KR101370513B1 - 생물화학적 수처리 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생물화학적 수처리 장치 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 오염된 유입수가 투입되고, 혐기 조건 하에서 활성슬러지에 포함된 미생물에 의한 반응이 일어나는 혐기조; 상기 혐기조의 유입수 및 활성슬러지의 혼합물이 전달되고, 산소를 포함한 미세 기포가 공급되어 호기 조건 하에서 반응이 일어나는 무폭기호기조; 상기 무폭기호기조 내의 혼합물이 전달되고, 공기가 공급되며, 호기 조건 하에서 반응이 일어나는 호기조; 상기 호기조 내의 혼합물이 전달되고, 혐기 조건 하에서 반응이 일어나는 무산소조; 상기 무산소조 내의 혼합물이 전달되고, 응집제가 투입되어 상기 응집제와 상기 혼합물에 포함된 인산이 결합하여 인산이 제거되는 반응이 일어나며, 호기 조건 하에서의 반응도 함께 일어나는 생물화학적 인처리조; 상기 생물화학적 인처리조 내의 혼합물이 전달되고, 상기 혼합물을 고액 분리하는 여과막을 포함하며, 상기 혼합물이 고액 분리됨에 따라 생성되는 처리수를 배출하는 막여과조; 상기 무산소조 내의 활성슬러지를 상기 혐기조로 반송하는 제 1 슬러지 반송라인; 및 상기 여과막에서 상기 처리수가 걸러지고 남은 활성슬러지를 상기 막여과조에서 상기 무폭기호기조로 반송하는 제 2 슬러지 반송라인을 포함하는 생물화학적 수처리 장치를 제공할 수 있다.

Description

생물화학적 수처리 장치 및 방법{BIO-CHEMICAL WATER TREATMENT APPARATUS AND METHOD}

본 발명은 생물화학적 오수 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 들어, 수질오염 문제가 사회적인 이슈가 되면서, 실생활에서 발생되는 생활 하수 내지는 공장 폐수 등의 처리 필요성이 날이 갈수록 증가하고 있다. 더구나, 최근 수질오염 문제를 해결하고자 하수처리 방류수의 수질기준이 강화됨에 따라, 수처리 공정의 고도화가 시급하게 요구되는 실정이다.

이러한 수처리 공정에 있어서, 최근에는 생물화학적 처리 공정에 막 여과 공정을 결합한 생물화학적 막 여과 처리 공정이 실시되고 있으며, 종래의 생물화학적 막 여과 처리 공정에 관하여 도 1을 참조하여 설명하겠다.

도 1은 종래의 생물화학적 막 여과 처리 장치를 도시한 개념도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 수처리 장치(20)는 혐기조(210), 무산소조(220), 및 호기조(230)가 차례로 배치되는 생물화학적 전처리 장치와, 호기조(230)의 끝단에 여과막을 포함하는 막여과조(240)와, 막여과조(240)로부터 배출되는 슬러지(25, 26) 중 일부를 공급받아서 슬러지에 포함된 용존산소를 제거하여 무산소조(220)로 순환시키는 탈기조(250)를 포함하여 구성되었다.

이러한 종래의 수처리 장치(20)의 구체적인 오염수 처리 과정은 다음과 같다.

오염수가 미세스크린(미도시) 등을 거치면서 오염수에서 미세 협잡물이 제거된 유입수(21)가 혐기조(210)로 유입되며, 혐기조(210) 내에서 유입수(21)가 활성슬러지와 혼합되면서 혐기 조건 하에서 활성슬러지에 포함된 미생물에 의한 반응이 이루어진다. 이때, 후단의 무산소조(220)에서 생성되는 활성슬러지가 혐기조(210)로 반송될 수 있다.

혐기조(210) 후단의 무산소조(220)에서는 혐기조(210)에서 유입된 혼합물과 유입수(21) 내의 유기물에 의해 질소산화물을 환원시키는 탈질반응이 이루어진다. 무산소조(220)를 거친 혼합물은 호기조(230)로 이송되어 잔류 유기물 분해 및 질산화가 일어난다. 호기조(230) 내의 혼합물은 막여과조(240)로 이송되어 여과막에 의해 고액분리된다. 막여과조(240)에서 생성된 여과수(23)는 외부로 방출되어 별도의 시설에 의해 회수되고, 여과수(23)가 여과되고 남은 슬러지 중 일부 슬러지(26)는 외부의 처리시설로 이송되고, 나머지 슬러지(25)는 무산소조(220)로 반송된다.

이때, 막여과조(240)에 포함된 여과막의 표면에 고형물이 축적될 수 있고, 이러한 고형물을 제거하기 위해 공기가 공급되는데, 막여과조(240)에서 배출되는 슬러지(25)에는 높은 비율로 용존산소가 포함되고, 이러한 슬러지(25)가 무산소조(220)로 반송되기 위해서는 슬러지(25)에 포함된 용존산소가 제거될 필요가 있다.

