KR101433687B1

KR101433687B1 - 이중 생물막 수처리 장치

Info

Publication number: KR101433687B1
Application number: KR1020140028346A
Authority: KR
Inventors: 백영석; 안병모; 박변주
Original assignee: 주식회사 이피에스이앤이
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2014-08-25

Abstract

이중 생물막 수처리 장치가 개시된다. 이 이중 생물막 수처리 장치는, 유입수를 저장하는 저장조와, 저장조로부터 월류 또는 펌핑된 물에서 오염물질을 침전시키는 유입조와, 유입조의 하부로부터 물을 유입시켜 미생물로 1차로 수처리하는 제1 생물막 반응기와, 제1 생물막 반응기의 하부에서 제1 생물막 반응기로부터 1차로 수처리된 물을 공급받아 2차로 수처리하는 제2 생물막 반응기를 포함한다.

Description

이중 생물막 수처리 장치{DOUBLE BIO-FILM WATER TREATMENT APPARATUS}

본 발명은 이중 생물막 수처리 장치에 관한 것이며, 구체적으로는, 초기 우수, 하수, 중수 또는 하수처리수 등의 유입수를 처리함에 있어서, 비용효과적인 처리 방식을 통해 유입수로부터 질소·인 등을 제거하고, 유기물을 분해하여 안정적인 수질 확보에 기여할 수 있는 이중 생물막 수처리 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 하수 처리는 유입하수를 1차 침전지에서 침전시킨 후, 혐기조, 무산소조, 호기조로 구성되는 미생물 반응조에서 미생물을 이용하여 처리한 후, 다시 2차 침전지에서 침전 방류하는 방법이 많이 사용되고 있다. 이러한 처리 과정에서, 생긴 침전물을 슬러지(sludge)(또는 '오니'라고도 함)라고 하며, 침전된 슬러지는 방출되어 별도의 처리 공정을 거치게 된다.

한편, 하수 처리 흐름에서 최종적으로 배출되는 유출수에는 유량에 비해 질소나 인의 농도가 높아서 생태 환경을 저해하는 주요 원인으로 작용하는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안이 다 방면에서 연구되어 왔으며, 그 일 예가 대한민국 등록특허 제10-0783789호(2007년 12월 03일자 등록)에 개시되어 있다. 상기 문헌은, 하수처리시 탈질 효율을 향상시켜 유출수에 질소가 함유되어 수계의 환경을 저해하는 것을 방지하는 하수처리장치 및 이를 이용한 하수처리방법을 개시하고 있으며, 이 하수처리장치 및 이를 이용한 하수처리방법은, 하수를 유입시켜 침전시키는 1차 침전조와, 상기 1차 침전조의 유출수를 미생물을 이용하여 질산화시키는 호기조를 포함하는 미생물 반응조와, 상기 미생물 반응조의 미생물 슬러지를 침전시키는 2차 침전조와, 상기 2차 침전조의 유출수가 수용되며, 내부의 담체를 통해 탈질하는 탈질 반응조 및 상기 탈질 반응조의 유출수에 포함된 부유물을 내부의 여재를 통해 제거하며 상기 유출수의 잔존 질산염을 제거하는 탈질 여과조로 이루어져, 하수처리시 최종 유출수의 질소함유량을 저감시켜 수계의 생태환경에 악영향을 미치는 것을 예방함으로써 안정적인 유출 수질을 확보하기 위한 것이다.

하지만, 이와 같은 방식의 하수처리방법은, 혐기조, 무산소조 및 호기조로 별도로 구별하여 질소, 인을 제거하고 있고, 미생물 반응조의 미생물 슬러지를 침전시키는 2차 침전지를 별도로 구비하고 있어, 그 처리 과정이 복잡하고 처리 비용이 많이 소요되는 문제가 있었다.

따라서, 이러한 문제를 해결할 수 있는 방안이 요구된다.

대한민국 등록특허 제10-0783789호(2007.12.03. 등록)

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 초기 우수, 하수, 중수 또는 하수 재이용수 등의 유입수를 처리함에 있어서, 비용효과적인 처리 방식을 통해 유입수로부터 유기물을 더욱 효과적으로 분해하여 안정적인 수질 확보에 기여할 수 있는 이중 생물막 수처리 장치를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 양상(aspect)에 따른 이중 생물막 수처리 장치는, 유입수를 저장하는 저장조와, 상기 저장조로부터 월류 또는 펌핑된 물에서 오염물질을 침전시키는 유입조와, 상기 유입조의 하부로부터 물을 유입시켜 미생물로 1차로 수처리하는 제1 생물막 반응기, 그리고, 상기 제1 생물막 반응기의 하부에서 상기 제1 생물막 반응기로부터 1차로 수처리된 물을 공급받아 2차로 수처리하는 제2 생물막 반응기를 포함하되, 상기 제1 생물막 반응기는, 상기 유입조로부터 유입되는 물을 미생물로 수처리하는 제1 담체층과, 상기 제1 담체층 내에서 하단(bottom-end)이 상기 제1 담체층의 하단보다 높게 위치하고 상부가 밀폐되고 하부가 개방되게 형성된 제1 배수관과, 상기 제1 배수관 내에 삽입되고 상하부가 개방되고 하부가 상기 제2 생물막 반응기로 연결되는 제2 배수관과, 상기 유입조의 하부로부터 상기 제1 담체층의 하부로 물을 공급하기 위한 유입로와, 상기 유입로와 상기 제1 담체층 사이에 위치하여 상기 제1 담체층을 지지하고 상기 유입로를 통해 유입되는 물을 통과시키는 제1 지지망과, 상기 제1 지지망과 바닥 사이에서 상기 제1 지지망을 지지하고 상기 제1 지지망을 통해 하부로 배출되는 물을 상기 제1 배수관 측으로 공급하기 위한 공간을 형성하는 지지부재와, 상기 제1 담체층과 상기 제1 배수관 사이에서 상기 제1 담체층과 인접하고 상기 제1 배수관과는 이격되게 배치되는 지지벽을 갖되, 상기 제1 담체층의 하부로부터 수위가 점차 높아져 상기 제2 배수관의 상단보다 높아지는 경우, 상기 제1 배수관의 내부 영역이면서 상기 제2 배수관의 외부 영역으로 유입되는 물은, 상기 제1 담체층 내의 수위가 상기 제1 배수관의 하단과 동일하게 될 때까지 상기 제2 배수관의 내부를 통해 상기 제2 생물막 반응기로 유출되는 것을 특징으로 한다.

