KR101472421B1 - 일정 수위의 연속회분식 반응조 공정에서 높은 에너지 효율, 높은 유량, 낮은 운전 비용, 자동화된 스컴과 거품의 제거 / 파괴 및 공정 전환 방법을 갖춘 막을 이용한 하·폐수 처리 시스템과 방법 - Google Patents

Abstract

하·폐수 처리 시스템 및 방법이 개시된다. 상기 하·폐수 처리 시스템은 씨에스비알 ^TM (CSBR ^TM: Constant level continuous flow Sequencing Batch Reactor)을 이용한 생물학적 고도 처리 공정으로 하·폐수 중에 포함되어 있는 오염 물질을 제거하는 하·폐수 막처리 시스템과 방법, 높은 유량, 높은 에너지 효율, 저 운영비용을 갖는 막 생물반응기로의 공정전환 방법과 자동화된 스컴과 거품 관리와 제거 시스템에 관한 것이다.

Description

일정 수위의 연속회분식 반응조 공정에서 높은 에너지 효율, 높은 유량, 낮은 운전 비용, 자동화된 스컴과 거품의 제거 / 파괴 및 공정 전환 방법을 갖춘 막을 이용한 하·폐수 처리 시스템과 방법{MEMBRANE WASTEWATER TREATMENT SYSTEM AND METHOD FOR HIGH ENERGY EFFICIENCY, HIGH FLOW CAPICITY, LOW OPERATING COST, AUTOMATED SCUM AND FOAM REMOVAL / DESTRUCTION AND CONVERSION METHOD THEREOF FROM A CONSTANT LEVEL SEQUENCING BATCH REACTOR PROCESS}

본 발명의 실시예는 하·폐수 처리 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 씨에스비알 ^TM (CSBR ^TM: Constant level continuous flow Sequencing Batch Reactor)을 이용한 생물학적 고도 처리 공정으로 하·폐수 중에 포함되어 있는 오염 물질을 제거하는 하·폐수 막 처리 시스템과 방법, 높은 유량, 높은 에너지 효율, 저 운영비용을 갖는 막 생물반응기로의 공정전환 방법과 자동화된 스컴과 거품 관리와 제거 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 하·폐수에 포함되어 있는 오염물질은 크게 유기물과 영양 염류인 질소, 인으로 대별된다.

특히, 영양 염류인 질소와 인이 그대로 하천으로 방류되면 부영양화를 초래하고, 해양에서는 적조발생의 원인이 되기 때문에 이들을 처리할 수 있는 생물학적 고도처리공정이 도입되고 있다.

예를 들어, 생물학적 고도처리공정의 하나인 질소제거공정은 호기성 상태에서 하·폐수 중에 존재하는 유기질소나 암모니아성 질소를 질산성 질소로 전환시키는 질산화반응과, 질산화반응에 의하여 생성된 질산성 질소를 무산소 상태에서 질소가스로 전환시키는 탈질반응으로 나뉘어지며 이 두 공정을 거쳐 하·폐수 중의 질소가 제거된다.

이러한 질소제거공법으로는 Wuhman process, Ludzack-Ettinger process, Bardenpho process, Packed bed denitrification reactor, 간헐폭기 활성슬러지, SBR(Sequencing Batch Reactor), 산화구법 등이 있다.

그리고 인제거공정에서는 호기성 상태에서 유기인이 인산염의 형태로 세포 내에 축적되고 혐기성 상태에서는 미생물의 체외로 인산염의 형태로 방출된다.

이렇게 방출된 인산염은 호기성 상태에서 미생물에 의해 다시 과잉으로 섭취되어 미생물의 체내에 축적되고, 이와 같이 인을 과잉 섭취한 미생물을 잉여 슬러지로 배출함으로써 하·폐수 중의 인이 제거되는 것이다. 이러한 인제거공법으로는 A/O, A2/O, UCT, 및 VIP 등이 있다.

한편, 최근에 들어서는 단일 반응조에서 폐수의 유입 및 처리수의 유출이 연속적으로 이루어지는 SBR 공법과 달리, 고정 수위를 구현하는 CSBR(Constant level Sequencing Batch Reactor) 공법을 이용하여 하·폐수에 포함되어 있는 오염 물질을 제거하고 있다. 이러한 CSBR 공법은 미국특허등록 제5,902,484호에 개시되어 있다. 상기한 생물학적 고도처리공정인 CSBR에서는 기본적으로, 무산소조, 혐기조, 호기조, 및 호기 침전조를 이용하여 하·폐수 중의 질소와 인을 제거하고 있다.

