KR101920687B1

KR101920687B1 - 생물학적 수처리 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101920687B1
Application number: KR1020180000176A
Authority: KR
Inventors: 김성주; 조환철; 진양오
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2017-10-23
Filing date: 2018-01-02
Publication date: 2019-02-13

Abstract

본 발명은 아나목스(anammox) 미생물의 분리를 위한 생물학적 처리 장치 및 이를 사용한 아나목스 미생물의 분리 방법에 관한 것으로, 혐기성 암모니아 산화 반응조에서 배출수에 포함된 균주를 보다 효과적으로 회수하기 위한 장치 및 방법을 제공하기 위해, 아나목스 반응조 등의 혐기성 암모니아 반응조의 출구 혹은 외부에 디스크 필터 혹은 카트리지 필터 모듈을 설치함으로써, 협기성 암모니아 반응에 유용한 균주인 아나목스 미생물을 보다 효과적으로 분리하고, 재사용할 수 있으며, 다양한 기공 크기를 갖는 필터를 선택적으로 적용하도록 제어함으로써, 유용한 미생물 균주의 분리 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

아나목스 미생물 분리를 위한 생물학적 처리 장치 및 방법{A BIOLOGICAL TREATMENT APPARATUS FOR ANAMMOX SEPARATION A SEPARATION METHOD THEREWITH}

본 발명은 아나목스(anammox) 미생물의 분리를 위한 생물학적 처리 장치 및 이를 사용한 아나목스 미생물의 분리 방법에 관한 것으로, 혐기성 암모니아 산화 반응조에서 배출수에 포함된 균주를 보다 효과적으로 회수하기 위한 장치 및 방법을 제공하기 위해, 아나목스 반응조 등의 혐기성 암모니아 반응조의 출구 혹은 외부에 디스크 필터, 스크린 필터 혹은 카트리지 필터 또는 이들의 모듈을 설치함으로써, 혐기성 암모니아 반응에 유용한 균주인 아나목스 미생물을 보다 효과적으로 분리하고, 재사용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 생물학적 처리 장치는, 기존의 혐기성 암모니아 산화 반응조의 후단에 디스크 필터, 스크린 필터 혹은 카트리지 필터 또는 이들의 모듈을 추가함으로써, 종래에 미생물을 분리하거나 회수하기 위해 사용되는 고액 분리 장치에 비해 설치되는 장치의 크기를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 기공 크기를 갖는 필터를 선택적으로 적용하도록 제어할 수 있어, 유용한 미생물 균주의 분리 효율을 향상시킬 수 있다.

일반적으로 하수도, 분뇨, 쓰레기의 최종 처분장 침출수, 각종 산업 배수 등, 배수 중의 암모니아 감소가 필요한 용도는 매우 다양하게 존재한다.

기존의 암모니아 감소를 목적으로 하는 폐수 처리 기술로 다양한 물리화학적 처리나 생물적 처리 기술이 검토되어 왔으며, 실제로 다양하게 사용되고 있다. 일반적으로 암모니아의 감소는 최종적으로는 안전한 질소 가스로 전환한 후 대기 중에 배출하는 형태로 이루어지는데, 많은 경우, 전환 속도가 너무 낮고, 반응조가 거대하여 설비 비용이 커지거나, 공급되는 에너지 자원량이 크고, 유지비용이 너무 높은 경우가 대부분이다.

따라서, 생물학적인 처리방법인 질화 탈질법이 가장 널리 사용되고 있는데, 이때 암모니아 함유 폐수는 호기적 조건에서 처리되고, 자영양성 세균인 아초산균(대표종으로서 Nitrosomonas)에 의해 아초산으로 전환된 후에 자영양성 세균인 초산균(대표종으로서 Nitrobacter)에 의해 질산으로 전환된다.

이후, 혐기 조건에서 처리되고, 유기물을 수소 공여체로 하는 다른 영양성 탈질 세균에 의해 질산이 질소 가스로 전환된다. 이 프로세스는 현재 가장 넓게 이용되고 있지만, 질화의 단계에서 다량의 산소가 소비되는 것에서 폭기 동력이 과대하게 되는 것, 탈질의 단계에서 전자 공여체로서의 메탄올 등의 유기물 첨가량이 과대하게 되는 것 등의 유지비용상에 문제가 있을 뿐만 아니라, 질화 탈질의 전환 속도도 낮기 때문에 설비 비용상에도 문제가 있다.

따라서 고효율의 생물학적 질소 제거법의 개발이 요구되고 있는데, 혐기성 암모니아 산화법(Anaerobic Ammonium Oxidation: anammox법)이라 불리우는 고효율 프로세스가 제안되어, 실용화가 활발히 진행되고 있다. 상기 프로세스에서는 폐수 중의 암모니아 중 일부가 아초산까지 산화된 후, 아초산과 나머지의 암모니아가 혐기 조건의 탈질 반응조로 공급되어, 자영양성 아나목스(anammox)균에 의해 암모니아가 전자 공여체, 아초산이 전자 수용체가 되는 탈질 반응이 일으키게 된다.

