KR101665011B1 - 폐수 처리를 위한 생물학적 반응조 - Google Patents

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Abstract

미세기포 펌프; 산소용해부; 유도관; 내통; 접촉반응조; 내부순환펌프; 를 포함하는 생물학적 반응조가 제공된다. 본 발명의 폐수처리를 위한 생물학적 반응조는 암모니아성 질소를 포함하는 폐수의 질산화 및 탈질이 이루어지는 생물학적 반응조에서 산소공급시의 폭기 에너지를 절감하고, 유체 내 용존 산소량을 증가시키고 위치에 따른 용존 산소량을 조절하여 고농도의 미생물 플록을 유지하고 폐수처리 효율을 향상시킬 수 있으며, 반응조 내 유속을 낮추어 아질산으로부터 직접 탈질이 이루어질 수 있도록 하여 탈질 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

Description

폐수 처리를 위한 생물학적 반응조{BIOREACTOR FOR TREATING WASTE WATER}
폐수 처리를 위한 생물학적 반응조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 암모니아성 질소를 질산화하고, 동시에 임의성 미생물에 의해 탈질을 수행하여 폐수 내 질소 성분을 제거하는 생물학적 반응조에 관한 것으로 내부 반송수의 용존산소 농도를 최소화하고, 고농도의 MLSS를 유지하며, 탈질성능을 향상시킬 수 있는 폐수 처리를 위한 생물학적 반응조에 관한 것이다.
수질 오염은 생활 폐수 및 산업 폐수 등의 배출에 따라 발생할 수 있다.
수질 오염의 원인으로 유기물 및 질소와 같은 무기물을 들 수 있다. 질소는 부영양화와 녹조 및 적조를 일으켜 유해 부유생물의 발생을 촉진하고 화학적 산소요구량의 증가시키고, 발생한 유기물은 물의 자정 작용을 초과하여 수질오염을 가속화하고 수계 용존산소를 고갈시켜 수 생태계를 파괴하는 원인이 되므로 국내외의 인, 질소의 방류수질기준은 갈수록 강화되어가는 추세이다.
생활계 및 산업계, 축산계에서 발생되는 하,폐수에는 고농도의 질소가 함유되어 있으므로 방류수질기준 이내로 처리할 필요가 있다.
이와 같은 질소성 오염물질을 함유하는 폐수를 처리하는 방법으로는, 수중 미생물이 폐수 중의 오염물질을 영양소로 섭취하여 이화 또는 동화시키는 원리를 이용하고 있다. 미생물은 산소 이용 방식에 따라 혐기성 미생물과 호기성 미생물, 임의성 미생물로 나눌 수 있다.
호기성 미생물은 수중의 용존 산소를 전자수용체로 이용하여 유기물을 이산화탄소까지 산화시키지만, 혐기성 미생물은 산소와 같은 외부 유기물을 전자수용체로 하여 산화환원반응을 일으키며 그 결과 유기물로부터 메탄을 생산할 수 있으며, 임의성미생물은 결합산소를 전자수용체로 활용하여 이화, 동화작용을 할 수 있다.
일반적인 폐수 처리 시스템에서는, 호기성 반응조에서 1차 침전조 유출수에 잔류하는 유기물을 호기성 미생물을 이용하여 산화처리 한 다음 필요에 따라 질소 및 인을 제거한다.
종래의 생물학적 반응조에서는 호기성 반응조에서 산소공급을 위해 산기관에 의한 폭기 방식을 적용함에 따라 산소의 용해 효율이 5 내지 10% 정도로 낮은 단점이 있었다. 산소의 용해 효율이 낮아짐에 따라 고농도의 MLSS 유지가 불가능하여 폭기조 용적이 매우 커야 하고 폐수처리 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
또한, 산기관에 의한 폭기에 따른 과도한 전단력으로 인해 미생물 플록이 파괴되어 폐수 처리 후의 침전조에서의 침강성을 악화시킬 수 있었다.
한편, 산기관에 의한 폭기가 이루어지는 생물학적 반응조의 낮은 용존산소 농도는 질산화를 충분히 이루기가 어려워 탈질 효율이 저하되는 문제점이 있었다.
