KR101814983B1 - 미생물 슬러지 회수 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미생물 슬러지 회수 장치 및 회수 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 생물학적 처리 방법에 의해 하수를 처리하는 시스템에 있어서 생물반응조 내에 미생물 농도를 고농도로 유지하면서도 2차 침전지에서의 미생물 슬러지 처리 부하가 증가하지 않도록 생물반응조에서 유출되는 미생물 슬러지를 회수하는 장치 및 이를 이용한 회수 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 미생물 슬러지 회수 장치는 1rpm이하로 저속 회전하는 회전체로 내부를 교반하여 미생물 침전성을 향상시키는 미생물 슬러지 침강 가속기와, 미생물 슬러지 침강 가속기에서 배출되는 상등수 및 고농축 슬러지에 포함된 첨가제를 나선형의 유로에 통과시켜 분리하는 첨가제 분리기를 포함한다.

Description

미생물 슬러지 회수 장치{An apparatus for microorganism sludge holding}

본 발명은 미생물 슬러지 회수 장치 및 회수 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 생물학적 처리 방법에 의해 하수를 처리하는 시스템에 있어서 생물 반응조 내에 미생물 농도를 고농도로 유지하면서도 2차 침전지에서의 미생물 슬러지 처리 부하가 증가하지 않도록 생물 반응조에서 유출되는 미생물 슬러지를 회수하는 장치 및 이를 이용한 회수 방법에 관한 것이다.

생활 하수나 산업 폐수 등의 오수(汚水)는 일반적으로 미생물에 기반한 생물학적 처리 기술에 의해 정화된다. 이러한 하수의 처리는 다단계의 처리 과정을 거치게 된다. 도1은 종래 하수 처리 시스템의 일 예를 도시한 블록도이다. 이를 참조하면, 하수 처리 시스템은 스크린 및 침사지(3), 1차 침전지(4), 생물 반응조(5), 2차 침전지(6), 소독 및 방류조(7), 농축조(8) 및 슬러지 저류조(9)를 포함하여, 유입된 오수에 대해 수처리를 수행한다.

스크린 및 침사지(3)는 오수와 함께 흘러 들어 온 큰 오염물을 제거하는 구성이다. 오수 속에 포함된 모래나 흙을 비롯하여 기타 물보다 무거운 입자 성분의 물질들은 스스로 침전되고, 이와 같이 침전된 물질은 침사인양기 등을 통해 바닥에서 제거된다. 물에 뜨는 물질이라도 비닐이나 유기체 조각, 나무나 헝겊 등 부피가 큰 물질은 스크린을 통해 걸러진다. 이에 따라 시설 내 기계류의 마모나 관로의 막힘을 방지하고, 후속 공정에서의 처리효율을 높일 수 있게 된다.

1차 침전지(4)는 스크린 및 침사지(3)로부터 모래 등이 제거된 오수를 받아 오랜 시간 동안 체류시킴으로써, 오수 중 비교적 미세한 물질들까지 침전시킨다. 1차 침전지에 가라앉은 침전물(즉, 생슬러지)은 농축조(8)로 보내진다. 한편, 1차 침전지의 상등수(즉, 위에 뜬 물)는 표면에 떠다니는 부유물 등이 기계적 설비를 통해 제거된 후 다음 공정인 생물 반응조(5)로 보내진다. 1차 침전지에 유입되는 유량을 분배 및 조절하여 유입부하량을 균질화하기 위한 유량조정조가 1차 침전지 앞단에 마련될 수도 있다.

생물 반응조(5)는 생물학적 처리 공정 또는 활성슬러지 공정이 이루어지는 구성이다. 구체적으로, 생물 반응조(5)는 송풍기를 연결한 산기장치 혹은 기계식 폭기장치 등을 통해 공기를 공급하고, 오수 중의 산소 농도를 적절히 유지시킨다. 즉, 용존산소(DO) 농도를 조절하여 미생물의 대량증식이 가능하도록 한다. 혐기성 미생물은 무산소 영역에서 탈질소화 과정을 통해, 그리고 호기성 미생물은 호기 영역에서 질산화 과정을 통해 오수 속의 유기물을 활발히 분해, 섭취하여 몸체를 불리게 된다. 미생물은 플록(floc)이라는 덩어리를 이루어 오수 속의 미세한 유기물에 흡착하기도 한다. 이와 같이 생물 반응조(5)에서 성장한 미생물의 덩어리는 유기물을 활발히 섭취하여 제거하는 능력이 있어 활성슬러지라고 불린다.

2차 침전지(6)는 생물 반응조(5)에서 성장한 활성슬러지를 제거하는 구성이다. 다시 말하면, 활성슬러지의 침전성을 이용하여 2차 침전지(6)에 침전시킨 후, 오염물이 제거되어 깨끗해진 상등수만을 소독 및 방류조(7)로 유출한다. 활성 슬러지의 표면에는 미처 분해되지 못한 유기물이 같이 부착되어 있으므로, 침전에 의해 분리된 고형물 중 일부를 생물 반응조(5)로 반송한다. 반송되지 않은 여분이 슬러지 즉, 잉여슬러지는 농축조(8)로 보내진다.

소독 및 방류조(7)는 2차 침전지(6)의 처리수에 함유되어 있는 세균류를 염소 소독이나 자외선 조사 등을 통해 살균하고, 소독 처리된 물을 최종적으로 수역에 방류한다.

농축조(8)는 1차 침전지에서 분리된 생슬러지와 2차 침전지에서 발생한 잉여슬러지를 혼합 유입시키고, 농축시킨 후 슬러지 저류조(9)로 이송시킨다. 다시 말하면, 농축조(8)는 혼합된 슬러지를 고액 분리하여 슬러지의 부피를 감소시키고 농도를 높이는 공정을 수행한다.

