KR101342678B1

KR101342678B1 - 2단 혐기성 반응조와 질소제거 공정을 결합한 폐수 처리 시스템

Info

Publication number: KR101342678B1
Application number: KR20120012414A
Authority: KR
Inventors: 배재호; 페리 엘. 맥카티; 김정환; 포-헝 리
Original assignee: 인하대학교 산학협력단
Priority date: 2012-02-07
Filing date: 2012-02-07
Publication date: 2014-01-02
Anticipated expiration: 2032-02-07
Also published as: KR20130091125A

Abstract

본 발명은 생활 폐수나 산업 폐수 등과 같은 다양한 폐수에 함유된 유기물을 2단 혐기성 공정을 이용하여 메탄과 이산화탄소로 분해하여 처리하고, 잔류 암모니아성 질소를 단일 반응조에서 부분질산화 및 아나목스 탈질을 이용하는 생물학적 공법으로 제거함으로써 방류되는 유출수의 수질을 개선하고, 에너지 소비를 절감하며, 또한 슬러지 처리 부담을 줄일 수 있는 폐수 처리 시스템을 개시한다. 개시된 본 발명에 의한 폐수 처리 시스템은, 부유 고형물이 제거되어 유입되는 폐수 중의 유기물을 혐기성 미생물을 이용하여 메탄과 이산화탄소로 분해하여 제거하는 혐기성 반응조; 상기 혐기성 반응조에서 유출되는 유출수에 함유된 잔류 유기물을 메탄으로 회수함과 동시에 유출수 중의 입자상 오염물을 멤브레인을 이용하여 제거하는 혐기성 유동상 분리막 반응조; 및 상기 혐기성 유동상 분리막 반응조에서 유출되는 유출수에 잔류하는 암모니아성 질소를 저농도 용존 산소 조건에서 아나목스 반응을 이용하여 제거하는 생물학적 질소제거 반응조;를 포함한다.

Description

2단 혐기성 반응조와 질소제거 공정을 결합한 폐수 처리 시스템{WASTE WATER TREATMENT SYSTEM BY TWO STAGE ANAEROBIC REACTORS COUPLED WITH NITROGEN REMOVAL PROCESS}

본 발명은 폐수 처리 시스템에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 생활 폐수나 산업 폐수 등과 같은 다양한 폐수에 함유된 유기물을 2단 혐기성 공정을 이용하여 메탄과 이산화탄소로 분해하여 처리하고, 잔류 암모니아성 질소를 단일 반응조에서 부분질산화 및 아나목스 탈질을 이용하는 생물학적 공법으로 제거함으로써 방류되는 유출수의 수질을 개선하고, 에너지 소비를 절감하며, 또한 슬러지 처리 비용을 줄일 수 있는 2단 혐기성 반응조와 질소제거 공정을 결합한 폐수 처리 시스템에 관한 것이다.

현대사회의 생활 폐수 및 다양한 산업 폐수 등으로 인한 수질 오염은 생태계를 파괴시킬 뿐만 아니라 산업 및 농업 용수, 식수의 고갈 현상을 야기시킴으로써 심각한 사회 문제로 대두 되고 있다.

이와 같은 수질 오염의 원인으로는 유기물 및 질소와 같은 무기물이 있다. 질소는 부영양화와 적조를 일으켜 유해 부유생물의 발생을 촉진하고 화학적 산소요구량의 증가 원인이 되며, 유기물은 용수의 자정 작용을 방해하며 수계의 용존 산소량 등을 감소시키기 때문에 제거되어야 한다.

이러한 각종 오염물질을 함유하는 폐수를 처리하는 방법으로는, 수중 미생물이 폐수 중의 오염물질을 영양원으로 섭취하여 소화시키는 원리를 이용하고 있다. 미생물은 산소 섭취 방식에 따라 혐기성 미생물과 호기성 미생물로 크게 분류된다.

호기성 미생물은 수중의 용존 산소를 산화제로 이용하여 유기물을 이산화탄소까지 산화시키지만, 혐기성 미생물은 산소와 같은 외부 산화제를 이용하지 않고 자체적으로 산화환원반응을 일으키며 그 결과 유기물로부터 메탄을 생산한다.

일반적인 폐수 처리 시스템에서는, 1차 침전조 유출수에 잔류하는 유기물을 호기성 미생물을 이용하여 산화시켜 처리한 다음 필요에 따라 질소 및 인을 제거한다.

그러나, 상기와 같은 일반적인 폐수 처리 시스템은 다량의 산소를 필요로 하는 호기성 공정을 이용하기 때문에, 반응조 내에 공기를 공급하기 위한 산기관 및 송풍기 운전에 필요한 소비 전력량이 많다고 하는 단점이 있다. 우리나라의 경우 하수처리장 전체 전력 소비량의 약 40% 정도를 공기를 공급하는데 소모하고 있다고 알려져 있다.

또한, 호기성 공정에서는 다량의 잉여 슬러지가 발생됨으로써 슬러지 처리 비용이 높다는 문제도 있다.

반면, 폐수를 혐기성 공정을 이용하여 처리하는 폐수 처리 시스템은, 폐수에 함유된 유기물을 재생에너지인 바이오 가스로 변환시키고, 상대적으로 소량의 잉여 슬러지를 발생시키며, 호기성 방법에서 요구되는 산기장치가 불필요하여 에너지 절감 효과가 크며, 반응조가 밀폐 구조이므로 악취 물질 배출 가능성이 낮다. 또한, 처리할 수 있는 오염 부하량이 높기 때문에 적은 용적의 반응장치가 사용될 수 있고, 잉여 슬러지가 소량 발생하므로 2차 침전지가 작거나 없어도 되기 때문에, 부지 면적을 작게 차지한다고 하는 장점이 있다.