이때 사용되는 anammox 미생물은 혐기성균이며 증식 속도가 매우 낮다. 이러한 아나목스 박테리아 미생물은, 반응조에서 슬러지 형태로 존재하게 되는데, 본 발명에서는 이러한 아나목스 박테리아 미생물을 포함하는 슬러지를 보다 효과적으로 분리하여 회수함으로써, 전체적인 혐기성 암모니아 산화 반응조의 생물학적 처리 효율을 높이고자 한다.

일본 공개특허 제2003-053385호

본 발명은 상기와 같은 종래의 기술이 갖고 있는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 반응조에서 배출되는 아나목스 박테리아 미생물을 포함하는 슬러지를 보다 효과적으로 분리하고, 회수하기 위해, 통상의 고액(solid-liquid) 침강 분리 장치 대신에 운전이 간편하고, 반영구적인 디스크 필터(Disk Filter), 스크린 필터 혹은 카트리지 필터를 사용하고자 한다.

아울러 혐기성 암모니아 산화 반응을 위한 생물학적 처리 장치에 필터 모듈를 적용함으로써, 기존의 침강 분리 장치에 비해 수리학적 체류시간 및 부지면적을 효과적으로 감소시킬 수 있으며, 필터 모듈에 포함된 필터의 기공 크기(Pore Size)를 조절함으로써, 수리학적 체류시간, 슬러지 함수율 등을 탄력적으로 제어할 수 있는 생물학적 전처리 장치와 이의 운전 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 분명해질 것이다.

이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시형태에 따른 생물학적 처리 시스템은, 암모니아성 질소가 포함된 폐수가 도입되는 혐기성 암모니아 반응조; 상기 반응조 후단 혹은 외부에 위치하여, 반응조에서 배출되는 피처리수가 유입되는 필터가 포함된 필터 모듈; 및 상기 필터 모듈에 역세척수를 공급할 수 있는 회수 유닛;을 포함한다.

상기 반응조에는, 폐수에 포함된 암모니아성 질소의 혐기성 암모니아 산화 반응을 수행하는 아나목스 박테리아 미생물이 슬러지 형태로 존재하고, 상기 필터 모듈에는 서로 다른 기공 크기를 갖는, 복수개의 디스크 필터, 스크린 필터 혹은 카트리지 필터가 포함되어 있다.

상기 필터 모듈의 내부에는 반응조에서 배출되는 피처리수에 포함된 아나목스 박테리아 미생물의 슬러지가 케이크 층의 형태로 형성될 수 있는데, 상기 역세척수를 반응기로 공급하는 반송라인이 추가로 더 구비되어, 필터 모듈로 공급되는 역세척 수에 의해 상기 슬러지가 탈착되어 반응조로 회수되는 것이 바람직하다.

상기 필터 모듈에 포함된 필터는, 25 ~ 300㎛의 기공 크기를 갖는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는, 100㎛의 기공 크기를 갖는 디스크 필터, 스크린 필터 혹은 카트리지 필터가 포함될 수 있으며, 상기 필터 모듈에는 복수의 서로 다른 기공 크기를 갖는 디스크 필터가 포함되는 것도 가능하다.

상기 반응조에는, 피처리수에 포함된 아나목스 박테리아 미생물의 슬러지 농도를 측정할 수 있는 측정부가 더 구비될 수 있는데, 상기 반응조의 측정부에서 측정되는 농도 값에 따라 피처리수가 여과되는 디스크 필터를 변화시키는 제어부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시 형태로, 생물학적 전처리 방법을 들 수 있는데, 암모니아성 질소가 포함된 폐수를, 아나목스 박테리아 미생물이 슬러지 형태로 존재하는 혐기성 암모니아 반응조에 공급하는 도입 단계; 반응조에서 배출되는 피처리수를, 상기 반응조 후단 혹은 외부에 위치하는 필터가 포함된 필터 모듈를 사용하여 필터링하는 여과 단계; 및 회수 유닛을 사용하여 상기 필터 모듈에 역세척수를 공급하는 회수 단계;를 포함한다.

상기 반응조에서는, 공급되는 폐수에 포함된 암모니아성 질소의 혐기성 암모니아 산화 반응이 수행되고, 상기 여과 단계는, 상기 필터 모듈의 내부에는 반응조에서 배출되는 피처리수에 포함된 아나목스 박테리아 미생물의 슬러지가 케이크 층의 형태로 형성될 수 있으며, 상기 필터 모듈에는 복수개의 디스크 필터, 스크린 필터 혹은 카트리지 필터가 포함된다.

