KR101294879B1 - 막 결합형 호기성 메탄산화 탈질방법 및 탈질장치 - Google Patents

막 결합형 호기성 메탄산화 탈질방법 및 탈질장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101294879B1
KR101294879B1 KR1020120016508A KR20120016508A KR101294879B1 KR 101294879 B1 KR101294879 B1 KR 101294879B1 KR 1020120016508 A KR1020120016508 A KR 1020120016508A KR 20120016508 A KR20120016508 A KR 20120016508A KR 101294879 B1 KR101294879 B1 KR 101294879B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
denitrification
membrane
aerobic
reactor
methane
Prior art date
Application number
KR1020120016508A
Other languages
English (en)
Inventor
이재우
최오경
이관형
Original Assignee
고려대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 고려대학교 산학협력단 filed Critical 고려대학교 산학협력단
Priority to KR1020120016508A priority Critical patent/KR101294879B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101294879B1 publication Critical patent/KR101294879B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/02—Aerobic processes
    • C02F3/12—Activated sludge processes
    • C02F3/1236—Particular type of activated sludge installations
    • C02F3/1268—Membrane bioreactor systems
    • C02F3/1273—Submerged membrane bioreactors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/02—Hollow fibre modules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/06—Tubular membrane modules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/10—Spiral-wound membrane modules
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/02—Aerobic processes
    • C02F3/10—Packings; Fillings; Grids
    • C02F3/105—Characterized by the chemical composition
    • C02F3/106—Carbonaceous materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/02—Aerobic processes
    • C02F3/10—Packings; Fillings; Grids
    • C02F3/105—Characterized by the chemical composition
    • C02F3/107—Inorganic materials, e.g. sand, silicates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/02—Aerobic processes
    • C02F3/12—Activated sludge processes
    • C02F3/1205—Particular type of activated sludge processes
    • C02F3/1215—Combinations of activated sludge treatment with precipitation, flocculation, coagulation and separation of phosphates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2101/00—Nature of the contaminant
    • C02F2101/10—Inorganic compounds
    • C02F2101/16—Nitrogen compounds, e.g. ammonia
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2101/00—Nature of the contaminant
    • C02F2101/30—Organic compounds
    • C02F2101/38—Organic compounds containing nitrogen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
    • C02F2201/002—Construction details of the apparatus
    • C02F2201/005—Valves
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage

Abstract

본 발명은 메탄가스를 외부탄소원으로 사용하여 2차 하수처리수 내에 존재하는 질산성 질소(NO3 --N)를 생물학적으로 제거하는 방법으로, 미세다공성막을 이용하여 메탄가스를 미세기포로 공급함으로써 메탄의 수중 전달효율을 향상시키고, 동일한 미세다공성막을 이용하여 처리수를 유출시키는 방법을 통해 반응조 내 메탄산화균의 유실과 막 막힘 현상을 저감시킬 수 있는, 막 결합형 호기성 메탄산화 탈질방법 및 그에 이용되는 탈질장치에 관한 것이다.

