KR101037888B1 - 침전, 생물학적 분해, 여과, 인제거, 자외선소독 일체형 하이브리드 하폐수 처리장치 - Google Patents

침전, 생물학적 분해, 여과, 인제거, 자외선소독 일체형 하이브리드 하폐수 처리장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하나의 반응조 내에 처리대상수 공급공간, 1차 침전지를 대체할 수 있는 경사판 침전모듈, 산소용해 효율을 크게 높인 산소공급 및 용해모듈, 다양한 생물학적분해공법을 채택할 수 있는 생물학적분해모듈, 2차침전지를 대체하거나 고도처리를 위해 설치되는 여과모듈, 응집제 투입에 의한 인의 초고도처리장치, 자외선램프 그리고 침전모듈, 생물학적분해모듈, 여과모듈 내의 미생물이나 억류 고형물을 수십 초 이내의 빠른 시간 내에 세척, 배출시키는 기능을 갖는 슬러지 배출구를 형성시켜 선행기술에서 단위 공정별로 분산 배치되는 시설을 집약화 함으로써 부지 및 에너지를 획기적으로 절감하는 하이브리드 하폐수 처리장치이다.

Description

침전, 생물학적 분해, 여과, 인제거, 자외선소독 일체형 하이브리드 하폐수 처리장치{Hybrid wastewater treatment equipment with sedimentation, biological degradation, filtration, phosphorus removal and UV disinfection system in a reactor}
본 발명은 하나의 반응조 내에서 침전, 산소공급, 생물학적 분해, 여과, 인 제거 및 자외선 소독이 가능한 하이브리드 하폐수 처리장치에 관한 것이다. 본 발명은 종래 하폐수 처리장치의 1차침전지를 대체할 수 있는 경사판 침전지를 장치 하부에 위치시키고 산소나 공기공급 수단 그리고 산소용해 효율을 획기적으로 높인 다공판과 기포포집 및 용해모듈을 설치하였으며, 생물학적분해 모듈을 통하여 유기물을 호기성 분해하거나 무산소 또는 혐기상태에서 탈질이나 인제거를 달성할 수 있고, 고도처리시 별도의 여과지에서 수행하던 생물학적 처리수의 여과를 하나의 장치 내에서 가능하게 하였다. 또한, 장치 내부 또는 외부에서 응집제를 투입함으로써 인의 초고도처리가 가능하게도 하였다. 이는 장치하부에 장착된 다수의 전동밸브를 동시에 빠른 속도로 개방할 때 매우 빠른 하향유속으로 수 초~수십 초 내에 모든 세척이 이루어지며 부분 배수도 용이하게 수행할 수 있기 때문에 가능한 기술이다.
따라서 본 발명은 여러 가지 단위공정으로 구분되어 설치되어온 하폐수 처리공정을 하나의 반응조에 집약시킴으로써 부지와 시설의 크기를 획기적으로 축소시킨 기술이다.
일반적으로 생활하수(Domestic wastewater)나 산업폐수(Industrial wastewater)의 처리는 1차처리, 2차처리, 고도처리(3차처리)로 분류된다. 1차처리는 침사지(Grit chamber)를 거친 하폐수원수(Raw wastewater)에 포함된 부유 고형물(Suspended Solids, SS)을 침전제거하는 것을 일컬으며 1차침전지(최초침전지, Primary clarifier)에서 이루어진다.
1차침전지는 원형, 직사각형 또는 정사각형의 형상을 가지며 침전지의 면적을 결정하는 표면부하율(Surface loading)은 1일 최대 하수량에 대하여 분류식 하수관거(Separate sewer)의 경우에는 35~70m3/m2/d, 합류식 하수관거(Combined sewer)의 경우에는 25~50 m3/m2/d 정도이다. 침전지의 유효수심은 2.5~4m이며 침전시간은 1일 최대 하수량에 대하여 2~4시간 범위이다. 침전지 수면위의 여유고는 40~60cm 정도이고 직사각형 침전지는 저류판 또는 유공정류벽을, 원형 및 정사각형 침전지는 유입구의 주변에 원통형 저류판을 설치하여 유체의 흐름을 층류(Laminar flow)에 가깝게 유지시킨다. 유출부에는 월류위어(Weir)와 스컴(Scum)제거기가 설치되고 침전지 하부에는 퇴적된 슬러지(Sludge)를 수집하여 배출시킬 목적으로 연쇄식(Chain flight)이나 스크레이퍼(Scraper)가 장착된 회전식의 슬러지 수집기(Sludge collector)가 설치된다. 슬러지 수집기에 의해 침전지 바닥이나 한쪽에 모아진 슬러지는 슬러지 펌프에 의해 주기적으로 침전지 외부로 배출된다.
1차침전지에서의 생화학적 산소요구량(Biochemical Oxygen Demand, BOD) 제거율은 30~40%이며 부유고형물(Suspended Solids, SS) 제거율은 60% 내외이다. 1차침전지는 후속 생물학적 처리를 위한 전처리 기능을 수행한다.