삭제

일 실시예에 따라, 상기 제1 담체층은, 소정의 간격으로 수직 방향으로 배열되는 복수 개의 여과망들과, 상기 복수 개의 여과망들 사이에 개재되는 접촉여재를 포함한다.

일 실시예에 따라, 상기 제1 지지망을 통해 하부로 배출되는 물을 상기 제1 배수관 측으로 공급하기 위한 공간의 바닥(bottom) 중 일부 영역은, 상기 제2 배수관이 관통하는 부분을 중심으로 하여 중심부분이 낮도록 경사지게 형성되어 배출되는 물 속의 침전 슬러지가 생성된다.

일 실시예에 따라, 상기 제2 생물막 반응기는, 상기 제2 배수관으로부터 공급되는 물을 유도하는 유도관과, 상기 유도관을 통해 유도된 물의 수위가 점차 높아지는 경우 미생물 접촉으로 오염물질을 처리하기 위한 제2 담체층과, 상기 제2 담체층의 하부에서 상기 제2 담체층을 지지하며 상기 유도관을 통해 유도된 물을 통과시키는 제2 지지망과, 상기 제2 지지망의 하부에서 물에 혼합된 오염물질이 통과하여 침전되도록 하는 침전 여과망과, 상기 침전 여과망을 통과하여 침전된 오염물질에 의해 침전 슬러지가 생성되도록 경사지게 형성된 바닥부와, 상기 제2 지지망의 하부에 위치하여 상기 유입조로 물을 펌핑하기 위한 펌프를 포함하며, 상기 유입조는 상기 펌프를 통해 펌핑된 상기 제2 생물막 반응기로부터의 물에서 오염물질을 더 침전시킨다.

일 실시예에 따라, 상기 제2 담체층은 미생물 접촉을 위한 담체를 포함할 수 있다

일 실시예에 따라, 상기 유입조는, 상기 제2 생물막 반응기로부터 유입되는 물 또는 상기 저장조로부터 유입되는 물에서 오염물질이 침전되어 침전 슬러지를 생성하도록 경사지게 형성되는 바닥부와, 서로 마주하는 두 개의 측벽에서부터 중앙으로 뻗어나와 소정의 간격으로 교대로(alternately) 위치하되, 중앙이 낮은 경사를 갖도록 형성되는 경사판을 포함한다.

일 실시예에 따라, 상기 이중 생물막 수처리 장치는, 상기 제2 생물막 반응기 내에서 오염물질이 침전된 후 월류하는 물을 산화 또는 탈색시키는 오존 접촉조, 및 상기 오존 접촉조에서의 처리 이후 물을 소독하기 위한 소독조를 더 포함한다.

삭제

그리하여, 본 발명은 이중 생물막 수처리 장치를 제공함으로써, 초기 우수, 하수, 중수 또는 하수 재이용수 등의 유입수를 처리함에 있어서, 비용효과적인 처리 방식을 통해 유입수로부터 오염물질을 효과적으로 제거하여 안정적인 수질 확보에 기여할 수 있을 뿐만 아니라, 역세를 위해 별도의 송풍기나 산기시설과 같은 설비가 필요없어 처리 비용 및 에너지를 절감할 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 이중 생물막 수처리 장치는, 1차적으로 생물막 처리를 통해 질소·인을 제거하고, 2차적으로 생물막 처리를 통해 오염물질들을 추가로 처리하는 효과를 갖는다.

더 나아가, 본 발명의 이중 생물막 수처리 장치는 상부층과 하부층의 비교적 간단한 구조로 구현할 수 있으며, 또한, 2차 침전지가 불필요하고, 밀폐형으로 냄새나 해충을 차단할 수 있는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 생물막 수처리 장치의 단면도이고,
도 2는 도 1에 대응하는 이중 생물막 수처리 장치의 다른 일면의 단면도이고,
도 3은 도 1에 대응하는 이중 생물막 수처리 장치의 사시도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 생물막 수처리 장치의 여과 및 역세 과정의 싸이클을 설명하기 위한 블록도이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 생물막 수처리 장치의 전체 과정을 단계로 구분하여 설명하기 위한 블록도이다.

이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 설명하도록 한다. 첨부된 도면들 및 이에 관한 설명은 당해 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자가 본 발명에 관하여 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위해 간략화되고 예시된 것이므로, 도면들 및 이에 관한 설명이 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 이해하여서는 아니될 것이다.

먼저, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 생물막 수처리 장치는, 유입수를 저장하는 저장조(110), 저장조(110)로부터 월류시키거나 펌프(112)를 통해 펌핑된 물을 유입시켜(펌핑관(114)을 통해), 이로부터 오염물질을 침전시키는 유입조(120), 및 유입조(120)의 하부로부터 물을 유입시켜 상향류 및 하향류의 반복 흐름을 통해 호기성 미생물 및 혐기성 미생물로 1차로 수처리하는 제1 생물막 반응기(130), 그리고, 제1 생물막 반응기(130)의 하부에서 제1 생물막 반응기(130)로부터 1차로 수처리된 물을 공급받아 상향류 및 하향류의 반복 흐름을 통해 2차로 수처리하는 제2 생물막 반응기(140)를 포함한다. 따라서, 제1,2 생물막 반응기에서 하향류가 되면 공기가 유입되어, 호기상태를 유지하기 위해 별도의 송풍장치가 필요없다.