Description

막 결합형 호기성 메탄산화 탈질방법 및 탈질장치 {Method For Denitrification Using Aerobic Oxidation Of Methane In A Membrane Coupled Process And System Using The Same}
본 발명은 메탄가스를 외부탄소원으로 사용하여 2차 하수처리수 내에 존재하는 질산성 질소(NO3 --N)를 생물학적으로 제거하는 방법으로 미세다공성막을 통해 메탄가스의 유입과 처리수의 유출을 동시에 수행하는, 막 결합형 호기성 메탄산화 탈질방법 및 그에 이용되는 탈질장치에 관한 것이다.
최근 기후변화로 인한 수자원의 지역 및 계절적 불균형은 궁극적으로 물부족현상을 심화시키고 있으며 이에 따라 국내외적으로 수자원을 보전하고 대체 수자원을 개발하여 양질의 물을 지속적으로 공급할 수 있는 기술적 수요가 급증하고 있다. 다양한 대체 수자원 중 하수처리수는 양적인 측면에서 발생량이 안정적이기 때문에 활용가능성이 높은 수자원이며, 수질적인 문제가 해결될 경우 대단히 효과적인 수자원으로 간주되고 있다. 하수처리수는 이미 물 부족 국가들을 중심으로 공업용수, 조경용수, 관개용수, 하천유지용수 등으로 재이용되고 있다. 공업용수 등으로 재이용하는 경우 역삼투막 등 고도 수처리기술이 많이 개발되고 있으나, 조경용수, 관개용수 등에 상기와 같은 고도 수처리 기술을 적용하는 것은 경제성이 없는 것으로 알려져 있다. 그러나 2차 하수처리수 내에는 질소, 특히 질산성 질소(NO3 --N) 성분이 약 10-30 mg N/L 농도로 존재하며, 이를 특별한 처리없이 관개용수나 조경용수로 활용할 경우 지하수에 주요 오염원으로 작용할 수 있다. 또한 질산성 질소는 유아에게 청색증을 유발할 수 있어 국제보건기구 WHO에서는 음용수내 질산성 질소 농도를 11.3 mg N/L 이하로 제한하고 있다.
대한민국 등록특허 제 0414417 호에는 단일의 반응조 내에서 혐기 및 호기성 상태를 유지할 수 있도록 생물막담체를 형성하도록 하여 유기물 분해 및 탈인과 탈질작용이 동시에 계속적으로 이루어질 수 있도록 한 생물막 채널타입 반응기를 이용한 오·하수처리장치와 방법에 대하여 개시되어 있으나, 이는 다수 개의 반응조를 필요로 하며 막 막힘 현상을 발생시킬 수 있다. 대한민국 공개특허 제 2011-0111634 호는 혐기조, 호기조, 무산조로 이루어진 생물 반응조에, 막 여과방식을 접목한 막 결합형 생물 처리장치에 대하여 개시되어있으나, 이는 막 오염을 억제하기 위하여 초음파 장치를 이용하였으나 이는 별도의 설치가 필요하여 경제적으로 효율이 떨어진다. 이와 같이 발생할 수 있는 막 막힘 현상의 방지 및 감소를 위하여 일반적으로는 막 하단에 공기를 공급하여 물리적으로 막 막힘현상을 방지하는 방법을 이용하고 있으며, 일정수준의 플럭스(flux)에 미치지 못할 경우에는 화학세정을 통해 막세척을 추가로 실시해야하는 문제점이 있다.
따라서 선진국에서는 하수처리수 내 질산성 질소를 제거하기 위한 후탈질기술을 하수고도처리와 더불어 많이 개발해 왔으며, 대부분 생물막 공정 등에 메탄올, 아세테이트와 같은 외부탄소원을 주입하는 종속영양탈질 방법 등을 활용하고 있다. 종속영양탈질의 경우 외부탄소원을 적정량으로 주입하는 것이 어렵기 때문에, 과다 주입시 처리수 수질 악화 및 과도한 미생물의 성장으로 인한 슬러지발생량의 증가 등의 문제점을 발생시킬 수 있다.
이러한 이유로 최근 메탄가스를 외부탄소원으로 하는 호기성 메탄산화 탈질에 대한 연구가 국외를 중심으로 이루어지고 있다. 호기성 메탄산화 탈질은 Methane monooxygenase와 같은 메탄산화균의 대사과정에서 발생되는 특정 효소를 이용하여 용존된 메탄을 메탄올 등으로 전환한 뒤 이를 탈질미생물이 외부탄소원으로 사용하는 것으로 알려져 있다. 메탄가스는 하수처리장의 혐기성 소화가스나 매립지의 매립가스에 포함되어 있으며, 이러한 가스 내 메탄농도가 높지 않을 경우 에너지로 활용이 쉽지 않기 때문에 일반적으로 대기 중으로 배출시키거나 연소시켜 배출하는 경우가 많다. 그러나 메탄은 에너지원이면서 동시에 지구온난화 유발 물질이기 때문에 저농도 메탄함유 가스를 효율적으로 활용하는 방법은 친환경적 기술로 개발될 필요가 있다. 메탄가스를 이용한 후탈질 방법은 기존의 외부탄소원에 비해 낮은 잔류특성으로 인하여 최종 처리수내 유기물 농도가 높지 않으며 슬러지 발생량도 적은 장점을 가지고 있다. 반면 이러한 장점은 제한요인으로도 간주될 수 있어 메탄의 낮은 용해 특성으로 인해 수중으로의 물질전달율이 제한될 수 있으며, 이를 이용하는 메탄산화균의 성장률이 상대적으로 느리기 때문에 반응조 내 미생물의 유실을 최소화하는 것이 효율 향상에 있어 중요한 요인으로 작용한다.
