KR102589760B1 - 에너지 소비효율의 개선과 미세조류 입상화를 가속할 수 있는 탄소중립형 하수처리 장치 - Google Patents
에너지 소비효율의 개선과 미세조류 입상화를 가속할 수 있는 탄소중립형 하수처리 장치 Download PDFInfo
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Abstract
미세조류 그래뉼을 이용한 하수처리 장치 및 방법을 개시한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 하수를 유입받아, 하수 내 부유물질 또는 고형물을 침전시켜 분리하는 1차 처리조와 상기 1차 처리조를 거친 하수를 유입받아, 기 설정된 환경에서 미세조류를 배양하여 미세조류-슬러지의 응집체인 시드(Seed)를 형성하는 미세조류 그래뉼 배양조와 상기 1차 처리조를 거친 하수와 상기 미세조류 그래뉼 배양조에서 생성된 미세조류-슬러지 시드(Seed)를 유입받아, 미세조류 그래뉼을 생성하고, 생성된 미세조류 그래뉼을 이용하여 하수 내 유기물 및 질소를 제거하는 미세조류 그래뉼 반응조 및 상기 미세조류 그래뉼 반응조를 거친 하수를 유입받아, 잔류 부유조류 또는 잔류 미세조류 그래뉼을 분리하는 침전조를 포함하는 것을 특징으로 하는 하수처리 장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 하수를 유입받아, 하수 내 부유물질 또는 고형물을 침전시켜 분리하는 1차 처리조와 상기 1차 처리조를 거친 하수를 유입받아, 기 설정된 환경에서 미세조류를 배양하여 미세조류-슬러지의 응집체인 시드(Seed)를 형성하는 미세조류 그래뉼 배양조와 상기 1차 처리조를 거친 하수와 상기 미세조류 그래뉼 배양조에서 생성된 미세조류-슬러지 시드(Seed)를 유입받아, 미세조류 그래뉼을 생성하고, 생성된 미세조류 그래뉼을 이용하여 하수 내 유기물 및 질소를 제거하는 미세조류 그래뉼 반응조 및 상기 미세조류 그래뉼 반응조를 거친 하수를 유입받아, 잔류 부유조류 또는 잔류 미세조류 그래뉼을 분리하는 침전조를 포함하는 것을 특징으로 하는 하수처리 장치를 제공한다.
Description
본 발명은 하수 내 유기물 및 질소 제거에 사용되는 미세조류 그래뉼의 생성을 가속하여 에너지 소비효율을 개선시킨 탄소중립형 하·폐수처리 장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
하·폐수를 처리하는 생물학적 처리 공정은, 유기물을 처리하고 질산화 반응을 유도하기 위한 적절한 농도의 용존산소가 필요하다. 일 예로, 활성슬러지 공정의 경우, 산소 공급을 위해 사용되는 에너지는 하수처리 공정 전체 에너지 소비량의 약 60% 정도를 차지하며, 부유미생물을 이용함으로 인해 유입수 성상 및 운전방법에 따라 벌킹(Bulking) 및 포밍(Foaming) 등의 고액 분리 및 처리 효율의 문제가 있다.
이러한 활성슬러지 공정의 대안으로서, 부유 슬러지를 입상화시켜 하수를 처리하는 호기성 입상 슬러지(Aerobic Granular Sludge, AGS)가 제안되고 있다. 호기성 입상 슬러지(AGS)는 단일 슬러지 시스템에서 탄소, 질소, 인 및 기타 오염물질을 동시에 제거할 수 있어 일반적인 활성슬러지 공정 대비 침전시간을 단축하면서도 처리효율이 우수하다는 장점이 있다.
그러나 호기성 입상 슬러지(AGS)를 이용한 하수 처리는 호기성 조건의 유지 및 대기로의 CO2 방출을 위해 인위적으로 포기를 해야 하므로, 여전히 활성슬러지 공정과 마찬가지의 에너지 사용의 문제가 존재한다. 이에, 미세조류(Microalgae)를 이용한 하수 처리방식이 전통적인 활성슬러지 공정의 대안으로서 제안되고 있다.
미세조류(Microalgae)를 이용하는 하수처리 방식은 하수 내 유기물, 질소 성분 등을 미세조류를 이용하여 제거하는 방식으로, 미세조류(Microalgae)는 광을 수광하여 광합성을 하는 독립영양 미세조류일 수 있다. 광 독립영양 미세조류는 광합성을 통해 산소를 생산함으로써 별도의 산소 공급수단 없이 호기성 조건으로 하수의 처리가 가능하며, 사용된 미세조류는 바이오매스(Biomass)로서 이용될 수 있다. 미세조류를 이용하는 하수처리 방식은 하나의 반응조 내에서 활성슬러지와 미세조류가 공존하도록 하여 수처리를 수행하거나, 슬러지와 미세조류가 생물학적 응집체로 이루어진 과립의 형태로 이루어지도록 하여 적용될 수 있다.
다만, 슬러지와 미세조류를 과립화하여 이용하는 하수처리 방법은 슬러지 및 미세조류를 입상화시켜 그래뉼로 형성하는 데까지 상당한 기간이 걸리는 문제가 있다. 종래의 방법으로는 미세조류와 슬러지가 그래뉼로 형성되는데 최소한 3개월이나 그 이상이 소비된다. 이처럼 상당히 오랜 기간이 걸리기 때문에, 종래의 방법으로도 단시간 내 온전히 활성슬러지 공법의 문제를 해소하기 곤란했다.
본 발명의 일 실시예는, 하수 처리공정에서의 에너지 사용을 감소시킴과 동시에 높은 에너지 생산성을 갖는 바이오매스(Biomass)로 활용할 수 있도록, 미세조류 그래뉼을 가속하여 생성할 수 있는 배양조 및 그래뉼 반응조를 포함하는 하수처리 장치를 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 하수를 유입받아, 하수 내 부유물질 또는 고형물을 침전시켜 분리하는 1차 처리조와 상기 1차 처리조를 거친 하수를 유입받아, 기 설정된 환경에서 미세조류를 배양하여 미세조류-슬러지의 응집체인 시드(Seed)를 형성하는 미세조류 그래뉼 배양조와 상기 1차 처리조를 거친 하수와 상기 미세조류 그래뉼 배양조에서 생성된 미세조류-슬러지 시드(Seed)를 유입받아, 미세조류 그래뉼을 생성하고, 생성된 미세조류 그래뉼을 이용하여 하수 내 유기물 및 질소를 제거하는 미세조류 그래뉼 반응조 및 상기 미세조류 그래뉼 반응조를 거친 하수를 유입받아, 잔류 부유조류 또는 잔류 미세조류 그래뉼을 분리하는 침전조를 포함하는 것을 특징으로 하는 하수처리 장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 미세조류는 광합성을 수행하는 광 독립영양 미세조류인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 미세조류는 필라멘트성 남조류 또는 남세균으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 미세조류 그래뉼은 상기 미세조류 그래뉼 반응조에 광이 입사되는 경우, 미세조류에 의한 광합성 반응과 슬러지에 의한 질산화 반응이 수행되며, 상기 미세조류 그래뉼 반응조에 광이 입사되지 않는 경우, 슬러지에 의한 탈질 반응이 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 미세조류 그래뉼 배양조는 매트(Mat) 형태의 미세조류-슬러지 응집체인 시드(Seed)를 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 미세조류 그래뉼 배양조의 기 설정된 환경은 혐기 환경 또는 무산소 환경이며, 상기 배양조 내부로 광이 입사되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 미세조류 그래뉼 반응조는 유입된 하수를 저장하며, 상기 유입받은 미세조류-슬러지 시드를 그래뉼로 생성하는 반응조와 상기 반응조 내부에서 하수와 상기 미세조류 그래뉼을 순환시키며 교반하는 교반부와 상기 반응조 내부로 광을 조사하는 광원부 및 상기 교반부와 광원부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 교반부는 상기 반응조 내부에서 상, 하 방향의 수류를 발생시키도록 하는 하이퍼볼로이드 교반기인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 1차 처리조, 상기 미세조류 그래뉼 반응조 또는 침전조로부터 바이오매스를 유입받아 혐기소화를 수행하는 혐기성 소화조를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 광 독립영양 미세조류의 우점화를 위해 미세조류-슬러지의 응집체인 시드(Seed)를 형성하여 미세조류 그래뉼의 생성을 가속시키면서도, 하수처리에 적용하는 경우 장기간의 운전에도 미세조류의 우점종 및 침강특성을 유지할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 하수처리 장치는 미세조류 그래뉼을 이용함으로써, 하수처리 공정에서 별도의 산소 공급 없이 호기성 환경을 조성할 수 있어 에너지 사용량의 절감이 가능하며, 미세조류 그래뉼의 높은 침강성으로 인해 바이오매스의 회수율을 높일 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하수처리 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 그래뉼의 단면을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 그래뉼이 하수 내에서 수행하는 화학적 작용을 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 그래뉼 배양조 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 그래뉼 반응조의 단면을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 그래뉼 배양조에서 배양된 미세조류-슬러지의 