KR101416451B1 - 막결합형 유동상 혐기성 하폐수처리 장치 및 방법 - Google Patents

막결합형 유동상 혐기성 하폐수처리 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유동성 여재가 침지된 생물반응조와 생물반응조 내부에 침지된 분리막을 이용하여 하폐수를 고효율로 혐기처리하고 바이오가스를 생성하며 동시에 분리막 표면의 오염 형성을 저감시킬 수 있는 막결합형 유동상 혐기성 하폐수처리 장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 막결합형 유동상 혐기성 하폐수처리 장치는 분리막 모듈에 의한 하폐수 여과 및 하폐수의 생물학적 처리 공간을 제공하는 생물반응조와, 상기 생물반응조 내에 구비되어 하폐수를 여과하는 침지형 분리막 모듈과, 상기 침지형 분리막 모듈의 양측부에 구비되며, 회전에 의해 하폐수의 난류를 유도하는 회전식 원판 및 상기 생물반응조 내에 구비되며, 하폐수의 흐름에 따라 유동되어 분리막 모듈 표면의 오염물질을 탈착시킴과 함께 표면에 생물막을 형성하여 오염물질을 생물학적으로 처리하는 유동성 여재를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

막결합형 유동상 혐기성 하폐수처리 장치 및 방법{Apparatus and method for anaerobic wastewater treatment with fludized media membrane bioreactor}
본 발명은 막결합형 유동상 혐기성 하폐수처리 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유동성 여재가 침지된 생물반응조와 생물반응조 내부에 침지된 분리막을 이용하여 하폐수를 고효율로 혐기처리하고 바이오가스를 생성하며 동시에 분리막 표면의 오염 형성을 저감시킬 수 있는 막결합형 유동상 혐기성 하폐수처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근, 하수 및 폐수의 처리에 분리막 생물반응기(membrane bioreactor; MBR)가 많이 적용되고 있다. 분리막 생물반응기는 활성슬러지로 대표되는 생물학적 처리공정과 분리막을 결합하여 고효율로 하폐수를 처리하는 공정으로서 슬러지의 침전성에 상관없이 반응조 내의 미생물 농도를 높게 유지할 수 있어 시설이 컴팩트하고 고부하 운전이 가능하며 동시에 극히 우수한 처리수질을 얻을 수 있는 장점이 있다. 특히 컴팩트함과 에너지 효율성의 장점으로 폭기조 내에 직접 분리막을 침지하여 처리수를 흡인해내는 형태의 침지식 분리막 생물반응기가 많이 적용되고 있으며, 이러한 방법은 한국등록특허 제315968호, 한국특허공개 2000-0065883, 2000-0003714, 2002-0089255, 2003-0039038 등에 개시되어 있다.
이러한 침지식 분리막 생물반응기를 적용하는 경우 필연적으로 분리막 표면의 오염에 따른 분리막의 막힘현상이 발생하며, 이를 방지하기 위하여 폭기에 의한 난류 형성을 통하여 분리막의 막힘현상을 방지하게된다. 그러나 이 경우 생물학적 처리에 필요한 공기량보다 훨씬 많은 량의 폭기가 필요하며 그에 따른 과도한 에너지 소비 및 유지관리비가 매우 큰 것이 단점이다.
이러한 단점을 보완하기 위하여 문헌 <K. H. Ahn, K. G. Song, I. T. Yeom, K. Y. Park, (2001). "Performance comparison of direct membrane separation and membrane bioreactor for domestic wastewater treatment and water reuse," Water Science & Technology: Water Supply, 1(5-6), 315-323> 및 한국특허공개 2007-0075947에서는 회전원반 또는 프로펠러가 장착된 분리막 모듈을 이용하여 분리막의 막힘 현상을 억제하고자 하였다. 그러나 이러한 방법에서도 분리막의 막힘 현상을 억제하기 위해서는 효과적인 난류 형성을 위해서는 회전원반 또는 프로펠러의 회전속도를 빨리 해 주어야할 필요가 있으며 따라서 회전원반 또는 프로펠러의 회전을 위한 에너지 소비가 여전히 필요한 단점이 있다.