상기와 같은 장점을 갖는 혐기성 공정은, 호기성 공정에 비해 처리 효율이 낮고, 처리속도가 늦어 긴 체류시간을 요구한다는 잘못된 고정 관념에 기인하여 최근까지도 도시 하수 및 저농도의 폐수 처리에는 사용되지 않고 있었으며, 고농도 폐수에 한하여 이용되고 있는 실정이다.

그러나, 본 발명자는 실험을 통하여 일부 새로운 혐기성 공정은 도시 하수 및 저농도 폐수 처리에 매우 효과적으로 적용될 수 있으며, 호기성 공정과 같은 짧은 체류 시간에서 운전될 수 있다는 것을 알았다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 혐기성 공정에 의해 1차 처리된 유출수에 포함된 잔류 유기물을 2단계 반응조에서 메탄으로 회수함과 동시에 멤브레인 기술을 이용하여 유출수 중의 입자상 오염물질을 필터링하여 제거함으로써 처리수 수질을 향상시키고, 이 유출수에 잔류하는 암모니아성 질소를 저농도의 용존 산소 조건에서 아나목스 반응을 이용하여 처리함으로써, 전력 사용량 절감, 수질 개선 및 슬러지 발생량을 줄일 수 있는 폐수 처리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 폐수 처리 시스템은, 부유 고형물이 제거되어 유입되는 폐수 중의 유기물을 혐기성 미생물을 이용하여 메탄과 이산화탄소로 분해하여 제거하는 혐기성 반응조; 상기 혐기성 반응조에서 유출되는 유출수에 함유된 잔류 유기물을 메탄으로 회수함과 동시에 유출수 중의 입자상 오염물을 멤브레인을 이용하여 제거하는 혐기성 유동상 분리막 반응조; 및 상기 혐기성 유동상 분리막 반응조에서 유출되는 유출수에 잔류하는 암모니아성 질소를 저농도 용존 산소 조건에서 아나목스 반응을 이용하여 제거하는 생물학적 질소제거 반응조;를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 혐기성 반응조는, AFBR(Anaerobic Fluidized Bed Reactor), ABR(Anaerobic Baffled Reactor), AF(Anaerobic Filter), UASB(Upflow Anaerobic Sludge Blanket), AnMBR(Anaerobic Membrane Bioreactor), Anaerobic Expanded Granular Sludge Blanket Reactor, Anaerobic Internal Circulation Bioreactor, ASBR(Anaerobic Sequencing Batch Reactor), 이들의 혼합형 중에서 선택되는 어느 하나의 반응조로 구성될 수 있다.

본 발명의 더욱 바람직한 실시예에 의하면, 상기 혐기성 반응조는, 폐수가 저류되며 내부에 혐기성 미생물을 포함하는 반응조 본체; 상기 혐기성 미생물이 부착되며 상기 반응조 본체 내에서 유동하는 유동입자; 상기 반응조 본체의 상부에 마련된 가스-유동입자 분리부; 상기 반응조 본체 내의 폐수를 순환시키기 위한 순환유닛; 및 처리된 유출수를 배출시키기 위한 이송펌프;를 구비하는 AFBR 반응조로 구성될 수 있다.

또한, 상기 유동입자는 입상 활성탄(GAC)이 바람직하게 이용될 수 있다.

또한, 상기 가스-유동입자 분리부에는 상기 반응조 본체 내에서 유동하는 유동입자의 유실을 방지하기 위한 유실방지장치가 설치되고, 필요에 따라 상기 가스-유동입자 분리부에 상기 유동입자의 유실을 2차로 방지하기 위한 제2유실방지장치가 설치된 제2가스-유동입자 분리부가 연결될 수 있다.

또한, 상기 순환유닛은, 상기 반응조 본체의 하부와 상기 가스-유동입자 분리부를 연결하는 순환라인; 상기 순환라인에 설치된 순환펌프; 상기 순환펌프에 의한 폐수의 순환량을 제어하기 위한 유량계; 및 상기 순환라인에 폐수를 공급하는 공급펌프;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 혐기성 유동상 분리막 반응조는, 상기 혐기성 반응조에서 유출되는 유출수가 저류되며 내부에 혐기성 미생물을 포함하고 있는 반응조 본체; 상기 미생물이 부착되며 상기 반응조 본체 내부에서 유동하는 유동입자; 상기 반응조 본체의 상부에 마련된 가스-유동입자 분리부; 상기 반응조 본체 내에 침지되어 미생물에 의해 제거되지 않은 유출수 중의 다른 입자상 오염물질을 제거하는 멤브레인; 상기 반응조 본체 내부의 유출수를 순환시키기 위한 순환유닛; 및 상기 멤브레인에 연결되어 반응조 본체 내부의 유출수를 외부로 유출시키기 위한 유출펌프;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 가스-유동입자 분리부에는 상기 반응조 본체의 내부에서 유동하는 유동입자의 유실을 방지하기 위한 유실방지장치가 설치되고, 필요에 따라 상기 가스-유동입자 분리부에 상기 유동입자의 유실을 2차로 방지하기 위한 제2유실방지장치가 설치된 제2가스-유동입자 분리부가 연결될 수 있다.

