KR101163098B1

KR101163098B1 - 막결합형 반응기를 이용한 폐수 처리 방법

Info

Publication number: KR101163098B1
Application number: KR20090116046A
Authority: KR
Inventors: 이호원; 김승건; 이택관
Original assignee: 흥산환경건설(주); 제주대학교 산학협력단
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2012-07-09
Also published as: KR20110059340A

Abstract

본 발명은 (a) 원수탱크에 있는 원수가 원수유입펌프에 의해 막결합형 반응기에 공급되는 단계; (b) 산기관에 의해 연속적으로 폭기가 이루어지면서 산기관을 통해 공기방울이 침지형 분리막 모듈과 방해판 사이에서 상승류를 일으키면, 상기 상승류를 따라서 반응기 내부에 있는 활성슬러지와 유동메디아가 순환하는 단계; (c) 호기성 조건하에 미생물을 이용하여 질산화 과정 및 유기물 산화과정을 진행시키는 단계; 및 (d) 흡입 방식의 여과를 통한 침지형 분리막을 이용하여 유기물 및 영양염류가 제거된 처리수를 배출시키는 단계를 포함하는 막결합형 반응기를 이용한 폐수 처리 방법에 관한 것이다. 본 발명은 (b) 단계에서 유동메디아가 활성슬러지와 함께 순환함으로써 분리막의 오염을 감소시키고, 막 교체 및 막 세척 주기를 연장시켜 고도처리장치의 운전 및 유지관리 비용을 낮출 수 있는 이점이 있다.

반응기, 폐수처리

Description

막결합형 반응기를 이용한 폐수 처리 방법{Method for Treating Wastewater Using Membrane Coupled Fluidized-Bed Sequencing Batch Reactor}

본 발명은 하/폐수의 오염물질을 제거하는 막결합형 반응기를 이용한 폐수 처리 방법에 관한 것이다.

과거에는 하/폐수(이하, 간단히 '폐수'라고 함) 처리가 주로 유기물과 부유물질 제거에 관심을 두었지만, 최근 국내외에서는 도시 및 농(어)촌 하수를 포함한 각종 폐수 처리시설은 질소, 인 등의 영양염류 제거에 집중되고 있다. 영양염류를 제거하지 않고 방류 하는 경우 부영양화를 가속시켜 소중한 수자원의 이용가치를 떨어뜨리고 생태계 파괴를 초래한다.

폐수의 질소나 인 등의 영양염류를 제거하기 위한 생물학적 처리과정은 일반적으로 무산소 단계, 혐기단계, 호기단계 및 침전단계의 조합으로 이루어지며, 오염부하나 오염원 특성에 따라 처리시설의 설치와 규모 및 운전방식이 다른 다양한 고도처리공법이 적용된다.

이들 공법을 간단히 설명하면 다음과 같다.

연속회분식 반응기(sequencing batch reactor: SBR) 는 하나의 반응기에서 무산소, 혐기, 호기 및 침전 과정이 단계적으로 이루어지도록 운전되는 공법으로, 단계별로 별도의 반응기가 필요하지 않아 폐수처리장의 소요 부지 면적을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 하수의 특성에 따라 탄력적으로 운전할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그러나 상기 공법에서는 침전 후 배출하는 동안 미생물의 상태의 악화에 따른 슬러지 벌킹 및 핀플럭 현상으로 슬러지 일부분이 부상되어 배출수와 함께 배출되므로 수질을 악화시킬 수 있다는 단점도 있다.

막결합형 생물반응기(membrane-coupled bioreactor: MBR) 는 일반적인 활성슬러지 공법에 분리막 기술의 장점을 결합하여 유기물뿐만 아니라 박테리어와 바이러스를 완벽하게 제거할 수 있는 공법으로, 폐수의 재이용 기술과 고도처리 분야에서 가장 주목받고 신뢰성 있는 기술로 인정되어 왔다.

상기 막결합형 생물반응기는 운전방식에 따라 교차흐름 방식(cross flow type)과 침지형 방식(submerged type)으로 나눌 수 있다. 교차흐름 방식은 순환펌프를 사용하여 미생물 혼합액을 분리막 모듈로 순환시키면서 가압 여과하여 처리수를 얻는 방식이고, 침지형 방식은 분리막을 활성슬러지의 포기조 내부에 설치하여 감압폄프에 의해 흡입방식의 여과를 통해 처리수를 얻는 방식이다. 상기 침지형 방식은 완벽한 고-액 분리가 가능하고 안정된 처리수를 확보할 수 있기 때문에 꾸준히 하수처리에 적용되고 있다.