기존 생물학적 하수처리공정에서는 침전지에서의 고액분리효율에 따라 처리수질이 크게 영향을 받았다. 전통적인 하수처리의 경우 호기성 생물반응조 내에서 하·폐수 중의 유기물과 영양염류를 섭취해서 성장한 미생물이 중력침강 침전지에서 슬러지 형태로 침전되어 물과 분리, 제거되는 데 처리공정의 운전 상태에 따라 침전성이 떨어질 경우 유출수의 수질을 유지하기가 어렵게 된다.

한편, 하ㆍ폐수 처리를 위한 분리막 기술은 지난 20년 동안 꾸준히 응용되어왔고 점차 확대되고 있으며, 하ㆍ폐수의 재이용 기술과 고도처리 분야에서 가장 주목받고 신뢰성 있는 기술로 인정되어 왔다. 따라서, 이러한 근본적인 문제를 해결하고자 기존의 중력 침전대신 분리막에 의한 여과공정을 도입한 것이 MBR(Membrane Bio Reactor) 공법으로 생물학적 공정과 막분리 기술의 장점을 결합하여 기존 활성슬러지 공정의 단점을 해결한 공정이다. 특히, 침지형 MBR(Submerged Membrane Bioreactor)공정은 완벽한 고-액 분리가 가능하고 안정된 처리수를 확보할 수 있기 때문에 꾸준히 하수처리에 적용되고 있으며 실적 또한 증가 추세에 있다.

이러한 MBR 공법에 대해 미국특허등록 5,192,456호에는 폐수를 처리하기 위한 활성화된 슬러지 처리 장치에 관한 것으로, 다수의 KUBOTA 필터 멤브레인 모듈을 탱크 내에 소정의 간격에 평형하게 수직적으로 배열하고, 탱크 내 저장된 처리된 물은 필터 멤브레인 모듈에 의해 고액 분리를 하는 장치를 개시하고 있다. 상기 '456호는 중력침강에 의한 이차 정화를 막 분리기로 대체하여 생략하였다. 다른 종래의 MBR 공정과 시스템은 GE(Zenon) 또는 Econity 막과 모듈과 같은 중공사 다발을 사용한다. 생물학적으로 질소를 제거하기 위해 고안된 생물반응기(MBR) 플랜트는 통상 따로 분리된 무산소 단계를 포함하고, 생물반응기(MBR)인 폭기 단계가 뒤따른다. 이러한 공정은 혼합된 액체(mixed liquor)가 폭기 단계에서 무산소 단계로 재순환되어 박테리아 개체를 유지하며 무산소 단계에 질산염을 제공해야 한다. 이러한 방식으로, 무산소 단계에서, 질소 가스는 미생물체가 무산소 단계로부터 상기 순환 과정을 통해 오는 질산염으로부터 산소를 얻음으로써 방출된다. 질화는 폭기(생물반응기(MBR))단계에서 일어난다.

도 1 및 도 2는 일반적인 MBR 시스템을 나타낸 것이다.

도 1을 참조하면, 폐수는 무산소 혼합셀로 유입되고, 연속적으로 호기 반응조로 유입되며 포기되는 막 여과조에서 처리된다. 질화된 슬러지는 막 여과조로부터 혼합셀로 반송 라인을 통해 재활용된다. 포기되는 막 여과조에는 다수의 다공성 박막 또는 중공사 막으로 이루어진 MBR이 제공된다. MBR에 의해 고액 분리가 되어 처리된 처리수는 외부로 배출되고, 슬러지는 폐기된다. 오늘날 일반적인 MBR 공정에서는 호기 반응조에서는 10,000 mg/L, 그리고 막 여과조에서는 18,000 mg/L까지(WEF 실무안내서 No.36)의 높은 MLSS(mixed liquor suspended solid) 농도를 유지하여 종래의 부유성장 활성 슬러지 공법에서 필요한 것 보다 작은 생물 반응조를 통해 유기물을 적절히 처리할 수 있다. 또한, 마이크로 기공 크기의 분리막을 이용함으로써 처리수의 탁도 및 대장균과 같은 큰 입자성 물질의 제거가 용이하여 처리수질을 향상시키는 장점이 있다. 또한 MBR 공법에서는 고형물 체류 시간(Solids Retention Time, SRT)이 15일 이상으로 슬러지 자동산화(auto-oxidation)가 유도되어 폐기 슬러지 발생량을 다소 줄일 수 있다.