한국등록특허 제315968호 한국특허공개 제2000-0065883호 한국특허공개 제2000-0003714호 한국특허공개 제2002-0089255호 한국특허공개 제2003-0039038호 한국특허공개 제2007-0075947호
<K. H. Ahn, K. G. Song, I. T. Yeom, K. Y. Park, (2001). "Performance comparison of direct membrane separation and membrane bioreactor for domestic wastewater treatment and water reuse," Water Science & Technology: Water Supply, 1(5-6), 315-323>
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 저에너지로도 분리막 표면의 오염 형성을 효과적으로 억제시키며 동시에 하폐수를 고효율로 혐기성 처리하고 바이오가스를 생성시킴으로서 하폐수의 처리와 동시에 에너지 생산이 가능한 막결합형 유동상 혐기성 하수 및 폐수처리 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 막결합형 유동상 혐기성 하폐수처리 장치는 분리막 모듈에 의한 하폐수 여과 및 하폐수의 생물학적 처리 공간을 제공하는 생물반응조와, 상기 생물반응조 내에 구비되어 하폐수를 여과하는 침지형 분리막 모듈과, 상기 침지형 분리막 모듈의 양측부에 구비되며, 회전에 의해 하폐수의 난류를 유도하는 회전식 원판 및 상기 생물반응조 내에 구비되며, 하폐수의 흐름에 따라 유동되어 분리막 모듈 표면의 오염물질을 탈착시킴과 함께 표면에 생물막을 형성하여 오염물질을 생물학적으로 처리하는 유동성 여재를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 생물반응조는 혐기 상태로 유지되며, 상기 유동성 여재의 표면 및 공극 내에 혐기성 미생물이 부착, 구비된다. 또한, 상기 유동성 여재는 상기 생물반응조의 체적 대비 10∼40%v/v로 구비되며, 상기 회전식 원판의 회전속도는 20∼100rpm로 유지될 수 있다.
상기 유동성 여재는 다공성 표면을 갖는 유기성 고분자 소재로 이루어지며, 상기 유동성 여재는 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 중 어느 하나로 이루어지는 육면체 또는 구체이거나, 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 중 어느 하나의 섬유사 다발로 뭉쳐진 구체인 것을 사용할 수 있다.
상기 생물반응조의 상부에 상기 유동성 여재가 분리막 모듈의 상단부 위치를 초과하여 상승되는 것을 방지하는 배플이 더 구비된다. 또한, 상기 분리막 모듈 양측부에 구비되는 2개의 회전식 원판은 샤프트를 매개로 상기 모터와 연결되어 상기 모터의 구동에 의해 2개의 회전식 원판이 동시에 회전될 수 있다. 상기 회전식 원판은 설치되는 분리막의 숫자에 맞추어 분리막을 사이에 두고 연속적으로 설치될 수 있다.
상기 생물반응조의 상부 일측에 혐기성소화 과정을 통해 생성된 바이오가스를 추출하기 위한 바이오가스 배관이 더 구비되며, 상기 생물반응조의 일측에 추출된 바이오가스를 저장하는 바이오가스 저장탱크가 더 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 막결합형 유동상 혐기성 하폐수처리 방법은 침지형 분리막 모듈 및 유동성 여재가 구비된 생물반응조 내에 하폐수가 유입되는 <하폐수 유입> 단계와, 침지형 분리막 모듈에 의한 하폐수 여과가 진행됨과 함께 생물반응조 내에서의 하폐수의 생물학적 처리가 진행되는 <여과 및 생물학적 처리> 단계를 포함하여 이루어지며, 상기 침지형 분리막 모듈의 양측부에 구비된 회전식 원판을 회전시켜, 난류 흐름의 하폐수 및 유동성 여재를 통해 분리막 모듈 표면의 오염물질을 제거하는 <오염물질 제거> 단계를 더 포함하며, 상기 <오염물질 제거> 단계는, 상기 <여과 및 생물학적 처리> 단계와 동시에 적용하는 것을 특징으로 한다.
상기 <여과 및 생물학적 처리> 단계에서, 상기 유동성 여재 표면 및 공극에 부착, 생장하는 혐기성 미생물에 의해 바이오가스가 생성되며, 생성된 바이오가스는 바이오가스 저장탱크로 추출, 저장된다.
본 발명에 따른 막결합형 유동상 혐기성 하폐수처리 장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
회전식 원판 및 유동성 여재를 적용함으로써 저에너지 사용으로도 침지형 분리막 모듈 표면의 오염을 효과적으로 저감시킬 수 있으며, 생물반응조를 혐기 상태로 운전시킴으로써 바이오가스를 부가적으로 얻을 수 있게되어 에너지 효율을 획기적으로 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막결합형 유동상 혐기성 하폐수처리 장치의 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 막결합형 유동상 혐기성 하폐수처리 장치의 측단면도.