하폐수의 2차처리에는 생물학적 처리공정(Biological treatment process)이 포함된다. 생물학적 처리공정은 하폐수 처리의 주 공정으로서 유기오염물질 즉 생화학적산소요구량(BOD)의 대부분을 제거한다. 유기오염물질(BOD)을 분해하는 미생물은 호기성 미생물로서 수중에 부유된 상태로 오염물질을 분해하는 부유미생물법(Suspended growth)과 미생물이 생물막부착여재(Biological filter media)에 부착된 상태로 오염물질을 분해하는 생물막법(Biofilm), 그리고 부유미생물법에 미생물을 고정시킨 담체를 투입하여 처리하는 담체이용처리법 등이 있다.
부유미생물법의 대표적인 공법이 활성슬러지법(Activated sludge process)이다. 1차침전된 하폐수원수는 포기조(Aeration tank)로 이송되며 공기나 산소를 불어 넣으면서 교반시키면 각종 미생물이 하폐수 중의 유기물을 분해하면서 증식하고 응집이 되어 덩어리를 이루는 미생물플록(Biofloc)이 형성되며, 이러한 활성슬러지(Activated sludge)에 하폐수 중의 유기물이 흡착 및 생분해되어 또 다른 활성슬러지 및 분해 부산물로 바뀌게 된다. 이러한 분해는 체류시간동안 지속되고 처리가 끝나면 후속 2차침전지(Secondary clarifier, 최종침전지(Final clarifier))에서 고액분리시키고, 침전농축된 슬러지의 일부는 포기조로 반송(Recycle)되며 나머지 슬러지 즉 잉여슬러지는 슬러지 농축조로 이송된다. 표준활성슬러지법에서 포기조의 수심은 4~6m이고 수리학적 체류시간(HRT)은 6~8시간 정도이다. 활성슬러지 변법으로 계단식 포기법(Step aeration), 순산소활성슬러지법, 장기포기법 등이 있다.
부유미생물법에서 채택하는 포기조(Aeration tank) 내에 침지형분리막(Submerged membrane)을 침지시키고 흡입펌프를 이용하여 처리대상수를 포기조로부터 직접 인출하는 공법에서는 매우 높은 수준의 수질을 얻을 수 있으며 이 경우 2차침전지는 불필요하다. 운전이 지속되면서 포기조 내의 미생물부유고형물(Mixed liquor suspended solid, MLSS)의 농도가 점차 높아지기 때문에 포기조 내 처리대상수를 간헐적으로 배출시킴으로써 미생물 농도를 조절한다.
용존산소가 존재하지 않는 무산소상태에서 질산성 호흡, 아질산성 호흡을 하면서 질산성 질소를 질소가스로 탈질하는 통기성 미생물에 의한 처리와 산소와 질산 및 아질산이 존재하지 않은 혐기성상태와 호기성상태를 교대로 반복하여 다중인산을 다량 축적하는 탈인미생물을 이용하는 처리도 수반될 수 있다. 이러한 질소, 인제거 공정은 대표적인 고도처리에 속한다.
생물막(Biofilm)법은 생물막부착여재(Biological filter media)에 부착된 미생물에 의해 유기물을 분해시키는 공정이다. 생물막법은 호기성은 물론 무산소 및 혐기공정에서도 사용된다. 생물막법에서는 생물막의 지지매체인 생물막부착여재에 부착하여 성장하는 미생물에 산소와 유기물이 2차원적으로 공급되므로 산소와 유기물의 물질이동효율이 오염물질 제거율에 영향을 준다. 하폐수 중의 유기물(BOD)은 생물막 표면으로 이동하고 생물막 내로 확산되면서 미생물에 의해 분해되고 미생물은 증식되며 생물막 두께는 점점 두꺼워지게 된다. 생물막이 두꺼워지면 생물막부착여재 표면 즉 생물막 내부 깊숙한 지점에는 유기물 공급이 어려워지고 미생물은 내생호흡 상태로 된다.
생물막을 구성하는 미생물이 필요로 하는 산소는 외부로부터 공급되는 공기 중의 산소나 순산소가 하폐수 중에 용해되어 용존산소(Dissolved Oxygen, DO)화 하고 생물막 내부로 확산되면서 공급된다. 전술한 바와 같이, 생물막부착여재 표면부근에서는 내생호흡 또는 혐기성상태의 생물막이 형성되면서 생물막부착여재 표면에서의 부착력이 저하되어 탈리된다. 일반적으로는 생물막의 양 즉 반응조 내의 미생물양은 자동적으로 조정되는 방식으로 운전되나 미생물 양을 조절할 필요가 있을 때 구조적으로 이를 조절할 방법이 없는 단점이 있다. 생물막법에서 탈리되어 유출되는 고형물농도는 활성슬러지의 경우보다 현저히 낮다.
생물막법을 이용하는 하폐수 처리방식은 공기나 산소, 하폐수 그리고 생물막부착여재 표면에 형성되는 생물막 상호간의 접촉양상에 따라 호기성여상법, 접촉산화법, 회전원판법, 살수여상법 등으로 분류된다. 이중 호기성여상법은 통상 별도로 설치된 1차침전지를 거친 하폐수가 생물막부착여재로 충전된 호기성여상처리조의 상부로 유입되어 하향류로 흐르고 공기나 산소는 하부로 공급되는 구조로 되어있으며 생물막부착여재는 물속에 침적된 상태로 운전된다. 접촉산화법은 1차침전지를 거친 하폐수가 접촉산화조로 유입되고 접촉여재 즉, 생물막부착여재는 물에 잠겨있는 상태에서 고정되거나 유동하는 방식으로 운전되며 하폐수와 생물막의 접촉을 촉진하기 위하여 교반을 실시한다.