상기 회수 단계에서 공급된 역세척수는, 필터 모듈 내의 슬러지가 탈착되어 반응조로 다시 회수될 수 있는데, 상기 필터 모듈에 포함된 필터는, 25 ~ 300㎛의 기공 크기를 갖는 것이 바람직하고, 100㎛의 기공 크기를 갖는 디스크 필터가 포함되는 것이 더욱 바람직하다.

상기 여과단계는, 반응조 내의 피처리수에 포함된 아나목스 박테리아 미생물의 슬러지 농도를 측정하여, 측정되는 농도 값에 따라 피처리수가 여과되는 필터 커트리지 내의 필터를 변화시킬 수 있다.

반응조 내에는, 공급되는 피처리수의 미생물 농도, COD 또는 BOD를 측정하는 검출부가 포함될 수 있는데, 이러한 검출부에서 측정되는 피처리수의 미생물 농도, COD 또는 BOD 값에 따라 배출되는 슬러지를 포함하는 피처리수를 상기 디스크 필터 유닛에 포함된 적어도 어느 하나의 디스크 필터로 공급될 수 있다.

상기 디스크 필터로 공급된 슬러지를 포함하는 피처리수는, 디스크 필터를 통해 고액분리되어, 디스크 필터 표면에 케이크 층을 형성하는 데, 상기 디스크 필터의 표면에 케이크 층으로 형성된 슬러지는 여과단계가 진행될수록 증가하게 되어, 디스크 필터의 표면에 형성하되는 케이크 층의 두께가 증가하게 된다.

이러한 디스크 필터 표면의 케이크 층의 두께 증가는, 디스크 필터의 사이에 걸리는 차압(pressure difference)의 증가를 야기하게 되므로, 차압의 증가가 약 20%에 이를 경우에는, 상기 디스크 필터에 의해 피처리수가 처리되는 방향의 반대 방향으로 역세척수를 공급하여 디스크 필터의 표면에 형성된 케이크 층을 이루고 있는 슬러지를 탈착시키는 것이 바람직하다.

이렇게 역세척 수에 의해 탈착되는 슬러지는 반응조로 다시 회수되는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명에 따른 생물학적 처리 장치는, 혐기성 암모니아 반응조의 후단에 디스크 필터를 추가함으로써, 통상의 분리조에 사용되는 고액 침강 분리 장치의 크기를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 기공 크기를 갖는 디스크 필터를 선택적으로 적용하도록 제어함으로써, 아나목스 박테리아 미생물을 포함하는 슬러지의 분리 효율을 향상시킬 수 있으며, 초기 투자비 절감, 자동 운전, 반 영구적 사용으로 비용을 감소시킬 수 있다.

아울러 이렇게 분리된 슬러지에 포함된 아나목스 박테리아 미생물을 다시 반응조로 재순환하여 사용 효율을 높게 유지할 수 있으며, 반응조 내의 피처리수의 미생물 농도, COD(Chemical Oxygen Demand) 또는 BOD(Biological Oxygen Demand) 등과 같은 슬러지 농도를 사전에 측정하여, 사용되는 디스크 필터의 기공(pore) 크기를 다양하게 변화시킬 수 있어, 슬러지의 분리 효율을 최적화할 수 있다.

다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생물학적 처리 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 디스크 필터 유닛을 포함하는 생물학적 처리 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3(a)는 디스크 필터를 통해 고-액분리되는 피처리수를 도식적으로 나타낸 것이고, 도 3(b)는 디스크 필터의 표면에 슬러지가 케이크 층을 형성하는 모습을 도식으로 나타낸 것이며, 도 3(c)는 역세척수를 통해서 디스크 필터 표면에 형성된 슬러지의 케이크 층을 배출하는 과정을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 4는 일 예에 따른 침전조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5(a)와 도 5(b)는 각각 일 예에 따른 오리피스 관을 개략적으로 나타낸 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. 다만 본 발명을 설명함에 있어서 이미 공지된 기능, 혹은 구성에 대한 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

본 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

"제 1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.

아울러 본 명세서에서 첨부되는 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항만으로 한정하여 해석되어서는 아니된다.

폐수의 질화(nitrification)와 혐기성 암모늄 산화(anaerobic ammonium oxidation, anammox)의 하이브리드 처리 방법은, 25~40℃의 범위에서 암모늄 농도가 높은 폐수 혹은 피처리수의 처리를 위해 사용된다. 이때, 암모늄의 절반은 먼저 암모니아 산화 박테리아에 의해 산화되어서 하기 반응식에 따라 아질산염을 형성한다.

4NH₄ ⁺ + 3O₂ -> 2NH₄ ⁺ + 2NO₂ ^- + 4H⁺ + 2H₂O (1)

이후, 생성된 아질산염 및 암모늄은 하기 반응식에 따라 아나목스 박테리아에 의해 이질소(dinitrogen) 기체로 전환된다.