슬러지 저류조(9)는 농축조(8)로부터 농축된 슬러지를 모아 소정 기간 체류시키고, 슬러지를 후속의 탈수시설에 연속적으로 혹은 일시적으로 반출시킨다. 이는 농축조(8)와 탈수시설의 운전시간을 조정하기 위해 마련된다.

상술한 바와 같이 수처리 시스템은 다수의 공정을 거치면서 유입된 오수를 정화한다. 이러한 수처리 시스템에 있어서 생물 반응조(5)에서의 미생물 슬러지 농도(MLSS, Mixed Liquor Suspended Solid)는 통상 1,500 ~3,000㎎/ℓ 범위에서 운전되는 것이 일반적이나, 최근에는 도시 집중화에 따라 하수의 유입 농도가 증가하고, 유입량 변동 폭이 확대되고 있으며, 또한 동절기 질소처리 기준이 강화됨에 따라 미생물 슬러지 농도를 높게 운전하는 방법에 대한 수요가 증대되고 있다. 미생물 슬러지 농도를 높게 운전하는 방법으로는 MBR(Membrane Bio-Reactor), MBBR(Moving Bed Biofilm Reactor) 등이 있다.

MBR방식은 통상적으로 0.1㎛이하의 공극을 갖는 Membrane이라는 여과막을 통해 생물반응조의 미생물 슬러지를 분리하는 방법으로써 미생물 슬러지 농도를 고농도로 유지할 수 있고 슬러지의 침전성에 영향을 받지 않고 분리가 가능하다는 장점이 있으나, 시간이 경과함에 따라 여과막의 투과량이 감소되고 여과 과정에 많은 에너지가 소비되는 문제가 있다. 또한 우수의 유입 등으로 단시간에 유입량이 증가하는 경우는 처리가 어려운 한계가 있다.

MBBR 방식은 생물 반응조(5) 내에 다양한 형태의 담체를 투입 후 미생물 슬러지를 부착하는 방식으로 미생물 농도를 높일 수 있는 또 다른 방식이다. MBBR은 주로 부하가 높은 생물반응조 유입부에 설치되는 것이 일반적이다. 그런데 이러한 MBBR 방식은 담체에 미생물이 부착된 후 공기공급의 원활하지 못할 경우 일부분에서 슬러지의 부패나 탈리가 발생할 수 있고, 슬러지 침전성이 저하될 수 있고, 담체의 회수를 위한 별도의 장치가 필요한 문제가 있다.

이에, 최근에는 유량의 변동성에 대한 대응이 용이하면서 생물반응조내에 별도의 담체 추가 없이도 미생물 슬러지 농도를 높게 운전할 수 있는 방안에 대한 검토가 새롭게 시도되고 있다. 그 하나의 방법으로 생물반응조에 첨가제나 가중응집제를 투입하여 미생물 슬러지의 비중을 증가시킴으로써 2차 침전지에서의 고액분리를 보다 용이하게 하고 첨가된 가중응집제는 2차 침전지 외부에 존재하는 분리기에 의해 슬러지와 첨가제 혹은 가중응집제를 분리하는 방식이 시도되고 있다. 이와 같은 방식의 경우에는 비중이 큰 첨가제나 가중응집제를 생물반응조 내에 투입함에 따라 수조 바닥에 쉽게 침전되어 퇴적 및 부패될 수 있고, 산기관 위에 부착되어 산기효율을 저하시킬 수 있으며, 침적이나 부착방지를 위해서는 폭기용 에너지의 소비가 커지는 문제점을 가지고 있다. 또한, 첨가제나 가중응집제를 투입하지 않은 경우에 비해 침전성이 양호해지더라도 2차 침전지의 유입 고형물 부하는 오히려 크게 증가함에 따라 2차 침전지의 운영이 쉽지 않은 단점을 가지게 된다. 또한, 미생물슬러지 농도에 맞춰 생물반응조 전체에 첨가제나 가중응집제를 투입하여야 하므로 많은 양이 소비되는 단점을 가지고 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로 생물반응조와 2차 침전지 사이에 미생물 슬러지 회수장치를 설치하여 고농도의 미생물 슬러지나 미생물슬러지 첨가제 혼합액을 고액분리시켜 2차 침전지 유입고형물 부하를 낮출 수 있고, 미생물 슬러지와 첨가제의 분리효율을 더욱 더 향상시킬 수 있는 미생물 슬러지 회수 장치 및 회수 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 미생물 슬러지 회수 장치는 생물 반응조로부터 미생물 슬러지가 포함된 유입수를 받아 저장하는 수조를 형성하는 하우징과, 유입수가 상기 수조의 하부로 흘러내리도록 유로를 형성하는 유입파이프와, 상기 수조 내에 상하로 설치되는 회전축과, 상기 회전축의 둘레에 설치되어 상기 회전축과 함께 일체로 회전하는 복수의 교반봉과, 상기 수조의 상부에 형성되어 상등수를 배출하는 웨어와, 상기 웨어에서 배출되는 상등수를 집수하는 외측 수조를 포함하는 미생물 슬러지 침강 가속기와, 상기 미생물 슬러지 침강 가속기에서 배수되는 상등수에 포함되는 첨가제를 분리하기 위해 상등수를 통과시키는 나선형의 유로와, 상기 나선형 유로의 종단부에서 나선형 유로의 안쪽에 형성되어 첨가제를 배출하는 내측 배출구와, 상기 나선형 유로의 종단부에서 나선형 유로의 바깥쪽에 형성되어 미생물 슬러지를 배출하는 외측 배출구를 포함하는 제1 첨가제 분리기와, 상기 미생물 슬러지 침강 가속기에서 배출되는 농축 슬러지 중에 포함되는 첨가제를 분리하기 위해 배출된 농축 슬러지를 통과시키는 나선형의 유로와, 상기 나선형 유로의 종단부에서 나선형 유로의 안쪽에 형성되어 첨가제를 배출하는 내측 배출구와, 상기 나선형 유로의 종단부에서 나선형 유로의 바깥쪽에 형성되어 미생물 슬러지를 배출하는 외측 배출구와, 상기 내측 배출구에 인접하여 설치되어 내측 배출구를 통해 배출되는 첨가제를 자력에 의해 끌어 당기는 배출구 자석을 포함하는 제2 첨가제 분리기를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제2 첨가제 분리기의 나선형의 유로가 형성하는 면은 지면에 대하여 수직한 각을 이루도록 상기 제2 첨가제 분리기는 수직하게 설치되며, 상기 제2 첨가제 분리기의 나선형의 유로의 하부에는 중력에 의해 가라 앉는 첨가제를 배출하기 위한 중간 출구가 형성된다.

