KR101430681B1 - 하수처리를 위한 고형 유기물 처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하천이나 초기 우수처리시설 등 화학적 처리를 요하지 아니하는 수처리시설이나 화학적 처리가 완료된 2차 처리시설에서 호기적 처리와 혐기적 처리가 동시에 반복적으로 이루어지도록 한 고형 유기물의 처리장치에 관한 것으로서, 하수의 유량과 수질을 균등화시키는 조정조(100)와, 고형 유기물을 분해시키는 분해조(300)와, 조정조(100)와 분해조(300) 사이에 위치하여 분해조(300)에 유입되는 하수 중에 포함되어 있는 부유물을 걸러내는 스크린(200)으로 이루어지되, 상기 분해조(300)는 호기공간(A)과 혐기공간(B)이 반복되어 형성되고, 상기 호기공간(A)의 저면에는 외부공기를 정해진 압력으로 상향 분사시킬 수 있는 분사노즐(311)을 구비한 산기관(310)이 구비되며, 상기 호기공간(A)과 혐기공간(B)에는 여재가 충전되되, 호기공간(A)에는 제1여재(320)가 충전되고, 혐기공간(B)에는 제2여재(330)가 충전되며, 상기 제1, 2여재는 입도가 2~3cm인 쇄석(321)을 에폭시수지(322)로 접착하여 공극율이 60~65%인 직경 10cm의 구상체로 이루어지되, 상기 제1여재(320)는 중앙부를 관통하는 관통공(323)이 더 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

하수처리를 위한 고형 유기물 처리장치{Apparatus for treatment of the waste water with solid organic}

본 발명은 하천이나 초기 우수처리시설 등 화학적 처리를 요하지 아니하는 수처리시설이나 화학적 처리가 완료된 2차 처리시설에서 호기적 처리와 혐기적 처리가 동시에 반복적으로 이루어지도록 한 고형 유기물의 처리장치에 관한 것이다.

가정이나, 축산농장 또는 공장 등에서 배출되는 폐수 등의 하수에는 각종 유기물들이 포함되어 있어 이들을 그대로 하천 등의 자연수역에 방류하게 되면 생태계가 파괴되거나 수계전염병 등이 발생할 우려가 있는바, 이러한 하수는 물리화학적 내지는 생물학적 정화처리방법을 통해 정화된 후 자연수역에 방류되어야 환경을 보호할 수 있게 된다.

한편 하천 등의 자연계에는 돌 등에 부착되어 있으면서 유기물을 분해하거나 제거하는 미생물들이 많이 존재한다. 이러한 미생물은 산소가 존재하는 상태에서 유입되 하수의 유기물을 분해하는 자정작용을 하게 되는데, 이러한 호기성 미생물을 이용하는 생물학적 정화처리방법으로 가장 널리 사용되는 것으로 활성슬러지법이 있다.

하수에 공기를 불어넣고 교반시키면, 상기와 같은 호기성 미생물이 하수 중의 미생물을 이용하여 증식하고 활성슬러지라는 응집성의 플록을 형성한다. 활성슬러지를 산소와 혼합하면, 하수 중의 유기물은 활성슬러지에 흡착되고, 미생물의 대사기능에 따라 산화 또는 동화되며, 일부는 활성슬러지로 전환되고 침전.농축된 활성슬러지는 침전지에서의 고액분리과정을 거친 후 잉여슬러지로 처리된다.

따라서 활성슬러지법에 의하는 경우에는 기본적으로 폭기, 침전, 슬러지 수거 및 처리 등의 과정을 위한 장소 및 설비를 기본으로 하며, 질소 등의 제거를 위한 별도의 공정을 추가시켜야 하기 때문에 많은 건설비용과 설비를 운용하기 위한 전문기술자를 필요로 한다는 점에 문제점이 있다.

이와 더불어 상기한 호기적 처리방법에서는 많은 슬러지가 발생하게 되는데, 이러한 슬러지 처리를 위한 비용은 경우에 따라서는 전체 하수처리 경비의 50%이상을 차지하기도 하며, 더욱이 2012년 1월부터 해양투기가 전면 금지되어 상기 슬러지의 발생을 줄이는 것 역시 하수정화처리의 중요한 과제의 하나라고도 할 수 있다.

또 다른 생물학적 처리방법으로는 산소를 필요로 하지 아니하는 미생물을 이용한 혐기적 처리방법이 있다.