NH₄ ⁺ + NO₂ ^- -> N₂ + 2H₂O (2)

이러한 아나목스 박테리아는 느린 성장 속도를 가지며, 따라서, 폐수의 질화와 혐기성 암모늄 산화의 하이브리드 처리는 약 30℃의 온도를 갖는 폐수 스트림에 주로 적용되는데, 본 발명에서는 이러한 아나목스 박테리아를 보다 효과적으로 회수하여 재사용하기 위한 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시 형태에 따른 생물학적 처리 장치(100)를 도 1에 도식적으로 나타내었다.

상기 생물학적 처리 장치(100)는, 피처리수를 수용하는 수용 공간(101); 상기 수용 공간(101)에 피처리수를 공급하는 유입구(102);와 상기 수용 공간(101)에 수용된 피처리수를 외부로 배출하는 배출구(103);를 포함하는, 혐기성 암모니아 반응조(200); 및 상기 반응조(200)의 배출구(103)를 통해 배출된 피처리수 내에 포함된 아나목스 박테리아 미생물을 포함하는 슬러지를 분리하는 필터 모듈(300);을 포함한다.

상기 반응조(200)에서는 유입되는 피처리수 내에 포함된 암모니아성 질소는 아나목스 박테리아 미생물에 의해 혐기성 암모니아 산화 반응과 같은 생물학적 처리 과정을 거치게 되고, 배출구(103)를 통해 배출되는 피처리수에는 반응조(200)에서 생성된 플럭이 슬러지 형태의 고체 상(solid phase)로 존재하는 상태로 포함되어 있으며, 반응조(200) 내에서 슬러지 형태의 고체 상(solid phase)을 포함하는 피처리수는, 기존의 침전조가 아닌 필터 모듈(300)을 통해 고-액 분리된다.

상기 반응조(200)에서는, 반응조(200) 내부로 공급되는 피처리수 내에 포함된 암모니아성 질소와 아나목스 박테리아 미생물이 앞서 살펴본 바와 같이 혐기성 암모니아 산화 반응이 수행되며, 상기 아나목스 박테리아 미생물은 슬러지 형태로 피처리수 내에 포함된다.

즉, 이러한 반응조(200)에 도입되는 폐수 혹은 피처리수는, 혐기성 소화 반응을 거치게 되는데, 혐기성 암모늄-산화 박테리아(Anammox)를 이용하여 암모늄 함유 피처리수를 혐기성 소화시킨 뒤, 후속되는 필터 모듈(300)를 통해 상기 박테리아만을 선택적으로 분리하게 된다.

상기 필터 모듈(300) 내에는 다양한 기공 크기를 갖는 복수의 디스크 필터, 스크린 필터 혹은 카트리지 필터가 직렬 혹은 병렬로 배치되어 사용될 수 있는데, 이러한 필터의 기공 크기는 25 ~ 300㎛의 크기 범위 내에서 선택될 수 있으며, 바람직하게는 100㎛의 기공 크기를 갖는 필터가 사용될 수 있다.

일 실시예로, 상기 필터 모듈(300)를 도 2과 같이, 서로 다른 기공 크기를 갖는 디스크 필터(301, 302, 303)들이 병렬로 연결되도록 구성한 후(예를 들어 각각의 디스크 필터가 하나의 유닛으로 도시되었으나, 복수개의 디스크 필터, 스크린 필터, 카트리지 필터 혹은 이들의 조합이 직렬로 연결된 다수개의 필터 유닛이 병렬로 배치되는 것도 가능하다), 반응조(200)의 피처리수 수용 공간(101)의 내부에 위치하여 피처리수 내에 포함된 슬러지의 농도를 측정하는 입자 계수기 혹은 피처리수의 미생물 농도, BOD 또는 COD를 측정할 수 있는 검출기 등과 같은 검출 장치(401)의 신호를 수신하는 제어부(400)를 통해 밸브(402)를 제어하여 적절한 기공 크기를 갖는 디스크 필터로 피처리수를 공급할 수 있다.

예를 들어, 기공 크기가 25~50㎛인 디스크 필터(301), 50~100㎛인 디스크 필터(302) 및 100~200㎛인 디스크 필터(303)가 병렬로 연결된 필터 모듈(300)을 구비한 후, 반응조(200)의 피처리수 수용 공간(101)으로 공급되는 피처리수에 포함된 슬러지의 양이 적을 경우에는, 상기 검출 장치(401)에서 검출되는 슬러지 내의 미생물 농도가 낮게 측정될 것이고, 이러한 상기 슬러지에 포함된 아나목스 박테리아 미생물의 농도 역시 상대적으로 작게 되므로, 상기 제어부(400)에서는 반응조(200)에서 배출되는 피처리수를 필터 모듈(300) 내에서도 기공 크기가 상대적으로 작은 디스크 필터(301)로 공급하게 된다.