공개특허공보 제10-2013-0091125호 공개특허공보 제10-2005-0028985호
본 발명의 목적은 암모니아성 질소를 포함하는 폐수의 질산화 및 탈질이 이루어지는 생물학적 반응조에서 폭기 에너지를 절감하고, 유체 내 용존 산소량을 증가시켜 고농도의 미생물 플록을 유지하고, 위치에 따른 용존산소량을 조절하여 폐수처리 효율을 향상시키는 데 있다. 또한, 폭기에 따른 미생물 플록의 파괴를 최소화하여 미생물 플록의 생물활성을 최적화하고 침전조에 처리수가 전달된 경우 상등수의 질을 향상시키며, 반응조의 용존산소량을 조절하여 탈질조에 용존산소가 최소화된 유체를 전달하여 탈질효율을 향상시키는 데 있다. 또한, 생물학적 반응조 내 유속을 낮추어 아질산으로부터 직접 탈질이 일어나도록 하여 탈질 효율을 더욱 향상시키는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 유체와 산소를 혼합하여 미세기포를 형성하는 미세기포 펌프; 상기 미세기포 펌프에서 형성된 미세기포를 포함하는 유체를 공급받고, 외부의 산소를 공급받아 상기 미세기포를 포함하는 유체에 산소를 추가로 용해시키는 산소용해부; 중공관 형태이고, 상기 산소용해부로부터 산소가 추가로 용해된 미세기포를 포함하는 유체를 상부로부터 공급받고, 하부로 배출하는 유도관; 중공관 형태이고, 상기 유도관의 외주면과 소정의 간격을 형성하며 상기 유도관을 둘러싸고, 내측에는 유체의 하향류가 형성되고, 외측에는 유체의 상향류가 형성되는 내통; 하단이 밀폐된 중공관 형태이고, 상기 유도관 및 상기 내통을 수용하고 하단의 바닥면은 상기 유도관 및 상기 내통의 하단과 소정의 간격을 형성하는 접촉반응조; 및 상기 내통의 하부 영역에 배치되고, 상기 유체의 하향류를 공급받아 무산소조로 이송하는 내부순환펌프;를 포함하는 생물학적 반응조가 제공된다.
상기 미세기포 펌프가 상기 접촉반응조에서 흐르는 유체와 산소를 혼합하여 미세기포를 형성할 수 있다.
상기 유도관의 하단과 연결되고 하부로 갈수록 직경이 커지는 중공관 형태이고, 상기 유도관 하부로 이송된 상기 유체를 상기 내통의 외측으로 상향의 유체 흐름을 형성하는 유도경사관을 추가로 포함할 수 있다.
상기 내통의 하단과 연결되고 하부로 갈수록 직경이 작아지는 중공관 형태이고, 상기 유도관 하부로 이송된 상기 유체를 상기 내통의 외측으로 상향의 유체 흐름을 형성하는 내통경사관을 추가로 포함하고, 상기 내통경사관의 하단은 상기 유도경사관의 하단보다 높은 위치에 있을 수 있다.
상기 산소용해부가 상기 미세기포를 포함하는 유체의 보텍스(vortex) 운동을 유도하여 외부의 산소를 흡입하고, 상기 유체의 흐름을 가속시켜 상기 산소를 미세기포화하는 보텍스 가속부를 포함할 수 있다.
상기 보텍스 가속부가, 상기 유도관의 상부 중심에 배치되는 회전형 막대형 부재이고, 유체의 보텍스를 형성하는 보텍스 형성부; 및 상기 보텍스 형성부의 둘레에 형성되는 깔때기형의 부재이고, 보텍스가 형성된 유체의 흐름을 가속하는 보텍스 가속튜브;를 포함할 수 있다.
상기 산소용해부가, 상기 미세기포 펌프로부터 공급받은 유체에 압력을 가하여 용존산소의 농도를 높여 과포화 유체를 형성하는 압력탱크; 상기 압력탱크로부터 상기 과포화 유체를 공급받아 산소를 미세기포화하는 미세기포 노즐; 및 상기 유도관의 상부에 설치되고, 상기 미세기포 노즐로부터 미세기포가 포함된 유체를 공급받아 교반하고, 교반된 유체를 상기 유도관으로 공급하는 교반부;를 포함할 수 있다.
상기 압력탱크가 3 내지 5kgf/cm2의 압력을 유지할 수 있다.
상기 압력탱크가, 상기 미세기포 펌프로부터 유체를 공급받는 유입노즐; 상기 유입노즐과 연결되고, 상기 유체의 하향류를 형성하는 중공관 형태의 하향류 유도관; 상기 하향류 유도관을 수용하고, 상기 하향류 유도관의 하단과 소정의 간격이 형성된 바닥면을 갖는 하부가 밀폐된 중공관 형태인 정류통; 상기 하향류 유도관 및 정류통을 수용하는 압력탱크 몸체; 및 상기 압력탱크 몸체의 외부에 배치되고, 상기 압력탱크 몸체의 내부로 산소를 공급하는 에어벤트;를 포함할 수 있다.
상기 압력탱크가 압력계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 미세기포 노즐이, 중공형의 미세기포 노즐 몸체; 상기 미세기포 노즐 상부에 상기 과포화 유체의 보텍스(vortex) 운동을 유도하여 유체를 가속시키는 유체가속부; 상기 유체가속부의 하부에 위치하고, 상기 유체가속부를 거친 기포를 전단 파괴(shear failure)하여 미세기포화하는 전단 파괴부; 및 상기 전단 파괴부의 하부에 위치하고, 상기 유체가속부 및 상기 전단 파괴부의 상하 위치를 조절하는 조절스프링;을 포함할 수 있다.
상기 교반부가, 회전형 막대인 교반기; 상기 교반기의 외면에 단수 또는 복수개 설치되어 유체의 교반을 수행하는 임펠러; 및 상기 교반기를 구동하는 교반 모터;를 포함할 수 있다.