또한, 상기 멤브레인은 다수의 미세통공을 구비하는 중공사막(hollow fiber membrane) 또는 평막(flat sheet membrane)으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 순환유닛은, 상기 반응조 본체의 하부와 상기 가스-유동입자 분리부를 연결하는 순환라인; 상기 순환라인에 설치된 순환펌프; 상기 순환펌프에 의한 유출수의 순환량을 제어하기 위한 유량계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 유출펌프는 상기 멤브레인의 상부 일측에 연결된 유출수 배관에 압력 게이지의 개재하에 연결 설치될 수 있다.

또한, 상기 생물학적 질소제거 반응조는, 상기 혐기성 유동상 분리막 반응조에서 유출되는 유출수가 저류되며 내부에 아나목스 미생물이 포함되어 있는 반응조 본체; 및 상기 반응조 본체 내에 아나목스 반응에 필요한 저농도의 용존 산소를 생성하기 위하여 공기를 공급하는 공기공급유닛;을 포함할 수 있다.

또한, 상기 공기공급유닛은, 공기 공급기; 및 상기 공기 공급기에 의해 공급되는 공기량을 제어하기 위한 유량계;를 포함하며, 상기 반응조 본체 내의 용존 산소 농도는 0.1 내지 0.3 mg/L로 유지될 수 있다.

본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의하면, 상기 생물학적 질소제거 반응조는 필요한 경우 암모니아 탈기 또는 struvite 침전법과 같은 물리화학적 공정으로 질소를 제거하는 물리화학적 질소제거 반응조로 대체될 수 있다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 폐수 처리 시스템은 폐수에 함유된 부유 고형물을 침전 제거하는 침전조; 상기 침전조에서 침전된 슬러지를 농축하는 농축조; 농축된 슬러지를 가온,교반하여 슬러지의 유기물을 부산물과 메탄가스로 분해하는 슬러지 소화조; 그리고 생물학적 질소제거 반응조 유출수에 포함된 인을 제거하기 위한 응집 반응조;를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 1단계 혐기성 반응조에서 폐수에 함유된 유기물을 처리하여 메탄을 회수하고, 2단계의 혐기성 유동상 분리막 반응조에서 상기 1단계 혐기성 반응조로부터 유출되는 유출수에 포함된 잔류 유기물을 메탄으로 회수함과 동시에 유출수 중의 입자 및 콜로이드상 오염물을 멤브레인을 이용하여 필터링하여 제거한 후, 저농도의 용존 산소 조건에서 수행되는 아나목스 반응을 이용하여 폐수 중의 암모니아성 질소를 제거함으로써 시스템의 구조가 간소화될 수 있으며, 유출수에 입자상 오염물이 존재하지 않으므로 유출수의 수질을 개선할 수 있고, 또한, 슬러지 발생량이 현저하게 줄어들어 후속 공정에서의 슬러지 처리 부담을 경감시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 폐수 처리 시스템은 저농도의 용존 산소 조건(즉, 0.1 내지 0.3 mg/L 정도)에서 수행되는 아나목스 반응을 이용하여 폐수 중의 암모니아성 질소를 제거하기 때문에, 공기공급유닛의 전력 소모를 대폭 줄일 수 있는 등 전력 사용량을 절감시킬 수 있다.

또한, 필요한 경우 인을 제거하기 위한 응집 침전 반응조를 부가하여 유출수의 인을 제거할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 폐수 처리 시스템을 개략적으로 나타낸 도면, 그리고,
도 2는 본 발명의 요부 구성인 혐기성 유동상 반응조, 혐기성 유동상 분리막 반응조 및 생물학적 질소제거 반응조의 구조 및 작용을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 실시예들을 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.

또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 폐수 처리 시스템은, 침전조(10), 농축조(20), 슬러지 소화조(30), 혐기성 반응조(40), 혐기성 유동상 분리막 반응조(50) 및 생물학적 질소제거 반응조(60) 등을 구비한다. 도면에서 부호 100은 본 발명의 폐수 처리 시스템에 의해 회수되는 메탄 가스를 연료로 사용하는 발전기 또는 보일러를 나타낸다.

상기 침전조(10)는 유입되는 폐수 중의 부유물질을 제거하고, 부유물질에 의해 발생되는 생물학적 산소요구량 또는 화학적 산소요구량을 함께 제거함으로써, 후처리 공정의 부하를 줄이고 처리 효율을 높이기 위한 것이다. 즉 상기 침전조(10)는 최초 침전지 시설을 통해 부유성 고형물을 중력 침전으로 제거하는 것으로, 생물학적 처리 공정의 부하 감소, 후속 처리 시설의 시설 용량 감소 및 운전 비용의 안정적 절감 등을 목적으로 한다.

상기 농축조(20)는 상기 침전조(10)에서 발생되어 가라앉은 1차 슬러지를 고액 분리하여 농도를 높이고, 슬러지 부피를 감소시킨다. 이 때 슬러지는 중력에 의한 침전 방식으로 농축시킨다.