도 3은 유동성 여재의 적용 없이 회전식 원판의 회전속도에 따른 막차압 변화를 나타낸 것.
도 4는 유동성 여재의 투입유무 및 투입량(v/v)의 변화에 따른 막차압 변화를 나타낸 것.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 막결합형 유동상 혐기성 하폐수처리 장치 및 방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 막결합형 유동상 혐기성 하폐수처리 장치는 먼저, 생물반응조(110)(membrane bio-reactor)를 구비한다. 상기 생물반응조(110)는 분리막 모듈(120)을 이용하여 하폐수를 여과함과 함께 하폐수를 혐기성 처리하여 바이오가스의 생성을 유도하는 역할을 한다. 혐기 상태를 유지하기 위해 상기 생물반응조(110)는 외부 환경과 차단된 형태를 이루며, 산기관 등 기존의 MBR조에 구비되는 공기공급장치는 배제된다.
상기 생물반응조(110) 내에는 침지형 분리막 모듈(120)이 구비되며, 상기 침지형 분리막 모듈(120)은 혐기성 미생물을 포함한 하폐수의 총고형물(SS)을 제거하는 역할을 한다. 상기 침지형 분리막 모듈(120)의 양측부에는 회전식 원판(130)이 구비된다. 상기 회전식 원판(130)은 일측에 연결된 모터(171)에 의해 회전되며, 회전식 원판(130)의 회전은 하폐수의 난류를 유도하며 궁극적으로 분리막 모듈(120) 표면에 부착되어 있는 오염물질을 탈착하거나 분리막 모듈(120) 표면에 오염물질이 부착되는 것을 억제한다. 상기 회전식 원판(130)과 분리막 모듈(120) 표면은 일정 거리 이격되어 위치되며, 상기 분리막 모듈(120) 양측부에 구비되는 2개의 회전식 원판(130)은 샤프트(172)를 매개로 상기 모터(171)와 연결되어 상기 모터(171)의 구동에 의해 2개의 회전식 원판(130)이 동시에 회전된다. 다른 실시예로, 각각의 회전식 원판에 모터를 연결하여 각각의 회전식 원판을 독립적으로 구동하는 것도 가능하다. 한편, 회전식 원판(130)은 설치되는 분리막 모듈(120)의 숫자에 맞추어 분리막 모듈(120)을 사이에 두고 샤프트(172)에 연속적으로 설치될 수 있다. 즉, 복수의 회전식 원판(130)이 이격되어 구비되며, 회전식 원판(130)들 사이의 공간에 분리막 모듈(120)이 구비되는 구조를 이룰 수 있다.
상기 회전식 원판(130)의 회전을 통해 분리막 모듈(120)의 오염을 억제할 수 있는데, 유동성 여재(140)를 부가하여 분리막 모듈(120)의 오염 저감 효과를 보다 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 생물반응조(110) 내부에 일정한 단위 크기를 갖는 복수의 유동성 여재(140)를 구비시킨 상태에서, 상기 회전식 원판(130)의 회전에 의해 발생된 난류에 상기 유동성 여재(140)가 유동되도록 하여 유동성 여재(140)의 유동에 의한 오염물질의 탈착 및 유동성 여재(140)의 막 표면과의 접촉을 통한 오염물질 탈착의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기 유동성 여재는 다공성 재질로 이루어지며, 상기 유동성 여재의 표면 및 공극에는 혐기성 미생물이 부착, 생장하여 생물반응조 내의 오염물질 처리 및 메탄 등의 바이오가스 생성이 가능하게 된다. 특히, 유동성 여재 표면 상의 혐기성 미생물에 의해 오염물질이 처리되고 혐기성 미생물의 농도를 고농도로 유지할 수 있음에 따라, 분리막 모듈(120)에 의하여 저지되어야 하는 부유성 물질의 농도가 현저히 낮아져 현탁성 미생물에 의해 처리가 이루어지는 기존의 막분리생물반응조에 대비하여 분리막 모듈(120)의 오염을 현격하게 줄일 수 있다.