시드(Seed)를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 그래뉼 배양조에서 미세조류-슬러지 시드(Seed)가 형성되는 과정을 나타내는 이미지이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 그래뉼 배양조와 그렇지 않은 배양조에서 배양된 미세조류-슬러지 시드(Seed)를 나타내는 이미지이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 배양된 미세조류-슬러지 시드에 의한 미세조류 그래뉼의 침강성 및 미세조류의 형태를 나타내는 이미지이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예의 배양조가 아닌 다른 형태의 배양조에서 배양된 시드에 의한 그래뉼의 침강성 및 미세조류 형태를 나타내는 이미지이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예의 미세조류 그래뉼 반응조에 구비된 교반부의 형상을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예의 미세조류 그래뉼 반응조의 교반부와 그렇지 않은 교반부에 대한 반응조 내에서의 수류 패턴을 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 그래뉼 반응조에서 생성된 미세조류 그래뉼과 그렇지 않은 그래뉼 반응조에서 생성된 미세조류 그래뉼의 상태를 비교한 사진이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 그래뉼 반응조에서 생성된 미세조류 그래뉼과 그렇지 않은 그래뉼 반응조에서 생성된 미세조류 그래뉼의 침강성을 비교한 사진이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 하수처리 장치가 하수를 처리하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 그래뉼의 단면을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 그래뉼이 하수 내에서 수행하는 화학적 작용을 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 그래뉼 배양조 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 그래뉼 반응조의 단면을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 그래뉼 배양조에서 배양된 미세조류-슬러지의 시드(Seed)를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 그래뉼 배양조에서 미세조류-슬러지 시드(Seed)가 형성되는 과정을 나타내는 이미지이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 그래뉼 배양조와 그렇지 않은 배양조에서 배양된 미세조류-슬러지 시드(Seed)를 나타내는 이미지이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 배양된 미세조류-슬러지 시드에 의한 미세조류 그래뉼의 침강성 및 미세조류의 형태를 나타내는 이미지이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예의 배양조가 아닌 다른 형태의 배양조에서 배양된 시드에 의한 그래뉼의 침강성 및 미세조류 형태를 나타내는 이미지이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예의 미세조류 그래뉼 반응조에 구비된 교반부의 형상을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예의 미세조류 그래뉼 반응조의 교반부와 그렇지 않은 교반부에 대한 반응조 내에서의 수류 패턴을 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 그래뉼 반응조에서 생성된 미세조류 그래뉼과 그렇지 않은 그래뉼 반응조에서 생성된 미세조류 그래뉼의 상태를 비교한 사진이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 그래뉼 반응조에서 생성된 미세조류 그래뉼과 그렇지 않은 그래뉼 반응조에서 생성된 미세조류 그래뉼의 침강성을 비교한 사진이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 하수처리 장치가 하수를 처리하는 방법을 도시한 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 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. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련되어 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련되어 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 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 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 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 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하수처리 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하수처리 장치(100)는 1차 처리조(110), 미세조류 그래뉼 배양조(120), 미세조류 그래뉼 반응조(130), 침전조(140) 및 혐기성 소화조(150)를 포함한다.
하수처리 장치(100)는 미세조류 그래뉼을 이용하여 하수 내 오염원, 예를 들어, 유기물 및 질소를 제거한다.
하수처리 장치에서는 다양한 종류의 미생물을 이용하여 하수 내 오염원을 제거한다. 이때, 오염물질을 제거한 후 오염물질이 제거된 하수가 방류됨에 있어, 하수처리 장치의 각 반응조 내에 존재하는 미생물들은 하수와 함께 방류되어서는 안 된다. 이에 따라, 반응조는 오염물질의 제거과정을 완료한 후, 미생물들이 침전될 때까지 대기한 후 상등수만을 방류시킨다.
이러한 과정에서 미생물을 포함하는 그래뉼의 침전시간을 현저히 감소시켜 단위 기간당 하수 처리횟수가 증가하게 되고, 처리용량도 함께 향상된다. 하수처리 장치(100)는 미세조류 그래뉼 배양조(120) 및 미세조류 그래뉼 반응조(130)를 포함하여 미세조류와 슬러지가 결합된 그래뉼의 생성속도를 비약적으로 향상시켰다. 이에 따라, 하수처리 장치(100)는 미세조류 그래뉼을 이용하여 하수 내 유기물 및 질소 제거를 수행함에 따라, 상대적으로 적은 에너지를 사용하여 목표로 하는 수처리 효율을 달성할 수 있다.
1차 처리조(110)는 외부에서 하수를 유입받아, 하수 내 부유물질 또는 고형물을 제거한다. 1차 처리조(110)는 중력에 의해 부유물질 또는 고형물을 침전시키거나 부유성 여재에 하수를 통과시키는 여과(Filtration) 방식을 이용하여 하수 내 부유물질 또는 고형물을 제거할 수 있다. 1차 처리조(110)에서 부유물질 또는 고형물이 제거된 하수를 미세조류 그래뉼 배양조(120)와 미세조류 그래뉼 생성조(130)로 분리하여 배출한다.
미세조류 그래뉼 배양조(120)는 1차 처리조(110)에서 1차적으로 부유물질 또는 고형물이 제거된 하수를 유입받아, 기 설정된 환경에서 미세조류를 배양하고 하수에 포함된 슬러지와 결합된 응집체인 미세조류-슬러지 시드(Seed)를 생성하며, 이를 미세조류 그래뉼 반응조(130)로 전달한다.
1차 처리조(110)에서 부유물질 또는 고형물이 제거되어 유입된 하수 내에는 대부분 그래뉼화되지 않은 상태로 존재하는 박테리아들과 일부 소량의 미세조류가 포함되어 있다. 이러한 박테리아들은 미세조류 그래뉼 배양조(120)에서 서로 뭉치면서 그래뉼의 생성을 위한 응집체인 시드(Seed)로 형성된다.
미세조류 그래뉼 배양조(120)에는 시드(Seed) 형성을 가속화하기 위하여 미세조류의 종균이 첨가될 수 있다.
미세조류 그래뉼 배양조(120)로 유입되는 슬러지의 농도는 MLSS 기준으로 3,000 내지 5,000mg/L의 범위가 바람직하다. 5,000mg/L를 초과하는 고농도의 슬러지는 미세조류 그래뉼 배양조(120)의 바닥면까지 광이 수광되지 못하여 미세조류 그래뉼 배양조(120) 전체에서 미세조류가 번식되기 어렵다.
또한, 외부로부터 미세조류의 종균이 첨가되는 경우, 미세조류 그래뉼 배양조(120)로 첨가되는 미세조류는 슬러지의 양 대비 0.001 내지 0.1의 비율로 투입될 수 있다.
미세조류 그래뉼 배양조(120)에서 미세조류는 미세조류 그래뉼 배양조(120) 내로 입사하는 광을 수광하여 번식된다. 이때, 미세조류 그래뉼 배양조(120)로 입사되는 광은 태양광이거나 별도의 광원에 의한 인공광일 수 있다.
또한, 미세조류 그래뉼 배양조(120)는 혐기 또는 무산소환경으로 조성되며, 이 때 별도의 외부 탄소원이나 양이온성 물질을 포함하는 화합물을 공급받지 않는다. 그리고, 미세조류 그래뉼 배양조(120)는 1 내지 14일 가량 흔들리지 않는 정치 상태로 유지되면서 미세조류의 번식 및 슬러지와의 응집 현상이 촉진된다. 여기서, 정치 상태는 기계적 교반이 없으며, 내부에서 유체 흐름을 초래하는 열 또는 밀도 구배 등이 고의로 부과되지 않는 상태를 의미한다.