상기 1차 슬러지는 폐수 처리 과정에서 나오는 필연적인 부산물이므로 폐수 처리장은 이러한 슬러지를 최소한으로 줄여야 하는 바, 상기 농축조(20)에서는 수분을 97~99% 정도까지 줄여준다. 이 때, 상기 슬러지 농축 상황은 슬러지 처리 시설의 전체 효과에 큰 영향을 줄뿐만 아니라 분리액은 폐수 처리 시설에도 영향을 미치기 때문에 충분한 관리가 요구된다. 1차 슬러지의 고농도 농축을 위해서 기계식 농축장치를 이용할 수도 있다.

상기 농축조(20)에서 농축된 슬러지는 슬러지 소화조(30)로 보내진다. 상기 슬러지 소화조(30)는 농축된 슬러지를 생물학적으로 처리하는 것으로, 밀폐된 탱크 내에서 슬러지를 가온, 교반함으로써 슬러지의 유기물을 분해하여 메탄가스와 부산물을 생성한다.

상기 슬러지 소화조(30)에 있던 슬러지는 탈수조(도시되지 않음)로 보내져 함수율을 낮춘 뒤 소각, 건조 후 재활용, 또는 매립 처리된다. 통상 폐수 처리한 결과 발생한 슬러지는 용적도 크고 수분도 많은 액상이기 때문에 그대로의 처분은 불가능에 가깝다. 따라서, 여과와 압축을 조합한 가압 여과기와 같은 슬러지 탈수 설비를 이용하여 슬러지 함수율 80% 이하 정도의 케익상으로 탈수하여 슬러지 용량을 감소시켜 반출, 운반 및 처분을 쉽게 한다.

상기 혐기성 반응조(40)는 상기 침전조(10)에서 침전 처리된 유출수에 함유된 유기물을 혐기성 미생물을 이용하여 메탄 가스와 이산화탄소로 분해하여 제거한다. 이러한 혐기성 반응조(40)는 처리 에너지 비용이 적고 메탄으로 에너지를 회수할 수 있다는 장점을 가진다.

본 실시예에서는 혐기성 반응조(40)로서, AFBR(Anaerobic Fluidized Bed Reactor)을 사용한 예를 도시하고 있으나, 그 외에도 상기 혐기성 반응조(40)로서, ABR(Anaerobic Baffled Reactor), AF(Anaerobic Filter), UASB(Upflow Anaerobic Sludge Blanket), AnMBR(Anaerobic Membrane Bioreactor), Anaerobic Expanded Granular Sludge Blanket Reactor, Anaerobic Internal Circulation Bioreactor, ASBR(Anaerobic Sequencing Batch Reactor) 등이 사용될 수 있으며, 또한, 이들의 혼합형(hybrid) 반응조 등이 바람직하게 이용될 수 있다.

상기 AFBR 반응조는 반응조 내에 침강성이 뛰어난 모래, 진흙, 활성탄 같은 넓은 비표면적을 갖는 입상 물질을 이용하여 유동상 생물막을 형성시켜 고농도의 미생물을 반응조 내에 유지시키는 메탄 생성 반응조이다. 그 결과 혐기성 미생물이 높은 활성도를 유지하며 고농도 유기성 폐수뿐만 아니라 저농도의 유기물을 함유한 폐수까지도 짧은 체류시간에 처리하여 경제적 운영이 가능하게 된다.

AFBR 반응조는 일반적으로 유입부, 유동입자, 가스-유동입자 분리부로 구성된 매우 간단한 반응조 형태이다. 폐수의 종류, 운전조건, 배양환경조건에 따라 달라지지만, 일반적으로 직경 0.2~0.8 mm의 유동입자에 부착된 미생물이 40 kg/㎥ 정도의 고농도로 유지되며, 10~30 m/h 의 빠른 상향유속이 적용된다.

폐수가 유입부를 통해 고르게 분배되어 조밀한 유동입자를 통과하는 과정에서 유기물질은 산발효 과정을 거쳐 메탄과 이산화탄소 가스로 분해되며, 이때, 유동입자는 상승하여 반응조 상부 또는 가스-유동입자 분리부에서 가스와 분리되어 유동상 베드층으로 순환 반송된다.

상기와 같은 구조적 특징 및 유동상 생물막의 생성에 따라 AFBR 반응조는 다음과 같은 장점을 가지므로 도시 하수 및 저 농도 폐수의 처리 시스템에 효과적으로 사용될 수 있다.

첫째, 고농도 미생물의 유지와 빠른 상향유속, 그리고 높은 물질전달 효율로 인해 높은 용적 부하를 허용할 수 있다. 즉 수리학적 체류시간을 최소 20분 이내로 짧게 할 수 있고, 부지 수요를 감소시킬 수 있다.

둘째, 장치 구조가 간단하며 교반, 슬러지 반송 등의 인위적 설계가 불필요하며 유지 관리가 용이하다.

셋째, 저농도 폐수의 처리나 짧은 체류시간에서도 높은 처리 효율을 얻을 수 있다.

넷째, 수질, 수량에 대한 충격에 강하다. 입자상 활성탄(GAC)을 메디아로 사용할 경우 반응조의 시동 및 과부하 기간에 독성물질의 완충제 역할을 담당하여 처리 효율을 높게 유지할 수 있기 때문이다.

다섯째, 입상 활성탄을 이용함으로써 폐수에 존재하는 미량 난분해성 유기물, 예를 들어 약리활성물질과 같은 환경 호르몬 물질 및 개인 미용 및 위생용품 등을 효과적으로 제거할 수 있다.