상기 유도관의 상부에 위치하고, 단수 또는 복수의 홀이 형성되어 유체의 경계면에서 유체의 이동량을 증폭시키는 것을 특징으로 하는 개구부를 추가로 포함할 수 있다.
상기 생물학적 반응조가 상기 유도관의 상부의 측면에서 연결되는 유체 유입관을 추가로 포함하고, 상기 유체 유입관과 연결되며 탈질 미생물을 포함한 무산소 탈질조를 추가로 포함하고, 상기 무산소 탈질조가 상기 내부순환펌프로부터 상기 접촉반응조에서 질산화 처리된 유체를 공급받을 수 있다.
상기 무산소 탈질조가, 하부가 밀폐된 중공형의 탈질조 몸체; 중공형이고, 상기 탈질조 몸체에 수용되며, 상기 생물학적 반응조에서 처리된 유체가 이송되는 탈질조 이송관; 상기 탈질조 이송관과 연결되고, 상기 탈질조 몸체로 폐수를 유입시키는 폐수유입관; 및 상기 탈질조 몸체와 상기 생물학적 반응조의 상기 유체 유입관을 연결하며 탈질 처리된 유체를 생물학적 반응조로 이송하는 탈질조 배출관;을 포함할 수 있다.
상기 접촉반응조의 측면 상부에 처리된 유체가 배출되는 배출관을 추가로 포함할 수 있다.
상기 생물학적 반응조가 MLSS(mixed liquor suspended solid)을 포함할 수 있다.
상기 MLSS가 호기성 미생물 및 임의성 미생물을 포함할 수 있다.
상기 접촉반응조에서 상기 호기성 미생물에 의해 형성된 아질산 이온(NO2 -)이 무산소 상태에서 직접 탈질화될 수 있다.
본 발명의 폐수처리를 위한 생물학적 반응조는 암모니아성 질소를 포함하는 폐수의 질산화 및 탈질이 이루어지는 생물학적 반응조에서 산소공급시의 폭기 에너지를 절감하고, 유체 내 용존 산소량을 증가시키고 위치에 따른 용존 산소량을 조절하여 고농도의 미생물 플록을 유지하여 폐수처리 효율을 향상시키는 데 있다. 또한, 폭기에 따른 미생물 플록의 파괴를 최소화하여 미생물 플록의 생물활성을 최적화하고 침전조에 처리수가 전달된 경우 상등수의 질을 향상시키며, 반응조의 용존산소량을 조절하여 탈질조에 용존산소가 최소화된 유체를 전달하여 탈질효율을 향상시키는 효과가 있다.
반응조는 호기영역과 무산소영역을 동시에 구비하여 호기영역에서 질산화가 이루어지고 무산소영역에서 탈질이 이루어지게 함으로써 질산화 탈질의 에너지저감 및 질소제거효율을 높이는 효과가 있다.
또한, 반응조 내 유속을 느리게 하여 아질산으로부터 직접 탈질하는 미생물의 작용을 가능케 하여 탈질 효율을 더욱 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 생물학적 반응조의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 생물학적 반응조의 산소용해부(A)의 확대도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 생물학적 반응조의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 생물학적 반응조의 산소용해부(A')의 확대도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 생물학적 반응조의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 생물학적 반응조의 산소용해부(A)의 확대도이다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 생물학적 반응조(100)에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 생물학적 반응조(100)는 접촉반응조(110), 내통(120), 유도관(130), 내통경사판(122), 유도경사관(132), 보텍스 가속부(140), 미세기포펌프(150), 및 개구부(160)를 포함한다.
상기 생물학적 반응조는 MLSS(mixed liquor suspended solid)을 포함하여 폐수처리에 이용될 수 있다.
접촉반응조(110)는 하단이 밀폐된 중공관 형태이고, 유도관(130) 및 내통(120)을 수용하고, 하단의 바닥면은 유도관(130) 및 내통(120)의 하단과 소정의 간격을 형성하여 유체가 흘러가는 공간을 형성하여 생물학적 반응조(100)의 외부 하우징 역할을 수행할 수 있다.
접촉반응조(110) 내에서 유체에의 용존산소의 공급 및 미생물 플록과의 방향성을 갖는 유체의 흐름에 따른 부드러운 혼합이 일어남에 따라 콜로이드 흡착, 유기물 분해 및 질산화 반응이 이루어질 수 있다. 구체적으로, 접촉반응조(110)와 내통(120)의 사이에는 용존산소의 농도가 높아 임의성 미생물에 의한 유기물의 분해가 일어날 수 있고, 호기성 미생물에 의한 질산화 작용이 일어날 수 있다.