외부로부터 미세조류의 종균이 첨가되는 경우, 미세조류 그래뉼 배양조(120)는 약 1 내지 7일 가량 기 설정된 환경에서 정치 배양하여 시드(Seed)를 생성할 수 있으며, 활성슬러지만으로 미세조류를 배양시키는 경우는 종균이 첨가되는 경우와 동일한 환경에서 약 7 내지 14일 가량 정치 배양하여 시드(Seed)를 형성할 수 있다.
미세조류 그래뉼 배양조(120)에서 기 설정된 환경이 유지되는 경우, 특정 종류의 미세조류가 우점하여 번식될 수 있다. 여기서, 우점하여 번식되는 미세조류는 조류 자체의 응집력이 크며, 슬러지 그래뉼과의 응집이 우수한 남세균(Cyanobacteria)이나 남조류로서, 예를 들어, Aphanizomenon sp., Oscillatoria sp. 또는 Phormidium sp.일 수 있다.
한편, 미세조류 그래뉼 배양조(110)는 기 설정된 형태의 반응조로 이루어져 매트(Mat) 형태의 미세조류-슬러지 시드(Seed)를 형성함으로써, 미세조류와 슬러지간 응집력을 향상시킬 수 있다. 미세조류 그래뉼 배양조(120)에 대한 구체적인 설명은 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.
미세조류 그래뉼 반응조(130)는 1차 처리조(110)로부터 부유물질 또는 고형물이 제거된 하수와, 미세조류 그래뉼 배양조(120)로부터 매트(Mat) 형태의 미세조류-슬러지 시드(Seed)를 유입받아, 미세조류 그래뉼을 생성하며, 미세조류 그래뉼을 이용하여 하수 내 유기물과 질소를 제거한다.
미세조류 그래뉼 반응조(130)는 미세조류-슬러지 시드(Seed)를 그래뉼로 형성하고, 기 설정된 범위의 크기로 성장시킨다. 미세조류 그래뉼 반응조(130)는 그래뉼의 생성을 가속하기 위해 필요한 기 설정된 환경을 제공한다. 기 설정된 환경에는 반응조(130) 내 온도, 일정 수준 및 주기로 입사되는 광량 및 그래뉼로 가해지는 상/하 유동에 의한 전단력 등이 있다.
보다 구체적으로, 미세조류 그래뉼 반응조(130)는 유입받은 시드(Seed)를 상/하 방향으로 유동시키면서 그래뉼의 형성 및 성장을 가속화시킨다. 이를 위하여 미세조류 그래뉼 반응조(120)는 교반수단을 포함할 수 있다. 또한, 미세조류 그래뉼의 침전성 향상 및 미세조류의 유지를 위하여 그래뉼 생성조(120)에도 광이 입사되도록 한다. 입사되는 광은 태양광일 수도 있고 별도의 광원에 의한 인공광이 적용될 수도 있다. 이처럼, 미세조류 그래뉼 반응조(130)는 미세조류 그래뉼이 형성되는 데 최적의 조건을 제공함으로써, 슬러지 그래뉼에 미세조류가 부착된 미세조류 그래뉼을 생성한다. 생성되는 그래뉼은 도 2에 상세히 도시되어 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 그래뉼의 단면을 도시한 도면이다.
미세조류 그래뉼(200)은 슬러지 그래뉼(210)의 외부에 미세조류(220)가 부착되어 형성된다. 미생물들이 응집체를 형성하면서 미세조류 그래뉼 배양조(120)에서 매트(Mat) 형태의 미세조류-슬러지 응집체인 시드(Seed)를 생성하고, 미세조류 그래뉼 반응조(130)에서 이를 그래뉼(200)로 생성한다.
즉, 매트(Mat) 형태의 미세조류-슬러지 시드(Seed)가 미세조류 그래뉼 반응조(130) 내에서 상, 하 방향으로 유동되면서 슬러지 그래뉼(210)의 외부를 둘러싸는 미세조류(220)의 구조로 이루어진 그래뉼(200)로 형성된다.
위의 과정으로부터 생성된 미세조류 그래뉼에 의해 하수 내 유기물과 질소 등이 제거되는 과정이 도 3에 도시되어 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 생성된 미세조류 그래뉼이 하수 내에서 수행하는 화학적 작용을 예시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 미세조류 그래뉼 표면의 미세조류는 광합성을 수행하기 위하여 하수 내의 이산화탄소(CO2), 유기물 및 질소, 인 등의 영양염류를 소모하여 산소(O2)를 생성한다. 한편, 미세조류 내부의 박테리아는 미세조류가 생성한 산소(O2)를 소모하면서 남은 유기물 및 영양염류를 소모하게 된다.
이와 같이, 생성된 미세조류 그래뉼(200)은 별도의 산소 공급장치 없이도 미세조류가 생성한 산소를 이용하여 슬러지 그래뉼(210)이 유기물 및 질소를 제거할 수 있으며, 슬러지 그래뉼(210)과 미세조류(220)이 결합된 상태이므로 유기물 및 질소를 제거한 그래뉼(200)은 그 침전속도가 빨라진다. 그 결과, 처리속도가 상승하며, 유기물과 질소가 제거된 하수의 후속처리에 이르는 시간이 현저히 단축될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 미세조류 그래뉼 반응조(130)는 생성된 미세조류 그래뉼을 이용하여 광이 입사되는지 여부에 따라 탈질 반응 또는 광합성 반응과 질산화 반응을 수행한다. 미세조류 그래뉼은 반응조 내로 광이 입사되는지 여부에 따라 상이한 반응을 수행한다.
태양광 또는 인공광이 반응조(130)로 입사하는 경우, 미세조류 그래뉼(200) 내 미세조류(220)는 광합성 반응을 수행하고, 슬러지 그래뉼(210) 내 질산화 미생물은 질산화 반응을 수행한다. 반면, 광이 반응조(130)로 입사되지 않거나 차단된 경우, 슬러지 그래뉼(210) 내 탈질 미생물은 탈질 반응을 수행한다. 이와 같이 미세조류 그래뉼은 광이 입사되는지 여부에 따라 유기물과 질소를 제거하며, 유기물과 질소를 제거한 미세조류 그래뉼은 바이오 매스로 이용될 수 있도록 혐기성 소화조(150)로 이송될 수 있다. 미세조류 그래뉼 반응조(130)의 구체적인 설명은 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.
침전조(140)는 미세조류 그래뉼 반응조(130)를 거친 하수를 유입받아, 하수 내 잔류하는 부유 조류 또는 미세조류 그래뉼을 침전시켜 제거하고, 상등수를 유출시킨다.
미세조류 그래뉼 반응조(130)에서 미세조류는 슬러지 그래뉼의 표면에 엉겨붙으면서 그래뉼로 형성되는데, 일부 미세조류는 그래뉼의 표면에 부착되지 않고 수중에 부유상태로 잔류될 수도 있으며, 미세조류 그래뉼 반응조(130)에서 침전되지 못한 미세조류 그래뉼도 하수 내 여전히 존재할 수 있다. 이처럼, 잔류하는 부유 미세조류 또는 미세조류 그래뉼은 그대로 방류되면, 하천이나 바다에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서, 침전조(140)는 부유 미세조류 및 그래뉼이 중력에 의해 침전되도록 유도하여 유출수로부터 이들을 제거한다.
혐기성 소화조(150)는 1차 처리조(110), 미세조류 그래뉼 반응조(130) 및 침전조(140)에서 발생한 바이오매스를 유입받아, 혐기소화시켜 메탄(CH4)을 발생시킨다. 혐기성 소화조(150)에서 발생된 메탄은 에너지로 사용될 수 있다.
미세조류 그래뉼 반응조(130) 및 침전조(140)에서 침전, 분리된 미세조류 그래뉼 및 미세조류들이 혐기성 소화조(150)로 유입되며, 특히, 미세조류 그래뉼은 혐기소화 시 에너지 포텐셜이 높기 때문에, 메탄 생산량이 통상의 활성슬러지 공정보다 증가될 수 있다.
