KR101579310B1

KR101579310B1 - 외부 침지식 분리막 시스템

Info

Publication number: KR101579310B1
Application number: KR1020090059334A
Authority: KR
Inventors: 김건태; 강문선; 안창효; 문지희
Original assignee: 코오롱글로벌 주식회사
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2009-06-30
Publication date: 2015-12-22
Also published as: KR20110001684A

Abstract

본 발명은 분리막이 별도의 조에 침지되도록 구성된 침지식 분리막 반응조로서, 안정화조, 무산소조, 혐기조, 호기조 및 이 호기조의 외부에 분리막이 별도로 설치되어 관로 또는 격벽으로 호기조와 연결되는 침지식 분리막조가 순차적으로 설치된 외부 침지식 분리막 시스템에 있어서, 외부공기를 상대적 질소함유량이 큰 공기와, 상대적 산소함유량이 큰 공기로 분리하되, 상대적 질소함유량이 큰 공기는 분리막으로 송풍하여 분리막 표면에 부착된 유기물, 슬러지 및 미생물 등을 세정한 후, 안정화조로 반송이 이루어지도록 하고, 상대적 산소함유량이 큰 공기는 호기조로 송풍하여 호기조내에 용존산소 농도를 높여 유기물의 제거기능을 향상시키도록 하는 공기공급장치를 포함하는 것을 특징으로 하며, 이에 따라 하나의 공기공급장치로서 분리막의 세정과, 호기조의 용존산소를 높여 유기물의 처리가 동시에 이루어지게 되는 효과가 제공된다.

분리막, 용존산소, 산소, 질소, 안정화조, 무산소조, 혐기조, 호기조

Description

외부 침지식 분리막 시스템{EXTERNAL-SUBMERSED MEMBRANE SEPARATING FILM DEVICE}

본 발명은 분리막이 호기조의 외부에 침지된 분리막 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 분리막 세정을 위한 공기세정라인과, 호기조의 용존산소 농도를 높여주기 위해 폭기를 위한 산기관에 각각 상대적 질소함유량이 큰 공기와, 상대적 산소함유량이 큰 공기를 분리하여 공급하되, 하나의 블로워에 의해 공급이 이루어지도록 함으로써, 전체적인 설비비를 줄이도록 한 외부 침지식 분리막 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 하수 및 폐수의 고도처리를 위해 생물반응조를 이용한 하,폐수 고도처리기술이 많이 적용되고 있다.

그런데, 종래의 하수고도처리를 위한 분리막 반응조는 다음과 같은 문제점이 있었다.

첫째, 통상적인 침지형 분리막 반응조(MBR : Membrane Bioreactor)는, 분리 막을 기존 호기조에 침지함으로써 활성슬러지공정을 분리막 반응조 공정에서 개보수 하는데, 이때 조를 비우고 공사를 해야 하기 때문에 공사기간이 길어지고, 개보수 작업이 현장에서 진행되어야 하는 등 개보수시 많은 제약사항이 있다.

둘째, 하수는 유입수의 유기물/질소 비(C/N 비)가 낮아 탈질에 필요한 충분한 유기원 확보가 어려워 분리막 반응조를 통한 질소 제거율이 낮다.

셋째, 질소와 인의 동시제거를 위해 일반적으로 반응조 구성이 탈인을 위한 혐기조가 전단에 위치하고, 그 후단에 탈질용 무산소조가 위치하게 된다. 그러나 이와 같은 조 구성은 탈질과 탈인 과정에서 발생하는 기질경쟁으로 인해 후단 무산소조에서는 충분한 유기원 확보가 불가하여 질소 제거율이 저조한 문제가 발생한다.

넷째, 분리막조에서는 분리막 세정을 위한 공기량의 과다공급으로 에너지 비용이 매우 높고 분리막조에서 혐기조와 무산소조로 반송되는 내부반송라인에 용존산소(DO : Dissolved Oxygen) 농도가 높아 탈인과 탈질 미생물이 저해를 받게 된다.

다섯째, 호기조에 분리막을 침지하여 유기물을 처리하는 하수 및 폐수고도처리공정에서 유기물산화를 위해서는 미세공기를 공급하여 호기조의 용존산소 농도를 효과적으로 높이는 것이 유리한 반면, 분리막은 조대공기방울을 갖는 공기를 공급하여 분리막을 세정하는 것이 효과적이다. 따라서 기존의 침지식 분리막을 이용하는 하수고도처리공정에서는 호기조 내 용존산소 농도를 높이는데 필요한 공기와 분리막을 세정하는데 필요한 공기의 크기가 서로 상충하는 면이 있다.

여섯째, 분리막을 침지시켜 하수고도처리하는 시스템에서는 분리막의 세정공기가, 유기물을 산화시키는데 필요한 용존산소 농도를 높이는데 필요한 공기보다 3~6배 정도가 많으며, 이로 인해 호기조에서는 다량의 거품이 발생하여 호기조에 거품이 적체되어 비산하거나, 호기조에서 반송되는 라인을 통해 안정화조에서 적체되어 비산하는 문제가 있다.