내통(120)은 중공관 형태이고, 유도관(130)의 외주면과 소정의 간격을 형성하며 유도관(130)을 둘러싸고, 외측 즉, 내통의 외면과 접촉반응조의 내면의 사이에 형성되는 공간에는 유체의 상향류가 형성될 수 있고, 내측에는 도면에 화살표로 표시된 바와 같이 유체의 하향류가 형성될 수 있다. 이때, 유체의 흐름이 내통(120)의 외측으로부터 내측으로 이루어지면서 내측의 하향류에서는 상기 질산화 반응에 의해 용존산소가 거의 소비되었으므로 용존산소가 거의 존재하지 않아 무산소 상태에 가까운 유체가 형성될 수 있다. 이와 같은 무산소 상태에 가까운 유체가 내통(120)과 유도관(130) 사이에 형성되는 하향류를 형성하고, 이 부분에 존재하는 MLSS, 구체적으로 임의성 미생물이 탈질작용을 수행할 수 있다. 도시하지는 않았으나, 내통(120)과 유도관(130) 사이에 메디아(media)를 형성하여 임의성 미생물의 부착을 용이하게 하여 탈질 효율을 더욱 향상시킬 수도 있다. 이와 같은 무산소 상태의 유체와 임의성 미생물이 무산소 탈질조(200)에 전달될 때 탈질의 효율이 더욱 향상될 수 있다. 탈질조(200)의 임의성 미생물은 탈질조에 처음부터 존재하거나, 생물학적 반응조(100)에서 반송된 것일 수 있다.
본 발명의 생물학적 반응조에서의 폐수처리 과정은 상술한 바와 같이 유체가 접촉반응조(110)에서 탈질조(200)로 이동하면서 이루질 수 있다. 그러나, 도시된 바와 같이 최초의 유체는 탈질조(200)로 유입되므로, 유체는 탈질조(200)로부터 접촉반응조(110)로 최초로 이동하며 처리되는 것을 볼 수 있다. 따라서, 본 발명의 생물학적 반응조로 유입된 최초의 유량을 Q 라고 할 때, 접촉반응조(110)에서 탈질조(200)로 반송되는 유량은 1Q 내지 3Q 가량되어 순환비율이 100 내지 300%가 되도록 하여 유체 정화 효율을 향상시킬 수 있다.
이와 같은 유체의 방향성을 갖는 흐름에 따라 생물학적 반응조(100)의 유체의 위치에 따라 용존 산소의 농도가 달라지므로 용존 산소의 농도를 조절할 수 있다. 또한, 산소의 용해 효율이 향상되므로 고농도 MLSS를 유지할 수 있다.
유도관(130)은 중공관 형태이고, 산소용해부(A)인 보텍스 가속부(140)로부터 산소가 추가로 용해된 미세기포를 포함하는 유체를 상부로 공급받고, 하부로 배출하여 유체의 하향류를 형성할 수 있다. 유도관(130)의 상부의 일부는 접촉반응조(110)의 상단에서 소정의 높이만큼 노출된다. 따라서, 유도관(130)의 상부는 공기 중으로 노출될 수 있으며, 외부의 공기를 추가로 흡입할 수 있다.
유도관(130)은 미세기포와 유체를 접촉반응조(110)의 하부로 이송되는 과정에서 기포의 유체 내 체류시간을 증가시켜 기포의 용해 효율을 극대화할 수 있다.
유도경사관(132)은 유도관(130)의 하단과 연결되고 하부로 갈수록 직경이 커지는 중공관 형태이고, 유도관(130) 하부로 이송된 상기 유체를 상기 내통(120)과 접촉반응조(110) 사이에 형성되는 공간으로 상향의 유체 흐름을 형성할 수 있다.
내통경사관(122)은 내통(120)의 하단과 연결되고 하부로 갈수록 직경이 작아지는 중공관 형태이고, 유도관(130) 하부로 이송된 상기 유체를 상기 내통(120)과 접촉반응조(110) 사이에 형성되는 공간으로 상향의 유체 흐름을 형성할 수 있다.
상기 내통경사관(122)의 하단은 유도경사관(132)의 하단보다 높은 위치에 있어 유도관(130)의 하단으로 배출되는 유체가 내통(120)의 내측으로 유입되는 것을 최소화하고, 내통(120)의 외측으로 유체의 대부분이 이동하여 상향류를 형성하도록 할 수 있다.
개구부(134)는 유도관(130)의 상부에 위치하고, 단수 또는 복수의 홀(hole)이 형성되어 유체의 경계면에서 베르누이의 원리를 통해 유체의 이동량을 증폭시킬 수 있다.
보텍스 가속부(140)은 산소용해부(A)를 구성하고, 미세기포 펌프(150)로부터 공급되는 미세기포를 포함하는 유체의 보텍스(vortex) 운동을 유도하여 외부의 산소를 흡입하고, 상기 유체의 흐름을 가속시켜 상기 산소를 미세기포화할 수 있다.
보텍스 가속부(140)는 보텍스 형성부(142) 및 보텍스 가속튜브(144)를 포함한다.
보텍스 형성부(142)는 유도관(130)의 상단의 중심에 배치되는 회전형 막대형 부재이고, 막대의 회전에 따라 유체의 보텍스가 형성될 수 있다.
보텍스 가속튜브(144)는 보텍스 형성부(142)의 둘레에 형성되는 깔때기형의 부재이고, 보텍스가 형성된 유체가 점차로 좁아지는 통로를 통과하며 유체 흐름이 가속될 수 있다.