이에 본 발명에서는 메탄의 물질전달율을 향상시키기 위해 미세다공성막을 이용하여 메탄가스를 미세기포로 공급함으로써 물질전달속도를 향상시키며, 동일한 미세다공성막을 이용하여 처리수를 유출시키는 방법을 통해 반응조내 메탄산화균의 유실과 막 막힘 현상을 저감시키는 것을 제안한다. 이를 위하여 메탄산화 후탈질 공정은 운전 특성상 연속회분식공정과 유사한 특징을 가지며 메탄가스 주입이 이루어지는 반응시간과 미생물 침전 후 유출하는 침전-유출시간으로 분리되어 운전된다.
KR 2011-0111634 A KR 0414417 B
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 하수 2차 처리수의 생물학적 후탈질 공정으로서, 메탄가스를 외부탄소원으로 사용하여 생물학적 메탄산화 탈질을 수행함에 있어 미세다공성막을 이용하여 메탄가스를 미세기포로 공급함으로써 메탄의 수중 전달효율을 향상시키고, 동일한 미세다공성막을 이용하여 처리수를 유출시키는 방법을 통해 반응조 내 미생물의 유실과 막 막힘 현상을 저감시킬 수 있는 막 결합형 호기성 메탄산화 탈질방법 및 탈질장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하수 고도 처리공정이나 하수 2차 처리수 후탈질 공정에 있어서,
(a) 처리수를 유입펌프(10)를 이용하여 호기성 반응조(20)에 유입시키는 단계;
(b) 유량조절장치(70, 80)에 의해 메탄가스 및 산소 가스를 각각 일정한 유량으로 조절하여, 상기 반응조 내부에 위치한 미세다공성 막 모듈(30)을 통하여 미세 기포의 형태로 반응조 내부로 유입시키는 단계;
(c) 상기 미세 기포 형태의 메탄가스 및 산소 가스가 유입된 처리수는 호기성 상태에서 미생물에 의하여 처리수 내 질산성 질소를 제거하는, 탈질 반응 단계;
(d) 상기 (c)단계 후, 15 ~ 60분 동안 미생물을 침전시키는, 미생물 고액 분리 단계; 및
(e) 상기 (d)단계 후, 미생물이 침전된 처리수의 상층액은 상기 미세다공성 막 모듈을 통해 여과된 후, 유출 펌프(60)를 이용하여 배출되는 단계를 포함하는 막 결합형 호기성 메탄산화 탈질방법을 제공한다.
또한 본 발명은 처리수(폐수)가 유입펌프(10)에 의하여 유입되는 반응조(20);
상기 반응조에 메탄가스 및 산소가스의 유입 시, 일정한 유량을 조절할 수 있는 유량조절장치(70, 80);
상기 반응조 바닥과 이격되어 반응조 내부에 위치하고 반응조 상부에 연결되어 있는, 미세다공성 막 모듈(30);
상기 미세다공성 막 모듈과 연결되어 있어 처리수의 여과·배출시 차압이 모니터링되는 압력센서(40);
압력센서, 유출펌프 및 유량 조절 장치와 연결되어 유량의 방향을 조절하는 3방향 밸브(50); 및
처리된 처리수를 배출시키기 위한 유출펌프(60)를 포함하는 막 결합형 호기성 메탄산화 탈질방법에 이용되는 탈질장치를 제공한다.
본 발명의 막 결합형 호기성 메탄산화 탈질방법 및 이에 이용되는 탈질장치는 하수 2차 처리수 내 잔류하는 질산성 질소 (NO3 --N)를 처리하기 위하여 메탄가스를 외부탄소원으로 사용하여 호기성조건에서 메탄산화 탈질하는 방법에 있어서, 반응조에 반응시간동안 산소 및 메탄가스를 미세다공성막 모듈을 통해 미세 기포 형태로 공급함으로써, 용해도가 낮은 메탄의 수중 물질전달효율을 향상시킬 수 있다. 또한 상기 동일한 미세다공성막 모듈을 통해 처리수의 미생물 침전 후 상등액을 여과·배출함에 따라, 미생물의 유실을 최소화하여 반응조 내의 미생물을 고농도로 유지하는 것이 가능하다. 또한, 동일한 미세다공성막 모듈을 이용하여 가스주입과 처리수 여과·배출을 반복하여 처리함에 따라 추가적 공기 공급 공정 없이도 일반적으로 막 결합형 생물 반응기에서 나타나는 막 오염으로 인한 막 막힘 현상 및 이에 따른 차압상승을 저감시키는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막 모듈 결합형 생물반응조를 포함하는 호기성 메탄산화 후탈질 공정의 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 하수 처리수의 후탈질 공정은 질산성 질소를 포함하는 하수처리수의 유입을 위한 유입펌프(10), 반응조 (20), 메탄/산소가스 주입 및 처리수의 배출을 위한 미세다공성 막 모듈(30), 압력센서(40), 3방향 밸브(50), 최종처리수를 유출하기 위한 유출펌프(60), 유량 조절 장치 (70, 80), 메탄/산소 가스 저장조(90, 91)를 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반응조에서의 처리수 유입, 메탄/산소가스 주입 및 탈질 반응, 최종처리수 유출단계의 시간에 따른 주기적 운전방법과 특징을 설명하는 개념도이다.