다만 막결합형 생물반응기는 많은 장점이 있음에도 불구하고 폐수 처리에 광범위하게 적용하는데 제한 요소로 지적되고 있는 것은 막오염(membrane fouling) 문제이다. 일반적으로 분리막의 수명은 막오염 현상으로 단축되게 된다. 그러므로 막오염을 방지하기 위하여 주기적으로 분리막의 표면을 세척하거나, 분리막 세공으로의 역세척을 통해 공극에 부착되어 있는 오염물질을 제거하여 플럭스를 회복시켜 주어야 한다. 이러한 세척은 여과수만으로 이루어지거나 여과수에 산, 알카리 또는 유기 및 무기 세제 등의 세척제를 혼합하여 이루어진다.

막결합형 연속회분식 반응기(membrane-coupled sequencing batch reactor: MSBR)는 폐수를 유입, 반응, 침전, 배출 및 유지 등의 단계를 거쳐 처리하는 연속회분식 반응공정에서 침전단계 및 배출단계를 분리막 여과로 대체한 공법으로, 상기 막결합형 생물반응기의 한 종류이다.

연속회분식 반응기의 경우 슬러지의 침전이 완벽할 때에는 방류수에 슬러지가 유출되지 않으나, 미생물의 상태가 악화될 경우 배출수에 슬러지 유출이 발생하여 원하는 수질을 얻을 수 없어서 추가적인 여과장치가 필요하다.

따라서 상기 막결합형 연속회분식 반응기를 사용할 경우 분리막을 이용하여 슬러지 여과 및 병원성 미생물을 거의 완벽하게 제거할 수 있어 연속회분식 반응공정의 한계를 극복할 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 연속회분식 반응공정에서는 활성슬러지를 침전시키고 처리수를 배출할 때 많은 침전시간이 필요하였으나, 상기 막결합형 연속회분식 반응기를 이용할 경우 분리막을 이용하여 침전단계를 생략할 수 있기 때문에 연속회분식 반응공정의 조업시간을 단축할 수 있는 이점이 있다.

첨부된 도1은 종래의 막결합형 연속회분식 반응기를 나타낸 모식도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 분리막 아래에 산기관에 위치하며 산기관을 통해 산소가 공급되고 분리막을 이용하여 슬러지 여과 및 병원성 미생물을 제거할 수 있다.

다만 상기와 같은 장점을 가진 막결합형 연속회분식 반응공정도 상기 막결합형 생물반응공정과 마찬가지로 막오염 및 공극 막힘의 문제는 여전하다.

즉, 분리막 표면에 발달하는 케이크층(cake layer)으로 인한 유출수의 생산속도 즉, 플럭스(flux)가 저하되는 문제점을 지니고 있기 때문이다. 안정적인 처리수를 생산하기 위해(또는 일정한 플럭스를 유지하기 위해)서는 주기적인 막의 세척을 통한 막 오염의 제거가 요구되며, 이는 상기 막결합형 연속회분식 반응공정의 운전 및 유지관리 비용이 상승하는 요인으로 작용한다.

본 발명은 막결합형 반응기를 이용하여 폐수를 처리하는 공정에 있어서, 폐수에 포함된 유기물 및 영양염류를 보다 효율적으로 제거하면서, 분리막 표면에 부착된 막오염 물질을 제거하여 분리막의 오염을 감소시킴으로써 막 교체 및 막 세척 주기를 연장시킬 수 있는 폐수 처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은

원수탱크에 있는 원수가 원수유입펌프에 의해 막결합형 연속회분식 생물반응기에 공급되는 단계;

산기관에 의해 연속적으로 폭기가 이루어지면서 산기관을 통해 공기방울이 침지형 분리막 모듈과 방해판 사이에서 상승류를 일으키면, 상기 상승류를 따라서 반응기 내부에 있는 활성슬러지와 유동메디아가 순환하는 단계;

호기성 조건하에 미생물을 이용하여 질산화 과정 및 유기물 산화과정을 진행시키는 단계; 및

침지형 분리막을 이용하여 유기물 및 영양염류가 제거된 처리수를 배출시키는 단계

를 포함하는 막결합형 반응기를 이용한 폐수 처리 방법을 제공한다.