보텍스 가속부(140)에 형성되는 압력을 제어하기 위하여 경우에 따라 압력계(146)을 추가로 설치할 수 있다.
유체의 보텍스 운동에 따라 유체의 압력이 낮아지고 이에 따라 외부의 공기가 흡입될 수 있으며, 유체의 흐름을 가속시킴으로써 흡입된 공기가 미세화되기에 용이한 조건을 형성할 수 있다.
미세기포 펌프(150)는 생물학적 반응조(100)에서 처리되는 유체의 상단에 존재하는 유체를 유입관(190)으로부터 공급받고, 산소공급부(미도시)로부터 외부의 산소를 추가로 공급받아 물과 산소를 혼합하여 산소를 미세기포화할 수 있다.
미세기포 펌프(150)에서 생물학적 반응조(100)로 공급되는 유체의 압력을 제어하기 위하여 경우에 따라 압력계(152)를 추가로 설치할 수 있다.
내부순환펌프(160)는 내통(120)의 하부 영역에 배치되고, 하향류를 형성하는 유체, 즉, 미생물 플록에 의해 처리된 유체를 공급받아 외부로 이송할 수 있다.
내부순환펌프(160)로부터 공급되는 유체의 압력을 제어하기 위하여 경우에 따라 압력계(162)를 추가로 설치할 수 있다.
생물학적 반응조(100)는 유도관(130)의 상부와 측면에서 연결되는 유체 유입관(170)을 추가로 포함하고, 유체 유입관(170)과 연결되며 탈질 미생물을 포함한 무산소 탈질조(200)를 추가로 포함할 수 있다.
무산소 탈질조(200)는 내부순환펌프(160)로부터 생물학적 반응조(100)에서 처리된 유체를 공급받을 수 있다.
구체적으로, 무산소 탈질조(200)는 탈질조 몸체(210), 탈질조 이송관(220), 폐수 유입관(230), 및 탈질조 배출관(240)을 포함한다.
탈질조 몸체(210)은 하부가 밀폐된 중공형의 구조일 수 있다.
탈질조 이송관(220)은 중공형이고, 탈질조 몸체(210)에 수용되며 탈질조 몸체(210)로 생물학적 반응조(100)에서 처리된 유체가 이송될 수 있다.
폐수유입관(230)은 탈질조 이송관(220)과 연결되고, 탈질조 몸체(210)로 폐수를 유입시킬 수 있다.
탈질조 배출관(240)은 탈질조 몸체(210)와 생물학적 반응조(100)의 유체 유입관(170)을 연결하며 탈질 처리된 유체를 생물학적 반응조(100)로 이송시킬 수 있다.
경우에 따라, 무산소 탈질조(200)의 탈질을 효율적으로 수행하기 위하여 교반펌프(250)을 추가로 설치할 수 있다.
생물학적 반응조(100)의 측면 상부에는 질산화 처리된 유체가 배출되는 배출관(180)을 추가로 포함할 수 있다.
생물학적 반응조(100)로 최초로 유입되는 유체는 무산소 탈질조(200)에서 유체의 질산화 과정을 거친 것이며, 탈질 과정을 거친 유체는 다시 무산소 탈질조(200)로부터 생물학적 반응조(100)로 전달되어 미생물 플록에 따른 질산화 과정을 거칠 수 있다. 또한, 탈질 및 질산화 과정을 1회 이상 거친 유체는 배출관(180)으로 배출되어 침전조(미도시)로 이송되어 플록을 침전시키고 정화된 유체를 얻을 수 있다.
본 발명의 생물학적 반응조(100)는 고농도의 MLSS 상태에서도 상기 침전조 고형물 부하를 낮게 유지할 수 있으므로 고농도 MLSS에 의한 침전조 슬러지 월류현상을 방지할 수 있다. 상기 침전조 슬러지 월류현상이란 유체배출관(180)를 통해 정화된 유체가 침전조(미도시)로 이동할 때 미생물 플록이 함께 넘어가는 현상을 의미한다. 본 발명의 생물학적 반응조(100)는 접촉반응조(110) 내부에서 발생하는 유체의 흐름이 매우 느리므로 미생물 플록의 농도가 아래로 갈수록 높아지는 경향을 나타낼 수 있다. 따라서, 도시된 바와 같이 유체배출관(180)을 접촉반응조(110)의 비교적 높은 위치에 형성시켜 미생물 플록이 넘어가는 것을 최소화할 수 있다.
또한, 경우에 따라, 접촉반응조(110) 내에 미생물 플록의 농도가 지나치게 높아진 경우에는 이를 외부로 배출시킬 필요가 있다. 따라서, 유체 배출관(180)을 접촉반응조(100)의 높은 위치와 상대적으로 낮은 위치에 높이 차를 두고 두 개, 또는 그 이상의 개수로 형성하여 슬러지 월류현상을 방지하면서도 미생물 플록의 농도를 적정 수준에서 유지하도록 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 생물학적 반응조의 개략도이고, 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 생물학적 반응조의 산소용해부(A')의 확대도이다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 생물학적 반응조에 대해 설명하도록 한다.