구체적으로, 동일한 양의 유기물이 하수처리 장치로 유입될 경우, 활성슬러지 공정 대비 미세조류 그래뉼을 사용한 경우 바이오매스의 양이 증가된다. 게다가, 미세조류를 포함하는 바이오매스의 에너지 포텐셜이 더 높음을 고려하면, 전체 메탄 생산량은 통상의 하수처리 장치 대비 약 30%까지 증가될 수 있다.
| 구분 | 바이오매스 (g COD/g VS) |
누적 메탄생성량 (mL) |
메탄 수율 (CH4 mL/g VS) |
| 미세조류 그래뉼을 이용한 하수처리장치 | 1.63 | 47.3 | 189.2 |
| 종래 하수처리장치 | 1.38 | 32.5 | 130.1 |
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 그래뉼 배양조(120)의 구성을 도시한 도면이다.
도 4(a)는 미세조류 그래뉼 배양조(120)의 단면도이며, 도 4(b)는 미세조류 그래뉼 배양조(120)를 상부에서 도시한 도면이다.
미세조류 그래뉼 배양조(120)는 도 4의 배양조(120)가 단일 반응조로 구성될 수도 있으며, 도 4의 배양조(120)를 단위 배양조로 하여 복수 개로 포함될 수도 있다. 복수 개의 배양조(120)로 이루어지는 경우, 단위 배양조(120)는 동일 평면 상에 다수 개로 배치될 수 있고, 수직으로 적층되어 배치될 수도 있으나, 이에 한정되지 않는다.
미세조류 그래뉼 배양조(120)는 반응조(410), 상부면(420) 및 광원부(430)를 포함한다.
반응조(410)는 미생물을 포함한 하수, 즉 활성슬러지를 유입받아 기 설정된 환경에서 기 설정된 시간 동안 흔들리지 않는 정치 상태로 유지시킴으로써, 미세조류를 배양하고 미세조류-슬러지 시드(Seed)를 형성하여 미세조류 그래뉼 반응조(130)로 시드(Seed)를 공급한다.
반응조(410)는 사각형 반응조 또는 원통형 반응조일 수 있다.
광원부(430)가 반응조의 상부에 위치하는 경우, 반응조(410)는 광이 반응조(410)의 전체 면적에 대하여 입사될 수 있도록 바닥 면적이 넓고 상대적으로 반응조(410)의 깊이가 얕은, 플레이트(Plate) 형상의 사각형 반응조인 것이 바람직하다. 그러나 광원의 위치에 따라 반응조 전면에 대하여 광이 수광될 수 있는 형상이면 이에 제한되지 않는다.
반응조(410)의 상부면(420)은 광원으로부터 입사되는 광을 반응조(410) 내로 입사시키기 위하여 광 투과성 재질로 이루어짐이 바람직하다. 상부면(420)은 반응조(410)로부터 분리 가능한 덮개일 수 있으며, 배양 기간 동안 반응조(410) 내 혐기 또는 무산소 환경을 유지할 수 있어야 한다.
광원부(430)는 반응조(410)의 상부면에 위치하여 반응조(410)의 전체 면적에 대하여 골고루 광이 입사되도록 한다. 광원부(430)는 별도의 전원장치(미도시)로부터 전원을 공급받아 광을 조사할 수 있다. 광원은 태양광 또는 인공광일 수 있으며, 태양광과 인공광이 함께 사용될 수도 있다. 인공광으로는 LED가 사용될 수 있다.
인공광이 사용되는 경우 광도는 대략 7,000 lux 이하의 범위로 적용될 수 있으며, 5,000 lux 이하의 광도가 더욱 바람직하다. 미세조류 그래뉼 배양조(120)에 대한 광 조사 시간은 24시간/일일 수 있다. 이 때, 반응조(410) 내의 온도는 15℃ 내지 30℃의 범위로 유지될 수 있으나, 22℃ 내지 28℃에서 유지됨이 더욱 바람직하다.
배양조(120)가 플레이트 형상의 사각형 반응조인 경우, 기 설정된 환경에서 정치 배양을 거치며 생성되는 슬러지와 미세조류가 응집되며, 최종적으로 매트(Mat) 형상의 미세조류-슬러지 시드(Seed)가 형성되는데, 이는 도 6 및 도 7에서 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 그래뉼 배양조(120)에서 배양된 미세조류-슬러지 시드(Seed)를 도시한 도면이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 그래뉼 배양조에서 미세조류-슬러지 시드(Seed)가 형성되는 과정을 나타내는 이미지이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 그래뉼 배양조에서 형성된 미세조류-슬러지 시드(600)는 최상면의 미세조류층(610)과 바닥면의 미세조류층(610') 및 이들 미세조류층(610, 610')의 사이에 개재된 슬러지층(620)을 포함한다.
플레이트 형상의 반응조(410)에 기 설정된 환경으로 정치 배양되는 동안, 반응조(410)에 유입된 슬러지는 응집 및 침전이 이루어져 슬러지층(620)을 형성하고, 광원(430)으로부터 조사되는 광에 의해 번식되는 미세조류가 슬러지층(620)의 표면에서 증식하면서 도 6과 같이 슬러지의 상면과 하면을 둘러싸는 형태로 미세조류층(610, 610')이 형성되고, 그 결과 바닥면의 미세조류층(610'), 슬러지층(620) 및최상면의 미세조류층(620)이 적층된 구조의 매트(Mat) 형태로 미세조류-슬러지 시드(Seed)가 형성된다.
이 때 슬러지층(620)의 상, 하면에 부착되는 미세조류는 필라멘트성 남조류로서, 미세조류의 필라멘트 구조들이 엉긴 형태로 결합되면서 슬러지층(620)의 표면에 미세조류층(610, 610')을 형성하고, 그 결과 슬러지와 미세조류의 응집체를 형성한다. 배양 기간 동안 매트 형태의 미세조류-슬러지 시드(Seed)가 형성되는 과정은 도 7에 나타내었다.
도 7(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 그래뉼 배양조에서 형성된 미세조류-슬러지 시드의 형상이며, 도 7(b)는 배양 기간 중 슬러지층(620)의 표면에 미세조류가 부착 및 증식되고 있는 과정을 나타낸 사진이고, 도 7(c)는 배양 초기(a), 중기(b) 및 배양 완료(c) 단계의 매트 형상의 시드(Seed)를 각각 도시한 것이다.
본 발명의 일 시예에 따른 배양조(110)에서 미세조류-슬러지의 시드(Seed)를 형성하는 과정은 5,000 lux의 광도를 기준으로 24시간/일로 광 조사를 수행하였으며, 이 때 배양조(110)는 혐기 또는 무산소 환경에서 정치 상태로 유지되면서 26℃에서 기 설정된 오차 범위 내의 온도로 내부 환경이 유지되었다.
도 7(a)을 참조하면, 미세조류 그래뉼 배양조(120)에서 형성되는 미세조류-슬러지(Seed)가 매트(Mat) 형태로 형성되고 있음을 확인할 수 있으며, 도 7(b)를 참조하면, 슬러지(갈색 부분)의 표면으로 미세조류가 번식되고 있음을 확인할 수 있다.
도 7(c)를 참조하면, 배양 초기 단계에서는 슬러지의 표면에 미세조류(남조류)들의 번식이 시작되고 있으며(검은 점이 남조류임, 그림 (a) 및 (b)), 기 설정된 배양 기간을 거친 후 미세조류로 표면 전체가 둘러싸인 매트 형태의 미세조류-슬러지 시드(Seed)(그림 (c))를 확인할 수 있다.
이와 같이 형성된 매트(Mat) 형태의 미세조류-슬러지 시드(Seed)는, 그 자체로 슬러지와 미세조류 간 응집력이 일정 수준 이상 확보된 상태이므로, 미세조류 그래뉼 반응조(120)에서 그래뉼 형태로 성장시키는 과정에서 이들 응집체의 해체가 거의 발생되지 않는다.