도 3은 실시예 1에 따른 수리학적 체류시간과 메탄 주입유량 변화에 따른 탈질효율을 나타낸 결과이다.
도 4는 실시예 2에 따른 본 발명의 동일한 미세다공성 막 모듈을 사용하여 메탄과 산소의 유입 및 처리수 여과배출시 나타나는 차압변화와 가스주입 없이 막 여과·배출만을 할 경우 차압변화를 비교한 결과이다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명은 메탄을 포함하는 혐기성 소화가스나 매립지 가스를 호기성 메탄산화 미생물의 외부 탄소원으로 이용하는 하수 2차 처리수의 후탈질 공정에 관한 것으로, 상기 미생물의 유실을 최소화하여 고농도로 유지하고, 메탄의 수중으로의 물질 전달 효율을 향상하기 위하여, 반응 조 내에 설치된 미세다공성 막 모듈을 이용하여 메탄 가스 및 산소 가스를 주입함으로써 메탄의 수중으로의 물질 전달율을 높이고 반응이 끝난 후 처리수를 동일한 막을 사용하여 여과 배출하는 방식을 적용함으로써 반응조 내 미생물 유실을 최소화하고 막 막힘 현상을 저감시키는 막 결합형 호기성 메탄산화 탈질방법에 관한 것이다.
본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이, 하수 고도 처리공정이나 하수 2차 처리수 후탈질 공정에 있어서,
(a) 처리수를 유입펌프(10)를 이용하여 호기성 반응조(20)에 유입시키는 단계;
(b) 유량조절장치(70, 80)에 의해 메탄가스 및 산소 가스를 각각 일정한 유량으로 조절하여, 상기 반응조 내부에 위치한 미세다공성 막 모듈(30)을 통하여 미세 기포의 형태로 반응조 내부로 유입시키는 단계;
(c) 상기 미세 기포 형태의 메탄가스 및 산소 가스가 유입된 처리수는 호기성 상태에서 미생물에 의하여 처리수 내 질산성 질소를 제거하는, 탈질 반응 단계;
(d) 상기 (c)단계 후, 15 ~ 60분 동안 미생물을 침전시키는, 미생물 고액 분리 단계; 및
(e) 상기 (d)단계 후, 미생물이 침전된 처리수의 상층액은 상기 미세다공성 막 모듈을 통해 여과된 후, 유출 펌프(60)를 이용하여 배출되는 단계를 포함하는, 막 결합형 호기성 메탄산화 탈질방법에 관한 것이다.
상기 반응조(20)의 내에서 메탄 용해 및 탈질 반응 등의 생물학적 반응이 이루어진다.
상기 (c) 단계의 탈질 반응 단계에서, 탈질 반응 시간이 끝나면 메탄 가스와 산소 가스의 주입은 중단되고 3방향 밸브(50)의 방향을 조절하여, 처리수가 유출될 수 있는 유출라인으로 변경되어 상기 탈질 반응 단계를 거친 처리수는 미생물 고액분리 단계 후 상층액을 유출 펌프(60)인 진공흡입펌프가 작동되면서 동일한 미세다공성 막 모듈(30)을 통해 여과·배출되며, 이러한 공정 단계를 순차적으로 반복함으로써 가스의 주입에 따른 막세정 효과로 인해 막 막힘현상에 따른 차압상승을 억제할 수 있다.
상기 (d) 단계의 미생물 고형 분리는, 15 ~ 60분 동안 미생물을 침전시키는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 15 ~ 30분 동안 침전시킬 수 있다.
상기 메탄 가스는 당 업계에서 이용되는 것이면 어느 것이나 이용 가능하나, 메탄을 포함하는 혐기성 소화가스나 매립지 가스를 이용하는 것이 바람직하다.
일반적으로 호기성 메탄산화 탈질 반응에서의 메탄 : 산소의 몰비는 2 : 1인 것이 바람직하나, 본 발명에서의 실험적 결과에 의하면 충분한 기질 전달을 위하여 메탄가스 : 산소가스의 유량비는 8 : 1 ~ 1 : 1 인 것이 바람직하다.
상기 메탄가스 및 산소가스는 유량조절장치(70, 80)로 메탄가스 : 산소가스의 유량비를 8 : 1 ~ 1 : 1로 유입하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 4 : 1 ~ 1 : 1 유량비로 유입될 수 있다. 상기 산소 가스 대신 공기를 사용한 경우, 메탄 가스와 공기의 유량비는 1 : 1 ~ 1 : 5 로 유입하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 1 : 1 ~ 1 : 3 의 유량비로 유입될 수 있다.
상기 메탄가스 및 산소가스는 5 ml/min ~ 40 ml/min의 유량으로 2 ~ 11 시간 동안 공급하는 할 수 있으며, 보다 바람직하게는 20 ml/min ~ 40 ml/min의 유량으로 2 ~ 5 시간 동안 공급할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 조건으로 메탄가스를 유입하였을 때, 탈질 효율이 우수한 것으로 나타났다. 상기 메탄가스 및 산소가스의 유량 및 공급 시간은 수처리 규모에 따라 변경될 수 있다.