이에 따라, 막여과조(240)에서 무산소조(220)로 반송되는 슬러지(25)가 반송되는 라인의 중간에서 탈기조(250)를 거치게 되는데, 탈기조(250)를 거치면서 슬러지(25)에 포함된 용존 산소가 제거된다.

그러나 오염물의 산화에 필요한 용존 산소 공급에 가장 많은 에너지(전체 전력의 약 30%)가 사용되므로 에너지 효율의 측면에서 볼 때 용존 산소를 공급한 후 탈기조(250)에서 이를 다시 제거하는 것은 매우 비효율적이라는 단점이 있었다.

또한, 최근 하폐수 처리수에 의한 부영양화 억제 목적으로 방류수 수질 기준 중 인에 대한 규제 농도가 낮아짐으로 인해 하폐수 내의 인을 제거하는 것이 매우 중요해 졌으나, 종래의 수처리 장치(20)로는 유입수(21)가 혐기조(210) 및 호기조(230)를 한번씩만 거치도록 되어 있어서 유입수(21)에 포함된 인을 효과적으로 제거하지 못한다는 문제가 있었다.

나아가, 인의 추가적인 제거를 위해 별도의 처리 시설을 더 추가함으로써 시설 투자비가 과다해 진다는 문제점이 있었다.

또한, 후단의 호기조(230)에서 응집제 등의 약품을 첨가하는 경우가 있는데, 이 경우 응집제 첨가로 인해 질산화 효율이 줄어들 수 있다는 문제가 있었다.

본 발명의 실시예들은 생물화학적 수처리 공정에 막 여과 공정을 추가한 종래의 공정에 있어서, 에너지 효율이 높고 하폐수 내의 인을 효과적으로 처리할 수 있는 생물화학적 수처리 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 오염된 유입수가 투입되고, 혐기 조건 하에서 활성슬러지에 포함된 미생물에 의한 반응이 일어나는 혐기조; 상기 혐기조의 유입수 및 활성슬러지의 혼합물이 전달되고, 산소를 포함한 미세 기포가 공급되어 호기 조건 하에서 반응이 일어나는 무폭기호기조; 상기 무폭기호기조 내의 혼합물이 전달되고, 공기가 공급되며, 호기 조건 하에서 반응이 일어나는 호기조; 상기 호기조 내의 혼합물이 전달되고, 혐기 조건 하에서 반응이 일어나는 무산소조; 상기 무산소조 내의 혼합물이 전달되고, 응집제가 투입되어 상기 응집제와 상기 혼합물에 포함된 인산이 결합하여 인산이 제거되는 반응이 일어나며, 호기 조건 하에서의 반응도 함께 일어나는 생물화학적 인처리조; 상기 생물화학적 인처리조 내의 혼합물이 전달되고, 상기 혼합물을 고액 분리하는 여과막을 포함하며, 상기 혼합물이 고액 분리됨에 따라 생성되는 처리수를 배출하는 막여과조; 상기 무산소조 내의 활성슬러지를 상기 혐기조로 반송하는 제 1 슬러지 반송라인; 및 상기 여과막에서 상기 처리수가 걸러지고 남은 활성슬러지를 상기 막여과조에서 상기 무폭기호기조로 반송하는 제 2 슬러지 반송라인을 포함하는 생물화학적 수처리 장치가 제공될 수 있다.

또한, 상기 제2 슬러지 반송라인은 공기공급부와 가압수단을 포함하고, 상기 제 2 슬러지 반송라인을 통해 반송되는 활성슬러지가 상기 가압수단에 의해 가압되면서 상기 무폭기호기조 내에 미세 기포가 생성되는 생물화학적 수처리 장치가 제공될 수 있다.

또한, 오염된 유입수가 혐기조에 투입되어 활성슬러지와 혼합되고, 활성슬러지에 포함된 미생물에 의해 혐기 조건 하에서 반응이 일어나는 혐기조 반응 단계; 상기 혐기조로부터 무폭기호기조로 유입수 및 활성슬러지의 혼합물이 전달되고, 산소를 포함한 미세 기포가 상기 무폭기호기조로 공급되어 호기 조건 하에서 반응이 일어나는 무폭기호기조 반응 단계; 상기 무폭기호기조로부터 호기조로 상기 혼합물이 전달되고, 상기 호기조 내에 공기가 공급되어 호기 조건 하에서 반응이 일어나는 호기조 반응 단계; 상기 호기조로부터 무산소조로 상기 혼합물이 전달되고, 혐기 조건 하에서 반응이 일어나는 무산소조 반응 단계; 상기 무산소조로부터 생물화학적 인처리조로 상기 혼합물이 전달되고, 상기 생물화학적 인처리조 내에 투입되는 응집제와 상기 혼합물에 포함된 인산이 결합하여 인산이 제거되는 반응이 일어나며, 호기 조건 하에서의 반응도 함께 일어나는 생물화학적 인처리조 반응 단계; 상기 생물화학적 인처리조로부터 막여과조로 상기 혼합물이 전달되고, 상기 막여과조에 포함된 여과막에서 상기 혼합물이 고액 분리되면서 처리수가 생성되는 단계; 상기 무산소조 내에 축적된 활성슬러지가 상기 혐기조로 반송되는 제 1 슬러지 반송 단계; 및 상기 여과막에서 상기 처리수가 걸러지고 남은 활성슬러지가 상기 막여과조에서 상기 무폭기호기조로 반송되는 제 2 슬러지 반송 단계를 포함하는 생물화학적 수처리 방법이 제공될 수 있다.