따라서, 매트(Mat) 형태의 미세조류-슬러지 시드(Seed)를 형성하기 위해, 미세조류 그래뉼 배양조(120)의 반응조(410) 형상은 플레이트 형태의 사각 반응조인 것이 가장 유리하다. 미세조류와 슬러지의 시드 배양 시 반응조 형상에 따른 그래뉼의 침강성과 미세조류의 형태를 도 8 내지 도 10에 나타내었다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 형태를 갖는 배양조와 그렇지 않은 형태를 갖는 배양조에서 배양된 미세조류-슬러지 시드(Seed)를 도시한 이미지이며, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배양조에서 배양된 미세조류-슬러지 시드(Seed)에 의한 미세조류 그래뉼의 침강성 및 형태를 도시한 이미지이며, 도 10은 본 발명의 일 실시예의 배양조가 아닌 형태의 배양조에서 배양된 시드에 의한 그래뉼의 침강성 및 미세조류의 형태를 나타낸 이미지이다.
도 8은 배양조의 형상에 따른 미세조류-슬러지 시드(Seed)로서, 본 발명의 일 실시예의 미세조류 그래뉼 배양조인 사각 플레이트 형태의 배양조(그림 (a)), 원통형의 배양조(그림 (b, c)) 및 구 형상의 배양조(그림 (d))에서 각각 배양된 미세조류-슬러지 시드(Seed)이다.
도 8의 각각의 배양조에 대하여 동일한 비율의 슬러지와 미세조류가 투입되었으며, 광량 및 온도를 포함한 내부 환경(혐기 또는 무산소, 정치 상태)은 모두 동일하게 제어되었다.
도 8을 참조하면, 사각 플레이트 형태의 배양조(그림 (a))의 경우, 미세조류-슬러지 시드(Seed)는 매트(Mat)에 가까운 형태로 형성되었음을 확인할 수 있다. 반면, 그 외의 반응조는 모두 하나의 덩어리로 이루어진 시드로 형성되어 있어 사각 플레이트 형태의 반응조에 형성된 시드와 그 물리적 형상에서 차이가 있음을 확인할 수 있다. 원통형 및 구형 반응조에서 형성된 시드 역시 슬러지의 외부에 미세조류가 응집된 형태로 이루어져 있음은 매트 형태의 시드(Seed)와 동일하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 사각 플레이트 형상의 배양조는 미세조류-슬러지 시드(Seed)의 형성 기간도 단축시킬 수 있다.
아래 표 2에는 각 반응조에서 미세조류-슬러지의 응집체인 시드(Seed)가 형성되기까지 소요된 배양기간이 정리되었다.
사각 플레이트 형태의 미세조류 그래뉼 배양조(120)를 이용하여 시드를 형성할 경우, 매트(Mat) 형태의 시드가 형성되기까지 1 내지 5일 소요되므로, 동일 환경 하에서 원통형 또는 구형의 반응조를 이용하여 시드를 배양하는 경우보다 배양 기간을 최소 2일 이상(30% 이상) 단축할 수 있음을 알 수 있다.
| 반응조 형태 (도 8) |
사각 플레이트 (그림(a)) |
원통형 (그림(b)) |
원통형 (그림(c)) |
구형 (그림(d)) |
| 시드(Seed) 생성기간 |
1~5일 | 4~7일 | 4~7일 | 7일 |
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 사각 플레이트 형상의 배양조에서 형성된 매트 형태의 시드(Seed)를 미세조류 그래뉼 반응조(130)에 투입하여 형성된 미세조류 그래뉼의 침강성과 그래뉼의 우점종을 나타낸 이미지이다.
도 9를 참조하면, 그림 (a)는 시드(Seed)가 그래뉼 반응조에 투입된 후 7일 이내의 그래뉼의 상태를 나타낸 것이며, 그림 (b)는 그래뉼 반응조 투입 후 약 60일 정도 경과한 후의 그래뉼 상태를 나타낸 것이다.
도 9의 그림 (a) 및 (b)에 나타난 그래뉼의 침강성은 그래뉼 반응조의 운영 초기부터 60일 정도까지 큰 차이 없이 우수하게 유지되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 그림 (a)는 운영 초기로서 그래뉼의 크기가 상대적으로 작지만, 필라멘트형 남조류가 번식되고 있음을 알 수 있고, 그림 (b)에서 60일 경과 후는 그래뉼이 성장한 것과 함께 필라멘트형의 남조류가 우점화되고 있음을 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예가 아닌 원통형의 반응조에서 배양된 시드를 사용하여 미세조류 그래뉼 반응조에 투입한 결과를 도시한 것이다.
도 10의 그림 (a)는 미세조류 그래뉼 반응조 투입 후 7일 이내의 결과이며, 그림 (b)는 약 15일 경과 후, 그리고 그림 (c)는 30일 경과 후의 그래뉼 상태를 나타낸 것이다. 도 10의 그래뉼은 도 9에 제시된 실시예의 그래뉼과 동일한 조건에서 성장되었다.
도 10을 참조하면, 미세조류 그래뉼 반응조의 투입 초기에는 매트 형태의 시드 투입 결과(도 9)와 마찬가지로, 필라멘트형 남조류가 우점화된 것을 확인할 수 있으며, 침전시 상등액의 상태로 보아 침강성도 큰 차이가 없는 것으로 확인되었다.
또한 약 15일 경과 후에도 필라멘트형 남조류가 여전히 존재하고 있음이 확인되었으나, 미세조류 그래뉼 반응조 투입 후 30일 경과된 경우(그림 (c)), 남조류가 아닌 사상균 및 녹조류가 번식하고 있으며, 그래뉼의 침강성도 상당히 악화된 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 미세조류 그래뉼 배양조(120)에서 미세조류의 배양 및 슬러지와의 응집체 형성 시, 배양조의 형상이 형성된 응집체, 즉 시드(Seed)의 응집력과, 그래뉼의 침강성에 영향을 미침을 확인할 수 있다.
즉, 배양과정을 통하여 슬러지의 표면에 미세조류가 부착된 형태의 시드가 형성됨은 동일하지만, 시드(Seed)가 매트(Mat) 형태인 경우 하나의 덩어리로 이루어진 시드 대비 슬러지와 미세조류가 부착되는 면적이 상대적으로 넓어지며, 미세조류가 번식되는 이들의 응집 결합력도 높아지게 된다.
그 결과, 그래뉼로 성장시키기 위해 물리적 교반이 이루어지는 상황에서 장기간 운전되더라도 그래뉼의 침강성이 유지될 수 있을 뿐만 아니라, 우점화된 미세조류도 그대로 유지되어 미세조류에 의한 광합성 반응이 여전히 수행될 수 있다.
이와 같이 미세조류 그래뉼 배양조(120)에서 응집성이 강화된 시드를 사용함에 따라, 미세조류 그래뉼 반응조(130)는 종래의 미세조류 그래뉼화에 소모되는 시간을 적어도 1/3 또는 그 이하로 감소시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세조류 그래뉼 반응조의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 미세조류 그래뉼 반응조(130)는 반응조(510), 상부면(520), 교반부(530), 광원부(540) 및 제어부(미도시)를 포함한다.
반응조(510)는 사각형상 또는 원통형 반응조일 수 있으며, 반응조(510)에는 하수가 유입되는 유입구(미도시)와 침전된 미세조류 그래뉼이 배출되는 배출구(미도시)가 형성될 수 있다. 또한, 반응조(510)의 바닥면과 내벽이 접하는 경계부분에는 필요에 따라 경사진 헌치(Haunch)부(515)가 포함될 수 있다.
헌치부(515)는 교반부(530)에 의해 상, 하 방향으로 유체 및 그래뉼의 교반이 수행되는 동안 유체의 상승 유동을 보조할 수 있으며, 반응조(510)의 모서리 영역에 그래뉼이 침적되는 것을 방지할 수 있다.
반응조(510)는 시드(Seed)가 상하 방향의 유동에 의해 구형의 그래뉼로 형성되고, 미세조류의 광합성을 위하여 광이 내부로 입사되어야 하므로, 반응조(510)의 상부면(520)은 광 투과성 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 반응조의 상부면(520)에는 교반부(530)의 구동수단(미도시)이 설치될 수 있다.
교반부(530)는 반응조(510) 내의 일 위치에 장착되어 반응조(510)로 유입된 하수와 미세조류-슬러지 시드(Seed)를 상, 하 방향(도 5에서 y축)으로 교반한다.