또한, 본 발명에서 반응조에 유입되는 메탄 가스 및 산소 가스의 유입량은 가스유량, 주입시간 및 반응조 용적을 고려하여 “(가스유량×주입시간)/반응기용적”의 식에 따른 값으로 나타낼 수 있다. 본 발명에서 메탄 가스 및 산소 가스의 유입량은 상기 식에 따라 그 값(Lgas/Lwater)이 0.25 ~ 11 Lgas/Lwater의 범위인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 5~11 Lgas/Lwater일 수 있다. 즉, 상기 메탄 가스 및 산소 가스는 반응기 용적부피에 대하여 0.25 ~ 11의 부피비로 유입될 수 있으며, 보다 바람직하게는 5~11의 부피비로 유입될 수 있다.
상기 탈질방법은 반응조에서 (a)단계 ~ (e)단계가 연속적으로 반복되는 연속회분식이며, 수리학적 체류시간(HRT)은 6 ~ 24 시간이고, 탈질 반응시간은 2 ~ 11시간인 것이 바람직하며, 상기 탈질 반응 시간은 각 가스의 유량에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 상기 메탄 가스 및 산소 가스의 유량이 5 mL/min인 경우에는 반응시간이 11시간이며, 40 ml/min인 경우 2시간이 바람직하다.
상기 탈질 반응 시간은 메탄가스 및 산소 가스가 주입되어 질산성 질소가 제거되는 반응 시간을 의미한다.
본 발명에서 상기 미생물을 고농도로 유지하기 위하여, 상기 반응조는 내부에 미생물을 부착하는 활성탄, 스폰지 및 제올라이트 또는 토양성분을 가지는 무기성 담체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종이상을 포함하는 것이 바람직하나, 이에 한정하지 않고 당 업계에서 이용 가능한 것이면 어느 것이나 가능하다.
본 발명에서 기재된 “미생물”은 메탄산화가 가능한 미생물군(소화슬러지, 퇴적토 등) 및 일반적으로 활성슬러지 내에 포함되어 있는 탈질 미생물을 의미하는 것으로, 본 발명에서는 두 가지 미생물의 배양을 위해 소화슬러지와 활성슬러지를 1:1 (v/v)로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 미생물은 당 업계에서 일반적으로 사용되는 것이면 어느 것이나 이용가능하다.
상기 막모듈(30)은 반응조(20)의 바닥으로부터, 반응조 전체 높이의 1/5 ~1/3 지점에 이격되어 위치하고, 수직형으로 설치하는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반응조에서의 처리수 유입, 메탄/산소가스 주입 및 탈질 반응, 최종처리수 유출단계의 시간에 따른 주기적 운전방법과 특징을 설명하는 개념도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 0.4 시간 동안 하수 2차 처리수가 유입관 (110)을 통해 정체된 상태에서 반응조(20)에 유입되며, 2 ~ 11시간 동안 메탄과 산소가스가 유량비 1:1로 연결관(120)을 통해 주입되어 미세다공성 막 모듈 (30)을 통해 미세기포 형태로 반응조에 전달되면서 탈질 반응이 일어난다. 탈질 반응시간이 끝난 후, 침전시간동안 미생물과 상층액(최종 처리수)은 고액분리되며 상층액은 동일한 미세다공성 막 모듈(30)을 통해 여과 후 연결관 (120)을 통해 배출할 수 있도록 구성한다.
본 발명은 하수처리수 내 잔류하는 질산성 질소를 제거하는 생물학적 탈질 공정으로써, 미세다공성막으로 구성된 막 모듈을 이용함으로써 일반적인 주입방식에 비해 미세 기포 생성이 가능하며 작은 유량으로 메탄가스를 주입하는 경우에도 기체와 액체사이의 넓은 면적을 가지게 되어 농도구배에 의한 물질전달 특성이 최대가 될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 미세다공성막 모듈에 의해 메탄의 과잉 주입을 배제하며, 반응조에서 메탄가스 이용효율을 향상시켜 지구온난화 유발물질인 메탄의 배출을 최소화하는 것이 가능하다. 또한, 반응이 종료된 후 반응조에서 처리수를 동일한 막을 통해 여과, 배출함으로써 반응조 내 미생물의 유실을 최소화하여 상대적으로 성장이 느린 미생물을 고농도로 유지하는 것이 가능하다. 또한, 동일한 막을 통해 가스 주입과 처리수 유출을 반복함으로써 일반적으로 막결합형 생물반응기에서 나타나는 막오염으로 인한 막 막힘 현상 및 이에 따른 여과시 차압상승을 저감시킬 수 있다.
또한 본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이, 하수 고도 처리공정이나 하수 2차 처리수 후탈질 공정에 있어서,
처리수(폐수)가 유입펌프(10)에 의하여 유입되는 반응조(20);
상기 반응조에 메탄가스 및 산소가스의 유입 시, 일정한 유량을 조절할 수 있는 유량조절장치(70, 80);