상기와 같은 AFBR(40)의 전형적인 한 예가 도 2에 도시되어 있는 바, 이를 간단히 살펴보면 다음과 같다. AFBR(40)은 폐수가 저류되며 내부에 혐기성 미생물을 포함하는 반응조 본체(41), 상기 혐기성 미생물이 부착되며 상기 반응조 본체(41) 내에서 유동하는 유동입자(42), 상기 반응조 본체(41)의 상부에 마련된 가스-유동입자 분리부(43), 상기 반응조 본체(41) 내의 폐수를 순환시키기 위한 순환유닛(44) 및 처리된 유출수를 배출시키기 위한 이송펌프(45)를 포함한다.

상기 유동입자(42)는 혐기성 미생물을 위한 지지매질로서 작용하며, 입상 활성탄이 바람직하게 이용될 수 있다.

상기 가스-유동입자 분리부(43)에는 유동입자(42)의 유실을 방지하기 위한 유실방지장치(43a)가 설치되며, 또한, 상기 가스-유동입자 분리부(43)에는 반응조에서 발생한 메탄가스를 외부로 배출하기 위한 메탄가스 배출관(46)이 연결되어 있다.

또한, 필요에 따라 상기 가스-유동입자 분리부(43)에는 상기 유동입자(42)의 유실을 2차로 방지하기 위한 제2유실방지장치(43b)가 설치된 제2가스-유동입자 분리부(43-1)가 연결될 수 있다.

상기 순환유닛(44)은 상기 반응조 본체(41)의 하부와 상기 가스 유동입자 분리부(43)(도시예와 같이, 제2가스-유동입자 분리부를 구비한 경우에는 제2가스-유동입자 분리부(43-1))를 연결하는 순환라인(44a), 상기 순환라인(44a)에 설치된 순환펌프(44b), 상기 순환펌프(44b)에 의해 순환되는 폐수의 순환량을 제어하기 위한 유량계(44c) 및 상기 순환라인(44a)에 연결된 폐수 공급펌프(44d)를 구비한다.

상기와 같은 혐기성 반응조(40)에서 생물학적 반응에 의해 발생된 메탄가스는 상기 메탄가스 배출관(46)을 통하여 외부로 배출되고, 유출수는 상기 이송펌프(45)에 의해 후술되는 혐기성 유동상 분리막 반응조(50)로 이송된다.

상기 혐기성 유동상 분리막 반응조(AFMBR)(50)는 상기 혐기성 반응조(40)에서 1차 처리된 유출수에 함유된 잔류 유기물을 메탄으로 회수함과 동시에 유출수 중의 입자상 오염물질을 멤브레인을 이용하여 제거함으로써 유출수의 수질 개선 및 잉여 슬러지 발생량을 줄일 수 있다.

상기와 같은 혐기성 유동상 분리막 반응조(50)는 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 혐기성 반응조(40)에서 유출되는 유출수가 저류되며 내부에 혐기성 미생물을 포함하고 있는 반응조 본체(51), 상기 혐기성 미생물이 부착되며 상기 반응조 본체(51) 내부에서 유동하는 유동입자(52), 상기 반응조 본체(51)의 상부에 마련된 가스-유동입자 분리부(53), 상기 반응조 본체(51) 내에 침지되어 유출수 중의 다른 입자상 오염물질을 제거하는 멤브레인(54), 상기 반응조 본체(51) 내부의 유출수를 순환시키기 위한 순환유닛(55), 및 상기 멤브레인(54)에 연결되어 반응조 본체(51) 내부의 유출수를 외부로 유출시키기 위한 유출펌프(56) 등을 구비한다.

상기 유동입자(52)는 혐기성 미생물을 위한 지지매질 및 멤브레인(54)과 접촉하여 물리적 작용에 의해 그 표면에 부착된 입자를 제거함으로써 멤브레인(54)의 막힘 현상을 제어하는 작용을 하며, 이러한 유동입자(52)로는 입상 활성탄(GAC)이 바람직하게 사용될 수 있다.

상기 가스-유동입자 분리부(53)에는 반응조 본체(51)에서 유동하는 유동입자(52)의 유실을 방지하기 위한 유실방지장치(53a)가 설치되어 있다. 또한, 필요에 따라 상기 가스-유동입자 분리부(53)에는 반응조 본체(51)에서 유동하는 유동입자(52)의 유실을 2차로 방지하기 위한 제2유실방지장치(53b)가 설치된 제2가스-유동입자 분리부(53-1)가 연결될 수 있다.

또한, 상기 가스-유동입자 분리부(53)에는 상기 반응조 본체(51)에서 발생되는 메탄 가스를 외부로 배출시키기 위한 메탄 가스 배출관(57)이 연결되어 있으며, 또한, 상기 반응조 본체(51)의 수위를 감지하기 위한 수위감지센서(58)가 설치되어 있다.

상기 수위감지센서(58)에 의한 반응조 본체(51) 내의 수위 감지 신호에 따라 제어부(59)가 유출수 이송펌프(45)의 구동을 제어하여 반응조 본체(51)로 유입되는 유출수의 양을 적절하게 조절한다.

상기 멤브레인(54)은 다수의 미세통공을 구비하는 중공사막 또는 평막으로 형성될 수 있으며, 상기 미세통공은 유출수는 통과시키나 다른 입자상 오염물은 통과시키지 않음에 따라 유출수 중의 오염입자를 필터링하여 제거한다. 따라서, 최종 방류되는 유출수는 입자상 물질이 완전하게 제거되어 미생물이나 병원균이 존재하지 않으며, 후속 처리가 필요한 경우 적용기술의 범위와 적용성이 높다. 아울러, 이와 같이, 유출수 중의 입자상 오염물이 혐기성 유동상 분리막 반응조(50)에서 제거되기 때문에, 슬러지 발생량이 최소화되어 슬러지 처리 부담을 경감할 수 있다.