호기성여상법에서는 통상 3~5mm 크기의 생물막부착여재(접촉여재)를 충전시킨 여상의 상부로 1차침전지를 거친 하폐수가 유입되고 하향류로 생물막부착여재를 통과하면서 생물막부착여재 표면에 부착된 호기성 미생물에 의해 유기물이 생분해됨과 동시에 부유고형물(SS)을 여과하는 기능을 수행한다. 미생물이 필요로 하는 산소는 여상하부에 설치된 산기장치를 통하여 공급되며 처리시간이 경과되면서 억류된 부유고형물(SS)과 증식되어 두꺼워진 생물막에 의해 생물막부착여재 사이의 공극이 폐색되므로 공기나 물을 이용하여 상향류 방식의 역세척을 실시한다. 역세척을 위해 역세척수 저장조가 필요하고 역세척한 물을 저장하는 역세척 배수조도 설치된다. 호기성여상조의 표면부하율을 1일 하폐수 처리량에 대하여 50m3/m2/d 이하로 할 경우 BOD를 90% 이상 제거할 수 있다. 생물막부착여재층의 높이는 2m 정도이며 여상 내 체류시간은 1~2시간 정도이다.
하폐수원수 중의 인(Phosphorus)의 농도는 대략 4~8mg/L이며 제거하는 방법에는 생물학적 방법과 이화학적 방법이 있다. 생물학적 방법은 호기성상태와 혐기성상태를 반복함으로써 인을 제거하는 공정으로 처리수 중의 인 농도를 1~2mg/L까지 낮출 수 있다. 처리수 중의 인농도를 0.2~0.5mg/L 이하까지 초고도처리하기 위해서는 이화학적 방법이 사용되며 하폐수에 응집제를 투여하여 인을 입자화, 플록(Floc)화한 후 침전이나 여과하여 제거하는 방법이다.
대한민국 특허 출원서(출원번호 10-2010-0042262)에는 “세척과 슬러지 배출이 용이한 상수 및 하폐수 처리용 하이브리드 여과지”가 기술되어 있다. 이 발명은 본 출원인에 의해 출원된 것으로 여과지(Filter) 내에서 고효율 침전 및 여과기능과 자외선 소독기능이 함께 수행될 수 있도록 고안되었고 상기 여과지 내에서 세척수 확보는 물론 여재층의 세척과 침전지의 슬러지 세척 및 배출, 시동방수가 모두 이루어질 수 있도록 한 기술이다.
대한민국 등록특허 10-0349214에는 “다공판을 이용한 수처리장치”가 소개되어 있다. 이 발명 역시 본 출원인에 의해 출원된 것으로 가스기포의 다공판 하부에의 저류 및 구멍을 통과할 때 기포의 쪼개짐 원리를 이용하여 기포의 반응조 내 체류시간을 증가시킴으로써 가스의 용해효율을 높이고자 한 기술이다.
또한, 대한민국 특허 출원서(출원번호 10-2010-0069650)에는 “상수 및 하폐수 처리용 가스용해장치”가 기술되어 있다. 이 발명 역시 본 출원인에 의해 출원된 것으로 기포의 반응조 내 체류시간을 획기적으로 높이기 위하여 기포포집 및 용해모듈과 기포부탈착매체를 형성시켜 처리대상수와 가스(산소, 공기 등)의 효과적인 접촉이 이루어지게 함으로써 가스의 용해효율을 높인 기술이며 상기 “다공판을 이용한 수처리 장치”등록특허를 개량하여 출원하였다.
호기성 여상법, 활성슬러지법 등을 포함한 종래의 생물학적 하폐수 처리공정에서는 미생물 반응조에서의 기능을 원활하게 하기 위한 전처리(Pretreatment)공정으로서 1차침전지를 둔다. 1차침전지는 유효수심 즉 부유고형물(SS)의 침강거리가 2.5~4m로 매우 깊고 체류시간이 2~4시간으로 매우 길므로 침전지 면적과 구조물의 크기가 과대할 수밖에 없다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 고안된 경사판이나 경사관 침전지는 중력에 의한 미끄러짐 현상에 의해 퇴적된 슬러지가 침전지 하부로 내려오게 되어있으나 하폐수 처리를 위한 1차침전지의 경우 이러한 현상을 기대하기 어려우므로 경사판 침전지를 적용할 경우 경사판 위에 퇴적되는 슬러지의 효율적인 배출 수단이 요구된다.
또한, 1차침전지 바닥에 퇴적되는 슬러지(Sludge)는 연쇄식(Chain flight)이나 스크레이퍼가 장착된 회전식 슬러지 수집기(Sludge collector)를 이용하여 슬러지를 한 곳으로 모아 침전지 외부로 배출하므로 슬러지 수집기의 설치가 필요하고 운영에 따른 에너지가 소모된다.