제1 생물막 반응기(130)는, 유입조(120)로부터 유입되는 물을 여과 및 역세 과정을 통해 호기성 미생물 및 혐기성 미생물로 수처리하는 제1 담체층(131a, 131b, 이하 총괄하여 '131'라 함)과, 제1 담체층(131) 내에서 제1 배수관(132)의 하단(bottom-end)이 제1 담체층(131)의 하단보다 높게 위치하고 상부(1321)가 밀폐되고 하부(1322)가 개방되게 형성된 제1 배수관(132)과, 제1 배수관(132) 내에 삽입되고 상하부가 개방되고 하부가 제2 생물막 반응기(140)로 연결되는 제2 배수관(133)과, 유입조(120)의 하부로부터 제1 담체층(131)의 하부로 물을 공급하기 위한 유입로(134)와, 유입로(134)와 제1 담체층(131) 사이에 위치하여 제1 담체층(131)을 지지하고 유입로(134)를 통해 유입되는 물을 통과시키는 제1 지지망(135)과, 제1 지지망(135)과 바닥 사이에서 제1 지지망(135)을 지지하고 제1 지지망(135)을 통해 하부로 배출되는 물을 제1 배수관(132) 측으로 공급하기 위한 공간(1341;도 2 참조)을 형성하는 지지부재(136)를 갖는다. 상기 공간(1341)은 유입로(134)와 연결되도록 형성된다. 이와 같은 구성을 통해, 제1 담체층(131)의 하부로부터 수위가 점차 높아져 제2 배수관(133)의 상단의 높이(L1)보다 높아지는 경우, 제1 배수관(132)의 내부 영역이면서 제2 배수관(133)의 외부 영역으로 유입되는 물, 즉 제1 배수관(132)과 제2 배수관(133) 사이로 유입되는 물은, 제1 담체층(131) 내의 수위가 제1 배수관(132)의 하단의 높이(L5)와 대체로 동일하게 될 때까지 제2 배수관(133)의 내부를 통해 제2 생물막 반응기(140) 측으로 유출되어, 제1 담체층(131)의 폐색 현상을 방지하도록 할 수 있다.

제1 배수관(132)은 제1 담체층(131) 내에 대체로 수직으로 관입되어 지지벽(138)에 의해 고정될 수 있다. 도시하지는 않았으나, 예를 들어, 제1 배수관(132)은 지지벽(138)에 스크류나 기타 고정 수단을 통해 움직이지 않도록 지지벽(138)과 이격되게 고정될 수 있다.

지지벽(138)은 제1 담체층(131) 사이에서 제1 배수관(132) 등이 관입될 수 있는 공간을 갖도록 형성되어 있는데, 이 지지벽(138)은 제1 담체층(131)과 제1 배수관(132) 사이에서 제1 담체층(131)에는 인접하도록 배치되고 제1 배수관(132)과는 이격되도록 배치된다. 따라서, 제1 배수관(132)과 지지벽(138) 사이에는 외기가 유입될 수 있는 소정의 공간(139)이 마련된다. 이 공간(139)은, 앞서 설명된 동작 과정, 즉, 제1 담체층(131)의 하부로부터 수위가 점차 높아져 제2 배수관(133)의 상단의 높이(L1)보다 높아지는 경우, 제1 배수관(132)의 내부 영역이면서 제2 배수관(133)의 외부 영역으로 유입되는 물, 즉 제1 배수관(132)과 제2 배수관(133) 사이로 유입되는 물이, 제1 담체층(131) 내의 수위가 제1 배수관(132)의 하단의 높이(L5)와 대체로 동일하게 될 때까지 제2 배수관(133)의 내부를 통해 제2 생물막 반응기(140) 측으로 유출되는 동작 과정이 원활히 진행될 수 있도록 한다. 즉, 제1 담체층(131) 내에서부터 공기가 유입될 수도 있지만 상기 공간(139)을 통해 제2 배수관(133)의 외부 영역으로 공기가 원활히 유입되면 제1 담체층(131) 내의 수위 상부의 압력과 제2 배수관(133)의 외부 영역에서의 압력이 동일하게 되어 제1 담체층(131) 내의 수위가 제1 배수관(132)의 하단보다 낮아지게 될 때 물의 유출이 중단된다.

제1 담체층(131)은 소정의 간격으로 대체로 수직 방향으로 배열되는 복수 개의 여과망들(131a)과, 복수 개의 여과망들(131a) 사이에 개재되는 접촉여재(131b)를 포함한다. 도 3의 사시도에 도시된 바와 같이, 여과망들(131a)은 소정의 간격으로 배치되고, 그 사이의 공간(131b1)에 접촉여재(131b)를 개재시킬 수 있다. 예를 들어, 접촉여재(131b)는 섬유로 제작된 부직포 판 부재의 일종으로서 여과 효과를 갖는 사란 락(saran lock) 생물막 여재 또는 스펀지 등 재질의 담체일 수 있는데, 사란 락 또는 스펀지 등 재질의 담체와 같은 표면적을 극대화시킨 고정상 접촉여재를 통하여 중력에 의한 부유물질의 제거는 물론 여과에 의한 제거, 접촉여재에 부착하여 자라는 미생물에 의한 제거를 동시에 도모할 수 있고, 사란 락 또는 스펀지 등 재질의 담체는 교체 및 세척이 용이하다.

제1 생물막 반응기(130)에서, 제1 지지망(135)을 통해 하부로 배출되는 물을 제1 배수관(132) 측으로 공급하기 위한 공간(1341;도 2 참조)의 바닥(bottom) 중 일부 영역(예를 들어, 지지벽(138)의 직하부)은, 제2 배수관(133)이 관통하는 부분을 중심으로 하여 중심부분이 낮도록 경사지게 형성되어(1261) 배출되는 물 속의 침전 슬러지가 모이도록 할 수 있다. 침전된 슬러지는 별도의 슬러지 배출 수단(예컨대, 석션 펌프(suction pump)을 통해 외부로 배출될 수 있다(화살표 a11).

본 명세서 내에서 '유입수(inflow)' 라는 용어는 포괄적인 의미로 사용된다. 즉, 어떤 처리조나 배수관 내로 유입되는 물을 포괄적으로 의미하는 것으로 사용된다. 예를 들어, 유입수는 초기 우수, 하수, 중수(예컨대, 건물로부터 유출되는 구정물), 또는 하수의 생물학적 처리 후 재이용을 위한 하수처리수 등일 수 있다. 또한, 본 명세서 내에서 단지 '물' 또는 '유입수'라고만 기술되어 있으나, 여기서의 '물' 또는 '유입수'는 오염물질이 함유 또는 혼합된 물을 의미하는 것으로 기술되었다.