본 발명의 막결합형 반응기를 이용한 폐수 처리 방법은 산기관에 의해 연속 적으로 폭기가 이루어지면서 산기관을 통해 공기방울이 침지형 분리막 모듈과 방해판 사이에서 상승류를 일으키면, 이 상승류를 따라서 반응기 내부에 있는 활성슬러지와 유동메디아가 순환하는 단계를 포함함으로써, 유동메디아의 반응기 내에서의 순환으로 인해 분리막 표면에 부착된 막오염 물질을 제거할 수 있게 되어 막오염을 제어할 수 있는 효과가 있다.

기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은

(a) 원수탱크에 있는 원수가 원수유입펌프에 의해 막결합형 연속회분식 반응기에 공급되는 단계;

(b) 산기관에 의해 연속적으로 폭기가 이루어지면서 산기관을 통해 공기방울이 침지형 분리막 모듈과 방해판 사이에서 상승류를 일으키면, 상기 상승류를 따라 반응기 내부에 있는 활성슬러지와 유동메디아가 순환하는 단계;

(c) 호기성 조건하에 미생물을 이용하여 질산화 과정 및 유기물 산화과정을 진행시키는 단계; 및

(d) 흡입 방식의 여과를 통한 침지형 분리막을 이용하여 유기물 및 영양염류가 제거된 처리수를 배출시키는 단계

상기 (b)단계에서, 상승류를 따라 유동메디아가 이동을 하게 되면서 막 표면에 부착된 막오염 물질을 제거하게 된다.

본 발명의 일 양태에서, 본 발명은 상기 (b)단계 전에 원수를 교반하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에서, 본 발명은 상기 (b)단계 전에 혐기성 조건 하에 미생물을 이용하여 탈질 및 탈인과정을 진행시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명의 폐수 처리 방법을 각각 단계별로 나타낸 것이다.

도 2의 (1)은 원수탱크에 있는 원수가 원수유입펌프에 의해 유입되며 교반기가 작동되어 유입된 원수를 막결합형 연속회분식 반응기 전체로 분산시키는 단계이다. 도 2의 (2)는 산기관에 의해 연속적으로 폭기가 이루어지면서 산기관을 통해 공기방울이 침지형 분리막 모듈과 방해판 사이에서 상승류를 일으키고, 상기 상승류를 따라 반응기 내부에 있는 활성슬러지와 유동메디아가 순환하는 하는 단계이다. 이 때 호기성 조건하에 미생물을 이용하여 질산화 과정 및 유기물 산화과정을 진행시킨다. 도 2의 (3)은 침지형 분리막 모듈을 통해 입자성 물질 및 미생물이 제거된 처리수가 배출되는 단계이다.

도 3은 본 발명의 폐수 처리 방법에서 이용하는 막결합형 반응기를 나타낸 모식도이다.

본 발명의 폐수 처리 방법에서 이용하는 막결합형 반응기(100)는 산기관(103), 침지형 분리막 모듈(102), 방해판(104) 및 유동메디아(105)를 포함한다.

상기 산기관(103)은 반응기(100) 내부로 공기를 공급하는 역할을 한다. 상기 산기관(103)은 반응기(100) 하부에 설치되어 있으며 에어펌프(40)와 연결되어 에어펌프에서 생성된 공기를 반응기 내부로 공급한다.

상기 침지형 분리막 모듈(102)은 반응기(100) 내의 미세한 입자(오염물질, 미생물 등)를 걸러 내는 역할을 한다.

상기 침지형 분리막 모듈은 중공사(hollow fiber), 관(tubular) 또는 평(flat)막 형태의 분리막을 가지는 침지형 분리막 모듈일 수 있으며, 바람직하게는 평막 형태의 분리막이 좋다.

상기 침지형 분리막 모듈이 평막 형태의 분리막인 경우 분리막은 0.01 ㎛ 내지 0.5 ㎛의 세공경을 가지는 MF(micro filtration)막이 바람직하다.

상기 방해판(104)은 반응기 속의 유체가 산기관(103)에서 공급된 공기에 의해 침지형 분리막 모듈(102)과 방해판(104) 사이에서 상승류를 일으킨 후 일정한 유체의 흐름을 형성할 수 있도록 유도하는 역할을 한다. 상기 방해판(104)은 침지형 분리막 모듈(102) 양측에 위치한다.

도 3은 본 발명의 폐수 처리 방법에서 이용하는 막결합형 반응기의 일 예를 나타낸 모식도로서, 상기 막결합형 반응기는 이에 한정되지 않으며, 대규모의 사업장에서는 필요에 따라 다수의 침지형 분리막 모듈(102) 및 방해판(104)이 교대로 형성될 수 있다. 사업장의 규모에 따라 침지형 분리막 모듈(102) 및 방해판(104)의 개수는 조절될 수 있다.