상기 순환유닛(55)은 상기 반응조 본체(51) 내의 유출수를 순환시키기 위한 것으로, 상기 반응조 본체(51)의 하부에서 상기 가스-유동입자 분리부(53)(도시예와 같이, 제2가스-유동입자 분리부를 구비한 경우에는 제2가스-유동입자 분리부(53-1))를 연결하는 순환라인(55a), 상기 순환라인(55a)에 설치된 순환펌프(55b) 및 유량계(55c)를 구비한다. 상기 순환라인(55a)에 상기 혐기성 반응조(40)의 유출수 이송펌프(45)가 연결되어 순환유닛(55)에 혐기성 반응조(40)에서 1차 처리된 유출수가 공급된다.

상기 이송펌프(45)에 의해 이송되는 유출수가 상기 순환펌프(55b)가 구동함에 따라 상기 순환라인(55a)을 따라 이송하여 상기 반응조 본체(51)의 하부로부터 유입됨으로써 반응조 본체(51) 내에는 유체의 유동이 일어나고 이에 따라 반응조 본체(51) 내의 유동입자(52)가 상향 유동한다. 여기서, 상기 유동입자(52)의 하중은 입자 주변을 흐르는 유체의 상향 속도와 밸런스를 이루며 유동하는데, 가스-유동입자 분리부(53,53-1)에 설치된 유실방지장치(53a,53b)에 의해 유실되지 않고 반응조 본체(51)에 잔류하게 된다.

상기 유출펌프(56)는 상기 멤브레인(54)의 상부 일측에 연결된 유출배관(56a)에 압력 게이지(56b)의 개재하에 연결되어 있으며, 상기 유출펌프(56)가 구동함에 따라 반응조 본체(51) 내부의 유출수는 멤브레인(54)의 미세통공을 통하여 외부로 배출된다. 이 때, 앞서도 설명한 바와 같이, 상기 멤브레인(54)의 미세통공은 유출수는 통과시키나 유출수 중의 오염 입자는 통과시키지 않음으로써 오염입자가 필터링되어 배출되는 유출수의 수질 개선을 도모할 수 있으며, 슬러지 발생량을 최소화할 수 있다.

상기 생물학적 질소제거 반응조(60)는 상기 혐기성 유동상 분리막 반응조(50)의 유출펌프(56)에 의해 유출되는 유출수 중의 암모니아성 질소를 아나목스 미생물을 이용한 아나목스 반응으로 제거한다. 이러한 아나목스 반응은 일반적인 호기성 반응과는 달리 용존 산소 농도가 매우 낮다. 따라서, 반응조 내부의 용존 산소를 유지시키기 위한 공기공급유닛의 전력 소비를 대폭 줄일 수 있다.

즉, 상기 아나목스 반응은 암모니아와 아질산을 반응시켜 질소가스를 생성시킴으로써 질소를 제거하는 것으로, 이러한 아나목스 반응을 위하여 폐수 내 암모니아를 일부분 아질산으로 전환시키는 부분 질산화가 필요하다. 이 부분 질산화 과정은 용존 산소 농도를 낮고 일정하게 유지시켜야 하며, 실험 결과 부분 질산화 시 용존 산소 농도는 0.1 내지 0.3 mg/L, 바람직하게는 0.2 mg/L 이하가 적절한 것으로 나타났다. 따라서, 기존 호기성 공정에서 수 내지 수십 mg/L로 용존 산소 농도를 유지시키기 위하여 공기공급유닛을 운전하는 경우에 비하여 본 발명에서는 반응조 내의 용존 산소 농도를 0.1 내지 0.3 mg/L 정도로 유지시켜도 되므로 그만큼 전력 소모를 줄일 수 있는 것이다.

상기 생물학적 질소제거 반응조(60)는 상기 유출수 배출관(56a)와 연결되어, 상기 혐기성 유동상 분리막 반응조(50)에서 유출되는 유출수가 저류되며 내부에 아나목스 미생물이 포함된 반응조 본체(61) 및 상기 반응조 본체(61)에 용존 산소를 생성하기 위한 공기를 공급하는 공기공급유닛(62)을 구비한다.

상기 공기공급유닛(62)은 상기 반응조 본체(61) 내에서 아나목스 미생물에 의해 일어나는 아나목스 반응에 필요한 용존 산소를 생성하기 위하여 반응조 본체(61)에 공기를 공급하는 것으로, 공기공급기(62a)와 이 공기공급기(62a)에서 공급되는 공기량을 조절하기 위한 유량계(62b)를 구비한다.

한편, 본 발명에 의한 폐수 처리 시스템은 도시하지 않았으나, 생물학적 질소제거 반응조 유출수에 포함된 인을 제거하기 위한 응집 반응조를 더 구비할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 폐수 처리 시스템에서 상기 생물학적 질소제거 반응조는 필요한 경우 암모니아 탈기 또는 struvite 침전법과 같은 물리화학적 공정으로 질소를 제거하는 물리화학적 질소제거 반응조로 대체될 수 있다.