따라서 1차침전지를 별도로 설치하지 않고 간격이 획기적으로 축소된 경사판이나 경사관 침전지를 하나의 반응조 내에 설치함으로써 침전효율을 제고하며, 구조적으로 복잡한 슬러지 수집기(Sludge collector)를 설치하지 않으면서 최소한의 세척수로 경사판 위에 퇴적된 슬러지를 세척, 배출할 수 있는 장치가 필요하다.
호기성미생물이 필요로 하는 산소를 공급하기 위하여 종래의 기술에서는 디퓨저나 다공관을 사용하여 왔다. 디퓨저나 다공관으로부터 유출되는 미세기포는 기포간 충돌에 의해 빠른 속도로 큰 기포로 전환되므로 산소의 용해효율이 현저히 저하되는 단점이 있다. 따라서 생물학적 분해를 이용하는 하폐수 처리장치에서 산소의 용해효율을 제고할 수 있는 장치와 구조가 필요하다.
침지형분리막을 이용하는 공법에 있어서 1차침전지 기능을 침지형분리막이 위치하는 포기조 내에서 수행하게 하고, 운전이 진행되면서 농축되는 포기조 내의 미생물 농도를 낮추기 위하여 간단하고 편리한 미생물플록 배출장치가 필요하다.
생물막부착여재(Biological filter media)의 표면에 부착하여 성장하는 미생물의 층 즉 생물막(Biofilm)은 운전시간이 지속될수록 두꺼워지고 여재공극을 폐색시키며 여재 공극에 억류되는 부유고형물(SS)도 공극폐색의 원인이 된다. 종래의 기술에서는 이러한 과다 번식된 생물막의 양을 조절하거나 배출하기 위하여 1일 1회 내외로 별도로 설치된 역세척 수조에 저장된 물을 대용량 펌프를 이용, 30분 정도에 걸쳐 상향류로 여재를 세척해야 하는 단점이 있으므로 이의 개선이 필요하다.
또한, 생물막부착여재의 세척직후에 일시적으로 처리수의 수질이 악화되는 현상이 통상적으로 발생하므로 세척 후에 초기 처리수를 배수시키는 시동방수(Filter to waste)를 용이하게 수행할 수 있는 구조가 필요하고 자외선 소독시 별도의 자외선소독조 설치 없이 1개의 반응조 즉 생물막반응조 내에서 처리수에 대한 소독이 가능한 구조를 갖는 장치가 필요하다.
응집제를 투입하여 하폐수 중의 인을 별도의 침전지나 여과지의 설치 없이 하나의 반응조 내에서 초고도처리함과 동시에 용존성물질, 입자상물질의 제거율 향상을 도모할 수 있는 장치가 필요하다.
상기와 같은 선행기술의 문제점을 해결하고 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 1개의 반응조 내에서 침전, 산소공급, 생물학적 분해, 여과, 인제거, 자외선 소독 기능을 모두 수행할 수 있도록 하였으며 침전, 생물학적 분해, 여과 공정에서 필요한 슬러지의 배출이나 세척을 장치하부에 설치된 슬러지 배출구에 의해 일괄적으로 수행하도록 하였다.
하폐수원수, 상수원수와 같은 처리대상수를 장치하부로 유입시켜 상향류로 흐르게 하면서 종래 기술에서의 1차침전지를 대체할 수 있는 경사판 침전지와 같은 침전지를 맨 먼저 거치게 한다. 침전지 상부에는 산기판과 같은 산소 또는 공기공급수단을 설치하고 그 위에 다공판, 기포포집 및 용해모듈과 같은 가스용해장치를 설치함으로써 산소용해 효율을 제고한다.
산소가 충분히 용해된 처리대상수는 계속 상승하면서 생물막부착여재 또는 교반장치를 갖춘 부유미생물조를 거치고 유기물이 호기성 분해되면서 또 다른 미생물로 증식되거나 분해부산물로 바뀌게 된다. 생물막법을 채택할 경우에는 상승되는 부유고형물(SS) 농도는 낮으므로 여과기능을 추가할 경우 2차침전지를 생략하거나 매우 높은 수준의 처리수질을 얻을 수 있다. 반응조의 최상부에 자외선램프를 설치함으로써 1개의 반응조 내에서 소독까지 수행할 수 있게 된다.
침지형분리막을 채택하는 생물학적 하폐수 처리공법의 경우에는 침지형분리막이 위치하는 포기조 하부에 설치되는 슬러지 배출구를 이용하여 포기조 내에 농축되는 슬러지를 수 초 이내에 간단히 배출함으로써 포기조 내 미생물 농도를 수시로 조절한다.
반응조의 외부나 내부의 적절한 장소에 응집제를 투입하여 인과 용존성 및 입자상물질을 플록(Floc)화한 후 침전 및 여과가 이루어질 수 있도록 한다.
상기 침전, 생물학적 분해, 여과기능에서 필요한 세척, 슬러지배출, 미생물양의 조절문제는 장치 하부에 슬러지 배출구를 설치함으로써 일괄적으로 해결한다. 다수의 전동 밸브를 설치하고 빠른 속도로 일시에 개방함으로써 수 초~수십 초 이내에 세척 및 배출이 완성된다.