이러한 피처리수의 수질 검출 장치(401)로, 상기 미생물의 농도, BOD 혹은 COD 검출기 뿐만이 아니라, 형성되는 슬러지 혹은 플럭의 양을 직접 측정하는 입자 계수기 또는 미생물의 농도를 직접 측정할 수 있는 광학적 산란 장치 등 슬러지의 농도를 직접 혹은 간접적으로 측정할 수 있는 계측 장치라면 특별히 제한되는 것은 아니다.

이렇게 반응조(200)에 공급되는 피처리수의 물성을 측정장치를 사용하여 측정함으로써, 이러한 물성의 측정치를 반영하여 후속되는 분리 공정에서 고액 분리되는 디스크 필터의 크기를 선택함으로써, 보다 효과적으로 고액 분리 공정을 수행할 수 있다.

도 3에는 이러한 고액 분리 과정이 수행되는 디스크 필터에 대해서 좀 더 자세히 도시하였다. 상기 도 3에서 확인되듯이, 디스크 필터(301)로 공급된 슬러지를 포함하는 피처리수는, 디스크 필터(301)를 통해 고액분리되어, 디스크 필터 표면에 케이크 층(310)을 형성하게 된다.

이렇게 디스크 필터(301)의 표면에 케이크 층으로 슬러지가 형성됨에 따라 상기 디스크 필터의 표면에서 케이크 층에 의한 여과(cake filtration)이 이루어질 수 있는데, 실제 기공 크기보다 더욱 정밀한 여과 및 고액 분리가 가능해진다.

따라서, 디스크 필터 표면에 초기 케이크 층의 형성이 매우 중요해지는데, 이를 위해 앞서 설명한 것처럼, 공급되는 슬러지의 농도와 양에 따라 적절한 크기의 기공을 갖는 디스크 필터를 선택하는 제어부의 역할이 매우 중요하게 된다.

슬러지 케이크 층에 의한 여과가 진행됨에 따라, 디스크 필터에 걸리는 압력차(△P)는 점점 증가하게 되는데, 약 20%의 수준까지 증가할 경우에는 공정의 안정적인 운전을 위해 역세척을 수행하는 것이 바람직하다.

피처리수가 디스크 필터를 통과하는 방향(예를 들어 Outside→In)의 반대 방향으로, 회수유닛(500)으로부터 공급되는 역세척수를 디스크 필터에 공급하면(예를 들어 Inside→Out), 도 3에 제시된 것처럼 디스크 필터 표면에 형성된 슬러지는 공급되는 역세척수에 의해 탈착된다. 하지만, 피처리수가 필터를 통과하는 방향은 반드시 바깥쪽에서 안쪽으로만 이루어지는 것은 아니며, 반대(Inside→Out)로도 가능한데, 이때에는 역세척수를 공급하는 방향은 반대 방향(Outside→In)으로 이루어지게된다.

즉, 피처리수가 필터를 통과하는 방향은 고정되는 것이 아니라, 선택될 수 있는 것이나, 역세척 수의 공급 방향은 항상 피처리수가 필터를 통과하는 방향과는 반대임에 유의할 필요가 있다.

이때 탈착되는 슬러지는 다시 반응조(200)로 공급됨으로써, 반응조(200)에서 혐기성 암모니아 산화 공정에 다시 사용될 수 있으며, 이로 인해 아나목스 박테리아 미생물을 보다 효율적으로 활용할 수 있게 된다.

필요에 따라, 본 발명에 따른 생물학적 전처리 장치를 구성하는 반응조(200)와 필터 모듈(300)의 사이에 도 4와 같은 형태의 침전조(600)를 추가로 더 구성하는 것도 가능하다. 이 경우에는 앞서 도 1에서 살펴본 종래의 기술에 따른 침전조에 비해 상대적으로 작은 규모의 침전조를 운영하는 것이 가능하며, 필터 모듈(300)에서 수행되는 고액 분리의 되는 슬러지의 양을 감소시켜 줄 수 있어, 디스크 필터의 표면에 형성된 슬러지를 탈착시키기 위한 역세척 주기를 감소시켜 줄 수 있다.

즉, 상기 침전조(600)는 혼화조(100)로부터 플럭을 포함하는 피처리수가 유입되고, 유입된 플럭의 일부를 슬러지 형태로 침전시켜 배출하며, 잔여 플럭을 포함하는 피처리수를 앞서 살펴본 필터 모듈(300)으로 공급하기 위한 것으로, 하부에는 슬러지를 배출하기 위한 슬러지 배출구(605)가 구비되어 있다(도 4 참조). 침전조(600)는 특별히 제한되는 것은 아니나, 전체적인 외관은 원기둥 또는 사각기둥의 형상이되, 하부는 슬러지가 외부로 배출되도록 수직 중심축을 향해 경사지도록 형성되는 것이 바람직하다.