도시된 바와 같이 본 발명의 제2 실시예에 따른 생물학적 반응조는 산소용해부(A')가 제1 실시예의 산소용해부(A)와 상이한 것 이외에 다른 구성들은 모두 동일하다. 따라서, 이하, 산소용해부(A')에 대해 구체적으로 설명하도록 하고, 제2 실시예에 따른 생물학적 반응조의 다른 구성에 대해서는 상술한 제1 실시예의 설명을 참조하도록 한다.
산소용해부(A')는 압력탱크(300), 미세기포 노즐(400) 및 교반부(500)을 포함한다.
압력탱크(300)는 미세기포 펌프(150)로부터 공급받은 유체에 압력을 가하여 용존산소의 농도를 높여 과포화 유체를 형성할 수 있다.
구체적으로, 압력탱크(300)는 3 내지 5kgf/cm2의 압력을 유지하여 유체에 산소의 용해도를 높이는 것이 바람직하다.
압력탱크(300)는 유입노즐(310), 하향류 유도관(320), 정류통(330), 압력탱크 몸체(340) 및 에어벤트(350)를 포함한다.
유입노즐(310)은 미세기포 펌프(150)로부터 유체를 공급받을 수 있다.
하향류 유도관(320)은 유입노즐(310)과 연결되고, 상기 유체의 하향류를 형성하는 중공관 형태의 부재일 수 있다.
정류통(330)은 하향류 유도관(320)을 수용하고, 하향류 유도관(320)의 하단과 소정의 간격이 형성된 바닥면을 갖는 하부가 밀폐된 중공관 형태의 부재일 수 있다.
압력탱크 몸체(340)은 하향류 유도관(320) 및 정류통(330)을 수용할 수 있다.
에어벤트(350)은 압력탱크 몸체(340)의 외부에 배치되고, 압력탱크 몸체(340)의 내부로 산소를 공급할 수 있다.
경우에 따라, 압력탱크(300)는 압력탱크(300) 내 압력을 조절하거나 일정 상태로 유지하기 위하여 압력계(360)을 추가로 포함할 수 있다.
미세기포 노즐(400)은 압력탱크(300)로부터 상기 과포화 유체를 공급받아 산소를 미세기포화할 수 있다.
또한, 미세기포 노즐(400)은 미세기포 노즐 몸체(410), 유체 가속부(420), 전단 파괴부(430) 및 조절스프링(440)을 포함한다.
미세기포 노즐 몸체(410)는 중공형 부재이다.
유체 가속부(420)는 미세기포 노즐 몸체(410)의 중공의 상부에 상기 과포화 유체의 보텍스(vortex) 운동을 유도하여 유체를 가속시킬 수 있다.
전단파괴부(430)은 유체가속부(420)의 하부에 위치하고, 유체가속부(420)를 거친 기포를 전단 파괴(shear failure)하여 미세기포화할 수 있다.
조절스프링(440)은 전단파괴부(430)의 하부에 위치하고, 유체가속부(420) 및 전단파괴부(430)의 상하 위치를 조절할 수 있다.
상기 교반부(500)는 교반기(510), 임펠러(520) 및 교반 모터(530)을 포함한다.
교반기(510)은 회전형 막대형일 수 있다.
임펠러(520)는 교반기(510)의 외면에 단수 또는 복수개 설치되어 유체의 교반이 더욱 원활히 이루어지도록 할 수 있다. 도면에는 임펠러(520)가 두 개 설치된 것을 예시하였다.
교반 모터(530)는 교반기(510)를 구동하여 회전시킴으로써 임펠러(520)도 동시에 회전할 수 있도록 할 수 있다.
이하, 상술한 본 발명의 폐수처리를 위한 생물학적 반응조에서의 폐수처리 과정을 유체의 흐름을 중심으로 살펴보도록 한다.
먼저, 폐수유입관(230)으로부터 처리가 필요한 유체 즉, 폐수가 들어오고, 무산소탈질조(200)로 이동한다. 다음으로 탈질조 배출관(240) 및 유체유입관(170)을 통해 이동한 유체는 생물반응조(100)로 이동하고, 유도관(130)을 통해 하향류를 형성하며 이동한다.
다음으로, 유도경사관(132) 및 내통경사관(122)에 의해 유체의 흐름은 내통(120)의 외측으로 형성되어 상향류를 형성하고, 접촉반응조(110)의 상부에 도달하여 내통(120)의 상단에 이르면 내통(120)의 내측으로 방향을 바꾸어 하향류를 형성하게 된다. 이와 같은 과정을 거치며, 접촉반응조(110) 내에서 유체는 MLSS에 의해 질산화가 이루어지고, 용존 산소량은 매우 낮아져 무산소 상태에 가까워 질 수 있다.
이와 같은 과정을 거친 접촉반응조(110)의 유체는 일부 배출관(180)으로 빠져나가고, 일부는 펌프유입관(190)을 통해 미세기포 펌프(150)로 유입되며, 일부는 내부순환펌프(160)에 의해 다시 무산소탈질조(200)로 이동할 수 있다.