하나의 구조물 내에서 침전, 산소공급, 생물학적 분해, 여과, 인제거 및 자외선 소독이 가능하게 됨으로써 종래의 기술에 비하여 부지면적과 하폐수 처리 설비의 전체 크기가 현저히 감소하게 되어 경제성이 제고되고, 특히 하폐수원수에 대한 1차침전지로서 경사판 침전지를 채택할 수 있어 매우 빠르고 효과적인 침전이 이루어질 수 있다. 이는 다수의 슬러지 배출구가 설치되어 매우 빠른 하향유속에 의해 경사판 위에 퇴적된 슬러지의 세척이 가능하기 때문이다. 종래의 기술에서의 1차침전지에서 반드시 필요한 슬러지 수집기(Sludge collector)가 불필요하게 되어 구조의 단순화와 에너지의 절감을 도모할 수 있다.
산소의 용해효율을 높임으로써 산소공급량을 줄일 수 있으며 생물학적 분해 과정에서 필요한 미생물 양의 조절도 슬러지 배출구의 간단한 개폐로 가능해지는 효과가 있다.
침지형분리막을 이용하는 하폐수 처리공정에서 포기조 내 미생물 농도의 조절을 매우 편리하고 빠르게 수행할 수 있으며 포기조 하부에 설치되는 침전지의 세척과 동시에 배출이 이루어지므로 일석이조의 효과가 있다.
생물학적 분해 과정이 끝난 처리수를 최종적으로 여과함으로써 매우 높은 수준의 처리수질을 얻는 효과가 있고 여재의 세척 역시 슬러지 배출구의 간단한 개폐로 가능하다. 여과를 거친 처리대상수가 장치 외부로 배출되는 과정에서 체류되는 시간과 공간을 이용하여 자외선 소독을 수행함으로써 종래의 기술에서와 같은 별도의 자외선 소독조가 불필요하게 되는 효과가 있다.
하폐수 중의 인을 초고도처리하기 위한 침전지나 여과지를 별도로 설치하지 않아도 되므로 경제성이 제고되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 처리대상수 공급공간, 경사판침전모듈, 산소공급 및 용해모듈(다공판 및 기포포집 및 용해모듈), 생물학적분해모듈, 여과모듈, 자외선램프, 슬러지 배출구, 시동방수구, 처리수 배출구가 형성된 하이브리드 하폐수 처리장치의 예시.
도 2는 본 발명의 기포포집 및 용해모듈 내에서 기포의 포집과 용해, 혼합이 일어나는 기작에 대한 설명도.
도 3은 본 발명의 단위 기포포집 및 용해모듈 형상 예시(다면체형 단위 기포포집 및 용해모듈, 절단파이프형 단위 기포포집 및 용해모듈)
도 4는 본 발명의 처리대상수 공급공간, 경사판침전모듈, 다공판, 산소공급수단, 침지형분리막, 슬러지배출구가 형성된 하폐수 처리장치의 예시(공정특성상 처리수 배출구, 자외선램프, 시동방수구는 없음)
본 발명은 1개의 반응조 내에서 침전, 산소공급 및 용해, 생물학적분해, 여과, 인제거, 자외선소독이 모두 이루어질 수 있도록 고안된 하이브리드 하폐수 처리장치에 관한 것이다. 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 도 1 내지 도 4를 참조하며 상세히 설명한다.
도 1에 예시한 바와 같이, 반응조(1) 내에 처리대상수 공급공간(15), 침전모듈(2), 산소공급 및 용해모듈(3), 생물학적분해모듈(8), 여과모듈(9), 처리수 배출구(11), 슬러지 배출구(13)가 형성되고 처리대상수 공급공간(15)을 통하여 하폐수원수, 상수원수와 같은 처리대상수가 공급되면서 상향류로 흐르기 시작한다.
침전모듈(2)은 횡류식 침전지, 다단 수평판 침전지, 경사판 침전지, 경사관 침전지 중 하나 또는 둘 이상을 조합하여 구성되고 하폐수원수 중의 부유고형물(Suspended solids, SS)이 침전제거된다. 제거율은 경사판의 간격 및 경사, 길이, 침전지 내 체류시간에 따라 결정된다. 본 발명에서는 슬러지 배출구(13)를 이용하는 매우 빠른 하향유속에 의한 세척방식을 채택하고 있으므로 경사각을 10°~ 60°범위(종래의 기술에서는 60°)로 작게 할 수 있다. 경사판의 간격은 좁을수록 처리효율이 좋으나 슬러지 퇴적 두께 등을 고려하여 2cm~10cm 정도가 바람직하다.
산소공급 및 용해모듈(3)은 산소공급수단(4)과 산소용해수단(5)으로 구성되며 산소공급수단(4)으로는 산기판, 산기관, 유공파이프망 등이 있으며 산소용해수단(5)은 다공판(6)과 기포포집 및 용해모듈(7)로 구성된다. 산소공급수단(4)은 순산소나 산소가 함유된 공기를 공급하는 수단이다.