유입수를 저장하는 저장조(110)는 전술한 바와 같이, 초기 우수, 하수, 중수 또는 하수 처리수 등의 유입수를 유입시킨다(화살표 a1). 도시되어 있지는 않으나, 저장조(110) 내에는 유입수에서 오염물질을 침전시켜 침전 슬러지의 응집이 용이할 수 있도록 경사진 구조로 형성될 수 있다. 여기서 침전되는 오염물질은, 예를 들어, 조대 물질 또는 비교적 고 비중의 입자이다. 따라서, 이와 같은 고 비중의 입자는 1차적으로 유입조(120) 이전 단계에서 저장조(110)에서 침전된다. 저장조(110)의 바닥에 침전된 슬러지는, 예를 들어, 별도로 설치된 석션 펌프(suction pump)(미도시)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 저장조(110) 내에는 유입조(120) 내로 물을 펌핑할 수 있도록 저장조 펌프(112)가 마련된다.

유입조(120)는 저장조(110)로부터 물을 월류시키거나 저장조 펌프(112)를 이용하여 펌핑하여 유입시켜(화살표 a2) 이로부터 바닥(126)에 오염물질을 침전시킴으로써 침전 슬러지를 생성한다. 또한, 유입조(120)는 제2 생물막 반응기(140)로부터 펌핑을 통해(화살표 a12) 물을 유입시킬 수 있다. 저장조(110)로부터의 월류 또는 펌핑을 통한 물의 유입과 제2 생물막 반응기(140)로부터의 물의 유입 동작은 서로 독립적이다. 즉, 유입조(120)로 물을 유입함에 있어서, 저장조(110)만으로부터 물을 유입시킬 수도 있고, 제2 생물막 반응기(140)만로부터 펌핑을 통해 물을 유입시킬 수도 있으며, 둘 다로부터 동시에 유입시킬 수도 있다. 생성된 침전 슬러지는 비교적 고 비중의 오염물질로 이루어져 있다. 침전 슬러지는 석션 펌프(미도시)를 통해 외부로 배출된다(화살표 a3). 유입조(120)는 유입되는 물(화살표 a2 또는 a12)로부터 오염물질을 침전시켜 침전 슬러지를 생성하기에 유리하도록 바닥부(126)가 경사지게 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 유입조(120)는 침전된 오염물질 또는 침전 중에 있는 오염물질이 상 방향으로 역행하지 않도록 경사지게 배치된 경사판(128)을 포함한다. 경사판(128)은 도 1에 도시된 바와 같이, 서로 마주하는 유입조(120)의 두 개의 측벽(1201, 1202)을 따라 길게 형성되어 있으며(도 3의 참조부호 128 참조), 이 두 개의 측벽(1201, 1202)에서부터 중앙으로 뻗어나와 소정의 간격으로 교대로(alternately) 배치되며, 그 중앙이 주변보다 낮도록 경사지게 설치된다. 이러한 구조를 통해, 경사판(128)은 아래로 내려간 오염물질이 다시 위로 상승하지 않도록 할 수 있다.

제2 생물막 반응기(140)는, 제2 배수관(133)으로부터 공급되는 물을 유도하는 유도관(142)과, 유도관(142)을 통해 유도된 물의 수위가 점차 높아지는 경우 미생물 접촉을 통해 오염물질을 처리하기 위한 제2 담체층(141)과, 제2 담체층(141)의 하부에서 제2 담체층(141)을 지지하며 유도관(142)을 통해 유도된 물을 통과시키는 제2 지지망(143)과, 제2 지지망(143)의 하부에서 물에 혼합된 오염물질이 통과하여 침전되도록 하는 침전 여과망(144)과, 침전 여과망(144)을 통과하여 침전된 오염물질에 의해 침전 슬러지가 생성되도록 경사지게 형성된 바닥부(146)와, 제2 지지망(143)의 하부에 위치하여 유입조(120)로 물을 펌핑하기 위한 펌프(122)를 포함한다. 펌프(122)에서의 펌핑은, 제2 생물막 반응기(140)에서 2차적으로 여과 및 역세 과정을 수행하기 위해 필요한 것으로서, 펌프(122)에서의 펌핑으로 유입조(120)로 물을 더 유입시켜 오염물질을 침전시킨다. 앞서 언급한 바와 같이, 펌프(122)에서의 펌핑을 통해 유입조(120)로 물을 유입시키는 과정은 저장조(110)로부터의 물 유입 중이든 그렇지 않든 상관없이 진행될 수 있다.

제2 담체층(141)은 미생물 접촉을 위한 재료로서 담체를 포함하여, 유입된 물이 담체를 상하로 통과하면서 생물막 여과 작용을 한다. 여기서, 담체는 육면체 모양의 스펀지 담체 등의 기본형태가 적층되어 있을 수 있다.

제2 생물막 반응기(140)의 바닥부(146)에 침전된 슬러지는 외부에 설치된 석션 펌프(미도시)를 통해 외부로 배출될 수 있다(화살표 a4 참조).

본 발명에 따른 이중 생물막 수처리 장치에서의 처리 단계를 전체적으로 살펴보면, 세 개의 단계로 구분해 볼 수 있다. 첫 번째 단계는, 조대 물질과 비교적 고비중 입자를 침전시켜서 제거하는 단계(유입조(120)에서의 처리)이고, 두 번째 단계는, 상향류 및 하향류의 반복 흐름에 따라, 호기성 및 혐기성 미생물의 작용에 의해 오염물질 내의 각종 유기물을 분해하고, 질소/인 등을 제거하는 단계(제1 생물막 반응기(130)에서의 처리)이며, 세 번째 단계는, 제2 배수관(133)을 통해 유출되는 물을 여과 및 역세 과정에 따라 담체를 이용한 생물막 처리가 이루어지는 단계(제2 생물막 반응기(140)에서의 처리)로 구분해 볼 수 있다.