상기 반응조 바닥과 이격되어 반응조 내부에 위치하고 반응조 상부에 연결되어 있는, 미세다공성 막 모듈(30);
상기 미세다공성 막 모듈과 연결되어 있어 처리수의 여과·배출시 차압이 모니터링되는 압력센서(40);
압력센서, 유출펌프 및 유량 조절 장치와 연결되어 유량의 방향을 조절하는 3방향 밸브(50); 및
처리된 처리수(폐수)를 배출시키기 위한 유출펌프(60);를 포함하는, 막 결합형 호기성 메탄산화 탈질방법에 이용되는 탈질장치를 제공한다.
본 발명에서 상기 미생물을 고농도로 유지하기 위하여, 상기 반응조는 내부에 미생물을 부착하는 활성탄, 스폰지 및 제올라이트 또는 토양성분을 가지는 무기성 담체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 포함하는 것이 바람직하나, 이에 한정하지 않고 당 업계에서 이용 가능한 것이면 어느 것이나 가능하다.
상기 미세다공성 막 모듈은 소수성 재질의 막 또는 친수성 재질의 막을 포함하는 것이 바람직하나, 보다 바람직하게는 소수성 재질의 막을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 기상과 액상의 물질전달율에 가장 큰 저항을 가지는 부분이 기상에서 액상으로 막을 통과할 때 발생하게 된다. 이때 친수성 재질의 막을 사용하게 될 경우 막 자체가 물에 젖기 때문에 그만큼 저항 또한 증가하게 되어 물질전달율 측면에서는 소수성 재질의 막을 이용하는 것이 더 바람직하나, 본 발명에서와 같이 가스가 충분히 공급되면 미생물의 대사과정에 미치는 영향은 크지 않기 때문에, 소수성 및 친수성의 막, 두 가지 모두 사용 가능할 수 있으나, 보다 바람직하게는 소수성 재질 (PTFE 등)의 막을 사용할 수 있다. 상기 막 기공의 크기는 MF (≥0.01㎛) 가 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.01㎛ ~ 10㎛이다.
상기 미세다공성 막 모듈(30)은 반응조(20)의 바닥으로부터, 반응조 전체 높이의 1/5 ~ 1/3 지점에 이격되어 위치하고, 수직형으로 설치하는 것이 바람직하다.
또한 상기 미세다공성 막 모듈(30)의 막은 중공사형, 관형 및 나선형으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 설계되어 설치되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 예시로써, 본 발명의 권리범위가 이에 의하여 한정되지 않는다.
실시예 1. 탈질 실험
도 1에 도시된 바와 같은 장치를 이용하여, 폐수 1.2 L를 반응조에 유입한 후, 메탄가스 및 산소를 각각 5 ~ 40 ml/min으로 PTFE(Polytetrafluorethylene)재질의 중공사막(hollow fiber membrane)을 이용한 미세다공성 막 모듈을 이용하여 반응조에 주입하였다.
도 3은 실험실 규모(8cm×60cm (직경×높이); 실운전 반응조 부피=2.4L)로 제안한 공정을 제작하여 운전한 결과(탈질효율 %)를 나타내었다. 상온조건에서 수리학적 체류시간 (HRT = 6, 12 hr)과 메탄가스 주입유량 (5 - 40 mL/min)을 변화시키면서 조건별 탈질효율을 조사하였으며, 산소는 메탄과 동일한 유량비 (1:1)로 주입하였다. 탈질효율은 최저 메탄유량 (5 mL/min)과 최소 HRT (6 hr)에서 가장 낮은 46%를 나타내었으나 메탄 유량과 HRT를 증가함에 따라 탈질효율은 증가하였다. HRT 6 hr 조건에서는 메탄 유량이 40 mL/min 부터 완전한 탈질효율을 보여주었으며, HRT 12 hr 조건에서는 메탄유량 20 mL/min 부터 100%에 가까운 탈질 효율을 나타내었다.
실시예 2
본 발명의 동일한 미세다공성 막 모듈을 이용하여 가스의 주입 및 최종 처리수의 여과/배출을 수행함에 따른 막의 차압상승의 저감 효율을 알아보기 위하여 하기와 같이 실험하였다.
도 4는 미세다공성막을 이용해 처리수만을 여과 배출할 경우와 동일한 막으로 가스주입과 처리수 여과 배출을 할 경우 막여과시 차압차이를 비교하여 나타내었다. 도 4에 제시된 두 경우를 비교하였을 때 본 발명에서 제안한 가스주입과 처리수 여과 배출을 할 경우 많게는 0.4 bar 정도의 차압감소 효과가 있음을 확인하였다.
상기한 결과와 같이 본 발명에 따르면, 생물반응조에 단일 막 모듈을 설치하여 가스의 공급과 막 여과 공정을 순차적으로 실행하여 별도의 막 세척과정이 없이도 효과적으로 막 막힘 현상을 저감시킬 수 있음을 알 수 있었다.
10 : 유입펌프 70, 80 : 유량조절 장치
20 : 반응조 90, 91 : 가스 저장조
30 : 미세다공성 막 모듈 100 : 미세다공성 막
40: 압력센서 110 : 유입관
50: 3방향 밸브 120 : 연결관
60 : 유출펌프