다공판(6)은 스테인리스스틸, 아크릴, 폴리에틸렌, 피브이시(PVC) 등과 같은 재질의 판에 수 mm 이하 크기의 작은 구멍을 다수 타공하여 제작된다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 구멍이 점유하는 면적은 전체 면적의 일부이므로 구멍의 크기와 개수에 따라 구멍을 통과하는 처리대상수의 유속을 조절할 수 있고 다공판(6) 아래에서의 상승유속에 비해 구멍을 통과하는 유속이 커짐은 자명하다. 따라서 구멍을 통과한 처리대상수의 상승유속과 관성을 크게 하기 위해서는 부분타공된 다공판(6)을 사용할 수 있다. 다공판(6) 아래로부터 상승하는 기포형태의 가스는 그 크기에 상관없이 일단 다공판(6) 아랫면에 부딪치면서 다공판(6) 아래쪽에 저류된다. 실험적으로 관찰해보면 저류되는 기포는 아래에서 올라오는 기포와 충돌하여 점점 커지면서 다공판(6) 아랫면을 무작위 방향으로 이동하다가 구멍과 기포위치가 일치되는 경우에 구멍을 통과하게 된다. 구멍을 통과하면서 다공판(6) 아랫면에 저류되면서 커졌던 기포는 다시 작게 쪼개진다.
도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 기포포집 및 용해모듈(7)은 하나 또는 둘 이상의 단위 기포포집 및 용해모듈로 구성된다. 단위 기포포집 및 용해모듈은 처리대상수와 상승기포가 진입하는 유입부쪽은 열려있고 유입부 반대쪽은 막혀있는 벽면으로 구성되며, 유입부 반대쪽의 막혀있는 벽면은 아래에서 상승하는 기포를 더 이상 상부로 상승하지 못하도록 차단하여 단위 기포포집 및 용해모듈 내부 위쪽에 포집되도록 하는 기능을 수행하고, 옆면은 처리대상수와 포집된 공기나 산소가 함께 단위 기포포집 및 용해모듈을 통과함과 동시에 포집된 공기나 산소가스가 작은 기포로 쪼개질 수 있도록 다수의 작은 구멍이 형성된다.
생물학적분해모듈(8)은 하폐수 중의 유기물(BOD)을 제거하는 주기능 역할을 하며 목적에 따라 호기성, 무산소 또는 혐기성 상태로 운전될 수 있으며 부유미생물에 의한 생물학적분해와 부착미생물에 의한 생물학적분해로 분류된다. 활성슬러지법(Activated sludge process)의 포기조(Aeration tank)가 부유미생물을 이용하는 대표적 생물학적분해모듈이 되며 호기성여상법이나 접촉산화법의 여상이나 접촉재가 대표적인 부착미생물을 이용하는 생물학적분해모듈이다. 본 발명은 구조적으로 특정 공법에 제한받지 않고 적용할 수 있는 장점이 있다.
도 1의 생물학적분해모듈(8)을 생물막부착여재로 구성하여 부착미생물에 의해 유기물을 분해하는 경우, 생물막부착여재는 비표면적이 큰 필터스펀지, 스펀지, 쇄석, 안스라사이트, 입상활성탄, 플라스틱성형물과 같은 다양한 재질과 모양을 가질 수 있다. 특히, 본 발명은 운전 중 미생물의 과다번식시 생물막에 의한 여재 폐색을 해소하기 위하여 장치하부에 슬러지 배출구(13)를 설치함으로써 미생물 양을 수시로 빠른시간 내에 조절할 수 있다. 생물막부착여재의 형상은 임의의 불규칙 모양, 공 모양, 끈 모양, 망상골격체 모양, 튜브 모양, 망 모양, 평판 모양 등을 가질 수 있다.
생물학적분해모듈(8)은 교반기나 포기(Aeration)에 의해 교반을 하는 부유미생물조로 구성할 수도 있다.
여과모듈(9)은 생물학적분해모듈(8)을 거쳐 상승하는 탈리된 미생물막이나 부유고형물을 여과제거하기 위하여 필터스펀지, 스펀지, 모래, 안스라사이트, 입상활성탄, 인공경량사, 섬유사와 같은 입자상 또는 섬유상의 일반여재로 구성하거나 침지형분리막(17)을 사용한다.
일반여재를 사용할 경우, 여과가 진행되면서 여재 공극의 폐색이 일어나며 세척은 침전모듈(2)이나 생물학적분해모듈(8)의 세척시와 마찬가지로 장치하부에 설치된 슬러지 배출구(13)를 이용하여 중력에 의한 매우 빠른 유속으로 여재 세척이 가능하다. 실험을 통하여 측정한 결과 필터스펀지 여재 두께 20cm, 상부 압력수두 30cm에서 밸브로 구성된 슬러지 배출구(13)를 빠른 속도로 개방하였을 때 여과유속의 50~100배의 하향세척유속을 달성할 수 있었다. 이는 여재나 침전지에 퇴적된 슬러지를 세척하기에 충분한 유속이다.
도 4에 예시한 바와 같이, 여과모듈(9)을 침지형분리막(17)으로 구성할 경우 최종처리수는 침지형분리막(17)에 연결된 흡입펌프에 의해 포기조로부터 직접 인출되므로 공정특성상 처리수 배출구(11), 자외선램프(10), 시동방수구(12)는 생략된다. 따라서 본 발명은 이러한 침지형분리막(17)이 위치하는 포기조(Aeration tank) 내에서 농축되는 미생물의 농도를 슬러지 배출구(13)를 통하여 수 초 이내에 간단하고 편리하게 조절함과 동시에 포기조 하부에 설치되는 침전모듈(2)의 세척이 동시에 이루어지는 특징이 있다.