본 발명에서 '유동메디아'란 반응기 내에서 유동하는 담체를 의미한다.

상기 유동메디아(105)는 미생물들이 서식할 수 있는 담체 및 산기관(103)에서 발생된 공기와 함께 유동하며 침지형 분리막(102) 표면에 부착된 막오염 물질을 제거하는 역할을 한다.

상기 유동메디아는(105) 미생물이 서식할 수 있도록 다공이 형성되어 다표면적을 가진 것이 바람직하며, 활성탄, 플라스틱(PVA), 세라믹, 알지네이트 나트륨(sodium alginate), 제올라이트, 벤토나이트, 패각 및 폴리우레탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.

상기 유동메디아(105)로 폴리우레탄 재질을 사용할 경우 기공도(porosity) 95% 이상, 밀도 0.035 내지 0.040g/cm³ 인 것으로서, 반응기 내에서 미생물이 유동메디아에 부착하여 성장을 할 경우에 유동메디아의 밀도는 0.95 내지 1.05g/cm³인 것이 바람직하나, 이에 제한하는 것은 아니다.

또한 유동메디아는 분리막 모듈과 방해판의 간격에 따라 사용되는 크기가 달라질 수 있으나, 상승류에 의해 순환이 잘되면서 상기 침지형 분리막 표면에 부착된 막오염 물질을 제거하기 위하여 2mm 내지 20mm 길이와, 2mm 내지 20mm의 직경을 가지는 것이 바람직하며, 분리막과 접촉할 때 분리막의 재질에 손상을 주지 않도록 펠렛형태, 육면체형, 타원형 형태 또는 원형형태를 가지는 것이 바람직하나, 이에 제한하는 것은 아니다.

본 발명의 폐수 처리 방법에서 이용하는 막결합형 반응기(100)는 상기와 같은 특징을 가진 유동메디아(105)를 반응기 내에 포함함으로써, 산기관(103)을 통해 공기방울이 침지형 분리막 모듈(102)과 방해판(104) 사이에서 상승류를 일으키면, 이 상승류를 따라 활성슬러지와 유동메디아가 이동을 하게 되면서 막 표면에 부착된 막오염 물질을 제거하게 된다. 따라서 이러한 막오염 물질의 지속적인 제거로 인해, 막 교체 및 막 세척 주기를 연장시킬 수 있으며, 막결합형 연속회분식 반응공정의 운전 및 유지관리 비용을 절감시킬 수 있다.

본 발명의 폐수 처리 방법에서 이용하는 막결합형 반응기(100)는 산기관(103), 침지형 분리막 모듈(102), 방해판(104) 및 유동메디아(105) 이외에 교반기(101)를 추가로 더 포함할 수 있다.

상기 교반기(101)는 반응기(100) 내로 유입된 원수를 교반시키는 역할을 한다. 상기 교반기(101)는 반응기(100) 상부에 설치되어 있으며 교반모터(30)에 의해 구동된다.

도 4는 도 3의 A-A'의 단면도를 나타낸 것으로, 본 발명의 폐수 처리 방법에서 이용하는 막결합형 반응기(100)의 침지형 분리막 모듈(102) 및 방해판(104)이 반응기 내부에서 장착된 모습을 보여준다.

도 4에 따르면, 침지형 분리막 모듈(102) 및 방해판(104)의 양단을 고정시키는 고정부(120)는 반응기의 외벽을 형성하는 케이스(110)에 구비되어 있으며, 상기 고정부(120)는 홈(121-1a, 121-1b, 121-2a, 121-2b, 122a, 122b)이 형성되어 있어, 여기에 침지형 분리막 모듈(102) 및 방해판(104)의 양단이 미끄럼 장착된다.

도 5는 본 발명의 폐수 처리 방법에서 이용하는 막결합형 반응기(100)를 포함하는 폐수 처리 시스템을 간략하게 나타낸 모식도이다.