상기와 같이, 본 발명에 의한 폐수 처리 시스템은 아나목스 반응을 이용하여 폐수 중의 암모니아성 질소를 제거하기 때문에, 일반적인 호기성 공정을 이용하는 폐수 처리 시스템에 비하여 용존 산소 농도를 낮게 유지할 수 있으므로 반응조에 공기를 주입하는 공기공급유닛의 전력 소모를 줄일 수 있다. 즉, 일반적인 호기성 공정을 이용한 폐수 처리 시스템에서는 반응조 내의 용존 산소 농도를 수 내지 수 십 mg/L 정도의 고농도로 유지시켜야 하므로 그만큼 전력 소모가 많았으나, 본 발명에 의하면, 저농도의 용존 산소에서 질소 제거가 이루어지므로 전력 소모를 대폭 줄일 수 있는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 폐수 처리 시스템은 혐기성 반응조(40)에서 1차 처리된 유출수가 혐기성 유동상 분리막 반응조(50)로 이송하여 잔류 유기물이 메탄으로 회수됨과 동시에 유출수 중의 입자상 오염물이 멤브레인에 의해 제거된 후, 생물학적 질소제거 반응조(60)에서 아나목스 반응에 의해 암모니아성 질소가 제거되어 최종 방류되거나 후처리 공정으로 이송된다.

따라서, 본 발명은 시설 및 규모가 큰 호기성 공정을 이용하지 않기 때문에, 시스템의 구조 간소화 및 공사 기간 단축을 도모할 수 있으며, 또한, 저농도의 용존 산소 조건에서 반응이 이루어지는 아나목스 반응을 이용하여 폐수 중의 암모니아성 질소를 제거하기 때문에, 공기공급유닛의 전력 소모량을 줄일 수 있다. 즉 기존, 하수 처리장의 총 전력 사용량 중 40% 정도를 차지하였던 공기공급유닛의 전력 사용량을 2 내지 5% 정도까지 낮출 수 있어, 전력 절감 및 운전비용 절감을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 폐수 처리 시스템은 폐수에 함유된 여러가지의 오염물 중 입자상 오염물을 멤브레인을 이용하여 필터링하여 제거하기 때문에, 수질 개선을 도모할 수 있으며, 잉여 슬러지 발생량을 현저하게 줄일 수 있어 후속 처리 공정에서의 슬러지 처리 부담을 경감시킬 수 있다.

즉, 기존의 호기성 공정을 이용한 폐수 처리 시스템에서는 폐수 중의 유기물 및 무기물은 어느 정도 제거할 수 있으나, 입자상 오염물은 제거하지 못함에 따라 대규모의 2차 침전조 등을 구비하여야 했다. 그러나, 본 발명에서는 상기 혐기성 유동상 분리막 반응조에서 입자상 오염물이 제거되므로 종래와 같은 대규모의 2차 침전조를 구비할 필요가 없으며, 구비하더라도 아주 소규모로 하면 되므로 폐수 처리장 부지 면적을 적게 차지하며, 2차 침전조에서도 슬러지 발생량이 현저하게 줄어들게 되므로, 슬러지 처리 부담을 경감시킬 수 있다.

이상에서 본 발명은 특정 실시예에 대하여 설명되었으나, 본 발명의 본질적 특성들을 벗어남이 없이 본 발명이 다른 특정 형태들로 실시될 수 있음이 당업자에게 자명하다. 따라서 나타내어진 실시예들은 모든 관점에서 예시적이며 비제한적인 것으로 고려되어야 하며, 따라서 당업자들에게 자명한 모든 변경들은 그 안에 포함되는 것이다.

10;침전조 20;농축조
30;소화조 40;혐기성 반응조
41;반응조 본체 42;유동입자
43,43-1;가스-유동입자 분리부
44;순환유닛 45;이송펌프
46;메탄가스 배출관 50;혐기성 유동상 분리막 반응조
51;반응조 본체 52;유동입자
53,53-1;가스-유동입자 분리부
54;멤브레인 55;순환유닛
56;유출펌프 57;메탄가스 배출관
58;수위감지센서 59;제어부
60;생물학적 질소제거 반응조
61;반응조 본체 62;공기공급유닛
62a;공기공급기 62b;유량계