일 실시예에 있어서, 침전조(600)는 플럭을 효과적으로 슬러지 형태로 침전시키기 위하여 하부에 원형의 오리피스 관(610)을 포함할 수 있다. 여기에서 원형은 둥근 형태로 타원형도 포함하는 개념이다. 오리피스 관(610)은 복수 개의 오리피스 홀(611)을 구비할 수 있는데, 침전조(600)의 내벽(601)을 따라 하부로 유도된 플럭이 원형의 오리피스 관(610)에 도달하면 오리피스 홀(611)을 빠른 속도로 통과하면서 슬러지로 침전되어 슬러지 배출구(605)를 통해 배출될 수 있다.

보다 상세하게는, 일반적으로 일정시간 동안 일정한 면적을 흐르는 양인 유량(Q)은 파이프 단면적(A)과 유속(v)의 곱으로 나타낼 수 있는데, 플럭이 원형의 오리피스 관(610)에 형성된 다수의 오리피스 홀(611)을 통과하게 되면, 유량은 동일한데 단면적(오리피스 면적)이 급격히 작아짐에 따라 속도가 매우 커지게 된다. 따라서, 플럭은 매우 빠른 속도로 오리피스 홀(611)을 통과하면서 슬러지로 침전 및 배출된다.

일 실시예에 있어서, 원형의 오리피스 관(610)은 1개 또는 2개 이상의 복수 개일 수 있고, 그 개수는 특별히 한정되지 아니하며, 침전조(600)의 규모 또는 침전 대상의 원수 양에 따라 적절히 선택될 수 있는데, 바람직하게는 2 ~ 3개일 수 있다. 원형의 오리피스 관(610)이 복수 개인 경우 각 오리피스 관(610)의 평균 직경은 같거나 상이할 수 있으며, 보다 바람직하게는 평균 직경이 상이한 복수 개의 원형 오리피스 관(610)을 침전조(600)의 상부에서 하부측으로 갈수록 직경이 작아지도록 배치함으로써 슬러지 침전 속도를 더욱 향상시킬 수 있다. 여기에서, 원형의 오리피스 관(610)의 평균 직경이라 함은 오리피스 관(610)의 중심을 지나는 현의 평균 길이를 의미한다.

일 실시예에 있어서, 원형의 오리피스 관(610)의 내부에는 분지관(612)을 포함할 수 있다. 분지관(612)은 복수 개의 오리피스 홀(611)을 구비할 수 있다. 분지관(212)의 형태은 특별히 한정되지 않으나, 중심으로부터 원주 방향으로 방사상 배치될 수 있다. 즉, 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 원형의 오리피스 관(610)의 내부를 삼분할하는 형태이거나, 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 원형의 오리피스 관(610)의 내부에 방사상으로 교호 배열된 형태일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 침전조(600)는 슬러지의 부상을 방지하기 위한 절곡판(620)을 포함할 수 있다. 절곡판(620)은 다양한 형태로 제조될 수 있으나, 슬러지의 부상을 효과적으로 방지하기 위하여 단면의 형상이 "L"자 형상인 콘(cone) 형태인 것이 바람직하다.

일 실시예에 있어서, 침전조(600)는 내벽(601)으로부터 일정한 거리가 이격되어 설치된 배플(baffle)(602)을 포함할 수 있다. 침전조(600)의 내벽(601)과 배플(602) 사이로 플럭을 포함하는 피처리수가 공급되면, 플럭을 포함하는 유체는 중력에 의해 침전조(600)의 하부로 이동하게 된다. 이때 플럭은 설치된 배플(602)에 의해 침전조(600)의 상부 또는 중심 부분으로의 이동이 차단되고, 흐름 방향이 내벽(601)을 따라 하부 측으로 안정적으로 유도될 수 있다. 이때, 플럭이 제거된 깨끗한 물은 침전조(600)의 상부를 통해 배출될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 침전조(600)는 내벽(601)과 배플(602) 사이에 가이드판(603)을 포함할 수 있다. 가이드 판은 플럭을 포함하는 유체(피처리수)의 흐름을 분산함에 따라 침전되는 슬러지의 재부상을 최소화할 수 있다. 가이드판(603)의 개수는 특별히 한정되지는 않으나, 1 ~ 3개 포함될 수 있다.

또한, 상기 배플(602)의 말단에는 플럭 또는 슬러지가 침전조(600)의 상부로 부상하지 않고 안정적으로 원형의 오리피스 관(610) 측으로 향할 수 있도록 경사판(604)이 구비될 수 있다. 이때, 경사판(604)의 경사 방향은 경사판(604)의 말단이 침전조(600)의 중앙을 향하는 것이 바람직하다.