두 번째 단계와 세 번째 단계를 구체적으로 살펴보도록 한다. 두 번째 단계, 즉 제1 생물막 반응기(130)에서의 처리 과정을 살펴보면, 유입조(120)에서 유입로(134)를 통해 유입된 물의 수위가 점차 높아져서 대체로 L1 수위에 이르게 되는 경우, 물이 제2 배수관(133)을 통해 하부로 배출된다. 이 때 빠른 유속에 따라 접촉여재(131b)에 포착된 입자는 경사지게 형성된 바닥 중 일부 영역(1261)에 퇴적된다. 수위가 대체로 제1 배수관의 하단(1322), 즉 L5에 이르게 되면 제2 배수관(133)을 통한 물의 배출은 중단되고 다시 수위가 높아진다. 수위가 높아지는 경우, 즉, 접촉여재(131b)의 상부로 수조의 물이 상승하는 경우, 역세(back washing)가 이루어져 접촉여재(131b)의 폐색을 방지하게 된다.

좀 더 구체적으로 설명하면, 제1 배수관(132)과 제2 배수관(133)은 서로 결합된 상태로 지지벽(138) 내에 일정 간격(139)을 두고 제1 담체층(131) 내에 관입되는데, 제1 배수관(132)의 상부(1321)는 밀폐되고 하부(1322)는 개방되도록 형성되는 반면, 제2 배수관(133)의 상부와 하부는 개방되어 제2 생물막 반응기(140)의 유도관(142) 내로 물을 유입시킬 수 있다. 제1 배수관(132)은 그 하단(bottom-end)(1322)이 제1 담체층(131)의 하단보다 높게 위치한다. 도 1에 도시된 예에서 제1 배수관(132)의 하단의 높이가 대체로 L5 라인과 유사하도록 설치되어 있다. 제2 배수관(133)은 제1 배수관(132) 내에 삽입되며, 그 상단의 높이는 제1 배수관(132)의 상단(1321) 내부보다 낮다. 이하에서는, 제1 배수관(132)과 제2 배수관(133)의 이러한 결합 구조를 간단히 '배수관 결합구조'로 일컫는다. 제1 배수관(132) 내에 제2 배수관(133)이 삽입되어 있는 구조, 즉 배수관 결합 구조를 통한 처리 과정에서, 일단 제1 담체층(131)의 하부에서부터 수위가 점차 높아지는 경우, 배수관 결합구조 내부, 즉 제1 배수관(132)의 내부 영역이면서 제2 배수관(133)의 외부 영역의 수위도 동일하게 높아진다. 계속해서 수위가 높아지다가, 수위가 제2 배수관(133)의 상단보다 높아지는 경우, 제1 배수관(132)의 내부 영역이면서 제2 배수관(133)의 외부 영역으로 유입되는 물은 제2 배수관(133)의 내부를 통해 제2 생물막 반응기(140)의 유도관(142)으로 유출되기 시작하고, 이러한 제2 배수관(133)에서부터 유도관(142)로의 유출은 제1 담체층(131) 내의 수위가 제1 배수관(132)의 하단과 대체로 동일하게 될 때까지(즉, 수위가 L5로 될 때까지) 계속된다. 배수관 결합구조의 내부 압력과 관련하여 제2 생물막 반응기(140) 측으로 물이 유출되는 과정을 간단히 살펴보면, 먼저 제2 배수관(133)의 상단보다 수위가 높아지는 시점에 제2 배수관(133)의 내부 영역을 통해(도 2의 화살표 a8) 물이 제2 생물막 반응기(140) 측으로 일부 유출되고, 이와 동시에 제2 배수관(133)과 제1 배수관(132) 사이의 영역의 압력은 낮아지게 되고, 그 결과 그 낮아진 압력 하의 제2 배수관(133)과 제1 배수관(132) 사이의 영역으로 계속해서 물이 유입되어(도 2의 화살표 a6, a7) 그 영역으로 채워지게 되는데, 이러한 과정은 제1 담체층(131) 내의 수위가 제1 배수관(132)의 하단과 대체로 동일하게 될 때까지(즉, 수위가 L5)로 될 때까지) 계속된다. 다시 말해, 물이 제2 배수관(133)의 외부 영역과 내부 영역을 통해 유출되면 외부 영역과 내부 영역에서 공기가 제거되면서 제2 배수관(133)의 외부 영역의 압력은 낮아지게 되고, 제1 담체층(131) 내의 수위 상부의 압력과 제2 배수관(133)의 외부 영역에서의 낮아진 압력 간의 차이로 인해 제1 담체층(131)의 물은 제2 배수관(133)의 외부 영역과 내부 영역을 통해 계속해서 유출되다가, 제2 배수관(133)의 외부 영역으로 공기가 유입되기 시작하여 제1 담체층(131) 내의 수위 상부의 압력과 제2 배수관(133)의 외부 영역에서의 압력이 동일하게 되는 시점인, 제1 담체층(131) 내의 수위가 제1 배수관(132)의 하단보다 낮아지게 될 때 물의 유출이 중단된다.

제1 담체층(131)의 하부에는, 제1 담체층(131)을 지지하고 제1 담체층(131)과 물 유입 공간(134) 사이에서 물이 상하로 자유롭게 통과하도록 하는 제1 지지망(135)이 더 구비되며, 제1 생물막 반응기(130)의 바닥, 즉 물 유입 공간(134)의 바닥과 제1 지지망(135) 사이에서 제1 지지망(135)을 지지하고 제1 지지망(135)의 공극들 사이로 나오는 물을 제1 배수관(132) 측, 즉, 배수관 결합구조 측으로 공급하기 위한 물 유입 공간(134)이 형성되도록 하는 지지부재(136)가 구비된다. 지지부재(136)는 도 1 및 도 2에 예시된 바와 같이, 예를 들어, 단면적이 삼각형이고 폭이 좁으면서 긴 삼각 기둥 형상의 복수 개의 로드(rod)들이 소정 간격으로 길게 배열되어 제1 지지망(135)을 아래에서 지지하면서 제1 지지망(135)의 공극들 사이로 나오는 물을 배수관 결합구조 측으로 공급(도 2의 화살표 a6 및 a7 참조)하도록 구성될 수 있다. 도 1 및 도 2의 지지부재(136)의 형상은 예시된 것에 불과하므로, 이러한 삼각기둥 형상의 로드들로 한정되는 것은 아니다.