미세조류 그래뉼 반응조(130)로 유입된 미세조류-슬러지 시드(Seed)가 기 설정된 크기의 그래뉼로 성장하기 위해서는 적절한 교반 속도가 유지되어야 한다. 하수의 처리를 위한 그래뉼의 크기는 대략 1 내지 5mm 정도의 크기가 바람직하며, 이를 위한 교반부(530)의 교반속도는 반응조(510)의 모서리 영역에 그래뉼이 침적되지 않을 정도의 속도로 유지되어야 한다.
이 때, 교반부(530)는 임펠러형 교반기 또는 수류 모터 등 수류를 발생시킬 수 있는 장치이면 어떠한 것으로 구현되어도 무방하다. 교반기를 사용하는 경우, 프로펠러형, 패들형, 앵커형의 임펠러 교반기 또는 하이퍼볼로이드(Hyperboloid) 교반기 중 어느 하나가 사용될 수 있으나, 반응조(510) 바닥 및 모서리 영역에 그래뉼이 침적되지 않도록 반응조(510)의 바닥에서부터 수면까지 순환시킬 수 있는 하이퍼볼로이드 교반기가 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에 따른 하이퍼볼로이드 교반기는 도 11에 도시되어 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예의 미세조류 그래뉼 반응조에 구비된 교반부의 형상을 도시한 도면이다.
도 11(a)는 하이퍼볼로이드(Hyperboloid) 교반기 임펠러이며, 도 11(b)는 하이퍼볼로이드 교반기의 단면도이다.
도 11(a)를 참조하면, 하이퍼볼로이드 교반기는 쌍곡면 모양의 임펠러를 구비하고 있으며, 반응조의 바닥에 매우 강한 수류를 형성하여 바닥에 침전물이 생성되는 것을 방지하는데 가장 효과적인 형상으로 알려져 있다. 통상의 수직 샤프트 교반기가 축 방향 흐름만 형성하는 것과 달리, 하이퍼볼로이드 교반기는 수직 및 수평 방사의 흐름을 모두 가지고 있어 상대적으로 낮은 전력밀도로 완전 혼합을 구현할 수 있다.
즉, 교반부(530)의 임펠러의 형상의 차이에 따라 반응조(510) 내부에서 발생되는 수류 패턴이 달라지며, 이러한 수류 패턴은 미세조류 그래뉼의 성장 및 수처리 효율에 영향을 미친다.
도 12는 본 발명의 일 실시예의 미세조류 그래뉼 반응조의 교반부와 그렇지 않은 교반부에 대한 수류 패턴을 도시한 도면이다.
도 12의 그림 (a)는 방사형 임펠러(Radial Impeller)에 의한 반응조 내 순환 영역이며, 그림 (b)는 축방향 임펠러(Axial Impeller)에 의해 형성되는 순환 영역, 그림 (c)는 하이퍼볼로이드 임펠러(Hyperboloid Impeller)에 의해 형성되는 순환 영역을 각각 도시한 것이다.
도 12를 참조하면 방사형 임펠러는 반응조 내 액체를 반응조 내벽으로 향하게 하여 반응조의 상단과 하단에 순환 구역을 형성하고 있으며, 축방향 임펠러의 경우는 반응조 내 액체를 반응조 아래쪽으로 펌핑하여 전체 반응조에 걸쳐 순환 패턴을 형성한다.
반면, 그림 (c)의 하이퍼볼로이드 임펠러는 반응조 내의 물을 교반기 본체가 샤프트를 따라 반응조 하부로 끌어온 다음, 교반기 바깥쪽으로 펌핑하여 바닥을 따라 소형 난류(Micro-Vortices)를 생성하면서 반응조 내부의 입자와 침전물을 수면 바로 아래까지 상승시킨다. 이 때, 임펠러가 반응조 바닥면에 가까이 위치하기 때문에, 반응조 내부의 입자를 효율적으로 부유시키며, 반응조의 내벽 방향으로 순환 패턴을 형성하므로, 완전 혼합이 가능하다.
특히, 하이퍼볼로이드 임펠러는 기존의 임펠러 대비 25 내지 50% 내외의 동력과 회전속도만으로 동등한 수준의 혼합물을 제공할 수 있으므로, 에너지 사용량의 절감 및 미세조류 그래뉼을 광합성을 위해 수면 측으로 교반시켜야 하는 미세조류 그래뉼 반응조에 적합하다. 교반기의 종류에 따라 미세조류 그래뉼의 성장 및 그에 따른 성능의 차이는 도 13 및 도 14에 도시되어 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이퍼볼로이드 교반기를 교반부로 포함하는 미세조류 그래뉼 반응조에서 생성된 미세조류 그래뉼과 그렇지 않은 교반부에 의해 생성된 미세조류 그래뉼의 상태를 비교한 사진이며, 도 14는 각 미세조류 그래뉼의 침강성을 비교한 사진이다.
교반부(530)의 형상에 따른 그래뉼 성상 및 침강성능을 비교하기 위하여, 미세조류 그래뉼 반응조(130)는 교반부(530)를 제외한 모든 세부 구성 및 체류시간, 광원부(540)의 작동 조건을 동일하게 유지하였다.
또한, 교반부(530)로는 하이퍼볼로이드 교반기와 방사형 교반기를 적용하였으며, 각 교반기의 교반 조건은 반응조(130)의 모서리 부근에 미세조류 그래뉼이 침적되지 않을 정도의 속도로 각각 설정하였다. 각 실험 조건은 표 3에 정리되었다.
| 구분 | 설정값 | ||
| 반응조 용량 | 20L | ||
| 운전기간 | 15일 | ||
| HRT | 24hr/일 | ||
| 광원 | 일정 간격으로 광원부 on/off | ||
| 교반 조건 |
구분 | 하이퍼볼로이드 교반기 | 방사형 교반기 |
| 교반강도(G) | 40~100 sec-1 | 400~1,000 sec-1 | |
도 13의 그림 (a)는 본 발명의 일 실시예에 의한 하이퍼볼로이드 교반기를 사용한 미세조류 그래뉼 반응조(130)에서 생성된 미세조류 그래뉼이며, 그림 (b)는 동일한 환경 및 반응조에서 방사형 교반기를 사용한 경우에 생성된 미세조류 그래뉼이다.
도 13을 참조하면, 동일한 미세조류-슬러지 시드(Seed)에
하여 동일한 운전조건에서 생성된 그래뉼은 교반기의 종류와 관계없이 모두 남조류가 우점화되어 있음을 확인할 수 있으며, 미세조류 그래뉼의 크기 또한 기 설정된 범위 내로 형성되었다.
그러나, 기존의 방사형 교반기를 이용한 경우 대비 하이퍼볼로이드 교반기를 사용한 경우, 미세조류 그래뉼의 직경이 4 내지 5mm로 방사형 교반기에 의한 그래뉼(1.5mm)보다 크게 성장되어 있음을 확인할 수 있으며, 그래뉼에 부착된 남조류의 밀도도 높게 형성됨을 확인할 수 있다.
또한, 교반기의 종류에 따른 미세조류 그래뉼의 성장 및 침강성을 실험한 결과를 아래 표 4에 나타내었다.
하이퍼볼로이드 교반기를 적용한 경우, 미세조류 그래뉼의 크기가 방사형 교반기 적용시 대비 2배 가량 크게 성장되었으며, 미세조류 그래뉼이 목표 크기까지 성장되어 정상적인 수처리를 수행하기까지 소요되는 안정화 기간 역시 방사형 교반기 적용시 대비 1/2정도 단축시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
| 구분 | 하이퍼볼로이드 교반기 | 방사형 교반기 |
| 측정기준 | 반응조 운전 후 15일 경과 | |
| 그래뉼의 크기 | 3~5 mm | 1~3 mm |
| 시드(Seed) 투입 후 미세조류 그래뉼 안정화 기간* |
7일(1주) | 15일(2주) |
| SVI5 | 4 mL/g 이하 | 12 mL/g 이하 |
| MLSS | 5,200 mg/L | 3,300 mg/L |
| *안정화 기간: 그래뉼이 목표 크기까지 형성되고 정상적인 처리효율을 나타내는 기간 | ||
동일한 미세조류-슬러지 시드(Seed)의 투입과 운전 조건의 제어 하에서, 미세조류 그래뉼 반응조의 운전 개시 후 15일 경과 시, 반응조 내의 MLSS는 하이퍼볼로이드 교반기를 사용한 경우 5,200mg/L로 방사형 교반기의 사용시 보다 높게 나타났으며, 슬러지 침강성 측정 결과 5분 이내 완벽한 그래뉼의 침전을 보였다.