미세기포펌프(150)에서는 유입된 유체와 외부의 공기를 흡입하여 혼합하고, 유체 내 미세기포를 형성할 수 있다. 미세기포가 형성된 유체는 산소용해부(A 또는 A')에서 외부 산소를 추가로 받아들여 흡입하고 가속 및 교반됨으로써 흡입된 산소를 미세기포화하고 유체 내 용존 산소량을 증가시킬 수 있다. 산소용해부(A 또는 A')를 거친 유체는 유도관(130)에서 하향류를 형성하며, 상기 설명과 동일한 과정으로 접촉반응조(110) 내부에서 흐름을 형성할 수 있다.
이때, 무산소탈질조(200)로 이동한 유체는 무산소 상태에 가까운 유체이므로 탈질 미생물에 의한 탈질 과정이 매우 효율적으로 수행될 수 있다. 탈질이 이루어진 유체는 다시 접촉반응조(110)로 이동할 수 있고, 이후의 과정은 상술한 바와 같이 반복될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 생물학적 반응조로 유입된 폐수는 무산소탈질조(200) 및 접촉반응조(110)를 1회 또는 복수 회 순환하면서 처리되어 침전조(미도시)로 이동하여 수처리가 완료될 수 있다.
구체적으로, 접촉반응조(110)와 내통(120) 사이에서 형성되는 상향류에서는 용존 산소가 높으므로 호기성 미생물에 의해 질산화 작용이 일어나, 암모니아성 물질에 포함된 암모늄 이온(NH4 +)에 의해 아질산 이온(NO2 -)와 질산 이온(NO3 -)이 순차적으로 형성되며, 상기 질산이온은 임의성 미생물에 의한 탈질작용으로 제거될 수 있다.
또한, 본 발명의 생물학적 반응조(100)에서의 접촉반응조(110)는 내부에 형성되는 상향류 및 하량류의 속도가 매우 느리므로, 무산소 상태에서 아질산이온이 직접 탈질되어 제거될 수 있다.
종래의 접촉반응조에서는 유속의 흐름이 빨라 증식속도가 매우 느린 아질산 이온을 직접 탈질하는 미생물이 존재하기 매우 어려웠으나, 본 발명은 상기 미생물의 증식이 접촉반응조(110)에서 이루어질 수 있어 탈질작용의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 생물학적 반응조 110: 접촉 반응조
120: 내통 122: 내통경사관
130: 유도관 132: 유도경사관
134: 개구부 140: 보텍스 가속부
150: 미세기포 펌프 160: 내부순환 펌프
170: 유체유입관 180: 유체배출관
190: 펌프 유입관 200: 무산소 탈질조
300: 압력탱크 310: 유입노즐
320: 하향류 유도관 330: 정류통
340: 압력탱크 몸체 350: 에어벤트
400: 미세기포 노즐 410: 미세기포 노즐 몸체
420: 유체 가속부 430: 전단 파괴부
440: 조절 스프링 500: 교반부
510: 교반기 520: 임펠러
530: 교반 모터

Claims (19)

  1. 유체와 산소를 혼합하여 미세기포를 형성하는 미세기포 펌프;
    상기 미세기포 펌프에서 형성된 미세기포를 포함하는 유체를 공급받고, 외부의 산소를 공급받아 상기 미세기포를 포함하는 유체에 산소를 추가로 용해시키는 산소용해부;
    중공관 형태이고, 상기 산소용해부로부터 산소가 추가로 용해된 미세기포를 포함하는 유체를 상부로부터 공급받고, 하부로 배출하는 유도관;
    중공관 형태이고, 상기 유도관의 외주면과 소정의 간격을 형성하며 상기 유도관을 둘러싸고, 내측에는 유체의 하향류가 형성되고, 외측에는 유체의 상향류가 형성되는 내통;
    하단이 밀폐된 중공관 형태이고, 상기 유도관 및 상기 내통을 수용하고 하단의 바닥면은 상기 유도관 및 상기 내통의 하단과 소정의 간격을 형성하는 접촉반응조;
    상기 내통의 하부 영역에 배치되고, 상기 유체의 하향류를 공급받아 무산소 탈질조로 이송하는 내부순환펌프;
    상기 유도관의 하단과 연결되고 하부로 갈수록 직경이 커지는 중공관 형태이고, 상기 유도관 하부로 이송된 상기 유체를 상기 내통의 외측으로 상향의 유체 흐름을 형성하는 유도경사관; 및
    상기 내통의 하단과 연결되고 하부로 갈수록 직경이 작아지는 중공관 형태이고, 상기 유도관 하부로 이송된 상기 유체를 상기 내통의 외측으로 상향의 유체 흐름을 형성하는 내통경사관; 을 포함하는 생물학적 반응조이고,
    상기 내통경사관의 하단은 상기 유도경사관의 하단보다 높은 위치에 있고,
    상기 생물학적 반응조는 MLSS(mixed liquor suspended solid)을 포함하고,
    상기 MLSS는 호기성 미생물 및 임의성 미생물을 포함하고,
    상기 접촉반응조에서 상기 호기성 미생물에 의해 형성된 아질산 이온(NO2 -)이 무산소 상태에서 직접 탈질화되고,
    상기 접촉반응조와 내통 사이에서 상기 임의성 미생물에 의한 유기물의 분해가 일어나고, 상기 호기성 미생물에 의한 질산화 작용이 일어나며,
    상기 내통과 유도관 사이에서 상기 임의성 미생물에 의한 탈질작용이 일어나는 생물학적 반응조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미세기포 펌프가 상기 접촉반응조에서 흐르는 유체와 산소를 혼합하여 미세기포를 형성하는 것을 특징으로 하는 생물학적 반응조.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 산소용해부가 상기 미세기포를 포함하는 유체의 보텍스(vortex) 운동을 유도하여 외부의 산소를 흡입하고, 상기 유체의 흐름을 가속시켜 상기 산소를 미세기포화하는 보텍스 가속부를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물학적 반응조.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 보텍스 가속부가,