이와 같이, 물의 유입 및 배출 과정에서 알 수 있는 바와 같이, 유입 및 배출 과정에서 L5를 기준으로 하여 그 아랫부분은 항상 물이 차 있는 상태로 유지되므로, L5의 윗 부분은 호기상이고 그 아랫 부분은 혐기상으로 볼 수 있다. 따라서, 접촉여재(131b) 내에서 하향류와 상향류의 반복적인 흐름에 따라 호기성 미생물 및 혐기성 미생물의 작용에 의해, 오염물질 내에 포함된 암모니아성 질소(NH₃-N)가 질산화 과정에 의해 질산성 질소(NO₃-N)로 되고, 이후 아질산성 질소(NO₂-N)로 된 후, 최종적으로 N₂로 되는 탈질화 과정이 이루어질 수 있다. 대체로 오염물질 내의 질소 성분은 호기성 미생물에 의해 질산화되고, 혐기성 미생물에 탈질화된다.

세 번째 단계에서는, 제2 배수관(133)을 통해 물이 유입되는 경우, 유도관(142)을 따라 제2 담체층(141)의 하부로 유입된다. 유입된 물이 하부에서부터 차올라 그 수위가 상승 또는 유입조(120)로 펌핑을 통해 그 수위가 하강하는 경우, 제2 담체층(141)과 접촉 여과 및 산화(미생물 접촉에 의한 유기물 분해)된다. 이후, 수위가 높아져 후술할 오존 접촉조(150)로 월류시킬 수 있고, 펌프(122)를 이용하여 펌핑하여 유입조(120) 내로 유입시킬 수 있다(화살표 a12 참조). 펌프(122)를 이용하여 펌핑하는 경우 그 수위가 낮아지게 되는데, 이 때도 제2 담체층(141)에 의한 생물막 처리가 이루어진다. 제2 담체층(141)의 하부에는 제2 지지망(143)이 설치되고, 최종적으로 그 하부에 침전 여과망(144)이 설치되어, 오염물질이 바닥부(146)에 침전되도록 한다. 침전 슬러지는 석션 펌프를 통해 외부로 배출된다(화살표 a4).

따라서, 제1,2 생물막 반응기에서 하향류가 되면 공기가 유입되어, 호기상태를 유지하기 위해 별도의 송풍장치가 필요없다.

본 발명에 따른 이중 생물막 수처리 장치는, 제2 생물막 반응기(140) 이후의 수처리를 위해, 오존 접촉조(150) 및 소독조(160)를 더 포함할 수 있다. 오존 접촉조(150)에서는 제2 생물막 반응기(140) 내에서 오염물질이 침전된 후 월류하는 물을 산화 또는 탈색시키며, 소독조(160)는 오존 접촉조(150)에서의 처리 이후 물을 소독하기 위한 처리조이다. 여기서, 소독조(160)에 염소 같은 소독약품을 주입하기 위한 소독약품 주입구가 별도로 마련될 수 있다. 소독조(160) 내에는 소독 처리된 물을 외부로 배출(화살표 a5 참조)하여 사용할 수 있도록 소독조 펌프(162)가 마련될 수 있다. 오존 접촉조(150)에서 소독조(160)로 물이 월류할 수 있도록 오존 접촉조(150)와 제2 생물막 반응기(140) 사이의 벽 높이(L3)보다 오존 접촉조(150)와 소독조(160) 사이의 벽 높이(L4)가 더 낮도록 설치된다.

이와 같이, 본 발명의 이중 생물막 수처리 장치는, 저장조(110), 유입조(120), 그리고 제1 생물막 반응기(130)를 포함하는 상부층과, 제2 생물막 반응기(140), 오존 접촉조(150) 및 소독조(160)를 포함하는 하부층으로 구분될 수 있는 일체형의 간단한 처리 장치로 구현될 수 있어, 그 설치면에서도 편리한 이점이 있고, 역세를 위한 별도의 송풍기, 산기시설 등의 설비가 필요없어 비용면에서도 유리하고 에너지 절감 효과를 누릴 수 있다.

이하에서는 도 4를 도 1 내지 도 3과 함께 참조하여, 본 발명에 따른 이중 생물막 수처리 장치의 여과 및 역세 과정을 설명하도록 한다. 도 4에서 1차 생물막 처리로 나타낸 싸이클은 제1 생물막 반응기(130)에서의 처리 과정이다.

유입조(120)로부터 유입로(134)를 통해 제1 생물막 반응기(130)의 하부로 물이 유입되고 수위가 점차 증가한다. 이때, 제1 생물막 반응기(130)로 물과 함께 유입되는 오염물질은 물의 흐름(상향류)에 따라 제1 담체층(131)으로 침투한다. 이후, 앞서 설명한 배수관 결합 구조의 동작에 의해, 물이 위에서 아래로 흐르는 하향류 흐름이 생기게 되는데, 이러한 상향류와 하향류 과정에서 물에 혼합된 오염물질, 예컨대, 유기물질, 미립자, 부유물질 및 중금속 등이 제1 담체층(131)의 접촉여재(131b)에 의해 여과 및 흡착되거나 유기물질이 제1 담체층(131)에 존재하는 생물막에 의해 분해된다(도 1의 참조부호 ff 참조).

이후, 수위가 대체로 L5에 이르게 되면, 더 이상의 배출은 일어나지 않고 유입되는 유입수에 의해 다시 수위가 높아진다. 이 경우, 제1 담체층(131)을 기준으로 보면, 하부에서 상부로의 상향류 흐름이 생기는 것으로 볼 수 있는데, 제1 담체층(131)의 하부에서부터 상부로의 상향류에 따라 진행되는 과정은 역세(back washing) 과정이다(도 1의 참조부호 bw 참조). 즉, 역세 과정은 제1 담체층(131)의 하부에서 상부로의 물의 흐름에 따라 제1 담체층(131) 내의 오염물질, 즉, 제1 담체층(131) 내에서 접촉여재(131b) 사이에 흡착되어 접촉여재(131b)의 공극을 폐색하는 오염물질 또는 미생물 덩어리가 다시 상부로 이동하는 과정이다. 다시 말해, 이렇게 물의 흐름이 상향류와 하향류를 반복하여 흐름으로써 접촉여재 사이의 공극이 폐색되는 것을 방지한다. 여기서, 제1 담체층(131)의 상부는 제1 담체층(131) 중 대체로 제1 배수관(132)의 하단보다 높은 부분으로서 비교적 산소가 많이 존재하는 호기상임에 비해(도 1의 참조부호 ae), 제1 담체층(131)의 하부는 제1 담체층(131) 중 대체로 제1 배수관(132)의 하단보다 낮은 부분으로서 혐기상이다(도 1의 참조부호 an). 본 명세서 내에서 '대체로 제1 배수관(132)의 높이'로 기술한 것은, 실제로 물의 기본적인 성질(표면 장력에서 기인한 성질 등)을 고려할 때, 제2 배수관(133)에 의한 제2 생물막 반응기(140)로의 배출시 제1 배수관(132)의 하단과 정확히 일치하는 수위까지 배출되지는 않으므로, 이 점을 고려한 것이다.