그러나 만약 반응조 내에서 MLSS(mixed liquor suspended solid) 농도를 높게 유지하면 처리된 폐수 중의 총인(TP) 또한 급격히 증가될 수 있다. 또한, MBR 공정은 질소 및 인 제거를 위하여 호기조에서 혐기조 및 무산소조로 반송을 실시하게 되는데 반송을 통하여 용존 산소 및/또는 질산성 질소가 다량 반송되어 인 제거 효율을 저하될 수 있다. 그리고 만약 과도한 용존 산소가 무산소조로 반송되는 경우 질소 제거 저하를 초래할 수 있다. 마지막으로, MBR 공정 반응기에서 높은 MLSS 농도를 유지하는 경우, 공기 공급(aeration)에 필요한 에너지 요구량이 종래 활성 슬러지 공법 보다 50 내지 100 % 증가할 수 있다. WEF 실무 안내서 No. 36에는 높은 MLSS 농도에서 알파 값의 감소는, 고도처리 공정에서 공기를 공급하는 송풍기가 MBR 처리장 에너지 사용의 약 75%를 차지한다는 점을 고려할 때, MBR 공정에서 높은 에너지 소비를 하게 한다고 기재하고 있다. 결과적으로 MBR 공정 이전에 업그레이드된 부유 성장 BNR(Biological Nutrient Removal ) 공정을 설계하기에 앞서 최소한의 증가된 MLSS 농도를 설계하고 실험적으로 증명하는 것이 필요하다. 이때 처리 용량을 늘리고 처리수의 수질을 높이기 위하여 MBR 공정의 업그레이드가 필요하다.

미국특허등록 7,172,699호에는 호기조의 부피를 줄이기 위한 EIMCO 폐수 처리 시스템을 제시하고 있다. '699호에 따르면, 질화/탈질 단계, 호기 단계, 무산소/동시적인 질화/탈질 단계와 호기 단계(oxic stage)를 거쳐 폐수를 처리하고, 이때 각 조의 부피가 65: 10: 15: 10으로 하여 호기조의 부피가 전체의 부피의 단지 20%가 되게 함으로써, 에어레이션(aeration)의 요구를 감소시킬 수 있다고 기술하고 있다.

상술한 특허에서 제안한 하ㆍ폐수 처리공정을 적용하기 위해 넓은 부지에 토목 구조물이 시공된다. 그러나, 강화되는 배출수 수질 기준을 충족하기 위해 추가 공정을 위한 필요시설을 별도로 추가하거나, 기존의 토목 구조물을 철거한 후 신규 MBR 처리 시설을 건설해야 한다. 이에 따라 MBR 처리를 위한 공정 전환을 위해 별도의 추가 시설을 설치함에 따른 많은 양의 부지가 소요되고 토목 구조물 건설에 따른 중복 투자로 비용이 증가하는 문제점이 있었다. 이에 따라 종래의 부유성장 활성 슬러지 공법에서 MBR 처리로 공정 전환하는 것은 비용 면에서 효율적이지 못하다. 또한, 비용 면에서 효율적인 MBR 공정전환이더라도 복잡하고, 종래의 처리 시스템의 공정 중단이 요구되며, 공정전환에 긴 시간이 요구될 수 있다.

대한민국 실용신안등록 제20-0368799호 미국특허등록 제5,902,484호 미국특허등록 제 7,172,699호 미국특허등록 제 3,472,765호 미국특허등록 제 5,104,535호 미국특허등록 제 5,192,456호 미국특허등록 제 7,108,721호 미국특허등록 제 7,513,999호 미국특허등록 제 8,017,014호 미국특허등록 제 5,811,009호 미국특허등록 제 6,723,244호 미국특허등록 제 7,279,102호 미국특허등록 제 7,435,340호