일곱째, 생물학적 인 제거는 인을 과다섭취한 미생물을 빠르게 인발함으로써(즉, 미생물체류시간(SRT : Solids Retention Time)이 필요한데, 분리막 반응조는 기본특성상 긴 미생물체류시간 유지가 불가피 하여 인 제거율이 저조하다.

여덟째, 분리막 반응조 공정의 흡인펌프는 설치위치가 비교적 높거나 또는 장기운전에 따른 멤브레인의 오염에 의해 흡인시 기포유입에 따른 공동현상(Cavitation)이 자주 발생하여 처리수 생산량이 줄어드는 문제가 있다.

이에, 본 발명 출원인은, 상기와 같은 제반 문제점들에 착안하여, 하수의 저 유기물/질소 비에 대응하여 탈질과 탈인을 극대화할 수 있는 조 구성 방안을 제시하고, 분리막 세정을 위한 과폭방지 방안, 분리막 반응조로부터 혐기조와 무산소조로 반송되는 슬러지의 용존산소 농도 저감 방안, 흡인시 공동현상 방지방안, 호기조와 분리막조에 필요한 공기를 이원화하여 공급하는 방법, 분리막조에 침지된 분리막에 세정용 공기가 효율적으로 작동하도록 하는 방안 및 분리막조에서 발생한 거품을 효과적으로 제거하는 방안이 제공된 외부 침지식 생물학적 분리막 반응조를 선출원(특허출원 제2007-0046767호)하여 등록(10-0836906호)받은 바 있다.

본 발명 출원인이 선출원하여 등록받은 '생물학적 처리과정 중 폭기에 의해 발생한 거품을 자동으로 제거해주는 장치가 부착된 침지식 분리막 시스템'은, 기존 활성슬러지 공정을 고도처리로 개선하는데 소요되는 시간은 최소화되면서 질소 제거율은 극대화되고, 분리막조가 호기조와 분리설치되어 분리막 세정용 공기소요량이 효과적으로 줄며, 분리막모듈 스키드전후좌우에 세정공기 유출방지 격벽이 설치되어 세정공기의 손실이 최소화됨으로써, 공기소요량이 효과적으로 줄어들게 됨에 따라 동력비 절감과 내부반송라인의 용존산소 농도 저감을 통해 탈질효율이 높아지게 되는 장점이 있다.

또한, 안정화조에 거품제거장치가 설치되어 분리막조의 과다폭기 시 발생하는 거품이 효과적으로 제거됨으로써, 시스템의 유지관리 및 환경측면이 동시에 개선되며 또, 흡인시 공동현상 방지를 통해 안정적인 처리수량 확보가 가능한 잇점이 있다.

그러나, '생물학적 처리과정 중 폭기에 의해 발생한 거품을 자동으로 제거해주는 장치가 부착된 침지식 분리막 시스템'의 경우, 상기한 장점들에도 불구하고, 다음과 같은 문제점이 있었다.

첫째, 내부반송라인(L3)의 높은 용존산소에 의해 발생하는 무산소조(20) 탈질율 저하를 방지하기 위하여, 별도의 용존산소 저감장치가 장착됨으로써, 설비비가 증가되는 문제점이 있었다.

둘째, 분리막조(50)에서 미생물에 의한 유기물의 분해에 필요한 공기와, 상기 분리막조(50)의 분리막(52) 표면에 부착된 유기물, 슬러지 및 미생물 등을 탈거하여 세정하기 위해 필요한 공기를 공급하기 위한 블로워(70)와, 역시 호기조(40)의 용존산소 농도를 효과적으로 상승시켜 유기물을 제거할 수 있도록 하는 블로워(42)가 각각 별개로 구비됨으로써, 이 역시 설비비의 증가 원인이 되는 문제점이 있었다.

셋째, 안정화조(10), 무산소조(20) 및 혐기조(30)에서 유입수의 안정적인 처리를 위해 조 내부를 활성화시키고자 교반기를 각각 설치하게 되는데, 상기 교반기의 가동을 위한 전력소비가 커서 전체적인 시스템 운영비가 상승되는 문제점도 있었다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점에 착안하여 안출된 것으로서, 분리막의 세정과, 호기조의 폭기에 필요한 공기를 모두 하나의 공기공급장치로서 공급이 이루어지도록 함으로써, 전체적인 설비비를 줄일 수 있는 외부 침지식 분리막 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

이 경우, 분리막의 세정에 필요한 공기와, 호기조의 폭기에 필요한 공기를 각각 산소와 질소의 함량비가 다르도록 분리하여, 상대적 질소함량비가 큰 공기는 분리막으로 공급되도록 하고, 상대적 산소함량비가 큰 공기는 호기조로 공급되도록 함으로써, 분리막의 세정에 사용된 후 안정화조 및 무산소조로 반송되는 공기는 산소의 함량이 적어 안정화조의 탈질 저하를 위한 별도의 용존산소 저감장치를 배제할 수 있도록 하여 결국 전체적인 설비비를 줄일 수 있는 외부 침지식 분리막 시스템을 제공하는데에도 목적이 있다.