이와 함께, 상기 유동성 여재(140)는 혐기성 미생물의 서식처 역할을 위하여 다공성의 형태이며, 분리막 표면과의 마찰시 분리막을 손상시키지 않는 부드러운 재질인 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 유기성 고분자 소재로 이루어지며, 여재의 직경은 1~20mm의 육면체 또는 구체를 사용하거나, 상기 소재의 섬유사 다발을 뭉쳐 구체로 만든 것을 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 생물반응조(110)의 상부에는 상기 유동성 여재(140)가 분리막 모듈(120)의 상단부 위치를 초과하여 상승되는 것을 방지하기 위한 배플(150)이 구비된다. 또한, 상기 생물반응조(110)의 상부 일측에는, 생물반응조(110) 내에서 혐기성 처리과정을 통해 생성된 메탄가스 등의 바이오가스를 추출하기 위한 바이오가스 배관(도시하지 않음)이 구비되며, 추출된 바이오가스는 바이오가스 배관을 거쳐 바이오가스 저장탱크(160)에 저장된다. 이와 함께, 생물반응조(110)의 수위를 감지하기 위한 수위감지 센서가 생물반응조(110)의 일측에 구비된다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 막결합형 유동상 혐기성 하폐수처리 장치의 구성에 대해 설명하였다. 다음으로, 상기 막결합형 유동상 혐기성 하폐수처리 장치의 동작에 대해 설명하기로 한다.
하폐수가 상기 생물반응조(110)로 유입되면, 상기 침지형 분리막 모듈(120)에 의한 여과 과정이 진행된다. 하폐수 내의 고형물질은 상기 침지형 분리막 모듈(120)에 의해 여과된다. 상기 여과 과정이 진행됨과 함께 상기 생물반응조(110) 내에서는 유동성 여재(140)의 표면과 공극 내에 형성된 생물막에 존재하는 혐기성 미생물에 의하여 하폐수의 혐기성 처리과정이 진행된다. 전술한 바와 같이 생물반응조(110)는 공기 공급이 차단된 혐기 상태를 이룸에 따라, 생물반응조(110) 내에서 하폐수가 일정 시간 동안 체류하면 혐기성소화 과정이 진행된다. 하폐수의 혐기성소화에 의해 메탄가스 등의 바이오가스가 생성되며, 생성된 바이오가스는 바이오가스 저장탱크(160)로 이송된다.
상기 여과 과정이 진행됨과 동시에, 분리막 모듈(120) 표면의 오염물질 제거 과정이 진행된다. 유동성 여재(140)가 생물반응조(110) 내에 채워진 상태에서, 분리막 모듈(120)의 양측부에 구비된 상기 회전식 원판(130)을 회전시켜 하폐수의 난류를 통해 분리막 모듈(120) 표면의 오염물질을 제거하고 이와 동시에 유동성 여재(140)를 통해 분리막 모듈(120) 표면의 오염물질을 제거한다. 상기 회전식 원판(130)의 회전은 여과 과정이 진행되는 중에 동작되며, 이를 간헐적으로 동작되도록 할 수도 있다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 막결합형 유동상 혐기성 하폐수처리 장치를 동작함에 있어서 회전식 원판의 회전 및 유동성 여재에 의한 막차압(TMP, transmembrane pressure) 저감 효과를 살펴보기로 한다.
도 3은 유동성 여재의 적용 없이 회전식 원판의 회전속도에 따른 막차압 변화를 나타낸 것이고, 도 4는 유동성 여재의 투입유무 및 투입량(v/v)의 변화에 따른 막차압 변화를 나타낸 것이다.
도 3을 참고하면, 회전식 원판의 회전속도가 20rpm에서 100rpm으로 증가함에 따라 막차압이 낮아짐을 알 수 있다. 그러나, 회전식 원판의 회전속도가 증가할수록 에너지 소비량은 증가하며, 과도한 회전속도에서는 분리막 모듈 표면이 손상될 위험이 커진다. 참고로, 막차압이 낮을수록 막오염 수준이 낮음을 의미한다.
도 4는 회전식 원판의 회전속도를 40rpm으로 고정한 상태에서 유동성 여재의 투입량을 0∼40%v/v로 조절한 경우의 막차압 변화를 나타낸 것이다. 참고로, 유동성 여재의 투입량을 나타내는 %v/v는 생물반응조의 체적 대비 투입된 유동성 여재의 체적 비율을 나타낸 것이다.