또한, 상기 혐기조 반응 단계에서, 활성슬러지에 포함된 미생물은 폴리인산축적세균(PAOs)이고, 상기 폴리인산축적세균이 상기 혼합물에 포함된 유기물을 흡수하고 인산을 배출하는 반응이 일어나는 생물화학적 수처리 방법이 제공될 수 있다.

또한, 상기 무폭기호기조 반응 단계 및 상기 호기조 반응 단계에서, 상기 혼합물에 포함된 유기질소 및 암모니아성 질소가 (아)질산성 질소로 산화되고, 상기 혼합물에 포함된 미생물이 유기물 및 인을 산화시켜서 체내에 축적하는 반응이 일어나는 생물화학적 수처리 방법이 제공될 수 있다.

또한, 상기 무산소조 반응 단계에서, 상기 혼합물에 포함된 (아)질산성 질소의 탈질반응이 함께 일어나는 생물화학적 수처리 방법이 제공될 수 있다.

또한, 상기 제 2 슬러지 반송 단계에서, 활성슬러지가 가압수단 및 펌프에 의해 압력을 받아서 반송되고, 활성슬러지가 상기 무폭기호기조로 투입될 때 직경이 10~100μm의 범위 내인 미세 기포 형태의 공기가 상기 무폭기호기조에 공급되는 생물화학적 수처리 방법이 제공될 수 있다.

또한, 상기 혐기조에서부터 상기 막여과조로 갈수록 상기 각 조 내의 유체 압력이 점점 낮아지도록 상기 유입수 및 활성슬러지의 혼합물의 유량 및 유속이 제어되는 생물화학적 수처리 방법이 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 막여과조에서 반송되는 활성슬러지에 포함된 용존산소를 제거하지 않으며, 반송 과정에서 공기를 주입하고 이를 압력변화를 통해 미세기포형태로 무폭기호기조로 반송함으로써 생물화학적 산화공정에 활용할 수 있으므로 탈기 과정을 거칠 필요가 없으며, 종래보다 높은 에너지 효율로 수처리가 가능하다는 효과가 있다.

또한, 혐기 및 호기 조건의 반응이 복수 회 반복되므로 인의 제거 효율이 향상될 수 있고, 생물화학적 인처리조에 응집제 등의 약품을 첨가하는 경우에도 질산화 효율의 감소가 억제된다는 효과가 있다.

도 1은 종래의 생물화학적 막 여과 처리 장치를 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 생물화학적 수처리 장치를 도시한 개념도이다.
도 3은 도 2의 수처리 장치를 이용한 제 1 실험예 결과를 도시한 그래프이다.
도 4는 도 2의 수처리 장치를 이용한 제 2 실험예 결과를 도시한 그래프이다.
도 5는 도 2의 수처리 장치를 이용한 제 3 실험예 결과를 도시한 그래프이다.

이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 생물화학적 수처리 장치를 도시한 개념도이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 생물화학적 수처리 장치(10)는 수처리를 위한 처리조들이 차례로 연결되어서 구성되고, 오염수가 미세 스크린을 통과하는 등의 전처리 과정을 거친 유입수가 투입된 후 각 처리조들을 거치면서 오염물질이 제거된 처리수로서 배출되도록 구성될 수 있다.

이를 위해, 수처리 장치(10)는 크게 유입수의 일부가 투입되고 혐기 조건 하에서 미생물에 의한 반응이 일어나는 혐기조(110), 혐기조(110)의 후단에 연결되고 미세 기포 및 반송슬러지의 용존산소에 의해 소정의 반응이 일어나는 무폭기호기조(120), 무폭기호기조(120)의 후단에 연결되고 활성슬러지에 포함된 미생물 및 송풍기(109)로부터 공급되는 공기에 의해 호기 조건의 반응이 일어나는 호기조(130), 호기조(130)의 후단에 연결되고 혐기 조건 하에서 반응이 진행되는 무산소조(140), 무산소조(140)의 후단에 연결되고 호기 조건 하에서 응집제가 투입되어 인 처리 반응이 일어나는 생물화학적 인처리조(150), 및 생물화학적 인처리조(150)의 후단에 연결되고 내부에 유입수를 고액 분리하는 여과막(162)을 포함하는 막여과조(160)를 포함할 수 있다.