또한, 상기 제2 첨가제 분리기는 상기 중간 출구에 인접하여 설치되며 상기 중간 출구를 통해 배출되는 첨가제를 자력에 의해 끌어 당기기 위한 중간 출구 자석을 더 포함한다.

또한, 상기 미생물 슬러지 침강 가속기는 상기 수조 내부 공간을 상하로 구획하는 복수의 구획판을 더 포함하고, 상기 구획판에는 상기 수조 내에서 상승하는 하수의 유동 통로를 형성하는 다수의 통공이 형성되고, 상기 구획판은 상기 회전축에 결합되어 상기 회전축과 함께 일체로 회전하면서 상기 수조 내에서 상승하는 하수에 층류흐름을 형성한다.

또한, 상기 회전축은 상기 유입파이프의 내부에 설치되어 생물 반응조로부터의 유입수는 상기 회전축 둘레를 따라 상기 수조의 하부로 흘러 내리게 한다.

또한, 상기 복수의 교반봉은 상기 복수의 구획판을 상하로 관통하여 설치되며, 동심원을 그리면서 방사상으로 배치되고, 상기 수조 내의 미생물 슬러지의 침강 작용을 촉진 할 수 있도록 상기 회전축과 함께 1 rpm 이하로 저속 회전한다.

한편, 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 미생물 회수 방법은 생물 반응조로부터 유입된 유입수에 미생물 침전을 촉진하기 위한 첨가제를 투입하고, 1 rpm 이하로 저속 회전 하는 회전체에 의해 교반하여 미생물을 침전시키는 단계와, 미생물이 침전된 후 부상하는 상등수를 나선형의 유로에 통과시켜 유로 내부에서 내측벽과 외측벽을 순환하도록 형성되는 흐름에 의해 첨가제와 미생물을 분리시키는 단계와, 상기 미생물 회수 방법은 미생물을 침전시키는 단계에서 침전된 농축 슬러지를 나선형의 유로에 통과시켜 첨가제와 미생물을 분리시키고, 나선형의 유로가 이루는 면을 지면에 수직하게 형성하여 중력에 의해 첨가제를 분리하는 단계를 포함할 수 있다.

이러한 본 발명에 따른 미생물 슬러지 회수 장치는 생물 반응조와 2차 침전지 사이에 위치하여 생물 반응조에서 유출되는 고농도의 미생물 슬러지 일부를 회수하여 2차 침전지에서의 고형물 부하를 저감하는 기능을 제공한다.

본 발명의 미생물 슬러지 회수 장치는 저속 교반에 의한 미생물 슬러지 침강 가속기와 미생물 침강성 향상을 위한 첨가제를 복합적으로 사용할 수 있어 미생물 침강성이 높다.

본 발명의 미생물 슬러지 회수 장치는 미생물과 첨가제를 분리할 수 있는 첨가제 분리기를 제공함으로써, 2차 침전지로 유입될 수 있는 첨가제의 양을 줄여주고, 미생물 및 첨가제의 회수율이 우수한 장점이 있다.

도1은 종래 하수 처리 시스템의 일 예를 도시한 블록도.
도2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 슬러지 회수 장치를 구성하는 미생물 슬러지 침강 가속기를 도시한 사시도.
도3은 도2의 A-A'선에 따라 자른 단면을 도시한 도면.
도4는 도2의 B-B'선에 따라 자른 단면을 도시한 도면.
도5는 도2의 C-C'선에 따라 자른 단면을 도시한 도면.
도6은 미생물 침강 가속기를 이용하여 저속 교반을 수행한 경우와 통상적인 중력침전을 통해 미생물 침전성을 시험한 결과를 도시한 그래프.
도7은 도6의 시험 과정을 매5분 단위로 촬영한 사진.
도8은 본 발명의 바림직한 일 실시예에 따른 슬러지 회수 장치를 구성하는 첨가제 분리기를 도시한 평면도.
도9는 도8의 D-D'선에 따라 자른 단면 사시도.
도10은 첨가제 분리기의 유로 위치에 따른 첨가제와 미생물 분리상태를 도시한 단면도.
도11은 여러 개의 첨가제 분리기를 적층하여 사용되는 상태를 도시한 단면도.
도12는 첨가제 분리기의 다른 일 예를 도시한 도면.
도13은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 미생물 슬러지 회수 장치를 도시한 블록도.
도14는 미생물 침전성을 시험한 결과를 그래프로, 왼쪽의 그래프는 통상적인 중력침전에 의한 경우, 가운데 그래프는 첨가제만 주입한 경우, 오른쪽의 그래프는 첨가제 주입 및 저속교반을 병행한 경우를 나타내는 그래프.
도15는 도14의 시험 과정을 매15분 단위로 촬영한 사진.