혐기성 처리방법은 세포합성에 필요한 탄소와 에너지를 유기물질로부터 얻어내고, 발효에 의하여 ATP를 생산하거나, 분자 내에 결합된 산소를 산화제로 이용하는 혐기성 종속계 세균의 물질대사를 이용하는 방법이다. 이러한 혐기성 처리방법은 산소공급을 필요로 하지 않으며, 슬러지 발생량이 적고, 병원성 미생물이 사멸될 뿐 아니라, 반응 최종물질로서 메탄가스, 이산화탄소, 암모늄, 황화수소등이 방출되며 이러한 가스는 에너지원으로 사용될 수 있다는 점에서 호기성 처리방법에 비해 유리하다고 할 수 있다.

다른 한편으로, 상기한 호기성 미생물만을 이용한 방법만으로는 고농도 폐수 또는 난분해성 물질들을 효과적으로 처리할 수 없는 문제점이 있다. 그래서 최근에는 기존의 호기성 처리방법과 혐기성 처리방법을 병행하여 사용하는 방법에 관한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.

도 1은 호기적 처리방법과 혐기적 처리방법을 하나의 공정 안에서 이루어지도록 한 등록특허공보 10-0798349호의 유기성 폐기물 처리장치를 전체적으로 도시한 것이다. 상기한 유기성 폐기물 처리장치는 혐기적 처리와 호기적 처리를 반복적으로 진행시킬 수 있도록 하기 위하여 제1, 2, 3혐호기 복합처리조(21,22,23)가 연속된 혐호기 복합처리조(20)를 설치하되, 상기 각 복합처리조(21,22,23)에는 내부에 미생물이 고정된 고정상 접촉여재(24)와 외부공기를 도입하여 내부에 분사하는 산기관(25)을 각각 구비하고 있다. 상기한 복합처리조(21,22,23)는 산기관(25)의 상부에서는 호기적 처리가 이루어지고, 산기관(25)의 하부에서는 혐기적 처리가 이루어지도록 하는 것이다.

그러나 상기의 종래기술과 같이 산소공급을 억제하여 혐기의 여건을 부여한다고 하여 모든 유기물이 분해될 수 있는 것이 아니므로 하수의 처리에 한계가 있다.

미생물은 용해 가능한 형태의 유기물질만을 섭취할 수 있기 때문에 불용성 상태의 유기물을 가용성의 유기물로 변화시키는 과정을 필요로 한다. 따라서 혐기성 처리에 의한 유기물의 분해는 탄수화물, 지방, 단백질등 불용성 유기물이 혐기성 미생물이 방출하는 외분비효소(extracellular enzyme)에 의해 가용성 유기물로 분해는 가수분해단계(hydrolysis)를 가지게 되며, 산 생성물질이 유기물질을 분해시켜 유기산과 알콜을 생성하는 산 생성단계(acidogensis), 산 생성단계에서 생성된 유기산과 알콜이 초산생성 미생물에 의해 분해되어 초산, CO₂, H₂로 변화되는 초산 생성단계(acetogensis), 및 메탄형성 미생물과 전자공여체에 의해 메탄이 생성되는 메탄생성단계(methanogensis)가 순차로 진행됨으로써 이루어진다.

한편, 가수분해가 일어나는 동안 유기물이 세포벽이 붕괴되고 세포외 고분자 물질이 분해되면서 산 생성미생물에 의해 이용가능한 유기물질로 변화되는데, 이러한 가수분해 대상은 대부분 미생물 세포의 유기분획이며, 이들은 미생물 분해에 저항성을 가지기 때문에 슬러지 소화에 많은 시간을 요구한다.

이와 같이 일반적인 혐기적 처리방식에서는 호기성 처리와 비교하여 많은 체류시간을 요구하기 때문에 상기와 같은 혐기적 처리를 위한 설비에서는 유기물의 충분한 분해가 이루어지지 않게 되어 하수처리의 효율이 떨어지게 된다.