또한, 본 발명은 하나의 공기공급장치로서 분리막 세정과, 호기조의 폭기를 위해 공급되는 공기 중, 상대적 질소함량비가 큰 공기가 분리막 세정을 위해 공급될 때, 그 일부의 공기가 안정화조, 무산소조 및 혐기조로도 공급이 이루어지도록 함으로써, 별도의 교반기 배제로 전력소비가 줄여 전체적인 시스템 운영비를 줄일 수 있는 외부 침지식 분리막 시스템을 제공하는데에도 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 외부 침지식 분리막 시스템은, 분리막이 별도의 조에 침지되도록 구성된 침지식 분리막 반응조로서, 안정화조, 무산소조, 혐기조, 호기조 및 이 호기조의 외부에 분리막이 별도로 설치되어 관로 또는 격벽으로 호기조와 연결되는 침지식 분리막조가 순차적으로 설치된 외부 침지식 분리막 시스템에 있어서, 외부공기를 상대적 질소함유량이 큰 공기와, 상대적 산소함유량이 큰 공기로 분리하되, 상대적 질소함유량이 큰 공기는 분리막으로 송풍하여 분리막 표면에 부착된 유기물, 슬러지 및 미생물 등을 세정한 후, 안정화조로 반송이 이루어지도록 하고, 상대적 산소함유량이 큰 공기는 호기조로 송풍하여 호기조내에 용존산소 농도를 높여 유기물의 제거기능을 향상시키도록 하는 공기공급장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 경우, 상기 공기공급장치는, 외부공기를 송풍하는 블로워와; 상기 블로워에 의해 송풍되는 공기를, 상대적 질소함유량이 큰 공기와, 상대적 산소함유량이 큰 공기로 분리하는 기체분리막과; 상기 기체분리막에 의해 분리된 상대적 질소함유량이 큰 공기를 분리막으로 공급하여 분리막에 부착된 유기물, 슬러지 및 미생물 등을 제거하도록 하는 공기세정라인과; 상기 기체분리막에 의해 분리된 상대적 산소함유량이 큰 공기를 호기조로 공급하여 호기조 내의 용존산소 농도를 높여 유기물 제거기능을 향상시키도록 하는 산기관을 포함하는 구성으로 이루어지는 것이 바람직하다.

특히, 상기 블로워와 기체분리막 사이에는 필터가 설치되어, 상기 블로워에 의해 송풍되는 공기에 포함된 이물질을 제거하도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 공기세정라인에는, 에어리시버 및 자동압력밸브로 이루어진 펄스 에어레이션 장치가 설치되어 블로워에서 공급되는 공기가 분리막에 간헐적으로 공급되도록 구성되는 것이 바람직하다.

또, 상기 공기세정라인으로부터 안정화조, 무산소조 및 혐기조로 각각 분기되는 분기관이 설치되고, 각 분기관에는 자동압력밸브가 설치되어서 상기 안정화조, 무산소조 및 혐기조에 상대적 질소함유량이 큰 공기의 공급으로 폭기가 발생되도록 하는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 외부 침지식 분리막 시스템에 의하면, 분리막의 세정과, 호기조의 폭기에 필요한 공기를 모두 하나의 공기공급장치로서 공급이 이루어짐으로써, 전체적인 설비비가 줄어들게 되는 매우 유용한 효과가 있다.

이 경우, 분리막의 세정에 필요한 공기와, 호기조의 폭기에 필요한 공기를 각각 산소와 질소의 함량비가 다르도록 분리하여, 상대적 질소함량비가 큰 공기는 분리막으로 공급하고, 상대적 산소함량비가 큰 공기는 호기조로 공급함으로써, 분리막의 세정에 사용된 후 안정화조로 반송되는 공기는 산소의 함량이 적어 안정화조 및 무산소조의 탈질 저하를 위한 별도의 용존산소 저감장치를 배제할 수 있어 결국 전체적인 설비비가 줄어들게 되는 효과가 제공된다.

또한, 본 발명은 하나의 공기공급장치로서 분리막 세정과, 호기조의 폭기를 위해 공급되는 공기 중, 상대적 질소함량비가 큰 공기가 분리막 세정을 위해 공급될 때, 그 일부의 공기가 안정화조, 무산소조 및 혐기조로도 공급이 이루어짐으로써, 별도의 교반기 배제로 전력소비가 줄어 전체적인 시스템 운영비가 줄어들게 되는 효과도 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따라 호기조 유기물 제거를 위한 공기와 분리막 세정효율 최적화를 위해 주입되는 공기가 일원화된 외부 침지식 생물학적 분리막 반응조를 설명하기 위한 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 외부 침지식 분리막 반응조는, 분리막이 별도의 조에 침지되도록 구성된 외부 침지식 분리막 반응조로서, 그 설치순서는 안정화조(10), 무산소조(20), 혐기조(30), 호기조(40) 및 이 호기조(40)의 외부에 별도로 설치되거나 자연유하로 원류하는 관로(L1)를 통하여 연결되는 외부 침지식 분리막조(50)를 포함한다.