도 14는 위의 각 교반기에 대한 미세조류 그래뉼의 침강성을 측정한 결과를 나타낸 사진이다.
도 14의 그림 (a)는 하이퍼볼로이드 교반기를 적용한 경우의 미세조류 그래뉼의 침강성을 실험한 결과이며, 그림 (b)는 방사형 교반기를 적용한 경우의 그래뉼의 침강성을 나타낸 것으로, 하이퍼볼로이드 교반기를 적용한 경우의 미세조류 그래뉼의 침강성(SVI) 측정 결과는 기존의 방사형 교반기의 사용 시 대비 우수한 침강성을 달성함을 확인할 수 있다.
하이퍼볼로이드 교반기를 적용한 경우의 미세조류 그래뉼의 침강성은 SVI5 기준으로 방사형 교반기 사용시 대비 60% 정도 향상됨을 위의 표 4에서 확인할 수 있다.
나아가, 하이퍼볼로이드 교반기를 적용한 경우 미세조류 그래뉼의 부유물질(Suspended Solid, SS) 제거율이 방사형 교반기를 적용한 경우 대비 현저하게 개선됨을 확인할 수 있다.
이는 전술한 바와 같이, 하이퍼볼로이드 교반기는 상, 하 방향으로 형성되는 수류에 의해 수직방향으로 하강하는 과정에서 미세 크기의 플록(Floc)을 포획하게 되어 미세 부유물질의 제거가 달성되는 것으로 보인다.
반면, 방사형 교반기를 사용하는 경우는 상등수에서 일부 잔류하는 미세 플록이 육안으로도 확인되었다. 이는 방사형 임펠러에서 생성된 전단력이 국부적으로 매우 높아지면서 미세 플록의 파손으로 작용한 결과로 보인다.
| 구분 | 유입수 (1차 처리조 처리수) |
미세조류 그래뉼 반응조 처리수 | |
| 하이퍼볼로이드 교반기 | 축방향 교반기 | ||
| SS | 130 mg/L | 6 mg/L (95% 제거) |
14 mg/L (89% 제거) |
| TCODcr | 220 mg/L | 45 mg/L | 45 mg/L |
| SCODcr | 170 mg/L | 22 mg/L | 17 mg/L |
| T-N | 35 mg/L | 8.6 mg/L | 8.5 mg/L |
| T-P | 3.8 mg/L | 0.71 mg/L | 0.88 mg/L |
위의 결과로부터, 미세조류 그래뉼 반응조(130)에서 교반부(530)로서 하이퍼볼로이드 교반기를 적용하여 수류 패턴을 제어함으로써, 기존 교반부 대비 적은 전력으로도 미세조류 그래뉼의 성장 및 안정화 기간을 단축시킬 수 있으므로, 미세조류 그래뉼 반응조(130)에서의 체류 시간 단축이 달성되어 처리 용량의 증대 및 에너지 사용량 저감 측면에서도 효율을 개선할 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 광원부(540)는 반응조(510)의 상부에 위치되어 반응조(510) 내부로 광이 입사되도록 할 수 있다. 광원부(540)는 별도의 전원장치(미도시)로부터 전원을 공급받아 광을 조사할 수도 있고, 태양광을 입사받아 에너지를 생성하여 저장하는 에너지 저장장치(미도시)를 추가로 구비하여 태양광으로부터 저장된 에너지를 이용하여 광을 조사할 수도 있다.
미세조류 그래뉼 반응조(130)로 조사되는 광은 태양광 또는 인공광이 될 수 있으며, 태양광과 인공광이 함께 사용될 수도 있다. 태양광을 적용하는 경우, 그래뉼 반응조(130)는 태양광이 입사되는 장소에 배치되어 운영될 수 있다. 이 때 태양이 떠 있지 않은 시간 동안에도 인공광인 광원부(540)를 이용하여 미세조류의 광합성을 유도할 수 있다.
광원부(540)는 미세조류 그래뉼 반응조(130)에 대하여 기 설정된 주기로 광을 조사하여 반응조(510) 내에서 명반응과 암반응이 교번하여 수행되도록 할 수 있다. 광원부(540)에 의해 반응조(510) 내부로 입사되는 광은 일정 깊이까지만 도달할 수 있기에, 반응조(510) 내부에는 수면으로부터 일정 깊이까지 광이 입사되는 영역(550)과, 입사되지 않는 영역(560)이 구분된다.
미세조류는 광을 입사받아 광합성을 수행하는데, 광합성 과정은 명반응과 암반응으로 진행된다. 미세조류는 광이 조사되는 상황에서 NADP+가 존재할 경우, 명반응을 수행하여 에너지(ATP), 산소(O2) 및 NADPH를 생산한다. 한편, 광이 조사되지 않는 환경에서 이산화탄소와 NADPH가 존재할 경우, 미세조류는 에너지를 소비하여 포도당, 물 및 NADP+를 생산한다. 즉, 미세조류가 명반응을 수행하여 산소를 생산하기 위해서는 암반응의 산물인 NADP+가 존재해야 하므로, 명반응과 암반응은 지속적으로 수행되어야 함을 알 수 있다.
따라서, 반응조(510)는 광이 입사되는 영역(550)과 그 외의 광이 입사되지 않는 영역(560)에서 명반응과 암반응이 지속적으로 수행될 수 있다. 그러나 각 영역에서 명반응과 암반응이 지속적으로 수행될 경우, 미세조류가 원활히 산소를 생성하지 못하는 문제가 발생할 수 있으므로, 이에 교반부(530)는 반응조(510) 내에서 미세조류 그래뉼이 반응조(510) 상부의 광이 입사되는 영역(550)과 하부의 광이 입사되지 않는 영역에 고르게 위치할 수 있도록 상, 하로 수류를 발생시켜 교반시키면서, 미세조류 그래뉼을 형성하고, 유기물과 질소를 제거한다.
제어부(미도시)는 미세조류 그래뉼 반응조(130)의 동작을 제어한다.
제어부(미도시)는 매트(Mat) 형태의 미세조류-슬러지 시드가 미세조류 그래뉼 반응조(130)로 공급되면, 반응조(130)로 1차 처리조(110)에서 유출되는 하수의 유입과 교반부(530), 광원부(540)의 동작을 제어한다.
제어부(미도시)는 미세조류 그래뉼 반응조(130) 내부에서 그래뉼이 성장될 수 있도록 교반부(530)의 교반 속도를 제어하며, 미세조류 그래뉼 반응조(130) 내의 부유물질 농도 및/또는 탁도를 파악하여 미세조류 그래뉼이 성장하였는지 판단한다. 이를 위하여, 미세조류 그래뉼 반응조(130)는 별도의 계측부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
미세조류 그래뉼 반응조(130) 내의 부유물질 농도/탁도, 용존산소량 또는 수중 이산화탄소량 등을 파악하여 미세조류 그래뉼이 과도하게 성장하거나 그래뉼의 농도가 지나치게 증가한 경우, 제어부(미도시)는 교반부(530)의 동작을 중단한다.
미세조류 그래뉼의 크기가 지나치게 커질 경우, 하수처리 공정에서 반응조 단위 면적당 그래뉼의 표면적이 오히려 감소하게 된다. 미세조류 그래뉼의 표면적 감소는 광합성량 감소로 이어져, 충분한 산소가 발생되지 못한다. 따라서, 제어부(미도시)는 미세조류 그래뉼의 크기가 기 설정된 범위를 벗어나는지 판단하여, 교반속도를 제어한다.