KR 10-0798349 B1 KR 10-0712175 B1 KR 10-2002-0094947 A

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 호기적 처리방법과 혐기적 처리방법이 반복적으로 진행될 수 있도록 하되, 호기적 처리를 위한 공간과 혐기적 처리를 위한 여재를 달리하는 복합 여재를 사용함으로써 짧은 시간내에 고형유기물을 효율적을 분해시킬수 있는 복합 여재를 이용한 고형 유기물의 처리장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 의하면, 하수의 유량과 수질을 균등화시키는 조정조와, 고형 유기물을 분해시키는 분해조와, 조정조와 분해조 사이에 위치하여 분해조에 유입되는 하수 중에 포함되어 있는 부유물을 걸러내는 스크린으로 이루어지되, 상기 분해조는 호기공간과 혐기공간이 반복되어 형성되는 고형 유기물의 처리장치가 제공된다.

이때 상기 호기공간의 저면에는 외부공기를 정해진 압력으로 상향 분사시킬 수 있는 분사노즐을 구비한 산기관이 구비되고, 상기 호기공간과 혐기공간에는 여재가 충전되되, 호기공간에는 제1여재가 충전되고, 혐기공간에는 제2여재가 충전되며, 상기 제1, 2여재는 입도가 2~3cm인 쇄석을 에폭시수지로 접착하여 공극율이 60~65%인 직경 10cm의 구상체로 이루어지되, 상기 제1여재는 중앙부를 관통하는 관통공이 더 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 폭기조, 침전지, 슬러지 처리설비 등의 설치를 생략하고 분해조만을 설치함으로써 하수 중에 포함되어 있는 고형 유기물을 분해 처리할 수 있어 초기 투자비용을 절감시킬 수 있을 뿐 아니라, 하수처리를 위한 별도의 전문가를 요하지 아니하고 슬러지 처리를 위한 별도의 비용이 요구되지 아니하는 등 유지관리비용이 절감되는 효과를 기대하게 한다.

또한 본 발명은, 호기적 처리와 혐기적 처리를 동시에 진행시킬 뿐 아니라, 슬러지 미생물의 난분해성 유기 고형물을 용해성 저분자로 전환시킨 상태에서 혐기적 처리가 진행되도록 하기 때문에 고형 유기물의 분해율을 극대화시킬 수 있게 된다.

도 1은 종래 기술에 의한 유기성 폐기물 처리장치를 설명하는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 고형 유기물 처리장치를 이용하여 하수를 처리하는 공정도이다.
도 3은 본 발명의 고형 유기물 처리장치의 구성중 분해조의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 4의 (a)(b)는 본 발명의 상기 분해조의 호기공간에 충전되는 제1여재와 혐기공간에 충전되는 제2여재의 구성을 나타내는 각 단면도이고, (c)는 제1, 2여재의 공통된 외형을 전체적으로 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 상기 제1여재에 의해 발생되는 케비테이션 현상을 설명하는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 고형 유기물 처리장치를 실험관 결과를 그래프로 나타낸 것이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명을 설명함에 있어 공지의 구성을 구체적으로 설명함으로 인하여 본 발명의 기술적 사상을 흐리게 하거나 불명료하게 하는 경우에는 위 공지의 구성에 관하여는 그 설명을 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명의 고형 유기물 처리장치에 의해 하수를 처리하는 공정을 나타내는 것이고, 도 3은 본 발명의 고형 유기물 처리장치에서의 고형 유기물을 직접 분해시키는 분해조(300) 구성을 단면으로 나타낸 것이다.

본 발명에 의한 하수처리는 도 2에 도시한 바와 같이 공장 등에서 발생되는 폐수는 조정조(100)와 분해조(300)를 거쳐 정화처리된 후 자연수역으로 방류된다.

이와 같이 분해조(300) 하나만의 공정으로 고형 유기물을 분해처리하고 종래와 같은 침전지나 슬러지 처리를 위한 설비들이 별도로 필요로 하지 않기 때문에 장소적 조건에 구애됨 없이 설치가 용이하여 매우 경제적이다.

상기 조정조(100)는 유입되는 하수의 유량과 수질의 변동을 흡수하여 균등화시킴으로써 분해조(300)에서의 처리수질의 향상을 도모시키기 위한 것으로서, 그 규모는 설정수량을 초과한 수량을 일시 저류할 수 있을 정도인 것이 바람직하다.

조정조(100)를 거친 하수는 스크린(200)을 통과한 후 분해조(300)에 유입된다. 상기 스크린(200)은 하수중에 포함되어 있는 여러가지의 부유물들을 포집하여 분해조(300)에서의 고형 유기물에 대한 분해 효율을 향상을 도모하도록 한다.