그리고, 유입관로(L2)를 통하여 유입되는 처리수는 안정화조(10), 무산소조(20) 및 혐기조(30)로 유입수 조건에 따라 분배되어 공급될 수 있도록 구성된다.

즉, 유입수의 유기물/질소 비가 낮은 경우에는 무산소조(20)로 유입량을 늘리고, 탈인에 필요한 유기물이 부족한 경우에는 혐기조(30)로 유입수량을 높여줄 수 있는데, 유입수의 유기물/질소 비 조건 및 반응조의 탈질, 탈인 효율에 따라 유입수 분배 주입율은 달라질 수 있다. 통상 안정화조(10)로 0~20%, 무산소조(20)로 60~80%, 혐기조(30)로 0~20% 범위에서 분배 유입된다.

상기 안정화조(10)와 외부침지식 분리막조(50)는 반송라인(L3)으로 연결되고, 상기 외부침지식 분리막조(50) 내부에 설치된 분리막(52)의 세정에 소요되는 공기와, 호기조(40)의 용존산소 농도를 효과적으로 상승시켜 유기물을 제거할 수 있도록 공급되는 공기를 일원화하여 동시에 공급하기 위한 공기공급장치(100)가 제공된다.

상기 공기공급장치(100)는, 외부공기를 송풍해주는 블로워(70)와, 이 블로워에 의해 송풍되는 공기 중 이물질을 제거하는 필터(71)와, 상기 필터를 통과한 공기 중, 질소와 산소를 분리하는 기체분리막(60)을 포함한다.

참고로, 대기 중의 공기는 질소 함유량이 대략 78%이고, 산소 함유량이 21%인데, 상기 기체분리막(60)은 상기와 같은 함유량으로 된 공기를, 상대적 질소 함유량이 큰 공기와, 상대적 산소 함유량이 큰 공기로 분리하게 된다.

또한, 상기 공기공급장치(100)는, 기체분리막(60)에 의해 분리된 상대적 질소 함유량이 큰 공기와, 상대적 산소 함유량이 큰 공기를 각각 분리막(52)과 호기조(40)로 분기하여 공급하는 공기세정라인(L4)과, 산기관(L6)을 포함한다.

상기 블로워(70)의 공기를 분리막(52)으로 공급하는 공기세정라인(L4)에는, 에어리시버(Air Receiver)(72) 및 자동압력밸브(74,75)로 이루어진 펄스 에어레이션(Pulse Aeration)장치가 설치되어 블로워(70)에 의해 공급된 공기를 분리막(52) 으로 간헐적으로 공급하도록 구성된다.

따라서, 상기 블로워(70)에 의해 공급되는 공기 중, 기체분리막(60)에 의해 분리된 상대적 질소함유량이 큰 공기는 공기세정라인(L4)을 통해 분리막(52)으로 공급되어 분리막의 표면에 부착된 유기물, 슬러지 및 미생물 등을 탈거시키고, 상대적 산소함유량이 큰 공기는 산기관(L6)을 통해 호기조(40)로 공급되어 용존산소 농도를 효과적으로 상승시켜 유기물을 제거하게 된다.

상기 외부 침지식 분리막조(50) 내에 설치된 분리막(52)은, 처리용량에 따라 1~30개의 모듈이 하나의 스키드에 장착되며, 분리막(52)을 효과적으로 세정하기 위한 큰 크기의 공기방울은 블로워(70)에 의해 공기세정라인(L4)을 통해 공급되고, 자동압력밸브(74,75)로 이루어진 펄스에어레이션 장치에 의해 분리막 상,하부간 간헐적 공기주입으로 분리막조(50) 내 유체의 유동을 효과적으로 유도해 분리막 세정을 효과적으로 수행되도록 구성하며, 또한 분리막조(50) 내의 유체 흐름으로 자동밸브(75)에 의해 하부에서 공급되는 공기가 수직으로 상승하면서 분리막을 세정하지 못하고 분리막 하부의 전후좌우에서 유실되는 것을 방지하기 위한 세정공기 유출방지 격벽(51)으로 구성된다.

상기 안정화조(10)와 외부 침지식 분리막조(50)는 반송라인(L3)으로 연결되고, 반송라인(L3)을 통해 분리막조 세정을 위해 과폭기된 공기에 의해 발생한 거품이 안정화조(10)로 유입되어 적체된다. 안정화조에 적체된 거품은 점성을 갖고 있어 체류하는 동안 액화되지 않고 거품으로 계외로 비산하여 하수처리현장 주변을 오염시킨다. 따라서 상기 안정화조(10)에 적체된 거품을 자동 제거하는 장 치(100,110,120)를 설치하여 거품을 액화시켜 안정화조(10)로 반송하거나 계외로 배출하여 처리한다.