WEF 실무 안내서 No. 36

본 발명의 실시예들은 무중단 시공으로 배출수 수질기준을 충족시킬 수 있도록 단계별 공정 전환이 가능하고, 간단한 구성으로 침지식 분리막에 의한 MBR(Membrane Bio-Reactor) 공정으로 전환이 가능하도록 하여 처리용량을 2배 까지증가시킬 수 있도록 한 씨에스비알 ^TM을 이용한 하·폐수 처리 시스템 및 이의 공정전환 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 씨에스비알 ^TM을 이용한 하·폐수 처리 시스템은, i)내부 변동 수위조; ⅱ) 외부로부터 유입되는 하·폐수 및 상기 내부 변동 수위조로부터 유입되는 내부반송수를 기질로 하여 질소를 제거하는 무산소조; ⅲ) 외부로부터 유입되는 하·폐수 및 상기 무산소조에서 유입되는 유입수 중의 유기물을 기질로 하여 인을 생물학적으로 방출하고 유기물을 분해하는 혐기조; ⅳ) 상기 혐기조에서 유입되는 유입수 중의 유기물을 산화 제거하고, 유기질소 및 암모니아성 질소를 질산화 처리하는 제1 호기조; 및 ⅴ) 상기 내부 변동 수위조에서 제1 호기조로 통하는 연속 유입 경로를 사이에 두고 이의 양측에서 상기 제1 호기조와 각각 연결되는 메인 반응조를 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 씨에스비알^TM을 이용한 하·폐수 처리 시스템에 있어서 상기 각 메인 반응조에는 상기 격벽의 양단부가 슬라이딩 가능하게 결합되는 가이드 레일을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 씨에스비알^TM을 이용한 하·폐수 처리 시스템에 있어서, 상기 가이드 레일은 상기 각 메인 반응조의 내벽면에 복수 개로 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 씨에스비알^TM을 이용한 하·폐수 처리 시스템에 있어서, 상기 각 메인 반응조에 슬라이딩 가능하게 설치되며, 상기 메인 반응조를 제1 및 제2 반응실로 각각 구획 형성하는 격벽이 포함될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 씨에스비알^TM을 이용한 하·폐수 처리 시스템은, 상기 제1 반응실이 상기 제1 호기조와 연결되는 제2 호기조로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 씨에스비알^TM을 이용한 하·폐수 처리 시스템은, 상기 제2 반응실이 상기 제2 호기조와 연결되며 침지식 분리막 모듈이 구성된 막 포기조로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 씨에스비알^TM을 이용한 하·폐수 처리 시스템에 있어서, 상기 제1호기조와 제2 반응실은 용존산소농도의 균형과 에너지 회복을 위해 내부 반송을 위한 반송 라인을 통해 연결되게 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 씨에스비알^TM을 이용한 하·폐수 처리 시스템은, 상기 침지식 분리막 모듈이 10 마이크로미터 이상의 공극을 지닌 대공극 분리막으로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 씨에스비알^TM을 이용한 하·폐수 처리 시스템은, 상기 침지식 분리막 모듈이 0.4 마이크로미터 미만의 공극을 지닌 미세공극 분리막으로 이루어질 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 씨에스비알^TM을 이용한 하·폐수 처리 시스템의 공정전환 방법은, (1) 상기에서와 같은 하·폐수 처리 시스템을 제공하는 단계; (2) 상기 하·폐수 처리 시스템의 가이드 레일에 격벽을 설치하여 메인 반응조를 제1 및 제2 반응실로 각각 구획 형성하는 단계; 및 (3) 상기 제2 반응실에 침지식 분리막 모듈을 설치하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 씨에스비알^TM을 이용한 하·폐수 처리 시스템의 공정전환방법에 있어서, 상기 침지식 분리막 모듈은 0.4 마이크로미터 미만의 공극을 지닌 미세공극 분리막 또는 10 마이크로미터 이상의 공극을 지닌 대공극 분리막으로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 씨에스비알^TM을 이용한 하·폐수 처리 시스템의 공정전환 방법에 있어서, 상기 대공극 분리막으로 이루어진 침지식 분리막 모듈이 설치된 경우 배출수는 하기 수질기준을 충족할 수 있다.

BOD 10 내지 20 mg/L SS 10 내지 20 mg/ L

총 질소 20 내지 60 mg/L 총 인 2 내지 8 mg/ L

또한, 본 발명의 실시예에 따른 씨에스비알^TM을 이용한 하·폐수 처리 시스템의 공정전환 방법에 있어서, 상기 미세공극 분리막으로 이루어진 침지식 분리막 모듈이 설치된 경우 배출수는 하기 수질기준을 충족할 수 있다.

BOD 3 내지 10 mg/L SS 1.0 내지 1.5 mg/ L

총 질소 5 내지 20 mg/L 총 인 0.2 내지 2 mg/ L

이러한 개선된 처리 시스템을 통하여 최종 소비자들에게 물의 재사용 비용이 감소되고, 향후 수처리 설비의 설계가 용이해지는 장점이 있다.

