혐기조(30)와 외부반송배관(70)으로 연결되어, 막분리조(60)의 처리수가 반송되어 혐기조(30)의 미생물인 짧고 부푼 모양으로 1 ~ 15㎛ 크기의 gram-negative 균인 Acinetobacter sp., Globoformos, Pseudomonas sp.,의 농도가 7,000 ~ 10,000 mg/ℓ를 유지하도록 구성되는 것임을 특징으로 하는 싱글헤드형 UF침지식중공사막을 이용한 하·폐수 고도처리장치.
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