Claims (10)

  1. 하수 고도 처리공정이나 하수 2차 처리수 후탈질 공정에 있어서,
    (a) 처리수를 유입펌프(10)를 이용하여 호기성 반응조(20)에 유입시키는 단계;
    (b) 유량조절장치(70, 80)에 의해 메탄가스 및 산소 가스를 각각 일정한 유량으로 조절하여, 상기 반응조 내부에 위치한 미세다공성 막 모듈(30)을 통하여 미세 기포의 형태로 반응조 내부로 유입시키는 단계;
    (c) 상기 미세 기포 형태의 메탄가스 및 산소 가스가 유입된 처리수는 호기성 상태에서 미생물에 의하여 처리수 내 질산성 질소를 제거하는, 탈질 반응 단계;
    (d) 상기 (c)단계 후, 15 ~ 60분 동안 미생물을 침전시키는, 미생물 고액 분리 단계; 및
    (e) 상기 (d)단계 후, 미생물이 침전된 처리수의 상층액은 상기 미세다공성 막 모듈을 통해 여과된 후, 유출 펌프(60)를 이용하여 배출되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 막 결합형 호기성 메탄산화 탈질방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 메탄가스 및 산소가스의 유량비는 8 : 1 ~ 1 : 1로 유입되는 것을 특징으로 하는, 막 결합형 호기성 메탄산화 탈질방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 메탄가스 및 산소 가스는 상기 반응조 용적부피에 대하여 0.25 ~ 11의 부피비로 유입하는 것을 특징으로 하는, 막 결합형 호기성 메탄산화 탈질방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 탈질방법은 반응조에서 (a)단계 ~ (e)단계가 연속적으로 반복되는 연속회분식이며, 수리학적 체류시간(HRT)은 6 ~ 24 시간이고, 탈질 반응시간은 2 ~ 11 시간인 것을 특징으로 하는, 막 결합형 호기성 메탄산화 탈질방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 반응조는 내부에 미생물을 부착하는 활성탄, 스폰지 및 제올라이트 또는 토양성분을 가지는 무기성 담체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 막 결합형 호기성 메탄산화 탈질방법.
  6. 처리수가 유입펌프(10)에 의하여 유입되는 반응조(20);
    상기 반응조에 메탄가스 및 산소가스의 유입 시, 일정한 유량을 조절할 수 있는 유량조절장치(70, 80);
    상기 반응조 바닥과 이격되어 반응조 내부에 위치하고 반응조 상부에 연결되어 있는, 미세다공성 막 모듈(30);
    상기 미세다공성 막 모듈과 연결되어 있어 처리수의 여과·배출시 차압이 모니터링되는 압력센서(40);
    압력센서, 유출펌프 및 유량 조절 장치와 연결되어 유량의 방향을 조절하는 3방향 밸브(50); 및
    처리된 처리수를 배출시키기 위한 유출펌프(60);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 막 결합형 호기성 메탄산화 탈질방법에 이용되는 탈질장치.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 반응조는 내부에 활성탄, 스폰지 및 제올라이트 또는 토양성분을 가지는 무기성 담체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종이 포함될 수 있는 것을 특징으로 하는, 막 결합형 호기성 메탄산화 탈질방법에 이용되는 탈질장치.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 막 모듈은 소수성 재질의 막 또는 친수성 재질의 막을 포함하는 것을 특징으로 하는, 막 결합형 호기성 메탄산화 탈질방법에 이용되는 탈질장치.
  9. 청구항 6에 있어서, 상기 막모듈(30)은 반응조(20)의 바닥으로부터, 반응조 전체 높이의 1/5 ~ 1/3 지점에 이격되어 위치하고, 수직형으로 설치하는 것을 특징으로 하는, 막 결합형 호기성 메탄산화 탈질방법에 이용되는 탈질장치.
  10. 청구항 6에 있어서, 상기 막 모듈(30)의 막은 중공사형, 관형 및 나선형으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 설계되어 설치되는 것을 특징으로 하는, 막 결합형 호기성 메탄산화 탈질방법에 이용되는 탈질장치.
KR1020120016508A 2012-02-17 2012-02-17 막 결합형 호기성 메탄산화 탈질방법 및 탈질장치 KR101294879B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120016508A KR101294879B1 (ko) 2012-02-17 2012-02-17 막 결합형 호기성 메탄산화 탈질방법 및 탈질장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120016508A KR101294879B1 (ko) 2012-02-17 2012-02-17 막 결합형 호기성 메탄산화 탈질방법 및 탈질장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101294879B1 true KR101294879B1 (ko) 2013-08-16