수처리 장치(10)로 투입되는 유입수는 유입수 투입라인(12)을 통해 수처리 장치(10)로 공급될 수 있고, 혐기조(110) 및 무산소조(140) 각각으로 분지되어 공급될 수 있다. 또한, 유입수는 혐기조(110)와 무산소조(140)에 분할 공급될 수 있다.

혐기조(110)는 모터(112)와 모터(112)에 연결된 교반기(114)를 포함할 수 있고, 혐기조(110) 내부의 활성슬러지에 포함된 미생물, 예를 들어 폴리인산축적세균(PAOs)이 혐기조(110)에 투입된 유입수와 섞일 수 있다. 이때 미생물과 유입수는 교반기(114)에 의해 균일하게 혼합될 수 있다.

혐기조(110) 내부의 미생물은 혐기 조건 하에서 유입수 내의 유기물, 가령 아세트산 등의 저급지방산을 흡수하여 PHA(폴리히드록시 알카노에이트)를 체내에 축적하게 되고, 세포 내의 폴리인산(Poly-P)을 가수분해하며, 분해된 인산은 세포 외로 방출될 수 있다.

무폭기호기조(120)는 제 2 펌프(105) 및 가압수단(104)의 작용에 의해 미세 기포가 공급될 수 있고, 무폭기호기조(120) 내에서 상기 미세 기포에 포함된 산소 및 막여과조(160)로부터 반송되는 반송슬러지의 용존 산소에 의해 유기질소 및 암모니아성 질소가 (아)질산성 질소로 산화되는 반응이 일어날 수 있다. 또한, 혐기조(110)에서 인을 배출한 미생물이 무폭기호기조(120)로 유입되어 유기물 및 인을 산화시켜서 체내에 축적하게 된다.

호기조(130)는 내부에 공기를 뿜어내는 토출부(132)를 포함할 수 있고, 토출부(132)에서 나오는 공기에 포함된 산소가 유기질소 및 암모니아성 질소를 (아)질산성 질소로 산화시켜며, 무폭기호기조(120)로부터 유입된 미생물에 의해 유기물 및 인이 산화될 수 있고, 산화된 유기물 및 인은 미생물의 체내에 축적될 수 있다.

무산소조(140)는 전단의 호기조(130)로부터 공급받는 활성슬러지 및 유입수 투입라인(12)을 통해 공급되는 유입수가 섞일 수 있다. 무산소조(140)는 모터(142) 및 모터(142)와 연결된 교반기(144)를 포함할 수 있고, 교반기(144)에 의해 무산소조(140) 내부의 용액이 적절히 교반될 수 있다. 무산소조(140) 내부에서 유입수와 미생물이 교반되면서 혐기조(110) 내에서 일어나는 반응과 동일한 반응 및 (아)질산성 질소를 탈질시키는 반응이 동시에 일어날 수 있다.

또한, 무산소조(140)는 혐기조(110) 내의 활성슬러지 농도를 일정 수준으로 유지시키기 위해, 무산소조(140) 내에서 일어나는 반응의 결과물로 생성되는 활성슬러지를 혐기조(110)로 반송하는 제 1 슬러지 반송라인(101)과 연결될 수 있다. 제 1 슬러지 반송라인(101)은 활성슬러지를 이송하기 위한 제 1 펌프(102)를 포함할 수 있고, 무산소조(140)에서 생성된 활성슬러지의 일부를 혐기조(110)로 반송할 수 있다.

생물화학적 인처리조(150)는 내부에 공기가 뿜어져 나오는 토출부(152)를 포함할 수 있고, 토출부(152)에서 나오는 공기에 포함된 산소와 무산소조(140)로부터 유입되는 활성슬러지에 의해 호기조(130)에서 일어나는 반응과 동일한 반응이 일어날 수 있다. 또한, 응집제(14)가 투입됨으로써 응집제(14)와 인산이 결합하여 제거되는 반응이 더 일어날 수 있다.

막여과조(160)는 무산소조(140)로부터 공급받은 유입수가 포함된 활성슬러지를 고액 분리하는 여과막(162)을 포함할 수 있고, 여과막(162)을 통과하면서 분리된 처리수(16)가 별도의 처리 시설 또는 저장 시설(미도시) 등으로 이송될 수 있다. 또한, 막여과조(160)는 내부에 공기가 뿜어져 나오는 토출부(164)를 포함할 수 있으며, 토출부(164)로부터 공급되는 공기에 의해 여과막(162)의 표면에 축적된 고형물이 산화되면서 제거될 수 있다.