이하에서는 본 발명의 다양한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형이 가해질 수 있다. 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명을 해당 실시예로 한정하기 위해 기술되는 것이 아니다. 본 발명은 이하의 실시예뿐만 아니라 본 명세서 전체로부터 이해되는 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형물, 대체물, 균등물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서 사용될 수 있는 “포함한다”, “구성된다”, “가진다” 등의 표현은 추가적인 구성 요소나 기능을 배제하지는 않은 것으로 이해되어야 한다.

이하에서 사용될 수 있는 “제1…”, 제2…”, “첫째”, “둘째”등의 표현은 명시적으로 언급되지 않는 한 구성 요소들 사이의 순서나 중요도 등을 한정하는 의미로 해석되어서는 안 된다.

이하에서 사용될 수 있는 “결합된다”, “연결된다” 등의 표현은 명시적으로 언급되지 않는 한 직접적으로 결합되거나 연결되어 있는 경우뿐만 아니라 중간에 다른 구성 요소가 존재하거나 개재될 수도 있는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서 용어의 사용에 있어서 단수의 표현은 명시적으로 언급되지 않는 한 복수의 표현을 배제하지 않은 것으로 이해되어야 한다.

우선 본 발명에 따른 미생물 슬러지 회수 장치를 구성하는 개별 요소들에 대하여 먼저 설명한다.

본 발명에 따른 미생물 슬러지 회수 장치는 미생물 슬러지 침강 가속기를 포함한다. 도2 내지 도5는 이러한 미생물 슬러지 침강 가속기의 일 예를 도시한 것이다. 이들에 도시된 바와 같이, 미생물 슬러지 침강 가속기(100)는 상하 방향으로 긴 원통 형상의 하우징(101)을 가지며, 그 내부는 유입되는 하수의 집수 공간인 수조(V)를 이룬다. 하우징(101)의 측면 상부에는 생물 반응조의 하수 유입을 위한 유입구(102)가 형성되고, 하우징(101)의 측면 하부에는 침강된 미생물 슬러지를 배출하기 위한 배출구(103)가 형성된다. 유입구(102)의 위치는 하우징(101)의 측면뿐만 아니라 상면 또는 하면에 배치될 수도 있다. 또한 배출구(103)의 위치도 하우징(101)의 측면뿐만 아니라 하면 또는 상면에 배치될 수도 있다. 하우징(101) 내부에는 그 중앙부에 상하 방향으로 길게 설치되는 회전축(111)이 구성된다. 회전축(111)의 상단은 하우징(101) 상부로 노출되며, 노출된 상단에는 회전축(111)에 회전 구동을 발생시키는 구동모터(미도시)가 연결될 수 있다. 회전축(111)의 둘레에는 유입수가 아래로 흐를 수 있도록 관로를 형성하는 유입파이프(112)가 구성된다. 회전축(111)의 외측 및 유입파이프(112) 내측에 형성되는 공간은 유입수가 아래로 흐르도록 하는 유동 공간을 형성한다. 유입파이프(112)의 상단은 유입구(102)로 연결되고, 하단은 수조(V) 바닥으로부터 소정 거리 이격된 위치까지 연장된다. 유입수는 유입파이프(112) 하단을 통해 수조(V) 하부로 배출된다(도3의 화살표 “F1” 참조).

하우징(101) 내부 공간인 수조(V)에는 생물 반응조로부터 유입되는 유입수가 저장된다. 본 발명의 미생물 슬러지 회수 장치는 생물 반응조의 미생물 슬러지가 고농도로 운전되는 상황에 있어서 2차 침전지로 배출 전 미생물 슬러지를 회수하여 2차 침전지에서의 고액분리 처리 부하를 저감하기 위한 것이다. 따라서 수조(V)로 유입되는 유입수 중의 미생물 농도 MLSS는 3,000 ~ 8,000 ㎎/ℓ 또는 그 이상의 고농도 일 수 있다. 유입수 중의 활성미생물은 침강 작용에 의해 아래로 침전되고 침전된 미생물 슬러지는 배출구(103)을 통해 외부로 배출된다. 하우징(101) 측면 상부에는 상당량의 미생물이 침전에 의해 제거되고 남은 상등수(supernatant)를 월류(overflow) 시키기 위한 타공형 웨어(weir)(104)가 형성된다. 웨어(104)는 하우징(101) 측면 둘레를 따라 다수 개가 형성된다. 웨어(104)의 바깥쪽으로는 유출되는 상등수를 집수하기 위한 외측 수조(105)가 구성된다. 외측 수조(105)에 집수된 상등수는 2차 침전지로 바로 배출되거나 또는 후속 추가 처리 공정을 진행한 후에 2차 침전지로 배출될 수 있다.

하우징(101) 내부 수조(V) 공간은 수 개의 구획판(120)에 의해 위 아래로 분할된다. 본 실시예의 미생물 슬러지 침강 가속기(100)는 4개의 구획판(120A, 120B, 120C, 120D)을 구비하고 있으나(도3 참조), 2개, 3개 또는 그 외의 개수로 구성될 수도 있다. 구획판(120)은 그 위치에 따라 상하방향 순서대로 제1, 제2, 제3, 제4구획판(120A, 120B, 120C, 120D)으로 구분될 수 있다. (이하에서는 특정 위치의 구획판을 지칭할 때는 도면번호 “120”에 알파벳 대문자를 부가하여 구분하고, 그렇지 않고 통칭할 때는 도면번호 “120”으로만 표기한다.) 도4 및 도5를 참조하면, 구획판(120)은 하우징(101) 내부 수평 단면상의 대부분 면적을 차지하는 원판 형태를 갖는다. 구획판(120)의 중앙에는 회전축(111)과 유입파이프(112)가 관통하여 설치되며, 구획판(120)은 회전축(111) 및 유입파이프(112)와 함께 일체로 회전한다. 구획판(120)이 설치되는 높이는 가변 될 수 있다. 구획판(120) 상에는 다수의 통공(121)이 방사상으로 열을 이루며 분포된다. 통공(121)의 크기, 개수, 배치 위치 등은 달라질 수 있다. 구획판(120)의 둘레에는 하우징(101)의 측벽에 인접하도록 돌출되는 다수의 돌출부(122)와, 인접한 두 돌출부(122) 사이에 배치되며 하우징(101)으로부터 일정 거리 이격된 둘레부를 이루는 만입부(123)가 구성된다. 만입부(123)와 하우징(101) 측벽 사이에는 이격 공간(124)이 형성된다. 전술한 다수의 통공(121)과 이격 공간(124)은 미생물 슬러지가 침전되고 남은 유입수가 상승하는 유동 통로를 형성 한다(도3의 화살표 “F2” 참조). 다수의 구획판(120A, 120B, 120C, 120D) 사이에는 이들을 상하로 관통하는 수 개의 교반봉(130)이 설치된다. 본 실시예에 있어서 교반봉(130)은 8개가 2개의 동심원을 그리며 방사상으로 배열되어 있으나, 그 개수 및 배치 등은 달라 질 수 있다.