제1 생물막 반응기(130)에서의 여과 및 역세 과정에서 제1 생물막 반응기(130)는, 여과 과정에서 제1 담체층의 상부에서 하부로 이동한 오염물질을 제1 담체층(131) 내에서 호기성 미생물(aerobe, ae)로 처리한 후, 호기성 미생물의 하부에 존재하는 혐기성 미생물(anaerobe, an)로 처리하고, 혐기성 미생물로 처리한 후, 역세 과정에서 상향류(bw)에 따라 이동한 오염물질을 혐기성 미생물의 상부에 존재하는 호기성 미생물로 처리한다. 호기성 미생물에 의한 오염물질의 처리(S51) 과정에서 오염물질은 질산화된다. 그런 다음, 질산화 과정을 거친 오염물질은 하향류(ff)에 따라 아래로 이동하여 혐기상에 놓이게 된다. 여기서, 질산화 과정을 거친 오염물질은 혐기성 미생물에 의해 탈질화된다(S52). 하지만, 질산화 과정 및 탈질화 과정을 거치더라도 오염물질에서 완전히 질소가 제거된 상태는 아니다. 따라서, 그 상태의 오염물질은 역세 과정에서 상향류에 따라 위로 이동하여 다시 호기상에 놓이게 된다(S53). 여기서, 오염물질은 다시 질산화 과정을 거치게 되고, 이후 다시 하향류에 따라 혐기상으로 이동하여 혐기성 미생물에 의해 탈질화된다(S54). 이후, 물은 탈질화된 오염물질과 함께 제2 배수관(133)의 내부를 통해, 제2 생물막 반응기(140)의 유도관(142)으로 유입되어, 제2 생물막 반응기(140)에 의한 2차 생물막 처리가 수행된다(S55). 여기서, 여과 과정과 역세 과정, 즉 상향류 및 하향류에 따라 제1 담체층(131) 내의 호기성 미생물 및 혐기성 미생물에 의한 반복적인 처리 과정은 효과적인 탈질화를 위해 수차례 반복될 수 있다.

2차 생물막 처리(S55) 과정은 전술한 바와 같이, 유도관(142)을 통한 물의 유입과 펌프(122)에 의한 펌핑을 통한 배출에 의해 하향류 및 상향류의 반복적인 흐름이 생길 수 있고, 이에 따라 제2 담체층(141)에서 여과와 미생물 접촉처리 및 여재폐색 방지가 이뤄질 수 있다.

다음으로, 도 5를 참조하면, 먼저, 저장조(110)의 펌프(112) 및/또는 제2 생물막 반응기(140)의 펌프(122)에 의해 펌핑된 물이 유입조(120) 내로 유입된다. 유입된 물은 유입조(120) 내에서 침전 과정을 거치는데, 여기서 비교적 고 비중의 오염물질이 침전되고(S61), 바닥에 응집된 침전 슬러지는 별도의 석션 펌프를 통해 외부로 배출된다. 유입조(120) 내로 물이 유입되는 경우, 제1 생물막 반응기(130)의 아래에서부터 물이 차 올라서 수위가 증가하게 된다. 이후 수위가 계속해서 증가하다가 대체로 L1에 이르게 되는 경우, 제2 배수관(133)을 통해 유출되는데, 이 때, 앞서 설명한 바와 같이 제1 담체층(131)에서 생물막 여과가 이루어진다. 먼저 호기성 미생물에 의해 질산화가 진행되고(S62), 하향류에 따라 아래로 이동하여 혐기성 미생물에 의해 탈질화가 이루어진다(S63). 앞서 언급한 바와 같이, S62와 S63 과정은 수위가 높아지는 경우, 즉 상향류 흐름에 따라 S63 과정 이후 S62 과정 및 S63 과정이 반복되어 탈질 효율이 더욱 높아질 수 있다. 계속해서, 탈질 과정을 거친 이후 오염물질을 함유한 물은 제2 배수관(133)을 통해 제2 생물막 반응기(140)로 유입된다. 제2 생물막 반응기(140)로 유입된 물은 제2 담체층(141)에 의해 2차 생물막 처리가 이뤄진다(S64). 상향류 및 하향류에 따른 제2 담체층(141) 내의 처리는 앞서 언급한 바와 같다. 이와 같이 하여, 물이 제1 담체층(131) 및 제2 담체층(141)을 통과하는 도중에, 여재의 표면에 부착 증식하는 미생물로 각종 유기물을 분해할 수 있으며, SS(Suspended Solids)를 포착할 수 있고, 질소 및 인을 효율적으로 제거할 수 있으며, 제1 여과망(135), 제2 여과망(143) 및 침전 여과망(144) 구성을 통한 침전에 의해 침전 슬러지 형태로 효과적으로 외부로 배출해 낼 수 있다. 최종적으로, 오염물질이 제거된 유입수는 오존 접촉조(150)와 소독조(160)를 거쳐 방류된다(S65,S66). 한편, 물속의 인은 혐기조건하에서는 수중으로 배출되지만, 호기조건하에서는 호기성 미생물이 인을 섭취하고 있거나 인을 섭취한 미생물이 슬러지화되어 외부로 방출되게 된다.

이상에서 설명된, 본 발명의 이중 생물막 수처리 장치 구성을 통해, 유입수로부터 질소·인 등의 영양염류를 제거하고, 유기물을 분해하고, 탁도 제거를 통해 안정적인 수질을 확보할 수 있다. 그 뿐만 아니라, 하향류 및 상향류의 반복적인 작용으로 인해 여과층 내의 폐색 현상을 방지할 수 있어, 효율이 대폭 향상된 안정적인 수처리 시스템을 확보할 수 있다.