미세조류 그래뉼의 크기가 기 설정된 범위에 미치지 못할 경우, 제어부(미도시)는 교반부(530)의 교반속도를 감소시킨다. 교반속도가 감소됨에 따라, 미세조류 그래뉼이 광이 입사되는 영역(550)에 체류하는 시간이 증가하여 그래뉼이 성장할 수 있다. 반대로, 미세조류 그래뉼의 크기가 기 설정된 범위를 벗어난 경우, 제어부(미도시)는 교반속도를 증가시켜 그래뉼의 크기가 작아질 수 있도록 한다.
또한, 제어부(미도시)는 미세조류 그래뉼 반응조(130)의 광원부(540)의 동작을 제어한다. 반응조(130) 내 광이 입사되는 영역(550)과 광이 입사되지 않는 영역(560)의 비율을 조절하여 미세조류 그래뉼이 기 설정된 크기로 성장할 수 있도록 광원부(540)를 제어할 수 있다.
광이 입사되는 영역(550)과 입사되지 않는 영역(560)의 비율은 1:1일 경우 가장 효율적으로 미세조류 그래뉼이 유기물과 질소를 제거할 수 있다. 이에, 제어부(미도시)는 광원부(540)를 제어하여 광이 입사되는 영역과 입사되지 않는 영역의 비율을 제어한다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 하수처리 장치가 하수를 처리하는 방법을 도시한 순서도이다. 하수처리 장치(100)가 하수를 처리하는 방법은 도 1을 참조하여 상세히 설명하였기 때문에, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
하수처리 장치(100)는 1차 처리조(110)를 이용하여 하수를 유입받아, 부유물질 또는 고형물을 제거한다(S1510).
미세조류 그래뉼 배양조(120)에서 기 설정된 환경을 조성하여, 1차 처리조(110)로부터 유입된 하수로부터 미세조류를 배양하며, 매트(Mat) 형상의 미세조류-슬러지 응집체인 시드(Seed)를 형성한다(S1520).
미세조류 그래뉼 반응조(130)는 1차 처리조(110)에서 유입된 하수와 미세조류 그래뉼 배양조(120)에서 유입받은 미세조류-슬러지 시드(Seed)로부터 미세조류 그래뉼을 생성한다(S1530).
미세조류 그래뉼 반응조(130)에서 수광되는 광의 강도 및 용존산소량 또는 수중 이산화탄소량 등을 파악하여 교반속도를 제어하면서, 하수 내 유기물 및 질소를 제거한다(S1540).
침전조(140)를 이용하여 미세조류 그래뉼 반응조(130)로부터 유입된 하수 내 잔류 부유조류 및 미세조류 그래뉼을 침전시켜 제거하고, 상등수는 유출한다(S1550).
혐기성 소화조(150)를 이용하여 1차 처리조(110), 미세조류 그래뉼 반응조(130) 및 침전조(140)로부터 유입되는 바이오매스에 대하여 혐기소화를 수행한다(S1560).
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 하수처리 장치
110: 1차 처리조
120: 미세조류 그래뉼 배양조
130: 미세조류 그래뉼 반응조
140: 침전조
150: 혐기성 소화조
200: 미세조류 그래뉼
210: 슬러지 그래뉼
220: 미세조류
410, 510: 반응조
420, 520: 상부면
430, 540: 광원부
515: 헌치부
530: 교반부
550: 광이 입사되는 영역
560: 광이 입사되지 않는 영역
600: 미세조류-슬러지 시드(Seed)
610, 610': 미세조류층
620: 슬러지층
110: 1차 처리조
120: 미세조류 그래뉼 배양조
130: 미세조류 그래뉼 반응조
140: 침전조
150: 혐기성 소화조
200: 미세조류 그래뉼
210: 슬러지 그래뉼
220: 미세조류
410, 510: 반응조
420, 520: 상부면
430, 540: 광원부
515: 헌치부
530: 교반부
550: 광이 입사되는 영역
560: 광이 입사되지 않는 영역
600: 미세조류-슬러지 시드(Seed)
610, 610': 미세조류층
620: 슬러지층
Claims (9)
- 하수를 유입받아, 하수 내 부유물질 또는 고형물을 분리하는 1차 처리조;
상기 1차 처리조를 거친 하수와, 외부로부터 미세조류의 종균을 유입받아, 혐기 또는 무산소 환경에서 1 내지 7일 동안 미세조류를 정치 상태로 배양하여 미세조류-슬러지의 응집체인 매트(Mat) 형태의 미세조류-슬러지 시드(Seed)를 형성하는 미세조류 그래뉼 배양조;
상기 1차 처리조를 거친 하수와 상기 미세조류 그래뉼 배양조에서 생성된 미세조류-슬러지 시드(Seed)를 유입받아, 미세조류 그래뉼을 생성하고, 생성된 미세조류 그래뉼을 이용하여 하수 내 유기물 및 질소를 제거하는 미세조류 그래뉼 반응조; 및
상기 미세조류 그래뉼 반응조를 거친 하수를 유입받아, 잔류 부유조류 또는 잔류 미세조류 그래뉼을 분리하는 침전조를 포함하되,
상기 미세조류 그래뉼 배양조는 배양조 내부로 광이 입사되고,
상기 매트(Mat) 형태의 미세조류-슬러지 시드(Seed)는 최상면과 바닥면의 미세조류층 및 슬러지층을 포함하여, 바닥면의 미세조류층, 슬러지층 및 최상면의 미세조류층이 적층된 구조로 이루어지며,
상기 미세조류 그래뉼 반응조는,
유입된 하수를 저장하며, 상기 유입받은 미세조류-슬러지 시드를 그래뉼로 생성하는 반응조, 상기 반응조 내부에서 하수와 상기 미세조류 그래뉼을 순환시키록 반응조 내부에 상, 하 방향의 수류를 발생시키는 교반부, 상기 반응조 내부로 광을 조사하는 광원부 및 상기 교반부와 광원부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 반응조에는 바닥면과 내벽이 접하는 경계부분에 헌치부가 형성되어 반응조 내 유체 및 그래뉼의 교반 과정에서 유체의 상승 유동을 보조함과 동시에, 상기 반응조의 모서리 영역에 그래뉼이 침적되는 것을 방지하도록 하는 것을 특징으로 하는 하수처리 장치. - 제1항에 있어서,
상기 미세조류는,
광합성을 수행하는 광 독립영양 미세조류인 것을 특징으로 하는 하수처리 장치. - 제2항에 있어서,
상기 미세조류는,
필라멘트성 남조류 또는 남세균으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 하수처리 장치. - 제1항에 있어서,
상기 미세조류 그래뉼은,
상기 미세조류 그래뉼 반응조에 광이 입사되는 경우, 미세조류에 의한 광합성 반응과 슬러지에 의한 질산화 반응이 수행되며,
상기 미세조류 그래뉼 반응조에 광이 입사되지 않는 경우, 슬러지에 의한 탈질 반응이 수행되는 것을 특징으로 하는 하수처리 장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 교반부는,
상기 반응조 내부에서 상, 하 방향의 수류를 발생시키도록 하는 하이퍼볼로이드 교반기인 것을 특징으로 하는 하수처리 장치. - 제1항에 있어서,
상기 1차 처리조, 상기 미세조류 그래뉼 반응조 또는 침전조로부터 바이오매스를 유입받아 혐기소화를 수행하는 혐기성 소화조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하수처리 장치.
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| KR1020230038359A KR102589760B1 (ko) | 2023-03-24 | 2023-03-24 | 에너지 소비효율의 개선과 미세조류 입상화를 가속할 수 있는 탄소중립형 하수처리 장치 |
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Citations (5)
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| KR101525925B1 (ko) * | 2014-11-20 | 2015-06-09 | 심화준 | 하이퍼 블로이드형 교반기 |
| KR20160128311A (ko) | 2014-01-22 | 2016-11-07 | 유니버시티 오브 매사추세츠 | 폐수 처리 및 바이오에너지 공급원료 생성을 위한 조류-슬러지 과립 |
| KR102021289B1 (ko) * | 2019-01-24 | 2019-09-11 | 주식회사 부강테크 | 하수 처리장치 및 방법 |
| KR20200027629A (ko) | 2018-09-05 | 2020-03-13 | 한양대학교 에리카산학협력단 | 호기성 입상 슬러지가 포함된 처리조를 이용한 수 처리 방법 및 수 처리 시스템 |
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-
2023
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