회전축(111), 유입파이프(112), 구획판(120) 및 교반봉(130)은 하나의 회전체를 구성한다. 이 회전체는 수조(V) 내에서 일체로 저속 회전하면서 미생물 침강 작용을 촉진하여 침전을 가속시키도록 작용한다. 본 발명의 미생물 침강 가속기(100)는 이러한 회전체를 1 rpm 이하의 저속으로 회전시켜 미생물 슬러지의 방해침전을 저감시킴으로써 미생물 슬러지의 침강성을 향상시킨다.

생물 반응조로부터 유입되는 고농도의 미생물 슬러지를 포함하는 하수는 유입파이프(112) 내부를 타고 흘러 수조(V)의 하부로 유입된다. 수조(V) 하부로 유입된 하수 중의 미생물은 수조(V) 바닥에 침전되고 남은 성분은 전술한 구획판(120)을 통과하여 상승하게 된다. 구획판(120)은 상승하는 유체에 층류를 형성하여 흐름을 안정시키는 기능을 제공한다. 다시 말하면, 상승하는 유체 흐름상에 와류나 난류 형성을 최소화하여 유체 흐름을 안정화시킨다. 또한, 1 rpm 이하로 저속 회전하는 교반봉(130)은 미생물 응집(flocculation)을 촉진하고, 미생물 슬러지간 방해침전을 저감시켜 침전 작용을 향상시킨다.

미생물의 침전 효과를 더욱 향상시키기 위해서 미생물 침강 가속기(100)로 유입되는 하수에는 침전 작용을 촉진하는 첨가제가 함께 주입될 수 있다. 이러한 첨가제는 예를 들어 철(Fe) 성분을 포함하여 자력으로 회수가 용이한 마그네타이트(Magnetite, Fe₃O₄), 페라이트(Ferrite, Fe₂O₃)일 수 있다. 첨가제는 유입구(102)의 앞단이나 유입파이프(112)의 상단을 통해 주입될 수 있다. 주입된 첨가제는 미생물 슬러지와 함께 배출구(103)를 통해 배출되거나 일부는 상등수에 부유하는 상태로 외측 수조(105)로 유출될 수 있다.

도6은 이러한 본 발명의 미생물 침강 가속기(100)를 이용하여 저속 교반을 수행한 경우와 통상적인 중력침전에 의한 미생물 침전성을 시험한 결과를 그래프로 나타낸 것이다. X축은 경과 시간을 나타내며, Y축은 샘플 표본 하수 부피 1000㎖ 중 침전된 슬러지 부피(SV)(㎖)를 나타낸다. 또한, 도7은 이러한 시험 결과를 매5분 단위로 1시간 동안 촬영한 사진으로 각 사진에서 왼쪽은 교반을 수행한 경우의 시험관이고 오른쪽은 교반을 수행하지 않은 경우의 시험관이다. 맨 왼쪽의 사진이 시험의 시작 시점의 사진이고 맨 오른쪽의 사진이 1시간 경과 후의 사진이다. 이 시험 결과를 통해 확인되는 바와 같이 교반이 없는 경우는 1시간이 경과하더라도 침전된 높이에 거의 변화가 없는 반면, 교반이 가해진 경우는 1시간이 경과한 경우 침전 높이가 거의 1/2로 줄어든 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 본 발명의 미생물 침강 가속기(100)는 미생물 슬러지의 침강성을 획기적으로 향상시켜 단시간에 상당량의 미생물이 침전되는 효과를 제공한다.

다시 도3을 참조하면 미생물 침강 가속기(100)는 높이(Ha) 1 ~ 5 m(미터), 직경(Da) 약 0.5 ~ 3m(미터)의 크기를 가질 수 있으나, 처리 부하 용량이나 사용 부지 여건에 따라 달라질 수 있다. 미생물 침강 가속기(100)는 생물 반응조와 2차 침전지 사이에서 미생물 회수 기능을 제공하기 위한 것으로 생물 반응조와 별도로 부지 공간을 확보하여 시공되거나, 또는 별도의 면적을 차지 하지 않도록 기존 생물 반응조 내부에 가설 하는 형태로 시공될 수도 있다.

본 발명의 미생물 슬러지 회수 장치는 또한 미생물 침강 가속기에 주입된 첨가제를 분리해 내기 위한 첨가제 분리기(200, 200')를 더 포함할 수 있다. 첨가제 분리기(200, 200')는 미생물과 첨가제의 비중, 유체 흐름에 의한 작용력, 중력, 자력 등을 이용하여 이들을 서로 분리하는 기능을 제공한다.