슬러지 배출구(13)는 처리대상수 공급공간(15) 하부 바닥이나 옆면에 설치된 하나 또는 둘 이상의 밸브 또는 수문으로 구성되고, 상기 밸브 또는 수문은 통제장치에 의해 빠른 속도로 동시에 개폐될 수 있도록 전동식 또는 전동공기압식이며, 밸브 또는 수문이 동시에 개방될 때 밸브 또는 수문의 상부에 존재하는 처리대상수가 중력에 의해 빠른 하향유속으로 흐르면서 여과모듈(9), 생물학적분해모듈(8), 침전모듈(2)에 억류되거나 퇴적, 또는 부유된 미생물을 포함한 입자상물질을 장치 외부로 배출하는 기능을 수행한다. 장치의 제일 위쪽에 위치한 여과모듈(9)과 장치 하부의 침전모듈(2)의 슬러지는 완전 세척하는 것이 바람직하나 생물학적분해모듈(8) 내의 미생물은 처리특성상 부분세척 또는 부분배출되는 것이 바람직하며 이는 밸브의 개방시간 조절을 통하여 하향세척유속과 시간을 조절함으로써 손쉽게 달성할 수 있다.
처리수 배출구(11)가 높으면 최종처리수의 장치 내 저류량 및 세척수 확보량이 많아지고 세척시 수압 및 세척유속이 커지며 자외선 소독을 위한 자외선 조사시간도 길어진다. 또한, 처리수 배출구(11) 아래쪽에 자외선램프(10)를 장착함으로써 최종처리수에 대한 자외선 소독이 가능하다. 그리고 처리수 배출구(11) 아래쪽에 시동방수구(12)를 설치함으로써 여과모듈(9), 생물학적분해모듈(8), 침전모듈(2)을 세척한 후 재가동할 때 일시적으로 나빠진 수질을 갖는 처리대상수를 배수하는 시동방수(Filter to waste)를 수행한다. 시동방수구(12) 밸브를 열면 상향류로 흐르는 처리대상수가 처리수 배출구(11)까지 도달하기 이전에 시동방수구(12)를 통하여 배수되므로 종래의 기술에 비해 매우 간단하고 편리하다.
산소공급 및 용해모듈(3)을 설치하지 않거나 산소 또는 공기를 공급하지 않음으로써 생물학적분해모듈(8)을 무산소 또는 혐기상태로 유지할 수 있으며 탈질이나 생물학적 인제거 공정에 적용할 수 있다.
처리대상수 중의 인(Phosphorus)을 초고도처리하기 위하여 생석회(CaO) 또는 소석회(Ca(OH)2)와 황산알루미늄(Alum), 폴리염화알루미늄(PACℓ), 폴리황산규산알루미늄(PASS), 폴리수산화염화규산알루미늄(PACS)과 같은 알루미늄계 응집제, 염화제2철, 황산제2철과 같은 철염계 응집제 등이 사용되며 이러한 약품이 투입되면 처리대상수 중의 인은 인산칼슘, 인산알루미늄 등의 고형물로 바뀐 후 플록(Floc)화하여 침전모듈(2), 여과모듈(9), 침지형분리막(17) 등 에서 제거된다.
상수원수과 같이 유기물(BOD) 농도가 낮은 처리대상수를 본 발명의 장치를 이용하여 처리하는 경우에는 처리대상수내에 기 존재하는 용존산소(Dissolved oxygen)만으로 생물학적분해가 가능하며 산소공급 및 용해모듈(3)은 불필요해짐은 자명하다.
1 : 반응조 2 : 침전모듈(경사판 침전지)
3 : 산소공급 및 용해모듈(산소공급수단, 산소용해수단으로 구성)
4 : 산소공급수단(산기판, 산기관, 유공파이프망 등을 통한 순산소 또는 공기공급)
5 : 산소용해수단(다공판, 기포포집 및 용해모듈로 구성)
6 : 다공판 7 : 기포포집 및 용해모듈
8 : 생물학적분해모듈 9 : 여과모듈
10 : 자외선(UV)램프 11 : 처리수 배출구
12 : 시동방수구(Filter to waste valve)
13 : 슬러지 배출구(전동밸브 등)
14 : 세척후 세척수/슬러지 배수로 15 : 처리대상수 공급공간
16 : 응집제 투입지점 예시 17 : 침지형분리막

Claims (13)

  1. 반응조 내에 처리대상수 공급공간, 침전모듈, 산소공급 및 용해모듈, 생물학적분해모듈, 여과모듈, 처리수 배출구, 슬러지 배출구가 형성되고, 상기 처리대상수 공급공간을 통하여 처리대상수가 공급되어 상향류로 흐르면서, 상기 산소공급 및 용해모듈은 산기판, 산기관 및 유공파이프망 중 어느 하나인 산소나 공기공급수단, 그리고 부력에 의해 상승하는 기포를 저류하고 기포를 쪼개어 효과적인 산소용해를 할 수 있는 다공판과 기포포집 및 용해모듈로 구성되고, 상기의 침전모듈은 횡류식 침전지, 다단 수평판 침전지, 경사판 침전지, 경사관 침전지 중 하나 또는 둘 이상을 조합하여 구성하고, 경사판 침전지나 경사관 침전지의 경사각은 효과적인 침전기능과 빠른 하향수류에 의한 세척이 가능하도록 10°~ 60°범위이며, 판의 간격이나 관의 직경은 2cm 이상인 것으로 상기 침전모듈에서는 입자상물질이나 플록을 침전제거하는 기능을 수행하게 하고, 산소공급 및 용해모듈에서는 처리대상수에 공기나 산소를 공급하고 용해시키는 기능을 수행하게 되며, 생물학적분해모듈에서는 미생물에 의한 