상술한 바와 같이 유입수가 포함된 활성슬러지는 혐기조(110), 무폭기호기조(120), 호기조(130), 무산소조(140), 생물화학적 인처리조(150) 및 막여과조(160)를 순서대로 거치면서 각 조에서 소정의 반응이 일어날 수 있다. 이때 유입수가 포함된 활성슬러지가 각 조를 거치면서 순차적으로 이송되는 것은 혐기조(110)로 대부분의 유입수가 유입되고, 혐기조(110)에서 막여과조(160)로 갈수록 점점 각 조 내부의 유체의 압력이 낮아지도록 유량 및 유속 등이 제어됨으로써 가능해질 수 있다.

더불어, 호기조(130)에서 무산소조(140)로 활성슬러지가 이송되더라도 호기조(130)로부터 유입된 활성슬러지 내에 포함된 용존 산소는 무산소조(140) 내에서 미생물들의 반응에 의해 매우 짧은 시간 동안에 제거될 수 있고, 무산소조(140)에는 호기조(130)에서와 같이 산소가 별도로 공급되지도 않으므로, 무산소조(140) 내의 혐기 조건이 유지되는 것이 가능하다.

막여과조(160)에서 고액 분리되어 처리수(16)가 배출되고 남은 활성슬러지 중 일부는 제 2 슬러지 반송라인(103)을 통해 무폭기호기조(120)로 반송될 수 있다. 제 2 슬러지 반송라인(103)은 가압수단(104), 제 2 펌프(105) 및 공기 흡입 노즐과 밸브를 포함하는 공기공급부(106)를 포함할 수 있다.

가압수단(104)은 일반적인 압력탱크, 펌프 등이 사용될 수 있으며, 기체와 액체의 혼합 유체에 압력을 가하여 무폭기호기조(120)로 토출시킬 수 있는 장치 구성이면 어느 것이든 사용 가능하다.

제 2 슬러지 반송라인(103)에는 공기공급부(106)의 공기 흡입 노즐을 통해 흡입된 공기가 밸브를 통해 공급될 수 있고, 제 2 슬러지 반송라인(103)을 통해 반송되는 활성슬러지는 공기와 혼합되고 제 2 펌프(105) 및 가압수단(104)이 작동되면서 무폭기호기조(120)로 반송될 수 있고, 활성슬러지가 무폭기호기조(120)로 반송되면서 가압수단(104) 및 제 2 펌프(105)에 의해 압력을 받으므로 활성슬러지가 투입되는 부분에서 송풍기(109)에 의해 공급되는 공기의 기포보다 미세한 크기인 미세 기포의 형태로서 토출될 수 있다.

막여과조(160)에서 배출되는 활성슬러지 중 제 2 슬러지 반송라인(103)을 통해 반송되는 활성슬러지를 제외한 나머지는 슬러지 배출라인(107)를 통해 외부로 배출될 수 있다.

한편, 호기조(130), 생물화학적 인처리조(150) 및 막여과조(160)에 설치된 토출부(132, 152, 162)는 송풍기(109)와 공기공급라인(108)을 통해 연결될 수 있고, 송풍기(109)에서부터 공기가 공기공급라인(108)을 거쳐서 각 토출부(132, 152, 162)를 통해 공기가 배출될 수 있다.

이하에서는 상기와 같은 구성을 갖는 본 실시예에 따른 수처리 장치(10)의 작용 및 효과에 대하여 설명하겠다.

수처리 장치(10)로 투입되는 유입수는 유입수 투입라인(12)을 통해 혐기조(110) 및 무산소조(140)로 공급될 수 있고, 공급되는 유입수는 혐기조(110)와 무산소조(140)에 일정 비율로 분할되어 공급될 수 있다. 유입수는 예를 들어, 혐기조(110)와 무산소조(140)에 각각 50~80:50~20의 비율로 공급될 수 있으며, 상기 비율은 적절한 범위 내에서 조정될 수 있다.

혐기조(110)에 투입된 유입수는 교반기(114)에 의해 활성슬러지와 교반될 수 있고, 활성슬러지에 포함된 폴리인산축적세균(PAOs)과 같은 미생물이 혐기 조건 하에서 유입수 내의 유기물, 가령 아세트산 등의 저급지방산을 흡수하여 PHA(폴리히드록시 알카노에이트)를 체내에 축적하게 되고, 세포 내의 폴리인산(Poly-P)을 가수분해하며, 분해된 인산은 세포 외로 방출될 수 있다.

혐기조(110) 내의 활성슬러지는 무폭기호기조(120)로 이송될 수 있고, 무폭기호기조(120) 내에서 공급되는 미세 기포에 포함된 산소 및 막여과조(160)로부터 반송되는 반송슬러지의 용존 산소와 반응을 일으킬 수 있고, 유기질소 및 암모니아성 질소가 (아)질산성 질소로 산화되는 반응이 일어날 수 있고, 활성슬러지에 포함된 미생물이 유기물 및 인을 산화시켜서 체내에 축적하는 반응도 함께 일어날 수 있다.