상기 거품을 자동 제거하는 장치(100,110,120)를 통해 제거되는 거품에는 고농도의 미생물이 함유되어 있으므로 액화된 거품을 연속적으로 계외로 배출할 경우 계내 미생물 농도를 낮추어 시스템의 유기물 제거성능을 저감시킬 수 있으므로 액화거품반송 및 배출관로(L10)를 통하여 적정한 주기로 액화 거품을 안정화조로 반송하거나 계외로 배출한다. 여기서 적절한 액화거품 배출 주기는 계내의 적정 미생물 농도를 유리하게 하여 호기조(40)에서의 슬러지 배출을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

상기 배출관로(L5)에 설치된 흡인펌프(80) 전단에는 공기제거장치(Air Separator)(82)가 설치되어 일정수준의 증기공동 발생시 공기를 배출시켜 공동현상을 방지하도록 되어 있다.

그리고, 상기 호기조(40)는 블로워(70)에 의해 공급된 공기 중 기체분리막(70)에 의해 분리된 상대적 산소함유량이 큰 공기를 산기관(L6)을 통해 공급받는 것으로서, 약품투입에 의한 인 제거를 병행할 수 있도록 Alum(명반 : 明礬)을 첨가하는 약품주입펌프(44)가 더 설치된다. 상기 약품주입펌프(44)는 공급펌프의 작동으로 소정량의 Alum을 호기조(40) 내부로 주입하도록 이루어진 통상적인 정량약품공급펌프가 사용될 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다. 또한 도 1에서는 명기하지 않았지만 유기물 분해로 인해 발생한 슬러지는 일반적으로 분리막조(50)에서 인발하여 제거하나 본 공정에서는 분리막조(50)의 과폭기로 슬러지의 입자가 미세하 여 분리제거에 어려움이 있으므로 슬러지 입자 크기가 크고 비상시에 주입하는 Alum에 의해 슬러지 입자가 보다 더 크게 성장할 수 있는 호기조(40)에서 인발하여 제거한다.

상기에서 무산소조(20)는 유기물을 이용하여 질산성 질소를 질소가스로 전환하는 공정을 수행하고, 혐기조(30)는 유기물을 이용하여 수중의 인을 방출시키는 공정을 수행하고, 호기조(40)는 공기(산소)를 이용하여 미생물이 성장 활동하는 구간으로 유기물 산화와 질산화를 수행하며, 외부 침지식 분리막조(50)는 피처리액을 여과 처리하는 공정을 수행한다.

또한, 상기 공기공급장치 중, 공기세정라인(L4)에서 공기리시버(72)와, 자동압력밸브(74,75) 사이로부터 각각 안정화조(10), 무산소조(20) 및 혐기조(30)로 상대적 질소함유량이 큰 공기를 공급하기 위한 분기관이 설치되어 있으며, 이 분기관들에는 각각 자동압력밸브(76,77,78)가 설치되어 있다.

즉, 상기 안정화조(10)에서는 용존 산소의 농도가 높을 경우, 탈인 작용이 원활하게 이루어지지 않는 바, 산소함유량이 적은 다시 말해서, 상대적 질소함유량이 큰 공기가 공급되는 공기세정라인(L4)으로부터 공기가 공급되도록 하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 안정화조(10), 무산소조(20) 및 혐기조(30)로 각각 상대적 질소함유량이 큰 공기가 공급되면, 유입수의 안정적인 처리를 위해 조 내부를 활성화시키고자 설치되는 교반기를 배제할 수 있으므로 전력소비를 줄일 수 있어서 결국 전체적인 시스템 운영비가 절감된다.

상기와 같은 구성의 외부 침지식 분리막 반응조를 이용하여 하,폐수 처리단계를 각각의 구성별로 기술하면 다음과 같다.

1. 외부 침지식 분리막 반응조(External-Submersed Membrane Bioreactor)

기존의 침지형 분리막 반응조는 분리막을 호기조에 침지하는 내부 침지식(Internal-Submersed)이기 때문에 개보수시 조를 비워야 하는 단점이 있고 모든 작업이 현장에서 이루어져야 한다. 그러나 본 발명에 따른 도 1에서의 모듈 형태로 이루어진 외부 침지식 분리막 반응조의 경우, 분리막(52)이 호기조(40) 외부의 별도의 분리막조(50)에 침지되는 방식, 즉 외부 침지식 방식으로 이루어짐으로써, 개보수시 조 전체를 비움으로써 발생하는 처리장의 가동중단이 발생하지 않고, 별도의 공장에서 완제품을 제작하여 현장에 단순 설치만 함으로써 기존 처리장의 용이한 개보수가 가능하다.

뿐만 아니라, 외부 침지식 분리막조(50)의 분리막(52) 모듈만 들어갈 수 있도록 집약화되어 있어 분리막(52)을 효과적으로 세정할 수 있고, 분리막(52)의 약품세정 시 분리막(52)을 조 외부로 꺼내어 별도의 세정조에서 세정하지 않고 동일한 반응조에서 세정 가능하고, 분리막(52) 세정시 폭기조 전체를 사용하지 않기 때문에 세정시에도 외부 침지식 분리막조(50)를 제외한 나머지 반응조에서 안정적인 처리가 가능하기 때문에 공정 중단이 발생하지 않는다.