Claims

부유 고형물이 제거되어 유입되는 폐수 중의 유기물을 혐기성 미생물을 이용하여 메탄과 이산화탄소로 분해하여 제거하는 혐기성 반응조;
상기 혐기성 반응조에서 유출되는 유출수에 함유된 잔류 유기물을 메탄으로 회수함과 동시에 유출수 중의 입자상 오염물을 멤브레인을 이용하여 제거하는 혐기성 유동상 분리막 반응조; 및
상기 혐기성 유동상 분리막 반응조에서 유출되는 유출수에 잔류하는 암모니아성 질소를 저농도 용존 산소 조건에서 아나목스 반응을 이용하여 제거하는 생물학적 질소제거 반응조;를 포함하고,
상기 혐기성 반응조는,
폐수가 저류되며 내부에 혐기성 미생물을 포함하는 반응조 본체;
상기 혐기성 미생물이 부착되며 상기 반응조 본체 내에서 유동하는 유동입자;
상기 반응조 본체의 상부에 마련된 가스-유동입자 분리부;
상기 반응조 본체 내의 폐수를 순환시키기 위한 순환유닛; 및
처리된 유출수를 배출시키기 위한 이송펌프;를 구비하는 AFBR 반응조이며,
상기 가스-유동입자 분리부에는 상기 반응조 본체 내에서 유동하는 유동입자의 유실을 방지하기 위한 유실방지장치가 설치되고,
상기 가스-유동입자 분리부에 상기 유동입자의 유실을 2차로 방지하기 위한 제2유실방지장치가 설치된 제2가스-유동입자 분리부가 연결된 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 유동입자는 입상 활성탄(GAC)인 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
삭제
삭제
제1항에 있어서, 상기 순환유닛은,
상기 반응조 본체의 하부와 상기 가스-유동입자 분리부를 연결하는 순환라인;
상기 순환라인에 설치된 순환펌프;
상기 순환펌프에 의한 폐수의 순환량을 제어하기 위한 유량계; 및
상기 순환라인에 폐수를 공급하는 공급펌프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
제1항에 있어서, 상기 혐기성 유동상 분리막 반응조는,
상기 혐기성 반응조에서 유출되는 유출수가 저류되며 내부에 혐기성 미생물을 포함하고 있는 반응조 본체;
상기 미생물이 부착되며 상기 반응조 본체 내부에서 유동하는 유동입자;
상기 반응조 본체의 상부에 마련된 가스-유동입자 분리부;
상기 반응조 본체 내에 침지되어 유출수 중의 다른 입자상 오염물질을 제거하는 멤브레인;
상기 반응조 본체 내부의 유출수를 순환시키기 위한 순환유닛; 및
상기 멤브레인에 연결되어 반응조 본체 내부의 유출수를 외부로 유출시키기 위한 유출펌프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
제8항에 있어서,
상기 유동입자는 입상 활성탄(GAC)인 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
제8항에 있어서,
상기 가스-유동입자 분리부에는 상기 반응조 본체의 내부에서 유동하는 유동입자의 유실을 방지하기 위한 유실방지장치가 설치되고, 상기 가스-유동입자 분리부에 상기 유동입자의 유실을 2차로 방지하기 위한 제2유실방지장치가 설치된 제2가스-유동입자 분리부가 연결된 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
제8항에 있어서,
상기 멤브레인은 다수의 미세통공을 구비하는 중공사막 또는 평막으로 형성된 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
제8항에 있어서, 상기 순환유닛은,
상기 반응조 본체의 하부와 상기 가스-유동입자 분리부를 연결하는 순환라인;
상기 순환라인에 설치된 순환펌프;
상기 순환펌프에 의한 유출수의 순환량을 제어하기 위한 유량계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
제8항에 있어서,
상기 유출펌프는 상기 멤브레인의 상부 일측에 연결된 유출수 배관에 압력 게이지의 개재하에 연결 설치된 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
제1항에 있어서, 상기 생물학적 질소제거 반응조는,
상기 혐기성 유동상 분리막 반응조에서 유출되는 유출수가 저류되며 내부에 아나목스 미생물이 포함되어 있는 반응조 본체; 및
상기 반응조 본체 내에 아나목스 반응에 필요한 저농도의 용존 산소를 생성하기 위하여 공기를 공급하는 공기공급유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
제14항에 있어서, 상기 공기공급유닛은,
공기 공급기; 및
상기 공기 공급기에 의해 공급되는 공기량을 제어하기 위한 유량계;를 포함하며, 상기 반응조 본체 내의 용존 산소 농도는 0.1 내지 0.3 mg/L로 유지되는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
제1항, 제4항, 제7항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
폐수에 함유된 부유 고형물을 침전 제거하는 침전조;
상기 침전조에서 침전된 슬러지를 농축하는 농축조; 및
농축된 슬러지를 가온,교반하여 슬러지의 유기물을 부산물과 메탄가스로 분해하는 슬러지 소화조;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
제16항에 있어서,
유출수에 포함된 인을 제거하기 위한 응집 반응조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
부유 고형물이 제거되어 유입되는 폐수 중의 유기물을 혐기성 미생물을 이용하여 메탄과 이산화탄소로 분해하여 제거하는 혐기성 반응조;
상기 혐기성 반응조에서 유출되는 유출수에 함유된 잔류 유기물을 메탄으로 회수함과 동시에 유출수 중의 입자상 오염물을 멤브레인을 이용하여 제거하는 혐기성 유동상 분리막 반응조; 및
상기 혐기성 유동상 분리막 반응조에서 유출되는 유출수에 잔류하는 암모니아성 질소를 암모니아 탈기 또는 struvite 침전법 등과 같은 물리화학적 공정으로 제거하는 물리화학적 질소제거 반응조;를 포함하고,
상기 혐기성 반응조는,
폐수가 저류되며 내부에 혐기성 미생물을 포함하는 반응조 본체;
상기 혐기성 미생물이 부착되며 상기 반응조 본체 내에서 유동하는 유동입자;
상기 반응조 본체의 상부에 마련된 가스-유동입자 분리부;
상기 반응조 본체 내의 폐수를 순환시키기 위한 순환유닛; 및
처리된 유출수를 배출시키기 위한 이송펌프;를 구비하는 AFBR 반응조이며,
상기 가스-유동입자 분리부에는 상기 반응조 본체 내에서 유동하는 유동입자의 유실을 방지하기 위한 유실방지장치가 설치되고,
상기 가스-유동입자 분리부에 상기 유동입자의 유실을 2차로 방지하기 위한 제2유실방지장치가 설치된 제2가스-유동입자 분리부가 연결된 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.