첨부된 도 5를 자세히 살펴보면, 원수탱크(10)에 있는 원수가 원수유입펌 프(20)에 의해 막결합형 연속회분식 반응기(100) 내로 공급되는 원수공급부; 혐기 반응을 위해 반응기(100) 내로 유입된 원수가 교반모터(30)에 의해 구동되어 교반시키는 교반기; 에어펌프(40)에 의해 산기관을 통하여 공기가 공급되는 공기공급부; 침지형 분리막에 연결된 흡입펌프(50)에 의해 막결합형 연속회분식 생물반응기(100)에서 분리막에 의해서 부유물질과 투과수를 분리하여 처리수를 얻는 흡입부; 상기 원수유입펌프(20), 교반모터(30), 에어펌프(40) 및 흡입펌프(50)가 PLC(programmable logical controller(60))에 의해서 제어되는 제어부; 및 흡입펌프(50)에 의해 생기는 압력과 처리수의 유량을 컴퓨터(70)에 의해 모니터링하는 측정부로 이루어진 폐수 처리 시스템이다.

도 6은 본 발명의 폐수 처리 방법에서 이용하는 막결합형 반응기(100) 및 종래의 막결합형 연속회분식 반응기의 시간에 따른 투과유속 별 압력강하의 변화를 나타낸 것이다. 투과유속을 20 LMH(단위시간, 단위막 면적당의 막 여과수량: L/m²-hr), 25 LMH 및 30 LMH 로 변화시키면서 진행한 결과, 본 발명의 폐수 처리 방법에서 이용하는 막결합형 반응기(100)를 장시간 운전하여도 압력강하변화는 미미한 것을 알 수 있었다. 이를 통해 본 발명의 폐수 처리 방법은 분리막 표면에 부착된 막오염 물질을 효과적으로 제어하는 것을 알 수 있었다.

도 1은 종래의 막결합형 연속회분식 반응기를 나타낸 모식도이다.

도 4는 도 3의 A-A'의 단면도이다.

도 5는 본 발명의 폐수 처리 방법에서 이용하는 막결합형 반응기를 포함하는 폐수 처리 시스템을 간략하게 나타낸 모식도이다.

도 6은 본 발명의 폐수 처리 방법에서 이용하는 막결합형 반응기(100) 및 종래의 막결합형 연속회분식 반응기의 시간에 따른 투과유속별 압력강하의 변화를 나타낸 것이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 원수탱크

20: 원수유입펌프

30: 교반모터

40: 에어펌프

50: 흡입펌프

60: programmable logical controller

70: 모니터링 컴퓨터

80: 디지털압력게이지

90: 전자저울

100, 200: 반응기

101: 교반기

102, 202: 침지형 분리막 모듈

103, 203: 산기관

104: 방해판

105: 유동메디아

205: 공기방울

110: 케이스

120: 고정부

121-1a, 121-1b, 121-2a, 121-2b, 122a, 122b: 끼움 홈

Claims

(a) 원수탱크에 있는 원수가 원수유입펌프에 의해 막결합형 반응기에 공급되는 단계;

(b) 산기관에 의해 연속적으로 폭기가 이루어지면서 산기관을 통해 공기방울이 침지형 분리막 모듈과 상기 침지형 분리막 모듈 양측에 위치하는 방해판 사이에서 상승류를 일으키면, 이 상승류를 따라서 반응기 내부에 있는 활성슬러지와 유동메디아가 순환하는 단계;

(c) 호기성 조건하에 미생물을 이용하여 질산화 과정 및 유기물 산화과정을 진행시키는 단계; 및

(d) 흡입 방식의 여과를 통한 침지형 분리막을 이용하여 유기물 및 영양염류가 제거된 처리수를 배출시키는 단계

를 포함하는 막결합형 반응기를 이용한 폐수 처리 방법.
제 1항에 있어서,

상기 (b) 단계 전에 원수를 교반하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 막결합형 반응기를 이용한 폐수 처리 방법.
제 1항에 있어서,

상기 (b) 단계 전에 혐기성 조건 하에 미생물을 이용하여 탈질 및 탈인과정을 진행시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 막결합형 반응기를 이용한 폐수 처리 방법.
제 1항에 있어서,

상기 침지형 분리막 모듈은 평막 형태의 분리막을 가지는 것을 특징으로 하는 막결합형 반응기를 이용한 폐수 처리 방법.
제 1항에 있어서,

상기 유동메디아는 2mm 내지 20mm의 길이 및 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 막결합형 반응기를 이용한 폐수 처리 방법.
제 1항에 있어서,

상기 유동메디아는 폴리우레탄 재질로 기공도 95 내지 99%, 밀도 0.035 내지 0.040g/cm³인 것을 특징으로 하는 막결합형 반응기를 이용한 폐수 처리 방법.