무폭기호기조(120) 내의 활성슬러지는 호기조(130)로 이송될 수 있고, 호기조(130) 내에서 토출부(132)를 통해 공급되는 공기에 포함된 산소에 의해 유기질소 및 암모니아성 질소가 (아)질산성 질소로 산화되는 반응이 일어날 수 있다. 또한, 활성슬러지 내에 포함된 미생물에 의해 유기물 및 인이 산화될 수 있고, 산화된 유기물 및 인은 미생물의 체내에 축적될 수 있다.

이때, 가압수단(104)에 의해 미세기포가 무폭기호기조(120)에 공급될 수 있으며, 이러한 미세 기포(약 10~100μm)는 호기조(130)의 토출부(132)를 통해 공급되는 기포(약2~10mm)에 비해 크기가 작고 반응조 내 체류시간이 길어서 용존 산소의 전환율이 높아질 수 있다. 이러한 미세기포가 생성되는 원리를 간단히 설명하자면, 막여과조(160)로부터 반송되는 슬러지에 공기공급부(106)를 통해 공기가 혼합되고 가압수단(104)에 의해 압력이 가해진 후 무폭기호기조(120)에 유입되면 갑자기 압력이 낮아지게 되어 높은 압력에 의해 슬러지에 녹아있던 공기가 미세기포의 형태로 형성되면서 무폭기호기조(120)의 내로 배출되게 된다.

이렇게 슬러지가 반송되면서 미세기포가 발생하는 무폭기호기조(120)가 호기조(130)의 전단에 배치하여 호기조의 역할을 분담함으로써, 전체 반응 시스템에서 필요한 송풍에너지가 상대적으로 기존에 비하여 더 저감될 수 있다는 효과가 있다.

한편, 호기조(130)에서의 반응을 거친 활성슬러지는 무산소조(140)로 이송될 수 있고, 유입수 투입라인(12)을 통해 공급되는 유입수와 교반기(144)에 의해 교반될 수 있다. 무산소조(140) 내에서는 활성슬러지에 대하여 혐기조(110) 내에서 일어나는 반응과 동일한 반응이 일어날 수 있으며, 이와 동시에 (아)질산성 질소의 탈질반응도 함께 일어날 수 있다.

무산소조(140)에서의 반응을 거친 활성슬러지는 생물화학적 인처리조(150)로 이송될 수 있고, 활성슬러지가 토출부(152)에서 나오는 공기에 포함된 산소와 섞이면서 호기조(130)에서 일어나는 반응과 동일한 반응이 일어날 수 있으며, 생물화학적 인처리조(150)로 투입되는 응집제(14)와 인산이 결합하여 제거되는 반응이 함께 일어날 수 있다.

생물화학적 인처리조(150)에서의 반응을 거친 활성슬러지는 막여과조(160)로 이송될 수 있고, 여과막(162)에 의해 고액 분리되면서 처리수(16)가 생성될 수 있다. 이러한 처리수(16)는 외부의 처리 시설 또는 저장 시설(미도시) 등으로 이송될 수 있다. 이때, 토출부(152)로부터 공급되는 공기에 포함된 산소에 의해 여과막(162)의 표면에 축적된 고형물이 산화되면서 제거될 수 있다.

막여과조(160)에서 고액 분리되어 처리수(16)가 배출되고 남은 활성슬러지 중 일부는 제 2 슬러지 반송라인(103)을 통해 무폭기호기조(120)로 반송될 수 있고, 나머지는 슬러지 배출라인(107)을 통해 외부로 배출될 수 있다.

이러한 구성을 갖는 본 실시예의 수처리 장치(10)에 따르면, 막여과조(160)에서 반송되는 활성슬러지에 포함된 용존산소를 제거하지 않고, 상기 활성슬러지 중 일부를 무폭기호기조(120)로 반송함으로써 생물화학적 산화공정에 활용할 수 있으므로 탈기 과정을 거칠 필요가 없으며, 종래보다 높은 에너지 효율로 수처리가 가능하다는 효과가 있다.

또한, 본 실시예의 수처리 장치(10)에 따르면 혐기 및 호기 조건의 반응이 2번 반복되므로 인의 제거 효율이 향상될 수 있고, 생물화학적 인처리조(150)에 응집제 등의 약품을 첨가하는 경우에도 질산화 효율의 감소가 억제된다는 효과가 있다.

이하에서는 이러한 효과를 입증한 실험예를 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하겠다.

도 3은 도 2의 수처리 장치를 이용한 제 1 실험예 결과를 도시한 그래프이고, 도 4는 도 2의 수처리 장치를 이용한 제 2 실험예 결과를 도시한 그래프이며, 도 5는 도 2의 수처리 장치를 이용한 제 3 실험예 결과를 도시한 그래프이다.