상기 스크린(200)은 고정식의 형태로 설치할 수도 있고, 가동식의 형태로 설치할 수도 있으나, 부유물이 많은 경우에는 가동식의 형태로 설치하여 스크린(200)이 많은 부유물에 의해 폐색되지 않도록 해야 한다.

분해조(300)에 유입된 하수는 호기적 처리와 혐기적 처리의 반복처리에 의해 고형 유기물이 분해된 후 자연수역으로 방류된다.

이를 위한 상기의 분해조(300)는 도 3에 도시된 바와 같이, 호기공간(A)과 혐기공간(B)으로 반복 구획되며, 각 공간에는 서로 다른 구성을 가진 여재가 각각 충전된다.

호기공간(A)에서는 고형 유기물을 호기적으로 분해시켜 준다. 따라서 호기공간(A)의 저면에는 산소가 포함된 외부공기를 상향 분사시킬 수 있는 분사노즐(311)을 구비한 산기관(310)이 구비되며, 그 상부에는 제1여재(320)가 충전된다.

호기공간(A)에 충전되는 상기 제1여재(320)는 하수의 흐름에 대하여 장애물로 작용하게 되고, 이와 함께 산기관(310)으로부터 상향 분사되는 공기압에 의해 하수의 유속은 저하되면서 제1여재(320) 주변에 난류를 형성하게 된다. 이에 따라 고형 유기물은 제1여재(320)의 표면에 부착되어 있는 호기성 미생물에 의해 흡착 분해되고, 미처 분해되지 못한 유기물은 혐기공간(B)으로 이동된다.

이러한 제1여재(320)는 후술할 제2여재(330)와 마찬가지로 입도가 2~3cm인 쇄석(321)을 에폭시수지(322)로 접착하여 표면이 매우 거친 형상을 가지면서 공극율이 60~65%이고 직경이 10cm인 구상체로 이루어진다. 도 4의 (a)는 제1, 2여재가 쇄석(321)을 에폭시수지(322)로 접착하여 형성시킨 형상의 외관을 나타내는 사진이고, (b)(c) 호기공간(A)에 충전되는 제1여재(320)와 혐기공간(B)에 충전되는 제2여재(330)의 구성 차이를 설명하기 위한 각 단면도이다.

상기 제1여재(320)의 거친 표면은 분리조에 유입되어 평행하게 흐르는 하수의 흐름과 하부에서 분사되는 공기압에 의해 바닥에서 상부로 향하는 하수의 흐름과 부딪치면서 미세기포를 형성시켜 호기성 미생물의 성장을 촉진시켜 호기적 처리의 효율을 높혀준다.

한편 상기 제1여재(320)에는 제2여재(330)와는 달리 구상체의 중앙부를 관통하는 관통공(323)이 더 형성되며, 적어도 산기관(310)의 분사노즐(311)이 위치한 부위에서는 상기 관통공(323)이 상하방향으로 위치하도록 제1여재(320)가 배치되는 것이 바람직하다.

도 5는 제1여재(320)의 주변에 케이테이션(cavitation, 공동현상)이 발생되는 현상을 개념적으로 설명하고 있다.

제1여재(320)에 형성된 상기 관통공(323)은 내외부 사이의 압력차이를 유발시켜 제1여재(320) 주면에 케이테이션을 발생시키며, 이러한 케비테이션은 불용성 유기물을 가용성 유기물로 변화시킨다.

이를 보다 구체적으로 설명하면, 호기공간(A)의 저면에서 산기관(310)의 분사노즐(311)로부터 분사되는 공기압에 의해 저면의 하수는 일정한 유속을 가지면서 상부를 향해 흐르게 되는데, 이러한 하수의 흐름은 제1여재(320)의 관통공(323)을 통과하면서 압력을 급속히 떨어뜨리고, 이와 같이 압력이 낮아진 곳에서는 물(하수)속에 포함되어 있던 기체는 물에서 빠져나와 압력이 낮아진 곳에 모여 물이 없는 빈공간의 큰 기포를 형성(케비테이션)하게 되는데, 상기의 큰 기포(G)는 순간적으로 터지면서 커다란 전단압력을 발생시키면서 많은 미세기포를 생성기키게 된다.