본 발명의 실시예는 기존의 호기 침전조를 대체하는 메인 반응조의 가이드 레일에 격벽을 설치함으로써 메인 반응조에 제2 호기조와 막 분리조를 구획 형성할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 무중단 시공으로 단계별 공정 전환이 가능하고, 간단한 구성으로 침지식 분리막 모듈에 의한 CSBR-MBR(Membrane BioReactor) 공정 적용이 가능하다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 메인 반응조에 격벽을 설치하여 배출수 수질기준에 따라 막 분리조에 침지식 분리막 모듈을 대공극의 분리막 또는 미세공극의 분리막으로 교체할 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시예에서는 제1 호기조에서 양측으로 분기되는 경로 상에 침지식 분리막 모듈을 패키지화하여 설치함으로 CSBR-MBR로 변형 가능하며, 동일 구조물에서 2배까지의 하·폐수 처리가 가능하고, 운영비 및 유지 관리비를 줄일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 막 분리조의 침지식 분리막 모듈을 필요에 따라 대공극의 분리막 또는 고품질의 분리막으로 교체할 수 있으므로, 배출수 수질 기준을 만족할 수 있는 공정전환이 가능하다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 유입수를 중단하고, 반응조의 처리수를 비운 후 시설물을 개보수하여 침지식 분리막을 적용하는 종래 기술과 달리, 유입수의 무중단 시공이 가능하고, 침지식 분리막의 적용에 따른 개보수 작업을 필요로 하지 않는다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 반응조의 처리수를 비우는 작업 및 시설물의 개보수 공사 없이 격벽의 간단한 설치 만으로 CSBR-MBR의 변형이 가능하므로, 소요 인력 및 경비를 줄일 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 종래의 일반적인 MBR 시스템을 나타낸 것이다
도 2는 종래의 MBR 시스템에 있어서 거품 및 스컴 제거 장치 및 방법을 포함한 일반적인 MBR 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 거품 및 스컴 자동제거 장치 및 방법을 설명하기 위한 종래의 MBR 시스템을 개략적으로 도시한 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 자동화된 스컴 및 거품 관리, 제거 시스템과 방법을 사용한 씨에스비알^TM을 이용한 하·폐수 처리 시스템을 개략적으로 도시한 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 격벽이 적용된 자동화된 스컴 및 거품 관리, 제거 시스템과 방법을 사용한 씨에스비알^TM을 이용한 하·폐수 처리 시스템을 개략적으로 도시한 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 바람직한 MLSS 농도 변화 없이 오물을 발생시키는 미생물의 성장을 방해하는 SRT를 줄이기 위하여, BNR 처리시와 유사 수준의 수치리 결과를 얻기 위한 활성 슬러지 공정으로 구성된 스컴 및 거품 관리, 제거 시스템을 적용한 씨에스비알^TM을 이용한 하·폐수 처리 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

도 2는 종래의 MBR 시스템에 있어서 거품 및 스컴 제거 장치 및 방법을 설명하기 위한 MBR 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다(WEF 실무안내서 36, 2012).

도 2를 참조하면, 수면 위 스컴과 거품은 수동적으로 제거되거나, 탈수를 위해서 각 셀에서 잉여 슬러지와 함께 파이프를 통해 자동으로 제거되어 왔다. MBR 공정에서는 쉽게 과다한 양의 스컴과 거품을 발생시키는데, 이러한 스컴과 거품은 긴 SRT에서 잘 생기며, 탱크가 직렬로 연결된 경우 잘 생긴다.

MBR 공법에서 스컴과 거품 생산은 잉여 슬러지 부피의 약 100%에 까지 이른다고 보고된 바 있다. 그 결과, 스컴과 거품 제거에 있어 많은 비용이 소요되고, 폐기와 탈수를 위해 많은 에너지와 화학적 비용이 소요된다. 또한, 기계식 또는 부상식 스컴 및 거품 제거 장치는 펌프와 효과적으로 작동하기 못하고, 매우 비효율적이고, 종합적으로 스컴과 거품의 생성 속도와 비교시 효율적이지도 못한 것으로 보고되고 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 거품 및 스컴 자동제거 장치 및 방법을 설명하기 위한 종래의 MBR 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

본 발명의 실시예는 1일 24시간 기준으로 자동화된 스컴 및 거품 제거를 위하여 종래의 MBR 공정에서의 반송 활성 슬러지(RAS) 유동량에 비하여 7배 가량 높은 간헐적인 유동량을 이용한다. 도 3에서와 같이, 다양한 레벨의 반송 활성 슬러지 챔버를 구비하면, 간헐적인 매우 빠른 유동이 가능하여 스컴 및 거품의 수거가 빨라지고 스컴 및 거품의 분해도 빨라지며 MBR 포기조에서 MLSS 농도 조절을 위해 요구되는 평균적인 슬러지 반송율도 증가된다. 이러한 스컴 및 거품 제거 시스템 및 방법은 수집 트러프의 수리학적 시스템(hydraulic system)이 효과적으로 스컴 및 거품을 동시 수집하고, 필요한 평균 RAS 플로우를 충족하기 위해 MBR 포기조가 일정한 수위가 유지되어야 한다. 또한, 스컴 및 거품의 수집 트러프는 MBR 포기조의 가로 방향 끝 단에 설치되어 있어야 매 싸이클 마다 스컴 및 거품의 수집이 가능하다. 또한 다양한 레벨의 반송 활송 슬러지 챔버에서 펌핑 레이트를 조절하고 다른 분리막 반응기에서부터의 플로우에 대한 ON/OFF 조절을 적절히 하면 스컴 및 거품의 수집, 파괴가 가능하고 또한 반송 활성 슬러지 플로우의 효율적인 탈산소가 가능하다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 씨에스비알^TM을 이용한 하·폐수 처리 시스템은 하·폐수에 포함되어 있는 유기물과 영양 염류인 질소, 인 등의 오염 물질을 생물학적 고도 처리 공정으로서 제거하기 위한 것이다. 또한, 스컴과 거품을 수집하고 제거하기 위한 것이다.