Family

ID=49220196

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120016508A KR101294879B1 (ko) 2012-02-17 2012-02-17 막 결합형 호기성 메탄산화 탈질방법 및 탈질장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101294879B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101757333B1 (ko) * 2016-07-29 2017-07-12 (주) 영동엔지니어링 스펀지 여재를 이용한 컴팩트화 한 고도수처리 장치
CN110745966A (zh) * 2019-11-06 2020-02-04 南京大学 一种强化低温条件下生物膜脱氮的群体感应-好氧反硝化菌的二元系、构建方法及应用
WO2021117981A1 (ko) * 2019-12-13 2021-06-17 한국건설기술연구원 메탄과 메탄올 의존 공생박테리아와 바이오가스를 이용한 하수처리공정의 반류수내 고농도 암모니아 제거 방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1085783A (ja) * 1996-09-12 1998-04-07 Nippon Steel Corp 硝酸性窒素を含有する排水の脱窒素処理装置および処理方法
KR20000074452A (ko) * 1999-05-21 2000-12-15 이구택 미생물막 반응기를 이용한 고농도 질소 폐수처리방법
KR20070117354A (ko) * 2006-06-08 2007-12-12 한국건설기술연구원 입상화된 메탄산화 박테리아를 이용한 생물학적 인 및 질소의 제거 방법 및 이를 위한 장치
KR20100083223A (ko) * 2009-01-13 2010-07-22 한국과학기술연구원 생물막이 부착된 기체투과성 막을 이용한 폐수 고도처리방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1085783A (ja) * 1996-09-12 1998-04-07 Nippon Steel Corp 硝酸性窒素を含有する排水の脱窒素処理装置および処理方法
KR20000074452A (ko) * 1999-05-21 2000-12-15 이구택 미생물막 반응기를 이용한 고농도 질소 폐수처리방법
KR20070117354A (ko) * 2006-06-08 2007-12-12 한국건설기술연구원 입상화된 메탄산화 박테리아를 이용한 생물학적 인 및 질소의 제거 방법 및 이를 위한 장치
KR20100083223A (ko) * 2009-01-13 2010-07-22 한국과학기술연구원 생물막이 부착된 기체투과성 막을 이용한 폐수 고도처리방법

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101757333B1 (ko) * 2016-07-29 2017-07-12 (주) 영동엔지니어링 스펀지 여재를 이용한 컴팩트화 한 고도수처리 장치
WO2018021840A1 (ko) * 2016-07-29 2018-02-01 (주)영동엔지니어링 스펀지 여재를 이용한 컴팩트화 한 고도수처리 장치
CN110745966A (zh) * 2019-11-06 2020-02-04 南京大学 一种强化低温条件下生物膜脱氮的群体感应-好氧反硝化菌的二元系、构建方法及应用
CN110745966B (zh) * 2019-11-06 2021-12-17 南京大学 一种强化低温条件下生物膜脱氮的群体感应-好氧反硝化菌的二元系、构建方法及应用
WO2021117981A1 (ko) * 2019-12-13 2021-06-17 한국건설기술연구원 메탄과 메탄올 의존 공생박테리아와 바이오가스를 이용한 하수처리공정의 반류수내 고농도 암모니아 제거 방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hu et al. Anaerobic dynamic membrane bioreactor (AnDMBR) for wastewater treatment: A review
CN101891336B (zh) 垃圾卫生填埋场渗滤液的处理系统及方法
JP5194771B2 (ja) 有機物含有水の生物処理方法および装置
US20140360933A1 (en) Methods and apparatus for nitrogen removal from wastewater
JP6081623B2 (ja) 廃水処理システム
US9975796B2 (en) Process, apparatus and membrane bioreactor for wastewater treatment
KR20130041615A (ko) 멤브레인 반응조를 이용한 폐수의 질소와 유기물 동시 제거 방법
KR101294879B1 (ko) 막 결합형 호기성 메탄산화 탈질방법 및 탈질장치
WO2016027223A1 (en) Anaerobic membrane bioreactor system
JP5246665B2 (ja) メタン発酵処理装置およびメタン発酵処理方法
Pang et al. Effective biodegradation of organic matter and biogas reuse in a novel integrated modular anaerobic system for rural wastewater treatment: A pilot case study
CN200988816Y (zh) 基于膜生物反应器－纳滤膜技术的垃圾渗滤液处理系统
McCarty et al. Anaerobic fluidized bed membrane bioreactors for the treatment of domestic wastewater
CN101746879A (zh) 一种曝气生物滤床及其污水深化处理的方法
Kim et al. Full-scale study on dynamic state membrane bio-reactor with modified intermittent aeration
KR20030097075A (ko) 생물막활성탄과 마이크로필터모듈을 이용한 오·폐수고도처리장치
CN206985984U (zh) 一种深度处理污水的系统
JP6612195B2 (ja) 有機性廃水の処理設備及びその運転方法
KR100438022B1 (ko) 부상여재를 이용한 고도 폐수처리 방법
CN110697977A (zh) 一种垃圾填埋场封场渗滤液的处理工艺
CN215799034U (zh) 一种污水处理厂的污染物处理系统
CN218596238U (zh) 一种工业园区污水厂尾水提标改造系统
CN215365072U (zh) 一种垃圾渗沥液浸没式膜法预处理设备
Gupta et al. A review on advanced biological systems for modular wastewater treatment plants: process, application, and future in developing countries
CN213771756U (zh) 一种垃圾渗滤液处理回用装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160615

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170707

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180801

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190717

Year of fee payment: 7