다음으로, 유기물의 분리 성능을 향상시킬 수 있는 피처리수의 생물학적 전처리 방법에 대해서 설명하고자 한다. 생물학적 전처리 방법을 설명하는데 있어, 설명의 편의를 위하여 앞서 살펴보거나 언급한 생물학적 처리 장치(100)를 이용하여 설명하지만, 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 또한, 생물학적 처리 장치(100)와 관련하여 이미 언급하거나 살펴보아서 중복되는 내용은 생략하도록 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 생물학적 전처리 방법은, 암모니아성 질소가 포함된 폐수를, 아나목스 박테리아 미생물이 슬러지 형태로 존재하는 혐기성 암모니아 반응조에 공급하는 도입 단계; 반응조에서 배출되는 피처리수를, 상기 반응조 후단 혹은 외부에 위치하는 필터가 포함된 필터 모듈를 사용하여 필터링하는 여과 단계; 및 회수 유닛을 사용하여 상기 필터 모듈에 역세척수를 공급하는 회수 단계;를 를 포함한다.

상기 반응조에는, 미생물의 양, COD, BOD 혹은 슬러지 농도를 측정하는 검출부를 추가로 더 포함될 수 있다.

또한, 필터 모듈(300)은, 서로 다른 기공 크기를 갖는 복수의 디스크 필터, 스크린 필터 혹은 카트리지 필터를 포함하고, 상기 기공의 크기가 25 ~ 300㎛의 기공 크기 범위를 갖거나, 100㎛의 기공 크기를 갖는 디스크 필터가 사용되는 것도 가능하다.

상기 반응조에서는, 공급되는 폐수에 포함된 암모니아성 질소의 혐기성 암모니아 산화 반응이 수행되며, 상기 여과 단계에서, 상기 필터 모듈의 내부에는 반응조에서 배출되는 피처리수에 포함된 아나목스 박테리아 미생물의 슬러지가 케이크 층의 형태로 형성된다.

상기 회수 단계에서 회수 유닛(500)을 통해 필터 모듈(300)로 공급되는 역세척수는, 필터 모듈 내의 슬러지를 탈착시켜 반응조에서 피처리수와 함께 배출되었던 아나목스 박테리아 미생물을 다시 반응조로 회수하게 된다.

또한, 상기 반응조에는 검출부가 구비되어, 측정되는 피처리수의 미생물의 양, COD, BOD 혹은 슬러지 농도 값에 따라 반응조에서 배출되는 슬러지를 포함하는 피처리수를 상기 필터 모듈에 포함된 적어도 어느 하나의 필터로 공급할 수 있고, 이러한 필터에 의한 고액 분리 과정을 통해, 필터 모듈로 공급되는 슬러지 내에 포함된 아나목스 박테리아 미생물을 필터 표면에 케이크 층을 형성시켜 분리할 수 있다.

상기 고액 분리 단계 이후에, 디스크 필터에 가해지는 압력 강하(△P)가 20%이상으로 증가할 경우, 피처리수가 공급되는 방향과는 반대 방향으로 회수유닛을 통해 역세척수를 필터 모듈로 공급하여, 필터의 표면에 케이크 층으로 형성된 슬러지를 탈착시키는 것이 바람직하고, 이렇게 탈착된 슬러지 내에 포함된 아나목스 박테리아 미생물을 다시 반응조로 회수할 수 있다.

필요에 따라 선택적으로, 상기 반응조(200)와 필터 모듈(300)의 사이에, 침전조(600)를 부가하여 슬러지의 일부를 미리 침전시키는 침전 단계를 추가하는 것도 가능하다.

이러한 침전단계는 슬러지 형태로 침전시켜, 다시 반응조(200)로 회수하는 단계로서, 후속되는 필터 모듈(300)의 분리 효울을 높여주는 기능을 수행할 수 있는데, 보다 효과적으로 슬러지 형태로 침전시키기 위하여 복수 개의 오리피스 홀을 구비하는 오리피스 관에 통과시키는 것이 바람직하다.

일반적으로 일정 시간 동안 일정한 면적을 흐르는 양인 유량(Q)은 파이프 단면적(A)과 유속(v)의 곱으로 나타낼 수 있는데, 플럭이 원형의 오리피스 관에 형성된 다수의 오리피스 홀을 통과하게 되면, 유량은 동일한데 단면적(오리피스 면적)이 급격히 작아짐에 따라 속도가 매우 커지게 된다. 따라서, 플럭은 매우 빠른 속도로 오리피스 홀을 통과하면서 슬러지로 침전 및 배출될 수 있다.

슬러지를 회수하는 과정 중에서 혼화조로 공급되는 슬러지에 슬러지 탈수제를 공급할 수 있다. 슬러지 탈수제에 의해 탈수된 슬러지는 밀도가 증가하게 되어 혼화단계에서 플럭의 크기 및 밀도가 증가된 양질의 플럭을 성장시킬 수 있다. 슬러지 탈수제는 고분자 물질을 사용할 수 있고, 바람직하게는, 양이온성(cationic) 고분자 물질을 사용할 수 있다.