도8을 참조하면, 첨가제 분리기(200)는 나선형(spiral)의 유로(210)를 가지며 유로(210)의 바깥쪽 단부에 미생물과 첨가제가 혼합된 물이 투입되는 투입구(201)를 가지며, 유로(210)의 안쪽 단부에 미생물과 첨가제가 분리되어 배출되는 배출구(202)를 갖는다. 배출구(202)는 유로(210)의 안쪽 단부가 두 갈래로 분기되어 그 단부 상에 구성된다. 배출구는 미생물 분리기(200)의 중심에 가까운 안쪽 단부에 형성되는 내측 배출구(202a)와 내측 배출구(202a) 보다 바깥 쪽에 형성되는 외측 배출구(202b)를 포함한다. 미생물과 첨가제가 혼합된 상태의 물은 투입구(201)를 통해 유입되어 나선형의 유로(210)를 따라 흐르면서 유체 흐름에 의해 점차 분리된다. 미생물과 첨가제가 분리된 상태의 물은 배출구(202)에 이르러서, 첨가제는 내측 배출구(202a)로 배출되고, 미생물은 외측 배출구(202b)를 통해 배출된다.

도9는 유로(210) 단면상에 유체의 흐름을 도시한 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 나선형의 유로(210)를 흘러가는 유체는 유로(210)의 내측벽(211)과 외측벽(212) 사이를 순환하는 흐름(도9의 점선 참조)을 형성한다. 유체 내의 미생물과 첨가제는 이러한 흐름의 영향을 받아 흐르면서 비중이 큰 첨가제는 내측벽(211) 쪽으로 모이게 되고, 비중이 작은 미생물은 외측벽(21) 쪽으로 모이게 된다. 도10을 참조하여 좀 더 상세히 설명하면, 첨가제 분리기(200)의 투입구(201)에 가까운 지점에서는 도10(a)에 도시된 바와 같이 미생물과 첨가제가 혼재된 상태에서 유체가 흐르게 되고, 중간 지점에서는 도10(b)에 도시된 바와 같이 미생물은 외측벽(212)으로 치우치고, 첨가제는 내측벽(211)으로 치우치게 된다. 그리고 배출구(202)에 다다르면 도10(c)에 도시된 바와 같이, 첨가제와 미생물이 완전히 분리된 상태가 된다. 따라서 첨가제는 내측 배출구(202a)를 통해서 배출되고, 미생물은 외측 배출구(202b)를 통해서 배출된다. 이와 같은 분리 효과를 얻기 위해서 유로(210)의 단면은 도시된 바와 같이 사각형상인 것이 바람직하다. 본 실시예에 있어서 첨가제 분리기(200)의 유로(210)는 투입구(201)에서 배출구(202)에 이르기까지 약 1080°(도) 회전하는 긴 경로를 가지나, 유로(210)의 길이는 달라질 수 있다. 또한, 첨가제 분리기(200)의 처리 용량의 필요에 따라 도11에 도시된 바와 같이 다수의 첨가제 분리기(200)가 적층되어 사용될 수 있다. 이러한 첨가제 분리기(200)는 미생물 슬러지 침강 가속기(100)에서 배출되는 상등수 중에 혼합되어 있는 첨가제를 분리하기 위한 용도로 사용될 수 있다.

한편, 미생물 슬러지 침강 가속기(100)의 배출구(103)를 통해 배출되는 고농도의 미생물 슬러지 및 첨가제를 포함하는 농축수(이하, “농축 슬러지”라 한다.) 중의 첨가제를 분리하기 위해서는 첨가제의 분리 효과를 좀 더 극대화 하기 위해 첨가제 분리기(200)의 구조를 추가적으로 변경할 수 있다. 도12는 그러한 첨가제 분리기(200')를 도시한 것으로, 도12(a)는 그 구성을 개략적으로 도시한 것이며, 도12(b)는 도12(a)에 첨가제 및 미생물의 분리 상태를 함께 도시한 것이다. 이에 도시된 바와 같이, 첨가제 분리기(200')는 전술한 첨가제 분리기(200)와 마찬가지로 나선형의 유로(210)와, 투입구(201) 및 배출구(202)를 갖는다. 나선형의 유로(210)를 흐르는 유체 내에서 첨가제와 미생물 분리 작용은 전술한 바와 같다. 도12의 첨가제 분리기(200')는 내측 배출구(202a)의 인근에 배출구 자석(M1)이 설치된다. 배출구 자석(M1)은 도시된 바와 같이 배출구(202a)에 인접한 유로(210)의 내측 측벽을 따라 배치된다. 첨가제는 철(Fe) 성분을 포함하고 있어 배출구 자석(M1)의 자력에 의해 당겨지게 된다. 전술한 바와 같이 나선형의 유로(210) 내부를 흐르는 유체 내에서 비중이 큰 첨가제는 내측 측벽으로 모이게 되는 힘을 받게 되는데, 배출구 자석(M1)은 이와 동일한 방향으로 당기는 힘을 제공하여 첨가제 분리가 더욱 잘 일어나도록 한다. 또한, 첨가제 분리기(200')는 중력에 의한 첨가제 분리를 위해 지면에 대해 수직하게 세워질 수 있다. 즉 유로(210)가 이루는 면이 지면에 대하여 수직하게 또는 중력 작용에 의해 첨가제 분리가 가능한 정도로 소정의 각을 이루도록 설치될 수 있다. 마그네타이트의 경우 비중이 4.9 ~ 5.2로 상당히 무거운 물질 이기 때문에 도12(b)에 도시된 바와 같이 유로(210)의 하부를 지날 때 미생물보다 아래쪽으로 가라앉게 된다. 유로(210)상에는 이처럼 가라앉은 첨가제를 배출하기 위한 중간출구(203)가 형성된다. 도시된 바와 같이 중간출구(203)는 유로의 가장 바깥쪽 하부에 형성되는 제1중간출구(203a)와, 그보다 안쪽에 형성되는 제2중간출구(203b)를 포함할 수 있다. 중간출구(203)는 이 둘 중 어느 하나만 형성될 수도 있다. 중간출구(203)의 바깥쪽으로는 중간출구(203)를 통한 첨가제 배출 작용을 촉진하기 위한 중간출구 자석(M2)이 더 부가될 수 있다. 이러한 첨가제 분리기(200')는 자력과 중력을 추가적으로 이용하여 첨가제 배출 기능을 향상시킨다. 따라서 첨가제 및 슬러지가 고농도로 혼합되어 있는 농축 슬러지 내의 첨가제를 분리하는데 사용될 수 있다.