오염물질의 생물학적분해가 이루어지고, 여과모듈에서는 미생물 플록이나 입자상물질을 여과제거하며, 슬러지 배출구는 여과모듈, 침전모듈에 억류되거나 퇴적된 슬러지를 세척, 배출함과 동시에 생물학적분해 모듈에 존재하는 미생물의 양을 조절하는 기능을 수행하는 구조적 특징을 갖는 하이브리드 하폐수 처리장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기포포집 및 용해모듈은 하나 또는 둘 이상의 단위 기포포집 및 용해모듈로 구성되며, 상기 단위 기포포집 및 용해모듈은 처리대상수와 상승기포가 진입하는 유입부쪽은 열려있고, 유입부 반대쪽은 막혀있는 벽면으로 구성되며, 유입부 반대쪽의 막혀있는 벽면은 아래에서 상승하는 기포를 더 이상 상부로 상승하지 못하도록 차단하여 단위 기포포집 및 용해모듈 내부 위쪽에 포집되도록 하는 기능을 수행하고, 옆면은 처리대상수와 포집된 공기나 산소가스가 함께 단위 기포포집 및 용해모듈을 통과함과 동시에 포집된 공기나 산소가스가 작은 기포로 쪼개질 수 있도록 다수의 작은 구멍이 형성됨을 특징으로 하는 하이브리드 하폐수 처리장치.
  5. 제1항 있어서,
    상기 생물학적분해모듈은 비표면적이 큰 필터스펀지, 스펀지, 쇄석, 안스라사이트, 입상활성탄, 플라스틱성형물 중 어느 하나인 생물막부착여재로 구성되거나 교반장치를 갖춘 부유미생물조로 구성되는 구조적 특징을 갖는 하이브리드 하폐수 처리장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 생물막부착여재의 형상은 임의 불규칙 모양, 공 모양, 끈 모양, 망상골격체 모양, 튜브 모양, 망 모양, 평판 모양 중 어느 하나을 갖는 하이브리드 하폐수 처리장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 여과모듈은 생물학적분해모듈을 거쳐 상승하는 탈리된 미생물막이나 부유고형물을 여과제거하기 위하여 필터스펀지, 스펀지, 모래, 안스라사이트, 입상활성탄, 인공경량사, 섬유사 중 어느 하나의 여재로 구성되거나 침지형분리막으로 구성됨을 특징으로 하는 하이브리드 하폐수 처리장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 슬러지 배출구는 처리대상수 공급공간 하부 바닥이나 옆면에 설치된 하나 또는 둘 이상의 밸브 또는 수문으로 구성되고, 상기 밸브 또는 수문은 통제장치에 의해 빠른 속도로 동시에 개폐될 수 있도록 전동식 또는 전동공기압식이며, 밸브 또는 수문이 동시에 개방될 때 밸브 또는 수문의 상부에 존재하는 처리대상수가 중력에 의해 빠른 하향유속으로 흐르면서 상기 여과모듈, 생물학적분해모듈, 침전모듈에 억류되거나 퇴적 또는 부유된 미생물을 포함한 입자상물질을 장치 외부로 배출하는 구조적 특징을 갖는 하이브리드 하폐수 처리장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 처리수 배출구의 높낮이에 따라 최종 처리수의 장치 내 저류량 및 세척수 확보량이 결정되며, 세척시 수압 및 세척유속과 자외선 소독을 위한 자외선 조사시간이 조절됨을 특징으로 하는 하이브리드 하폐수 처리장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 처리수 배출구 아래쪽에 자외선 램프를 장착하여 최종처리수를 자외선 소독할 수 있는 구조를 갖는 하이브리드 하폐수 처리장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 처리수 배출구 아래쪽에 시동방수구를 설치하여 여과모듈, 생물학적분해모듈, 침전모듈을 세척한 후 재가동할 때 장치를 통과하는 처리대상수를 일시적으로 배수함으로써 시동방수 기능을 갖는 하이브리드 하폐수 처리장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 산소공급 및 용해모듈을 설치하지 않거나 산소 또는 공기를 공급하지 않음으로써 생물학적분해모듈 내에 무산소 또는 혐기상태를 유지하는 구조적 특징을 갖는 하이브리드 하폐수 처리장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 반응조의 외부, 처리대상수 공급공간, 산소공급 및 용해모듈 내부, 생물학적분해모듈과 여과모듈 사이 중 한 곳 또는 두 곳 이상에서 응집제를 투입하여 처리대상수 중의 인을 입자화함과 동시에 처리대상수 중의 용존성물질, 입자상물질을 플록화함으로써 제거율을 높이는 구조적 특징을 갖는 하이브리드 하폐수 처리장치.
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