예를 들면, 상기 하·폐수 처리 시스템은 기존의 SBR(Sequencing Batch Reactor) 공법과 달리, 처리수의 연속 유입, 연속 유출 및 고정 수위를 구현하는 CSBR^TM(Constant level Sequencing Batch Reactor) 공법을 이용하여 하·폐수에 포함되어 있는 오염 물질을 제거하는데 적용될 수 있다.

여기서, 상기한 CSBR 공정은 기존의 개량 A2O 공법과 SBR 공법의 장점을 조합하여 안정적으로 질소와 인을 제거할 수 있고, 이차침전지가 별도로 필요하지 않아 부지면적 최소화가 가능하며, 기계적인 방류 설비가 불필요하다는 잇점이 있다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 하·폐수 처리 시스템은 공기 공급 장치가 있는 일정한 수위를 유지하는 포기조에 침지식 분리막 모듈을 포함한다.

상기 포기조에는 동시에 스컴, 거품 및 반송 슬러지를 수집하여 수집 챔버(즉, 변동수위조)로 배출하기 위한 수리학적 시스템(hydraulic system)을 구비한 스컴 및 수집 트러프가 설치된다.

이때 스컴 및 수집 트러프로부터 수집된 스컴, 거품 및 반송 슬러지를 수집 챔버로 배출하기 위해 조절 밸브가 또한 구비된다.

한편, 상기 수집 챔버는 수집 챔버가 변동적인 수위를 갖도록 하기 위한 펌프가 구비된다. 이에 따라 상기 펌프에 의해 수집 챔버의 수위가 낮아진 경우 수집 트러프에 수집된 스컴 및 거품은 수집 챔버로 빠르게 이송되며, 이때 발생하는 낙차에 의해 파괴될 수 있어, 수위 변화에 의해 수집 챔버가 스컴 및 거품 파괴 챔버로의 역할 전환이 가능하도록 할 수 있다.

또한, 상기 펌프는 수집 챔버에 수집된 반송 슬러지를 혼합셀 1(무산소조)로 반송할 수 있다.

이를 통해, 침지식 분리막 모듈이 구비된 포기조로부터 스컴, 거품 및 활성 슬러지를 동시에 간헐적으로 수집할 수 있고, 스컴, 거품 및 반송 활성 슬러지를 높은 수위와 속도에서 다양한 수위의 스컴 및 거품 파괴 챔버에 축적하여, 가변 유량 순환 펌프로 반송 활성 슬러지를 유입 탱크로 이송할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 상기 CSBR을 이용한 하·폐수 처리 시스템은 하·폐수의 무중단 시공으로 수질기준에 따른 단계별 공정 전환이 가능하고, 간단한 구성으로 침지식 분리막에 의한 MBR(Membrane Bio-Reactor) 공정 적용이 가능한 구조로서 이루어진다.

이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 상기 CSBR을 이용한 하·폐수 처리 시스템은 기본적으로, 내부 변동 수위조와, 무산소조(혼합셀 1)와, 혐기조(혼합셀 2)와, 제1 호기조(호기셀)와, 메인 반응조(호기 및 멤브레인 셀)를 포함하며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.

여기서, 각각의 조는 하류 탱크에 직렬로 연결된 벽으로 분리되며, 각 조에서 처리된 처리수는 스컴 및 거품 관리에 필요한 오버 플로우 방식이나 직접 최상 수위 연결방식으로 이송된다.

상기에서, 내부 변동 수위조는 메인 반응조로부터 반송되는 슬러지를 포함한 처리수를 보관하고, 이를 무산소조로 공급하기 위한 것이다.

이 때, 원수는 무산소조와 혐기조로 공급된다.

상기 무산소조는 내부 변동 수위조로부터 유입되는 내부 반송수와 원수 유입 경로에서 유입되는 유입수를 기질로 하여 그 유입수 중의 질소를 제거하는 것으로, 유입수를 교반하는 교반기(도면에 도시되지 않음)가 설치될 수 있다.

상기 혐기조는 무산소조와 원수 유입 경로에서 유입되는 유입수 중의 유기물을 기질로 하여 인을 방출하고 유기물을 분해하는 것으로, 그 유입수를 교반하는 교반기(도면에 도시되지 않음)가 설치될 수 있다.

상기 제1 호기조는 혐기조에서 유입되는 유입수의 유기물을 산화 제거하고, 유기질소 및 암모니아성 질소를 질산화 처리하기 위한 것이다.

상기에서와 같은 내부 변동 수위조, 무산소조, 혐기조, 및 제1 호기조의 구성은 당 업계에서 널리 알려진 CSBR 공정에 채용되는 공지 기술이므로, 본 명세서에서 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

그리고, 상기 메인 반응조는 내부 변동 수위조에서 무산소조, 혐기조 및 제1 호기조로 통하는 연속 유입 경로를 사이에 두고 이의 양측에서 제1 호기조와 각각 연결되는 반응조로 이루어진다.