본 발명의 이중 생물막 수처리 장치는, 특히 합류식 하수도의 월류수(CSOs, Combined Sewer Overflows) 처리, 하수 재이용수 처리, 중수 처리, 소규모의 하수 처리 시설에 적용될 수 있다.

110 : 저장조 120 : 유입조
128 : 경사판 130 : 제1 생물막 반응기
131 : 제1 담체층 132 : 제1 배수관
133 : 제2 배수관 134 : 유입로
135 : 제1 지지망 136 : 지지부재
138 : 지지벽 140 : 제2 생물막 반응기
143 : 제2 지지망 144 : 침전 여과망
150 : 오존 접촉조 160 : 소독조

Claims

유입수를 저장하는 저장조(110);
상기 저장조로부터 월류 또는 펌핑된 물에서 오염물질을 침전시키는 유입조(120);
상기 유입조의 하부로부터 물을 유입시켜 미생물로 1차로 수처리하는 제1 생물막 반응기(130); 및
상기 제1 생물막 반응기의 하부에서 상기 제1 생물막 반응기로부터 1차로 수처리된 물을 공급받아 2차로 수처리하는 제2 생물막 반응기(140)를 포함하되,
상기 제1 생물막 반응기(130)는,
상기 유입조로부터 유입되는 물을 미생물로 수처리하는 제1 담체층(131)과, 상기 제1 담체층 내에서 하단(bottom-end)이 상기 제1 담체층의 하단보다 높게 위치하고 상부가 밀폐되고 하부가 개방되게 형성된 제1 배수관(132)과, 상기 제1 배수관 내에 삽입되고 상하부가 개방되고 하부가 상기 제2 생물막 반응기(140)로 연결되는 제2 배수관(133)과, 상기 유입조의 하부로부터 상기 제1 담체층의 하부로 물을 공급하기 위한 유입로(134)와, 상기 유입로와 상기 제1 담체층 사이에 위치하여 상기 제1 담체층을 지지하고 상기 유입로를 통해 유입되는 물을 통과시키는 제1 지지망(135)과, 상기 제1 지지망과 바닥 사이에서 상기 제1 지지망을 지지하고 상기 제1 지지망을 통해 하부로 배출되는 물을 상기 제1 배수관 측으로 공급하기 위한 공간을 형성하는 지지부재(136)와, 상기 제1 담체층(131)과 상기 제1 배수관(132) 사이에서 상기 제1 담체층(131)과 인접하고 상기 제1 배수관(132)과는 이격되게 배치되는 지지벽(138)을 갖되, 상기 제1 담체층의 하부로부터 수위가 점차 높아져 상기 제2 배수관의 상단보다 높아지는 경우, 상기 제1 배수관의 내부 영역이면서 상기 제2 배수관의 외부 영역으로 유입되는 물은, 상기 제1 담체층 내의 수위가 상기 제1 배수관의 하단과 동일하게 될 때까지 상기 제2 배수관의 내부를 통해 상기 제2 생물막 반응기(140)로 유출되는 것을 특징으로 하는 이중 생물막 수처리 장치.
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제 1 항에 있어서, 상기 제1 담체층(131)은,
소정의 간격으로 수직 방향으로 배열되는 복수 개의 여과망들(131a)과, 상기 복수 개의 여과망들 사이에 개재되는 접촉여재(131b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 생물막 수처리 장치.
제 4 항에 있어서, 상기 제1 지지망을 통해 하부로 배출되는 물을 상기 제1 배수관 측으로 공급하기 위한 공간의 바닥(bottom) 중 일부 영역은, 상기 제2 배수관이 관통하는 부분을 중심으로 하여 중심부분이 낮도록 경사지게 형성되어 배출되는 물 속의 침전 슬러지가 모이도록 하는 것을 특징으로 하는 이중 생물막 수처리 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 제2 생물막 반응기(140)는,
상기 제2 배수관(133)으로부터 공급되는 물을 유도하는 유도관(142)과, 상기 유도관(142)을 통해 유도된 물의 수위가 점차 높아지는 경우 미생물 접촉으로 오염물질을 처리하기 위한 제2 담체층(141)과, 상기 제2 담체층의 하부에서 상기 제2 담체층을 지지하며 상기 유도관(142)을 통해 유도된 물을 통과시키는 제2 지지망(143)과, 상기 제2 지지망의 하부에서 물에 혼합된 오염물질이 통과하여 침전되도록 하는 침전 여과망(144)과, 상기 침전 여과망(144)을 통과하여 침전된 오염물질에 의해 침전 슬러지가 생성되도록 경사지게 형성된 바닥부(146)와, 상기 제2 지지망의 하부에 위치하여 상기 유입조(120)로 물을 펌핑하기 위한 펌프(122)를 포함하며,
상기 유입조(120)는 상기 펌프(122)를 통해 펌핑된 상기 제2 생물막 반응기(140)로부터의 물에서 오염물질을 더 침전시키는 것을 특징으로 하는 이중 생물막 수처리 장치.
제 6 항에 있어서, 상기 제2 담체층(141)은 미생물 접촉을 위한 담체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 생물막 수처리 장치.
제 6 항에 있어서, 상기 유입조는,
상기 제2 생물막 반응기(140)로부터 유입되는 물 또는 상기 저장조로부터 유입되는 물에서 오염물질이 침전되어 침전 슬러지를 생성하도록 경사지게 형성되는 바닥부(126); 및
서로 마주하는 두 개의 측벽에서부터 중앙으로 뻗어나와 소정의 간격으로 교대로(alternately) 위치하되, 중앙이 낮은 경사를 갖도록 형성되는 경사판(128)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 생물막 수처리 장치.
제 8 항에 있어서, 상기 이중 생물막 수처리 장치는,
상기 제2 생물막 반응기(140) 내에서 오염물질이 침전된 후 월류하는 물을 산화 또는 탈색시키는 오존 접촉조(150); 및
상기 오존 접촉조에서의 처리 이후 물을 소독하기 위한 소독조(160)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 생물막 수처리 장치.
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