다른 한편으로는, 앞서 설명한 바와 같이 난분해성 유기물에 의해 생성되는 슬러지 미생물의 세포벽을 파괴시켜 난분해성 유기물을 용해성 저분자로 변환시킬 필요가 있는 데, 상기의 케비테이션에 의해 발생되는 전단압력은 상기 슬러지 미생물이 혐기공간(B)에서 쉽게 가수분해될 수 있도록 슬러지 미생물의 세포벽을 파괴시키는 기능을 하게 된다. 부가적으로 케비테이션에 의해 생성된 미세기포는 호기성 미생물에 대한 산소공급을 더욱 원활하게 한다.

이와 같이 분해조(300)의 호기공간(A)에서는 용해성 유기물을 호기적 처리를 통해 분해시키는 한편 불용성 유기물을 파괴시켜 용해성 유기물로 변환시켜 유기물의 효율적인 분해를 도모함으로써 슬러지의 발생을 최대한 억제시킨다.

대부분의 유기물은 호기공간(A)에서 분해되나 일부는 호기공간(A)을 통과하여 혐기공간(B)으로 유입된다.

혐기공간(B)에는 제2여재(330)가 충전되며, 상기 제2여재(330) 역시 입도가 2~3cm인 쇄석(321)을 에폭시수지(322)로 접착하여 표면이 매우 거친 형상을 가지면서 공극율이 60~65%이고 직경이 10cm인 구상체로 이루어진다.

호기공간(A)을 통과한 하수의 유속은 매우 완만하게 되며, 제2여재(330)의 공극 내에서는 흐름이 거의 없는 정체지역을 이루게 된다. 따라서 혐기공간(B)으로 유입된 유기물은 상기 정체지역 내에서 집적되고 혐기성 미생물에 의해 최종 분해된다.

도 6은 본 발명에 의한 고형 유기물 처리장치를 하천에 설치하여 무인가동으로 실험한 결과이다. 20개소에 설치하여 하루 최대처리용량은 260,000㎥으로 설정하였다. 그 결과 유기물의 오염도를 나타내는 생물화학적 산소요구량(BOD)이 대폭 감소되어 하수의 오염도가 매우 심한 2곳을 제외하고서는 모두 방류수수질기준 10㎎/ℓ이하로 정화처리되고 있어 경제적이면서 효율적인 하수 처리장치임을 알 수 있다.

이상에서 본 발명은 구체적인 실시 예를 참조하여 상세히 설명하였으나, 상기 실시 예는 본 발명을 이해하기 쉽도록 하기 위한 예시에 불과한 것이므로, 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 이를 다양하게 변형하여 실시할 수 있을 것임은 자명한 것이다. 따라서 그러한 변형 예들은 청구범위에 기재된 바에 의해 본 발명의 권리범위에 속한다고 할 것이다.

100: 조정조 200: 스크린
300: 분해조 310: 산기관
311: 분사노즐 320: 제1여재
321: 쇄석 322: 에폭시수지
A: 호기공간 B: 혐기공간
G: 큰 기포

Claims (2)

1. 하수의 유량과 수질을 균등화시키는 조정조(100)와, 고형 유기물을 분해시키는 분해조(300)와, 조정조(100)와 분해조(300) 사이에 위치하여 분해조(300)에 유입되는 하수 중에 포함되어 있는 부유물을 걸러내는 스크린(200)으로 이루어지되, 상기 분해조(300)는 호기공간(A)과 혐기공간(B)이 반복되어 형성되고, 상기 호기공간(A)의 저면에는 외부공기를 정해진 압력으로 상향 분사시킬 수 있는 분사노즐(311)을 구비한 산기관(310)이 구비되며, 상기 호기공간(A)과 혐기공간(B)에는 여재가 충전되되, 호기공간(A)에는 제1여재(320)가 적어도 산기관(310)의 분사노즐(311)이 위치한 부위에서는 관통공(323)이 상하방향으로 위치하도록 배치되어 충전되고, 혐기공간(B)에는 제2여재(330)가 충전되며, 상기 제1, 2여재는 입도가 2~3cm인 쇄석(321)을 에폭시수지(322)로 접착하여 공극율이 60~65%인 직경 10cm의 구상체로 이루어지되, 상기 제1여재(320)는 중앙부를 관통하는 관통공(323)이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 하수처리를 위한 고형 유기물 처리장치.
   
   
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