상기 메인 반응조는 CSBR ^TM공정에서 호기침전조로서 배출공정 이전의 예비침강, 잉여 슬러지 배출을 하며, 최종 처리된 처리수를 외부로 배출한다. 이때 메인 반응조에서 처리된 슬러지를 포함한 처리수의 일부는 반송 라인을 통해 내부 변동 수위조로 이송된다.

본 발명의 실시예에서, 상기 메인 반응조의 양측 내벽면에는 격벽의 양단부가 슬라이딩 가능하게 결합되게 하는 가이드 레일이 설치된다.

이에 따라 배출수 수질 기준에 따라 공정 전환이 필요한 경우 상기 가이드 레일에 격벽을 추가 설치함으로써, 메인 반응조를 제1 반응실과 제2 반응실로 각각 구획 형성하여 CSBR-MBR으로 공정 전환이 가능하다.

이와 같은 공정 전환에 의해 제1 반응실은 제2 호기조로, 제2 반응실은 막 분리조로의 역할을 할 수 있다.

여기서, 상기 격벽은 메인 반응조의 내벽면에 설치된 가이드 레일에 양단부가 슬라이딩 가능하게 결합되는 바, 가이드 레일은 도 5에서와 같이 격벽의 양단부가 슬라이딩 가능하게 결합된다.

상기 가이드 레일은 메인 반응조의 내벽면에 복수 개로 설치될 수 있는데, 이는 필요에 따라 격벽의 위치를 달리하여 막 분리조의 크기를 가변시키기 위함이다.

이때, 상기 격벽는 제1 호기조에서 메인 반응조로 유입되는 유입수의 유입 경로를 따라 그 메인 반응조에 제2 호기조와 막 분리조를 구획 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 격벽은 각 메인 반응조를 가로지르는 방향으로 배치된다.

상기 격벽은 제1 호기조에서 메인 반응조로 유입되며 제2 호기조와 막 분리조로 통하는 유입수의 유입 경로를 형성한다.

상기에서, 제2 호기조는 위에서 언급한 바 있는 제1 호기조와 연결될 수 있다.

예를 들면, 상기 제2 호기조는 제1 호기조에서 오버 플로우 되는 유입수를 저장하며, 유입수의 유기물을 산화 제거하고, 유기질소 및 암모니아성 질소를 질산화 처리할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에서 상기 막 분리조는 제2 호기조로부터 유입되는 유입수 중의 슬러지를 제거하기 위한 것이다.

상기 막 분리조에는 제2 호기조로부터 유입된 처리수 중의 물과 미생물 플락(floc)을 실질적으로 분리하는 침지식 분리막 모듈이 설치된다.

상기 침지식 분리막 모듈은 막 분리조 내부의 처리수에 잠기게 설치되는 바, 미세한 기공을 지닌 분리막(멤브레인)을 포함하고 있다. 침지식 분리막 모듈로 여과된 물은 처리수로서 배출된다.

이러한 침지식 분리막 모듈은 당 업계에 널리 알려진 공지 기술의 침지식 분리막으로 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

여기서, 상기 막 분리조는 반송 라인을 통해 내부 변동 수위조와 연결되게 설치되는 바, 반송 펌프는 침지식 분리막 모듈에 의해 처리된 슬러지를 포함한 처리수 일부를 내부 변동 수위조로 반송하는 기능을 하게 된다.

이와 같이 공정 전환된 CSBR-MBR 공법은 종래의 MBR 공법과 비교하여, 내부 반송수 탈질을 혐기조 전단에서 실시하므로 인제거 효율을 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 종래의 CSBR 고정과 비교하여, 높은 농도의 활성 슬러지를 이용할 수 있어 대상오수를 처리함에 있어 짧은 처리시간 만이 필요하므로 처리공정을 보다 단순하게 구성할 수 있고 짧은 처리시간으로 인해 처리장 부지를 최소화 할 수 있다. 이에 따라 비용을 절감할 수 있으며, 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 씨에스비알^TM을 이용한 하·폐수 처리 시스템을 이용한 간단한 공정전환 방법은 MBR 공법에 통상의 지식을 지식을 가진 자가 쉽게 이해할 수 있다.

반응조의 처리수를 비우는 작업 및 시설물의 개보수 공사 없이 격벽의 간단한 설치 만으로 CSBR-MBR로 공정이 변형되므로, 소요 인력 및 경비를 줄일 수 있다.

도 6은 바람직한 MLSS 농도 변화 없이 오물을 발생시키는 미생물의 성장을 방해하는 SRT를 줄이기 위하여, BNR 처리시와 유사 수준의 수치리 결과를 얻기 위한 활성 슬러지 공정으로 구성된 스컴 및 거품 관리, 제거 시스템을 적용한 씨에스비알^TM을 이용한 하·폐수 처리 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

[표 1]

[표 2]

도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 하·폐수 처리 시스템은, 침지형 분리막 모듈을 구비한 생물학적 처리 시스템으로써, 하·폐수 처리 시스템에서 달성하고자 하는 특정 처리 성능을 위하여 필요한 MLSS 농도를 갖는다.