분리막(52)의 세정시에는 외부침지식 분리막조(50)로 유입되는 대신에 바이패스라인(By-pass Line)(L7)을 통해 호기조(40)의 슬러지가 무산소조(20)로 반송됨 으로써 질산화, 탈질과정이 문제없이 수행되도록 구성되고 외부침지식 분리막조(50)에서는 세정이 진행된다.

호기조에서 1차 처리된 하폐수는 외부침지식 분리막조(50)로는 관로(L1)에 의해 자연유하로 유입되거나, 분리막조(50)가 호기조(40) 상단에 설치될 경우 설치된 내부반송펌프(90)를 관로(L1) 상에 설치하여 가압유입시키고, 외부침지식 분리막조(50)에서 안정화조(10)로의 내부반송은 반송라인(L3)을 따라서 자연유하에 의해 가능하도록 구성된다. 호기조(40) 상단에 분리막조(50)가 설치될 경우는 자연유하에 의한 흐름을 만들기 위해 외부침지식 분리막조(50)는 안정화조(10) 보다 높은 위치에 설치된다.

2. 공정구성

본 발명의 공정구성의 특징은 맨 처음에 안정화조(10)가 위치하고, 이후 무산소조(20), 혐기조(30), 호기조(40), 외부침지식 분리막조(50)로 이루어진다. 유입수는 안정화조(10), 무산소조(20) 및 혐기조(30)로 분배되어 공급될 수 있도록 구성되어, 무산소조(20) 탈질 후 유기물 부족에 따른 탈인효율 저하 시 혐기조(30)로 분배주입(0~30%) 된다. 분리막(52) 세정을 위한 외부침지식 분리막조(50) 과폭기로 반송라인(L3)내 용존산소 농도가 높아 탈질균의 활동이 저해를 받는데, 본 발명에서는 안정화조(10)의 설치에 의해 내부반송라인(L3)의 용존산소를 절감함으로써 이와 같은 문제를 해결한다. 조구성의 순서는 안정적인 질소, 인 동시제거를 위해 매우 중요한데 본 발명에서는 위에서 언급한 바와 같이 안정화조(10), 무산소 조(20), 혐기조(30), 호기조(40), 외부침지식 분리막조(50)로 구성된다. 무산소조(20)를 혐기조(30)보다 우선 배치하여 유기물을 우선적으로 질소제거에 활용할 수 있도록 하였고, 동시에 혐기조(30)에서 탈인 시 질산성질소의 영향을 배제할 수 있도록 하였다. 내부반송은 무산소조(20)가 아닌 안정화조(10)로 반송하여 잔류 용존산소를 사전에 제거함으로써 무산소조(20)에서 용존산소 영향을 최소화하였다. 안정화조(10)는 반송수내 용존산소 저감이 주 목적이나 사상균 억제를 위한 선택조(Selector)의 기능을 수행하도록 고안되었다.

3. 분리막 세정용 공기량 절감방안: 에어리시버(Air Receiver) + 펄스에어레이션(Pulse Aeration), 호기조 및 분리막조 공기분배 이원화, 분리막모듈내 상하부로 세정공기 유입

분리막(52) 세정에 소요되는 공기량 저감을 위해 공기세정라인(L4)에 에어리시버(Air Receiver)(72)를 설치하여 블로워(70)에 의해 공기를 분리막(52)으로 간헐적으로 공급하는 펄스에어레이션(Pulse Aeration) 방법이 적용된다. 즉 자동으로 개폐되는 자동압력밸브(74, 75)가 교차로 열려 공기가 상하부로 간헐적으로 분출됨으로써 연속공기주입방식에 비해 전체적인 공기소요량이 절감되어 에너지 비용이 줄어들고, 펄스에어레이션 방식에 의해 큰 공기방울이 분리막(52) 표면을 세정함으로써 기존의 미세한 기포에 의한 방식보다 세정효과 또한 우수하다. 또한 호기조(40)에서 생물학적 처리에 소요되는 공기 또한 블로워(70)에 의해 공급되는 공기 중, 상대적 산소함유량이 큰 공기로 분리하여 공급함으로써, 기존 세정용과 생물학 적처리에 공급되는 공기를 별개로 공급하는 경우와 비교하여 설비비가 절감된다.

4. 내부반송라인의 용존산소 저감방안

내부반송라인(L3)의 높은 용존산소에 의해 발생하는 무산소조(20) 탈질율 저하를 방지하기 위해 반송라인(L3)에는 용존산소가 적은 즉 상대적 질소함유량이 큰 공기가 반송된다.

즉, 공기공급장치의 블로워(70)에서 송풍되는 공기는 필터(71)를 통과하여 이물질이 걸러진 후, 기체분리막(60)을 통과하며, 기체분리막(60)에서 상대적 질소함유량이 큰 공기와, 상대적 산소함유량이 큰 공기로 나뉘게 된다.

이와 같이 나뉜 공기들 중, 상대적 질소함유량이 큰 공기는 공기세정라인(L4)을 통해 분리막(52)으로 공급되어 분리막(52)의 막 표면에 부착된 유기물, 슬러지 및 미생물 등을 제거한 후, 내부반송라인(L3)을 통해 안정화조(10)로 반송이 이루어지게 되는바, 무산소조(20)에는 용존산소가 낮은 상대적 질소함유량이 큰 공기가 유입됨으로써, 탈질율의 저하가 예방된다.