도 3 내지 도 5에 제시된 실험 결과를 나타내는 그래프들은 모두 폐수종말처리장에서 채취한 미생물과 폐수를 채취해서 본 실시예에 따른 수처리 장치(10)를 이용하여 수처리 공정을 수행함으로써 얻어진 데이터를 기반으로 작성되었다.

먼저, 제 1 실험예에 대하여 설명하면, 도 3에 도시된 그래프는 전체 반응시간(8시간)에 대하여 혐기 조건의 반응과 호기 조건의 반응을 각각 1회씩 동일 시간(4시간)동안 수행한 경우와 각각 2회씩 교대로 동일 시간(2시간)동안 수행한 경우를 비교한 것이며, 각각의 경우에 시간에 따른 무기오염물의 거동을 비교한 그래프이다.

도 3에 도시된 그래프를 참조하면, 종래 기술과 같이 혐기 조건과 호기 조건의 반응을 각각 1회씩 동일 시간 동안 수행한 경우에 비하여 본 실시예에 따른 수처리 장치(10)에서와 같이 혐기 조건과 호기 조건의 반응을 각각 2회씩 동일 시간 동안 수행한 경우에 질산화(암모니아성 질소가 질산성 질소로 산화) 효율은 차이가 없지만, 인산성 인의 제거율이 34%에서 68%로 2배 높아짐을 알 수 있다.

제 2 실험예는 제 1 실험예에서 혐기 조건과 호기 조건의 각 반응 시간이 동일했던 것과 달리 혐기 조건의 반응시간을 호기 조건의 반응시간보다 짧게 설정하여 실험한 것으로서, 도 4에 도시된 그래프를 참조하면 이 경우 질산화 효율의 저하 없이 인 처리 효율이 30%에서 63%로 높아짐을 알 수 있다.

이러한 결과가 도출되는 것은 인 처리(또는 축적) 미생물의 환경 변화에 따른 자극이 그 이유일 것으로 추정된다.

한편, 막 분리 공정이 결합된 생물화학적 처리에서 간단히 화학적 응집 공정을 추가함으로써 인의 규제 농도 이하로 인을 제거하는 것이 가능하지만, 일정 농도 이상의 응집제는 질산화 반응을 유발하는 미생물의 활동을 방해하게 되므로, 응집제 추가에 따른 생물학적 처리효율의 저해를 최소화할 필요가 있다. 이를 위해서는 공정에 있어서 응집제의 주입 시기가 매우 중요하며, 최적화된 주입 시기를 제 3 실험예를 통해 알 수 있다.

제 3 실험예는 본 실시예에 따른 수처리 공정에 있어서 응집제의 주입 여부와 시기에 따른 질산화율을 비교한 것이다. 먼저 응집제(Alum)가 첨가되지 않은 경우와 6ppm(처리수의 총인 농도가 0.5mg/L이하가 될 수 있는 농도) 주입한 경우를 비교해 보면, 응집제의 주입에 따라 질산화효율이 약 24% 감소함을 알 수 있다. 본 결과를 통해 상술한 바와 같이 일반적으로 단일 호기조에 응집제를 주입하는 방법은 질소 처리효율을 떨어뜨릴 수 있다는 점을 알 수 있다. 또한, 응집제의 주입 시기를 충분히 질산화가 된 후에 넣었을 경우(공정 시작 후 2시간 이후에 주입)에 질산화율의 감소를 약 11%로 낮출 수 있었다.

본 실험예에 비추어 볼 때, 본 실시예에서는 수처리 장치(10)에 유입수가 투입된 후 4시간이 지난 이후에야 응집제(14)가 투입되는 생물화학적 인처리조(150)에 유입되어 응집제(14)에 의한 반응이 일어나게 되므로, 응집제(14)에 의한 질산화율 감소폭을 매우 크게 낮출 수 있다는 점을 알 수 있다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 생물화학적 수처리 장치 및 방법의 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.

10: 수처리 장치 12: 유입수 투입라인
101: 제 1 슬러지 반송라인 102: 제 1 펌프
105: 제 2 펌프 103: 제 2 슬러지 반송라인
104: 가압수단 106: 공기공급부
107: 슬러지 배출라인 108: 공기공급라인
109: 송풍기 110: 혐기조
120: 무폭기호기조 130: 호기조
140: 무산소조 150: 생물화학적 인처리조
160: 막여과조 162: 여과막

Claims (8)