침지식 분리막 모듈을 사용하는 하·폐수 처리 시스템에서 높은 고형물체류시간(SRT) 조건에서 신진대사 부산물이 과도한 수준으로 축적되고 처리에 방해를 유발하는 거품 및 스컴을 생산할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 하·폐수 처리 시스템은, 침지식 분리막 모듈을 사용하지 않으나 유사한 특성의 처리 성능을 가진 하·폐수 처리 시스템으로부터 일정하게 잉여 슬러지를 받아들이는 시스템으로 구성되며, 이 경우 침지식 분리막 모듈을 사용하지 않는 처리장은 동일 또는 유사한 특성의 잉여 슬러지를 이송함으로써 주요한 공정 및 성능을 향상시킬 수 있다.

이를 위해 상기 하·폐수 처리 시스템은, 수집 시스템을 통해, 침지식 분리막 모듈을 사용하지 않으며 중대한 스컴, 거품이 발생하지 않는 유사한 처리 성능을 가진 다른 생물학적 처리장으로부터의 잉여 슬러지를 수집한다.

수집된 잉여 슬러지는 이송 시스템을 통해, 침지형 분리막 모듈을 구비한 생물학적 처리 시스템으로 이송된다.

이에 따라 분리막 생물학적 처리 시스템에 필요한 처리 효율을 달성하기 위해 필요한 MLSS 농도를 유지하고 동시에 분리막 생물학적 처리 시스템 SRT를 감소시킬 수 있다.

또한, 분리막 생물학적 처리 시스템의 SRT 감소를 통해 침지형 분리막 모듈을 구비한 생물학적 처리 시스템에서 과도하게 빈번히 성장할 수 있는 처리에 방해를 유발하는 거품 생성 미생물의 과도한 성장을 감소시킬 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (17)

1. 내부 변동 수위조;
   외부로부터 유입되는 하·폐수 및 상기 내부 변동 수위조로부터 유입되는 내부 반송수를 기질로 하여 질소를 제거하는 무산소조;
   외부로부터 유입되는 하·폐수 및 상기 무산소조로부터 유입되는 유입수 중의 유기물을 기질로 하여 인을 방출하고 유기물을 분해하는 혐기조;
   상기 혐기조로부터 유입되는 유입수 중의 유기물을 산화 제거하고 유기 질소 및 암모니아성 질소를 질산화 처리하는 제1 호기조; 및
   상기 내부 변동 수위조, 상기 무산소조, 상기 혐기조로 통하는 연속 유입 경로의 양측에 각각 배치되며 상기 제1 호기조와 각각 연결되는 2개의 메인 반응조;
   를 포함하며,
   상기 각 메인 반응조의 양측 내벽면에는 가이드 레일이 설치되고, 상기 각 메인 반응조에는 양단부가 상기 가이드 레일에 슬라이딩 가능하게 결합되는 격벽이 구비되고, 상기 각 메인 반응조는 상기 격벽을 통해 제1 반응실과 제2 반응실로 구획되는 것을 특징으로 하는 CSBR을 이용한 하·폐수 처리 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 내부 변동 수위조와 상기 각각의 메인 반응조는 상기 내부 반송수의 반송을 위한 반송 라인을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 CSBR을 이용한 하·폐수 처리 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 반응실은 상기 제1 호기조와 연결되는 제2 호기조로 이루어지고,
   상기 제2 반응실은 상기 제2 호기조와 연결되며 침지식 분리막 모듈로 구성된 막 분리조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 CSBR을 이용한 하·폐수 처리 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 내부 변동 수위조와 상기 각각의 제2 반응실은 상기 내부 반송수의 반송을 위한 반송 라인을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 CSBR을 이용한 하·폐수 처리 시스템.
5. 제3항에 있어서,
   상기 각각의 제2 반응실에 위치하며 스컴, 거품 및 반송 슬러지를 수집하여 상기 내부 변동 수위조로 배출하기 위한 수리학적 시스템을 구비한 수집 트러프;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CSBR을 이용한 하·폐수 처리 시스템.
6. 제3항에 있어서,
   상기 침지식 분리막 모듈은 10 마이크로미터 이상의 공극을 지닌 대공극 분리막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 CSBR을 이용한 하·폐수 처리 시스템.
7. 제3항에 있어서,
   상기 침지식 분리막 모듈은 0.4 마이크로미터 미만의 공극을 지닌 미세공극 분리막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 CSBR을 이용한 하·폐수 처리 시스템.
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