5. 생물학적 인 제거와 화학적 인 제거 병행

본 발명에서는 호기조(40)에 비상시 대비 약품투입 시설이 설치되어 생물학적 인 제거와 화학적 인 제거의 동시작용에 의해 인이 제거된다. 즉 분리막 반응조 특성상 긴 미생물체류시간 유지가 불가피 하여 인 제거율이 저조하고, 국내 하수의 유기물 부족(저 유기물/질소 비)으로 탈인 및 탈질에 필요한 충분한 량의 유기원 확보가 어려워 탈인 보다는 탈질에 유기물 활용을 우선하도록 공정을 구성하였기 때문에 부족한 인 제거율은 Alum[(Al₂SO₄)₃·18H₂O]을 정량 첨가하는 약품주입펌프(44)로 보완한다. 탈질용 외부탄소원 공급보다 인 제거를 위한 Alum 투입이 비용, 시공성, 유지관리 편의성 면에서 유리하기 때문에 유기물 활용은 탈인보다는 탈질에 우선순위를 두도록 한다. 그러나 인 제거율을 높이기 위해 약품투입에 의한 인 제거를 병행한다.

이때, 상기 호기조(40)로는 공기공급장치의 기체분리막(60)에서 나뉜 공기 중, 상대적 산소함유량이 큰 공기가 산기관(L6)을 통해 공급되어 폭기가 발생됨으로써, 용존산소 농도가 효과적으로 높아져서 유기물의 제거기능이 향상된다.

6. 흡인시 펌프의 공동현상 방지

분리막 반응조 공정의 배출관로(L5)에 설치된 흡인펌프(80)는 현장여건에 의해 설치위치가 일반적으로 높아 흡인시 기포유입에 따른 공동현상(Cavitation)이 자주 발생하거나, 분리막의 오염이 가중됨에 따라 흡인시 공기유입에 따른 공동현상 발생으로 처리수 생산량이 줄어드는 문제가 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 배출관로(L5)에 설치된 흡인펌프(80) 전단에는 공기제거장치(Air Separator)(82)가 설치되어 일정수준의 증기공동 발생시 공기를 배출시켜 공동현상을 방지한다.

공기제거장치(82)는 내부 상태를 점검하기 위한 점검창(83)과 액주계(84)가 부착되고, 레벨스위치(85)와 연동된 자동밸브(86)와 진공펌프(87)가 설치된다. 상기 진공펌프(87)는 레벨스위치(85)와 흡인펌프(80)에 의하여 연동되도록 설치되는데, 레벨스위치(85)가 저수위와 고수위 사이에서만 진공펌프(87)가 가동되고, 이때는 흡인펌프(80)가 항상 가동 상태가 되도록 구성한다. 공기제거장치(82)의 레벨 수위차, 즉 고수위와 저수위의 차이는 20~40cm가 되도록 하고 공기제거장치(82)내부의 유속은 0.2~0.5m/s로 유지한다. 공동현상에 의해 발생된 공기가 발생하면서 공기제거장치(82)의 수위는 내려가게 되는데, 설정된 저수위 값까지 떨어지면 자동밸브(86)가 열리면서 진공펌프(87)가 가동되어 공기를 공기배출관로(L8)를 통하여 외부로 강제 배출시키고, 고수위값에 도달하면 자동으로 멈추게 된다. 이때 진공펌프(87)는 분리막(52)과 흡인펌프(80) 사이에서 가장 높은 배관위치에 설치되도록 하고, 흡인펌프(80)는 반드시 공기제거장치(82)보다 아래에 설치하도록 하여 공동현상 발생을 방지한다. 공기제거장치(82)의 유출위치는 유입지점보다 낮도록 구성한다.