    상기 유도관의 상부 중심에 배치되는 회전형 막대형 부재이고, 유체의 보텍스를 형성하는 보텍스 형성부; 및
    상기 보텍스 형성부의 둘레에 형성되는 깔때기형의 부재이고, 보텍스가 형성된 유체의 흐름을 가속하는 보텍스 가속튜브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물학적 반응조.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 산소용해부가,
    상기 미세기포 펌프로부터 공급받은 유체에 압력을 가하여 용존산소의 농도를 높여 과포화 유체를 형성하는 압력탱크;
    상기 압력탱크로부터 상기 과포화 유체를 공급받아 산소를 미세기포화하는 미세기포 노즐; 및
    상기 유도관의 상부에 설치되고, 상기 미세기포 노즐로부터 미세기포가 포함된 유체를 공급받아 교반하고, 교반된 유체를 상기 유도관으로 공급하는 교반부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물학적 반응조.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 압력탱크가 3 내지 5kgf/cm2의 압력을 유지하는 것을 특징으로 하는 생물학적 반응조.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 압력탱크가,
    상기 미세기포 펌프로부터 유체를 공급받는 유입노즐;
    상기 유입노즐과 연결되고, 상기 유체의 하향류를 형성하는 중공관 형태의 하향류 유도관;
    상기 하향류 유도관을 수용하고, 상기 하향류 유도관의 하단과 소정의 간격이 형성된 바닥면을 갖는 하부가 밀폐된 중공관 형태인 정류통;
    상기 하향류 유도관 및 정류통을 수용하는 압력탱크 몸체; 및
    상기 압력탱크 몸체의 외부에 배치되고, 상기 압력탱크 몸체의 내부로 산소를 공급하는 에어벤트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물학적 반응조.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 압력탱크가 압력계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 생물학적 반응조.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 미세기포 노즐이,
    중공형의 미세기포 노즐 몸체;
    상기 미세기포 노즐 상부에 상기 과포화 유체의 보텍스(vortex) 운동을 유도하여 유체를 가속시키는 유체가속부;
    상기 유체가속부의 하부에 위치하고, 상기 유체가속부를 거친 기포를 전단 파괴(shear failure)하여 미세기포화하는 전단 파괴부; 및
    상기 전단 파괴부의 하부에 위치하고, 상기 유체가속부 및 상기 전단 파괴부의 상하 위치를 조절하는 조절스프링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 생물학적 반응조.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 교반부가,
    회전형 막대인 교반기;
    상기 교반기의 외면에 단수 또는 복수개 설치되어 유체의 교반을 수행하는 임펠러; 및
    상기 교반기를 구동하는 교반 모터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물학적 반응조.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 유도관의 상부에 위치하고, 단수 또는 복수의 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 개구부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 생물학적 반응조.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 생물학적 반응조가 상기 유도관의 상부의 측면에서 연결되는 유체 유입관을 추가로 포함하고, 상기 유체 유입관과 연결되며 탈질 미생물을 포함한 무산소 탈질조를 추가로 포함하고,
    상기 무산소 탈질조가 상기 내부순환펌프로부터 상기 접촉반응조에서 질산화 처리된 유체를 공급받는 것을 특징으로 하는 생물학적 반응조.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 무산소 탈질조가,
    하부가 밀폐된 중공형의 탈질조 몸체;
    중공형이고, 상기 탈질조 몸체에 수용되며, 상기 생물학적 반응조에서 처리된 유체가 이송되는 탈질조 이송관;
    상기 탈질조 이송관과 연결되고, 상기 탈질조 몸체로 폐수를 유입시키는 폐수유입관; 및
    상기 탈질조 몸체와 상기 생물학적 반응조의 상기 유체 유입관을 연결하며 탈질 처리된 유체를 생물학적 반응조로 이송하는 탈질조 배출관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 생물학적 반응조.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 접촉반응조의 측면 상부에 처리된 유체가 배출되는 배출관을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 생물학적 반응조.
  17. 삭제
  18. 삭제
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KR102580886B1 (ko) * 2023-05-16 2023-09-19 주식회사 태영건설 호기성 입상슬러지 과립화 촉진을 위한 배양조 및 이의 제어방법

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