다음은 전술한 미생물 슬러지 침강 가속기(100)와 첨가제 분리기(200, 200')를 포함하는 미생물 슬러지 회수 장치 및 그 동작을 설명한다. 도13은 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물 슬러지 회수 장치(10)를 도시한 것이다. 이를 참조하면, 본 발명의 미생물 슬러지 회수 장치(10)는 생물 반응조와 2차 침전지 사이에 위치하여 생물 반응조에서 유출되는 고농도의 미생물 슬러지 일부를 회수하여 2차 침전지에서의 고형물 부하를 저감하는 기능을 제공한다. 본 발명의 미생물 슬러지 회수 장치(10)를 통해서 2차 침전지로 유출되는 유출수 중의 미생물 슬러지 농도 MLSS는 3,000㎎/ℓ인 것이 바람직하다. 미생물 슬러지 회수 장치(10)는 전술한 미생물 슬러지 침강 가속기(100)와 첨가제 분리기(200, 200')를 포함한다. 도시된 미생물 슬러지 침강 가속기(100)는 생물 반응조의 외부에 별도로 구성되어 있으나, 전술한 바와 같이 생물 반응조 내부에 내장되어 구성될 수도 있다. 미생물 슬러지 침강 가속기(100)에는 생물 반응조 내의 고농도 활성 슬러지를 포함하는 하수가 유입된다. 미생물 슬러지 침강 가속기(100)는 내부에 1 rpm이하로 저속 회전하는 회전체에 의해 미생물 침강 작용을 촉진하여 빠른 속도로 활성 미생물을 침강시킨다. 미생물의 농도가 높은 경우 침강 작용을 촉진하기 위한 첨가제가 투입될 수도 있다. 상당량의 미생물이 침전된 후 미생물 슬러지 침강 가속기(100) 위쪽으로 올라오는 상등수는 2차 침전지로 배출되거나, 또는 첨가제 분리기(200)로 유입될 수 있다. 미생물 슬러지 침강 가속기(100) 내의 침전성이 양호한 경우, 예를 들어 SV(Sludge Volume)가 50% 이하인 경우는 첨가제를 투입하지 않고, 저속 교반 기능만 사용하여 슬러지를 침전시키고, 상등수는 바로 2차 침전지로 배출할 수 있다. SV가 50%를 초과하는 경우는 첨가제 투입을 병행하여 슬러지를 침전시킬 수 있다. 이때는 상등수 중에 포함되어 있는 첨가제를 분리하기 위해 상등수를 첨가제 분리기(200)로 유입시켜 첨가제를 분리한 후에 슬러지만 2차 침전지로 유입시킨다. 미생물 슬러지 침강 가속기(100)의 배출구(103)를 통해 배출되는 농축 슬러지는 생물 반응조로 바로 반송하거나 또는 첨가제 분리기(200')를 통해 첨가제를 분리한 후에 첨가제는 미생물 슬러지 침강 가속기(100)로 재투입하고, 분리된 고농축 슬러지만 생물 반응조로 반송할 수도 있다. 첨가제 분리기(200, 200')는 첨가제 투입 여부 및 그 투입량에 따라 선택적으로 사용될 수 있다. 즉, 둘 다 사용되지 않거나, 둘 중 하나만 사용되거나, 모두 사용될 수 있다.

이러한 본 발명에 따른 미생물 슬러지 회수 장치(100)는 생물 반응조와 2차 침전지 사이에 위치하여 생물 반응조에서 유출되는 고농도의 미생물 슬러지 일부를 회수하여 2차 침전지에서의 고형물 부하를 저감하는 기능을 제공한다.

본 발명의 미생물 슬러지 회수 장치는 저속 교반에 의한 미생물 슬러지 침강 가속기와 미생물 침강성 향상을 위한 첨가제를 복합적으로 사용할 수 있어 미생물 침강성이 높다. 도14는 미생물 침전성을 시험한 결과를 그래프로 나타낸 것으로, 왼쪽의 그래프는 통상적인 중력침전에 의한 경우를 15분 단위로 75분 동안 시험한 결과로 X축은 경과 시간을 나타내며, Y축은 샘플 표본 하수 부피 1000㎖중 침전된 슬러지 부피(SV)(㎖)를 나타낸다. 가운데 그래프는 첨가제만 주입한 경우를 마찬가지 방식으로 나타낸 것이며, 오른쪽의 그래프는 첨가제 주입 및 저속교반을 병행한 경우를 마찬가지 방식으로 나타낸 것이다. 또한, 도15는 그러한 시험 결과를 매15분 단위로 75분 동안 촬영한 사진으로 각 사진에서 맨 왼쪽은 통상적인 중력침전에 의한 경우, 가운데는 첨가제만 주입한 경우, 맨 오른쪽은 첨가제 주입과 저속교반을 병행한 경우의 시험관이다. 이들을 참조하여, 75분 경과 후를 비교해보면, 통상적인 중력침전에 의한 경우는 슬러지 부피가 대략 900㎖ 정도로 침전이 매우 불량한 반면, 첨가제만 주입한 경우는 슬러지 부피가 대략 700㎖ 정도로 중력침전에 의한 경우보다 침전성이 향상된 것을 확인할 수 있다. 또한, 첨가제 주입과 저속 교반을 병행한 경우는 슬러지 부피가 대략 550㎖정도로 침전성이 가장 좋은 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 미생물 슬러지 회수 장치는 미생물과 첨가제를 분리할 수 있는 첨가제 분리기를 제공함으로써, 2차 침전지로 유입될 수 있는 첨가제의 양을 줄여주고, 미생물 및 첨가제의 회수율이 우수한 장점이 있다.