도 4를 참고하면, 회전식 원판의 회전속도가 40rpm인 조건에서 0%v/v 인 경우, 즉 유동성 여재가 투입되지 않은 경우에 대비하여 10~40%v/v로 유동성 여재의 투입이 이루어진 경우의 막차압이 월등히 낮은 수준으로 유지되는 것을 볼 수 있는데, 이는 유동성 여재의 투입이 분리막 모듈의 오염저하에 중요한 역할을 하고 있음을 보여준다.
110 : 생물반응조 120 : 침지형 분리막 모듈
130 : 회전식 원판 140 : 유동성 여재
150 : 배플 160 : 바이오가스 저장탱크
171 : 모터 172 : 샤프트
180 : 수위감지 센서

Claims (10)

  1. 분리막 모듈에 의한 하폐수 여과 및 하폐수의 생물학적 처리 공간을 제공하는 생물반응조;
    상기 생물반응조 내에 구비되어 하폐수를 여과하는 침지형 분리막 모듈;
    상기 침지형 분리막 모듈의 양측부에 구비되며, 회전에 의해 하폐수의 난류를 유도하는 회전식 원판; 및
    상기 생물반응조 내에 구비되며, 하폐수의 흐름에 따라 유동되어 분리막 모듈 표면의 오염물질을 탈착시킴과 함께 표면에 생물막을 형성하여 오염물질을 생물학적으로 처리하는 유동성 여재를 포함하여 이루어지며,
    상기 생물반응조의 상부에 상기 유동성 여재가 분리막 모듈의 상단부 위치를 초과하여 상승되는 것을 방지하는 배플이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 막결합형 유동상 혐기성 하폐수처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 생물반응조는 혐기 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는 막결합형 유동상 혐기성 하폐수처리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 유동성 여재의 표면 및 공극 내에 혐기성 미생물이 부착, 생장하는 것을 특징으로 하는 막결합형 유동상 혐기성 하폐수처리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 유동성 여재는 다공성 표면을 갖는 유기성 고분자 소재로 이루어지며,
    상기 유동성 여재는 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 중 어느 하나로 이루어지는 육면체 또는 구체이거나, 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 중 어느 하나의 섬유사 다발로 뭉쳐진 구체인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 막결합형 유동상 혐기성 하폐수처리 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 복수의 회전식 원판이 이격되어 구비되며, 회전식 원판들 사이의 공간에 분리막 모듈이 구비되는 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 막결합형 유동상 혐기성 하폐수처리 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 생물반응조의 상부 일측에 혐기성소화 과정을 통해 생성된 바이오가스를 추출하기 위한 바이오가스 배관이 더 구비되며, 상기 생물반응조의 일측에 추출된 바이오가스를 저장하는 바이오가스 저장탱크가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 막결합형 유동상 혐기성 하폐수처리 장치.
  8. 침지형 분리막 모듈 및 유동성 여재가 구비된 생물반응조 내에 하폐수가 유입되는 <하폐수 유입> 단계;
    침지형 분리막 모듈에 의한 하폐수 여과가 진행됨과 함께 생물반응조 내에서의 하폐수의 생물학적 처리가 진행되는 <여과 및 생물학적 처리> 단계를 포함하여 이루어지며,
    상기 침지형 분리막 모듈의 양측부에 구비된 회전식 원판을 회전시켜, 난류 흐름의 하폐수 및 유동성 여재를 통해 분리막 모듈 표면의 오염물질을 제거하는 <오염물질 제거> 단계를 더 포함하며,
    상기 <오염물질 제거> 단계는, 상기 <여과 및 생물학적 처리> 단계와 동시에 적용하며,
    상기 <여과 및 생물학적 처리> 단계에서,
    상기 유동성 여재 표면 및 공극에 부착, 생장하는 혐기성 미생물에 의해 바이오가스가 생성되며, 생성된 바이오가스는 바이오가스 저장탱크로 추출, 저장되는 것을 특징으로 하는 막결합형 유동상 혐기성 하폐수처리 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 유동성 여재는 다공성 표면을 갖는 유기성 고분자 소재로 이루어지며,
    상기 유동성 여재는 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 중 어느 하나로 이루어지는 육면체 또는 구체이거나, 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 중 어느 하나의 섬유사 다발로 뭉쳐진 구체인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 막결합형 유동상 혐기성 하폐수처리 방법.
  10. 삭제
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