7. 폭기에 의해 발생하는 점성거품의 효과적 제거

분리막조(50) 내에 설치된 분리막(52)은 처리수를 흡인하는 과정에서 막표면에 유기물, 슬러지 및 미생물 등의 부착으로 인해 처리성능이 떨어진다. 이를 방지하기 위해 블로워(70)를 이용하여 공기를 분리막 표면으로 공급하여 막표면에 부착된 오염원을 탈착시킨다. 오염원의 탈착을 위해 소요되는 공기는 호기조 및 분리막조에서 미생물에 의한 유기물의 분해에 필요한 공기요구량보다 3 ~ 6배가 많으며, 이러한 과다공기의 공급으로 인해 분리막조에서는 점착성이 높은 거품이 발생하여 분리막조(50)에 적체되거나, 반송라인(L3)을 통해 안정화조로 유입된다. 안정화조(10)는 분리막조(50)에 비해 크기가 작으므로 거품이 유입되면 거품수위가 빠른시간에 상승하여 안정화조(10) 밖으로 유출되거나, 처리장이 외부 노출형태인 경우 바람에 의해 처리장 전체로 비산되는 문제점이 있다. 따라서 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하고자 안정화조(10)에 거품을 제거하는 장치(100, 110, 120)을 설치하여 일정 수위 이상의 거품이 발생할 경우 흡인하여 액화시켜 계외로 배출하거나 안정화조(10)로 재반송하는 시스템을 구성하였다. 이 거품제거시스템은 거품제거장치(100), 거품흡인펌프(110), 거품감지장치(12) 및 관로(L9, L10)으로 구성되어지며, 거품감지장치(12)는 안정화조(10)에 일정수위 이상의 거품이 발생하면 이를 감지하여 거품흡인펌프(110)를 자동가동시켜 거품흡인관로(L9)로 흡입시키고, 흡입된 거품은 거품제거장치(100)에서 액화시킨 후, 거품배출관로(L10)를 통해 계외로 배출하거나 안정화조(10)로 재반송한다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 외부 침지식 생물학적 분리막 반응조는, 기존 활성슬러지 공정을 고도처리로 개선하는데 소요되는 시간은 최소화하면서 질소 제거율은 극대화되고, 분리막조를 호기조와 분리설치하여 분리막 세정용 공기소요량을 효과적으로 줄이고, 분리막모듈 스키드전후좌우에 세정공기 유출방지 격벽을 설치하여 세정공기의 손실을 최소화하여 공기소요량을 효과적으로 줄임으로써 동력비절감과 내부반송라인의 용존산소 농도 저감을 통해 탈질효율을 높일수 있다. 또한 안정화조에 거품제거장치를 설치하여 분리막조의 과다폭기 시 발생하는 거품을 효과적으로 제거하여 시스템의 유지관리 및 환경측면을 동시에 개선하였으며 또한 흡인시 공동현상 방지를 통해 안정적인 처리수량 확보가 가능하다.

8. 안정화조, 무산소조, 혐기조의 폭기

안정화조(10)와, 무산소조(20), 혐기조(30) 중, 특히 무산소조(20)에서는 용존산소 농도가 높으면 탈질율이 저하되는데, 이들 조에 공기세정라인(L4)에서 분기된 분기관을 통해 상대적 질소함유량이 큰 공기를 주입하여 폭기가 이루어지도록 함으로써, 별도의 교반기를 배제할 수 있다.

따라서, 교반기의 작동을 위한 동력손실을 줄여 전체적인 운영비를 절감할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 외부 침지식 분리막 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 구성도.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

10 : 안정화조 20 : 무산소조

30 : 혐기조 40 : 호기조

50 : 분리막조 52 : 분리막

60 : 기체분리막 70 : 블로워

71 : 필터 72 : 에어리시버

74,75 : 자동압력밸브 79 : 분기관

100 : 공기공급장치 L3 : 내부반송라인

L4 : 공기세정라인 L6 : 산기관

Claims

분리막이 별도의 조에 침지되도록 구성된 침지식 분리막 반응조로서, 안정화조, 무산소조, 혐기조, 호기조 및 이 호기조의 외부에 분리막이 별도로 설치되어 관로 또는 격벽으로 호기조와 연결되는 침지식 분리막조가 순차적으로 설치된 외부 침지식 분리막 시스템에 있어서,

외부공기를 상대적 질소함유량이 큰 공기와, 상대적 산소함유량이 큰 공기로 분리하여, 상대적 질소함유량이 큰 공기는 분리막으로 송풍하여 분리막 표면에 부착된 유기물, 슬러지 및 미생물 등을 세정한 후, 안정화조로 반송이 이루어지도록 하는 공기공급장치를 포함하고,

상기 공기공급장치는,

외부공기를 송풍하는 블로워와;

상기 블로워에 의해 송풍되는 외부공기를, 상대적 질소함유량이 큰 공기와, 상대적 산소함유량이 큰 공기로 분리하는 기체분리막과;

상기 기체분리막에 의해 분리된 상대적 질소함유량이 큰 공기를 분리막으로 공급하여 분리막에 부착된 유기물, 슬러지 및 미생물 등을 제거하도록 하는 공기세정라인과;

상기 기체분리막에 의해 분리된 상대적 산소함유량이 큰 공기를 호기조로 공급하여 호기조 내의 용존산소 농도를 높여 유기물 제거기능을 향상시키도록 하는 산기관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 침지식 분리막 시스템.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 블로워와 기체분리막 사이에는 필터가 설치되어, 상기 블로워에 의해 송풍되는 공기에 포함된 이물질을 제거하도록 한 것을 특징으로 하는 외부 침지식 분리막 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 공기세정라인에는, 에어리시버 및 자동압력밸브로 이루어진 펄스 에어레이션 장치가 설치되어 블로워에서 공급되는 공기가 분리막에 간헐적으로 공급되도록 구성된 것을 특징으로 하는 외부 침지식 분리막 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 공기세정라인으로부터 안정화조, 무산소조 및 혐기조로 각각 분기되는 분기관이 설치되고, 각 분기관에는 자동압력밸브가 설치되어서 상기 안정화조, 무산소조 및 혐기조에 상대적 질소함유량이 큰 공기의 공급으로 폭기가 발생되는 것을 특징으로 하는 외부 침지식 분리막 시스템.