10 : 미생물 슬러지 회수 장치
100 : 미생물 슬러지 침강 가속기
101 : 하우징
102 : 유입구
103 : 배출구
104 : 웨어
105 : 외측 수조
111 : 회전축
112 : 유입파이프
120 : 구획판
130 : 교반봉
200, 200' : 첨가제 분리기
201 : 투입구
202 : 배출구
203 : 중간출구
210 : 유로

Claims (10)

1. 미생물 슬러지 농도(MLSS) 3,000 ~ 8,000 ㎎/ℓ로 운전되는 생물 반응조와 침전작용에 의한 고액 분리가 이루어지는 2차 침전지 사이에 배치되어 생물 반응조에서 유출되는 하수 중의 미생물 슬러지 일부를 회수함으로써 2차 침전지에서의 고형물 부하를 저감하는 미생물 슬러지 회수 장치에 있어서,
   상기 미생물 슬러지 회수 장치는 1 rpm 이하의 회전 교반을 통해 미생물 슬러지의 침강성을 증대시키는 미생물 침강 가속기를 포함하고,
   상기 미생물 침강 가속기는 내부에 집수 공간을 형성할 수 있도록 상하 방향으로 설치되며 직경 0.5 ~ 3 미터, 높이 1 ~ 5 미터 크기의 원통 형상을 갖는 하우징과,
   상기 하우징 내부의 중심을 따라 상하 방향으로 설치되며 구동 모터에 의해 회전 되는 회전축과,
   상기 회전축으로부터 이격되며 상기 회전축 둘레에 설치되는 유입파이프를 포함하고,
   상기 회전축과 상기 유입파이프 사이에 형성되는 공간은 생물 반응조로부터 유입된 하수가 상기 하우징 하부까지 주입되는 유동 통로를 형성하고, 상기 유입파이프와 상기 하우징 사이에 형성되는 공간은 미생물 슬러지가 침강되어 정화된 하수가 상승하는 유동 통로를 형성함으로써, 생물 반응조로부터 유입되는 하수와 미생물 슬러지가 침강되어 정화된 하수가 서로 뒤섞이지 않도록 공간적으로 분리되고,
   상기 미생물 침강 가속기는 또한 상기 유입파이프 바깥쪽과 상기 하우징 안쪽 사이의 공간을 상하로 구획하며, 구획된 공간 사이에 하수의 유동 통로를 형성할 수 있도록 통공이 형성되어 상승하는 하수에 층류 흐름을 형성하는 둘 이상의 구획판과,
   상기 둘 이상의 구획판 사이의 공간 상에 상하 방향으로 설치되며 상기 회전축을 중심으로 하여 방사상으로 배치되는 다수의 교반봉을 포함하고,
   상기 구획판 및 상기 교반봉은 상기 회전축에 의해 1 rpm 이하로 회전함으로써 미생물 응집 작용을 일으키고,
   상기 하우징의 상부에는 미생물 슬러지가 침강되어 정화된 상등수를 월류시키기 위한 타공형 웨어가 형성되고,
   상기 타공형 웨어의 바깥쪽으로는 상기 타공형 웨어를 통해 월류된 상등수를 집수하는 외측 수조가 형성되고,
   상기 하우징의 하부에는 침전된 미생물 슬러지를 배출하기 위한 배출구가 형성되고,
   또한, 상기 미생물 침강 가속기에는 미생물 침전을 촉진하기 위한 첨가제가 주입되고, 상기 첨가제는 마그네타이트(Magnetite, Fe₃O₄), 페라이트(Ferrite, Fe₂O₃) 중 어느 하나 이상을 포함하고,
   또한, 상기 미생물 슬러지 회수 장치는 상기 미생물 침강 가속기에서 배수되는 상등수에 포함되는 첨가제를 분리하기 위해 상등수를 통과시키는 나선형 유로를 갖는 제1첨가제 분리기와, 상기 미생물 침강 가속기에서 배출되는 농축 슬러지 중에 포함되는 첨가제를 분리하기 위해 농축 슬러지를 통과시키는 나선형 유로를 갖는 제2첨가제 분리기를 더 포함하고,
   상기 제2첨가제 분리기의 나선형 유로가 형성하는 면이 지면에 대하여 수직한 각을 이루도록 상기 제2첨가제 분리기는 지면에 대하여 수직하게 설치되며, 상기 제2첨가제 분리기의 나선형 유로 하부에는 중력에 의해 가라 앉는 첨가제를 배출하기 위한 중간 출구가 형성되고, 상기 중간 출구를 통해 배출되는 첨가제를 자력에 의해 끌어 당기기 위한 중간 출구 자석이 상기 중간 출구에 인접하여 설치된 미생물 슬러지 회수 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 구획판은 원판 형태를 가지며, 그 중앙에는 상기 회전축 및 상기 유입파이프가 관통하여 설치되고,
   상기 통공은 상기 구획판 상에 방사상으로 열을 이루어 분포되고,
   상기 구획판의 둘레에는 상기 하우징의 측벽에 인접하도록 돌출되는 다수의 돌출부와, 인접한 상기 어느 두 돌출부 사이에 배치되며 상기 하우징으로부터 일정 거리 이격되도록 형성되는 만입부가 형성되고,
   상기 만입부와 상기 하우징 측벽 사이의 이격 공간은 미생물 슬러지가 침강되어 정화된 하수가 상승하는 유동 통로를 형성하는 미생물 슬러지 회수 장치.
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