본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

100 : 생물학적 처리 장치 200 : 혐기성 암모니아 반응조
300 : 필터 모듈 301, 302, 303 : 디스크 필터
401 : 검출장치 500 : 회수 유닛
600 : 침전조 601 : 내벽
602 : 배플 603 : 가이드판
604 : 경사판 605 : 슬러지 배출구
610 : 오리피스 관 611 : 오리피스 홀
612 : 분지관 620 : 절곡판

Claims

암모니아성 질소가 포함된 폐수가 도입되는 혐기성 암모니아 반응조;
상기 반응조 후단 혹은 외부에 위치하여, 반응조에서 배출되는 피처리수가 유입되는 필터가 포함된 필터 모듈; 및
상기 필터 모듈에 역세척수를 공급할 수 있는 회수 유닛;을 포함하고,
상기 반응조에는, 피처리수에 미생물의 슬러지 농도를 간접적으로 측정할 수 있는 측정부가 구비되고, 상기 필터 모듈에는 복수의 서로 다른 기공 크기를 갖는 필터가 포함되어,
상기 반응조의 측정부에서 측정되는 값에 따라 피처리수가 여과되는 필터를 변화시키는 제어부;를 더 포함하고,
상기 필터 모듈에는 복수개의 디스크 필터, 스크린 필터 혹은 카트리지 필터가 포함되는 것을 특징으로 하는, 생물학적 수처리 시스템
제1항에 있어서,
상기 반응조에는, 폐수에 포함된 암모니아성 질소의 혐기성 암모니아 산화 반응을 수행하는 아나목스 박테리아 미생물이 슬러지 형태로 존재하는 것을 특징으로 하는, 생물학적 수처리 시스템
삭제
제1항에 있어서,
상기 필터 모듈의 내부에는 반응조에서 배출되는 피처리수에 포함된 아나목스 박테리아 미생물의 슬러지가 케이크 층의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는, 생물학적 수처리 시스템
제4항에 있어서,
상기 역세척수를 반응기로 공급하는 반송라인이 추가로 더 구비되어, 필터 모듈로 공급되는 역세척 수에 의해 상기 슬러지가 탈착되어 반응조로 회수되는 것을 특징으로 하는, 생물학적 수처리 시스템
제1항에 있어서,
상기 필터 모듈에 포함된 필터는, 25 ~ 300㎛의 기공 크기를 갖는 것을 특징으로 하는, 생물학적 수처리 시스템
제1항에 있어서,
상기 필터 모듈에는, 100㎛의 기공 크기를 갖는 디스크 필터가 포함되는 것을 특징으로 하는, 생물학적 수처리 시스템
삭제
삭제
암모니아성 질소가 포함된 폐수를, 아나목스 박테리아 미생물이 슬러지 형태로 존재하는 혐기성 암모니아 반응조에 공급하는 도입 단계;
반응조에서 배출되는 피처리수를, 상기 반응조 후단 혹은 외부에 위치하는 필터가 포함된 필터 모듈를 사용하여 필터링하는 여과 단계; 및
회수 유닛을 사용하여 상기 필터 모듈에 역세척수를 공급하는 회수 단계;를 포함하고,
상기 반응조에는, 피처리수에 미생물의 슬러지 농도를 간접적으로 측정할 수 있는 측정부가 구비되고, 상기 필터 모듈에는 복수의 서로 다른 기공 크기를 갖는 필터가 포함되어,
상기 여과단계에서, 반응조 내의 피처리수에 포함된 미생물의 슬러지 농도를 측정하여, 측정되는 농도 값에 따라 피처리수가 여과되는 필터를 변화시키며,
상기 필터 모듈에는 복수개의 디스크 필터, 스크린 필터 혹은 카트리지 필터가 포함되는 것을 특징으로 하는, 생물학적 수처리 방법.
제10항에 있어서,
상기 반응조에서는, 공급되는 폐수에 포함된 암모니아성 질소의 혐기성 암모니아 산화 반응이 수행되는 것을 특징으로 하는, 생물학적 수처리 방법.
삭제
제10항에 있어서,
상기 여과 단계는, 상기 필터 모듈의 내부에는 반응조에서 배출되는 피처리수에 포함된 아나목스 박테리아 미생물의 슬러지가 케이크 층의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는, 생물학적 수처리 방법
제13항에 있어서,
상기 회수 단계에서 공급된 역세척수는, 필터 모듈 내의 슬러지가 탈착되어 반응조로 다시 회수되는 것을 특징으로 하는, 생물학적 수처리 방법
제10항에 있어서,
상기 필터 모듈에 포함된 필터는, 25 ~ 300㎛의 기공 크기를 갖는 것을 특징으로 하는, 생물학적 수처리 방법
제10항에 있어서,
상기 필터 모듈에는, 100㎛의 기공 크기를 갖는 디스크 필터가 포함되는 것을 특징으로 하는, 생물학적 수처리 방법
삭제