1. 오염된 유입수가 투입되고, 혐기 조건 하에서 활성슬러지에 포함된 미생물에 의한 반응이 일어나는 혐기조;
   상기 혐기조의 유입수 및 활성슬러지의 혼합물이 전달되고, 산소를 포함한 미세 기포가 공급되어 호기 조건 하에서 반응이 일어나는 무폭기호기조;
   상기 무폭기호기조 내의 혼합물이 전달되고, 공기가 공급되며, 호기 조건 하에서 반응이 일어나는 호기조;
   상기 호기조 내의 혼합물이 전달되고, 혐기 조건 하에서 반응이 일어나는 무산소조;
   상기 무산소조 내의 혼합물이 전달되고, 응집제가 투입되어 상기 응집제와 상기 혼합물에 포함된 인산이 결합하여 인산이 제거되는 반응이 일어나며, 호기 조건 하에서의 반응도 함께 일어나는 생물화학적 인처리조;
   상기 생물화학적 인처리조 내의 혼합물이 전달되고, 상기 혼합물을 고액 분리하는 여과막을 포함하며, 상기 혼합물이 고액 분리됨에 따라 생성되는 처리수를 배출하는 막여과조;
   상기 무산소조 내의 활성슬러지를 상기 혐기조로 반송하는 제 1 슬러지 반송라인; 및
   상기 여과막에서 상기 처리수가 걸러지고 남은 활성슬러지를 상기 막여과조에서 상기 무폭기호기조로 반송하는 제 2 슬러지 반송라인을 포함하고,
   상기 제2 슬러지 반송라인은 공기공급부와 가압수단을 포함하고, 상기 제 2 슬러지 반송라인을 통해 반송되는 활성슬러지가 상기 가압수단에 의해 가압되면서 상기 무폭기호기조 내에 미세 기포가 생성되는 생물화학적 수처리 장치.
2. 삭제
3. 오염된 유입수가 혐기조에 투입되어 활성슬러지와 혼합되고, 활성슬러지에 포함된 미생물에 의해 혐기 조건 하에서 반응이 일어나는 혐기조 반응 단계;
   상기 혐기조로부터 무폭기호기조로 유입수 및 활성슬러지의 혼합물이 전달되고, 산소를 포함한 미세 기포가 상기 무폭기호기조로 공급되어 호기 조건 하에서 반응이 일어나는 무폭기호기조 반응 단계;
   상기 무폭기호기조로부터 호기조로 상기 혼합물이 전달되고, 상기 호기조 내에 공기가 공급되어 호기 조건 하에서 반응이 일어나는 호기조 반응 단계;
   상기 호기조로부터 무산소조로 상기 혼합물이 전달되고, 혐기 조건 하에서 반응이 일어나는 무산소조 반응 단계;
   상기 무산소조로부터 생물화학적 인처리조로 상기 혼합물이 전달되고, 상기 생물화학적 인처리조 내에 투입되는 응집제와 상기 혼합물에 포함된 인산이 결합하여 인산이 제거되는 반응이 일어나며, 호기 조건 하에서의 반응도 함께 일어나는 생물화학적 인처리조 반응 단계;
   상기 생물화학적 인처리조로부터 막여과조로 상기 혼합물이 전달되고, 상기 막여과조에 포함된 여과막에서 상기 혼합물이 고액 분리되면서 처리수가 생성되는 단계;
   상기 무산소조 내에 축적된 활성슬러지가 상기 혐기조로 반송되는 제 1 슬러지 반송 단계; 및
   상기 여과막에서 상기 처리수가 걸러지고 남은 활성슬러지가 상기 막여과조에서 상기 무폭기호기조로 반송되는 제 2 슬러지 반송 단계를 포함하고,
   상기 제 2 슬러지 반송 단계에서,
   활성슬러지가 가압수단 및 펌프에 의해 압력을 받아서 반송되고, 활성슬러지가 상기 무폭기호기조로 투입될 때 직경이 10~100μm의 범위 내인 미세 기포 형태의 공기가 상기 무폭기호기조에 공급되는 생물화학적 수처리 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 혐기조 반응 단계에서,
   활성슬러지에 포함된 미생물은 폴리인산축적세균(PAOs)이고, 상기 폴리인산축적세균이 상기 혼합물에 포함된 유기물을 흡수하고 인산을 배출하는 반응이 일어나는 생물화학적 수처리 방법.
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 무폭기호기조 반응 단계 및 상기 호기조 반응 단계에서,
   상기 혼합물에 포함된 유기질소 및 암모니아성 질소가 (아)질산성 질소로 산화되고, 상기 혼합물에 포함된 미생물이 유기물 및 인을 산화시켜서 체내에 축적하는 반응이 일어나는 생물화학적 수처리 방법.
6. 제 3 항에 있어서,
   상기 무산소조 반응 단계에서,
   상기 혼합물에 포함된 (아)질산성 질소의 탈질반응이 함께 일어나는 생물화학적 수처리 방법.
7. 삭제
8. 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 혐기조에서부터 상기 막여과조로 갈수록 상기 각 조 내의 유체 압력이 점점 낮아지도록 상기 유입수 및 활성슬러지의 혼합물의 유량 및 유속이 제어되는 생물화학적 수처리 방법.
   
   

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